DE2006304A1 - Steuerung von Ein und Auslaßventilen bei Brennkraftmaschinen - Google Patents
Steuerung von Ein und Auslaßventilen bei BrennkraftmaschinenInfo
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Description
E. 9782
4.2.1970 Su/Kb
4.2.1970 Su/Kb
Anlage zur Zusatz-Patent- und
Gebrauchsmusterhilf sanmeldung
Gebrauchsmusterhilf sanmeldung
Die Erfindung betrifft eine Steuerung von Ein- und Auslaßventilen bei Brennkraftmaschinen durch Flüssigkeit, die
unter Druck und intermittierend gesteuert für jedes Ventil die Stirnfläche eines mindestens mittelbar auf den Ventilschaft
wirkenden Arbeitskolbens in Öffnungsrichtung des Ventils entgegen der Kraft einer Schließfeder beaufschlagt, wobei
die Flüssigkeit weitgehend kontinuierlich zugeführt wird und die intermittierende Steuerung durch ein Magnetventil erfolgt,
nach Patentanmeldung P 19 44 177.1.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Steuerung derart weiter zu entwickeln, daß durch Verändern des öffnungs-
sowie auch des Schließzeitpunktes des Ein- und Auslaßventiles in die Motorregelung zur Verbesserung des Motorverhält
ens, wie Leistung, Drehmoment, Verbrauch und Abgas sowie Bremsmoment eingegriffen wird. Dies soll mit möglichst
einfachen Mitteln und mit möglichst wenig mechanischen Teilen erfolgen.
Der Öffnungszeitquerschnitt der Ventile soll also in Abhängigkeit
von Motorkenngrößen, wie Last und Drehzahl, sowie beim Bremsen änderbar sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Magnetventil für eine geregelte sowie willkürliche
motorkennfeidgerechte Folge von öffnungs- bzw. Schließzeitpunkt mittels eines elektronischen Steuergeräts
steuerbar ist, wobei der Öffnungszeitpunkt des Einlaßventils und der Schließzeitpunkt des Auslaßventils für
jede gewünschte Ventilerhebungskurve änderbar ist.
Ohne großen Aufwand an mechanischen Teilen können hier die einzelnen Istwerte wie Gaspedal- oder Bremspedalstellung,
Drehzahl, Motortemperatur, Außendruck usw. für eine Sollwertbestimmung wie entsprechend frühes oder spätes
öffnen oder Schließen des Magnetventils ausgewertet werden. Hierbei können die Erhebungskurven des Ein- und
Auslaßventils bei ihrer Aufeinanderfolge entweder eine beliebig große Überschneidung haben, oder völlig voneinander
getrennt sein.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist
bei fremdgezündeten Einspritz-Brennkraftmaschinen und
Dieselmotoren die Verbrennungsluftmenge und bei Vergasermotoren die Gemischmenge anstatt durch eine im Saugrohr
angeordnete Drosselklappe durch die Öffnungszeit des Einlaßventils bestimmbar.
Bei einer zusätzlichen Ausgestaltung der Erfindung wird bei abfallender Drehzahl das Auslaßventil zunehmend später
geöffnet.
Eine vorzugsweise das Teillastgebiet betreffende Ausgestaltung der Erfindung ist derart, daß das Einlaßventil mit abnehmender
Last des Motors immer näher dem Zeitpunkt öffnet, zu dem der Motorkolben während des Saughubs seine maximale
Geschwindigkeit erreicht hat. Es ist nämlich angestrebt, die Luftgeschwindigkeit am Ventildurchgang und entsprechend
auch im Verbrennungsraum des Motorzylinders so groß zu halten, daß stets eine gute Aufbereitung und Vermischung von
Luft und Kraftstoff erfolgen kann. Durch diese Verbesserung der Gemischbildung infolge erhöhter Turbulenz wird nämlich
beim Otto-Motor eine Verminderung der schädlichen Stoffe
im Abgas erreicht und außerdem eine Verringerung der Klopfneigung, weil die Verbrennung schneller ablaufen kann, und ™
beim Dieselmotor wird durch die intensivere und raschere Kraftstoffaufbereitung der Zündvorgang verkürzt. Nach einer
das Auslaßventil betreffenden Ausgestaltung der Erfindung ist die Öffnungszeit des Auslaßventils in Abhängigkeit
von der Stellung des Bremshebels änderbar, indem der Öffnungszeitquerschnitt des Auslaßventils mit einer Bremshebelverstellung
in Richtung zunehmender Bremsung abnimmt.
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Hierbei kann im Falle stärkster Motorbremsung das Magnetventil und damit auch das Auslaßventil völlig geschlossen
"bleiben. Das Bremsmoment des Motors unterstützt so die mechanische Fahrzeugbremse, indem eine erhöhte Ausschubarbeit
der Motorkolben entsteht.Vorteilhafterweise kann bei
Betätigung des Bremshebels die Kraftstoffzufuhr abgesperrt
werden, so daß nur reine Luft verdichtet und verdrängt wird.
Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung ist
in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Dabei zeigen:
Fig. 1 die Steuerung bei geschlossenem Motorventil, Fig. 2 ein Diagramm, bei dem der Hub eines Ein- oder Auslaßventils
(Ordinate) über dem Drehwinkel α der Kurbelwelle (Abszisse) dargestellt ist.
In einem nur teilweise dargestellten Zylinderkopf 1 einer Brennkraftmaschine arbeitet ein Ein- oder Auslaßventil 2,
das mit seinem Ventilschaft 3 in einer Dichtung 4 axial
verschiebbar geführt ist. Am einen Ende des Ventilschaftes
ist ein Federteller 5 angeordnet. Zwischen Federteller 5
und Kopf 1 ist eine Schließfeder 6 eingespannt. An dem Kopf 1 ist eine Konsole 7 befestigt, die ein Magnetventil
8 und einen hydraulisch betätigten Arbeitskolben 9 aufnimmt. Der Arbeitskolben 9 ist in einer an die Konsole 7 geschraubte
Buchse 10 möglichst dicht und axial verschiebbar geführt. Die eine Stirnseite des Arbeitskolbens 9 ist während der
Ventilbewegung mit dem Ventilschaft 3 in kraftschlüssiger Verbindung. Das andere Ende des Arbeitskolbens 9 taucht
in einen Raum 11 ein, der auch als Kanal zum Magnetventil 8 hin dient. _,-
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Aus einem Flüssigkeitsbehälter 13 wird dem Magnetventil 8
mittels einer Druckförderpumpe 14 durch eine Leitung 15
Flüssigkeit, die Kraftstoff sein kann, unter Druck"z.B.
100 atü zugeführt. Von der Leitung 15 zweigt stromabwärts
der Pumpe 14 eine Leitung -16 ab, in die ein Drucksteuerventil 17 (Druckbegrenzungsventil) geschaltet ist und die
zurück zum Behälter 13 führt.
Außerdem zweigen von der Leitung 15 Leitungen 18 ab, die zu
den nicht dargestellten zusätzlichen, der dargestellten Ventilsteuerung entsprechenden Ventilsteuereinheiten führen und "
die durch die gleiche Druckförderpumpe 14 versorgt werden.
Der Kraftstoff gelangt in der das Magnetventil 8 aufnehmenden Konsole 7 zuerst in eine Bohrung 20, die mit einem Steuerraum
21 des Magnetventils 8 verbunden ist. Die Mündung der Bohrung 20 wird durch eine Kugel 22 gesteuert, die im Steuerraum
21 beweglich angeordnet ist. Vom Steuerraum 21 führt eine Bohrung 23 zu dem Raum 11 der den Arbeitskolben 9 aufnimmt.
Weiterhin zweigt vom Steuerraum 21 eine Bohrung 24 ab, von der ein Entlastungskanal 25 und daran anschließend eine
Rücklaufleitung 26 zum Behälter 13 führt. Die öffnung
des Steuerraums 21 zur Bohrung 24 ist ebenfalls als Ventil- | sitz für die Kugel 22 ausgebildet. Die Kugel 22 wird durch
eine Feder 27 in einer Lage gehalten, in der sie die Bohrung 20 schließt, wobei zwischen Feder 27 und Kugel 22 ein Anker
28 (mit Dorn 28') eines Elektromagneten angeordnet ist.
ßteuerraum 21, Bohrung 24 und Anker 28 sind in einem Ventileinsatz
29 gelagert, der im Gehäuse der Konsole 7 angeordnet ist und durch das Gehäuse 30 des Elektromagneten in seiner
Einbaulage gehalten wird. Der die Feder 27 aufnehmende Raum
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im Elektromagneten sowie die Bohrung 20 am Eingang des Magnetventils sind durch einen Kanal 31 miteinander verbunden,
so daß in beiden Räumen der gleiche Druck herrscht. Weiterhin ist der Durchmesser des Ankers 28 im Bereich seiner
Dichtung in der Bohrung 24 gleich dem Durchmesser der beiden Ventilsitze der Kugel 22.'Solange also die Kugel 22 die in
der Fig. 1 dargestellte Lage einnimmt, ist die an ihr in •Öffnungsrichtung aufgrund des in der Bohrung 20 herrschenden
Drucks wirkende Kraft gleich der in Schließrichtung der Kugel über den Anker 28 wirkenden Kraft. Zusätzlich wirkt noch
die Feder 27 in Schließrichtung, so daß die Kugel 22 auf ihrem Sitz verharrt.
Sobald die Spule 32 des Elektromagneten durch ein elektronisches
Steuergerät E erregt wird, wird die Kraft der Feder überwunden und der Anker 28 verschoben. Durch den über die
Bohrung 20 nachströmenden Kraftstoff wird die Kugel auf den gegenüberliegenden Sitz gepreßt, dabei die Bohrung 24
verschließend, so daß der unter Druck zugeführte Kraftstoff über die Bohrung 23 in den Raum 11 gelangen kann. Hierdurch
wird der Arbeitskolben 9 verschoben, was ein Öffnen des Ventils 2 zur Folge hat. Sobald die Spule 32 abgeschaltet
wird, wird durch die Feder 27 Anker 28 und Kugel 22 zurückgeschoben, bis wiederum die Bohrung 20 gesperrt ist. Durch
das öffnen der Bohrung 24 kann die Flüssigkeit aus dem Raum 11 über die Bohrung 24, den Kanal 25 und von dort über die
Rücklaufleitung 26 in den Behälter 13 gelangen, was ein
Schließen des Ventils 2 zur Folge hat. Durch den Strömungswiderstand der Kanäle ist ein spielfreies Arbeiten zwischen
Arbeitskolben 9 und Ventilschaft 3 gewährleistet.
Die Verstellbewegung des Arbeitskolbens 9 wird gegen Ende
des jeweiligen Hubes hydraulisch gebremst. Hierfür ist am
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Mantel des Arbeitskolbens 9 ein Bund 34 angeordnet, der zur
Dämpfung der Stellbewegung jeweils in Ausnehmungen 35j35'
taucht, die nahezu den gleichen Durchmesser haben, wie der Bund 3A-. Aus diesen Ausnehmungen 35»35* verdrängt er die vor
ihm in der Ausnehmung befindliche Flüssigkeit durch den zwischen ihm und der Wandung der Ausnehmung gebildeten
radialen Drosselspalt, was eine Dämpfung der Stellbewegung zur Folge hat. Der Drosselspalt muß in jedem Fall so groß
sein, daß auch bei hohen Drehzahlen das Ventil 2 ganz schließt.
Mittels des elektronischen Steuergerätes E, das über eine elektrische Leitung 37 mit der Spule 32 des Elektromagneten
verbunden ist, läßt sich der öffnungs- und SchließZeitpunkt
des Motorventils 2 unabhängig voneinander regeln. Diese vom elektronischen Steuergerät geregelten Sollwert-Größen werden
durch Auswertung von Isteingaben insbesondere von Motorkenngrößen
wie z.B. die Stellung des Gaspedals (also der Last), der Motordrehzahl, des Außendrucks, der Motortemperatur
Usw. bestimmt. Die Istwerte werden über Leitungen 38
dem elektronischen Steuergerät E eingegeben. Eine solche Isteingabe kann die Stellung eines Gaspedals 39 sein,
die durch eine nicht näher dargestellte Vorrichtung 40 gemessen wird. Außerdem führen von dem elektronischen Steuergerät
E elektrische Leitungen 41 zu den nicht dargestellten
zusätzlichen, der dargestellten Ventilsteuerung entsprechenden
VentilSteuereinheiten.
Durch das inFig. 2 dargestellte Diagramm wird der Vorteil dieser Steuerung besonders deutlich. In diesem Diagramm ist
der Hub s (Ordinate) des Motorventils über dem Drehwinkel α (Abszisse) der Motorkurbelwelle (KW) und zwar die Erhebungskurven
von Ein- und Auslaßventil nebeneinander
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dargestellt. Der Öffnungshub ist hier bei diesem Beispiel konstant mit der Größe s^ angenommen. Beispielsweise
ist die maximale Öffnungszeit von Auslaßventil sowie Einlaßventil hier je in einem Kurbelwinkelbereich α von
α. sowie aE 2^0° angenommen. Die unter, den Kurven eingeschlossenen
Flächen entsprechen den Öffnungszeitquerschnitten der jeweiligen Ventile.
Während in der linken Hälfte des Diagramms die Kurven des Auslaßventils (Index A) dargestellt sind, sind in der
rechten Hälfte die Kurven des Einlaßventils (Index E) gezeigt. Die mit I bezeichneten Kurven entsprechen der
maximalen Drehzahl des Motors bei Vollast. Es soll also insbesondere für das Einlaßventil ein möglichst großer
Zeitquerschnitt vorhanden sein. Aufgrund der hohen Drehzahl
und der begrenzten konstanten öffnungs- bzw. Schließgeschwindigkeit
der Motorventile verlaufen diese Kurven I mit einer verhältnismäßig flachen Steigung. Um am
Einlaßventil zugunsten der Motorhöchstleistung einen möglichst großen Öffnungszeitquerschnitt zu erhalten,
überschneiden sich die beiden Erhebungskurven I,d.h.
das Einlaßventil beginnt zu öffnen, bevor das Auslaßventil voll geschlossen hat und zwar bei diesem Beispiel
derart, daß der Uberschneidungswinkel gleich ist.
Die mit II bezeichnete Kurve entspricht der Vollast bei minimaler Drehzahl. Durch die niedrige Drehzahl ist die
Steigung dieser Erhebungskurven II während des Öffnungs-
und Schließabschnitts wesentlich steiler als die Steigungen der Erhebungekurven I· Der gleiche Öffnungsvorgang
der Ventile verlauft wegen der niedrigeren Drehzahl
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über einen kleineren Drelrwinkel α. Damit ergibt sich ein
größerer Öffnungszeitquerschnitt·
Wegen dieses größeren Öffnungszeitquerschnitts ist eine Überschneidung von Auslaßventilkurve mit Einlaßventilkurve
nicht erforderlich. Damit ergibt sich für das Einlaßventil der Vorteil einer schnellen und optimalen Luftfüllung
des Hubvolumens und am Auslaßventil eine entsprechend schnelle Entspannung und Ableitung der
Verbrennungsgase. Es kann also beispielsweise wie aus dem Diagramm ersichtlich, der Öffnungszeitpunkt des |
Auslaßventils bei Vollast für maximale Drehzahl und minimale Drehzahl gleich sein, hingegen der Schließzeitpunkt
bei maximaler Drehzahl später erfolgen (Überschneidung) als bei minimaler Drehzahl. Beim Einlaßventil ist es entsprechend
umgekehrt.
Die Kurven III entsprechen dem Teillastbereich. Auch hier kann Schließzeitpunkt des Auslaßventils und Öffnungszeitpunkt
des Einlaßventils gegeneinander verschoben werden, wobei je nach Drehzahl die Steigung bzw. das Gefälle der
Kurve mehr oder weniger steil ist. So ist auch eine Trennung zwischen lastabhängiger bzw. drehzahlabhängiger Verstellung
möglich, indem die eine Verschiebung in Ab- ' hängigkeit von der Stellung des Gashebels die andere in
Abhängigkeit von der Motordrehzahl erfolgt. Diese Art der Steuerung am Einlaßventil hat den großen Vorteil, daß der
Mitteldruck bzw. das Drehmoment mit fallender Drehzahl erheblich
zunimmt, was eine Verminderung des Kraftstoffverbrauchs z.B. bei kontinuierlicher Einspritzung und des
Schadstoffanfalles zur Folge hat. Es v/ird somit eine
wesentliche Verbesserung des Motorlaufes inbesondere des Leiselaufes zur Leerlaufseite hin erreicht. -10-
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Mit IV ist eine Kurve des Auslaßventils bezeichnet, die eine verhältnismäßig kleine Fläche einschließt, so daß
ah einer bestimmten Drehzahl eine Bremswirkung bewirkt wird. Der Aufsteuer- oder Schließzeitpunkt des Auslaßventils
wird hierbei inAbhängigkeit von der Bremspedalstellung und von der Drehzahl geändert.
Diese last- und drehzahlabhängige Veränderung der Öffnungsund
Schließzeitpunkte am Ein- und Auslaßventil kann sowohl am Otto- wie Dieselmotor noch zu weiteren Leistungssteigerungen
führen. So kann beispielsweise für Vollast bei Höchstdrehzahl die Erhebungskurve des Einlaßventils eine
wesentlich größere Überschneidung mit der Kurve des Auslaßventils aufweisen, wie es durch die Kurve V dargestellt
ist, so daß der Öffnungszeitquerschnitt des Einlaßventils vergrößert wird. Der dem Öffnungsvorgang des Einlaßventils
entsprechende Abschnitt ist in Kurve V gegenüber Kurve I inRichtung Auslaßventilkurve parallel verschoben. Durch diese
Zeitquerschnittvergrößerung wird die sogenannte Rauchgrenze erhöht und möglicherweise bei Dieselmotoren ein Gebläse
oder Verdichter eingespart.
Vorteile können auch dadurch erreicht werden, daß Beginn und Ende der Ventilöffnung gegenüber dem Kurbelwellenwinkel
verschoben vird, wie es durch die Kurven VI gezeigt ist. Beim Auslaßventil ergibt sich diese Teillast entsprechende
Kurve VI beim Bremsen des Motors mittels des Auslaßventils.
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Zu diesen Auswirkungen der variablen Ventilöffnungszeitüberschneidungen,
bzw. Trennungen gehört weiterhin die Einflußnahme auf den Verbrennungsverlauf und damit auf das
Abgas. Die Komponenten CO,CH und NO treten im wesentlichen
im niederen bis mittleren Last- und Drehzahlbereich auf.
Der CO-Gehalt wird durch eine mit der Drehzahl abnehmende
Überschneidung insofern verbessert, als die Restgasmenge vermindert wird und eine magere Gemischanpassung möglich ist.
So wird außerdem ein "aussetzerfreier" Motorlauf erreicht.
Der CH-Gehalt ist in diesem Bereich durch eine möglichst große Ventilöffnungszeitüberschneidung, gegebenenfalls
zusammen mit günstiger Abstimmung der Einspritzzeiten absenkbar. Besonders bei Verzögerung im Schubbetrieb wird
durch Verkleinern oder Aufheben der Überschneidung der CH-Gehalt stark vermindert. Hier kann sogar die jetzt im Schubbetrieb
notwendige Kraftstoffabschaltvorrichtung eingespart
werden.
Der NO-Gehalt wird mittels Abgasrückführung in das Ansaugsystem abgesenkt, wobei die variable Ventilöffnungszeitüberschneidung
insofern vorteilhaft ist, als die Dosiereinrichtung und Abschaltvorrichtung einer äußeren Abgas- \
rückführung entfallen kann.
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Claims (8)
- Robert Bosch GmbH R. 9782 Su/KbStuttgartAnsprüche./Steuerung von Ein- und Auslaßventilen bei Brennkraftmaschinen durch Flüssigkeit, die unter Druck und intermittierend gesteuert für jedes Ventil die Stirnfläche eines mindestens mittelbar auf den Ventilschaft wirkenden Arbeitskolbens in Öffnungsrichtung des Ventils entgegen der Kraft einer Schließfeder beaufschlagt, wobei die Flüssigkeit weitgehend kontinuierlich zugeführt wird und die intermittierende Steuerung durch ein Magnetventil erfolgt, nach Patentanmeldung P 19 44 177.1t dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetventil(8)für eine geregelte sowie willkürliche motorkennfeldgerechte Folge von öffnungs- bzw. Schließzeitpunkt mittels eines elektronischen Steuergeräts (33) steuerbar ist.
- 2. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungszeitpunkt des Einlaßventils (2) und der Schließzeitpunkt des Auslaßventils (2) für jede gewünschte Ventilerhebungskurve änderbar ist.-13-109834/099?-13- 2ÜÜB304Robert Bosch GmbH R. 9782 Su/KbStuttgart
- 3. Steuerung nach Anspruch Λ oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungszeit des Einlaßventils (2) zur Zeitquerschnitts steuerung in Abhängigkeit von Motorkenngrößen änderbar ist, indem Istwerte wie Gaspedalstellung (39»4-0) (Last), Drehzahl, Motortemperatur usw. vom elektronischen Steuergerät (33) zum Sollwert Öffnungszeit ausgewertet werden.
- 4-, Steuerung nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, daß bei fremdgezündeten Einspritz-Brennkraftmaschinen und Dieselmotoren die Verbrennungsluftmenge und bei Vergasermotoren die Gemischmenge anstatt durch eine im Saugrohr angeordnete Drosselklappe durch die Öffnungszeit des Einlaßventils (2) bestimmbar ist.
- 5. Steuerung nach Anspruch 3i dadurch gekennzeichnet, daß bei abfallender Drehzahl das Auslaßventil (2) zunehmend später geöffnet wird.
- 6. Steuerung nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, daß das Einlaßventil (2) mit abnehmender Last des Motors immer näher dem Zeitpunkt öffnet, zu dem der Motorkolben während des Saughubs seine maximale Geschwindigkeit erreicht hat, -14—109834/0892Robert Bosch GmbH R. 9782 Su/KbStuttgart
- 7. Steuerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungszeit des Auslaßventils (2) in Abhängigkeit von der Stellung des Bremshebels (39) änderbar ist,(2) indem der Öffnungszeitquerschnitt des Auslaßventils mit einer Bremshebelverstellung in Richtung zunehmender Bremsung abnimmt.
- 8. Steuerung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Betätigung des Bremshebels (39) die Kraftstoffzufuhr gesperrt wird. /1 0983 W0B9?Leerseite
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