DE3821935A1 - Ventilgesteuerte brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine ventilgesteuerte Brenn­ kraftmaschine mit zwei Auslaßkanälen pro Zylinder, die je­ weils von einem Auslaßventil beherrscht sind, und mit einem Abgasturbolader sowie einer Einrichtung zur Begrenzung des Ladedrucks durch Regelung des der Abgasturbine zugeführten Abgas-Massenstromes.

Bei den bekannten Brennkraftmaschinen mit Abgasturbolader wird der Ladedruck dadurch begrenzt, daß eine die Abgas­ turbine umgehende Bypassleitung vorgesehen wird, in welcher ein vom Ladedruck gesteuertes Abblaseventil, ein sogenanntes Wastegate, eingesetzt ist. Dieses Abblaseventil ist einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt und daher störan­ fällig. Außerdem erhöht das Abblaseventil aufgrund des von ihm verursachten Strömungswiderstandes eine Erhöhung des Abgasgegendrucks, wodurch die Leistung der Brennkraft­ maschine verringert bzw. zur Aufrechterhaltung einer vorge­ gebenen Leistung die Kraftstoffzufuhr gesteigert werden muß, was einen erhöhten Kraftstoffverbrauch und einen erhöhten Ausstoß von Schadstoffen zur Folge hat.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Brenn­ kraftmaschine zu schaffen, bei der eine Begrenzung des Lade­ druckes ohne ein thermisch hochbelastetes Abblaseventil erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Vorschlag kann das externe Ab­ blaseventil oder Wastegate entfallen, da der der Abgas­ turbine zugeführte Abgas-Massenstrom durch die zweiten Auslaßventile begrenzt wird.

Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung haben die beiden Auslaßventile unterschiedliche Steuerzeiten, je­ doch unveränderliche Erhebungen, wobei das Auslaßventil, welches den mit dem Turbineneintritt verbundenen ersten Auslaßkanal beherrscht, einen früheren Öffnungsbeginn hat als das dem zweiten Auslaßkanal zugeordnete Auslaßventil. Der gesamte Abgasmassenstrom wird daher zunächst aus­ schließlich der Abgasturbine zugeführt. Durch entsprechen­ de Wahl des Öffnungsbeginns des zweiten Auslaßventils wird nach Erreichen eines bestimmten Abgasmassenstromes ein Teil desselben über das zweite Auslaßventil an der Abgasturbine vorbeigeführt, so daß die Beaufschlagung der Abgasturbine und damit der Ladedruck begrenzt wird. Das zweite Auslaßventil übernimmt somit die Funktion des üblichen externen Abblaseventils. Durch den Wegfall des störanfälligen, teueren und Bauraum beanspruchenden Ab­ blaseventils mit seiner Steuerung wird nicht nur ein bedeutender Kostenvorteil erreicht, sondern es ergeben sich auch funktionelle Vorteile, da der Abgasgegendruck verringert ist, wodurch sich der erforderliche Ladedruck verringert, der wiederum günstigere Zündwinkel zuläßt. Niedrigerer Ladedruck und optimaler Zündwinkel haben eine niedrigere Abgastemperatur zur Folge, wodurch die thermische Belastung des Abgastraktes verringert wird.

Eine optimale Ausnutzung der Abgasenergie wird erreicht, wenn mindestens die zweiten, mit der Bypass-Leitung in Verbindung stehenden Auslaßventile mit einer variablen Ventilsteuerung versehen ist, die in Abhängigkeit vom Ladedruck gesteuert wird. Die Regelung des Ladedrucks erfolgt dann in der Weise, daß die ersten Auslaßventile, welche die zum Turbineneintritt führenden ersten Aus­ laßkanäle beherrschen, zeitlich so lange vor den zweiten Auslaßventilen geöffnet werden, bis der gewünschte Lade­ druck erreicht ist. Danach folgt je nach der gewünschten Charakteristik ein Öffnen auch der zweiten Auslaßventile, so daß ein Teil des Abgasmassenstromes über die zweiten Auslaßventile abströmen kann und nicht zur Abgasturbine gelangt. Es ist daher in den meisten Fällen ausreichend, nur die zweiten Auslaßventile mit einer variablen, lade­ druckabhängigen Ventilsteuerung zu versehen.

Es ist eine Vielzahl unterschiedlicher variabler Ventil­ steuerungen bekannt, mit denen die Öffnungsdauer, der Ventilhub und/oder die Steuerzeiten (Ventil öffnet, Ventil schließt) verändert werden können. Bei einer hydraulischen Ventilsteuerung können ohne Probleme alle drei genannten Faktoren geändert werden, während bei einer variablen mechanischen Ventilsteuerung meist die Steuerzeiten (AÖ, AS) bei konstanter Öffnungsdauer, jedoch gegebenenfalls veränderlichem Hub, verändert werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine Mehrzylinder-Brennkraftmaschine mit Abgas­ turbolader in schematischer Darstellung,

Fig. 2 bis 5 Ventilerhebungskurven für die Ventile eines Zylinders, und

Fig. 6 ein Diagramm, aus dem der Verlauf des Lade­ drucks in Abhängigkeit von der Drehzahl dar­ gestellt ist.

In Fig. 1 ist eine Hubkolben-Brennkraftmaschine 1 mit vier Zylindern 2 dargestellt, die jeweils zwei Einlaß­ ventile 3 und zwei Auslaßventile 4 und 5 aufweisen. An die ersten Auslaßventile 4 schließen sich erste Auslaß­ kanäle 4 a an, die mit einem ersten Abgaskrümmer 7 ver­ bunden sind, der über ein Abgassammelrohr 8 mit einer Abgasturbine 9 eines Abgasturboladers 10 in Verbindung steht. An die zweiten Auslaßventile 5 schließen sich zweite Auslaßkanäle 5 a an, die mit einem zweiten Abgas­ krümmer 11 in Verbindung stehen, an den eine Bypass­ leitung 12 angeschlossen ist, welche die Abgasturbine 9 umgeht und in die Abgasleitung 13 stromab der Abgas­ turbine 9 mündet. Die Abgasturbine 9 treibt einen Ver­ dichter 15 an, der Frischluft oder ein Kraftstoff-Luft­ gemisch durch eine Ansaugleitung 16 ansaugt und durch eine Ladeluftleitung 17 zu einem Ansaugkrümmer 18 fördert, der mit den von den Einlaßventilen 3 beherrsch­ ten Einlaßkanäle 19 in Verbindung steht. In der Lade­ luftleitung 17 ist eine willkürlich betätigbare Drossel­ klappe 20 angeordnet.

In einer ersten Ausführungsform der Erfindung haben die Auslaßventile 4 und 5 jedes Zylinders 2 unveränderliche Erhebungen, jedoch unterschiedliche Steuerzeiten, die durch die Form der Nocken einer nicht dargestellten Nockenwelle bestimmt und so gewählt sind, daß die Aus­ laßventile 5 später geöffnet und geschlossen werden als die Auslaßventile 4. Ein entsprechendes Ventilerhebungs­ diagramm ist in Fig. 2 dargestellt. Darin ist mit a die Ventilerhebungskurve der Auslaßventile 4, mit b die Ventilerhebungskurve der Auslaßventile 5 und mit c die Ventilerhebungskurve der Einlaßventile 3 bezeichnet. Die Auslaßventile 4 öffnen 30′ KW vor UT und der gesamte Ab­ gasmassenstrom wird zunächst der Abgasturbine 9 zuge­ führt, da die Auslaßventile 5 noch geschlossen sind. Nach 50°KW, d.h. 20°KW nach UT, öffnen auch die Auslaßventile 5 und es wird ein Teil des Abgasmassenstroms durch die Leitung 12 unter Umgehung der Abgasturbine 9 abgeführt. Dadurch wird der Anstieg des Ladedrucks verringert. Da im ersten Drittel des Ausschubvorganges etwa 80% der Abgasenergie abgeführt werden, ist ein schnelles Hoch­ laufen der Abgasturbine 9 sichergestellt. Das Schließen der Auslaßventile 4 erfolgt im Bereich von OT, wo die Ein­ laßventile 3 zu öffnen beginnen. Durch diese Überschnei­ dungsfreiheit wird ein Zurückschieben von Abgasen aus den Auslaßkanälen 4 a in die Zylinder vermieden. Die Auslaß­ ventile 5 schließen vorzugsweise erst 10 bis 20° KW nach OT, wodurch erreicht werden kann, daß in den Zylindern zu Beginn des Einlaßvorganges kein Überdruck herrscht, also Zylinderdrücke wie bei einem Saugmotor vorliegen, so daß die Füllung verbessert wird. Wie ersichtlich, übernehmen die Auslaßventile 5 die Funktion des üblichen Wastegate, indem sie den Aufbau eines übermäßigen Lade­ drucks verhindern. Der Verlauf des Ladedrucks P ₂ über der Drehzahl n ist in dem Diagramm von Fig. 6 darge­ stellt und für die Ventilerhebungskurven von Fig. 2 mit I bezeichnet. Diese Ladedruckkennlinie I ist vor allem für einen Sportmotor geeignet.

Für einen Normalmotor ist es dagegen erwünscht, daß der Ladedruck nach Erreichen einer bestimmten Drehzahl nur schwach ansteigt, konstant bleibt oder sogar abfällt. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Auslaßventile 5 mit einer variablen Ventilsteuerung versehen werden, die in Abhängigkeit vom Ladedruck so gesteuert wird, daß nach Erreichen einer bestimmten Drehzahl der Öffnungs­ beginn der zweiten Auslaßventile 5 in Richtung auf den Öffnungsbeginn der Ventile 4, d.h. in Fig. 2 nach links verschoben wird. Dadurch wird ein immer größerer Anteil des Abgasmassenstromes an der Abgasturbine 9 vorbei durch die Bypassleitung 12 abgeführt. In Fig. 3 ist die ent­ sprechende Ventilerhebungskurve mit b′ bezeichnet und es ergibt sich ein Ladedruckverlauf, der etwa durch die Linie II in Fig. 6 gekennzeichnet ist. Soll der Lade­ druck ab einer bestimmten Drehzahl, die in Fig. 6 mit n ₁ bezeichnet ist, im wesentlichen konstant bleiben, so erfolgt das Öffnen der Auslaßventile 5 entsprechend der Kurve b′′ in Fig. 4 etwa gleichzeitig mit dem Öffnen der Auslaßventile 4 und es ergibt sich die Ladedruckkenn­ linie III in Fig. 6. Soll die Ladedruckkennlinie nach Erreichen der Drehzahl n ₁ abfallen, so wird der Öffnungs­ zeitpunkt der Auslaßventile 5 vor den Öffnungszeitpunkt der Auslaßventile 4 verlegt. In allen Fällen wird je­ doch das Schließen der Auslaßventile 5 später als das Schließen der Auslaßventile 4 erfolgen, um einen Über­ druck in den Zylindern bei Beginn des Einlaßvorganges zu verhindern.

Alternatic könnte die Erhebung der Auslaßventile 5, also die Kurve b in Fig. 2, unverändert bleiben und bei Er­ reichen eines bestimmten Ladedruckes lediglich in Fig. 2 nach links verschoben werden, was mechanisch auf einfache Weise durch Verdrehen der Nocken erreicht werden kann.

Grundsätzlich ist es auch möglich, die Ladedruckkenn­ linien I-IV dadurch zu erreichen, daß die Öffnungs­ dauer der Auslaßventile 5 etwa gleich der Öffnungsdauer der Auslaßventile 4 gewählt, jedoch der Hub der Auslaß­ ventile 5 verändert wird. Ein entsprechendes Ventil­ erhebungsdiagramm ist in Fig. 5 dargestellt, wobei mit den Ventilerhebungskurven b I, b II, b III und b IV die Ladedruck-Kennlinien I, II, III und IV von Fig. 6 erreicht werden können.

Variable hydraulische Ventilsteuerungen, mit denen die Steuerzeiten "Ventil öffnet", "Ventil schließt" unab­ hängig voneinander veränderbar sind und auch der Ventil­ hub variiert werden kann, sind beispielsweise in den DE-OS 21 35 825, 29 26 327 oder 28 25 316 beschrieben und dargestellt. Für den erfindungsgemäßen Zweck ver­ wendbare variable mechanische Ventilsteuerungen sind ebenfalls bekannt, beispielsweise für die Veränderung des Ventilhubes die Verwendung eines konischen, axial verschiebbaren Nockens (MTZ 47 (1986), H. 5, Seite 185ff).

Claims (5)

1. Ventilgesteuerte Brennkraftmaschine mit zwei Auslaß­ kanälen (4 a, 5 a) pro Zylinder (2), die jeweils von einem Auslaßventil (4, 5) beherrscht sind, und mit einem Abgasturbolader (10) sowie einer Einrichtung zur Begrenzung des Ladedrucks durch Regelung des der Abgasturbine (9) zugeführten Abgas-Massenstromes, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Auslaßkanäle (4) aller Zylinder (2) mit der Abgasturbine (9) und die zweiten Auslaß­ kanäle (5) aller Zylinder (2) mit einer die Abgas­ turbine (9) umgehenden Bypassleitung (12) in Ver­ bindung stehen, und daß die beiden Auslaßventile (4, 5) derart gesteuert sind, daß der der Abgasturbine (9) zugeführte Abgas-Massenstrom auf einen Wert begrenzt ist, der einem vorbestimmten Ladedruck entspricht.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden Auslaßventile (4, 5) jedes Zylinders (2) unveränderliche Erhebungen, jedoch unterschiedliche Steuerzeiten aufweisen, wobei die den zweiten Auslaßkanälen (5 a) zugeordneten Auslaß­ ventile (5) einen späteren Öffnungsbeginn haben als die den ersten Auslaßkanälen (4 a) zugeordneten Auslaßventile (4).

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schließzeitpunkt der zweiten Aus­ laßventile (5) später liegt als der Schließzeitpunkt der ersten Auslaßventile (4).

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zweiten Auslaßventile (5) mit einer variablen Ventilsteuerung versehen sind, die in Ab­ hängigkeit vom Ladedruck derart gesteuert ist, daß beim Erreichen eines vorbestimmten Ladedrucks der Öffnungsbeginn der zweiten Auslaßventile (5) in Richtung auf früheres Öffnen verschoben und/oder der Ventilhub der zweiten Auslaßventile (5) ver­ größert wird.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine an sich bekannte variable hydraulische Ventilsteuerung für die zweiten Auslaßventile (5).