DE4203365C1

DE4203365C1 -

Info

Publication number: DE4203365C1
Application number: DE4203365A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr.-Ing. 7000 Stuttgart De Scherenberg
Original assignee: Mercedes Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1992-02-06
Filing date: 1992-02-06
Publication date: 1993-02-11
Anticipated expiration: 2012-02-07
Also published as: GB2263941A; IT1261745B; ITRM930025A1; ITRM930025A0; FR2687190A1; GB9302000D0; FR2687190B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Last einer gemischverdichtenden Viertakt-Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE-Z "Fortschrittsberichte", VDI Reihe 12, Nr. 74, 1986, Seite 192 bis 201 u. Bildanhang ist ein gattungsgemäßes Verfahren bekannt, bei welchem die Brennkraftmaschinenlast nicht mehr über eine in der Ansauglei tung der Brennkraftmaschine angeordnete Drosselklappe gesteuert wird, sondern mittels einer variablen Ventilsteuerung und zwar derart, daß durch eine entsprechende Änderung der Erhebungs kurve des Einlaßventils die in den Brennraum einzubringende Gemischmenge entsprechend der jeweiligen Lastvorgabe angepaßt wird. Dadurch kann zwar die von der Brennkraftmaschine aufzu bringende Arbeit für den Ladungswechsel reduziert werden (keine Drosselverluste in der Ansaugleitung mehr), vor allem im nie deren und im mittleren Teillastbereich, jedoch kommt es in diesen Lastbereichen im Saugrohr aufgrund dessen, daß ein die Kraftstoffverdampfung fördernder hoher Unterdruck stromab einer angestellten Drosselklappe nicht mehr gegeben ist, zu einer verstärkten Kondensation von Kraftstoff, was sich negativ aus wirkt auf die Schadstoffemission der Brennkraftmaschine.

Aus der US-Z "SAE-Paper" Nr. 8 90 001 ist bekannt, gegen Ende des Ansaug taktes das Auslaßventil ein zweites Mal kurzfristig zu öffnen, um hierdurch eine innere Abgasrückführung zu erreichen, durch welche der Brennrauminhalt z. B. zur Verbesserung des Kalt startverhaltens erwärmt werden soll. Da jedoch über den gesam ten Lastbereich der Brennkraftmaschine während desjenigen Zeitraumes, während dem das Auslaßventil gegen Ende des An saugtaktes geöffnet ist, auch das Einlaßventil geöffnet ist, liegt zwischen Brennraum und Abgastrakt nur eine minimale, mit steigender Last noch abnehmende Druckdifferenz vor, so daß der Anteil an rückführbarem Abgas relativ gering ist. Dies hat zur Folge, daß ein vollständiges Verdampfen des Kraftstoffes, ins besondere bei noch nicht betriebswarmer Brennkraftmaschine, nicht gewährleistet ist. Die Gemischbildung ist demzufolge nur unzureichend, so daß auch hier eine relativ hohe Schadstoff emission gegeben ist. Andererseits würde eine Vergrößerung des zweiten Auslaßventilhubes zur Erhöhung der rückgeführten Ab gasmenge im unteren Teillastbereich zu einer zu großen Abgasrückführmenge bei höherer Teillast und bei Vollast führen, welche das Klopfen fördert und die Leistung vermindert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung der Last derart weiterzubilden, daß insbesondere im niederen und im mittleren Teillastbereich eine Reduzierung der Schadstoffemission erzielt wird.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Dadurch, daß sich der Kolben der Brennkraftmaschine bei Teil last nach dem Schließen des Einlaßventils noch in Richtung des unteren Totpunktes (UT) bewegt, entsteht innerhalb des Brenn raumes ein relativ hoher Unterdruck, welcher um so größer ist, je geringer die Brennkraftmaschinenlast ist, denn der Schließ zeitpunkt wird mit fallender Last in Richtung kleinerer Kurbelwinkel α vorverschoben (Verschiebung in Richtung "früh"). Da nun erfindungsgemäß bei diesem relativ hohen Unterdruck im Brennraum das Auslaßventil kurzfristig geöffnet wird, kann eine relativ große Menge noch heißer Abgase aus dem Auslaßkanal in den Brennraum zurückströmen. Diese relativ große Menge an heißem Abgas führt zu einer Erwärmung des Brennrauminhaltes und damit auch des noch tropfenförmig vorliegenden Kraftstoffes, welcher demzufolge sehr schnell verdampfen kann, so daß eine optimale Gemischbildung im Brennraum gegeben ist. Der Schad stoffausstoß, insbesondere die Kohlenwasserstoffemission wird dadurch deutlich reduziert. Zusätzlich positiv auf die Ge mischbildung und damit auf die Schadstoffemission wirkt sich aus, daß der im Zeitraum zwischen dem Schließen des Einlaßven tils und dem Öffnen des Auslaßventils durch die Bewegung des Kolbens in Richtung des unteren Totpunktes entstehende Unter druck im Brennraum das Verdampfen des Kraftstoffes zusätzlich unterstützt. Bei nicht betriebswarmem Motor ergeben sich zu sätzlich Kraftstoffverbrauchsvorteile dadurch, daß infolge besserer Gemischbildung die Anreicherung des Gemisches geringer sein kann.

In der Zeichnung ist die Erfindung anhand eines Ausführungs beispieles näher erläutert.

Im einzelnen zeigt:

Fig. 1 einen Zylinder einer gemischverdichtenden Viertakt-Brennkraftmaschine in einer Prinzipdar stellung,

Fig. 2 das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Dia gramms h=f (α) und

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungs gemäßen Verfahrens anhand eines Diagramms h=f (α).

Fig. 1 zeigt eine gemischverdichtende Viertakt- Brennkraftmaschine 1, deren Gaswechsel über ein in einem Ein laßkanal 2 angeordnetes Einlaßventil 3 und über ein in einem Auslaßkanal 4 angeordnetes Auslaßventil 5 gesteuert wird. Die Last der Brennkraftmaschine 1 wird dabei nicht, wie bei einer konventionellen Brennkraftmaschine, mittels einer in der An saugleitung der Brennkraftmaschine angeordneten Drosselklappe gesteuert, sondern über eine entsprechende Steuerung des Erhe bungsverlaufes des Einlaßventils 3. Die Veränderung des Erhe bungsverlaufes sowohl des Einlaßventils 3 als auch des Auslaß ventils 5 erfolgt über je eine geeignete, in der Zeichnung nicht explizit dargestellte Vorrichtung, mit Hilfe derer für jedes Ventil jede beliebige Hubkurve realisiert werden kann.

In Fig. 2 ist in einem Diagramm 6 der Funktionsverlauf h=f(α), welcher den Zusammenhang zwischen dem Hub h_E des Einlaßventils 3 bzw. dem Hub h_A des Auslaßventils 5 und dem Kurbelwinkel α (s. auch Fig. 1) im Bereich während des Ansaugtaktes aufzeigt, zu sehen, daß bei Vollast der Brennkraftmaschine 1 das Einlaßventil 3 gemäß der Erhebungskurve I, bei mittlerer Teillast gemäß der Erhebungs kurve II, und im niederen Teillastbereich gemäß der Erhebungs kurve III gesteuert wird. Der Schließzeitpunkt des Einlaßven tils 3 wird also mit sinkender Last in Richtung kleinerer Kur belwinkel α verschoben (Verschiebung in Richtung "früh"). Die Fläche, welche jede dieser drei Kurven I, II und III mit der Abszisse 7 einschließt, ist jeweils ein Maß für die pro Ar beitsspiel angesaugte Gemischmenge und damit für die jeweilige Brennkraftmaschinenlast. In der Fig. 2 ist mit OT die obere Totpunktstellung des Kolbens 9 beim Wechsel vom Ausschiebetakt in den Ansaugtakt bezeichnet (Überschneidungs-OT). Mit UT ist die untere Totpunktstellung des Kolbens 9 beim Übergang vom Ansaug- in den Verdichtungstakt bezeichnet. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, im niederen und im mittleren Teillastbereich - noch während des Ansaugtaktes - in einem vorgegebenen Abstand Δα nach dem Schließzeitpunkt des Einlaßventils 3 das Auslaßven til 5 kurzfristig zu öffnen. Dies ist in dem Diagramm 6 der Fig. 2 durch die gestrichelte Erhebungskurve 8 dargestellt. Der Abstand vom Schließzeitpunkt α₁ bzw. α₂ des Einlaßventils 3 bis zum Öffnungsbeginn α₃ des Auslaßventils 5 ist bei niederer Teillast mit Δα₁ und bei mittlerer Teillast mit Δα₂ bezeichnet. Im Bereich der Vollast (Kurve I) erfolgt die kurzfristige Öffnung des Auslaßventils 5 (Kurve 8) in einem Bereich, in welchem das Einlaßventil 3 noch nicht geschlossen ist.

Bei niederer Teillast (Kurve III) bzw. bei mittlerer Teillast (Kurve II) entsteht dadurch, daß zwischen dem Schließzeitpunkt α₁ bzw. α₂ des Einlaßventils 3 und dem Öffnungszeitpunkt α3 des Auslaßventils 5 kein Ventil geöffnet ist, durch die Abwärtsbe wegung des Kolbens 9 von α₁ bzw. α₂ nach α₃ im Brennraum 10 ein Unterdruck. Wird nun zum Zeitpunkt α3 das Auslaßventil 5 ge öffnet, so ist zwischen Brennraum 10 und Auslaßtrakt 4 eine relativ hohe Druckdifferenz gegeben, welche ein Rückströmen von im Abgastrakt 4 befindlichem, noch heißem Abgas verursacht. Dieses heiße Abgas führt zu einer Erwärmung des zuvor ange saugten Gemisches und damit zu einer Verdampfung des in dieser Phase noch in Tröpfchenform vorliegenden Kraftstoffes, was sich positiv auf die Gemischbildung innerhalb des Brennraumes 10 auswirkt. Mit steigender Last wird der Abstand Δα zwischen dem Schließzeitpunkt des Einlaßventils 3 und dem Öffnungszeitpunkt des Auslaßventils 5 immer geringer, so daß auch der durch den sich abwärts bewegenden Kolben 9 bis zum Öffnen des Auslaßven tils 5 entstehende Unterdruck und damit die Druckdifferenz zwischen Abgastrakt 4 und Brennraum 10 immer geringer wird. Dies hat zur Folge, daß auch die während des kurzfristigen Öffnens des Auslaßventils 5 in den Brennraum 10 zurückströmende Abgasmenge geringer wird. Bei Vollast (Kurve III) schließlich ist das Einlaßventil 3 während des gesamten Zeitraums innerhalb welchem das Auslaßventil 5 geöffnet ist (Kurve 8), ebenfalls noch in einer Öffnungsstellung, so daß zwischen Brennraum 10 und Abgastrakt 4 nur noch eine vergleichsweise minimale Druck differenz vorliegt. Die im Vollastbereich während des kurzfri stig geöffneten Auslaßventils 5 rückgeführte Abgasmenge ist damit vernachlässigbar. Somit ist auch mit keiner nennenswerten Leistungseinbuße oder Klingelempfindlichkeit bei Vollast zu rechnen.

Die rückgeführte Abgasmenge kann auch durch eine last- und drehzahlabhängige Phasenverschiebung des Auslaß- und/oder des Einlaßhubes h_A bzw. h_E erfolgen. So ist in Fig. 3 bei einem weiteren Ausführungsbeispiel mit der Kurve IV die Erhebungs kurve des Auslaßventils 5 während des Ausschiebetaktes, mit der Kurve V die Erhebungskurve des Einlaßventils 3 während des An saugtaktes und mit der Kurve 11 die in einem zeitlichen Abstand zum Schließzeitpunkt α_ES des Einlaßventils 3 folgende, erfindungsgemäße Erhebungskurve des Auslaßventils 5 während des Ansaugtaktes dargestellt. In dieser Fig. 3 ist mit UT₁ die untere Totpunktstellung des Kolbens 9 beim Übergang vom Ar beitstakt in den Ausschiebetakt, mit OT die obere Totpunkt stellung des Kolbens 9 beim Wechsel vom Ausschiebetakt in den Ansaugtakt (Überschneidungs-OT) und mit UT₂ die untere Tot punktstellung des Kolbens 9 im Übergang vom Ansaugtakt in den Verdichtungstakt bezeichnet. Sowohl die Überschneidung zwischen den beiden Ventilerhebungskurven IV und V (schraffierte Fläche 12 zuzüglich der kreuzweise schraffierten Fläche 13) als auch der Abstand zwischen dem Schließzeitpunkt α_ES des Einlaßventils 3 und dem Öffnungszeitpunkt α_AÖ des Auslaßventils 5 bestimmen diejenige Abgasmenge welche während eines Arbeitsspiels in den Brennraum 10 rückgeführt wird. Werden nun die beiden Erhe bungskurven IV und 11 gemeinsam in Richtung "früh" (Pfeil 14) phasenverschoben (gestrichelte Kurven IV′ und 11′), so ist zu sehen, daß sowohl die Überschneidungsfläche der beiden Kurven IV′ und V (kreuzweise schraffierte Fläche 13) als auch der Ab stand zwischen dem Schließzeitpunkt α_ES des Einlaßventils 3 und dem Öffnungszeitpunkt α_AÖ′ des Auslaßventils 5 kleiner wird. Es wird also weniger Abgas rückgeführt. Im umgekehrten, in der Zeichnung der Übersichtlichkeit wegen nicht explizit darge stellten Fall, also bei einer Phasenverschiebung der beiden Kurven IV und 11 in Richtung "spät" (Pfeil 15) wird sowohl die Überschneidungsfläche der beiden Kurven IV und V als auch der Abstand zwischen dem Schließzeitpunkt α_ES des Einlaßventils 3 und dem Öffnungszeitpunkt α_AÖ des Auslaßventils 5 und demzu folge auch die rückgeführte Abgasmenge größer.

Anstelle einer Phasenverschiebung der beiden Kurven IV und 11 kann auch die Erhebungskurve des Einlaßventils V verschoben werden, wobei eine Verschiebung in Richtung "spät" (Pfeil 15) zu einer Reduzierung der Überschneidungsfläche der beiden Kur ven IV und V sowie zu einer Reduzierung des Abstandes zwischen dem Schließzeitpunkt α_ES des Einlaßventils 3 und dem Öffnungszeitpunkt α_AÖ des Auslaßventils 5 führt, was wiederum eine Re duzierung der Abgasrückführmenge zur Folge hat.

Im umgekehrten Fall schließlich, also bei einer Verschiebung der Erhebungskurve V des Einlaßventils 3 in Richtung "früh" (Pfeil 14) kommt es zu einer Vergrößerung der Überschneidungs fläche zwischen den beiden Kurven IV und V sowie zu einer Ver größerung des Abstandes zwischen dem Schließzeitpunkt α_ES des Einlaßventils 3 und dem Öffnungszeitpunkt α_AÖ des Auslaßventils 5. Beides hat damit eine Vergrößerung der Abgasrückführrate zur Folge.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann für bestimmte Betriebsbe reiche auch mit einer äußeren Abgasrückführung (Rückführung über separate Abgasrückführleitung) kombiniert werden.

Claims

1. Verfahren zur Steuerung der Last einer gemischverdichtenden Viertakt-Brennkraftmaschine, deren Gaswechsel über wenigstens ein Ein- und ein Auslaßventil gesteuert wird, bei welchem Ver fahren der Schließzeitpunkt des Einlaßventils mit sinkender Last in Richtung kleinerer Kurbelwinkel vorverschoben wird, dadurch gekennzeichnet daß im niederen und im mittleren Teillastbereich nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne (Δα) nach dem Schließen des Ein laßventils (3) das Auslaßventil (5) kurzfristig geöffnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß mit steigender Brennkraftmaschinenlast die Zeitspanne (Δα) zwischen dem Schließen des Einlaßventils (3) und dem kurzfri stigen Öffnen des Auslaßventils (5) reduziert wird.