DE4436753A1 - Brennkraftmaschine mit lastabhängiger Füllungssteuerung durch Steuerzeitenveränderung von Ladungswechselventilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1. Bekanntlich bieten derartige Brennkraftmaschinen gegenüber der üblichen Füllungssteuerung durch eine im Saugrohr angeordnete, beispielsweise über ein Gas­ pedal betätigbare Drosselklappe den Vorteil des Fortfalls von Drosselverlusten an der Drosselklappe, da die Saugrohranordnung bis hin zu den Einlaßventilen in allen Betriebszuständen der Maschine praktisch strömungswiderstandsfreie Frischgaskanäle bildet. Bekannt ist aber auch - siehe nur die Beschreibungsein­ leitung der gattungsbildenden DE-OS 34 01 362, F02D 13/02 - der darin bestehende Nachteil der Füllungssteuerung allein durch Veränderung der Steuerzeiten der Ladungswechselventile, daß sich mit abnehmender Last das wirksame Verdichtungsverhältnis in den Brennräumen und damit die Verdichtungsendtemperatur verringern. Daraus resultieren eine Verringerung der Zündfähigkeit des Kraftstoff-Luft-Gemischs und der Güte der Verbrennung. Wie in der zitierten Textstelle ausgeführt, werden so die Vorteile des Fehlens von Drosselverlusten bei Teillast zumindest teilweise wieder zunichte gemacht.

Es fehlt daher nicht an Vorschlägen, der Verringerung der Ver­ dichtungsendtemperatur bei diesem Maschinentyp entgegenzuwirken.

Die zitierte DE-OS 34 01 362 lehrt eine derart aufeinander abge­ stimmte Steuerung der Öffnungs- und Schließzeiten der Ein- und Auslaßventile, daß nach Abschluß des Ladungswechsels in dem betrachteten Brennraum noch eine bestimmte Abgasmenge vorhanden ist, so daß dadurch das verbleibende Brennraumvolumen für die Aufnahme von Frischgas zum Zweck der Laststeuerung reduziert ist. Während des Füll- und Verdichtungsvorgangs sollen sich die Anteile an Abgas und Frischgas im Brennraum vermischen. Das Be­ sondere an dieser Ventilsteuerung ist darin zu sehen, daß die Steuerung des Auslaßventils des betreffenden Brennraums nicht nur in üblicher Weise zur Steuerung des Auslaßvorgangs, sondern auch wesentlich zur Steuerung der dem Brennraum jeweils Zuge­ führten Frischgasmenge herangezogen wird. Durch diese intelli­ gente Steuerung der Steuerzeiten aller Ladungswechselventile wird zwar das Verdichtungsverhältnis in den Brennräumen und damit die Verdichtungsendtemperatur erhöht, jedoch macht es Schwierigkeiten, auch weitere wesentliche Gesichtspunkte für den Betrieb der Maschine, wie die Abgaszusammensetzung, optimal zu berücksichtigen.

Das Ladungswechsel-Verfahren nach der EP 0 291 792 A2, F02D 13/02, vermeidet zur Füllungssteuerung ebenfalls eine Drossel­ klappe mit ihren unerwünschten Drosselverlusten und sieht zur Vermeidung der beschriebenen Schwierigkeiten Maßnahmen zur Erhö­ hung der Verwirbelung des Kraftstoff-Luft-Gemischs in der Weise vor, daß die Frischgaszufuhr zum Brennraum im wesentlichen im Verdichtungstakt erfolgt, wobei ein Ausschieben der zugeführten Ladung noch während dieses Verdichtungstaktes verhindert wird. Hier müssen jedoch infolge des dann im Brennraum vorliegenden (und angestrebten) hohen Unterdrucks Maßnahmen zur Vermeidung schlagartiger Vorgänge getroffen werden. Hierzu gehören kurz­ zeitige Öffnungsvorgänge der Einlaßventile während des Saug­ taktes, so daß komplizierte Ventilsteuerungen erforderlich sind.

Aus der DE-OS 21 20 785, F02M 31/00, die sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb einer selbstzündenden Ein­ spritzbrennkraftmaschine für Vielstoffbetrieb bezieht, ist es bekannt, beim Betrieb mit zündunwilligen Brennstoffen, das Ver­ dichtungsverhältnis durch zusätzliche Maßnahmen so zu erhöhen, daß auch im Leerlauf und bei Teillast eine ausreichende Verdich­ tungstemperatur erreicht wird. Dies soll bei niedrigem Verdich­ tungsverhältnis durch eine Vorwärmung der Verbrennungsluft durch Zuführung heißer Abgase oder über einen vom Kühlwasser der Ma­ schine beschickten Wärmetauscher erfolgen. Dabei soll diese Vor­ wärmung sowohl in Abhängigkeit von dem spezifischen Gewicht des jeweils vorliegenden Brennstoffs als auch lastabhängig, z. B. abhängig von der Stellung des Lasthebels der Einspritzpumpe, gesteuert werden. Besonders hervorgehoben wird eine Vorwärmung durch Zuführung einer bestimmten Brennstoffmenge zur Verbren­ nungsluft, so daß unter Verwendung einer zusätzlichen Zündeinrichtung eine Vorwärmung durch Verbrennung erfolgt.

Das letztbeschriebene Verfahren begegnet verständlicherweise hinsichtlich des zusätzlichen Aufwands, des zusätzlichen Kraft­ stoffbedarfs und möglicherweise der Beeinflussung der Abgaszu­ sammensetzung Bedenken. Der letztgenannte Umstand gilt bezüglich der erwähnten Beimischung heißer Abgase zur Verbrennungsluft.

Zur Vermeidung regelungstechnischer und thermodynamischer Pro­ bleme insbesondere im unteren Lastbereich einer Brennkraftma­ schine, die ebenfalls zwecks Vermeidung von Drosselverlusten mit Füllungssteuerung durch Veränderung der Ventilsteuerzeiten ar­ beitet, ist aus der EP 0 325 162 A1, F02D 13/02, schließlich ein "unterteilter" Betrieb in der Weise bekannt, daß in einem oberen Lastbereich die übliche Drosselung der Ansaugluftmenge mittels einer Drosselklappe vorgenommen wird, dagegen in einem unteren Lastbereich allein die Steuerzeiten der Ladungswechselventile geändert werden. Kraß gesprochen werden nach diesem Vorschlag also die Nachteile der drosselfreien Füllungssteuerung in einem bedeutenden Lastbereich der Maschine dadurch vermieden, daß auf eine Füllungssteuerung mittels einer Drosselklappe zurückge­ griffen wird; nur im Leerlauf bzw. im leerlaufnahen Betrieb erfolgt die Füllungssteuerung durch Steuerzeitenveränderung der Ladungswechselventile.

Betrachtet man den diskutierten Stand der Technik in seiner Ge­ samtheit, so wird ersichtlich, daß die bei einer drosselfreien Füllungssteuerung auftretenden Probleme seit langem bekannt sind und daß es auch eine ganze Reihe von Lösungsvorschlägen gibt, die aber als unbefriedigend bezeichnet werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine zu schaffen, die eine drosselfreie Füllungs­ steuerung mit optimaler Verbrennungstemperatur ohne Fremdener­ giezufuhr und weitgehend ohne Inkaufnahme von Nachteilen durch die Trägheit des Systems gestattet.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kenn­ zeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs, vorteilhafte Ausbil­ dungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.

Durch Verwendung der auch nach einem Kaltstart sehr schnell zur Verfügung stehenden, zweckmäßigerweise hinter einem Abgaskataly­ sator abgegriffenen Abgaswärme der Brennkraftmaschine zur Vor­ heizung des Frischgases ist an sich gegenüber der Ausnutzung der Kühlwasserwärme eine schnellere Wirksamkeit der Mittel zur Sicherstellung einer ausreichend hohen Verdichtungsendtemperatur gewährleistet. Insbesondere im eingeschwungenen Betrieb der Maschine kann aber auch die Wärme des Kühlwassers herangezogen werden. Hinzu kommt das erfindungsgemäße Überspielen der Träg­ heit der durch Steuerzeitenveränderung erfolgenden Füllungs­ steuerung durch eine nur bei der Einleitung von Laständerungsbe­ fehlen (beispielsweise von einem Gaspedal) wirksamen Drossel­ klappe. In Abweichung von der Lehre der zitierten EP 0 325 162 A1 liegt also nicht eine Unterteilung in zwei Lastbereiche, von denen einer mit Drosselklappensteuerung, der andere Ventilzeit­ steuerung arbeitet, vor, sondern die Drosselklappensteuerung erfolgt nur kurzzeitig bei Laständerungsbefehlen zum Zwecke des Überspielens der Trägheit des Systems.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung erläutert, deren Figuren schematisch ver­ schiedene Ausbaustufen wiedergeben. Auf die Darstellung der ein­ zelnen Einrichtungen, wie Brennkraftmaschine, Drosselklappe, Katalysator und Turbolader, kann verzichtet werden, da derartige Einrichtungen zum jedem Fachmann bekannten Stand der Technik gehören.

Betrachtet man zunächst Fig. 1, so ist bei 1 eine Brennkraftma­ schine mit variabler Ladungswechselventilsteuerung angedeutet. Derartige Ventilsteuerungen gehören, wie auch der zitierte Stand der Technik belegt, zum Kenntnisstand der Fachwelt. Sie arbeiten beispielsweise mit Einrichtungen zur Verstellung der Umfangslage (Phasenlage) von Nockenwellen, deren Nocken auf die Ladungs­ wechselventile einwirken, oder mit in Umfangsrichtung gegenüber den eigentlichen Nockenwellen verschwenkbaren Nocken. Bekannt sind auch spreizbare Nocken zur Änderung der Breite der Ventil­ hubkurve.

In der Abgasleitung 2 der Brennkraftmaschine 1 erkennt man zwischen dem üblichen Abgaskatalysator 3 und dem Hauptschall­ dämpfer 4 den Abgaswärmetauscher 5, der mit einem Vorschall­ dämpfer kombiniert sein kann und dem über das Luftfilter 6 und das Ventil 7 mittels der Saugleitung 8 ein veränderbarer Anteil der Frischluft zur Vorwärmung zuführbar ist, während die übrige Frischluft direkt über über die Bypassleitung 9 zur Maschine gelangt.

Zu jedem Lastpunkt des Motors, der durch das gewünschte Dreh­ moment bei gegebener Drehzahl definiert ist, gehören optimale Größen für die drosselfrei zuzuführende Luft- bzw. Frischgas­ menge und deren Temperatur. Diese sind, zusammen mit anderen Korrekturgrößen, in einem Bordrechner abgelegt und können ge­ nutzt werden, um mittels Steuerung sowohl des Motorventilver­ stellsystems als auch des (Misch)Ventils 7 die im Umgebungs­ zustand direkt über die Leitung 9 und über die Leitung 8 und den Wärmetauscher 5 zugeführten Frischgasmengen im gewünschten Mischungsverhältnis dem Motor zuzuführen.

Das Ventil 7 dient dazu, bei Laständerungsbefehlen zunächst den Bypass 9 durchzuschalten, in dem die übliche Drosselklappe 10 liegt, die bei einer ein Kraftfahrzeug antreibenden Brennkraft­ maschine 1 vom Gaspedal her entsprechend dem Lastwunsch des Fahrers verstellt wird. Nach Ablauf einer kurzen Zeitspanne, die der Trägheit der Änderung der Ventilsteuerzeiten und des Wärme­ übergangs im Wärmetauscher 5 entspricht, sperrt das Ventil 7 den Bypass 9 zumindest teilweise wieder, so daß zumindest ein größe­ rer Teil der Verbrennungsluft über die Saugleitung 8 und den Wärmetauscher 5 zu den Eingangsventilen der Brennkraftmaschine 1 gelangt, die dann allein die Füllungssteuerung übernehmen.

In den weiteren Figuren sind die bereits in Fig. 1 vorhandenen Einrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen.

In Fig. 2 sind Maßnahmen zur Erhöhung des Wirkungsgrads des Wärmetauschers 5 angegeben. In der Frischgasleitung 8 erkennt man den Frischgasturbolader 11, der so ausgelegt ist, daß in der den Wärmetauscher 5 enthaltenden Frischgasströmungsstrecke 12 zwischen Frischgasturbine 13 und Verdichter 14 des Frischgas­ turboladers 11 Unterdruck herrscht. Infolge Entspannung und Abkühlung in der Frischgasturbine 13 nimmt demgemäß das Frisch­ gas im Wärmetauscher 5 eine gegenüber der Lösung nach Fig. 1 größere Wärmemenge auf. Dem Verdichter 14, dessen Leistung allein nicht ausreicht, den in der Leitung 8 herrschenden Druck wiederherzustellen, frischgasseitig nachgeschaltet ist der Ab­ gasturbolader 15, dessen Verdichter 16, der von der Abgasturbine 17 angetrieben wird, dafür sorgt, daß das erwärmte Frischgas mit betriebsoptimalem Druck der Brennkraftmaschine 1 zugeführt wird. Im normalen Betrieb erfolgen also die Erwärmung und der Trans­ port der Verbrennungsluft unter Ausnutzung der Abgasenergie, im übrigen der Transport durch Ansaugarbeit der eigentlichen Brenn­ kraftmaschine 1.

Auch hier dient die Drosselklappe 10 zum Überspielen der Träg­ heit des Systems bei Laständerungsbefehlen.

Die Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 3 basiert auf der­ jenigen nach Fig. 2 und zeigt Möglichkeiten zur Mehrfachaus­ nutzung einzelner Elementen derselben auf.

In diesem Ausführungsbeispiel ist der Abgasturbolader 15 in an sich üblicher Weise so ausgelegt, daß er eine Aufladung der eigentlichen Brennkraftmaschine 1 ermöglicht. Zu diesem Zweck ist ihm der Ladeluftkühler 18 nachgeschaltet, der mittels der Ventilanordnung 19 bei Erreichen einer vorgegebenen Mindest­ temperatur des Frischgases in die Frischgasströmung eingeschal­ tet wird und dafür sorgt, daß eine zu hohe Frischgastemperatur vermieden wird. Im Saugbetrieb der Maschine bzw. bei geringeren Abgasströmungen ist der Ladeluftkühler 18 dagegen überbrückt, so daß die Frischgasvorwärmung durch den Abgaswärmetauscher 5 sichergestellt ist.

Die Wärme des Frischgases kann jedoch auch zu Heizzwecken, bei­ spielsweise zum Betrieb eines einer Fahrzeugscheibe zugeordneten Entfrosterwärmetauschers 20 oder zur Speisung einer Heißluft­ düse, herangezogen werden; dies geschieht mittels des Ventils 21, das beispielsweise vom Fahrer des Fahrzeugs betätigt werden kann.

Auch zur Kühlung des Fahrgastraums eines mit der Brennkraftma­ schine ausgerüsteten Kraftfahrzeugs läßt sich die Erfindung heranziehen: Über das Ventil 22, das wiederum vom Fahrer des Fahrzeugs her betätigbar ist, läßt sich der Klimawärmetauscher 23 in die Frischgasströmungsstrecke 12, und zwar in Strömungs­ richtung vor dem Abgaswärmetauscher 5, einschalten; der Klima­ wärmetauscher 23 ist im Fahrgastraum angeordnet. Die aus dem Fahrgastraum abzuführende Wärmemenge erhöht demgemäß den Effekt der Vorwärmung des Frischgases, das aber, sofern der Betrieb der Maschine keine Luftvorwärmung erfordert, über das Ventil 28 ab­ geführt werden kann.

Während in den Ausführungsbeispielen der Erfindung nach den Fig. 2 und 3 Frischgas- und Abgasturbolader 11 bzw. 15 separate Verdichter 14 bzw. 16 enthalten, sieht das Ausfüh­ rungsbeispiel nach Fig. 4 einen beiden gemeinsamen Verdichter 24 auf einer ebenfalls gemeinsamen Verdichterwelle 25 vor, die einenends mit der Frischgasturbine 26 und anderenends mit der Abgasturbine 27 in Antriebsverbindung steht.

Mit der Erfindung ist demgemäß eine gattungsgemäße Brennkraftma­ schine geschaffen, die mit einfachen, an sich bewährten Mitteln die Nachteile einer drosselfreien Laststeuerung vermeidet und daneben für den Fahrzeugbetrieb vorteilhafte Klimatisierungs­ möglichkeiten bietet.

Claims (7)

1. Brennkraftmaschine mit lastabhängiger Füllungssteuerung durch Veränderung der Steuerzeiten von Ladungswechselventilen sowie mit Mitteln zur Sicherstellung einer ausreichend hohen Ver­ dichtungsendtemperatur in den Brennräumen der Maschine, ge­ kennzeichnet durch einen mit Abwärme der Maschine gespeisten Wärmetauscher (5) zur Frischgasvorwärmung sowie eine Saug­ rohr-Drosselklappe (10) zum Überspielen der Trägheiten von Frischgasvorwärmung und Füllungssteuerung durch Steuerzeiten­ veränderung.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgaswärmetauscher (5) Bestandteil eines offenen Wärmepumpensystems (5, 11, 15) ist, das einen von den Abgasen der Brennkraftmaschine (1) angetriebenen Abgasturbolader (15) und einen diesem frischgasseitig vorgeschalteten Frisch­ gasturbolader (11) mit Frischgasturbine (13) und Verdichter (14) solcher Auslegung enthält, daß infolge Entspannung des Frischgases in der Frischgasturbine (13) in einer zwischen dieser und dem Verdichter (14) liegenden, den Wärmetauscher (5) enthaltenden Frischgasströmungsstrecke (12) ein den erforderlichen Wärmeaustausch sicherstellender Unterdruck vorliegt.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Drosselklappe (10) hinter einem ventilbe­ stückten frischgasseitigen Bypass (9) zum Abgaswärmetauscher (5) bzw. zum Wärmepumpensystem (5, 11, 15) liegt.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 oder den Ansprüchen 2 und 3, gekennzeichnet durch einen in einem zu klimatisierenden Raum, insbesondere dem Fahrgastraum eines mit der Brennkraft­ maschine (1) ausgerüsteten Kraftfahrzeugs, angeordneten Klimawärmetauscher (23), der in die Frischgasströmungsstrecke (12) einschaltbar ist.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 oder 4 oder den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasturbolader (15) auch zur Aufladung der Brennkraftmaschine (1) ausgelegt und ihm ein Ladeluftkühler (18) zugeordnet ist.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, 4 oder 5 oder den An­ sprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Abgas­ turbolader (15) frischgasseitig ein Heizwärmetauscher (20), insbesondere ein Entfrosterwärmetauscher für Fahrzeugschei­ ben, oder Heißluft-Ausströmdüsen nachschaltbar sind.

7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, 4, 5 oder 6 oder den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdich­ ter (24) dem Abgas- und dem Frischgasturbolader (27, 26) gemeinsam ist.