DE60033563T2

DE60033563T2 - Viertaktbrennkraftmaschine mit variabler nockenwellenverstellung

Info

Publication number: DE60033563T2
Application number: DE60033563T
Authority: DE
Inventors: Bengt Johansson
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 1999-12-13
Filing date: 2000-12-11
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2020-12-12
Also published as: EP1242720B1; DE60033563D1; SE522080C2; EP1242720A1; SE9904546L; SE9904546D0; WO2001042627A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Viertakt-Verbrennungsmotor für ein Motorfahrzeug, wobei der genannte Motor zumindest einen Zylinder besitzt, der zumindest zwei Einlassventile, zumindest ein Auslassventil und zumindest zwei Nockenwellen, die so eingerichtet sind, dass sie das Öffnen und Schließen der Ventile steuern, wobei zumindest eine der genannten Nockenwellen mit einer Einrichtung zum Ändern der Drehphasenverschiebung einer Nockenwelle relativ zu der Drehphase einer von einem Kolben in dem Zylinder angetriebenen Kurbelwelle koordiniert ist, wobei ein Auslasskanal von jedem Zylinder mit dem Einlass in die Turbine eines Turbo-Kompressors in Verbindung steht, dessen Kompressor einen Auslass hat, der mit einem Einlasskanal in den Zylinder in Verbindung steht, aufweist.
Ein Otto-Motor arbeitet mit einer Treibstoff-Luft-Mischung, die üblicher Weise in einem vorgemischten Zustand den Motorzylindern zugeführt wird. Das Verhältnis zwischen dem Treibstoff- und dem Luftfluss wird praktisch konstant gehalten, und das Drehmoment (die Last) wird durch Variieren der Menge sowohl von Treibstoff als auch Luft reguliert. Für ein niedrigeres Drehmoment wird der Luftfluss zu dem Motor normaler Weise durch Erniedrigen des Drucks in dem Einlassverteiler mit Hilfe einer Drosselklappe reduziert. Dieses bedeutet jedoch, dass der Motor während des Einlasstakts Arbeit verrichten muss, da der Kolben gegen einen Unterdruck arbeitet. Das Ergebnis ist, dass der Motor eine Pumparbeit verrichtet. Bei niedrigen Lasten mit einem niedrigen absoluten Druck in dem Einlassrohr kann eine Pumparbeit von bis zu 0,7 bar erforderlich sein. Wenn der Motor mit einem effektiven mittleren Druck von 2 bar arbeitet, bedeutet dieses, dass der Gasaustausch einen Verlust von 0,7/2,7 = 0,26, d.h. 26%, darstellt. Durch Eliminieren oder in jedem Fall wesentlichen Reduzieren der Pumparbeit kann, insbesondere bei niedrigen Lasten, eine signifikante Zunahme der Effizienz erreicht werden.
Es ist für einen Viertakt-Verbrennungsmotor bekannt, die Last lediglich durch Variieren der Öffnungs- und/oder Schließzeiten der Einlassventile und des Öffnungszeitintervalls zu regulieren, so dass eine Drosselklappe in dem Einlassverteiler eliminiert werden kann. Hierfür sind elektrisch betätigte, frei steuerbare Einlassventile verwendet worden. Wenn ein verzögertes Schließen gewählt wird, wird ein Teil der Luft, die während des Einlasstaktes in den Zylinder gezogen worden ist, nach dem unteren Totzentrum wäh rend des Kompressionstaktes zurück in den Einlassverteiler gedrückt. Die Masse des Zylinders wird somit durch den Zeitpunkt bestimmt, an dem das Ventil geschlossen ist, wobei die Verwendung elektrisch betätigter, frei steuerbarer Einlassventile jedoch eine sehr teure Lösung darstellt, welche bisher für Fahrzeugmotoren nicht in kommerziellen Gebrauch gelangt ist.
In einem bekannten Motor der Art mit durch Nockenwellen gesteuerten Ventilen, die Mittel zur unendlichen Variation der Drehphase zwischen einer oder beiden Nockenwellen und der Motorkurbelwelle aufweisen, werden beide von den Einlassventilen durch eine einzige Nockenwelle gesteuert, was bedeutet, dass die Öffnungs- und Schließzeiten für beide Ventile gleichzeitig versetzt werden, und dieses wird jedoch nicht die kombinierte Öffnungsdauer der Ventile beeinflussen. Diese Art der Ventilsteuerung wird jedoch nicht verwendet, um die Last durch Phasenversatz zu steuern, sondern um eher die Ventilzeitsteuerung für verschiedene Motordrehzahlen für eine maximale Leistungsfähigkeit zu optimieren und erfordert einen relativ beschränkten Phasenversatz, bis zu höchstens etwa 60 Kurbelwellengrad, zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle.
DE-A-38 35 333 offenbart einen Motor, der zur Einführung beschrieben wurde, in dem Mittel zur Verfügung gestellt werden, um die Ventile in Abhängigkeit der U/Min so zu regulieren, dass beide Einlassventile synchron bei niedrigen U/Min arbeiten und dass sie während ansteigender U/Min phasenversetzt sind. Somit wird der Phasenversatz nicht durch das Drehmoment gesteuert, das von dem Fahrer des Fahrzeugs angefordert wird.
Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, einen Motor der zur Einführung beschriebenen Art zu erhalten, in dem die Drehmomentsteuerung durch Regulieren der durch Nockenwellen gesteuerten Ventile auf eine solche Weise ausgeführt werden kann, dass die Notwendigkeit für eine Drosselklappe, die mit Pumpverlusten verbunden ist, eliminiert werden kann.
Dieses wird gemäß der Erfindung erreicht durch eine Reguliereinrichtung, die zum Regulieren der Einrichtung zum Ändern der Drehphasenverschiebung einer Nockenwelle als eine Funktion eines Drehmoments eingerichtet ist, das von dem Fahrzeugführer angefordert wird, und zwar so, dass sich das dazugehörige Einlassventil zu einem anderen Zeitpunkt öffnet und schließt als das andere Einlassventil, wenn ein niedriges Drehmo ment angefordert wird, um so das Drehmoment ohne Verwendung einer Drosselklappe zu steuern.
Dieses bedeutet in praxi, dass das Schließen eines Einlassventils so verzögert wird, dass es während des Kompressionstaktes schließen wird, was darin resultiert, dass ein Teil der Luft-Treibstoff-Mischung, der während des Einlasstaktes in den Zylinder strömt, während des Kompressionstaktes aus den Zylinder heraus gedrückt wird.
Aufgrund dieses Aufbaus ist es zumindest theoretisch möglich, die kombinierte Öffnungszeit der zwei Einlassventile auf zweimal so lang, wie es in dem bekannten Ventilaufbau der Fall ist, zu verlängern, wobei die beiden Einlassventile synchron durch die selbe Nockenwelle gesteuert werden. Es hat sich jedoch in der Praxis gezeigt, dass ein Phasenversatz zwischen den zwei Nockenwellen von der Größenordnung von 100 bis 120 Kurbelwellengrad für die Drehmomentsteuerung ohne eine Drosselklappe hinreichend ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Motors gemäß der Erfindung sind die Steuereinrichtungen so eingerichtet, dass sie die Mittel zum Variieren der Drehphase der Nockenwelle auf eine solche Weise steuern, dass sich das assoziierte Einlassventil von 0 bis wenigstens 100 Kurbelwellengrad später als das andere Einlassventil öffnet und schließt, wenn ein niedriges Drehmoment angefordert wird.
Der Vorteil der Verwendung eines Turbokompressors zusammen mit der beschriebenen Anordnung besteht darin, dass das herkömmliche so genannte Waste-Gate-Ventil eliminiert werden kann. Es kann ermöglicht werden, dass der Kompressor bei sämtlichen Motordrehzahlen vollständig lädt. Die Steuerung des Ladungsdrucks wird in diesem Fall durch das Regulieren des variablen Einlassventils bewirkt, so dass es in Abhängigkeit davon, ob das angeforderte Drehmoment einen höheren oder niedrigeren Ladungsdruck erfordert, früher oder später schließt. Weitere Vorteile der beschriebenen Ventil- und Nockenwellenanordnung können in einem super-geladenen Motor mit zwei Auslassventilen pro Zylinder erhalten werden, und sie werden unten mit Bezug auf die begeleitenden Zeichnungen beschrieben.
Die Erfindung wird hier in größerer Ausführlichkeit mit Bezug auf Beispiele beschrieben, die in den begleitenden Zeichnungen gezeigt werden, in denen:
1a einen schematischen Längsschnitt durch einen Motor gemäß der Erfindung zeigt,
1b ein entsprechender vereinfachter schematischer Längsschnitt durch den Motor mit Einrichtungen zum Versetzen der Drehphase von einer der zwei Nockenwellen ist,
2a eine schematische Darstellung eines Teils des Zylinderkopfes des Motors entsprechend der Erfindung ist,
2b ein Diagramm verschiedener Erhebungskurven für das Ventil ist, das zu verschiedenen Drehphasen durch die variable Nockenwelle gesteuert wird,
3 eine schematische Darstellung eines Motors mit einem Turbokompressor entsprechend 2a ist,
4a eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Motors mit einem Turbokompressor entsprechend 3 ist,
4b und 4c Diagramme verschiedener Einlassventil-Erhebungskurven zu verschiedenen Drehphasenverschiebungen der variablen Nockenwelle sind,
5a eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines Motors mit einem Turbokompressor entsprechend 4a ist,
5b und 5c Diagramme verschiedener Einlassventil-Erhebungskurven zu verschiedenen Drehphasenverschiebungen der variablen Nockenwelle sind,
5d ein Diagramm des Einlassluftdrucks zu verschiedenen Drehphasenverschiebungen der variablen Nockenwelle ist,
6 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Anordnung für eine Drehmomentsteuerung ist, und
7 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Vorrichtung zum Variieren der Drehphasenverschiebung der Nockenwelle relativ zu der Motor-Kurbelwelle ist.
In den 1a und 1b bezeichnet 503 einen Zylinder in einem Viertakt-Verbrennungsmotor 502 mit Funkenzündung, und 501 bezeichnet die Zylinderverbrennungskammer, die zwischen einem Zylinderkopf 519 und einem Kolben 504, der über eine Verbindungsstange mit der Motor-Kurbelwelle 506 verbunden ist, begrenzt ist. Jeder Zylinder weist zwei Einlassgänge 507 und 508 und zwei Auslassausgänge 509 und 510 auf, von denen lediglich ein Einlasseingang 507 und ein Auslassausgang 509 in 1a gezeigt ist. 1a zeigt ebenso eine Zündkerze 515 und eine Treibstoff-Einspritzdüse 516.
Die Einlasseingänge 507 und 508 besitzen in einer herkömmlichen Weise einen größeren Durchmesser als die Auslassausgänge 509 und 510, wie es in der 2a gesehen werden kann, die ebenso die Einlassventile 511 und 512 und Auslassventile 513 und 514 für die jeweiligen Einlasseingänge und Auslassausgänge zeigt. Eine erste Nockenwelle 517 ist so eingerichtet, das Einlassventil 511 und das Auslassventil 513 zu öffnen und zu schließen, während eine zweite Nockenwelle 518 eingerichtet ist, das Einlassventil 512 und das Auslassventil 514 zu öffnen und zu schließen.
Der Nockenwellenantrieb des Motors 502 wird in 1b extrem vereinfacht gezeigt. Die Kurbelwelle 506 treibt auf eine herkömmliche Weise über ein Zahnrad 520 und einen Zahngurt oder eine Zahnschiene 522 einen Nockenwellenantrieb 521 auf einer Nockenwelle 518 an, welche über ein Zahnrad auf einer Einrichtung 523 zum Ändern der Drehphasenverschiebung, die unten im Zusammenhang mit 7 in größerer Ausführlichkeit beschrieben wird, und einen Zahngurt oder eine Zahnschiene 525 einen Nockenwellenantrieb 524 auf der zweiten Nockenwelle 517 antreibt. Die Drehzahl des Nockenwellenantriebs 521 und des Antriebs 523 auf der Einrichtung zum Ändern der Drehphasenverschiebung sind die selben, jedoch kann mit Hilfe der Änderungseinrichtung eine Phasenverschiebung zwischen den Antrieben 521 und 524 und infolgedessen zwischen den Nockenwellen bewirkt werden, so dass die Ventilzeitsteuerung der Ventile, die durch die Nockenwelle 517 gesteuert werden, relativ zu der Zeitsteuerung der Ventile, die durch die Nockenwelle 518 gesteuert werden, versetzt werden kann.
Um es auf eine einfache Weise zu ermöglichen, dass die Phase zwischen den zwei Einlassventilen 511 und 512, und in einem Vierzylinder-Design ebenso zwischen den zwei Auslassventilen 513 und 514, verschoben wird, werden die Ventile diagonal (kreuzweise) angeordnet, wie es in 2a gezeigt ist.
In der in den 1a, 1b und 2a gezeigten Ausführungsform des Motors entsprechend der Erfindung wird die kontinuierliche variable Phasenverschiebung der Nockenwelle 517 dazu verwendet, das Motordrehmoment zu regulieren, wie es in dem Diagramm in 2b veranschaulicht ist, das die Ventilerhebung als eine Funktion des Kurbelwellenwinkels θ zeigt, wobei 601 das untere Totzentrum BDC des Kolbens nach dem Expansionstakt zeigt. In der Figur stellt 602 das obere Totzentrum TDC dar. Die Kurven der Ventilerhebung für das variable Einlassventil 511 und das variable Auslassventil 514 werden durch gestrichelte Linien 603 bzw. 604 veranschaulicht, während die Erhebungskurven der entsprechenden festen Ventile 512 und 514 durch die durchgezogenen Linien 605 und 606 in 2b veranschaulicht werden. Bei niedriger Last (niedrigem Drehmoment), die eine kleine Brennstoff-Luft-Masse in der Verbrennungskammer 501 bedeutet, wird die Drehphase der Nockenwelle 517 um einen Winkel von bis zu etwa 110°, z. B. 30°, relativ zu der Kurbelwelle verzögert. Infolgedessen schließt das Einlassventil 511 spät während des Kompressionstaktes, innerhalb von 40°–150°, z. B. 70°, nach dem BDC. Die Konsequenz davon ist, dass ein Teil der Brennstoff-Luft-Mischung, die ursprünglich die Verbrennungskammer 501 gefüllt hat, während des ersten Teils des Kompressionstaktes nach außen zurück durch den Einlasseingang 507 gedrückt wird. In 2b wird dieses durch die Verzögerung des Öffnens und Schließens des Ventilpaars 511 und 514 um einen Winkel Δθ₁, z. B. 30°, gegenüber dem Ventilpaar 512 und 513 veranschaulicht, und da der Einlass nicht gedrosselt ist, muss der Kolben nicht irgendeine Pumpenergie aufwenden, was in einer erhöhten Effizienz resultiert.
3 zeigt eine Ausführungsform des Motors entsprechend der Erfindung, die sich von der, die oben beschrieben und in 2a gezeigt wird, lediglich darin unterscheidet, dass sie mit einem Turbokompressor ausgestattet ist, der eine Auslassturbine 526 und einen Kompressor 527, der durch die Turbine angetrieben wird, umfasst. Details entsprechend denjenigen in 2a sind mit denselben Bezugszeichen in 3 wie in 2a bezeichnet. In der gezeigten Ausführungsform wird die gesamte Auslassmasse von den zwei Auslassausgängen 509 und 510 durch die Turbine 526 geleitet. Anstatt den Ladungsdruck des Kompressors mit Hilfe eines herkömmlichen Waste-Gate-Ventils in einer Umgehungsleitung hinter der Turbine zu steuern, wird es in diesem Fall dem Kompressor ermöglicht, bei sämtlichen Motordrehzahlen vollständig zu laden und statt dessen die oben beschriebene Funktion der Retardierung des Schließens des variablen Einlassventils zu nutzen, um das Drehmoment zu regulieren. In der Ausführungsform des Motors entsprechend der Erfindung, die in 3 gezeigt wird, übernimmt der so beschriebene Aufbau sowohl die Drossel- als auch die Waste-Gate-Funktion.
4a zeigt eine zusätzliche Ausführungsform eines turbo-geladenen Motors entsprechend der Erfindung, die sich von derjenigen, die oben beschrieben wird, lediglich darin unterscheidet, dass sich der Auslassausgang 510, der durch das Auslassventil der variablen Nockenwelle 517 geöffnet und geschlossen wird, gegenüber einer Leitung öffnet, die hinter der Turbine direkt zu dem Motorauslasssystem führt. Die gesamte Abgasmenge, die durch den Auslassausgang 509 während des gesamten Auslasstakts austritt, wird durch die Turbine 526 geleitet.
Das Motordrehmoment wird durch Steuern des Zeitpunkts für das Schließen des Einlassventils 511 durch die Phasenverschiebung der Nockenwelle 517 relativ zu der Kurbelwelle reguliert.
In der Ausführungsform in 4a wird das variable Auslassventil nach dem so genannten „Blow Down Pulse", das heißt dem Puls bis zum Druckausgleich zwischen dem Druck in dem Zylinder und dem Druck in dem Auslassausgang, geöffnet, welcher normaler Weise nahe dem BDC auftritt. Die Phasenverschiebung für das variable Auslassventil 514 wird in der selben Weise variieren, wie die Phasenverschiebung für das variable Einlassventil 511, wenn die Drehphase der Nockenwelle 517 verschoben wird. Es ist somit wichtig zu sehen, dass sich das variable Auslassventil 514 immer nach dem nicht-variablen Auslassventil 513 unabhängig von der Phasendifferenz zwischen den Nockenwellen 517 und 518 öffnet. Somit sollte sich das variable Auslassventil 514 zumindest 30° nach dem Auslassventil 513 öffnen, wenn die Einlassventile 511 und 512 miteinander in Phase sind. Um dieses zu ermöglichen, muss die Öffnungsperiode des variablen Auslassventils 514 kürzer als die Öffnungsperiode des Auslassventils 513 sein. Das Diagramm in 4b veranschaulicht die Ventilerhebungen als eine Funktion des Kurbelwellenwinkels, wobei 801 das BDC nach dem Expansionstakt darstellt und 802 das nachfolgende TDC darstellt. Die Ventilerhebung für das variable Einlassventil 511 und die Ventilerhebung für das variable Auslassventil 514 werden durch gestrichelte Kurven 803 bzw. 804 veranschaulicht, während die Ventilerhebungen für die entsprechenden nicht-variablen Ventile 512 und 513 durch die durchgezogenen Kurven 805 und 806 veranschaulicht sind. In dem Diagramm in 4b liegt keine Phasenverschiebung zwischen den Nockenwellen vor. Der Unterschied in den Öffnungszeiten zwischen den Auslassventilen beträgt zumindest 30 Kurbelwellenwinkel, was ebenso den Unterschied zwischen den Öffnungsperioden der Ventile repräsentiert.
Selbst in dieser Ausführungsform des Motors entsprechend der Erfindung wird das Drehmoment somit durch Steuern der Drehphasenverschiebung der variablen Nockenwelle 517 relativ zu der Kurbelwelle 506 reguliert. Die Drehmomentregulierung ist in diesem Fall ähnlich zu der Ausführungsform, die in 3 gezeigt ist, aber schließt ebenso das Auslassen des verbleibenden Abgases nach dem Blow Down Pulse hinter der Turbine direkt in das Motorabgassystem ein. Genauer gesagt öffnet die Nockenwelle 518 zuerst das Auslassventil 513, wobei der Blow Down Pulse durch den Auslassausgang 509 zu der Turbine 526 entlassen wird. Das variable Auslassventil 514 öffnet sich nach dem Blow Down Pulse direkt zu dem Abgassystem hin. Bei niedrigem Drehmoment schließt sich das variable Einlassventil 511 wie in den zuvor beschriebenen Ausführungsformen, und wie es in 4c, die die Ventilerhebungskurven 803–806 entsprechend 4b zeigt, veranschaulicht ist, spät aber mit einer Drehphasenverschiebung der variablen Nockenwelle 517. Die variablen Ventile sind um einen Winkel θ₃ zu einem späteren Schließen relativ zu den festen Ventilen hin phasenverschoben.
In der Ausführungsform in 4a kann eine wesentliche Menge an Arbeit während des Gasaustauschs ausgeführt werden. Der Blow Down Pulse durch die Turbine stellt einen hohen Einlassdruck zur Verfügung, während das Entlassen des restlichen Abgases durch das variable Ventil den Gegendruck von der Turbine eliminiert, der die Pumparbeit des Motors während des Auslasstaktes verringert.
5a zeigt eine dritte Ausführungsform eines turbo-geladenen Motors entsprechend der Erfindung, in dem das Drehmoment nicht nur durch Regulieren des Schließens des variablen Einlassventils, sondern ebenso durch Regulieren des Öffnens des variablen Auslassventils reguliert wird. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der direkt zuvor beschriebenen lediglich dadurch, dass die Auslassleitungen von den zwei Auslassausgängen vertauschte Plätze haben. Wenn die zwei Nockenwellen sich in Phase drehen, öffnet sich das nicht-variable Auslassventil 513 zu der selben Zeit zu dem Abgassystem hin, wie sich das variable Auslassventil 54 zu der Turbine hin öffnet. Da die Arbeit, die aufgewendet wird, um das Abgas durch das Abgassystem nach außen zu drängen, wesentlich geringer als diejenige ist, die dafür aufgewendet wird, das Abgas durch die Turbine zu zwingen, geht praktisch der gesamte Blow Down Pulse durch die Turbine. Eine Phasenverschiebung der Nockenwelle 517, um das Auslassventil 514 um einen Winkel Δθ₄ später als das Auslassventil 513 zu öffnen, welches durch die Nockenwelle 518 geöffnet wird, ändert die Ausstoß-Sequenz nicht. Dieses Verhältnis wird in 5b veranschaulicht, in der die Ventilerhebungen für das variable Einlassventil 511 und das variable Auslassventil 514 durch gestrichelte Kurven 903 bzw. 904 gezeigt sind. Die Ventilerhebungen für die nicht-variablen Ventile 512 und 513 werden durch die durchgezogenen Kurven 905 bzw. 906 gezeigt. Es hat jedoch eine Phasenverschiebung der Erhebungskurve des Einlassventils 511 den selben Effekt wie den, der in Verbindung mit 2a beschrieben worden ist, was bedeutet, dass eine Phasenverzögerung, d.h. ein späteres Ventilschließen, durch Verschieben der Drehphase der Nockenwelle 517, z. B. um einen Winkel Δθ₄, relativ zu der nicht-variablen Nockenwelle 518 in einer Verringerung des Drehmoments resultiert.
Aus einer Situation ohne Phasenverschiebung zwischen den Nockenwellen heraus beeinflusst ein Avancieren anstatt eines Verzögerns des Ventilschließens des variablen Ventils den Zeitpunkt nicht, an dem der Zylinder für den Einlass geschlossen wird, da das Ventil, das als letztes schließt, in diesem Fall das nicht-variable Ventil ist. Ein Ergebnis hiervon ist es somit, dass der Grad des Avancierens der Erhebungskurve, wenn überhaupt, nur einen geringen Effekt auf die Menge der Treibstoff-Luft-Mischung, die in der Verbrennungskammer eingeschlossen wird, hat. Ein Ventilerhebungsdiagramm mit einem Phasenvorsprung der Nockenwelle 517 relativ zu der Nockenwelle 518 ist in 5c mit den selben Bezugszeichen wie in 5b gezeigt. Wenn Δθ₄ in 5b einen positiven Wert hat, hat Δθ₅ in 5c einen negativen Wert. Der Phasenvorsprung der Nockenwelle 517 hat jedoch einen weiteren Effekt. Da sich das Auslassventil 514 vor dem Auslassventil 513 öffnet, wird der gesamte Blow Down Pulse oder einiges davon von dem Auslassausgang 510 zu der Turbine 526 geleitet. Der Grad des Vorsprungs Δθ₄ von 0° resultiert in einem erhöhten Drehmoment bis zu einer Grenze, an der der Blow Down Pulse vorüber ist. Wie es zuvor erwähnt worden ist, kann schwerlich der gesamte Blow Down Pulse verwendet werden, da dann der Ladungsdruck auf den Kompressor zu hoch sein würde.
Das Drehmoment in der Motorausführungsform, die in 5a gezeigt ist, kann somit sowohl durch Phasenretardierung als auch Phasenavancierung der Nockenwelle 517 relativ zu der Nockenwelle 518 reguliert werden. Ein Retardieren von null Verschiebung verringert die Treibstoff-Luft-Masse in dem Zylinder, während ein Avancieren den Ladungsdruck erhöht. Der Einlassdruck p_i ist in 5d als eine Funktion der Phasenverschiebung Δθ₅ veranschaulicht, aus welcher es evident ist, dass der Einlassdruck bei 1 Atmosphäre für jede Phasenretardierung im wesentlichen konstant ist, was auf der linken Seite in der Figur veranschaulicht ist. Eine Phasenavancierung von 0°, wie sie auf der rechten Seite in der Figur veranschaulicht ist, erhöht den Ladungsdruck und somit das Drehmoment.
Um das Drehmoment durch eine Phasenverschiebung von einer Nockenwelle relativ zu der Kurbelwelle zu steuern, wird geeigneter Weise eine Steuereinheit der Art verwendet, die in heutigen Einspritzmotoren die Treibstoffeinspritzung und die Zündung als eine Funktion von Signalen steuert, die in die Steuereinheit eingespeist werden und die verschiedene Motor- und Fahrzeugdaten darstellen. 6 zeigt schematisch eine Steuereinheit 28, die einen Steuerungscomputer umfasst, in den Signale von einem Sensor 529, der eine Gaspedalstellung ermittelt, und einem Sensor (nicht gezeigt), der die Motordrehzahl ermittelt, eingespeist werden. Mit Hilfe von diesen und möglicher Weise zusätzlichen Daten berechnet die Steuereinheit das Drehmoment, das von dem Fahrer angefordert wird, und sendet ein Signal an die Phasenänderungseinrichtung 523, um die Phase der Nockenwelle 517 relativ zu der Kurbelwelle so zu ändern, dass der Motor das angeforderte Drehmoment oder ein korrigiertes Drehmoment als eine Funktion z. B. eines Anti-Spin- und Anti-Blockier-Systems erzeugt.
Anstatt eine Phasenänderungseinrichtung 523 auf der nicht-variablen Nockenwelle 518 zu positionieren und über den Ketten- oder Gurtantrieb 525, wie es in 1b gezeigt ist, die Phase zu verschieben, kann eine zuvor bekannte Phasenänderungseinrichtung verwendet werden, die die Nockenwelle 517 relativ zu ihrem eigenen Nockenantrieb 524 in der Phase verschiebt. Eine solche Phasenänderungseinrichtung ist in 7 gezeigt. Die Nockenwelle 517 ist in diesem Fall an einem Ende mit geraden Nuten 530 versehen. Ein Zahnrad 531 hat innere Nuten, die mit den Nuten der Nockenwelle im Eingriff stehen, was bedeutet, dass das Zahnrad 531 abnehmbar aber nicht-drehbar an der Nockenwelle 517 befestigt ist. Das Zahnrad 531 ist mit einem Bolzen 532 in einem hydraulischen Zylinder 533 in einem Stück ausgebildet und weist äußere helische Zähne 534 auf, die mit entsprechenden inneren helischen Zähnen 535 auf dem Nockenantrieb 524 im Eingriff stehen, welcher in der gezeigten Ausführungsform ein Kettenzahnrad ist. In Reaktion auf das Signal von der Steuereinheit 528, wird der Bolzen 532 mit Hilfe einer hydraulischen Schaltung (nicht gezeigt) in eine axiale Position bewegt, welche die Phasenverschiebung zwischen der Nockenwelle 517 und dem Nockenantrieb 524 bereitstellt, die für das angeforderte Drehmoment erforderlich ist.
Die Erfindung ist oben mit Bezug auf vier verschiedene Ausführungsformen beschrieben worden, in denen die Drehphasenverschiebung von lediglich einer der Nockenwellen relativ zu der Kurbelwelle variiert wird. Es ist jedoch ebenso im Bereich der Erfindung denkbar, beide Nockenwellen in der Phase zu verschieben, um das Drehmoment zu steuern. Es ist z. B., anstatt eine Nockenwelle um einen bestimmten Winkel in einer Richtung in der Phase zu verschieben, möglich, beide Nockenwellen in entgegengesetzten Richtungen um die Hälfte des Winkels in der Phase zu verschieben, um die selbe Gesamtöffnungszeit wie in dem ersten Fall zu erhalten. Durch eine Phasenverschiebung beider Nockenwellen relativ zu der Kurbelwelle kann das Drehmoment durch eine Kombination der Technik, die in Verbindung mit 4 beschrieben ist, mit der Technik, die in Verbindung mit 5 beschrieben ist, gesteuert werden.

Claims

Viertakt-Verbrennungsmotor für ein Kraftfahrzeug, wobei der Motor wenigstens einen Zylinder (501) hat, der wenigstens zwei Einlassventile (511, 512), wenigstens ein Auslassventil (509) und wenigstens zwei Nockenwellen (517, 518) hat, die zum Steuern des Öffnens und Schließens jeweils eines Einlassventils eingerichtet sind, wobei wenigstens eine der Nockenwellen mit einer Einrichtung (523) zum Ändern der Drehphasenverschiebung einer Nockenwelle relativ zu der Drehphase einer von einem Kolben in dem Zylinder angetriebenen Kurbelwelle koordiniert ist, ein Auslasskanal (3) von jedem Zylinder (501) mit dem Einlass in die Turbine (526) eines Turbo-Kompressors in Verbindung steht, dessen Kompressor (527) einen Auslass hat, der mit einem Einlasskanal in den Zylinder in Verbindung steht, gekennzeichnet durch eine Reguliereinrichtung (528), die zum Regulieren der Einrichtung (523) zum Ändern der Drehphasenverschiebung einer Nockenwelle als Funktion eines Drehmoments eingerichtet ist, das von dem Fahrzeugführer angefordert wird, und zwar so, dass sich das dazugehörige Einlassventil (511, 512) zu einem anderen Zeitpunkt öffnet und schließt als das andere Einlassventil, wenn niedriges Drehmoment angefordert wird, um so das Drehmoment ohne Verwendung einer Drosselklappe zu steuern.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zylinder (501) einen Auslasskanal (5), der mit den Einlass in die Turbine (526) eines Turbo-Kompressors in Verbindung steht, einen Auslasskanal, der mit einer Leitung in Verbindung steht, die die Turbine umgeht, sowie zwei Einlasskanäle hat, die mit dem Auslass des Kompressors (527) in Verbindung stehen.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslasskanal, der durch das Auslassventil (513) der unveränderlichen Nockenwelle gesteuert wird, die Turbine (526) umgeht.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslasskanal, der durch das Auslassventil (514) der veränderlichen Nockenwelle gesteuert wird, die Turbine (527) umgeht.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (523) zum Ändern der Drehphasenverschiebung der Nockenwelle (517, 518) so angeordnet ist, dass die Drehphase der Nockenwelle innerhalb eines Intervalls in der Größenordnung von wenigstens 100 Kurbelwellengrad verschoben werden kann.