DE60127216T2 - Verfahren zur Steuerung der Selbstzündung in einem Viertaktmotor - Google Patents

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Selbstzündung in einem Viertaktmotor.
  • Aus der Patentschrift WO 99/42718 ist bereits bekannt, eine Selbstzündung eines Luft-Kraftstoff-Gemischs durchzuführen, indem die Auslassventile gesteuert werden, um die Temperatur des Luft-Kraftstoff-Gemischs im Zylinder zu regeln. Um dies zu erreichen, wird durch Variation des Öffnungs- und Schließzeitpunkts der Ventile auf die Abgasrückführungsrate (AGR-Rate) eingewirkt. Demnach ist vorgesehen, das Auslassventil vorzeitig zu schließen, um im Brennraum eine AGR-Masse zu erhalten.
  • In EP-A-0863301 wurde auch vorgeschlagen, die Auslass- und Einlassventile der Zylinder eines Viertaktmotors so zu steuern, dass eine bestimmte Menge an verbrannten Gasen in den Zylindern zurückgehalten wird, bevor Frischgase darin eingelassen werden, indem die zurückgehaltene Menge der verbrannten Gase geregelt wird und deren Mischung mit den Frischgasen minimiert wird, damit eine Selbstzündung der Frischgase in den Brennräumen durch die verbrannten Gase eingeleitet wird, die eine hohe Temperatur aufweisen und die aktive Stoffe enthalten. Zu diesem Zweck kann die Öffnungsdauer der Auslassventile der Zylinder verringert werden. Als Variante können die Auslassventile länger offen gelassen werden, um die verbrannten Gase in die Zylinder zurückzuleiten, wenn die Kolben sich von ihrem oberen Totpunkt zu ihrem unteren Totpunkt hin bewegen, und die Öffnung der Einlassventile kann entsprechend verzögert werden.
  • Diese speziellen Steuerungen der Auslass- und Einlassventile werden während des Betriebs des Motors unter Teillast bei geregelter Selbstzündung benutzt, der eine sehr starke Reduktion der Stickoxidemissionen in die Atmosphäre sowie des Verbrauchs zur Folge hat, während unter Volllast auf eine traditionelle Ventilsteuerung und eine Funkenzündung zurückgegriffen wird.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Selbstzündungstechniken dank eines Steuerungsverfahrens für die Auslass- und Einlassventile, das einfach, effektiv und leicht durchführbar ist, auf einen Viertaktmotor des Typs mit mehreren Auslassventilen und mehreren Einlassventilen pro Zylinder anzuwenden.
  • Zu diesem Zweck schlägt sie ein Verfahren zur Steuerung der Selbstzündung in einem Viertaktmotor vor, in welchem die Auslassmittel der Zylinder gesteuert werden, damit die Zylinder bei den Kompressionsphasen teilweise mit verbrannten Gasen und teilweise mit Frischgasen gefüllt sind, wenn der Motor im Teillastbetrieb ist, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zylinder mit mindestens zwei Auslassmitteln wie Ventilen versehen ist, wobei die Öffnung und Schließung der zwei Auslassmittel eines Zylinders jeweils auf verschiedene Weise gesteuert werden, um einen Auslass der verbrannten Gase aus dem Zylinder während der Auslassphase und eine Wiedereinleitung von verbrannten Gasen in den Zylinder während der Einlassphase zu gewährleisten, wenn der Kolben sich von seinem oberen Totpunkt zu seinem unteren Totpunkt hin bewegt, dass die Wiedereinleitung von verbrannten Gasen und der Einlass von Frischgasen in den Zylinder relativ zueinander zeitlich versetzt sind, und dass die Wiedereinleitung von verbrannten Gasen vor dem Einlass von Frischgasen beginnt und gegen Ende des Einlasses von Frischgasen in den Zylinder durch Schließung des Auslassmittels beendet wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren sieht demnach vor, den Betrieb der zwei Auslassmittel jedes Zylinders zu differenzieren und getrennt zu behandeln, um eine große Menge an verbrannten Gasen im Zylinder sowie die vereinfache Steuerung der Öffnungs- und Schließzyklen zu erreichen.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist während der Auslassphase, wenn der Kolben sich von seinem unteren Totpunkt zu seinem oberen Totpunkt hin bewegt, ein erstes Auslassmittel des Zylinders geöffnet und das andere geschlossen, dann wird bei Beginn der Einlassphase, wenn der Kolben sich von seinem oberen Totpunkt zu seinem unteren Totpunkt hin bewegt, das erste Auslassmittel geschlossen und das andere geöffnet.
  • Als Variante kann vorgesehen sein, dass die zwei Auslassmittel des Zylinders während der Auslassphase geöffnet sind, wenn der Kolben sich von seinem unteren Totpunkt zu seinem oberen Totpunkt hin bewegt, dann bei Beginn der Einlassphase, wenn der Kolben sich von seinem oberen Totpunkt zu seinem unteren Totpunkt hin bewegt, eines der Auslassmittel geschlossen wird und das andere offen gelassen wird.
  • Dadurch wird das Gemisch der verbrannten Gase und der Frischgase im Zylinder reduziert, was unter bestimmten Bedingungen zum Erhalt der Selbstzündung von Vorteil sein kann.
  • Wenn der Motor mit mehreren Einlassmitteln pro Zylinder versehen ist, können die Frischgase durch ein einziges Einlassmittel in den Zylinder eingelassen werden.
  • Bevorzugt ist dieses Einlassmittel direkt gegenüber demjenigen der Auslassmittel des Zylinders angeordnet, das im Falle von Betriebsbedingungen, wo die Mischung der Frischgase und der verbrannten Gase begrenzt werden muss, während der Einlassphase in geschlossener Stellung ist. Demgegenüber ist das Einlassmittel in den anderen Fällen direkt gegenüber demjenigen der Auslassmittel des Zylinders angeordnet, das während der Einlassphase in geöffneter Stellung ist, um die Mischung der Gase zu begünstigen.
  • In einer anderen Variante werden beide Einlassmittel verwendet, vor allem, um die Mischung der Gase zu begünstigen.
  • Allgemein erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren die Wiedereinleitung einer ausreichende Menge an verbrannten Gasen in den Zylinder, um die Selbstzündung der danach in den Zylinder eingelassenen Frischgase einzuleiten. Der Auslass der verbrannten Gase aus dem Zylinder während der Einlassphase erlaubt es, die Rekompression der verbrannten Gase im Zylinder zu verhindern, wenn der Kolben sich während der Auslassphase von seinem unteren Totpunkt zu seinem oberen Totpunkt hin bewegt, was eine Wärmeverlustquelle wäre und die Arbeit der Niederdruckschleife erhöhen würde.
  • Die Erfindung wird besser verständlich, und weitere Merkmale, Details und Vorteile davon gehen aus der folgenden Beschreibung hervor, die beispielhaft ist und die auf die Zeichnungen im Anhang Bezug nimmt, wobei:
  • 1 auf schematische Weise ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Steuerung der Auslassventile eines Zylinders eines Viertaktmotors zeigt;
  • 2 auf schematische Weise eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt;
  • 3 eine schematische Ansicht eines Lagebeispiels der Einlassventile und der Auslassventile auf einem Zylinderkopf ist.
  • Die Arbeitsweise einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird auf schematische Weise in 1 gezeigt, die die Hübe der zwei Auslassventile und eines Einlassventils eines Viertaktmotors während der Expansions-, Auslass-, Einlass- und Kompressionsphasen des Motorzyklus darstellt.
  • In 1 stellt die Kurve 1 den Hub eines Auslassventils E1 eines Zylinderkopfs C (3) dar, die Kurve 2 stellt den Hub des zweiten Auslassventils E2 dieses Zylinders dar, und die Kurve 3 stellt den Hub eines Einlassventils A1 dieses Zylinders dar.
  • 3 gemäß können mehrere Einlassventile vorhanden sein, insbesondere zwei: A1 und A2.
  • Das Auslassventil E1 wird auf konventionelle Weise gesteuert und ist während der Auslassphase offen, wobei der Hub dieses Ventils im Wesentlichen gegen Ende der Expansionsphase beginnt, wenn der Kolben sich in der Nachbarschaft seines unteren Totpunkts befindet, und am Ende der Auslassphase endet, wenn der Kolben sich in der Nachbarschaft seines oberen Totpunkts befindet.
  • Der Hub des Auslassventils E2 beginnt vor dem Ende der Auslassphase und endet gegen Ende der Einlassphase, wenn der Kolben die Nachbarschaft seines unteren Totpunkts erreicht. Das Ende der Schließung erlaubt auf diese Weise die Regelung der Rückstandsgasrate.
  • Der Hub des Einlassventils A1 beginnt etwa im Moment der Schließung des Auslassventils E2, um das Gemisch der Frischgase/verbrannten Gase zu minimieren, und endet bei Beginn der Kompressionsphase, wenn der Kolben beginnt, sich von seinem unteren Totpunkt zu seinem oberen Totpunkt hin zu bewegen. Die Überschneidung der Bewegungen dieser Ventile kann zur Regelung des Gemischs der Frischgase/verbrannten Gase beitragen.
  • Während der Auslassphase werden die verbrannten Gase durch den Kolben, der sich zu seinem oberen Totpunkt hin bewegt, aus dem Zylinder vertrieben und treten durch das Auslassventil E1 aus dem Zylinder aus. Während der nachfolgenden Einlassphase wird ein Teil der verbrannten Gase durch das Auslassventil E2, das offen ist, in den Zylinder zurückgeleitet und füllt einen Teil des Zylinders mit der Bewegung des Kolbens zu seinem unteren Totpunkt hin, dann werden Frischgase im Wesentlichen bis zum Ende der Einlassphase durch das Einlassventil A1 in den Zylinder eingelassen. Die Frischgase, die auf diese Weise in den Brennraum eingelassen werden, vermischen sich wenig mit den verbrannten Gasen, die zuvor in den Zylinder zurückgeleitet wurden. Während der Kompressionsphase sind die Auslass- und Einlassventile geschlossen, sodass die Kombination des Drucks, der hohen Temperatur der verbrannten Gase und des Vorhandenseins reaktiver Stoffe in diesen letzteren eine Selbstzündung der Frischgase im Brennraum des Zylinders verursachen kann.
  • Aus 1 ist zu ersehen, dass die zwei Auslassventile des Zylinders nacheinander geöffnet und geschlossen werden und dass sie verschiedene Funktionen haben, wobei das eine der Ausleitung der verbrannten Gase aus dem Zylinder und das andere der Wiedereinleitung der verbrannten Gase in den Zylinder dient. Durch einen Versatz der Steuerung des Auslassventils E2 ist es möglich, von einem Normalbetrieb, bei dem die zwei Auslassventile gleichzeitig geöffnet und geschlossen werden, zum erfindungsgemäßen Betrieb überzugehen, der in 1 veranschaulicht wird. Desgleichen reicht es aus, die Öffnung des Einlassventils A1 zu verschieben, während der gleiche Schließzeitpunkt beibehalten wird, um den in 1 gezeigten Betriebsmodus zu erreichen.
  • Im oben beschriebenen Betriebsmodus bleibt das Einlassventil A2 ständig geschlossen.
  • Dieser Betriebsmodus weist den zusätzlichen Vorteil auf, dass keines der zwei Auslassventile völlig gehoben ist, wenn der Kolben am oberen Totpunkt ist, was jede Gefahr einer Interferenz dieser Ventile mit dem Kolbenkopf verhindert.
  • Es ist auch anzumerken, dass das von den zwei Einlassventilen A1 und A2, das während des Betriebs des Motors bei Teillast und im Selbstzündungsmodus zum Einlass der Frischgase verwendet ist, dasjenige ist, das sich direkt gegenüber dem Auslassventil E1 befindet, d. h. dem Auslassventil, das während der Einlassphase geschlossen ist.
  • Die Erfindung ist auch 1 entsprechend anwendbar, wenn die Schließung des Ventils E2 im Wesentlichen gleichzeitig mit der Schließung des Einlassventils erfolgt.
  • In einer Ausführungsvariante, die in 2 schematisch dargestellt ist, wird das Auslassventil E1 auf dieselbe Weise gesteuert wie bereits Bezug nehmend auf 1 beschrieben, doch der Hub des Auslassventils E2 beginnt etwa gleichzeitig mit dem des Auslassventils E1 und wird im Wesentlichen während des Endes der Einlassphase verlängert. Die Steuerung des Einlassventils A1 wird nicht modifiziert, wie durch die Kurve 3 dargestellt.
  • In dieser Ausführungsform ist die Dauer des Hubs des Auslassventils E2 länger und setzt früher ein als in der in 1 gezeigten Ausführungsform, um etwa am gleichen Zeitpunkt zu enden, was zur Folge hat, dass während der Auslassphase mehr verbrannte Gase aus dem Zylinder ausgeleitet werden.
  • Aus dem Normalbetrieb, der verwendet wird, wenn der Motor unter Volllast ist, kann in den in 2 gezeigten Betriebsmodus übergegangen werden, indem die Steuerung des Auslassventils E1 nicht modifiziert wird, indem die Steuerung des Auslassventils E2 modifiziert wird, um die Dauer des Hubs im Wesentlichen bis zum Ende der Einlassphase zu verlängern, indem der Hub des Einlassventils A1 modifiziert wird, und indem der Hub des Einlassventils A2 untersagt wird.
  • In einer anderen Ausführungsvariante kann die Steuerung des Einlassventils A1 nicht modifiziert werden, sodass die Wiedereinleitung von verbrannten Gasen in den Zylinder und der Einlass von Frischgasen in den Zylinder etwa gleichzeitig stattfinden.
  • Es versteht sich, dass das erfindungsgemäße Verfahren auf den Fall anwendbar ist, wo die Auslass- und Einlassmittel anstelle der Ventile mit alternierender linearer Bewegung Drehschieber umfassen.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Steuerung der Selbstzündung in einem Viertaktmotor, wobei die Auslass- und Einlassmittel der Zylinder gesteuert werden, damit die Zylinder bei den Kompressionsphasen teilweise mit verbrannten Gasen und teilweise mit Frischgasen gefüllt sind, wenn der Motor im Teillastbetrieb ist, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zylinder (C) mit mindestens zwei Auslassmitteln wie z.B. Ventilen (E1, E2) versehen ist, wobei die Öffnung und Schließung der zwei Auslassmittel eines Zylinders jeweils auf verschiedene Weise gesteuert werden, um einen Auslass der verbrannten Gase aus dem Zylinder während der Auslassphase und eine Wiedereinleitung von verbrannten Gasen in den Zylinder während der Einlassphase zu gewährleisten, wenn der Kolben sich von seinem oberen Totpunkt zu seinem unteren Totpunkt hin bewegt, dass die Wiedereinleitung von verbrannten Gasen und der Einlass von Frischgasen in den Zylinder relativ zueinander zeitlich versetzt sind, und dass die Wiedereinleitung von verbrannten Gasen vor dem Einlass von Frischgasen beginnt und gegen Ende des Einlasses von Frischgasen in den Zylinder durch Schließung des Auslassmittels (E2) beendet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während der Einlassphase eines der Auslassmittel (E1, E2) geschlossen ist, wenn das andere geöffnet ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während der Auslassphase ein erstes Auslassmittel (E1) des Zylinders geöffnet ist und das andere (E2) geschlossen ist, wenn der Kolben sich von seinem unteren Totpunkt zu seinem oberen Totpunkt hin bewegt, dann das erste Auslassmittel (E1) geschlossen wird und das andere (E2) am Anfang der Einlassphase geöffnet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Auslassmittel (E1 und E2) des Zylinders während der Auslassphase geöffnet sind, wenn der Kolben sich von seinem unteren Totpunkt zu seinem oberen Totpunkt hin bewegt, dann das erste Auslassmittel (E1) geschlossen wird und das andere (E2) während der Einlassphase offen gelassen wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass von Frischgasen in den Zylinder vor dem Ende der Wiedereinleitung der verbrannten Gase in den Zylinder beginnt.
  6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor mit mehreren Einlassmitteln (A1, A2) pro Zylinder versehen ist, wobei die Frischgase durch ein einziges Einlassmittel in den Zylinder eingelassen werden, wenn der Motor im Teillastbetrieb ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Einlassmittel direkt gegenüber dem (E1) der Auslassmittel des Zylinders angeordnet ist, das im Falle von Betriebsbedingungen, wo die Mischung der Frischgase und der verbrannten Gase begrenzt werden muss, während der Einlassphase in geschlossener Stellung ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Einlassmittel direkt gegenüber dem (E2) der Auslassmittel des Zylinders angeordnet ist, das im Falle von Betriebsbedingungen, wo die Mischung der Frischgase und der verbrannten Gase begünstigt werden muss, während der Einlassphase in geöffneter Stellung ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die zwei Einlassmittel während der Einlassphase geöffnet sind.
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