DE60128260T2

DE60128260T2 - Variable ventilsteuerungseinrichtung, brennkraftmaschine mit einer solchen einrichtung, und verfahren zur ventilsteuerung und turboladung

Info

Publication number: DE60128260T2
Application number: DE60128260T
Authority: DE
Inventors: Jean Frederic Melchior
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-12-15
Filing date: 2001-12-14
Publication date: 2008-01-10
Anticipated expiration: 2021-12-15
Also published as: AU2002225082A1; DE60128260D1; WO2002048510A2; US7011056B2; US20040069256A1; EP1341993A1; EP1341993B1; WO2002048510A3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine variable Steuerungseinrichtung für Brennkraftmaschinen mit zumindest zwei Nockenwellen, von denen mindestens eine mit einer Phasenwinkelverschiebung ausgestattet ist, und insbesondere auf zwei Nockenwellen am Kopf sowie auf ein mit einer solchen Maschine umgesetztes Verfahren. Unter dem Begriff Steuerung sind herkömmlich alle Einlass- und Auslassfolgen für den bzw. die Zylinder der Brennkraftmaschine zu verstehen.
Es ist bekannt, dass die Leistungen von Brennkraftmaschinen im hohen Maße von den Winkelstellungen der Kurbelwelle abhängen, bei denen die Ventile mit dem Motorzyklus geöffnet und geschlossen werden, und dass sich das optimale Steuerungsdiagramm mit den Betriebsbedingungen und insbesondere mit der Drehzahl und der Last ändert. Diese Steuerung hat einen Einfluss auf die effektive Verdichtungs- und Entspannungsrate, die Menge des verbrannten und ggf. recycelten Gases, die im Abgas verfügbare Energie, die Volumenleistung, die Motorbremse etc. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, während des Motorbetriebs die Regelung des Öffnungs- und Schließwinkels des Zylinderhohlraums ändern zu können.
In Motoren, in denen die Ventile herkömmlich mit Nockenwellen betätigt werden, können dieselbigen mit Phasenwinkelverschiebungen im Verhältnis zur Kurbelwelle ausgestattet werden, um die zeitgleiche Verschiebung der Öffnungs- und Schließwinkel des betätigten Ventils zu ermöglichen, wohingegen die Öffnungswinkeldauer konstant bleibt.
Ferner wurde an die unabhängige Regelung des Anfangs und des Endes der Ein- und Auslassphase und damit an die Schwankung der Öffnungswinkeldauer der Ventile gedacht. Zu diesem Zweck wurde bereits vorgeschlagen, die Ventile mit elektrohydraulischen Mitteln zu steuern, die es ermöglichen, die feststehende Geometrie der Nockenwellennocken zu überwinden. Derartige Steuerungsvorrichtungen sind hingegen komplex, kostspielig und ermöglichen es nicht, die gesamte Öffnungsenergie der Ventile aufzufangen, die im Steuerungsmedium als Wärme abgeleitet wird und den Kraftstoffverbrauch erhöht.
Die Patentschrift US 4,974,560 beschreibt eine variable Steuerungsvorrichtung für Brennkraftmaschinen mit zwei Nockenwellen, bei der jeder Zylinder zwei Einlassventile und zwei Auslassventile, wobei eines der Ventile eines Einlass- und/oder eines Auslassventilpaares mit einer ersten Nockenwelle und das zweite mit einer zweiten Nockenwelle betätigt werden, und Phasenwinkelverschiebungsmitteln, die es ermöglichen, die Funktionsphasen eines Ventils eines der Ventilpaare im Verhältnis zum anderen Ventil des Paares zu verschieben, umfasst. Diese Vorrichtung, die es ermöglicht, die Nachteile eines vorherigen Vorschlags auszuräumen, besteht in der Betätigung eines einzigen Ventils mit zwei Nockenprofilen, deren Phasen geeignet sind, sich im Verhältnis zueinander zu verschieben, ermöglicht die Schwankung der Öffnungs- oder Schließwinkelpositionen der Ventile sowie ihrer Öffnungsdauer zum Zwecke einer besseren Anpassung an die Betriebsbedingungen des Motors und beispielsweise einer Steigerung der Einlass- und Auslasswinkeldauer, sofern die Geschwindigkeit des Motors hoch ist, oder einer Verringerung dieser Winkeldauer bei Hochgeschwindigkeitsmotoren mit geringer Last.
Die Patentschrift US 5,003,939 beschreibt einen Mechanismus, bei dem der Ventilhub während einer Erhöhung der Dauer einer Öffnungsphase – zwar um den Preis einer hohen mechanischen Komplexität – gesteigert werden kann.
Der Patentantrag WO 01/42627 beschreibt eine vergleichbare Vorrichtung für einen Viertaktmotor, die zumindest zwei Einlassventile umfasst, wobei die Phasenwinkelverschiebung der beiden Nockenwellen derart geregelt wird, dass die Luftmenge eines Fremdzündungsmotors variiert, ohne Energieverluste des Ablassschiebers im Einlasssammler zu verursachen.
Der japanische Patentantrag JP-A-06248916 beschreibt eine vergleichbare Vorrichtung, bei der die beiden Nockenwellen mit Phasenverschiebungen versehen sind.
Der Nachteil dieser Vorrichtungen besteht darin, dass sie nicht für Motoren mit einem einzigen Einlass- und/oder Auslassventil pro Zylinder verwendet werden können.
Die Nichtgleichzeitigkeit der Öffnung oder der Schließung der Einlassventile oder der Auslassventile kann unerwünschte Folgen für die interne Aerodynamik der Zylinder haben.
Die Druckschrift DE 3 520 215A beschreibt eine Vorrichtung in Übereinstimmung mit der Präambel nach Anspruch 1.
Die vorliegende Erfindung soll die unterschiedlichen Nachteile des vorherigen Stands der Technik ausräumen und eine ausgesprochen einfache Lösung für einen mit einer beliebigen Anzahl Einlass- und/oder Auslassventilen ausgestatteten Motor liefern, die es ermöglichen, auf flexible Art und Weise nicht nur die Öffnungs- und Schließmomente der Ventile der Zylinderköpfe sondern auch die Winkeldauern variieren zu lassen, bei denen der Zylinderhohlraum mit den Ein- oder Auslasskreisläufen in Verbindung steht.
Ein weiteres Ziel besteht im Vorschlag einer Lösung, die es ermöglicht, das Hubgesetz eines Ein- oder Auslassventil und damit den Abstand, der es im geöffneten Zustand von seinem Sitz trennt, variieren zu lassen.
Ein zusätzliches Ziel ist der Vorschlag einer Vorrichtung, die das Betriebsspiel der Ventile als Verursacher von Lärm und Verschleiß automatisch aufhebt.
Gegenstand der Erfindung ist eine variable Steuerungsvorrichtung für Brennkraftmaschinen mit mindestens zwei Nockenwellen, für ein und denselben Zylinder mindestens ein Einlassventil und mindestens ein Auslassventil umfassend, die von den genannten Wellen betätigt werden, sowie Mittel zur Phasenwinkelverschiebung für mindestens eine der Nockenwellen, wobei mindestens ein Ventil durch ein hydraulisches Übertragungsmittel betätigt wird, das geeignet ist, zu diesem Ventil die Bewegung von mindestens zwei Nocken zu übertragen, die zu unterschiedlichen Nockenwellen gehören, die im Verhältnis zueinander phasenverschiebbar sind. Das phasenverschobene Steuerungsmittel umfasst ein konstantes Volumen einer Hydraulikflüssigkeit, die ggf. durch die Bewegungen jeder Nocke verschoben wird, welche jeweils zu den beiden Nockenwellen gehören, um das Ventil zu betätigen.
Zu diesem Zweck umfasst die Vorrichtung für jede Nocke eine verformbare oder mobile Oberfläche wie beispielsweise Schubkolben, die geeignet sind, jeweils von den Nocken betätigt zu werden, sowie eine verformbare oder mobile Ventiloberfläche wie beispielsweise einen auf dem Ventil aufliegenden Kolben derart, dass aufgrund der Unverdichtbarkeit der Hydraulikflüssigkeit jede mit einer Nocke verursachte Verschiebung eine Verschiebung des Ventils verursacht. Die verformbaren Flächen wie Stößel oder Kolben werden durch elastische Rückholmittel in die Ruhestellung zurückgeschoben.
So wird erreicht, dass dank der Unverdichtbarkeit der Hydraulikflüssigkeit ein eineindeutiges Verhältnis zwischen den positiven oder negativen Verschiebungen entsteht, die durch die Nocken und die Verschiebung des Ventils verursacht werden. Jede Phasenverschiebung zwischen den Nockenwellen ändert das Verschiebungsgesetz des Ventils in Abhängigkeit von der Winkelstellung der Kurbelwelle.
Die Erfindung kann sowohl für Zweitakt- aus auch für Viertaktmotoren genutzt werden.
Die Erfindung kann vorteilhaft für Motorzylinder angewandt werden, die einzig über ein Einlassventil und/oder ein Auslassventil verfügen, für die der vorherige Stand der Technik nicht zur Anwendung kommt. Sie ist ebenfalls vorteilhaft für mit Ventilen ausgestattete Zylinder, deren Verschiebungsachsen derart orientiert sind, dass die mechanischen Steuerungen schwierig oder unmöglich sind. Ein Paar phasenverschiebbare Nockenwellen kann im Übrigen parallel eine bestimmte Ventilanzahl steuern, die mit demselben Hydraulikkreislauf verbunden ist. Vorzugsweise wird der Fall genutzt, bei dem die Ventile ein und derselben Gruppe und die Verschiebungsgesetze identisch sind. Unterscheiden sich die Ventile ein und derselben Gruppe, variieren ihre Verschiebungsgesetze infolge der Unterschiede zwischen den Trägheiten und Steifigkeiten der Rücknahmevorrichtungen mit der Drehgeschwindigkeit des Motors. Der Betrieb der Vorrichtung ist einzig dann stabil, wenn das Volumen der Arbeitshydraulikflüssigkeit einen konstanten Wert gleich dem Volumen des Hohlraums aufweist, wenn die Nocken ihren minimalen Hub erreichen (sobald die Stößel auf dem Teilkreis ihrer Nocke lagern) und die gesteuerten Ventile auf ihrem Sitz lagern. Geht das Volumen der Flüssigkeit über diesen Wert hinaus, liegen Bedingungen vor, bei denen ein Ventil offen bleibt. Ist das Volumen der Flüssigkeit hingegen geringer als dieser Wert, kommt es zu Zusammenstößen zwischen den Ventilen und ihren Sitzen sowie zu Berührungsverlusten zwischen den Nocken und ihren Stößeln. Auch Hohlsogerscheinungen können in der Hydraulikflüssigkeit auftreten.
Die bevorzugte Lösung zum Ausgleich des Volumens der Arbeitsflüssigkeit besteht in der Kalibrierung jedes Zyklus wie folgt:
Der Hohlraum wird mittels eines Rückschlagventils mit einer Öldruckquelle verbunden (beispielsweise der Schmierdruck des Motors), um Leckagen auszugleichen.
Eine kleine Entladungsöffnung bleibt während der Ruhezeit geöffnet, wobei sie beispielsweise durch einen der Stößel abgedeckt wird, wenn sich derselbige an seinem Totpunkt befindet, um den Überlauf abzulassen. Diese Vorrichtung gewährleistet die automatische Aufhebung des Betriebsspiels der Ventile.
Die Mittel zur Phasenwinkelverschiebung können Phasenverschieber jeder Art aufweisen, die bereits für Motoren mit Nockenwellen bekannt sind. Bevorzugt werden jedoch die Phasenverschiebungsmittel genutzt, die mit dem europäischen Patent 0 388 244 oder dem US-Patent 5,645,017 beschrieben werden, deren Funktionsweise besonders leicht und leistungsfähig ist. Die Parameter, die auf die Phasenverschiebungsmittel einwirken, um eine Phasenwinkelverschiebung zu bewirken, sind vorzugsweise die Last oder der Motordrehmoment bzw. die Geschwindigkeit, das heißt die Drehzahl bzw. eine Kombination dieser Parameter.
Andere Parameter wie die Recyclingrate der verbrannten Gase oder die Betriebsbedingungen der Turbokompressoren, die Merkmale der Motorbremse und das Kaltstartvermögen werden ggf. genutzt, um auf die Phasenverschiebungsmittel zu wirken.
Gegenstand der Erfindung sind auch Motoren, die mit der erfindungsgemäßen Steuerung ausgestattet sind. Ferner hat sie ein Verfahren nach Anspruch 9 zum Gegenstand, dessen unterschiedliche Anwendungen durch die Tatsache gekennzeichnet sind, dass:

1. zur Optimierung der Atmung eines Viertaktmotors die Phasenschiebungsmittel derart programmiert werden, um den Vorlauf der Öffnung des Einlasses, die Verzögerung des Schließens des Auslasses; den Vorlauf des Öffnens des Auslasses und die Verzögerung des Schließens des Einlasses zu erhöhen, wenn sich die Drehzahl erhöht.
2. zur Rückhaltung der heißen Gase in einem Viertaktmotor, vor allem in einem Dieselmotor, die Phasenschiebungsmittel derart programmiert werden, um das Schließen des Auslasses vorzuziehen und in Korrelation dazu das Öffnen des Einlasses zu verzögern, ohne das Öffnen des Auslassöffnung und das Schließen des Einlasses erheblich zu verändern.
3. zur Beschleunigung eines Turbokompressors eines Motors die Phasenschiebungsmittel derart programmiert werden, um den Vorlauf der Öffnung des Auslasses zu erhöhen, ohne das Schließen des Auslasses und das Schließen-Öffnen des Einlasses erheblich zu verändern.
4. zum Ausgleich der mangelnden Durchlässigkeit eines mit kurzen und erfindungsgemäß mit variablen Steuerungssystemen verbundenen Nocken ausgestatteten Viertaktmotors derselbige mit einem zweistufiges Turbokompressionssystem ausgestattet ist, dessen Hochdruckturbokompressor ausgelegt wird, um ein Luftvolumen gleich dem mit den Kolben bei geringer Drehzahl abgetasteten Volumen zurückzudrängen und dieses bei hoher Drehzahl überkomprimierte Volumen über das Einlasssystem zu entspannen, das geregelt wird, damit das entspannte Volumen dem bei dieser neuen Drehzahl gewünschten Volumen gleicht. Parallel dazu kann die überschüssige Luft über den Auslassöffnungswinkel nach Anwendung 2 geregelt werden. Dieses Verfahren birgt den Vorteil, dass dem Motor auf natürliche Art und Weise eine Luftmasse pro Zyklus geliefert wird, die von der Drehzahl unabhängig ist, ohne dass auf eine Regelung zurückgegriffen wird, und die Regelung der überschüssigen Verbrennungsluft durch die Schwankung der Verkeilung der Steuerung zu verfeinern.

Somit wird ein Turbokompressionsverfahren eines Viertaktmotors geliefert, der mit zwei Turbokompressoren vorzugsweise mit unveränderlicher Geometrie aus gestattet wird, die in Reihe auf dem Gaskreislauf vorzugsweise mit einem Luftkühlmittel hinter jedem Kompressor montiert wird, wobei der Niederdruckkompressor (BP) ausgelegt wird, um die für die Höchstleistung erforderliche Luftströmung mit einem hohen Ertrag in der Höhe zu liefern, über die hinaus ein Druckabbau des Motors zulässig ist. Nach dem gegenwärtigen Stand der Technik entspricht dies einem Druckverhältnis von etwa 2,5 des Meeresspiegels.
Der Hochdruckkompressor (HP) wird ausgelegt, als würde die Drehgeschwindigkeit des Motors mit der Geschwindigkeit bei vollem Drehmoment bzw. etwa 40 % der Höchstgeschwindigkeit ihre Höchstgrenze finden. Die Volumenkapazität des HP-Kompressors siedelt sich folglich beispielsweise bei 40 % der Kapazität des Niederdruckkompressors an.
Das Verhältnis zwischen dem Querschnitt der Steuerungsdurchgänge der BP-Turbine und der HP-Turbine wird gewählt, um das Druckverhältnis des HP-Kompressors auf einen Wert zu beschränken, bei dem die Leistung optimal und die mechanische Last angemessen ist. Nach dem gegenwärtigen Stand der Technik liegt dieses Verhältnis allgemein annähernd bei 2.
Das Einlasssystem wird ausgelegt, um derart einen Abbau des statischen Drucks der in den Zylinder eingeführten Luft zu bewirken, dass der Druck im Zylinder am niedrigen Einlasstotpunkt in etwa derselbe bei Höchstgeschwindigkeit und bei maximaler Geschwindigkeit des Drehmoments ist. Im nachstehend beschriebenen Beispiel beträgt dieser Druckabbau etwa 50 % bei maximaler Drehzahl Nmax und 10 % bei 0,4 Nmax.
Dieser Druckabbau kann vorteilhaft durch einen unterdimensionierten Querschnitt der Einlassöffnung/en des Motorzylinders erlangt werden. Er kann ferner durch eine kürzere Dauer der Einlassphase erlangt werden.
Mit einer festen Steuerung siedelt sich die Einlassschließung um den Totpunkt an und der Druckabbau wird durch die Zunahme der Geschwindigkeit des Abflusses in der unterdimensionierten Einlassöffnung des Zylinders erlangt.
Ist der Motor mit einer variablen Steuerung ausgestattet, wird erfindungsgemäß vorzugsweise eine Steuerungsvorrichtung mit Hydraulikübertragung wie unten verwendet, wobei die Einlassschließung in der unmittelbaren Nähe des bei niedriger Drehzahl niedrigen Totpunkts angeordnet ist und, sobald die Drehzahl steigt, bis zu einem Winkel vorgezogen wird, dass sich die Luft bei Nmax bis zu 50 % des Einlassdrucks während des Endes des Ansaughubs entspannt.
Vorteilhaft wird die variable Steuerungsvorrichtung gesteuert, damit die Auslassöffnung während der Aufnahmephasen des Fahrzeugs und während der stabilisierten Drehzahlen vorgezogen wird, wo der Luftüberschuss unzureichend ist.

5. zur Erhöhung der Leistung der Motorbremse eines Viertaktmotors die Phasenschiebungsmittel programmiert werden, um das Öffnen des Auslasses vorzuziehen und die positive Arbeit auf der Motorwelle zu verringern und den Turbokompressor zu beschleunigen, und um das Schließen des Auslasses vorzuziehen, um die negative Arbeit während des Auslasshubs zu erhöhen, und, um zu vermeiden, dass diese Energie während des Ansaughubs rückgewonnen wird, wird gleichzeitig das Öffnen des Einlasses vorgezogen, um die erneut komprimierten Gase in Richtung Aufnahmekollektor zu drosseln bei Verminderung des Gesamtdrucks und Beibehaltung der Gesamttemperatur, wobei diese Gase dann erneut in den Zylinder angesaugt werden, um am folgenden Zyklus teilzunehmen, wobei sich der Auslass ausreichend spät schließt, damit das Gasvolumen kleiner als der Hubraum bleibt, damit ein Luftstrom den Zylinder in Richtung Einlass-Auslass durchströmt, um die durch das Bremsen des Fahrzeugs erzeugte Hitze abzulassen.
6. zur Erleichterung des Kaltstarts eines Viertakt-Dieselmotors die Phasenschiebungsmittel in der Art von Anspruch 16 programmiert werden, wobei jedoch das Schließen des Auslasses noch weiter vorgezogen wird, um den Luftstrom durch den Motor umzukehren, um stromaufwärts zum Motors eine Luftlast zu akkumulieren, die schrittweise in einigen Zyklen die Selbstzündungstemperatur erreicht, wobei das Schließen des Auslasses sofort nach dem Zünden verzögert wird, um einen Gasstrom durch den Motor anzuregen.
7. zur Erhöhung des Rotationsbewegung der Luft, die im Zylinder über ein Tangentialrohr oder spiralförmiges Rohr aufgenommen wird, die Phasenschiebungsmittel programmiert werden, um die Öffnung des Einlasses zu verzögern, um den Druckabfall und damit die Ablassgeschwindigkeit am Sitz des oder an jedem Einlassventil zu erhöhen.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden beim Lesen der nachstehenden Beschreibung deutlich, die als nicht beschränkendes Beispiel zu betrachten ist und sich auf die Zeichnungen im Anhang bezieht, wobei:
1 eine schematische horizontale Schnittansicht durch die Achse der Nockenwellen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer ersten Ausführungsform darstellt,
2 eine schematische vertikale Schnittansicht durch die Achse der Ventile dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung in ihrer ersten Ausführungsform darstellt,
3 Anwendungsschemata der Erfindung nach drei unterschiedlichen Architekturen des Zylinderkopfes mit vier Ventilen darstellt, wobei die Pfeile die Funktionsverbindungen zwischen den Nocken und den Ventilen abbilden,
4 Funktionsdiagramme bei niedriger Drehzahl bzw. bei hoher Drehzahl der erfindungsgemäßen Anwendung Nummer 1 zur Optimierung der Atmung eines Viertaktmotors darstellt,
5 Funktionsdiagramme bei geringer Last und bei starker Last der erfindungsgemäßen Anwendung Nummer zwei darstellt, die für den Neuumlauf der Verbrennungsgase des vorangehenden Zyklus verwendet wird,
6 schematisch eine zweistufige Turbokompressionsvorrichtung mit Viertaktmotor entsprechend Anwendung Nummer vier darstellt,
7 (a und b) und 8 Funktionsdiagramme der Anwendung Nummer vier zur Anpassung der Turbokompressoren eines Viertaktmotors darstellen,
9 Funktionsdiagramme der Anwendung Nummer fünf zur Verbesserung der Motorbremse eines turbokomprimierten Viertaktmotors darstellt,
10 Funktionsdiagramme der Anwendung Nummer sechs zur Verbesserung des Kaltstarts einer Viertaktdieselmotors darstellt.
Unter Bezugnahme auf 1 wurde schematisch in der Draufsicht ein Zylinderkopf des Zylinders einer Viertaktbrennkraftmaschine dargestellt, die mit zwei Ventilen, nämlich einem Einlass- SA und einem Auslassventil-SE ausgestattet ist. Die Einlass- und Auslasskreisläufe wurden nicht abgebildet. Diese Ventile werden mit zwei Nockenwellen am Kopf AC1 und AC2 betätigt, die jeweils mit einem Phasenwinkelverschieber D1 bzw. D2 versehen sind. Die Phasenwinkelverschieber können jedem beliebigen und handelsüblichen Phasenwinkelverschieber entsprechen. Sie ermöglichen während des Motorbetriebs die Winkelverschiebung jeder Nockenwelle in Abhängigkeit von den Betriebsparametern des Motors. Dem Fachmann gut bekannt, werden sie hier nicht weiter beschrieben. Für den Bedarfsfall wird auf die Patentschriften EP 0 388 244 oder US 5,645,017 verwiesen.
Unter Bezugnahme auf 2 wird eine schematische Ansicht im Querschnitt durch die Achse des Einlassventils SA dargestellt. Das Ventil SA ist geeignet, sich von seinem Sitz 1 zu entfernen und demselben anzunähern, wobei es den Ausgang des Einlasssammlers 2 ausbildet. Die Ventilstange 3 endet in einem Kolben 4, der in Ventilschließstellung durch eine Feder oder ein anders elastische Rückholmittel 5 zurückgeholt wird. Der Ventilkolben 4 gleitet in einer Kammer 6, in die zwei weitere Kammern 7, 8 einmünden. In den Kammern 7 und 8 gleiten dichte Stößel oder Kolben 9, 10, zwischen denen eine Feder 11 zwischengelagert wird, die ihre Berührung mit den Nocken gewährleistet. Die Stößel 9, 10 befinden sich mit den Nockenwellen AC1 und AC2 in Steuerkontakt, welche Einlassventilnocken A1 und A2 aufnehmen. Der Hohlraum, der durch die Kammern 6, 7 und 8 und ihre Verbindungsleitungen ausgebildet wird, ist mit einem Ölvolumen gleich dem Volumen des Hohlraums gefüllt, wenn das Ventil auf seinem Sitz lagert und die Stößel auf dem Teilkreis ihrer Nocken aufliegen. Es ist möglich, dieses Ölvolumen durch eine Versorgungsleitung 14 zu halten, die mit dem Motoröldruck durch ein Rückschlagventil 15 verbunden ist. Die Kraft der Feder 5 ist ausreichend, um die Öffnung des Ventils unter der einfachen Einwirkung des Öldrucks unter dem Druck der Leitung 14 zu vermeiden, wenn die Klappe 15 geöffnet wird. So wird ein Mindestdruck im Hohlraum gewährleistet, wenn das Ventil auf seinem Sitz aufliegt. Eine Druckausgleichsöffnung 16 wird vorteilhaft in der unmittelbaren Nähe der Ruhestellung des Stößels 9 derart angeordnet, dass die Leitung von irgendwelchen Gasen geleert und gleichzeitig der etwaige Überlauf abgeleitet wird. Die Neukalibrierung des Ölvolumens wird somit bei jedem Zyklus gewährleistet, Das Leck durch die Druckausgleichsöffnung 16 wird durch den Stößel 9 abgedichtet, sobald derselbige zur Erhöhung des Drucks in Bewegung kommt. Auf diese Weise wird ferner der automatische Ausgleich des Betriebsspiels der Ventile gewährleistet.
Die Konstanz des Flüssigkeitsvolumens im Hohlraum wird folglich während der Ruhephase der Nocken und des Ventils gewährleistet.
Das Auslassventil SE wird dank einer vergleichbaren Vorrichtung durch Nocken E1 und E2 betätigt.
Die Funktionsweise lässt sich wie folgt beschreiben:
Ausgehend von der Ruhezeit, in der das Ventil auf seinem Sitz angeordnet ist und die Stößel immobil gegen den Teilkreis ihrer Nocken aufliegen, während der der Druck im Hohlraum annähernd dem Schmierdruck des Motors gleicht, dichtet der Stößel 9, sobald derselbige durch die erste Nocke A1 verschoben wird, die Druckausgleichsöffnung 16 ab und fördert das Öl in die Kammer 6, wobei der Kolben 4 zurückgedrückt wird, der das Ventil öffnet. Solange die Nocke A2 nicht wirksam wird, ist die Verschiebung des Ventils proportional zur Verschiebung des Stößels 9 im Oberflächenverhältnis der Kolben 9 und 4. Sobald die Nocke A2 wirksam wird, kommt der mit dem Kolben 10 zurückgedrückte Strom zum Strom von Kolben 9 hinzu und kann wie folgt ausgedrückt werden: X9·S9 + X10·S10 = X4·S4 wobei X die Verschiebung der positiv in Richtung der Öffnung und negativ in Richtung der Schließung gerechneten Kolben ist und S ihrer aktiven Fläche entspricht.
Der Öldruck im Hohlraum schwankt folglich zyklisch in Abhängigkeit von der Federkraft und den Trägheiten der Bewegungsteile. Diese Druckschwankungen verursachen im Hohlraum einen Mischbetrieb, dessen Amplitude mit der Geschwindigkeit des Motors steigt. Es ist unbedingt erforderlich, dass der Druck im Hohlraum immer ausreichend ist, um den Kontakt zwischen den Nocken und den Stößeln zu gewährleisten. Die Leitung der Ventile wird verbessert, indem der Höchstdruck und das Volumen der Arbeitsflüssigkeit beschränkt wird. Aus diesem Grund werden große Stößelquerschnitte und geringe Leitungslängen bevorzugt. Bei den elastischen Rückholmitteln kann es sich im Metall- oder Druckluftfedern oder anderes handeln. Jede Stößel kann individuell oder einig der Ventilstößel zurückgeholt werden, wobei der Versorgungsdruck diese Funktion während der Ruhephasen für die Nockenstößel 9, 10 gewährleistet.
Wird eine der Nockenwellen im Verhältnis zur anderen phasenverschoben, indem beispielsweise die Welle AC2 im Verhältnis zur Welle AC1 verzögert wird, wird die Öffnung des Ventils durch AC1 aber die Schließung durch AC2 bestimmt, da der Stößelkolben 10 noch durch die Nocke A2 unterstützt wird, während der Stößelkolben 9 in seine Ruhestellung zurückgekehrt ist. Es ist folglich verständlich, dass auf diese Art und Weise Schwankungen entstehen, die nicht nur die Öffnungs- und Schließwinkelpositionen der Ventile betreffen, indem die Phasen der Wellen geändert werden, sondern auch die Winkeldauer der Einlassphase, während der das Ventil SA geöffnet ist.
Es ist selbstverständlich möglich, den Nocken A1 und A2 unterschiedliche Nockenprofile zuzuordnen, um alle möglichen Konfigurationen der Ventilöffnungs- und -schließgesetze und der Winkeldauern des Ventilhubs oder der Momentanwerte des Hubs, das heißt Abstand zwischen dem Ventils SA von seinem Sitz 1 zu erhalten.
So kann beispielsweise eine der beiden Nocken eine Nockenrampe mit einer steileren Neigung als die andere für die Öffnung oder die Schließung aufweisen, und durch Einwirkung auf die Phasenverschiebung ist es möglich, progressive oder gar schnelle Öffnungen oder Schließungen zu bewirken.
Als Beispiel sind für einen Motor mit zwei Nockenwellen, die jeweils zwei Nocken pro Zylinder aufweisen, die folgenden Möglichkeiten gegeben: Mit OA, OE, FA, FE werden die (an die Kurbel angesetzten) Öffnungs-(OA) und Schließwinkel (FA) der Einlass- und Öffnungs-(OE) sowie Schließphasen (FE) der Auslassphasen bezeichnet. Mit A1 und A2 wirken die Nocken auf den Einlass und mit E1 und E2 wirken die Nocken auf den Auslass.
Mit der nachstehenden Tabelle 1 werden zwei erfindungsgemäße Steuerungssequenzmöglichkeiten in einem Zyklus dargestellt. Tabelle 1

Möglichkeiten Mit AC2 gesteuert Mit AC1 gesteuert

1 OA OE FA FE

2 OE FE OA FA
Weitere Möglichkeiten können durch die Unterscheidung der Öffnungsdau ern von A1 und A2 und/oder E1 und E2 geschaffen werden. Beispielsweise zeigt 4, dass AC1 in einem ersten Phasenverschiebungsbereich OE und FE kontrolliert und AC1 in einem zweiten Bereich die Kontrolle von OE zugunsten von AC2 verlieren kann und die Kontrolle von FE behält.
In der Folge der Beschreibung werden die Winkel in Kurbelwellengraden (DV) angegeben und entsprechen folglich einer Rotation der Kurbelwelle. In den Fallen, in denen der angegebene Winkel die tatsächliche Rotation der Nockenwelle misst (die sich in einem Viertaktmotor zwei Mal langsamer dreht), wird der Winkel in Nockelwellengraden (DC) angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch an Motoren umgesetzt wer den, die ein Paar Einlassventile und/oder ein Paar Auslassventile aufweisen, wobei die Ventile eines Paares jeweils eines von einer ersten Nockenwelle AC1 und das andere von einer zweiten Nockenwelle AC2 entweder individuell durch ein Schubstangensystem oder zeitgleich betätigt werden und die Nocken auf die Ventile erfindungsgemäß mit hydraulischen Steuerungsmitteln einwirken.
Der Einfachheit halber werden nunmehr Anwendungsbeispiele des Verfah rens unter Bezugnahme auf Schema a von 3 gegeben.
Beschreibung der Anwendung 1 des Verfahrens: In der Ausführungsform, die mit 4 dargestellt wird, weisen die Einlassventile SA1 und SA2 dieselbe Abmessung auf. Dies gilt auch für die Auslassventile SEI und SE2. Die Ventile werden mit Schubstangen oder mit einer hydraulischen Steuerung nach 3, Schema a gesteuert.
Die Nockenwelle AC1 wirkt auf die Ventile SA1 und SE', während die Welle AC2 auf die Ventile SA2 und SE2 wirkt.
4 stellt ein Diagramm dar, in dem einerseits ein Steuerungszyklus mit hoher Drehzahl und andererseits ein Steuerungszyklus mit geringer Drehzahl dargestellt wird, wobei die Achse der Abszissen den Winkel DV der Kurbelwelle mit dem oberen Totpunkt des Auslasses bei 360 DV abbildet und die Achse der Ordinaten den Nockenhub schematisiert. Die Einlassnocke A1 hat eine Hubdauer von 90 DC und die Einlassnocke A2 eine Hubdauer von nur 80 DC. Die Nocke E1 hat beispielsweise im dargestellten Fall eine Hubdauer von nur 80 DC, während die Auslassnocke E2 eine Hubdauer von 90 DC aufweist. Wird der Motor mit einer geringen Drehzahl betrieben (unteres Diagramm), werden die Phasenverschieber geregelt, damit sich die Auslassphase am unteren Totpunkt PMB Auslass, das heißt bei 180 DV, öffnet und am oberen Totpunkt PMH, das heißt bei 360 DV, schließt.
Am PMH Auslass findet die Einlassöffnung OA statt, wobei die Schließung PA am unteren Totpunkt bei 540 DV erfolgt.
Eine derartige Funktionsweise entspricht einem Betrieb mit niedriger Drehzahl. Es ist bekannt, dass die Beschleunigung eines solchen Viertaktmotors von einem Winkelvorzug der Einlassöffnung und der Auslassöffnung sowie einem Winkelverzug der Einlassschließung und der Auslassschließung begleitet wird. So kann beispielsweise ein Auslassöffnungsvorzug X um 40 DV und ein Einlassöffnungsvorzug X/2 um 20 DV gewünscht werden. Die Phasenverschieber D1 und D2 werden in diesem Fall durch die Erkennung der Drehzahl (oberes Diagramm) betätigt, und die Auslassöffnung OE findet dank dem Winkelvorzug, der der Auslassnocke E2 durch die Vorverschiebung X/2 = 20 DC der Nockenwelle AC2 eingeräumt wird, die entsprechend der halben Geschwindigkeit des Motors dreht, 40 DV vorher statt. Die Einlassnocke A2, die mit dieser Welle AC2 betätigt wird, wirkt folglich 40 DV eher als im Fall einer niedrigen Drehzahl und folglich 20 DV vor dem PMH Auslass, wobei somit ein Einlassöffnungsvorzug X/2 = 20 DV bestimmt wird. Im Gegensatz dazu wird die Nockenwelle AC1 um 20 DC nach hinten phasenverschoben, wobei die Auslassnocke E1 spürbar nach dem Beginn der Auslassphase OE wirkt. Ihre Rückkehr in die Ruhestellung bestimmt hingegen das Ende der Auslassphase PE, das folglich 20 DV nach dem PMH Auslass bzw. 40 DV nach der Einlassöffnung OA eintritt. Folglich wird sowohl ein Vorzug bei der Auslassöffnung als auch eine Gesamtverlängerung der Auslassdauer bewirkt, die 20 DV nach dem PMH endet, was den Auslass im hohen Maße erleichtert und ein Abtasten ermöglicht. Auch die Einlassöffnung OA wurde um 20 DV vorgezogen, aber das Ende der Endein lassphase FA wird um 40 DV nach dem niedrigen Einlasstotpunkt bei 540 DV verzögert.
Die Zwischendrehzahlen entsprechend Zwischenphasenverschiebungen.
Nunmehr wird auf 5 hinsichtlich der Anwendung Nr. 2 Bezug genommen, wobei die Achsen der Abszissen und der Ordinaten dieselben wie nach 4 sind.
Diese Figur betrifft, genauer gesagt, den Fall der Viertaktdieselmotoren, bei denen eine regelbare Menge der verbrannten Gase des vorangehenden Zyklus im Zylinder beispielsweise nach dem europäischen Patent Nr. 0593152 zurückbehalten werden soll. Mit dieser Zielsetzung wird empfohlen, die Auslassphase vorzeitig zu schließen und gleichzeitig die Öffnung der Einlassphase zu verzögern wobei die zurückgehaltenen Gase einen Kompressions-/Entspannungszyklus erfahren, um den PMH Auslass zu überwinden. Bei derartigen Motoren ist es vorteilhaft, große verbrannte Gasmengen mit geringer Last und geringe Gasmengen mit großer Last zu recyceln. Darüber hinaus wird die Lastaufnahme von einer Schnellbeschleunigung des Turbokompressors begleitet, die durch einen Vorzug der Auslassöffnung unterstützt wird, Mit dem unteren Diagramm nach 5 wird die starklastige Steuerung und mit dem oberen Diagramm die geringlastige Steuerung dargestellt.
In den Zwischenfällen erfolgt die Verkeilung zwischenzeitlich zwischen den beiden dargestellten Extremen.
Das im Zylinder zurückgehaltene Warmgasvolumen wird durch die Stellung des Kolbens auf FE (Ende der Auslassphase) festgelegt. Der gewählte Gasdruck steigt während der Schließung des Ventils mit der Motordrehzahl infolge des an FE wachsenden Lastenverlusts leicht an. Zur Vermeidung einer Zurückdrängung des Gases in die Einlassleitung wird empfohlen die Einlassphase zu öffnen, wenn der Druck im Zylinder dem Druck der Einlassleitung nahezu gleicht.
In diesem Beispiel entspricht das maximale Recycling einem FE von 70 DV vor dem PMH Auslass und dem Minimum für 20 DV. Bei niedriger Drehzahl und in der Annnahme, dass der Druck in der Einlass- und Auslassleitung identisch ist, wird OA symmetrisch im Verhältnis zum PMH Auslass bzw. jeweils 70 DV und 20 DV danach angeordnet. Mit der Erhöhung der Drehzahl wird empfohlen, FE zu verzögern und OA vorzuziehen.
Für den geringlastigen Betrieb wurde ein Vorzug OE von 70 DV zur ordnungsgemäßen Beschleunigung des Turbokompressors und ein Verzug FA von 40 DV, der mit der Motordrehzahl steigt, gewählt.
Für den starklastigen Betrieb wird ein Vorzug OE von 30 DV und ein unveränderter Verzug FA von 40 DV gewählt.
Diese Steuerungsdiagramme werden mit Nockenwellen AC1 und AC2 gewährleistet, die nach 4 bzw. entsprechend den nachstehenden Öffnungswinkeldauern der Nocken konfiguriert werden: A1 = 50 DC, A2 = 75 DC, E1 = 90 DC, E2 = 45 DC
Die Welle AC1 nimmt die Nocken A1 und E1 mit einem Winkelabstand von 70 DC auf.
Die Welle A2 nimmt die Nocken A2 und E2 mit einem identischen Winkelabstand auf.
Vom Maximalrecycling wird zum Minimalrecycling übergegangen, wobei die Phasenverschiebung der Welle AC1 um 25 DC in Richtung Verzug und der Welle AC2 um 25 DC in Richtung Vorzug bzw. 50° im Kurbelwellenwinkel erfolgt, Die Zwischenphasenverschiebungen werden programmiert, um dem Motorbedarf Rechnung zu tragen.
Nunmehr wird auf die 6, 7, 8 im Hinblick auf die Anwendung von Verfahren Nr. 4 Bezug genommen.
6 zeigt den Lufteintritt 20, der in die Kompressorstufe des großen Niederdruckturbokompressors (BP) 21, führt, dessen nachgeschaltetes Element über eine Kühlvorrichtung 22 mit der Kompressorstufe des kleinen Hochdruckturbokompressors (HP) 23 verbunden ist, wobei nachgeschaltet eine Hochdruckkühlvorrichtung 24 angeordnet ist, die im Einlass des Motors 25 mündet, dessen Auslass in Reihe mit den HP- und anschließend mit den BP-Turbinenstufen der Turbokompressoren verbunden ist.
Die Nutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ausführung großer Schwankungen der Winkeldauer der Einlass- und/oder Auslassphasen erfordert, dass die Winkelöffnung der Nocken mit einer bedeutenden Verringerung der Strömungsleistung der Öffnungen des Zylinderkopfes weitaus unter den herkömmlichen Werten liegt. Der für die Aufrechterhaltung eines ordnungsgemäßen Füllstands des Zylinders mit hoher Drehzahl erforderliche Luftdruck wird damit erheblich erhöht. Folglich ist es erforderlich, ein Turbokompressionsverfahren zu nutzen, das zu einem hohen Druckverhältnis verbunden mit einer hohen Energieleistung geeignet ist, um die Motorleistung nicht zu beeinträchtigen.
Ein überversorgter Viertaktkraftfahrzeugdieselmotor beispielsweise muss im Übrigen sein maximales Drehmoment oberhalb von 30 bis 40 % seiner maximalen Rotationsgeschwindigkeit liefern. Der mit dem Strom der Abgase betätigte Turbokompres sor muss folglich die Nennluftlast liefern, sobald die geringen Drehzahlen erreicht werden, und sie bis zur maximalen Drehzahl halten.
Die beste Lösung, die heute zur Erreichung dieses Ziels genutzt wird, ist ein Kompressor, der für erhebliche Strömungsschwankungen des konstanten Förderdrucks in Verbindung mit einer Turbine mit variabler Geometrie in Abhängigkeit von der Motordrehzahl geeignet ist. Diese Strömungsflexibilität der Turbomaschine schlägt sich in einem erheblichen Verlust der globalen isentropischen Leistung, der durch eine Erhöhung des Turbinendrucks kompensiert wird, um den Kompressor mitzunehmen, und damit in einem Wärmeleistungsverlust des Motors nieder, der sich ausgesprochen nachteilig auf die starken Einlassdrucke in Verbindung mit erfindungsgemäßen Verfahren variabler Steuerung auswirkt.
Das allgemeine Prinzip dieses Turbokompressionsverfahrens besteht in der Versorgung des Einlasssammlers mit einem spürbar konstanten Luftvolumen bei variablem Druck anstelle eines variablen Luftvolumens bei konstantem Druck. Dieses gekühlte Luftvolumen wird gleich dem mit den Kolben im maximalen Drehmomentbetrieb abgetasteten Volumen bzw. beispielsweise 40 % der maximalen Drehzahl ausgewählt. Unter diesem geringen Volumen muss die für die Vollleistung erforderliche Luftlast auf einen Druck gebracht werden, der zumindest zwei Mal höher als in einem herkömmlichen Motor ist, bzw. annähernd 5 Bar. Dies macht es erforderlich, zu einer zweistufigen Turbokompression vorzugsweise mit fester Geometrie und hoher Leistung sowie Kühlung nach jedem Kompressor nach dem Stand der Technik gemäß der Abbildung nach 6 überzugehen, die die Anordnung der beiden BP- und HP-Turbokompressoren und der beiden BP- und HP-Luftkühlmittel in Bezug zum Motor zeigt.
Dieses Verfahren zeichnet sich durch die geringe aerodynamische Durchlässigkeit der Einlassvorrichtung aus, die gewählt wurde, um am niedrigen Ansaugtotpunkt einen Luftdruckabbau, der um so höher ist, da die Drehzahl (Rotationsgeschwindigkeit) am maximalen Drehmoment gering gehalten werden soll, bzw. in diesem Beispiel etwa ein Abbau um 50 % bei maximaler Drehzahl Nmax des Motors.
Nach einer Feststeuerung, die den Einlass in der unmittelbaren Nähe des niedrigen Einlasstotpunkts schließt, geht der Druckabbau auf den Aufbau des Abflusses an den Öffnungen zurück. Bei 0,4 Nmax beträgt er etwa 8 %. Auf der Volllastkurve ist der mit den Turbokompressoren gelieferte Druck nahezu proportional zur Strömung des verbrannten Kraftstoffs und fällt von 2,5 Bar bei 0,4 Nmax auf 5 Bar bei Nmax ab; es wird folglich verständlich, dass der Druck im Zylinder relativ unabhängig von der Drehzahl ist: Er steigt beispielsweise angesichts des Druckverlusts an den unterdimensio nierten Einlassöffnungen von 2,5-8 % = 2,3 Bar bei 2000 tr/min auf 5-50 % = 2,5 Bar bei 5000 tr/min. Dieses Verfahren ermöglicht folglich ohne irgendeine Regelung wie die Kontrolle einer variablen Geometrie oder einer Gasströmung durch den Bypass einer Turbine die natürliche Anpassung der Turbokompressoren an die feste Geometrie eines Motors mit variabler Drehzahl und fester Steuerung.
Eine erfindungsgemäße variable Steuerung ermöglicht die Verbesserung des Verbrauchs bei hoher Drehzahl eines nach diesem Verfahren überversorgten Motors, indem der Abbau des statischen Luftdrucks während des gesamten Ansaughubs durch einen geringeren Aufbau der Luftgeschwindigkeit infolge einer Einlassöffnung mit größerem Querschnitt während eines durch eine vorzeitige Schließung der Einlassventile gestoppten Ansaughubs, gefolgt von einer Entspannung bis zum unteren Totpunkt, ersetzt wird.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht einen auf den Antrieb von Kraftfahrzeugen besser abgestimmten Betrieb, wobei die Wärmeleistung der Drehzahl des maximalen Drehmoments zum Nachteil des maximalen Betriebs optimiert werden muss.
Diese Anordnung birgt zahlreiche Vorteile:

– schnelle Beschleunigung des kleinen HP-Turbokompressors 20, der sein Nenngasvolumen ab den geringsten Motordrehzahlen aufnimmt und der Beschleunigung eine geringe Trägheit entgegenhält.
– Ausgezeichnete isentropische Elementarleistungen der Turbinen und Kompressoren mit fester Geometrie nebst des zusätzlichen Vorteils einer Kühlung der Luft zwischen den Kompressoren.
– Einfachheit und Zuverlässigkeit der festen Geometrie in Verbindung mit angemessenen Zentrifugenbeanspruchungen dank der Vervielfachung der Druckverhältnisse.
– Betrieb der Kompressoren in charakteristischen Feldbereichen in unmittelbarer Nähe ihrer Pumpenreihe, wo die Leistungen hoch sind.
– Hohe Einführungsgeschwindigkeit der Luft in den Zylinder, die starke Turbulenzen während der Verbrennung zulässt.

7 stellt die verglichenen Anpassungen einer Monostufe mit variabler Geometrie und von zwei Stufen mit fester Geometrie erfindungsgemäß dar.
Nach dieser Figur ist:

π: das Verhältnis nachgeschalteter Druck/vorgeschalteter Druck des Kompressors.
Q: die Masseluftleistung.
P,: T der Druck und die Temperatur, die dem Kompressor vorgeschaltet sind.

Gleichzeitig werden die Pumpenkurven und die Betriebsbereiche bei Dreh zahlschwankung sichtbar.
Es wird deutlich, dass sich der Betriebspunkt für ein herkömmliches System im schraffierten Bereich entwickelt, in dem die Leistungen mittelmäßig sind, Im Gegensatz dazu grenzen die Betriebspunkte der beiden Kompressoren erfindungsgemäß an Bereiche mit guter Leistung.
8 zeigt zwei Betriebsdiagramme bei 2000 und 5000 tr/min Volllast für einen Motor mit zwei Nockenwellen AC1 und AC2, bei dem AC2 mit einem Phasenverschieber D2 versehen ist, der jeweils eine Einlassnocke A1 und A2 und eine Auslassnocke E1 und E2 aufnimmt. Die Achse der Abszissen stellt die Winkelposition der Motorwelle in DV dar, wobei der obere Verbrennungstotpunkt den Ursprung bildet. Die positive Ordinate stellt den statischen Druck im Zylinder und die negative Ordinate den Hub jeder Nocke und die sich daraus ergebenden Einlass- und Auslassquerschnitte dar.
Die dargestellten Kurven sind:

α, β: statischer Druck im Zylinder bei 5000 tr/min bzw. 2000 tr/min.
γ, δ: Auslassquerschnitte bei 5000 tr/min bzw. 2000 tr/min.
ε, ϕ: Einlassquerschnitte bei 5000 tr/min bzw. 2000 tr/min.

Die Kurven mit unterbrochener Strichellinie entsprechen dem individuellen Hub der Nocken A1, A2, E1, E2.
AC1, dessen Verkeilung fest ist, trägt eine Auslassnocke E1 von 100 DC, die sich bei 160 DV öffnet und bei 360 DV schließt, und eine Einlassnocke von 55 DC, die sich bei 360 DV öffnet und bei 470 DV schließt.
AC2, dessen Verkeilung um 35 DC bzw. 70 schwankt, trägt eine Auslassnocke E2 von 80 DC und eine Einlassnocke A2 von 55 DC jeweils im Abstand von 35 DC. Bei niedriger Drehzahl verkeilt sich AC2 in der verzögerten Stellung, um E2 bei 360 DV und A2 bei 540 DV zu schließen, während AC2 bei hoher Drehzahl um 35 DC bzw. 7 DC vorgezogen wird. Zwischen diesen beiden Werten schwankt die Verkeilung von AC2 in Abhängigkeit von der Drehzahl und ggf. von der Last nach einem Gesetz, dass die positive Arbeit der Gase während des Ansaughubs optimiert. So wird deutlich, dass der Druck im Sammler bei niedriger Kolbengeschwindigkeit niedrig ist und der Motor seinen gesamten Hubraum trotz des verringerten Querschnitts der Einlassöffnungen ohne spürbaren Druckabbau aufsaugt. Bei starker Kolbengeschwindigkeit ist der Überdruck im Sammler hoch und der Motor saugt einzig die Hälfte seines Hubraums über Einlassöffnungen hohen Querschnitts mit einem vergleichbaren Druckabbau auf. Nach FA (Einlassschließung) entspannt sich die zugelassene Luftlast im Zylinder bis zum unteren Totpunkt.
9 stellt ein Betriebsdiagramm eines Verfahrens zur Verbesserung der Bremsfunktion und des Kaltstarts eines Viertaktmotors mit Recycling der verbrannten Gase in Anwendung von Verfahren Nr. 2 dar.
Die Achse der Abszissen stellt die Winkelstellung der Motorwelle in DV-Graden dar, wobei der Ursprung der obere Verbrennungstotpunkt ist, die Achse der positiven Ordinaten stellt den Druck der Gase im Zylinder für die beiden Außenverkeilungen, Normalbetrieb (λ) und Kaltstart (μ) dar, die Achse der negativen Ordinaten stellt die Position der Nocken dar. Die Position Motorbremse ist eine Zwischenstellung zwischen diesen beiden Außenverkeilungen.
Zur Einrichtung der Motorbremse ab einer Normalverkeilung der Steuerung wird OE, FE und OA gleichzeitig vorgezogen und FA bei annähernd 540 DV bis zu einem Winkel gehalten, in dem die Energiestreuung den Höchstwert erreicht.
Der Vorzug von OE verringert die Entspannungsarbeit am Kolben durch die Erhöhung der Turbinenleistung und der Vorzug FE erhöht die negative Arbeit des Kolbens während des Auslasshubs, eine Arbeit, die während des Aufsaughubs dank des Vorzugs von OA nicht rückgewonnen wird. Bei der Einlassöffnung am oberen Totpunkt wird die neu komprimierte Luft in Richtung Einlasssammler gewalzt, wo sie ihren Gesamtdruck bei Beibehaltung ihrer Gesamttemperatur verliert, um ein Volumen größer als das Volumen zu belegen, das sie bei FE belegt hat. Dieses Volumen, das sofort in den Zylinder rückangesaugt wird, muss geringer als der Hubraum sein, damit ein Frischluftvolumen während des folgenden Ansaughubs hinzugefügt und die Last des folgenden Zyklus bilden kann. Die Auslasstemperatur und die Luftströmung stabilisieren sich in einer Ebene, die einzig vom Winkeln von FE abhängt, wobei die Bremsleistung proportional zum Produkt dieser beiden Parameter ist.
Über einen bestimmten Vorzug von FE kehrt sich die Luftströmung durch den Motor um, um mit einer starken Erhitzung über den Motor vom Auslasssammler zum Einlasssammler zu gelangen. So wird Warmluft vor dem Motor akkumuliert, die den Kaltstart erleichtert, sobald die normale Fließrichtung wiederhergestellt wurde.
10 stellt die annähernde Entwicklung der Temperaturen während der beiden ersten als adiabatisch angenommenen Zyklen eines Motors mit geometrischer Kompressionsrate 11/1 für eine Steuerung gemäß dem Diagramm nach 9 dar. Die Achse der Abszissen stellt den Kurbelwellenwinkel DV dar und die Achse der Ordinaten stellt die Lufttemperatur in °K dar.
Der Motor umfasst zwei Nockenwellen AC1, AC2, die mit Phasenverschiebern D1, D2, AC1 ausgestattet sind, und trägt eine Einlassnocke A1 von 75 DC und eine Auslassnocke E1 von 85 °DC, die im Abstand von 65 DC angeordnet sind. AC2 nimmt eine Einlassnocke A2 von 80 DCV und eine Auslassnocke E2 von 65 DC auf, die im Abstand von 75 DC angeordnet sind.
Die normale Verkeilung der Steuerung lautet:
OA = 420 DV, FA = 580 DV, OE = 140 DV, FE = 300 DV.
Für den Kaltstart lautet die Verkeilung: OA = 360 DV, FA = 540 DV, OE = 70 DV, FE = 230 DV.
Diese Verkleidung wird durch den Vorzug von AC1 um 35 DC und AC2 um 20 DC bzw. jeweils 70 DV und 40 DV durch Betätigung von D1 und D2 erlangt.
Der Starter wird betätigt, während sich der Kolben am niedrigen Einlasstotpunkt befindet und der Zylinder mit Kaltluft bei 250 °K gefüllt ist. Die erste Kompression zieht eine Temperatursteigerung auf 500 °K nach sich. Die folgende verkürzte Entspannung belässt im Zylinder Luft bei 350 °K, die bis zu 600 °K erneut komprimiert wird und in der Folge in den Zylinder bei dieser Temperatur rückangesaugt wird, um eine neuerliche Kompression – verkürzte Entspannung zu erfahren, welche zu 800 °K führt. Die folgende Teilkompression erhöht die Luft auf 1350 °K und die Endkompression erreicht 2700 °K.
Ein Kaltzylinder stellt natürlich eine Wärmeaufnahme dar, die einen großen Teil der Energie der sukzessiven Kompressionen aufnimmt, aber ausgehend davon, dass 800 °K für die Selbstzündung völlig ausreichen, wird deutlich, dass bei 4 Starterumdrehungen ein Diesel mit geringer Kompressionsrate bei ausgesprochen niedriger Umgebungstemperatur startet.
Umgehend nach der Zündung nimmt die Verkeilung der Steuerung erneut Normalstellung ein, wo jeder Zyklus mit den Warmgasen des vorhergehenden Zyklus gezündet wird.
Bei dieser Anwendung wird die Winkelverkeilung der Nockenwellen wie auch bei den vorhergehenden Anwendungen vom herkömmlichen Bordcomputer verwaltet, der die erforderlichen Parameter berücksichtigt.

4

PMB (explosion): PMB (Explosion
PMH (echappement): PMH (Auslass)
PMA (admission): PMA (Einlass)
Haut regime: Hohe Drehzahl
Bas regime: Niedrige Drehzahl

5

PMH (echappement): PMH (Auslass)
Faible charge: Geringe Last
Forte charge: Hohe Last

7A

Pompage: Pumpen
Zone de fonctionnement: Betriebsbereich
Rendement médiocre: Mittelmäßige Leistung
Turbo compression monoétage avec turbine a geometrie variable: Einstufige Turbokompression und Turbine mit variabler Geometrie

7B

Compresseur HP: HP-Kompressor
Pompage: Pumpen
Compresseur BP: BP-Kompressor
Rendement élevé: Hohe Leistung
Courbe pleine charge: Volllastkurve
Turbo compression a deux étages a géométrie fixe: Zweistufige Turbokompression mit fester Geometrie

8

Pcompresseur: PKompressor
Pturbine: PTurbine

9

Démarrage à froid: Kaltstart
Marche normale: Normalbetrieb
Calage en marche normale avec recyclage de gaz brulés: Verkeilung im Normalbetrieb mit Recycling der verbrannten Gase
Calage pour le démarrage à froid: Verkeilung für Kaltstart
Le calage frein moteur est intermédiaire: Die Verkeilung der Motorbremse ist eine Zwischenverkeilung.

10

Allumage: Zündung

Claims

Variable Ventilsteuerungseinrichtung für Brennkraftmaschinen mit mindestens zwei Nockenwellen (AC1, AC2), für denselben Zylinder mindestens ein Einlassventil (SA) und mindestens ein Auslassventil (SE) umfassend, die von den genannten Wellen betätigt werden, sowie Mitteln zur Phasenwinkelverschiebung (D1, D2) für mindestens eine der Nockenwellen, wobei mindestens ein Ventil (A) durch ein hydraulisches Übertragungsmittel (4, 9, 10) betätigt wird, das in der Lage ist, zu diesem Ventil die Bewegung von mindestens zwei Nocken (A1, A2) zu übertragen, die zu unterschiedlichen Nockenwellen (AC1, AC2) gehören, die im Verhältnis zueinander phasenverschiebbar sind, wobei dieses Übertragungsmittel einen Hohlraum umfasst, der von mindestens zwei verformbaren oder beweglichen Flächen (9, 10) begrenzt wird, die jeweils durch die Nocken (A1, A2) verschiebbar sind, sowie von mindestens einer verformbaren oder beweglichen Ventilfläche (4), wobei diese Flächen von elastisches Rückholmitteln zurückgeholt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum mit einem konstanten Volumen Hydraulikflüssigkeit gefüllt ist, das dem Volumen des Hohlraums entspricht, wenn die Nocken und das Ventil in Ruhestellung sind, so dass aufgrund der Nichtkomprimierbarkeit der Hydraulikflüssigkeit jede Verschiebung, die von einer Nocke hervorgerufen wird, eine Verschiebung des Ventils hervorruft, und dass jede Phasenverschiebung zwischen den Nockenwellen das Verschiebungsgesetz des Ventils in Abhängigkeit von der Winkelposition der Kurbelwelle verändert.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beweglichen oder verformbaren Flächen in Zylindern gleitende Kolben (4, 9, 10) sind.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Hohlraum mittels eines Rückschlagventils (15) mit einer Öldruckquelle verbunden ist, um Leckagen zu kompensieren.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Öffnung zum Ablassen der Hydraulikflüssigkeit umfasst, die während der Ruhephasen geöffnet und während der aktiven Phasen der Nocken geschlossen ist, um den eventuellen Überlauf abzulassen.
Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die kleine Ablassöffnung (16) von einer der Flächen oder Stößel freigelegt wird, wenn sich diese/r an ihrem/seinen Totpunkt befindet, und abgedeckt wird, sobald sich der Kolben oder der Stößel verschiebt, um den Überlauf abzulassen, wodurch eine automatische Annullierung des Betriebsspiels der Flächen gewährleistet wird.
Zweitakt- oder Viertaktmotoren, bei denen mindestens ein Motorzylinderventil von einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 betätigt wird.
Motor nach Anspruch 6, dessen Motorzylinder nur ein Einlassventil und/oder ein Auslassventil besitzen.
Motor nach Anspruch 6, dessen Zylinder eine Mehrzahl, vorzugsweise identischer, Einlassventile, oder eine Mehrzahl, vorzugsweise identischer, Auslassventil umfassen, wobei die Ventile einer Mehrzahl von derselben Einrichtung betätigt werden.
Verfahren zur Umsetzung einer Brennkraftmaschine, bei dem mindestens ein Motoren-Zylinderventil (SA, SE) von einer variablen Ventilsteuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 betätigt wird, so dass die Bewegung von zwei Nocken (A1, A2) übertragen wird, die zu zwei unterschiedlichen Nockenwellen (AC1, AC2) gehören, die im Verhältnis zueinander durch Phasenverschiebungsmittel phasenverschiebbar sind, durch das hydraulische Übertragungsmittel der besagten variablen Ventilsteuerungseinrichtung, die einen Hohlraum besitzt, der mit einem konstanten Volumen Hydraulikflüssigkeit gefüllt ist, so dass jede von einer Nocke (A1, A2) hervorgerufene Verschiebung eine Verschiebung des Ventils (SA, SE) nach sich zieht, und dass jede Phasenverschiebung zwischen den Nockenwellen (AC1, AC2) das Verschiebungsgesetz des Ventils (SA, SE) in Abhängigkeit von der Winkelposition der Kurbelwelle verändert, wobei mindestens unter bestimmten Betriebsbedingungen die Nockenwellen (AC1, AC2) phasenverschoben werden, um für denselben Zylinder den Beginn der Einlassphasen und/oder Auslassphasen durch einen der Nocken (A1, A2) zu steuern und das Ende dieser Phasen durch den anderen Nocken (A1, A2), wobei während des Betriebs die Phasenverschiebung zwischen den Nockenwellen (AC1, AC2) mit den Phasenverschiebungsmitteln, die auf einen oder mehrere Betriebsparameter des Motors reagieren, verändert wird, um die Winkeldauer der betreffenden Phase zu variie ren, wobei die Parameter auf die Phasenverschiebungsmittel wirken, um eine Phasenwinkelverschiebung zu erzeugen, was insbesondere das Motordrehmoment, die Geschwindigkeit, der Recyclinggrad der verbrannten Gase, die Funktionsbedingungen der Turbokompressoren, die Eigenschaften der Motorbremse und die Kaltstartleistung sein kann.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Motorzylinder ein einziges Einlassventil und ein einziges Auslassventil angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Einlassventilen von derselben variablen Ventilsteuereinrichtung und eine Mehrzahl von Auslassventilen von derselben variablen Ventilsteuereinrichtung betätigt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Optimierung der Atmung eines Viertaktmotors die Phasenschiebungsmittel derart programmiert werden, um den Vorlauf der Öffnung des Einlasses, die Verzögerung des Schließen des Auslasses; den Vorlauf des Öffnens des Auslasses und die Verzögerung des Schließens des Einlasses zu erhöhen, wenn sich die Drehzahl erhöht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Rückhaltung der heißen Gase in einem Viertaktmotor, vor allem in einem Dieselmotor, die Phasenschiebungsmittel derart programmiert werden, um das Schließen des Auslasses vorzuziehen und in Korrelation dazu das öffnen des Einlasses zu verzögern, ohne das öffnen des Auslassöffnung und das Schließen des Einlasses erheblich zu verändern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beschleunigung eines Turbokompressors eines Motors die Phasenschiebungsmittel derart programmiert werden, um den Vorlauf der Öffnung des Auslasses zu erhöhen, ohne das Schließen des Auslasses erheblich zu verändern, und das Schließen-Öffnen des Einlasses.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Leistung der Motorbremse eines Viertaktmotors die Phasenschiebungsmittel derart programmiert werden, um das öffnen des Auslasses vorzuziehen, um die positive Arbeit auf der Motorwelle zu verringern und den Turbokompressor zu beschleunigen, und um das Schließen des Auslasses vorzuziehen, um die negative Arbeit während des Auslasshubs zu erhöhen, und, um zu vermeiden, dass diese Energie während des Ansaughubs zurückgewonnen wird, wird gleichzeitig das öffnen des Einlasses vorgezogen, um die erneut komprimierten Gase in Richtung Aufnahmekollektor zu drosseln bei Verminderung des Gesamtdrucks und Beibehaltung der Gesamttemperatur, wobei diese Gase dann erneut in den Zylinder angesaugt werden, um am folgenden Zyklus teilzunehmen, wobei sich der Auslass ausreichend spät schließt, damit das Gasvolumen kleiner als der Hubraum bleibt, damit ein Luftstrom den Zylinder in Richtung Einlass-Auslass durchströmt, um die durch das Bremsen des Fahrzeugs erzeugte Hitze abzulassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erleichterung des Kaltstarts eines Viertakt-Dieselmotors die Phasenschiebungsmittel in der Art von Anspruch 15 programmiert werden, wobei jedoch das Schließen des Auslasses noch weiter vorgezogen wird, um den Luftstrom durch den Motor umzukehren, um stromaufwärts zum Motors eine Luftlast zu akkumulieren, die schrittweise in einigen Zyklen die Selbstzündungstemperatur erreicht, wobei das Schließen des Auslasses sofort nach dem Zünden verzögert wird, um einen Gasstrom durch den Motor anzuregen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung des Rotationsbewegung der Luft, die im Zylinder über ein Tangentialrohr oder spiralförmiges Rohr aufgenommen wird, die Phasenschiebungsmittel programmiert werden, um die Öffnung des Einlasses zu verzögern, um den Druckabfall und damit die Ablassgeschwindigkeit am Sitz des oder an jedem Einlassventil zu erhöhen.