DE602004000725T2 - Verfahren zur Ventilsteuerung in einer Brennkraftmaschine - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Ventile eines Verbrennungsmotors mit mindestens zwei Ansaugventilen pro Zylinder, wie in US 5,056,486 beschrieben. Sie betrifft ferner ein System, womit sich das Verfahren der vorliegenden Erfindung anwenden lässt.
  • Die vorliegende Erfindung gilt insbesondere für Motoren mit 16 Ventilen.
  • Die Senkung der Kraftstoffverbrennung eines Fahrzeugs ist eine der wichtigsten Ziele, die die Automobilindustrie vor Augen hat.
  • Eine Möglichkeit, den Kraftstoffverbrauch zu verringern bzw. das Fahrvergnügen in einem Fahrzeug mit Motor wesentlich zu vergrößern, ist das Drehmoment des Motors bei geringer Motordrehzahl im Bereich, der vom Fahrer vorwiegend genutzt wird, zu erhöhen. Durch diese Verbesserung wird es möglich, die Getriebeübersetzung des Fahrzeugs bei gleicher Leistung zu erhöhen sowie, als Folge der Änderung des Betriebspunktes, den Verbrauch des Fahrzeugs zu senken.
  • Das Drehmoment eines Motors ist direkt von der Menge Luft abhängig, die in die Zylinder eintreten kann. Die Füllmenge bzw. der Befüllungsgrad eines Motors kennzeichnet seine Fähigkeit, Luft in seine Zylinder einzulassen, vorausgesetzt es herrschen im Vorfeld bestimmte Bedingungen in Bezug auf Druck, Temperatur und Feuchtigkeit der Verbrennungsluft vor. Bei Saugmotoren hängen die Bedingungen größtenteils von der Atmosphäre ab.
  • Die Füllmenge ist das Verhältnis der Masse an Luft, die bei einem Motorzyklus in die Zylinder eingelassen wird, zur Masse desselben Luftvolumens (Hubraum des Motors) unter den im Vorfeld vorherrschenden Bedingungen.
  • Die Füllmenge eines Motors ist nicht über den gesamten Betriebsverlauf hinweg konstant. Durch bestimmte akustische Phänomene des Systems, die durch die Luftsäulen von der Luftkammer des Ansaugverteilers zu den Ventilen und die Menge an Luft in den Zylindern entstehen, wird es möglich, diese Füllmenge unter bestimmten Betriebsbedingungen zu optimieren.
  • Unter den Resonanzbedingungen dieses Systems ist es möglich, in dem Zylinder einen Druck zu erzeugen, der höher als der Atmosphärendruck ist, und daher aus einer natürlichen Überladung Nutzen zu ziehen. Dieses Phänomen nennt man Kadenacy-Effekt und entspricht der Verwendung einer Einstellung nach Helmholtz analog einem Helmholtz-Resonator oder einem Masse-Feder-System. Durch die hohe Füllmenge kann der Motor bei den Betriebsbedingungen, bei denen eine Helmholtz-Einstellung bewirkt wird, ein hohes Drehmoment liefern. Die theoretische natürliche Helmholtz-Resonanzfrequenz f wird durch folgende Formel definiert:
    Figure 00020001
    wobei
    • c
    die Schallgeschwindigkeit des in der Ansaugleitung enthaltenen Mediums ist,
    S
    die mittlere Schnittfläche des Ansaugkanals ist (von der Luftkammer des Ansaugverteilers zu den Ventilen),
    L
    die Länge des Ansaugkanals ist, und
    V
    die Hälfte des Hubraums plus der ungenutzte Raum eines Zylinders ist.
  • Folglich entspricht eine einzige theoretische natürliche Helmholtz-Resonanzfrequenz einer gegebenen Geometrie der Ansaugkanäle und einem gegebenen Hubraum.
  • Die theoretische Helmholtz-Einstellungsbedingung N wird durch folgende Formel definiert: N = 30·f·l/180wobei
    • f
    die theoretische natürliche Helmholtz-Resonanzfrequenz ist,
    l
    die Breite der Einlassvorgabe, d.h. die Anzahl an Grad des Kurbelwellenwinkels, bei der die Ansaugventile um mehr als 1 mm angehoben werden, ist.
  • Es ist ebenfalls möglich, die Luftfüllmenge eines Motors zu erhöhen, indem eine sogenannte akustische Viertelwelleneinstellung im System, das durch die Hauptrohre des Ansaugverteilers gebildet wird, genutzt wird. Wenn die Ansaugventile geschlossen werden, wird durch die plötzliche Bewegungsunterbrechung, die durch die Luftsäule in dem mit diesem Ventil verbundenen Hauptrohr ausgelöst wird, eine Überdruckwelle erzeugt, die sich in Richtung der Einlasses des Hauptrohrs ausbreitet. Diese Welle wird dann reflektiert, wobei sich ihr Vorzeichen ändert (Unterdruckwelle), da das Ende des Hauptrohrs für eine wesentliche Menge geöffnet ist: die „Luftkammer" des Verteilers.
  • Wenn die Unterdruckwelle an dem geschlossenen Ventil ankommt, wird sie reflektiert ohne ihr Vorzeichen zu ändern. Sie erreicht erneut das offene Ende der Hauptrohre und wird dann als Überdruckwelle reflektiert.
  • Durch Einstellung des Öffnungswinkels des Ansaugventils, kann diese Überdruckwelle dazu genutzt werden, den Durchsatz der Luft, die zu Beginn des Ansaugens eingeführt wird, zu erhöhen und dadurch die Füllmenge zu steigern.
  • Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen in den Hauptkanälen wird für gewöhnlich durch C gekennzeichnet, die Ausbreitungszeit einer Welle von einem Ende eines Hauptrohres mit einer Länge l1 zum anderen beträgt t = C0/l1. Entsprechend der Änderung des Vorzeichens der Welle zum Zeitpunkt ihrer Reflexion in der Luftkammer muss die Welle gleich viele Vor-und-Zurück-Bewegungen im selben Kanal durchführen, um am Ventil einen Überdruck zu erzeugen. Wenn sich das nachfolgende Öffnen des Ventils am Ende einer Zeit, die ein Vielfaches von 4·CO/l1 ist, ereignet, wirkt sich die akustische Welle positiv auf das Öffnen des Ansaugventils aus.
  • In der Praxis ist es durch die Optimierung dieser Akustikeffekte durch Dimensionierung des Ansaugsystems und die Einstellung der Öffnungsvorgaben der Ansaugventile allgemein möglich, diese Effekte in einem eingeschränkten Betriebsbereich vorteilhaft zu nutzen. Wenn die Füllmenge und folglich auch das Drehmoment bei geringer Motordrehzahl also erhöht werden sollen, ist es notwendig, die Maße und Einstellungen abzuändern, und diese Abänderung schlägt sich in einem Rückgang der Motorleistung bei hoher Motordrehzahl nieder.
  • Bei einem herkömmlichen Viertakt-Benzinmotor erfolgen das Öffnen und Schließen der Ansaugventile für gewöhnlich über ein mechanisches System, was ungeachtet den Betriebsbedingungen oder der Füllmenge des Motors zu einem festen Verhältnis zwischen dem Hub der Ventile und dem Winkel der Motordrehung führt. Diese Motoren werden Motoren mit fester Nockenwelleneinstellung genannt.
  • Derzeit werden jedoch insbesondere für Viertakt-Benzinmotoren Systeme mit flexibler Steuerzeit entwickelt.
  • Daher ist es mit verschiedenen Arten von Systemen des Standes der Technik möglich, das oben genannte Problem teilweise zu lösen:
    • Systeme mit flexibler Akustik, die eine mechanische Vorrichtung aufweisen, die es ermöglicht, die Länge der Ansaugkanäle flexibel zu gestalten und dadurch den Betriebsbereich, der von einer Akustikeinstellung profitiert, zu verändern.
    • Systeme mit Nockenwellenphasenverschiebung (variable Steuerzeiten VVT oder feste Steuerzeiten VTC), die es ermöglichen, die Einstellung des Ventilhubdiagramms in Bezug auf die Drehwinkelreferenz des Motors ohne Änderung des Hubdiagramms zu verändern. Die Variante der Einstellung kann vereinzelt oder konstant sein.
    • Systeme mit mechanischen variablen Steuerzeiten („Valvetronic"), die es ermöglichen, das Öffnen und die Dauer der Öffnung für alle Ansaugventile übereinstimmend flexibel festzulegen.
  • Diese Systeme haben den Nachteil, dass Vorrichtungen oder mechanische Einstellungen erforderlich sind, die nicht vollständig zufriedenstellend sind.
  • Aus diesem Grund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein einfach zu bedienendes System bereitzustellen, womit es möglich ist, die Luftfüllmenge der Zylinder eines Verbrennungsmotors wesentlich zu verbessern. Dies gilt vor allem für Benzin-betriebene Saugverbrennungsmotoren mit Systemen für variable Steuerzeiten, die die Ansaugventile der einzelnen Zylinder unabhängig voneinander steuern.
  • Folglich bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Kontrolle von Ansaugventilen eines Verbrennungsmotors, der mindestens ein erstes Ventil und mindestens ein zweites Ventil pro Zylinder umfasst, wobei sich durch jedes Ventil ein erster und ein zweiter Ansaugkanal des Zylinders öffnen bzw. schließen lässt, und wobei jedes Ventil für das Öffnen und Schließen zyklisch gesteuert wird. Das Verfahren sieht folgende Schritte für das Schließen der Ansaugventile eines Zylinders vor:
    einen ersten Schritt des Schließens des ersten Ventils,
    dann einen zweiten Schritt des Schließens des zweiten Ventils, wobei die Zeit T zwischen dem Schließen des ersten Ventils und dem Schließen des zweiten Ventils dergestalt ist, dass die Ausbreitung von mindestens einem Überdruck, der im ersten Kanal durch Schließen des ersten Ventils erzeugt wird, hin zu dem zweiten Ventil ermöglicht wird.
  • Daher sind im Gegensatz zu den Zweiventilmotoren des Standes der Technik auch Vorkehrungen für eine deutlichen Verschiebung der Schließzeiten der Ventile getroffen.
  • Die Zeit T entspricht mindestens der Zeit, die eine akustische Welle benötigt, um den Weg von einem ersten Ventil zu einem zweiten Ventil über die Ansaugkanäle zurückzulegen.
  • Der Wert dieser Zeit T entspricht etwa T = (k·4·L1 + L2 + Lint + L2)/C0 ± λ L1/C0, wobei
    • k
    eine ganze Zahl vorzugsweise im Bereich von 1 bis 3 ist,
    L1
    die Länge des ersten Ansaugkanals ist,
    L2
    die Länge des zweiten Ansaugkanals ist,
    Lint
    der Abstand zwischen den Einlässen der zwei Ansaugkanäle, die sich gegenüber den Ventilen befinden, ist,
    C0
    die Schallgeschwindigkeit des in den Kanälen enthaltenen Mediums ist, und
    λ
    eine Zahl zwischen 0 und 1 und vorzugsweise gleich null ist.
  • Das Schließen des ersten Ventils wird nahe dem mittleren Kolbenlauf nach dem oberen Totpunkt (OT) ausgelöst, und das Öffnen der Ansaugventile wird etwa gleichzeitig ausgelöst. Ferner wird das Öffnen der Ansaugventile vorzugsweise etwa am oberen Totpunkt (OT) des Betriebs des Motors ausgelöst.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren ein System zur Steuerung der Ansaugventile eines Verbrennungsmotors unter Verwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung. Dieses System lässt sich bei einem Motor mit mindestens einem ersten Ventil und mindestens einem zweiten Ventil pro Zylinder verwenden, wobei jedes Ventil zyklisch durch eine Betätigungsvorrichtung zum Öffnen oder Schließen eines ersten Ansaugkanals bzw. eines zweiten Ansaugkanals eines Zylinders betätigt wird. Mit einem zentralen Steuergerät lassen sich die Betätigungsvorrichtungen derart steuern, dass das Schließen des ersten Ventils und nach einer Zeit T das Schließen des zweiten Ventils gesteuert wird. Die Zeit T entspricht mindestens der Zeit, die eine akustische Welle benötigt, um den Weg von dem ersten Ventil zu dem zweiten Ventil über die Ansaugkanäle zurückzulegen. Die Zeit T kann den folgenden Wert einnehmen: T = (k·4·L1 + L1 + Lint + L2)/C0 ± λ L1/C0, wobei
    • k
    eine ganze Zahl vorzugsweise im Bereich von 1 bis 3 ist,
    L1
    die Länge des ersten Ansaugkanals ist,
    L2
    die Länge des zweiten Kanals ist,
    Lint
    der Abstand zwischen den Einlässen der zwei Ansaugkanäle, die sich gegenüber den Ventilen befinden, ist, und
    C0
    die Schallgeschwindigkeit des in den Kanälen enthaltenen Mediums ist, und
    λ
    eine Zahl zwischen 0 und 1 und vorzugsweise gleich 0 ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung steuert das zentrale Steuergerät das Schließen des ersten Ventils nahe dem mittleren Kolbenlauf nach dem oberen Totpunkt. Ferner steuert es die Betätigungsvorrichtungen derart, dass das Öffnen der Ventile etwa gleichzeitig geschieht. Dieses Öffnen geschieht etwa am oberen Totpunkt (OT) des Betriebs des Motors.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei den Betätigungsvorrichtungen um elektromagnetische Betätigungsvorrichtungen.
  • Die verschiedenen Ziele und Merkmale der vorliegenden Erfindung zeigen sich deutlicher durch die nun folgende Beschreibung und die angefügten Figuren, wobei
  • 1 einen Motor schematisch abbildet, wodurch es möglich ist, die Erläuterung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung darzustellen;
  • 2 ein vereinfachtes Flussdiagramm des Betriebs des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 3 verschiedene Phasen der Ansaugsteuerung eines Motors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 4 ein ausführlicheres Flussdiagramm des Betriebs des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 5 die Betriebslinien eines Motors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 6 die Betriebslinien eines Motors zeigt, und
  • 7 ein Beispiel eines Systems darstellt, womit es möglich ist, das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung anzuwenden.
  • Ein Verfahren zur Steuerung der Ansaugventile eines Verbrennungsmotors gemäß der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden beschrieben.
  • Die vorliegende Erfindung wird in Bezug auf einen Benzin-betriebenen Viertakt-Saugverbrennungsmotor, der ein System zur variablen Zeitsteuerung aufweist, beschrieben.
  • Der Kraftstoff wird über ein unter Druck stehendes Kraftstoffversorgungssystem in alle Zylinder oder Ansaugkanäle eingespritzt. Ferner umfasst der Motor mindestens zwei Ansaugventile pro Zylinder. Schließlich wird die Luft durch ein Ansaugsystem auf die Zylinder verteilt, wobei jedes Ventil der Zylinder über einen unabhängigen Kanal, der zumindest teilweise am Ventilsitz mündet, mit Luft versorgt wird.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass die Kraftstoffversorgung von einem der beiden Kanäle durchgeführt werden kann.
  • Die Hubraumsteuerungen der Ansaugventile desselben Zylinders können auch voneinander unabhängig durchgeführt werden und erlauben die Einstellung der Ventilöffnungszeiten und der Dauer der Öffnung.
  • In 1 wird ein Verbrennungsmotor dargestellt, bei dem die vorliegende Erfindung Anwendung findet. Diese Figur zeigt den eigentlichen Motor M, der vier Zylinder CC1, CC2, CC3 und CC4 aufweist. Jeder Zylinder wird über die Ansaugkanäle mit Luft versorgt, wie C1 und C2 für Zylinder CC1. Jeder Ansaugkanal ist auf der einen Seite mit einem Ansaugverteiler ID und auf der anderen Seite mit einem Zylinder des Motors, den er versorgt, verbunden. Jeder Ansaugkanal mündet auf der Seite des Zylinders in einem Ventil, wie S1 für den Ansaugkanal C1 und S2 für den Ansaugkanal C2, was ermöglicht, dass die Luft in den Zylinder versorgt bzw. nicht versorgt wird, je nachdem, ob er geöffnet oder geschlossen ist.
  • Die Steuerung der Ansaugventile S1 und S2 des Zylinders CC1 und somit die Luftversorgung dieses Zylinders wird auf 2 basierend beschrieben.
  • Zum besseren Verständnis der Figuren werden die geschlossenen Ventile in den Figuren undurchsichtig und die offenen Ventile durchsichtig dargestellt.
  • In einer ersten Phase, mit ph1 gekennzeichnet, sind die zwei Ventile S1 und S2 geöffnet, wie in dem Zeitdiagramm im unteren Bereich von 2 dargestellt.
  • Während der Phase ph2 oder vor dieser Phase ist das Ventil S1 geschlossen. Nun wird beim Schließen dieses Ventils eine Druckwelle erzeugt. Je höher die Geschwindigkeit der Gase ist, die zum Zeitpunkt des Schließens eingelassen werden, desto höher ist der erzeugte Überdruck. Der Überdruck erreicht seinen Höchstwert also dann, wenn das Ventil nahe dem mittleren Kolbenlauf (90° nach dem oberen Totpunkt) geschlossen wird.
  • Der erzeugte Überdruck setzt sich im Kanal C1 in einer der gewöhnlichen Versorgung entgegengesetzten Richtung fort, d.h. hin zum Ansaugverteiler ID.
  • In Phase ph3 erreicht der Überdruck das Ende des Ansaugkanals C1, das sich auf der Seite des Ansaugverteilers befindet. Dieser Überdruck breitet sich teilweise in dem Ansaugverteiler und folglich hin zu Ansaugkanal C2 des Ventils S2 aus, wobei sich der Ansaugkanal C2 in unmittelbarer Nähe des Ansaugkanals C1 befindet, und wird teilweise in dem Ansaugkanal C1 reflektiert, wobei sich sein Vorzeichen ändert, hin zu Ventil S1.
  • Folglich wird in Phase ph4 in Ansaugkanal C1 ein Unterdruck erzeugt. Dieser Unterdruck wird durch einen gestrichelten Pfeil dargestellt, der in Richtung des Ventils S1 verläuft. Ein Überdruck, der durch einen durchgehenden Pfeil, der in Richtung des Ventils S2 verläuft, dargestellt wird, wird in Ansaugkanal C2 erzeugt.
  • In Phase ph5 breitet sich die Unterdruckwelle in dem Ansaugkanal C1 aus und erreicht Ventil S1, das geschlossen ist. Diese Unterdruckwelle wird nun in Ansaugkanal C1 in die entgegengesetzte Richtung reflektiert. In dieser Zeit wird durch den Überdruck in Ansaugkanal C2 ein zusätzlicher Luftzufluss in Zylinder CC1 über Ventil S2, das geöffnet ist, erzeugt.
  • Das Ventil S2 ist am Ende von Phase ph5 geschlossen, wie in dem Zeitdiagramm im unteren Bereich von 2 dargestellt.
  • Nun befinden wir uns also in Phase ph6, wenn die beiden Ventile S1 und S2 geschlossen sind.
  • 3 zeigt die Steuerung der Ansaugventile S1 und S2 im Rahmen eines Betriebszyklus eines Motors. Ventile S1 und S2 sind deutlich sichtbar in der Abgasphase geschlossen. Die Ventile S1 und S2 sind ab dem OT (oberen Totpunkt) in der Ansaugphase geöffnet. Das Ansaugventil S1 wird dann geschlossen. Wie oben erwähnt, erfolgt das Schließen vorzugsweise etwa im mittleren Verlauf der Ansaugphase. Das Ventil S2 wird dann nach dem UT (unterem Totpunkt) geschlossen, wobei die Überdruckwelle, die durch Schließen des Ventils S1 erzeugt wird, das Ventil S2 nach einer Zeit T erreichen kann. Bei einem Betrieb gemäß 2, entspricht die Zeit T mindestens der Zeit, die die Überdruckwelle benötigt, um durch den Ansaugkanal C1 zum Einlass des Ansaugkanals C2 und durch Ansaugkanal C2 zu gelangen. Ist C0 die Schallgeschwindigkeit des Mediums, das sich in den Ansaugkanälen und in dem Ansaugverteiler befindet, ist diese Zeit T demnach T = (L1 + Lint + L2)/C0.
  • Im Gegensatz zu dem, was für 2 beschrieben wurde, führen die Wellen zwischen dem Schließen des Ventils S1 und dem Schließen des Ventils S2 normalerweise mehr als eine Vor-und-Zurück-Bewegung aus. In 4 wird beispielsweise ein derartiges Verfahren dargestellt. Die Phasen ph1 bis ph5 gemäß 2 werden ebenfalls im Verfahren veranschaulicht. Das Ventil S2 hingegen wird nicht nach Phase ph5 geschlossen. Das Verfahren geht in den Verlauf der nächsten Phase, in 4 mit ph6 bis gekennzeichnet, und in den Verlauf der nächsten Phasen über. Die Unterdruckwelle, die von Ventil S1 (im Verlauf der Phase ph5) reflektiert wird, wird teilweise in den Ansaugverteiler hin zu Ansaugkanal C2 übertragen und wird hin zu Ventil S1 reflektiert, wobei sich ihr Vorzeichen ändert.
  • Ein Überdruck wird im Verlauf der Phase ph7 hin zu Ventil S1 und ein Unterdruck hin zu Ventil S2 übertragen.
  • In Phase ph8 wird die Überdruckwelle ohne Vorzeichenwechsel an Ventil S1, das geschlossen ist, reflektiert. Die Unterdruckwelle tritt in über den Sitz des Ventils S2 in den Zylinder ein und bewirkt eine vorübergehende Senkung des Luftdurchsatzes in den Zylinder.
  • In Phase ph9 setzt sich die Überdruckwelle, die von Ventil S1 eintrifft, teilweise in dem Ansaugverteiler hin zu Ansaugkanal C2 fort und teilweise wird sie hin zu Ventil S1 reflektiert, wobei sich ihr Vorzeichen ändert.
  • Eine Unterdruckwelle breitet sich unter diesen Umständen in Phase ph10 in Ansaugkanal C1 hin zu Ventil S1 aus, und eine Überdruckwelle breitet sich in Ansaugkanal C2 hin zu Ventil S2 aus.
  • Die Unterdruckwelle wird in Phase ph11 am geschlossenen Ventil S1 reflektiert und die Überdruckwelle tritt über den Sitz des Ventils S2 in den Zylinder ein und bewirkt eine Senkung des Luftdurchsatzes in den Zylinder. Folglich entspricht die Situation der Situation in Phase ph5 in 2.
  • Es ist daher ersichtlich, dass das Verfahren weiterlaufen könnte. Die Überdruckwelle, die in Phase ph11 in den Zylinder eintritt, wird jedoch eine Streckenlänge von 5L1 + Lint + L2zu diesem Zeitpunkt des Betriebs zurückgelegt haben.
  • Ein folgender Überdruck würde eine Streckenlänge von 9L1 + Lint + L2 zurücklegen.
  • Unter diesen Umständen muss die Zeit, die zwischen dem Schließen des Ventils S1 und dem Öffnen des Ventils S2 verfügbar ist, in etwa T = (4kL1 + L1 + Lint + L2)/C0 entsprechen,wobei k eine ganze Zahl ist.
  • Was die Unterdruckwellen betrifft, so erreichen sie den Zylinder über Ventil S2 am Ende einer Zeit (4kL1 + 3L1 + Lint + L2)/C0nach dem Schließen des Ventils S1.
  • Die Zeit zwischen einer Überdruckwelle und einer Unterdruckwelle beträgt also 2L1/C0. Die Nutzenzone, in der der Überdruck seinen Höchstwert im Zylinder erreicht, entspricht folglich in etwa dem Höchstwert des Überdrucks und hat eine Dauer von ±Li/C0 bezogen auf diesen Höchstwert.
  • Daher sollte das Ventil S2 zu einem Zeitpunkt T2 = (4kL1 + L1 + Lint + L2)/C0 geschlossen werden.
  • Das Diagramm in 5 zeigt den Betrieb eines Zylinders eines Motors, der mit dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung gesteuert wird. Die Ordinate in diesem Diagramm zeigt den Ventilhub in mm.
  • Diese Art von Diagramm kann vorzugsweise bei niedriger oder mittlerer Motordrehzahl verwendet werden. Es sind Vorkehrungen für das Schließen des Ventils S1 im mittleren Kolbenlauf, für das Schließen von Ventil S2 nach dem Ansaug-UT, wenn der Überdruck in den Zylinder eingetreten ist, für eine Zeit (k·4·L1 + L1 + Lint + L2)/C0 ± λ L1/C0 (λ zwischen 0 und 1) zwischen dem Schließen des Ansaugventils S1 und dem Schließen des Ansaugventils S2 getroffen, um aus dem Überdruck, der bei dem ersten Schließen erzeugt wurde, Nutzen zu ziehen.
  • 7 stellt ein System dar, womit es möglich ist, das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung anzuwenden.
  • Diese Figur ist eine schematische Darstellung eines Motorzylinders CC mit einem Kolben P und zwei Ansaugventile S1 und S2. Die Abgasventile werden in dieser Figur nicht dargestellt.
  • Die Ansaugkanäle C1 und C2 münden im oberen Teil des Zylinders und ermöglichen es einem Ansaugverteiler ID, eine Verbindung mit dem Zylinder CC herzustellen. Durch die Ventile S1 und S2 wird es möglich, diese Kanäle zu schließen, bzw. sie ermöglichen den Austausch zwischen den Kanälen und dem Zylinder.
  • Die Ventile S1 und S2 sind einstückig mit den Steuerstäben T1 und T2 verbunden. In dem Beispiel gemäß 7 werden diese Stäbe von den elektromagnetischen oder elektromechanischen Betätigungsvorrichtungen EM1 und EM2 gesteuert.
  • Die elektrische Stromversorgung für die Elektromagnete dieser Betätigungsvorrichtungen wird von einem zentralen Steuergerät CU gesteuert.
  • Das zentrale Steuergerät CU steuert demgemäß den Betrieb der Ventile. Je nach Position des Kolbens, bewirkt das zentrale Steuergerät das Schließen von Ventil S1 nachdem der Kolben den OT (oberen Totpunkt) passiert hat. Wie oben beschrieben, steuert es sodann das Schließen von Ventil S2 etwa am Ende der Zeit T = (k·4·L1 + L1 + Lint + L2)/C0.
  • Genauer gesagt, kann eine Zeit T = (k·4·L1 + L1 + Lint + L2)/C0 ± λ L1/C0bereitgestellt werden.
  • Eine elektromagnetische oder elektromechanische Ventilsteuerung wurde in der eben beschriebenen beispielhaften Ausführungsform berücksichtigt. Diese Steuerung könnte jedoch auch von anderen Art sein, ohne dabei den Umfang der vorliegenden Erfindung zu überschreiten. Insbesondere könnten Vorkehrungen
    für eine Nockenwellenzeitsteuerung und ein zusätzliches (hydraulisches, elektromagnetisches usw.) System, das das Öffnen und Schließen der Ansaugkanäle im Verlauf der Ansaugphase zulässt,
    für gesteuerte Ansaugventile ohne Nockenwelle, z.B. durch einen elektrohydraulischen oder elektromechanischen Mechanismus, getroffen werden.
  • Der Betrieb gemäß der vorliegenden Erfindung wurde oben in Bezug auf einen Motor eines Verbrennungsmotors beschrieben. Dabei ist offensichtlich, dass der Betrieb, der bei den anderen Zylindern Anwendung findet, derselbe ist. Genauer formuliert sind Vorkehrungen für alle Ventile S1 der verschiedenen Zylinder einerseits und für alle Ventile S2 andererseits getroffen, die eine gleichzeitige Betätigung ermöglichen.
  • Es zeigt sich daher, dass die vorliegende Erfindung eine Strategie zur Luftansaugung in die Zylinder betrifft, wodurch es ermöglicht wird, den Betriebsbereich eines Motors bei geringer Motordrehzahl zu erweitern, wobei von den Gewinnen bei der Füllmenge in Verbindung mit der Viertelwelleneinstellung profitiert werden kann, ohne dabei die Abmessungen des Ansaugverteilers zu ändern und folglich ohne Leistungsabbau bei hoher Motordrehzahl.
  • Das Prinzip besteht darin, in der Ansaugphase eine Druckwelle mit einem der Ventile zu erzeugen, wodurch sich an dem anderen Ventil ein Überdruck erzeugen lässt, just bevor sich das letztere Ventil schließt.
  • Ferner ermöglicht es das System der vorliegenden Erfindung, eine bessere Mischung zu erzielen (Homogenisierung des Luft-Treibstoff-Gemisches), indem insbesondere eine symmetrische Luftbewegung in den beiden Ansaugkanälen des Zylinders erzeugt wird und dann die Art der Zufuhr zum Zeitpunkt des Schließens des ersten Ventils S1 plötzlich geändert wird, wodurch eine Mischung der in den Zylinder eingelassenen Gase erzeugt wird.
  • Das Diagramm in 6 zeigt als Beispiel die Gewinne an Drehmoment bei geringer Motordrehzahl, die von dem System gemäß der vorliegenden Erfindung in einem 2-Liter-Vierzylindermotor bewirkt werden. Linie 10 entspricht dem Drehmoment, das man erhält, wenn die Ventile S1 und S2 gleichzeitig geschlossen werden, und Linie 12 entspricht der Steuerung der Ventile S1 und S2 gemäß der vorliegenden Erfindung. Eine deutliche Verbesserung des Drehmoments bei geringer Drehzahl ist erkennbar.

Claims (15)

  1. Verfahren zur Kontrolle des Öffnens und Schließens von Ansaugventilen eines Verbrennungsmotors, der ein erstes Ventil und ein zweites Ventil (S1 und S2) pro Zylinder (CC) umfasst, wobei sich durch jedes Ventil ein erster und ein zweiter Ansaugkanal (C1, C2) des Zylinders öffnen bzw. schließen lässt, und wobei jedes Ventil für das Öffnen und Schließen zyklisch betätigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte beim Schließen der Ansaugventile eines Zylinders umfasst: einen ersten Schritt des Schließens des ersten Ventils (S1), dann einen zweiten Schritt des Schließens des zweiten Ventils (S2), wobei die Zeit (T) zwischen dem Schließen des ersten Ventils (S1) und dem Schließen des zweiten Ventils dergestalt ist, dass die Ausbreitung von mindestens einem Überdruck, der im ersten Kanal (C1) durch Schließen des ersten Ventils (S1) erzeugt wird, hin zu dem zweiten Ventil (S2) ermöglicht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeit (T) mindestens der Zeit entspricht, die eine akustische Welle benötigt, um den Weg von dem ersten Ventil (S1) zu dem zweiten Ventil (S2) über die Ansaugkanäle zurückzulegen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert der Zeit (T) etwa T = (k·4·L1 + L1 + Lint + L2)/C0 ± λ L1/C0 entspricht,wobei k eine ganze Zahl ist, L1 die Länge des ersten Ansaugkanals (C1) ist, L2 die Länge des zweiten Ansaugkanals (C2) ist, Lint der Abstand zwischen den Einlässen der zwei Ansaugkanäle, die sich gegenüber den Ventilen befinden, ist, C0 die Schallgeschwindigkeit des in den Kanälen enthaltenen Mediums ist, und λ eine Zahl zwischen 0 und 1 und vorzugsweise gleich null ist.
  4. Verfahren zur Steuerung der Ansaugventile eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass k einen Wert 1, 2 oder 3 einnimmt.
  5. Verfahren nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schließen des ersten Ventils (S1) nahe dem mittleren Kolbenlauf nach dem oberen Totpunkt (OT) ausgelöst wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Öffnen der Ventile (S1 und S2) etwa gleichzeitig geschieht.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Öffnen der Ventile (S1 und S2) etwa gleichzeitig am oberen Totpunkt (OT) des Betriebs des Motors ausgelöst wird.
  8. System zur Kontrolle des Öffnens und Schließens der Ansaugventile eines Verbrennungsmotors, der mindestens ein erstes und zweites Ventil (S1 und S2) pro Zylinder (CC) umfasst, wobei jedes Ventil zyklisch durch eine Betätigungsvorrichtung (EM1, EM2) betätigt wird, um einen ersten und zweiten Ansaugkanal (C1, C2) des Zylinders zu öffnen bzw. schließen, dadurch gekennzeichnet, dass es ein zentrales Steuergerät (CU) umfasst, womit sich die Betätigungsvorrichtungen (EM1, EM2) bezüglich des Schließens der Ventile derart steuern lassen, dass das Schließen des ersten Ventils (S1) und nach einer Zeit (T) das Schließen des zweiten Ventils (S2) ausgelöst wird, und dass die Zeit (T) dergestalt ist, dass die Ausbreitung von mindestens einem Überdruck, der im ersten Kanal (C1) durch Schließen des ersten Ventils (S1) erzeugt wird, hin zu dem zweiten Ventil (S2) ermöglicht wird.
  9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeit (T) mindestens der Zeit entspricht, die eine akustische Welle benötigt, um den Weg von dem ersten Ventil (S1) zu dem zweiten Ventil (S2) über die Ansaugkanäle zurückzulegen.
  10. System nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert der Zeit (T) etwa T = (k·4·L1 + L1 + Lint + L2)/C0 ± λ L1/C0 entspricht,wobei k eine ganze Zahl ist, L1 die Länge des ersten Ansaugkanals (C1) ist, L2 die Länge des zweiten Ansaugkanals (C2) ist, Lint der Abstand zwischen den Einlässen der zwei Ansaugkanäle, die sich gegenüber den Ventilen befinden, ist, und C0 die Schallgeschwindigkeit des in den Kanälen enthaltenen Mediums ist, und λ eine Zahl zwischen 0 und 1 und vorzugsweise gleich null ist.
  11. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass k einen Wert 1, 2 oder 3 einnimmt.
  12. System nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das zentrale Steuergerät (CU) das Schließen des ersten Ventils (S1) nahe dem mittleren Kolbenlauf nach dem oberen Totpunkt ausgelöst wird.
  13. System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das zentrale Steuergerät (CU) die Betätigungsvorrichtungen (EM1, EM2) derart steuert, dass das Öffnen der Ventile (S1 und S2) etwa gleichzeitig geschieht.
  14. System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das zentrale Steuergerät (CU) die Betätigungsvorrichtungen (EM1, EM2) derart steuert, dass das Öffnen der Ventile (S1 und S2) etwa am oberen Totpunkt (OT) des Betriebs des Motors geschieht.
  15. System nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungsvorrichtungen (EM1, EM2) elektromagnetische oder elektromechanische Betätigungsvorrichtungen sind.
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