DE69304228T2

DE69304228T2 - Brennkraftmaschine mit variabler Hubventilsteuerung

Info

Publication number: DE69304228T2
Application number: DE69304228T
Authority: DE
Inventors: Aladar Otto Simko; Robert Albert Stein
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1992-03-11
Filing date: 1993-01-25
Publication date: 1997-01-16
Anticipated expiration: 2013-01-26
Also published as: EP0560476B1; DE69304228D1; US5161497A; EP0560476A1

Description

Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Steuersystem für einen Kraftfahrzeugmotor. Insbesondere bezieht sie sich auf ein solches System, in welchem die Einlaß- und die Auslaßventile unabhängig von einander einer Phasenverstellung unterzogen werden können, um so bessere Betriebsbedingungen für den Motor zu erzielen.

Hintergrund der Erfindung

Die meisten handelsüblichen Kraftfahrzeugmotoren verwenden feste Ventilhübe, Öffnungszeiten und Phasenwinkel für die Einlaß- und die Auslaßventilsteuerung. Es liegt daher stets ein Kompromiß zwischen größter Kraftstoffersparnis, günstigstem Abgasverhalten und bester Motorleistung vor.
Eine potentiell größere Kraftstoffersparnis und günstigere Abgaszusammensetzung sowie andere vorteilhafte Motorabgabedaten können erzielt werden, wenn die Einstellung dieser Steuerzeiten in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen des Motors verändert werden können.
Die vorliegende Erfindung hat daher zum Ziel, ein Verfahren zur Phasenverstellung sowohl der Einlaß- als auch der Auslaßnockenwellen bzw. -Ventile unter Anwendung einer einzigartigen Strategie zu schaffen, um so die beschriebenen Ziele zu erreichen, und dies insbesondere im Teillastbetrieb.
Mittel zur verstellbaren Ventilsteuerung durch Phasenverstellung sind aus dem Stand der Technik bekannt. So beschreibt z.B. die US-PS-4,305,352 von Oshima et al. in Spalte 4 dieser Patentschrift sowie in schematischer Darstellung in den Figuren 6 und 7 ein System zur variablen Ventilsteuerung, in welchem ein spätes Schließen des Einlaßventils zur Erhöhung des Motorwirkungsgrades eingesetzt wird. Oshima et al. fordert eine große Ventilüberschneidung zwischen dem Öffnungszeitpunkt des Einlaßventils und dem Schließen des Auslaßventils bei hohen Drehzahlen, und eine kleinere Ventilüberschneidung beim Betrieb des Motors im Leerlauf.
In bezug auf Teillastbetrieb sagt Oshima et al. aus, daß die Ventilüberschneidung um etwa 60º angehoben werden soll, um so den Anteil an NOX in den Abgasen senken zu können. Eine derart große Ventilüberschneidung steht in direktem Gegensatz zu der von der vorliegenden Erfindung vorgeschlagenen Strategie.
Der SAE-Bericht Nr. 800794 von Tuttle, von Juni 1980, beschreibt die Vorteile veränderbarer Ventilsteuerzeiten durch verzögertes Schließen des Einlaßventils Es wird jedoch keine spezielle Strategie vorgeschlagen, mittels welcher der Motor in den drei Hauptbetriebsarten, nämlich Leerlauf, Teillast und Vollgas, betrieben werden soll.
Die US-PS-4,685,429 von Oyaizu zeigt eine Konstruktion zur Veränderung der Ventilsteuerzeiten und beschäftigt sich in erster Linie mit der Steuerung der Ventilüberschneidung zwischen dem Öffnen des Einlaßventils und dem Schließen des Auslaßventils. In diesem Falle werden nur die Einlaßventil-Steuerzeiten verstellt.
In Spalte 4 sind die kleinsten und größten Ventilüberschneidungen beschrieben und in Figur 5 dargestellt, wobei das Auslaßventil stets ab dem unteren Totpunkt öffnet und etwas nach der oberen Totpunktstellung schließt. Es wird keine besondere Strategie für die drei Hauptmotorbetriebsarten von Leerlauf, Teillast und Vollgas vorgeschlagen. Außerdem ergibt ein Schließen des Auslaßventils nur wenig nach der oberen Totpunktstellung nicht die gewünschte verbesserte Motorleistung, wie sie durch die Strategie nach der vorliegenden und nachstehend beschriebenen Erfindung geboten wird.

Gegenstand der Erfindung

Die vorliegende Erfindung sucht daher ein Verfahren zu schaffen, mit welchem ein Motor im Teillastbereich betrieben werden kann, indem die Öffnungs- und Schließzeitpunkte der Einlaß- und Auslaßventile einer Phasenverstellung unterzogen werden, derart, daß eine kontrollierte interne Abgasrückführung zur Niederhaltung der NOX- und HC-Werte erfolgt, Pumpverluste des Motors reduziert werden und das Expansionsverhältnis verbessert wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung, welche ein Verfahren zum Betrieb einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine angibt, wie es nachstehend in Patentanspruch 1 der beigefügten Patentansprüche beschrieben ist, geht davon aus, die Ventilsteuerzeiten sowohl für die Einlaßals auch für die Auslaßventile durch eine geeignete Phasenverstellung dieser Steuerzeitpunkte zu verändern, um so den bestmöglichen Wirkungsgrad für den Betrieb im Leerlauf, im Teillastbereich und bei Vollgas zu erzielen. Im Teillastbetrieb wird durch spätes Schließen des Einlaßventils im Verdichtungstakt und spätes Schliessen des Auslaßventils im Ansaugtakt eine variable und verzögerte Ventilüberschneidung erzielt, die den Betriebsbedingungen zwischen dem Schließen des Auslaßventils und dem Öffnen des Einlaßventils entspricht, so daß ein Abgasrückstrom in den Zylinder und die Einlaßöffnung kontrolliert gesteuert wird, um so eine interne Abgasrückführung (EGR: Exhaust Gas Recirculation) und weitere Vorteile zu verwirklichen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung wird nun beispielartig unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert, in welcher die einzige Figur schematisch die bei dieser Erfindung eingesetzte Steuerstrategie darstellt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführung

Die Figur zeigt allgemein schematisch die Öffnungs- und Schließzeiten sowohl für die Einlaß- als auch für die Auslaßventile über die vier Takte des Motors, so daß die erfindungsgemäße Strategie bzw. das erfindungsgemäße Verfahren besser veranschaulicht wird.
Insbesondere ist der Leitgedanke hier, wie bereits bemerkt, eine Phasenverschiebung der Öffnungs- und Schließzeiten zu bewerkstelligen, um so eine bessere Verbrennung im Motor zu erzielen, niedrigere Abgasemissionen und einen insgesamt höheren Betriebswirkungsgrad.
Wie der Figur zu entnehmen ist, öffnet das Auslaßventil bei Betrieb mit Leerlaufdrehzahl etwa 66º vor der unteren Totpunktstellung (UT) des Kolbens und schließt bei etwa 40 nach der oberen Totpunktstellung (OT) im Einlaßtakt. Das Einlaßventil dagegen öffnet bei ca. 4º vor OT im Auspufftakt und schließt recht spät während des Verdichtungshubes, bei etwa 66º nach UT. Daraus ergibt sich eine Ventilüberschneidung von ungefähr 8º, die im wesentlichen symmetrisch in bezug auf die OT-Stellung liegt. Demzufolge wird die Stabilität der Verbrennung durch die geringe Ventilüberschneidung optimiert, da der Abgasrückstrom den Anteil an Restgas im Brennraum minimiert. Dies erlaubt somit auch, daß der Motor im Leerlauf kraftstoffsparender arbeitet als mit feststehenden Steuerzeiten. Die Ventilüberschneidung wird jedoch nicht vollkommen ausgeschaltet, da ein gewisser Abgasrückstrom in den Einlaßkanal eingesetzt wird, um die Luft/Kraftstoff-Vermischung zu verstärken und so den Wirkungsgrad der Verbrennung zu fördern.
Für den Teillastbetrieb werden sowohl die Einlaß- als auch die Auslaßsteuerzeiten von der Leerlaufstellung aus nach rechts verschoben, so daß wie dargestellt ein späteres Öffnen des Auslaßventils und ein späteres Schließen des Einlaßventils bewirkt wird, mit einer im Vergleich zu vorher geringfügig größeren Ventilüberschneidung zwischen den beiden. Insbesondere öffnet das Auslaßventil bei ungefähr 26º vor UT und schließt bei ca. 44º nach OT im Einlaßtakt. Das Einlaßventil dagegen öffnet jetzt im Einlaßspiel bei einem Kurbelwellenwinkel von 20º nach der OT-Stellung, und schließt recht spät im Verdichtungshub, bei einem Kurbelwellenwinkel von ca. 90º.
In diesem Falle steigt die Ventilüberschneidung auf ungefähr 24º und erlaubt eine Vermischung von Abgasen mit der Frischladung, so daß die Verbrennungstemperatur und damit die Emission von NOX gesenkt wird. Durch Verzögerung sowohl des Auslaß-Schließzeitpunktes als auch des Einlaß-Öffunungszeitpunktes kann der Kolben in der frühen Phase seines Abwärtshubes Abgas aus der Auslaßöffnung in den Zylinder ansaugen. Mit dieser Strategie erübrigt sich ein externes Abgasrückführungssystem (EGR), da die Verschiebung der Ventilüberschneidung zwischen dem Öffnen des Einlaßventils und dem Schließen des Auslaßventils die gewünschte Rückflußmenge und erforderliche EGR (Abgasrückführung) bewirkt. Der Rückfluß von Abgasen in die Einlaßöffnung fördert außerdem die Luft/Kraftstoffvermischung, wie weiter oben erwähnt wurde. Da das zuletzt aus dem Zylinder ausgestoßene Abgas eine relativ hohe Konzentration an unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) aufweist, senkt die Rückführung dieser Abgase also den HC-Anteil der Ladegase des Motors.
Dieses verzögerte Schließen des Einlaßventils bei etwa 90º im Verdichtungstakt unter Teillastbedingungen bewirkt auch ein Rückströmen der Zylinderladung in die Einlaßöffnung in einem ersten Teil des Verdichtungshubes. Dadurch werden der Unterdruck im Ansaugkrümmer und damit die Pumparbeit bei gegebener Last gesenkt, so daß die Kraftstoffausbeute gesteigert wird. Die Verzögerung des Ansaugspiels bewirkt auch eine größere Verwirbelung, welche den Vermischungsvorgang unterstützt, womit der Wirkungsgrad des Motors dadurch erhöht wird, daß ausreichend hohe Verbrennungsgeschwindigkeiten eingehalten werden, die sonst durch die Abgasrückführung reduziert würden. Das verzögerte Öffnen des Auslaßventils bei niedrigen Geschwindigkeiten verbessert ebenfalls die Kraftstoffausbeute durch ein höheres Expansionsverhältnis.
Die genaue Verschiebung der Steuerzeiten wird nun in Abhängigkeit von der Last verändert. Die während des Verdichtungshubes im Zylinder eingeschlossene Luft-Kraftstoff-Füllmenge muß erhöht werden, wenn eine höhere Drehmomentabgabe gefordert wird. Dies wird dadurch erreicht, daß das Einlaßventil bei höherer Last früher geschlossen wird. Daraus ergibt sich auch eine höhere Ventilüberschneidung für die Regelung des NOX-Anteils durch interne Abgasrückführung (EGR) bei hohen Drehmomentanforderungen und unter Bedingungen, wenn der Unterdruck im Ansaugkrümmer tief liegt.
Der Vollastbetriebszustand wird in diesem Konzept dadurch hergestellt, daß die Öffnungs- und Schließzeiten der Einlaß- und Auslaßventile gegenüber den Teillast-Steuerzeiten bzw. -Positionen wieder zurück in Richtung der Leerlaufpositionen verstellt werden, jedoch mit einer größeren Ventilüberschneidung als im Leerlauf. Im einzelnen wird, wie dies in der Figur dargestellt ist, im Vollastbetrieb bei niedrigen Drehzahlen das Auslaßventil bei ca. 40º vor der UT-Stellung in den Arbeits- oder Expansionshub hinein geöffnet und schließt etwa 30º nach der OT-Stellung im Ansaugtakt. Das Einlaßventil dagegen öffnet etwa 24º vor der OT-Stellung im Auslaßtakt und schließt recht früh im Kompressionshub, etwa 46º nach der UT- Stellung, so daß ein größeres Zylinderfüllvolumen eingeschlossen wird.
Vollastbetrieb bei hohen Drehzahlen wird in diesem Falle dadurch bewerkstelligt, daß die Auslaßsteuerzeiten leicht nach links verschoben werden, während die Einlaßsteuerzeiten leicht nach rechts verstellt werden, so daß ein früheres Öffnen des Auslaßventils und späteres Schließen des Einlaßventils erreicht wird, sowie eine kleinere Ventilüberschneidung von nur etwa 28º. Im einzelnen öffnet das Auslaßventil hier ungefähr 56º vor UT im Expansionshub und schließt ca. 14º nach OT im Einlaßhub, während das Einlaßventil etwa 14º vor der OT-Stellung in den Auslaßtakt hinein öffnet und sich später im Verlauf des Verdichtungshubes schließt, etwa 56º nach der UT-Stellung.
Ein solches verspätetes Schließen des Einlaßventils ist deshalb erwünscht, weil so die Trägheit und die Wellendynamik der einströmenden Luftsäule im Einlaßkanal ausgenutzt werden können. Der Überschneidungsgrad verhindert im wesentlichen ein Einströmen der Abgase in die Einlaßöffnung, da die Auslaß-Steuerzeiten sorgfältig derart optimiert werden, daß ein ausreichend frühzeitiger Ausstoßbeginn erreicht wird, ohne jedoch die Endphase des Auspuffvorganges in unangemessener Weise einzuschränken.
Aus der vorstehenden Beschreibung läßt sich erkennen, daß die Erfindung ein Verfahren/ eine Strategie zum Betreiben eines Motors stellt, in dem die Öffnungs- und Schließzeiten der Einlaßwie der Auslaßventile einer Phasenverschiebung unterzogen werden, so daß die Funktion des Motors im Hinblick auf einen stabileren Leerlauf, bessere Kraftstoffausbeute und höhere Drehmoment- bzw. Leistungsabgabe unter Vollastbedingungen optimiert wird. Ein externes Abgasrückführungssystem (EGR) wird dadurch überflüssig, daß kontrolliert eine entsprechende Ventilüberschneidung mit verzögerten Steuerzeiten geschaffen wird, so daß eine Abgasrückführung von angemessener Größe sowohl unter konstanten als auch unter Übergangsbedingungen gesichert wird.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine zur Regelung der Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Stickstoffoxiden bei gleichzeitig effizientem Motorbetrieb, stabilem Leerlauf und erhöhter Drehmoment- und Leistungsabgabe, in welchem Verfahren das Öffnen und Schließen der Motoreinlaß- und -Auslaßventile unabhängig von dem festen Ventilhub und fester Ventilöffnungsdauer verschoben wird, so daß der bestmögliche Drehzahl- und Drehmomentwirkungsgrad bei gleichzeitig optimaler Kraftstoffersparnis erreicht wird; und welches folgende Schritte enthält:

im Motorleerlaufbetrieb, Herstellen einer ersten kleinen Ventilüberschneidung zwischen dem Öffnen des Einlaßventils während des Auspuffhubes des Kolbens und dem Schließen des Auslaßventils während des Einlaßhubes des Kolbens, so daß der Restgasanteil im Brennraum des Motors auf ein Minimum reduziert und so die Kraftstoffausbeute erhöht wird, während gleichzeitig ein minimaler Rückstrom der Gase in den Ansaugkrümmer gewährleistet wird, um so die Vermischung der Luft/Kraftstoff-Ladung im Hinblick auf eine stabilere Verbrennung zu fördern;

im Teillastbetrieb und bei gemäßigtem Beschleunigen des Motors, Verschieben der Einlaß- und Auslaßventilsteuerzeiten dadurch, daß der Einlaßventil-Öffnungszeitpunkt und der Auslaßventil- Schließzeitpunkt ihrer normalen Einstellung gegenüber deutlich verzögert werden, und daß außerdem eine im Vergleich zum Leerlaufbetrieb größere Ventilüberschneidung zwischen dem Öffnen des Einlaßventils und dem Schließen des Auslaßventils hergestellt wird, so daß ein größeres Volumen an innerer Abgasrückführung (EGR) in den Zylinder und die Einlaßöffnung geschaffen wird, wodurch die NOX- und HC-Emissionen gesenkt werden, wobei der Kurbelwellendrehwinkel und die Ventilüberschneidung in Abhängigkeit von der Last variieren, wobei der Gasrückstrom in den Zylinder und die Einlaßöffnung die Motorpumpverluste durch Verringerung des Ansaugstutzen- Unterdruckes reduzieren; und dadurch gekennzeichnet, daß bei Vollaststellung der Drosselklappe ("weit offener Drosselklappe" - WOT) die Ventilsteuerzeiten zurückgenommen werden in Richtung auf die Leerlaufstellung, jedoch mit einer größeren Ventilüberschneidung als im Leerlauf, wobei die Ventilüberschneidung mit zunehmender Drehzahl abnimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Ventilüberschneidung im Leerlauf nahezu symmetrisch in bezug auf die obere Totpunktstellung des Kolbens zwischen dem Auspuffhub und dem Ansaughub des Kolbens ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin unter Leerlauf- Betriebsbedingungen des Motors die Ventilüberschneidung die geringfügige Öffnung des Auslaßventils während des Expansionshubes von der unteren Totpunktstellung des Kolbens hinweg vorverlegt und damit eine Überexpansion vermeidet.

4. Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 1 oder 3, worin unter Teillast-Betriebsbedingungen das Schließen des Einlaßventils während des Kompressionshubes verzögert wird, so daß ein Rückstrom der Zylinderladung in die Einlaßöffnung im ersten Teil des Verdichtungshubes entsteht, und daß dieser den Unterdruck im Ansaugstutzen und damit die Pumpverluste reduziert.

5. Verfahren nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, worin im Teillastbetrieb des Motors die im Vergleich zur Ventilüberschneidung im Leerlauf größere Ventilüberschneidung sowie die verzögerten Steuerzeiten ein Vermischen der Abgase mit der frischen Ladung bewirken, so daß die Verbrennungstemperatur und damit die Abgasemissionen gesenkt werden.

6. Verfahren nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, worin im Teillastbetrieb des Motors die Ventilüberschneidung in Verbindung mit den verzögerten Steuerzeiten die Rückführung derjenigen Abgase bewirken, die gegen Ende des Auspufftaktes aus dem Zylinder ausgestoßen wurden und einen relativ hohen Anteil an unverbrannten Kohlenwasserstoffen aufweisen, wodurch insgesamt niedrigere Kohlenwasserstoff-Emissionswerte erreicht werden.

7. Verfahren nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, in welchem im Teillastbetrieb des Motors das Öffnen des Auslaßventils im Verlauf des Expansionshubes verzögert wird, woraus sich eine höhere Expansionsarbeit und bessere Kraftstoffausbeute ergibt.

8. Verfahren nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, worin unter Teillast-Betriebsbedingungen des Motors die Steuerung eines Überschneidungszeitraumes in der verspäteten Steuerzeitstellung einen übermäßigen Druckabfall beim Durchlaufen der ersten Hälfte des Ansaughubes durch den Kolben verhindert.

9. Verfahren nach Anspruch 2 oder einem beliebigen der abhängigen Ansprüche, in welchem die Ventilüberschneidung im Leerlauf im Bereich von 8º Kurbelwellenwinkel liegt.

10. Verfahren nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, worin beim Vollastbetrieb mit hoher Drehzahl das verzögerte Schließen des Einlaßventils die Trägheit und Wellendynamik der einströmenden Ladung im Ansaugkanal ausnutzt, um so das Volumen der im Zylinder eingeschlossenen Ladung zu erhöhen.

11. Verfahren nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, worin bei niedriger Motordrehzahl und vollem Drehmoment das Einlaßventil relativ früh im Verlauf des Kompressionshubes geschlossen wird, so daß ein größeres Ladevolumen im Zylinder eingeschlossen wird, und bei höherer Drehzahl der Schließzeitpunkt des Einlaßventils in Abhängigkeit von der Drehzahlsteigerung verzögert wird, so daß bei allen Geschwindigkeiten ein maximales Füllvolumen im Zylinder eingeschlossen wird.