DE69414386T2

DE69414386T2 - Ventilsteuervorrichtung für eine brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE69414386T2
Application number: DE69414386T
Authority: DE
Inventors: Nils-Olof S-443 60 Stenkullen Hakansson
Original assignee: Volvo AB
Current assignee: Volvo AB
Priority date: 1993-06-22
Filing date: 1994-06-21
Publication date: 1999-04-08
Anticipated expiration: 2014-06-22
Also published as: EP0705383A1; JPH09502003A; JP3680863B2; AU685817B2; CN1052780C; EP0705383B1; CN1125972A; AU7089794A; WO1995000751A1; DE69414386D1; KR100313398B1; CA2165987C; SE501437C2; KR960703194A; SE9302159D0; CA2165987A1; US5603292A; SE9302159L; BR9406956A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine, die eine Ventilsteuervorrichtung umfaßt, die zumindest ein Einlaßventil und zumindest ein Auslaßventil in jedem Zylinder aufweist und für jeden Zylinder zumindest zwei an einer Kurbelschwingenwelle angebrachte Kurbelschwingen zum Betreiben der Ventile. Ein derartiger Motor ist aus der US-A-1 952 881 bekannt.
Es können durch ein Rückführung von Abgas große potentielle Nutzen erreicht werden, indem schädliche Stoffe im Dieselabgas reduziert werden, ohne den Wirkungsgrad des Motors oder den Rußanteil so stark wie in anderen Methoden ungünstig zu beinflussen.
Rückführen von Abgas, das vorher abgekühlt wurde, ist ein effektiver Schritt, speziell unter hoher Last, aber die erforderliche Kühlleistung muß sehr hoch sein und es wird eine Kühlvorrichtung benötigt, die die Hälfte der Kühlleistung des Motorzwischenkühlers bereitstellen kann. Da das Abgas verschmutzt und heiß ist, treten jedoch praktische Probleme mit einem derartigen System auf. Die Rückführung von Abgas ohne Kühlung hat in erster Linie positive Auswirkungen, wenn die Motorlast niedrig ist, allerdings weniger gute, wenn die Motorlast hoch ist.
Herkömmliche Systeme zur Abgasrückführung umfassen Schließ- und Ventilvorrichtungen in den Aus- und Einlaßsystemen. Bei der Verwendung dieser Systeme in turbogeladenen Motoren, treten jedoch aufgrund der Tatsache, daß der Druck auf der Einlaßseite höher ist als auf der Auslaßseite, Probleme auf. Daher wird eine Art Pumpenvorrichtung benötigt, um das Abgas auf die Druckseite des Turbokompressors zu bringen. Alternativ könnte man das Abgas auf die Saugseite des Kompressors vor dem Zwischenkühler leiten, dies ist aber nicht praktisch, da das heiße, dreckige Abgas den Zwischenkühler schnell zerstören würde.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist ausgehend von einer herkömmlichen Ventilsteuerung der in der Einleitung beschriebenen Art eine Anordnung zu erreichen, mittels der Abgas zu der Einlaßluft rückgeführt werden kann, ohne daß eine zusätzliche Schließ- und Ventileinrichtung auf der Auslaß- und Einlaßseite erforderlich ist.
Dies wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 erreicht.
Eine derartige Anordnung verhindert, daß das Abgas auf die Einlaßseite geführt wird und beseitigt die Probleme mit Verschmutzung und Ablagerungen. Die Erfindung verwendet die Tatsache, daß selbst in einem hochgeladenen Motor aufgrund des Druckabfalls über das Einlaßventil der Druck in dem Zylinder nach dem ersten Einlaßhub während des Einlaßzyklus niedriger als der Abgasdruck ist. Das beseitigt die Erfordernis einer zusätzlichen Pumpvorrichtung zur Abgasrückführung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ventilsteuerung des Motors umfassen die Transmissionselemente eine zweite Welle, die drehbar parallel zu der Kurbelschwingenwelle angeordnet ist und erste und zweite Schwenkarme aufweist, die nichtdrehbar an dieser Welle angebracht sind, wobei der erste von ihnen mit der Einlaßkurbelschwinge zusammenwirkt, um deren Wippbewegung in eine Drehung der zweiten Welle umzuwandeln, und die zweite von ihnen mit der Auslaßkurbelschwinge zusammenwirkt, um die Drehbewegung der zweiten Welle in eine Wippbewegung der Auslaßkurbelschwinge umzuwandeln. Eine der Flächen ist als eine Exzenterfläche ausgebildet, so daß der Hub des Auslaßventils während des Ansaughubes von keinem Hub in einer vorbestimmten axialen Stellung der zweiten Welle bis zum maximalen Hub nach einer bestimmten Verschiebung der zweiten Welle aus dieser vorbestimmten Stellung variierbar ist.
Durch ein Variieren der Öffnungszeit für das Auslaßventil während des Einlaßhubes ist es möglich die Menge des rückgeführten Abgases zu regulieren und den Prozentsatz des Abgases in der Verbrennungsluft zu erzielen. Nachdem das Öffnen des Auslaßventils individuell in jedem Zylinder erreicht wird und schnell kontrolliert werden kann, ist das Zumischen von Abgas wohldefiniert und kann als eine Funktion der Motorarbeitslast, oder beispielsweise der Anzahl der Umdrehungen pro Minute variiert werden. Es wird nicht durch Restgase im Einlaßverteiler beeinflußt, wie beispielsweise bei herkömmlichen Systemen. Jede axiale Stellung der zweiten Welle und daher des zweiten Schwenkarms definiert daher eine gegebene Hubhöhe und Zeitspanne des Auslaßventils während des Einlaßhubes.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf in den begleitenden Zeichnungen gezeigte Beispiele im Detail beschrieben, wobei
Fig. 1 eine schematische Perspektivansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ventilsteuerung des Motors ist,
Fig. 2 eine Seitenansicht einer Einlaßkurbelschwinge mit daran angebrachter Antriebseinrichtung ist,
Fig. 3 eine Seitenansicht einer Auslaßkurbelschwinge mit daran angebrachter Antriebseinrichtung ist,
Fig. 4 eine ebene Ansicht eines Details der Fig. 2 und 3 ist,
Fig. 5 ein Druck- und Ventilhubdiagramm ist,
Fig. 6 ein schematischer Längsschnitt eines Zylinderraumes mit Kolben und Ventilen ist, und
Fig. 7 eine schematische ebene Ansicht einer Ventilsteuerung für einen Sechszylindermotor mit einem schematisch dargestellten Kontrollsystem ist.
In Fig. 1 bezeichnet Ziffer 1 eine Kurbelschwingenwelle, an der eine Kurbelschwinge 2 für ein Einlaßventil 3 und eine Kurbelschwinge 4 für ein Auslaßventil 5 angebracht sind. Zusätzlich ist an der Kurbelschwingenwelle 1 eine Kurbelschwinge 6 für eine sogenannte kombinierte Pumpe 7 angebracht.
Jede Kurbelschwinge 2, 4 und 6 weist eine individuelle Kurvenwalze 8, 9 bzw. 10 auf, die den Kurven 11, 12 bzw. 13 der Exzenterwelle 14 folgen.
Erfindungsgemäß ist eine zweite Welle 15 drehbar parallel zu der Kurbelschwingenwelle 1 in den Lagern 16 (siehe Fig. 7) angebracht. Die Welle 15 ist auch axial verschiebbar befestigt, wie weiter unten mit Bezug auf Fig. 7 im Detail beschrieben wird. Ein erster Schwenkarm 17 und ein zweiter Schwenkarm 18 sind an der Welle 15 befestigt. Der Schwenkarm 17 weist eine drehbar angebrachte Walze 19 auf, die mit der Kurvenwalze 8 der Einlaßkurbelschwinge 2 in Kontakt ist. Die Walze 19 ist schmaler als die Walze 8, so daß sie axial verschoben werden kann und dabei mit der Walze 8 in Kontakt bleibt, wenn Welle 15 axial verschoben wird. Mit der oben beschriebenen Anordnung wird die Wippbewegung der Einlaßkurbelschwinge 2 in eine wechselseitige Drehbewegung der Welle 15 umgewandelt. Der zweite Schwenkarm 18 weist eine geneigte Exzenterfläche 20 (kurvenförmige Fläche) auf, deren höchste und niedrigste Punkte durch die Linien 20a bzw. 20b in Fig. 3 dargestellt sind. Die Exzenterfläche 20 steht einer entgegengesetzten Fläche 21 an einem Paar Finger 22 (kann auch ein einzelnes Bauteil sein) an einem Ende der Auslaßkurbelschwinge 4 gegenüber. In Abhängigkeit der axialen Stellung von Welle 15 wird die Kurbelschwinge 18 bei Drehung der Welle 15 die Auslaßkurbelschwinge 4 in Wippbewegung versetzen und das Auslaßventil 5 von seinem Sitz anheben, wenn die Exzenterfläche 20 mit der Fläche 21 an der Auslaßkurbelschwinge 4 in Kontakt tritt.
In einer axialen Grenzstellung der Welle 15 kommt kein Kontakt zwischen der Exzenterfläche 20 und der Fläche 21 der Auslaßkurbelschwinge 4 zustande und das bedeutet, daß das Auslaßventil 5 während des Einlaßhubes vollständig geschlossen bleibt. In der anderen Grenzstellung wird ein äußerer Abschnitt der Fläche 21 mit dem höchsten Punkt 20a der Exzenterfläche 20 in Kontakt treten, was bedeutet, daß das Auslaßventil 5 während des Einlaßhubes maximal geöffnet wird. In einer praktischen Ausführung in einem Motor, in dem der maximale Hub des Auslaßventils während des Auslaßhubes ungefähr 13 mm beträgt, kann der maximale Hub im Einlaßhub etwa 4 mm betragen. In dem Diagramm in Fig. 6 stellt die Kurve P den Druck in dem Zylinder während der Verdichtung und der Expansion dar. Die Kurve A stellt die Hubbewegung des Auslaßventils 5 während des Auslaßhubes dar und die Kurve 5 stellt die Hubbewegung des Einlaßventils 3 während des Einlaßhubes dar. Die Hubbewegung des Auslaßventils 5 während des Einlaßhubes ist durch die Kurven EGR dargestellt, worin die oberste Kurve den maximalen Hub darstellt und die darunterliegenden Kurven zufällig gewählte kleinere Ventilhübe. In der Praxis ist die Steuerung der Abgasrückführung kontinuierlich zwischen keinem Auslaßventilhub und maximalem Auslaßventilhub variierbar. Wie ebenfalls aus dem Diagramm ersichtlich ist, werden die Auslaß- und Einlaßventile 3 bzw. 5 während des Einlaßhubes synchronisiert, so daß die maximale Hubhöhe gleichzeitig erreicht wird.
Fig. 6 stellt schematisch einen Zylinder 30 dar, dessen Kolben 31 sich in der Mitte zwischen dem oberen und dem unteren Totpunkt während des Einlaßhubes befindet. Das Einlaßventil 3 und das Auslaßventil 5 sind maximal angehoben. Wenn im Einlaßventil 32 ein Ladedruck von etwa 1,6 bar herrscht wird ein Auslaßdruck von etwa 1,4 bar in dem Auslaßverteiler herrschen. Der Druckabfall über das Einlaßventil 3 aufgrund des Drosseleffektes verursacht einen Druck im Zylinder 30 von ungefähr 1 bar, was bedeutet, daß Abgas zur selben Zeit wie die Einlaßluft in den Zylinder gesaugt wird.
Die erfindungsgemäße Ventilsteuerung für einen Motor wurde im vorangegangenen strukturiert und funktionell unter Bezugnahme auf einen einzelnen Zylinder beschrieben. Ein Mehrzylindermotor weist mit der Anzahl der Zylinder korrespondierende Transmissionselemente auf, die von der beschriebenen Art sind, wie in Fig. 7 schematisch für einen Sechszylindermotor dargestellt. Die Welle 15 besteht in diesem Fall aus sechs miteinander verbundenen Wellenteilen 15a, von denen eines in Fig. 4 gezeigt ist. Es besteht aus einem U-förmigen Zentralabschnitt 40, von dem aus sich zwei Wellenverlängerungen 41 und 42 erstrecken. Die Wellenverlängerung 41 weist eine zentrale Bohrung 43 auf, deren Länge und Innendurchmesser der Länge und dem Außendurchmesser der Wellenverlängerung 42 entspricht. Die Wellenverlängerung 42 eines Wellenteils 15a erstreckt sich in die Bohrung 43 in dem angrenzenden Wellenteil 15a, so daß eine Welle 15 in dem dargestellten Sechszylinderbeispiel gebildet wird, die aus sechs Wellenteilen 15a besteht, die axial in Bezug zueinander befestigt sind, aber frei drehbar in Bezug zueinander sind.
In einer alternativen Ausführungsform (nicht dargestellt) sind die Wellenteile 15a auf einem Torsionsstab befestigt, der ein geschlitztes Rohr sein kann.
Jedes Wellenteil 15a weist einen langen seitlichen Vorsprung auf, der den ersten Schwenkarm 17 bildet und eine an einem Zapfen 19a angebrachte Walze 19 aufweist, und einen kurzen seitlichen Vorsprung, der einen zweiten Schwenkarm 18 mit einer Exzenterfläche 20 bildet. Jedes Wellenteil 15a ist mit einem zentralen Schmiermittelkanal 44 ausgestattet, so daß ein vollständiger Kanal von einem Ende zu dem anderen der zusammengesetzten Welle 15 gebildet wird.
Fig. 7 zeigt die zusammengesetzte Welle 15 und eine Steuereinrichtung für ihre axiale Verschiebung. Die Exzenterflächen 20 sind hier zu Darstellungszwecken um 90º in Bezug auf ihre tatsächliche Stellung gedreht. Die Welle 15 wird durch eine Feder 50 nach links in Fig. 7 gedrückt, in eine Grenzstellung, in der kein Abgas zurückgeführt wird, aufgrund der Tatsache, daß die Exzenterfläche 20 eine Stellung einnehmen wird, in der sie die Fläche 21 der Auslaßkurbelschwinge 4 nicht erreicht. Das linke Ende der Welle 15 bildet einen Kolben 51 in einem Hydraulikzylinder 52. Der Druck in dem Zylinder 52 bestimmt die axiale Stellung der Welle 15 und dieser Druck wird durch die zentrale Motorsteuerungseinheit 53 reguliert, in die Umdrehungszahl-, Last-, Temperatur-, etc. Daten eingespeist werden, wie durch die Pfeile 54, 55, 56 angedeutet. Die Steuereinheit 53 reguliert Ventil 57 und wird mit dem gewünschten Abgasrückführwert programmiert als eine Funktion der Motorumdrehung und Last oder Motortemperatur. Das Steuerventil für die axiale Stellung wird mit dem aktuellen Wert von einem induktiven Stellungssensor 58 auf der Welle 15 verglichen und die Steuereinheit 53 gibt ein von den erhaltenen Werten abhängiges Signal weiter, um den Druck in dem Zylinder 51 zu regulieren, so daß die Welle 15 in eine Stellung bewegt wird, die die erwünschte Abgasrückführung erreicht.
Die erfindungsgemäße Anordnung ist äußerst verläßlich aufgrund der Tatsache, daß sie bekannte Motorenkomponenten in der bekannten Umgebung benutzt. In dem Abgassystem wird keine Pumpe oder Drossel benötigt. Es stellt eine gut bestimmte Abgaszumischung in die Einlaßluft bereit. Das Zumischen kann schnell ohne Verzögerungen und ohne wesentliche Veränderungen zwischen den Zylindern variiert werden. Eine Vorprogrammierung der Motorsteuereinheit ermöglicht es, die Zumischung innerhalb des gesamten Arbeitsbereiches des Motors einfach zu kontrollieren, unabhängig von anderen Parametern. Die Kosten werden im Vergleich zu einem herkömmlichen System mit vergleichbarer Steuerkapazität gering sein.

Claims

1. Verbrennungsmotor, umfassend eine Ventilsteuereinrichtung, die zumindest ein Einlaßventil und zumindest ein Auslaßventil in jedem Zylinder aufweist, sowie für jeden Zylinder zumindest zwei an einer Kurbelschwingenwelle angebrachte Kurbelschwingen zum Betreiben der Ventile und Einrichtungen um während der normalen Motorbetriebsweise Abgas in den Zylinder zurückzuführen, dadurch gekennzeichnet, daß diese Einrichtungen zum Rückführen von Abgas während der normalen Motorbetriebsweise Transmissionselemente (15, 17, 18) umfassen, die mit der Ventilsteuereinrichtung zusammenwirken, um das Auslaßventil (5) selektiv während des Ansaughubes des Motors zu öffnen um während des Ansaughubes Abgas in den Zylinder rückzuführen.

2. Motor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transmissionselemente Einrichtungen (21) zum Verändern der Öffnungszeit des Auslaßventils (5) und dessen Ventilhubes umfassen.

3. Motor gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Transmissionselemente (15, 17, 18) mit Wippvorrichtungen (2) des Einlaßventils (3) derart synchronisiert sind, daß der festgesetzte maximale Ventilhub des Auslaßventils (5) mit dem maximalen Ventilhub des Einlaßventils zusammenfällt.

4. Motor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Transmissionselemente mit den Kurbelschwingen (2, 4) des Einlaß- und des Auslaßventils zusammenwirkende Teile (15, 17, 18) umfaßt, wodurch diese Teile einen Anteil der Wippbewegung der Einlaßkurbelschwinge (2) auf die Auslaßkurbelschwinge (4) übertragen können.

5. Motor gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß diese Teile eine zweite parallel zu der Kurbelschwingenwelle (1) drehbar angebrachte Welle (15) umfassen und erste und zweite Schwenkarme (17, 18) aufweisen, die drehfest an dieser Welle angebracht sind, wobei der erste Schwenkarm (17) mit der Einlaßkurbelschwinge (2) zusammenwirkt um deren Wippbewegung in eine Drehbewegung der zweiten Welle (15) umzuwandeln und wobei der zweite Schwenkarm (18) mit der Auslaßkurbelschwinge (4) zusammenwirkt, um die Drehbewegung der zweiten Welle in eine Wippbewegung der Auslaßkurbelschwinge umzuwandeln.

6. Motor gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schwenkarm (17) an einem Ende eine mit einer Kurvenwalze (8) auf der Einlaßwippe (2) in Berührung befindliche Walze (19) aufweist.

7. Motor gemäß Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Welle (15) axial verschiebbar ist, daß der zweite Schwenkarm (18) eine einer mit ihr zusammenwirkenden Fläche (21) zugewandte Fläche (20) an einem Ende der Auslaßkurbelschwinge (4) aufweist, und daß eine der Flächen (20, 21) eine kurvenförmig ausgebildete Fläche besitzt, so daß der Hub des Auslaßventils während des Ansaughubes von keinem Hub in einer vorbestimmten axialen Stellung der zweiten Welle (15), bis zum maximalen Hub in einer bestimmten Verschiebung der zweiten Welle aus dieser vorbestimmten Stellung variierbar ist.

8. Motor gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Welle (15) permanent durch eine Feder (50) in Richtung der vorbestimmten Stellung belastet wird und durch Druckmedium in eine entgegengesetzte Richtung belastet ist, daß eine Regeleinheit (53) angebracht ist, die den Druck des Mediums in Abhängigkeit von den der Regeleinheit bereitgestellten Werten über zumindest Motordrehzahl, Last und die von einem Positionsmesser (58) bestimmte Position der zweiten Welle steuert.

9. Motor gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Welle (15) in einem Mehrzylindermotor in separate Wellenteile (15a) für die unabhängigen Zylinder unterteilt ist, wobei die Wellenteile axial verschiebbar angeordnet sind, welche jedoch ein Verschwenken der ersten und zweiten Schwenkarme (17, 18) für jeden Zylinder relativ zu den Schwenkarmen der anderen Zylinder zulassen.

10. Motor gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenteile (15a) an einem gewöhnlichen Drehbolzen befestigt sind.