DE69917274T2

DE69917274T2 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE69917274T2
Application number: DE69917274T
Authority: DE
Inventors: Svante Lejon
Original assignee: Saab Automobile AB
Current assignee: Saab Automobile AB
Priority date: 1998-07-10
Filing date: 1999-07-07
Publication date: 2005-05-19
Anticipated expiration: 2019-07-08
Also published as: EP1097294B1; SE9802510L; EP1097294A1; JP4319353B2; SE521615C2; JP2002520534A; SE9802510D0; DE69917274D1; WO2000003127A1

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Stand der Technik
Bei Brennkraftmaschinen ist es heute üblich, mindestens zwei Auslassventile pro Zylinder vorzusehen, um den Gasaustausch im Zylinder besser handhaben zu können als mit nur einem Auslassventil. Die Auslassventile arbeiten üblicherweise synchron, jedoch ist es auch bekannt, beispielsweise aus der GB 2 105 286, die Auslassventile mit einem bestimmten Zeitverzug zu öffnen, um damit den Abgasstrom in spezieller Weise aufzuteilen. Gemäß der dortigen Beschreibung werden die Abgase über eines der Auslassventile einem Abgasturbolader zugeleitet, wenn sich der Kolben an seinem unteren Totpunkt befindet, um damit einen hohen Abgasdruck auszunutzen, während das andere Auslassventil später öffnet und die verbleibenden Abgase, deren Druck nun niedrig ist, an dem Abgasturbolader vorbei zu führen.
Ein Problem hierbei besteht jedoch darin, dass der Abgasturbolader beim Kaltstart einen Abfall der Temperatur bewirkt, was das Aufheizen des Katalysators, der die Abgase reinigen soll, verzögert.
Eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist beispielsweise aus der DE 43 44 277 A bekannt.
Aufgabe der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Brennkraftmaschine bereit zu stellen, die eine verbesserte Abgasreinigung ermöglicht, insbesondere beim Kaltstart. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, im Übrigen eine gute Motorleistung aufrecht zu erhalten.
Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art gelöst, die die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
Dadurch, dass man in der Lage ist, bestimmte Auslassventile während ausgewählter Betriebszeiten geschlossen zu halten, ist es möglich, einen ansonsten geteilten Abgasstrom derart zu steuern, dass er zumindest zeitweise anders als normalerweise geleitet wird. Dies kann vorteilhaft in Zusammenhang mit dem Starten eingesetzt werden, während der Motor noch kalt ist. Auf diese Weise kann ein kleiner Katalysator beim Starten mit den gesamten Abgasen beaufschlagt und damit schnell erwärmt und wirksam werden. Wenn der Motor warm ist, werden die vorher geschlossenen Ventile geöffnet, so dass eine normale Aufteilung des Abgasstroms erreicht wird.
Damit die Auslassventile, die öffnen können, während die anderen geschlossen gehalten werden, den Abgasstrom verarbeiten können, weisen sie während dieser Betriebsdauer einen größeren Öffnungshub auf, als während des übrigen Betriebs, und sie können weiterhin während dieser Betriebsdauer früher öffnen als während des übrigen Betriebs.
Weitere Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich aus der Beschreibung und den weiteren Patentansprüchen.
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf ein in der Zeichnung dargestelltes Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Beschreibung der Figuren
Es zeigt:
1 eine diagrammatische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine,
2 eine zur Turboaufladung bestimmte Brennkraftmaschine
3 ein Ventildiagramm für die Auslassventile einer Brennkraftmaschine gemäß den 1 und 2 im kalten Zustand,
4 eine Darstellung wie in 3, jedoch für eine warme Brennkraftmaschine,
5 und 6 unterschiedliche Anordnungen für die Ventilbetätigung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt auf diagrammatische Weise eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 mit mehreren Zylindern. Die Zylinder der Brennkraftmaschine weisen jeweils zwei Auslassventile 2 und 3 auf. Von den ersten Auslassventilen 2 der Zylinder wird das Abgas einem ersten Abgaskrümmer 4 zugeführt, der allen Zylindern gemein ist. Von den zweiten Auslassventilen 3 der Zylinder wird das Abgas einem zweiten Abgaskrümmer 5 zugeführt, der allen Zylindern gemein ist. Der erste Abgaskrümmer 4 ist über eine erste Abgasleitung 11 mit einem ersten Katalysator 10 verbunden und der zweite Abgaskrümmer 5 ist über eine zweite Abgasleitung 12, in der sich ein zweiter Katalysator 13 befindet, mit dem ersten Katalysator 10 verbunden. Einer oder mehrere (nicht dargestellte) Schalldämpfer sind stromabwärts vom ersten Katalysator 10 auf übliche Weise angeordnet.
2 zeigt die Brennkraftmaschine der 1, die hier zur Aufladung mit einem mittels einer abgasbetriebenen Turbine angetriebenen Kompressor ausgerüstet ist. Die Abgasturbine 14 ist in diesem Fall mit der Abgasleitung 11 verbunden und wird damit von dem ersten Abgaskrümmer 4 und den ersten Auslassventilen 2 bedient. Ein von der Abgasturbine 14 angetriebener Kompressor 15 bedient die Brennkraftmaschine mit Ladeluft, die in einem Intercooler 16 gekühlt wird, bevor sie der Brennkraftmaschine auf übliche Weise zugeführt wird (nicht näher dargestellt).
Wenn die Brennkraftmaschine 1 gestartet wird und solange sie noch kalt ist, werden die ersten Ventile 2 geschlossen gehalten und der gesamte Abgasausstoß erfolgt über die zweiten Ventile 3, die die gesamten Abgase dem zweiten Katalysator 13 über den zweiten Abgaskrümmer 5 zuführen. Beim Starten wird der Brennkraftmaschine nicht die Höchstleistung abverlangt, weshalb der zweite Katalysator 13 für einen relativ kleinen Abgasstrom ausgelegt und nah oder sehr nah an der Brennkraftmaschine angeordnet werden kann. Auf diese Weise kann er schnell erwärmt werden und einen guten Funktionsgrad erreichen, so dass eine wirksame Abgasreinigung sehr schnell nach dem Starten erreicht wird. Während der Zeit, in der der zweite Katalysator 13 arbeitet, wird der erste Katalysator 10 erwärmt. Er ist üblicherweise innerhalb von 30 Sekunden nach dem Starten betriebsbereit. Wenn der erste Katalysator 10 auf diese Weise heiß geworden ist, werden die ersten Auslassventile 2 in Betrieb genommen, so dass sie die Abgase durch den ersten Abgaskrümmer 4 zum ersten Katalysator 10 leiten können. Ein bestimmter Anteil des Abgasstroms kann weiterhin auf seinem Weg zum ersten Katalysator 10 durch den zweiten Katalysator 13 geleitet werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel gem. 2 wird die Abgasenergie zum Betrieb einer Abgasturbine 14 verwendet, jedoch ist die Funktionsweise im Übrigen die gleiche wie bei der Brennkraftmaschine gemäß 1.
Die Steuerung der Auslassventile eines jeden Zylinders kann auf eine Reihe von Arten bewerkstelligt werden, um die gewünschte Funktion und das gewünschte Verhältnis der unterschiedlichen Abgasströme zu erreichen. Ein Nachteil des Geschlossenhaltens der ersten Auslassventile für eine bestimmte Zeitdauer ist es, dass die Motorleistung während dieser Zeitdauer begrenzt ist. Dieser Nachteil ist jedoch üblicherweise gering im Vergleich mit dem Gewinn hinsichtlich einer verbesserten Abgasreinigung.
Eine Steuerung der Auslassventile 2 und 3, die für das Ausführungsbeispiel gemäß 2 geeignet ist, ist in 3 für einen kalten Motor und in 4 für einen warmen Motor dargestellt. In jeder der Figuren stellt das linke Diagramm a) das erste Auslassventil 2 dar, während das rechte Diagramm b) das zweite Auslassventil 3 darstellt. In jedem Diagramm bezeichnet A den oberen Totpunkt des Kolbens, B den unteren Totpunkt der Kolbens, C die Öffnungsstellung des Auslassventils, D die Schließstellung des Auslassventils und E die Öffnungsdauer des Auslassventils.
Wie 3 entnommen werden kann, wird das erste Auslassventil 2 (3a) bei kaltem Motor geschlossen gehalten, während das zweite Auslassventil 3 (3b) bei C öffnet, ungefähr 30° vor dem unteren Totpunkt B, und bis D geöffnet gehalten wird, ungefähr 15° nach dem oberen Totpunkt A. Der gesamte Abgasausstoß erfolgt somit über das zweite Auslassventil 3 während einer langen Öffnungsdauer E von ungefähr 225°.
Wenn der Motor wie in 4 dargestellt heiß ist, beginnt das erste Auslassventil 2 (4a) zu arbeiten und öffnet bei C, ungefähr 45° vor dem unteren Totpunkt B, und wird bis D geöffnet gehalten, ungefähr 30° vor dem oberen Totpunkt A. Die Öffnungsdauer E beträgt somit ungefähr 195° in diesem Beispiel, hängt jedoch von der Anzahl der an den Abgaskrümmer angeschlossenen Zylinder ab. Die angegebenen Winkelwerte sind lediglich ein Beispiel für einen Vierzylindermotor. Das zweite Auslassventil 3 (4b) öffnet nun geringfügig später als vorher, und zwar bei C, ungefähr 30° nach dem unteren Totpunkt B, und wird bis zum gleichen Punkt wie vorher geöffnet gehalten, nämlich bis D, ungefähr 15° nach dem oberen Totpunkt A. Diese Aufteilung der Öffnungsdauern zwischen den Ventilen 2 und 3 sorgt für eine effiziente Druckbeaufschlagung der Turbine 14, während gleichzeitig Abgase mit niedrigem Druck an der Turbine vorbei über einen oder mehrere Katalysatoren und Schalldämpfer in die Atmosphäre geleitet werden.
Ein besonderer Vorteil beim Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist, dass der erhebliche Temperaturabfall, der durch die kalte Turbine 14 bewirkt wird, beim Starten vermieden wird, und ein schnell aktivierter zweiter Katalysator 13 kann zunächst verwendet werden, während der normale, erste Katalysator 10 erhitzt wird. Die Aufteilung des Ausstoßtaktes weist auch weitere Vorteile auf, wie beispielsweise ein verbessertes Leeren des Zylinders.
Um bei kaltem Motor einen hinreichend großen Abgasstrom verarbeiten zu können ist es zweckmäßig, wenn das zweite Auslassventil weiter öffnen kann, d. h. einen größeren Öffnungshub aufweist, wenn der Motor kalt ist als wenn der Motor heiß ist.
Da der Großteil der Abgase bei höherer Leistung durch den Hauptkatalysator geleitet wird, kann der zweite Katalysator 13 zweckmäßig so ausgelegt sein, dass er etwa 20 bis 25% des maximalen Abgasstroms bei voller Last des Motors verarbeiten kann. Er sollte dennoch so nah wie möglich am Motor angeordnet werden, um sich möglichst schnell zu erwärmen.
Bei einem herkömmlichen Motor wird üblicherweise von separaten, einzelnen Nocken auf einer gemeinsamen Nockenwelle Gebrauch gemacht, um beide Auslassventile 2 und 3 über einen Ventilstößel für jedes Ventil zu betätigen. Diese Ventile weisen dann feste Ventilsteuerzeiten auf. Eine Einstellbarkeit der Auslassventile 2 und 3 kann auf unterschiedliche Weisen durch bekannte, hierfür geeignete Vorrichtungen erreicht werden. Beispiele mögli cher Ausführungsbeispiele für die Einstellbarkeit sind in den 5 und 6 dargestellt.
5 zeigt eine Anordnung, bei der ein einstellbarer Ventilstößel 30 von einem auf einer Nockenwelle 38 angeordneten Nockenelement 35 betätigt wird. Der Ventilstößel 30 weist einen inneren Teil 31 und einen äußeren Teil 32 auf, die in axialer Richtung (5a und 5c) bezüglich einander fixiert werden können oder bezüglich einander in der axialen Richtung (5b) beweglich sein können. Das Nockenelement 35 besteht aus einer Zentralnocke 36 und zwei äußeren Nocken 37, die jeweils auf einer Seite der ersteren angeordnet sind.
Die Funktionsweise ist die folgende:
In 5a wird das Auslassventil 2 in seiner Schließstellung gehalten, indem die Spitzen aller Nocken 36, 37 nach oben gerichtet sind, weg von dem Ventilstößel 30. In 5b hat sich die Nockenwelle 38 um eine halbe Drehung weitergedreht, so dass die Spitzen der Nocken 36, 37 nach unten gerichtet sind, um so auf den Ventilstößel 30 zu wirken. Dieser ist hier in einer Einstellung angeordnet, in der der äußere Teil 32 bezüglich des inneren Teils 31, der mit dem Ventil 3 verbunden ist, verschiebbar ist. Als Folge hiervon können die äußeren Nocken 37 den äußeren Teil 32 relativ zum inneren Teil 31, auf den nur die Zentralnocke 36 wirkt, verschieben und das Ventil 2 in diesem Fall geringfügig öffnen.
In 5c befinden sich die Nockenwelle 38 und das Nockenelement 35 in der gleichen Drehstellung wie in 5b, jedoch sind in diesem Fall der innere Teil 31 und der äußere Teil 32 des Ventilstößels 30 bezüglich einander fixiert. Das Ergebnis ist, dass das Nockenelement 35 den Ventilstößel 30 über die äußeren Nocken 37 und den äußeren Teil 32 des Ventilstößels 30 nach unten drückt, so dass das Ventil 2 geöffnet wird.
Das Fixieren des inneren Teils 31 und des äußeren Teils 32 des Ventilstößels 30 zueinander wird hydraulisch im Ventilstößel gesteuert, über nicht dargestellte Ölleitungen, die dem Ventilstößel zugeordnet sind. Durch Auswahl der Nockenform und des jeweiligen Betätigungsweges der unterschiedlichen Nocken kann das Ventil entsprechend den Anforderungen gesteuert werden.
6 zeigt eine Anordnung eines anderen Typs, bei der eine Nocke 40 auf einer (nicht näher dargestellten) Nockenwelle über einen Kipphebel 41 auf ein Auslassventil 2 wirkt, wobei ein Ende des Kipphebels mittels einer im Zylinderkopf angeordneten Betätigungsvorrichtung 43 auf unterschiedliche Höhenstellungen eingestellt werden kann.
In 6a befindet sich das Ende 42 des Kipphebels 41 in seiner untersten Stellung, die derart ausgewählt ist, dass das Ventil 2 geschlossen bleibt, wenn die Spitze der Nocke 40 an dem Kipphebel 41 anliegt. In 6b andererseits wurde das Ende 42 mittels der Betätigungsvorrichtung 43 in eine Stellung angehoben, in der sich das Ventil 2 öffnet, wenn die Spitze der Nocke 40 an dem Kipphebel 41 anliegt. Der Öffnungsgrad des Ventils 2 kann durch eine hydraulische Einstellung des Endes 42 in unterschiedliche Höhenstellungen variiert werden. Durch Veränderung der Form und Stellung der Nocke 40 ist es auch möglich, die Öffnungsdauer und Schließdauer des Ventils 2 je nach Bedarf und Wunsch zu verändern.
Die in den 5 und 6 dargestellten Vorrichtungen werden durch die deutsche Firma INA Motorenelemente Schaeffler KG vertrieben und sind daher nur im Groben beschrieben worden. Andere Ausführungsformen zum Erreichen der Ventilfunktion gemäß der Erfindung sind auch möglich.
Anstatt das Auslassventil 2 für eine Zeitdauer nach dem Starten geschlossen zu halten, wäre es auch möglich, ihren Auslass, d. h. die erste Abgasleitung 11, mittels eines Ventils, das geöffnet und geschlossen werden kann, um die gewünschte Verteilung des Abgasstroms zu erreichen, zu verschließen. Beispiele einer derartigen Anordnung sind in den 1 und 2 dargestellt, in denen ein Ventil 30 in der ersten Abgasleitung 11 angeordnet ist. Bei der Anordnung gemäß 2 kann das Ventil 30 zweckmäßig stromaufwärts von der Abgasturbine 14 angeordnet werden, jedoch ist eine Anordnung 30' stromabwärts von der Abgasturbine 14 ebenfalls möglich. Das dargestellte Ventil 30 kann vorteilhaft elektronisch gesteuert werden und wird sich selbstverständlich während des Großteils des Betriebs der Brennkraftmaschine in der Öffnungsstellung befinden.

Claims

Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Auslassventilen (2, 3) pro Zylinder, wobei mindestens ein erstes Auslassventil (2) eines jeden Zylinders mit einem ersten Katalysator (10) verbunden ist und wobei mindestens ein zweites Auslassventil (3) eines jeden Zylinders mit dem ersten Katalysator (10) über einen von diesem stromaufwärts angeordneten zweiten Katalysator (13) verbunden ist, wobei die ersten Auslassventile (2) oder deren Auslässe derart ausgebildet sind, dass sie während eines ausgewählten Zeitraums vorbestimmter Dauer in der Startphase der Maschine, während dessen die Maschine noch kalt ist, geschlossen hält und der gesamte Abgasausstoß während dieses Zeitraums über die zweiten Auslassventile (3) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Auslassventile (3) derart ausgebildet sind, dass ihr Öffnungshub während des ausgewählten Zeitraums größer ist als während des übrigen Betriebs.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Auslassventile (3) derart beschaffen sind, dass sie während des ausgewählten Zeitraums früher öffnen als während des übrigen Betriebs.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Auslassventile (2) derart beschaffen sind, dass während des übrigen Betriebs früher öffnen und früher schließen als die zweiten Auslassventile (3).
Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Auslassventile (2) derart beschaffen sind, dass sie während des übrigen Betriebs öffnen, bevor der Kolben seinen unteren Totpunkt erreicht.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Auslassventile (2) über einen ersten Abgaskrümmer (4) mit einer Abgasturbine (14) eines Turbokompressors zur Aufladung der Maschine verbunden sind.