EP3080430A1 - Kolbenmotor und zugehöriges betriebsverfahren - Google Patents

Kolbenmotor und zugehöriges betriebsverfahren

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Publication number
EP3080430A1
EP3080430A1 EP14808501.2A EP14808501A EP3080430A1 EP 3080430 A1 EP3080430 A1 EP 3080430A1 EP 14808501 A EP14808501 A EP 14808501A EP 3080430 A1 EP3080430 A1 EP 3080430A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
stroke
intake valves
intake
combustion chamber
kww
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP14808501.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Frank Michael Benz
Thomas Haarmann
Kai Hoffmann
Kai Kanning
Thomas Koch
Johannes Ritzinger
Tobias SCHÖFFLER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Daimler AG filed Critical Daimler AG
Publication of EP3080430A1 publication Critical patent/EP3080430A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02D13/00—Controlling the engine output power by varying inlet or exhaust valve operating characteristics, e.g. timing
    • F02D13/02—Controlling the engine output power by varying inlet or exhaust valve operating characteristics, e.g. timing during engine operation
    • F02D13/0223—Variable control of the intake valves only
    • F02D13/0226—Variable control of the intake valves only changing valve lift or valve lift and timing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/20—Adjusting or compensating clearance
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/34—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B31/00—Modifying induction systems for imparting a rotation to the charge in the cylinder
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    • F02B31/085—Modifying induction systems for imparting a rotation to the charge in the cylinder having multiple air inlets having two inlet valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02D13/00—Controlling the engine output power by varying inlet or exhaust valve operating characteristics, e.g. timing
    • F02D13/02—Controlling the engine output power by varying inlet or exhaust valve operating characteristics, e.g. timing during engine operation
    • F02D13/0269—Controlling the valves to perform a Miller-Atkinson cycle
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    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
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    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/13—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories
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    • F02D13/0257—Independent control of two or more intake or exhaust valves respectively, i.e. one of two intake valves remains closed or is opened partially while the other is fully opened
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a piston engine with internal combustion, preferably a gasoline engine, in which each combustion chamber, an inlet valve is closed prematurely or late and in which a
  • the invention also relates to a piston engine with internal combustion, in particular gasoline engine, which is suitable for carrying out such an operating method.
  • the present invention relates to a use of a valve train for driving intake valves in a
  • Inlet valve before a bottom dead center of the associated piston can a
  • thermodynamic compression stroke is reduced. This process is known as the Atkinson process (also known as the Miller process later).
  • Combustion exhaust gas performs, in a third clock an intake stroke for
  • the expansion stroke lasts from 0 ° crankshaft angle (KWW) to 180 ° KWW
  • the exhaust stroke lasts from 180 ° KWW to 360 ° KWW
  • the intake stroke lasts from 360 ° KWW to 540 ° KWW
  • the compression stroke lasts from 540 ° KWW to 720 ° KWW , where 720 ° KWW of the one four-stroke cycle 0 ° KWW of the next four-stroke cycle correspond.
  • the intake valve closes before 540 ° KWW, while it closes at 540 ° KWW at the late intake closing, ie at the Atkinson process.
  • the closing of the inlet valve occurs clearly before or after the respective bottom dead center, namely preferably within a range of 80 ° to 60 ° inclusive and in particular at about 70 ° before or after bottom dead center at 540 ° KWW.
  • Exhaust gas recirculation is mainly with the aim of reducing the NOx pollutant emissions of the reciprocating engine.
  • the highest possible turbulence is required in the respective combustion chamber.
  • a high degree of turbulence in the combustion chamber is not or only with difficulty achievable in connection with the Miller process or the Atkinson process, so that the desired high levels of combustion are achieved in conventional operating processes
  • Exhaust gas recirculation rates are not adjustable or associated with an increased risk of knocking and an increased risk of misfiring.
  • the present invention is concerned with the problem of providing for an operating method of the type mentioned above or for an associated piston engine or for an associated valve train, an improved embodiment, the
  • the invention is based on the general idea of allocating at least two inlet valves to the respective combustion chamber, so that the filling of the respective combustion chamber
  • Exhaust gas recirculation for a method of operation with premature or late closing of the intake valves are controlled so that the two intake valves have different maximum strokes.
  • the invention uses the knowledge that the maximum stroke when opening the respective intake valve significantly influences the inflow of the gas mixture. It has been shown that the production of two different
  • Inlet flows generated by different maximum strokes of the intake valves result in increased turbulence in the combustion chamber.
  • the increased turbulence improves the compatibility of the subsequent combustion process for
  • the maximum lift of the one intake valve is in a range of from 40% to 70% inclusive, preferably in a range from 50% to 65% inclusive, in particular approximately 55%, of the maximum lift of the other intake valve. It has been shown that with these relations between the two maximum strokes particularly high turbulences can be generated in the respective combustion chamber.
  • At least one of the two intake valves with respect to the crankshaft angle may have a stroke course having an angular range with a constant opening stroke. This means that the respective stroke profile in said angular range has a flat plateau in which the opening stroke of the inlet valve does not change. As a result, a constant inlet flow can occur during this angular range, which makes the training more targeted
  • Opening stroke of the respective intake valve is constant, in a range of
  • Inlet valve with the respective angular range with its maximum stroke is constantly open. This measure also leads to specifically produce the desired turbulence.
  • this is the inlet valve, which is the smaller
  • both intake valves each have such an angular range with a constant opening stroke.
  • both intake valves open and close synchronously. Accordingly, both intake valves have the same
  • Opening time window In particular, the opening strokes of the two inlet valves are substantially congruent in an opening region and in a closing region.
  • both Hubverstructure show an angular range with constant opening stroke, in particular with a constant maximum stroke, the angular range of the intake valve with a smaller maximum stroke is significantly greater, in particular about twice greater than the angular range of the intake valve with a larger maximum stroke.
  • this larger angular range can then range from 80 ° KWW inclusive to 120 ° KWW inclusive, preferably including 90 ° KWW up to and including 1 10 ° KWW.
  • the two inlet valves control two separate inlet channels, each of which controls the respective gas mixture
  • Inlet channels is designed as a swirl duct.
  • this is the inlet channel which is the inlet valve with the larger maximum stroke
  • the gas mixture substantially radially and axially with respect to a longitudinal center axis of the associated cylindrical
  • Tangential component that has a component in the circumferential direction. Via the swirl channel, a swirl flow can thus be generated in the combustion chamber, which is advantageous for the turbulence.
  • a piston engine according to the invention with internal combustion which is preferably a gasoline engine, is equipped with exhaust gas recirculation, which is preferably an external exhaust gas recirculation. Furthermore, the exhaust gas recirculation, which is preferably an external exhaust gas recirculation. Furthermore, the exhaust gas recirculation, which is preferably an external exhaust gas recirculation. Furthermore, the exhaust gas recirculation, which is preferably an external exhaust gas recirculation.
  • Piston engine with at least two intake valves per combustion chamber and equipped with a valve drive for driving the intake valves.
  • the valvetrain is also configured to control the intake valves according to the above-described
  • Operating method can control.
  • the valvetrain may drive the two intake valves for Miller operation or Atkinson operation for performing different maximum strokes.
  • a valve drive which is provided for driving at least two inlet valves of a combustion chamber of a piston engine with internal combustion, in particular a gasoline engine, is used selectively in such a way that it carries out the operating method described above.
  • the valve train is designed in a suitable manner.
  • a valvetrain the at least two intake valves with different
  • valve train can also be equipped with a camshaft adjustment. Furthermore, it is basically conceivable for normal operation and / or for a
  • 1 and 2 are each a diagram with Hubverquartn of two intake valves
  • FIGS. 1 and 2 indicate a valve lift H in mm on their ordinate and a crankshaft angle KWW in degrees on their abscissa.
  • valve strokes H from 0 to 14 mm are shown in FIGS. 1 and 2.
  • a crankshaft angle range from 300 ° KWW to 650 ° KWW is plotted.
  • a crankshaft angle range of 270 ° KWW to 630 ° KWW is plotted.
  • valve lift curves I, II of two intake valves 1, 2 are shown, which are assigned to the same combustion chamber of an internal combustion piston engine.
  • the piston engine is preferably a gasoline engine.
  • the piston engine works on the four-stroke principle. The reproduced here
  • Angled regions thereby capture an intake stroke of a piston assigned to the respective combustion chamber.
  • Said inlet stroke extends from 360 ° KWW to 540 ° KWW, ie from a top dead center OT at 360 ° to a bottom dead center UT at 540 °.
  • a first stroke course I of a first intake valve 1 is shown with a broken line
  • a second travel curve II of a second intake valve 2 is shown with a solid line.
  • the presented here Operating method requires that at least two inlet valves 1, 2 are provided per combustion chamber, which in Figs. 1 and 2 by the two Hubvercreate I and II
  • a valve drive for driving the intake valves 1, 2 is in this case designed such that, with respect to the bottom dead center at 540 ° KWW, premature or delayed closing of the intake valves 1, 2 is possible.
  • 1 shows an Atkinson operation with delayed inlet closing, in which the intake valves 1 and 2 close at approximately 600 ° KWW to 650 ° KWW.
  • Fig. 2 shows the Hubvermaj I and II for a Miller operation with early intake closing.
  • Inlet valves 1, 2 approximately at top dead center OT with 360 ° KWW. It is noteworthy that the two intake valves 1, 2 are opened with different maximum strokes Hmax and Hmax M , respectively.
  • the first intake valve 1 each has the larger maximum lift Hmax.
  • the smaller maximum stroke Hmax is approximately between 40% and 70% of the larger maximum stroke Hmax ,.
  • the smaller maximum stroke Hmaxn is about 60% of the larger maximum stroke Hmax ,.
  • the larger maximum stroke Hmax t is about 13 mm, while the smaller maximum stroke Hmaxn is about 8 mm.
  • the larger maximum stroke Hmaxi is about 11 mm, while the smaller maximum stroke Hmaxn is about 7 mm.
  • Exhaust gas recirculation is used, is branched off in the exhaust outside the respective combustion chamber and outside the respective combustion chamber of the fresh gas supply is supplied, so that the combustion chamber is ultimately fed to a mixture of fresh air, fuel gas and recirculated exhaust gas.
  • a stroke course I, II which has an angular range c, in which
  • Opening stroke H remains constant.
  • the respective stroke course I, II has in each case an angular range a, in which the opening stroke H increases and an angular range b, in which the opening stroke H decreases, in this case over the intermediate
  • both Hubvercum I, II of the two intake valves 1, 2 each have exactly such an angular range c with constant
  • FIG. 2 shows an embodiment in which only one of the two intake valves 1, 2 has a stroke course I, II, which shows exactly such an angular range c with constant opening stroke H, which is also formed there by the maximum stroke Hmax.
  • Embodiment to the stroke course II of the second intake valve 2 which has the smaller maximum stroke Hmax.
  • the first intake valve 1, which has the larger maximum stroke Hmaxi shows no such angular range c with a constant opening stroke H. Rather, go in the stroke curve I of the first intake valve 1, the angular range a with increasing opening stroke H and the angular range b with decreasing
  • the two inlet valves 1, 2 open and close synchronously, so that the two separate stroke profiles I, II run congruently in an opening region d and in a closing region e.
  • the angular range c with a constant maximum stroke Hmax forms a plateau in the first stroke progression I which extends over approximately 50 ° KWW.
  • a plateau is formed by the angular range c with constant maximum lift Hmaxn, which extends approximately over 100 ° KWW.
  • a plateau is formed by the angular range c with constant maximum lift Hmax M of the second intake valve 2, which extends approximately over 40 ° KWW.
  • the two Hubverincome I, II of the two intake valves 1, 2 are also configured substantially symmetrical, so that the
  • Angular areas a are designed with increasing opening stroke H largely mirror-symmetrical to the angular ranges b with decreasing opening stroke H.
  • the two inlet valves 1, 2 can be assigned separate inlet channels, so that the two inlet valves 1, 2 control two separate inlet channels. These can basically be two separate inflow channels. However, it is preferred to assign separate inlet channels, so that the two inlet valves 1, 2 control two separate inlet channels. These can basically be two separate inflow channels. However, it is preferred to assign separate inlet channels, so that the two inlet valves 1, 2 control two separate inlet channels. These can basically be two separate inflow channels. However, it is preferred
  • At least one of the inlet channels is designed as a swirl channel.
  • a swirl duct has an orientation which has a flow component in the circumferential direction of the cylindrical combustion chamber in the gas flow which can flow into the combustion chamber through this swirl duct.
  • the gas flow generated with an inflow channel is oriented almost exclusively radially and / or axially to the longitudinal central axis of the respective cylinder.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kolbenmotors mit interner Verbrennung, vorzugsweise eines Ottomotors, bei dem je Brennraum zumindest ein Einlassventil (1, 2) verfrüht oder verspätet geschlossen wird und bei dem eine Abgasrückführung durchführbar ist. Eine erhöhte Abgasrückführrate ist einstellbar, wenn je Brennraum zumindest zwei Einlassventile (1, 2) vorgesehen sind, die zumindest bei der Abgasrückführung mit verschiedenen Maximalhüben (HmaxI, HmaxII) geöffnet werden.

Description

Kolbenmotor und zugehöriges Betriebsverfahren
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kolbenmotors mit interner Verbrennung, vorzugsweise eines Ottomotors, bei dem je Brennraum ein Einlassventil verfrüht oder verspätet geschlossen wird und bei dem eine
Abgasrückführung durchführbar ist. Die Erfindung betrifft außerdem einen Kolbenmotor mit interner Verbrennung, insbesondere Ottomotor, der zur Durchführung eines derartigen Betriebsverfahrens geeignet ist. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung eine Verwendung eines Ventiltriebs zum Ansteuern von Einlassventilen bei einem
Kolbenmotor gemäß einem derartigen Betriebsverfahren.
Durch ein verfrühtes Schließen des Einlassventils, also durch ein Schließen des
Einlassventils vor einem unteren Totpunkt des zugehörigen Kolbens kann ein
sogenanntes Miller-Verfahren (auch früher Miller-Prozess) durchgeführt werden, bei dem eine reduzierte Befüllung des jeweiligen Brennraums erfolgt, um letztlich die
geometrische Expansion im darauffolgenden Expansionshub vergrößern zu können. Im Ergebnis kann dadurch der Kraftstoff effizienter verbraucht werden, da beim jeweiligen Expansionsvorgang mehr Expansionsenergie genutzt werden kann. Beim verspäteten Schließen des Einlassventils ergibt sich dieselbe Situation, da hierbei das Einlassventil nach dem unteren Totpunkt des zugehörigen Kolbens schließt, wodurch der
(thermodynamische) Kompressionshub verkleinert wird. Dieser Vorgang ist als Atkinson- Verfahren (auch später Miller-Prozess) bekannt.
Relevant für das Miller-Verfahren und das Atkinson-Verfahren sind dabei Kolbenmotoren, die nach dem Vier-Takt-Prinzip arbeiten, bei dem im jeweiligen Zylinder der zugehörige Kolben in einem ersten Takt einen Expansionshub mit dem Verbrennungsprozess durchführt, in einem zweiten Takt einen Auslasshub zum Ausschieben des
Verbrennungsabgases durchführt, in einem dritten Takt einen Einlasshub zur
Frischgasbefüllung durchführt und in einem vierten Takt einen Kompressionshub zum Verdichten des Frischgases durchführt. Bezogen auf eine Kurbelwelle des Kolbenmotors, die vom jeweiligen Kolben angetrieben wird, lassen sich die einzelnen Takte bzw. Hübe des Kolbens folgenden Kurbelwellenwinkelbereichen zuordnen. Der Expansionshub dauert von 0° Kurbelwellenwinkel (KWW) bis 180° KWW, der Auslasshub dauert von 180° KWW bis 360° KWW, der Einlasshub dauert von 360° KWW bis 540° KWW und der Kompressionshub dauert von 540° KWW bis 720° KWW, wobei 720° KWW des einen Vier-Takt-Zykluses 0° KWW des nächstfolgenden Vier-Takt-Zykluses entsprechen. Obere Totpunkte der Kolbenbewegung finden sich bei 0° KWW, 360° KWW und 720° KWW. Untere Totpunkte des jeweiligen Kolbens finden sich dagegen bei 180° KWW und 540° KWW. Üblicherweise schließt das Einlassventil bei etwa 540° KWW, also bei dem unteren Totpunkt zwischen Einlasshub und Kompressionshub. Beim frühen
Einlassschließen, also beim Miller-Verfahren schließt das Einlassventil vor 540° KWW, während es beim späten Einlassschließen, also beim Atkinson-Verfahren nach 540° KWW schließt. Damit sich das Miller-Verfahren bzw. das Atkinson-Verfahren spürbar auf den Wirkungsgrad des Kolbenmotors auswirkt, erfolgt das Schließen des Einlassventils deutlich vor bzw. nach dem jeweiligen unteren Totpunkt, nämlich vorzugsweise in einem Bereich von einschließlich 80° bis einschließlich 60° und insbesondere bei etwa 70° vor bzw. nach dem unteren Totpunkt bei 540° KWW.
Eine Abgasrückführung erfolgt hauptsächlich mit dem Ziel, die NOx- Schadstoffemissionen des Kolbenmotors zu reduzieren. Um hohe Abgasrückführraten ermöglichen zu können, ist im jeweiligen Brennraum eine möglichst hohe Turbulenz erforderlich. Ein hoher Turbulenzgrad im Brennraum ist jedoch im Zusammenhang mit dem Miller-Verfahren bzw. dem Atkinson-Verfahren nicht oder nur sehr schwer erreichbar, so dass bei herkömmlichen Betriebsverfahren die gewünschten hohen
Abgasrückführraten nicht einstellbar sind oder mit einem erhöhten Klopfrisiko und einem erhöhten Risiko für Verbrennungsaussetzer einhergehen.
Aus der EP 2 041 414 B1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Ottomotors der eingangs genannten Art bekannt.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Betriebsverfahren der eingangs genannten Art bzw. für einen zugehörigen Kolbenmotor bzw. für einen zugehörigen Ventiltrieb eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich
insbesondere dadurch auszeichnet, dass höhere Abgasrückführraten einstellbar sind. Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, dem jeweiligen Brennraum zumindest zwei Einlassventile zuzuordnen, so dass die Befüllung des jeweiligen
Brennraums über die wenigstens zwei Einlassventile erfolgt, die während einer
Abgasrückführung für ein Betriebsverfahren mit verfrühtem oder verspätetem Schließen der Einlassventile so angesteuert werden, dass die beiden Einlassventile verschiedene Maximalhübe besitzen. Die Erfindung nutzt hierbei die Erkenntnis, dass der Maximalhub beim öffnen des jeweiligen Einlassventils die Einströmung des Gasgemisches signifikant beeinflusst. Dabei hat sich gezeigt, dass die Erzeugung von zwei verschiedenen
Einlassströmen, die durch verschiedene Maximalhübe der Einlassventile generiert werden, zu einer erhöhten Turbulenz im Brennraum führt. Die erhöhte Turbulenz verbessert die Verträglichkeit des nachfolgenden Verbrennungsprozesses für
rückgeführtes Abgas, wodurch höhere Abgasrückführraten einstellbar sind, ohne dass dabei die Klopfgefahr und die Gefahr für Verbrennungsaussetzer erhöht wird. Somit kann durch den erfindungsgemäßen Vorschlag die Schadstoffemission des Kolbenmotors reduziert werden.
Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform liegt der Maximalhub des einen Einlassventils in einem Bereich von einschließlich 40% bis einschließlich 70%, vorzugsweise in einem Bereich von einschließlich 50% bis einschließlich 65%, insbesondere bei etwa 55%, des Maximalhubs des anderen Einlassventils. Es hat sich gezeigt, dass bei diesen Relationen zwischen den beiden Maximalhüben besonders hohe Turbulenzen im jeweiligen Brennraum erzeugt werden können.
Bei einer anderen Ausführungsform kann zumindest eines der beiden Einlassventile bezüglich des Kurbelwellenwinkels einen Hubverlauf aufweisen, der einen Winkelbereich mit einem konstanten Öffnungshub aufweist. Das bedeutet, dass der jeweilige Hubverlauf in besagtem Winkelbereich ein ebenes Plateau besitzt, bei dem sich der Öffnungshub des Einlassventils nicht verändert. In der Folge kann sich während dieses Winkelbereichs eine gleichbleibende Einlassströmung einstellen, was die Ausbildung gezielter
Turbulenzen verbessert. Beispielsweise kann sich der Winkelbereich, in dem der
Öffnungshub des jeweiligen Einlassventils konstant ist, in einem Bereich von
einschließlich 30° KWW bis einschließlich 50° KWW, vorzugsweise in einem Bereich von einschließlich 40° KWW bis einschließlich 45° KWW, befinden. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann der konstante Öffnungshub den
Maximalhub des jeweiligen Einlassventils bilden. Das heißt, dass das jeweilige
Einlassventil mit dem jeweiligen Winkelbereich mit seinem Maximalhub konstant geöffnet ist. Auch diese Maßnahme führt dazu, gezielt die gewünschte Turbulenz zu erzeugen.
Bei einer anderen Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass nur eines der beiden Einlassventile einen solchen Winkelbereich mit konstantem Öffnungshub aufweist.
Bevorzugt handelt es sich dabei um dasjenige Einlassventil, das den kleineren
Maximalhub besitzt. Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass beide Einlassventile jeweils einen solchen Winkelbereich mit konstantem Öffnungshub aufweisen.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der beide Einlassventile synchron öffnen und schließen. Demnach besitzen beide Einlassventile gleiche
Öffnungszeitfenster. Insbesondere verlaufen die Öffnungshübe der beiden Einlassventile in einem Öffnungsbereich und in einem Schließbereich im Wesentlichen deckungsgleich. Hierdurch werden eindeutig definierte Zeitpunkte für den Einlassbeginn und das
Einlassende ermöglicht. Sofern beide Hubverläufe einen Winkelbereich mit konstantem Öffnungshub, insbesondere mit konstantem Maximalhub, zeigen, ist der Winkelbereich des Einlassventils mit kleinerem Maximalhub deutlich größer, insbesondere etwa zweimal größer, als der Winkelbereich des Einlassventils mit größerem Maximalhub.
Beispielsweise kann dieser größere Winkelbereich dann von einschließlich 80° KWW bis einschließlich 120° KWW, vorzugsweise von einschließlich 90° KWW bis einschließlich 1 10° KWW reichen.
Bei einer anderen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die beiden Einlassventile zwei separate Einlasskanäle steuern, die jeweils das jeweilige Gasgemisch zum
Brennraum führen. Hierdurch können Wechselwirkungen im Gasstrom stromauf der Einlassventile weitgehend vermieden werden, um die Effizienz der Turbulenz im
Brennraum zu verbessern.
Gemäß einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass nur einer der beiden
Einlasskanäle als Drallkanal ausgestaltet ist. Vorzugsweise handelt es sich dabei um denjenigen Einlasskanal, der dem Einlassventil mit dem größeren Maximalhub
zugeordnet ist. Während ein herkömmlicher Zuführkanal das Gasgemisch weitgehend radial und axial bezüglich einer Längsmittelachse des zugehörigen zylindrischen
Brennraums dem Brennraum zuführt, ist ein Drallkanal so angeordneten bzw. ausgerichtet, dass die dem Brennraum zugeführte Gasströmung außerdem eine
Tangentialkomponente, also eine Komponente in Umfangsrichtung besitzt. Über den Drallkanal kann im Brennraum somit eine Drallströmung erzeugt werden, was für die Turbulenz von Vorteil ist.
Ein erfindungsgemäßer Kolbenmotor mit interner Verbrennung, bei dem es sich bevorzugt um einen Ottomotor handelt, ist mit einer Abgasrückführung ausgestattet, bei der es sich bevorzugt um eine externe Abgasrückführung handelt. Ferner ist der
Kolbenmotor mit wenigstens zwei Einlassventilen je Brennraum und mit einem Ventiltrieb zum Ansteuern der Einlassventile ausgestattet. Der Ventiltrieb ist außerdem so ausgestaltet, dass er die Einlassventile gemäß dem vorstehend beschriebenen
Betriebsverfahren ansteuern kann. Mit anderen Worten, der Ventiltrieb kann die beiden Einlassventile für einen Miller-Betrieb oder einen Atkinson-Betrieb zum Durchführen unterschiedlicher Maximalhübe ansteuern.
Bei der erfindungsgemäßen Verwendung wird ein Ventiltrieb, der zum Ansteuern von wenigstens zwei Einlassventilen eines Brennraums eines Kolbenmotors mit interner Verbrennung, insbesondere eines Ottomotors, vorgesehen ist, gezielt so verwendet, dass er das vorstehend beschriebene Betriebsverfahren durchführt. Hierzu ist der Ventiltrieb auf geeignete Weise ausgestaltet.
Ein Ventiltrieb, der die wenigstens zwei Einlassventile mit unterschiedlichen
Maximalhüben ansteuern kann, besitzt beispielsweise zwei separate Nocken, um die beiden separaten Einlassventile getrennt ansteuern zu können. Die beiden Nocken besitzen dann geometrisch unterschiedliche Nockenkonturen, um die beiden
unterschiedlichen Hubverläufe für die beiden separaten Einlassventile zu generieren. Ebenso ist denkbar, einen gemeinsamen Nocken für die beiden Einlassventile
vorzusehen, der jedoch zwei verschiedene Nockenkonturen besitzt. Um zwischen einem Normalbetrieb und einem Miller-Betrieb bzw. Atkinson-Betrieb umschalten zu können, kann der Ventiltrieb außerdem mit einer Nockenwellenverstellung ausgestattet sein. Ferner ist grundsätzlich denkbar, für den Normalbetrieb und/oder für einen
herkömmlichen Miller-Betrieb oder Atkinson-Betrieb den Ventiltrieb so auszugestalten, dass die beiden Einlassventile auch vollständig synchron, also insbesondere auch mit denselben Maximalhüben angesteuert werden können. Dies kann beispielsweise mittels verstellbarer Nockenwellen und/oder verstellbaren Kipphebeln und dergleichen realisiert werden. Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Dabei zeigen, jeweils schematisch,
Fig. 1 und 2 jeweils ein Diagramm mit Hubverläufen von zwei Einlassventilen,
während eines Einlasshubs bei zwei verschiedenen Ausführungsformen.
Die Diagramme der Fig. 1 und 2 geben jeweils auf ihrer Ordinate einen Ventilhub H in mm und auf ihrer Abszisse einen Kurbelwellenwinkel KWW in Grad wieder. Exemplarisch sind dabei in Fig. 1 und 2 Ventilhübe H von 0 bis 14 mm aufgetragen. In Fig. 1 ist exemplarisch ein Kurbelwellenwinkelbereich von 300° KWW bis 650° KWW aufgetragen. In Fig. 2 ist ein Kurbelwellenwinkelbereich von 270° KWW bis 630° KWW aufgetragen.
In beiden Diagrammen sind zwei Ventilerhebungskurven I, II von zwei Einlassventilen 1 , 2 wiedergegeben, die demselben Brennraum eines Kolbenmotors mit interner Verbrennung zugeordnet sind. Beim Kolbenmotor handelt es sich bevorzugt um einen Ottomotor. Der Kolbenmotor arbeitet nach dem Vier-Takt-Prinzip. Die hier wiedergegebenen
Winkelbereiche erfassen dabei einen Einlasshub eines dem jeweiligen Brennraum zugeordneten Kolbens. Besagter Einlasshub erstreckt sich dabei von 360° KWW bis 540° KWW, also von einem oberen Totpunkt OT bei 360° bis zu einem unteren Totpunkt UT bei 540°.
In beiden Diagrammen der Fig. 1 und 2 ist dabei mit unterbrochener Linie ein erster Hubverlauf I eines ersten Einlassventils 1 und mit durchgezogener Linie ein zweiter Hubverlauf II eines zweiten Einlassventils 2 wiedergegeben. Das hier vorgestellte Betriebsverfahren setzt voraus, dass je Brennraum zumindest zwei Einlassventile 1 , 2 vorgesehen sind, die in den Fig. 1 und 2 durch die beiden Hubverläufe I und II
repräsentiert sind. Ein Ventiltrieb zum Ansteuern der Einlassventile 1 , 2 ist hierbei so ausgestaltet, dass bezüglich des unteren Totpunkts bei 540° KWW ein verfrühtes oder verspätetes Schließen der Einlassventile 1 , 2 möglich ist. In Fig. 1 ist dabei ein Atkinson- Betrieb mit verspätetem Einlassschließen wiedergegeben, bei dem die Einlassventile 1 und 2 bei etwa 600° KWW bis 650° KWW schließen. Im Unterschied dazu zeigt Fig. 2 die Hubverläufe I und II für einen Miller-Betrieb mit frühem Einlassschließen. Hier schließen die beiden Einlassventile 1 , 2 bei etwa 510° KWW. In beiden Fällen öffnen die
Einlassventile 1 , 2 etwa beim oberen Totpunkt OT mit 360° KWW. Beachtenswert ist nun, dass die beiden Einlassventile 1 , 2 mit verschiedenen Maximalhüben Hmax, bzw. HmaxM geöffnet werden. In den Beispielen besitzt das erste Einlassventil 1 jeweils den größeren Maximalhub Hmax. Der kleinere Maximalhub Hmax,, liegt dabei etwa zwischen 40% und 70% des größeren Maximalhubs Hmax,. Bei den hier gezeigten Beispielen liegt der kleinere Maximalhub Hmaxn bei etwa 60% des größeren Maximalhubs Hmax,. Rein exemplarisch beträgt in Fig. 1 der größere Maximalhub Hmaxt etwa 13 mm, während der kleinere Maximalhub Hmaxn etwa 8 mm beträgt. Im Beispiel der Fig. 2 beträgt der größere Maximalhub Hmaxi etwa 1 1 mm, während der kleinere Maximalhub Hmaxn etwa 7 mm beträgt.
Das Miller-Verfahren gemäß Fig. 2 bzw. das Atkinson-Verfahren gemäß Fig. 1 werden vor allem dann angewandt, wenn hohe Abgasrückführraten für den jeweiligen Brennraum erzielt werden sollen. Das bedeutet, dass der zugehörige Kolbenmotor außerdem mit einer Abgasrückführung ausgestattet ist. Hierbei kommt bevorzugt eine externe
Abgasrückführung zum Einsatz, bei der Abgas außerhalb des jeweiligen Brennraums abgezweigt wird und außerhalb des jeweiligen Brennraums der Frischgaszuführung zugeführt wird, so dass dem Brennraum letztlich ein Gemisch aus Frischluft, Brenngas und rückgeführtem Abgas zugeführt wird.
Gemäß den hier gezeigten Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass zumindest bei einem der beiden Einlassventile 1 , 2 bezüglich des Kurbelwellenwinkels KWW ein Hubverlauf I, II vorgesehen ist, der einen Winkelbereich c aufweist, in dem der
Öffnungshub H konstant bleibt. Der jeweilige Hubverlauf I, II besitzt in jedem Fall einen Winkelbereich a, in dem der Öffnungshub H zunimmt und einen Winkelbereich b, in dem der Öffnungshub H abnimmt, die in diesem Fall über den dazwischenliegenden
Winkelbereich c mit konstantem Öffnungshub H ineinander übergehen. Zweckmäßig liegt in besagtem Winkelbereich c konstant der Maximalhub Hmax des jeweiligen
Einlassventils 1 , 2 vor.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform besitzen beide Hubverläufe I, II der beiden Einlassventile 1 , 2 jeweils genau einen solchen Winkelbereich c mit konstantem
Öffnungshub H, der jeweils durch den jeweiligen Maximalhub Hmax gebildet ist. Im Unterschied dazu zeigt die Fig. 2 eine Ausführungsform, bei der nur eines der beiden Einlassventile 1 , 2 einen Hubverlauf I, II besitzt, der genau einen solchen Winkelbereich c mit konstantem Öffnungshub H zeigt, der dort ebenfalls durch den Maximalhub Hmax gebildet ist. Hierbei handelt es sich gemäß der in Fig. 2 gezeigten bevorzugten
Ausführungsform um den Hubverlauf II des zweiten Einlassventils 2, das den kleineren Maximalhub Hmax,, besitzt. Das erste Einlassventil 1 , das den größeren Maximalhub Hmaxi besitzt, zeigt dabei keinen solchen Winkelbereich c mit konstantem Öffnungshub H. Vielmehr gehen bei dem Hubverlauf I des ersten Einlassventils 1 der Winkelbereich a mit zunehmendem Öffnungshub H und der Winkelbereich b mit abnehmendem
Öffnungshub H unmittelbar ineinander über.
Bei dem hier gezeigten bevorzugten Ausführungsformen öffnen und schließen die beiden Einlassventile 1 , 2 synchron, so dass die beiden separaten Hubverläufe I, II in einem Öffnungsbereich d sowie in einem Schließbereich e deckungsgleich verlaufen.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform bildet der Winkelbereich c mit konstantem Maximalhub Hmax, im ersten Hubverlauf I ein Plateau, das sich über etwa 50° KWW erstreckt. Im zweiten Hubverlauf II ist dagegen durch den Winkelbereich c mit konstantem Maximalhub Hmaxn ein Plateau ausgebildet, das sich etwa über 100° KWW erstreckt. In Fig. 2 ist durch den Winkelbereich c mit konstantem Maximalhub HmaxM des zweiten Einlassventils 2 ein Plateau gebildet, dass sich etwa über 40° KWW erstreckt.
Bei den hier gezeigten Ausführungsformen sind die beiden Hubverläufe I, II der beiden Einlassventile 1 , 2 außerdem weitgehend symmetrisch konfiguriert, so dass die
Winkelbereiche a mit zunehmendem Öffnungshub H weitgehend spiegelsymmetrisch zu den Winkelbereichen b mit abnehmendem Öffnungshub H gestaltet sind.
Den beiden Einlassventilen 1 , 2 können separate Einlasskanäle zugeordnet sein, so dass die beiden Einlassventile 1 , 2 zwei separate Einlasskanäle steuern. Dabei kann es sich grundsätzlich um zwei separate Zuströmkanäle handeln. Bevorzugt ist jedoch
vorgesehen, dass zumindest einer der Einlasskanäle als Drallkanal ausgestaltet ist. Ein derartiger Drallkanal besitzt abweichend zu einem herkömmlichen Zuströmkanal eine Orientierung, die in der Gasströmung, die durch diesen Drallkanal in den Brennraum einströmen kann, eine Strömungskomponente in der Umfangsrichtung des zylindrischen Brennraums besitzt. Im Unterschied dazu ist die mit einem Zuströmkanal erzeugte Gasströmung nahezu ausschließlich radial und/oder axial zur Längsmittelachse des jeweiligen Zylinders orientiert.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Kolbenmotors mit interner Verbrennung,
vorzugsweise eines Ottomotors, bei dem je Brennraum zumindest ein Einlassventil (1 , 2) verfrüht oder verspätet geschlossen wird und bei dem eine Abgasrückführung durchführbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
je Brennraum zumindest zwei Einlassventile (1 , 2) vorgesehen sind, die zumindest bei der Abgasrückführung mit verschiedenen aximalhüben (Hmaxi, Hmaxn) geöffnet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest eines der beiden Einlassventile (1 , 2) bezüglich eines
Kurbelwellenwinkels (KWW) einen Hubverlauf (I, II) aufweist, der einen
Winkelbereich (c) mit einem konstanten Öffnungshub (H) aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der konstante Öffnungshub (H) den Maximalhub (Hmaxi, Hmaxn) des jeweiligen Einlassventils (1 , 2) bildet.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
nur eines der beiden Einlassventile (1 , 2) einen solchen Winkelbereich (c) mit konstantem Öffnungshub (H) aufweist.
5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass
beide Einlassventile (1 , 2) jeweils einen solchen Winkelbereich (c) mit konstantem Öffnungshub (H) aufweisen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die beiden Einlassventile (1 , 2) synchron öffnen und schließen.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die beiden Einlassventile (1 , 2) zwei separate Einlasskanäle steuern.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
nur einer der beiden Einlasskanäle als Drallkanal ausgestaltet ist.
9. Kolbenmotor mit interner Verbrennung, insbesondere Ottomotor, mit
Abgasrückführung, mit wenigstens zwei Einlassventilen (1 , 2) je Brennraum und mit einem Ventiltrieb zum Ansteuern der Einlassventile (1 , 2) gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
10. Verwendung eines Ventiltriebs zum Ansteuern von wenigstens zwei Einlassventilen (1 , 2) eines Brennraums eines Kolbenmotors mit interner Verbrennung,
insbesondere eines Ottomotors, gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
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