DE102004046534A1

DE102004046534A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Motors

Info

Publication number: DE102004046534A1
Application number: DE102004046534A
Authority: DE
Inventors: Gary J. Utica Patterson; Alan W. Romeo Hayman
Original assignee: General Motors Corp
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2003-09-26
Filing date: 2004-09-24
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2024-09-25
Also published as: US6915775B2; US20050066932A1; DE102004046534B4

Abstract

Ein Verbrennungsmotor umfasst mehrere Zylinder, die jeweils Einlass- und Auslassventile und zumindest eine Nockenwelle aufweisen, die zeitlich derart abgestimmt ist, dass sie die Ventile mit einer festen Überlappung für eine hohe Leistung betätigt. Jede Nockenwelle weist einen Nockenphasensteller auf, der derart gesteuert wird, dass die zeitliche Abstimmung der Einlass- und Auslassventile für eine bessere Leistung bei Vollgas über den Motordrehzahlbereich in gleichem Umfang verändert wird. Ventilabschaltmechanismen dienen dazu, bis zur Hälfte der Zylinder während des Leerlaufbetriebes und des Betriebes mit geringer Last abzuschalten, um die Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu erhöhen, die Emissionssteuerung zu verbessern und einen stabilen Betrieb der arbeitenden Zylinder aufrechtzuerhalten. Der Motor kann auch gestartet werden, wenn die Hälfte der Zylinder außer Betrieb genommen ist und dann mit einem stabilen Betrieb in dieser Betriebsart während des Leerlaufs und niedriger Last gefahren werden, da die erhöhte Last auf die arbeitenden Zylinder einen stabilen Betrieb ergibt, wobei eine vergrößerte Ventilüberlappung eine erhöhte Leistung und eine verbesserte Emissionssteuerung bei einem Betrieb mit höherer Last an allen Zylindern erlaubt.

Description

Diese Erfindung betrifft Motoren und im Besonderen ein Betriebsverfahren und eine Vorrichtung zum Verbessern der Emissionssteuerung und der Leistung von Motoren mit einer einzigen Nockenwelle und vergleichbaren Motoren.
Es ist auf dem Gebiet der Motoremissionssteuerung bekannt, dass über ein Ventilereignis eingeleitete Verbrennungsrückstände in den Zylindern eine grundlegende Einschränkung der zulässigen Überlappung zwischen Einlass- und Auslassventilen sind, um eine annehmbare Geschmeidigkeit und Stabilität bei Leerlauf des Motors bereitzustellen. Es sind viele ausgefeilte Verfahren von verschiedenen Herstellern angewandt worden, um diese Einschränkung zu überwinden. Diese umfassen eine Phasensteuerung des Einlassventilereignisses, eine Phasensteuerung des Auslassventilereignisses und eine doppelte unabhängige Phasensteuerung der Nockenwelle.
Leider sind diese Lösungen nicht einfach auf Motoren mit einer einzigen obenliegenden Nockenwelle (SOHC) oder Motoren mit im Kurbelgehäuse eingebauter Nockenwelle anwendbar, da die Kurven der Auslass- und Einlassnocken sich auf der gleichen physikalischen Nockenwelle befinden. Ein Nockenwellenphasensteller oder Nockenphasensteller, der einen derartigen Nocken-/Ventiltrieb steuert, hat nur einen sehr geringen Einfluss auf eingefangene Leerlaufrückstände und erhöht im Allgemeinen Rückstände, wenn gegenüber einem optimalen Zeitpunkt ohne die Fähigkeit einer veränderlichen Zeitabstimmung signifikant nach früh oder nach spät verstellt wird, was die Qualität der Leerlaufsituation verschlechter

Die vorliegende Erfindung stellt eine Lösung bereit, die eine Zylinderabschaltung (Unterbrechung) im Betrieb des Motors bei Leerlauf und bei niedrigen Lasten anwendet. Indem Zylinder unterbrochen werden, wird die Last auf die arbeitenden Zylinder erhöht. Beispielsweise verdoppelt das Unterbrechen einer Bank von Zylindern eines V6-Motors die Last auf die verbleibenden drei Zylinder, wodurch der Saugrohrdruck erhöht wird und die eingefangenen Rückstände reduziert werden.

Mit zunehmender Leerlaufzylinderlast kann die Ventilüberlappung signifikant erhöht werden. Dies ergibt Gewinne bei dem WOT bmep (WOT bmep von Wide Open Throttle brake mean effective pressure, d.h. Drehmoment bei weit geöffneter Drosselklappe) sowie bei den Emissionen und der Kraftstoffwirtschaftlichkeit unter Fahrbetriebslast, wenn alle Zylinder arbeiten. Das Hinzufügen einer doppelten gleichen Nockenphasenverstellung, bei der die Einlass- und Auslassventilereignisse gleichzeitig und im gleichen Umfang nach spät und/oder nach früh verstellt werden, erhöht die Vorzüge für die Fahrbetriebslast und das WOT bmep signifikant.

Wenn eine Zylinderabschaltung bei Leerlauf angewandt wird und eine Verbesserung der Verbrennungsstabilität daraus resultiert, ist der Konstrukteur der Motornockenwelle frei, die Ventilüberlappungsfläche zu erhöhen, um das WOT-Drehmoment, die Leistung sowie die Kraftstoffwirtschaftlichkeit und Emissionen bei Fahrbetriebslast weiter zu optimieren. Indem die Leerlaufeinschränkungen signifikant reduziert werden, kann die optimale Überlappungsfläche/der optimale Abstand zwischen den Kurvenmittelpunkten mit ausgiebigen Tests und Analysen des Motors genau bestimmt werden, um gleichzeitig eine erhöhte Drehmomentkennlinie und einen reduzierten Kraftstoffverbrauch und reduzierte Emissionen bei Fahrbetriebslast bereitzustellen.

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnung beschrieben, in dieser ist:
Die einzige Zeichnungsfigur eine Querschnittsansicht eines Motors mit im Kurbelgehäuse eingebauter Nockenwelle, deren Bauelemente zur Nockenzeitabstimmung an der Stirnseite verschoben dargestellt sind, um alle Merkmale der Erfindung zu zeigen.
In der Zeichnung gibt Bezugszeichen 10 allgemein einen V8-Kraftfahrzeugmotor an, der im Querschnitt gezeigt ist und einen obenliegenden Ventiltrieb mit im Kurbelgehäuse angeordneter Nockenwelle aufweist. Der Motor 10 umfasst einen Zylinderblock 12 mit linken und rechten Zylinderbänken 14, 16, die jeweils vier Zylinder umfassen. Die Bänke sind unter einem Winkel von 90° angeordnet. Zylinder 18 enthalten Kol-ben 20, die in den Zylindern über eine Verbindung durch Pleuelstangen 22 mit einer Kurbelwelle 24 hin- und herbewegt werden. Eine Ölwanne 26 ist unterhalb des Zylinderblocks 12 montiert und derart ausgebildet, dass sie Öl zur Verteilung über eine motorgetriebene Ölpumpe 28 auf die verschiedenen sich bewegenden Bauelemente des Motors enthält.
Wie es in dem verschobenen Abschnitt der Figur angedeutet ist, ist die Kurbelwelle 24 an einem vorderen Ende, nicht gezeigt, des Motors mit einem Antriebskettenrad 30 verbunden. Eine Kette 32 verbindet das Antriebskettenrad mit einem angetriebenen Kettenrad 34, an dem ein Nockenphasensteller 36 montiert ist. Der Nockenphasensteller ist mit einer Nockenwelle 38 verbunden, die im Zylinderblock 12 montiert ist. Die Nockenwelle 38 umfasst mehrere Nockenkurven 40, die dazu dienen, Ventilstößel 42, 44 zu betätigen, die über Stößelstangen 46 und Kipphebel 48 verbunden sind, um jeweils die Auslass- bzw. Einlassventile 50, 52 der Motorzylinder zu betätigen.
Die Kipphebel und Ventile sind in Zylinderköpfen 54, 56 montiert, die jeweils auf den Zylinderbänken 14, 16 getragen sind und die oberen Enden der Zylinder 18 der jeweiligen Bänke verschließen.
Ein Saugrohr 58 führt Zylindereinlasskanälen 62 Einlassluft zu, und Kraftstoffeinspritzventile 60 führen den Zylindereinlasskanälen 62 Kraftstoff zu, wobei die Zylindereinlasskanäle durch die Einlassventile 52 derart gesteuert werden, dass eine zeitlich abgestimmte Zugabe des Gemisches aus Luft und Kraftstoff in die Zylinder zugelassen wird. Auslassventile 50 werden auf ähnliche Weise betrieben, um den Austrag von Verbrennungsprodukten von den Zylindern über Zylinderauslasskanäle 64 zu steuern.
Erfindungsgemäß sind ausgewählte Motorzylinder, die zumindest die Hälfte der Motorzylinder umfassen, mit sogenannten Schaltstößeln 42, 44 zum Betätigen der Einlass- und Auslassventile versehen. Die Stößel der anderen Motorzylinder können herkömmliche hydraulische Stößel sein oder könnten, falls dies gewünscht ist, auch Schaltstößel wie die ausgewählten Zylinder benutzen. Die Schaltstößel arbeiten bei Betätigung, um die Ventile von ausgewählten Zylindern abzuschalten, so dass der Betrieb der Zylinder vollständig unterbrochen ist und der Motor mit den verbleibenden Zylindern arbeitet. Die Kraftstoffeinspritzung in die Zylinder wird ebenfalls unterbrochen, wenn die Zylinder durch Betätigung der Schaltventilstößel außer Betrieb genommen werden. Es kann ein Solenoidsteuerventil 66 vorgesehen sein, um den dem Abschaltungsab schnitt der Schaltstößel zugeführten Öldruck zu steuern und somit deren Betriebsart zwischen einem normal beaufschlagten Betrieb und einem nicht beaufschlagten Betrieb mit Zylinderunterbrechung zu wechseln.
Es ist die Verwendung von Nockenphasenstellern an einer oder beiden Nockenwellen eines Motors mit doppelten obenliegenden Nockenwellen vorgeschlagen worden, um die zeitliche Abstimmung von zumindest einer der Nockenwellen zu verändern und somit die Ventilöffnungsüberlappung des Endes des Schließens des Auslassventils und des Beginns des Öffnens des Einlassventils des gleichen Zylinders zu vergrößern oder zu verringern. Eine Veränderung der Ventilüberlappung kann wirksam sein, um die sogenannte innere Abgasrückführung oder, mit anderen Worten, das Zurückhalten von Abgasen in den Zylindern, zu steuern und somit eine bessere Steuerung von Emissionen, wie etwa NOx, über einen weiten Bereich des Motorbetriebes zu erhalten.
Jedoch ist diese Verwendung eines Nockenphasenstellers an einem Motor, an dem alle Nocken sich auf der gleichen Nockenwelle befinden, wie im Fall des oben beschriebenen Motors 10 mit im Kurbelgehäuse angeordneter Nockenwelle, nicht möglich. Die Ventilüberlappung in einem derartigen Motor ist notwendigerweise durch die Anordnung der Nocken an der Nockenwelle festgelegt und kann nicht verändert werden, indem die zeitliche Abstimmung der Nockenwelle variiert wird. Somit ist die zeitliche Abstimmung der Nockenwelle in derartigen Motoren im allgemeinen durch die Anforderungen der Aufrechterhaltung eines gleichmäßigen und stabilen Leerlaufbetriebes des Motors auf Kosten einer höheren Leistung, wenn die Ventilüberlappung erhöht wird, oder auf Kosten einer erhöhten Emissionssteuerung durch den gleichen Verfahrensschritt einer Erhöhung der Ventilüberlappung begrenzt.
Es sind auch Schaltstößel benutzt worden, um bestimmte Motorzylinder während eines Betriebes unter Fahrbetriebslast bei weniger als Vollgas zu unterbrechen, um die verbleibenden arbeitenden Zylinder für einen größeren Wirkungsgrad des Gesamtmotorbetriebes sowie für eine verbesserte Emissionssteuerung auf einem höheren Lastniveau zu halten. Jedoch ändert dies alleine nicht die Situation in Bezug auf eine Beschränkung des Ausmaßes an Ventilüberlappung, das durch die Anforderungen eines geschmeidigeren Motorleerlaufes zugelassen wird.
Bei der vorliegenden Erfindung werden die Eigenschaften der Schaltstößel mit der Anwendung eines Nockenphasenstellers auf die Nockenwelle eines Motors mit im Kurbelgehäuse angeordneter Nockenwelle oder einem anderen vergleichbaren Motor kombiniert, um ein neuartiges Verfahren eines Motorbetriebes zur Verbesserung der Motorleistung sowie zur Emissionssteuerung bereitzustellen. Bei dem Betriebsverfahren der Erfindung werden ein Leerlaufbetrieb und ein Niedriglastbetrieb des Motors durchgeführt, wobei bis zu einer Hälfte der Zylinder unterbrochen ist, so dass der Motor im Leerlauf oder bei niedrigen Lasten betrieben wird, wobei nur eine Hälfte der Zylinder auf einem wesentlich erhöhten Lastniveau arbeitet.
Dies erlaubt, dass die Nockenwelle mit einer vergrößerten Ventilüberlappung konstruiert werden kann, die dennoch einen stabilen Leerlaufbetrieb bereitstellen wird, da die Zylinder bei einem höheren Lastniveau arbeiten, bei dem eine vergrößerte Ventilüberlappung keine Instabilität hervorruft. Gleichzeitig ist der Leerlaufwirkungsgrad verbessert, und ebenso ist die Emissionssteuerung im Leerlaufzustand verbessert. Die Vergrößerung der Ventilüberlappung unterstützt auch die Steuerung von NOx-Emissionen bei dazwischenliegenden Lasten und Drehzahlen und erlaubt eine stark verbesserte Motorleistung unter Bedingungen mit weit geöffneter Drosselklappe. Darüber hinaus erlaubt das Hinzufügen des Nockenphasenstellers 36, um die zeitliche Abstimmung der Motornockenwelle zu steuern, eine verbesserte Steuerung von Emissionen bei Teillast während des Rollens oder bei Reisefahrgeschwindigkeiten und anderen Fahrzeugbetriebsarten bei weniger als Vollgas oder in der Nähe einer weit geöffneten Drosselklappe.
Es ist dementsprechend gezeigt worden, dass der Betrieb eines Motors, der eine Nockenwelle mit einer festen Ventilzeitabstimmung aufweist, durch die Kombination mit Schaltstößeln zum Betreiben des Motors bei Leerlauf und niedrigen Lasten in Verbindung mit einer Zunahme der Nockenzeitabstimmung, wie sie durch den Betrieb mit nur einem Teil der Zylinder bei Leerlauf zugelassen wird, verbessert werden kann. Schließlich erlaubt das Hinzufügen des Nockenphasenstellers ein Variieren der Nockenzeitabstimmung, wie sie in dazwischenliegenden Lastbereichen erwünscht ist, bei denen eine Veränderung der Nockenzeitabstimmung benutzt werden kann, um Emissionen auf eine effektivere Weise zu steuern.
Zusammengefasst umfasst ein Verbrennungsmotor mehrere Zylinder, die jeweils Einlass- und Auslassventile und zumindest eine Nockenwelle aufweisen, die zeitlich derart abgestimmt ist, dass sie die Ventile mit einer festen Überlappung für eine hohe Leistung betätigt. Jede Nockenwelle weist einen Nockenphasensteller auf, der derart gesteuert wird, dass die zeitliche Abstimmung der Einlass- und Auslassventile für eine bessere Leistung bei Vollgas über den Motordrehzahlbereich in gleichem Umfang verändert wird. Ventilabschaltmechanismen dienen dazu, bis zur Hälfte der Zylinder während des Leerlaufbetriebes und des Betriebes mit geringer Last abzuschalten, um die Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu erhöhen, die Emissionssteuerung zu verbessern und einen stabilen Be trieb der arbeitenden Zylinder aufrechtzuerhalten. Der Motor kann auch gestartet werden, wenn die Hälfte der Zylinder außer Betrieb genommen ist und dann mit einem stabilen Betrieb in dieser Betriebsart während des Leerlaufs und niedriger Last gefahren werden, da die erhöhte Last auf die arbeitenden Zylinder einen stabilen Betrieb ergibt, wobei eine vergrößerte Ventilüberlappung eine erhöhte Leistung und eine verbesserte Emissionssteuerung bei einem Betrieb mit höherer Last an allen Zylindern erlaubt.

Claims

Verfahren zum Erhalt hoher Leistung und reduzierter Emissionen von einem Motor, mit den Schritten: Bereitstellen einer hohen festen Überlappung der Einlass- und Auslassventile (52, 50), die derart gewählt ist, dass bei weit offener Drosselklappe über den Motordrehzahlbereich eine hohe Leistung und durch erhöhte eingefangene Abgasrückstände im Teillastbetrieb ein reduzierter Kraftstoffverbrauch und reduzierte NOx-Emissionen erhalten werden, Verändern der Zeitabstimmung der Einlass- und Auslassventile (52, 50) im gleichen Umfang, um eine bessere Leistung bei Vollgas über den Drehzahlbereich zu erhalten, und Abschalten des Betriebes von bis zu einer Hälfte der Motorzylinder (18) während des Leerlaufbetriebes und des Betriebes mit niedriger Drehzahl/Last, um eine erhöhte Last der arbeitenden Zylinder (18) mit einer daraus resultierenden verbesserten Kraftstoffwirtschaftlichkeit und niedrigeren HC-Emissionen zu schaffen.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Schritt Starten des Motors (10) während der Abschaltung von bis zu einer Hälfte der Zylinder (18).
Verbrennungsmotor, der in Kombination umfasst: mehrere Zylinder (18), die Einlass- und Auslassventile (52, 50) und zumindest eine Nockenwelle (38) aufweisen, die zeitlich so ab gestimmt ist, dass sie die Ventile (52, 50) mit einer festen Überlappung für Hochleistung betreibt, einen Nockenphasensteller (36) für jede Nockenwelle (38), der derart gesteuert ist, dass er die Zeitabstimmung der Einlass- und Auslassventile (52, 50) im gleichen Umfang für eine besserte Leistung bei Vollgas über den Motordrehzahlbereich verändert, und einen Ventilabschaltmechanismus (42, 44) für bis zur Hälfte der Zylinder (18), der dazu dient, die zugehörigen Zylinder während des Leerlaufbetriebes und des Betriebes mit niedriger Last zum Erhöhen der Kraftstoffwirtschaftlichkeit und zur Verbesserung der Emissionssteuerung sowie zur Aufrechterhaltung eines stabilen Betriebes der arbeitenden Zylinder abzuschalten.
Motor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilabschaltmechanismus (42, 44) während des Startens des Motors (10) arbeitet.
Motor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile (52, 50) durch zumindest eine Nockenwelle (38) betätigt werden, und jede Nockenwelle (38) durch einen Nockenphasensteller (36) gesteuert ist, der dazu dient, die zeitliche Abstimmung von sowohl dem Einlassventil (52) als auch dem Auslassventil (50) im gleichen Umfang zu verändern.
Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine einzige Nockenwelle (38) alle Einlass- und Auslassventile (52, 50) betätigt, und die zeitliche Abstimmung der Nockenwelle (38) durch einen einzigen Nockenphasensteller (36) gesteuert ist.