DE102006028281A1

DE102006028281A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Laststeuerung einer Kolben-Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102006028281A1
Application number: DE102006028281A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Schwarzenthal
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2006-06-20
Filing date: 2006-06-20
Publication date: 2007-12-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Laststeuerung einer Kolben-Brennkraftmaschine (1) mit mehreren Brennräumen, bei dem ein Brennraum (9) durch ein zu öffnendes und zu verschließendes Auslassventil (10) mit einem Auslasskanal (8) verbunden oder verschlossen wird, wobei der Brennraum (9) während einer Öffnungsdauer durch ein Einlassventil (16) mit einem Einlasskanal (15) durch Öffnen des Einlassventils (16) verbunden und anschließend durch Schließen des Einlassventils (16) wieder verschlossen wird, wobei ein stromaufwärts des Einlassventils (16) angeordnetes Zusatzventil (25) den Einlasskanal (15) freigibt oder absperrt und wobei das Zusatzventil (25) zur Laststeuerung aus einer Freigabestellung in eine Absperrstellung verlagerbar ist. Um die Verlustarbeit der Kolben-Brennkraftmaschine zu reduzieren, steht der Auslasskanal (8) über eine Abgasrückführung (50) mit einem Totvolumen (52) in Verbindung, das in dem Einlasskanal (15) zwischen dem Zusatzventil (25) und dem Einlassventil (16) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Laststeuerung einer Kolben-Brennkraftmaschine mit mehreren Brennräumen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und dem Oberbegriff des Anspruchs 4.
Eine gattungsbildende Laststeuerung einer Kolben-Brennkraftmaschine ist der DE 197 54 287 A1 zu entnehmen. In bekannter Weise wird dabei ein Brennraum durch ein zu öffnendes und zu verschließendes Auslassventil mit einem Auslasskanal verbunden oder verschlossen; ferner wird der Brennraum während einer Öffnungsdauer durch ein Einlassventil mit einem Einlasskanal durch Öffnen des Einlassventils verbunden und anschließend durch Schließen des Einlassventils wieder verschlossen. Die Öffnungsdauer des Einlassventils wird also definiert durch den Öffnungsbeginn des Einlassventils und durch das Ende des Schließvorgangs. Bei einer Brennkraftmaschine mit einem oder mehreren Zylindern und demgemäß einem oder mehreren Kolben wird in jedem Einlasskanal ein Zusatzventil angeordnet, das den Einlasskanal freigeben oder absperren kann. Das Zusatzventil ist stromaufwärts des Einlassventils angeordnet. Zur Laststeuerung kann das Zusatzventil während der Öffnungsdauer des Einlassventils geöffnet und geschlossen werden, wobei zumindest der Schließzeitpunkt des Zusatzventils innerhalb der Öffnungsdauer bezogen auf den Kurbelwellenwinkel variabel ist. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass für die Betätigung des Zusatzventils ein hochdynamischer Stellantrieb für das Zusatzventil erforderlich ist.
In der DE 37 37 824 A1 ist eine so genannte Impulsaufladung für eine Brennkraftmaschine offenbart. Die Impulsaufladung wird durch ein kurzzeitiges Schließen und wieder Öffnen des Zusatzventils während der Öffnungsdauer des Einlassventils erreicht.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Verlustarbeit einer herkömmlichen Kolben-Brennkraftmaschine zu reduzieren.
Die Aufgabe ist bei einer Vorrichtung zur Laststeuerung einer Kolben-Brennkraftmaschine mit mehreren Brennräumen, wobei jeweils ein Brennraum durch ein zu öffnendes und zu verschließendes Auslassventil mit einem Auslasskanal verbunden oder verschlossen wird, wobei der Brennraum während einer Öffnungsdauer durch ein Einlassventil mit einem Einlasskanal durch Öffnen des Einlassventils verbunden und anschließend durch Schließen des Einlassventils wieder verschlossen wird, wobei ein stromaufwärts des Einlassventils angeordnetes Zusatzventil den Einlasskanal freigibt oder absperrt, und wobei das Zusatzventil zur Laststeuerung aus einer Freigabestellung in Absperrstellung verlagerbar ist, dadurch gelöst, dass der Auslasskanal über eine Abgasrückführung mit einem Totvolumen in Verbindung steht, das in dem Einlasskanal zwischen dem Zusatzventil und dem Einlassventil angeordnet ist. Die Abgasrückführung schafft eine Verbindung zwischen dem Auslasskanal und dem Einlasskanal. Jedem Zylinder sind ein Zusatzventil und eine Abgasrückführung zugeordnet. Aufgrund der zylinderselektiven Anordnung der Zusatzventile kann durch wahlweises Abschalten des Ladungswechsels einzelner Zylinder zylinderselektiv und zyklusgerecht eine Zylinderabschaltung mit variabler Arbeitsspielfrequenz dargestellt werden. Mehrere, maximal alle bis auf einen, Zylinder können rollierend betrieben oder abgeschaltet werden.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführung mit einem Stellglied zur Steuerung der Abgasrückführung ausgestattet ist. Das Stellglied umfasst zum Beispiel ein Verschlussorgan, wie eine Klappe, durch das beziehungsweise die die Abgasrückführung gezielt unterbrochen und/oder gedrosselt werden kann.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzventil so ausgelegt ist, dass es während eines Ladungswechsels in dem Brennraum mehrfach öffnen und schließen kann. Das Zusatzventil ist vorzugsweise elektrisch angesteuert.
Die oben angegebene Aufgabe ist bei einem Verfahren zur Laststeuerung einer Kolben-Brennkraftmaschine, bei dem ein Brennraum durch ein zu öffnendes und zu verschließendes Auslassventil mit einem Auslasskanal verbunden oder verschlossen wird, wobei der Brennraum während einer Öffnungsdauer durch ein Einlassventil mit einem Einlasskanal durch Öffnen des Einlassventils verbunden und anschließend durch Schließen des Einlassventils wieder verschlossen wird, wobei ein stromaufwärts des Einlassventils angeordnetes Zusatzventil den Einlasskanal freigibt oder absperrt, und bei dem das Zusatzventil zur Laststeuerung aus einer Freigabestellung in Absperrstellung verlagerbar ist, dadurch gelöst, dass der Ladungswechsel einzelner Zylinder mit Hilfe des Zusatzventils abgeschaltet wird. Jedem Zylinder ist ein Zusatzventil zugeordnet. Aufgrund der zylinderselektiven Anordnung der Zusatzventile kann durch wahlweises Abschalten des Ladungswechsels einzelner Zylinder zylinderselektiv und zyklusgerecht eine Zylinderabschaltung mit variabler Arbeitsspielfrequenz dargestellt werden. Mehrere, maximal alle bis auf einen, Zylinder können rollierend betrieben oder abgeschaltet werden.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Laststeuerung der Kolben-Brennkraftmaschine eine vorab beschriebene Vorrichtung verwendet wird. Da das Zusatzventil, das auch als Lufttaktventil bezeichnet wird, im Einlasskanal, also im Ansaugtrakt, angeordnet ist, kann der Ladungswechsel auch nur auf der Einlassseite unterbunden werden. Über den Ventilhub des Auslassventils wird weiterhin eine Gasströmung stattfinden, da der Auslasskanal nicht abgeschlossen wird. Diese Strömung führt zu einer erheblichen Verlustarbeit. Die Verlustarbeit kann durch das Einbringen von zusätzlichen Stellgliedern, wie Klappen, in der Abgasanlage reduziert werden, welche die Abgaskanäle oder Abgasrohre der abgeschalteten Zylinder verschließen. Durch die zusätzlichen Stellglieder, die synchron zu den Zusatzventilen eingestellt werden müssen, wird jedoch der herstell- und verfahrenstechnische Aufwand erhöht. Durch die erfindungsgemäße Abgasrückführung kann die unerwünschte Verlustarbeit auf einfache Art und Weise reduziert werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzventil des/der abgeschalteten Zylinders/Zylinder dauerhaft in der Absperrstellung verbleibt. Die Ein- und Auslassventile werden durch einen herkömmlichen Ventiltrieb in konventioneller Weise geöffnet. Wenn das Einlassventil geöffnet wird, dann wird der Kolben im Saughub aus dem Totvolumen zwischen dem Zusatzventil und dem Einlassventil Restgas ansaugen. Dabei wird über die Abgasrückführung auch Restgas direkt aus dem Abgaskanal beziehungsweise der Abgasanlage in das Totvolumen zurückgeführt. Das ermöglicht weitgehend einen Druckausgleich in dem jeweiligen Zylinder. Bei nahezu Umgebungsdruck wird das Einlassventil dann im Bereich des unteren Totpunkts des zugehörigen Kolbens geschlossen.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig Einspritzung und Zündung des/der abgeschalteten Zylinders/Zylinder abgeschaltet werden. So können alle Zylinder wechselweise abgeschaltet werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtung und Expansion der Zylindermasse des/der abgeschalteten Zylinders/Zylinder bei geschlossenen Ventilen erfolgt. Bei der Verdichtung und Expansion sind das Einlassventil, das Auslassventil und das Zusatzventil des zugehörigen Zylinders geschlossen.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil nach der Expansion der Zylindermasse des/der abgeschalteten Zylinders/Zylinder im Bereich des unteren Totpunkts des zugehörigen Kolbens geöffnet wird. Da zu diesem Zeitpunkt nahezu Umgebungsdruck im Zylinderraum oder Brennraum herrscht, wird sich nur eine geringe Strömung mit geringen Strömungsverlusten über das geöffnete Auslassventil ausbilden. Der Kolben schiebt dann dieses Restgas bis in den Abgaskanal beziehungsweise in die Abgasanlage aus. Das Auslassventil schließt im Bereich des oberen Totpunkts des zugehörigen Kolbens.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil des/der abgeschalteten Zylinders/Zylinder zum Beispiel mit Hilfe eines Nockenwellenverstellers im Expansionshub des zugehörigen Kolbens relativ spät geschlossen wird. Durch die Verschiebung des Schließzeitpunkts nach "spät" wird erreicht, dass direkt aus dem Abgaskanal Restgas in den Zylinder rückgeführt wird. Dadurch kann die Verlustarbeit weiter reduziert werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
1 schematisch eine Brennkraftmaschine mit einer Zylinderreihe mit vier Zylindern und
2 einen Schnitt durch die Brennkraftmaschine entlang der Linie II-II in 1.
Anhand der 1 und 2 wird eine Brennkraftmaschine näher erläutert, die nachfolgend lediglich als Motor 1 bezeichnet ist. 1 zeigt schematisch und stark vereinfacht den Motor 1 mit einem Motorgehäuse 2, in dem zumindest ein Zylinder 3 mit einem darin eingesetzten Kolben 4 ausgebildet ist. Es können mehrere Zylinder 3, insbesondere vier Zylinder 3, in einer Zylinderreihe 5 angeordnet sein. Denkbar wäre es überdies, dass der Motor 1 mehrere Zylinderreihen 5, beispielsweise in so genannter V-Anordnung, aufweist. An dem Motorgehäuse 2 ist eine Abgasanlage 6 über einen Abgaskrümmer 7 befestigt, der jeweils einen in dem Motorgehäuse 2 angeordneten Auslasskanal 8 mit der Abgasanlage 6 verbindet. Innerhalb jedes Zylinders 3 ist ein Brennraum 9 vorgesehen, der mit dem zugeordneten Auslasskanal 8 verbunden ist, wenn ein Auslassventil 10 geöffnet ist. Ist das Auslassventil 10 in der in 2 gezeigten Schließstellung, ist der Brennraum 9 gegenüber dem Auslasskanal 8 verschlossen. Für jeden Zylinder 3 können auch mehrere, beispielsweise zwei Auslassventile 10 vorgesehen sein.
An dem Motorgehäuse 2 ist ferner eine Sauganlage 11 für die Frischluft- beziehungsweise Frischgaszufuhr zum Brennraum 9 befestigt, die einen Luftsammler 12 aufweisen kann, der zu jedem Zylinder 3 führende Saugrohre 13 aufweist, die zusammen mit im Motorgehäuse 2 ausgebildeten Einlassabschnitten 14 einen Einlasskanal 15 bilden. Der Einlasskanal 15 wird gegenüber dem Brennraum 9 mit zumindest einem Einlassventil 16 verschlossen oder bei geöffnetem Einlassventil, wie in 2 gezeigt, mit dem Brennraum 9 verbunden, in welchen Brennraum 9 noch eine hier lediglich angedeutete Zündkerze 17 hineinragt. Das Einlassventil 16 ist durch einen herkömmlichen Ventiltrieb angetrieben. Neben der Zuführung von Frischluft über die Sauganlage 11 in den Brennraum 9 ist für die Zuführung von Kraftstoff noch ein Einspritzventil 24 vorgesehen, welches vorzugsweise direkt in den Brennraum 9 den Kraftstoff einspritzt. Es kann jedoch auch eine so genannte Saugrohreinspritzung vorgesehen sein. Andere Varianten, um Kraftstoff in den Brennraum 9 zu befördern, sind ebenfalls möglich.
Innerhalb des Einlasskanals 15 ist stromaufwärts des Einlassventils 16 ein Zusatzventil 25 angeordnet, welches beispielsweise im Abschnitt des Saugrohrs 13 oder im Einlassabschnitt 14 liegen kann. Vorzugsweise wird das Zusatzventil 25 so nahe wie möglich an dem Einlassventil 16 angeordnet. Unabhängig von der Stellung des Einlassventils 16 kann das Zusatzventil 25 den Einlasskanal 15 freigeben oder -wie in 2 dargestellt- diesen insbesondere vollständig absperren. Hierfür weist das Zusatzventil 25 einen bewegbaren Ventilkörper 26 auf, der innerhalb des Einlasskanals 15 angeordnet ist. Der in seiner Lage veränderbare Ventilkörper 26 sperrt in der in 2 gezeigten Absperrstellung AB den Einlasskanal 15 ab. In einer lediglich gestrichelt angedeuteten Freigabestellung FR ist der Einlasskanal 15 freigegeben, also mit dem Luftsammler 12 verbunden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Ventilkörper 26 als eine um eine mittige Drehachse 27 gelagerte Klappe ausgeführt und kann entsprechend um die Drehachse 27 die Absperrstellung AB oder die Freigabestellung FR einnehmen.
In 2 ist das Einlassventil 16 in Öffnungsstellung OS gezeigt, in der ein am anderen Ende des Ventilschafts 24 angeordneter Ventilteller 28 vom Ventilsitz 29 am Einlassabschnitt 14 abgehoben ist. In dieser Öffnungsstellung OS ist der Brennraum 9 mit dem Einlasskanal 15 verbunden. In einer nicht gezeigten Schließstellung des Einlassventils 16 liegt der Ventilteller 28 auf dem Ventilsitz 29 auf, wie dies in analoger Weise beim Auslassventil 10 gezeigt und an sich bekannt ist. Der Brennraum 9 ist dabei gegenüber dem Einlasskanal 15 verschlossen. Liegt sowohl das Zusatzventil 25 in der Absperrstellung AB und das Einlassventil 16 in der Schließstellung vor, wird dazwischen ein abgeschlossener Raum 30 gebildet, der umfangseitig von den Wänden des Einlasskanals 15 begrenzt wird.
Üblicherweise erfolgt der Antrieb des Ventiltriebs beispielsweise über eine hier nicht dargestellte Kurbelwelle des Motors 1, an welcher Kurbelwelle die Kolben 4 über Pleuel 31 angelenkt sind. Über einen entsprechenden Steuertrieb, beispielsweise über einen Riemen, eine Kette oder Zahnräder, wird die Nockenwelle, auf der die Nocken 20 angeordnet sind, angetrieben. Um die Phasenlage der Öffnungs- und Schließzeiten, also die Öffnungsdauer, des Einlassventils verändern zu können, ist zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle eine entsprechende Einrichtung 32 vorgesehen, die als so genannter Nockenwellenversteller beziehungsweise Phasensteller in den verschiedensten Ausführungsformen bekannt ist, so dass auf deren Ausführung beziehungsweise Funktion hier nicht weiter eingegangen wird.
In 2 sieht man, dass der Auslasskanal 8 über eine Abgasrückführung 50 mit dem Einlasskanal 15 in Verbindung steht. Die Abgasrückführung 50 umfasst eine Abgasrückführleitung 51, die von dem Abgaskanal 8 ausgeht und in ein Totvolumen 52 mündet, das sich in dem Einlasskanal 15 zwischen dem Zusatzventil 25 und dem Einlassventil 16 erstreckt. Die Strömung durch die Abgasrückführleitung 50 ist mit Hilfe eines Stellglieds 55 steuerbar.
Gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung bleibt das Zusatzventil 25 eines abgeschalteten Zylinders immer geschlossen. Die Ein- und Auslassventile 16, 10 werden durch einen (nicht dargestellten) Ventiltrieb in konventioneller Weise geöffnet. Wenn das Einlassventil 16 geöffnet wird, dann wird der zugehörige Kolben im Saughub aus dem Totvolumen 52 Restgas ansaugen. Dabei wird Abgas direkt aus dem Abgaskanal 8 über die Abgasrückführleitung 51 in das Totvolumen 52 zurückgeführt. Dadurch wird auf einfache Art und Weise weitgehend ein Druckausgleich in dem zugehörigen Zylinder erreicht. Bei nahezu Umgebungsdruck wird das Einlassventil 16 im Bereich des unteren Totpunkts des Kolbens geschlossen.
Die Verdichtung und Expansion der Zylindermasse erfolgt bei geschlossenen Ventilen. Nach der Expansion wird das Auslassventil 10 im Bereich des unteren Totpunkts des zugehörigen Kolbens geöffnet. Da zu diesem Zeitpunkt nahezu Umgebungsdruck im Brennraum herrscht, wird sich nur eine geringe Strömung mit geringen Strömungsverlusten über das Auslassventil 10 ausbilden. Der Kolben schiebt das Restgas dann zur Abgasanlage aus. Das Auslassventil 10 schließt im Bereich des oberen Totpunkts des Kolbens. Durch Schließen des Zusatzventils 25 und gleichzeitiges Abschalten von Einspritzung und Zündung können alle Zylinder wechselweise abgeschaltet werden.

Claims

Vorrichtung zur Laststeuerung einer Kolben-Brennkraftmaschine (1) mit mehreren Brennräumen, wobei jeweils – ein Brennraum (9) durch ein zu öffnendes und zu verschließendes Auslassventil (10) mit einem Auslasskanal (8) verbunden oder verschlossen wird, – der Brennraum (9) während einer Öffnungsdauer durch ein Einlassventil (16) mit einem Einlasskanal (15) durch Öffnen des Einlassventils (16) verbunden und anschließend durch Schließen des Einlassventils (16) wieder verschlossen wird, – ein stromaufwärts des Einlassventils (16) angeordnetes Zusatzventil (25) den Einlasskanal (15) freigibt oder absperrt, und wobei das Zusatzventil (25) zur Laststeuerung aus einer Freigabestellung in Absperrstellung verlagerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslasskanal (8) über eine Abgasrückführung (50) mit einem Totvolumen (52) in Verbindung steht, das in dem Einlasskanal (15) zwischen dem Zusatzventil (25) und dem Einlassventil (16) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführung (50) mit einem Stellglied (55) zur Steuerung der Abgasrückführung (50) ausgestattet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzventil (25) so ausgelegt ist, dass es während eines Ladungswechsels in dem Brennraum (9) mehrfach öffnen und schließen kann.
Verfahren zur Laststeuerung einer Kolben-Brennkraftmaschine (1), bei dem – ein Brennraum (9) durch ein zu öffnendes und zu verschließendes Auslassventil (10) mit einem Auslasskanal (8) verbunden oder verschlossen wird, – der Brennraum (9) während einer Öffnungsdauer durch ein Einlassventil (16) mit einem Einlasskanal (15) durch Öffnen des Einlassventils (16) verbunden und anschließend durch Schließen des Einlassventils (16) wieder verschlossen wird, – ein stromaufwärts des Einlassventils (16) angeordnetes Zusatzventil (25) den Einlasskanal (15) freigibt oder absperrt, und bei dem das Zusatzventil (25) zur Laststeuerung aus einer Freigabestellung in Absperrstellung verlagerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladungswechsel einzelner Zylinder mit Hilfe des Zusatzventils (25) abgeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Laststeuerung der Kolben-Brennkraftmaschine (1) eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzventil (25) des/der abgeschalteten Zylinders/Zylinder dauerhaft in der Absperrstellung (AB) verbleibt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig Einspritzung und Zündung des/der abgeschalteten Zylinders/Zylinder abgeschaltet werden.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtung und Expansion der Zylindermasse des/der abgeschalteten Zylinders/Zylinder bei geschlossenen Ventilen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil (10) nach der Expansion der Zylindermasse des/der abgeschalteten Zylinders/Zylinder im Bereich des unteren Totpunkts des zugehörigen Kolbens geöffnet wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil (10) des/der abgeschalteten Zylinders/Zylinder im Bereich des oberen Totpunkts des zugehörigen Kolbens geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil (10) des/der abgeschalteten Zylinders/Zylinder zum Beispiel mit Hilfe eines Nockenwellenverstellers im Expansionshub des zugehörigen Kolbens relativ spät geschlossen wird.