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Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen.
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Aus der
DE 10 2016 013 370 A1 ist eine Brennkraftmaschinenvorrichtung bekannt, die zur Durchführung eines Direktstarts vorgesehen ist, mit mehreren Zylindern, die jeweils wenigstens ein Ventil aufweisen. Wenigstens einer der Zylinder ist als ein Direktstartzylinder ausgebildet. Die Brennkraftmaschinenvorrichtung umfasst zumindest eine Ventiltriebvorrichtung, die dazu vorgesehen ist, die Ventile wenigstens eines Zylinders in einer ersten Stellung mit einem ersten Ventilhub und in einer zweiten Stellung zumindest mit einem zweiten als Dekompressionshub ausgebildeten Ventilhub zu betätigen. Die Ventiltriebvorrichtung ist dazu vorgesehen, für die Ventile unterschiedlicher Zylinder jeweils unterschiedliche Dekompressionshübe auszubilden.
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Die US 2006 / 0 016 411 A1 beschreibt ein System zum Anhalten einer Motorwelle in einem Verbrennungsmotor nach dem Abstellen des Verbrennungsmotors an einer vorbestimmten Winkelposition der Welle in Bezug auf die Motorventile. Das System umfasst einen Sensor zum Erfassen der Winkelposition der Welle, ein programmierbares elektronisches Motorsteuermodul in elektrischer Verbindung mit dem Sensor und einen Wellenpositionierungsmechanismus, der auf das Motorsteuermodul anspricht, um zu bewirken, dass die Welle an der vorbestimmten Winkelposition anhält.
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Aus der
DE 103 42 703 B4 ist ein Verfahren zum Starten einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine bekannt. Bei Anforderung eines Startvorgangs wird die Stellung mindestens eines Kolbens in mindestens einem zugeordneten Zylinder ermittelt, wobei Kraftstoff in einen Brennraum des oder der Zylinder des Kolbens eingespritzt wird, der oder die sich im Arbeitstakt befinden und wobei ein Kraftstoff/Gas-Gemisch in dem mindestens einen im Arbeitstakt befindlichen Zylinder gezündet wird und der oder die Kolben der weiteren Zylinder über eine die Kolben koppelnde Kurbelwelle in eine Vorwärtsbewegung versetzt. In mindestens einem, in einem Verdichtungstakt befindlichen Zylinder wird zur Verringerung des Widerstandes der Bewegung der Kolben ein Dekompressionsventil geöffnet.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verbrennungskraftmaschine sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, durch welche ein besonders aufwandsarmes Starten der Verbrennungskraftmaschine aus dem Stillstand erfolgen kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen, mit einer Kurbelwelle, mit einer Nockenwelle, mit einem ersten Zylinder, in welchem ein zum Antreiben der Kurbelwelle mit dieser gekoppelter, erster Kolben der Verbrennungskraftmaschine bewegbar aufgenommen ist, mit einem ersten Gaswechselventil, welches dem ersten Zylinder zugeordnet ist, mit einer hydraulischen, ersten Ventilspielausgleichsvorrichtung, über welche das erste Gaswechselventil mittels eines ersten Nockens der Nockenwelle zwischen einer ersten Offenstellung und einer ersten Schließstellung verlagerbar ist. Die Nockenwelle kann unmittelbar oder mittelbar mit der Kurbelwelle gekoppelt und somit über die Kurbelwelle antreibbar sein. Das erste Gaswechselventil kann als erstes Einlassventil ausgebildet sein, über welches Frischluft aus zumindest einem Einlasskanal der Verbrennungskraftmaschine in einen, durch den ersten Zylinder sowie durch den ersten Kolben zumindest bereichsweise begrenzten, ersten Brennraum einströmen kann. Die hydraulische, erste Ventilspielausgleichsvorrichtung kann allgemein auch als erste HVA abgekürzt werden.
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Um ein besonders aufwandsarmes Starten der Verbrennungskraftmaschine aus dem Stillstand zu ermöglichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Verbrennungskraftmaschine eine Steuereinheit umfasst, welche dazu eingerichtet ist, zumindest bei einem Zustandswechsel der Kurbelwelle von einem Betriebszustand, in welchem sich die Kurbelwelle dreht, in einen Ruhezustand, in welchem die Kurbelwelle still steht, die Nockenwelle derart auszurichten, dass die erste Ventilspielausgleichsvorrichtung mittels eines, dem als Plateau-Nocken ausgeführten ersten Nocken zugeordneten Plateaubereichs im Ruhezustand druckbelastet ist und dadurch das erste Gaswechselventil in der ersten Offenstellung hält. Dies ist von Vorteil, da durch die erste Offenstellung des, durch den Plateaubereich des ersten Nockens („Plateau-Nocken“) der Nockenwelle druckbelasteten und dementsprechend niedergedrückten, ersten Gaswechselventils beim Starten der Verbrennungskraftmaschine (beim Beschleunigen der Kurbelwelle aus deren Ruhezustand in den Betriebszustand) ein zumindest teilweises Ansaugen von Gas bzw. Verbrennungsluft von dem ersten Zylinder über das in der ersten Offenstellung befindliche Gaswechselventil erfolgen kann, wodurch dementsprechend geringes Moment des ersten Zylinders dem Starten der Verbrennungskraftmaschine entgegen steht. Mit anderen Worten kann dadurch also ein, das Starten der Verbrennungskraftmaschine erschwerendes Moment, beispielsweise beim Komprimieren des in dem ersten Zylinder enthaltenen Gases in einem Kompressionstakt vermieden werden, wodurch das Starten der Verbrennungskraftmaschine aus dem Stillstand entsprechend einfach und aufwandsarm erfolgen kann. Von besonderem Vorteil ist zudem, dass durch die Druckbelastung der ersten Ventilspielausgleichsvorrichtung mittels des Plateaubereichs des ersten Nockens eine Drehmomentbelastung auf die Nockenwelle im Stillstand der Verbrennungskraftmaschine (und damit im Ruhezustand der Kurbelwelle) zumindest weitgehend oder sogar vollständig unterbunden ist. Mit anderen Worten wirkt also idealerweise kein Moment (Drehmoment) ausgehend vom ersten Nocken des ersten Zylinders auf die Nockenwelle, wenn die hydraulische, erste Ventilspielausgleichsvorrichtung mittels des Plateaubereichs des ersten Nockens druckbelastet wird.
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Unter dem Plateaubereich ist ein zumindest im Wesentlichen ebener und damit wenigstens weitgehend steigungsfreier Bereich des ersten Nockens zu verstehen. Vorzugsweise beträgt die Steigung einer Nockenkontur des ersten Nockens am Plateaubereich zumindest in einer Plateauzone des Plateaubereichs den Wert „0“. Mit anderen Worten verläuft die Nockenkontur an der Plateauzone vorzugsweise flach und somit steigungsfrei. Der Plateaubereich kann also bevorzugt derart geformt sein, dass zumindest in der Plateauzone keine Hubänderung des erstes Gaswechselventils erfolgt, solange der erste Nocken an dessen Plateaubereich, insbesondere in der Plateauzone, auf die hydraulische, erste Ventilspielausgleichsvorrichtung wirkt, also letztere druckbelastet. Der Plateaubereich kann bevorzugt möglichst breit sein, wobei sich die Plateauzone beispielsweise über einen Kurbelwinkelbetrag von 85 °KW erstrecken kann. Dabei erstreckt sich die Plateauzone über einen Kurbelwinkelbereich von 415 °KW bis 500 °KW, wobei sich jeweilige Arbeitstakte (Ansaugtakt, Verdichtungstakt, Verbrennungstakt, Ausschiebetakt) insgesamt über zwei vollständige Umdrehungen der Kurbelwelle, also über einen Bereich von 0 °KW bis 720 °KW erstrecken. Vorzugsweise erstreckt sich Plateauzone über einen Kurbelwinkelbetrag von 65 °KW in einem Kurbelwinkelbereich von 435 °KW bis 500 °KW.
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Durch den Plateaubereich kann das erste Gaswechselventil insgesamt im Bereich der zu erwartenden Abstellposition der Verbrennungskraftmaschine, also der zu erwartenden Kurbelwellenstellung der Kurbelwelle bei konstantem Hub in der ersten Offenstellung gehalten werden, damit durch das offene (in der erste Offenstellung befindliche), erste Gaswechselventil im Stillstand möglichst kein Moment auf die Nockenwelle wirkt. Dies trägt ebenfalls zu einem besonders aufwandsarmen Starten der Verbrennungskraftmaschine bei.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, die Nockenwelle derart auszurichten, dass die erste Ventilspielausgleichsvorrichtung im Ruhezustand der Kurbelwelle zumindest im Wesentlichen an einem Mittenabschnitt des Plateaubereichs des ersten Nockens anliegt. Dies ist von Vorteil, da hierdurch ein etwaiges Zurückschwingen oder Vorwärtsschwingen der Nockenwelle und der Kurbelwelle beim Abstellen vermieden werden und stattdessen eine definierte jeweilige Position der Nockenwelle und der Kurbelwelle eingenommen und beibehalten werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Verbrennungskraftmaschine ein zweites Gaswechselventil, welches dem ersten Zylinder zugeordnet ist, sowie eine hydraulische, zweite Ventilspielausgleichsvorrichtung, über welche das zweite Gaswechselventil mittels eines zweiten Nockens der Nockenwelle zwischen einer zweiten Offenstellung und einer zweiten Schließstellung verlagerbar ist. Das zweite Gaswechselventil kann als zweites Einlassventil ausgebildet sein. Dies ist von Vorteil, da über das zweite Gaswechselventil zusätzlich zu dem ersten Gaswechselventil ein besonders bedarfsgerechter Ladungswechsel im ersten Zylinder erfolgen kann.
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Der erste Nocken ist als ein „Plateau-Nocken“ ausgeführt und kann bevorzugt neben einem dritten Nocken, einem sogenannten „Füllungs-Nocken“, ausgeführt sein, wobei der erste Nocken insgesamt einen geringeren Ventilhub als der dritte Nocken aufweist. Der dritte Füllungs-Nocken ermöglicht eine Befüllung des ersten Zylinders mit einer besonders großen Menge (Massenstrom) an Frischluft, welche zur Verbrennung zur Verfügung steht und verlagert das erste Gaswechselventil zwischen einer dritten Offenstellung und einer dritten Schließstellung. Der dritte Nocken („Füllung“) entspricht den bekannten Nocken für Einlassventile für den Verbrennungsbetrieb. Der erste Nocken („Plateau“) hingegen dient insbesondere zur Verminderung des Moments des ersten Zylinders beim Starten und der Befüllung des ersten Zylinders mit ausreichend Frischluft für einen Verbrennungsbetrieb im niedrigen Lastbereich und/oder bei niedrigen Drehzahlen und umfasst den Plateaubereich für ein Momenten freies Abstellen der Verbrennungskraftmaschine. Mittels des dritten Nockens kann das erste Gaswechselventil im befeuerten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine in die dritte Offenstellungen verlagert werden, um ein günstiges Einströmen der gewünschten Menge der Frischluft für eine Kraftstoffverbrennung zu bewirken. Zu höheren Lasten und/oder Drehzahlen hin kann vom ersten Nocken auf den dritte Nocken umgeschaltet werden und das erste Gaswechselventil entsprechend betätigt werden.
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Neben dem zweiten Nocken ist ein weiterer, vierter Nocken vorgesehen. Der vierte Nocken ist analog dem dritten Nocken als ein „Füllungs-Nocken“ ausgebildet und wird mit dem dritten Nocken nach dem Startbetrieb bzw. einem Verbrennungsbetrieb mit niedriger Drehzahl zu höheren Drehzahlen umgeschaltet. Der vierte Nocken weist eine vierte Offenstellung und eine vierte Schließstellung auf, die analog zur dritten Offenstellung und dritten Schließstellung ausgebildet ist.
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Eine Umschaltung vom ersten Nocken (Plateau) und vom zweiten Nocken (Dekompression) auf die jeweiligen benachbarten dritten Nocken und vierten Nocken (Füllung) kann bei einer Drehzahl im Bereich von 1000 1/min der Verbrennungskraftmaschine erfolgen.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die zweite Ventilspielausgleichsvorrichtung an dem zweiten Nocken in hubfreier Anlage, während die erste Ventilspielausgleichsvorrichtung mittels des Plateaubereichs im Ruhezustand druckbelastet ist und dadurch das erste Gaswechselventil in der ersten Offenstellung gehalten ist. Mit anderen Worten wird die hydraulische, zweite Ventilspielausgleichsvorrichtung (HVA) nicht derart durch den zweiten Nocken druckbeaufschlagt, dass die zweite Ventilspielausgleichsvorrichtung das zweite Gaswechselventil öffnet, also in eine dem zweiten Gaswechselventil zugeordnete zweiten Offenstellung bewegt, bzw. in dieser Offenstellung hält. Die zweite Ventilspielausgleichsvorrichtung (HVA) befindet sich in der Abstellposition der Verbrennungskraftmaschine im Bereich eines Grundkreises des zweiten Nockens, womit das zweite Gaswechselventil in seiner zweiten Schließstellung verbleibt, während das erste Gaswechselventil in seiner ersten Offenstellung verbleibt.
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Hierbei liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das erste HVA bzw. zweite HVA in der Regel als durch eine Feder betätigter Ausgleichskolben ausgebildet ist und zwischen den jeweiligen Gaswechselventilen und gegebenenfalls weiteren, durch die jeweiligen Nocken betätigten, jeweiligen an sich bekannten Ventilbetätigungseinrichtungen, zu welchen Kipphebel, Schlepphebel, Tassenstössel und dergleichen gehören können, angeordnet sein kann. Der Ausgleichskolben wird mittels einer Federkraft der Feder ausgefahren und reduziert ein Ventilspiel der jeweiligen Gaswechselventile während des Motorlaufs (Betriebs) der Verbrennungskraftmaschine auf den Wert „Null“. Mittels eines bei Ausfahren des Ausgleichskolbens angesaugten Motoröls und eines Rückschlagventils wird ein Einfahren des Ausgleichskolbens kontrolliert verzögert. Bei Motorstillstand (Ruhezustand der Kurbelwelle) bleibt das Motoröl in der jeweiligen HVA, sofern das HVA nicht belastet wird, d.h. wenn der jeweilige Nocken mittels des jeweiligen HVA auf das jeweilige Gaswechselventil nicht einwirkt. Bei abgestellter Verbrennungskraftmaschine (Ruhezustand der Kurbelwelle) und einem geöffneten jeweiligen Gaswechselventil (beispielsweise in der ersten Offenstellung des ersten Gaswechselventils) wird das Motoröl aus der jeweiligen HVA (beispielsweise aus der hydraulischen, ersten Ventilspielausgleichsvorrichtung) zumindest teilweise herausgedruckt und das jeweilige Gaswechselventil bewegt sich in Richtung eines ihm zugeordneten Ventilsitzes (in welchem sich das jeweilige Gaswechselventil in dessen Schließstellung befindet). Falls sich dabei eines der jeweiligen Gaswechselventile beim Motorstillstand in einer jeweiligen Befüllung bzw. Ansaugphase des ersten Zylinders, d.h. der erste Nocken mit seinen Plateaubereich auf das erste Gaswechselventil einwirkt, befindet, wird der jeweilige, geringere Ventilhub des ersten Nockens gegenüber einem Ventilhub des dritten Füllungs-Nockens des jeweiligen Gaswechselventils weiter abgesenkt, wobei das jeweilige Gaswechselventil dennoch nicht ganz geschlossen wird. Der Ventilhub des ersten Gaswechselventils in der ersten Offenstellung im Motorstillstand ist dann kleiner als der Ventilhub des ersten Gaswechselventils in der ersten Offenstellung im Verbrennungsbetrieb, bleibt aber geöffnet. Bei einem erneuten Motorstart (Beschleunigung der Kurbelwelle vom Ruhezustand in den Betriebszustand) wird ist ein dem Motorstart entgegenstehendes Moment des erste Zylinders vermindert, was den Startvorgang erleichtert.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das zweite Gaswechselventil unter Vermittlung der zweiten Ventilspielausgleichsvorrichtung derart mittels des zweiten Nockens betätigbar, dass eine Dekompression des ersten Zylinders bewirkbar ist. Dies ist von Vorteil, da hierdurch sowohl eine Füllung als auch eine Dekompression des ersten Zylinders bei dementsprechend zwei Gaswechselventilen pro Zylinder auf mehrere Ventiltriebe verteilt werden kann. Dadurch ist eine Einstellung der Füllung bzw. Dekompression besonders flexibel anpassbar.
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Der zweite Nocken kann als „Dekompressions-Nocken“ mit einer Dekompression-Ventilerhebung ausgeführt sein, wobei die Dekompression-Ventilerhebung einen kleineren Ventilhub des zweiten Gaswechselventils bewirken kann, als dies durch den Plateaubereich des ersten Nockens der Fall ist. Die Dekompression-Ventilerhebung kann zwischen dem unteren Totpunkt (UT) des ersten Kolbens und dessen oberen Zündtotpunkts (ZOT) möglichst im Bereich einer maximalen Kolbengeschwindigkeit des ersten Kolbens positioniert sein, da in diesem Bereich der größte Kolbenweg des ersten Kolbens und damit der größtmögliche Kompressionsanteil stattfindet. Ein Maximalbetrag des Dekompression-Ventilhubs kann vorzugsweise weniger als 3,0 mm betragen und eine Öffnungsbreite (Erhebungsbreite) einer Nockenerhebung des zweiten Nockens kann vorzugsweise einem Wert von weniger als 180 °KW betragen. Das zweite Gaswechselventil kann vorzugsweise in der Abstellposition der Verbrennungskraftmaschine (Ruhezustand sowie Ruhestellung der Kurbelwelle) geschlossen sein, sodass ein ungünstiges Zusammendrücken des zweiten HVA unterbunden ist. Das erste Gaswechselventil und das zweite Gaswechselventil weisen voneinander unterschiedliche Offenstellungen und Schließstellungen auf, wobei bei der ersten Offenstellung des ersten Gaswechselventils das zweite Gaswechselventil sich in der zweiten Schließstellung befindet und bei der zweiten Offenstellung des zweiten Gaswechselventils das erste Gaswechselventil sich in der ersten Schließstellung befindet.
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Der erste Nocken („Plateau-Nocken“) kann in günstiger Weise bei zunehmender Drehzahl der Kurbelwelle, beispielsweise ab Drehzahlwerten der Drehzahl von größer oder gleich 500 1/min, mit der Verbrennung eine Leistungsabgabe der Verbrennungskraftmaschine ermöglichen. Dabei soll der zweite Nocken („Dekompressions-Nocken“) die Füllung des Brennraumes des ersten Zylinders nicht unterstützen, sondern ausschließlich die Dekompression bei niedrigen Drehzahlen, beispielsweise bei Drehzahlwerten der Drehzahl unterhalb von 500 1/min, bewirken.
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Dies kann in besonders vorteilhafter Weise dadurch erreicht werden, dass der kleine „Dekompressions-Nocken“ (zweiter Nocken) hinsichtlich seines Hubes derart ausgelegt ist, dass er bei kleinen Motordrehzahlen (kleinen Drehzahlen der Kurbelwelle) im SchleppBetrieb der Verbrennungskraftmaschine aufgrund kleiner Geschwindigkeiten des im Rahmen des Ladungswechsels aus den ersten Zylinder ausströmenden Gases nicht stopft, dagegen mit zunehmender Motordrehzahl (größeren Drehzahlen der Kurbelwelle) aufgrund der steigenden Geschwindigkeiten (des Gases) stopft und so eine wieder ausströmende Zylinderfüllung (aufgrund ausströmenden Gases) entsprechend kleiner wird. Der „Plateau-Nocken“ ist so ausgelegt, dass keine überkritischen Druckverhältnisse auftreten und die Zylinderfüllung auch mit zunehmender Motordrehzahl im Wesentlichen erhalten bleibt. Dadurch wird eine Verbrennung mit zunehmender Drehmomentabgabe der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine mit zunehmender Motordrehzahl (Drehzahl der Kurbelwelle) erreicht.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen, welche eine Kurbelwelle, eine Nockenwelle, einen ersten Zylinder, in welchem ein zum Antreiben der Kurbelwelle mit dieser gekoppelter, erster Kolben der Verbrennungskraftmaschine bewegbar aufgenommen ist, sowie ein erstes, dem ersten Zylinder zugeordnetes Gaswechselventil und eine hydraulische, erste Ventilspielausgleichsvorrichtung, über welche das erste Gaswechselventil mittels eines ersten Nockens der Nockenwelle zwischen einer ersten Offenstellung und einer ersten Schließstellung verlagerbar ist, umfasst.
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Gemäß der Erfindung umfasst die Verbrennungskraftmaschine eine Steuereinheit, durch welche zumindest bei einem Zustandswechsel der Kurbelwelle von einem Betriebszustand, in welchem sich die Kurbelwelle dreht, in einen Ruhezustand, in welchem die Kurbelwelle still steht, die Nockenwelle derart ausgerichtet wird, dass die erste Ventilspielausgleichsvorrichtung mittels eines, dem als Plateau-Nocken ausgeführten ersten Nocken zugeordneten Plateaubereichs im Ruhezustand druckbelastet ist und dadurch das erste Gaswechselventil in der ersten Offenstellung gehalten wird. Die im Zusammenhang mit der Verbrennungskraftmaschine gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung vorgestellten Merkmale sowie deren Vorteile gelten entsprechend für das Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung und umgekehrt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen:
- 1 ein Diagramm, welches einen Ventilhubverlauf eines ersten Gaswechselventils sowie eines zweiten Gaswechselventils über einem Kurbelwinkelverlauf einer Kurbelwelle einer Verbrennungskraftmaschine zeigt, wobei das erste Gaswechselventil und das zweite Gaswechselventil einem ersten Zylinder der Verbrennungskraftmaschine zugeordnet sind;
- 2 ein weiteres Diagramm, welches den jeweiligen Ventilhubverlauf des ersten und zweiten Gaswechselventils sowie eine jeweilige Masse an, bei einem Ladungswechsel in den ersten Zylinder einströmender Luft und ausströmenden Luft über dem Kurbelwinkelverlauf der Kurbelwelle bei einer Drehzahl der Kurbelwelle von weniger als 500 1/min zeigt;
- 3 ein weiteres Diagramm, welches eine Geschwindigkeit der beim Ladungswechsel in den ersten Zylinder einströmenden Luft und ausströmenden Luft über dem Kurbelwinkelverlauf der Kurbelwelle bei der Drehzahl der Kurbelwelle von weniger als 500 1/min zeigt;
- 4 ein weiteres Diagramm, welches den jeweiligen Ventilhubverlauf des ersten und zweiten Gaswechselventils sowie die jeweilige Masse an, bei dem Ladungswechsel in den ersten Zylinder einströmender Luft und ausströmenden Luft über dem Kurbelwinkelverlauf der Kurbelwelle bei einer Drehzahl der Kurbelwelle von größer oder gleich 500 1/min zeigt; und
- 5 ein weiteres Diagramm, welches die Geschwindigkeit der beim Ladungswechsel in den ersten Zylinder einströmenden Luft und ausströmenden Luft über dem Kurbelwinkelverlauf der Kurbelwelle bei der Drehzahl der Kurbelwelle von größer oder gleich 500 1/min zeigt.
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Die 1 bis 5 dienen zur Verdeutlichung eines Betriebs einer vorliegend nicht weiter dargestellten Verbrennungskraftmaschine für einen vorliegend ebenfalls nicht weiter dargestellten Kraftwagen. Die Verbrennungskraftmaschine umfasst eine Kurbelwelle, eine Nockenwelle, einen ersten Zylinder, in welchem ein zum Antreiben der Kurbelwelle mit dieser gekoppelter, erster Kolben der Verbrennungskraftmaschine bewegbar aufgenommen ist, ein erstes Gaswechselventil, welches dem ersten Zylinder zugeordnet ist, eine hydraulische, erste Ventilspielausgleichsvorrichtung, über welche das erste Gaswechselventil mittels eines ersten Nockens der Nockenwelle zwischen einer ersten Offenstellung und einer ersten Schließstellung verlagerbar ist. Zudem umfasst die Verbrennungskraftmaschine eine Steuereinheit, welche dazu eingerichtet ist, zumindest bei einem Zustandswechsel der Kurbelwelle von einem Betriebszustand, in welchem sich die Kurbelwelle dreht, in einen Ruhezustand, in welchem die Kurbelwelle still steht, die Nockenwelle derart auszurichten, dass die erste Ventilspielausgleichsvorrichtung mittels eines, dem ersten Nocken zugeordneten Plateaubereichs 11 im Ruhezustand druckbelastet ist und dadurch das erste Gaswechselventil in der ersten Offenstellung gehalten ist. Der erste Nocken ist als ein Plateau-Nocken ausgeführt.
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Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, die Nockenwelle derart auszurichten, dass die erste Ventilspielausgleichsvorrichtung im Ruhezustand der Kurbelwelle zumindest im Wesentlichen an einem Mittenabschnitt 13 des Plateaubereichs 11 an diesem anliegt.
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Darüber hinaus umfasst die Verbrennungskraftmaschine ein zweites Gaswechselventil, welches dem ersten Zylinder zugeordnet ist, sowie eine hydraulische, zweite Ventilspielausgleichsvorrichtung, über welche das zweite Gaswechselventil mittels eines zweiten Nockens der Nockenwelle zwischen einer zweiten Offenstellung und einer zweiten Schließstellung verlagerbar ist.
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Die zweite Ventilspielausgleichsvorrichtung ist an dem zweiten Nocken in hubfreier Anlage, während die erste Ventilspielausgleichsvorrichtung mittels des Plateaubereichs 11 im Ruhezustand druckbelastet ist und dadurch das erste Gaswechselventil in der ersten Offenstellung gehalten ist. Das zweite Gaswechselventil ist unter Vermittlung der zweiten Ventilspielausgleichsvorrichtung derart mittels des zweiten Nockens betätigbar, dass eine Dekompression des ersten Zylinders bewirkbar ist. Der zweite Nocken ist als ein Dekompressions-Nocken ausgeführt.
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Die Verbrennungskraftmaschine ist vorliegend dazu ausgebildet einen sogenannten „Direktstart“ besonders aufwandsarm durchzuführen, also die Verbrennungskraftmaschine allein durch Verbrennungsenergie zu starten und somit die Kurbelwelle allein durch die Verbrennungsenergie von dem Ruhezustand in den Betriebszustand zu beschleunigen. Des Weiteren ist die Verbrennungskraftmaschine für einen konventionellen Start beispielsweise mittels eines Anlassers oder eines Elektromotors geeignet. Die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine ist insbesondere für ein lastfreies Starten eines Hybrid-Kraftwagens geeignet.
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Um den Start und insbesondere den Direktstart, also das anlasserfreie Beschleunigen (Beschleunigen ohne Anlasser) der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine aus dem Ruhezustand in den Betriebszustand durchzuführen, wird die Kurbelwelle vor dem Direktstart von dem Betriebszustand in den Ruhezustand versetzt und dabei anhand der Steuereinheit in einer Position (Kurbelwellenstellung) in Bezug auf den ersten Nocken („Plateau-Nocken“) derart abgestellt, dass eine Ventilbetätigung (Kipphebel, Schlepphebel, Tassenstössel usw.) etwa in der Mitte oder in einem Mittenabschnitt 13 des Plateaubereichs 11 und damit in einer Plateauzone des Plateaubereichs 11 abgestellt wird, an welcher sich ein konstanter Hub 10 des ersten Gaswechselventils ergibt. In 1 ist dies in einem Kurbelwinkelbereich zwischen etwa 435 °KW bis 500 °KW (Kurbelwinkel) der Fall. Ein entsprechender Ventilhubverlauf 12 im Verbrennungsbetrieb ist in 1 gestrichelt in einem Diagramm aufgetragen, welches den Ventilhub hv über dem Kurbelwinkel °KW zeigt. Der Ventilhubverlauf weist dabei einen entsprechenden Plateaubereich 11 mit seinem Mittenabschnitt 13 auf. Die ersten Offenstellung des ersten Gaswechselventils liegt hierbei im Wesentlichen zwischen dem Gas-Wechsel-OT (GWOT) bei etwa 360 °KW und kurz nach dem unteren Totpunkt (UT) bei etwa 570°KW. Damit ist das erste Gaswechselventil, welches als erstes Einlassventil des ersten Zylinders ausgebildet ist, beim Abstellen der Verbrennungskraftmaschine (Ruhezustand der Kurbelwelle) geöffnet (in der ersten Offenstellung) und damit die erste Ventilspielausgleichsvorrichtung (erste HVA) zusammengedrückt, also mit anderen Worten druckbelastet, wodurch die erste HVA außer Funktion ist. Damit stellt sich nach dem Abstellen der Verbrennungskraftmaschine ein Ventilhub des ersten Gaswechselventils ein, der um den Betrag der zusammengedrückten ersten Ventilspielausgleichsvorrichtung kleiner ist als der Hub 10. Dies stellt für das Starten der Verbrennungskraftmaschine in Form des Direktstarts kein Problem dar, da das erste Einlassventil im Ansaugtakt trotz zusammengedrückter erster HVA weit geöffnet bleibt. Des Weiteren wird durch das Abstellen der Verbrennungskraftmaschine derart, dass die erste HVA durch den Plateaubereich 11 niedergedrückt (druckbelastet) und damit das erste Gaswechselventil in der ersten Offenstellung gehalten wird, kein kompressionsbedingtes Drehmoment über die Nockenwelle in den Kurbeltrieb und damit die Kurbelwelle eingeleitet, zumal das erste Gaswechselventil über die Ventilbetätigung auf keinerlei Flanke des ersten Nockens einwirkt bzw. drückt. Insgesamt kann ein etwaiges Zurückschwingen oder Vorwärtsschwingen der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine beim Abstellen vermieden werden und eine definierte Position der Nockenwelle und der Kurbelwelle eingenommen werden.
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Die aus der kinematischen Koppelung der Nockenwelle bzw. des ersten Nockens sowie der ersten HVA resultierende Ventilbetätigung des ersten Gaswechselventils unterstützt das Starten (den Direktstart) der Verbrennungskraftmaschine, also das Beschleunigen der Kurbelwelle aus deren Ruhezustand beim Übergang vom Plateaubereich 11 auf eine abfallende Flanke des ersten Nockens, sodass das Beschleunigen der Kurbelwelle mit einer Einbringung eines Drehmoments über die Nockenwelle auf die Kurbelwelle erfolgen kann und dementsprechend das Starten der Verbrennungskraftmaschine besonders aufwandsarm gestaltet werden kann.
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Das zweite Gaswechselventil, welches als dem ersten Zylinder zugeordnetes, zweites Einlassventil ausgestaltet ist, ist beim Abstellen der Verbrennungskraftmaschine noch geschlossen, da das zweite Einlassventil mittels des als „Dekompressions-Nocken“ ausgebildeten, zweiten Nockens erst zwischen 570 und 630 °KW geöffnet und zwischen 630 °KW und 690°KW geschlossen wird. Wie in 1 anhand eines, dem zweiten Einlassventil zugeordneten Ventilhubverlaufs 14 erkennbar ist, kann eine zweite Offenstellung im Wesentlichen zwischen 600 °KW und 675 °KW erfolgen. Die zweite Offenstellung des zweiten Gaswechselventils erfolgt erst in der ersten Schließstellung des ersten Gaswechselventils. Die erste Offenstellung des ersten Gaswechselventils erfolgt in der zweiten Schließstellung des zweiten Gaswechselventils.
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Das zweite Einlassventil öffnet für die Dekompression im Verdichtungstakt, also vorliegend bei einer Lage des ersten Kolbens zwischen dessen unterem Totpunkt (UT) bei 540 °KW und dessen oberem Zündtotpunkt (ZOT) bei 720 °KW, wie ebenfalls aus 1 hervorgeht. Die hydraulische, zweite Ventilspielausgleichsvorrichtung (zweite HVA) des zweiten Einlassventils ist daher beim Abstellen der Verbrennungskraftmaschine unbelastet und damit beim Wiederstart (Direktstart) der Verbrennungskraftmaschine in Funktion, zumal zuvor kein Motoröl aus der hydraulischen, zweiten HVA herausgedrückt wurde, womit die Dekomprimierung des (verdichtenden) ersten Zylinders beim Start/Wiederstart der Verbrennungskraftmaschine stattfinden kann.
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Ist die Verbrennungskraftmaschine beispielsweise als 4-Zyl.-Motor mit einer Zündfolge 1-3-4-2 (erster Zylinder - dritter Zylinder - vierter Zylinder - zweiter Zylinder) ausgebildet, so wirkt der Dekompressions-Nocken (zweiter Nocken) des Zylinders „2“ (zweiter Zylinder) auf das zweite Einlassventil dieses Zylinders „2“ ein, da der Zündabstand 180 °KW beträgt und damit der Plateaubereich 11 des ersten Nockens („Plateau-Nocken“) für das erste Einlassventil des Zylinders „1“ und der Dekompressions-Nocken (zweiter Nocken) des zweiten Einlassventils des Zylinder „2“ zusammenfallen. Somit ist das erste Einlassventil des Zylinders „1“ beim Abstellen der Verbrennungskraftmaschine durch den Plateaubereich 11 des „Plateau-Nockens“ geöffnet (in der ersten Offenstellung) und wird beim (Direkt-)Start der Verbrennungskraftmaschine befeuert, wodurch im ersten Zylinder (Zylinder „1“) enthaltenes, zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet wird, während bei Zylinder „2“ (der in der Zündfolge an vierter Stelle und damit als letzter der 4 Zylinder gezündet wird) auf das zweite Einlassventil des Zylinders „2“ der entsprechende Dekompressions-Nocken wirkt. Allerdings ist der negative Einfluss der zusammengedrückten, zweiten HVA für dieses zweite Einlassventil des Zylinders „2“ für den Direktstart der Verbrennungskraftmaschine vernachlässigbar, da ein Resthub dieses zweiten Einlassventils vorhanden ist (also eine Dekompressionswirkung vorhanden ist) und bei Abstellen der Verbrennungskraftmaschine der Zylinder „2“ bereits zumindest teilweise dekomprimiert wurde.
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Ist die Verbrennungskraftmaschine beispielsweise als 6-Zylinder-Motor ausgebildet, stellt sich diese Problematik nicht, da hier der Zündabstand (zwischen den insgesamt 6 Zylindern) 120 °KW beträgt und damit der „Füllungs-Nocken“ des ersten Zylinders und der „Dekompressions-Nocken“ des zweiten Zylinders zusammenfallen.
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Nachdem die Verbrennungskraftmaschine gestartet, also mit anderen Worten die Nockenwelle vom Ruhezustand in den Betriebszustand wurde, wird der einlassseitige Ventiltrieb beispielsweise bei einer Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine im Bereich vom 1000 1/min umgeschaltet. Dabei wird vom ersten Nocken und gleichzeitig vom zweiten Nocken auf jeweils parallel zu den beiden Nocken angeordneten dritten Nocken und vierten Nocken umgeschaltet, wodurch sich ein in 1 durch eine durchgezogene Linie verdeutlichter Einlassventilhubverlauf 16 des ersten Gaswechselventils und des zweiten Gaswechselventils ergibt.
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Ein dem ersten Zylinder zugeordneter, auslassseitiger Ventiltrieb bleibt unbeeinflusst, was anhand eines in 1 gezeigten Auslassventilhubverlaufs 18 erkennbar ist.
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Der einlassseitige Ventiltrieb kann beispielsweise mittels eines sogenannten „Camtronic-Systems“ betrieben und dadurch die Ventilhubverläufe 12, 14 und/oder der Einlassventilhubverlauf 16 variiert werden. Dabei sind verschiedene einlassseitige Nocken für das erste und zweite Einlassventil in einem Start- bzw. Dekompressionsbetrieb mit einem Plateau-Nocken (mit seinem Ventilhubverlauf 12) und einem Dekompressions-Nocken (mit seinem Ventilhubverlauf 14) und beispielsweise zwei gleiche Nocken ohne jeweilige Plateau- bzw. Dekompressionsbereiche für den normalen Verbrennungsbetrieb vorgesehen. Die beiden neben einem Plateau-Nocken und einem Dekompressions-Nocken angeordneten dritten und vierten Nocken sind beispielsweise als Füllungs-Nocken ausgeführt und weisen jeweils den Ventilhubverlauf 16 auf.
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Die 2 bis 5 zeigen die jeweiligen ersten und zweiten Offenstellungen und die die entsprechenden ersten und zweiten Schließstellungen des ersten Gaswechselventils und des zweiten Gaswechselventils mit den jeweiligen Öffnungs- und Schließzeiten der jeweiligen Einlassventilhubverläufe 12 und 14.
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Die 2 bis 5 dienen zur Verdeutlichung, dass mit dem Plateau-Nocken im Zusammenspiel mit dem Dekompressions-Nocken im Vergleich zu bisher aus dem Stand der Technik bekannten Dekompressions-Vorrichtungen ein verändertes Strömungsverhalten bewirkt werden kann.
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An jeweiligen Achsen der in 2 bis 5 gezeigten Diagramme sind neben dem Ventilhub hv und dem Kurbelwinkel °KW auch der integrierte Massenstrom der Frischluft in kg, sowie die Geschwindigkeit - ausgedrückt durch die Mach-Zahl Ma - des beim Ladungswechsel strömenden Gases (Luft) angegeben. Bei bisher üblichen Hüben von Dekompressions-Vorrichtungen wurden Gaswechselventile jeweils so weit geöffnet, dass keine oder nur eine geringfügige Strömungsbeeinflussung aus dem Brennraum austretender Ladung des ersten Zylinders erfolgte.
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Bei einsprechenden Dekompressionshüben mittels des zweiten Nockens kann bei niedrigen Drehzahlen (kleiner 500 1/min, siehe 2) dekomprimiert werden, wie durch den Ventilhubverlauf 14 ausgedrückt ist. Dabei ist ein integrierter Massenstrom 24 mit einer durchgezogenen Linie dargestellt, wie er durch den Ventilhubverlauf 12 des Plateau-Nockens erzeugt wird. Dabei wird das erste Gaswechselventil von seiner ersten Schließstellung in seine erste Offenstellung verlagert, wonach der Massenstrom 24 von Null auf einen von Null unterschiedlichen, positiven Wert von Null ansteigt. Anschließend wird das erste Gaswechselventil wieder in seine erste Schließstellung versetzt, Während der ersten Schließstellung des erste Gaswechselventils wird das zweite Gaswechselventil aus seiner zweiten Schließstellung in seine zweite Offenstellung versetzt, wonach ein Massenstrom 26 durch den Ventilhubverlauf 14 des Dekompression-Nockens einen vom Wert Null unterschiedlichen, negativen Wert erzeugt wird. Anschließend wird das zweite Gaswechselventil wieder in seine zweite Schließstellung versetzt. Dabei tritt, wie durch die gestrichelte Line dargestellt, ein negativer integrierter Massenstrom 26 über das zweite Gaswechselventil wieder aus dem Zylinder aus. Die gesamte im Zylinder verbleibende Masse an Frischluft ist die Summe der beiden Massenströme 24 und 26 nach der zweiten Offenstellung des zweiten Gaswechselventils in seiner zweiten Schließstellung. Wie in 3 zu erkennen ist, weist der Ventilhubverlauf 12 des ersten Gaswechselventils einen Geschwindigkeitsverlauf 20 der einströmenden Frischluft auf. Bei der Dekompression (Ventilhubverlauf 14) mittels des zweiten Nockens wird die Machzahl 1 der wieder rauströmenden Luft aus dem Zylinder nicht erreicht (Verlauf 22). Bei höheren Drehzahlen (größer 500 1/min) sinkt die Dekompressionswirkung ab und es wird so weit im ersten Zylinder verdichtet, dass eine Zündung möglich wird. Wie in 4 erkennbar ist weist dabei die einströmende Frischluft (Massenstrom 24) einen ähnlichen Verlauf auf wie in 2. Allerdings sinkt der durch die Ventilhuberhebung 14 erzeugte Massenstroms 26 der ausströmenden Luft aus dem Zylinder (Dekompression) wesentlich ab. Die im Zylinder verbleibend Frischluft steigt an, so dass eine für eine Verbrennung von Kraftstoff im ersten Zylinder ausreichende Verdichtung erzielt wird, wodurch in den ersten Zylinder eingespritzter Kraftstoff zünden und verbrennen kann. Wie in 5 zu erkennen ist, weist der Ventilhubverlauf 12 des ersten Gaswechselventils bei höheren Drehzahlen einen Geschwindigkeitsverlauf 20 der einströmenden Frischluft auf, der höher ist als bei niedrigen Drehzahlen (3). Bei der Dekompression (Ventilhubverlauf 14) mittels des zweiten Nockens wird die Machzahl 1 überschritten (Verlauf 22). In diesem Fall blockiert sich die Strömung bei der Dekompression auf Grund der überkritischen Geschwindigkeit selber und der Massenstrom 26 an ausströmender Frischluft über das zweite Gaswechselventil des ersten Zylinders bei gleichem Ventilhubverlauf 14 nimmt ab. Die in 2 und 4 gezeigten integrierten Massenströme 24 ändern sich im gezeigten Beispiel bei Drehzahlen im Bereich von 500 1/min nicht wesentlich.
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Durch die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine sowie durch das erfindungsgemäße Verfahren wird sichergestellt, dass eine Dekompressionswirkung auch nach längeren Stillstands-Zeiten der Verbrennungskraftmaschine vorhanden ist.