DE19651148C2 - Verfahren zum Betreiben eines Mehrzylinder-Verbrennungsmotors, vorzugsweise Ottomotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Mehrzylinder-Verbrennungsmotors, vorzugsweise Ottomo­ tors mit zwei Einlaß- und zwei Auslaßventilen pro Zylinder, einem Turbolader sowie einem nachgeschalteten Abgasrei­ nigungssystem mit Katalysator gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Vorbekannt ist durch die Schrift DE 36 07 838 C2 ein gattungsgemäßer Verbrennungsmotor mit 4 Ventilen pro Zy­ linder und einem Abgasturbolader. Beide Einlaßventile des Motors werden mit unterschiedlicher Steuerzeit betrieben und weisen je einen Ansaugkanal auf. Der Ansaugkanal des einen Einlaßventiles ist mittels eines Drosselorgans gegen den Ansaugtrakt verschließbar. Beide Auslaßventile eines Zylinders sind an einem Abgasrohr angeschlossen, das an einem nachgeschalteten Abgasturbolader mündet und die­ sen beaufschlagt. Dem Abgasturbolader ist ausgangsseitig die Auspuffanlage angeschlossen. Mittels der unterschiedli­ chen Steuerzeiten und der Verschließbarkeit eines der An­ saugkanäle wird die Ladungsbewegung im Zylinder- und Brennraum vom Betriebszustand abhängig eingestellt.

Vorbekannt ist es durch die Schrift DE 31 45 835 A1 bei Verbrennungsmotoren mit Abgasturbolader einzeln geführte Auspuffrohre vor der Turbine von strömungsgünstig nach­ einander wirkenden Zylindern in Gruppen zusammenzufas­ sen. Die Sammelrohre der beiden Zylindergruppen sind je­ weils einem der nebeneinanderliegenden zwei Flutungska­ näle einer einstufige einwärts beaufschlagten Radialturbine angeschlossen. Im Zustand des getrennten Beaufschlagens der Flutungskanäle durch die Zylindergruppen wird die Tur­ bine im Stoßbetrieb betrieben. Innerhalb der Radialturbine befindet sich zwischen den Flutungskanälen ein zu öffnen­ der und schließbarer Verbindungsquerschnitt für die Abgas­ ströme der beiden Zylindergruppen. Bei geöffneter Verbin­ dung wird die Turbine im Staubetrieb betrieben.

Vorbekannt ist es durch die Schrift DE 34 39 999 A1 bei Verbrennungsmotoren mit 2 Abgasturboladern, daß vom er­ sten stets taktgerecht geöffneten Auslaßventil eines jeden Zylinders einzeln geführte Auspuffrohre zur Abgasturbine eines ersten kleineren Turboladers geführt sind und diese im Stoßbetrieb beaufschlagen. Die zweiten Auslaßventile jedes Zylinders sind über einen Abgaskrümmer zusammengefaßt an der Turbine eines zweiten größeren Turboladers ange­ schlossen. Dieser Abgastrakt ist über ein ansteuerbares By­ passventil direkt zur Abgasanlage hin entlastbar. Beide Tur­ bolader speisen parallel den Ansaugtrakt des Motors. Zur Optimierung der Förderung des ersten Turboladers sind die zweiten Auslaßventile abschaltbar bzw. mit geringem Hub betreibbar und zusätzlich noch der Abströmquerschnitt des zweiten Turboladers zur Abgasanlage hin drosselbar. Mit den vorbeschriebenen Mitteln wird eine optimale Aufladung und direktes Ansprechen des Motors bei allen Betriebszu­ ständen, insbesondere aber bei geringer Drehzahl und Last erzielt.

Vorbekannt ist es durch die Schrift DE 43 07 380 A1 bei Verbrennungsmotoren mit Abgasturbolader, daß die Abgas­ leitung einer Zylindergruppe den Abgasturbolader beauf­ schlagt und die Abgasleitung der zweiten Zylindergruppe in einer stromab von der Abströmseite des Abgasturboladers in einer Ejektordüsenanordnung mündet. Mit dieser Anord­ nung werden für beide Zylinderbänke etwa gleiche Abgas­ gegendrücke realisiert sowie der Turbolader eingangsseitig mit Druck beaufschlagt und ausgangsseitig am Turbolader eine Druckabsenkung bewirkt. Besonders wird damit im niedrigen Last- und Drehzahlbereich die Leistung des Tur­ boladers angehoben.

Vorbekannt ist durch die Schrift DE 43 12 085 A1 ein Steuerungssystem für den Ladungswechsel eines Verbrennungsmotors mit mechanisch angetriebenem Lader und nachgeschaltetem Abgaskatalysator sowie folgender spezieller Ausführung und Funktion:

• - Jeder Zylinder des Verbrennungsmotors weist zwei Einlaß- und Auslaßventile auf, wobei diese Ventile paarweise jeweils alternativ von einem, der zwei mit unterschiedlicher Öffnungscharakteristik versehenen Nocken, betrieben werden können.
• - Sowohl für die Paare der Einlaßventile als auch für die Auslaßventile ist alternativ eine lange oder kurze Öffnungsperiode mittels der unterschied­ lichen Nocken einstellbar.
• - Ist die Öffnungsperiode sowohl für die Einlaßventile als auch für die Auslaß­ ventile kurz, so ergibt sich eine kurze Überschneidung von Ein- und Auslaß.
• - Ist die Öffnungsperiode sowohl für die Einlaßventile als auch für die Auslaß­ ventile lang, so ergibt sich eine lange Überschneidung von Ein- und Auslaß.

Diese Art der Steuerung regelt ausschließlich die Überschneidung von Ein- und Auslaß während des Betriebes, dabei öffnen stets alle vier Ventile eines Zylinders, ohne Rücksicht auf den jeweiligen Betriebszustand. Damit sind stets die gesamten Einlaß- und Auslaßquerschnitte eines Zylinders beim Ladungswechsel wirksam. Dies ist für die Ansaug- und Auslaßströmungsverhältnisse beim Ladungswechsel nicht für alle Lastzustände optimal.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem vor­ zugsweise fremdgezündeten Verbrennungsmotor mit vier Ventilen pro Zylinder und Turboaufladung sowie einer nach­ geschalteten Abgasanlage mit Katalysator, die Auswechsel­ vorgänge hinsichtlich optimaler Füllung des Motors, gutem Ansprechen des Turboladers in allen Lastbereichen und schnellem Anspringen des Katalysators zu steuern.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches beschriebene Betriebsweise bei einem Verbrennungsmotor mit Aufladung und vier Ventilen, von denen je ein Aus- und Einlaßventil abschaltbar ist, gelöst. Die angegebene Aufteilung der Bereiche von Zwei-, Drei- und Vierventilbetrieb im Betriebskennfeld ist hinsichtlich der erzielten Parameter für Leistung, Drehmomenthöhe und -verlauf sowie Kraftstoffverbrauch günstig.

In den Unteransprüchen genannte weiter Maßnahmen op­ timieren das Betriebsverhalten. Diese werden in der nach­ folgenden Beschreibung zusammen mit den Wirkungen erörtert.

Anhand einer Zeichnung wird ein Verbrennungsmotor mit Aufladung zusammen mit den Betriebskennfeldern ge­ mäß des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Verbrennungsmotor mit Aufladung und vier Ventilen je Zylinder, von denen je ein Aus- und Einlaßventil abschaltbar ist, in schematisierter Darstellung,

Fig. 2 ein Betriebskennfeld mit den Bereichen von Zwei-, Drei- und Vierventilbetrieb,

Fig. 3 ein Betriebskennfeld mit den Bereichen von Zwei-, Drei- und Vierventilbetrieb nach einem Anfahren.

In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau eines Verbrennungs­ motors gezeigt der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfah­ ren betrieben werden kann.

Der Motor 1 ist mit vier Zylindern Zylinderblock 4 ausge­ stattet, die jeweils zwei Ein- 3 und zwei Auslaßventile 4 auf­ weisen. Jeweils eines der Ein- 3a und eines der Auslaßven­ tile 4a ist abschaltbar. Dabei können je nach Motorkonzep­ tion die abschaltbaren Ventile 3a; 4a einer Seite der Zylin­ derhälften oder diagonal im Zylinder angeordnet sein. Diese Ventile 3a; 4a sind im abgeschalteten Zustand stets ge­ schlossen oder führen aus betriebstechnischen Gründen, z. B. zum Freihalten der Ventilsitze, nur einen den Ladungs­ wechsel nicht beeinflussenden Minimalhub aus. Beide Aus­ laßventile 4; 4a eines Zylinders münden in einem Abgaska­ nal 40, wobei die Abgaskanäle 40 aller Zylinder des Motors 1 einem Abgassammelkrümmer 5 mit einem nachgeschalte­ ten Abgasturbolader 6 angeschlossen sind. Vom Abgastur­ bolader 6 gelangt das Abgas in eine mit einem Abgaskataly­ sator 80 ausgestatteten Abgasanlage 8.

Der Abgasturbolader 6 speist den Ansaugtrakt 7 des Mo­ tors 1, der sich zu den einzelnen Zylindern bzw. deren Ein­ laßkanälen 30 hin verzweigt. Im Ansaugtrakt 7 ist ein Lade­ luftkühler 71 angeordnet.

Fig. 2 zeigt das Betriebskennfeld eines vorbeschriebenen Motors 1 mit den Kennlinien von maximalem Drehmoment NMd_max und zugehöriger Leistung N in relativierter Dar­ stellung, jeweils bezogen mit seinen Drehmoment- und Drehzahlgrößen auf das Nenndrehmoment NMd bzw. die Nenndrehzahl nN. Eingezeichnet sind die Bereiche V2; V3; V4 des Betriebes mit zwei 3; 4, drei 3; 3a; 4a oder vier 3; 3a; 4; 4a Ventilen je Zylinder gemäß den im Hauptanspruch an­ gegebenen Grenzen und Parameter. Dabei bedeutet:
V2 Jeder Zylinder wird nur mit einem Ein- und einem Aus­ laßventil betrieben.
V3 Jeder Zylinder wird mit zwei Einlaßventilen und einem Auslaßventil betrieben.
V4 Jeder Zylinder wird mit beiden Ein- und Auslaßventilen betrieben.

Die stark eingegrenzten Flächen mit jeweils nur einfacher Schraffur kennzeichnen den prinzipiellen Bereichen der je­ weilig angegebenen Betriebsart. Die dazwischen liegenden Flächen mit mehrfacher Schraffur bilden die Variations­ breite für die Bereiche des Betriebes mit zwei, drei oder vier Ventilen gemäß dem Angaben in den Ansprüchen 1 und 6.

Es zeigte sich, daß mit dem angegebenen Betriebsberei­ chen ein vorteilhaftes Verhalten bei Lastwechsel, sparsamer Verbrauch bei niedrigen und mittleren Drehzahlen, sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Laststufen, erreicht wird. Oberhalb der vorgenannten Betriebsbereiche werden die bei Vierventil-Motoren üblichen Ergebnisse erzielt.

Vorteilhaft für den Ladungswechsel ist es, wenn im unte­ ren Drehzahlbereich entsprechend 20 bis 50% der Nenn­ drehzahl nN jene, die taktgemäß öffnenden Einlaßventile 3; 3a betätigende Nockenwelle zu späterem Öffnen als bei ho­ hen Drehzahlen hin verstellt wird.

Im Kaltstartbetrieb wird nur je ein Ein- 3 und Auslaßven­ til 4 pro Zylinder taktgemäß betrieben, was eine schnellere Erwärmung der Zylindereinheiten fördert. Zusätzlich wird jene, die Auslaßventile 4 betätigende, Nockenwelle zu frü­ herem Öffnen als bei Betriebstemperatur verstellt. Mit letz­ terer Maßnahme wird einerseits eine höherer Druck für den Turbolader zu Verfügung gestellt, womit der Ladedruck er­ höht wird, und andererseits dem Katalysator heißeres Abgas zugeführt. Der Katalysator gelangt damit schneller auf Be­ triebstemperatur.

Im Leerlaufbetrieb wird vorteilhaft nur jeweils ein Ein- 3 und Auslaßventil 4 pro Zylinder taktgemäß betrieben. Dies sichert einerseits einen geringeren Aufwand an Leistung für den Ventiltrieb und andererseits sofortigen V2 Betrieb beim Erhöhen der Motordrehzahl zum Anfahren oder Beschleuni­ gen des Fahrzeuges.

Bei Anfahrvorgängen wird der V2 Betrieb bis zum Errei­ chen einer Mindestgeschwindigkeit V_min nV_min und/oder zu einer das Nennmoment NMd ergebenden Drehzahl nNMd beibehalten, siehe Fig. 3. In diesem Betriebskennfeld sind als Grenzen für den V3-Betrieb im Lastbereich bis zu 35% Nmdm und im Drehzahlbereich von nV_min bis 60% nV ein­ gezeichnet.

Bezugszeichenliste

1

Motor

2

Zylinderblock

3

Einlaßventile

30

Einlaßkanäle

3

aschaltbare Einlaßventile

4

Auslaßventil

40

Abgaskanal

4

aabschalbare Auslaßventile

5

Abgassammelkrümmer

6

Abgasturbolader

7

Ansaugtrakt

71

Ladeluftkühler

8

Abgasanlage

80

Abgaskatalysator
NMdNennmoment, es entspricht dem höchsten Drehmo­ ment des Motors.
nNNenndrehzahl sie entspricht der Drehzahl mit höchster Leistung.
nNMdDrehzahl, bei der höchstes Drehmoment vom Motor abgegeben wird.
nV_min

Drehzahl, bei der im Anfahrgang eine Mindestge­ schwindigkeit erreicht wird.
V2Betriebsbereich in dem jeder Zylinder nur mit einem Ein- und einem Auslaßventil betrieben wird.
V3Betriebsbereich in dem jeder Zylinder mit beiden Ein­ laßventilen, jedoch nur einem Auslaßventil betrieben wird.
V4Betriebsbereich in dem jeder Zylinder mit beiden Ein­ laß- und Auslaßventilen betrieben wird.
NLeistung bei Md_max

Md_max

max. Drehmoment - Vollast
nDrehzahl des Motors

Claims (6)

1. Verfahren zum Betreiben eines Mehrzylinder-Verbrennungsmotors, der vorzugsweise in einem Fahrzeug als Ottomotor betrieben wird, mit folgenden Merkmalen:

• 1. jeder Zylinderkopf weist zwei Einlaß- und zwei Auslaßventile auf,
• 2. die Einlaßventile haben unterschiedliche Öffnungszeiten,
• 3. ein Einlaßkanal ist betriebszustandsabhängig absperrbar,
• 4. im Hochdrehzahlbereich sind jeweils beide Ein- und Auslaßventile wirksam,
• 5. beide Auslaßventile jedes Zylinders sind über einen Abgaskanal am Abgastrakt angeschlossen, der in einem nachgeschalteten Abgasturbo­ lader eingangsseitig mündet,
• 6. der Abgasturbolader ist ausgangsseitig mit einem Abgasreinigungs­ systemverbund,

gekennzeichnet durch folgende Betriebsweisen,

• 1. im unteren Drehzahlbereich, entsprechend 20% bis 50% der Nenn­ drehzahl (nN), und unterhalb des Lastmomentes von 25% bis 35% des Nennmomentes (NMd) werden zwei Auslaßventile (4; 4a) und ein Einlaßventil (3) taktgemäß betrieben, wobei diese Betriebsart (V3) darüber hinaus bis zu einer Drehzahl entsprechend 60% der Nenn­ drehzahl (nN) eingestellt sein kann,
• 2. bei einem Lastmoment oberhalb von 25% bis 35% des Nennmomentes (NMd) wird nur je ein Ein- (3) und Auslaßventil (4) pro Zylinder taktge­ mäß betrieben, wobei diese Betriebsart (V2) bis zum Erreichen des Nennmomentes (NMd) bzw. bis zu einer Drehzahl entsprechend 35% der Nenndrehzahl (nN) beibehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im unteren Drehzahlbereich, entsprechend 20% bis 50% der Nenndreh­ zahl (nN), die Nockenwelle, welche die taktgemäß öffnenden Einlaßventile (3) betätigt, zu einem späteren Öffnen dieser Einlaßventile (3) als bei hohen Drehzahlen verstellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Kaltstartbetrieb nur je ein Ein- (3) und Auslaßventil (4) pro Zylinder taktgemäß betrieben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Kaltstartbetrieb die, die Auslaßventile (4) betätigende Nockenwelle zu früherem Öffnen hin verstellt wird, als bei Betriebstemperatur.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Leerlaufbetrieb je ein Ein- (3) und Auslaßventil (4) pro Zylinder taktgemäß betrieben wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anfahrvorgängen jeweils ein Ein- (3) und Auslaßventil (4) pro Zylinder taktgemäß betrieben wird, wobei diese Betriebsart (V2) bis zum Erreichen einer Mindestgeschwindigkeit und / oder zu einer das Nennmoment (NMd) ergebenden Drehzahl (nV_min oder nNMd) eingestellt bleibt.