DE60301093T2

DE60301093T2 - Vorrichtung und Verfahren zur Steuerung eines Otto-Miller Motors

Info

Publication number: DE60301093T2
Application number: DE60301093T
Authority: DE
Inventors: K. Jason Peoria Bloms; J. James Peoria Faletti; A. Scott Peoria Leman; A. David Peoria Pierpont; R. James Peoria Weber
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2002-05-14
Filing date: 2003-04-02
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2023-04-03
Also published as: US6928969B2; EP1369567B1; US20030213449A1; DE60301093D1; EP1369567A1; US20060011159A1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung ist auf ein System und ein Verfahren zur Steuerung des Betriebs eines Motors gerichtet. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung auf ein System und ein Verfahren zur Steuerung des Betätigungszeitpunktes von Motorventilen gerichtet.
Hintergrund
Der Betrieb eines Verbrennungsmotors, wie beispielsweise eines Diesel-, Benzin- oder Erdgas-Motors kann die Erzeugung von unerwünschten Immissionen bewirken. Diese Emissionen, die Partikel und Stickoxide (NOx) aufweisen können, werden erzeugt, wenn Brennstoff in einer Brennkammer des Motors verbrannt wird. Ein Auslasshub eines Motorkolbens drückt Abgas, welches diese Emissionen aufweisen kann, aus dem Motor. Wenn keine Maßnahmen zur Verringerung von Immissionen stattfinden, werden diese nicht wünschenswerten Emissionen schließlich in die Umgebung ausgestoßen.
Die Forschung ist gegenwärtig auf die Verringerung der Menge der nicht wünschenswerten Emissionen gerichtet, die während des Betriebs eines Motors in die Umgebung ausgestoßen werden. Es wird erwartet, dass eine verbesserte Motorkonstruktion und eine verbesserte Steuerung des Motorbetriebes zu einer Verringerung der Erzeugung von nicht wünschenswerten Emissionen führen kann. Viele unterschiedliche Ansätze, wie beispielsweise die Abgasrückzirkulation, Wassereinspritzung, Brennstoffeinspritzzeitsteuerung und Brennstoffformeln haben erwiesenermaßen die Menge der Emissionen reduziert, die während des Betriebs eines Motors erzeugt werden. Nachbehandlungen, wie beispielsweise Fallen und Katalysatoren, haben erwiesenermaßen Emissionen aus einem Abgasfluss entfernt. Unglücklicherweise hat die Einrichtung dieser Ansätze zur Verringerung von Emissionen typischerweise eine Verringerung des Gesamtwirkungsgrades des Motors zur Folge.
Zusätzliche Bemühungen sind darauf fokussiert gewesen, den Motorwirkungsgrad zu verbessern, um den Wirkungsgradverlust aufgrund von Emissionsreduktionssystemen zu kompensieren. Ein solcher Ansatz zur Verbesserung des Motorwirkungsgrades sieht die Einstellung der Betätigungszeitsteuerung der Motorventilen vor. Beispielsweise kann die Zeitsteuerung der Einlass- und Auslassventile modifiziert werden, um eine Variation des typischen Diesel- oder Otto-Zyklus einzurichten, der als Miller-Zyklus bekannt ist. In einem Miller-Zyklus mit "spätem Einlass" werden die Einlassventile des Motors während eines Teils des Kompressionshubes des Kolbens offen gehalten.
Die Motorventile in einem Verbrennungsmotor werden typischerweise durch eine Nockenanordnung angetrieben, die betriebsmässig mit der Kurbelwelle des Motors verbunden ist. Die Drehung der Kurbelwelle hat eine entsprechende Drehung einer Nocke zur Folge, die eine oder mehrere Nockenfolgevorrichtungen antreibt. Die Bewegung der Nockenfolgevorrichtungen hat eine Betätigung der Motorventile zur Folge. Die Form der Nocke regelt die Zeitsteuerung und die Dauer der Ventilbetätigung. Wie im US-Patent 6 237 551 von Macor u.a. beschrieben, das am 29. Mai 2001 ausgegeben wurde, kann ein Miller-Zyklus mit "spätem Einlass" in einer derartigen Nockenanordnung eingerichtet werden, in dem man die Form der Nocke modifiziert, so dass die Betätigung des Einlassventils mit dem Beginn des Kompressionshubes des Kolbens überlappt. Weiterhin sei hingewiesen auf US 4 084 557 A1 .
Während Einstellungen an der Ventilbetätigungszeitsteuerung Vorteile beim Wirkungsgrad bieten können, können jedoch diese Einstellungen am Betätigungszeitpunkt auch eine nachteilige Motorleistung unter gewissen Betriebsbedingungen zur Folge haben. Beispielsweise kann ein Miller-Zyklus mit spätem Einlass ineffizient sein, wenn der Motor startet, wenn er unter Bedingungen bei Kälte arbeitet, oder wenn er einen transienten Zustand erfährt, wie beispielsweise eine plötzliche Steigerung der Motorbelastung. Die se schädliche bzw. schlechte Motorleistung wird durch eine Verringerung der Luftmasse verursacht, die durch den Motor fließt. Insbesondere bei kalten Umgebungsbedingungen kann der verzögerte Beginn der Kompression zu Zylindertemperaturen führen, die nicht ausreichen, um gute Verbrennungsvorgänge und einen leichten Start zu unterstützen.
Wie oben erwähnt wird der Betätigungszeitpunkt eines Ventilsystems, welches durch eine Nockenanordnung angetrieben wird, durch die Form der Antriebsnocke bestimmt. Weil die Form der Nocke festgelegt ist, ist diese Art der Anordnung unflexibel und kann nur während des Betriebs des Motors durch Anwendung von komplexen mechanischen Mechanismen verändert werden.
Das Motorbetriebssteuersystem und das Verfahren der vorliegenden Erfindung lösen eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt ist die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Betrieb eines Motors gerichtet, der einen Zylinder aufweist, weiter ein Einlassventil, welches mit dem Zylinder assoziiert ist und bewegbar ist zwischen einer ersten Position, wo das Einlassventil einen Strömungsmittelfluss zum Zylinder verhindert, und einer zweiten Position, wo das Einlassventil einen Strömungsmittelfluss zum Zylinder gestattet, eine Nockenanordnung, die mit dem Einlassventil verbunden ist, um das Einlassventil zwischen den ersten und zweiten Positionen zu bewegen, und eine Betätigungsvorrichtung, die mit dem Einlassventil verbunden ist. Mindestens ein Betriebsparameter des Motors wird abgefühlt. Der Motor wird in einem ersten Betriebszustand ansprechend darauf betrieben, dass der abgefühlte Betriebsparameter in einem von einem vorbestimmten ersten Satz von Zuständen ist. In dem ersten Betriebszustand beginnt die Nockenanordnung, das Einlassventil aus der ersten Position zur zweiten Position zu bewegen, wenn der Kolben auf oder nahe einer oberen Totpunktposition eines Einlasshubes ist, und die Nocken anordnung stellt das Einlassventil zurück in die erste Position, wenn der Kolben auf oder nahe einer unteren Totpunktposition des Einlasshubes ist. Der Motor wird in einem zweiten Betriebszustand ansprechend darauf betrieben, dass der abgefühlte Betriebsparameter in einem von einem vorbestimmten zweiten Satz von Zuständen ist. In dem zweiten Betriebszustand beginnt die Nockenanordnung, das Einlassventil aus der ersten Position zur zweiten Position zu bewegen, wenn der Kolben auf oder nahe einer oberen Totpunktposition eines Einlasshubes ist, und das Einlassventil beginnt, sich zu der geschlossenen Position zu bewegen, wobei die Betätigungsvorrichtung verhindert, dass das Einlassventil ansprechend auf die Nockenanordnung in die erste Position zurückkehrt.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist die vorliegende Erfindung auf einen Motor gerichtet, der einen Motorblock aufweist, der einen Zylinder definiert. Ein Kolben ist verschiebbar innerhalb des Zylinders angeordnet und ist bewegbar zwischen einer oberen Totpunktposition und einer unteren Totpunktposition. Ein Einlassventil ist betriebsmässig mit dem Zylinder assoziiert und ist bewegbar zwischen einer ersten Position, wo das Einlassventil verhindert, das Strömungsmittel zum Zylinder fließt, und einer zweiten Position, wo ein Strömungsmittelfluss in dem Zylinder eintreten darf. Eine Nockenanordnung ist mit dem Einlassventil verbunden, um das Einlassventil zwischen den ersten und zweiten Positionen zu bewegen. Eine Betätigungsvorrichtung ist konfiguriert, um selektiv zu verhindern, dass das Einlassventil in die erste Position zurückkehrt. Ein Sensor ist konfiguriert, um mindestens einen Betriebsparameter des Motors abzufühlen. Eine Steuervorrichtung ist betreibbar, um selektiv den Motor in einem ersten Betriebszustand oder in einem zweiten Betriebszustand basierend auf dem abgefühlten Betriebsparameter zu betreiben. Im ersten Betriebszustand beginnt die Nockenanordnung, das Einlassventil von der ersten Position zur zweiten Position zu bewegen, wenn der Kolben auf oder nahe der oberen Totpunktposition eines Einlasshubes ist, und die Nockenanordnung bringt das Einlassventil zur ersten Position zurück, wenn der Kolben auf oder nahe einer unteren Totpunktposition des Einlasshubes ist. Im zweiten Betriebszustand beginnt die Nockenanordnung, das Einlassventil von der ersten Position zur zweiten Position zu bewegen, wenn der Kolben auf oder nahe der oberen Totpunktposition eines Einlasshubes ist, und die Betätigungsvorrichtung verhindert, dass das Einlassventil in die erste Position ansprechend auf die Nockenanordnung zurückkehrt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine diagrammartige Querschnittsansicht eines beispielhaften Ausführungsbeispiels eines Verbrennungsmotors;
2 ist eine diagrammartige Querschnittsansicht einer Zylinder-Ventil-Betätigungsanordnung gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine schematische und diagrammartige Darstellung eines Strömungsmittelversorgungssystems einer Strömungsmittelbetätigungsvorrichtung für ein Motorventil gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4a ist eine schematische und diagrammartige Darstellung eines Strömungsmittelversorgungssystems für eine Strömungsmittelbetätigungsvorrichtung gemäß einem weiteren beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4b ist eine schematische und diagrammartige Darstellung eines Strömungsmittelversorgungssystems für eine Strömungsmittelbetätigungsvorrichtung gemäß einem weiteren beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 ist eine grafische Darstellung einer beispielhaften Einlassventilbetätigung als eine Funktion des Motorkurbelwellenwinkels gemäß der vorliegenden Erfindung; und
6 ist ein Flussdiagramm, welches ein beispielhaftes Verfahren zur Steuerung des Betriebs eines Motors gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Detaillierte Beschreibung
Ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors 20 ist in 1 veranschaulicht. Für die Zwecke der vorliegenden Offenbarung wird der Motor 20 als ein Vier-Takt-Diesel-Motor abgebildet und beschrieben. Der Fachmann wird jedoch erkennen, dass der Motor 20 irgendeine andere Bauart eines Verbrennungsmotors sein kann, wie beispielsweise ein Benzin- oder Erdgas-Motor.
Wie in 1 veranschaulicht weist der Motor 20 einen Motorblock 28 auf, der eine Vielzahl von Zylindern 22 definiert. Ein Kolben 24 ist verschiebbar innerhalb jedes Zylinders 22 angeordnet. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel weist der Motor 20 sechs Zylinder 22 und 6 assoziierte Kolben 24 auf. Der Fachmann wird leicht erkennen, dass der Motor 20 eine größere oder geringere Anzahl von Kolben 24 aufweisen kann, und dass die Kolben 24 in einer "Reihen-Konfiguration", in einer "V-Konfiguration" oder in irgendeiner anderen herkömmlichen Konfiguration angeordnet sein können.
Wie in 1 gezeigt, weist der Motor 20 eine Kurbelwelle 27 auf, die drehbar innerhalb des Motorblockes 28 angeordnet ist. Eine Verbindungsstange 26 verbindet jeden Kolben 24 mit der Kurbelwelle 27. Jeder Kolben 24 ist mit der Kurbelwelle 27 gekoppelt, so dass eine Gleitbewegung des Kolben 24 innerhalb des jeweiligen Zylinders 22 eine Drehung der Kurbelwelle 27 zur Folge hat. In ähnlicher Weise wird eine Drehung der Kurbelwelle 27 eine Gleitbewegung des Kolbens 24 zwischen einer oberen Totpunktposition und einer unteren Totpunktposition innerhalb des Zylinders 22 zur Folge haben.
Der Motor 20 weist auch einen Zylinderkopf 30 auf. Der Zylinderkopf 30 definiert einen Einlassdurchlassweg 41, der zu mindestens einem Einlassanschluss 36 für jeden Zylinder 22 führt. Der Zylinderkopf 30 kann weiter zwei oder mehr Einlassanschlüsse 36 für jeden Zylinder 22 definieren. Ein Einlassventil 32 ist in jedem Einlassanschluss 36 angeordnet. Das Einlassventil 32 weist ein Ventilelement 40 auf, welches konfiguriert ist, um selektiv den Einlassanschluss 36 zu blockieren. Wie genauer unten beschrieben wird, kann jedes Einlassventil 32 betätigt werden, um das Ventilelement 40 von einer ersten oder geschlossenen Position weg zu bewegen oder "anzuheben", wo das Ventilelement 40 einen Strömungsmittelfluss durch den jeweiligen Einlassanschluss 36 verhindert, und zwar zu einer zweiten oder offenen Position, wo das Ventilelement 40 einen Strömungsmittelfluss durch den jeweiligen Einlassanschluss 36 gestattet. Die Einlassventile 32 für jeden Zylinder 22 können gleichzeitig oder unabhängig betätigt werden.
Der Zylinderkopf 30 definiert auch mindestens einen Auslassanschluss 38 für jeden Zylinder 22. Jeder Auslassanschluss 38 führt von den jeweiligen Zylinder 22 zu einem Auslassdurchlassweg 43. Der Zylinderkopf 30 kann weiter zwei oder mehr Auslassanschlüsse 38 für jeden Zylinder 22 definieren.
Ein Auslassventil 34 ist innerhalb jedes Auslassanschlusses 38 angeordnet. Das Auslassventil 34 weist ein Ventilelement 48 auf, das konfiguriert ist, um selektiv den Auslassanschluss 38 zu blockieren. Wie genauer unten beschrieben kann jedes Auslassventil 34 betätigt werden, um das Ventilelement 48 anzuheben, um dadurch den jeweiligen Auslassanschluss 38 zu öffnen. Die Auslassventile 34 für jeden Zylinder 22 können gemeinsam oder unabhängig betätigt werden.
2 veranschaulicht ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel von einem Zylinder 22 des Motors 20. Wie gezeigt definiert der Zylinderkopf 30 ein Paar von Einlassanschlüssen 36, die den Einlassdurchlassweg 41 mit dem Zylinder 22 verbinden. Jeder Einlassanschluss 36 weist einen Ventilsitz 50 auf. Ein Einlassventil 32 ist in jedem Einlassanschluss 36 angeordnet. Das Ventilelement 40 des Einlassventils 32 ist konfiguriert, um mit dem Ventilsitz 50 in Eingriff zu kommen. Wenn das Einlassventil 32 in einer geschlossenen Position ist, kommt das Ventilelement 40 in Eingriff mit dem Ventilsitz 50, um den Einlassanschluss 36 zu schließen und blockiert dem Strömungsmittelfluss relativ zum Zylinder 22. Wenn das Einlassventil 32 von der geschlossenen Position angehoben wird, gestattet das Einlassventil 32 einen Strömungsmittelfluss relativ zum Zylinder 22.
In ähnlicher Weise kann der Zylinderkopf 30 zwei oder mehrere Auslassanschlüsse 38 definieren (von denen nur einer in 1 veranschaulicht ist), die den Zylinder 22 mit dem Auslassdurchlassweg 43 verbinden. Ein Auslassventil 34 ist innerhalb jedes Auslassanschlusses 38 angeordnet. Ein Ventilelement 48 von jedem Auslassventil 34 ist konfiguriert, um den Auslassanschluss 38 zu schließen, wenn das Auslassventil 34 in einer geschlossenen Position ist, und den Strömungsmittelfluss relativ zum Zylinder 22 blockiert. Wenn das Auslassventil 34 von der geschlossenen Position angehoben wird, gestattet das Auslassventil 32 einen Strömungsmittelfluss relativ zum Zylinder 22.
Wie ebenfalls in 1 gezeigt ist eine Reihe von Ventilbetätigungsanordnungen 44 betriebsmässig mit jedem Einlassventil 32 und jedem Auslassventil 34 assoziiert. Jede Ventilbetätigungsanordnung 44 ist betreibbar, um das assoziierte Einlassventil 32 oder Auslassventil 34 zu öffnen. In der folgenden beispielhaften Beschreibung wird die Ventilbetätigungsanordnung 44 durch eine Kombination einer Nockenanordnung 52 und einer Strömungsmittelbetätigungsvorrichtung 70 angetrieben. Der Fachmann wird jedoch erkennen, dass die Ventilbetätigungsanordnung 44 durch andere Arten von Systemen angetrieben werden kann, wie beispielsweise durch ein hydraulisches Betätigungssystem, ein Elektromagnetensystem oder irgend eine Kombination davon. In dem beispielhaften Ausführungsbeispiel der 2 weist die Ventilbetätigungsanordnung 44 eine Brücke 54 auf, die mit jedem Ventilelement 40 durch ein Paar von Ventilschäften 46 verbunden ist. Eine Feder 56 kann um jeden Ventilschaft 46 zwischen dem Zylinderkopf 30 und der Brücke 54 angeordnet sein. Die Feder 56 wirkt dahingehend, dass sie beide Ventilelemente 40 in Eingriff mit dem jeweiligen Ventilsitz 50 vorspannt, um dadurch jeden Einlassanschluss 36 zu schließen.
Die Ventilbetätigungsanordnung 44 weist auch einen Kipphebel 64 auf. Der Kipphebel 64 ist konfiguriert, um um einen Schwenkpunkt 66 zu schwenken. Ein Ende 68 des Kipphebels 64 ist mit der Brücke 54 verbunden. Das gege nüberliegende Ende des Kipphebels 64 ist mit einer Nockenanordnung 52 verbunden. In dem beispielhaften Ausführungsbeispiel der 2 weist die Nockenanordnung 52 eine Nocke 60 mit einem Nockenansatz auf, der an einer Nockenwelle montiert ist, weiter eine Druckstange 61 und eine Nockenfolgevorrichtung 62. Der Fachmann wird erkennen, dass die Nockenanordnung 52 andere Konfigurationen haben kann, wie beispielsweise eine, wo die Nocke 60 direkt auf den Kipphebel 64 wirkt.
Die Ventilbetätigungsanordnung 44 kann durch die Nocke 60 angetrieben werden. Die Nocke 60 ist mit der Kurbelwelle 27 verbunden, so dass eine Drehung der Kurbelwelle 27 eine entsprechende Drehung der Nocke 60 einleitet. Die Nocke 60 kann mit der Kurbelwelle 27 durch irgendwelche Mittel verbunden sein, die dem Fachmann leicht offensichtlich sind, wie beispielsweise durch eine (nicht gezeigte) Zahnradreduktionsanordnung. Wie der Fachmann erkennen wird, wird eine Drehung der Nocke 60 bewirken, dass die Nockenfolgevorrichtung 62 und die assoziierte Druckstange 61 sich periodisch zwischen einer ersten oder oberen Position und einer zweiten oder unteren Position hin und her bewegen.
Die Hin- und Herbewegung der Druckstange 61 bewirkt, dass der Kipphebel 64 um den Schwenkpunkt 66 schwenkt. Wenn sich die Druckstange 61 in der Richtung bewegt, die durch den Pfeil 58 gezeigt wird, wird der Kipphebel 64 schwenken und die Brücke 54 in der entgegengesetzten Richtung bewegen. Die Bewegung der Brücke 54 bewirkt, dass jedes Einlassventil 32 sich anhebt und die Einlassanschlüsse 36 öffnet. Wenn sich die Nocke 60 weiter dreht, werden die Federn 56 dahingehend wirken, dass sie auf die Brücke 54 wirken, um jedes Einlassventil 32 in die geschlossene Position zurückzubringen.
In dieser Weise steuern die Form und die Orientierung der Nocke 60 die Zeitsteuerung der Betätigung der Einlassventile 32. Wie der Fachmann erkennen wird, kann die Nocke 60 konfiguriert sein, um die Betätigung der Einlassventile 32 mit der Bewegung des Kolbens 24 zu koordinieren. Beispiels weise können die Einlassventile 32 betätigt werden, um die Einlassanschlüsse 36 zu öffnen, wenn der Kolben 24 sich zu einer unteren Totpunktposition innerhalb des Zylinders 22 bewegt, um zu gestatten, dass Luft vom Einlassdurchlassweg 41 in den Zylinder 22 fließt.
Eine ähnliche Ventilbetätigungsanordnung 44 kann mit den Auslassventilen 34 verbunden sein. Eine zweite (nicht gezeigte) Nocke kann mit der Kurbelwelle 27 verbunden sein, um den Betätigungszeitpunkt der Auslassventile 34 zu steuern. Die Auslassventile 34 können betätigt werden, um die Auslassanschlüsse 38 zu öffnen, wenn der Kolben 24 sich zu einer oberen Totpunktposition innerhalb des Zylinders 22 bewegt, um zu gestatten, das Abgas aus dem Zylinder 22 in den Auslassdurchlassweg 34 fließt.
Wie in 2 gezeigt, weist die Ventilbetätigungsanordnung 44 auch eine Strömungsmittelbetätigungsvorrichtung 70 auf. Die Strömungsmittelbetätigungsvorrichtung 70 weist einen Betätigungsvorrichtungszylinder 72 auf, der eine Betätigungsvorrichtungskammer 76 definiert. Ein Betätigungsvorrichtungskolben 74 ist verschiebbar innerhalb des Betätigungsvorrichtungszylinders 72 angeordnet und ist mit einer Betätigungsvorrichtungsstange 78 verbunden. Eine (nicht gezeigte) Rückstellfeder kann auf den Betätigungsvorrichtungskolben 74 wirken, um den Betätigungsvorrichtungskolben 74 in einer Anfangsposition zurück zustellen. Die Betätigungsvorrichtungsstange 78 ist mit einem Ende 68 des Kipphebels 64 in Eingriff zu bringen.
Eine Strömungsmittelleitung 80 ist mit der Betätigungsvorrichtungskammer 76 verbunden. Unter Druck gesetztes Strömungsmittel kann durch die Strömungsmittelleitung 80 in die Betätigungsvorrichtungskammer 76 geleitet werden, um den Betätigungsvorrichtungskolben 74 innerhalb des Betätigungsvorrichtungszylinders 72 zu bewegen. Die Bewegung des Betätigungsvorrichtungskolbens 74 bewirkt, dass die Betätigungsvorrichtungsstange 78 mit dem Ende 68 des Kipphebels 64 in Eingriff kommt. Strömungsmittel kann in die Betätigungsvorrichtungskammer 76 eingeleitet werden, wenn die Einlassventile 32 in der offenen Position sind, um die Betätigungsvorrichtungs stange 78 in Eingriff mit dem Kipphebel 64 zu bringen, um dadurch die Einlassventile 32 in der offenen Position zu halten. Alternativ kann Strömungsmittel in die Betätigungsvorrichtungskammer 76 eingeleitet werden, wenn die Einlassventile 32 in der geschlossenen Position sind, um die Betätigungsvorrichtungsstange 78 in Eingriff mit dem Kipphebel 64 zu bewegen, und um den Kipphebel 64 um den Schwenkpunkt 66 zu schwenken, um dadurch die Einlassventile 32 zu öffnen.
Wie in den 1 und 3 veranschaulicht, ist eine Niederdruck-Strömungsmittelquelle 84 vorgesehen, um Strömungsmittel von einem Tank 87 zu ziehen und unter Druck gesetztes Strömungsmittel zu der Strömungsmittelbetätigungsvorrichtung 70 zu liefern. Der Tank 87 kann irgendeine Art von Strömungsmittel enthalten, die dem Fachmann leicht offensichtlich ist, wie beispielsweise Hydraulikströmungsmittel, Brennstoff oder Getriebeströmungsmittel. Die Niederdruck-Strömungsmittelquelle 84 kann ein Teil eines Schmiersystems sein, wie es typischerweise einen Verbrennungsmotor begleitet. Ein solches Schmiersystem kann unter Druck gesetztes Öl mit einem Druck von beispielsweise weniger als 700 kPa (100 psi) oder insbesondere zwischen ungefähr 410 kPa und 620 kPa (60 psi und 90 psi) sein. Alternativ kann die Strömungsmittelquelle eine Pumpe sein, die konfiguriert ist, um Öl mit einem höheren Druck zu liefern, wie beispielsweise zwischen ungefähr 10 MPa und 35 MPa (1450 psi und 5000 psi).
Ein Strömungsmittelversorgungssystem 79 verbindet die Niederdruck-Strömungsmittelquelle 84 mit der Strömungsmittelbetätigungsvorrichtung 70. In dem beispielhaften Ausführungsbeispiel der 3 ist die Niederdruck-Strömungsmittelquelle 84 mit einer Strömungsmittel-Rail 86 (Rail = Druckleitung) durch die Strömungsmittelleitung 85 verbunden. Ein Steuerventil 82 ist in der Strömungsmittelleitung 85 angeordnet. Das Steuerventil 82 kann geöffnet werden, um zu gestatten, dass unter Druck gesetztes Strömungsmittel von der Niederdruck-Strömungsmittelquelle 84 zur Strömungsmittel-Rail 86 fließt. Das Steuerventil 82 kann geschlossen werden, um zu verhindern, dass unter Druck gesetztes Strömungsmittel von der Niederdruck- Strömungsmittelquelle 84 zur Strömungsmittel-Rail 86 fließt.
Wie in 3 veranschaulicht, liefert die Strömungsmittel-Rail 86 unter Druck gesetztes Strömungsmittel von der Niederdruck-Strömungsmittelquelle 84 zu einer Reihe von Strömungsmittelbetätigungsvorrichtungen 70. Jede Strömungsmittelbetätigungsvorrichtung 70 kann mit einem jeweiligen Ventil der Einlassventile 32 oder der Auslassventile 34 eines speziellen Motorzylinders 22 assoziiert sein (siehe 1). Die Strömungsmittelleitungen 80 leiten unter Druck gesetztes Strömungsmittel von der Strömungsmittel-Rail 86 in die Betätigungsvorrichtungskammer 76 von jeder Strömungsmittelbetätigungsvorrichtung 70.
Ein Richtungssteuerventil 88 kann in jeder Strömungsmittelleitung 80 angeordnet sein. Jedes Richtungssteuerventil 88 kann geöffnet werden, um zu gestatten, dass unter Druck gesetztes Strömungsmittel zwischen der Strömungsmittel-Rail 86 und der Betätigungsvorrichtungskammer 76 fließt. Jedes Richtungssteuerventil 88 kann geschlossen werden, um zu verhindern, dass unter Druck gesetztes Strömungsmittel zwischen der Strömungsmittel-Rail 86 und der Betätigungsvorrichtungskammer 76 fließt. Das Richtungssteuerventil 88 kann normalerweise in eine geschlossene Position vorgespannt sein und betätigt werden, um zu gestatten, das Strömungsmittel durch das Richtungssteuerventil 88 fließt. Alternativ kann das Richtungssteuerventil 88 normalerweise in eine offene Position vorgespannt sein und betätigt werden, um zu verhindern, das Strömungsmittel durch das Richtungssteuerventil 88 fließt. Der Fachmann wird erkennen, dass das Richtungssteuerventil 88 irgend eine Art eines steuerbaren Ventils sein kann, wie beispielsweise ein Verriegelungsventil mit zwei Spulen.
Der Fachmann wird erkennen, dass das Strömungsmittelversorgungssystem 79 eine Vielzahl von unterschiedlichen Konfigurationen haben kann. Wie in 4a veranschaulicht kann beispielsweise das Strömungsmittelversorgungssystem 79 ein Rückschlagventil 94 aufweisen, welches parallel zu dem Richtungssteuerventil 88 zwischen dem Steuerventil 82 und der Strömungs mittelbetätigungsvorrichtung 70 angeordnet ist. Das Rückschlagventil 94 kann konfiguriert sein, um zu gestatten, das Strömungsmittel in der Richtung von dem Steuerventil 82 zur Strömungsmittelbetätigungsvorrichtung 70 fließt.
Wie ebenfalls in 4a gezeigt, kann das Strömungsmittelversorgungssystem 79 ein Luftableitungsventil 96 aufweisen. Das Luftableitungsventil 96 kann irgend eine Vorrichtung sein, von der dem Fachmann offensichtlich sein wird, dass sie gestatten kann, dass Luft aus einem Hydrauliksystem entweicht. Beispielsweise kann das Luftableitungsventil 96 ein federvorgespanntes Kugelventil sein, welches gestattet, dass Luft durch das Ventil fließt, welches jedoch schließt, wenn es einen Strömungsmitteldruck ausgesetzt ist.
Zusätzlich kann ein Bremsventil 98 (snubbing valve) in der Strömungsmittelleitung 81 angeordnet sein, die zu der Betätigungsvorrichtungskammer 76 führt. Das Bremsventil 98 kann konfiguriert sein, um einen Strömungsmittelfluss durch die Strömungsmittelleitung 81 einzuschränken. Beispielsweise kann das Bremsventil 98 konfiguriert sein, um die Rate zu verringern, mit der Strömungsmittel aus der Betätigungsvorrichtungskammer 76 austritt, um dadurch die Rate zu verlangsamen, mit der das Einlassventil 32 schließt.
Das Strömungsmittelversorgungssystem 79 kann auch einen Akkumulator 95 aufweisen. Eine einschränkende Zumessöffnung 93 kann in dem Einlass zum Akkumulator 95 angeordnet sein. Wie unten genauer beschrieben, bewirkt die Kombination des Akkumulators 95 und der einschränkenden Zumessöffnung 93 dahingehend, dass sie Oszillationen in der Betätigungsvorrichtungskammer 76 und der Strömungsmittelleitung 80 dämpft, was bewirken kann, dass der Betätigungsvorrichtungskolben 74 oszilliert.
Ein weiteres beispielhaftes Ausführungsbeispiel eines Strömungsmittelversorgungssystems 79 ist in 4b veranschaulicht. Wie gezeigt weist das Strömungsmittelversorgungssystem 79 eine Hochdruck- Strömungsmittelquelle 92 auf. Das Richtungssteuerventil 88 ist konfiguriert, um selektiv entweder die Niederdruck-Strömungsmittelquelle 84 oder die Hochdruck-Strömungsmittelquelle 92 mit der Strömungsmittelleitung 81 zu verbinden. In dieser Weise kann entweder Niederdruck-Strömungsmittel oder Hochdruck-Strömungsmittel zu der Strömungsmittelbetätigungsvorrichtung 70 geleitet werden, um die Anforderungen der gegenwärtigen Betriebsbedingungen zu erfüllen. Das Richtungssteuerventil 88 kann normalerweise in einer Position vorgespannt sein, wo die Niederdruck-Strömungsmittelquelle 84 mit der Strömungsmittelleitung 81 verbunden ist.
Wie in 1 gezeigt, ist eine Steuervorrichtung 100 mit jeder Ventilbetätigungsanordnung 44 und mit dem Steuerventil 82 verbunden. Die Steuervorrichtung 100 kann ein elektronisches Steuermodul aufweisen, welches einen Mikroprozessor und einen Speicher hat. Wie es dem Fachmann bekannt ist, ist der Speicher mit dem Mikroprozessor verbunden und speichert einen Anweisungssatz und Variable. Mit dem Mikroprozessor und einem Teil des elektronischen Steuermoduls sind verschiedene andere bekannte Schaltungen verbunden, wie beispielsweise u. a. eine Leistungsversorgungsschaltung, eine Signalkonditionierungsschaltung und eine Elektromagnettreiberschaltung.
Die Steuervorrichtung 100 kann programmiert sein, um einen oder mehrere Aspekte des Betriebs des Motors 20 zu steuern. Beispielsweise kann die Steuervorrichtung 100 programmiert sein, um die Ventilbetätigungsanordnung 44, das Brennstoffeinspritzsystem und irgendeine andere Motorfunktion zu steuern, die gewöhnlicherweise durch ein elektronisches Steuermodul gesteuert wird. Die Steuervorrichtung 100 kann den Motor 20 basierend auf den gegenwärtigen Betriebsbedingungen des Motors und/oder basierend auf Anweisungen steuern, die von einem Bediener empfangen werden.
Die Steuervorrichtung 100 kann weiter programmiert sein, um Informationen von einem oder mehreren Sensoren aufzunehmen, die betriebsmässig mit dem Motor 20 verbunden sind. Jeder Sensor der möglichen Vielzahl von Sensoren kann konfiguriert sein, um einen Betriebsparameter des Motors 20 abzufühlen. Beispielsweise kann mit Bezugnahme auf 3 ein Sensor 90 mit dem Strömungsmittelversorgungssystem 79 verbunden sein, um die Temperatur des Strömungsmittels innerhalb des Strömungsmittelversorgungssystems 79 abzufühlen. Der Fachmann wird erkennen, dass viele andere Arten von Sensoren in Verbindung mit dem Sensor 90 oder unabhängig von diesem Sensor verwendet werden können. Beispielsweise kann der Motor 20 mit Sensoren ausgerüstet sein, die konfiguriert sind, um einen oder mehrere der folgenden Größen abzufühlen: die Temperatur des Motorkühlmittels, die Oberflächentemperatur des Motors, die Temperatur der Umgebungsluft, die Temperatur der Einlassluft, die Drehzahl des Motors, die Belastung des Motors, die Menge und/oder Rate des Brennstoffes, der zu dem Motor geliefert wird, den Einlassluftdruck, die Öltemperatur, einen Brennkammerdruck, die Abgasemissionen und die Abgastemperatur.
Der Motor 20 kann weiter mit einem Sensor ausgerüstet sein, der konfiguriert ist, um den Kurbelwellenwinkel der Kurbelwelle 27 zu überwachen. Die Position der Kolben 24 innerhalb ihrer jeweiligen Zylinder 22 kann durch den Kurbelwellenwinkel der Kurbelwelle 27 bestimmt werden. Wie der Fachmann erkennen wird, bewegt sich ein Kolben in einem herkömmlichen Vier-Takt-Diesel-Zyklus zwischen einer oberen Totpunktposition und einer unteren Totpunktposition hin und her durch einen Verbrennungshub, einen Auslasshub, einen Einlasshub und einen Kompressionshub. Jeder Kolbenhub entspricht ungefähr 180° der Kurbelwellendrehung. Somit kann der Kolben 24 den Verbrennungshub bei ungefähr 0° beginnen, den Auslasshub bei ungefähr 180°, den Einlasshub bei ungefähr 360° und den Kompressionshub bei ungefähr 540°.
Der Kurbelwellenwinkel der Kurbelwelle 27 steht auch in Beziehung mit dem Betätigungszeitpunkt der Einlassventile 32 und der Auslassventile 34. Eine beispielhafte Kurvendarstellung 102, die die Beziehung zwischen der Einlassventilbetätigung 104 und dem Kurbelwellenwinkel der Kurbelwelle 27 anzeigt, ist in 5 veranschaulicht. Wie gezeigt beginnt das Einlassventil 32, sich bei ungefähr 360° der Kurbelwellendrehung zu öffnen, d. h., wenn der Kolben 24 auf oder nahe einer oberen Totpunktposition des Einlasshubes 106 ist.
Die Steuervorrichtung 100 kann dem Betätigungszeitpunkt der Einlassventile 32 basierend auf Informationen einstellen, die von den Sensoren aufgenommen wurden, die die gegenwärtigen Betriebsbedingungen des Motors 20 betreffen. Ein beispielhaftes Verfahren zur Steuerung des Betriebs des Motors 20 ist in 6 veranschaulicht. Es sei bemerkt, dass verschiedene Modifikationen an dem beispielhaften Verfahren vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Industrielle Anwendbarkeit
Basierend auf Informationen, die von den Motorsensoren geliefert werden, kann die Steuervorrichtung 100 den Motor 20 entweder in einem ersten Betriebszustand oder in einem zweiten Betriebszustand betreiben. Im ersten Betriebszustand wird die Betätigung des Einlassventils 32 gesteuert, um einen herkömmlichen Vier-Takt-Diesel-Zyklus einzurichten. In dem zweiten Motorbetriebszustand wird die Betätigung des Einlassventils 32 gesteuert, um einen Müller-Zyklus mit "spätem Einlass" einzurichten.
Eine beispielhafte Betätigung des Einlassventils 32 ist in 5 veranschaulicht. Wie gezeigt, beginnt die Nockenanordnung 52, die Einlassventile 32 zu öffnen, wenn der Kolben 24 den Einlasshub 106 beginnt, das heißt, wenn der Kolben 24 auf oder nahe einer oberen Totpunktposition innerhalb des Zylinders 22 ist. Wie der Fachmann erkennen wird, werden sich die Einlassanschlüsse 36 nicht vollständig öffnen, bis die Einlassventile 32 um eine gewisse Distanz angehoben sind, beispielsweise ungefähr 2 mm. Während dieses Teils des Hubes der Einlassventile 32 beginnen die Ventilelemente 40, außer Eingriff mit den Ventilsitzen 50 zu kommen, um das Öffnen der Einlassanschlüsse 36 zu beginnen. Um sicherzustellen, dass die Einlassanschlüsse 36 vollständig offen sind, wenn der Kolben 24 den Einlasshub 106 beginnt, kann die Betätigung oder der Hub der Einlassventile 32 geringfügig vor dem Start des Einlasshubes 106 beginnen. Bei der beispielhaften Betätigung der 5 beginnt die Betätigung des Einlassventils bei ungefähr 30° vor dem Start des Einlasshubes 106. Dies wird sicherstellen, dass die Einlassanschlüsse 36 vollständig offen sind, wenn der Kolben 24 den Einlasshub 106 beginnt.
Die Steuervorrichtung 100 richtet den zweiten Betriebszustand ein, indem sie selektiv die Strömungsmittelbetätigungsvorrichtung 70 betätigt, um das Einlassventil 32 für mindestens einen Teil des Kompressionshubes 107 des Kolbens 24 offen zu halten. Dies kann erreicht werden durch Bewegung des Steuerventils 82 und des Richtungssteuerventils 88 in die offenen Positionen, bevor der Kolben 24 den Einlasshub 106 beginnt. Dies gestattet, dass unter Druck gesetztes Strömungsmittel von der Niederdruck-Strömungsmittelquelle 84 durch die Strömungsmittel-Rail 86 und in die Betätigungsvorrichtungskammer 76 fließt. Die Kraft des Strömungsmittels, dass in die Betätigungsvorrichtungskammer 76 eintritt, bewegt den Betätigungsvorrichtungskolben 74 so, dass die Betätigungsvorrichtungsstange 78 dem Ende 68 des Kipphebels 64 folgt, wenn der Kipphebel 64 schwenkt, um die Einlassventile 32 zu öffnen. Die Distanz und die Rate der Bewegung der Betätigungsvorrichtungsstange 78 wird von der Konfiguration der Betätigungsvorrichtungskammer 76 und des Strömungsmittelversorgungssystems 79 abhängen. Wenn die Betätigungsvorrichtungskammer 76 mit Strömungsmittel gefüllt ist und der Kipphebel 64 die Einlassventile 32 von der offenen Position in die geschlossene Position zurückstellt, wird die Betätigungsvorrichtungsstange 78 mit dem Ende 68 des Kipphebels 64 in Eingriff kommen.
Das Strömungsmittelversorgungssystem 79 kann konfiguriert sein, um eine Flussrate des Strömungsmittels zu der Strömungsmittelbetätigungsvorrichtung 70 zu liefern, um die Betätigungsvorrichtungskammer 76 zu füllen, bevor die Nocke 60 die Einlassventile 32 in die geschlossene Position zurückbringt. In dem Ausführungsbeispiel des Strömungsmittelversorgungssystems 79, dass in 4a veranschaulicht ist, kann unter Druck gesetztes Strö mungsmittel durch sowohl das Richtungssteuerventil 88 als auch das Rückschlagventil 94 in die Betätigungsvorrichtungskammer 76 fließen. Alternativ kann das Richtungssteuerventil 88 in einer geschlossenen Position bleiben, und Strömungsmittel kann durch das Rückschlagventil 94 in dem Betätigungsvorrichtungszylinder 76 fließen.
Wenn die Betätigungsvorrichtungskammer 76 mit Strömungsmittel gefüllt ist, kann die Steuervorrichtung 100 das Richtungssteuerventil 88 schließen. Dies verhindert, das Strömungsmittel aus der Betätigungsvorrichtungskammer 76 entweicht. Wenn die Nocke 60 sich weiter dreht und die Federn 56 die Einlassventile 32 zu der geschlossenen Position hin drücken, wird die Betätigungsvorrichtungsstange 78 mit dem Ende 68 des Kipphebels in Eingriff kommen und verhindern, dass die Einlassventile 32 schließen. Solange wie das Richtungssteuerventil 88 in der geschlossenen Position bleibt, wird das eingeschlossene Strömungsmittel in der Betätigungsvorrichtungskammer 76 verhindern, dass die Federn 56 die Einlassventile 32 in die geschlossene Position zurückbringen. Somit wird die Strömungsmittelbetätigungsvorrichtung 70 die Einlassventile 32 in der offenen Position unabhängig von der Wirkung der Nockenanordnung 52 halten.
Wenn die Betätigungsvorrichtungsstange 78 mit dem Kipphebel 64 in Eingriff kommt, um zu verhindern, dass die Einlassventile 32 schließen, kann die Kraft der Federn 56, die durch den Kipphebel 64 wirkt, eine Steigerung des Druckes des Strömungsmittels in dem Strömungsmittelsystem 79 verursachen. Ansprechend auf den gesteigerten Druck wird Strömungsmittel durch die eingeschränkte Zumessöffnung 93 in den Akkumulator 95 fließen. Die eingeschränkte Zumessöffnung 93 wird die Menge des Strömungsmittels einschränken, die in den Akkumulator 95 fließen kann. In dieser Weise wirkt die Kombination der eingeschränkten Zumessöffnung 93 und des Akkumulators 95 dahingehend, dass sie irgendwelche Oszillationen dämpft, die aus dem Eingriff der Betätigungsvorrichtungsstange 78 mit dem Kipphebel 64 resultieren können.
Die Steuervorrichtung 100 kann die Einlassventile 32 durch Öffnen des Richtungssteuerventils 88 schließen. Dies gestattet, dass unter Druck gesetztes Strömungsmittel aus der Betätigungsvorrichtungskammer 76 fließt. Die Kraft der Federn 56 drückt Strömungsmittel aus der Betätigungsvorrichtungskammer 76, wodurch gestattet wird, dass der Betätigungsvorrichtungskolben 74 sich innerhalb des Betätigungsvorrichtungszylinders 72 bewegt. Dies gestattet, dass der Kipphebel 64 schwenkt, so dass die Einlassventile 32 in die geschlossene Position bewegt werden. Das Bremsventil 98 kann die Rate einschränken, mit der Strömungsmittel aus der Betätigungsvorrichtungskammer 76 austritt, um die Geschwindigkeit zu reduzieren, mit der die Einlassventile 32 geschlossen werden. Dies kann verhindern, dass die Ventilelemente 40 beschädigt werden, wenn sich die Einlassanschlüsse 36 schließen.
Die Steuervorrichtung 36 kann das Richtungssteuerventil 88 öffnen, um das Schließen der Einlassventile 32 mit der Bewegung des Kolbens 24 zu koordinieren. Wie in 5 veranschaulicht, tritt der späte Verschluss 108 des Einlasses auf, wenn die Einlassventile 32 für mindestens einen Teil des Kompressionshubes 107 des Kolbens 24 offen bleiben. Der späte Verschluss gestattet, dass ein Teil der Luft im Zylinder 22 aus dem Zylinder 22 herausgedrückt wird, wenn der Kolben 24 sich im Zylinder 22 während des Kompressionshubes 107 vorwärts bewegt. Die Menge der Luft, die aus dem Zylinder 22 entweichen darf, kann durch Einstellung des Kurbelwellenwinkels gesteuert werden, bei dem die Einlassventile 32 geschlossen werden. Das Schließen der Einlassventile 32 bei einem relativ früheren Kurbelwellenwinkel verringert die Menge der entweichenden Luft, während das Schließen der Einlassventile 32 bei einem relativ späteren Kurbelwellenwinkel die Menge der entweichenden Luft steigert. Wie genauer unten beschrieben, können die Einlassventile 32 für den gesamten Kompressionshub 107 offen gehalten werden.
Im ersten Betriebszustand wird die Betätigung des Einlassventils 32 gesteuert, um einen herkömmlichen Vier-Takt-Diesel-Zyklus einzurichten. Die Steuervorrichtung 100 kann den Miller-Zyklus mit spätem Einlass durch schließen des Steuerventils 82 ausschalten. Das Schließen des Steuerventils 82 verhindert, das Strömungsmittel von der Niederdruck-Strömungsmittelquelle 84 in die Betätigungsvorrichtungskammer 76 fließt. Ohne die Einleitung des Strömungsmittels in die Betätigungsvorrichtungskammer 76 wird die Strömungsmittelbetätigungsvorrichtung 70 nicht verhindern, dass die Einlassventile 32 in die geschlossene Position zurückkehren. Somit wird die Betätigung der Einlassventile 32 durch die Form und Orientierung der Nocke 60 geregelt.
Wenn das Steuerventil 82 geschlossen wird, können somit die Einlassventile 32 einen herkömmlichen Diesel-Zyklus folgen, wie von der Nocke 60 geregelt. Wie in 5 gezeigt, wird die Einlassventilbetätigung 106 einen herkömmlichen Verschlussvorgang 110 folgen. Bei dem herkömmlichen Verschlussvorgang 110 fällt das Schließen der Einlassventile 32 im wesentlichen mit dem Ende des Einlasshubes des Kolbens 24 zusammen. Ein Fachmann wird erkennen, dass die Ventilelemente 40 beginnen werden, mit den Ventilsitzen 50 in Eingriff zu kommen, und die Einlassanschlüsse 36 ungefähr am Ende des Einlasshubes 106 schließen. Beim herkömmlichen Verschlussvorgang 110 können die Einlassventile 32 sich weiter bewegen, nachdem der Kolben 24 den Kompressionshub 107 beginnt. Jedoch stellt diese fortgesetzte Bewegung sicher, dass die Ventilelemente 40 vollständig mit dem Ventilsitzen 50 in Eingriff sind. Für die Zwecke der vorliegenden Offenbarung können die Einlassventile 32 als geschlossen angesehen werden, wenn die Ventilelemente 40 beginnen, mit dem Ventilsitzen 50 in Eingriff zu kommen. Es wird erwartet, dass der anfängliche Eingriff der Ventilelemente 40 mit dem Ventilsitzen 50 innerhalb von ungefähr 5° bis 20° einer unteren Totpunktposition des Einlasshubes 106 auftreten wird.
Wenn die Einlassventile 32 sich am Ende des Einlasshubes 106 schließen, wird wenig Luft oder keine Luft aus dem Zylinder 22 während des Kompressionshubes gedrückt. Dies hat ein gesteigertes Kompressionsverhältnis im Zylinder 22 und einen gesteigerten Luftfluss durch den Motor 20 im Ver gleich zum zweiten Motorbetriebszustand zur Folge. Das gesteigerte Verdichtungs- bzw. Kompressionsverhältnis und der gesteigerte Luftfluss gestatten eine gesteigerte Brennstoffrate, die eine gesteigerte Leistung zur Folge haben wird, die vom Motor 20 erzeugt wird.
Das Flussdiagramm der 6 veranschaulicht ein beispielhaftes Verfahren zur Steuerung des Betriebs des Motors 20. Die Steuervorrichtung 100 überwacht die Betriebsbedingungen des Motors 20 basierend auf Sensoreingangsgrössen von den Sensoren, die betriebsmässig mit dem Motor 20 in Verbindung sind. Die Steuervorrichtung 100 wird den Motor 20 im ersten Betriebszustand betreiben, wenn der Motor 20 einen ersten Satz von Betriebsbedingungen erfährt, und wird den Motor 20 im zweiten Betriebszustand betreiben, wenn der Motor 20 einen zweiten Satz von Betriebsbedingungen erfährt. Wie genauer unten beschrieben, kann der erste Satz von Betriebsbedingungen beispielsweise Bedingungen des Motorstarts und transiente Betriebszustände aufweisen. Der zweite Satz von Betriebszuständen kann beispielsweise das Anlaufen des Motors und einen stetigen Motorbetriebszustand aufweisen.
Mit Bezug auf 6 überwacht die Steuervorrichtung 100 die Betriebszustände des Motors 20. (Schritt 120). Die Steuervorrichtung 100 kann bestimmen, dass der Motor 20 den Startsprozess ausführt. (Schritt 122). Die Steuervorrichtung 100 stellt dann die Drehzahl der Kurbelwelle 27 fest.
Der Fachmann wird erkennen, dass eine externe Leistungsquelle, wie beispielsweise eine batteriegetriebener Startermotor verwendet wird, um die Kurbelwelle 27 auf eine gewisse Drehzahl zu beschleunigen, wie beispielsweise 150 bis 170 U/min, bevor Brennstoff in die Zylinder 22 eingeleitet wird, um den Motor 20 zu starten. Wenn die Steuervorrichtung 100 bestimmt, dass die Kurbelwelle 27 mit einer geringeren Drehzahl dreht, als diese Schwelle (Schritt 124), kann die Steuervorrichtung 100 den zweiten Betriebszustand auswählen (Schritt 126).
Im zweiten Betriebszustand werden die Einlassventile 32 für einen Teil des Kompressionshubes 107 geöffnet, und weniger Arbeit ist erforderlich, um die Kurbelwelle 27 zu drehen. Somit wird durch Auswahl des zweiten Betriebszustandes während des Anlaufens oder während der anfänglichen Beschleunigung der Kurbelwelle 27 die erforderliche Arbeitsmenge zur Beschleunigung der Kurbelwelle 27 verringert. Entsprechend kann ein kleinerer Startermotor und/oder eine kleinere Batterie erforderlich sein, um den Motor 20 anzuwerfen. Wenn der Motor 20 anläuft, kann die Arbeitsmenge, die zur Beschleunigung der Kurbelwelle 27 erforderlich ist, weiter reduziert werden, in dem man die Einlassventile 32 bis zum Ende des Kompressionshubes 107 offen hält. In dieser Weise wird sehr wenig Arbeit erforderlich sein, um die Kurbelwelle 27 zu beschleunigen.
Wenn die Steuervorrichtung 100 bestimmt, dass die Kurbelwelle 27 sich mit einer geeigneten Startdrehzahl dreht, kann die Steuervorrichtung 100 die Brennstofflieferung in die Zylinder 22 einleiten und den Motor 20 im ersten Betriebszustand betreiben. (Schritt 128). Im ersten Betriebszustand werden die Einlassventile 32 am Ende des Einlasshubes 106 geschlossen, was ein größeres Kompressionsverhältnis innerhalb des Zylinders 22 zur Folge hat. Das gesteigerte Kompressionsverhältnis wird den Start des Motors 20 insbesondere bei kalten Bedingungen erleichtern.
Die Steuervorrichtung 100 wird weiter den Motor 20 überwachen, um zu bestimmen, wann der Motor 20 gestartet ist und in einen stetigen Betriebszustand eingetreten ist. (Schritt 130). Wenn der Motor 20 einen stetigen Betrieb erreicht hat, wird die Steuervorrichtung 100 den Motor 20 im zweiten Betriebszustand betreiben. (Schritt 131). Im zweiten Betriebszustand wird der Motor 20 in dem Miller-Zyklus mit spätem Einlass arbeiten.
Die Steuervorrichtung 100 wird weiter die Betriebsbedingungen des Motors 20 überwachen. (Schritt 132). Die Steuervorrichtung 100 wird einen transienten Zustand im Motorbetrieb erkennen. (Schritt 133). Ein transienter Zustand kann auftreten, wenn die Belastung auf dem Motor 20 ansteigt, wie bei spielsweise während einer schnellen Beschleunigung. Die Steuervorrichtung 100 kann den transienten Zustand durch Überwachung von verschiedenen Motorparametern erkennen, wie zuvor beschrieben.
Wenn der Motor 20 einen transienten Zustand erfährt, wird die Steuervorrichtung den Motor 20 im ersten Betriebszustand betreiben. (Schritt 136). Wie zuvor beschrieben hat der Motor 20 im ersten Betriebszustand ein höheres Kompressionsverhältnis und erzeugt einen größeren Luftfluss durch den Motor. Der größere Luftfluss kann gestatten, dass der Motor 20 zusätzliche Leistung erzeugt, und kann die Funktion von zusätzlichen Motorsystemen verbessern, wie beispielsweise von einem Turbolader. Somit wird der erste Betriebszustand gestatten, dass der Motor 20 die gesteigerte Belastung erfüllt. Wenn der transiente Zustand abgeschlossen worden ist, kann die Steuervorrichtung 100 den Motor 20 in dem zweiten Betriebszustand zurück schalten. (Schritt 134).
Es sei bemerkt, dass die Steuervorrichtung 100 den Betriebszustand des Motors 20 auf anderen Bedingungen und/oder Parametern basieren lassen kann, und zwar zusätzlich zu jenen, die oben erwähnt werden. Beispielsweise kann die Steuervorrichtung 100 den Motor 20 im ersten Betriebszustand betreiben, d. h. in einem herkömmlichen Diesel-Zyklus, wenn der Motor 20 in einem stetigen Betriebszustand ist, jedoch eine leichte Belastung erfährt. Wenn die Motorbelastung leicht ist, wie beispielsweise weniger als ungefähr 25 Prozent Belastung, kann die Menge der vom Motor 20 erzeugten Emissionen durch Betrieb des Motors 20 im ersten Betriebszustand verringert werden. Der Fachmann kann erkennen, dass die Menge der vom Motor 20 erzeugten Emissionen durch einen Betrieb des Motors 20 entweder im ersten Betriebszustand oder im zweiten Betriebszustand basierend auf anderen Motorparametern und/oder Betriebsbedingungen reduziert werden können. Zusätzlich kann der Fachmann erkennen, dass die Leistung des Motors 20 durch einen Betrieb des Motors 20 entweder in dem ersten Betriebszustand oder im zweiten Betriebszustand basierend auf anderen Motorparametern und/oder Betriebsbedingungen verbessert werden kann.
Wie aus der vorangegangenen Beschreibung offensichtlich wird, sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren und ein System vor, um einen Motor zu steuern, um die Anforderungen von unterschiedlichen Betriebsbedingungen zu erfüllen. Der Motor kann in einem ersten Betriebszustand betrieben werden, wenn der Motor schweren Belastungen während der Beschleunigung unterworfen ist, oder wenn der Motor gestartet wird. Der erste Betriebszustand sorgt für eine maximale Leistungsausgabe aus dem Motor. Der Motor kann weiter in einem zweiten Betriebszustand betrieben werden, wenn der Motor stetige Betriebsbedingungen erfährt. Der zweiten Betriebszustand sorgt für eine bessere Brennstoffausnutzung.
Es wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Variationen am Motorsteuersystem der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Ansprüche abzuweichen. Andere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden dem Fachmann aus der Betrachtung der Beschreibung und aus der praktischen Ausführung der hier offenbarten Erfindung offensichtlich. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung und die Beispiele nur als beispielhaft angesehen werden, wobei ein wahrer Umfang der Erfindung durch die folgenden Ansprüche und ihre äquivalenten Ausführungen gezeigt wird.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Motors (20) mit einem Zylinder (22), einem dem Zylinder (22) zugeordneten Einlassventil (32), welches zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position bewegbar ist, wobei in der ersten Position das Einlassventil (32) den Strömungsmittelfluss relativ zum Zylinder (22) verhindert und in der zweiten Position den Strömungsmittelfluss relativ zum Zylinder (22) gestattet, ferner mit einer Nockenanordnung (52) verbunden mit dem Einlassventil (32), um das Einlassventil (32) zwischen den ersten und zweiten Positionen zu bewegen, und schließlich mit einer Betätigungsvorrichtung (70) verbunden mit dem Einlassventil (32), wobei folgendes vorgesehen ist: Abfühlen von mindestens einem Betriebsparameter des Motors (20); Betrieb des Motors (20) in einer ersten Betriebsart, wo die Nockenanordnung (52) anfängt, das Einlassventil (32) aus der ersten Position zur zweiten Position zu bewegen, wenn der Kolben (24) sich an oder nahe seiner oberen Totpunktposition eines Einlass- oder Ansaughubes (106) befindet und wobei die Nockenanordnung (52) das Einlassventil in die erste Position dann zurückbringt, wenn der Kolben (24) sich an oder nahe der unteren Totpunktposition des Einlasshubes (106) befindet, wobei der Motor (20) in der ersten Betriebsart ansprechend auf den abgefühlten Betriebsparameter arbeitet, wenn dieser sich in einer eines vorbestimmten Satzes von Bedingungen befindet; Betrieb des Motors (20) in einer zweiten Betriebsart, wo die Nockenanordnung (52) anfängt, das Einlassventil (32) aus der ersten Position zur zweiten Position zu bewegen, wenn sich der Kolben 24 an oder nahe der oberen Totpunktposition eines Einlasshubes (106) befindet, wobei das Einlassventil (32) anfängt, sich von der zweiten Position zur ersten Position zu bewegen, und wobei die erwähnte Betätigungsvorrichtung (70) verhindert, dass das Einlassventil (32) in die erste Posi tion ansprechend auf die Nockenanordnung (52) zurückkehrt, wobei der Motor (20) in der zweiten Betriebsart arbeitet ansprechend darauf, dass der abgefühlte Betriebsparameter einer der Zustände eines vorbestimmten zweiten Satzes von Zuständen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Betriebsparameter des Motors (20) eine Drehzahl des Motors (20) ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei ein zweiter Betriebsparameter des Motors (20) abgefühlt wird und der zweite Betriebsparameter eine Brennstoffversorgungsrate ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der zweite Satz von Betriebsbedingungen ein anfängliches Anlassen des Motors (20) umfasst, wo eine Kurbel (27) aus einer stationären Position auf zwischen ungefähr 150 bis 170 Umdrehungen pro Minute beschleunigt wird, und das Einlassventil (32) daran gehindert wird, aus der ersten Position zurückzukehren, bis der Kolben (24) an oder nahe der oberen Totpunktposition eines Kompressionshubes (107) ist, wenn der Motor (20) dem anfänglichen Anlassen unterworfen ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die erste Betriebsart des Motorbetriebs dann ausgewählt wird, wenn die Drehzahl der Kurbelwelle (27) zwischen ungefähr 150 und 170 Umdrehungen pro Minute liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Satz von Betriebszuständen einen Übergangszustand umfasst und der zweite Satz von Betriebszuständen einen stetigen Betrieb des Motors (20) umfasst.
Motor, der folgendes aufweist: einen einen Zylinder (22) definierenden Motorblock (28); ein im Zylinder (22) gleitend angeordneter Kolben (24), der zwischen einer oberen Totpunktposition und einer unteren Totpunktposition be wegbar ist; ein Einlassventil (32) betriebsmäßig assoziiert mit dem Zylinder (22) und beweglich zwischen einem ersten Position, wo das Einlassventil (32) verhindert, dass Strömungsmittel relativ zum Zylinder (22) fließt und einer zweiten Position, wo ein Strömungsmittelfluss relativ zum Zylinder (22) gestattet ist; eine Nockenanordnung (52) verbunden mit dem Einlassventil (32) zur Bewegung des Einlassventils (32) zwischen den ersten und zweiten Positionen; eine Betätigungsvorrichtung (70) konfiguriert zur selektiven Verhinderung, dass das Einlassventil (32) zur ersten Position zurückkehrt; ein Sensor (90) konfiguriert zum Abfühlen von mindestens einem Betriebsparameter des Motors; eine Steuervorrichtung (100) betreibbar zum selektiven Betreiben des Motors (20) in einer ersten Betriebsart, wo die Nockenanordnung (52) anfängt, das Einlassventil (32) aus der ersten Position zur zweiten Position zu bewegen, wenn der Kolben (24) sich an oder nahe der oberen Totpunktposition eines Einlasshubes (106) befindet, und wobei die Nockenanordnung (52) das Einlassventil (32) zur ersten Position dann zurückbringt, wenn der Kolben (24) sich auf oder nahe einer unteren Totpunktposition des Einlasshubes (106) befindet, und wobei die Steuervorrichtung (100) ferner betätigbar ist, um den Motor (20) in einer zweiten Betriebsart zu betreiben, wo die Nockenanordnung (52) anfängt, das Einlassventil (32) aus der ersten Position zur zweiten Position zu bewegen, wenn der Kolben (24) sich auf oder nahe der oberen Totpunktposition eines Einlasshubes (106) befindet, wobei das Einlassventil (32) beginnt, sich aus der zweiten Position zur ersten Position zu bewegen, und wobei die Betätigungsvorrichtung (70) verhindert, dass das Einlassventil (32) zur ersten Position zurückkehrt, und zwar ansprechend auf die Nockenanordnung (52), wobei die Steuervorrichtung (100) eine der ersten und zweiten Motorbetriebsarten auswählt, und zwar basierend auf dem Betriebsparametern des Motors (20).
Motor nach Anspruch 7, wobei ferner eine Kurbelwelle (27) vorgesehen ist, und zwar gekoppelt mit dem Kolben (24), wobei die Kurbelwelle (27) den Kolben (24) zu der oberen Totpunktposition des Einlasshubes (106) bewegt, nachdem sich die Kurbelwelle (27) um ungefähr 360° gedreht hat und wobei ferner der Kolben (24) zu der unteren Totpunktposition des Einlasshubes (106) bewegt wird, nachdem die Kurbelwelle um ungefähr 540° verdreht ist.
Motor nach Anspruch 8, wobei die Betätigungsvorrichtung (70) das Einlassventil (32) freigibt, nachdem sich die Kurbelwelle (27) über mindestens 550° verdreht hat, wenn der Motor (20) in der zweiten Betriebsart arbeitet.
Motor nach Anspruch 9, wobei das Einlassventil (32) zur ersten Position zurückfährt, nachdem sich die Kurbelwelle (27) um mindestens 590° verdreht hat, wenn sich der Motor in der zweiten Betriebsart befindet.