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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hubkolben-Brennkraftmaschine, insbesondere eines Ottomotors, wobei Verbrennungsluft in einem Ansaugtakt in mindestens einen Arbeitszylinder über mindestens ein erstes Einlassventil eingeleitet wird, wobei das mindestens eine erste Einlassventil mit einer vorbestimmten ersten Ventilhubkurve betätigt wird, welche bezüglich einer zeitlichen Relation zu einem Kurbelwinkel der Brennkraftmaschine konstant gehalten wird, wobei die Zylinderladung über das erste Einlassventil derart eingeleitet wird, dass die Zylinderladung in dem Arbeitszylinder eine Drallbewegung ausführt, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Aus Hadler, Jens: „Minimaler Verbrauch - Maximale Kraft; TST-Technik im neuen 1,21 Motor von Volkswagen“, Band 1 und 2. Wien: VDI-Verlag, 2009 (VDI-Fortschritt-Berichte, Reihe 12, Nr. 697). - ISBN 978-3-18-369712-0, Seiten 92 bis 116 ist es bekannt, einen Ottomotor mit einer Drallbewegung der Zylinderladung (Drall-Brennverfahren) zu betreiben.
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Aus der
DE 103 12 961 B3 ist eine Vorrichtung zur variablen Betätigung von Gaswechselventilen von Verbrennungsmotoren bekannt. Hierbei wird eine Ventilhubkurve dadurch beeinflusst, dass eine Lage einer Drehachse eines Zwischengliedes zwischen einem Nocken und einem Abtriebsglied verändert wird.
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Aus der
DE 198 25 308 A1 ist ein variabler Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine bekannt, wobei bei konstantem Öffnungswinkel variable Ventilhübe eingestellt werden. Zum Darstellen von variablen Ventilöffnungswinkeln bei besonders kleinen Ventilhüben wird eine mit einer Nockenwellen-Drehachse parallele Kippachse eines Kipphebels relativ zu einer Nockenwelle längs einer Bahn dynamisch verlagert.
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Die
DE 10 2010 007 023 A1 offenbart eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, in dem ein Brennraum zwischen einem Kolben und einem Zylinderkopf begrenzt ist, und mindestens einem Einlasskanal, über den dem Brennraum Verbrennungsluft zugeführt wird, wobei in dem Brennraum ein erstes und ein zweites Einlassventil vorgesehen sind, die mittels einer Ventilsteuereinrichtung derart betätigt werden, dass zur Bildung einer Drallströmung im Brennraum beim ersten Einlassventil ein unterschiedlicher Ventilhub als beim zweiten Einlassventil einstellbar ist, wobei einem Teillastbereich der Brennkraftmaschine bei dem ersten Einlassventil ein erster Ventilhub und bei dem zweiten Einlassventil ein Null-Hub einstellbar ist, und wobei in einem höheren Lastbereich der Brennkraftmaschine bei dem ersten Einlassventil der erste Ventilhub vom Teillast-Betriebspunkt beibehalten wird, wobei bei dem zweiten Einlassventil ein zweiter Ventilhub einstellbar ist.
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Die
DE 101 57 659 B4 beschreibt ein Verfahren zur Erzeugung einer Turbulenz in einem Luft-Kraftstoffgemisch in der Brennkammer eines Mehrventilmotors, wobei der Motor wenigstens ein erstes und ein zweites Einlassventil aufweist, die jeweils unabhängig voneinander von einem Stellglied betätigt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Maßnahme zur Reduktion eines Kraftstoffverbrauchs für ein ottomotorisches oder dieselmotorisches Brennverfahren mit gutem Kosten/Nutzenverhältnis zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
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Dazu ist es bei einem Verfahren der o.g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Zylinderladung in mindestens einem Arbeitszylinder zusätzlich über mindestens ein zweites Einlassventil mit bezüglich des Kurbelwinkels der Brennkraftmaschine variabler zweiter Ventilhubkurve eingeleitet wird.
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Dies hat den Vorteil, dass durch entsprechendes „Phasing“ des zweiten Einlassventils eine Reduzierung der Luftmasse ohne Anhebung von Ladungswechselverlusten bei einem Drall-Brennverfahren erzielt wird, wobei gleichzeitig eine Unterexpansion im Ansaugtakt wirksam vermieden ist. In überraschender Weise ergibt sich dadurch eine Erhöhung der Drallbewegung mit entsprechend positiver Beeinflussung der Stabilität des Brennverlaufes und der Homogenisierung der Zylinderladung.
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Eine mechanisch besonders einfach und kostengünstig ausgestaltete variable Ventilverstellung (VVT) erzielt man dadurch, dass die zweite Ventilhubkurve des zweiten Einlassventils in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine konstant gehalten und bezüglich des Kurbelwinkels zeitlich verschoben wird.
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Eine hohe Flexibilität der Einstellung und eine an unterschiedlichste Betriebsbedingungen besonders genau anpassbare variable Ventilverstellung (VVT) erzielt man dadurch, dass ein Zeitpunkt für ein Öffnen des zweiten Einlassventils, ein Zeitpunkt für ein Schließen des zweiten Einlassventils und/oder ein Zeitpunkt für einen maximalen Öffnungshub des zweiten Einlassventils relativ zum Kurbelwinkel in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine verändert wird.
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Eine weitere Verbesserung der Flexibilität der Einstellung erzielt man dadurch, dass ein maximaler Öffnungshub des zweiten Einlassventils in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine verändert wird.
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Eine besonders gute Einstellbarkeit der Hochdruck- und Ladungswechselprozesse in Abhängigkeit von einer Drehzahl und einer Last der Brennkraftmaschine wird dadurch erzielt, dass Abgas in einem Ausschubtakt aus mindestens einem Arbeitszylinder über mindestens ein erstes Auslassventil abgeleitet wird, wobei das mindestens eine erste Auslassventil mit einer vorbestimmten dritten Ventilhubkurve betätigt wird, welche bezüglich einer zeitlichen Relation zu dem Kurbelwinkel der Brennkraftmaschine konstant gehalten wird, wobei das Abgas aus mindestens einem Arbeitszylinder zusätzlich über mindestens ein zweites Auslassventil mit bezüglich des Kurbelwinkels der Brennkraftmaschine variabler vierten Ventilhubkurve abgeleitet wird.
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Eine vereinfachte mechanische Ausbildung der Verstellung der Gaswechselventile erzielt man dadurch, dass das zweite Einlassventil und das zweite Auslassventil gemeinsam von einer Nockenwelle betätigt werden.
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Eine weitere Reduktion der Frischgasmasse und eine Erhöhung der Ladungstemperatur mit entsprechend verbesserten Zünd- und Verbrennungsbedingungen aufgrund eine Rücksaugung von heißem Restgas in den Brennraum des Arbeitszylinders erzielt man dadurch, dass die vierte Ventilhubkurve des zweiten Auslassventils und/oder ein Zeitpunkt für ein Schließen des Auslassventils derart relativ zum Kurbelwinkel verschoben wird, dass das zweite Auslassventil bis in einen Ansaugtakt eines Ladungswechselhubes hinein geöffnet bleibt.
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Eine weitere Verbesserung des Brennverfahrens durch eine zusätzliche Unterstützung einer Drallbewegung der Zylinderladung erzielt man dadurch, dass die Zylinderladung über das zweite Einlassventil derart eingeleitet wird, dass die Zylinderladung in dem Arbeitszylinder eine Drallbewegung ausführt.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen in
- 1 eine schematische Darstellung einer ersten beispielhaften Ausführungsform einer Anordnung von Gaswechselventilen einer Hubkolben-Brennkraftmaschine zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 2 eine schematische Darstellung einer zweiten beispielhaften Ausführungsform einer Anordnung von Gaswechselventilen einer Hubkolben-Brennkraftmaschine zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 3 eine schematische Darstellung einer dritten beispielhaften Ausführungsform einer Anordnung von Gaswechselventilen einer Hubkolben-Brennkraftmaschine zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 4 eine graphische Darstellung von Ventilhubkurven über einen Kurbelwinkel gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und
- 5 eine graphische Darstellung der Drallzahl in Abhängigkeit von einem Kurbelwinkel bei einem bzgl. der Steuerzeiten zeitlich variablen Einlassventil mit Sitzdrallphase für verschiedene Phasenverschiebungen des zeitlich variabel angesteuerten Einlassventils.
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Die 1 bis 3 zeigen schematisch jeweils einen Arbeitszylinder 10 mit einem ersten Einlassventil 12, einem zweiten Einlassventil 14, einem ersten Auslassventil 16 und einem zweiten Auslassventil 18. Die Einlassventile 12, 14 sind mit einem Einlasskanal 14 und die Auslassventile 16, 18 sind mit einem Auslasskanal 17 fluidleitend verbunden. Je ein Einlassnocken (nicht dargestellt) und ein Auslassnocken (nicht dargestellt) sind auf einer gemeinsamen, nicht dargestellten Nockenwelle angeordnet, so dass beispielsweise das erste Auslassventil 16 und das erste Einlassventil 12 von einer ersten Nockenwelle und das zweite Auslassventil 18 und das zweite Einlassventil 14 von einer zweiten Nockenwelle betätigt werden. Hierzu sind die Gaswechselventile 12, 14, 16 und 18 sternförmig als so genannter „Ventilstern“ angeordnet. Damit jeweils ein Einlass- und ein Auslassventil hintereinander zur Betätigung durch eine gemeinsame Nockenwelle angeordnet sind, ist der Ventilstern bezüglich einer Parallelen 20 zu einer Längsachse der Nockenwelle gedreht. 1 zeigt einen Ventilstern 90°, d.h. einen um 90° relativ zur Parallelen 20 gedrehten Ventilstern, 2 zeigt einen Ventilstern 60° und 3 zeigt einen Ventilstern 120°.
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Über das erste Einlassventil 12 wird dem Arbeitszylinder 10 während eines Ansaugtaktes Frischluft derart zugeführt, dass sich eine Drallbewegung der Frischluft in dem Arbeitszylinder 10 ergibt. Bei einer Drallbewegung erfolgt eine Rotation der in den Arbeitszylinder 10 über den Einlasskanal 13 mit mindestens einem Einlassventil 12 eingeleiteten Frischluft, Zylinderladung bzw. Verbrennungsluft um eine Achse parallel zu einer Längsachse des Arbeitszylinders 10. Diese wäre in 1 bis 3 senkrecht zur Blattebene der Zeichnung ausgerichtet. Die erste Nockenwelle, welche jeweils das erste Einlassventil 12 und das erste Auslassventil 16 eines Arbeitszylinders 10 betätigt, ist bezüglich des Kurbelwinkels einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine fest, d.h. nicht verstellbar, ausgebildet. Die zweite Nockenwelle, welche jeweils das zweite Einlassventil 14 und das zweite Auslassventil 18 eines Arbeitszylinders betätigt, ist mit einem Nockenwellensteller versehen, so dass diese zweite Nockenwelle relativ zum Kurbelwinkel bzw. relativ zur ersten Nockenwelle verstellbar ist. Hierdurch kann eine im Verlauf ansonsten konstante, jeweilige Ventilhubkurve für das zweite Einlassventil 14 und das zweite Auslassventil 18 relativ zum Kurbelwinkel zeitlich verschoben werden.
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4 veranschaulicht die Ventilhubkurven für die Gaswechselventile 12, 14, 16 und 18 in Abhängigkeit von einem Kurbelwinkel. Auf einer horizontalen Achse 22 ist der Kurbelwinkel in °KW und auf einer vertikalen Achse 24 ist ein Hub in mm aufgetragen. Ein Kurbelwinkel von 0°KW entspricht einem „Oberen Totpunkt“ (OT) des Hubkolbens im Ladungswechselhub zwischen einem Ausstoßtakt und einem Ansaugtakt. Mit 26 ist eine erste Ventilhubkurve des ersten Einlassventils 12 in Abhängigkeit von dem Kurbelwinkel 22 bezeichnet. Mit 28 ist eine Schar von zweiten Ventilhubkurven des zweiten Einlassventils 14 in Abhängigkeit von dem Kurbelwinkel 22 bezeichnet. Mit 30 ist eine dritte Ventilhubkurve des ersten Auslassventils 16 in Abhängigkeit von dem Kurbelwinkel 22 bezeichnet. Mit 32 ist eine Schar von vierten Ventilhubkurven des zweiten Auslassventils 18 in Abhängigkeit von dem Kurbelwinkel 22 bezeichnet.
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Wie unmittelbar aus 4 ersichtlich ist, sind die zweite und vierte Ventilhubkurve 28, 32 zeitlich bezüglich des Kurbelwinkels 22 mittels des Nockenwellenverstellers an der zweiten Nockenwelle verstellbar, wie mit Pfeilen 34 und 36 angedeutet.
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass bei Motoren bzw. Brennkraftmaschinen mit mindestens zwei Einlassventilen 12, 14 (EV) eines in der Phase verschiebbar angesteuert wird. Vorliegend ist dies das zweite Einlassventil 14. Hierdurch lässt sich bei Verstellbereichen bis max. 120°KW eine Reduzierung der Füllung erreichen, indem im Verdichtungstakt ein teilweises Ausschieben der zuvor angesaugten Füllung erfolgt. Wesentlich ist, dass mindestens ein erstes EV 12 in der zeitlichen Abfolge von Öffnen und Schließen nicht relativ zum Kurbelwinkel verschoben wird, so dass eine Unterexpansion im Ansaugtakt vermieden wird. Insgesamt wird eine Reduzierung der Luftmasse ohne Anhebung der Ladungswechselverluste erzielt. Hierzu wird die erste und dritte Ventilhubkurve 26, 30 bezüglich einer zeitlichen Relation zu dem Kurbelwinkel der Brennkraftmaschine konstant gehalten.
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Der Ausdruck „Ventilhubkurve, welche bezüglich einer zeitlichen Relation zu einem Kurbelwinkel der Brennkraftmaschine konstant gehalten wird‟für ein Gaswechselventil, insbesondere ein Einlassventil bzw. ein Auslassventil, bedeutet hier, dass ein jeweiliger Kurbelwinkel für den Zeitpunkt „Gaswechselventil öffnet“ und den Zeitpunkt „Gaswechselventil schließt“ sowie ein maximaler Öffnungshub und der Kurbelwinkel für den Zeitpunkt des maximalen Öffnungshubes des Gaswechselventils konstant gehalten wird.
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Bei Motoren bzw. Brennkraftmaschinen mit mindestens zwei Auslassventilen 16, 18 (AV) wird eines in der Phase verschiebbar gestaltet. In dem dargestellten Beispiel ist dies das zweite Auslassventil 18. Die Grundsteuerzeiten dieses AV 18 sind derart ausgelegt, dass das Ereignis „Auslassventil öffnet“ (AÖ) gezielt beeinflusst wird. Ziel ist es, variabel über Drehzahl und Last das Optimum in Bezug auf Hochdruck- und Ladungswechselprozess einstellen zu können: je später AÖ, desto besser wird die Expansion genutzt. Ist AÖ jedoch zu spät, so steigen die Verluste in Form der Ausschiebearbeit. Das feste Auslassprofil (konstante dritte Ventilhubkurve des ersten Auslassventils 16) verhindert unbeabsichtigtes Restgasrückhalten, welches sich sonst beim „Phasing“ des zweiten Auslassventils 18 ergeben würde. Mit dem Begriff „Phasing des Gaswechselventils“ ist hier die zeitliche Verschiebung der Ventilhubkurve 28 bzw. 32 des jeweiligen Gaswechselventils 14, 18 relativ zum Kurbelwinkel bezeichnet.
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In einer bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sind der variable Einlassnocken, welcher das zweite Einlassventil 14 betätigt, und der variable Auslassnocken, welcher das zweite Auslassventil 18 betätigt, auf einer gemeinsamen, „gemischten“ Nockenwelle angeordnet, nämlich der zweiten Nockenwelle mit dem Phasensteller. Entsprechend werden beide Gaswechselventile 14, 18 auch gemeinsam von dem einen Phasensteller synchron betätigt.
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Ein bevorzugter Ventilwinkel (rel. zu einer nicht dargestellten Zylinderachse) liegt im Bereich <10° und ist vorteilhaft in Bezug auf das Ein- /Ausströmen bei hintereinander liegenden Kanälen 13, 17. Insbesondere senkrechte Ventile sind vorteilhaft. Beispielsweise wird der Zylinderkopf eines Dieselmotors verwendet.
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Es erfolgt beispielsweise eine gezielte Anhebung der Ladungsbewegung (Drall) durch das Phasing 34 des zweiten Einlassventils 14. In Kombination mit der drosselarmen Reduzierung der Luftmasse, wie oben beschrieben, ist dies ein wesentlicher Aspekt zur Erhöhung des Wirkungsgrades von Ottomotoren in niedrigen und mittleren Lasten. Bei dieser Koppelung eines Auslassereignisses mit einem Einlassereignis (gemischte zweite Nockenwelle mit Phasensteller) ist das entsprechende Auslassereignis entsprechend derart gestaltet, dass der Auslassschluss (AS) in Grundposition so früh liegt, dass bei maximalem Verstellbereich ein „normaler“ AS erreicht wird. Dies ist in 4 mit den gestrichelten vierten Ventilhubkurven 32 angedeutet.
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Alternativ oder zusätzlich wird der Verstellbereich für das zweite Einlassventil 14 (zweite Ventilhubkurven 28) und das zweite Auslassventil 18 (vierte Ventilhubkurven 32) vergrößert, was zu einer Überlappung des Auslassereignisses in den Ansaugtakt führt. Hierdurch ergibt sich ein Bereich 38 der Ventilüberschneidung und in diesem zusätzlichen Teil des Verstellbereiches wird heißes Restgas zurück in den Brennraum gesaugt. Dies erzielt eine weitere Reduzierung der Frischgasmasse und eine Erhöhung der Ladungstemperatur und damit Verbesserung der Zünd- bzw. Verbrennungsbedingungen. Nachteilig ist die Gefahr der Ventil-Kolbenkollision. Zur Vermeidung ist mindestens eine entsprechende Ventiltasche für dieses eine zweite Auslassventil 18 in den Hubkolben eingebracht. Die Tiefe der Ventiltasche im Zusammenhang mit der Gestaltung der Ablaufflanke des Verstell-Auslassnockens wird minimiert.
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Alternativ ist die Zwangskopplung zwischen Auslass- und Einlassvariabilität gemäß den Pfeilen 34, 36 (gemischte Nockenwelle mit Phasensteller) aufgehoben und durch eine oder zwei Cam-In-Cam-Verstellnockenwellen ersetzt. Hierdurch können die zweite Ventilkurve 28 und die vierte Ventilkurve 32 unabhängig voneinander relativ zum Kurbelwinkel 22 verstellt werden.
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Optional wird zusätzlich auch über das zweite Einlassventil 14 dem Arbeitszylinder 10 während eines Ansaugtaktes Frischluft derart zugeführt, dass sich eine Drallbewegung der Frischluft in dem Arbeitszylinder 10 ergibt. Hierzu ist im Bereich des zweiten Einlassventils 14 eine Sitzdrallphase ausgebildet. Hierdurch wird auch der über das zweite Einlassventil einströmenden Frischluft bzw. Verbrennungsluft eine Drallbewegung aufgeprägt, welche die gesamte Drallbewegung der Zylinderladung unterstützt. Der Effekt dieser zusätzlichen Drallunterstützung durch das zweite Einlassventil 14 ist in 5 veranschaulicht. In 5 ist auf einer horizontalen Achse 40 ein Kurbelwinkel in °KW, auf einer vertikalen Achse 42 eine Drallzahl [dimensionslos] und auf einer weiteren vertikalen Achse 44 ein Hub des zweiten Einlassventils 14 aufgetragen. Graphen 46 veranschaulichen den Hub des zweiten Einlassventils über dem Kurbelwinkel 40.
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Ein erster Graph 48 veranschaulicht den Verlauf der Drallzahl 42 über dem Kurbelwinkel, wenn das zweite Einlassventil 14 bei einem Kurbelwinkel von 10°KW geöffnet wird, d.h. bei 0° Phasenverschiebung. Der erste Graph 48 ist mit kreisförmigen Stützstellen dargestellt. Ein Pfeil 50 veranschaulicht den Zeitpunkt der Öffnung des zweiten Einlassventils 14.
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Ein zweiter Graph 52 veranschaulicht den Verlauf der Drallzahl 42 über dem Kurbelwinkel, wenn das zweite Einlassventil 14 bei einem Kurbelwinkel von 40°KW geöffnet wird, d.h. bei 30° Phasenverschiebung. Der zweite Graph 52 ist mit gestrichelter Linie dargestellt. Ein Pfeil 54 veranschaulicht den Zeitpunkt der Öffnung des zweiten Einlassventils 14.
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Ein dritter Graph 56 veranschaulicht den Verlauf der Drallzahl 42 über dem Kurbelwinkel, wenn das zweite Einlassventil 14 bei einem Kurbelwinkel von 60°KW geöffnet wird, d.h. bei 50° Phasenverschiebung. Der dritte Graph 56 ist mit quadratischen Stützstellen dargestellt. Ein Pfeil 58 veranschaulicht den Zeitpunkt der Öffnung des zweiten Einlassventils 14.
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Wie aus 5 unmittelbar ersichtlich ist, wird mit zunehmender Phasenverschiebung für den Öffnungszeitpunkt des zweiten Einlassventils 14 der Drall der Zylinderladung zunehmend unterstützt und dadurch der Brennverlauf verbessert.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Arbeitszylinder
- 12
- erstes Einlassventil
- 13
- Einlasskanal
- 14
- zweites Einlassventil
- 16
- erstes Auslassventil
- 17
- Auslasskanal
- 18
- zweites Auslassventil
- 20
- Längsachse der Nockenwelle
- 22
- horizontale Achse: Kurbelwinkel in °KW
- 24
- vertikale Achse: Hub in mm
- 26
- erste Ventilhubkurve des ersten Einlassventils 12 in Abhängigkeit von dem Kurbelwinkel 22
- 28
- zweite Ventilhubkurve des zweiten Einlassventils 14 in Abhängigkeit von dem Kurbelwinkel 22
- 30
- dritte Ventilhubkurve des ersten Auslassventils 16 in Abhängigkeit von dem Kurbelwinkel 22
- 32
- vierte Ventilhubkurve des zweiten Auslassventils 18 in Abhängigkeit von dem Kurbelwinkel 22
- 34
- Pfeilen: Verstellung der zweiten Ventilhubkurve des zweiten Einlassventils 14
- 36
- Pfeilen: Verstellung der vierten Ventilhubkurve des zweiten Auslassventils 18
- 38
- Bereich der Ventilüberschneidung
- 40
- horizontale Achse: Kurbelwinkel in °KW
- 42
- vertikale Achse: Drallzahl [dimensionslos]
- 44
- vertikale Achse: Hub des zweiten Einlassventils 14
- 46
- Graph: Hub des zweiten Einlassventils 14 in Abhängigkeit von KW
- 48
- erste Graph: Verlauf der Drallzahl 42 über den Kurbelwinkel bei 0° Phasenverschiebung
- 50
- Pfeil
- 52
- zweiter Graph: Verlauf der Drallzahl 42 über den Kurbelwinkel bei 30° Phasenverschiebung
- 54
- Pfeil
- 56
- dritter Graph: Verlauf der Drallzahl 42 über den Kurbelwinkel bei 50° Phasenverschiebung
- 58
- Pfeil
