DE4016226A1

DE4016226A1 - Reduzierung von abgasemissionen bei ventilgesteuerten verbrennungsmotoren durch variable steuerzeiten

Info

Publication number: DE4016226A1
Application number: DE19904016226
Authority: DE
Inventors: Dalibor Plesek
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-05-19
Filing date: 1990-05-19
Publication date: 1991-11-21

Description

1. Einleitung

Der Verbrennungsmotor wird nach verbreiteter Meinung auch in den nächsten Jahrzehnten Hauptantriebsquelle für Kraftfahrzeuge bleiben. Seine Vorzüge sind im wesentlichen:

- hoher Entwicklungsstand und damit verbundene Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit
- hohe Leistungsdichte
- Eignung für unterschiedliche Energieträger
- einfache Leistungsregelung zur Anpassung an Laständerungen
- bei Verwendung herkömmlicher Energieträger günstiger Aktionsradius.

Rohölverknappung und gestiegenes Umweltbewußtsein zwingen jedoch die Motorenkonstrukteure weltweit, die Entwicklungsreserven des Verbrennungsmotors weiter auszuschöpfen. Aus den Bemühungen um das eingehende Verständnis des Prozeßablaufs resultieren beispielsweise die heute allgemein in die Serienproduktion eingeflossenen Verbesserungen bei der Gemischaufbereitung, den Zündsystemen, der Brennraumgestaltung, der Optimierung von Ansaug- und Abgasanlagen und der Verwendung von hochwetigen Werkstoffen. Der weiterhin hohe Entwicklungsdruck zwingt nun dazu, beim Ottomotor die Wirtschaftlichkeit durch Maßnahmen zu erhöhen, die

- Ladungswechselverluste verringern,
- den Verbrennungsenddruck im gesamten Teillastbereich steigern und
- u. a. den Restgasanteil reduzieren.

Mögliche Verfahren, an denen schon seit Jahren gearbeitet wird, sind z. B.:

- Qualitätsregelung
- Gemischvorwärmung
- Variable Steuerzeiten
- variable Verdichtung
- variabler Hubraum

Die dafür vorliegenden Lösungen sind allerdings zur Zeit meist unzulänglich oder mit erheblichem technischem Aufwand verbunden, so daß deren Einsatz erst bei geänderten Rahmenbedingungen als sinnvoll erscheint.

2. Variable Ventilsteuerungen, Ziele und Beispiele

Durch den Einsatz variabler Ventilsteuerungen versucht man im wesentlichen die Zielgrößen

- Drehmoment
- Wirkungsgrad
- - Ladungswechselarbeit
- - Restgasanteil
- - Reibungsarbeit und
- Emissionsverhalten

zu beeinflussen. Beim herkömmlichen Ottomotor, bei dem die Steuerzeiten durch Berechnung und Prüfstandsversuche als Kompromiß festgelegt werden, muß man mit Verschlechterungen der Zielgrößen bei Abweichung von Auslegungsdrehzahl und -last rechnen.

2.1. Emissionsverhalten

Mittels variabler Ventilsteuerungen kann durch geeignete Steuerzeitenfestlegung das Emissionsverhalten eines Ottomotors beeinflußt werden. So ist bei Systemen ohne Drosselklappe und bei frühem Einlaßschluß mit einer Absenkung des Stickoxid-Ausstoßes als Folge geringerer Restgasgehalte und Verringerung des Temperaturniveaus zu rechnen, wie Messungen von Wichart [1] auch deutlich belegen. Die Motoren mit variablen Steuerzeiten haben im allgemeinen aufgrund verminderter interner Abgasrückführrate bessere Voraussetzungen für den Verbrennungsablauf. Trotzdem steigen die HC-Emissionswerte tendenziell an, so daß bei der Auslegung von variablen Steuerzeiten Kompromisse zwischen Optimierung von Wirkungsgrad und Schadstoffausstoß eingegangen werden müssen. Der wirtschaftlichen Realisierung und Verbreitung von Steuerungssystemen ohne Drosselklappe, die für Forschungszwecke entwickelt wurden, steht allerdings der enorme technische Aufwand im Wege. Weiter muß als Nachteil festgestellt werden, daß mit diesen Steuerungssystemen die für das Emissionsverhalten von besonderer Bedeutung wichtige Variation von Einlaß-Auslaß-öffnet und Auslaß- schließt nicht möglich ist [1] [2] [3].

2.2. Beispiele

In letzter Zeit scheint sich ein Konzept durchzusetzen, das auf der Phasenverschiebung von Einlaßnockenwellen basiert. Es sind beispielsweise die Phasensteuerungsgeräte der Firmen Nissan, Alfa Romeo und Daimler-Benz. Das Funktionsprinzip beruht auf einer schrägverzahnten Hülse, die zur formschüssigen Kraftübertragung zwischen Nockenwellenantriebsrad und Nockenwelle eingesetzt wird, Bild 1. Die Ansteuerung erfolgt elektrisch über ein Magnetventil, welches den Motoröldruck auf die Zwischenhülse wirken läßt, was zu einer relativen Verdrehung von Nockenwellenrad und -welle führt. Dabei wird die Ventilerhebungskurve jedoch nicht verändert, sondern durch Phasenverstellung ab einer bestimmten Drehzahl die Einlaßnockenwelle vorverstellt. Durch die bei niedrigen Drehzahlen geringere Ventilüberschneidung erreicht man geringere Restgasanteile, die vor allem im Teillastbereich für einen positiven Effekt auf den Verbrennungsablauf sorgen. Prinzipbedingt muß jedoch die ungünstige Variation von Einlaß-schließt in Kauf genommen werden.

3. Vier-Ventil-Motor

Aus einer nicht veröffentlichten Untersuchung ist ein Ventilsteuerungsmechanismus bekannt, der von einem Vier-Ventil-Motor ausgeht, bei dem die Ventile von zwei Nockenwellen betätigt werden. Im Unterschied zur herkömmlichen Anordnung jedoch nicht paarweise von einer Ein- und einer Auslaßnockenwelle, sondern jeder Nockenwelle wird pro Zylinder sowohl ein Ein- als auch ein Auslaßventil zugeordnet, siehe Bild 2. Mit steigender Drehzahl werden die Nockenwellen in entgegengesetzter Richtung um je 35°kW phasenversetzt. Demzufolge findet eine Spreizung der Einlaß- und Auslaßnocken statt. Auf der einen Seite des Zylinderkopfes werden die Einlaß- und Auslaßventile gleichzeitig früher geöffnet und auf der anderen Seite gleichzeitig später geschlossen. Das Ergebnis der Modellrechnung ist im Bild 3 dargestellt. Es ist erkennbar, daß durch die phasenunterschiedliche Ansteuerung zweier Einlaß- und Auslaßventile der Massenstromverlauf nicht negativ beeinträchtigt wird. Man kann deshalb davon ausgehen, daß in einem Vier-Ventil-Motor mit herkömmlicher Ventilanordnung, in dem bei unterschiedlichen Drehzahl- und Lastzuständen lediglich eine gleichzeitige Variation von Einlaß-Auslaß-öffnet und Einlaß- Auslaß-schließt stattfindet, deutlich verbesserte Bedingungen für den Massenstrom geschaffen werden.

4. Vorstellung des konstruktiven Vorschlags

Der dieser Erfindung zugrundeliegende Ventilsteuerungsmechanismus basiert auf dem Gedanken, mit möglichst einfachen und an sich schon bekannten Mitteln eine Steuerung zu realisieren, die die gleichzeitige Variation von Einlaß-Auslaß-öffnet und/oder Einlaß- Auslaß-schließt möglich macht, und sich in bereits verwirklichte Konzepte variabler Ventilsteuerungen integrieren läßt.

4.1. Konstruktive Vorbedingungen

Für den Steuerungsmechanismus sind nachfolgende konstruktive Vorbedingungen erforderlich:

- Querstromzylinderkopf
- Doppelnockenwellenantrieb
- geeignete Phasensteuerung für beide Nockenwellen wie z. B. in 2.2.
- Betätigung der Ventile über Schlepphebel
- Anordnung der Schlepphebel nach Honda Bild 4
-Ventilbetätigung gemäß Alfa Romeo.

In einem Alfa Romeo-Motor wurde eine Ventilbetätigung eingesetzt, die das Bild 5 zeigt. Die Einlaßwerte werden direkt über Tassenstößel und die Auslaßventile auf der gegenüberliegenden Zylinderkopfseite über Stößelstangen und Kipphebel angesteuert. An dieser Stelle soll darauf hingewiesen werden, daß die Möglichkeit von Ansteuerung der Ventile senkrecht und horizontal zur Zylinderkopfachse ein wesentliches Element der vorgeschlagenen Steuerung darstellt.

4.2. Konstruktiver Lösungsansatz

Die Aufgabe dieser Erfindung wird unter Einbeziehung der konstruktiven Vorbedingungen dadurch gelöst, daß - und im Bild 6 schematisch dargestellt

a) die Einlaßventile von dem Einlaßnocken (1) der Nockenwelle II und dem Einlaßnocken (1′) der Nockenwelle I mittels Tassenstößel (5), Stößelstange (4) und Kipphebel bzw. Kippnocken (6) über den Schwinghebel (3) betätigt werden,
b) die Auslaßventile von dem Auslaßnocken (2) der Nockenwelle I und dem Auslaßnocken (2′) der Nockenwelle II mittels Tassenstößel (5), Stößelstange (4) und Kipphebel bzw. Kippnocken (6) über den Schwinghebel (3) betätigt werden,
c) im ungeregelten Zustand bei niedriger Drehzahl die Einlaßventile von dem Einlaßnocken (1) und (1′) und die Auslaßventile von dem Auslaßnocken (2) und (2′) synchron betätigt werden,
d) im geregelten Zustand mit steigender Drehzahl durch eine entgegengesetzte Phasenverstellung der Nockenwellen die Einlaßventile von dem Einlaßnocken (1) und (1′) und die Auslaßventile von dem Auslaßnocken (2) und (2′) asynchron betätigt werden.

4.3. Funktionsweise der Steuerung

Es wird von einem Vier-Ventil-Motor ausgegangen, obwohl die Steuerung auch in einem Zwei-Ventil-Motor angewandt werden kann. Zur Liefergraderhöhung und Überschneidungsverriegelung bei niedrigen Drehzahlen und Last soll der Verbrennungsmotor mit kurzen Öffnungszeiten arbeiten. Wie schon in 4.2 a), b) und c) erläutert, werden die Einlaßventile von dem Einlaßnocken 1 und 1′ und die Auslaßventile 2 und 2′ synchron angesteuert. Es ergibt sich eine typische Ventilerhebungskurve wie sie das Bild 7 mit durchgezogener Linie darstellt. Bei veränderten Betriebszuständen wie höherer Drehzahl und Last soll das Einlaß- und Auslaßorgan früher geöffnet und später geschlossen werden. Um das zu erreichen, werden beide Nockenwellen mit einer geeigneten Phasenverstellvorrichtung in entgegengesetzter Richtung phasenverstellt, so daß die Einlaßnocken 1 und 1′ die Einlaßventile und die Auslaßnocken 2 und 2′ die Auslaßventile asynchron betätigen. Die wachsende Spreizung der Ventilhubverläufe vergrößert die effektive Öffnungsdauer der Einlaß- und Auslaßventile. Im Bild 7 sind mit gestrichelter Linie die gespreizten Ventilhubverläufe dargestellt. Es ist erkennbar, daß durch die immer größer werdende Phasenverstellung der Nockenwellen und somit größere Spreizung der Einlaß- und Auslaßnockenpaare eine zeitweise Verringerung des maximalen Ventilhubes verursacht wird, die durch eine asymmetrische Ausbildung der Nockenbahnen vermindert werden könnte. Der zeitweisen Verringerung des Ventilhubes steht allerdings eine deutliche Vergrößerung der Zeitquerschnitte gegenüber. Das Bild 8 zeigt schematisch die Steuerzeiten.

5. Vorteile des Konzepts

Die Vorteile der vorgeschlagenen variablen Ventilsteuerung bestehen darin, daß

1. mit einfachen technischen Mitteln die Variation von Einlaß- Auslaß-öffnet und Einlaß-Auslaß-schließt ermöglicht wird,
2. sich die Steuerung unter Berücksichtigung der in der Serie verwirklichten Steuerungen, die auf dem Phasenversatz von Einlaß- und Auslaßnockenwellen beruhen, integrieren läßt und
3. sie eine Weiterentwicklung von Nockenwellenphasensteuerungen darstellt.

6. Literatur

[1] Wichart, Klaus: Grundsätzliche Möglichkeiten der Vermeidung von Drosselverlusten bei Ottomotoren durch variable Ventilsteuerung, Vortrag beim 7. Internationalen Wiener Motorensymposium 24. und 25. 4. 1986, Wien.
[2] Geringer, Bernhard: Berechnung und Entwicklung einer elektronisch- hydraulisch gesteuerten variablen Ventilsteuerung für Ottomotoren, Vortrag beim 7. Internationalen Wiener Motorensymposium 24. und 25. 4. 1986, Wien.
[3] Walzer, Peter; Adamis, Panagiotis; Heinrich, Hartmut und Schumacher, Volker: Variable Steuerzeiten und variable Verdichtung beim Ottomotor, Motortechnische Zeitschrift 47 (1986), Nr. 1, S. 15/20.

Claims

1. Variable Ventilsteuerung, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Verbrennungsmotor mit Doppelnockenwellenantrieb und einer Phasensteuerung für eine oder beide Nockenwellen die Einlaßventile von dem Einlaßnocken (1) und Nockenwelle (II) und dem Einlaßnocken (1′) der Nockenwelle (I) mittels Tassenstößel (5), Stößelstange (4) und Kipphebel bzw. Kippnocken (6) über den Schwinghebel (3) und die Auslaßventile von dem Auslaßnocken (2) der Nockenwelle (I) und dem Auslaßnocken (2′) der Nockenwelle (II) mittels Tassenstößel (5) Stößelstange (4) und Kipphebel bzw. Kippnocken (6) über den Schwinghebel (3) betätigt werden.

2. Variable Ventilsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im ungeregelten Zustand die Einlaßventile von dem Einlaßnocken (1) und (1′) und die Auslaßventile von dem Auslaßnocken (2) und (2′) synchron betätigt werden.

3. Variable Ventilsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im geregelten Zustand durch eine entgegengesetzte Phasenverstellung der Nockenwellen die Einlaßventile von dem Einlaßnocken (1) und (1′) und die Auslaßventile von dem Auslaßnocken (2) und (2′) asynchron betätigt werden.