EP3450732B1 - Verfahren zum bremsen einer brennkraftmaschine - Google Patents

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EP3450732B1
EP3450732B1 EP18189788.5A EP18189788A EP3450732B1 EP 3450732 B1 EP3450732 B1 EP 3450732B1 EP 18189788 A EP18189788 A EP 18189788A EP 3450732 B1 EP3450732 B1 EP 3450732B1
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stroke
gas outlet
internal combustion
combustion engine
during
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Thomas Malischewski
Dominik Renner
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MAN Truck and Bus SE
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    • F02D41/04—Introducing corrections for particular operating conditions
    • F02D41/12—Introducing corrections for particular operating conditions for deceleration

Definitions

  • the invention relates to a method for braking an internal combustion engine and a motor vehicle with a variable valve train for carrying out the method.
  • Such a method describes the DE 39 22 884 A1 , in which, in engine braking mode, in addition to the closing of a pressure flap in the exhaust tract, a decompression effect that significantly increases the engine braking effect is achieved in that the outlet valves (inlet valves unchanged) are partially opened by intervention in the valve control of the internal combustion engine in the compression stroke and thus in the intake stroke in the cylinder Blow off the decompressed air sucked in into the exhaust system. Furthermore, the exhaust valves are fully open in regular operation during the exhaust stroke, in other words here with almost no decompression effect.
  • Exemplary other methods for braking an internal combustion engine are in DE 10 2015 016 526 A1 , DE 10 2005 033 163 A1 , the DE 196 49 174 A1 and the US 4,592,319A disclosed.
  • the present disclosure forms in particular in the DE 10 2013 019 183 A1 further disclosed methods for controlling engine braking effect.
  • the revealed DE 10 2013 019 183 A1 a method for controlling the engine braking effect of a valve-controlled internal combustion engine, in particular a four-stroke internal combustion engine, for motor vehicles, in which, in addition to an exhaust gas accumulation in the exhaust gas line, a decompression effect is generated by closing an accumulation flap by partially, in particular irregularly, opening the at least one exhaust valve per cylinder of the internal combustion engine .
  • the at least one outlet valve is open, optionally with overlaps, in the compression stroke and in the exhaust stroke.
  • the at least one exhaust valve or at least one of the exhaust valves is opened with a defined, predetermined valve lift and/or a valve lift that is less than a regular valve lift in the TDC area of the pistons between the compression stroke and the expansion stroke and between the exhaust stroke and the intake stroke.
  • the U.S. 4,592,319 A discloses a method for compression retardation of a multi-cylinder four-stroke internal combustion engine.
  • the method provides two compression release events during each complete engine cycle using only one intake valve opening per engine cycle.
  • the normal movement of the exhaust valve is disabled and replaced by an opening of the exhaust valve at approximately the top dead center position of the engine piston after the compression stroke.
  • the exhaust valve is held in the open position during the expansion stroke.
  • the exhaust valve is partially closed during the exhaust stroke.
  • the exhaust valve is fully closed during the intake stroke.
  • the DE 10 2005 059 403 A1 discloses in an engine braking method for an internal combustion engine to be carried out in the two-stroke method that the combustion air is supplied to the cylinders by controlling gas exchange valves, is compressed in the cylinders and then blown off into the exhaust system.
  • the intake valve In the expansion stroke of the cylinder, the intake valve is opened before bottom dead center is reached and closed again after bottom dead center is exceeded.
  • a brake valve which is provided in addition to the outlet valve and opens into the exhaust system, is placed in the open position at least in phases. The position of the exhaust valve remains unchanged in both the expansion stroke and the compression stroke.
  • the invention is therefore based on the object of providing an improved method for braking an internal combustion engine.
  • the method is suitable for braking an internal combustion engine, in particular a four-stroke internal combustion engine.
  • the method includes partially opening at least one gas outlet valve of at least one cylinder of the internal combustion engine during a compression stroke of the internal combustion engine.
  • the method includes maintaining a partial opening of the at least one gas exhaust valve during a subsequent to the compression stroke Expansion stroke of the internal combustion engine and during an exhaust stroke of the internal combustion engine that follows the expansion stroke.
  • the method includes closing the partially open at least one gas outlet valve at the end (in the TDC range) of the exhaust stroke or during an intake stroke of the internal combustion engine that follows the exhaust stroke.
  • the method uses the gas dynamics of the gas flowing out of the combustion chambers of the internal combustion engine through the gas outlet valve or valves in a particularly advantageous manner.
  • the partial opening of the gas outlet valve during the expansion stroke and the exhaust stroke leads to very different cylinder pressure curves depending on the engine speed of the internal combustion engine. This makes it possible for different, desirable cylinder pressure curves and thus engine braking effects to be set for different engine speeds.
  • compression and decompression can only occur in the area of the compression stroke.
  • a first compression and a first decompression can occur in the compression stroke and a second compression and a second decompression in the exhaust stroke.
  • the at least one gas outlet valve can be provided upstream of an exhaust tract of the internal combustion engine.
  • the at least one gas outlet valve is opened so far when partially opened that there is essentially no compression in the respective cylinder during the exhaust stroke at a speed of the internal combustion engine below a limit speed of the internal combustion engine.
  • a flow cross section which is defined by a valve gap of the at least one partially open gas outlet valve, can be set in such a way that there is essentially no compression below the limit speed, and thus there is no engine braking effect due to the compression in the respective cylinder during the exhaust stroke.
  • the flow cross section is sufficient to push the gas out through the partially open gas outlet valve at a comparatively low piston speed at a low engine speed, essentially without compression in the cylinder.
  • the at least one gas outlet valve is opened so far when partially opened that compression occurs in the respective cylinder during the exhaust stroke at a speed of the internal combustion engine above the limit speed.
  • the flow cross section which is defined by the valve gap of the at least one partially open gas outlet valve, can be adjusted so that compression occurs above the limit speed and thus engine braking occurs in the respective cylinder during the exhaust stroke.
  • the high engine braking effect desired at high speeds can thus be achieved above the limit speed.
  • the flow cross section is dimensioned such that at a comparatively high piston speed at a high engine speed, the gas cannot be expelled through the partially open gas outlet valve without an increase in pressure in the cylinder.
  • the compression in the respective cylinder increases in the exhaust stroke as the speed of the internal combustion engine increases above the limit speed.
  • the limit speed is in a range between 1000 rpm and 1700 rpm, in particular in a range between 1200 rpm and 1500 rpm.
  • the limit speed is selected in such a way that the speed range below the limit speed is that range in which the above-mentioned disadvantageous engine excitation would occur due to compression in the exhaust stroke.
  • the at least one gas outlet valve is opened when it is partially opened in a range between 5% and 30% of a maximum valve lift of the at least one gas outlet valve.
  • the at least one gas outlet valve is opened in a range between 0.5 mm and 3 mm when partially opened.
  • a maximum valve lift is in a range between 10 mm and 16 mm.
  • the partial opening of the at least one gas outlet valve begins during the compression stroke in a range between 100° CA and 60° CA before TDC (top dead center of a piston movement of a piston of the respective cylinder).
  • TDC top dead center of a piston movement of a piston of the respective cylinder.
  • the closing of the at least one gas outlet valve begins at the end of the exhaust stroke or during the intake stroke in a range between TDC (top dead center of a piston movement of a piston of the respective cylinder) and 30° CA after TDC.
  • the gas flowing back from the exhaust tract into the combustion chamber during the expansion stroke can either be pushed out again directly into the exhaust tract through the at least partially open one gas outlet valve or, at higher engine speeds, at least partially compressed and only then through the at least one partially open gas outlet valve can be pushed out.
  • the gas in the combustion chamber can be further compressed in the exhaust stroke, with subsequent decompression of the compressed gas in the exhaust gas tract, which increases the engine braking effect of the method.
  • the closing of the at least one gas outlet valve can overlap with the opening of at least one gas inlet valve.
  • a constant valve lift of the at least one Gas outlet valve held when the gas outlet valve is kept open during the expansion stroke and the exhaust stroke, a constant valve lift of the at least one Gas outlet valve held. This can be implemented in a particularly simple manner in terms of control technology, for example with a constant height of a cam of a camshaft.
  • two gas exhaust valves are provided per cylinder and only one of the two gas exhaust valves is partially opened during the compression stroke, kept open during the expansion stroke and the exhaust stroke with a partial opening and closed at the end of the exhaust stroke or during the intake stroke.
  • the other of the two gas exhaust valves may be closed during the compression stroke, the expansion stroke, the exhaust stroke, and the intake stroke. The loads on the variable valve train connected to the gas outlet valves can thus be reduced, since in particular only one of the gas outlet valves per cylinder has to be opened against the pressure in the combustion chamber during the compression stroke.
  • the method additionally includes opening at least one gas inlet valve of the at least one cylinder during an intake stroke and keeping the at least one gas inlet valve closed during the compression stroke, the expansion stroke and the exhaust stroke.
  • the gas inlet valves can thus be actuated during engine braking operation of the internal combustion engine as in normal operation of the internal combustion engine. This means that the actuation of the gas inlet valves does not have to be switched over for engine braking.
  • the gas inlet valves are used in engine braking mode to direct air from an air supply system of the internal combustion engine into the combustion chambers during the intake stroke.
  • the method can also include closing a storage flap provided downstream of the at least one gas outlet valve during the compression stroke and/or during the exhaust stroke.
  • the flap can preferably be arranged in the exhaust tract.
  • the present invention also relates to a variable valve train for an internal combustion engine.
  • the variable valve train can be designed in particular as a sliding cam system.
  • the variable valvetrain is configured to perform the method as disclosed herein.
  • the present disclosure also relates to a motor vehicle, in particular a commercial vehicle (for example a bus or truck), with an internal combustion engine having the variable valve train as disclosed herein.
  • a motor vehicle in particular a commercial vehicle (for example a bus or truck), with an internal combustion engine having the variable valve train as disclosed herein.
  • the figure 1 shows a cylinder 12 of an internal combustion engine 10.
  • the internal combustion engine 10 is a four-stroke internal combustion engine, in particular a four-stroke diesel internal combustion engine or a four-stroke gasoline internal combustion engine.
  • the internal combustion engine 10 is preferably included in a commercial vehicle, for example a truck or a bus, for driving the commercial vehicle.
  • the cylinder 12 includes at least one gas inlet valve 14, at least one gas outlet valve 16, a combustion chamber 18, and a piston 20. As shown in FIG.
  • the at least one gas inlet valve 14 connects the combustion chamber 18 to an air supply system of the internal combustion engine 10 for supplying combustion air to the combustion chamber 18.
  • the at least one gas outlet valve 16 connects the combustion chamber 18 to an exhaust system of the internal combustion engine 10 for discharging exhaust gases.
  • two gas inlet valves 14 and two gas outlet valves 16 per cylinder 12 and a plurality of cylinders 12 can be provided.
  • the at least one gas outlet valve 16 can be actuated via a variable valve train 22 .
  • the variable valve train 22 can be designed, for example, as a sliding cam system.
  • the sliding cam system can have at least one cam carrier with at least two cams.
  • the cam carrier can be arranged on a camshaft in a rotationally fixed and axially displaceable manner.
  • the at least one gas exchange valve is actuated by different cams of the cam carrier depending on an axial position of the cam carrier. It is also possible that with several gas outlet valves 16 per cylinder 12, the gas outlet valves 16 of the respective cylinder 12 can be actuated differently.
  • the piston 20 is reciprocally disposed within the cylinder 12 and connected to a crankshaft 24 in a known manner.
  • FIG. 12 is an example timing diagram for the actuation of the gas inlet valves 14 and the gas outlet valves 16 of FIG figure 1 during engine braking operation of internal combustion engine 10 .
  • a dot-dash curve A shows a valve lift of the gas intake valves 14 as a function of a crank angle of the crankshaft 24.
  • a dashed curve B shows a valve lift of the gas exhaust valve 16 as a function of the crank angle of the crankshaft 24.
  • a solid curve C shows a cylinder pressure in the combustion chamber 18 in Depending on a crank angle of the crankshaft 24 at a low engine speed.
  • a dotted curve D shows a cylinder pressure in the combustion chamber 18 versus a crank angle of the crankshaft 24 at a high engine speed.
  • the curves A to D are plotted over the 720° crank angle (KW) that is usual in four-stroke operation, with the left-hand axis of the diagram indicating the cylinder pressures in bar and the right-hand axis indicating the valve lifts in mm.
  • the gas inlet valves 14 are opened during engine braking operation as well as in regular operation during the intake stroke.
  • the gas inlet valves 14 are closed over the further control cycle.
  • the gas outlet valves 16 are controlled differently than in regular operation (normal operation), in which the gas outlet valves 16 are only open during the exhaust stroke.
  • the internal combustion engine can have two gas outlet valves 16 per cylinder 12, one of which is kept completely closed during engine braking and the other is controlled according to curve B during engine braking.
  • the gas outlet valve 16 is approximately 60 ° CA to 100 ° CA before the ignition top dead center, i. H. before the end of the compression stroke, partially open.
  • the gas outlet valve 16 is then held partially open for approximately 360° CA during the expansion stroke and the exhaust stroke.
  • the partially opened gas outlet valve 16 is closed again after the exhaust stroke and remains closed until it opens again in the compression stroke.
  • the gas outlet valve 16 is only partially opened.
  • the partial opening can correspond to a valve lift of 0.5 mm to 3 mm.
  • a maximum lift (regular lift) of the gas outlet valve 16 can be between approximately 10 mm for small internal combustion engines 10 and up to approximately 16 mm for very large internal combustion engines 10 in commercial vehicle construction.
  • Curve C At low speeds of the internal combustion engine 10 up to, for example, approximately 1200 rpm, there is no compression in the combustion chamber 18 during the exhaust stroke. This is due to the valve gap created by the partially open gas outlet valve 16. This valve gap is sufficient at low piston 20 speeds to allow the gas in the combustion chamber 18 to flow out of the combustion chamber 18 through the partially open gas outlet valve 16 without a pressure increase.
  • Curve C relates, for example, to a cylinder pressure profile at an engine speed of the internal combustion engine of approximately 600 rpm.
  • Curve D relates, for example, to a cylinder pressure profile at an engine speed of the internal combustion engine of approximately 2600 rpm.
  • a transition between the curves C and D occurs steadily as the engine speed of the internal combustion engine 10 increases.
  • the invention thus makes it possible in a particularly advantageous manner for a high braking effect to be achieved by double compression-decompression with one and the same control profile for a gas outlet valve 16 at high speeds of the internal combustion engine 10 (curve D).
  • a (small) braking effect is also achieved through the one-time compression-decompression (curve C), with engine excitation being prevented or at least reduced due to the omission of the second compression-decompression.
  • the method thus adapts itself to the ambient conditions (the engine speed), so that no additional external control intervention is necessary.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bremsen einer Brennkraftmaschine und ein Kraftfahrzeug mit einem variablen Ventiltrieb zum Ausführen des Verfahrens.
  • Ein derartiges Verfahren beschreibt die DE 39 22 884 A1 , bei dem im Motorbremsbetrieb neben dem Schließen einer Stauklappe im Abgastrakt eine die Motorbremswirkung wesentlich steigernde Dekompressionswirkung dadurch erzielt wird, dass die Auslassventile (Einlassventile unverändert) durch Eingriff in die Ventilsteuerung der Brennkraftmaschine jeweils im Verdichtungstakt teilweise geöffnet werden und damit die beim Ansaugtakt in den Zylinder eingesaugte Luft in den Abgastrakt dekomprimiert abblasen. Ferner sind die Auslassventile in regulärer Betätigung jeweils beim Ausschubtakt vollständig geöffnet, hier also nahezu ohne Dekompressionswirkung.
  • Beispielhafte weitere Verfahren zum Bremsen einer Brennkraftmaschine sind in der DE 10 2015 016 526 A1 , DE 10 2005 033 163 A1 , der DE 196 49 174 A1 und der US 4,592,319 A offenbart.
  • Die vorliegende Offenbarung bildet insbesondere das in der DE 10 2013 019 183 A1 offenbarte Verfahren zum Steuern der Motorbremswirkung weiter. Im Einzelnen offenbart die DE 10 2013 019 183 A1 ein Verfahren zum Steuern der Motorbremswirkung einer ventilgesteuerten Brennkraftmaschine, insbesondere einer Viertakt-Brennkraftmaschine, für Kraftfahrzeuge, bei dem neben einem Abgasstau in der Abgasleitung durch Schließen einer Stauklappe eine Dekompressionswirkung durch teilweises, insbesondere irreguläres, Öffnen des wenigstens einen Auslassventils je Zylinder der Brennkraftmaschine erzeugt wird. Das wenigstens eine Auslassventil ist, gegebenenfalls mit Überschneidungen, im Verdichtungstakt und im Ausschubtakt geöffnet. Zur Erhöhung der Motorbremswirkung wird das wenigstens eine Auslassventil oder wenigstens eines der Auslassventile mit einem definiert vorgegebenen und/oder gegenüber einem regulären Ventilhub geringerem Ventilhub jeweils im OT-Bereich der Kolben zwischen dem Verdichtungstakt und dem Expansionstakt und zwischen dem Ausschubtakt und dem Ansaugtakt geöffnet.
  • Nachteilig an dem aus der DE 10 2013 019 183 A1 bekannten Verfahren kann sein, dass es bei niedrigen Motordrehzahlen aufgrund der Komprimierung des Gases im Ausschiebetakt zu einer ungewünschten Motoranregung kommen kann, wenn beispielsweise nicht alle Zylinder im Motorbremsbetrieb betrieben werden. Diese Motoranregung kann zu ungewünschten Schwingungen im Antriebsstrang führen.
  • Die US 4 592 319 A offenbart ein Verfahren zur Verdichtungsverzögerung eines mehrzylindrigen Viertakt-Verbrennungsmotors. Das Verfahren stellt zwei Kompressionsentlastungsereignisse während jedes kompletten Motorzyklus unter Verwendung nur einer Einlassventilöffnung pro Motorzyklus bereit. Gemäß einer Ausführungsform wird die normale Bewegung des Auslassventils deaktiviert und durch eine Öffnung des Auslassventils in etwa an der oberen Totpunktposition des Motorkolbens nach dem Verdichtungshub ersetzt. Das Auslassventil wird während des Expansionshubs in der geöffneten Position gehalten. Das Auslassventil wird während des Auslasshubs teilweise geschlossen. Das Auslassventil wird während des Einlasshubs vollständig geschlossen.
  • Die DE 10 2005 059 403 A1 offenbart bei einem im Zweitaktverfahren durchzuführenden Motorbremsverfahren für eine Brennkraftmaschine, dass die Verbrennungsluft durch Steuerung von Ladungswechselventilen den Zylindern zugeführt, in den Zylindern verdichtet und anschließend in den Abgasstrang abgeblasen wird. Im Expansionstakt der Zylinder wird vor dem Erreichen des unteren Totpunktes das Einlassventil geöffnet und nach dem Überschreiten des unteren Totpunktes wieder geschlossen. Ein zusätzlich zum Auslassventil vorgesehenes, in den Abgasstrang öffnendes Bremsventil wird zumindest phasenweise in Öffnungsstellung versetzt. Die Position des Auslassventiles bleibt sowohl im Expansionstakt als auch im Kompressionstakt unverändert.
  • Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren zum Bremsen einer Brennkraftmaschine vorzusehen.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und ein Kraftfahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung angegeben.
  • Das Verfahren ist zum Bremsen einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Viertakt-Brennkraftmaschine, geeignet. Das Verfahren weist ein teilweises Öffnen mindestens eines Gasauslassventils mindestens eines Zylinders der Brennkraftmaschine während eines Verdichtungstaktes der Brennkraftmaschine auf. Das Verfahren weist ein Halten einer teilweisen Öffnung des mindestens einen Gasauslassventils während eines an den Verdichtungstakt anschließenden Expansionstaktes der Brennkraftmaschine und während eines an den Expansionstakt anschließenden Ausschiebetaktes der Brennkraftmaschine auf. Das Verfahren weist ein Schließen des teilweise geöffneten mindestens einen Gasauslassventils am Ende (im OT-Bereich) des Ausschiebetaktes oder während eines an den Ausschiebetakt anschließenden Ansaugtaktes der Brennkraftmaschine auf.
  • Das Verfahren nutzt auf besonders vorteilhafte Weise die Gasdynamik des aus den Verbrennungskammern der Brennkraftmaschine durch das oder die Gasauslassventile ausströmenden Gases. Die teilweise Öffnung des Gasauslassventils während des Expansionstaktes und des Ausschiebetaktes führt in Abhängigkeit von einer Motordrehzahl der Brennkraftmaschine zu stark unterschiedlichen Zylinderdruckverläufen. Dies ermöglicht, dass für unterschiedliche Motordrehzahlen unterschiedliche, wünschenswerte Zylinderdruckverläufe und somit Motorbremswirkungen einstellbar sind. Insbesondere kann bei niedrigen Drehzahlen nur eine Verdichtung und Dekomprimierung im Bereich des Verdichtungstaktes auftreten. Bei höheren Drehzahlen können hingegen eine erste Verdichtung und eine erste Dekomprimierung im Verdichtungstakt und eine zweite Verdichtung und eine zweite Dekomprimierung im Ausschiebetakt auftreten. Damit kann insbesondere der eingangs genannte Nachteil der ungewünschten Motoranregung bei niedrigen Motordrehzahlen aufgrund einer Verdichtung mit anschließender Dekomprimierung im Ausschiebetakt verhindert werden. Dieser Effekt wird dadurch erzielt, dass durch das teilweise geöffnete Gasauslassventil stets der gleiche Strömungsquerschnitt bereitgestellt wird, die für das Gas zum Ausströmen zur Verfügung stehende Zeit bei niedrigen Motordrehzahlen jedoch größer ist als bei hohen Motordrehzahlen.
  • Insbesondere kann das mindestens eine Gasauslassventil stromaufwärts von einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine vorgesehen sein.
  • In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung wird das mindestens eine Gasauslassventil beim teilweisen Öffnen so weit geöffnet, dass es bei einer Drehzahl der Brennkraftmaschine unterhalb einer Grenzdrehzahl der Brennkraftmaschine zu im Wesentlichen keiner Verdichtung im jeweiligen Zylinder während des Ausschiebetaktes kommt. Im Einzelnen kann ein Strömungsquerschnitt, der von einem Ventilspalt des mindestens einen teilweise geöffneten Gasauslassventils definiert wird, so eingestellt sein, dass es unterhalb der Grenzdrehzahl zu im Wesentlichen keiner Verdichtung und somit Motorbremswirkung aufgrund der Verdichtung im jeweiligen Zylinder während des Ausschiebetaktes kommt. Mit anderen Worten gesagt, der Strömungsquerschnitt reicht aus, um bei einer vergleichsweise geringen Kolbengeschwindigkeit bei einer kleinen Motordrehzahl das Gas im Wesentlichen ohne Verdichtung im Zylinder durch das teilweise geöffnete Gasauslassventil auszuschieben.
  • Erfindungsgemäß wird das mindestens eine Gasauslassventil beim teilweisen Öffnen so weit geöffnet, dass es bei einer Drehzahl der Brennkraftmaschine oberhalb der Grenzdrehzahl zu einer Verdichtung im jeweiligen Zylinder während des Ausschiebetaktes kommt. Im Einzelnen kann der Strömungsquerschnitt, der von der Ventilspalt des mindestens einen teilweise geöffneten Gasauslassventils definiert wird, so eingestellt sein, dass es oberhalb der Grenzdrehzahl zu der Verdichtung und somit Motorbremswirkung im jeweiligen Zylinder während des Ausschiebetaktes kommt. Damit kann oberhalb der Grenzdrehzahl die bei hohen Drehzahlen gewünschte hohe Motorbremswirkung erzielt werden. Mit anderen Worten gesagt, der Strömungsquerschnitt ist so bemessen, dass bei einer vergleichsweise hohen Kolbengeschwindigkeit bei einer hohen Motordrehzahl das Gas nicht ohne Druckanstieg im Zylinder durch das teilweise geöffnete Gasauslassventil ausgeschoben werden kann.
  • In einer Ausführungsvariante nimmt die Verdichtung im jeweiligen Zylinder im Ausschiebetakt bei zunehmender Drehzahl der Brennkraftmaschine oberhalb der Grenzdrehzahl zu.
  • Erfindungsgemäß liegt die Grenzdrehzahl in einem Bereich zwischen 1000 U/min und 1700 U/min, insbesondere in einem Bereich zwischen 1200 U/min und 1500 U/min.
  • Erfindungsgemäß wird die Grenzdrehzahl dabei so gewählt, dass der Drehzahlbereich unterhalb der Grenzdrehzahl derjenige Bereich ist, in dem es zu der oben genannten nachteiligen Motoranregung durch eine Verdichtung im Ausschiebetakt kommen würde.
  • In einer Ausführungsvariante wird das mindestens eine Gasauslassventil beim teilweisen Öffnen in einem Bereich zwischen 5 % und 30 % eines maximalen Ventilhubs des mindestens einen Gasauslassventils geöffnet. Alternativ oder zusätzlich wird das mindestens eine Gasauslassventil beim teilweisen Öffnen in einem Bereich zwischen 0,5 mm und 3 mm geöffnet. In einer weiteren Ausführungsvariante liegt ein maximaler Ventilhub in einem Bereich zwischen 10 mm und 16 mm.
  • In einer Ausführungsform beginnt das teilweise Öffnen des mindestens einen Gasauslassventils während des Verdichtungstaktes in einem Bereich zwischen 100° KW und 60° KW vor OT (oberen Totpunkt einer Kolbenbewegung eines Kolbens des jeweiligen Zylinders). Damit wird das in der Verbrennungskammer befindliche Gas zunächst verdichtet und erst zum Ende des Verdichtungstaktes durch das sich teilweise öffnende mindestens eine Gasauslassventil unter Erzielung einer Dekompressionswirkung in den Abgastrakt ausgeschoben.
  • In einer weiteren Ausführungsform beginnt das Schließen des mindestens einen Gasauslassventils am Ende des Ausschiebetaktes oder während des Ansaugtaktes in einem Bereich zwischen OT (oberen Totpunkt einer Kolbenbewegung eines Kolbens des jeweiligen Zylinders) und 30° KW nach OT. Damit kann das während des Expansionstaktes aus dem Abgastrakt in die Verbrennungskammer zurückströmende Gas in Abhängigkeit von einer Motordrehzahl im Ausschiebetakt entweder in den Abgastrakt durch das zumindest teilweise geöffnete eine Gasauslassventil direkt wieder ausgeschoben werden oder, bei höheren Motordrehzahlen, zumindest teilweise verdichtet und erst dann durch das zumindest eine teilweise geöffnete Gasauslassventil ausgeschoben werden. Bei höheren Drehzahlen kann es somit im Ausschiebetakt zu einer weiteren Kompression des Gases in der Verbrennungskammer mit anschließender Dekompression des verdichteten Gases in den Abgastrakt kommen, wodurch eine Motorbremswirkung des Verfahrens erhöht wird.
  • Insbesondere kann sich das Schließen des mindestens einen Gasauslassventils mit einem Öffnen mindestens eines Gaseinlassventils überschneiden.
  • In einem Ausführungsbeispiel wird beim Offenhalten des Gasauslassventils während des Expansionstaktes und des Ausschiebetaktes ein konstanter Ventilhub des mindestens einen Gasauslassventils gehalten. Dies ist steuerungstechnisch besonders einfach beispielsweise mit einer gleichbleibenden Höhe eines Nockens einer Nockenwelle realisierbar.
  • In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind je Zylinder zwei Gasauslassventile vorgesehen und nur eines der zwei Gasauslassventile wird während des Verdichtungstaktes teilweise geöffnet, während des Expansionstaktes und des Ausschiebetaktes mit einer teilweisen Öffnung offengehalten und am Ende des Ausschiebetaktes oder während des Ansaugtaktes geschlossen. Zusätzlich kann das andere der zwei Gasauslassventile während des Verdichtungstaktes, des Expansionstaktes, des Ausschiebetaktes und des Ansaugtaktes geschlossen sein. Damit können die Belastungen auf den mit den Gasauslassventilen verbundenen variablen Ventiltrieb verringert werden, da insbesondere nur eines der Gasauslassventile je Zylinder gegen den Druck in der Verbrennungskammer während des Verdichtungstaktes geöffnet werden muss.
  • In einer weiteren Ausführungsvariante weist das Verfahren zusätzlich ein Öffnen mindestens eines Gaseinlassventils des mindestens einen Zylinders während eines Ansaugtaktes und ein Geschlossen-Halten des mindestens einen Gaseinlassventils während des Verdichtungstaktes, des Expansionstaktes und des Ausschiebetaktes auf. Damit können die Gaseinlassventile während des Motorbremsbetriebs der Brennkraftmaschine wie im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine betätigt werden. Damit muss die Betätigung der Gaseinlassventile für den Motorbremsbetrieb nicht umgeschaltet werden. Wie auch im Normalbetrieb werden die Gaseinlassventile im Motorbremsbetrieb dazu genutzt, Luft aus einem Luftzufuhrsystem der Brennkraftmaschine während des Ansaugtaktes in die Verbrennungskammern zu leiten.
  • Insbesondere kann das Verfahren ferner ein Schließen einer stromabwärts des mindestens einen Gasauslassventils vorgesehenen Stauklappe während des Verdichtungstaktes und/oder während des Ausschiebetaktes aufweisen. Die Stauklappe kann vorzugsweise im Abgastrakt angeordnet sein.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft auch einen variablen Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine. Der variable Ventiltrieb kann insbesondere als ein Schiebenockensystem ausgebildet sein. Der variable Ventiltrieb ist dazu ausgebildet, das Verfahren wie hierin offenbart durchzuführen.
  • Zusätzlich betrifft die vorliegende Offenbarung auch ein Kraftfahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug (zum Beispiel Omnibus oder Lastkraftwagen), mit einer Brennkraftmaschine aufweisend den variablen Ventiltrieb wie hierin offenbart.
  • Es ist auch möglich, die Verfahren wie hierin offenbart bei Personenkraftwagen, Großmotoren, geländegängigen Fahrzeuge, stationären Motoren, Marinemotoren usw. zu verwenden.
  • Die zuvor beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung sind beliebig miteinander kombinierbar. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
    • Figur 1
    eine Schemadarstellung eines Zylinders einer Brennkraftmaschine; und
    Figur 2
    ein Steuerdiagramm einer Ventilsteuerung einer Viertakt-Brennkraftmaschine.
  • Die Figur 1 zeigt einen Zylinder 12 einer Brennkraftmaschine 10. Die Brennkraftmaschine 10 ist eine Viertakt-Brennkraftmaschine, insbesondere eine Viertakt-Diesel-Brennkraftmaschine oder eine Viertakt-Benzin-Brennkraftmaschine. Vorzugsweise ist die Brennkraftmaschine 10 in einem Nutzfahrzeug, zum Beispiel einem Lastkraftwagen oder einem Omnibus, zum Antreiben des Nutzfahrzeugs umfasst.
  • Der Zylinder 12 weist mindestens ein Gaseinlassventil 14, mindestens ein Gasauslassventil 16, eine Verbrennungskammer 18 und einen Kolben 20 auf.
  • Das mindestens eine Gaseinlassventil 14 verbindet die Verbrennungskammer 18 mit einem Luftzufuhrsystem der Brennkraftmaschine 10 zum Zuführen von Verbrennungsluft in die Verbrennungskammer 18. Das mindestens eine Gasauslassventil 16 verbindet die Verbrennungskammer 18 mit einem Abgasstrang der Brennkraftmaschine 10 zum Abführen von Abgasen. Beispielsweise können zwei Gaseinlassventile 14 und zwei Gasauslassventile 16 je Zylinder 12 und eine Mehrzahl von Zylindern 12 vorgesehen sein.
  • Das mindestens eine Gasauslassventil 16 kann über einen variablen Ventiltrieb 22 betätigt werden. Der variable Ventiltrieb 22 kann beispielsweise als ein Schiebenockensystem ausgebildet sein. Das Schiebenockensystem kann mindestens einen Nockenträger mit mindestens zwei Nocken aufweisen. Der Nockenträger kann drehfest und axial verschiebbar auf einer Nockenwelle angeordnet sein. Das mindestens eine Gaswechselventil wird in Abhängigkeit von einer Axialposition des Nockenträgers von verschiedenen Nocken des Nockenträgers betätigt. Es ist auch möglich, dass bei mehreren Gasauslassventilen 16 je Zylinder 12 die Gasauslassventile 16 des jeweiligen Zylinders 12 unterschiedlich betätigbar sind.
  • Der Kolben 20 ist auf eine bekannte Art und Weise hin- und herbewegbar in dem Zylinder 12 angeordnet und mit einer Kurbelwelle 24 verbunden.
  • In Figur 2 ist ein beispielhaftes Steuerdiagramm für die Betätigung der Gaseinlassventile 14 und der Gasauslassventile 16 von Figur 1 während eines Motorbremsbetriebs der Brennkraftmaschine 10 dargestellt.
  • Eine strichpunktierte Kurve A zeigt einen Ventilhub der Gaseinlassventile 14 in Abhängigkeit von einem Kurbelwinkel der Kurbelwelle 24. Eine gestrichelte Kurve B zeigt einen Ventilhub des Gasauslassventils 16 in Abhängigkeit von dem Kurbelwinkel der Kurbelwelle 24. Eine durchgezogene Kurve C zeigt einen Zylinderdruck in der Verbrennungskammer 18 in Abhängigkeit von einem Kurbelwinkel der Kurbelwelle 24 bei einer niedrigen Motordrehzahl. Eine gepunktete Kurve D zeigt einen Zylinderdruck in der Verbrennungskammer 18 in Abhängigkeit von einem Kurbelwinkel der Kurbelwelle 24 bei einer hohen Motordrehzahl.
  • Die Kurven A bis D sind über die im Viertaktbetrieb üblichen 720° Kurbelwinkel (KW) aufgetragen, wobei die linke Achse des Diagramms die Zylinderdrücke in bar und die rechte Achse die Ventilhübe in mm angeben.
  • Gemäß der Kurve A werden die Gaseinlassventile 14 während des Motorbremsbetriebs wie auch im regulären Betrieb während des Ansaugtaktes geöffnet. Über den weiteren Steuerzyklus sind die Gaseinlassventile 14 geschlossen.
  • Während des Motorbremsbetriebs werden die Gasauslassventile 16 anders als im regulären Betrieb (Normalbetrieb), in dem die Gasauslassventile 16 nur während des Ausschiebetaktes geöffnet sind, gesteuert. Beispielsweise kann die Brennkraftmaschine je Zylinder 12 zwei Gasauslassventile 16 aufweisen, von denen eines während des Motorbremsbetriebs vollständig geschlossen gehalten wird und das andere während des Motorbremsbetriebs gemäß der Kurve B gesteuert wird.
  • Gemäß der Kurve B wird das Gasauslassventil 16 ungefähr 60°KW bis 100°KW vor dem oberen Zündtotpunkt, d. h. vor dem Ende des Verdichtungstaktes, teilweise geöffnet. Das Gasauslassventil 16 wird dann während des Expansionstaktes und des Ausschiebetaktes für ungefähr 360°KW teilweise offen gehalten. Das teilweise geöffnete Gasauslassventil 16 wird nach dem Ausschiebetakt wieder geschlossen und verbleibt bis zur erneuten Öffnung im Verdichtungstakt geschlossen.
  • Das Gasauslassventil 16 wird gemäß der Kurve B nur teilweise geöffnet. Die teilweise Öffnung kann einem Ventilhub von 0,5 mm bis 3 mm entsprechen. Im Gegensatz dazu kann ein Maximalhub (regulärer Hub) das Gasauslassventils 16 beispielsweise zwischen ungefähr 10 mm für kleine Brennkraftmaschinen 10 und bis zu ungefähr 16 mm für sehr große Brennkraftmaschinen 10 im Nutzfahrzeugbau sein.
  • Durch die nur teilweise Öffnung des Gasauslassventils 16 gemäß der Kurve B können unterschiedliche Zylinderdruckverläufe in der Verbrennungskammer 18 bei unterschiedlichen Drehzahlen der Brennkraftmaschine 10 erzielt werden.
  • Gemäß der Kurve C kommt es bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine 10 bis beispielsweise ungefähr 1200 U/min zu keiner Verdichtung in der Verbrennungskammer 18 während des Ausschiebetaktes. Der Grund hierfür liegt in dem Ventilspalt durch das teilweise geöffnete Gasauslassventil 16. Dieser Ventilspalt reicht bei niedrigen Geschwindigkeiten des Kolbens 20 aus, um das in der Verbrennungskammer 18 befindliche Gas ohne Druckanstieg aus der Verbrennungskammer 18 durch das teilweise geöffnete Gasauslassventil 16 strömen zu lassen. Die Kurve C bezieht sich beispielsweise auf einen Zylinderdruckverlauf bei einer Motordrehzahl der Brennkraftmaschine von ungefähr 600 U/min.
  • Hingegen kommt es gemäß der Kurve D bei hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine 10 ab beispielsweise 1200 U/min bis 1500 U/min zu einer Verdichtung in der Verbrennungskammer 18 während des Ausschiebetaktes. Durch die erhöhte Motordrehzahl steigt auch die Kolbengeschwindigkeit des Kolbens 20 an und der Volumenstrom über dem teilweise geöffneten Gasauslassventil 16 steigt ebenfalls an. Der durch das teilweise geöffnete Gasauslassventil 16 bereitgestellte Ventilspalt reicht nicht mehr aus, um das Gas ohne Verdichtung auszuschieben. Stattdessen kommt es zu einer zweiten Verdichtung vor dem oberen Totpunkt am Ende des Ausschiebetaktes. Bei der zweiten Verdichtung wird Kompressionsenergie durch das weiterhin geöffnete Gasauslassventil 16 dissipiert und Bremsleistung erzeugt. Im Einzelnen bremst die Verdichtungsarbeit den Kolben 20, wodurch die Brennkraftmaschine 10 im Motorbremsbetrieb gebremst wird. Die Kurve D bezieht sich beispielsweise auf einen Zylinderdruckverlauf bei einer Motordrehzahl der Brennkraftmaschine von ungefähr 2600 U/min.
  • Bei beiden Kurven C und D kommt es zu einer ersten Verdichtung in der Verbrennungskammer 18 während des Verdichtungstaktes, da das Gasauslassventil 16 erst zum Ende des Verdichtungstaktes geöffnet wird. Durch die Öffnung des Gasauslassventils 16 kommt es zu einer Dekompression des verdichteten Gases in den Abgastrakt, in dem beispielsweise eine in diesem Moment geschlossene Stauklappe vorgesehen ist. Die vom Kolben 20 aufgebrachte Verdichtungsarbeit bremst wiederum die Brennkraftmaschine 10. Aufgrund der höheren Kolbengeschwindigkeit des Kolbens 20 kommt es gemäß Kurve D bei höheren Motordrehzahlen zu einer größeren Verdichtung in der Verbrennungskammer 18 und somit zu einer größeren Bremswirkung als bei niedrigen Motordrehzahl gemäß Kurve C.
  • Während des Expansionstaktes sind die Zylinderdrücke bei den Kurven C und D niedrig und es kann durch den Abgasstau im Abgastrakt Luft aus dem Abgastrakt zurück in die Verbrennungskammer 18 durch das teilweise geöffnete Gasauslassventil 16 strömen. Zusammenfassend kommt es bei niedrigen Motordrehzahl unterhalb einer Grenzdrehzahl, die bspw. zwischen 1200 U/min und 1500 U/min liegt, gemäß der Kurve C zu lediglich einer Kompression von Gas in der Verbrennungskammer 18 und Dekompression des verdichteten Gases in den Abgastrakt. Diese einmalige Kompression-Dekompression findet im Verdichtungstakt statt. Bei einer hohen Motordrehzahl oberhalb der Grenzdrehzahl kommt es mit der gleichen Steuerkurve (Kurve B) für das gleiche Gasauslassventil 16 gemäß der Kurve D zu einer zweifachen Kompression von Gas in der Verbrennungskammer 18 und Dekompression des verdichteten Gases in den Abgastrakt durch das teilweise geöffnete Gasauslassventil 16. Einerseits kommt es im Verdichtungstakt zu einer ersten Kompression mit anschließender Dekompression. Zusätzlich kommt es im Ausschiebetakt zu einer zweiten Kompression mit anschließender Dekompression.
  • Ein Übergang zwischen den Kurven C und D erfolgt mit zunehmender Motordrehzahl der Brennkraftmaschine 10 stetig.
  • Die Erfindung ermöglicht somit auf besonders vorteilhafte Weise, dass mit ein und demselben Steuerprofil für ein Gasauslassventil 16 bei hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine 10 eine hohe Bremswirkung durch die doppelte Kompression-Dekompression erzielt wird (Kurve D). Bei niedrigen Drehzahlen wird ebenso eine (geringe) Bremswirkung durch die einmalige Kompression-Dekompression erzielt (Kurve C), wobei eine Motoranregung aufgrund des Verzichts auf die zweite Kompression-Dekompression verhindert oder zumindest reduziert wird. Das Verfahren passt sich somit selbst an die Umgebungsbedingungen (die Motordrehzahl) an, sodass kein zusätzlicher Steuerungseingriff von außen notwendig ist.
  • Der Schutzumfang der Erfindung wird durch die beigefügten Ansprüche definiert.
    • Bezugszeichenliste
    • 10
    Brennkraftmaschine
    12
    Zylinder
    14
    Gaseinlassventil
    16
    Gasauslassventil
    18
    Verbrennungskammer
    20
    Kolben
    22
    Variabler Ventiltrieb
    24
    Kurbelwelle
    A
    Steuerkurve für Gaseinlassventil
    B
    Steuerkurve für Gasauslassventil
    C
    Zylinderdruckverlauf bei niedriger Motordrehzahl
    D
    Zylinderdruckverlauf bei hoher Motordrehzahl

Claims (12)

  1. Verfahren zum Bremsen einer Brennkraftmaschine (10), insbesondere einer Viertakt-Brennkraftmaschine, aufweisend:
    teilweises Öffnen mindestens eines Gasauslassventils (16) mindestens eines Zylinders (12) der Brennkraftmaschine (10) während eines Verdichtungstaktes der Brennkraftmaschine (10);
    Halten einer teilweisen Öffnung des mindestens einen Gasauslassventils (16) während eines an den Verdichtungstakt anschließenden Expansionstaktes der Brennkraftmaschine (10) und während eines an den Expansionstakt anschließenden Ausschiebetaktes der Brennkraftmaschine (10); und
    Schließen des teilweise geöffneten mindestens einen Gasauslassventils (16) am Ende des Ausschiebetaktes oder während eines an den Ausschiebetakt anschließenden Ansaugtaktes der Brennkraftmaschine (10),
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das mindestens eine Gasauslassventil (16) beim teilweisen Öffnen so weit geöffnet wird, dass es bei einer Drehzahl der Brennkraftmaschine (10) unterhalb einer Grenzdrehzahl der Brennkraftmaschine (10) zu im Wesentlichen keiner Verdichtung im jeweiligen Zylinder (12) während des Ausschiebetaktes kommt,
    das mindestens eine Gasauslassventil (16) beim teilweisen Öffnen so weit geöffnet wird, dass es bei einer Drehzahl der Brennkraftmaschine (10) oberhalb der Grenzdrehzahl zu einer Verdichtung im jeweiligen Zylinder (12) während des Ausschiebetaktes kommt, und
    die Grenzdrehzahl in einem Bereich zwischen 1000 U/min und 1700 U/min, insbesondere in einem Bereich zwischen 1200 U/min und 1500 U/min, liegt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei:
    die Verdichtung im jeweiligen Zylinder (12) bei zunehmender Drehzahl der Brennkraftmaschine (10) im Ausschiebetakt oberhalb der Grenzdrehzahl zunimmt.
  3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei:
    das mindestens eine Gasauslassventil (16) beim teilweisen Öffnen in einem Bereich zwischen 5 % und 30 % eines maximalen Ventilhubs des mindestens einen Gasauslassventils (16) geöffnet wird; und/oder
    das mindestens eine Gasauslassventil (16) beim teilweisen Öffnen in einem Bereich zwischen 0,5 mm und 3 mm geöffnet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei ein maximaler Ventilhub in einem Bereich zwischen 10 mm und 16 mm liegt.
  5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei:
    das teilweise Öffnen des mindestens einen Gasauslassventils (16) während des Verdichtungstaktes in einem Bereich zwischen 100° KW und 60° KW vor OT beginnt.
  6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei:
    das Schließen des mindestens einen Gasauslassventils (16) am Ende des Ausschiebetaktes oder während des Ansaugtaktes in einem Bereich zwischen OT und 30° KW nach OT beginnt.
  7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei:
    beim Offenhalten des Gasauslassventils (16) während des Expansionstaktes und des Ausschiebetaktes ein konstanter Ventilhub des mindestens einen Gasauslassventils (16) gehalten wird.
  8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei:
    je Zylinder (12) zwei Gasauslassventile (16) vorgesehen sind und nur eines der zwei Gasauslassventile (16) während des Verdichtungstaktes teilweise geöffnet, während des Expansionstaktes und des Ausschiebetaktes mit einer teilweisen Öffnung offengehalten und am Ende des Ausschiebetaktes oder während des Ansaugtaktes geschlossen wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei:
    das andere der zwei Gasauslassventile (16) während des Verdichtungstaktes, des Expansionstaktes, des Ausschiebetaktes und des Ansaugtaktes geschlossen ist.
  10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner aufweisend:
    Öffnen mindestens eines Gaseinlassventils (14) des mindestens einen Zylinders (12) während eines Ansaugtaktes; und
    Geschlossen-Halten des mindestens einen Gaseinlassventils (14) während des Verdichtungstaktes, des Expansionstaktes und des Ausschiebetaktes.
  11. Variabler Ventiltrieb (22), insbesondere Schiebenockensystem, für eine Brennkraftmaschine (10), wobei der variable Ventiltrieb (22) dazu ausgebildet ist, das Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche durchzuführen.
  12. Kraftfahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, mit einer Brennkraftmaschine (10) aufweisend den variablen Ventiltrieb nach Anspruch 11.
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