WO2020038727A1 - Verbrennungskraftmaschine für einen kraftwagen, mit einer steuereinheit zum ausrichten einer nockenwelle und verfahren zum betreiben einer solchen verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Verbrennungskraftmaschine für einen kraftwagen, mit einer steuereinheit zum ausrichten einer nockenwelle und verfahren zum betreiben einer solchen verbrennungskraftmaschine Download PDF

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internal combustion
combustion engine
crankshaft
cam
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Franz Huber
Jochen Hufendiek
Christian Lorenz
Tilmann Roemheld
Frank Strauss
Rüdiger Weiss
Hardy Weymann
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Daimler Ag
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    • F02N2019/008—Aiding engine start by starting from a predetermined position, e.g. pre-positioning or reverse rotation the engine being stopped in a particular position

Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine for a motor vehicle according to the preamble of claim 1. Another aspect of the invention relates to a
  • an internal combustion engine device which is provided for performing a direct start, with several cylinders, each of which has at least one valve. At least one of the cylinders is as one
  • the internal combustion engine device comprises at least one valve drive device which is provided to actuate the valves of at least one cylinder in a first position with a first valve stroke and in a second position with at least a second valve stroke designed as a decompression stroke.
  • the valve train device is provided for the valves
  • US 2006/001641 1 A1 describes a system for stopping an engine shaft in an internal combustion engine after the internal combustion engine has been switched off at a predetermined angular position of the shaft with respect to the engine valves.
  • the system includes a sensor for sensing the angular position of the shaft, a programmable electronic motor control module in electrical communication with the sensor, and a shaft positioning mechanism responsive to the motor control module to cause the shaft to stop at the predetermined angular position.
  • the object of the present invention is to provide an internal combustion engine and a method of the type mentioned at the outset, by means of which the internal combustion engine can be started from standstill with particularly little effort.
  • a first aspect of the invention relates to an internal combustion engine for a motor vehicle, with a crankshaft, with a camshaft, with a first cylinder, in which a first piston of the internal combustion engine coupled to drive the crankshaft is movably received, with a first
  • Gas exchange valve which is assigned to the first cylinder, with a hydraulic, first valve clearance compensation device, by means of which the first gas exchange valve can be displaced between a first open position and a first closed position by means of a first cam of the camshaft.
  • the camshaft can be coupled directly or indirectly to the crankshaft and can thus be driven via the crankshaft.
  • the first gas exchange valve can be designed as a first inlet valve, via which fresh air can flow from at least one inlet duct of the internal combustion engine into a first combustion chamber that is at least partially delimited by the first cylinder and by the first piston.
  • the hydraulic, first valve clearance compensation device by means of which the first gas exchange valve can be displaced between a first open position and a first closed position by means of a first cam of the camshaft.
  • the camshaft can be coupled directly or indirectly to the crankshaft and can thus be driven via the crankshaft.
  • the first gas exchange valve can be designed as a first inlet valve, via which fresh air can flow from at least one
  • Valve clearance compensation device can generally also be abbreviated as the first HVA.
  • the invention provides that the
  • Internal combustion engine comprises a control unit, which is set up, at least when the crankshaft changes state from an operating state in which the crankshaft rotates, in an idle state in which the crankshaft is stationary, align the camshaft such that the first
  • Valve clearance compensation device is pressurized in the idle state by means of a plateau area assigned to the first cam, which is designed as a plateau cam, and thereby holds the first gas exchange valve in the first open position. This is advantageous because the first open position of the, due to the plateau area of the first cam ("plateau cam") of the camshaft and accordingly
  • Torque which complicates the internal combustion engine for example when compressing the gas contained in the first cylinder, can be avoided in a compression stroke, as a result of which the starting of the internal combustion engine from standstill can be carried out correspondingly simply and with little effort.
  • the pressure load on the first valve lash adjuster by means of the plateau region of the first cam at least largely or even completely suppresses a torque load on the camshaft when the internal combustion engine is at a standstill (and thus when the crankshaft is at rest).
  • no torque (torque) acts on the camshaft starting from the first cam of the first cylinder when the hydraulic, first valve lash adjuster is pressure-loaded by means of the plateau region of the first cam.
  • the plateau region is to be understood as an at least essentially flat and thus at least largely incline-free region of the first cam.
  • the slope of a cam contour of the first cam is preferably at
  • the cam contour on the plateau zone is preferably flat and therefore free of gradients.
  • the plateau region can therefore preferably be shaped such that at least in the plateau zone there is no change in the stroke of the first gas exchange valve, as long as the first cam acts on the hydraulic, first valve lash adjuster on its plateau area, in particular in the plateau zone, that is, the latter
  • the plateau area can preferably be as wide as possible, the plateau zone being able to extend, for example, over a crank angle amount of 85 ° KW.
  • the plateau zone extends over a crank angle range from 415 ° KW to 500 ° KW, with the respective work cycles (intake cycle, compression cycle,
  • the plateau zone extends over a crank angle amount of 65 ° KW in one
  • Crank angle range from 435 ° KW to 500 ° KW.
  • the first gas exchange valve can be held in the first open position in the area of the expected shut-off position of the internal combustion engine, i.e. the expected crankshaft position of the crankshaft with a constant stroke, and thus by the open (in the first open position) first gas exchange valve at a standstill if possible, no moment acts on the camshaft. This also contributes to a particularly low-effort start of the internal combustion engine, i.e. the expected crankshaft position of the crankshaft with a constant stroke, and thus by the open (in the first open position) first gas exchange valve at a standstill if possible, no moment acts on the camshaft. This also contributes to a particularly low-effort start of the
  • control unit is set up to align the camshaft in such a way that the first valve lash adjuster in the resting state of the crankshaft lies at least essentially against a central portion of the plateau region of the first cam. This is advantageous because it causes the camshaft and the camshaft to swing back or forward
  • Crankshaft can be avoided when parking and instead a defined respective position of the camshaft and the crankshaft can be assumed and maintained.
  • a second gas exchange valve which is assigned to the first cylinder, and a hydraulic, second valve lash compensation device, via which the second gas exchange valve can be shifted between a second open position and a second closed position by means of a second cam of the camshaft.
  • the second gas exchange valve can be designed as a second inlet valve. This is advantageous because the second gas exchange valve is in addition to the first
  • Gas exchange valve a particularly needs-based charge change can take place in the first cylinder.
  • the first cam is designed as a “plateau cam” and can preferably be designed in addition to a third cam, a so-called “filling cam”, the first cam having a smaller valve lift overall than the third cam.
  • the third filling cam enables the first cylinder to be filled with a particularly large amount (mass flow) of fresh air, which is available for combustion, and shifts the first gas exchange valve between a third open position and a third closed position.
  • the third cam (“filling") corresponds to the known cams for intake valves for combustion.
  • the first cam serves in particular to reduce the torque of the first cylinder when starting and filling the first cylinder with sufficient fresh air for combustion operation in the low load range and / or at low engine speeds, and includes the plateau range for a moment-free shutdown the internal combustion engine.
  • Gas exchange valve in fired operation of the internal combustion engine are shifted to the third open positions in order to bring about a favorable inflow of the desired amount of fresh air for fuel combustion. At higher loads and / or speeds, it is possible to switch from the first cam to the third cam and to actuate the first gas exchange valve accordingly.
  • a further, fourth cam is provided.
  • the fourth cam is designed as a “filling cam” and is switched to higher speeds with the third cam after the start mode or a combustion mode at low speed.
  • the fourth cam has a fourth open position and a fourth closed position, which is analogous to the third
  • Open position and third closed position is formed.
  • Valve lash adjuster on the second cam in a stroke-free system while the first valve lash adjuster is pressure-loaded by means of the plateau region in the idle state and the first gas exchange valve is thereby held in the first open position.
  • Valve lash adjuster (HVA) is not pressurized by the second cam such that the second valve lash adjuster is the second
  • Gas exchange valve opens, ie moves into a second open position assigned to the second gas exchange valve, or stops in this open position.
  • Valve lash adjuster (HVA) is in the parking position of the
  • first HVA or second HVA is generally designed as a compensation piston actuated by a spring and between the respective gas exchange valves and, if appropriate, further valve actuation devices, known per se, actuated by the respective cams, to which rocker arm, Rocker arms, tappets and the like may belong, can be arranged.
  • the compensating piston is extended by means of a spring force and reduces a valve clearance of the respective gas exchange valves while the internal combustion engine is running (operation) to the value "zero".
  • Check valve retracts the retraction of the compensating piston in a controlled manner.
  • the engine oil remains in the respective HVA, provided that the HVA is not loaded, i.e. if the respective cam does not act on the respective gas exchange valve by means of the respective HVA.
  • the respective gas exchange valve moves in the direction of an associated valve seat (in which the respective gas exchange valve is located in the Closed position). If one of the respective gas exchange valves is in a respective filling or intake phase of the first cylinder when the engine is at a standstill, i.e. the first cam acts with its plateau area on the first gas exchange valve, the respective, smaller valve lift of the first cam becomes a valve lift of the third charge The cam of the respective gas exchange valve is further lowered, but the respective gas exchange valve is still not completely closed. The valve lift of the first gas exchange valve in the first open position in
  • Engine standstill is then less than the valve lift of the first gas exchange valve in the first open position in combustion mode, but remains open.
  • a torque of the first cylinder that opposes the engine start is reduced, which facilitates the starting process.
  • the second is
  • Gas exchange valve can be actuated by means of the second cam by means of the second valve lash compensation device in such a way that decompression of the first cylinder can be effected.
  • This is advantageous, since it enables both filling and decompression of the first cylinder to be distributed to a plurality of valve drives in accordance with two gas exchange valves per cylinder. As a result, an adjustment of the filling or decompression can be adjusted particularly flexibly.
  • the second cam can be designed as a “decompression cam” with a decompression valve lift, the decompression valve lift being able to bring about a smaller valve lift of the second gas exchange valve than is the case due to the plateau region of the first cam.
  • the decompression valve lift can be between the bottom dead center (UT) of the first piston and its top
  • Ignition dead center should be positioned as far as possible in the area of a maximum piston speed of the first piston, since in this area the largest piston travel of the first piston and thus the greatest possible compression ratio takes place.
  • a maximum amount of the decompression valve lift can preferably be less than 3.0 mm and an opening width (elevation width) of a cam elevation of the second cam can preferably be a value of less than 180 ° KW.
  • the gas exchange valve can preferably be in the shut-off position
  • Internal combustion engine (idle state and crankshaft idle position) be closed so that an unfavorable compression of the second HVA is prevented.
  • the first gas exchange valve and the second gas exchange valve have different open positions and closed positions, the second gas exchange valve being in the second closed position in the first open position of the first gas exchange valve and the first gas exchange valve being in the first closed position in the second open position of the second gas exchange valve.
  • the first cam (“plateau cam”) can output the power in a favorable manner when the crankshaft increases in speed, for example from speed values of the speed of greater than or equal to 500 1 / min
  • Decompression cams do not support the filling of the combustion chamber of the first cylinder, but only cause decompression at low engine speeds, for example at engine speed values below 500 1 / min.
  • Towing operation of the internal combustion engine does not stop due to low speeds of the gas flowing out of the first cylinder as part of the gas exchange, on the other hand stops with increasing engine speed (higher crankshaft speeds) due to the increasing speeds (of the gas) and thus a re-flowing cylinder charge (due to outflowing Gases) becomes correspondingly smaller.
  • the "plateau cam" is designed so that no supercritical ones
  • a second aspect of the invention relates to a method for operating a
  • Internal combustion engine for a motor vehicle which has a crankshaft, a camshaft, a first cylinder, in which a first piston of the internal combustion engine coupled to drive the crankshaft can be moved is included, as well as a first gas exchange valve assigned to the first cylinder and a hydraulic first valve lash adjuster, by means of which the first gas exchange valve can be displaced between a first open position and a first closed position by means of a first cam of the camshaft.
  • the internal combustion engine comprises a control unit, by which at least when the crankshaft changes state
  • Fig. 1 is a diagram showing a valve lift curve of a first
  • Gas exchange valve and a second gas exchange valve over a crank angle curve of a crankshaft of an internal combustion engine wherein the first gas exchange valve and the second gas exchange valve are assigned to a first cylinder of the internal combustion engine;
  • 2 shows a further diagram, which shows the respective valve lift curve of the first and second gas exchange valve and a respective mass of air flowing into the first cylinder during a charge change and air flowing out over the crank angle curve of the crankshaft at a speed of the crankshaft of less than 500 1 / min shows;
  • Fig. 3 is another diagram showing a speed of the at
  • Fig. 4 is a further diagram showing the respective valve lift curve of the
  • first and second gas exchange valve as well as the respective mass, at the charge change in the first cylinder air and outflowing air over the crank angle of the crankshaft at a speed of the crankshaft of greater than or equal to 500 1 / min;
  • Fig. 5 is another diagram showing the speed of the
  • the internal combustion engine includes one
  • crankshaft a camshaft, a first cylinder in which a first piston of the internal combustion engine coupled to drive the crankshaft is movably received, a first gas exchange valve which is assigned to the first cylinder, a hydraulic, first valve lash compensation device via which the first gas exchange valve can be shifted between a first open position and a first closed position by means of a first cam of the camshaft.
  • the internal combustion engine comprises a control unit, which is set up for at least one change of state of the crankshaft Operating state, in which the crankshaft rotates, in an idle state, in which the crankshaft is stationary, to align the camshaft in such a way that the first valve play compensation device is pressurized in the idle state by means of a plateau region 11 assigned to the first cam, and thereby the first
  • Gas exchange valve is held in the first open position.
  • the first cam is designed as a plateau cam.
  • the control unit is set up to align the camshaft in such a way that, when the crankshaft is in the idle state, the first valve lash adjuster bears at least essentially against a central section 13 of the plateau area 11.
  • the internal combustion engine comprises a second gas exchange valve, which is assigned to the first cylinder, and a hydraulic, second
  • Valve clearance compensation device via which the second gas exchange valve can be shifted between a second open position and a second closed position by means of a second cam of the camshaft.
  • the second valve lash adjuster is in stroke-free contact with the second cam, while the first valve lash adjuster is pressure-loaded in the idle state by means of the plateau region 11 and the first gas exchange valve is thereby held in the first open position.
  • the second gas exchange valve can be actuated by means of the second cam by means of the second valve lash adjuster such that decompression of the first cylinder can be effected.
  • the second cam is designed as a decompression cam.
  • the internal combustion engine is designed to carry out a so-called “direct start” with little effort, that is to say
  • the internal combustion engine is for a conventional start, for example by means of a starter or
  • the internal combustion engine according to the invention is particularly suitable for a load-free starting of a hybrid motor vehicle.
  • the direct start i.e. the starter-free acceleration (acceleration without starter) of the crankshaft of the internal combustion engine from the idle state to the operating state
  • the crankshaft is switched from the operating state to the idle state before the direct start and thereby in one position using the control unit (Crankshaft position) in relation to the first cam (“plateau cam”) is switched off in such a way that valve actuation (rocker arm,
  • Rocker arm, bucket tappet, etc. is parked approximately in the middle or in a central section 13 of the plateau area 11 and thus in a plateau zone of the plateau area 11, at which a constant stroke 10 of the first gas exchange valve results.
  • this is the case in a crank angle range between approximately 435 ° KW to 500 ° KW (crank angle).
  • FIG. 1 Combustion operation is shown in dashed lines in FIG. 1 in a diagram which shows the valve lift hv over the crank angle ° KW.
  • the valve lift curve has a corresponding plateau region 11 with its central section 13.
  • the first open position of the first gas exchange valve is essentially between the gas exchange TDC (GWOT) at approximately 360 ° KW and shortly after bottom dead center (UT) at approximately 570 ° KW.
  • the first gas exchange valve which is designed as the first intake valve of the first cylinder, is opened (in the first open position) when the internal combustion engine is switched off (the crankshaft is in the idle state), and the first valve lash adjuster (first HVA) is compressed, in other words pressure-loaded, as a result of which the first HVA is out of function. This results in a valve lift of the first after the internal combustion engine is switched off
  • the valve lash adjuster is smaller than the stroke 10. This is not a problem for starting the internal combustion engine in the form of the direct start, since the first intake valve remains wide open in the intake stroke despite the compressed first HVA. Furthermore, switching off the internal combustion engine such that the first HVA is depressed (pressurized) by the plateau region 11 and thus the first gas exchange valve is held in the first open position
  • Compression-related torque is introduced via the camshaft into the crank mechanism and thus the crankshaft, especially since the first gas exchange valve does not act or press on any flank of the first cam via the valve actuation.
  • the crankshaft may swing back or swing forward Internal combustion engine can be avoided when parking and a defined position of the camshaft and the crankshaft are taken.
  • the valve actuation of the first gas exchange valve resulting from the kinematic coupling of the camshaft or the first cam as well as the first HVA supports the starting (direct start) of the internal combustion engine, i.e. the acceleration of the crankshaft from its idle state when transitioning from the plateau area 11 to a falling flank of the first cam, so that the crankshaft can be accelerated by introducing a torque via the camshaft onto the crankshaft, and accordingly the starting of the internal combustion engine can be made particularly effortless.
  • the second gas exchange valve which is designed as a second intake valve assigned to the first cylinder, is still closed when the internal combustion engine is switched off, since the second intake valve is only opened between 570 and 630 ° KW and between between 570 and 630 ° KW by means of the second cam designed as a “decompression cam” 630 ° KW and 690 ° KW is closed.
  • a second one is shown in FIG. 1 on the basis of a valve stroke curve 14 assigned to the second inlet valve, a second one
  • Open positions are essentially between 600 ° KW and 675 ° KW.
  • the second open position of the second gas exchange valve takes place only in the first closed position of the first gas exchange valve.
  • the first open position of the first gas exchange valve takes place in the second closed position of the second gas exchange valve.
  • the second inlet valve opens for decompression in the compression stroke, that is to say in the present case when the first piston is between its bottom dead center (UT) at 540 ° KW and its top ignition dead center (ZOT) at 720 ° KW, as can also be seen in FIG. 1.
  • the hydraulic, second valve lash adjuster (second HVA) of the second intake valve is therefore unloaded when the internal combustion engine is switched off and thus functions when the internal combustion engine is restarted (direct start), especially since no engine oil has previously been pressed out of the hydraulic, second HVA, thus decompressing the (compressing ) first cylinder at
  • the decompression cam (second cam) of cylinder “2" acts on the second inlet valve of this cylinder "2"
  • the ignition interval is 180 ° KW and thus the plateau area 1 1 of the first cam ("plateau cam") for the first inlet valve of cylinder "1” and the decompression cam (second Cam) of the second intake valve of cylinder "2" coincide.
  • Inlet valve of cylinder "1" opens when the internal combustion engine is switched off by the plateau area 1 1 of the “plateau cam” (in the first open position) and is fired when the (direct) start of the internal combustion engine, resulting in the first cylinder (cylinder “1") contained, ignitable fuel-air mixture is ignited, while with cylinder "2" (which is the fourth in the ignition sequence and thus the last of the 4 cylinders is ignited) on the second intake valve of cylinder "2" the corresponding one
  • the internal combustion engine is designed, for example, as a 6-cylinder engine, this problem does not arise, since the ignition interval (between the 6 cylinders in total) is 120 ° KW and thus the “filling cam” of the first cylinder and the “decompression cam” “Of the second cylinder collapse.
  • the intake-side valve train is switched over, for example, at a speed of the internal combustion engine in the range of 1000 rpm. This switches from the first cam and at the same time from the second cam to third cams and fourth cams arranged parallel to the two cams, which results in an intake valve lift curve 16 of the first gas exchange valve and the second gas exchange valve which is illustrated by a solid line in FIG. 1.
  • An exhaust-side valve train assigned to the first cylinder remains unaffected, which can be seen from an exhaust valve stroke curve 18 shown in FIG. 1.
  • valve drive on the inlet side can be operated, for example, by means of a so-called “Camtronic system” and thereby the valve lift profiles 12, 14 and / or the
  • Intake valve lift curve 16 can be varied. There are various inlet-side Cams for the first and second inlet valves in a start or
  • Decompression mode with a plateau cam (with its valve lift profile 12) and a decompression cam (with its valve lift profile 14) and, for example, two identical cams without respective plateau or decompression areas are provided for normal combustion operation.
  • the two third and fourth cams arranged next to a plateau cam and a decompression cam are designed, for example, as filling cams and each have the valve lift profile 16.
  • FIGS. 2 to 5 show the respective first and second open positions and the corresponding first and second closed positions of the first gas exchange valve and the second gas exchange valve with the respective opening and closing times of the respective intake valve stroke profiles 12 and 14.
  • Fig. 2 to Fig. 5 serve to illustrate that with the plateau cam in
  • decompression can be carried out at low speeds (less than 500 rpm, see FIG. 2), as is expressed by the valve stroke profile 14.
  • an integrated mass flow 24 is shown with a solid line as it is generated by the valve stroke curve 12 of the plateau cam.
  • the first gas exchange valve is shifted from its first closed position into its first open position, after which the mass flow 24 increases from zero to a positive value of zero that differs from zero.
  • the first gas exchange valve is then moved back into its first closed position.
  • a negative integrated mass flow 26 exits the cylinder again via the second gas exchange valve.
  • the total mass of fresh air remaining in the cylinder is the sum of the two mass flows 24 and 26 after the second open position of the second gas exchange valve in its second closed position.
  • the valve stroke profile 12 of the first gas exchange valve has a speed profile 20 of the inflowing fresh air.
  • the Mach number 1 of the air flowing out again from the cylinder is not reached (curve 22).
  • the decompression effect drops and the compression in the first cylinder is such that ignition is possible.
  • the inflowing fresh air (mass flow 24) has a similar course to that in FIG. 2.
  • the mass flow 26 of the outflowing air generated by the valve lift 14 drops significantly (decompression).
  • the fresh air remaining in the cylinder rises, so that a compression sufficient for combustion of fuel in the first cylinder is achieved, as a result of which fuel injected into the first cylinder can ignite and burn.
  • the valve lift curve 12 of the first gas exchange valve has a speed sale 20 of the inflowing fresh air at higher speeds, which is higher than at low speeds (FIG. 3).
  • the Mach number 1 is exceeded (curve 22). In this case the flow at the
  • Mass flow 26 of fresh air flowing out via the second gas exchange valve of the first cylinder with the same valve stroke profile 14 decreases.
  • the integrated mass flows 24 shown in FIGS. 2 and 4 change in the example shown
  • the method according to the invention ensures that a decompression effect is present even after the internal combustion engine has been idle for a long time.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen, mit einer Kurbelwelle, mit einer Nockenwelle, mit einem ersten Zylinder, in welchem ein zum Antreiben der Kurbelwelle mit dieser gekoppelter, erster Kolben der Verbrennungskraftmaschine bewegbar aufgenommen ist, mit einem ersten Gaswechselventil, welches dem ersten Zylinder zugeordnet ist, mit einer hydraulischen, ersten Ventilspielausgleichsvorrichtung. Die Verbrennungskraftmaschine umfasst eine Steuereinheit, welche dazu eingerichtet ist, zumindest bei einem Zustandswechsel der Kurbelwelle von einem Betriebszustand, in welchem sich die Kurbelwelle dreht, in einen Ruhezustand, in welchem die Kurbelwelle still steht, die Nockenwelle derart auszurichten, dass die erste Ventilspielausgleichsvorrichtung mittels eines, dem ersten Nocken zugeordneten Plateaubereichs (11) im Ruhezustand druckbelastet ist und dadurch das erste Gaswechselventil in der ersten Offenstellung hält. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen.

Description

Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen, mit einer Steuereinheit zum Ausrichten einer Nockenwelle und Verfahren zum Betreiben einer solchen
Verbrennungskraftmaschine
Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein
Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen.
Aus der DE 10 2016 013 370 A1 ist eine Brennkraftmaschinenvorrichtung bekannt, die zur Durchführung eines Direktstarts vorgesehen ist, mit mehreren Zylindern, die jeweils wenigstens ein Ventil aufweisen. Wenigstens einer der Zylinder ist als ein
Direktstartzylinder ausgebildet. Die Brennkraftmaschinenvorrichtung umfasst zumindest eine Ventiltriebvorrichtung, die dazu vorgesehen ist, die Ventile wenigstens eines Zylinders in einer ersten Stellung mit einem ersten Ventilhub und in einer zweiten Stellung zumindest mit einem zweiten als Dekompressionshub ausgebildeten Ventilhub zu betätigen. Die Ventiltriebvorrichtung ist dazu vorgesehen, für die Ventile
unterschiedlicher Zylinder jeweils unterschiedliche Dekompressionshübe auszubilden.
Die US 2006/001641 1 A1 beschreibt ein System zum Anhalten einer Motorwelle in einem Verbrennungsmotor nach dem Abstellen des Verbrennungsmotors an einer vorbestimmten Winkelposition der Welle in Bezug auf die Motorventile. Das System umfasst einen Sensor zum Erfassen der Winkelposition der Welle, ein programmierbares elektronisches Motorsteuermodul in elektrischer Verbindung mit dem Sensor und einen Wellenpositionierungsmechanismus, der auf das Motorsteuermodul anspricht, um zu bewirken, dass die Welle an der vorbestimmten Winkelposition anhält.
Aus der DE 103 42 703 B4 ist ein Verfahren zum Starten einer mehrzylindrigen
Brennkraftmaschine bekannt. Bei Anforderung eines Startvorgangs wird die Stellung mindestens eines Kolbens in mindestens einem zugeordneten Zylinder ermittelt, wobei Kraftstoff in einen Brennraum des oder der Zylinder des Kolbens eingespritzt wird, der oder die sich im Arbeitstakt befinden und wobei ein Kraftstoff/Gas-Gemisch in dem mindestens einen im Arbeitstakt befindlichen Zylinder gezündet wird und der oder die Kolben der weiteren Zylinder über eine die Kolben koppelnde Kurbelwelle in eine Vorwärtsbewegung versetzt. In mindestens einem, in einem Verdichtungstakt befindlichen Zylinder wird zur Verringerung des Widerstandes der Bewegung der Kolben ein Dekompressionsventil geöffnet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verbrennungskraftmaschine sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, durch welche ein besonders aufwandsarmes Starten der Verbrennungskraftmaschine aus dem Stillstand erfolgen kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen
Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen, mit einer Kurbelwelle, mit einer Nockenwelle, mit einem ersten Zylinder, in welchem ein zum Antreiben der Kurbelwelle mit dieser gekoppelter, erster Kolben der Verbrennungskraftmaschine bewegbar aufgenommen ist, mit einem ersten
Gaswechselventil, welches dem ersten Zylinder zugeordnet ist, mit einer hydraulischen, ersten Ventilspielausgleichsvorrichtung, über welche das erste Gaswechselventil mittels eines ersten Nockens der Nockenwelle zwischen einer ersten Offenstellung und einer ersten Schließstellung verlagerbar ist. Die Nockenwelle kann unmittelbar oder mittelbar mit der Kurbelwelle gekoppelt und somit über die Kurbelwelle antreibbar sein. Das erste Gaswechselventil kann als erstes Einlassventil ausgebildet sein, über welches Frischluft aus zumindest einem Einlasskanal der Verbrennungskraftmaschine in einen, durch den ersten Zylinder sowie durch den ersten Kolben zumindest bereichsweise begrenzten, ersten Brennraum einströmen kann. Die hydraulische, erste
Ventilspielausgleichsvorrichtung kann allgemein auch als erste HVA abgekürzt werden.
Um ein besonders aufwandsarmes Starten der Verbrennungskraftmaschine aus dem Stillstand zu ermöglichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die
Verbrennungskraftmaschine eine Steuereinheit umfasst, welche dazu eingerichtet ist, zumindest bei einem Zustandswechsel der Kurbelwelle von einem Betriebszustand, in welchem sich die Kurbelwelle dreht, in einen Ruhezustand, in welchem die Kurbelwelle still steht, die Nockenwelle derart auszurichten, dass die erste
Ventilspielausgleichsvorrichtung mittels eines, dem als Plateau-Nocken ausgeführten ersten Nocken zugeordneten Plateaubereichs im Ruhezustand druckbelastet ist und dadurch das erste Gaswechselventil in der ersten Offenstellung hält. Dies ist von Vorteil, da durch die erste Offenstellung des, durch den Plateaubereich des ersten Nockens („Plateau-Nocken“) der Nockenwelle druckbelasteten und dementsprechend
niedergedrückten, ersten Gaswechselventils beim Starten der
Verbrennungskraftmaschine (beim Beschleunigen der Kurbelwelle aus deren
Ruhezustand in den Betriebszustand) ein zumindest teilweises Ansaugen von Gas bzw. Verbrennungsluft von dem ersten Zylinder über das in der ersten Offenstellung befindliche Gaswechselventil erfolgen kann, wodurch dementsprechend geringes Moment des ersten Zylinders dem Starten der Verbrennungskraftmaschine entgegen steht. Mit anderen Worten kann dadurch also ein, das Starten der
Verbrennungskraftmaschine erschwerendes Moment, beispielsweise beim Komprimieren des in dem ersten Zylinder enthaltenen Gases in einem Kompressionstakt vermieden werden, wodurch das Starten der Verbrennungskraftmaschine aus dem Stillstand entsprechend einfach und aufwandsarm erfolgen kann. Von besonderem Vorteil ist zudem, dass durch die Druckbelastung der ersten Ventilspielausgleichsvorrichtung mittels des Plateaubereichs des ersten Nockens eine Drehmomentbelastung auf die Nockenwelle im Stillstand der Verbrennungskraftmaschine (und damit im Ruhezustand der Kurbelwelle) zumindest weitgehend oder sogar vollständig unterbunden ist. Mit anderen Worten wirkt also idealerweise kein Moment (Drehmoment) ausgehend vom ersten Nocken des ersten Zylinders auf die Nockenwelle, wenn die hydraulische, erste Ventilspielausgleichsvorrichtung mittels des Plateaubereichs des ersten Nockens druckbelastet wird.
Unter dem Plateaubereich ist ein zumindest im Wesentlichen ebener und damit wenigstens weitgehend steigungsfreier Bereich des ersten Nockens zu verstehen.
Vorzugsweise beträgt die Steigung einer Nockenkontur des ersten Nockens am
Plateaubereich zumindest in einer Plateauzone des Plateaubereichs den Wert„0“. Mit anderen Worten verläuft die Nockenkontur an der Plateauzone vorzugsweise flach und somit steigungsfrei. Der Plateaubereich kann also bevorzugt derart geformt sein, dass zumindest in der Plateauzone keine Hubänderung des erstes Gaswechselventils erfolgt, solange der erste Nocken an dessen Plateaubereich, insbesondere in der Plateauzone, auf die hydraulische, erste Ventilspielausgleichsvorrichtung wirkt, also letztere
druckbelastet. Der Plateaubereich kann bevorzugt möglichst breit sein, wobei sich die Plateauzone beispielsweise über einen Kurbelwinkelbetrag von 85 °KW erstrecken kann. Dabei erstreckt sich die Plateauzone über einen Kurbelwinkelbereich von 415 °KW bis 500 °KW, wobei sich jeweilige Arbeitstakte (Ansaugtakt, Verdichtungstakt,
Verbrennungstakt, Ausschiebetakt) insgesamt über zwei vollständige Umdrehungen der Kurbelwelle, also über einen Bereich von 0 °KW bis 720 °KW erstrecken. Vorzugsweise erstreckt sich Plateauzone über einen Kurbelwinkelbetrag von 65 °KW in einem
Kurbelwinkelbereich von 435 °KW bis 500 °KW.
Durch den Plateaubereich kann das erste Gaswechselventil insgesamt im Bereich der zu erwartenden Abstellposition der Verbrennungskraftmaschine, also der zu erwartenden Kurbelwellenstellung der Kurbelwelle bei konstantem Hub in der ersten Offenstellung gehalten werden, damit durch das offene (in der erste Offenstellung befindliche), erste Gaswechselventil im Stillstand möglichst kein Moment auf die Nockenwelle wirkt. Dies trägt ebenfalls zu einem besonders aufwandsarmen Starten der
Verbrennungskraftmaschine bei.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, die Nockenwelle derart auszurichten, dass die erste Ventilspielausgleichsvorrichtung im Ruhezustand der Kurbelwelle zumindest im Wesentlichen an einem Mittenabschnitt des Plateaubereichs des ersten Nockens anliegt. Dies ist von Vorteil, da hierdurch ein etwaiges Zurückschwingen oder Vorwärtsschwingen der Nockenwelle und der
Kurbelwelle beim Abstellen vermieden werden und stattdessen eine definierte jeweilige Position der Nockenwelle und der Kurbelwelle eingenommen und beibehalten werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die
Verbrennungskraftmaschine ein zweites Gaswechselventil, welches dem ersten Zylinder zugeordnet ist, sowie eine hydraulische, zweite Ventilspielausgleichsvorrichtung, über welche das zweite Gaswechselventil mittels eines zweiten Nockens der Nockenwelle zwischen einer zweiten Offenstellung und einer zweiten Schließstellung verlagerbar ist. Das zweite Gaswechselventil kann als zweites Einlassventil ausgebildet sein. Dies ist von Vorteil, da über das zweite Gaswechselventil zusätzlich zu dem ersten
Gaswechselventil ein besonders bedarfsgerechter Ladungswechsel im ersten Zylinder erfolgen kann.
Der erste Nocken ist als ein„Plateau-Nocken“ ausgeführt und kann bevorzugt neben einem dritten Nocken, einem sogenannten„Füllungs-Nocken“, ausgeführt sein, wobei der erste Nocken insgesamt einen geringeren Ventilhub als der dritte Nocken aufweist. Der dritte Füllungs-Nocken ermöglicht eine Befüllung des ersten Zylinders mit einer besonders großen Menge (Massenstrom) an Frischluft, welche zur Verbrennung zur Verfügung steht und verlagert das erste Gaswechselventil zwischen einer dritten Offenstellung und einer dritten Schließstellung. Der dritte Nocken („Füllung“) entspricht den bekannten Nocken für Einlassventile für den Verbrennungsbetrieb. Der erste Nocken („Plateau“) hingegen dient insbesondere zur Verminderung des Moments des ersten Zylinders beim Starten und der Befüllung des ersten Zylinders mit ausreichend Frischluft für einen Verbrennungsbetrieb im niedrigen Lastbereich und/oder bei niedrigen Drehzahlen und umfasst den Plateaubereich für ein Momenten freies Abstellen der Verbrennungskraftmaschine. Mittels des dritten Nockens kann das erste
Gaswechselventil im befeuerten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine in die dritte Offenstellungen verlagert werden, um ein günstiges Einströmen der gewünschten Menge der Frischluft für eine Kraftstoffverbrennung zu bewirken. Zu höheren Lasten und/oder Drehzahlen hin kann vom ersten Nocken auf den dritte Nocken umgeschaltet werden und das erste Gaswechselventil entsprechend betätigt werden.
Neben dem zweiten Nocken ist ein weiterer, vierter Nocken vorgesehen. Der vierte Nocken ist analog dem dritten Nocken als ein„Füllungs-Nocken“ ausgebildet und wird mit dem dritten Nocken nach dem Startbetrieb bzw. einem Verbrennungsbetrieb mit niedriger Drehzahl zu höheren Drehzahlen umgeschaltet. Der vierte Nocken weist eine vierte Offenstellung und eine vierte Schließstellung auf, die analog zur dritten
Offenstellung und dritten Schließstellung ausgebildet ist.
Eine Umschaltung vom ersten Nocken (Plateau) und vom zweiten Nocken
(Dekompression) auf die jeweiligen benachbarten dritten Nocken und vierten Nocken (Füllung) kann bei einer Drehzahl im Bereich von 1000 1/min der
Verbrennungskraftmaschine erfolgen. In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die zweite
Ventilspielausgleichsvorrichtung an dem zweiten Nocken in hubfreier Anlage, während die erste Ventilspielausgleichsvorrichtung mittels des Plateaubereichs im Ruhezustand druckbelastet ist und dadurch das erste Gaswechselventil in der ersten Offenstellung gehalten ist. Mit anderen Worten wird die hydraulische, zweite
Ventilspielausgleichsvorrichtung (HVA) nicht derart durch den zweiten Nocken druckbeaufschlagt, dass die zweite Ventilspielausgleichsvorrichtung das zweite
Gaswechselventil öffnet, also in eine dem zweiten Gaswechselventil zugeordnete zweiten Offenstellung bewegt, bzw. in dieser Offenstellung hält. Die zweite
Ventilspielausgleichsvorrichtung (HVA) befindet sich in der Abstellposition der
Verbrennungskraftmaschine im Bereich eines Grundkreises des zweiten Nockens, womit das zweite Gaswechselventil in seiner zweiten Schließstellung verbleibt, während das erste Gaswechselventil in seiner ersten Offenstellung verbleibt.
Hierbei liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das erste HVA bzw. zweite HVA in der Regel als durch eine Feder betätigter Ausgleichskolben ausgebildet ist und zwischen den jeweiligen Gaswechselventilen und gegebenenfalls weiteren, durch die jeweiligen Nocken betätigten, jeweiligen an sich bekannten Ventilbetätigungseinrichtungen, zu welchen Kipphebel, Schlepphebel, Tassenstössel und dergleichen gehören können, angeordnet sein kann. Der Ausgleichskolben wird mittels einer Federkraft der Feder ausgefahren und reduziert ein Ventilspiel der jeweiligen Gaswechselventile während des Motorlaufs (Betriebs) der Verbrennungskraftmaschine auf den Wert„Null“. Mittels eines bei Ausfahren des Ausgleichskolbens angesaugten Motoröls und eines
Rückschlagventils wird ein Einfahren des Ausgleichskolbens kontrolliert verzögert. Bei Motorstillstand (Ruhezustand der Kurbelwelle) bleibt das Motoröl in der jeweiligen HVA, sofern das HVA nicht belastet wird, d.h. wenn der jeweilige Nocken mittels des jeweiligen HVA auf das jeweilige Gaswechselventil nicht einwirkt. Bei abgestellter
Verbrennungskraftmaschine (Ruhezustand der Kurbelwelle) und einem geöffneten jeweiligen Gaswechselventil (beispielsweise in der ersten Offenstellung des ersten Gaswechselventils) wird das Motoröl aus der jeweiligen HVA (beispielsweise aus der hydraulischen, ersten Ventilspielausgleichsvorrichtung) zumindest teilweise
herausgedruckt und das jeweilige Gaswechselventil bewegt sich in Richtung eines ihm zugeordneten Ventilsitzes (in welchem sich das jeweilige Gaswechselventil in dessen Schließstellung befindet). Falls sich dabei eines der jeweiligen Gaswechselventile beim Motorstillstand in einer jeweiligen Befüllung bzw. Ansaugphase des ersten Zylinders, d.h. der erste Nocken mit seinen Plateaubereich auf das erste Gaswechselventil einwirkt, befindet, wird der jeweilige, geringere Ventilhub des ersten Nockens gegenüber einem Ventilhub des dritten Füllungs-Nockens des jeweiligen Gaswechselventils weiter abgesenkt, wobei das jeweilige Gaswechselventil dennoch nicht ganz geschlossen wird. Der Ventilhub des ersten Gaswechselventils in der ersten Offenstellung im
Motorstillstand ist dann kleiner als der Ventilhub des ersten Gaswechselventils in der ersten Offenstellung im Verbrennungsbetrieb, bleibt aber geöffnet. Bei einem erneuten Motorstart (Beschleunigung der Kurbelwelle vom Ruhezustand in den Betriebszustand) wird ist ein dem Motorstart entgegenstehendes Moment des erste Zylinders vermindert, was den Startvorgang erleichtert.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das zweite
Gaswechselventil unter Vermittlung der zweiten Ventilspielausgleichsvorrichtung derart mittels des zweiten Nockens betätigbar, dass eine Dekompression des ersten Zylinders bewirkbar ist. Dies ist von Vorteil, da hierdurch sowohl eine Füllung als auch eine Dekompression des ersten Zylinders bei dementsprechend zwei Gaswechselventilen pro Zylinder auf mehrere Ventiltriebe verteilt werden kann. Dadurch ist eine Einstellung der Füllung bzw. Dekompression besonders flexibel anpassbar.
Der zweite Nocken kann als„Dekompressions-Nocken“ mit einer Dekompression- Ventilerhebung ausgeführt sein, wobei die Dekompression-Ventilerhebung einen kleineren Ventilhub des zweiten Gaswechselventils bewirken kann, als dies durch den Plateaubereich des ersten Nockens der Fall ist. Die Dekompression-Ventilerhebung kann zwischen dem unteren Totpunkt (UT) des ersten Kolbens und dessen oberen
Zündtotpunkts (ZOT) möglichst im Bereich einer maximalen Kolbengeschwindigkeit des ersten Kolbens positioniert sein, da in diesem Bereich der größte Kolbenweg des ersten Kolbens und damit der größtmögliche Kompressionsanteil stattfindet. Ein Maximalbetrag des Dekompression-Ventilhubs kann vorzugsweise weniger als 3,0 mm betragen und eine Öffnungsbreite (Erhebungsbreite) einer Nockenerhebung des zweiten Nockens kann vorzugsweise einem Wert von weniger als 180 °KW betragen. Das zweite
Gaswechselventil kann vorzugsweise in der Abstellposition der
Verbrennungskraftmaschine (Ruhezustand sowie Ruhestellung der Kurbelwelle) geschlossen sein, sodass ein ungünstiges Zusammendrücken des zweiten HVA unterbunden ist. Das erste Gaswechselventil und das zweite Gaswechselventil weisen voneinander unterschiedliche Offenstellungen und Schließstellungen auf, wobei bei der ersten Offenstellung des ersten Gaswechselventils das zweite Gaswechselventil sich in der zweiten Schließstellung befindet und bei der zweiten Offenstellung des zweiten Gaswechselventils das erste Gaswechselventil sich in der ersten Schließstellung befindet.
Der erste Nocken („Plateau-Nocken“) kann in günstiger Weise bei zunehmender Drehzahl der Kurbelwelle, beispielsweise ab Drehzahlwerten der Drehzahl von größer oder gleich 500 1/min, mit der Verbrennung eine Leistungsabgabe der
Verbrennungskraftmaschine ermöglichen. Dabei soll der zweite Nocken
(„Dekompressions-Nocken“) die Füllung des Brennraumes des ersten Zylinders nicht unterstützen, sondern ausschließlich die Dekompression bei niedrigen Drehzahlen, beispielsweise bei Drehzahlwerten der Drehzahl unterhalb von 500 1/min, bewirken.
Dies kann in besonders vorteilhafter Weise dadurch erreicht werden, dass der kleine „Dekompressions-Nocken“ (zweiter Nocken) hinsichtlich seines Hubes derart ausgelegt ist, dass er bei kleinen Motordrehzahlen (kleinen Drehzahlen der Kurbelwelle) im
Schlepp-Betrieb der Verbrennungskraftmaschine aufgrund kleiner Geschwindigkeiten des im Rahmen des Ladungswechsels aus den ersten Zylinder ausströmenden Gases nicht stopft, dagegen mit zunehmender Motordrehzahl (größeren Drehzahlen der Kurbelwelle) aufgrund der steigenden Geschwindigkeiten (des Gases) stopft und so eine wieder ausströmende Zylinderfüllung (aufgrund ausströmenden Gases) entsprechend kleiner wird. Der„Plateau-Nocken“ ist so ausgelegt, dass keine überkritischen
Druckverhältnisse auftreten und die Zylinderfüllung auch mit zunehmender
Motordrehzahl im Wesentlichen erhalten bleibt. Dadurch wird eine Verbrennung mit zunehmender Drehmomentabgabe der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine mit zunehmender Motordrehzahl (Drehzahl der Kurbelwelle) erreicht.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer
Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen, welche eine Kurbelwelle, eine Nockenwelle, einen ersten Zylinder, in welchem ein zum Antreiben der Kurbelwelle mit dieser gekoppelter, erster Kolben der Verbrennungskraftmaschine bewegbar aufgenommen ist, sowie ein erstes, dem ersten Zylinder zugeordnetes Gaswechselventil und eine hydraulische, erste Ventilspielausgleichsvorrichtung, über welche das erste Gaswechselventil mittels eines ersten Nockens der Nockenwelle zwischen einer ersten Offenstellung und einer ersten Schließstellung verlagerbar ist, umfasst.
Gemäß der Erfindung umfasst die Verbrennungskraftmaschine eine Steuereinheit, durch welche zumindest bei einem Zustandswechsel der Kurbelwelle von einem
Betriebszustand, in welchem sich die Kurbelwelle dreht, in einen Ruhezustand, in welchem die Kurbelwelle still steht, die Nockenwelle derart ausgerichtet wird, dass die erste Ventilspielausgleichsvorrichtung mittels eines, dem als Plateau-Nocken
ausgeführten ersten Nocken zugeordneten Plateaubereichs im Ruhezustand
druckbelastet ist und dadurch das erste Gaswechselventil in der ersten Offenstellung gehalten wird. Die im Zusammenhang mit der Verbrennungskraftmaschine gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung vorgestellten Merkmale sowie deren Vorteile gelten entsprechend für das Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung und umgekehrt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und
Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigen:
Fig. 1 ein Diagramm, welches einen Ventilhubverlauf eines ersten
Gaswechselventils sowie eines zweiten Gaswechselventils über einem Kurbelwinkelverlauf einer Kurbelwelle einer Verbrennungskraftmaschine zeigt, wobei das erste Gaswechselventil und das zweite Gaswechselventil einem ersten Zylinder der Verbrennungskraftmaschine zugeordnet sind; Fig. 2 ein weiteres Diagramm, welches den jeweiligen Ventilhubverlauf des ersten und zweiten Gaswechselventils sowie eine jeweilige Masse an, bei einem Ladungswechsel in den ersten Zylinder einströmender Luft und ausströmenden Luft über dem Kurbelwinkelverlauf der Kurbelwelle bei einer Drehzahl der Kurbelwelle von weniger als 500 1/min zeigt;
Fig. 3 ein weiteres Diagramm, welches eine Geschwindigkeit der beim
Ladungswechsel in den ersten Zylinder einströmenden Luft und ausströmenden Luft über dem Kurbelwinkelverlauf der Kurbelwelle bei der Drehzahl der Kurbelwelle von weniger als 500 1/min zeigt;
Fig. 4 ein weiteres Diagramm, welches den jeweiligen Ventilhubverlauf des
ersten und zweiten Gaswechselventils sowie die jeweilige Masse an, bei dem Ladungswechsel in den ersten Zylinder einströmender Luft und ausströmenden Luft über dem Kurbelwinkelverlauf der Kurbelwelle bei einer Drehzahl der Kurbelwelle von größer oder gleich 500 1/min zeigt; und
Fig. 5 ein weiteres Diagramm, welches die Geschwindigkeit der beim
Ladungswechsel in den ersten Zylinder einströmenden Luft und ausströmenden Luft über dem Kurbelwinkelverlauf der Kurbelwelle bei der Drehzahl der Kurbelwelle von größer oder gleich 500 1/min zeigt.
Die Fig. 1 bis Fig. 5 dienen zur Verdeutlichung eines Betriebs einer vorliegend nicht weiter dargestellten Verbrennungskraftmaschine für einen vorliegend ebenfalls nicht weiter dargestellten Kraftwagen. Die Verbrennungskraftmaschine umfasst eine
Kurbelwelle, eine Nockenwelle, einen ersten Zylinder, in welchem ein zum Antreiben der Kurbelwelle mit dieser gekoppelter, erster Kolben der Verbrennungskraftmaschine bewegbar aufgenommen ist, ein erstes Gaswechselventil, welches dem ersten Zylinder zugeordnet ist, eine hydraulische, erste Ventilspielausgleichsvorrichtung, über welche das erste Gaswechselventil mittels eines ersten Nockens der Nockenwelle zwischen einer ersten Offenstellung und einer ersten Schließstellung verlagerbar ist.
Zudem umfasst die Verbrennungskraftmaschine eine Steuereinheit, welche dazu eingerichtet ist, zumindest bei einem Zustandswechsel der Kurbelwelle von einem Betriebszustand, in welchem sich die Kurbelwelle dreht, in einen Ruhezustand, in welchem die Kurbelwelle still steht, die Nockenwelle derart auszurichten, dass die erste Ventilspielausgleichsvorrichtung mittels eines, dem ersten Nocken zugeordneten Plateaubereichs 1 1 im Ruhezustand druckbelastet ist und dadurch das erste
Gaswechselventil in der ersten Offenstellung gehalten ist. Der erste Nocken ist als ein Plateau-Nocken ausgeführt.
Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, die Nockenwelle derart auszurichten, dass die erste Ventilspielausgleichsvorrichtung im Ruhezustand der Kurbelwelle zumindest im Wesentlichen an einem Mittenabschnitt 13 des Plateaubereichs 1 1 an diesem anliegt.
Darüber hinaus umfasst die Verbrennungskraftmaschine ein zweites Gaswechselventil, welches dem ersten Zylinder zugeordnet ist, sowie eine hydraulische, zweite
Ventilspielausgleichsvorrichtung, über welche das zweite Gaswechselventil mittels eines zweiten Nockens der Nockenwelle zwischen einer zweiten Offenstellung und einer zweiten Schließstellung verlagerbar ist.
Die zweite Ventilspielausgleichsvorrichtung ist an dem zweiten Nocken in hubfreier Anlage, während die erste Ventilspielausgleichsvorrichtung mittels des Plateaubereichs 1 1 im Ruhezustand druckbelastet ist und dadurch das erste Gaswechselventil in der ersten Offenstellung gehalten ist. Das zweite Gaswechselventil ist unter Vermittlung der zweiten Ventilspielausgleichsvorrichtung derart mittels des zweiten Nockens betätigbar, dass eine Dekompression des ersten Zylinders bewirkbar ist. Der zweite Nocken ist als ein Dekompressions-Nocken ausgeführt.
Die Verbrennungskraftmaschine ist vorliegend dazu ausgebildet einen sogenannten „Direktstart“ besonders aufwandsarm durchzuführen, also die
Verbrennungskraftmaschine allein durch Verbrennungsenergie zu starten und somit die Kurbelwelle allein durch die Verbrennungsenergie von dem Ruhezustand in den
Betriebszustand zu beschleunigen. Des Weiteren ist die Verbrennungskraftmaschine für einen konventionellen Start beispielsweise mittels eines Anlassers oder eines
Elektromotors geeignet. Die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine ist insbesondere für ein lastfreies Starten eines Hybrid-Kraftwagens geeignet. Um den Start und insbesondere den Direktstart, also das anlasserfreie Beschleunigen (Beschleunigen ohne Anlasser) der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine aus dem Ruhezustand in den Betriebszustand durchzuführen, wird die Kurbelwelle vor dem Direktstart von dem Betriebszustand in den Ruhezustand versetzt und dabei anhand der Steuereinheit in einer Position (Kurbelwellenstellung) in Bezug auf den ersten Nocken („Plateau-Nocken“) derart abgestellt, dass eine Ventilbetätigung (Kipphebel,
Schlepphebel, Tassenstössel usw.) etwa in der Mitte oder in einem Mittenabschnitt 13 des Plateaubereichs 1 1 und damit in einer Plateauzone des Plateaubereichs 1 1 abgestellt wird, an welcher sich ein konstanter Hub 10 des ersten Gaswechselventils ergibt. In Fig. 1 ist dies in einem Kurbelwinkelbereich zwischen etwa 435 °KW bis 500 °KW (Kurbelwinkel) der Fall. Ein entsprechender Ventilhubverlauf 12 im
Verbrennungsbetrieb ist in Fig. 1 gestrichelt in einem Diagramm aufgetragen, welches den Ventilhub hv über dem Kurbelwinkel °KW zeigt. Der Ventilhubverlauf weist dabei einen entsprechenden Plateaubereich 11 mit seinem Mittenabschnitt 13 auf. Die ersten Offenstellung des ersten Gaswechselventils liegt hierbei im Wesentlichen zwischen dem Gas-Wechsel-OT (GWOT) bei etwa 360 °KW und kurz nach dem unteren Totpunkt (UT) bei etwa 570°KW. Damit ist das erste Gaswechselventil, welches als erstes Einlassventil des ersten Zylinders ausgebildet ist, beim Abstellen der Verbrennungskraftmaschine (Ruhezustand der Kurbelwelle) geöffnet (in der ersten Offenstellung) und damit die erste Ventilspielausgleichsvorrichtung (erste HVA) zusammengedrückt, also mit anderen Worten druckbelastet, wodurch die erste HVA außer Funktion ist. Damit stellt sich nach dem Abstellen der Verbrennungskraftmaschine ein Ventilhub des ersten
Gaswechselventils ein, der um den Betrag der zusammengedrückten ersten
Ventilspielausgleichsvorrichtung kleiner ist als der Hub 10. Dies stellt für das Starten der Verbrennungskraftmaschine in Form des Direktstarts kein Problem dar, da das erste Einlassventil im Ansaugtakt trotz zusammengedrückter erster HVA weit geöffnet bleibt. Des Weiteren wird durch das Abstellen der Verbrennungskraftmaschine derart, dass die erste HVA durch den Plateaubereich 1 1 niedergedrückt (druckbelastet) und damit das erste Gaswechselventil in der ersten Offenstellung gehalten wird, kein
kompressionsbedingtes Drehmoment über die Nockenwelle in den Kurbeltrieb und damit die Kurbelwelle eingeleitet, zumal das erste Gaswechselventil über die Ventilbetätigung auf keinerlei Flanke des ersten Nockens einwirkt bzw. drückt. Insgesamt kann ein etwaiges Zurückschwingen oder Vorwärtsschwingen der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine beim Abstellen vermieden werden und eine definierte Position der Nockenwelle und der Kurbelwelle eingenommen werden.
Die aus der kinematischen Koppelung der Nockenwelle bzw. des ersten Nockens sowie der ersten HVA resultierende Ventilbetätigung des ersten Gaswechselventils unterstützt das Starten (den Direktstart) der Verbrennungskraftmaschine, also das Beschleunigen der Kurbelwelle aus deren Ruhezustand beim Übergang vom Plateaubereich 1 1 auf eine abfallende Flanke des ersten Nockens, sodass das Beschleunigen der Kurbelwelle mit einer Einbringung eines Drehmoments über die Nockenwelle auf die Kurbelwelle erfolgen kann und dementsprechend das Starten der Verbrennungskraftmaschine besonders aufwandsarm gestaltet werden kann.
Das zweite Gaswechselventil, welches als dem ersten Zylinder zugeordnetes, zweites Einlassventil ausgestaltet ist, ist beim Abstellen der Verbrennungskraftmaschine noch geschlossen, da das zweite Einlassventil mittels des als„Dekompressions-Nocken“ ausgebildeten, zweiten Nockens erst zwischen 570 und 630 °KW geöffnet und zwischen 630 °KW und 690°KW geschlossen wird. Wie in Fig. 1 anhand eines, dem zweiten Einlassventil zugeordneten Ventilhubverlaufs 14 erkennbar ist, kann eine zweite
Offenstellung im Wesentlichen zwischen 600 °KW und 675 °KW erfolgen. Die zweite Offenstellung des zweiten Gaswechselventils erfolgt erst in der ersten Schließstellung des ersten Gaswechselventils. Die erste Offenstellung des ersten Gaswechselventils erfolgt in der zweiten Schließstellung des zweiten Gaswechselventils.
Das zweite Einlassventil öffnet für die Dekompression im Verdichtungstakt, also vorliegend bei einer Lage des ersten Kolbens zwischen dessen unterem Totpunkt (UT) bei 540 °KW und dessen oberem Zündtotpunkt (ZOT) bei 720 °KW, wie ebenfalls aus Fig. 1 hervorgeht. Die hydraulische, zweite Ventilspielausgleichsvorrichtung (zweite HVA) des zweiten Einlassventils ist daher beim Abstellen der Verbrennungskraftmaschine unbelastet und damit beim Wiederstart (Direktstart) der Verbrennungskraftmaschine in Funktion, zumal zuvor kein Motoröl aus der hydraulischen, zweiten HVA herausgedrückt wurde, womit die Dekomprimierung des (verdichtenden) ersten Zylinders beim
Start/Wiederstart der Verbrennungskraftmaschine stattfinden kann.
Ist die Verbrennungskraftmaschine beispielsweise als 4-Zyl. -Motor mit einer Zündfolge 1- 3-4-2 (erster Zylinder - dritter Zylinder - vierter Zylinder - zweiter Zylinder) ausgebildet, so wirkt der Dekompressions-Nocken (zweiter Nocken) des Zylinders„2“ (zweiter Zylinder) auf das zweite Einlassventil dieses Zylinders„2“ ein, da der Zündabstand 180 °KW beträgt und damit der Plateaubereich 1 1 des ersten Nockens („Plateau-Nocken“) für das erste Einlassventil des Zylinders„1“ und der Dekompressions-Nocken (zweiter Nocken) des zweiten Einlassventils des Zylinder„2“ zusammenfallen. Somit ist das erste
Einlassventil des Zylinders„1“ beim Abstellen der Verbrennungskraftmaschine durch den Plateaubereich 1 1 des„Plateau-Nockens“ geöffnet (in der ersten Offenstellung) und wird beim (Direkt-)Start der Verbrennungskraftmaschine befeuert, wodurch im ersten Zylinder (Zylinder„1“) enthaltenes, zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet wird, während bei Zylinder„2“ (der in der Zündfolge an vierter Stelle und damit als letzter der 4 Zylinder gezündet wird) auf das zweite Einlassventil des Zylinders„2“ der entsprechende
Dekompressions-Nocken wirkt. Allerdings ist der negative Einfluss der
zusammengedrückten, zweiten HVA für dieses zweite Einlassventil des Zylinders„2“ für den Direktstart der Verbrennungskraftmaschine vernachlässigbar, da ein Resthub dieses zweiten Einlassventils vorhanden ist (also eine Dekompressionswirkung vorhanden ist) und bei Abstellen der Verbrennungskraftmaschine der Zylinder„2“ bereits zumindest teilweise dekomprimiert wurde.
Ist die Verbrennungskraftmaschine beispielsweise als 6-Zylinder-Motor ausgebildet, stellt sich diese Problematik nicht, da hier der Zündabstand (zwischen den insgesamt 6 Zylindern) 120 °KW beträgt und damit der„Füllungs-Nocken“ des ersten Zylinders und der„Dekompressions-Nocken“ des zweiten Zylinders zusammenfallen.
Nachdem die Verbrennungskraftmaschine gestartet, also mit anderen Worten die Nockenwelle vom Ruhezustand in den Betriebszustand wurde, wird der einlassseitige Ventiltrieb beispielsweise bei einer Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine im Bereich vom 1000 1/min umgeschaltet. Dabei wird vom ersten Nocken und gleichzeitig vom zweiten Nocken auf jeweils parallel zu den beiden Nocken angeordneten dritten Nocken und vierten Nocken umgeschaltet, wodurch sich ein in Fig. 1 durch eine durchgezogene Linie verdeutlichter Einlassventilhubverlauf 16 des ersten Gaswechselventils und des zweiten Gaswechselventils ergibt.
Ein dem ersten Zylinder zugeordneter, auslassseitiger Ventiltrieb bleibt unbeeinflusst, was anhand eines in Fig. 1 gezeigten Auslassventilhubverlaufs 18 erkennbar ist.
Der einlassseitige Ventiltrieb kann beispielsweise mittels eines sogenannten„Camtronic- Systems“ betrieben und dadurch die Ventilhubverläufe 12, 14 und/oder der
Einlassventilhubverlauf 16 variiert werden. Dabei sind verschiedene einlassseitige Nocken für das erste und zweite Einlassventil in einem Start- bzw.
Dekompressionsbetrieb mit einem Plateau-Nocken (mit seinem Ventilhubverlauf 12) und einem Dekompressions-Nocken (mit seinem Ventilhubverlauf 14) und beispielsweise zwei gleiche Nocken ohne jeweilige Plateau- bzw. Dekompressionsbereiche für den normalen Verbrennungsbetrieb vorgesehen. Die beiden neben einem Plateau-Nocken und einem Dekompressions-Nocken angeordneten dritten und vierten Nocken sind beispielsweise als Füllungs-Nocken ausgeführt und weisen jeweils den Ventilhubverlauf 16 auf.
Die Fig. 2 bis Fig. 5 zeigen die jeweiligen ersten und zweiten Offenstellungen und die die entsprechenden ersten und zweiten Schließstellungen des ersten Gaswechselventils und des zweiten Gaswechselventils mit den jeweiligen Öffnungs- und Schließzeiten der jeweiligen Einlassventilhubverläufe 12 und 14.
Die Fig. 2 bis Fig. 5 dienen zur Verdeutlichung, dass mit dem Plateau-Nocken im
Zusammenspiel mit dem Dekompressions-Nocken im Vergleich zu bisher aus dem Stand der Technik bekannten Dekompressions-Vorrichtungen ein verändertes
Strömungsverhalten bewirkt werden kann.
An jeweiligen Achsen der in Fig. 2 bis Fig. 5 gezeigten Diagramme sind neben dem Ventilhub hv und dem Kurbelwinkel °KW auch der integrierte Massenstrom der Frischluft in kg, sowie die Geschwindigkeit - ausgedrückt durch die Mach-Zahl Ma - des beim Ladungswechsel strömenden Gases (Luft) angegeben. Bei bisher üblichen Hüben von Dekompressions-Vorrichtungen wurden Gaswechselventile jeweils so weit geöffnet, dass keine oder nur eine geringfügige Strömungsbeeinflussung aus dem Brennraum austretender Ladung des ersten Zylinders erfolgte.
Bei einsprechenden Dekompressionshüben mittels des zweiten Nockens kann bei niedrigen Drehzahlen (kleiner 500 1/min, siehe Fig. 2) dekomprimiert werden, wie durch den Ventilhubverlauf 14 ausgedrückt ist. Dabei ist ein integrierter Massenstrom 24 mit einer durchgezogenen Linie dargestellt, wie er durch den Ventilhubverlauf 12 des Plateau-Nockens erzeugt wird. Dabei wird das erste Gaswechselventil von seiner ersten Schließstellung in seine erste Offenstellung verlagert, wonach der Massenstrom 24 von Null auf einen von Null unterschiedlichen, positiven Wert von Null ansteigt. Anschließend wird das erste Gaswechselventil wieder in seine erste Schließstellung versetzt, Während der ersten Schließstellung des erste Gaswechselventils wird das zweite
Gaswechselventil aus seiner zweiten Schließstellung in seine zweite Offenstellung versetzt, wonach ein Massenstrom 26 durch den Ventilhubverlauf 14 des
Dekompression-Nockens einen vom Wert Null unterschiedlichen, negativen Wert erzeugt wird. Anschließend wird das zweite Gaswechselventil wieder in seine zweite
Schließstellung versetzt. Dabei tritt, wie durch die gestrichelte Line dargestellt, ein negativer integrierter Massenstrom 26 über das zweite Gaswechselventil wieder aus dem Zylinder aus. Die gesamte im Zylinder verbleibende Masse an Frischluft ist die Summe der beiden Massenströme 24 und 26 nach der zweiten Offenstellung des zweiten Gaswechselventils in seiner zweiten Schließstellung. Wie in Fig. 3 zu erkennen ist, weist der Ventilhubverlauf 12 des ersten Gaswechselventils einen Geschwindigkeitsverlauf 20 der einströmenden Frischluft auf. Bei der Dekompression (Ventilhubverlauf 14) mittels des zweiten Nockens wird die Machzahl 1 der wieder rauströmenden Luft aus dem Zylinder nicht erreicht (Verlauf 22). Bei höheren Drehzahlen (größer 500 1/min) sinkt die Dekompressionswirkung ab und es wird so weit im ersten Zylinder verdichtet, dass eine Zündung möglich wird. Wie in Fig.4 erkennbar ist weist dabei die einströmende Frischluft (Massenstrom 24) einen ähnlichen Verlauf auf wie in Fig. 2. Allerdings sinkt der durch die Ventilhuberhebung 14 erzeugte Massenstroms 26 der ausströmenden Luft aus dem Zylinder (Dekompression) wesentlich ab. Die im Zylinder verbleibend Frischluft steigt an, so dass eine für eine Verbrennung von Kraftstoff im ersten Zylinder ausreichende Verdichtung erzielt wird, wodurch in den ersten Zylinder eingespritzter Kraftstoff zünden und verbrennen kann. Wie in Fig. 5 zu erkennen ist, weist der Ventilhubverlauf 12 des ersten Gaswechselventils bei höheren Drehzahlen einen Geschwindigkeitsverkauf 20 der einströmenden Frischluft auf, der höher ist als bei niedrigen Drehzahlen (Fig. 3). Bei der Dekompression (Ventilhubverlauf 14) mittels des zweiten Nockens wird die Machzahl 1 überschritten (Verlauf 22). In diesem Fall blockiert sich die Strömung bei der
Dekompression auf Grund der überkritischen Geschwindigkeit selber und der
Massenstrom 26 an ausströmender Frischluft über das zweite Gaswechselventil des ersten Zylinders bei gleichem Ventilhubverlauf 14 nimmt ab. Die in Fig. 2 und 4 gezeigten integrierten Massenströme 24 ändern sich im gezeigten Beispiel bei
Drehzahlen im Bereich von 500 1/min nicht wesentlich.
Durch die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine sowie durch das
erfindungsgemäße Verfahren wird sichergestellt, dass eine Dekompressionswirkung auch nach längeren Stillstands-Zeiten der Verbrennungskraftmaschine vorhanden ist. Bezugszeichenliste
Hub
Plateaubereich
Ventilhubverlauf
Mittenabschnitt
Ventilhubverlauf
Einlassventilhubverlauf
Auslassventilhubverlauf
Geschwindigkeit
Geschwindigkeit
Massenstrom
Massenstrom

Claims

Patentansprüche
1. Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen, mit einer Kurbelwelle, mit einer Nockenwelle, mit einem ersten Zylinder, in welchem ein zum Antreiben der Kurbelwelle mit dieser gekoppelter, erster Kolben der Verbrennungskraftmaschine bewegbar aufgenommen ist, mit einem ersten Gaswechselventil, welches dem ersten Zylinder zugeordnet ist, mit einer hydraulischen, ersten
Ventilspielausgleichsvorrichtung, über welche das erste Gaswechselventil mittels eines ersten Nockens der Nockenwelle zwischen einer ersten Offenstellung und einer ersten Schließstellung verlagerbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Verbrennungskraftmaschine eine Steuereinheit umfasst, welche dazu eingerichtet ist, zumindest bei einem Zustandswechsel der Kurbelwelle von einem Betriebszustand, in welchem sich die Kurbelwelle dreht, in einen Ruhezustand, in welchem die Kurbelwelle still steht, die Nockenwelle derart auszurichten, dass die erste Ventilspielausgleichsvorrichtung mittels eines, dem als Plateau-Nocken ausgeführten ersten Nocken zugeordneten Plateaubereichs (1 1 ) im Ruhezustand druckbelastet ist und dadurch das erste Gaswechselventil in der ersten
Offenstellung hält.
2. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die Nockenwelle derart auszurichten, dass die erste Ventilspielausgleichsvorrichtung im Ruhezustand der Kurbelwelle zumindest im Wesentlichen an einem Mittenabschnitt (13) des Plateaubereichs (1 1 ) anliegt.
3. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine ein zweites Gaswechselventil, welches dem ersten Zylinder zugeordnet ist, sowie eine hydraulische, zweite
Ventilspielausgleichsvorrichtung, über welche das zweite Gaswechselventil mittels eines zweiten Nockens der Nockenwelle zwischen einer zweiten Offenstellung und einer zweiten Schließstellung verlagerbar ist, umfasst.
4. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zweite Ventilspielausgleichsvorrichtung an dem zweiten Nocken in hubfreier Anlage ist, während die erste Ventilspielausgleichsvorrichtung mittels des
Plateaubereichs (1 1 ) im Ruhezustand druckbelastet ist und dadurch das erste Gaswechselventil in der ersten Offenstellung gehalten ist.
5. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
das zweite Gaswechselventil unter Vermittlung der zweiten
Ventilspielausgleichsvorrichtung derart mittels des zweiten Nockens betätigbar ist, dass eine Dekompression des ersten Zylinders bewirkbar ist.
6. Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen, welche eine Kurbelwelle, eine Nockenwelle, einen ersten Zylinder, in welchem ein zum Antreiben der Kurbelwelle mit dieser gekoppelter, erster Kolben der
Verbrennungskraftmaschine bewegbar aufgenommen ist, sowie ein erstes, dem ersten Zylinder zugeordnetes Gaswechselventil und eine hydraulische, erste Ventilspielausgleichsvorrichtung, über welche das erste Gaswechselventil mittels eines ersten Nockens der Nockenwelle zwischen einer ersten Offenstellung und einer ersten Schließstellung verlagerbar ist, umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Verbrennungskraftmaschine eine Steuereinheit umfasst, durch welche zumindest bei einem Zustandswechsel der Kurbelwelle von einem
Betriebszustand, in welchem sich die Kurbelwelle dreht, in einen Ruhezustand, in welchem die Kurbelwelle still steht, die Nockenwelle derart ausgerichtet wird, dass die erste Ventilspielausgleichsvorrichtung mittels eines, dem als Plateau-Nocken ausgeführten ersten Nocken zugeordneten Plateaubereichs (1 1 ) im Ruhezustand druckbelastet ist und dadurch das erste Gaswechselventil in der ersten Offenstellung gehalten wird.
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