DE10256592A1

DE10256592A1 - Verfahren zum Steuern der Zufuhr von Verbrennungsluft in den Zylinder einer Hubkolben-Brennkraftmaschine und Ventilsteuerungssystem

Info

Publication number: DE10256592A1
Application number: DE10256592A
Authority: DE
Inventors: Johannes Dipl.-Ing. Leweux; Timo Dipl.-Ing. Schmidt; Alexander von Dipl.-Ing. Gaisberg Helfenberg
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2002-12-04
Filing date: 2002-12-04
Publication date: 2004-06-17

Abstract

Bei einem Verfahren zum Steuern der Zufuhr von Verbrennungsluft in den Zylinder einer Hubkolben-Brennkraftmaschine wird ein Einlassventil (2) durch Beaufschlagung über mindestens einen Einlassnocken (8, 9) geöffnet bzw. geschlossen. Der Schließzeitpunkt des Einlassventils (2) kann durch Verstellen des Einlassnockens (9) in Abhängigkeit der aktuell auf die Brennkraftmaschine wirkenden Last gesteuert werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern der Zufuhr von Verbrennungsluft in den Zylinder einer Hubkolben-Brennkraftmaschine und auf ein variables Ventilsteuerungssystem nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. 8.

Aus der Druckschrift DE 101 19 632 A1 ist eine variable Ventilsteuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine bekannt, welche zur veränderlichen Einstellung der Öffnungskurve eines Einlassventils zwei separat ausgeführte Nocken auf unterschiedlichen Nockenwellen umfasst, die über eine Hebel- und Rollenanordnung gemeinsam auf das Einlassventil einwirken und dadurch den Ventilhub und die Ventil-Öffnungsdauer beeinflussen. Einer der Nocken hat die Funktion eines Einlass-Öffnet-Nockens, über den der Öffnungszeitpunkt beeinflusst wird, dem zweiten Nocken kommt die Funktion eines Einlass-Schließt-Nockens zu, über den der Schließzeitpunkt beeinflussbar ist. Die Phasenlage zwischen den beiden Nockenwellen kann mithilfe einer Stelleinrichtung verändert werden, wodurch die Hubkurve des Einlassventils variiert wird.

Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung das Problem zugrunde, eine Ventilsteuerung mit hoher Variabi lität auszubilden. Mithilfe der Ventilsteuerung soll es insbesondere möglich sein, den Ansaugvorgang weitgehend drosselfrei zu gestalten und die Laststeuerung in einfacher Weise durchführen zu können.

Dieses Problem wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 und bei dem erfindungsgemäßen Ventilsteuerungssystem mit den Merkmalen des Anspruches 8 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Zufuhr von Verbrennungsluft in den bzw. die Zylinder der Hubkolben-Brennkraftmaschine in der Weise gesteuert, dass der Schließzeitpunkt des Einlassventils durch Verstellen des Einlassnockens als Funktion der aktuell auf die Brennkraftmaschine wirkenden Last gesteuert wird. Hierbei wird in vorteilhafter Ausführung der Schließzeitpunkt mit abnehmender Last nach hinten verschoben, das heißt, das Einlassventil wird mit abnehmender Last zu einem späteren Zeitpunkt geschlossen. Der Öffnungszeitpunkt des Einlassventils kann dagegen konstant gehalten werden. Über eine Verstellung des Schließzeitpunktes des Einlassventils ist eine lastabhängige Steuerung realisierbar, bei der die Öffnungsdauer mit abnehmender Last verlängert wird; wobei der spätere Schließzeitpunkt des Einlassventiles über den unteren Totpunkt des Kolbens hinaus zu einem Rückschieben von Kraftstoff-Luft-Gemisch zurück in das Saugrohr führt und die Menge rückgeschobenen Gemisches über den Schließzeitpunkt einstellbar ist. Auf diese Weise kann die Menge und der Zeitpunkt des in den Zylinder eingeführten Kraftstoff-Luft-Gemisches über die Steuerung des Einlassventils reguliert werden, so dass die Drosselklappe zumindest über weite Betriebsbereiche der Brennkraftmaschine in Öffnungsstellung stehen kann, wodurch der Drosselwiderstand im Ansaugrohr minimiert ist. Ein Drosselorgan im Ansaugrohr wird üblicherweise nur zur Einstellung eines Unterdruckes in niedrigen Last- und Drehzahlbereichen benötigt. Gegebenenfalls kann auch vollständig auf ein Drosselorgan im Ansaugrohr verzichtet werden.

Zur Steuerung des Restgasgehaltes im Zylinder kann die Überschneidung von Auslassventil-Hubkurve und Einlassventil-Hubkurve veränderlich eingestellt werden. Insbesondere für den Fall, dass als Einlassnocken ein Einlass-Öffnet-Nocken und ein Einlass-Schließt-Nocken vorgesehen sind, kann die Hubkurvenüberschneidung durch Verstellung des Einlass-Öffnet-Nockens, gegebenenfalls aber auch zusätzlich oder alternativ durch Verstellung des Auslassnockens erfolgen, welcher für die Hubkurve des Auslassventiles verantwortlich ist. Bei einem größeren Überschneidungsbereich der Hubkurven von Einlassventil und Auslassventil wird aus dem Zylinder bereits ausgestoßenes Abgas, welches sich im Abgasstrang befindet, wieder in den Zylinder hineingesaugt. Auf diese Weise kann eine unmittelbare bzw. direkte Abgasrückführung erzielt werden, durch die insbesondere im Teillastbereich eine Emissionsreduzierung erzielt werden kann.

Bei dem erfindungsgemäßen Ventilsteuerungssystem ist der Schließzeitpunkt des Einlassventils durch Veränderung der Phasenlage eines Einlassnockens einstellbar. Zweckmäßig sind zwei die Hubkurve des Einlassventils steuernde Einlassnocken vorgesehen: Ein Einlass-Öffnet-Nocken und ein Einlass-Schließt-Nocken, die vorteilhaft beide auf einer gemeinsamen Nockenwelle sitzen, wodurch eine sehr kompakte Anordnung erreicht wird. Durch eine Verstellung der Phasenlage zwischen den Nocken mithilfe einer Veränderung der Relativdrehlage kann die Hubkurve des Einlassventiles verändert werden. In bevorzugter Weiterbildung ist hierbei vorgesehen, dass der Einlass-Schließt-Nocken drehbar auf der Nockenwelle gelagert ist, wohingegen der Einlass-Öffnet-Nocken drehfest mit der Nockenwelle verbunden sein kann. Gegebenenfalls kann aber auch die Phasenlage des Einlass-Öffnet-Nockens relativ zur Nockenwelle verändert werden.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines Ventilsteuerungssystems zur Steuerung der Hubkurve eines Einlassventiles im Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine,
2 eine Draufsicht auf den Einlass-Öffnet-Nocken und den Einlass-Schließt-Nocken auf einer gemeinsamen Nockenwelle,
3 eine Ansicht in Achsrichtung auf die Nockenwelle mit dem Einlass-Schließt-Nocken in zwei unterschiedlichen Phasenlagen,
4 ein Diagramm mit den Hubkurven für das Auslassventil und das Einlassventil.
Das in 1 in perspektivischer Darstellung gezeigte Ventilsteuerungssystem 1 zur Steuerung eines Einlassventiles 2 in einem Einlasskanal 3, welcher in einem Zylinderkopf 4 einer Brennkraftmaschine verläuft und über den Frischluft einem Zylinder zuführbar ist, umfasst eine Nockenwellenanordnung 5 sowie einen Schlepphebel 6, welcher mit dem Einlassventil 2 drehbar gekoppelt ist und über den eine Bewegung der Nockenwellenanordnung 5 in eine Öffnungsbewegung des Einlassventi les 2 umgesetzt wird. Zu der Nockenwellenanordnung 5 gehört eine Nockenwelle 7, auf der zwei Einlassnocken 8 und 9 angeordnet sind, wobei es sich bei dem Nocken 8 um einen Einlass-Öffnet-Nocken und bei dem Nocken 9 um einen Einlass-Schließt-Nocken handelt. Der Einlass-Öffnet-Nocken 8 bestimmt den Öffnungszeitpunkt des Einlassventiles 2, der Einlass-Schließt-Nocken 9 dagegen den Schließzeitpunkt. Bei einer Drehung der Nockenwelle 7 um die Nockenwellenachse laufen die Nocken 8 und 9 um und wirken gemeinsam auf ein Rollenpaket 10 mit zwei Abgriffsrollen 11 und 12, welche am Schlepphebel 6 drehbar gelagert sind. Die beiden Nocken 8 und 9 wirken nach Art eines Addierers zusammen, die Drehbewegung der beiden Nocken überlagert sich und wird über die Abgriffsrollen 11 und 12 als Stellbewegung auf den Schlepphebel 6 übertragen, der um eine Welle 13 schwenkbar gelagert ist und im Bereich eines Endes die Stellbewegung der Nocken in eine translatorische Stellbewegung des Einlassventiles 2 entlang der Ventilachse überträgt. Der Schlepphebel 6 ist hierfür mit seinem der Welle 13 abgewandten Ende mit einer Stirnseite des Einlassventiles 2 verbunden; jede Schwenkbewegung des Schlepphebels 6 um die Drehachse der Welle 13 führt zu einem translatorischen Anheben bzw. Absenken des Einlassventiles.
Der Ansaugvorgang kann lastabhängig durch eine Veränderung der Relativposition von Einlass-Öffnet-Nocken 8 und Einlass-Schließt-Nocken 9 auf der Nockenwelle 7 realisiert werden. Hierfür ist insbesondere die Drehlage des Einlass-Schließt-Nockens 9 auf der Nockenwelle 7 veränderlich einstellbar, wohingegen die Position des Einlass-Öffnet-Nockens 8 auf der Nockenwelle 7 drehfest ist. Durch eine Änderung der Drehlage des Einlass-Schließt-Nockens 9 kann der Schließzeitpunkt des Einlassventiles eingestellt werden. Eine genauere Beschreibung der Variierung des Schließzeitpunktes findet sich nachfolgend zu 4.
Aufgrund der überlagerten Bewegungsübertragung der beiden Nocken 8 und 9 über das Rollenpaket 10 auf den Schlepphebel 6 bewirkt eine Änderung der Phasenlage zwischen den beiden Nocken 8 und 9 eine Veränderung der Hubkurve des Einlassventiles 2, wobei insbesondere der Bereich maximaler Öffnung sowie der Schließzeitpunkt des Einlassventiles beeinflusst werden.
Zur Verstellung der Phasenlage zwischen den Nocken 8 und 9 ist eine Stelleinrichtung vorgesehen, welche in Abhängigkeit von Zustands- und Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine bzw. der der Brennkraftmaschine zugeordneten Aggregate gesteuert wird. Alternativ oder zusätzlich zur Einstellung der Drehposition des Einlass-Schließt-Nockens 9 kommt auch eine Beeinflussung der Drehlage des Einlass-Öffnet-Nockens 8 in Betracht.
In 2 sind die beiden Nocken 8 und 9 auf der Nockenwelle 7 in Draufsicht dargestellt. Die beiden Nocken 8 und 9 liegen parallel zueinander, die Nockenerhebung beaufschlagt das Rollenpaket 10, über das die Nockenbewegung auf den Schlepphebel und weiter auf das Einlassventil umgesetzt wird.
In 3 ist der Einlass-Schließt-Nocken 9 in einer Draufsicht in Achsrichtung in zwei verschiedenen Phasenlagen dargestellt. Der Einlass-Schließt-Nocken 9 ist maximal um den Winkel α zwischen der mit durchgezogenem Strich dargestellten Lage und der mit strichlierter Linie und Bezugszeichen 9' gekennzeichneten Lage mithilfe einer geeigneten Stelleinrichtung zu verdrehen.
Das Schaubild gemäß 4 stellt den Ventilhub h in Abhängigkeit des Kurbelwinkels KW dar. Gezeigt sind sowohl die Ventilerhebungskurve A für das Auslassventil als auch die Ventilerhebungskurve E für das Einlassventil. Das Auslassventil öffnet kurz vor dem unteren Totpunkt UT und schließt kurz nach dem oberen Totpunkt OT, wohingegen das Einlassventil kurz vor dem oberen Totpunkt OT öffnet und kurz nach dem unteren Totpunkt UT wieder schließt.
Die mit durchgezogenem Strich dargestellte Erhebungskurve E für das Einlassventil ist dem Volllastzustand der Brennkraftmaschine zugeordnet, die mit strichlierter Linie dargestellte Erhebungskurve E' ist dagegen dem Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine zugeordnet. Die Erhebungskurve E' weist gegenüber der Erhebungskurve E einen nach hinten verschobenen Schließzeitpunkt auf, wodurch sich auch der Abschnitt in der Erhebungskurve mit maximalem Hub verlängert. Durch die Verschiebung gelangt der Schließzeitpunkt des Einlassventils in den Bereich, in welchem der Kolben das im Zylinder befindliche Kraftstoffluftgemisch bereits zu verdichten beginnt. Da das Einlassventil in der ersten Verdichtungsphase noch geöffnet ist, wird das im Zylinder befindliche Gemisch in das Saugrohr zurückgeschoben. Auf diese Weise kann die Füllung des Zylinders durch die Einstellung des Schließzeitpunktes des Einlassventiles eingestellt werden.
Gegebenenfalls kann auch der Bereich der Überschneidung der Erhebungskurve von Auslassventil und Einlassventil veränderlich eingestellt werden, wodurch der Restgasgehalt gesteuert wird. In dem Überschneidungsbereich bei OT der Erhebungskurven A und E wird bei noch geöffnetem Auslassventil und bereits beginnender Bewegung des Kolbens in Richtung UT ein Unterdruck im Zylinder erzeugt, über den bereits ausgestoßenes Restgas wieder in den Zylinder zurückgesaugt wird. Hierdurch ist eine unmittelbare, direkte Abgasrückführung realisierbar.

Claims

Verfahren zum Steuern der Zufuhr von Verbrennungsluft in den Zylinder einer Hubkolben-Brennkraftmaschine, bei dem ein Einlassventil (2) am Lufteinlass des Zylinders durch Beaufschlagung über mindestens einen Einlassnocken (8, 9) geöffnet und geschlossen wird und die Phasenlage des Einlassnockens (8, 9) verstellt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließzeitpunkt des Einlassventils (2) durch Verstellen des Einlassnockens (9) in Abhängigkeit der aktuell auf die Brennkraftmaschine wirkenden Last gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Einlassnocken ein Einlass-Öffnet-Nocken (8) zur Steuerung des Öffnungszeitpunktes und ein Einlass-Schließt-Nocken (9) zur Steuerung des Schließzeitpunktes des Einlassventils (2) vorgesehen sind, wobei der Schließzeitpunkt des Einlassventils (2) durch Verstellen des Einlass-Schließt-Nockens (9) in Abhängigkeit der aktuell auf die Brennkraftmaschine wirkenden Last gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil (2) mit abnehmender Last zu einem späteren Zeitpunkt geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitdauer verlängert wird, in der das Einlassventil (2) mit maximalem Hub geöffnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung eines drosselarmen Ansaugvorganges eine Drosselklappe im Ansaugtrakt im Teillastbereich maximal geöffnet wird und das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Zylinder durch Verstellen des Schließzeitpunkts des Einlassventils (2) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich der Überschneidung von Auslassventil-Hubkurve und Einlassventil-Hubkurve veränderlich einstellbar ist.
Verfahren nach Anspruch 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich der Überschneidung durch Verschiebung des Öffnungszeitpunktes mithilfe der Verstellung des Einlass-Öffnet-Nockens (8) des Einlassventils (2) gesteuert wird.
Variables Ventilsteuerungssystem (1) für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit mindestens einem Einlassventil (2) und mit mindestens einem auf einer Nockenwelle (7) angeordneten Einlassnocken (8, 9) zur Steuerung der Öffnungs- und Schließfunktion des Einlassventils (2), wobei die Phasenlage des Einlassnockens (8, 9) auf der Nockenwelle (7) einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließzeitpunkt des Einlassventils (2) über eine Verstellung der Phasenlage des Einlassnockens (8, 9) als Funktion der auf die Brennkraftmaschine wirkenden Last einstellbar ist.
Ventilsteuerungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Einlassnocken ein Einlass-Öffnet-Nocken (8) zur Steuerung des Öffnungszeitpunktes und ein Einlass-Schließt-Nocken (9) zur Steuerung des Schließzeitpunktes des Einlassventils (2) auf einer gemeinsamen Nockenwelle (7) angeordnet sind, wobei der Schließzeitpunkt des Einlassventils (2) über eine Veränderung der Relativdrehlage der Nocken (8, 9) einstellbar ist.
Ventilsteuerungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass-Schließt-Nocken (9) zur Beeinflussung des Schließzeitpunktes des Einlassventils (2) drehbar auf der Nockenwelle (7) gelagert ist.