Hintergrund der Erfindung
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Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf eine Ventilsteuerzeiten-
Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine.
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In einem Dieselmotor wird eine niedrige Einstellung des
Verdichtungsverhältnisses erwünscht, um das Gesamtgewicht und die
Geräuschbildung des Motors zu reduzieren. Andererseits verursacht ein
solches niedriges Verdichtungsverhältnis bevor der Motor warmgelaufen ist
Weißrauch, weil eine Temperatur der komprimierten Zuluft nicht hoch genug
wird, um einen eingespritzten Brennstoff zufriedenstellend zu zünden.
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Die ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. 3-172575
offenbart, daß zur Lösung dieses Problems und zur Realisierung eines
niedrigen Verdichtungsverhältnisses ein variabler Ventilsteuerzeiten-
Steuermechanismus mit Auslaßventilsystem bereitgestellt wird, und, falls
der Motor nicht warmgelaufen ist, eine Auslaßventil-Schließsteuerzeit vor
den oberen Auslaßtotpunkt verschoben wird, so daß ein Teil des
Hochtemperatur-Abgases im Zylinder verbleibt und durch die Verwendung der
Wärme des Abgases eine Temperatur der komprimierten Zuluft erhöht wird.
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In einem herkömmlichen Motor wird, um die Einschluß- und die
Rückspüleffektivität zu erhöhen, die Ventilüberlappung, während der
Auslaß- und Einlaßventil gleichzeitig offen sind, so ausgeführt, daß eine
Einlaßventil-Öffnungssteuerzeit vor den oberen Auslaßtotpunkt und eine
Auslaßventil-Schließsteuerzeit nach den oberen Auslaßtotpunkt gelegt
wird. In der obigen Patentveröffentlichung Nr. 3-172575 fließt daher,
falls das Auslassventil vor oberem Auslaßtotpunkt geschlossen wird und
der Motor nicht warm ist, ein Teil des Abgases, das im Zylinder
verblieben ist, hinaus in die Einlaßöffnung, solange das Einlaßventil
während des Ausschubhubs geöffnet ist. Das Abgas, das in die
Einlaßöffnung ausgeflossen ist, kehrt während des Ansaughubs in den
Zylinder zurück. Trotzdem wird das Abgas durch die Einlaßöffnung
abgekühlt, so daß die Temperatur der komprimierten Zuluft nicht so hoch
wird, wie erwartet.
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JP-A-7019934, das sich mit US-5497737 deckt, bezieht sich auf die
Steuerung von Ein- und Auslaßventilen einer Brennkraftmaschine zum Zweck
der Verbesserung der Leistung einer Brennkraftmaschine. Wie diese
Dokumente zu verstehen sind, wird auf der Basis des Laufzustands der
Brennkraftmaschine ein variabler Einlaßventilsteuerzeiten-Steuermechanismus
zur Bewegung der Öffnungs- und Schließsteuerzeiten des Einlaßventils bei
unveränderter Öffnungsdauer und ein
Auslaßventilsteuerzeiten-Steuermechanismus, zur Änderung der Öffnungsdauer des Auslaßventils, betrieben.
So wird z. B. vorgeschlagen, in bezug auf die Öffnungs- und
Schließsteuerzeiten des Auslaßventils bei Hochlast der Brennkraftmaschine, bei
Niederlast die Öffnungssteuerzeit des Auslaßventils nach hinten und die
Schließsteuerzeit des Auslaßventils nach vorne zu verlegen, während die
Öffnungs- und Schließsteuerzeiten des Einlaßventils in bezug auf die
Öffnungs- und Schließsteuerzeiten des Einlaßventils bei Hochlast beibehalten
werden.
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GB-A-2274878 bezieht sich auf die Steuerung von
Motorventilsteuerzeiten während des Kaltstarts oder im Kaltbetrieb eines internen
Verbrennungsmotors. Dieses Dokument lehrt insbesondere, die Öffnungssteuerzeiten
der Einlaßventile, falls der Motor unter einer festgelegten Temperatur
läuft, vorzuverlegen, um die Zeitdauer, während der die Einlaßventile am
Ende des Motorausschubhubs offen sind, zu verlängern, um so einen
Abgasstrom in die Einlaßöffnung zur Verbesserung der Vorbereitung der Ladung
in der Einlaßöffnung bereitzustellen. Die Schließzeiten der Auslaßventile
können zusätzlich vorverlegt werden.
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Es ist daher Gegenstand der vorliegenden Anmeldung, eine
Ventilsteuerzeiten-Steuerungsvorrichtung für einen internen
Verbrennungsmotor bereitzustellen, die die Temperatur des komprimierten Gases
hinreichend erhöhen kann, falls die Temperatur im Zylinder des Motors niedrig
ist. Dieses Problem wird durch die Ventilsteuerzeiten-Steuervorrichtung
gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Die vorliegende Erfindung wird durch die nachstehende Beschreibung
der bevorzugten Darstellung der Erfindung zusammen mit den beiliegenden
Zeichnungen umfassender verstanden.
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In den Zeichnungen ist:
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Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Dieselmotors mit einer
Ventilsteuerzeiten-Steuerungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 2 ein Flußdiagramm der Steuerung des Ein- und Auslaßventils
durch eine elektronische Steuereinheit über eines variablen
Ventilsteuerzeiten-Steuerungsmechanismus;
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Fig. 3 eine Ansicht zur Erklärung der Einlaß- und
Auslaßventilsteuerzeiten-Steuerung;
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Fig. 4 eine Karte zur Bestimmung eines Steuerwertes (b) der
Auslaßventil-Schließsteuerzeit; und
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Fig. 5 eine Ansicht zur Erklärung einer variablen
Ventilsteuerzeiten-Steuerung bei einem Motor mit vier Ventilen pro Zylinder.
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Fig. 1 ist eine schematische Ansicht eines Dieselmotors mit einer
Ventilsteuerzeiten-Steuerungsvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung. In dieser Figur bezeichnet Bezugszeichen 1 einen Kolben.
Bezugszeichen 2 bezeichnet eine Brennkammer, die auf der oberen Oberfläche des
Kolben 1 gebildet wird. Bezugszeichen 3 bezeichnet eine Einspritzdüse zur
Treibstoffeinspritzung in die Brennkammer 2. Eine Auslaßöffnung 5 und
eine Einlaßöffnung 7 sind mit dem Zylinder jeweils über ein Auslaßventil 4
und ein Einlaßventil 6 verbunden. Im Dieselmotor ist das
Verdichtungsverhältnis niedrig eingestellt, um das Gesamtgewicht und die
Geräuschbildung des Motors zu verringern.
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Eine Nockenwelle 11 für das Einlaßventil 6 ist mit einer Kurbelwelle
durch eine Riemenscheibe 11a, die am Ende der Nockenwelle 11 angeordnet
ist, über einen Riemen o.ä. verbunden. Die Riemenscheibe 11a ist mit
einer Riemenscheibe 12a, die am Ende einer Nockenwelle 12 für das
Auslaßventil 4 angeordnet ist, durch einen Riemen o. ä. verbunden, wobei die
zwei Nockenwellen 11, 12 durch die Kurbelwelle rotierend angetrieben
werden und dadurch das Einlaßventil 6 und das Auslaßventil 4 geöffnet und
geschlossen werden.
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Die zwei Nockenwellen 11, 12 sind mit einem bekannten variablen
Ventilsteuerzeiten-Steuerungsmechanismus 15 ausgestattet. Der Mechanismus 15
erlaubt den Riemenscheiben 11a, 12a relativ zu den Nockenwellen 11, 12 zu
rotieren. Beispielsweise weist ein variabler Ventilsteuerzeiten-
Steuerungsmechanismus ein Zwischengetriebe auf, das äußere und innere
schraubenförmigen Zähne hat und das die Nockenwelle mit der Riemenscheibe
verbindet. Wenn das Zwischengetriebe durch Öldruck, elektromagnetische
Kraft o. ä. axial bewegt wird, wird die Nockenwelle relativ zur
Riemenscheibe rotiert. Dadurch können Einlaßventilöffnungs- und
-schließsteuer
zeiten und Auslaßventilöffnungs- und -schließsteuerzeiten durch den
jeweiligen variablen Ventilsteuerzeiten-Steuerungsmechanismus frei variiert
werden.
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Bezugszeichen 20 bezeichnet eine elektronische Steuereinheit (ECU)
zum Steuern der Einlaß- und Auslaßventilsteuerzeit über den variablen
Ventilsteuerzeiten-Steuermechanismus (15). Die ECU 20 ist als
Digitalrechner ausgeführt und enthält einen ROM (Nurlesespeicher) 22, einen RAM
(Zufallszugriffspeicher) 23, eine CPU (Mikroprozessor, etc.) 24, einen
Eingang 25 und einen Ausgang 26. Der ROM 22, der RAM 23, die CPU 24, der
Eingang 25 und der Ausgang 26 sind mit einem Bidirektionalen Bus 21
miteinander verbunden.
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Ein Motordrehzahl-Sensor 31, der einen Ausgabepuls zum Erfassen der
Motordrehzahl erzeugt, ist mit dem Eingangsanschluß 25 verbunden. Ein
Gaspedal-Sensor 32 erzeugt eine Ausgangsspannung, die proportional zur
Bewegung des Gaspedals (nicht gezeigt) als Maß für die Motorlast ist und
die die Eingabe in den Eingangsanschluß 25 über einen Analog-Digital-
Wandler 27a darstellt. Ein Kühlmitteltemperatur-Sensor 33 erzeugt eine
Ausgangsspannung, die proportional zur Temperatur des Kühlwassers des
Motors als Maß für die Motortemperatur ist und die die Eingabe in den
Eingangsanschluß 25 über einen Analog-Digital-Wandler 27b darstellt. Der
Ausgangsanschluß 26 ist mit dem variablen
Ventilsteuerzeiten-Steuerungsmechanismus 15 über einen Antriebsschaltkreis verbunden.
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Die ECU 20 steuert die Einlaß- und die Auslaßventilsteuerzeiten über
den variablen Ventilsteuerzeiten-Steuermechanismus 15 gemäß einem
Flußdiagramm, das in Fig. 2 gezeigt wird. Im ersten Schritt 101 werden die
aktuelle Motorgeschwindigkeit (N), die aktuelle Motorlast (L) und die
aktuelle Kühlwassertemperatur (THW) durch die jeweiligen obigen Sensoren
31, 32, 33 erfasst. Im nächsten Schritt 102 wird festgestellt, ob die
aktuelle Kühlwassertemperatur (THW) höher als eine festgelegte Temperatur
(THW') ist. Wenn das Ergebnis positiv ist, d. h., falls der Motor
warmgelaufen ist, geht die Routine zu Schritt 103 und es wird festgestellt, ob
die aktuelle Motorlast (L) größer als eine festgelegte Motorlast (L')
ist. Wenn das Ergebnis positiv ist, d. h., falls der Motor warmgelaufen
ist und die Verbrennungstemperatur infolge der großen eingespritzten
Treibstoffmenge hoch wird und dadurch die Temperatur im Zylinder hoch
ist, geht die Routine weiter zu Schritt 104 und eine normale
Ventilsteuerzeiten-Steuerung wird ausgeführt. Die normale Ventilsteuerzeiten-
Steuerung steuert z. B. die Auslaßventil-Schließsteuerzeit (ECT) und die
Einlaßventil-Öffnungssteuerzeit (IOT) über den variablen
Ventilsteuerzeiten-Steuerungsmechanismus 15 so, daß, je höher die
Motordrehzahl ist, umso länger die Ventilüberlappungsperiode wird. In diesem
Fall wird die Auslaßventil-Schließsteuerzeit nach den Kurbelwinkel des
oberen Auslaßtotpunkts (TA0) und die Einlaßventil-Öffnungssteuerzeit vor
den Kurbelwinkel des oberen Auslaßtotpunkts (TA0) sein, wie durch die
gestrichelten Linien in Fig. 3 gezeigt.
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Andererseits läuft die Routine, falls das Ergebnis bei Schritt 102
negativ ist, d. h., der Motor nicht warmgelaufen ist, oder falls das
Ergebnis bei Schritt 103 negativ ist, d. h., eine Verbrennungstemperatur
infolge geringer eingespritzter Kraftstoffmengen niedrig ist, weiter zu
Schritt 105, wo die Einlaßventil-Öffnungsteuerzeit (IOT) auf eine
festgelegte Steuerzeit (TA1) eingestellt wird, die unmittelbar vor dem
Kurbelwinkel des oberen Auslaßtotpunkts (TA0) liegt, wie durch eine
durchgezogene Linie in Fig. 3 gezeigt. Als Nächstes läuft die Routine weiter zu
Schritt 106, wo ein Steuerwert (b) für die Auslaßventil-Schließsteuerzeit
aus einer Karte, die in Fig. 4 gezeigt wird, auf der Basis der
Temperatur (T) im Zylinder des Motors, bestimmt wird. In der Karte wird der
Steuerwert (b) so gesetzt, daß, umso niedriger die Temperatur (T) ist,
desto höher der Steuerwert wird. Die Temperatur (T) im Zylinder kann auf
Basis der Kühlwassertemperatur (THW) und/oder der Verbrennungstemperatur,
d. h. der eingespritzten Treibstoffmenge, abgeschätzt werden. Wenn die
Kühlmitteltemperatur (THW) gleich der festgelegten Temperatur (THW') und
die Motorlast (L) gleich der festgelegten Motorlast (L') ist, erreicht
der Steuerwert (b) einen Minimalwert (b0).
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Als Nächstes läuft die Routine weiter zu Schritt 107, wo die
Auslaßventil-Schließsteuerzeit (ECT) durch Subtraktion des Steuerwerts (b) vom
Kurbelwinkel (TA0) des oberen Auslaßtotpunkts eingestellt wird, wie durch
eine durchgezogene Linie in Fig. 3 gezeigt. Die eingestellte
Auslaßventil-Schließsteuerzeit (ECT) wird sich vor der eingestellten Einlaßventil-
Öffnungssteuerzeit (IOT) sein.
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Daher ist, falls die Temperatur im Zylinder niedrig ist, nachdem das
Auslaßventil 4 im Ausschubhub geschlossen wird, das Einlaßventil 6 noch
nicht offen, so daß das Abgas nicht in die Einlaßöffnung 7 ausfließt und
im Zylinder verbleibt. Danach wird dem Zylinder im Ansaughub Frischluft
zugeführt. Nachdem einmal die Zuluft und das im Zylinder verbliebene
Ab
gas im Kompressionshub komprimiert wurden, wird die Temperatur des Gases
im Zylinder durch die Nutzung des im Zylinder verbliebenen Abgases
ausreichend hoch, so daß der Treibstoff, der durch die Einspritzdüse 3 in
die Brennkammer 2 eingespritzt wurde, zufriedenstellend gezündet werden
kann. Die Einlaßventil-Öffnungssteuerzeit (IOT) kann nach der
festgelegten Steuerzeit (TA1), welche, wie durch eine gestrichpunktete Linie in
Fig. 3 gezeigt, sich unmittelbar nach dem Kurbelwinkel (TA0) des oberen
Auslaßtotpunkts befindet, gesetzt werden. Wenn im oben erwähnten
variablen Ventilsteuerzeiten-Steuermechanismus die
Einlaßventil-Öffnungssteuerzeit (IOT) zu spät gesetzt wird, wird jedoch auch die Einlaßventil-
Schließsteuerzeit zu spät gesetzt, so daß die Zuluftmenge beträchtlich
verringert wird.
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Dadurch kann verhindert werden, daß ein Dieselmotor mit niedrigem
Verdichtungsverhältnis bei niedriger Zylindertemperatur Weißrauch
erzeugt. Weiterhin hat das im Zylinder verbliebene Abgas eine große
Kapazität, so daß die Verbrennungstemperatur und dadurch die Menge an NOX
gesenkt werden kann.
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Andererseits verursacht das im Zylinder verbliebene Abgas jedoch
eine Verschlechterung der Verbrennung. Dementsprechend ist es
wünschenswert, daß, falls die Verbrennung des Treibstoffs gesichert ist, eine
Menge des im Zylinder verbliebenen Abgases klein gehalten wird. Gemäß
obigem Flußdiagramm wird der Steuerwert (b) umso kleiner, je höher die
Kühlwassertemperatur (THW) ist, d. h. je einfacher die Verbrennung wird.
Daraus folgt, daß sich die Auslaßventil-Schließsteuerzeit nahe am
Kurbelwinkel des oberen Auslaßtotpunkts befindet und damit die Menge an im
Zylinder verbleibendem Abgas klein gehalten wird.
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Anstatt des oben erwähnten variablen Ventilsteuerzeiten-
Steuerungsmechanismus 15, kann ein variabler
Ventilsteuerzeiten-Steuerungsmechanismus 15 in Flüssigkeitszylinder-Bauart verwendet werden. Der
Mechanismus weist einen Flüssigkeitszylinder auf, der zwischen der Nocke
und dem Ventil angeordnet ist und die Ventil-Öffnungs- und
-Schließsteuerzeiten durch Steuerung der Flüssigkeitsbefüllung des
Flüssigkeitszylinders frei steuern kann. In diesem Fall sind die
Einlaßventil-Öffnungssteuerzeit (IOT) und die Auslaßventil-Schließsteuerzeit (ECT) auf
zugeordnete Steuerzeiten festgelegt, und können wie im oben aufgeführten Fall
gesteuert werden.
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Fig. 5 zeigt einen variablen
Ventilsteuerzeiten-Steuerungsmechanismus für einen Motor mit vier Ventilen pro Zylinder. In dieser Figur sind
die Bezugszeichen 6a, 6b erste und zweite Einlaßventile und die
Bezugszeichen 4a, 4b erste und zweite Auslaßventile. Eine Nocke 13a für das
erste Einlaßventil 6a und eine Nocke 13b für das zweite Einlaßventil 6b
sind jeweils über Sicherungseinrichtungen (nicht gezeigt) auf einer
Nockenwelle 11' angeordnet. Eine Nocke 14a für das erste Auslaßventil 4a
und eine Nocke 14b für das zweite Auslaßventil 4b sind jeweils über
Sicherungseinrichtungen (nicht gezeigt) auf einer Nockenwelle 12'
angeordnet. Die Nocke 13a für das erste Einlaßventil 6a und die Nocke 14a für
das erste Auslaßventil 4a sind zur Realisierung der normalen
Ventilüberlappungsperiode geeignet. Die Nocke 13b für das zweite Einlaßventil 6b
und die Nocke 14b für das zweite Auslaßventil 4b sind zur Realisierung
einer festgelegten Einlaßventil-Öffnungssteuerzeit, die gleich dem
Kurbelwinkel des oberen Auslaßtotpunktes ist, und einer Auslaßventil-
Schließsteuerzeit, die vor dem Kurbelwinkel des oberen Auslaßtotpunktes
liegt, geeignet. Wenn die Temperatur im Zylinder hoch ist, werden durch
die Sicherungseinrichtungen die Nocken 13a, 14a auf den Nockenwellen 11',
12' fest, die Nocken 13b, 14b auf den Nockenwellen 11', 12' frei
beweglich gelagert. Wenn die Temperatur im Zylinder niedrig ist, werden durch
die Sicherungseinrichtungen die Nocken 13b, 14b auf den Nockenwellen 11',
12' fest, die Nocken 13a, 14a auf den Nockenwellen 11', 12' frei
beweglich gelagert. Damit können oben erwähnte Effekte erzielt werden.
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Letzlich ist die Erfindung nicht auf den Dieselmotor beschränkt und
kann in einem fremdgezündeten Motor verwendet werden. Auch in einem
fremdgezündeten Motor wird die Verbrennung gut, wenn, im Falle einer
niedrigen Temperatur im Zylinder, eine Temperatur des Luft-Treibstoff-
Gemisches hochgesetzt wird.
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Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf ihre speziellen
Ausformungen beschrieben wurde, sollte es offensichtlich sein, daß von
Fachleuten eine Vielzahl von Änderungen daran vorgenommen werden können,
ohne vom grundlegenden Konzept und Wirkungsbereich der Erfindung, wie in
den angefügten Ansprüchen definiert, abzuweichen.