DE102010033493A1

DE102010033493A1 - Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102010033493A1
Application number: DE102010033493A
Authority: DE
Inventors: Hendrik Schramm
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2010-08-05
Filing date: 2010-08-05
Publication date: 2012-02-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern (1), die jeweils zwei Einlassventile (3, 4) und zwei Auslassventile (5, 6) aufweisen, sowie ein Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine, die einen Ventiltrieb (2) zum Betätigen der Einlassventile (3, 4) und der Auslassventile (5, 6) umfasst. Der Ventiltrieb (2) weist für jedes der beiden Einlassventile (3; 4) jedes Zylinders (1) mindestens zwei verschiedene Einlassnockenkonturen (31, 32; 33, 34) auf, die in axialer Richtung einer Einlassnockenwelle (7) gemeinsam verschiebbar sind und sich wahlweise mit dem zugehörigen Einlassventil (3; 4) in Eingriff bringen lassen. Damit sich Maßnahmen zur Wirkungsgradoptimierung mit einfachen Mitteln in sämtlichen Lastzuständen umsetzen lassen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass eine erste (33) der mindestens zwei Einlassnockenkonturen (33, 34) für ein erstes (4) der beiden Einlassventile (3, 4) jedes Zylinders (1) so geformt ist, dass das erste Einlassventil (4) geschlossen oder nahezu geschlossen bleibt, während sich die erste Einlassnockenkontur (33) mit dem ersten Einlassventil (4) im Eingriff befindet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
Zur Verbesserung der thermodynamischen Eigenschaften und damit des Wirkungsgrades von Brennkraftmaschinen sind Ventiltriebe bekannt, mit denen das Arbeitsspiel beeinflusst werden kann, um beispielsweise eine drehzahlabhängige Veränderung der Öffnungszeiten und/oder des Hubs der Gaswechselventile zu ermöglichen.
Aus der EP 1 608 849 B1 sind bereits eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren der eingangs genannten Art bekannt, bei denen die beiden Einlassventile und die beiden Auslassventile jedes Zylinders mittels einer Einlassnockenwelle bzw. einer Auslassnockenwelle gesteuert werden. Sowohl auf der Einlassnockenwelle und auf der Auslassnockenwelle ist jeweils eine der Anzahl der Zylinder entsprechende Anzahl von Nockenträgern drehfest und axial verschiebbar angeordnet, wobei ein Nockenträger auf der Einlassnockenwelle und ein Nockenträger auf der Auslassnockenwelle zur Steuerung der beiden Einlass- bzw. Auslassventile jedes Zylinders dienen. Jeder Nockenträger weist zwei axial versetzte Nockenpaare auf, wobei jedes Nockenpaar zwei Nocken mit verschiedenen Nockenkonturen umfasst. Durch axiale Verschiebung des Nockenträgers auf der zugehörigen Nockenwelle zwischen zwei Endstellungen kann jeweils eine der beiden Nockenkonturen jedes Nockenpaars mit einer Rolle eines zugehörigen Rollenschlepphebels von einem der Einlassventile bzw. von einem der Auslassventile jedes Zylinders in Eingriff gebracht werden, um den Hub und/oder die Öffnungszeiten des Ventils zu verstellen.
Um den Kraftstoffverbrauch von Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen weiter zu verringern, wird angestrebt, den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschinen möglichst in sämtlichen Lastzuständen zu optimieren, mindestens jedoch in den drei Hauptlastzuständen Nulllast, Teillast und Volllast. Dabei ist es zur Optimierung des Wirkungsgrades zum Beispiel bereits bekannt, bei Nulllast eine Zylinderabschaltung vorzunehmen, um die kinetische Energie des Kraftfahrzeugs besser rekuperieren zu können, während es bei niedriger Teillast bekannt ist, eine Zylinderabschaltung vorzunehmen, ein Downsizing zur Entdrosselung von Ottomotoren vorzusehen oder den Ventilhub zu verändern. Bei hoher Teillast ist es bekannt, ein Downsizing in Verbindung mit einer Abgasturboaufladung und einer Direkteinspritzung vorzusehen, um die Verdichtung der Brennkraftmaschinen zu erhöhen und die Abgasenergie besser auszunutzen. Bei Volllast ist es insbesondere bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen bekannt, diese im Miller/Atkinson-Zyklus zu betreiben, um die Verdichtungsendtemperaturen zu verringern und damit Möglichkeiten zur Steigerung der Verdichtung bzw. zur Optimierung des Zündwinkels zu erzielen. Bei Diesel-Brennkraftmaschinen hat dies den zusätzlichen Vorteil einer Absenkung des Stickoxidgehalts der Abgase durch niedrigere Verbrennungstemperaturen.
Eine optimale Anpassung des Wirkungsgrades in einem Lastzustand bedingt jedoch zumeist einen Kompromiss in einem oder mehreren anderen Lastzuständen oder verursacht einen erheblichen Aufwand für den Ventiltrieb. Da es selbst mit den meisten vollvariablen Ventiltrieben nicht möglich ist, beide Einlassventil und beide Auslassventile jedes Zylinders getrennt zu steuern, sondern nur gemeinsam, ist es allein mit Hilfe der Ventilsteuerung nicht möglich, in sämtlichen Lastzuständen die Ladungsbewegung und die Ladungswechsel zu optimieren. Eine Ausnahme bilden elektromagnetische oder vollhydraulische Ventiltriebsysteme, die für jedes Ventil einen separaten Aktuator aufweisen. Jedoch sind derartige Systeme sehr komplex und teuer, so dass sie bisher keine praktische Anwendung gefunden haben.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass sich Maßnahmen zur Wirkungsgradoptimierung mit einfachen Mitteln in sämtlichen Lastzuständen umsetzen lassen.
Diese Aufgabe wird im Hinblick auf die Brennkraftmaschine erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine erste der mindestens zwei Einlassnockenkonturen für ein erstes der beiden Einlassventile jedes Zylinders so geformt ist, dass das erste Einlassventil geschlossen oder nahezu geschlossen bleibt, während sich die erste Einlassnockenkontur mit dem ersten Einlassventil im Eingriff befindet. Demgegenüber ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes der mindestens zwei Einlassventile jedes Zylinders geschlossen oder nahezu geschlossen bleibt, während sich eine erste der mindestens zwei Einlassnockenkonturen mit dem ersten Einlassventil im Eingriff befindet. Das erste der beiden Einlassventile jedes Zylinders bleibt bevorzugt in einem unteren Drehzahl- und/oder Lastbereich der Brennkraftmaschine geschlossen oder nahezu geschlossen und wird geöffnet, wenn die Lastanforderung und/oder die Drehzahl der Brennkraftmaschine einen vorbestimmten Wert übersteigt.
Dort, wo der Ventiltrieb für jedes der beiden Einlassventile jedes Zylinders genau zwei verschiedene Einlassnockenkonturen aufweist, ist die erste der beiden Einlassnockenkonturen für ein erstes der beiden Einlassventile jedes Zylinders so geformt, dass das erste Einlassventil ganz geschlossen bleibt, während sich eine erste der beiden Einlassnockenkonturen mit dem ersten Einlassventil im Eingriff befindet. Dort, wo der Ventiltrieb für jedes der beiden Einlassventile jedes Zylinders drei verschiedene Einlassnockenkonturen aufweist, können die dritten Einlassnockenkonturen so geformt werden, dass beide Einlassventile jedes Zylinders geschlossen bleiben, während sich die dritten Einlassnockenkonturen mit dem ersten Einlassventil im Eingriff befinden, um mit den dritten Einlassnockenkonturen eine Zylinderabschaltung zu ermöglichen. In diesem Fall ist eine erste der beiden zweiten Einlassnockenkonturen für ein erstes der beiden Einlassventile jedes Zylinders so geformt, dass das erste Einlassventil nahezu geschlossen bleibt, während sich die erste Einlassnockenkontur mit dem ersten Einlassventil im Eingriff befindet.
Die erfindungsgemäße Lösung gestattet es, bekannte und bewährte Ventiltriebe mit verhältnismäßig einfachen Mitteln so anzupassen, dass für jeden Zylinder einlassseitig wahlweise ein Zweiventilbetrieb oder ein Einventilbetrieb möglich ist.
Durch den Wechsel zwischen dem Zweiventilbetrieb und dem Einventilbetrieb ist es möglich, die Brennkraftmaschine mindestens in einem oberen Drehzahl- und/oder Lastbereich mit einem optimierten Miller-Zyklus zu betreiben. Gleichzeitig lässt sich auch eine starke Ladungsbewegung sowie eine Entdrosselung realisieren.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass eine erste der mindestens zwei Einlassnockenkonturen für ein zweites der beiden Einlassventile jedes Zylinders so geformt ist, dass das zweite Einlassventil geöffnet wird, während das erste Einlassventil geschlossen oder nahezu geschlossen bleibt, und dass das zweite Einlassventil mit einer größeren Eventlänge und/oder einem größeren Hub geöffnet wird als das erste und/oder zweite Einlassventil in dem Fall, wo sich eine zweite der mindestens zwei Einlassnockenkonturen für das erste bzw. zweite der beiden Einlassventile mit dem ersten bzw. zweiten Einlassventil im Eingriff befinden. Durch die größere Eventlänge und/oder den größeren Hub kann im Einventilbetrieb beim Miller-Zyklus für eine größere Überschneidung der Öffnungszeiten der Ein- und Auslassventile und damit für eine Verbesserung der Restgasausspülung gesorgt werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Ventiltrieb für jedes der beiden Auslassventile jedes Zylinders mindestens zwei verschiedene Auslassnockenkonturen aufweist, die in axialer Richtung einer Auslassnockenwelle gemeinsam verschiebbar sind und sich wahlweise mit dem zugehörigen Auslassventil in Eingriff bringen lassen, und dass eine zweite der mindestens zwei Auslassnockenkonturen für ein zweites der beiden Auslassventile jedes Zylinders so geformt ist, dass das zweite Auslassventil geschlossen oder nahezu geschlossen bleibt, während sich die zweite Auslassnockenkontur mit dem zweiten Auslassventil im Eingriff befindet.
Im Einventilbetrieb der Ein- und Auslassventile kann in diesem Fall eine weitere Verbesserung der Restgasausspülung dadurch erreicht werden, dass das aktive zweite Einlassventil und das aktive erste Auslassventil auf diametral entgegengesetzten Seiten einer Zylinderlängsachse angeordnet sind.
Außerdem kann eine für den Miller-Zyklus erforderliche Hochaufladung vorteilhaft mittels eines zweistufigen Abgasturboladers vorgenommen werden, dessen erste Stufe zweckmäßig mit den ersten Auslassventilen sämtlicher Zylinder verbunden ist, während die zweite Stufe zweckmäßig mit den zweiten Auslassventilen sämtlicher Zylinder verbunden ist, so dass im Einventilbetrieb nur die erste Stufe des Abgasturboladers mit Abgas beaufschlagt wird und bei Umschaltung in den Zweiventilbetrieb automatisch, d. h. ohne die Notwendigkeit weiterer Steuereinrichtung, auch die zweite Stufe des Abgasturboladers mit Abgas beaufschlagt wird. Da die Brennkraftmaschine nach einem Kaltstart zuerst im Einventilbetrieb arbeitet, werden auf diese Weise die vom Abgas angeströmten Oberflächen in den Auslasskanälen und im Abgaskrümmer verkleinert, wodurch das Light-Off-Verhalten eines nachgeschalteten Katalysators verbessert werden kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Brennkraftmaschine mindestens an der Einlassnockenwelle einen Phasenversteller auf, mit dessen Hilfe bei niedriger Last und Drehzahl ein infolge des Miller-Zyklus reduzierter Luftmassenstrom durch die Zylinder vergrößert werden kann, indem im Einventilbetrieb die Einlassnockenwelle nach spät verdreht wird, um das effektive Hubvolumen zu erhöhen und dadurch das Hochlaufen des Abgasturboladers durch den höheren Luftmassenstrom zu beschleunigen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht Mittel zum Abschalten des aktiven zweiten Einlassventils und/oder des aktiven ersten Auslassventils jedes Zylinders in der Nulllast und in der niedrigen Teillast vor, da wegen der Möglichkeit des Einventilbetriebs eine Abschaltung dieser beiden Ventile ausreichend ist. Die Mittel werden zweckmäßig von schaltbaren hydraulischen Abstützelementen gebildet.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 eine teilweise weggeschnittene Ansicht eines Teils eines Ventiltriebs einer Brennkraftmaschine mit einer Einlassnockenwelle und einem auf der Einlassnockenwelle verschiebbaren Nockenträger zur Steuerung von zwei Einlassventilen eines Zylinders;
2 eine teilweise weggeschnittene Ansicht eines anderen Teils des Ventiltriebs mit einer Auslassnockenwelle und einem auf der Auslassnockenwelle verschiebbaren Nockenträger zur Steuerung von zwei Auslassventilen des Zylinders;
3 eine schematische Oberseitenansicht des Zylinders mit den beiden Ein- und Auslassventilen sowie von Teilen der Einlassnockenwelle und der Auslassnockenwelle mit den Nockenträgern;
4 eine tabellarische Darstellung einer Schaltstrategie für die Einlassventile der Brennkraftmaschine;
5 eine tabellarische Darstellung einer Schaltstrategie für die Auslassventile der Brennkraftmaschine.
Der in der Zeichnung nur für einen Zylinder 1 einer 6-Zylinder-Brennkraftmaschine in V-Bauweise dargestellte Ventiltrieb 2 dient zur Steuerung des Hubs und der Öffnungszeiten von zwei Einlassventilen 3, 4 und zwei Auslassventilen 5, 6 des Zylinders 1. Die Brennkraftmaschine besitzt weiter eine Registeraufladung mit einem zweistufigen Abgasturbolader (nicht dargestellt), dessen erste Stufe mit dem Auslassventil 6 von jedem Zylinder 1 verbunden ist, während die zweite Stufe mit dem Auslassventil 5 von jedem Zylinder 1 verbunden ist.
Wie am besten in 1 und 3 dargestellt, umfasst der Ventiltrieb 2 zur Steuerung der Einlassventile 3, 4 eine oben liegende, an ihren Stirnenden (nicht dargestellt) in einem Zylinderkopfgehäuse der Brennkraftmaschine drehbar gelagerte Einlassnockenwelle 7, auf der für jedes Paar Einlassventile 3, 4 ein Nockenträger 8 drehfest und axial verschiebbar montiert ist.
Wie am besten in 2 und 3 dargestellt, umfasst der Ventiltrieb 2 zur Steuerung der Auslassventile 5, 6 ebenfalls eine oben liegende, an ihren Stirnenden im Zylinderkopfgehäuse drehbar gelagerte Auslassnockenwelle 9, auf der für jedes Paar Auslassventile 5, 6 ein Nockenträger 10 drehfest und axial verschiebbar montiert ist. Die Einlassnockenwelle 7 ist mit einem Phasenversteller (nicht dargestellt) versehen, mit dem sich in bekannter Weise die Phasenlage der Einlassnockenwelle 7 in Bezug zur Phasenlage der Kurbelwelle verändern lässt.
Die hohlzylindrischen Nockenträger 8 (1) auf der Einlassnockenwelle 7 weisen an ihrem äußeren Umfang jeweils zwei im axialen Abstand voneinander angeordnete Paare von Nocken 11, 12 und 13, 14 auf. Die hohlzylindrischen Nockenträger 10 auf der Auslassnockenwelle 9 weisen an ihrem äußeren Umfang ebenfalls zwei derartige Paare von Nocken 15, 16 und 17, 18 auf.
Der Ventiltrieb 2 umfasst weiter für jeden Nockenträger 8, 10 einen oder zwei Aktuatoren (nicht dargestellt), die sich mit einer rechts- bzw. linksgängigen Nut (nicht dargestellt) auf dem Nockenträger 8, 10 in Eingriff bringen lassen, um den Nockenträger 8, 10 zur Veränderung des Hubs und/oder Öffnungszeit der Einlassventile 3, 4 bzw. der Auslassventile 5, 6 auf der Nockenwelle 7 bzw. 9 zwischen zwei im axialen Abstand voneinander angeordneten definierten Endstellungen zu verschieben, wie dies zum Beispiel in der eingangs genannten EP 1 608 849 B1 beschrieben ist.
In jeder der beiden Endstellungen tritt einer der beiden Nocken 11, 12; 13, 14; 15, 16; 17, 18 jedes Nockenpaars mit einer Rolle 19 eines schwenkbar im Zylinderkopf gelagerten Rollenschlepphebels 20 des zugehörigen Ventils 3; 4; 5; 6 in Eingriff, so dass sich die Rolle 19 während jeder Umdrehung der Nockenwelle 7 bzw. 9 einmal über den gegen die Rolle 19 anliegenden Nocken 11 oder 12; 13 oder 14; 15 oder 16; 17 oder 18 hinwegbewegt, wobei der Rollenschlepphebel 20 entsprechend der Nockenkontur des Nockens 11 oder 12; 13 oder 14; 15 oder 16; 17 verschwenkt wird. Der Rollenschlepphebel 20 betätigt ein am unteren Ende mit einem Ventilteller 21 versehenes Ventilglied 22, das sich zum Öffnen des jeweiligen Ventils 3, 4, 5, 6 entgegen der Kraft einer Ventilfeder (nicht dargestellt) im Zylinderkopf nach unten drücken lässt.
Der Ventiltrieb 2 umfasst weiter für jedes Ventil 3, 4, 5, 6 ein hydraulisches Abstützelement 23, 24, 25, 26 für den Rollenschlepphebel 20. Von den vier Abstützelementen 23, 24, 25, 26 sind zwei 24, 25 nicht schaltbar, während die beiden anderen 23, 26 zwischen Vollhub und Nullhub umschaltbar sind. Wie in 3 dargestellt, werden die umschaltbaren Abstützelemente 23, 26 gemeinsam mit einem elektromagnetischen Schaltventil 27 geschaltet, das zwei Stellungen 0 und 1 einnehmen kann. In der Stellung 0 (Nullhub) wird der jeweilige Rollenschlepphebel 20 vom Abstützelement 23, 26 abgestützt, um das zugehörige Ventil 3, 6 abzuschalten. In der Stellung 1 (Vollhub) wird der jeweilige Rollenschlepphebel 20 nicht vom Abstützelement 23, 26 abgestützt, so dass sich das zugehörige Ventil 3, 6 öffnen und schließen kann. Die umschaltbaren Abstützelemente 23, 26 sind dem Einlassventil 3 und dem Auslassventil 6 zugeordnet, die sich in Bezug zur Zylinderlängsmittelachse diametral gegenüberliegen.
Wie in den 1 und 2 dargestellt, sind die Nockenträger 8, 10 zwischen den beiden Einlassventilen 3, 4 bzw. zwischen den beiden Auslassventilen 5, 6 mittels eines Gleitlagers in einem zylinderkopffesten Lagerbock 28 gelagert. Um eine drehfeste und axial verschiebbare Montage der Nockenträger 8, 10 auf der zugehörigen Nockenwelle zu ermöglichen, weisen die hohlzylindrischen Nockenträger 8, 10 an ihrem inneren Umfang eine Innenverzahnung 29 auf, die mit einer Außenverzahnung 30 auf der zugehörigen Nockenwelle 7, 9 kämmt.
Wie am besten in den 1 und 3 dargestellt, besitzen die Nocken 11, 12 bzw. 13, 14 auf den Nockenträgern 8 der Einlassnockenwelle 7 teilweise unterschiedliche Nockenkonturen 31, 32, 33, 34. Dabei sind die Einlassnockenkonturen 32 und 34 der Nocken 12 und 14 mit einer Eventlänge von jeweils 140 bis 155 Grad und einem Hub von 7 bis 8 mm identisch, während die Nockenkonturen 31 und 33 der Nocken 11 und 13 unterschiedlich sind. Die Nockenkontur 31 besitzt eine Eventlänge von mehr als 155 Grad und einen Hub von mehr als 8 mm, während die Nockenkontur 33 eine Eventlänge von 0 Grad und einen Hub von 0 mm besitzt. Dies bedeutet, dass das Einlassventil 4 geschlossen bleibt und der Zylinder 1 einlassseitig im Einventilbetrieb arbeitet, wenn sich die Nocken 11 und 13 mit den Rollen 19 der Rollenschlepphebel 20 der Einlassventile 3, 4 im Eingriff befinden. Gleichzeitig wird in diesem Zustand das Einlassventil 3 länger und weiter geöffnet als dies der Fall ist, wenn sich die Nocken 12 und 14 mit den Rollen 19 der Rollenschlepphebel 20 der Einlassventile 3, 4 im Eingriff befinden und der Zylinder 1 einlassseitig im Zweiventilbetrieb arbeitet.
Wie am besten in den 1 und 3 dargestellt, besitzen die Nocken 15, 16 bzw. 17, 18 auf den Nockenträgern 10 der Auslassnockenwelle 9 ebenfalls teilweise unterschiedliche Nockenkonturen 35, 36, 37, 38. Dabei sind die Nockenkonturen 35 und 37 der Nocken 15 und 17 mit einer Eventlänge von jeweils 180 bis 195 Grad und einem Hub von 8 bis 9,5 mm identisch, während die Nockenkonturen 36 und 38 der Nocken 16 und 18 unterschiedlich sind. Die Nockenkontur 36 besitzt eine Eventlänge von mehr als 195 Grad und einen Hub von mehr als 9,5 mm, während die Nockenkontur 38 eine Eventlänge von 0 Grad und einen Hub von 0 mm besitzt. Dies bedeutet, dass das Auslassventil 5 geschlossen bleibt und der Zylinder 1 auslassseitig im Einventilbetrieb arbeitet, wenn sich die Nocken 16 und 18 mit den Rollen 19 der Rollenschlepphebel 20 der Auslassventile 5, 6 im Eingriff befinden. Gleichzeitig wird das Auslassventil 6 länger und weiter geöffnet als dies der Fall ist, wenn sich die beiden Nocken 13 und 15 mit den Rollen 19 der Rollenschlepphebel 20 der Auslassventile 5, 6 im Eingriff befinden und der Zylinder 1 auslassseitig im Zweiventilbetrieb arbeitet.
Die Verschiebung der Nockenträger 8 auf der Einlassnockenwelle 7 kann getrennt von der Verschiebung der Nockenträger 10 auf der Auslassnockenwelle 9 oder gemeinsam mit dieser erfolgen, was in der Regel der Fall sein wird. Wie in den 4 und 5 anhand einer beispielhaften Schaltstrategie zum Schalten der Einlassventile 3, 4 bzw. der Auslassventile 5, 6 dargestellt, werden die Nocken 11 und 13 auf der Einlassseite bei Nulllast (Mode 1), bei niedriger Teillast (Mode 2 und Mode 3) sowie teilweise auch bei höherer Teillast (Mode 5) in einer Stufe 1 eines Nockenumschalters der Einlassnockenwelle 7 mit den Rollen 19 der Rollenschlepphebel 20 der Einlassventile 3, 4 in Eingriff gebracht, um die Verbrennungsluft im Einventilbetrieb in sämtliche Zylinder 1 der Brennkraftmaschine zuzuführen. Entsprechend werden auf der Auslassseite die Nocken 16 und 18 bei Nulllast (Mode 1), bei niedriger Teillast (Mode 2 und Mode 3) sowie teilweise auch bei höherer Teillast (Mode 5) in einer Stufe 2 eines Nockenumschalters der Auslassnockenwelle 9 mit den Rollen 19 der Rollenschlepphebel 20 der Auslassventile 5, 6 in Eingriff gebracht, um die Abgase im Einventilbetrieb aus sämtlichen Zylindern 1 der Brennkraftmaschine abzuführen.
Die Umschaltung vom Einventilbetrieb in den Zweiventilbetrieb erfolgt entweder beim Übergang in die höhere Teillast (Mode 4), wenn bei einer Lastanforderung von weniger als 40 bis 50% die Drehzahl der Brennkraftmaschine 3500 U/min übersteigt, oder beim Übergang in die Volllast (Mode 6), wenn bei einer Drehzahl von mehr als 2500 U/min auf der Einlassseite bzw. von mehr als 3000 U/min auf der Auslassseite die Lastanforderung der Brennkraftmaschine 40 bis 50% übersteigt.
Da der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zumindest bei Volllast und bei höherer Teillast durch einen Miller-Zyklus besonders gut optimiert werden kann, wird die Brennkraftmaschine bevorzugt im Miller-Zyklus betrieben. Das heißt, die Einlassventile 3, 4 werden geschlossen, bevor der Ansaughub beendet ist, was eine unvollständige Zylinderfüllung und eine Absenkung der Verdichtungsendtemperaturen zur Folge hat. Der Nachteil des Miller-Zyklus, der Verlust an Drehmoment bei höherer Drehzahl, wird durch eine Hochaufladung der Brennkraftmaschine ausgeglichen.
Im vorliegenden Fall erfolgt dies durch die Registeraufladung mittels des zweistufigen Abgasturboladers, dessen erste Stufe mit den ständig aktiven Auslassventilen 6 sämtlicher Zylinder 1 verbunden ist, während seine zweite Stufe mit denjenigen Auslassventilen 5 sämtlicher Zylinder 1 verbunden ist, die im Einventilbetrieb geschlossen bleiben. Auf diese Weise ist zur Steuerung der Registeraufladung durch die beiden Stufen des Abgasturboladers kein zusätzliches Regelventil im Abgastrakt erforderlich, da die zweite Stufe der Abgasturboladers allein durch die Umschaltung in den Zweiventilbetrieb zugeschaltet werden kann. Zudem verbessert sich das Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine nach einem Kaltstart, da dann im Einventilbetrieb nur der ersten Stufe des Abgasturboladers Abgas zugeführt wird. Dadurch wird die vom Abgas angeströmte Oberfläche verkleinert, womit wiederum die Aufheizung eines hinter der ersten Stufe des Abgasturboladers im Abgastrakt angeordneten Katalysators bis zu dessen Light-Off-Temperatur beschleunigt werden kann. Darüber hinaus ergeben sich zusätzliche Freiheiten hinsichtlich der Anordnung der Katalysatoren.
Die für den Miller-Zyklus erforderliche Hochaufladung der Brennkraftmaschine setzt aufgrund von suboptimalen Zündzeitpunkten bei niedrigen Drehzahlen einen stabilen Verbrennungsvorgang im Brennraum mit einer starken Ladungsbewegung und einer hohen Verbrennungsgeschwindigkeit voraus. Dies lässt sich mit der Ladungsbewegungsform ”Drall” besser erreichen als mit der Ladungsbewegungsform ”Tumble”, da im Miller-Zyklus die Ladungsbewegung bei der zuletzt genannten Ladungsbewegungsform ”Tumble” schneller als bei der zuerst genannten Ladungsbewegungsform ”Drall” zusammenbricht und zudem extreme Einlasskanäle mit niedrigen Durchflusskennzahlen und/oder zusätzliche Klappen in den Einlasskanälen erforderlich macht. Demgegenüber lässt sich durch den zuvor beschriebenen Einventilbetrieb der Brennkraftmaschine selbst im Fall von Einlasskanälen mit höheren Durchflusskennzahlen die Ladungsbewegungsform ”Drall” gut darstellen.
Durch die größere Eventlänge und den größeren Hub des einlassseitigen Nockens 11, der sich im Einventilbetrieb mit der Rolle 19 des Rollenschlepphebels 20 des Einlassventils 3 im Eingriff befindet, lässt sich im Miller-Zyklus zudem eine größere Überschneidung der Öffnungszeiten derjenigen Ein- und Auslassventile 3 bzw. 6 realisieren, die im Einventilbetrieb geöffnet werden, was zur besseren Restgasausspülung bei niedrigen Drehzahlen von Vorteil ist. Die Restgasausspülung im Einventilbetrieb wird auch dadurch verbessert, dass sich das Einlassventil 3 und das Auslassventil 6 in Bezug zur Zylinderachse diametral gegenüberliegen.
Weiter kann mit Hilfe des Phasenverstellers auf der Einlassnockenwelle 7 bei niedriger Last und Drehzahl der im Miller-Zyklus reduzierte Luftmassenstrom durch die Zylinder 1 erhöht werden, indem im Einventilbetrieb die einlassseitigen Nocken 11 mit der größeren Eventlänge und dem größeren Hub nach spät verdreht werden, um das effektive Hubvolumen zu erhöhen und dadurch das Hochlaufen des Abgasturboladers durch den höheren Luftmassenstrom zu beschleunigen. Sobald sich ein Ladedruck aufgebaut hat und der Bereich erreicht wird, in dem der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine durch den Miller-Zyklus verbessert werden kann, wird die Einlassnockenwelle 7 mittels des Phasenverstellers wieder nach früh verdreht. Dies bedeutet zwar, dass sich dasjenige Einlassventil 3, das im Einventilbetrieb geöffnet wird, früher schließt, bedeutet jedoch auch, dass sich das Einlassventil 3 früher öffnet und damit die Überschneidung von Einlassventil 3 und Auslassventil 6 wieder vergrößert wird. Wie bereits ausgeführt wurde, ist dies zur Verbesserung der Restgasausspülung von Vorteil.
Bei einem weiteren Anstieg von Last und Drehzahl werden dann zur Umschaltung in den Zweiventilbetrieb mittels der Nockenumschalter die Nockenträger 8 und 10 auf der Einlassnockenwelle 7 und auf der Auslassnockenwelle 9 in diejenige Endstellung verschoben, in der sich die Nocken 12 und 14 bzw. 15 und 17 im Eingriff mit den Rollen 19 der Rollenschlepphebel 20 der Einlassventile 3, 4 bzw. der Auslassventile 5, 6 befinden, wie dies bereits unter Bezugnahmen auf die beispielhafte Schaltstrategie in den 4 und 5 erläutert wurde. Nach der Umschaltung in den Zweiventilbetrieb reduziert sich der Spülbedarf, so dass die Ventilüberschneidung wieder verringert werden kann. Dem wird einlassseitig durch die kürzere Eventlänge und den kleineren Hub der Nocken 12 und 14 im Vergleich zum Nocken 11 bzw. auslassseitig durch die kürzere Eventlänge und den kleineren Hub der Nocken 15 und 17 im Vergleich zum Nocken 18 Rechnung getragen.
Zur Optimierung der Nulllast und der niedrigen Teillast können darüber hinaus mit Hilfe der beiden umschaltbaren Abstützelemente 23 und 26 die beiden aktiven Ventile 3 und 6 abgeschaltet werden, die im Einventilbetrieb geöffnet werden. Bei der in den 4 und 5 dargestellten beispielhaften Schaltstrategie wird bei Nulllast (Mode 1) eine Abschaltung des aktiven Einlassventils 3 von sämtlichen Zylindern 1 beider Zylinderbänke vorgenommen, während bei niedriger Teillast unterhalb von einer vorbestimmten Lastanforderung von 20 bis 30% und unterhalb von einer vorbestimmten Drehzahl von weniger als 3500 U/min (Mode 2) eine Abschaltung von sämtlichen Zylindern 1 von einer der beiden Zylinderbänke vorgenommen wird. Bei niedriger Teillast oberhalb von einer vorbestimmten Lastanforderung von 20 bis 30% und oberhalb von einer vorbestimmten Drehzahl von weniger als 3500 U/min (Mode 3), bei höherer Teillast (Mode 4 und 5), sowie bei Volllast (Mode 6) wird keine Zylinderabschaltung vorgenommen. Dies gilt sowohl für die Einlassseite als auch für die Auslassseite.
Durch die Nutzung des Einventilbetriebs können somit bei Nulllast (Mode 1) sämtliche Zylinder 1 abgeschaltet werden, wodurch die kinetische Fahrzeugenergie optimal rekuperiert werden kann. Bei niedriger Teillast (Mode 2) können sämtliche Zylinder 1 einer Zylinderbank abgeschaltet werden, wobei es durch die Möglichkeit der Abschaltung der Zylinder beider Zylinderbänke möglich ist, abwechselnd die Zylinder der einen und der anderen Zylinderbank abzuschalten. Im Vergleich zu einer Abschaltung einer begrenzten Anzahl von Zylindern 1 kann auf diese Weise die Auskühlung der abgeschalteten Zylinder 1 vermindert werden.
Darüber hinaus kann die Anzahl der notwendigen umschaltbaren Abstützelemente 23, 26 verringert und die Anzahl der Freiheitsgrade bei der Steuerung der Lastzustände vergrößert werden, z. B. bei einem Übergang von einer Zylinderabschaltung zur Volllast oder bei einem Wechsel der abgeschalteten Zylinder durch parallelen Einsatz der Verschiebung der Nockenträger 8, 10 und Schaltung der umschaltbaren Abstützelemente 23, 26.
Bezugszeichenliste

1: Zylinder
2: Ventiltrieb
3: Einlassventil
4: Einlassventil
5: Auslassventil
6: Auslassventil
7: Einlassnockenwelle
8: Nockenträger
9: Auslassnockenwelle
10: Nockenträger
11: Nocken
12: Nocken
13: Nocken
14: Nocken
15: Nocken
16: Nocken
17: Nocken
18: Nocken
19: Rolle
20: Rollenschlepphebel
21: Ventilteller
22: Ventilglied
23: schaltbares Abstützelement
24: nicht-schaltbares Abstützelement
25: nicht-schaltbares Abstützelement
26: schaltbares Abstützelement
27: Schaltventil
28: Lagerbock
29: Innenverzahnung
30: Außenverzahnung
31: Nockenkontur
32: Nockenkontur
33: Nockenkontur
34: Nockenkontur
35: Nockenkontur
36: Nockenkontur
37: Nockenkontur
38: Nockenkontur

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1608849 B1 [0003, 0027]

Claims

Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern, wobei jeder Zylinder zwei Einlassventile und zwei Auslassventile aufweist, sowie mit einem Ventiltrieb zum Betätigen der Einlassventile und der Auslassventile, wobei der Ventiltrieb für jedes der beiden Einlassventile jedes Zylinders mindestens zwei verschiedene Einlassnockenkonturen aufweist, die in axialer Richtung einer Einlassnockenwelle gemeinsam verschiebbar sind und sich wahlweise mit dem zugehörigen Einlassventil in Eingriff bringen lassen, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste (33) der mindestens zwei Einlassnockenkonturen (33, 34) für ein erstes (4) der beiden Einlassventile (3, 4) jedes Zylinders (1) so geformt ist, dass das erste Einlassventil (4) geschlossen oder nahezu geschlossen bleibt, während sich die erste Einlassnockenkontur (33) mit dem ersten Einlassventil (4) im Eingriff befindet.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste (31) der mindestens zwei Einlassnockenkonturen (31, 32) für ein zweites (3) der beiden Einlassventile (3, 4) jedes Zylinders (1) so geformt ist, dass das zweite Einlassventil (3) geöffnet wird, während das erste Einlassventil (4) geschlossen oder nahezu geschlossen bleibt, und dass die erste (31) der mindestens zwei Einlassnockenkonturen (31, 32) für das zweite Einlassventil (3) so geformt ist, dass das zweite Einlassventil (3) mit einer größeren Eventlänge und/oder einem größeren Hub geöffnet wird als das erste und/oder zweite Einlassventil (3; 4) in dem Fall, wo sich eine zweite (32; 34) der mindestens zwei Einlassnockenkonturen (31, 32; 33, 34) für das erste bzw. zweite Einlassventile (3; 4) mit dem ersten bzw. zweiten Einlassventil (3; 4) im Eingriff befindet.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Phasenversteller an der Einlassnockenwelle (7).
Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventiltrieb (2) für jedes der beiden Auslassventile (5, 6) jedes Zylinders (1) mindestens zwei verschiedene Auslassnockenkonturen (35, 36; 37, 38) aufweist, die in axialer Richtung einer Auslassnockenwelle (9) gemeinsam verschiebbar sind und sich wahlweise mit dem zugehörigen Auslassventil (5; 6) in Eingriff bringen lassen, und dass eine zweite (36) der mindestens zwei Auslassnockenkonturen (35, 36) für ein zweites (5) der beiden Auslassventile (5, 6) jedes Zylinders (1) so geformt ist, dass das zweite Auslassventil (5) geschlossen oder nahezu geschlossen bleibt, während sich die zweite Auslassnockenkontur (36) mit dem zweiten Auslassventil (5) im Eingriff befindet.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Auslassventil (6) jedes Zylinders (1) mit einer ersten Abgasturboladerstufe kommuniziert, die zuerst in Betrieb genommen wird, und dass das zweite Auslassventil (5) jedes Zylinders (1) mit einer zweiten Abgasturboladerstufe kommuniziert, die zusammen mit der ersten Abgasturboladerstufe in Betrieb genommen wird.
Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Einlassventil (4) und das zweite Auslassventil (5) diametral entgegengesetzt von einer Längsmittelachse jedes Zylinders (1) angeordnet sind.
Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel (23, 26) zum Abschalten des zweiten Einlassventils (3) und/oder des ersten Auslassventils (6) jedes Zylinders (1).
Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Abschalten des zweiten Einlassventils (3) und/oder des ersten Auslassventils (6) jedes Zylinders (1) schaltbare hydraulische Abstützelemente (23, 26) sind.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassnockenkonturen (31, 32, 33, 34) und die Auslassnockenkonturen (35, 36, 37, 38) sowohl gemeinsam als auch unabhängig voneinander in axialer Richtung der Einlass- bzw. Auslassnockenwelle (7 bzw. 9) verschiebbar sind.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern, wobei jeder Zylinder zwei Einlassventile und zwei Auslassventile aufweist, die mittels eines Ventiltriebs betätigt werden, wobei der Ventiltrieb für jedes der beiden Einlassventile jedes Zylinders mindestens zwei verschiedene Einlassnockenkonturen aufweist, die in axialer Richtung einer Einlassnockenwelle gemeinsam verschoben werden, um sie paarweise mit den Einlassventilen in Eingriff zu bringen, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes (4) der beiden Einlassventile (3, 4) jedes Zylinders (1) geschlossen oder nahezu geschlossen bleibt, während sich eine erste (33) der mindestens zwei Einlassnockenkonturen (33, 34) mit dem ersten Einlassventil (4) im Eingriff befindet.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Einlassventil (4) jedes Zylinders (1) in einem unteren Drehzahl- und/oder Lastbereich geschlossen oder nahezu geschlossen bleibt und bei Überschreiten einer vorbestimmten Last und/oder Drehzahl durch axiale Verschiebung der Nockenkonturen (31, 32, 33, 34) geöffnet wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites (3) der beiden Einlassventile (3, 4) jedes Zylinders (1) geöffnet wird, während das erste Einlassventil (4) geschlossen oder nahezu geschlossen bleibt, und dass das zweite Einlassventil (3) mit einer größeren Eventlänge und/oder einem größeren Hub geöffnet wird als das erste und/oder zweite Einlassventil (3, 4) in dem Fall, wo sich eine zweite (32; 34) der mindestens zwei Einlassnockenkonturen (31, 32; 33, 34) für das erste bzw. zweite Einlassventile (3; 4) mit dem ersten bzw. zweiten Einlassventil (3; 4) im Eingriff befindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassnockenwelle (7) bei niedriger Last und Drehzahl nach spät verdreht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventiltrieb (2) für jedes der beiden Auslassventile (5, 6) jedes Zylinders (1) mindestens zwei verschiedene Auslassnockenkonturen (35, 36; 37, 38) aufweist, die in axialer Richtung einer Auslassnockenwelle (9) gemeinsam verschoben werden, um sie paarweise mit den Auslassventilen (5; 6) in Eingriff zu bringen, und dass ein zweites (5) der beiden Auslassventile (5, 6) jedes Zylinders (1) geschlossen oder nahezu geschlossen bleibt, während sich eine zweite (36) der mindestens zwei Auslassnockenkonturen (35, 36) mit dem zweiten Auslassventil (5) im Eingriff befindet.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei Nulllast das zweite Einlassventil (3) und das erste Auslassventil (6) jedes Zylinders (1) abgeschaltet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine mindestens in einem oberen Drehzahl- und/oder Lastbereich im Miller-Zyklus betrieben wird.