DE4411434A1 - Betriebsverfahren für eine Brennkraftmaschine mit zwei Einlaßventilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren für eine ge­ mischverdichtende Hubkolben-Brennkraftmaschine mit zumin­ dest zwei Einlaßventilen und einem Auslaßventil je Zylin­ der, wobei den Einlaßventilen durch ein einziges Ein­ spritzventil oder dgl. Kraftstoff vorgelagert werden kann und wobei eines der Einlaßventile betriebspunktabhängig lediglich geringfügig geöffnet wird.

Bekannt ist eine Brennkraftmaschine, die nach diesem Ver­ fahren betrieben werden kann, aus der EP 0 470 869 A1. Dabei wird bevorzugt in einem unteren Lastbereich der Brennkraftmaschine im wesentlichen nur eines der beiden Einlaßventile geöffnet, während das andere Einlaßventil quasi funktional geschlossen bleibt, um aufgrund des da­ raus resultierenden Einlaßdralles der in den Zylinder eingebrachten Ladung eine verbesserte Gemischaufbereitung sowie eine verbesserte sich daran anschließende Verbren­ nung zu erzeugen. In anderen Brennkraftmaschinen-Be­ triebspunkten und insbesondere in einem höheren Lastbe­ reich der Brennkraftmaschine werden hingegen die beiden oder auch mehreren Einlaßventile vollständig geöffnet, um die dann benötigte große Menge von Ver­ brennungsgemisch/Ladung verlustarm in den Zylinder för­ dern zu können. Dabei ist jedem Zylinder der bevorzugt mehrzylindrigen Brennkraftmaschine der Einfachheit halber lediglich ein einziges Einspritzventil oder ähnlich gestaltetes Organ zur Zuführung von Kraftstoff zur Verbrennungsluft zugeordnet. Dieses einzige Einspritzven­ til oder dgl. ist dabei derart gestaltet, daß beiden bzw. sämtlichen Einlaßventilen dieses Zylinders Kraftstoff vorgelagert werden kann, um in den höheren Lastpunkten der Brennkraftmaschine eine günstige Gemischaufteilung und Gemischbildung im Zylinder zu erzielen. Dies hat je­ doch zur Folge, daß auch demjenigen Einlaßventil, das im Niederlastbetrieb der Brennkraftmaschine funktional quasi geschlossen bleiben soll, stets Kraftstoff vorgelagert wird. Um auch diese Kraftstoffmenge in den Zylinder ein­ zuführen, wird dieses quasi abgeschaltete Einlaßventil dann lediglich geringfügig geöffnet.

Ein unerwünschter Nebeneffekt ist bei diesem bekannten Stand der Technik jedoch die sich dadurch im Zylinder einstellende Gemischschichtung. Wird nämlich den bevor­ zugt beiden Einlaßventilen jeweils eine im wesentlichen gleiche Kraftstoffmenge vorgelagert, wie dies für den Hochlastbetrieb der Brennkraftmaschine auch erforderlich ist, so gelangt dann, wenn eines der Einlaßventile ledig­ lich geringfügig geöffnet wird, über dieses Einlaßventil ein extrem fetter Ladungsanteil in den Zylinder, während über das andere Einlaßventil ein demgegenüber deutlich magereres Gemisch zugeführt wird. Die sich damit einstel­ lende Ladungsschichtung ist jedoch im Hinblick auf die Emission schädlicher Abgasbestandteile, so insbesondere von HC, sowie NO_x problematisch.

Ein insbesondere im Hinblick auf die Abgasemissionen dem­ gegenüber verbessertes Betriebsverfahren für eine Brenn­ kraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufzu­ zeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, daß der gering­ fügige Öffnungshub des Einlaßventiles im wesentlichen während der Ausschiebephase des vorangegangenen Arbeits­ spieles, in der sich der Kolben von seinem unteren Tot­ punkt zu seinem oberen Totpunkt bewegt, erfolgt und/oder schwerpunktmäßig nahe des oberen Kolbentotpunktes liegt. Bevorzugt liegt dabei der Schwerpunkt dieses geringfügi­ gen Öffnungshubes im oder nahe vor diesem sog. Ladungs­ wechsel-OT (= oberer Kolbentotpunkt), der quasi den Grenzpunkt zwischen dem vorangegangenen sowie einem neuen Arbeitsspiel einer Viertakt-Kolbenbrennkraftmaschine dar­ stellt.

Näher erläutert wird die Erfindung sowie vorteilhafte Weiterbildungen, die in den Unteransprüchen beschrieben sind, anhand der beigefügten Prinzipskizzen. Dabei zeigt

Fig. 1 einen Brennkraftmaschinen-Zylinder mit zwei Einlaßventilen sowie einem vorgelagerten Ein­ spritzventil,

Fig. 2 ein erstes Diagramm mit Öffnungshub-Verläufen der Einlaßventile und des Auslaßventiles, sowie

Fig. 3 ein zweites Diagramm mit Öffnungshub-Verläufen.

Einem Zylinder 1 einer Hubkolben-Brennkraftmaschine, in dem wie üblich ein Kolben 2 geführt ist, sind zwei Ein­ laßventile 3, 4 zugeordnet, die entsprechende Ein­ laßkanäle 3a, 4a zum Brennraum 5 des Zylinders 1 hin öff­ nen bzw. verschließen. Die beiden Einlaßkanäle 3a, 4a sind zu einem gemeinsamen Kanal 6 zusammengeführt, in dem ein einziges Kraftstoff-Einspritzventil 7 angeordnet ist, das den beiden Einlaßventilen 3, 4 Kraftstoff, wie durch Kraftstoff-Strahlen skizziert, vorlagern kann.

In gewissen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine soll eines der beiden Einlaßventile, nämlich das Einlaßventil 3 funktional abgeschaltet sein, d. h. im wesentlichen ge­ schlossen bleiben. In diesen insbesondere im unteren Teillastbereich liegenden Betriebspunkten soll dem Brenn­ raum 5 das zu verbrennende Gemisch somit im wesentlichen nur über das andere, stets zumindest teilweise öffnende Einlaßventil 4 zugeführt werden.

Mögliche Ventilerhebungskurven bzw. Verläufe für die Öff­ nungshübe der Einlaßventile sowie des nicht gezeigten, jedoch selbstverständlich ebenfalls vorhandenen Auslaß­ ventiles sind in den Fig. 2, 3 dargestellt. Dabei ist wie üblich auf der Abszisse der Kurbelwinkel KW der Brennkraftmaschinen-Kurbelwelle aufgetragen, während die Ordinate den jeweiligen Ventilhub h wiedergibt. Auf der Abszisse ist dabei mit OT der obere Kolbentotpunkt, auch Ladungswechsel-OT genannt, bezeichnet. Wie ersichtlich liegt der mit der Bezugsziffer 8′ bezeichnete Öffnungshub des Auslaßventiles entsprechend der üblichen Auslegung im wesentlichen vor diesem oberen Kolbentotpunkt OT.

In Fig. 2 ist mit 4′ der Öffnungshub des stets zumindest teilweise öffnenden Einlaßventiles 4 in einem Nie­ driglastbereich der Brennkraftmaschine bezeichnet. In diesem Niedriglastbereich soll dabei das andere Einlaß­ ventil 3 im wesentlichen geschlossen bleiben, um - wie oben bereits geschildert - optimale Einströmverhältnisse bezüglich der relativ geringen Frischgemischmenge in den Brennraum 5 zu erzielen. Da jedoch aufgrund der zentralen Anordnung des einzigen Einspritzventiles 7 auch dem Ein­ laßventil 3 Kraftstoff vorgelagert wird, ist es erforder­ lich, auch dieses Einlaßventil 3 zu öffnen, wobei dieser Öffnungshub jedoch lediglich äußerst geringfügig sein soll. Erfindungsgemäß erfolgt dieser lediglich geringfü­ gige Öffnungshub 3′ des Einlaßventiles 3 im wesentlichen während der Ausschiebephase des vorangegangenen Arbeits­ spieles, während derer das Auslaßventil seinen Öffnungs­ hub 8′ ausführt. Wie ersichtlich liegt dabei der Schwer­ punkt dieses Öffnungshubes 3′ nahe des oberen Kolbentot­ punktes OT. Dieses geringfügige Öffnen gemäß dem Öff­ nungshub 3′ bewirkt dabei, daß ein Teil der zu diesem Zeitpunkt noch im Brennraum 5 befindlichen, im vorange­ gangenen Arbeitszyklus verbrannten Zylinderladung durch das Einlaßventil 3 gemäß Pfeilrichtung 9 in Fig. 1 ausge­ schoben wird. Diese ausgeschobene Teilgasmenge ist natur­ gemäß äußerst heiß und bringt somit den dem Einlaßventil 3 vorgelagerten Kraftstoff zum Verdampfen und transpor­ tiert diesen Kraftstoffdampf in Richtung des gemeinsamen Kanales 6. Anschließend wird das andere, stets zumindest teilweise öffnende Einlaßventil 4 geöffnet, wie der Ver­ lauf des Öffnungshubes 4′ zeigt. Über dieses Einlaßventil 4 wird dann nicht nur die diesem Einlaßventil 4 vorgela­ gerte Kraftstoff-Teilmenge, sondern aufgrund der eben ge­ schilderten Rückströmung im Bereich des Einlaßkanales 3a auch die dem Einlaßventil 3 vorgelagerte Kraftstoffmenge in den Brennraum 5 eingeführt.

Indem somit das lediglich geringfügig öffnende Einlaßven­ til 3 schwerpunktmäßig nahe, bevorzugt im oder nahe vor dem oberen Kolbentotpunkt OT - bzw. im Verlauf der Kol­ benbewegung von seinem unteren Totpunkt zum OT hin - ge­ öffnet wird, ist sichergestellt, daß zum einen die voll­ ständige Kraftstoffmenge und somit auch die dem funktio­ nal praktisch abgeschalteten Einlaßventil 3 vorgelagerte Kraftstoff-Teilmenge in den Brennraum 5 des Zylinders 1 gelangen kann, wobei jedoch vorteilhafterweise die Ge­ mischzufuhr - wie jedenfalls in Niedriglast-Betriebspunk­ ten der Brennkraftmaschine erwünscht - nur über ein ein­ ziges Einlaßventil, nämlich das stets zumindest teilweise öffnende Einlaßventil 4 erfolgt. Eine verbesserte, da ho­ mogenere Gemischaufbereitung sowie dementsprechend ver­ besserte Abgas-Rohemissionen auch bei stöchiometrischem Betrieb, jedoch auch bei Magerbetrieb der Brennkraftma­ schine ist die Folge.

In Fig. 2 sind zusätzlich die Ventilhubverläufe für einen weiteren Brennkraftmaschinen-Betriebspunkt, bei dem eine gegenüber dem oben erläuterten Betriebspunkt höhere Last abverlangt wird, dargestellt. Die Verläufe des Öff­ nungshubes 8′ des Auslaßventiles sowie des Öffnungshubes 3′ des lediglich geringfügig öffnenden Einlaßventiles 3 sind dabei unverändert, während das stets zumindest teil­ weise öffnende Einlaßventil 4 nunmehr vollständig geöff­ net wird, wie der entsprechende Verlauf des Öffnungshubes 4′′ zeigt. Auch in diesem Betriebspunkt höherer Last soll weiterhin das Einlaßventil 3 funktional geschlossen blei­ ben. Das Einlaßventil 3 öffnet somit lediglich geringfü­ gig und schwerpunktmäßig nahe des oberen Kolbentotpunktes OT, um sicherzustellen, daß - wie oben bereits erläutert - die dem Einlaßventil 3 vorgelagerte Kraftstoff-Teil­ menge schließlich über den Einlaßkanal 4a sowie das Einlaßventil 4 in den Brennraum 5 des Zylinders 1 gelan­ gen kann. Dabei liegt jedoch der Verlauf des Öffnungshu­ bes 3′ vollständig innerhalb des vollständigen Öffnungs­ hubes 4′ des Einlaßventiles 4. Diese Tatsache ermöglicht es, eine Ventilbetätigungsvorrichtung zur Erzielung der unterschiedlichen Öffnungshub-Verläufe vorzusehen, wie sie auch in der eingangs genannten EP 0 470 869 Al ge­ zeigt ist. Nur mit dieser Auslegung ist es möglich, die unterschiedlichen Öffnungshub-Verläufe dadurch zu erzie­ len, daß für die Einlaßventile 3, 4 verschiedene Nocken mit unterschiedlichen Nockenprofilen vorgesehen sind, wo­ bei ein Umschalten derart erfolgen kann, daß einer dieser Nocken über einen gezielt umschaltbaren Betätigungsmecha­ nismus dem jeweiligen Einlaßventil 3, 4 zugeordnet wird.

Mit einem derartigen Betätigungsmechanismus, mit Hilfe dessen die bevorzugt beiden Zylinder-Einlaßventile 3, 4 durch verschiedene Nocken mit unterschiedlichen Nocken­ profilen betätigbar sind, sind schließlich auch die in Fig. 3 dargestellten Ventilhubverläufe realisierbar. Da­ bei ist der Öffnungshub 8′ des Auslaßventiles gegenüber den bisher erläuterten Verläufen unverändert, während nunmehr die beiden Einlaßventile 3, 4 jeweils vollständig entsprechend dem Verlauf des Öffnungshubes 4′′ geöffnet werden. Dieser Betriebspunkt stellt somit einen Hochlast- Betriebspunkt der Brennkraftmaschine dar.

Zusätzlich zur Umschaltung zwischen verschiedenen Nocken mit unterschiedlichen Nockenprofilen erfolgt dabei beim Übergang von den Ventilhubverläufen gemäß Fig. 2 auf einen Betriebspunkt mit den Ventilhubverläufen gemäß Fig. 3 eine Verschiebung der Öffnungszeitpunkte und Schließ­ zeitpunkte der Einlaßventile 3, 4. Dies bedeutet, daß der Verlauf des Öffnungshubes 4′′ auf der Abszisse seitlich verschoben wurde, um einerseits eine günstigere Steuer­ zeit zu erzielen und andererseits die Ven­ tilüberschneidung, d. h. den Überschneidungsquerschnitt zwischen dem Öffnungshub 8′ sowie dem Öffnungshub 4′′ zu reduzieren. Realisierbar ist eine derartige Verschiebung eines Öffnungshub-Verlaufes durch relatives Verdrehen des das zugeordnete Einlaßventil 3 bzw. 4 betätigenden Nockens gegenüber der Brennkraftmaschinen-Kurbelwelle. Diese Maßnahme ist dem Fachmann zwar geläufig, jedoch ist diese Maßnahme im Zusammenhang mit der vorliegenden Er­ findung besonders vorteilhaft, da es hierdurch auf einfa­ che Weise möglich ist, das im wesentlichen abgeschaltete bzw. lediglich geringfügig öffnende Einlaßventil 3 mit seinem lediglich geringfügigen Öffnungshub 3′ schwer­ punktmäßig im oder nahe vor dem oberen Kolbentotpunkt OT öffnen zu lassen, während dieses Einlaßventil 3 dann, wenn es im wesentlichen vollständig geöffnet wird (entsprechend dem Öffnungshub 4′′), schwerpunktmäßig im Ansaugtakt und somit nach dem oberen Kolbentotpunkt OT geöffnet werden kann.

Die beschriebenen Maßnahmen ermöglichen es, an einer Brennkraftmaschine unter Optimierungsgesichtspunkten sowohl der Abgasemissionen als auch der Verbrennungswir­ kungsgrade und somit des Verbrauches eine Abschaltung eines Einlaßventiles auch bei sog. zentraler Einspritz­ ventillage zu realisieren. Gegenüber dem bekannten Stand der Technik (insbesondere EP 0 470 869 AI) ist hiermit ein homogeneres, besser aufbereitetes sowie besser im Brennraum 5 verteiltes Gemisch realisierbar. Dies ermög­ licht einen niedrigeren Kraftstoffverbrauch bei geringe­ ren Rohemissionen. Dabei können insbesondere bei Brenn­ kraftmaschinen mit relativ verdrehbaren Nocken trotz der Spreizungsbegrenzung durch den in Bezug auf den Kolben 2 begrenzten Freigang der Einlaßventile 3, 4 optimale Rest­ gasgehalte der Zylinderfüllung eingestellt werden, da durch das funktional abgeschaltete Einlaßventil 3, das weiterhin wie geschildert einen minimalen Hub ausübt, zu­ sätzlich Restgas aus dem Brennraum 5 zurückgeschoben und über das andere Einlaßventil 4 wieder angesaugt wird.

Claims (3)

1. Betriebsverfahren für eine gemischverdichtende Hub­ kolben-Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Einlaß­ ventilen (3, 4) und einem Auslaßventil je Zylinder, wobei den Einlaßventilen (3, 4) durch ein einziges Einspritzventil (7) oder dgl. Kraftstoff vorgelagert werden kann und wobei eines der Einlaßventile (3) betriebspunktabhängig lediglich geringfügig geöffnet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der geringfügige Öff­ nungshub (3′) des Einlaßventiles (3) im wesentlichen während der Ausschiebephase des vorangegangenen Ar­ beitsspieles, in der sich der Kolben (2) von seinem unteren Totpunkt zu seinem oberen Totpunkt bewegt, erfolgt und/oder schwerpunktmäßig nahe des oberen Kolbentotpunktes (OT) liegt.

2. Betriebsverfahren nach Anspruch 1, wobei das be­ triebspunktabhängig lediglich geringfügig öffnende Einlaßventil (3) durch verschiedene Nocken mit un­ terschiedlichen Nockenprofilen betätigbar ist und somit auch vollständig geöffnet werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungs- und Schließzeitpunkt dieses Einlaßventiles (3) durch re­ latives Verdrehen dieser Nocken so verändert wird, daß ein im wesentlichen vollständiger Öffnungshub (4′′) dieses Einlaßventiles (3) schwerpunktmäßig im Ansaugtakt nach dem oberen Kolbentotpunkt (OT) liegt.

3. Betriebsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die beiden Zylinder-Einlaßventile (3, 4) durch verschie­ dene Nocken mit unterschiedlichen Nockenprofilen be­ tätigbar sind,
dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Be­ triebsbereich der Brennkraftmaschine der Öffnungshub (3′) des lediglich geringfügig öffnenden Einlaßven­ tiles (3) im wesentlichen vor dem Öffnungshub (4′) des anderen, ebenfalls nur teilweise öffnenden Ein­ laßventiles (4) liegt,
daß in einem zweiten Betriebsbereich das andere Ein­ laßventil (4) vollständig geöffnet wird und der Öff­ nungshub (3′) des lediglich geringfügig öffnenden Einlaßventiles (3) innerhalb des vollständigen Öff­ nungshubes (4′′) liegt,
und daß in einem dritten Betriebsbereich die beiden Einlaßventile (3, 4) den gleichen vollständigen Öff­ nungshub (4′′) ausführen.