DE102006037396A1 - Brennkraftmaschine - Google Patents
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Abstract
Eine Brennkraftmaschine weist eine Nockenwelle (23) auf, die Einlass- und Auslassventile (5, 7) beaufschlagt, wobei die Hubkurve (EV, AV) der Einlass- und Auslassventile (5, 7) von der Form der Nocken (24, 25) der Nockenwelle (23) bestimmt ist. An der Nockenwelle (23) ist ein zusätzlicher, das Auslassventil (7) beaufschlagender Zusatznocken angeordnet, wodurch dem Auslassventil (7) eine phasenversetzte Zusatzhubkurve (AV<SUB>Z</SUB>) aufgeprägt wird.
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
- Aus der
AT 408 129 B AT 408 129 B - Während des Motorbremsbetriebs befindet sich das Drosselventil in seiner Öffnungsstellung, damit der Zylinderinhalt durch die Kolbenbewegung in den Abgasstrang ausgeschoben werden kann. Hierbei kann das Problem auftreten, dass die geöffneten Austrittsventile Schwingungen ausführen.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit geringem konstruktiven Aufwand eine Brennkraftmaschine zu schaffen, die die Erzeugung hoher Motorbremsleistungen ermöglicht und zugleich eine lange Betriebsdauer gewährleistet.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
- Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist an der Nockenwelle ein das Auslassventil beaufschlagender Zusatznocken anordnet, der zusätzlich zu dem Nocken vorgesehen ist, über den das Auslassventil im regulären Betrieb der Brennkraftmaschine in Öffnungsstellung versetzt wird. Die über den Zusatznocken zu erzielende Zusatzhubkurve des Auslassventils ist gegenüber der Grundhubkurve phasenversetzt und überschneidet sich zumindest teilweise mit der Hubkurve des Einlassventils.
- In der normalen, befeuerten Antriebsbetriebsweise erlaubt das zusätzliche Abheben und öffnen des Auslassventils, welches zum Anheben im normalen Ladungswechsel hinzukommt, bis zu einem gewissen Grad die Durchführung einer so genannten inneren Abgasrückführung, bei der ein Teilmassenstrom des Abgases aus dem Abgasstrang unmittelbar über geöffnete Ladungswechselventile durch den Zylinder in den Ansaugtrakt rückgeführt wird. Die Abgasrückführung wird insbesondere im Teillastbetrieb durchgeführt und ermöglicht eine Reduzierung der Stickoxide NOx im Abgas. Die innere Abgasrückführung ermöglicht es, den rückzuführenden Abgasmassenstrom durch eine so genannte äußere Abgasrückführung mit externer Rückführleitung zwischen Abgasstrang und Ansaugtrakt entweder zu vermindern oder gegebenenfalls sogar ganz einzustellen.
- Im Motorbremsbetrieb dagegen wird der zum normalen Ladungswechsel hinzukommende, zusätzliche Hub des Auslassventils zur kontrollierten Rückaufladung der Zylinder und zur Steigerung der Motorbremsleistung genutzt. Im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Standardnockenwellen führt die erfindungsgemäß ausgeführte Nockenwelle zu Vorteilen im Hinblick auf die Beherrschung der Stellmechanik der Austrittsventile bei höchsten Motorbremsleistungen. Die im Stand der Technik auftretenden Schwingungen der Auslassventile im Motorbremsbetrieb sind bei der erfindungsgemäßen Ausführung wesentlich reduziert. Das Auslassventil ist in Phasen hoher Drücke und großer Strömungsgeschwindigkeiten der Gase kontrolliert geführt, so dass ein unkontrolliertes Abheben des Auslassventiles und damit einhergehende hohe Belastungen auf das Auslassventil ausgeschlossen sind. Das zusätzliche, kontrollierte Anheben des Auslassventils ist mit einfachen konstruktiven Maßnahmen durchführbar, da lediglich ein Zusatznocken an der Nockenwelle zur Realisierung der Zusatzhubkurve angeordnet werden muss.
- Gemäß einer vorteilhaften Ausführung liegt der Schließzeitpunkt der Zusatzhubkurve des Auslassventils zeitlich nach dem Schließzeitpunkt der Hubkurve des Einlassventils. Bei gleichzeitig geöffnetem Einlass- und Auslassventil ist eine durchgehende Strömungsverbindung über die Zylinder zwischen Abgasstrang und Ansaugtrakt gegeben. In dieser Phase kann eine innere Abgasrückführung durchgeführt werden. In der kurzen Phase zwischen dem Schließen des Einlassventils und dem Schließzeitpunkt des Auslassventils während des Zusatzhubes des Auslassventils befindet sich der Kolben im Zylinder im Bereich des unteren Totpunktes im Übergang vom Einlasstakt zum Kompressionstakt, wodurch der Zylinder mit Abgas aus dem Abgasstrang teilbefüllt werden kann und der Befüllungsgrad insgesamt verbessert wird.
- Die Öffnungsdauer der Zusatzhubkurve des Auslassventils ist vorteilhaft kürzer als die Öffnungsdauer des Einlassventils, sie beträgt zweckmäßig zwar zumindest 30%, jedoch üblicherweise nicht mehr oder nicht viel mehr als 50%. Zudem ist der Hub der Zusatzhubkurve zweckmäßig erheblich geringer als der Hub des Einlassventils, er beträgt zwar vorteilhafterweise mindestens 10% des Hubs des Einlassventils, jedoch üblicherweise nicht mehr als 20%. Die verkürzte Dauer und der geringere Hub des Auslassventils während der Zusatzhubkurve führt dazu, dass im regulären, befeuerten Betrieb der Brennkraftmaschine keine oder nur geringe Beeinträchtigungen gegenüber einem in dieser Phase vollständig geschlossenen Auslassventil zu erwarten sind.
- In einer weiteren vorteilhaften Ausführung kann ein zusätzliches Ladewechselventil vorgesehen sein, das als Drosselventil ausgeführt ist, welches ebenso wie das Auslassventil im geöffneten Zustand einen Auslass in den Abgasstrang freigibt, jedoch unabhängig vom Auslassventil zu betätigen ist. Diesem Drosselventil ist vorteilhaft ein eigener, separat zu betätigender Aktuator zugeordnet, wobei das Drosselventil vorteilhafterweise während des Motorbremsbetriebes in einer konstanten Öffnungsstellung steht und im befeuerten betrieb geschlossen ist.
- Gemäß einer weiteren, bevorzugten Ausführung ist die Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader versehen, deren Abgasturbine mit variabler Turbinengeometrie zur veränderlichen Einstellung des wirksamen Turbineneintrittsquerschnittes ausgestattet ist. Zur Erzeugung hoher Motorbremsleistungen wird die variable Turbinengeometrie in eine den Querschnitt reduzierende Stauposition überführt, wodurch sich hohe Abgasgegendrücke zwischen dem Zylinderauslass und der Abgasturbine einstellen, die dem Ausschub des Zylinderinhalts entgegenwirken.
- Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader, wobei einer der Zylinder der Brennkraftmaschine in vergrößerter Ansicht einschließlich zugeordneter Einlass- und Auslassventile und einer die Hubkurve der Ventile beeinflussenden Nockenwelle dargestellt ist, -
2 ein Diagramm mit den Hubkurven für die Einlass- und Auslassventile einschließlich einer Darstellung einer zusätzlichen Hubkurve für das Auslassventil. - In
1 ist eine Brennkraftmaschine dargestellt, bei der es sich beispielsweise um einen Dieselmotor oder einen Ottomotor handelt. Eingezeichnet ist in vergrößerter Darstellung ein Zylinder1 der Brennkraftmaschine, dessen Brennraum9 über ein Einlassventil5 mit dem Einlasskanal4 strömungsverbunden ist und über ein Auslassventil7 mit dem Abgaskrümmer6 . Der Einlasskanal4 gehört zum Ansaugtrakt20 der Brennkraftmaschine, wohingegen der Abgaskrümmer6 mit der Abgasleitung16 der Brennkraftmaschine verbunden ist. Über den Einlasskanal4 strömt bei geöffnetem Einlassventil5 Verbrennungsluft in den Brennraum des Zylinders1 , über den Abgaskrümmer6 wird bei geöffnetem Auslassventil7 das im Brennraum befindliche Gas in den Abgasstrang bzw. die Abgasleitung16 abgeleitet. - Zur Steuerung der Ladungswechselventile
5 und7 ist eine Nockenwelle23 vorgesehen, auf der Nocken24 und25 angeordnet sind, von denen der Nocken24 dem Einlassventil5 und der Nocken25 dem Auslassventil7 zugeordnet ist. Die Kontur der Nocken24 und25 wird mithilfe geeigneter Übertragungsglieder auf die Ladungswechselventile5 und7 übertragen. Die Hubkurve der Ventile5 und7 wird durch die Nockenkontur bestimmt. Beim Umlauf um die Nockenwellenlängsachse wird die Kontur jedes Nockens abgetastet und zur Erzeugung der Hubkurve auf jedes Ventil5 ,7 übertragen. - Des Weiteren ist am Zylinder
1 ein Drosselventil28 als Auslassventil angeordnet, das in die Abgasleitung16 hinein öffnet. Das Drosselventil28 ist unabhängig von der Nockenwelle23 über einen Aktuator29 zu betätigen. - Sämtliche Ladungswechselventile
5 ,7 und28 befinden sich im Zylinderkopf3 der Brennkraftmaschine. - Dem Auslassventil
7 ist zusätzlich zu dem Nocken25 noch ein weiterer Nocken zugeordnet bzw. der Nocken25 weist noch einen zusätzlichen Nocken auf, über den dem Auslassventil7 eine zusätzliche Hubkurve aufgeprägt werden kann. Diese Zusatzhubkurve ist in2 dargestellt und wird anhand der2 erläutert. - Wie
1 weiter zu entnehmen, ist die Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader2 ausgestattet, der eine Abgasturbine10 in der Abgasleitung16 und einen Verdichter11 im Ansaugtrakt20 umfasst. Das Turbinenrad der Abgasturbine10 ist über eine Welle12 mit dem Verdichterrad des Verdichters11 drehgekoppelt. Im Betrieb der Brennkraftmaschine wird dem Verdichter11 über den Verdichtereintritt19 Verbrennungsluft aus der Umgebung zugeführt, die von dem Verdichterrad auf einen erhöhten Druck verdichtet wird. Im verdichteten Zustand tritt die Luft über den Verdichteraustritt21 aus dem Verdichter aus und wird über den Ansaugtrakt20 in den Einlasskanal4 geleitet, wobei ggf. vor dem Einströmen in den Einlasskanal noch eine Kühlung in einem Ladeluftkühler durchgeführt wird. - Abgasseitig strömt das aus dem Brennraum
9 abgeleitete Gas über die Abgasleitung16 und den Turbineneintritt17 und treibt dort das Turbinenrad an. Über den Turbinenaustritt18 wird das entspannte Gas aus der Turbine abgeleitet. - Zweckmäßig ist die Abgasturbine
10 mit einer variablen Turbinengeometrie13 versehen, über die der wirksame Turbineneintrittsquerschnitt zum Turbinenrad zwischen einer minimalen Stauposition und einer maximalen Öffnungsposition zu verstellen ist. Die variable Turbinengeometrie ist beispielhaft als Bremsgitter ausgeführt, das axial in den Turbineneintrittskanal einschiebbar ist. Möglich ist aber auch eine Ausführung als Leitgitter, das im Turbineneintrittsquerschnitt angeordnet ist und verstellbare Leitschaufeln aufweist. - Die Abgasturbine
10 ist von einem Bypass26 überbrückt, in dem ein einstellbares Bypassventil27 angeordnet ist. Der Bypass26 verzweigt stromab der Abgasturbine10 von der Abgasleitung16 und mündet stromab der Abgasturbine wieder in die Abgasleitung ein. Zur Verstellung des Bypassventils27 ist ein Aktuator14 vorgesehen. - Außerdem ist die Brennkraftmaschine mit einer Abgasrückführeinrichtung
30 versehen, die eine Rückführleitung31 mit einem darin angeordneten Abgaskühler32 und einem einstellbaren, unidirektionalen Sperrventil33 umfasst. Die Rückführleitung31 zweigt stromauf der Abgasturbine10 von der Abgasleitung16 ab und mündet stromab eines Ladeluftkühlers34 in den Ansaugtrakt20 . Bei der Abgasrückführeinrichtung30 handelt es sich um eine so genannte äußere Abgasrückführung, bei der die Rückführung des Gases aus dem Abgasstrang in den Ansaugtrakt über eine Leitung außerhalb des Zylinders durchgeführt wird. Findet dagegen bei geöffnetem Einlassventil und Auslassventil ein Strömungsübertritt unmittelbar aus der Abgasleitung16 über den Brennraum9 des Zylinders in den Ansaugtrakt20 statt, spricht man von innerer Abgasrückführung. - Stromab der Abgasturbine
10 ist in der Abgasleitung16 eine einstellbare Bremsklappe35 angeordnet. Die Bremsklappe35 befindet sich unmittelbar stromauf einer Abgasreinigungseinrichtung36 . - Die Stellglieder und Aktuatoren in der Brennkraftmaschine bzw. in den Nebenaggregaten der Brennkraftmaschine werden über Stellsignale einer Regel- und Steuereinheit
15 als Funktion diverser Zustands- und Betriebsgrößen eingestellt. Diese Zustands- und Betriebsgrößen umfassen beispielsweise als Motorparameter die Motordrehzahl n, den Ladedruck PL im Einlasskanal4 und den Turbineneintrittsdruck PE am Turbineneintritt17 . Weitere Parameter und Einflussgrößen sind die vom Fahrer vorgegebene Bremsleistungsanforderung PBr, die der mechanischen Radbremse PBr,R sowie ggf. der Handbremse PBr,H zugeführt wird. Darüber hinaus werden als den Fahrzustand kennzeichnende Größen die Fahrgeschwindigkeit v und ggf. ein Gefahrensignal GS berücksichtigt, welches eine Gefahrensituation bezeichnet. In einem Block S kann zudem eine Sicherheitsüberprüfung der Ladungswechselventile durchgeführt werden, wobei im Fehlerfall ein Fehlersignal F zur Anzeige gebracht wird. Sämtliche vorgenannten Einflussgrößen bzw. Zustands- und Betriebsgrößen werden der Regel- und Steuereinheit15 zugeführt und dort verarbeitet. In Abhängigkeit dieser Größen werden Stellsignale zur Einstellung beispielsweise der variablen Turbinengeometrie13 , des Aktors29 für das Drosselventil28 , des Aktors14 für das Bypassventil27 und des Sperrventils33 in der Abgasrückführeinrichtung30 erzeugt. - In
2 ist ein Diagramm mit den Hubkurven AV und EV für das Auslassventil und das Einlassventil als Funktion des Kurbelwinkels, dargestellt in Grad, eingetragen. In der Ausschubphase, etwa zwischen 180° Kurbelwinkel (unterer Totpunkt UT) und 360° Kurbelwinkel, ist das Auslassventil mit der Hubkurve AV geöffnet; dieser Winkelbereich kennzeichnet die Ausschubphase. Etwa zwischen 360° (oberer Totpunkt OT) und 540° Kurbelwinkel befindet sich das Einlassventil mit der Hubkurve EV in Öffnungsstellung; diese Phase wird als Einlassphase bezeichnet. Die Öffnungsdauer der Hubkurve EV des Einlassventils ist mit φEV gekennzeichnet. - Etwa in der zweiten Hälfte der Hubkurve EV des Einlassventils ist zusätzlich auch das Auslassventil gemäß eingetragener Hubkurve AVZ geöffnet. Die Öffnungsdauer dieser zusätzlichen Hubkurve AVZ des Auslassventiles ist mit φAV,Z gekennzeichnet, sie beträgt zumindest 30% der Öffnungsdauer φEV der Hubkurve EV des Einlassventils, zweckmäßigerweise aber nicht mehr als 50%. Auch ist die Hubkurvenhöhe der Zusatzhubkurve AVZ erheblich geringer als das Niveau der Hubkurven AV und EV, der Hub HAV,Z der Zusatzhubkurve AVZ beträgt zweckmäßig zumindest 10% des Hubes HEV des Einlassventils, vorteilhafterweise aber nicht mehr als 20% oder 30%. Der Auslass-öffnet-Zeitpunkt – also der Beginn der Hubkurve AVZ- fällt etwa mit dem Maximum der Hubkurve EV des Einlassventils zusammen.
Claims (14)
- Brennkraftmaschine, mit einer Nockenwelle (
23 ), die Einlass- und Auslassventile (5 ,7 ) beaufschlagt, über die Einlass- und Auslassöffnungen am Zylinder (1 ) zu öffnen bzw. zu verschließen sind, wobei die Hubkurve (EV, AV) der Einlass- und Auslassventile (5 ,7 ) von der Form von Nocken (24 ,25 ) an der Nockenwelle (23 ) bestimmt ist, und wobei die Hubkurve (EV) des Einlassventils (5 ) gegenüber der Hubkurve (AV) des Auslassventils (7 ) phasenversetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass an der Nockenwelle (23 ) ein zusätzlicher, das Auslassventil (7 ) beaufschlagender Zusatznocken angeordnet ist, wodurch dem Auslassventil (7 ) eine phasenversetzte Zusatzhubkurve (AVZ) aufgeprägt wird, die sich zumindest teilweise mit der Hubkurve (EV) des Einlassventils (5 ) überschneidet. - Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließzeitpunkt der Zusatzhubkurve (AVZ) des Auslassventils (
7 ) nach dem Schließzeitpunkt der Hubkurve (EV) des Einlassventils (5 ) liegt. - Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungsdauer (φAV,Z) der Zusatzhubkurve (AVZ) des Auslassventils (
7 ) kürzer ist als die Öffnungsdauer (φEV) der Hubkurve (EV) des Einlassventils (5 ). - Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Öffnungszeitpunkt der Zusatzhubkurve (AVZ) die Hubkurve (EV) des Einlassventils (
5 ) ihr Maximum einnimmt. - Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hub (HAV,Z) der Zusatzhubkurve (AVZ) geringer ist als der Hub (HEV) des Einlassventils (
5 ). - Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als zusätzliches Auslassventil ein einstellbares Drosselventil (
28 ) vorgesehen ist. - Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselventil (
28 ) über einen ihm zugeordneten, separat betätigbaren Aktor (29 ) zu verstellen ist. - Brennkraftmaschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselventil (
28 ) in der Motorbremsphase in einer konstanten Öffnungsposition steht. - Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abgasrückführeinrichtung (
30 ) mit einer Rückführleitung (31 ) zwischen dem Abgasstrang und dem Ansaugtrakt (20 ) und einem einstellbaren Sperrventil (33 ) vorgesehen ist. - Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abgasturbolader (
2 ) mit einer Abgasturbine (10 ) im Abgasstrang einem Verdichter (11 ) im Ansaugtrakt (20 ) vorgesehen ist. - Brennkraftmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasturbine (
10 ) mit variabler Turbinengeometrie (13 ) zur veränderlichen Einstellung des wirksamen Turbineneintrittsquerschnitts ausgestattet ist. - Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasstrang eine einstellbare Bremsklappe (
35 ) angeordnet ist.
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