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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einer Einlassnockenwelle und einer Auslassnockenwelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Gattungsgemäße Brennkraftmaschinen sind dabei aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt und in nahezu jedem Kraftfahrzeug verbaut.
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Aus der
DE 196 06 054 C2 ist eine weitere Brennkraftmaschine mit mindestens einem Gaswechselventil je Zylinder bekannt. Diese Brennkraftmaschine besitzt eine die Gaswechselventile betätigende Einlassnockenwelle, die zur Verschiebung der Ventilöffnungsphasen gegenüber der sie antreibenden Welle relativ verdrehbar ist, wodurch in den Endstellungen des Verdrehvorgangs eine frühe und eine späte Ventilöffnungsphase eingestellt werden kann. Darüber hinaus sind Hubübertragungselemente zwischen den Nocken der Einlassnockenwelle und den Gaswechselventilen vorgesehen, mit Mitteln zur Veränderung des Ventilhubes des Gaswechselventils, wobei mindestens ein Gaswechselventil je Zylinder mit einem Nocken mit mindestens zwei Hubkurven zusammenwirkt. Das Hubübertragungselement dieses Gaswechselventils weist zwei Hubelemente auf, die jeweils mit unterschiedlichen Hubkurven des Nockens zusammenwirken und wobei die Hubelemente durch ein verschiebbares Koppelelement lösbar miteinander verbindbar sind. Hierdurch ist es möglich, in Abhängigkeit von Last und Drehzahl der Brennkraftmaschine im mittleren Drehzahlbereich eine frühe Ventilöffnungsphase einstellen zu können und im Drehzahlbereich bei geringer bis mittlerer Last die Einlassventile mit den Hubkurven für kleine Ventilhübe zusammenwirken zu lassen. In diesem Drehzahlbereich erfolgt bei Überschreiten einer vorgegebenen Last eine Umschaltung zu den Kurven für große Ventilhübe. Insgesamt soll mit der vorliegenden Brennkraftmaschine eine Beeinflussung der Steuerzeiten des Ventiltriebs mit konstruktiv einfachen Mitteln und möglichst geringem Platzbedarf ermöglicht werden.
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Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Brennkraftmaschinen ist jedoch, dass ein unterschiedlicher Ventilhub über beispielsweise die verstellbaren Tassenstößel lediglich zu- oder abschaltbar ist.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für eine Brennkraftmaschine der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere eine nochmals deutlich verbesserte Steuerung der Ventilöffnungszeiten und damit auch des Betriebsablaufs der Brennkraftmaschine ermöglicht.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteile Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einer Brennkraftmaschine sowohl ein schaltbares Ventiltriebsystem zum Zu- und Abschalten eines Zweithubes eines zugehörigen Ventils vorzusehen, als zugleich auch die das Ventiltriebsystem betätigende Nockenwelle als verstellbare Nockenwelle auszubilden ist und dadurch zu ermöglichen, den Kurbelwinkel, in welchem der Zweithub aktiv ist, verschieben und einstellen zu können. Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine weist hierzu eine Einlassnockenwelle und eine Auslassnockenwelle auf, wovon zumindest eine als verstellbare Nockenwelle mit einer Außenwelle und einer relativ dazu verstellbaren Innenwelle ausgebildet ist. Dabei ist zumindest ein fest mit der Außenwelle verbundener erster Nocken und zumindest ein fest mit der Innenwelle verbundener zweiter Nocken vorgesehen, die über das zuvor beschriebene Ventiltriebsystems auf ein gemeinsames Ventil, beispielsweise ein Einlassventil oder ein Auslassventil, der Brennkraftmaschine einwirken. Das Ventiltriebsystem ist nun derart schaltbar, dass ein vom zumindest einen ersten Nocken bewirkter Ersthub des Ventils um einen vom zumindest einen zweiten Nocken bewirkten Zweithub des Ventils ergänzt werden kann. Hierdurch ist es möglich, sowohl das Timing als auch den Hub des zweiten Nockens nicht nur zu- und abzuschalten, sondern auch nahezu beliebig hinsichtlich seiner Phase und damit hinsichtlich seinem aktivierten Zustand einzustellen.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist jeweils ein erster Nocken zwischen zwei zweiten Nocken angeordnet. In diesem Fall sind die zumindest zwei Nocken somit als Mehrfachnocken ausgebildet, die über das Ventiltriebsystem auf das gemeinsame Einlassventil oder Auslassventil einwirken. Das Ventiltriebsystem kann in diesem Fall beispielsweise ein schaltbarer Tassenstößel sein, wie dieser insbesondere aus der
DE 196 06 054 C2 bekannt ist, wobei selbstverständlich das Ventiltriebsystem auch anders realisiert werden kann, beispielsweise als System mit einem schaltbaren Schlepphebel oder einem schaltbaren Kipphebel. Wichtig ist dabei lediglich, dass dieses Ventiltriebsystem es ermöglicht, zwischen dem ersten und zweiten Nocken umzuschalten.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, ein Verfahren zum Betrieb der zuvor beschriebenen Brennkraftmaschine anzugeben, bei welchen die verstellbare Nockenwelle als Auslassnockenwelle ausgebildet ist und ein zweiter Hub eines Auslassventils während einer Ansaugphase und gleichzeitig geöffnetem Einlassventil erfolgt, wodurch eine interne Abgasrückführung bewirkt wird, indem Abgas in den Zylinder gesaugt wird. Der Zweithub erfolgt somit auf der Auslassseite, das heißt an dem Auslassventil, welches mit seinem Zweithub während der Ansaugphase der Brennkraftmaschine, das heißt bei gleichzeitig zumindest teilweise geöffnetem Einlassventil, in Höhe des Zweithubs geöffnet wird. Durch das kurze Öffnen des Auslassventils bei gleichzeitig geöffnetem Einlassventil kann somit ein Teil des ausgestoßenen Abgases in den Zylinder gesaugt werden. Durch die verstellbare Auslassnockenwelle ist es dabei möglich, den Kurbelwinkel, das heißt den Öffnungszeitpunkt des Auslassventils während des Zweithubs während der Ansaugphase zu verstellen und damit zu optimieren. Dies ermöglicht die Regelung der internen Restgasmenge, was z.B. beim Brennverfahren mit homogener Kompressionszündung (HCCI) bzw. CAI-Brennverfahren einen relevanten Parameter bei der Steuerung des Zündbeginns darstellt.
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Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb der zuvor beschriebenen Brennkraftmaschine ist die verstellbare Nockenwelle als Einlassnockenwelle ausgebildet und ein Zweithub eines damit zusammenwirkenden Einlassventils erfolgt während einer Ausschiebephase und gleichzeitig geöffnetem Auslassventil, wodurch ebenfalls eine interne Abgasrückführung bewirkt werden kann, indem Abgas in einen Ansaugtrakt geschoben wird. Während des Ausschiebetaktes wird somit das Einlassventil kurz geöffnet und damit Abgas in den Ansaugtrakt geschoben, wobei das in den Ansaugtrakt geschobene Abgas im sich anschließenden Ansaugtakt wieder in den Zylinder gelangt. Aufgrund der verstellbaren Einlassnockenwelle ist hier ebenfalls eine Variation des Öffnungszeitpunkts des Einlassventils für seinen Zweithub über einen vergleichsweise großen Kurbelwellenwinkelbereich möglich, wodurch auch hier die Abgasrückführung besonders genau regelbar ist.
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Erfolgt der Ventil-Zweithub des Einlassventils bzw. Auslassventils bei geöffnetem Auslass- bzw. Einlassventils (Ventilüberschnitt) dann, wenn ein Druck im Ansaugstrang höher ist als ein Druck im Abgasstrang wird das sogenannte „Scavenging“-Verfahren ermöglicht. Unter dem „Scavenging“-Verfahren wird eine Betriebsweise einer Brennkraftmaschine verstanden, bei der sich die Öffnungszeiten von Einlass- und Auslassventil teilweise überschneiden (4 und 5). Hierdurch ist es möglich, dass ein Teil der angesaugten, kalten Frischluft das im Zylinder befindliche heiße Abgase in den Abgaskrümmer spült und dadurch sich die Füllung im Vergleich zum konventionellen Betrieb deutlich verbessert, was insbesondere auch zu einem erhöhten Massenstrom im Abgasstrang führt, wodurch wiederum ein Ansprechverhalten eines Abgasturboladers, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, deutlich verbessert werden kann. Hierdurch lässt sich also insbesondere das sogenannte "Turboloch" verringern. Zudem begünstigt das hohe Sauerstoffangebot die Nachverbrennung der Abgase im Zylinder.
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Bei einem weiteren erfindungsgemäßen zum Betrieb der zuvor genannten Brennkraftmaschine ist die verstellbare Nockenwelle als Auslassnockenwelle ausgebildet und ein Zweithub eines Auslassventils erfolgt während eines Expansionstakts, wodurch die Expansionsarbeit verringert und ein Bremsmoment erzeugt werden kann. Hierdurch kann eine sogenannte Dekompressionsbremse im Schubbetrieb realisiert werden. Im Schubbetrieb, in welchem keine Einspritzung von Kraftstoff in die Brennkraftmaschine erfolgt, kann im Expansionstakt das Auslassventil über seinen Zweithub geringfügig geöffnet werden, um so die Expansionsarbeit zu verhindern und damit das Bremsmoment zu erhöhen.
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Selbstverständlich ist es dabei möglich, die zuvor genannten Verfahren sowohl alternativ als auch kumulativ anzuwenden, insbesondere wenn sowohl die Einlassnockenwelle als auch die Auslassnockenwelle als verstellbare Nockenwellen ausgebildet sind.
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Generell kann mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und den erfindungsgemäßen Verfahren eine deutlich verbesserte Anpassung des Zweithubtimings und damit der Restgassteuerung unter Berücksichtigung eines Druckgefälles erreicht werden.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine im Vollhub, das heißt vollwirksamen ersten Nocken,
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2 eine Darstellung wie in 1, jedoch bei einem Teilhub,
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3 unterschiedliche Ansichten bzw. Schnittdarstellungen auf die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine,
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4 ein Hub-Kurbelwellendiagramm bei einer internen Abgasrückführung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine während der Ansaugphase mit Zweithub am Auslassventil,
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5 eine Darstellung wie in 4, jedoch mit interner Abgasrückführung durch Zweithub des Einlassventils während der Ausschiebephase,
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6 eine mittels Zweithub öffenbares Auslassventil, wobei der Zweithub während einer Expansionsphase erfolgt und dadurch ein Bremsbetrieb ermöglicht wird.
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Entsprechend den 1 bis 3, weist eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 eine Einlassnockenwelle 2 sowie eine Auslassnockenwelle 3 auf. Dabei ist selbstverständlich klar, dass in der jeweiligen Darstellung gemäß den 1 bis 3, die gezeigte Nockenwelle entweder als Einlassnockenwelle 2 oder als Auslassnockenwelle 3 ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist nun zumindest die Einlassnockenwelle 2 oder die Auslassnockenwelle 3 als verstellbare Nockenwelle mit einer Außenwelle 4 und einer relativ dazu verstellbaren, das heißt verdrehbaren, Innenwelle 5 ausgebildet, wobei zumindest ein fest mit der Außenwelle 4 verbundener erster Nocken 6 und zumindest ein fest mit der Innenwelle 5 verbundener zweiter Nocken 7 vorgesehen sind, die über ein Ventiltriebsystem 8 auf ein gemeinsames Ventil 9 der Brennkraftmaschine 1 einwirken. Ist dabei die verstellbare Nockenwelle als Einlassnockenwelle 2 ausgebildet, so ist selbstverständlich das Ventil 9 als Einlassventil ausgebildet, wogegen bei einer Ausbildung der verstellbaren Nockenwelle als Auslassnockenwelle 3 das Ventil 9 als Auslassventil ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist nun das Ventiltriebsystem 8 derart schaltbar, dass ein vom zumindest einen ersten Nocken 6 bewirkter Ersthub 10 (vgl. die 4 bis 6) des Ventils 9 um einen vom zumindest einen zweiten Nocken 7 bewirkten Zweithub 11 des Ventils 9 ergänzbar ist.
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Das Ventiltriebsystem 8 kann dabei beispielsweise als verstellbarer Tassenstößel 12 (vgl. die 1 bis 3) ausgebildet sein. In diesem Fall besitzt der Tassenstößel eine Bolzenfeder 13, einen zweiteiligen Verriegelungsbolzen 14, eine Öleintrittsbohrung 15 sowie eine Ausgleichsfeder 16. Je nach Schaltzustand ermöglicht dabei der verstellbare Tassenstößel 12 einen Ersthub 10, auch Vollhub genannten, des Ventils 9 mittels der ersten Nocken 6 (vgl. 1) oder alternativ einen Zweithub 11, auch Teilhub genannt, mittels des zumindest einen zweiten Nockens 7. Alternativ zu der Ausführungsform als verstellbarer Tassenstößel 12, kann das Ventiltriebsystem 8 selbstverständlich auch einen schaltbaren Schlepphebel oder einen schaltbaren Kipphebel (nicht gezeigt) umfassen. Derartige schaltbare Schlepphebel bzw. schaltbare Kipphebel sind aus dem Stand der Technik jedoch mannigfaltig bekannt.
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Betrachtet man die 1 bis 3, so kann man erkennen, dass jeweils ein erster Nocken 6 zwischen zwei zweiten Nocken 7 angeordnet ist.
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Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 1 lassen sich nun unterschiedlichste Verfahren zum Betrieb derselben realisieren.
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Betrachtet man beispielsweise die 4, so ist dort ein Hub-Kurbelwellenwinkeldiagramm dargestellt mit einer Ausschiebephase 17 und einer Ansaugphase 18. Gemäß der 4 ist dabei die verstellbare Nockenwelle als Auslassnockenwelle 3 ausgebildet und bewirkt einen Zweithub 11 eines Auslassventils 19 während der Ansaugphase 18 und gleichzeitig geöffnetem Einlassventil 20, wodurch eine interne Abgasrückführung bewirkt werden kann, in dem Abgas in den Zylinder eingesaugt wird. Durch die als verstellbare Nockenwelle ausgebildete Auslassnockenwelle 3 kann dabei der Zweithub 11 des Auslassventils 19 im Bereich der Ansaugphase 18 um einen Kurbelwellenwinkel α von ca. 100° verschoben werden, wodurch eine besonders feine Justierung der Abgasrückführung und damit eine besonders exakte Justierung der Brennkraftmaschine 1 ermöglicht wird. Hierdurch lässt sich auch der Zeitpunkt des Zweithubs 11 individuell einstellen. Gemäß der 4 ist dabei der Zweithub 11 bei einem Kurbelwellenwinkel von ca. 540° eingezeichnet, während dieser beispielsweise durch ein Verdrehen der Innenwelle 5 relativ zur Außenwelle 4 auch um einen Kurbelwellenwinkel von ca. 100° nach vorne verlegt werden kann, das heißt in Richtung eines Kurbelwellenwinkels von 440°. Während des Ansaugens von Frischluft durch das geöffnete Einlassventil 20 wird somit durch das kurze Öffnen des Auslassventils 19 ein Teil des Abgases in den Zylinder gesaugt und dadurch die interne Abgasrückführung ermöglicht.
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Betrachtet man die 5, so ist bei dieser die verstellbare Nockenwelle als Einlassnockenwelle 2 ausgebildet und ein Zweithub 11 des Einlassventils 20 erfolgt während der Ausschiebephase 17 und gleichzeitig geöffnetem Auslassventil 19, wodurch ebenfalls eine interne Abgasrückführung bewirkt, in dem Abgas in einen Ansaugtrakt geschoben wird. Dieses gelangt dann im anschließenden Ansaugtrakt wieder in den Zylinder. Durch die als verstellbare Nockenwelle ausgebildete Einlassnockenwelle 2 kann auch hier der Zeitpunkt des Zweithubes 11 um den Kurbelwellenwinkel α während der Ausschiebephase 17 variiert werden. Wodurch ebenfalls eine besonders exakte Justage möglich ist.
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Für einen sogenannten Scavenging-Prozess erfolgt der Zweithub 11 des Einlassventils 20 bei geöffnetem Auslassventil 19 oder der Zweithub 11 des Auslassventils 19 bei geöffnetem Einlassventil 20 dann, wenn ein Druck im Ansaugstrang höher ist als ein Druck im Abgasstrang. Hierdurch kann ein Teil der angesaugten Frischluft durch das geöffnete Einlass- und Auslassventil (20 und 19) den Zylinder durchströmen und damit den Abgasmassenstrom erhöhen, wodurch wiederum ein sogenanntes Turboloch vermieden werden kann. Zudem begünstigt der hohe Sauerstoff die Nachverbrennung der Abgase.
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Betrachtet man schließlich noch das Hub-Kurbelwellenwinkeldiagramm gemäß der 6, so ist in diesem gezeigt, dass ein Zweithub 11 eines Auslassventils 19 während eines Expansionstakts 21 erfolgt, wodurch die Expansionsarbeit verringert und ein Bremsmoment erzeugt werden kann. Dies erfolgt insbesondere im Schubbetrieb, z.B. als Dekompressionsbremse. Im Schubbetrieb erfolgt keine Einspritzung von Kraftstoff, so dass im Expansionstakt 21 das Auslassventil 19 mittels des Zweithubes 11 (kleiner Ventilhub) geöffnet werden kann und dadurch die Expansionsarbeit verringert und das Bremsmoment erhöht. Anschließend an die Ansaugphase 18 ist in Fig. die Kompressionsphase 22 gezeichnet. In welche jedoch sowohl das Einlassventil 20 als auch das Auslassventil 19 üblicherweise geschlossen sind.
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Betrachtet man nochmals die 4 bis 6, so kann man jeweils die besondere Möglichkeit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 1 durch die prinzipielle Verschiebbarkeit des Zweithubes 11 um einen vorgegebenen Kurbelwellenwinkel α erkennen. Durch die Anpassung des Zweithub-Timings kann die Restgassteuerung unter Berücksichtigung des Druckgefälles optimal eingestellt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19606054 C2 [0003, 0008]
