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Dokumentenidentifikation DE10201201A1 07.08.2003
Titel Verfahren zum Leeren des Brennraums einer im Viertakt mit Ansaugtakt, Verdichtungstakt, Arbeitstakt und Auslasstakt betriebenen Brennkraftmaschine mit wenigstens einer steuerbar verschließ- und öffenbaren Auslassöffnung sowie eine Brennkraftmaschine
Anmelder AUDI AG, 85057 Ingolstadt, DE
Erfinder Dengler, Stefan, 85055 Ingolstadt, DE
DE-Anmeldedatum 14.01.2002
DE-Aktenzeichen 10201201
Offenlegungstag 07.08.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.08.2003
IPC-Hauptklasse F02B 29/08
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Leeren des Brennraums einer im Viertakt mit Ansaugkraft, Verdichtungstakt, Arbeitstakt und Ausschiebetakt betriebenen Brennkraftmaschine mit wenigstens einer steuerbar verschließ- und öffenbaren Auslassöffnung, bei welchem während des Auslasstaktes die Auslassöffnung in einer ersten Phase geöffnet, in einer anschließenden zweiten Phase geschlossen und in einer daran anschließenden dritten Phase wieder geöffnet wird.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Leeren des Brennraums einer im Viertakt mit Ansaugtakt, Verdichtungstakt, Arbeitstakt und Ausschiebetakt betriebenen Brennkraftmaschine mit wenigstens einer steuerbar verschließ- und öffenbaren Auslassöffnung sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bei einer Brennkraftmaschine mit Viertaktbetrieb mit Ansaugtakt, Verdichtungstakt, Arbeitstakt und Ausschiebetakt wird üblicherweise im Ausschiebetakt das verbrannte Gas durch die Auslassöffnungen der Auslassventile als Abgas aus dem Brennraum ausgeschoben. Hierzu wird ein Auslassventil zu Beginn des Auslasstaktes geöffnet, der Kolben schiebt das verbrannte Gas bei seiner Aufwärtsbewegung zum oberen Totpunkt im Zylinder durch die Auslassöffnung in den Abgastrakt und am Ende des Ausschiebetaktes wird das Auslassventil wieder verschlossen. Im Brennraum verbleiben dabei Reste des verbrannten Gases sowie unverbrannte Bestandteile. Diese unerwünscht hohen Restgasanteile verhindern entsprechend eine vollständige Erneuerung des Gases und behindern somit einen optimalen Ladungswechsel. Besonders bei Volllast wirkt dies leistungsmindernd. Im Leerlauf beeinträchtig dies die Laufruhe und somit den Komfort. Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, die am Ende eines Ausschiebetaktes im Brennraum der Brennkraftmaschine verbleibenden Restgasanteile zu reduzieren.

Erfindungsgemäß gelöst wird das Problem durch das Verfahren zum Leeren des Brennraums einer im Viertakt mit Ansaugtakt, Verdichtungstakt, Arbeitstakt und Ausschiebetakt betriebenen Brennkraftmaschine mit wenigstens einer steuerbar verschließ- und öffenbaren Auslassöffnung gemäß den Merkmalen von Anspruch 1, bei welchem während des Auslasstaktes die Auslassöffnung in einer ersten Phase geöffnet, in einer anschließenden zweiten Phase geschlossen und in einer daran anschließenden dritten Phase wieder geöffnet ist. Ebenso wird das Problem erfindungsgemäß durch die Ausbildung einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen von Anspruch 10 zur Durchführung des Verfahrens gelöst.

In der ersten Phase kann ein großer Anteil des Gases aus dem Brennraum ausgeschoben werden. Danach wird in der zweiten Phase das zunächst im Brennraum verbleibende Restgas im Brennraum verdichtet und kann dann in der dritten Phase aufgrund der durch die Verdichtung erzeugten Druckerhöhung mit einer Druckwelle entweichen. Aufgrund der Wellenbewegung der Entspannung unterschreitet der Druck und die Füllungsdichte im Brennraum die Nulllinie der Wellenbewegung. Ein Rückströmen kann dann durch Schließen der Auslassöffung verhindert werden. Auf diese Weise kann nach einer ersten Leerung in der ersten Phase der verbleibende Rest in verstärktem Maße innerhalb der dritten Phase weiter reduziert werden. Das im Brennraum am Ende des Ausschiebetaktes verbleibende Restgas kann hierdurch gegenüber der herkömmlichen Entleerung vollständiger reduziert werden. Der Gaswechsel wird vollständiger möglich. Die Leistung der Brennkraftmaschine bei Volllast und kann verbessert werden. Im Leerlauf hat man aufgrund des verminderten Restgasanteils eine stabilere Verbrennung.

Besonders wirkungsvoll ist das Verfahren gemäß den Merkmalen von Anspruch 2, wobei die erste Phase länger dauert als die zweite und als die dritte. Hierdurch kann sehr zuverlässig, zunächst ein Großteil des im Brennraum befindlichen Gasgemischs bereits in der ersten Phase ausgeschoben werden. Durch die Druckwellenentleerung der dritten Phase muss nur noch auf den vergleichsweise kleinen nach der ersten Phase im Brennraum verbleibenden Restanteil angewandt werden. Dieser Restanteil kann dann besonders effektiv nach einer Verdichtung in der zweiten Phase durch eine Druckwellenentspannung in der dritten Phase ausgeschoben werden. Besonders wirkungsvoll ist ein Verfahren gemäß den Merkmalen von Anspruch 3, bei dem die erste Phase länger dauert als die beiden anderen zusammen. Einer ersten lange dauernden und somit besonders effektiven Hauptentladung folgt eine Verdichtung und eine kurze und somit besonders effektive Druckwellenentladung. Besonders vorteilhaft ist ein Verfahren gemäß den Merkmalen von Anspruch 4, wobei die dritte Phase länger dauert als die zweite. Auf diese Weise kann die zur Entladung zur Verfügung stehende Zeit besonders effizient genutzt und somit die Entladung mit hohem Entladeerfolg gewährleistet werden.

Besonders vorteilhaft ist ein Verfahren gemäß den Merkmalen von Anspruch 5, wobei der Verbrennungsmotor ein Hubkolbenmotor ist, dessen HubKolben 5 sich innerhalb eines Zylinders zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt bewegt. Die Umsetzung des Entladevorganges mit drei Phasen im Ausschiebetakt ist bei einem derartigen Verfahren besonders wirkungsvoll möglich. Die Steuerung des Öffnens und Schließens der Auslassöffnung während des Auslasstakts lässt sich hierdurch sehr einfach und wirkungsvoll verwirklichen. Die drei Phasen sind bei einem derartigen Verfahren individuell entsprechend den jeweiligen Anforderungen an das Auslassverhalten optimal anpassen.

Bevorzugt ist ein Verfahren gemäß den Merkmalen von Anspruch 6, bei dem die dritte Phase vor dem Erreichen des oberen Totpunktes des Auslasstaktes durch Schließen der Auslassöffnung beendet wird.

Das Verfahren gemäß den Merkmalen von Anspruch 7, wobei die dritte Phase bei Erreichen einer unteren, vorgegebenen Schwelle für den Druck im Brennraum durch Schließen der Auslassöffnung beendet wird, ermöglicht in einfacher Weise eine den jeweiligen Erfordernissen angepasste optimale Ausnutzung der Druckwellenentleerung. Hierdurch lässt sich in Phasen, in denen eine möglichst vollständige Entleerung gewünscht ist, im Zeitpunkt des Wellentales der Druckwelle, das heißt wenn der Druck ein Minimum erreicht, die Auslassöffnung verschließen, gerade bevor der Druck durch Rückströmung wieder ansteigt. Der Entleerungsgrad kann hierdurch optimiert werden.

Ein Verfahren gemäß den Merkmalen von Anspruch 8, bei dem die Auslassöffnung mittels steuerbarem Auslassventil geöffnet und geschlossen wird, ermöglicht eine sehr zuverlässige einfache Öffnung und Schließung der Auslassöffung mit bewährten Mitteln.

Ein Verfahren gemäß den Merkmalen von Anspruch 9, wobei die Steuerung durch entsprechend im Motorsteuergerät gespeicherter Kennwerte für die Öffnung und die Schließung der Auslassöffnungen erfolgt ermöglicht eine sehr zuverlässige einfache Öffnung und Schließung der Auslassöffung mit bewährten Mitteln, wobei die Steuerdaten zur Ausnutzung einer möglichst den individuellen Wünschen entsprechend erzeugten und ausgenutzten Druckwelle hierdurch optimal gespeichert und bei Bedarf mit Messdaten abgeglichen und zur Entleerung ausgenutzt werden können.

Besonders vorteilhaft die Ausbildung einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen von Anspruch 11.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den Fig. 1 bis 2 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Hierin zeigen:

Fig. 1 schematische Querschnittsdarstellung durch eine fremdgezündete, vierzylindrige Viertakt-Brennkraftmaschine mit elektromagnetischer, vollvariabler Ventilsteuerung und Abgaskomponenten mit einem Katalysator;

Fig. 2 Diagramm des Auslassquerschnitts A eines Auslassventils über den Kurbelwellenwinkel β während des Ausschiebetaktes

Eine fremdgezündete, vierzylindrige Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine 2 weist einen Zylinderblock 3 und einen Zylinderkopf 4 auf. Im Zylinderkopf 4 sind ein Einlassventil 8 und ein Auslassventil 10 für den Gaswechsel angeordnet. Die Ventile 8, 10 werden über elektromagnetische Stelleinrichtungen 12, 14 betätigt, wobei diese vollvariable Ventilsteuerung über ein elektronisches Steuergerät 16 gesteuert wird. Im elektronischen Steuergerät 16 sind in bekannter Weise Kennfelder mit den Betriebsdaten der Brennkraftmaschine 2 zugrundeliegenden Parametern abgelegt.

An die von den Auslassventilen 10 gesteuerten Abgaskanäle 20 im Zylinderkopf 4 ist über einen nicht dargestellten Abgassammler ein Abgasvorrohr 22, ein Katalysator 24 (z. B. ein Dreiwege-Katalysator oder ein NOX-Adsorber), ein daran anschließendes Abgasrohr 26 und ein Schalldämpfer 28 mit einem Endrohr 30 angeschlossen. Der Katalysator 24, der auch ein Startkatalysator mit einem dahinter angeordneten weiteren Katalysator sein kann, ist möglichst nahe an der Brennkraftmaschine 2 angeordnet. Der Katalysator 24 ist mit einem Temperatursensor 32 ausgestattet, der über eine elektrische Leitung 34 mit dem Steuergerät 16 verbunden ist.

Die Brennkraftmaschine 2, die in ein Kraftfahrzeug eingebaut ist, wird über ein Leistungssteuerglied bzw. ein Gaspedal 38 und ein nicht näher dargestelltes Betätigungsgestänge 40 leistungsgesteuert. Im Bereich des Gestänges 40 ist ein Geber 42 vorgesehen, der die Lastanforderung α an die Brennkraftmaschine 2 über eine elektrische Leitung 44 dem Steuergerät 16 angibt.

Neben der üblichen Steuerung der Ventile 8, 10 zum Gaswechsel der Brennkraftmaschine 2 im bekannten Viertakt-Prinzip im Einlasstakt, im Kompressionstakt und im Arbeitstakt wird in der Ausschiebephase die elektromagnetische Stelleinrichtung 12 für die Auslassventile 10 zunächst, wie in Fig. 2 dargestellt ist, bei einem Kurbelwellenwinkel β0, der beispielsweise dem Kurbelwellenwinkel βUT = 180° in der unteren Totpunktposition 5' des Hubkolbens 5 entspricht angesteuert und es werden die Auslassventile 10 ein erstes Mal geöffnet. Die Auslassventile bleiben mehr als die Hälfte des Ausschiebtaktes hindurch geöffnet und werden dann durch Ansteuerung beispielsweise bei einem Kurbelwellenwinkel β1 = 300° geschlossen. Während dieser ersten Öffnungsphase werden ca. 70-90%, beispielsweise 80% des im Brennraum befindlichen Abgasgemischs durch die Auslassöffnungen der geöffneten Auslassventile 10 ausgeschoben.

Nach Schließen der Auslassventile bewegt sich der Hubkolben 5 weiter in Richtung seiner oberen Totpunktstellung 5". Dabei wird das verbleibende Abgasgemisch im Zylinder komprimiert. Bei einem Kurbelwellenwinkel beispielsweise β2 = 330° werden die Auslassventile noch einmal kurzzeitig angesteuert und es werden die Auslassventile 10 entsprechend geöffnet. Aufgrund der durch die Zwischenkompression erzeugten Druckerhöhung im Brennraum strömt das im Abgas unter druckwellenartiger Entspannung durch die geöffneten Auslassöffnungen der Auslassventile unterstützt von dem weiter in Richtung obere Totpunktstellung 5" nach oben bewegten Hubkolben 5. Die wellenartige Entspannung entspricht einer wellenartigen Druckveränderung im Brennraum. Der Druck im Brennraum durchläuft einen Nullpunkt. Im Bereich des Minimums des Drucks im Brennraum werden die durch entsprechende Ansteuerung beispielsweise bei einem Kurbelwellenwinkel β3 = 360° geschlossen. Während dieser zweiten Öffnungsphase werden noch einmal ca. 10 bis 30%, beispielsweise 20% des ursprünglich im Brennraum befindlichen Abgasgemischs durch die Auslassöffnungen der geöffneten Auslassventile 10 ausgeschoben.

Dabei sind in dem Steuergerät 16 Kennfelder abgelegt, mittels derer dieses zweite kurzzeitige Öffnen abhängig von der Drehzahl, der Last α, der Temperatur T des Katalysators 24, und noch anderer Parameter gesteuert wird. Der Schließzeitpunkt wird in Abhängigkeit dieser oder anderer geeigneter Parameter unter Heranziehung von abgelegter Kenngrößen für den Druckverlauf in der Brennkammer im Bereich des erwarteten Druckminimums bestimmt oder aufgrund von Messungen des Drucks im Bereich des gemessenen Druckminimums bestimmt.

In einer Ausführung wird der Öffnungszeitpunkt der zweiten Öffnung zu einer Kurbelwellenwinkelstellung β2 gewählt, dass die verbleibende Restphase des Ausschiebetaktes bis zum Erreichen des oberen Totpunktes der ermittelten Phase für die Druckwellenentspannung bis zum Erreichen des Druckminimums im Brennraum entspricht. Der Kurbelwellenwinkel β2 des zweiten Schließzeitpunkts entspricht in diesem Fall dem Kurbelwellenwinkel βOT im oberen Totpunkt des Hubkolbens 5: β2 = βOT.

Entsprechend den jeweiligen Anforderungen an die Brennkraftmaschine kann der Zeitpunkt der ersten Öffnung bei dem Kurbelwellenwinkel β1 auch bereits kurz vor oder kurz nach dem unteren Totpunkt des Hubkolbens gewählt sein.

Die Auslassventile 10 können über das Steuergerät 16 auch so geöffnet und geschlossen werden, dass nur in bestimmten Betriebszuständen - beispielsweise bei Volllast oder im Leerlauf, in denen eine besonders wirkungsvolle Entleerung des Brennraums gewünscht ist, der Ausschiebetakt, wie in den Ausführungen dargestellt mit den drei Phasen aus Öffnen mit Hauptentleerung, Zwischenschließen mit Druckaufbau und Nachentleerung durch Druckwellenentspannung betrieben wird. In anderen Betriebszuständen wird der Ausschiebetakt in herkömmlicher Weise mit einmaligem Öffnen betrieben.

Je nach Anforderungen können auch nur einzelne besonders wirkungsvoll zu entleerende Zylinder einer Brennkraftmaschine im Ausschiebetakt, wie in den Ausführungen dargestellt, mit den drei Phasen aus Öffnen mit Hauptentleerung, Zwischenschließen mit Druckaufbau und Nachentleerung durch Druckwellenentspannung betrieben wird. Die anderen Zylinder können dann in ihrem Ausschiebetakt in herkömmlicher Weise mit einmaligem Öffnen betrieben.

Die Ventilsteuerung ist in bekannter Weise vollvariabel hydraulisch, pneumatisch und/oder elektrisch.

Die Ventilbetätigung kann auch in anderer Ausführung erfolgen. Beispielsweise kann auch eine nockengesteuerte Ventilbetätigung (mechanisch) eingesetzt sein.

Der Kurbelwellenwinkel β wird ab dem oberen Totpunkt mit β = 0 im Bereich der Zündung gemessen. BEZUGSZEICHENLISTE 2 Brennkraftmaschine

3 Zylinderblock

4 Zylinderkopf

5 Hubkolben

8 Einlassventil

10 Auslassventil

12 Stelleinrichtung

14 Stelleinrichtung

16 Steuergerät

20 Abgaskanäle

22 Abgasvorrohr

24 Katalysator

26 Abgasrohr

28 Schalldämpfer

30 Endrohr

32 Temperatursensor

34 elektrische Leitung

38 Gaspedal

40 Betätigungsgestänge

42 Geber

44 elektrische Leitung


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zum Leeren des Brennraums einer im Viertakt mit Ansaugtakt, Verdichtungstakt, Arbeitstakt und Ausschiebetakt betriebenen Brennkraftmaschine (2) mit wenigstens einer steuerbar verschließ- und öffenbaren Auslassöffnung, dadurch gekennzeichnet, dass während des Auslasstaktes die Auslassöffnung in einer ersten Phase geöffnet, in einer anschließenden zweiten Phase geschlossen und in einer daran anschließenden dritten Phase wieder geöffnet ist.
  2. 2. Verfahren zum Leeren des Brennraums gemäß den Merkmalen von Anspruch 1, wobei die erste Phase länger dauert als die zweite und als die dritte.
  3. 3. Verfahren zum Leeren des Brennraums gemäß den Merkmalen von Anspruch 2, wobei die erste Phase länger dauert als die beiden anderen zusammen.
  4. 4. Verfahren zum Leeren des Brennraums gemäß den Merkmalen von Anspruch 2 oder 3, wobei die dritte Phase länger dauert als die zweite.
  5. 5. Verfahren zum Leeren des Brennraums gemäß den Merkmalen von einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Verbrennungsmotor ein Hubkolbenmotor ist, dessen Hubkolben sich innerhalb eines Zylinders zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt bewegt.
  6. 6. Verfahren zum Leeren des Brennraums gemäß den Merkmalen von Anspruch 5, wobei die dritte Phase bis zum Erreichen des oberen Totpunktes des Auslasstaktes durch Schließen der Auslassöffnung beendet wird.
  7. 7. Verfahren zum Leeren des Brennraums gemäß den Merkmalen von Anspruch 6, wobei die dritte Phase bei Erreichen einer unteren, vorgegebenen Schwelle für den Druck im Brennraum durch Schließen der Auslassöffnung beendet wird.
  8. 8. Verfahren zum Leeren des Brennraums den Merkmalen von einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Auslassöffnung mittels steuerbarem Auslassventil (10) geöffnet und geschlossen wird.
  9. 9. Verfahren zum Leeren des Brennraums gemäß den Merkmalen von einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Steuerung durch entsprechend im Motorsteuergerät (16) gespeicherter Kennwerte für die Öffnung und die Schließung der Auslassöffnungen erfolgt.
  10. 10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Merkmalen von einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, an einer Brennkraftmaschine (2) mit einem steuerbaren Öffnungs- und Schließelement (10) zum gesteuerten Öffnen und Schließen der Auslassöffnung mit einer Ansteuerung über ein elektrisches Steuergerät (16) zum zweimaligen Öffnen der zumindest einen Auslassöffnung in der Ausstoßphase der Brennkraftmaschine (2).
  11. 11. Vorrichtung gemäß den Merkmalen von Anspruch 10, an einer Brennkraftmaschine (2) mit einer vollvariablen hydraulischen, pneumatischen und/oder elektrischen Ventilsteuerung mit einer Ansteuerung über ein elektrisches Steuergerät (16) zum zweimaligen Öffnen des zumindest einen Auslassventils (10) in der Ausstoßphase der Brennkraftmaschine (2).






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