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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Mehrzylinder-Dieselmotoren
für Kraftfahrzeuge,
insbesondere Lastwagen. Die Erfindung bezieht auf Motoren, die mittels
eines Abgasturboladers aufgeladen werden.
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In
der vorhergehenden italienischen Patentanmeldung Nr. TO96A000327
hat der Anmelder einen Benzinmotor vorgeschlagen, der umfasst:
- – mindestens
ein Einlassventil und mindestens ein Auslassventil für jeden
Zylinder, jedes ausgestattet mit Federmitteln, die das Ventil in
einer geschlossenen Position vorspannen, zum Kontrollieren der jeweiligen
Einlass- und Auslassleitungen,
eine Nockenwelle zum Betätigen der
Einlass- und Auslassventile der Motorzylinder, mittels einzelner
Stößel, wobei
jedes Einlassventil und jedes Auslassventil durch eine Nocke der
Nockenwelle betrieben werden,
- – wobei
jeder der Stößel angepasst
ist, das jeweiligen Einlass- oder Auslassventil zum Öffnen zu veranlassen,
gegen die Wirkung der Rückholfedermittel,
mittels der Zwischenschaltung von hydraulischen Mitteln, einschließlich einer
Kammer mit Flüssigkeit
unter Druck,
- – wobei
die Kammer mit Flüssigkeit
unter Druck, die jedem Einlass- oder Auslassventil zugeordnet ist,
angepasst ist, um, mittels eines Magnetventils, mit einem Auslasskanal
verbunden zu werden, um das Ventil von dem jeweiligen Stößel zu entkoppeln
und das Ventil zum schnellen Verschließen zu veranlassen, unter der
Wirkung der jeweiligen Rückholfedermittel,
- – elektronische
Steuermittel zum Steuern jedes Magnetventils, um die Öffnungszeit
und den Hub des jeweiligen und Einlass- oder Auslassventils zu variieren,
als Funktion von einem oder mehrerer Betriebsparameter des Motors.
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Das
oben beschriebene System stellt eine variable Kontrolle der Öffnung der
Einlass- und Auslassventile bereit, ohne die mechanischen Elemente zu
modifizieren, die die Bewegung des Ventils steuern. Allerdings kann,
während
in einem konventionellen Taktsystem die Bewegung jedes Einlass-
oder Auslassventils eindeutig durch die Geometrie der mechanischen
Elemente bestimmt wird, die das Ventil kontrollieren (Nocke, Kipphebel,
Stößel), in
dem oben beschriebenen System das Magnetventil, das die einem gegebenen
Ventil zugeordnete Kammer unter Druck steuert, zu jeder gewünschten
Zeit zum Öffnen
veranlasst werden, um die Kammer von dem Öl unter Druck zu leeren und
das Einlass- oder Auslassventil zum schnellen Schließen zu veranlassen, unter
der Wirkung der jeweiligen Rückholfeder-Mittel, sogar
in einer Phase, in der die jeweilige Nocke tendieren würde, das
Ventil offen zu halten.
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US-A-5
537 976 offenbart einen Motor, der alle der oben genannten Merkmale
besitzt, obwohl er nicht als Dieselmotor identifiziert ist, mit
dem einzigen Unterschied, dass zwei Nockenwellen bereitgestellt werden,
um die Einlass- und Auslassventile zu betätigen.
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Ferner
kontrollieren in dem Motor aus US-A-5 537 976 elektronische Steuermittel
das Magnetventil zum Variieren der Öffnungszeit und des Hubs des
jeweiligen Einlass- und Auslassventils, und jede Nocke der Nockenwelle
des Motors hat ein Profil zum Steuern des Einlass- und Auslassventils,
um sich während
Phasen des Motorzyklus zu öffnen.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Anwendung des oben erwähnten variablen
Ventil-Betätigungs-Systems
auf einen Dieselmotor, um die Möglichkeit
zu erhalten, verschiedene wählbare Betriebsmodi
des Motors bereitzustellen.
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Im
Hinblick auf das Erreichen dieser Aufgabe stellt die Erfindung einen
Mehrzylinder-Dieselmotor bereit, der alle in Anspruch 1 beschriebenen
Merkmale aufweist.
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Gemäß der Erfindung,
um die Probleme zu bewältigen,
welche durch die Trägheit
des Turboladers während Übergangsperioden
verursacht werden, wird eine erwartete Öffnung des Auslassventils veranlasst,
während
des regulären
Betriebszyklus des Motors. In diesem Modus erreichen die Abgase die
Turbine der Turboladereinheit mit einer höheren Enthalpie, so dass der
Turbolader unmittelbarer auf den Bedarf des Benutzers während des Übergangsbedingungen
reagieren kann.
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Gemäß dem ersten
wichtigen bevorzugten Merkmal der Erfindung, sind die elektronischen
Steuermittel angepasst, um einen Betriebsmodus des Motors als Bremse
bereitzustellen, wobei kein Kraftstoff in die Zylinder eingespritzt
wird und wobei jedes Magnetventil gesteuert wird, um die Einlass-
und Auslassventile jedes Zylinders geschlossen zu halten, während jeder
Phase, wenn der einzelne Kolben von dem unteren Totpunkt (BDC) zu
dem oberen Totpunkt (TDC) sich erhebt, um die Leistung auszunutzen,
die bei jedem Aufwärtshub
des Kolbens absorbiert wird, um einen Bremseffekt zu erreichen,
wobei die elektronischen Mittel auch angepasst sind, um jedem Auslassventil
zu ermöglichen,
indem das jeweilige Magnetventil geschlossen wird, unmittelbar bevor
der Kolben den TDC erreicht, unter der Wirkung der jeweiligen Nocke.
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Wie
sich zeigt, stellt der oben erwähnte
Betriebsmodus des Motors als Bremse ein erstes Beispiel einer Anwendung
des oben beschriebenen Prinzips dar gemäß dem die Nocken der Nockenwelle
ein Profil haben, um die entsprechenden Ventile nicht nur während der
konventionellen Öffnungs-Phase
innerhalb des regulären
Betriebszyklus des Motors zum Öffnen
zu veranlassen, aber auch in zusätzlichen
Phasen, wobei das jeweilige Magnetventil zu bestimmten Phasen geöffnet wird,
um das Ventil zu veranlassen, während
dieser Phasen geschlossen zu bleiben, oder das Ventil zu veranlassen, anders
angetrieben zu werden, sogar wenn die Nocke per se tendieren würde, das
Ventil zum Öffnen
zu veranlassen würde.
In dem oben erwähnten
Fall haben die Nocken Profilbereiche, die angepasst sind, die Ventile
in dem Bremsbetriebsmodus anzutreiben, wobei die Profilbereiche
durch die Magnetventile nur dann "eingeschaltet" werden, wenn der Betrieb als Bremse
gewünscht
ist. Insbesondere auf den Betriebsmodus als Bremse zurückkommend,
wird darauf hingewiesen, dass in diesem Modus jeder Aufwärtshub des
Kolbens von dem BDC zu dem TDC ausgenutzt wird, um den Bremseffekt
zu erhalten, so dass der Kolben einen aktiven Hub bei jedem Aufwärtsgehen
besitzt, gemäß einem
Zwei-Hub-Betriebszyklus. Die auf diese Weise absorbierte Leistung
ist sehr hoch und zwischen 100 bis 120% der Nennleistung bei regulärem Verbrennungsbetrieb. Zum
Beispiel wäre,
wenn bei einer Geschwindigkeit von 2400 rpm die Motorleistung im
Verbrennungsbetrieb 275 Kw ist, die absorbierte Leistung als Bremse bei
derselben Geschwindigkeit 305 Kw. Da das Auslassventil am Ende jedes
Kolben-Aufwärtshubs
geöffnet
wird, ist während
des Abwärtshubs
die komprimierte Luft nicht imstande, die gesamte zuvor während des
Kolben-Aufwärtshubs
absorbierte Leistung zurückzugeben,
was stattdessen passieren würde, wenn
das in dem Zylinder eingeschlossene Luftvolumen immer dasselbe wäre, sich
daher wie eine Art Feder verhaltend.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Merkmal der Erfindung in dem oben erwähnten Betriebsmodus
des Motors als Bremse, wird das Auslassventil auch während des
ersten Teils des Abwärtshubs des
Kolbens von dem TDC geöffnet
gehalten, um Luft von der Abgasleitung in den Zylinder zu saugen, um
den Zufluss von Luft in den Turbolader zu vermindern. Dies wird
getan, weil, da in dem Betriebsmodus als Bremse der Motor gemäß einem
Zwei-Hub-Zyklus arbeitet, der Luftstrom, der in den Turbolader in diesem
Modus geführt
wird, dazu tendieren würde sich
doppelt so groß zu
sein wie der normal in den Turbolader während des regulären Verbrennungsbetriebs
des Motors geführt.
Dies würde
eine übermäßige Verringerung
der Turbolader-Effizienz verursachen und eine sich hieraus ergebende
sehr schwache Kompression der in den Zylinder gelassenen Luft. In
dem das Auslassventil während
des ersten Teils des Abwärtshubs
des Kolbens offen gelassen wird, wird ein Teil der zuvor in die
Abgasleitung geführten
Luft in den Zylinder aufgenommen, was den Zufluss in die Turbine
des Turboladers verrin gert, wodurch die Turbolader-Effizienz auf
einem akzeptablen Niveau gehalten wird.
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Zuletzt,
jedoch in dem gleichen Betriebsmodus des Motors als Bremse, wird
das Einlassventil während
des letzten Teils des Kolben-Abwärtshubs offen
gehalten, um den Zylinder zu erlauben, vollständig gefüllt zu werden im Hinblick auf
den folgenden Aufwärtshub,
in dem die Einlass- und Auslassventile im Wesentlichen geschlossen
sind, um eine neue Phase der Kompression der Luft und Leistungsabsorption
zu beginnen.
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Wie
oben bereits beschrieben, haben die Nocken der Nockenwellen des
Motors gemäß der Erfindung
weitere Profilbereich zum Erhalten besonderer Betriebszyklen der
Ventile, wobei die Profilbereiche durch die elektronischen Steuermittel über die
jeweiligen Magnetventile "eingeschaltet" oder "ausgeschaltet" werden, um selektiv
verschiedene Betriebsmodi des Motors bereitzustellen, zusätzlich zu
dem regulären
Betriebsmodus und dem Betriebsmodus als Bremse, der oben beschrieben
wurde.
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Zum
Beispiel, gemäß einem
weiteren Merkmal der Erfindung, hat das Profil der jedes Auslassventil
steuernden Nocke einen Bereich, der angepasst ist, eine weitere Öffnungs-Phase
des Auslassventils im Wesentlichen während des letzten Teils der Einlassphase
zu veranlassen. Die elektronischen Steuermittel sind angepasst,
um diesen Profilbereich "einzuschalten", wenn ein Betrieb
des Motors gemäß dem sogenannten "Curtill"-Zyklus gewünscht ist.
In diesem besonderen Betriebszyklus des Motors verursacht das Öffnen des
Auslassventils im Wesentlichen während
des letzten Teils der Einlassphase, dass frische Luft zuerst direkt
von der Einlassleitung zu der Auslassleitung fließt, auf
Grund des Vakuums in dem Abgaskrümmer,
während
später,
der Erhöhung
des Drucks in dem Abgaskrümmer
folgend, etwas Luft von der Abgasleitung in den Zylinder zurückkehrt,
den zusätzlichen
Druck in den Abgaskrümmer ausnutzend,
um die Füllung
des Zylinders zu verbessern. Der oben beschriebene Zyklus, der an
sich bekannt ist, kann in vorteil teilhafterweise in dem Motor gemäß der vorliegenden
Erfindung angewandt werden, da die oben erwähnten elektronischen Steuermittel,
mittels der jeweiligen Magnetventile, die Profilbereiche der Nocken "abschalten" können, die
dazu tendieren würden,
die oben beschriebene zusätzliche Öffnung der
Auslassventile zu veranlassen, um diesen Modus bei Motorgeschwindigkeiten
auszuschließen,
bei den er benachteilig würde.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Merkmal ist der Motor gemäß der Erfindung im Stande, gemäß einem
weiteren Betriebsmodus zu arbeiten, welcher dem sogenannten "Miller"-Zyklus entspricht. In
diesem Modus sind die elektronischen Steuermittel angepasst, um
dem Verschluss-Zeitpunkt des Einlassventils in dem regulären Verbrennungszyklus
des Betriebs zu variieren (d. h. vorwegzunehmen oder aufzuschieben).
Wie bekannt wird in dem Miller-Zyklus, durch Vorwegnehmen oder Aufschieben
des Verschluss-Zeitpunkts des Einlassventils eine Variation des
Kompressionsverhältnisses
erhalten, durch welche, z. B. im Fall einer Erhöhung des Kompressionsverhältnisses,
eine Erhöhung
der Temperatur erhalten wird, wodurch das Problem des Starten des Motors
bei kalter Temperatur gelöst
wird. Gemäß der Erfindung
haben die den Einlassventilen zugeordneten Nocken ein Profil, das
angepasst ist, das Einlassventil geöffnet über den gesamten gewünschten
Abschnitt des Zyklus zu halten, und die elektronischen Steuermittel
steuern die jeweiligen Magnetventile, um das Öffnen der Einlassventile gemäß dem gewünschten
Modus zu ermöglichen.
Dennoch, unter Bezugnahme auf den "Miller"-Zyklus, kann es benutzt werden, um
den umgekehrten Effekt zu erreichen, d. h. eine Verringerung der
Temperatur, um die Menge an NOx in den Abgasen
zu verringern.
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Wie
klar deutlich ist, ist das grundlegende Prinzip der Erfindung, Nocken
bereitzustellen, die ein komplexes Profil haben, so dass sie dazu
tendieren, das Öffnen
der Einlass- und Auslassventile in verschiedenen Phasen des Motorzyklus
zu steuern, während
das variable Ventil-Betätigungs-System
benutzt wird, um die verschiedenen Bereiche des Nockenprofils einzuschalten
oder auszuschalten, um verschiedene mögliche Betriebsmodi des Motors
zu erreichen, die z. B. durch den Benutzer ausgewählt werden
können
oder durch die elektronischen Steuermittel auch elektronisch gesteuert
werden können, gemäß dem Betriebszustand
des Motors.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden ersichtlich aus der folgenden
Beschreibung, unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen,
welche lediglich als nicht beschränkendes Beispiel gegeben werden,
in welchen:
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1 eine schematische Ansicht,
die das Prinzip des Betriebs eines variablen Ventil-Betätigungs-Systems
in einem Verbrennungsmotor zeigt;
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2, 3 Querschnittsansichten eines Details der
Auslassventil-Steuerung
in einer bevorzugten Ausführungsform
des Motors gemäß der Erfindung ist;
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4 eine schematische Ansicht
der Einlassventil-Steuerung in dem Motor gemäß der Erfindung ist;
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5, 6 Ansichten, die die Nocken der Ausführungsform
gemäß der Erfindung
zeigen, die jeweils den Einlass- und Auslassventilen zugeordnet sind;
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7 ein Diagramm ist, das
die Bewegung des mit einer Einlassventil-Steuerungsnocke zugeordneten
Kolbens zeigt;
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8 ein Diagramm ist, das
die Bewegung eines mit einer Auslassventil-Steuerungsnocke geordneten
Kolbens zeigt;
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9 ein Diagramm ist, das
die Öffnungs-Hübe der Einlass-
und Auslassventile in dem Betriebsmodus des Motors als Bremse zeigt;
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10, 11, 12, 13 Diagramme sind, die den Betrieb
des Motors in dem oben erwähnten
Bremsmodus zeigen;
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13 zeigt abermals die Öffnungs-Hübe der Ventile
in dem Betriebsmodus als Bremse, bei verschiedenen Motorgeschwindigkeiten;
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14 zeigt ein Diagramm, das
die Öffnungs-Hübe der Ventile
in einem Betriebsmodus des Motors gemäß dem "Curtill"-Zyklus;
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15 ist ein Diagramm, das
mit einer gestrichelten Linie die Öffnungs-Hübe der Einlass- und Auslassventile
in dem regulären
Betriebszyklus des Motors und mit gepunkteter Linie den Öffnungs-Hub des
Einlassventils in dem Modus gemäß dem "Miller"-Zyklus und dem Öffnungs-Hub
des Auslassventils in einem Anti-Turboloch-Modus zeigt.
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1 zeigt schematisch das
Prinzip des Betriebs eines variablen Ventil-Betätigungs-Systems
in einem Verbrennungsmotor. Bezugszeichen 1 bezeichnet
allgemein das Ventil (das entweder ein Einlassventil oder ein Auslassventil
sein kann), das einer entsprechenden (Einlass- oder Auslass)-Leitung 2 zugeordnet
ist, ausgebildet in einem Kopf 3 eines Verbrennungsmotors.
Das Ventil 1 ist in geschlossener Position vorgespannt
(aufwärts,
unter Bezugnahme auf 1)
durch eine Feder 4, während
es zum Öffnen
durch einen Kolben 5 veranlasst wird, der auf das obere
Ende des Ventilschafts wirkt. Der Kolben 5 wird bei seiner
Runde durch das Öl
unter Druck gesteuert, das in der Kammer 6 vorhanden ist,
mittels eines Kolbens 7, der eine Tasse 8 stützt, die
mit einer Nocke 9 einer Nockenwelle 10 zusammenwirkt.
Die Tasse 8 wird durch eine Feder 11 in gleitendem
Kontakt mit der Nocke 9 gehalten. Die Druckkammer 6 kann
an die Leitung 12 angeschlossen werden, die ihrerseits
mit einem Druckakkumulator 13 kommuniziert, über den
Verschluss 14 eines Magnetventils 15, welcher
durch elektronische Steuermittel (nicht gezeigt) gemäß den Betriebszuständen des
Motors gesteuert wird. Wenn das Magnetventil 15 geöffnet wird,
wird das Öl
unter Druck, das in der Kammer 6 vorhanden ist, abgelassen,
so dass das Ventil 1 sich schnell unter der Wirkung seiner
Rückholfeder 14 schließt.
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Wenn
das Magnetventil 15 geschlossen ist, überträgt das in der Kammer 6 vorhandene Öl die Bewegungen
des Kolbens 7 an den Kolben 5 und daher das Ventil 1,
so dass die Position des Ventils 1 durch die Nocke 9 bestimmt
wird. Mit anderen Worten steuert die Nocke 9 normalerweise
das Öffnen
des Ventils 1 gemäß einem
Zyklus, der von dem Nockenprofil abhängt, aber sie kann "ausgeschaltet" werden, zu jedem
Zeitpunkt, an dem dies gewünscht
ist, durch Öffnen
des Magnetventils 15, um die Verbindung zwischen Kolben 7 und
Ventil 1 zu unterbrechen.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Anwendung eines variablen Ventilbetätigungssystems
des oben beschriebenen Typs in einem Mehrzylinder-Dieselmotor für Lastwagen,
welcher durch einen Abgas-Turbolader geladen wird.
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2, 3 zeigen beispielhaft das Detail der Auslassventilsteuerung
einer bevorzugten Ausführungsform
des Motors gemäß der Erfindung.
In diesen Figuren bezeichnet Bezugszeichen CE eine
Nocke, die das Öffnen
von zwei Auslassventilen E (3)
steuert, die einem Zylinder des Motors zugeordnet sind. Die zwei
Ventile E haben jeweils Rückholfedern 4 und
werden an ihren oberen Enden durch zwei einzelne Kolben 5 gesteuert,
die zwei Leitungen 6a gegenüberliegen. Diese Leitungen
münden
in zwei Druckkammern 6, denen auch zwei Kolben 7 gegenüberliegen,
von denen jeder mit einer Rückholfeder 11 ausgestattet
ist. Die zwei Kolben 7 werden gleichzeitig durch ein brückenähnliches
Element 16 gesteuert, welches drehbar auf einem Ende eines Kipphebels 17 montiert
ist, welches drehbar um eine Achse 18 getragen wird von
der Struktur des Motorkopfes 3. Das andere Ende des Kipphebels
trägt einen
Rollschlepphebel 19, der in Kontakt mit der Nocke CE der Nockenwellen 10 ist. Offenbar
befinden sich, in der oben beschriebenen Anordnung, anders als wie
in der 1 gezeigt, die
Achsen der Ventile E auf verschiedenen Ebenen in Bezug auf die Achsen der
Kolben 7. Dies ist dadurch möglich, dass die Bewegung der
Kolben 7 zu den Ventilen hyd raulisch übertragen wird, mittels des Öls unter
Druck, das Kammer 6 und Leitungen 6a ausfüllt.
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4 zeigt schematisch die
Anordnung zum Kontrollieren der Einlassventile des Motors gemäß der Erfindung,
in der eine Nocke CI mit einem Kolben 7 zusammenwirkt,
der mit einer entsprechenden Feder 11 ausgestattet ist
und der Druckkammer 6 gegenüberliegt, welche ihrerseits
die zwei Kolben 5 gleichzeitig steuert, die zwei Einlassventilen
I jedes Zylinders des Motors zugeordnet sind.
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5, 6 zeigen das Profil der Nocke CI zum Betrieb der Einlassventile und der
Nocke CE zum Betrieb der Auslassventile
in einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung. Wie gezeigt, besitzt jede dieser Nocken ein komplexes
Profil, das sich von dem herkömmlichen
Profil unterscheidet, um die Einlass- und Auslassventile zu veranlassen,
nicht nur in den konventionellen Phasen zu öffnen, wie in einem konventionellen
Betriebszyklus des Motors gegeben, sondern auch während zusätzliche
Phasen, gemäß den verschiedenen
Betriebsmodi des Motors, die gewählt
werden können
mittels des variablen Ventilbetätigungssystems,
welches Bereiche des Profils der Nocken willkürlich anschalten oder ausschalten kann.
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7, 8 sind zwei Diagramme, die im Wesentlichen
als ein anderer Weg angesehen werden können, die Profile der Nocken
CI und CE zu zeigen. Tatsächlich zeigt 7 die Bewegung des Kolbens 7, der
den Einlassventilen I zugeordnet ist, als eine Funktion des Rotationswinkels
der Kurbelwelle des Motors. Da die Bewegung des Kolbens 7 direkt
durch das Profil der Steuerungsnocke CI bestimmt
wird, folgt, dass das Diagramm aus 7 als
eine Repräsentation
dieses Profils angesehen werden kann. In diesem Diagramm werden
durch TDC und BDC die Winkelpositionen angezeigt, die dem oberen
Todpunkt und dem unteren Todpunkt des Kolbens entsprechen, der dem
betrachteten Zylinder des Motors zugeordnet ist. In ähnlicher
Weise zeigt 8 die Bewegung
des Kolbens 7, der den Auslassventilen E zugeordnet ist
und kann daher als eine weitere Darstellung des Profils der Nocke
CE betrachtet werden, welche die Auslassventile
betätigt.
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In
den Diagrammen der 7, 8 bezeichnet F die Winkelbereiche
des Motorzyklus, in denen, während
des regulären
Verbrennungsbetriebs des Motors, die Magnetventile, die dem variablen
Ventilbetätigungssystem
zugeordnet sind, geschlossen gehalten werden, so dass die Einlass-
und Auslassventile I und E durch die jeweiligen Nocken CI und CE angetrieben
werden. Mit anderen Worten werden, in dem regulären Verbrennungsbetrieb des
Motors, die Einlassventile I durch Nocken CI nur
innerhalb des Bereichs zwischen 300° und 480° angetrieben, während die
Auslassventile die entsprechenden Nocken CE nur
innerhalb des Bereichs zwischen 70° und 300° "spüren", ungefähr. Daher,
wenn der Motor gemäß dem konventionellen
Zyklus arbeiten soll, wäre
es ausreichend, dass die Nocken den Bereich ihres Profils besitzen,
der während
der oben dargestellten Winkelbereiche aktiv ist. Jedoch, wie aus
den 7, 8 deutlich offenbar wird, sind die Nockenprofile
des Motors gemäß der Erfindung
derart, dass zusätzliche Öffnungs-Hübe der Ventile
verursacht werden, sogar außerhalb
der oben dargestellten Winkelbereiche, um verschiedene Betriebszyklen
bereitzustellen. Wie oben bereits dargestellt, ist es eine Aufgabe
des elektronischen Steuerungsmittels des variablen Ventilbetätigungssystems,
die jeweiligen Magnetventile zu steuern, um die verschiedenen Bereiche
der Profile der Nocken des Motors anzuschalten oder abzuschalten,
um so selektiv die verschiedenen Betriebsmodi des Motors zu erhalten.
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In
dem regulären
Betriebsmodus des Motors, sind die Öffnungs-Hübe der Einlass- und Auslassventile
diejenigen, die als gestrichelte Linie in dem Diagramm aus 19 sichtbar sind, welches die Bewegung
der Einlass- und Auslassventile bei verschiedenen Kurbelwinkeln
des Motors zeigt. In dem regulären
Betriebszyklus des Motors, entspricht Winkel 0 der Explosion, mit
dem Kolben am oberen Todpunkt in dem Zylinder. Ausgehend von dieser
Position laufen die vier Phasen der Expansion, des Ausströmens, des
Einlasses und der Kompression in Folge ab, innerhalb der Winkelbereiche
0° bis 180°, 180° bis 360°, 360° bis 540° und 540° bis 720°. Unter Bezugnahme
auf 15 erscheint es,
dass die Einlass- und Auslassventile getrieben werden, um gemäß dem konventionellen
Betriebszyklus des Motors zu öffnen,
im Wesentlichen während
der Einlass- und Auslassphasen. Dieser konventionelle Modus des Öffnens der
Einlass- und Auslassventile wird gesteuert durch die jeweiligen
Nocken CI und CE innerhalb der
Winkelbereiche F, die in 7, 8 gezeigt sind, wobei diese
Nocken durch die elektronischen Steuermittel "angeschaltet" sind, um die jeweiligen Ventile anzutreiben.
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Gemäß der Erfindung
ist der Motor im Stande, in einem ersten Betriebsmodus alternativ
zu dem regulären
Betriebsmodus des Motors zu arbeiten, um einen Bremseffekt zu erhalten.
Das Problem des Bremsens schwerer Lastwagen, insbesondere unter der
Bedingung eines lang gezogenen Bremsens, wie auf einem langen Gefälle unter
voller Last, ist kritisch. Gemäß der Erfindung,
wenn es notwendig ist, den Motor als Bremse zu betreiben, achten
die elektronischen Steuermittel darauf, die jeweiligen Magnetventile
zu steuern, um sie geschlossen zu halten, wodurch die jeweiligen
Nocken angeschaltet werden, nur innerhalb der in 7, 8 durch
B bezeichneten Bereiche. Auf diese Weise "fühlen" die Einlass- und Auslassventile
nicht den Bereich des Profils der Nocken, welcher normalerweise
das Öffnen
der Ventile in dem regulären
Betriebszyklus des Motors steuert, wobei sie weitere Bereiche dieses
Profils fühlen,
die einen anderen Betriebsmodus der Ventile bewirken, wie in 9 gezeigt. Diese Figur zeigt
ein Diagramm ähnlich
dem aus 15, das zeigt
wie die Öffnungs-Hübe der Einlass-
und Auslassventile in dem Betriebsmodus des Motors als Bremse modifiziert werden.
In diesem Betriebsmodus, im Wesentlichen während jedes Aufwärtshubs
des Kolbens innerhalb des Zylinders von dem unteren Todpunkt zu
dem oberen Todpunkt, werden die Einlass- und Auslassventile geschlossen
gehalten, so dass der Motor während
dieser Phase als Kompressor arbeitet, dadurch Leistung absorbierend.
Am Ende jedes Kolben-Aufwärtshubs
jedoch, wird das Auslassventil geöffnet (Position a im Diagramm), so dass der maximale Druck
innerhalb des Zylinders nicht über
einen gegebenen vorher bestimmten Wert steigt. Dies wird getan um
zu vermeiden, dass während
des folgenden Abwärtshubs
die komprimierte Luft die gesamte vorher absorbierte Leistung zurückgibt,
so dass kein Bremseffekt bereitgestellt wird, was stattfinden würde, wenn
das Luftvolumen innerhalb des Zylinders im mer das gleiche bliebe
und sich als Feder verhielte. Das Auslassventil wird noch in dem
ersten Teil jedes Kolben-Abwärtshubs
(Position b im Diagramm) offengehalten,
so dass während
des Kolben-Abwärtshubs
etwas Luft von dem Abgaskrümmer
in den Zylinder gelassen wird. Dadurch wird eine Verminderung der
Luftströmung
durch die Turbine des Turboladers erreicht, welche die Effizienz
dieses Turboladers einigermaßen
hochhält.
Tatsächlich
wird in dem oben beschriebenen Brems-Betriebsmodus ein Zwei-Hub-Zyklus
erreicht, der einen aktiven Kompressions-Hub bei jedem Kolben-Aufwärtshub zu dem
oberen Todpunkt besitzt, und eine Einlass-Phase mit voller Füllung des
Zylinders bei jedem Kolben-Abwärtshub.
In dem in dieser Weise gearbeitet wird (in dem Brems-Betriebmodus wird
offensichtlich kein Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt) würde der Luftstrom
durch den Kompressor des Turboladers verdoppelt im Vergleich zu
dem Luftstrom, der in diesen Kompressor während des regulären Verbrennungszyklus
des Motors fließt.
Dies würde
eine dramatische Reduktion der Effizienz des Turboladers verursachen,
mit einer resultierenden unzureichenden Kompression der eingelassenen
Luft in dem Zylinder. Indem Luft von der Abgasleitung eingelassen wird,
wird dieser Nachteil überwunden.
Wie gezeigt wird ferner in dem zweiten Teil des Kolben-Abwärtshubs
innerhalb des Zylinders auch das Einlassventil geöffnet, um
den Zylinder vollständig
mit Luft zu füllen
und bereit zu sein für
eine folgende Kompressionsphase, mit dem Kolben-Aufwärtshub
zu dem oberen Todpunkt, während
welchem beide Ventile geschlossen sind. Wie bereits dargestellt,
wird der oben erwähnte
Brems-Betriebsmodus des Motors leicht erhalten, da die Nocken des
Motors Bereiche mit angepassten Profil besitzen, um das Öffnen der
Ventile in dem regulären
Betriebsmodus des Motors, ebenso wie in dem Bremsbetriebsmodus zu
steuern, wobei die elektronischen Steuermittel die Magnetventile des
variablen Ventilbetätigungssystems
steuern, um die oben erwähnten
Profilbereiche gemäß dem gewünschten
Betriebsmodus anzuschalten und abzuschalten.
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In 9 werden zur größeren Präzision die theoretischen Öffnungs-Hübe der Ventile
wie berechnet durch eine gestrichelte Linie dargestellt, während die Öff nungs-Hübe, die
tatsächlich
stattfinden, auf Grund des Vorhandenseins von Öl zwischen Nocke und Ventil,
mit einer gepunkteten Linie dargestellt werden.
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10, 11, 12 zeigen
den Betrieb des Motors in dem Brems-Betriebsmodus. 10 zeigt den Druck innerhalb des Zylinders
bei einer Geschwindigkeit von 2400 rpm. Der maximale Druck innerhalb des
Zylinders wird nicht an dem oberen Todpunkt erreicht, aber etwas
vorher, auf Grund der Öffnung
des Auslassventils während
Phase a, gezeigt in 9.
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11 ist ein Diagramm, das
den Druck innerhalb des Einlasskrümmers, des Auslasskrümmers und
des Zylinders zeigt. Schließlich
ist 12 ein Diagramm,
das die Massenflussrate durch die Einlass- und Auslassventile zeigt,
ebenfalls im Bremsbetrieb. Es ist zu beachten, dass in 9 lediglich fünf Punkte
End-Punktlinien
wird die Bewegung des Kolbens in dem Zylinder gezeigt, um die Abwesenheit
jeglicher Interferenz zwischen dem Kolben und dem Auslassventil
zu zeigen, wenn letzteres geöffnet
ist und der Kolben nahe dem oberen Todpunkt ist.
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Schließlich ist 13 ein Diagramm ähnlich zu 9, das zeigt, dass das Öffnen der
Einlass- und Auslassventile in dem Bremsbetriebsmodus gemäß der Motorgeschwindigkeit
variiert werden kann. Das Diagramm zeigt tatsächlich die verschiedenen Öffnungs-Hübe der Ventile
bei verschiedenen Motorgeschwindigkeiten.
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14 zeigt einen weiteren
Betriebsmodus des Motors, indem ein Arbeitszyklus vom "Curtill"-Typ erhalten wird.
In diesem Zyklus wird über
die regulären Öffnungs-Phasen
der Einlass- und Auslassventile, die dem konventionellen Typus entsprechen,
eine zusätzliche Öffnungs-Phase
des Auslassventils erhalten, wie durch eine gebrochene Linie in
dieser Figur gezeigt. Wie zuvor diskutiert, wird auf Grund dieses
zusätzlichen Öffnens des
Auslassventils in dem letzten Teil der Einlassphase und in dem ersten
Teil der Kompressionsphase eine bessere Füllung des Zylinders erhalten.
Tatsächlich
fließt
in der ersten Phase a dieses
zusätzlichen Öffnens des
Auslassventils etwas frische Luft von der Einlassleitung zu der
Auslassleitung, während
in dem zweiten Teil b die in
die Auslassleitung eingeführte
Luft in den Zylinder zurückkehrt,
auf Grund des zusätzlichen
Drucks, der sich inzwischen in dem Abgaskrümmer gebildet hat, auf Grund
der anderen Zylinder, die in der Abgasphase sind. In dem Motor gemäß der Erfindung
können die
elektronischen Steuermittel die jeweiligen Magnetventile steuern,
um das oben erwähnte Öffnen des
Auslassventils bereitzustellen, gemäß dem Curtill-Zyklus, lediglich
bei den Motorgeschwindigkeiten, für die dieses zusätzliche Öffnen vorteilhaft
ist, während
es bei Geschwindigkeiten unterdrückt
wird, bei den es nachteilig ist.
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15 zeigt endlich durch ununterbrochene Linien
die Öffnungs-Hübe der Einlass-
und Auslassventile in dem regulären
Betriebszyklus des Motors, während
durch gebrochene Linien jeweils der Öffnungs-Hub des Einlassventils
in einem weiteren Betriebsmodus, der den sogenannten "Miller"-Zyklus bereitstellt,
und den Öffnungs-Hub
des Auslassventils in noch einem weiteren Betriebsmodus zeigt, der nützlich ist
zur Verminderung des sogenannten "Turboloch"-Effekts" d. h. die Trägheit des Turboladers beim
Reagieren auf die Nachfrage des Benutzers unter vorrübergehenden
Bedingungen. Insbesondere wird in dem ersten Fall das Schließen des
Einlassventils vorweggenommen oder hinausgeschoben (in dem in 15 gezeigten Fall wird es
hinausgeschoben), um eine Verminderung oder eine Erhöhung des Kompressionsverhältnisses
zu erhalten. Wenn z. B. das Schließen des Einlassventils hinausgeschoben wird,
beginnt die Kompressionsphase wenn der Kolben von dem unteren Todpunkt
bereits wieder hochgehoben wurde, so dass das Kompressionsverhältnis wird.
Auf diese Weise wird die erreichte Temperatur vermindert und als
Konsequenz das NOx am Auspuff vermindert.
Umgekehrt wird durch Erhöhung
des Kompressionsverhältnisses
eine Erhöhung
der komprimierten Luft erhalten, was vorteilhaft ist, um z. B. den
Motor bei kalten Temperaturen zu starten.
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In
diesem Fall wird statt des Betriebsmodus, der zur Reduktion des "Turboloch"-Effekts (unterbrochenes Diagramm auf
der Linken von 15) angepasst
ist, das Öffnen
des Auslassventils vorweggenommen und erhöht, damit die Abgase größere Enthalpie
besitzen, damit die nachteiligen Wirkungen auf Grund der Trägheit des
Turboladers in den Übergangsbedingungen
vermindert werden.
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Daher,
wie aus der vorstehenden Beschreibung klar hervorgeht, schlägt die Erfindung
einen Dieselmotor für
Lastwagen vom Typ Abgas-Turbolader vor, der mit einem variablen
Ventilbetätigungssystem
ausgestattet ist und in welchem die Nocken, welche die Einlass-
und Auslassventile steuern, ein Profil besitzen, so dass sie im
Stande sind, die Ventile zu kontrollieren, nicht nur während der
normalen Öffnungs-Phasen
innerhalb des regulären
Betriebszyklus des Motors, sondern auch während zusätzlicher Phasen des Zyklus,
so dass die elektronischen Steuermittel, die ein Teil des variablen
Ventilbetätigungssystems
bilden, die entsprechenden Bereiche der Nockenprofile anschalten
und abschalten können,
um eine Vielzahl von verschiedenen Operationsmodi des Motors bereitzustellen,
die ausgewählt werden
können
gemäß dem Benutzungszustand
des Motors. Elektronische Steuermittel können angeordnet werden, um
die Auswahl der verschiedenen Betriebsmodi automatisch bereitzustellen,
gemäß dem Betriebszustand
des Motors oder, z. B. in dem Fall des Brems-Betriebsmodus, auf
Nachfrage des Benutzers.
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Ein
weiteres bevorzugtes Merkmal der Erfindung wird insbesondere durch
die Weise dargestellt, die oben beschrieben wurde, auf die der Brems-Betriebsmodus
des Motors bereitgestellt wird, der ein effizientes Bremsen des
Kraftfahrzeugs durch einfache Mittel erreicht und in einem Ausmaß, das mit
der Motorgeschwindigkeit variiert.
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Während das
Prinzip der Erfindung das gleiche bleibt, können die Konstruktionsdetails
und die Ausführungsformen
natürlich
erheblich variieren, im Hinblick auf das, das lediglich im Wege
eines Beispiels beschrieben und dargestellt wurde, ohne den Schutzbereich
der Ansprüche
zu verlassen.
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Es
ist klar ersichtlich, z. B., dass die Geometrie der Nocken des Motors
gemäß der Erfindung auch
verschieden von der im Wege des Beispiels in den angehängten Zeichnungen
gezeigten sein kann. Das gleiche gilt selbstverständlich für die Anordnung und
die Geometrie der Einrichtung zum Steuern der hydraulischen Stößel.
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Gemäß der Erfindung
ist es wesentlich, dass die Nocken gestaltet sind, um, zusätzlich zu
dem regulären
Betriebszyklus des Motors, mindestens den Brems-Betriebsmodus bereitzustellen. Die Bereitstellung
von Nocken, die angepasst sind, um auch weitere Betriebsmodi wie
oben beschrieben bereitzustellen, wird offensichtlich bevorzugt
und auch kann der Fall nicht ausgeschlossen werden, offensichtlich, dass
weitere Betriebsmodi, verschieden von den oben beschriebenen, bereitgestellt
werden können.
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Kurz,
gemäß der Erfindung
ist es möglich
ein Mehrzylinder-Dieselmotor für
Lastwagen zu erhalten, vom Turboladertyp, der, mit einfachen Mitteln,
im Stande ist, gemäß verschiedenen
Betriebsmodi zu arbeiten, abhängig
von verschiedenen möglichen Bedürfnissen,
wie das Bremsen des Kraftfahrzeugs, die Reduktion von Schadstoffemissionen,
das vereinfachte Starten bei kalter Temperatur, die Reduktion des "Turboloch"-Effekts, die Möglichkeit
der internen Abgasrezirkulation.