EP0229792B1 - Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine - Google Patents

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EP0229792B1
EP0229792B1 EP86904140A EP86904140A EP0229792B1 EP 0229792 B1 EP0229792 B1 EP 0229792B1 EP 86904140 A EP86904140 A EP 86904140A EP 86904140 A EP86904140 A EP 86904140A EP 0229792 B1 EP0229792 B1 EP 0229792B1
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L9/00—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically
    • F01L9/20—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B1/00—Engines characterised by fuel-air mixture compression
    • F02B1/02—Engines characterised by fuel-air mixture compression with positive ignition
    • F02B1/04—Engines characterised by fuel-air mixture compression with positive ignition with fuel-air mixture admission into cylinder

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
  • Such an internal combustion engine is known for example from DE-A-30 24 109.
  • the gas exchange valve (s) of the internal combustion engine are held in their closed position by an electromagnet being excited and attracting an armature plate.
  • a spring system presses in the opening direction of the valve, so that when the electromagnets are switched off, the spring system takes effect and the valve opens.
  • the electromagnet is switched on, however, the force of the electromagnet is large enough to hold the armature plate in the closed position of the valve despite being acted upon by the spring system.
  • US-A-1 471 861 describes a system in which a gas exchange valve is held in its open or closed position by an electromagnet. This is to save electricity compared to the prior art known on the date of publication of this patent, in which a single electromagnet worked against a mechanical spring.
  • the invention has for its object to operate an internal combustion engine equipped with a generic gas exchange valve such that the energy expenditure is lower.
  • the valve is intended to take advantage of the fact that a high internal pressure arises during the combustion process in the cylinder interior of the internal combustion engine, which pressure also acts on the valve disk. As a result, the valve is subjected to a force which additionally pushes it into its valve seat and thus in the closing direction.
  • the current flow through the electromagnet is controlled in a preferred embodiment, the degree of current flow being dependent on the internal cylinder pressure.
  • the internal cylinder pressure is difficult to measure as a direct measured variable, but empirical values are available which make statements about the time course of the internal cylinder pressure. It is therefore advisable, according to a preferred embodiment, to control the current flow through the electromagnet in a time-dependent manner, the magnitude of the current flow resulting from the empirically determined course of the internal pressure in the cylinder during a combustion process or compression process.
  • the ignition timing is a suitable parameter for synchronizing the time course of the current flow through the electromagnet, since the ignition pressure of the mixture inside the cylinder increases the internal pressure sharply with the ignition timing.
  • the ignition point thus defines the starting point for the chronological sequence of the cylinder internal pressure.
  • the method according to the invention can be used in an internal combustion engine as disclosed in DE-A-30 24 109.
  • the following is essential for the valve arrangement:
  • a cylinder head 10 closes the cylinder interior 12 at the top, in which the combustion processes, as take place in an internal combustion engine, take place in a known manner.
  • a valve 14 is provided, which is shown in FIG. 1 in the open position, that is to say lifted off the valve seat.
  • the valve 14 carries on its valve stem 16 an armature plate 18 which can oscillate back and forth between the pole faces of a magnet 20 and a magnet 22 in the axial direction of the valve stem 16.
  • the valve 14 is closed. However, the valve 14 is not moved by one attraction on the pole face of the magnet to the pole face of the other magnet by magnetic attraction, but a spring system 24, 25, 26, 27 is provided, the springs 24 and 25 being the anchor plate 18 push away from the contact position on the pole face of the magnet 22, while the springs 26 and 27 press the anchor plate 18 away from the contact position on the pole face of the magnet 20.
  • the zero point of this spring system is such that when the magnets 20 and 22 are not excited, the armature plate 18 is located approximately in the middle between the pole faces of the magnets 20 and 22.
  • the magnet 20 is thus excited to hold the armature plate 18 in contact with the pole face of the magnet 20, although the armature plate 18 is acted upon by the force of the spring 26 and 27, which the Intend to push anchor plate 18 away from the pole face.
  • the armature plate 18 receives an acceleration by the springs 26 and 27, which is braked after contact with the springs 24 and 25, but extends so far that the armature plate 18 at least almost up to the plant the pole face of the magnet 22 arrives.
  • the magnet 22 is now energized at this time, the armature plate 18 is held by the pole faces of the magnet 22, the valve 14 closes.
  • the size of the current must be such that the force of the springs 24 and 25 is compensated for.
  • Fig. 2 the working diagram of a four-stroke internal combustion engine is shown, in a known manner in the cycle.
  • An ignition-ready mixture is sucked in, in cycle 11, which is between 180 ° and 360 ° crankshaft angle, that is between bottom dead center and top dead center, the mixture is compressed to be ignited shortly before reaching top dead center.
  • the internal pressure in the cylinder rises sharply during work cycle III, a considerable pressure is exerted on the piston head which drives the internal combustion engine.
  • the internal pressure reaches up to 40 bar; in diesel internal combustion engines it can be significantly higher, for example three times the value.
  • the burned mixture is expelled in work cycle IV.
  • the current flow will not be controlled as a function of the absolute value of the crankshaft angle, but rather the control will try to be synchronized with the ignition point.
  • the reduction of the holding current through the coil of the electromagnet 22 can start at a certain point in time after the ignition point, best expressed in degrees crankshaft angle, since this measure is independent of the speed and, depending on the engine properties, can then be maintained for about 100 ° crankshaft angle. It is possible to control the course of the current over time during these 100 ° crankshaft angles, or only to lower it to a lower value.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Eine derartige Brennkraftmaschine ist beispielsweise aus der DE-A-30 24 109 bekannt. Das oder die Gaswechselventile der Brennkraftmaschine werden in ihrer Schließstellung gehalten, indem ein Elektromagnet erregt ist und eine Ankerplatte anzieht. In Öffnungsrichtung des Ventiles drückt ein Federsystem, so daß beim Abschalten der Elektromagnete das Federsystem wirksam wird und das Ventil öffnet. Bei eingeschaltetem Elektromagneten jedoch ist die Kraft der Elektromagneten groß genug, um die Ankerplatte trotz Beaufschlagung durch das Federsystem in Schließstellung des Ventils zu halten.
  • Dementsprechend ist es notwendig, elektrische Energie aufzuwenden, um das Ventil in seiner Schließstellung zu halten.
  • Die US-A-1 471 861 beschreibt ein System, bei dem ein Gaswechselventil jeweils in seiner Öffnungs- oder Schießstellung durch einen Elektromagneten gehalten wird. Dadurch soll gegenüber dem bei dem Erscheinungstag dieser Patentschrift vorbekannten Stand der Technik, bei dem ein einziger Elektromagnet gegen eine mechanische Feder arbeitete, Strom gespart werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mit einem gattungsgemäßen Gaswechselventil ausgerüstete Brennkraftmaschine derart zu betreiben, daß der energetische Aufwand geringer ist.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch den Hauptanspruch.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, sich die Tatsache zunutze zu machen, daß während des Verbrennungsvorgangs im Zylinderinnern der Brennkraftmaschine ein hoher Innendruck entsteht, der auch auf den Ventilteller wirkt. Dadurch wird das Ventil mit einer Kraft beaufschlagt, die es zusätzlich in seinen Ventilsitz und somit in Schließrichtung drückt.
  • Während des Anliegens dieser Kraft kann somit die durch den Magneten aufzuwendende Haltekraft verringert werden, da der Magnet jetzt nur noch die Federkraft abzüglich der durch den Zylinderinnendruck auf den Ventilteller wirkenden Kraft kompensieren muß.
  • Da während des Verbrennungsvorganges der Zylinderinnendruck nicht konstant ist, wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Stromflußdurch den Elektromagneten gesteuert, wobei der Grad des Stromflusses abhängig ist vom Zylinderinnendruck.
  • Der Zylinderinnendruck ist als direkte Meßgröße nur schwer abgreifbar, jedoch stehen Erfahrungswerte zur Verfügung, die über den zeitlichen Ablauf des Zylinderinnendrucks Aussagen Treffen. Es bietet sich somit an, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform den Stromfluß durch den Elektromagneten zeitabhängig zu steuern, wobei die Größe des Stromflusses sich ergibt durch den empirisch ermittelten Verlauf des Innendrucks im Zylinder während eines Verbrennungsvorganges oder Verdichtungsvorganges.
  • Wenn der Zylinderinnendruck die durch die Feder wirkende Kraft, mit der das Ventil in seine Öffnungsstellung gedrückt werden soll, überschreitet, kann der Strom durch den Magneten sogar vollständig abgeschaltet werden.
  • Als Größe, um der Zeitverlauf des Stromflusses durch den Elektromagneten zu synchronisieren, bietet sich der Zündzeitpunkt an, da mit dem Zündzeitpunkt durch die Zündung des im Zylinderinneren befindlichen Gemisches der Innendruck stark ansteigt. Der Zündzeitpunkt definiert somit den Ausgangszeitpunkt für die zeitliche Abfolge des Zylinderinnendrucks.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figur erläutert. Es zeigt :
    • Fig.1 eine schematische Darstellung des Aufbaus zur Verwirklichung der Erfindung ; und
    • Fig.2 ein Arbeitsdiagramm für einen Hubkolbenmotor im Viertakt-Prinzip zur Erläuterung der Erfindung.
  • Wie eingangs erwähnt, kann das erfindungsgemäße Verfahren bei einer Brennkraftmaschine verwendet werden, wie sie in der DE-A- 30 24 109 offenbart ist. Wesentlich für die Ventilanordnung ist folgendes : Ein Zylinderkopf 10 schließt den Zylinderinnenraum 12 nach oben ab, in dem in bekannter Weise die Verbrennungsvorgänge, wie sie in einer Brennkraftmaschine stattfinden, ablaufen. Zum Öffnen des Einlasses und/oder des Auslasses ist ein Ventil 14 vorgesehen, das in Fig. 1 in der geöffneten Stellung, also abgehoben vom Ventilsitz dargestellt ist. Das Ventil 14 trägt an seinem Ventilschaft 16 eine Ankerplatte 18, die zwischen den Polflächen von einem Magneten 20 und einem Magneten 22 in Axialrichtung des Ventilschaftes 16 hin- und heroszillieren kann. Ist die Ankerplatte 18 von dem Magneten 20 angezogen, ist das Ventil geöffnet, ist hingegen die Ankerplatte 18 von dem Magneten 22 angezogen, ist das Ventil 14 geschlossen. Das Ventil 14 wird jedoch von der einen Anlage an der Polfläche des Magneten zur Anlage an die Polfläche des anderen Magneten nicht durch magnetische Anziehungskraft bewegt, sondern es ist ein Federsystem 24, 25, 26, 27 vorgesehen, wobei die Federn 24 und 25 die Ankerplatte 18 aus der Anlagestellung an die Polfläche des Magneten 22 wegdrücken, während die Federn 26 und 27 die Ankerplatte 18 aus der Anlagestellung an die Polflächen des Magneten 20 wegdrücken. Der Null-Punkt dieses Federsystems liegt derart, daß bei nicht erregten Magneten 20 und 22 die Ankerplatte 18 sich etwa mittig zwischen den Polflächen der Magnete 20 und 22 befindet.
  • In der in Fig. 1 dargestellten Stellung ist also der Magnet 20 erregt, um die Ankerplatte 18 in Anlage an der Polfläche des Magneten 20 zu halten, obwohl die Ankerplatte 18 mit der Kraft der Feder 26 und 27 beaufschlagt wird, die die Ankerplatte 18 von der Polfläche wegzudrücken beabsichtigen. Wird nun der Strom durch den Magneten 20 abgeschaltet, erhält die Ankerplatte 18 eine Beschleunigung durch die Federn 26 und 27, die nach Anlage an die Federn 24 und 25 abgebremst wird, jedoch so weit reicht, daß die Ankerplatte 18 zumindest fast bis zur Anlage an die Polfläche des Magneten 22 gelangt. Ist nun der Magnet 22 zu diesem Zeitpunkt erregt, wird die Ankerplatte 18 von den Polflächen des Magneten 22 gehalten, das Ventil 14 schließt sich.
  • Um das Ventil in seiner Schließstellung zu halten, ist es notwendig, ständig einen Strom durch den Elektromagneten 22 fließen zu lassen.
  • Die Größe des Stromes muß so bemessen werden, daß die Kraft der Federn 24 und 25 kompensiert wird.
  • Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß während eines Teils des Arbeitsablaufes in einer Viertaktbrennkraftmaschine, ggf. auch in einer mit Ventilen arbeitenden Zweitakt-Brennkraftmaschine, durch die während des Verbrennungsablaufes entstehenden hohen Zylinderinnendrücke eine zusätzliche Kraft auf den Ventilteller 14 ausgeübt wird, die das Ventil 14 in seinen Sitz preßt. Dieser Kraft ist gleichsinnig mit der durch den Elektromagneten 22 auszuübenden Anziehungskraft auf die Ankerplatte 18, so daß die durch den Elektromagneten 22 aufzuwendende Kraft um diesen Betrag, der durch den Zylinderinnendruck geliefert wird, abgesenkt werden kann.
  • In Fig. 2 ist das Arbeitsdiagramm einer ViertaktBrennkraftmaschine dargestellt, in bekannter Weise wird im Takt. ein zündfäbiges Gemisch angesaugt, im Takt 11, der zwischen 180° und 360° Kurbelwelle,nwinkel, also zwischen dem unteren Totpunkt und dem oberen Totpunkt liegt, wird das Gemisch verdichtet, um kurz vor Erreichen des oberen Totpunktes gezündet zu werden. Damit steigt nach Erreichen des oberen Totpunktes der Innendruck im Zylinder während des Arbeitstaktes III stark an, es wird auf den Kolbenboden ein erheblicher Druck ausgeübt der die Brennkraftmaschine antreibt. Der Innendruck erreicht bei üblichen Otto-Viertakt-Motoren bis zu 40 bar, er kann bei Dieselbrennkraftmaschinen noch deutlich darüber, etwa auf dem dreifachen Wert, liegen.
  • Im Arbeitstakt IV wird das verbrannte Gemisch ausgestoßen.
  • Insbesondere während des Abschnittes 111, dem Arbeitstakt, entstehen im zylinder sehr hohe Drücke, die das Ventil 14 in seinen Sitz pressen. Während dieses Zeitraumes, also insbesondere zwischen den Winkelstellungen 380° Kurbelwellenwinkel und 480° Kurbelwellenwinkel im Laufe des 720° Kurbelwellenwinkel langen Arbeitsspieles Kann der Stromfluß durch den Magneten 22 zurückgenommen werden, ohne daß die Gefahr besteht, daß die Federn 24 und 25 das Ventil 14 in die Öffnungsstellung drücken.
  • Geschickterweise wird man dabei den Stromfluß nicht abhängig von dem absoluten Wert des Kurbelwellenwinkels steuern, sondern die Steuerung mit dem Zündzeitpunkt zu synchronisieren trachten. Die Reduzierung des Haltestroms durch die Spule des Elektromagneten 22 kann zu einen bestimmten Zeitpunkt nach dem Zündzeitpunkt, am besten ausgedrückt in Grad Kurbelwellenwinkel, da dieses Maß drehzahlunabhängig ist, einsetzen und, je nach Motoreigenschaften, dann etwa 100° Kurbelwellenwinkel lang eingehalten werden. Dabei ist es möglich, während dieser 100° Kurbelwellenwinkel den zeitlichen Verlauf des Stromes zu steuern, oder nur auf einen niedrigeren Wert abzusenken.

Claims (4)

1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit mindestens einen Gaswechselventil, das in seiner Schließstellung durch einen Stromfluß erregten Magneten gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromfluß durch den Elektromagneten (22) in Abhängigkeit vom Zylinderinnendruck so gesteuert wird, daß der Stromfluß verringert wird, wenn der Zylinderinnendruck einen vorgegebenen Wert übersteigt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromfluß einen vorgebbaren zeitlichen Verlauf während des verbrennungsvorganges im Zylinder (12) aufweist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromfluß abgeschaltet wird, wenn die durch den Zylinderinnendruck auf das Ventil (14) wirkende Kraft die Gegenkraft übersteigt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromflußsteuerung synchronisiert wird mit dem Zündzeitpunkt.
EP86904140A 1985-07-05 1986-06-25 Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine Expired EP0229792B1 (de)

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