AT501185A1 - METHOD FOR OPERATING AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE - Google Patents
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Description
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine, wobei zumindest in einem Motorbetriebsbereich sowohl eine externe, als auch interne Abgasrückführung durchgeführt wird, sowie eine Brennkraftmaschine zur Durchführung dieses Verfahrens. Weiters betrifft die Erfindung eine Motorsteuerung zur Anwendung des Verfahrens.The invention relates to a method for operating an internal combustion engine, in particular a spark-ignited internal combustion engine, wherein at least in an engine operating range both an external and internal exhaust gas recirculation is performed, and an internal combustion engine for carrying out this method. Furthermore, the invention relates to a motor controller for the application of the method.
Die JP 04-175449 A beschreibt eine Brennkraftmaschine, welche zur Reduzierung der Pumpverluste im Teillastbereich und zur Verhinderung des Auftretens von Klopfereignissen ein internes und ein externes Abgasrückführsystem aufweist. Dabei wird im niederen Teillastbereich eine interne Abgasrückführung und im hohen Lastbereich eine externe Abgasrückführung durchgeführt. Mit steigender Last wird somit der Anteil der intern rückgeführten Abgasmenge reduziert und der Anteil der extern rückgeführten Abgasmenge erhöht. Die Steuerung der internen Abgasrückführung erfolgt durch Verstellen der Steuerzeiten mittels Phasenschieber. Die Rückführung von externem Abgas im hohen Lastbereich bewirkt eine Steigerung des Zylinderdruckes und eine Absenkung der Zylindertemperatur. Die Steigerung des Zylinderdruckes wirkt sich beschleunigend auf die Verbrennung aus, die Absenkung der Verbrennungstemperatur wirkt dem allerdings entgegen und verlangsamt die Verbrennung. Dadurch kann das Klopfverhalten und die Restgasverträglichkeit bei Volllast nicht wesentlich verbessert werden.JP 04-175449 A describes an internal combustion engine, which has an internal and an external exhaust gas recirculation system to reduce the pumping losses in the partial load range and to prevent the occurrence of knock events. Here, an internal exhaust gas recirculation is performed in the low part load range and an external exhaust gas recirculation in the high load range. As the load increases, the proportion of the internally recirculated exhaust gas quantity is thus reduced and the proportion of the externally recirculated exhaust gas quantity is increased. The internal exhaust gas recirculation is controlled by adjusting the control times by means of a phase shifter. The recirculation of external exhaust gas in the high load range causes an increase of the cylinder pressure and a lowering of the cylinder temperature. Increasing the cylinder pressure has an accelerating effect on the combustion, but lowering the combustion temperature counteracts this and slows down combustion. As a result, the knocking behavior and the residual gas compatibility at full load can not be significantly improved.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und das Klopfverhalten und die Restgasverträglichkeit, insbesondere bei mittlerer bis hoher Teillast und bei Volllast, zu verbessern.The object of the invention is to avoid these disadvantages and to improve the knock behavior and the Restgasverträglichkeit, especially at medium to high partial load and at full load.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass zur Verminderung der Klopfneigung, insbesondere bei oder vor einem Klopfereignis, die turbulente kinetische Energie im Zylinder - im Vergleich zu einem Referenzbetriebspunkt, vorzugsweise bei gleicher Last, - zumindest kurzzeitig erhöht wird. Als Referenzbetriebspunkt kann dabei beispielsweise der gleiche Betriebspunkt bei maximaler interner Restgasrückführrate ohne externe Restgasrückführung betrachtet werden.According to the invention, this is achieved in that to reduce the tendency to knock, in particular during or before a knocking event, the turbulent kinetic energy in the cylinder is increased at least for a short time compared with a reference operating point, preferably at the same load. For example, the same operating point at maximum internal residual gas recirculation rate without external residual gas recirculation can be considered as the reference operating point.
Zur Verminderung der Klopfneigung und Sicherstellung der Restgasverträglichkeit des Verbrennungsprozesses wird die turbulente kinetische Energie im Zylinder bei gleichzeitiger Zunahme der rückgeführten Abgasmengen erhöht, bei gleichzeitiger Anpassung der Steuerzeiten an die rückgeführte externe Restgasmenge. Das erfindungsgemäße Verfahren macht sich dabei die Tatsache zu Nutze, dass bei steigender turbulenter kinetischer Energie die Flammenausbrei- • *2 ···♦ tungsgeschwindigkeit ansteigt und dadurch die Restgasverträglichkeit des Brennprozesses steigt und die Selbstzündungsneigung (Klopfen) abnimmt.To reduce the tendency to knock and ensure the Restgasverträglichkeit the combustion process, the turbulent kinetic energy in the cylinder is increased with simultaneous increase in the recirculated exhaust gas amounts, while adjusting the timing of the recirculated external residual gas. The method according to the invention makes use of the fact that, with increasing turbulent kinetic energy, the flame propagation speed increases, thereby increasing the residual gas compatibility of the combustion process and decreasing the tendency to auto-ignition (knocking).
Zur Erhöhung der turbulenten kinetischen Energie können dabei einzelne oder eine Kombination von verschiedenen Ladungsbewegungsmaßnahmen getroffen werden. Erfindungsgemäß ist dazu vorgesehen, dass zur Erhöhung der turbulenten kinetischen Energie im Zylinderraum der Ventilhub zumindest eines Auslassventils und/oder zumindest eines Einlassventils vermindert wird und/oder der Einlassschließzeitpunkt nach spät gelegt wird. Zusätzlich kann dabei vorgesehen sein, dass die turbulente kinetische Energie durch zumindest eine brennraumseitige, einspritzseitige oder kanalseitige Ladungsbewegungsmaßnahme erhöht wird, wobei brennraumseitig vorzugsweise die turbulente kinetische Energie durch eine Ventilmaskierung oder durch Ausprägen einer Quetschströmung im Zylinderraum erhöht wird. Durch gezielte Ladungsbewegung und Erhöhung der kinetischen Energie kann die Restgasverträglichkeit gehoben und somit eine hohe Abgasrückführrate realisiert werden.In order to increase the turbulent kinetic energy, individual or a combination of different charge movement measures can be taken. According to the invention, to increase the turbulent kinetic energy in the cylinder space, the valve lift of at least one exhaust valve and / or at least one intake valve is reduced and / or the intake closing time is retarded. In addition, it may be provided that the turbulent kinetic energy is increased by at least one combustion chamber side, injection-side or channel charge movement measure, combustion chamber side preferably the turbulent kinetic energy is increased by a Ventilmaskierung or by expressing a squish flow in the cylinder chamber. By targeted charge movement and increase in kinetic energy, the residual gas compatibility can be lifted and thus a high exhaust gas recirculation rate can be realized.
Weiters kann vorgesehen sein, dass der Restgasgehalt im Zylinderraum zumindest während der Erhöhung der turbulenten kinetischen Energie mittels Variieren der Öffnungszeit des Einlassventils, der Schließzeit des Einlassventils und/oder der Schließzeit des Auslassventils eingestellt wird.Furthermore, it can be provided that the residual gas content in the cylinder chamber is adjusted at least during the increase of the turbulent kinetic energy by varying the opening time of the inlet valve, the closing time of the inlet valve and / or the closing time of the outlet valve.
Eine weitere erfindungsgemäße Maßnahme sieht vor, dass der Verlauf der Schließflanke und oder der Schließrampe zumindest eines Einlassventils gegenüber dem Referenzbetriebspunkt mit internem Restgas verändert wird, wobei vorzugsweise die Schließflanke und oder die Schließrampe im Betrieb mit interner- und externer Restgasbeimengung flacher als im Referenzbetriebspunkt mit reiner interner Restgasbeimengung eingestellt wird.A further measure according to the invention provides that the profile of the closing edge and / or the closing ramp of at least one inlet valve is changed with respect to the reference operating point with internal residual gas, wherein the closing edge and or the closing ramp during operation with internal and external Restgasbeimengung flatter than in the reference operating point with pure internal residual gas admixture is set.
Eine Kühlung des extern rückgeführten Abgases wirkt sich darüber hinaus ebenfalls vorteilhaft auf die Senkung der Klopfneigung aus.Cooling of the externally recirculated exhaust gas also has an advantageous effect on reducing the tendency to knock.
Zur Durchführung des Verfahrens eignet sich eine Brennkraftmaschine mit externem und internem Abgasrückführsystem, welches zumindest ein Mittel zu Anhebung der turbulenten kinetischen Energie im Zylinderraum aufweist. Das Mittel zur Anhebung der kinetischen Energie kann dabei durch einen variablen, vorzugsweise einen vollvariablen Ventiltrieb gebildet werden. Bei einfachen variablen Ventiltriebsystemen mit Phasenverstellung einer oder beider Ventilhubfunktionen der Einlass- und Auslassnockenwelle wird die Steigerung der kinetischen Energie durch Spätverstellung des Einlassschließzeitpunktes gegenüber dem Referenzbetriebspunktes erreicht. Dabei wird der Abschluss der Energieeinbringung nach spät verschoben, wodurch ein höheres kinetisches turbulentes Energien!-For carrying out the method, an internal combustion engine with external and internal exhaust gas recirculation system, which has at least one means for increasing the turbulent kinetic energy in the cylinder chamber, is suitable. The means for raising the kinetic energy can be formed by a variable, preferably a fully variable valve train. In simple variable valve train systems with phase adjustment of one or both valve lift functions of the intake and exhaust camshafts, the increase in kinetic energy is achieved by retarding the intake closing timing from the reference operating point. In doing so, the completion of the energy input is postponed, resulting in a higher kinetic turbulent energy!
veau während des Verbrennungsprozesses erzeugt wird. Hierbei wird die interne Restgasmenge, bei einfachen variablen Ventiltriebsystemen, durch gleichzeitiges Spätverstellen des Auslassschließzeitpunktes sichergestellt. Bei vollvariablen Ventiltriebsystemen ist es zusätzlich gegenüber einfach variablen Ventiltriebsystemen mit Phasenverstellung möglich, den Hub des Einlass- und/oder Auslassventils zu begrenzen und damit die Einströmgeschwindigkeit in den Zylinderraum weiter zu erhöhen, was eine zusätzliche Steigerung der turbulenten Energie im Zylinderraum bewirkt. Weiters kann wie bei einfach variablen Ventiltriebsystemen der Einlassschließzeitpunkt nach spät verstellt werden, wodurch ein erhöhtes kinetisches Energieniveau bis zum Verbrennungsereignis im Zylinder gehalten wird. Eine zusätzliche Verstärkung der turbulenten kinetischen Energie kann durch eine brennraumseitige, kraftstoffeinspritzseitige oder kanalseitige Ladungsbewegungseinrichtung, wie durch Kanalabschaltung oder Tumbleklappe erreicht werden. Hierbei kommt der kraftstoffeinspritzunterstützten Ladungsbewegung durch Direkteinspritzung in den Brennraum eine besondere Bedeutung zu. Der auftretende Einspritzimpuls bei Direkteinspritzung in den Brennraum erhöht zusätzlich zu den im Vorfeld genannten Ladungsbewegungsmaßnahmen die turbulente kinetische Energie im Brennraum bei gleichzeitiger Kühlung der im Zylinder befindlichen Ladungsmenge zur Herabsetzung der Ladungstemperatur. Durch Einsatz von gezielter direkter Mehrfacheinspritzung in den Brennraum kann damit das turbulente kinetische Energieniveau im Brennraum zusätzlich gesteuert werden.veau is generated during the combustion process. In this case, the internal residual gas quantity, in the case of simple variable valve train systems, is ensured by simultaneous late adjustment of the outlet closing time. In fully variable valve train systems, in addition to simply variable valve timing systems with phasing, it is possible to limit the lift of the intake and / or exhaust valves and thus further increase the inflow velocity into the cylinder space, causing an additional increase in turbulent energy in the cylinder space. Further, as with simple variable valve train systems, the intake closing timing may be retarded, thereby maintaining an increased kinetic energy level in the cylinder until the combustion event. Additional enhancement of the turbulent kinetic energy may be achieved by a combustion chamber side fuel injection side or channel side charge motion device, such as channel shutoff or tumble flap. Here, the fuel injection-assisted charge movement by direct injection into the combustion chamber is of particular importance. The injection pulse occurring in the case of direct injection into the combustion chamber, in addition to the charge movement measures mentioned above, increases the turbulent kinetic energy in the combustion chamber while simultaneously cooling the charge quantity in the cylinder to reduce the charge temperature. By using targeted direct multiple injection into the combustion chamber, the turbulent kinetic energy level in the combustion chamber can thus be additionally controlled.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine ein Ladersystem zur Anhebung des Einlassdruckes aufweist. Alternativ dazu kann die Brennkraftmaschine aber auch ein Saugmotor sein.It is preferably provided that the internal combustion engine has a supercharger system for increasing the inlet pressure. Alternatively, the internal combustion engine but also be a naturally aspirated engine.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.The invention will be explained in more detail below with reference to FIGS.
Es zeigen Fig. 1 die Klopfneigung in Abhängigkeit des Druck-Temperaturkoeffizienten, Fig. 2 die Klopfneigung in Abhängigkeit der kinetischen turbulenten Energie, Fig. 3 die Klopfneigung in Abhängigkeit von Parametern im Zylinderraum, Fig. 4 ein Ventilhub-Kurbelwinkel- und Fig. 5 ein turbulente kinetische Energie-Kurbelwinkel-Diagramm.1 shows the tendency to knock as a function of the pressure-temperature coefficient, FIG. 2 shows the tendency to knock as a function of the kinetic turbulent energy, FIG. 3 shows the tendency to knock as a function of parameters in the cylinder space, FIG. 4 shows a valve lift crank angle and FIG a turbulent kinetic energy-crank angle diagram.
Wie in Fig. 1, 2 und 3 dargestellt ist, hängt die Klopfneigung K vom Zylinderdruck p, der Zylindertemperatur T, sowie der turbulenten kinetischen Energie Ekin im Zylinder ab. Die Klopfneigung K steigt dabei ungefähr proportional mit dem Produkt p*T des Zylinderdruckes p und der Zylindertemperatur T und sinkt mit steigender turbulenten kinetischen Energie Ekm- Mit Kl ist die Klopfgrenze angedeutet. * * • · · · • · · · · · BDC bzw. TDC bezeichnen in Fig. 4 und 5 den unteren bzw. oberen Totpunkt des Kolbens.As shown in FIGS. 1, 2 and 3, the knocking tendency K depends on the cylinder pressure p, the cylinder temperature T and the turbulent kinetic energy Ekin in the cylinder. The tendency to knock K increases approximately proportionally with the product p * T of the cylinder pressure p and the cylinder temperature T and decreases with increasing turbulent kinetic energy Ekm- Kl with the knock limit is indicated. BDC and TDC in FIGS. 4 and 5 denote the lower and upper dead center of the piston, respectively.
Ziel ist es, eine Reduktion der Klopfneigung K bei einem hohen p*T-Koeffizienten im Zylinder zu erreichen. Dabei sollen hohe Abgasrückführraten bei hoher Last gewährleistet werden.The aim is to achieve a reduction in knock tendency K with a high p * T coefficient in the cylinder. High exhaust gas recirculation rates at high load are to be guaranteed.
Die hohe Restgasverträglichkeit wird durch Anhebung der turbulenten kinetischen Energie Ekm erreicht, siehe Fig. 5. Dadurch kann bei mittlerer/hoher Teillast und Volllast die externe Abgasrückführmenge erhöht und die interne Abgasrückführmenge annähernd gleich behalten werden. Die Erhöhung der turbulenten kinetischen Energie Ekin erfolgt durch zumindest eine Ladungsbewegungsmaßnahme, beispielsweise die Reduzierung des Einlassventilhubes mittels einer vollvariablen Ventiltriebeinrichtung oder die Spätverstellung des Einlassschließzeitpunktes, verstärkt kann dieser Effekt werden durch die direkte Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum. Wobei durch mehrfache Einspritzung dieser Effekt noch einmal gesteigert werden kann, siehe Fig. 4 und Fig. 5. Um die gleiche Zylinderfüllung zu gewährleisten, wird der Einlassschluss Ic nach spät verlegt und oder über eine Drosselklappe eingeregelt.The high residual gas compatibility is achieved by raising the turbulent kinetic energy Ekm, see Fig. 5. This can be increased at medium / high part load and full load, the external exhaust gas recirculation amount and the internal exhaust gas recirculation amount are kept approximately the same. The increase of the turbulent kinetic energy Ekin takes place by means of at least one charge movement measure, for example the reduction of the intake valve lift by means of a fully variable valve drive device or the retardation of the intake closing time. This effect can be intensified by the direct injection of fuel into the combustion chamber. Where this effect can be increased again by multiple injection, see FIG. 4 and FIG. 5. In order to ensure the same cylinder filling, the inlet closing Ic is retarded and adjusted or via a throttle valve.
In Fig. 4 ist mit 0 die Auslass- und mit I die Einlassventilhubkurve in einem beispielsweise der hohen Teillast zugeordneten Referenzbetriebspunkt zugeordnet. Die Beispiele Auslassventilhubfunktion O und 0' zeigen in Kombination mit den Einlassventilhubfunktionen Γ und Γ mögliche Betriebseinstellungen mit erhöhter turbulenter kinetischer Energie wie in Fig. 5 dargestellt. Der verzögerte Einlassschluss I'c und I"c bewirkt, dass ein hohes Turbulenzniveau bis in den Verbrennungsbereich nach spät verschoben wird, was sich vorteilhaft auf die Verbrennungsgeschwindigkeit auswirkt (Fig. 5: Ekin'). Im Beispiel Γ mit geringeren Ventilhub, strömt die Ladung mit erhöhter Geschwindigkeit in den Zylinderraum ein und erhöht somit die kinetische Energie Ekln im Zylinderraum (Fig. 5: Ekln"). Mittels des vollvariablen Ventiltriebes können weiters die Flankengeschwindigkeit, sowie die Rampengeschwindigkeit der Erhebungskurven so verändert werden, dass ein hohe turbulente kinetische Energie im Zylinderraum erzeugt wird. Weiters ist es möglich, den Auslassschluss, den Einlassschluss und den Einlassöffnungsbeginn zu verändern, um Klopfneigung, Restgasverträglichkeit und Verbrennung zu optimieren. Die turbulente kinetische Energie kann darüber hinaus über weitere Ladungsbewegungsmaßnahmen, wie Ventilmaskierung für Einlass- und/oder Auslassöffnungen, durch quetschströmungserzeugende konstruktive Maßnahmen, durch kanalseitige Maßnahmen oder einspritzgestützte Maßnahmen erhöht werden. In Fig. 4 sind als Beispiel die Kraftstoffeinspritzbereiche Inj. 1, Inj. 2 für Mehrfacheinspritzung eingezeichnet. Die sich daraus ergebende Erhöhung der turbulenten kinetischen Energie ist beispielhaft in Fig. 5 durch die 1 1 ···· ·· -·5 ·In FIG. 4, 0 indicates the exhaust and, with I, the intake valve lift curve in a reference operating point assigned, for example, to the high partial load. The exhaust valve lift O and O 'examples, in combination with the intake valve lift functions Γ and Γ, show possible operating settings with increased turbulent kinetic energy as shown in FIG. The delayed inlet closure I'c and I "c causes a high level of turbulence to be delayed late into the combustion area, which has an advantageous effect on the rate of combustion (Figure 5: Ekin '). In example Γ with a smaller valve lift, the charge flows into the cylinder space at increased speed and thus increases the kinetic energy Ekln in the cylinder space (FIG. 5: Ekln "). By means of the fully variable valve train further the edge velocity, and the ramp speed of the survey curves can be changed so that a high turbulent kinetic energy is generated in the cylinder chamber. Furthermore, it is possible to change the exhaust port, the intake port, and the intake port start to optimize knock tendency, residual gas compatibility, and combustion. In addition, the turbulent kinetic energy can be increased by further charge movement measures, such as valve masking for inlet and / or outlet openings, by crimp flow-generating design measures, by channel-side measures or injection-based measures. In Fig. 4, for example, the fuel injection portions Inj. 1, Inj. 2 are shown for multiple injection. The resulting increase in turbulent kinetic energy is exemplified in Fig. 5 by the 1 1 ···· ·· - · 5 ·
Linie Ekln" Inj. gezeigt, wobei hier eine Überlagerung der turbulenten kinetischen Energie mit Ekin" dargestellt ist. Unter kanalseitigen Maßnahmen werden in diesem Zusammenhang beispielsweise Tumble- und Drallkanäle, sowie Drall-und/oder Tumblesteuereinrichtungen im Einlass- oder Auslasskanal verstanden.Line Ekln " Inj., Where here an overlap of the turbulent kinetic energy with Ekin " is shown. Channel-side measures in this context are, for example, tumble and swirl channels, as well as swirl and / or tumble control devices in the inlet or outlet channel.
Besonders günstig ist es, wenn die Brennkraftmaschine ein Ladersystem, beispielsweise einen Turbolader, Kompressor, oder dergleichen aufweist. In diesem Falle kann es - insbesondere bei ungedrosselten Motoren - vorteilhaft sein, wenn die externe Abgasrückführleitung über eine Venturi-Einheit in die Einlassleitung einmündet. Auf diese Weise lassen sich auch bei ungünstigen Druckverhältnissen zwischen Auslass- und Einlasssystem hohe Abgasrückführraten erreichen.It is particularly favorable if the internal combustion engine has a supercharger system, for example a turbocharger, compressor, or the like. In this case, it may be advantageous, in particular in unthrottled engines, when the external exhaust gas recirculation line opens into the inlet line via a Venturi unit. In this way, high exhaust gas recirculation rates can be achieved even under unfavorable pressure conditions between the exhaust and inlet systems.
Niedrige Temperaturen des extern rückgeführten Abgases wirken sich vorteilhaft auf die Klopfneigung aus. Daher ist eine Kühleinrichtung für das rückgeführte Abgas vorteilhaft.Low temperatures of the externally recirculated exhaust gas have an advantageous effect on the tendency to knock. Therefore, a recirculated exhaust gas cooling device is advantageous.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere für Otto-Brennkraft-maschine, unabhängig von Taktverfahren und/oder Zylinderabschaltstrategien.The inventive method is particularly suitable for Otto internal combustion engine, regardless of clocking and / or Zylinderabschaltstrategien.
Wesentlich ist, dass die Klopfgrenze in Richtung früher Zündzeitpunkte verschoben werden kann, sodass die Brennkraftmaschine, im Bereich optimalen Wirkungsgrades bzw. nahe dieses Bereichs in der Volllast und in der hohen Teillast gefahren werden kann, wodurch sich wesentliche Vorteile für Verbrauch und Emissionen ergeben.What is essential is that the knock limit can be shifted in the direction of early ignition times, so that the internal combustion engine can be operated in the region of optimum efficiency or close to this range in the full load and in the high partial load, resulting in significant advantages for consumption and emissions.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist unabhängig vom Einspritzsystem, vom Zündsystem, vom Aufladesystem, von der Luft/Kraftstoffstrategie und kann in Kombination mit verschiedenen Abgasnachbehandlungssystemen verwendet werden. Obwohl sich das Verfahren am besten in Zusammenhang mit vollvariablen Ventiltriebsystemen eignet, ist es auch vorteilhaft, das Verfahren mit teilvariablen Ventiltriebssystemen einzusetzen.The inventive method is independent of the injection system, the ignition system, the supercharging system, the air / fuel strategy and can be used in combination with various exhaust aftertreatment systems. While the method is best suited to fully variable valve train systems, it is also advantageous to employ the method with partially variable valve train systems.
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