DE102004027474B4 - Four-stroke internal combustion engine with turbocharger and method for optimizing its operation - Google Patents
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Abstract
Verbrennungsmotor mit Abgasturbolader, bei dem jeder Zylinder mit mindestens einem Auslassventil versehen ist, das während jedes Ausstoßtaktes des Zylinders Abgas aus einem Brennraum zum Abgasturbolader entweichen lässt, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil (34) während des Ausstoßtaktes mehrfach betätigbar ist, um es im Verlauf des Ausstoßtaktes mehrmals zu öffnen und wieder zu schließen.internal combustion engine with turbocharger, in which each cylinder with at least one Exhaust valve is provided during each exhaust stroke of Cylinder exhaust gas from a combustion chamber to the exhaust gas turbocharger escape leaves, characterized in that the exhaust valve (34) during the exhaust stroke multiple actuated is to open it several times in the course of the exhaust stroke and to close again.
Description
Die Erfindung betrifft einen Viertakt-Verbrennungsmotor mit Abgasturbolader sowie ein Verfahren zum Optimieren des Betriebs eines Viertakt-Verbrennungsmotors mit Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 3 bzw. 7 und 15.The The invention relates to a four-stroke internal combustion engine with turbocharger and a method for optimizing the operation of a four-stroke internal combustion engine with exhaust gas turbocharger according to the preamble the claims 1 and 3 or 7 and 15.
Beim Betrieb von Verbrennungsmotoren besteht das Bestreben, schon bei niedrigsten Drehzahlen ein höchstmögliches Drehmoment bereitzustellen. Dem steht jedoch entgegen, dass die Brennräume der Zylinder teilweise unvollständig mit Frischgas befüllt werden und dass dessen Umsetzung infolge einer starken Klopfbegrenzung durch hohe Restgasgehalte in den Brennräumen mit einem ungünstigen Wirkungsgrad erfolgt. Bei Verbrennungsmotoren mit Abgasturbolader kommt hinzu, dass der Turbolader für die geringen Massendurchsätze im unteren Drehzahlbereich nicht optimal ausgelegt werden kann. Insbesondere bei Vierzylinder-Reihenmotoren mit Turbolader, bei denen die Abgase sämtlicher Zylinder in ein und denselben Krümmer ausgeschoben werden, ist darüber hinaus eine Interaktion oder Überlagerung der Auslassstöße benachbarter Zylinder zu beobachten, weil die Auslassventile über einen Kurbelwellenwinkel von mehr als 180° geöffnet bleiben müssen, um bei hohen Drehzahlen ein vollständiges Ausschieben des Restgases aus dem Zylinder sicherzustellen. Diese Interaktion oder Überlagerung ist bei niedrigen Drehzahlen besonders stark, weil dort die Überlagerungszeiträume aufgrund der kurbelwellenwinkelbasierten Öffnungszeiten der Auslassventile länger sind.At the Operation of internal combustion engines is an endeavor, already at lowest speeds a highest possible To provide torque. This is contrary to the fact that the combustion chambers the cylinder partly incomplete filled with fresh gas and that its implementation due to a strong knock limit by high residual gas contents in the combustion chambers with an unfavorable efficiency he follows. In internal combustion engines with turbocharger is added, that the turbocharger for the low mass flow rates can not be optimally designed in the lower speed range. Especially in four-cylinder turbocharged inline engines, where the exhaust gases all Cylinder in one and the same manifold is about to be ejected an interaction or overlay the outlet shocks of neighboring Cylinder watch because the exhaust valves over a crankshaft angle of more than 180 ° must remain open to At high speeds complete exhaustion ensure the residual gas from the cylinder. This interaction or overlay is particularly strong at low speeds, because there the overlay periods due to the crankshaft angle based opening times the exhaust valves longer are.
Eine Steigerung der Leistung eines Turboladers bzw. von dessen Turbine ist grundsätzlich möglich, indem man die Energie des zum Turbolader zugeführten Abgases erhöht. Eine solche Erhöhung der Abgasenergie kann entweder durch Vergrößerung des Abgasmassenstroms oder durch Steigerung der Abgasenthalpie, d.h. Erhöhung des Drucks und/oder der Temperatur des Abgases erfolgen. Da zur Vergrößerung des Abgasmassenstroms jedoch eine stärkere Aufladung der Zylinder erforderlich ist, scheidet eine solche Vorgehensweise als primäre Maßnahme zur Anhebung der Turbinenleistung des Turboladers aus. Eine Steigerung der Abgasenenthalpie wäre zum Beispiel möglich, indem durch frühes Öffnen der Auslassventile ein Teil der Hochdruckarbeit der Zylinder zur Erhöhung der Turbinenleistung des Turboladers verwendet wird. Daraus ergibt sich jedoch insbesondere bei Vierzylinder-Reihenmotoren wieder eine verstärkten Interaktion oder Überlagerung der Auslassstöße benachbarter Zylinder des Motors. Eine solche Interaktion oder Überlagerung wirkt sich ungünstig auf die sogenannte Stoßaufladung des Turboladers aus, die neben dem statischen Druckniveau vor dem Abgasturbolader bzw. dem Druckabfall im Abgasturbolader für die Leistung von dessen Turbine maßgeblich ist. Unter Stoßaufladung versteht man dabei die Aufladung infolge eines kurzzeitigen Energiestoßes im Abgas beim Öffnen eines Auslassventils, wenn sich das unter hohem Druck stehende Abgas in die Auslassseite entspannt, was eine starke Beschleunigung des Abgases in der zum Turbolader führenden Abgasleitung und damit einen steilen Anstieg seiner kinetischen Energie zur Folge hat, die dann in der Turbine bei der Stoßaufladung in Turbinenleistung umgesetzt wird.A Increase the performance of a turbocharger or its turbine is basically possible, by increasing the energy of the exhaust gas supplied to the turbocharger. A such increase the exhaust gas energy can either by increasing the exhaust gas mass flow or by increasing the exhaust gas enthalpy, i. Increase of Pressure and / or the temperature of the exhaust gas take place. There to enlarge the Exhaust gas mass flow, however, a stronger Charging the cylinder is required, separates such an approach as a primary measure to Raising the turbocharger turbine output. An improvement the exhaust enthalpy would be for example, possible by opening it early Exhaust valves are a part of the high pressure work of the cylinder to increase the Turbine power of the turbocharger is used. This, however, results especially in four-cylinder in-line engines again increased interaction or overlay the outlet shocks of neighboring Cylinder of the engine. Such an interaction or overlay Affects unfavorable on the so-called shock charging of the turbocharger, which in addition to the static pressure level before Exhaust gas turbocharger or the pressure drop in the exhaust gas turbocharger for the performance of its turbine decisive is. Under bump charging one understands the charge as a result of a brief burst of energy in the exhaust gas When opening an exhaust valve when the high pressure exhaust gas relaxed in the exhaust side, which is a strong acceleration of the Exhaust gas in the leading to the turbocharger Exhaust pipe and thus a steep increase in its kinetic Energy, which then in the turbine during the bumping charge is converted into turbine power.
Die
Aus
der
Darüber hinaus
offenbart die
Aus
der
Ferner
beschreibt die
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor und ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit dem sich insbesondere bei niedrigen Drehzahlen die Aufladung der Zylinder und damit das Drehmoment des Verbrennungsmotors deutlich erhöhen lassen.outgoing This is the object of the invention, an internal combustion engine and to provide a method of the type mentioned, with in particular at low speeds, the charging of the Cylinder and thus the torque of the internal combustion engine significantly increase to let.
Bei Verbrennungsmotoren mit einem einzigen Auslassventil pro Zylinder wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Auslassventil zumindest bei niedrigen Drehzahlen im Verlauf des Ausschiebe- oder Ausstoßtaktes mehrmals geöffnet und wieder geschlossen wird, während bei Verbrennungsmotoren mit zwei getrennt betätigbaren Auslassventilen pro Zylinder die beiden Auslassventile im Verlauf des Ausstoßtaktes im Wechsel nacheinander betätigt werden können, womit dasselbe Ergebnis erzielt werden kann. Grundsätzlich wäre die zuerst genannte Vorgehensweise auch bei Verbrennungsmotoren mit zwei Auslassventilen pro Zylinder anwendbar, indem beide Auslassventile im Verlauf des Ausstoßtaktes gemeinsam mehrmals geöffnet und wieder verschlossen werden.at Internal combustion engines with a single exhaust valve per cylinder This object is achieved by the invention solved, that the exhaust valve at least at low speeds in the course of Push-out or exhaust stroke opened several times and closed again while in internal combustion engines with two separately operable exhaust valves per Cylinder the two exhaust valves in the course of the exhaust stroke alternately pressed one after the other can be with which the same result can be achieved. Basically, that would be first This procedure also applies to internal combustion engines with two exhaust valves per cylinder applicable by both exhaust valves in the course of exhaust stroke open several times together and be closed again.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, im Verlauf eines Ausstoßtaktes eines Zylinders nicht wie im Stand der Technik eine einzige Stoßaufladung in der Turbine des Turboladers herbeizuführen, wenn das Auslassventil oder die Auslassventile des jeweiligen Zylinders zu Beginn des Ausstoßtaktes geöffnet werden, sondern diesen Effekt im Verlauf des Ausstoßtaktes mehrmals auszunutzen, indem nach einem erstmaligen kurzzeitigen Öffnen des Auslassventils oder von einem der beiden Auslassventile zu Beginn des Auslasstaktes das im Zylinder verbliebene Restgas im weiteren Verlauf des Ausstoßtak tes nochmals verdichtet wird, während das Auslassventil oder die beiden Auslassventile geschlossen sind, und indem dann das Auslassventil oder das andere der beiden Auslassventile ein weiteres Mal geöffnet wird, um das derart verdichtete Restgas in die Abgasleitung zum Turbolader entweichen zu lassen und dort eine weitere Stoßaufladung in der Turbine zu bewirken. Bei der Verdichtung des Restgases im Brennraum zwischen dem ersten und zweiten Öffnen des Auslassventils wird der Energieinhalt des Restgases durch die zugeführte Kolben- oder Verdichtungsarbeit erhöht, womit sich insgesamt ein höheres Drehmoment und ein höherer Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors erzielen lässt, wenn diese Kolben- oder Verdichtungsarbeit durch die Steigerung der Turbinenleistung des Turboladers und eine dadurch hervorgerufene stärkere Aufladung der Zylinder mit verdichtetem Frischgas sowie dessen thermodynamische Umsetzung in Form eines Mehrgewinns an nutzbarer Energie beim Verbrennungsvorgang überkompensiert wird.Of the Invention is based on the idea, in the course of an exhaust stroke a cylinder as in the prior art, a single shock charging in turbine turbocharger, if the exhaust valve or the exhaust valves of the respective cylinder at the beginning of the exhaust stroke to be opened but to exploit this effect several times in the course of the exhaust stroke, by after a first momentary opening of the exhaust valve or from one of the two exhaust valves at the beginning of the exhaust stroke the residual gas remaining in the cylinder in the course of the ejection TAK again is compressed while the exhaust valve or the two exhaust valves are closed, and by then the exhaust valve or the other of the two exhaust valves is opened again, around the thus compressed residual gas in the exhaust pipe to the turbocharger to escape and there is another bumping in the turbine cause. In the compression of the residual gas in the combustion chamber between the first and second opening the exhaust valve is the energy content of the residual gas through the supplied Piston or compression work increased, bringing a total of higher Torque and a higher one Achieve efficiency of the internal combustion engine, if this piston or compression work by increasing turbine performance of the turbocharger and a thereby caused stronger Charging the cylinder with compressed fresh gas and its thermodynamic Implementation in the form of a surplus of usable energy overcompensated during the combustion process becomes.
Während die Anzahl der Öffnungs- und Schließvorgänge des Auslassventils oder der Auslassventile jedes Zylinders während dessen Ausstoßtakt mit einem nockenwellengebundenen mechanischen Ventiltriebsystem voraussichtlich auf insgesamt zwei begrenzt sein wird, sind mit elektromechanischen oder elektrohydraulischen Ventiltriebsystemen vor allem bei niedrigen Drehzahlen auch mehr als zwei Öffnungsvorgänge während eines Ausstoßtaktes möglich.While the Number of opening and closing operations of Outlet valve or the exhaust valves of each cylinder during its exhaust stroke with a camshaft-mounted mechanical valve train system are expected to be limited to a total of two are with electromechanical or electrohydraulic valve train systems especially at low speeds also more than two opening operations during one exhaust stroke possible.
Um die Auslassstöße der Auslassventile der einzelnen Zylinder des Verbrennungsmotors für eine optimale Stoßaufladung günstig aufeinander abzustimmen, können sowohl die Zeitpunkte, in denen die Auslassventile von einzelnen Zylindern oder Gruppen von Zylindern geöffnet werden, als auch die Dauer der jeweiligen Öffnungsvorgänge von einzelnen Zylindern oder Gruppen von Zylindern unterschiedlich gewählt werden. Entsprechendes gilt auch für die Öffnungsdauer der mehreren Öffnungsvorgänge eines Auslassventils oder von zwei Auslassventilen eines Zylinders im Zuge von dessen Ausstoßtakt.Around the exhaust strokes of the exhaust valves the individual cylinder of the internal combustion engine for optimum shock charging Cheap to coordinate with each other Both the times in which the exhaust valves of individual Cylinders or groups of cylinders are opened as well as the Duration of the respective opening operations of individual cylinders or groups of cylinders are chosen differently. The same applies to the opening time the several opening operations of a Exhaust valve or two exhaust valves of a cylinder in Course of its exhaust stroke.
Während insbesondere bei Vierzylinder-Reihenmotoren das Auslassventil oder das eine der beiden Auslassventile jedes Zylinders zweckmäßig im unteren Totpunkt des Zylinders erstmalig geöffnet wird, um eine Interaktion oder Überlappung des Vorausstoßes dieses Zylinders mit dem letzten Ausstoß des vorangehenden Zylinders zu vermeiden, kann bei anderen Motoren, insbesondere bei Sechszylinder-V-Motoren, wo dieses Prob lem in geringerem Maße auftritt, der Energieinhalt des Abgases bei der ersten Stoßaufladung gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung noch dadurch erhöht werden, dass das Auslassventil oder das eine der beiden Auslassventile jedes Zylinders bereits kurz vor Erreichen des unteren Totpunkts geöffnet wird, um einen Teil der Hochdruckverdichtungsarbeit des Kolbens zur weiteren Erhöhung der Turbinenleistung zu nutzen.While in particular in four-cylinder in-line engines, the exhaust valve or one of the two exhaust valves of each cylinder expediently at the bottom dead center of the Cylinder is opened for the first time, to an interaction or overlap of the preliminary blow this cylinder with the last ejection of the preceding cylinder can be avoided in other engines, in particular in six-cylinder V engines, where this problem occurs to a lesser extent, the energy content the exhaust gas at the first shock charging according to a further advantageous embodiment of the invention even more elevated be that exhaust valve or one of the two exhaust valves each cylinder just before reaching bottom dead center is opened, to a part of the high-pressure compression work of the piston to the other increase to use the turbine power.
Sei einem Vierzylinder-Reihenmotor mit zwei Öffnungsvorgängen pro Ausstoßtakt sieht eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass das Auslassventil oder eines von zwei Auslassventilen etwa im unteren Totpunkt zum ersten Mal geöffnet wird, um das unter Druck stehende Abgas im Zylinder in die Auslassseite zu entspannen, bis die Druckdifferenz vor und hinter dem geöffneten Auslassventil etwa null beträgt, dass anschließend bei geschlossenem Auslassventil bzw. geschlossenen Auslassventilen das Restgas im Zylinder vom Kolben verdichtet wird, vorzugsweise bis der Druck im Zylinder etwa dem Druck vor dem erstmaligen Öffnen des Auslassventils bzw. des einen der beiden Auslassventile entspricht, und dann entweder bei einem Auslassventil pro Zylinder dieses Auslassventil erneut zu öffnen bzw. bei zwei Auslassventilen das andere Auslassventil zu öffnen, um einen weiteren Auslassstoß in die zum Turbolader führende Abgasleitung entweichen zu lassen.In a four-cylinder in-line engine with two opening operations per exhaust stroke, another preferred embodiment of the invention provides for the exhaust valve or one of two exhaust valves to be opened for the first time at about bottom dead center to vent the pressurized exhaust gas in the cylinder to the exhaust side until the pressure difference before and behind the opened exhaust valve is about zero, that subsequently with the exhaust valve closed or the exhaust vents closed Tilen the residual gas in the cylinder is compressed by the piston, preferably until the pressure in the cylinder approximately equal to the pressure before the first opening of the exhaust valve or the one of the two exhaust valves, and then either at one exhaust valve per cylinder, this exhaust valve again at or at two exhaust valves to open the other exhaust valve to let another exhaust blow into the turbocharger leading exhaust pipe.
Um das verbleibende Restgas möglichst vollständig aus dem Zylinder auszuspülen, wird anschließend das Einlassventil des Zylinders geöffnet und bei geöffnetem Auslassventil Frischgas in den Zylinder zugeführt, wobei das Öffnen des Einlassventils vorzugsweise dann erfolgt, wenn der Druck auf der Auslassseite unter den Druck auf der Einlassseite abgefallen ist, um eine umgekehrte Strömung in Richtung der Einlassseite zu verhindern. Spätestens vor dem ersten Öffnen des Auslassventils eines in Bezug zur Abgasleitung benachbarten Zylinders wird das Auslassventil dann endgültig geschlossen, wodurch ein Zurückschieben von Restgas in den Zylinder vermieden und die vollständige Entspannung des Druckstoßes ohne Überlappung oder Interaktion in der Turbine sichergestellt werden kann.Around the remaining gas as completely as possible to rinse the cylinder, will follow the intake valve of the cylinder is opened and when open Fresh gas exhaust valve is fed into the cylinder, opening the Inlet valve preferably then takes place when the pressure on the Outlet side has fallen below the pressure on the inlet side, around a reverse flow to prevent towards the inlet side. At the latest before the first opening of the Exhaust valve of a cylinder adjacent to the exhaust pipe then the exhaust valve will be final closed, causing a delay avoided by residual gas in the cylinder and complete relaxation the pressure surge without overlap or interaction in the turbine can be ensured.
Da die Öffnungszeiten der Auslassventile in Abhängigkeit vom Kurbelwellenwinkel gesteuert werden, sieht eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass die Ventilsteuerung bei höheren Drehzahlen auf eine konventionelle Strategie umschaltbar ist, mit anderen Worten das Auslassventil im Verlauf des Ausstoßtaktes nur einmal geöffnet wird.There the opening times the exhaust valves in dependence controlled by the crankshaft angle, provides a further advantageous Embodiment of the invention, that the valve control at higher speeds switchable to a conventional strategy, in other words the exhaust valve is opened only once in the course of the exhaust stroke.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist für alle Viertakt-Turbomotoren unabhängig von Zylinderzahl und Arbeitsverfahren (Otto-/Dieselmotor) anwendbar und gestattet die Verwendung großer, im unteren Drehzahlbereich nicht optimal arbeitender Turbolader, deren Ladeleistung in diesem Bereich mittels des erfindungsgemäßen Verfahren verbessert werden kann, um so bei niedrigen Drehzahlen für ein höhere Drehmomente zu sorgen. Außerdem wird das Ansprechverhalten des Turboladers verbessert, da dieser durch die Erhöhung der bereitgestellten Abgasenergie ein schnelleres Hochlaufverhalten zeigt, womit das sogenannte "Turboloch" schneller überwunden werden kann. Darüber hinaus wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren das Potenzial für ein sogenanntes "down-sizing" des Verbrennungsmotors verbessert, da es eine Verschiebung seiner Betriebspunkte im Kennfeld in Bereiche mit besserem Wirkungsgrad gestattet.The inventive method is for all four-stroke turbo engines independent of cylinder number and working method (petrol / diesel engine) applicable and allows the use of large, in the lower speed range not optimally operating turbocharger, their charging power in this area by means of the method according to the invention can be improved, so at low speeds for higher torques to care. Furthermore the response of the turbocharger is improved because of this through the increase the exhaust gas energy provided a faster startup behavior shows, with which the so-called "turbo lag" overcome faster can be. About that In addition, with the method according to the invention the potential for a so-called "down-sizing" of the internal combustion engine improves, because there is a shift of its operating points in the map into areas allowed with better efficiency.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:in the The following is the invention with reference to an illustrated in the drawing embodiment explained in more detail. It demonstrate:
Der
in
Wie
am besten in den
Die
Analog
dazu zeigen die
Wie
am besten in
Nach
dem Ausgleich der Druckdifferenz zwischen dem Druck im Brennraum
Wie
am besten aus
Wie
am besten in
Während die
Zylinder
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