DE102012001515B4 - Method for operating an internal combustion engine with variable compression ratio and valve train - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung stellt ein Verfahren bereit, mit dem eine Brennkraftmaschine im Teillastbereich besonders vorteilhaft betrieben werden kann. Die Erfindung geht dabei von einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine aus, welche zumindest mit einer Vorrichtung zur Variation des Verdichtungsverhältnisses und einer Vorrichtung zur Variation der Hubcharakteristik von Gaswechselventilen ausgestattet ist. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich die Brennkraftmaschine im Teillastbereich mit gegenüber dem Stand der Technik deutlich verbessertem Wirkungsgrad betreiben. Für den erfindungsgemäßen Betrieb der Brennkraftmaschine im Teillastbereich wird eine Zylinderabschaltung mindestens eines Zylinders durchgeführt und der mindestens eine weitere weiterhin betriebene Zylinder mit einem gegenüber einem Betrieb vor der Zylinderabschaltung veränderten Verdichtungsverhältnis betrieben. Das Verfahren ist sowohl für fremdgezündete, als auch für selbstzündende nach dem Zwei- oder Viertaktprinzip arbeitende Brennkraftmaschinen mit Ventilsteuerung geeignet.The invention provides a method with which an internal combustion engine can be operated particularly advantageously in the partial load range. The invention is based on a multi-cylinder internal combustion engine, which is equipped at least with a device for varying the compression ratio and a device for varying the stroke characteristics of gas exchange valves. With the method according to the invention, the engine can be operated in the partial load range with respect to the prior art significantly improved efficiency. For the operation according to the invention of the internal combustion engine in the partial load range, a cylinder deactivation of at least one cylinder is carried out and the at least one further cylinder operated continues to operate with a compression ratio that has changed compared with an operation before the cylinder deactivation. The method is suitable for both spark-ignited and self-igniting two-stroke or four-stroke internal combustion engine with valve control.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, wobei die Brennkraftmaschine mit einer Vorrichtung zur Variation des Verdichtungsverhältnisses und einer Vorrichtung zur Variation der Hubcharakteristik von Gaswechselventilen ausgestattet ist.The present invention relates to a method for operating an internal combustion engine, wherein the internal combustion engine is equipped with a device for varying the compression ratio and a device for varying the stroke characteristic of gas exchange valves.
Im Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen für Brennkraftmaschinen bekannt, mit denen sich der Betrieb insbesondere der Wirkungsgrad herkömmlicher Brennkraftmaschinen weiter verbessern lässt. Bekannt sind Vorrichtungen, mit denen das Verdichtungsverhältnis variiert werden kann, um den thermodynamischen Wirkungsgrad entsprechend der Luftfüllung im Zylinder anzupassen. Das Verdichtungsverhältnis wird für einen Betrieb der Brennkraftmaschine bei Volllast ausgelegt und stellt je nach dem zu Grunde gelegten Brennverfahren einen Kompromiss zwischen Wirkungsgrad, Emissionen und der mechanischen Belastbarkeit dar. Insbesondere bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen wird das Verdichtungsverhältnis durch die mit dem Verdichtungsverhältnis ansteigenden Stickoxidemissionen begrenzt. Bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen wird das Verdichtungsverhältnis durch die zunehmende Klopfneigung begrenzt. Aufgrund der Drosselung einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine bei Teillastbetrieb ergibt sich jedoch ein deutlich geringeres effektives Verdichtungsverhältnis, so dass der Wirkungsgrad gegenüber dem Volllastbetrieb sinkt. Es ergeben sich somit Wirkungsgradreserven, welche durch Vorrichtungen zur Variation des Verdichtungsverhältnisses genutzt werden sollen.In the prior art, various devices for internal combustion engines are known, with which the operation in particular the efficiency of conventional internal combustion engines can be further improved. Are known devices with which the compression ratio can be varied to adjust the thermodynamic efficiency according to the air filling in the cylinder. The compression ratio is designed for operation of the internal combustion engine at full load and, depending on the underlying combustion process is a compromise between efficiency, emissions and mechanical strength. Especially in self-igniting internal combustion engines, the compression ratio is limited by increasing the compression ratio nitrogen oxide emissions. In spark-ignited internal combustion engines, the compression ratio is limited by the increasing tendency to knock. Due to the throttling of a spark-ignited internal combustion engine at partial load operation, however, results in a much lower effective compression ratio, so that the efficiency compared to the full load operation decreases. This results in efficiency reserves, which are to be used by devices for varying the compression ratio.
Aus der Offenlegungsschrift
Auch eine Zylinderabschaltung ist zur Verbesserung des Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine bekannt. Dabei werden ein oder mehrere Zylinder einer Brennkraftmaschine durch geeignete Vorrichtungen während des Teillastbetriebs der Brennkraftmaschine abgeschaltet, um somit eine Lastpunktverschiebung der übrigen Zylinder zu bewirken, welche dann in einem Betriebspunkt mit besserem Wirkungsgrad arbeiten. Außerdem werden mechanische Verluste durch die Verringerung der bewegten Massen und der Reibung durch die Abschaltung der Zylinder weiter verringert.A cylinder deactivation is known to improve the efficiency of the internal combustion engine. In this case, one or more cylinders of an internal combustion engine are switched off by suitable devices during the partial load operation of the internal combustion engine, so as to effect a load point shift of the remaining cylinders, which then operate at an operating point with better efficiency. In addition, mechanical losses are further reduced by the reduction of the moving masses and the friction by the shutdown of the cylinders.
Aus der Offenlegungsschrift
Zur Verbesserung des Wirkungsgrades von Brennkraftmaschinen sind weiterhin variable Ventiltriebe bekannt, mit denen eine Entdrosselung der Brennkraftmaschine im Teillastbetrieb möglich wird. Dadurch lassen sich die Ladungswechselverluste verringern, was mit einer Erhöhung des Wirkungsgrades der Brennkraftmaschinen gleichbedeutend ist.To improve the efficiency of internal combustion engines variable valve trains are still known with which a Entdrosselung the internal combustion engine in partial load operation is possible. As a result, the charge cycle losses can be reduced, which is synonymous with an increase in the efficiency of the internal combustion engine.
Aus der europäischen Patentschrift
In der
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen besonders vorteilhaften Betrieb einer Brennkraftmaschine mit verbessertem Wirkungsgrad im Teillastbereich zu ermöglichen.The object of the invention is to allow a particularly advantageous operation of an internal combustion engine with improved efficiency in the partial load range.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine nach den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem Ausführungsbeispiel.The object is achieved by a method for operating an internal combustion engine according to the features of
Die Erfindung stellt ein Verfahren bereit, mit dem eine Brennkraftmaschine im Teillastbereich besonders vorteilhaft betrieben werden kann. Die Erfindung geht dabei von einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine aus, welche wenigstens für einen Zylinder mit einer Vorrichtung zur Variation des Verdichtungsverhältnisses und für wenigstens einen Zylinder mit einer Vorrichtung zur Variation der Hubcharakteristik von Gaswechselventilen ausgestattet ist. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich die Brennkraftmaschine im Teillastbereich mit gegenüber dem Stand der Technik deutlich verbessertem Wirkungsgrad betreiben. Das Verfahren ist sowohl für fremdgezündete, als auch für selbstzündende nach dem Zwei- oder Viertaktprinzip arbeitende Brennkraftmaschinen mit Ventilsteuerung geeignet.The invention provides a method with which an internal combustion engine can be operated particularly advantageously in the partial load range. The invention is based on a multi-cylinder internal combustion engine, which at least for a cylinder with a device for varying the compression ratio and for at least one cylinder with a device for varying the stroke characteristics of gas exchange valves is equipped. With the method according to the invention, the engine can be operated in the partial load range with respect to the prior art significantly improved efficiency. The method is suitable for both spark-ignited and self-igniting two-stroke or four-stroke internal combustion engine with valve control.
Für den erfindungsgemäßen Betrieb der Brennkraftmaschine im Teillastbereich wird eine Zylinderabschaltung mindestens eines Zylinders durchgeführt und der mindestens eine weitere, weiterhin betriebene Zylinder wird mit einem gegenüber einem Betrieb vor der Zylinderabschaltung veränderten Verdichtungsverhältnis betrieben.For the inventive operation of the internal combustion engine in the partial load range, a cylinder deactivation of at least one cylinder is performed and the at least one further, further operated cylinder is operated with a relation to an operation before the cylinder shutdown changed compression ratio.
Die Zylinderabschaltung erfolgt durch die Stillsetzung des Kolbens des entsprechenden abzuschaltenden Zylinders. Zusätzlich ist eine Deaktivierung zumindest aller Einlass- und/oder Auslassventile vorgesehen. Alternativ kann die Zylinderabschaltung auch nur durch die Deaktivierung zumindest aller Einlass- und/oder Auslassventile erfolgen. Erfindungsgemäß erfolgt eine Anpassung des Verdichtungsverhältnisses des mindestens einen weiteren weiterhin betriebenen Zylinders an den Betriebspunkt.The cylinder shutdown is done by stopping the piston of the corresponding cylinder to be shut down. In addition, a deactivation of at least all inlet and / or exhaust valves is provided. Alternatively, the cylinder deactivation can also take place only by deactivating at least all intake and / or exhaust valves. According to the invention, an adaptation of the compression ratio of the at least one further cylinder which continues to be operated to the operating point takes place.
Weiterhin kann eine Anpassung der Hubcharakteristik zumindest eines Gaswechselventils des mindestens einen weiteren weiterhin betriebenen Zylinders an den Betriebspunkt durchgeführt werden. Der erfindungsgemäße Vorteil des Verfahrens zum Betrieb der Brennkraftmaschine liegt darin, dass die Verluste der Brennkraftmaschine durch die Zylinderabschaltung und durch die gleichzeitige Optimierung des Wirkungsgrades der weiterhin betriebenen Zylinder durch eine betriebspunktabhängige Anpassung der effektiven Verdichtung deutlich reduziert werden können.Furthermore, it is possible to adapt the stroke characteristic of at least one gas exchange valve of the at least one further cylinder which is still operated to the operating point. The advantage of the method according to the invention for operating the internal combustion engine is that the losses of the internal combustion engine can be significantly reduced by the cylinder deactivation and by the simultaneous optimization of the efficiency of the cylinders which are still operated by an operating point-dependent adaptation of the effective compression.
Zur Variation des Verdichtungsverhältnisses ist eine Vorrichtung vorgesehen, mit der sich das Verdichtungsverhältnis variabel einstellen lässt. Für eine Zylinderabschaltung ist die Vorrichtung zur Variation des Verdichtungsverhältnisses so ausgeführt, dass eine Stillsetzung der Kolbenbewegung gegenüber dem Kurbelgehäuse ermöglicht wird. Dies kann beispielsweise durch die Verringerung des Kurbelradius der Kurbelwelle auf null, durch eine Entkopplung des dem Zylinder zugeordneten Kurbelwellenbereichs, durch eine Entkopplung des Pleuels von der Kurbelwelle und/oder vom Kolben oder durch zwischengeschaltete Ausgleichsgetriebe als Kurvengetriebe oder auch Koppelgetriebe sowie weitere Mechanismen mit dem Ziel der Zylinderabschaltung erfolgen.For varying the compression ratio, a device is provided with which the compression ratio can be set variably. For a cylinder deactivation, the device for varying the compression ratio is designed so as to enable the piston movement to be stopped relative to the crankcase. This can be achieved, for example, by reducing the crank radius of the crankshaft to zero, decoupling the crankshaft area assigned to the cylinder, decoupling the connecting rod from the crankshaft and / or from the piston, or by interposing differential as a cam gear or a coupling gear and other mechanisms with the aim the cylinder shutdown done.
Erfindungsgemäß ist weiterhin eine Vorrichtung zur Variation der Hubcharakteristik der Gaswechselventile erforderlich, mit welcher zumindest alle Einlassventile und/oder alle Auslassventile wenigstens eines Zylinders deaktiviert werden können und somit geschlossen bleiben. Zur Variation der Hubcharakteristik können schaltbare Ventiltriebe, bei denen zwischen verschiedenen Betätigungen umgeschaltet wird, wie beispielsweise durch Verschieben unterschiedlicher Nocken oder Betätigungshebel, durch schaltbare Stößel oder Hebel, oder auch kontinuierlich variable Ventiltriebe verwendet werden, welche eine Einstellung eines Nullhubes ermöglichen. Als Hubcharakteristik sind der Verlauf des Ventilhubs und dessen zeitliche Zuordnung zur Taktfolge der Brennkraftmaschine zu verstehen.According to the invention, a device for varying the stroke characteristic of the gas exchange valves is furthermore required, with which at least all intake valves and / or all exhaust valves of at least one cylinder can be deactivated and thus remain closed. To vary the stroke characteristic can switchable valve trains, which is switched between different actuations, such as by shifting different cams or actuation lever, by switchable plunger or lever, or continuously variable valve trains are used, which allow adjustment of a zero stroke. The stroke characteristic is the course of the valve lift and its temporal assignment to the clock sequence of the internal combustion engine to understand.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Vorrichtungen zur Variation zylinderselektiv ausgeführt, so dass eine individuelle Deaktivierung sowie Verstellung des Verdichtungsverhältnisses und der Verstellung der Hubcharakteristik der Gaswechselventile jedes einzelnen Zylinders unabhängig von den weiteren Zylindern erfolgen kann.In an advantageous embodiment of the invention, the devices are designed for variation cylinder-selective, so that an individual deactivation and adjustment of the compression ratio and the adjustment of the stroke characteristics of the gas exchange valves of each cylinder can be done independently of the other cylinders.
Alternativ lassen sich auch Gruppen von Zylindern definieren, welche gemeinsam deaktiviert oder nach einer Zylinderabschaltung gemeinsam weiterhin betrieben werden. Dadurch können für jede Gruppe gemeinsame Vorrichtungen zur Variation des Verdichtungsverhältnisses und der Hubcharakteristik der Gaswechselventile verwendet werden. Dadurch reicht eine gruppenselektive Vorrichtung zur Verstellung der Variabilitäten und die dafür benötigten Betätigungen und Steuerungen aus und es müssen keine zylinderselektiven Betätigungen und Steuerungen vorgesehen werden.Alternatively, it is also possible to define groups of cylinders which are deactivated together or continue to operate together after a cylinder deactivation. As a result, common devices for varying the compression ratio and the lift characteristic of the gas exchange valves can be used for each group. As a result, a group-selective device for adjusting the variabilities and the operations and controls required for this purpose are sufficient, and no cylinder-selective actuations and controls have to be provided.
Die Zylinderabschaltung zumindest eines Zylinders der Mehrzylinder-Brennkraftmaschine erfolgt durch die Stillsetzung des Kolbens des jeweiligen Zylinders bei gleichzeitiger Deaktivierung zumindest aller Einlass- und/oder aller Auslassventile. Weiterhin wird die Kraftstoffeinspritzung bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen und eventuell die Zündung bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen des entsprechenden Zylinders abgeschaltet. Dadurch wird eine vollständige Zylinderabschaltung realisiert, bei der eine Durchströmung des Zylinders nach den vorliegenden Druckverhältnissen zwischen Einlass- und Auslasstrakt mit Frischluft, Luft-Kraftstoffgemisch oder Abgas unterbunden wird.The cylinder deactivation of at least one cylinder of the multi-cylinder internal combustion engine takes place by stopping the piston of the respective cylinder with simultaneous deactivation of at least all inlet and / or exhaust valves. Furthermore, the fuel injection in direct-injection internal combustion engines and possibly the ignition is switched off in spark-ignited internal combustion engines of the corresponding cylinder. As a result, a complete cylinder shutdown is realized in which a flow through the cylinder is prevented according to the existing pressure conditions between inlet and outlet tract with fresh air, air-fuel mixture or exhaust gas.
Das Verdichtungsverhältnis der nach der Zylinderabschaltung weiterhin betriebenen Zylinder der Mehrzylinder-Brennkraftmaschine wird mittels der Vorrichtung zur zylinderselektiven Variation des Verdichtungsverhältnisses dem Lastpunkt angepasst. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst also eine Zylinderabschaltung mit einer Verdichtungsänderung der weiterhin betriebenen Zylinder. Die Zylinderabschaltung und die Verdichtungsänderung können zeitgleich oder auch nacheinander erfolgen, wobei die Zylinderabschaltung oder auch die Verdichtungsänderung zuerst erfolgen kann. Durch die Zylinderabschaltung kommt es zu einer Lastpunktverschiebung der weiterhin betriebenen Zylinder, da die Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine bei konstanter Drehzahl konstant gehalten werden soll. Entsprechend der Lastpunktverschiebung wird die Verdichtung der weiterhin betriebenen Zylinder angepasst. Wurden alle Zylinder vor der Zylinderabschaltung mit einem für den Lastpunkt im Teillastbereich optimalen Verdichtungsverhältnis betrieben, so erfolgt für die während der Zylinderabschaltung weiterhin betriebenen Zylinder eine Lasterhöhung, so dass das Verdichtungsverhältnis für einen optimalen Betrieb in einem erhöhten Lastpunkt im Teillastbereich oder auch Volllastbereich angepasst werden muss. Es erfolgt eine Verringerung des Verdichtungsverhältnisses bei gleichzeitiger Erhöhung der Luftfüllung.The compression ratio of the cylinders of the multi-cylinder internal combustion engine which are still operated after the cylinder deactivation is adapted to the load point by means of the device for cylinder-selective variation of the compression ratio. The inventive method thus includes a cylinder deactivation with a Compaction change of the still operated cylinder. The cylinder deactivation and the compression change can take place at the same time or else one after the other, wherein the cylinder deactivation or also the compression change can take place first. Due to the cylinder deactivation, there is a load point shift of the still operated cylinder, since the power output of the internal combustion engine is to be kept constant at a constant speed. According to the load point shift, the compression of the cylinders which are still operated is adjusted. If all cylinders were operated before cylinder deactivation with an optimum compression ratio for the load point in the partial load range, then the cylinders operated during cylinder deactivation continue to have their load increased, so that the compression ratio must be adjusted for optimum operation at an increased load point in the partial load range or full load range , There is a reduction in the compression ratio while increasing the air charge.
Alternativ kann für den Einsatz in dieselmotorisch betriebenen Brennkraftmaschinen die Variation des Verdichtungsverhältnisses der weiterhin betriebenen Zylinder bei Zylinderabschaltung in besonderer Weise so eingestellt werden, dass der gesamte Hubraum aller betriebenen Zylinder der Brennkraftmaschine mit und ohne Zylinderabschaltung zumindest annähernd gleich ist. So wird also der Hubraum der weiterhin betriebenen Zylinder während einer Zylinderabschaltung vergrößert, so dass die Summe des Hubraums der weiterhin betriebenen Zylinder der Summe des Hubraums beim Betrieb der Brennkraftmaschine ohne Zylinderabschaltung zumindest annähernd entspricht. Dazu wird der Hub unter Konstanthalten des Einzel kompressionsvolumens der weiterhin betriebenen Zylinder während einer Zylinderabschaltung entsprechend vergrößert, wodurch sich das Verdichtungsverhältnis erhöht. Diese Vorgehensweise zum Konstanthalten des Einzelkompressionsvolumens begründet sich aus der Abstimmung der Direkteinspritzung von Dieselkraftstoff und deren räumlichen Interaktion mit dem Kolben. Diese Interaktion in den weiterhin betriebenen Zylindern während einer Zylinderabschaltung sollte nicht verändert werden.Alternatively, for use in diesel engine-operated internal combustion engines, the variation of the compression ratio of the cylinders further operated at cylinder deactivation can be set in a special way so that the total displacement of all cylinders operated the engine with and without cylinder deactivation is at least approximately equal. Thus, the displacement of the cylinder continues to be operated during a cylinder shutdown is increased, so that the sum of the displacement of the cylinder continues to operate the sum of the displacement during operation of the internal combustion engine without cylinder shutdown at least approximately. For this purpose, the stroke is increased while keeping constant the individual compression volume of the cylinder continues to operate during a cylinder shutdown, thereby increasing the compression ratio. This procedure for keeping the individual compression volume constant is based on the coordination of the direct injection of diesel fuel and its spatial interaction with the piston. This interaction in the still-operated cylinders during cylinder deactivation should not be changed.
Weiterhin können die Ladungswechselverluste für die nach der Zylinderabschaltung weiterhin betriebenen Zylinder minimiert werden, indem die Hubcharakteristik der Gaswechselventile dem Lastpunkt angepasst werden um Entdrosselungseffekte zu nutzen. Dadurch erfolgt eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine.Furthermore, the charge cycle losses for the cylinders, which are still operated after the cylinder deactivation, can be minimized by adapting the stroke characteristics of the gas exchange valves to the load point in order to utilize dethrottling effects. This results in a further improvement of the efficiency of the internal combustion engine.
Die beiden Vorrichtungen zur Variation des Verdichtungsverhältnisses und der Hubcharakteristik der Gaswechselventile können unabhängig voneinander zur Optimierung des Betriebs der Brennkraftmaschine in Betriebspunkten, welche für eine Zylinderabschaltung ungeeignet sind, verwendet werden.The two devices for varying the compression ratio and the lift characteristic of the gas exchange valves can be used independently of each other for optimizing the operation of the internal combustion engine at operating points which are unsuitable for cylinder deactivation.
Ausführungsbeispiel OttobrennkraftmaschineEmbodiment Ottobrennkraftmaschine
Beispielhaft wird hier eine Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. In der dazugehörigen Figur zeigt:By way of example, an embodiment of the method according to the invention is shown here. In the accompanying figure shows:
In der Grafik ist der Verlauf des Verdichtungsverhältnisses (
Das Verfahren wird für eine fremdgezündete Vierzylinder-Brennkraftmaschine angewendet, welche mit einer Vorrichtung zur Variation des Verdichtungsverhältnisses (
Nachdem eine Zylinderabschaltung (
Dadurch stellt sich ein deutlich verbesserter Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine gegenüber dem vergleichbaren Teillastbetriebspunkt ohne Zylinderabschaltung (
Ausführungsbeispiel DieselbrennkraftmaschineExemplary diesel engine
Beispielhaft wird hier eine Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. In der dazugehörigen Figur zeigt:By way of example, an embodiment of the method according to the invention is shown here. In the accompanying figure shows:
In der Grafik ist der Verlauf des Verdichtungsverhältnisses (
Das Verfahren wird für eine selbstzündende Vierzylinder-Brennkraftmaschine angewendet, welche mit einer Vorrichtung zur Variation des Verdichtungsverhältnisses (
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1, 2, 3, 41, 2, 3, 4
- Zylindercylinder
- 55
- erste Gruppefirst group
- 66
- zweite Gruppesecond group
- 7.1, 7.2, 7.3, 7.47.1, 7.2, 7.3, 7.4
- Verdichtungsverhältniscompression ratio
- 88th
- ZeitTime
- 99
- Zylinderabschaltungcylinder deactivation
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |
Effective date: 20131228 |
|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |