DE102013009227A1

DE102013009227A1 - Valve control method for internal combustion engine

Info

Publication number: DE102013009227A1
Application number: DE102013009227.2A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-05-31
Filing date: 2013-05-31
Publication date: 2014-12-04
Also published as: DE102013009227A9

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung von Ventilen einer Hubkolbenverbrennungskraftmaschine. Die Maschine verfügt über mehrere Ventile pro Zylinder, insbesondere über mindestens zwei Einlassventile, und mindestens 1 oder 2 Auslassventile. Die Ventile sind einzeln abschaltbar, d. h. die Übertragung der Nockenwelle auf das Ventil kann unterbrochen werden. Damit ist es möglich, den Motor wahlweise im Zwei-, Drei- oder Vierventilbetrieb zu betreiben. Außerdem ist ein Abschalten der Zylinder durch Abschalten der entsprechenden Ventile in beliebiger Konstellation und Anzahl möglich. Ebenso ist eine beliebige Kombination von Abschaltung und Zwei-, Drei- und Vierventilbetrieb möglich.The invention relates to a method for controlling valves of a reciprocating internal combustion engine. The machine has several valves per cylinder, in particular at least two inlet valves and at least 1 or 2 outlet valves. The valves can be switched off individually, i. H. the transmission of the camshaft to the valve can be interrupted. This makes it possible to operate the engine either in two-, three- or four-valve operation. In addition, the cylinders can be switched off by switching off the corresponding valves in any constellation and number. Any combination of shutdown and two-, three- and four-valve operation is also possible.

Description

Stand der Technik:State of the art:

Moderne Benzin- und Dieselmotoren verfügen über vier Ventile. Die beiden Einlass- und die beiden Auslassventile werden, von wenigen Ausnahmen abgesehen, gleichzeitig von einem einzelnen Nocken betätigt.Modern gasoline and diesel engines have four valves. The two intake and two exhaust valves are, with few exceptions, operated simultaneously by a single cam.

Fast alle Motoren verfügen über Vorrichtungen zur Verstellung der Ventilsteuerzeiten. Die ist erforderlich, um bei niedrigen Drehzahlen ein hohes Drehmoment bei einem guten Wirkungsgrad, und gleichzeitig bei höheren Drehzahlen eine hohe Leistung zu erhalten.Almost all engines have devices for adjusting the valve timing. This is necessary in order to obtain a high torque at low speeds with a good efficiency, and at the same time at higher speeds to achieve high performance.

Ferner gibt es einige Motoren, bei denen vom Vierventilbetrieb auf Zweiventilbetrieb umgeschaltet werden kann. Der Zweiventilbetrieb deckt den Bereich niedriger Drehzahl ab und soll hier ein hohes Drehmoment gewährleisten. Der Vierventilbetrieb ist den hohen Drehzahlen bei hoher Leistung vorbehalten.Furthermore, there are some engines in which the four-valve operation can be switched to two-valve operation. The two-valve operation covers the range of low speed and is here to ensure high torque. Four-valve operation is reserved for high speeds at high power.

Eine vereinzelt realisierte Technik ist die Ventilhubsteuerung. Die Motivation auch bei dieser Technik ist die Verbesserung des nutzbaren Drehzahlbandes. Kleine Hübe decken den Bereich niedriger Drehzahlen und Drehmomente ab, Hohe Drehmomente und Leistungen benötigen große Hübe.One isolated technique is the valve lift control. The motivation also with this technique is the improvement of the usable speed range. Small strokes cover the range of low speeds and torques. High torques and power require large strokes.

Trotz des hohen technischen Aufwandes sind die drei geschilderten Methoden nicht in der Lage, für jeden Fahrzustand den bestmöglichen Wirkungsgrad sicherzustellen. Dazu liegen, vor allem bei Motoren mit hoher Leistung, die Betriebspunkte und der Bestpunkt zu weit auseinander.Despite the high technical complexity of the three methods described are not able to ensure the best possible efficiency for each driving condition. These are, especially in engines with high power, the operating points and the best point too far apart.

Eine Technik zur Verbrauchsreduzierung ist die sog. Zylinderabschaltung. Dabei bleiben bei Vierzylindermotoren bei zwei Zylindern die Ventile geschlossen, bei V6- oder V8-Motoren wird in der Regel eine komplette Zylinderbank abgeschaltet. Durch das Schließen der Ventile findet an diesen Zylindern kein Gasdurchsatz mehr statt, wodurch das Schleppmoment stark zurückgeht. Die übrigen Zylinder müssen die Leistung der abgeschalteten Zylinder übernehmen, und nähern sich dem Bestpunkt stärker an.One technique for reducing fuel consumption is the so-called cylinder deactivation. In the case of four-cylinder engines with two cylinders, the valves remain closed; in the case of V6 or V8 engines, as a rule, a complete cylinder bank is switched off. By closing the valves no gas throughput takes place at these cylinders, whereby the drag torque decreases sharply. The remaining cylinders must take over the power of the deactivated cylinders, and approach the best point more.

Auch diese Methode ist aufwändig und nicht optimal, da von vier Zylindern nur jeweils dieselben zwei abgeschaltet werden können, bzw. drei von sechs und vier von acht. Es ist also nicht möglich, von vier Zylindern situativ einen, zwei, drei oder sogar alle vier abzuschalten. Außerdem treten thermische Spannungen zwischen den abgeschalteten und den arbeitenden Zylindern auf.Again, this method is laborious and not optimal, since only four of the same two cylinders can be switched off, three out of six and four out of eight. It is therefore not possible to switch off one, two, three or even all four of four cylinders in situ. In addition, thermal stresses occur between the deactivated and working cylinders.

Eine weitere verbrauchssenkende Technik ist das sog. Segeln. Dabei wird verhindert, dass der Verbrennungsmotor mit seinem Schleppmoment kinetische Energie vernichtet, indem er vom Antriebsstrang abgekoppelt wird. Das dabei gewonnene Drehmoment wird bei Hybridfahrzeugen zur Rekuperation verwendet.Another consumption-reducing technique is the so-called sailing. This prevents the internal combustion engine with its drag torque from killing kinetic energy by being decoupled from the drive train. The gained torque is used in hybrid vehicles for recuperation.

Auch diese Technik ist aufwendig und äußerst anspruchsvoll, will man Stöße und Ruckeln beim An- und Abkoppeln des Verbrennungsmotors vermeiden.This technique is complex and extremely demanding if you want to avoid shocks and jerks when connecting and disconnecting the internal combustion engine.

Vorteile der Erfindung:Advantages of the invention:

Die Erfindung gewährleistet, dass in nahezu jedem beliebigen Fahrzustand der Motor in unmittelbarer Nähe des Bestpunktes betrieben werden kann. Außerdem sind mit ein und derselben Technik beliebige Zylinderabschaltungen, Zweiventilbetrieb und Segeln möglich. Außerdem ist eine Verbesserung des Bestpunktes ohne Kompromisse möglich. Steuerzeitenverstellungen und Ventilhubsteuerungen können (wahlweise) entfallen. Für das Segeln ist kein zusätzlicher Aufwand erforderlich.The invention ensures that in almost any state of driving the engine can be operated in the immediate vicinity of the best point. In addition, with the same technology any cylinder shutdown, Zweiventilbetrieb and sailing are possible. In addition, an improvement of the best point without compromise is possible. Timing adjustments and valve lift controls may be omitted (optional). For sailing, no additional effort is required.

Funktionsweise:Functionality:

Basis der Erfindung sind Verbrennungsmotoren mit beliebiger Zylinderanzahl und Anordnung und beliebigem Brennverfahren (Benzin, Diesel, Gas, Wasserstoff), sowie mit mindestens zwei Einlassventilen pro Zylinder, und einem oder mehreren Auslassventilen. Weiterhin verfügen sämtliche Ventile über eine Vorrichtung zum gesteuerten, unabhängigen Abschalten, der sog. Einzelventilabschaltung. Zur Einzelventilabschaltung existieren verschiedene Ansätze, elektromechanisch, elektromagnetisch oder hydraulisch. Das Prinzip der Abschaltung spielt für die Erfindung keine Rolle.Basis of the invention are internal combustion engines with any number of cylinders and arrangement and any combustion process (gasoline, diesel, gas, hydrogen), as well as with at least two intake valves per cylinder, and one or more exhaust valves. Furthermore, all valves have a device for controlled, independent shutdown, the so-called. Single valve shutdown. For individual valve deactivation exist various approaches, electromechanical, electromagnetic or hydraulic. The principle of shutdown plays no role for the invention.

1 zeigt schematisch einen derartigen Motor in Gestalt eines Vierzylindermotors mit je zwei Einlass- und Auslassventilen. Im Normalfall werden sämtliche Einlassventile von einer einzigen Nockenwelle im Gleichtakt betätigt, ebenso wie sämtliche Auslassventile. 1 zeigt diesen Normalzustand. 1 schematically shows such an engine in the form of a four-cylinder engine with two intake and exhaust valves. Normally, all intake valves are actuated by a single camshaft in common mode, as are all exhaust valves. 1 shows this normal state.

Das Prinzip der Einzelventilabschaltung ermöglicht eine einfache Umsetzung unterschiedlichster Ansteuerungsvarianten.The principle of individual valve deactivation enables simple implementation of a wide variety of control variants.

2 zeigt den Zweiventilbetrieb durch Abschalten je eines Ein- und Auslassventils pro Zylinder. 2 shows the two-valve operation by switching off each one inlet and outlet valve per cylinder.

3 zeigt den Betrieb mit zwei aktiven und zwei abgeschalteten Zylindern, wobei die aktiven Zylinder sinnvoller Weise im Zweiventilbetrieb arbeiten. 3 shows the operation with two active and two cylinders switched off, the active cylinder meaningfully work in two-valve operation.

Im Gegensatz zur herkömmlichen Zylinderabschaltung können die aktiven und passiven Zylinder wechseln, wie in 4 dargestellt. Damit vermeidet man thermische Spannungen.In contrast to the conventional cylinder deactivation, the active and passive cylinders can change, as in 4 shown. This avoids thermal stresses.

Natürlich ist es möglich, sämtliche Zylinder gleichzeitig abzustellen. 5 zeigt diesen Zustand, der sich aufgrund seines minimalen Schleppmomentes ausgezeichnet zum Segeln und für Rekuperation eignet. diese Form der Schleppmomentvermeidung ist dem üblichen Verfahren der Trennung des Antriebstranges aus mehreren Gründen deutlich überlegen, die aber nicht Gegenstand der Erfindung sind.Of course it is possible to turn off all cylinders at the same time. 5 shows this condition, which is perfectly suited for sailing and recuperation due to its minimal drag torque. This form of Schleppmomentvermeidung is clearly superior to the usual method of separation of the drive train for several reasons, but which are not the subject of the invention.

6 zeigt eine weitere Variante, nämlich die Kombination von Zwei- und Vierventilbetrieb. Zwei Zylinder arbeiten mit vier Ventilen (2 + 3), die beiden anderen mit zwei Ventilen (1 + 4). 6 shows a further variant, namely the combination of two- and four-valve operation. Two cylinders work with four valves (2 + 3), the other two with two valves (1 + 4).

Weitere Ventilsteuerungsvarianten sind möglich, aber nicht im Bild dargestellt, z. B. die Abschaltung von drei Zylindern, und der Betrieb mit nur einem aktiven Zylinder. Die Art und Weise der Ventilansteuerung richtet sich immer nach dem Bestreben, dem optimalen Betriebspunkt in jeder Fahrsituation möglichst nahe zu kommen.Other valve control variants are possible, but not shown in the picture, z. B. the shutdown of three cylinders, and the operation with only one active cylinder. The way in which the valve is actuated always depends on the endeavor to come as close as possible to the optimum operating point in every driving situation.

Damit sind die Möglichkeiten der Einzelventilabschaltung noch nicht ausgeschöpft. Ein noch größeres Potential, den Wirkungsgrad im optimalen Betriebspunkt zu verbessern, und den Motor häufiger in der Nähe des Betriebspunktes zu betreiben bietet die Anordnung nach 7. Dabei bekommt jedes Einlassventil einen eigenen Ansaugkanal. Dies ermöglicht eine unterschiedliche Abstimmung und Optimierung. Beispielsweise wird eine Hälfte auf hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen und damit verbrauchsorientiert ausgelegt. Die andere Hälfte wird auf Hochleistung bei hohen Drehzahlen getrimmt. Der Vorteil dieses Ansteuerverfahrens ist, dass kein Kompromiss geschlossen werden muss, sondern jeder Zweig für sich optimal abgestimmt werden kann.Thus, the possibilities of individual valve shutdown are not yet exhausted. An even greater potential to improve the efficiency at the optimum operating point, and to operate the engine more often near the operating point provides the arrangement after 7 , Each intake valve gets its own intake channel. This allows different coordination and optimization. For example, one half is designed for high torque at low speeds and therefore consumption-oriented. The other half is trimmed to high performance at high speeds. The advantage of this driving method is that no compromise has to be made, but each branch can be optimally tuned for itself.

8 zeigt schematisch den Zweiventilbetrieb auf der Drehmomentseite. Die Ventile der Leistungsseite sind stillgelegt. Die Abstimmung auf hohe Drehmomente und geringe Gasverluste erfolgt durch lange Saugrohre und geringe Ventilüberschneidungen. 8th schematically shows the two-valve operation on the torque side. The valves on the power side are shut down. The tuning to high torques and low gas losses is achieved by long suction pipes and low valve overlaps.

9 bildet die Alternative ab. Hohe Leistung bei hohen Drehzahlen erfordert große Ansaugquerschnitte, kurze Saugrohre, große Ventilhübe und großen Überschneidungen. 9 makes the alternative. High power at high speeds requires large intake cross sections, short intake manifolds, large valve strokes and large overlaps.

Selbstverständlich ist, wie in 10 dargestellt, ein paralleler Betrieb der beiden Seiten bei höchster Leistungsanforderung möglich.Of course, as in 10 shown, a parallel operation of the two sides with the highest power requirement possible.

11 zeigt die Zylinderabschaltung analog 3, wobei bei den aktiven Zylindern die drehmomentoptimierte Seite zum Einsatz kommt. Auch hier ist natürlich ein Wechsel zwischen aktiven und passiven Zylindern möglich, ebenso wie das beliebige Abschalten eines, mehrerer oder aller Zylinder. 11 shows the cylinder shutdown analog 3 , where the active cylinders with the torque-optimized side is used. Again, of course, a change between active and passive cylinders is possible, as well as the arbitrary shutdown of one, several or all cylinders.

Aus der Vielzahl an möglichen Ventilsteuerungsvarianten wird in 12 nur noch eine weitere schematisch dargestellt. Es handelt sich um die Kombination von vier drehmomentoptimierten Ansaugkanälen mit zwei leistungsoptimierten. Die jeweilige Schaltstrategie ist danach ausgerichtet, dem Bestpunkt möglichst nahe zu kommen.From the multitude of possible valve control variants is in 12 only one more is shown schematically. It is the combination of four torque-optimized intake ducts with two performance-optimized ones. The respective shift strategy is designed to come as close as possible to the best point.

In den Schemazeichnungen sind die Ventile alle gleich groß gezeichnet. In der Praxis kann man entscheiden, ob man die Ventile der Drehmomentseite etwas kleiner wählt, und dafür die Ventile der Leistungsseite etwas größer.In the diagrams the valves are all drawn the same size. In practice, you can decide whether to choose the valves of the torque side slightly smaller, and for the valves on the power side slightly larger.

Außerdem kann man, solange man auf getrennte Abgasführungen verzichtet, die beiden Auslassventile durch ein einziges ersetzen, wie es in 13 dargestellt ist. Das reduziert den mechanischen Aufwand.In addition, as long as you dispense with separate exhaust ducts, you can replace the two exhaust valves with a single, as in 13 is shown. This reduces the mechanical effort.

Wenn aber auch abgasseitig die Unterschiede zwischen Drehmoment und Leistung berücksichtigt werden sollen, kann man auch die Auslasskanäle ebenso wie die Ansaugkanäle trennen. Beispielsweise kann man die Rohrlängen des Abgaskrümmers entsprechend anpassen und mit einer vier-in-zwei-in-eins Anordnung eine optimale Stoßaufladung erreichen. Diese Varianten sind nicht dargestellt.However, if the differences between torque and power should also be taken into account on the exhaust side, one can also separate the exhaust ports as well as the intake ports. For example, you can adjust the pipe lengths of the exhaust manifold accordingly and achieve with a four-in-two-in-one arrangement an optimal shock charging. These variants are not shown.

14 zeigt prinzipiell die Gestaltung der Ventilerhebungen für optimales Drehmoment und optimale Leistung. Relativ kleine Ventilhübe auf der Drehmomentseite bewirken hohe Strömungsgeschwindigkeiten, und geringe Überschneidungen verhindern Gasverluste und verbessern den Wirkungsgrad. Umgekehrt führen große Ventilhübe und Überschneidungen auf der Leistungsseite eine gute Füllung und damit Leistung bei hohen Drehzahlen. 14 shows in principle the design of the valve lifts for optimum torque and optimum performance. Relatively small valve lifts on the torque side cause high flow rates, and low overlaps prevent gas losses and improve efficiency. Conversely, large valve lifts and overlaps on the power side result in good filling and thus high-speed performance.

Claims

Method for controlling valves of a reciprocating internal combustion engine with multiple valves, each of which can be switched on and off as desired and independently of the other. The method is characterized in that operation is achieved by defined combinations of on and off valves in each driving state possible in the optimal efficiency range of the internal combustion engine.

A method according to claim 1, characterized in that the two intake ports of a Cylinders are designed with two inlet valves separated, and therefore separately or jointly controllable.

A method according to claim 2, characterized in that the two exhaust valves of a four-valve cylinder are replaced by a single exhaust valve.

A method according to claim 2, characterized in that in a four-valve cylinder with two exhaust valves, the two outlet channels are designed separately, and therefore separately or jointly can be controlled.