DE102014207379A1 - Arrangement of internal combustion engine and control unit and method for operating an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Anordnung (1), vorzugsweise für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen Verbrennungsmotor (2), vorzugsweise einen fremdgezündeten Verbrennungsmotor, mit zumindest einem Zylinder (3) und zumindest einem Einlassventil (4) am Zylinder (3), einen variablen Ventiltrieb (5) zum Einstellen des Maximalhubes (24) des Einlassventils (4), eine Aufladevorrichtung (6), vorzugsweise einen Turbolader, zur Druckerhöhung der über das Einlassventil (4) einleitbaren Luft, ein Steuergerät (7) zum Ansteuern zumindest des Ventiltriebes (5), wobei das Steuergerät (7) zu Folgendem ausgebildet ist: Erfassen, ob der Verbrennungsmotor (2) in einem kritischen Kennfeldbereich betrieben wird, wobei der Kennfeldbereich durch einen Motorlastbereich und einen Motordrehzahlbereich definiert ist, und wobei in dem Kennfeldbereich bei Vollhub (8) ein vordefinierter Druckgradientgrenzwert (25) des Zylinderdruckgradienten in dem zumindest einen Zylinder (3) überschritten wird, und Einstellen des Maximalhubs auf einen reduzierten Maximalhub (9), der niedriger liegt als der Vollhub (8) und bei dem der Zylinderdruckgradient gleich oder niedriger dem Druckgradientgrenzwert (25) ist, wenn der Verbrennungsmotor (2) in dem kritischen Kennfeldbereich betrieben wird.The invention relates to an arrangement (1), preferably for a motor vehicle, comprising an internal combustion engine (2), preferably a spark ignition internal combustion engine, with at least one cylinder (3) and at least one inlet valve (4) on the cylinder (3), a variable valve train (3). 5) for adjusting the maximum stroke (24) of the inlet valve (4), a charging device (6), preferably a turbocharger, for increasing the pressure via the inlet valve (4) introducible air, a control device (7) for controlling at least the valve train (5) wherein the controller (7) is configured to: detect whether the engine (2) is operating in a critical map range, the map range being defined by an engine load range and an engine speed range, and wherein in the map range at full stroke (8) predefined pressure gradient limit value (25) of the cylinder pressure gradient in which at least one cylinder (3) is exceeded, and setting de s maximum lift to a reduced maximum lift (9) lower than full lift (8) and wherein the cylinder pressure gradient is equal to or lower than the pressure gradient limit (25) when operating the engine (2) in the critical map area.
Description
Vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung aus einem Verbrennungsmotor und einem zugehörigen Steuergerät, vorzugsweise für ein Fahrzeug. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb des Verbrennungsmotors.The present invention relates to an arrangement of an internal combustion engine and an associated control unit, preferably for a vehicle. Furthermore, the invention relates to a method for operating the internal combustion engine.
Bei aufgeladenen Verbrennungsmotoren, insbesondere bei Ottomotoren, mit variablem Ventiltrieb wird der Lufteinlasskanal für eine hohe Ladungsbewegung (Tumble) ausgelegt. Damit lässt sich die Verbrennung in der Teillast beschleunigen und der mögliche Restgasanteil erhöhen, um den Teillastwirkungsgrad zu steigern. Die schnellere Verbrennung führt bei niedrigen Motordrehzahlen und mittlerer Last im aufgeladenen Bereich zu hohen Zylinderdruckgradienten und damit zu einem harten Verbrennungsgeräusch. Als Kriterium zur Bewertung der Akustik kann der maximale Zylinderdruckgradient verwendet werden, der einen Grenzwert nicht überschreiten sollte. Ein später Zündwinkel oder ein später Einspritzbeginn bzw. eine Doppeleinspritzung können zur Abnahme des maximalen Zylinderdruckgradienten führen. Allerdings gehen diese Maßnahmen mit deutlichen Verbrauchsnachteilen und einer hoher Partikelemission einher.In turbocharged internal combustion engines, especially in gasoline engines, with variable valve train, the air inlet duct for a high charge movement (tumble) is designed. This can accelerate the combustion in the partial load and increase the possible residual gas content in order to increase the partial load efficiency. The faster combustion leads to high cylinder pressure gradients at low engine speeds and medium load in the charged area and thus to a hard combustion noise. As a criterion for the evaluation of the acoustics, the maximum cylinder pressure gradient should be used, which should not exceed a limit. A late ignition angle or a late injection start or a double injection can lead to a decrease in the maximum cylinder pressure gradient. However, these measures are associated with significant fuel consumption and high particulate emissions.
Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, einen Betrieb des Verbrennungsmotors mit möglichst geringer Geräuschentwicklung bei gleichzeitig optimalem Kraftstoffverbrauch und niedrigen Schadstoffemissionen zu ermöglichen und ein entsprechendes Verfahren anzugeben, um dieses Ziel zu erreichen.It is an object of the present invention to allow operation of the internal combustion engine with the lowest possible noise while optimally fuel consumption and low pollutant emissions and to provide a corresponding method to achieve this goal.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Die abhängigen Ansprüche haben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zum Gegenstand.The object is achieved by the features of the independent claims. The dependent claims relate to advantageous embodiments of the invention.
Somit wird die Aufgabe gelöst durch eine Anordnung, vorzugsweise für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen Verbrennungsmotor mit zumindest einem Zylinder und zumindest einem Einlassventil am Zylinder für die Ladeluft. Der Verbrennungsmotor ist insbesondere ein fremdgezündeter Verbrennungsmotor, vorzugsweise ein Ottomotor. Der Verbrennungsmotor weist einen variablen Ventiltrieb auf. Dieser dient zumindest zum Einstellen des Maximalhubes des Einlassventils. Des Weiteren kann mit dem variablen Ventiltrieb das Einlassventil auch entsprechend der Winkelstellung der Kurbelwelle bzw. der Phasenlage betätigt werden. Die Anordnung umfasst des Weiteren eine Aufladevorrichtung, vorzugsweise ausgebildet als Turbolader oder Kompressor, zur Druckerhöhung der über das Einlassventil einleitbaren Luft. Es handelt sich somit um einen aufgeladenen Verbrennungsmotor. Darüber hinaus umfasst die Anordnung ein Steuergerät, insbesondere ein Motorsteuergerät, zum Ansteuern zumindest des Ventiltriebes.Thus, the object is achieved by an arrangement, preferably for a motor vehicle, comprising an internal combustion engine with at least one cylinder and at least one inlet valve on the cylinder for the charge air. The internal combustion engine is in particular a spark-ignited internal combustion engine, preferably a gasoline engine. The internal combustion engine has a variable valve train. This serves at least for adjusting the maximum stroke of the intake valve. Furthermore, with the variable valve train, the inlet valve can also be actuated according to the angular position of the crankshaft or the phase position. The arrangement further comprises a charging device, preferably designed as a turbocharger or compressor, for increasing the pressure of the inlet valve via the inlet air. It is thus a supercharged combustion engine. In addition, the arrangement comprises a control unit, in particular an engine control unit, for controlling at least the valve train.
Das Steuergerät kann abhängig von der Motorlast und Drehzahl unter anderem den maximalen Einlassventilhub vorgeben und speziell bei akustisch kritischen Betriebszuständen den maximalen Zylinderdruckgradienten durch eine Reduzierung des Maximalhubes begrenzen. Der akustisch kritische Betriebszustand wir hier durch einen kritischen Kennfeldbereich vorgegeben.Among other things, the control unit can specify the maximum intake valve lift as a function of the engine load and engine speed and limit the maximum cylinder pressure gradient, especially in acoustically critical operating states, by reducing the maximum travel. The acoustically critical operating condition is specified here by a critical map range.
Das Steuergerät ist ausgebildet zum: Erfassen, ob der Verbrennungsmotor in dem kritischen Kennfeldbereich betrieben wird, wobei der Kennfeldbereich durch einen Motorlastbereich und einen Motordrehzahlbereich definiert ist, und wobei in dem Kennfeldbereich bei größtmöglichem Maximalhub ein vordefinierter Druckgradientgrenzwert des Zylinderdruckgradienten in dem zumindest einen Zylinder überschritten wird, und Einstellen des Maximalhubs auf einen reduzierten Maximalhub, der kleiner ist als der Vollhub (größtmöglicher Hub) und bei dem der Zylinderdruckgradient gleich oder niedriger dem Druckgradientgrenzwert ist, wenn der Verbrennungsmotor in dem kritischen Kennfeldbereich betrieben wird.The control unit is designed to: detect whether the internal combustion engine is operated in the critical map area, wherein the map area is defined by an engine load area and an engine speed range, and wherein in the map area at the maximum maximum stroke a predefined Druckgradientgrenzwert the cylinder pressure gradient is exceeded in the at least one cylinder and setting the maximum lift to a reduced maximum lift that is less than the full lift (maximum lift) and wherein the cylinder pressure gradient is equal to or less than the pressure gradient limit when the engine is operating in the critical map range.
Der entscheidende Vorteil bei Veränderung des Zylinderdruckgradienten mittels einer Reduzierung des Maximalhubes des Einlassventils ist, das dadurch nur geringe oder keine Funktionsnachteile hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemissionen entstehen. So ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass bei Betrieb des Verbrennungsmotors in dem kritischen Kennfeldbereich ein Einstellen des Maximalhubs des Einlassventils auf einen reduzierten Maximalhub erfolgt. Der reduzierte Maximalhub ist kleiner als der Vollhub.The decisive advantage of changing the cylinder pressure gradient by means of a reduction of the maximum lift of the intake valve is that there is little or no functional disadvantage in terms of fuel consumption and pollutant emissions. Thus, it is provided according to the invention that, during operation of the internal combustion engine in the critical map area, the maximum lift of the intake valve is set to a reduced maximum lift. The reduced maximum stroke is less than the full stroke.
Der hier definierte Vollhub (auch: größtmöglicher Maximalhub) ist der größte im gesamten Kennfeld des Verbrennungsmotors vorkommende Maximalhub. Insbesondere ist der Vollhub durch die Mechanik des variablen Ventiltriebes vorgegeben.The full stroke defined here (also: maximum possible maximum stroke) is the largest maximum stroke occurring in the entire map of the internal combustion engine. In particular, the full stroke is predetermined by the mechanics of the variable valve train.
Der Zylinderdruckgradient ist definiert als Änderung des Zylinderdrucks über der Kurbelwellenstellung. Als Einheit für den Zylinderdruckgradienten ergibt sich somit bar/°KW, mit °KW als Winkelposition der Kurbelwelle.The cylinder pressure gradient is defined as the change in cylinder pressure over the crankshaft position. As a unit for the cylinder pressure gradient thus results in bar / ° KW, with ° KW as the angular position of the crankshaft.
Durch die erfindungsgemäße Reduzierung des Maximalhubes wird die Ladungsbewegung verringert, um eine langsamere Verbrennung zu erreichen. Dadurch nimmt der maximale Zylinderdruckgradient ab und das Verbrennungsgeräusch wird leiser.By reducing the maximum stroke according to the invention, the charge movement is reduced in order to achieve a slower combustion. As a result, the maximum cylinder pressure gradient decreases and the combustion noise becomes quieter.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass im Steuergerät der Maximalhub des Einlassventils in einem über der Motorlast und Drehzahl aufgespannten Kennfeld abgelegt und im akustisch kritischen Betriebsbereichen reduziert wird. Weitere Parameter, die den maximalen Ventilhub beeinflussen, können die Umgebungsbedingen sein (Temperatur, relative Feuchte, Druck, Kraftstoffqualität, etc.) It is preferably provided that in the control unit, the maximum lift of the intake valve is stored in a characteristic field spanned over the engine load and speed and reduced in the acoustically critical operating ranges. Other parameters that influence the maximum valve lift may be the environmental conditions (temperature, relative humidity, pressure, fuel quality, etc.)
Wie eingangs beschrieben, liegt der akustisch kritische Kennfeldbereich bei niedrigen Motordrehzahlen und im mittleren Lastbereich. Insbesondere in diesen Bereichen treten die höchsten Zylinderdruckgradienten und somit die höchste Geräuschentwicklung auf. Der unterer Wert des Motordrehzahlbereichs des kritischen Kennfeldbereichs liegt vorteilhafterweise in etwa bei der Leerlaufdrehzahl, insbesondere bei 600 U/min bis 1000 U/min. Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass der obere Wert des Motordrehzahlbereichs des kritischen Kennfeldbereichs bei höchstens 60%, vorzugsweise bei höchstens 55%, der Maximaldrehzahl, liegt. Die Maximaldrehzahl ist die maximale im gesamten Kennfeld des Verbrennungsmotors auftretende Drehzahl. Insbesondere ist die Drehzahl des Verbrennungsmotors durch das Steuergerät auf diese Maximaldrehzahl begrenzt.As described above, the acoustically critical map range is at low engine speeds and in the middle load range. Especially in these areas occur the highest cylinder pressure gradient and thus the highest noise. The lower value of the engine speed range of the critical map range is advantageously approximately at the idling speed, in particular at 600 rpm to 1000 rpm. Furthermore, it is preferably provided that the upper value of the engine speed range of the critical map range is at most 60%, preferably at most 55%, of the maximum speed. The maximum speed is the maximum occurring in the entire map of the engine speed. In particular, the speed of the internal combustion engine is limited by the control unit to this maximum speed.
Die minimale Motorlast des kritischen Kennfeldbereichs ist bevorzugt der Beginn des aufgeladenen Bereichs mit einem effektiven Mitteldruck von vorzugsweise 8 bis 12 bar. Der obere Wert des Motorlastbereichs des kritischen Kennfeldbereichs liegt vorteilhafterweise bei 2/3 bis 3/4 der Volllast.The minimum engine load of the critical map area is preferably the beginning of the charged area with an effective mean pressure of preferably 8 to 12 bar. The upper value of the engine load range of the critical map range is advantageously 2/3 to 3/4 of the full load.
Der zulässige maximale Druckgradient richtet sich nach den akustischen Anforderungen und den Besonderheiten des Fahrzeugs. Der maximale Druckgradient sollte im akustisch kritischen Betriebsbereich des Motors 6 bar/°KW, vorzugsweise 5 bar/°KW, nicht überschreiten.The permissible maximum pressure gradient depends on the acoustic requirements and the specifics of the vehicle. The maximum pressure gradient should not exceed 6 bar / ° CA, preferably 5 bar / ° CA, in the acoustically critical operating range of the engine.
Um dieses Ziel zu erreichen, ist es bevorzugt vorgesehen, den maximalen Ventilhub in einzelnen Betriebsbereichen auf 60% bis 80%, vorzugsweise ca. 70%, des Vollhubs zu beschränken. Vorteilhafterweise wird den Intervallgrenzen des kritischen Kennfeldbereichs hin der maximale Ventilhub stetig bis zum Vollhub vergrößert.To achieve this goal, it is preferably provided to limit the maximum valve lift in individual operating ranges to 60% to 80%, preferably approximately 70%, of the full stroke. Advantageously, the maximum valve lift is continuously increased until the full stroke the interval limits of the critical map area.
Des Weiteren ist bevorzugt eine Einspritzvorrichtung am Zylinder vorgesehen, so dass der Verbrennungsmotor als direkteinspritzender Verbrennungsmotor ausgebildet ist.Furthermore, an injection device is preferably provided on the cylinder, so that the internal combustion engine is designed as a direct injection internal combustion engine.
Die Erfindung umfasst des Weiteren ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors, insbesondere des soeben beschriebenen Verbrennungsmotors. Das Verfahren wird insbesondere in einem Kraftfahrzeug eingesetzt. Das Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte: (i) Erfassen, ob der Verbrennungsmotor in einem kritischen Kennfeldbereich betrieben wird, wobei der Kennfeldbereich durch einen Motorlastbereich und einen Motordrehzahlbereich definiert ist, wobei in dem kritischen Kennfeldbereich eine Aufladung des Verbrennungsmotors mit Ladeluft erfolgt und wobei in dem Kennfeldbereich bei Vollhub eines Einlassventils ein Druckgradientgrenzwert des maximalen Zylinderdruckgradienten in zumindest einem Zylinder des Verbrennungsmotors überschritten wird, (ii) Einstellen des Maximalhubs auf einen reduzierten Maximalhub, der niedriger liegt als der Vollhub und bei dem der maximale Zylinderdruckgradient gleich oder niedriger dem Druckgradientgrenzwert ist, wenn der Verbrennungsmotor in dem kritischen Kennfeldbereich betrieben wird.The invention further includes a method for operating an internal combustion engine, in particular of the internal combustion engine just described. The method is used in particular in a motor vehicle. The method includes at least the following steps: (i) detecting whether the engine is operating in a critical map range, wherein the map range is defined by an engine load range and an engine speed range, wherein in the critical map range, the engine is supercharged with charge air, and wherein setting the maximum lift to a reduced maximum lift that is lower than the full lift and wherein the maximum cylinder pressure gradient is equal to or lower than the pressure gradient limit, setting the maximum lift to the maximum cylinder pressure gradient in full cylinder of an intake valve; when the engine is operating in the critical map area.
Die im Rahmen der Anordnung beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen und Unteransprüche finden entsprechend vorteilhafte Anwendung auf das erfindungsgemäße Verfahren.The advantageous embodiments described in the context of the arrangement and dependent claims find correspondingly advantageous application to the method according to the invention.
Im Rahmen des Verfahrens ist insbesondere vorgesehen, dass bei Betrieb des Verbrennungsmotors außerhalb des kritischen Kennfeldbereichs der Maximalhub höher liegt als der reduzierte Maximalhub. Wird bei niedriger Motordrehzahl die Motorlast durch den zunehmenden Ladedruck weiter gesteigert, so muss der Zündwinkel verringert werden, um klopfende Arbeitsspiele zu vermeiden. Damit wird der maximale Zylinderdruckgradient in diesem Betriebsbereich ohnehin reduziert und der Maximalhub des Einlassventils kann wieder vergrößert werden. Damit lässt sich der Verbrennungsmotor im Bereich der Volllastlinie thermodynamisch optimal einstellen und erreicht das maximal mögliche Drehmoment.In the context of the method, provision is made in particular for the maximum lift to be greater than the reduced maximum lift when the internal combustion engine is operating outside the critical characteristic area. If the engine load is further increased by the increasing charge pressure at low engine speed, the ignition angle must be reduced in order to avoid knocking cycles. Thus, the maximum cylinder pressure gradient is reduced in this operating range anyway and the maximum lift of the intake valve can be increased again. This allows the internal combustion engine to be thermodynamically optimally adjusted in the area of the full load line and achieves the maximum possible torque.
Mit steigender Motordrehzahl nimmt der maximale Zylinderdruckgradient ab, weil die Brenngeschwindigkeit unterproportional zunimmt und die Verbrennung bezogen auf die Winkelposition der Kurbelwelle langsamer wird. Entsprechend kann auch in diesem Bereich der Maximalhub vergrößert werden und die maximal mögliche Motorleistung kann ohne Drosselung durch den Ventilhub am Einlassventil eingestellt werden.With increasing engine speed, the maximum cylinder pressure gradient decreases because the combustion speed increases disproportionately and the combustion slows down with respect to the angular position of the crankshaft. Accordingly, the maximum stroke can be increased in this area and the maximum possible engine power can be adjusted without throttling by the valve lift on the inlet valve.
Ergänzend zu der beschriebenen Reduzierung des Zylinderdruckgradienten durch einen reduzierten Maximalhub des Einlassventils ist bevorzugt vorgesehen, den Zylinderdruckgradienten durch größere Ventilüberschneidungen und/oder durch einen späteren Zündwinkel und/oder eine Doppeleinspritzung zu reduzieren.In addition to the described reduction of the cylinder pressure gradient by a reduced maximum lift of the intake valve, it is preferably provided to reduce the cylinder pressure gradient by larger valve overlaps and / or by a later ignition angle and / or a double injection.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren:Further details, features and advantages of the invention will become apparent from the following description and the figures:
Im Folgenden wird eine Anordnung
Am Zylinder
Des Weiteren ist ein Steuergerät
Es handelt sich also um einen Verbrennungsmotor
In einem kritischen Kennfeldbereich, mit mittlerer Last und niedriger Drehzahl, wie im Folgenden anhand von
In dem Diagramm nach
Die dargestellten Zylinderdruckgradienten
Anhand von
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Anordnungarrangement
- 22
- Verbrennungsmotorinternal combustion engine
- 33
- Zylindercylinder
- 44
- Einlassventilintake valve
- 55
- variabler Ventiltriebvariable valve train
- 66
- Aufladevorrichtungcharging
- 77
- Steuergerätcontrol unit
- 88th
- Vollhub (größtmöglicher MaximalhubFull stroke (maximum possible maximum stroke
- 99
- reduzierter Maximalhubreduced maximum lift
- 1010
- EinspritzvorrichtungInjector
- 11–1711-17
- Werte des ZylinderdruckgradientenValues of the cylinder pressure gradient
- 1919
- MotordrehzahlEngine speed
- 2020
- MaximaldrehzahlMaximum speed
- 2121
- Motorlastengine load
- 2222
- Volllast (Maximallast)Full load (maximum load)
- 2323
- Zylinderdruckgradientcylinder pressure gradient
- 2424
- Maximalhubmaximum stroke
- 2525
- DruckgradientgrenzwertDruckgradientgrenzwert
- 2626
- Auslassventiloutlet valve
- 2727
- Zündkerzespark plug
Claims (9)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE102014207379.0A DE102014207379A1 (en) | 2014-04-17 | 2014-04-17 | Arrangement of internal combustion engine and control unit and method for operating an internal combustion engine |
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DE102014207379.0A DE102014207379A1 (en) | 2014-04-17 | 2014-04-17 | Arrangement of internal combustion engine and control unit and method for operating an internal combustion engine |
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ID=54249903
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102014207379.0A Pending DE102014207379A1 (en) | 2014-04-17 | 2014-04-17 | Arrangement of internal combustion engine and control unit and method for operating an internal combustion engine |
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2014
- 2014-04-17 DE DE102014207379.0A patent/DE102014207379A1/en active Pending
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