DE102015210987A1 - Charged spark-ignition internal combustion engine with knock control and method for operating such an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Aufgeladene fremdgezündete Brennkraftmaschine mit – mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens einem Zylinder, wobei jeder Zylinder mindestens zwei Einlassöffnungen zum Zuführen von Ladeluft und mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aufweist, – mindestens einer Drosselklappe, die im Ansaugsystem angeordnet ist, – mindestens einem Abgasturbolader, und – einer Klopfregelung, die eine zur Vermeidung von Klopfen erforderliche Zündspätverstellung ∆ignition als Ausgangssignal liefert und bereitstellt, bei der – mindestens zwei zumindest teilweise variable Ventiltriebe vorgesehen sind mit mindestens zwei Ventilen, die zwischen einer Ventilschließstellung und einer Ventiloffenstellung bewegbar sind, um die mindestens zwei Einlassöffnungen des mindestens einen Zylinders freizugeben bzw. zu versperren, mit Ventilfedermitteln, um die Ventile in Richtung Ventilschließstellung vorzuspannen, und mit mindestens zwei Betätigungseinrichtungen, um die Ventile entgegen der Vorspannkraft der Ventilfedermittel zu öffnen, wobei jede Betätigungseinrichtung einen auf einer Nockenwelle angeordneten Nocken umfasst, der bei umlaufender Nockenwelle mit mindestens einem Nockenfolgeelement in Eingriff bringbar ist, wodurch das zugehörige Ventil betätigbar ist, und die Nocken der mindestens zwei Betätigungseinrichtungen der mindestens zwei zumindest teilweise variablen Ventiltriebe relativ zueinander verdrehbar sind, und – jeder Zylinder ein geometrisches Kompressionsverhältnis εgeo ≥ 11 aufweist.A supercharged spark-ignition internal combustion engine with - at least one cylinder head with at least one cylinder, each cylinder having at least two inlet openings for supplying charge air and at least one outlet opening for discharging the exhaust gases, - at least one throttle valve disposed in the intake system, - at least one exhaust gas turbocharger, and - A knock control, which provides a necessary to avoid knock Zündspätverstellung Δignition as an output signal and provides, in which - at least two at least partially variable valve trains are provided with at least two valves which are movable between a valve closed position and a valve open position to the at least two To open or obstruct inlet openings of the at least one cylinder, with valve spring means to bias the valves in the direction of valve closing position, and with at least two actuators to the valves en open against the biasing force of the valve spring means, each actuator comprises a arranged on a camshaft cam, which is engageable with at least one cam follower element in circumferential cam, whereby the associated valve is actuated, and the cams of the at least two actuators of the at least two at least partially variable valve trains are rotatable relative to each other, and - each cylinder has a geometric compression ratio εgeo ≥ 11.
Description
Die Erfindung betrifft eine aufgeladene fremdgezündete Brennkraftmaschine mit
- – mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens einem Zylinder, wobei jeder Zylinder mindestens zwei Einlassöffnungen zum Zuführen von Ladeluft via Ansaugsystem und mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem aufweist,
- – mindestens einer Drosselklappe, die im Ansaugsystem angeordnet ist und der Laststeuerung dient,
- – mindestens einem Abgasturbolader, wobei jeder Abgasturbolader eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst, und
- – einer Klopfregelung, die eine zur Vermeidung von Klopfen erforderliche Zündspätverstellung ∆ignition als Ausgangssignal liefert und bereitstellt.
- At least one cylinder head with at least one cylinder, each cylinder having at least two inlet openings for supplying charge air via the intake system and at least one outlet opening for discharging the exhaust gases via the exhaust removal system,
- At least one throttle valve, which is arranged in the intake system and serves the load control,
- At least one exhaust gas turbocharger, each exhaust gas turbocharger comprising a turbine arranged in the exhaust gas removal system and a compressor arranged in the intake system, and
- - A knock control, which provides an ignition delay required to prevent knock Δ ignition as an output signal and provides.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine, wobei jeder Zylinder zwei Einlassöffnungen zum Zuführen von Ladeluft via Ansaugsystem aufweist.Furthermore, the invention relates to a method for operating such an internal combustion engine, wherein each cylinder has two inlet openings for supplying charge air via the intake system.
Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird als Antrieb für Kraftfahrzeuge eingesetzt und beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift
Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und mindestens einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung des mindestens einen Zylinders bzw. Brennraums miteinander verbunden werden. Der Zylinderblock weist zur Aufnahme der Kolben bzw. der Zylinderrohre eine entsprechende Anzahl an Zylinderbohrungen auf. Der Zylinderkopf dient üblicherweise zur Aufnahme des Ventiltriebs. Um den Ladungswechsel zu steuern, benötigt eine Brennkraftmaschine Steuerorgane und Betätigungseinrichtungen zur Betätigung der Steuerorgane. Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Ausschieben der Verbrennungsgase über die Auslassöffnungen und das Füllen des Brennraums mit Ladeluft über die Einlassöffnungen. Zur Steuerung des Ladungswechsels werden bei Viertaktmotoren nahezu ausschließlich Hubventile als Steuerorgane verwendet, die während des Betriebs der Brennkraftmaschine eine oszillierende Hubbewegung ausführen und auf diese Weise die Ein- und Auslaßöffnungen freigeben und verschließen. Die für die Bewegung eines Ventils erforderliche Betätigungseinrichtung einschließlich des Ventils selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet.Internal combustion engines have a cylinder block and at least one cylinder head, which are connected to form the at least one cylinder or combustion chamber. The cylinder block has a corresponding number of cylinder bores for receiving the pistons or the cylinder tubes. The cylinder head is usually used to hold the valve train. To control the charge cycle, an internal combustion engine requires controls and actuators to operate the controls. As part of the change of charge, the combustion gases are pushed out via the outlet openings and the combustion chamber is filled with charge air via the inlet openings. To control the charge cycle four-stroke engines almost exclusively lift valves are used as control members that perform an oscillating lifting movement during operation of the internal combustion engine and thus release the inlet and outlet ports and close. The required for the movement of a valve actuator including the valve itself is referred to as a valve train.
Eine Betätigungseinrichtung umfasst eine Nockenwelle, auf der mindestens ein Nocken angeordnet ist. Grundsätzlich wird zwischen einer untenliegenden Nockenwelle und einer obenliegenden Nockenwelle unterschieden. Dabei wird Bezug genommen auf die Trennebene zwischen Zylinderkopf und Zylinderblock. Liegt die Nockenwelle oberhalb dieser Trennebene handelt es sich um eine obenliegende Nockenwelle, andernfalls um eine untenliegende Nockenwelle.An actuating device comprises a camshaft on which at least one cam is arranged. Basically, a distinction is made between an underlying camshaft and an overhead camshaft. In this case, reference is made to the parting line between the cylinder head and cylinder block. If the camshaft is above this parting line, it is an overhead camshaft, otherwise a camshaft underneath.
Obenliegende Nockenwellen werden ebenfalls im Zylinderkopf gelagert, wobei ein Ventiltrieb mit obenliegender Nockenwelle als weiteres Ventiltriebsbauteil einen Schwinghebel, einen Schlepphebel, einen Kipphebel und/oder einen Stößel aufweisen kann. Diese Nockenfolgeelemente liegen im Kraftfluss zwischen Nocken und Ventil.Overhead camshafts are likewise mounted in the cylinder head, wherein a valve drive with an overhead camshaft as a further valve drive component may have a rocker arm, a rocker arm, a rocker arm and / or a plunger. These cam follower elements are located in the power flow between cam and valve.
Es ist die Aufgabe des Ventiltriebes die Einlassöffnungen bzw. Auslassöffnungen eines Zylinders rechtzeitig freizugeben bzw. zu schließen, wobei eine schnelle Freigabe möglichst großer Strömungsquerschnitte angestrebt wird, um die Drosselverluste in den ein- bzw. ausströmenden Gasströmungen gering zu halten und eine möglichst gute Füllung des Zylinders bzw. ein vollständiges Abführen der Abgase zu gewährleisten. Nach dem Stand der Technik wird ein Zylinder daher auch häufig und zunehmend mit zwei oder mehr Einlass- bzw. Auslassöffnungen ausgestattet.It is the task of the valve drive to open or close the inlet openings or outlet openings of a cylinder in good time, with a quick release of the largest possible flow cross sections is sought to keep the throttle losses in the incoming and outflowing gas flows low and the best possible filling of the Cylinder or a complete discharge of the exhaust gases to ensure. In the prior art, therefore, a cylinder is also frequently and increasingly equipped with two or more inlet and outlet ports.
Bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen ist es ein grundsätzliches Ziel, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, wobei ein verbesserter Gesamtwirkungsgrad im Vordergrund der Bemühungen steht.In the development of internal combustion engines, it is a fundamental goal to minimize fuel consumption, with an improved overall efficiency in the foreground of the efforts.
Problematisch sind der Kraftstoffverbrauch und damit der Wirkungsgrad insbesondere bei Ottomotoren, d. h. bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen. Der Grund hierfür liegt im prinzipiellen Arbeitsverfahren des Ottomotors. Die Laststeuerung erfolgt in der Regel mittels einer im Ansaugsystem vorgesehenen Drosselklappe. Durch Verstellen der Drosselklappe kann der Druck der angesaugten Luft hinter der Drosselklappe mehr oder weniger stark reduziert werden. Je weiter die Drosselklappe geschlossen ist, d. h. je mehr diese das Ansaugsystem versperrt, desto höher ist der Druckverlust der angesaugten Luft über die Drosselklappe hinweg und desto geringer ist der Druck der angesaugten Luft stromabwärts der Drosselklappe und vor dem Einlass in den mindestens einen Zylinder, d. h. Brennraum. Bei konstantem Brennraumvolumen kann auf diese Weise über den Druck der angesaugten Luft die Luftmasse, d. h. die Quantität eingestellt werden. Dies erklärt auch, weshalb sich die Quantitätsregelung gerade im Teillastbetrieb als nachteilig erweist, denn geringe Lasten erfordern eine hohe Drosselung und Druckabsenkung im Ansaugsystem, wodurch die Ladungswechselverluste mit abnehmender Last und zunehmender Drosselung steigen.The fuel consumption and thus the efficiency are particularly problematic in gasoline engines, ie in spark-ignition internal combustion engines. The reason for this lies in the basic working method of the gasoline engine. The load control is usually carried out by means of a throttle valve provided in the intake system. By adjusting the throttle, the pressure of the intake air behind the throttle valve can be reduced more or less. The farther the throttle is closed, that is, the more it blocks the intake system, the higher is the pressure loss of the intake air across the throttle and the lower the pressure of the intake air downstream of the throttle and before the intake into the at least one cylinder, ie combustion chamber. With constant combustion chamber volume can up This way, the air mass, ie the quantity, can be adjusted via the pressure of the air sucked in. This also explains why the quantity control proves to be disadvantageous especially in part-load operation, because low loads require high throttling and pressure reduction in the intake system, whereby the charge exchange losses increase with decreasing load and increasing throttling.
Um die beschriebenen Verluste zu senken, wurden verschiedene Strategien zur Entdrosselung eines Ottomotors entwickelt.To reduce the losses described, various strategies for de-throttling a gasoline engine have been developed.
Ein Lösungsansatz zur Entdrosselung des Ottomotors ist beispielsweise ein ottomotorisches Arbeitsverfahren mit Direkteinspritzung. Die direkte Einspritzung des Kraftstoffes ist ein geeignetes Mittel zur Realisierung einer geschichteten Brennraumladung. Die Direkteinspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum ermöglicht damit in gewissen Grenzen eine Qualitätsregelung beim Ottomotor. Die Gemischbildung erfolgt durch direkte Einspritzung des Kraftstoffes in den Zylinder bzw. in die in dem Zylinder befindliche Luft und nicht durch äußere Gemischbildung, bei der der Kraftstoff im Ansaugsystem in die angesaugte Luft eingebracht wird.One approach to dethrottling the gasoline engine is, for example, an Otto engine working method with direct injection. The direct injection of the fuel is a suitable means for realizing a stratified combustion chamber charge. The direct injection of the fuel into the combustion chamber thus allows within certain limits a quality control of the gasoline engine. The mixture formation takes place by direct injection of the fuel into the cylinder or into the air in the cylinder and not by external mixture formation, in which the fuel is introduced in the intake system in the intake air.
Ein weiterer Lösungsansatz, den Verbrennungsprozess eines Ottomotors zu optimieren, besteht in der Verwendung eines zumindest teilweise variablen Ventiltriebs. Im Gegensatz zu konventionellen Ventiltrieben, bei denen sowohl der Hub der Ventile als auch die Steuerzeiten nicht veränderlich sind, können diese den Verbrennungsprozess und damit den Kraftstoffverbrauch beeinflussenden Parameter mittels variabler Ventiltriebe mehr oder weniger stark variiert werden. Eine drosselfreie und damit verlustfreie Laststeuerung ist bereits möglich, wenn der Ventiltrieb teilweise variabel bzw. schaltbar ist und beispielsweise die Schließzeit des Einlassventils und der Einlassventilhub variiert werden können. Die während des Ansaugvorganges in den Brennraum einströmende Gemischmasse bzw. Ladeluftmasse wird dann nicht mittels Drosselklappe, sondern über den Einlassventilhub und die Öffnungsdauer des Einlassventils gesteuert. Voll variable Ventiltriebe sind sehr kostenintensiv, weshalb häufig teilweise variable oder schaltbare Ventiltriebe zum Einsatz kommen. Die schaltbaren Ventiltriebe werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung als teilweise variable Ventiltriebe angesehen.Another approach to optimize the combustion process of a gasoline engine is to use an at least partially variable valve train. In contrast to conventional valve trains, in which both the stroke of the valves and the control times are not variable, these parameters influencing the combustion process and thus the fuel consumption can be varied more or less by means of variable valve trains. A throttle-free and therefore lossless load control is already possible if the valve train is partially variable or switchable and, for example, the closing time of the intake valve and the intake valve can be varied. The mixture mass or charge air mass flowing into the combustion chamber during the intake process is then not controlled by means of a throttle valve, but via the intake valve stroke and the opening duration of the intake valve. Fully variable valve trains are very costly, which is why sometimes variable or switchable valve trains are often used. The switchable valve trains are considered in the context of the present invention as partially variable valve trains.
Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang auch, dass der Wirkungsgrad η des Ottomotors mit dem Kompressionsverhältnis ε zumindest näherungsweise korreliert. D. h. der Wirkungsgrad η steigt mit dem Kompressionsverhältnis ε, ist bei einem größeren Kompressionsverhältnis in der Regel höher und bei einem kleineren Kompressionsverhältnis in der Regel niedriger.It should also be considered in this context that the efficiency η of the gasoline engine correlates at least approximately with the compression ratio ε. Ie. the efficiency η increases with the compression ratio ε, is usually higher with a larger compression ratio and generally lower with a smaller compression ratio.
Im Hinblick auf den Wirkungsgrad wären die Zylinder somit vorzugsweise mit einem möglichst großen Kompressionsverhältnis auszustatten. Das Kompressionsverhältnis kann aber nicht beliebig erhöht werden, da mit steigendem Kompressionsverhältnis auch die Klopfneigung, d. h. die Tendenz zur Selbstentzündung von Gemischteilen, zunimmt. Moderne Ottomotoren haben in der Regel Kompressionsverhältnisse von etwa 8 bis 10, wobei ein Kompressionsverhältnis von etwa 15 den besten Wirkungsgrad verspricht. Dadurch wird zwar der Wirkungsgrad begrenzt, aber auch die erforderliche Sicherheit gegen Klopfen, insbesondere bei hohen Lasten, gewährleistet. Nach dem Stand der Technik wird der Klopfneigung auch dadurch entgegen gewirkt, dass die Zündung bei Bedarf nach spät verschoben wird, wodurch sich der Verbrennungsschwerpunkt nach spät verlagert und der Verbrennungsdruck sowie die Verbrennungstemperatur abnehmen. Hierzu werden moderne Ottomotoren mit einer Klopfregelung ausgestattet, die eine zur Vermeidung von Klopfen erforderliche Zündspätverstellung als Ausgangssignal liefert und bereitstellt. Die Zündspätverstellung wirkt sich allerdings nachteilig auf den Wirkungsgrad aus.With regard to the efficiency, the cylinders would thus preferably be equipped with the largest possible compression ratio. However, the compression ratio can not be increased arbitrarily, since with increasing compression ratio and the tendency to knock, d. H. the tendency for spontaneous combustion of mixture parts increases. Modern gasoline engines usually have compression ratios of about 8 to 10, with a compression ratio of about 15 promises the best efficiency. As a result, although the efficiency is limited, but also the required security against knocking, especially at high loads guaranteed. According to the prior art, the tendency to knock is also counteracted by the fact that the ignition is delayed if necessary, whereby the focus of combustion moves late and decrease the combustion pressure and the combustion temperature. For this purpose, modern gasoline engines are equipped with a knock control that delivers and provides an ignition retardation required to prevent knocking as an output signal. The ignition retardation, however, has a disadvantageous effect on the efficiency.
Die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, verfügt über eine derartige Klopfregelung und darüber hinaus über mindestens einen Abgasturbolader. Der Vorteil eines Abgasturboladers im Vergleich zu einem mechanischen Lader besteht darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine besteht bzw. erforderlich ist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie vollständig von der Brennkraftmaschine bezieht und somit die bereitgestellte Leistung mindert und auf diese Weise den Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.The internal combustion engine, which is the subject of the present invention, has such a knock control and moreover at least one exhaust gas turbocharger. The advantage of an exhaust gas turbocharger compared to a mechanical supercharger is that there is no mechanical connection to the power transmission between the supercharger and the internal combustion engine or is required. While a mechanical supercharger obtains the energy required for its drive completely from the internal combustion engine and thus reduces the power provided and thus adversely affects the efficiency, the exhaust gas turbocharger uses the exhaust gas energy of the hot exhaust gases.
Ein Abgasturbolader umfasst einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter und eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine, die auf derselben Welle angeordnet sind. Der heiße Abgasstrom wird der Turbine zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in dieser Turbine, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung des mindestens einen Zylinders erreicht wird. Gegebenenfalls ist eine Ladeluftkühlung vorgesehen, mit der die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in den Zylinder gekühlt wird. An exhaust gas turbocharger comprises a compressor arranged in the intake system and a turbine arranged in the exhaust gas discharge system, which are arranged on the same shaft. The hot exhaust stream is supplied to the turbine and relaxes with energy release in this turbine, causing the shaft to rotate. The energy emitted by the exhaust gas flow to the turbine and finally to the shaft is used to drive the compressor, which is also arranged on the shaft. The compressor conveys and compresses the charge air supplied to it, as a result of which charging of the at least one cylinder is achieved. Optionally, a charge air cooling is provided, with which the compressed charge air is cooled before entering the cylinder.
Die Aufladung dient in erster Linie der Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine. Die für den Verbrennungsprozess benötigte Luft wird dabei verdichtet, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden. Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger und der Wirkungsgrad höher ist.The charge is used primarily to increase the performance of the internal combustion engine. The air required for the combustion process is compressed, giving each cylinder a working cycle larger air mass can be supplied. As a result, the fuel mass and thus the medium pressure can be increased. The charge is a suitable means to increase the capacity of an internal combustion engine with unchanged displacement or to reduce the displacement at the same power. In any case, the charging leads to an increase in space performance and a lower power mass. At the same vehicle boundary conditions, the load spectrum can thus be shifted to higher loads, in which the specific fuel consumption is lower and the efficiency is higher.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene fremdgezündete Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich des Betriebsverhaltens, insbesondere hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs bzw. Wirkungsgrades, verbessert ist.In light of the above, it is an object of the present invention to provide a supercharged spark-ignition internal combustion engine according to the preamble of
Eine weitere Teilaufgabe besteht darin, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen, wobei jeder Zylinder zwei Einlassöffnungen zum Zuführen von Ladeluft via Ansaugsystem aufweist und jeder zu einem Zylinder gehörende Kolben zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt oszilliert.A further sub-task is to disclose a method for operating such an internal combustion engine, wherein each cylinder has two intake ports for supplying charge air via the intake system and each piston belonging to a cylinder oscillates between a top dead center and a bottom dead center.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine aufgeladene fremdgezündete Brennkraftmaschine mit
- – mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens einem Zylinder, wobei jeder Zylinder mindestens zwei Einlassöffnungen zum Zuführen von Ladeluft via Ansaugsystem und mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem aufweist,
- – mindestens einer Drosselklappe, die im Ansaugsystem angeordnet ist und der Laststeuerung dient,
- – mindestens einem Abgasturbolader, wobei jeder Abgasturbolader eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst, und
- – einer Klopfregelung, die eine zur Vermeidung von Klopfen erforderliche Zündspätverstellung ∆ignition als Ausgangssignal liefert und bereitstellt,
- – mindestens zwei zumindest teilweise variable Ventiltriebe vorgesehen sind mit mindestens zwei Ventilen, die zwischen einer Ventilschließstellung und einer Ventiloffenstellung bewegbar sind, um die mindestens zwei Einlassöffnungen des mindestens einen Zylinders freizugeben bzw. zu versperren, mit Ventilfedermitteln, um die Ventile in Richtung Ventilschließstellung vorzuspannen, und mit mindestens zwei Betätigungseinrichtungen, um die Ventile entgegen der Vorspannkraft der Ventilfedermittel zu öffnen, wobei jede Betätigungseinrichtung einen auf einer Nockenwelle angeordneten Nocken umfasst, der bei umlaufender Nockenwelle mit mindestens einem Nockenfolgeelement in Eingriff bringbar ist, wodurch das zugehörige Ventil betätigbar ist, und die Nocken der mindestens zwei Betätigungseinrichtungen der mindestens zwei zumindest teilweise variablen Ventiltriebe relativ zueinander verdrehbar sind, und
- – jeder Zylinder ein geometrisches Kompressionsverhältnis εgeo ≥ 11 aufweist.
- At least one cylinder head with at least one cylinder, each cylinder having at least two inlet openings for supplying charge air via the intake system and at least one outlet opening for discharging the exhaust gases via the exhaust removal system,
- At least one throttle valve, which is arranged in the intake system and serves the load control,
- At least one exhaust gas turbocharger, each exhaust gas turbocharger comprising a turbine arranged in the exhaust gas removal system and a compressor arranged in the intake system, and
- - provides a knock control that a required ignition spark retard for avoiding knocking Δ as the output signal and provides,
- At least two at least partially variable valve trains are provided with at least two valves which are movable between a valve closed position and a valve open position to release the at least two inlet openings of the at least one cylinder, with valve spring means to bias the valves towards the valve closing position, and at least two actuators for opening the valves against the biasing force of the valve spring means, each actuator comprising a camshaft cam engageable with at least one cam follower element when the camshaft rotates, whereby the associated valve is actuatable; Cams of the at least two actuators of the at least two at least partially variable valve trains are rotatable relative to each other, and
- - Each cylinder has a geometric compression ratio ε geo ≥ 11.
Erfindungsgemäß können die Steuerzeiten der Einlassventile eines Zylinders variiert werden. Vorliegend können die zu den Einlassventilen eines Zylinders gehörenden Nocken der Ventilbetätigungseinrichtungen relativ zueinander verdreht werden, so dass die zu einem Zylinder gehörenden Einlassventile nicht nur synchron betätigt, d. h. gleichzeitig geöffnet und geschlossen werden können. Vielmehr können die zu den Einlassventilen bzw. Einlassöffnungen eines Zylinders gehörenden Nocken gegeneinander in der Art verdreht werden, dass ein erstes Einlassventil früher betätigt wird als ein zweites Einlassventil. Die Steuerzeiten der Einlassventile weisen dann einen Versatz auf, der im Folgenden auch als Steuerversatz ∆ bezeichnet wird. Dieser Steuerversatz ermöglicht es, die einlassseitige Öffnungsdauer zu variieren, wobei die Öffnungsdauer sich vom Öffnen des ersten Einlassventils bis hin zum Schließen des zweiten Einlassventils erstreckt.According to the invention, the timing of the intake valves of a cylinder can be varied. In the present case, the cams associated with the intake valves of a cylinder of the valve actuators can be rotated relative to each other so that the intake valves associated with a cylinder are not only synchronously actuated, i. H. can be opened and closed at the same time. Instead, the cams belonging to the inlet valves or inlet openings of a cylinder can be rotated relative to each other in such a way that a first inlet valve is actuated earlier than a second inlet valve. The timing of the intake valves then have an offset, which is also referred to below as the control offset Δ. This control offset makes it possible to vary the intake-side opening duration, the opening duration extending from the opening of the first intake valve to the closing of the second intake valve.
Die variablen Ventiltriebe auf der Einlassseite gestatten eine Anpassung der Steuerzeiten der Einlassventile an den momentanen Betriebszustand der Brennkraftmaschine, insbesondere eine Anpassung an die momentane Last und an die momentane Klopfneigung. In diesem Zusammenhang ist die Anpassung der einlassseitigen Öffnungsdauer an den jeweiligen Betriebszustand der Brennkraftmaschine von besonderem Interesse.The variable valve trains on the inlet side allow an adjustment of the timing of the intake valves to the current operating state of the internal combustion engine, in particular an adaptation to the current load and to the current tendency to knock. In this context, the adaptation of the inlet-side opening period to the respective operating state of the internal combustion engine is of particular interest.
Im Hinblick auf einen geringen Kraftstoffverbrauch wird im Teillastbetrieb bei niedrigen Lasten eine große, d. h. möglichst lange einlassseitige Öffnungsdauer, bevorzugt. Ein hohes Kompressionsverhältnis trägt in diesem Zusammenhang zusätzlich zur Reduzierung des Kraftstoffverbauchs bei.In terms of low fuel consumption is in part-load operation at low loads a large, d. H. as long inlet side opening time, preferably. A high compression ratio in this context additionally contributes to the reduction of fuel consumption.
Bei erhöhter Last wird dann im Teillastbetrieb hin zu mittleren Lasten eine kürzere einlassseitige Öffnungsdauer angestrebt, um eine möglichst gute Füllung des Zylinders zu gewährleisten. Der Hintergrund dieser Maßnahme ist die Erhöhung des Drehmoments bei mittleren Lasten, d. h. die Verbesserung der Drehmomentcharakteristik der Brennkraftmaschine.When the load is increased, a shorter inlet-side opening duration is then sought in the partial load operation towards medium loads in order to ensure the best possible filling of the cylinder. The background of this measure is the increase in torque at medium loads, d. H. the improvement of the torque characteristic of the internal combustion engine.
Zu höheren Lasten hin wird der Betrieb der Brennkraftmaschine zunehmend dadurch limitiert, dass ein Klopfen unter allen Umständen sicher zu vermeiden ist. Nach dem Stand der Technik wird einem Klopfen durch Verschieben des Zündzeitpunktes nach spät entgegen gewirkt. Wirkungsgradeinbußen werden dabei in Kauf genommen. For higher loads, the operation of the internal combustion engine is increasingly limited by the fact that knock under all circumstances is safe to avoid. In the prior art, knocking is counteracted by shifting the ignition timing late. Impairment losses are accepted.
Erfindungsgemäß kann hingegen das effektive Kompressionsverhältnis εeff durch eine Verlängerung der einlassseitigen Öffnungsdauer bzw. durch ein spätes Schließen eines Einlassventils, beispielsweise des zweiten Einlassventils, abgesenkt werden, wobei ein Teil der Zylinderfrischladung bei noch geöffnetem Einlass im Rahmen des Kompressionstaktes wieder in das Ansaugsystem ausgeschoben wird. Ein hohes geometrisches Kompressionsverhältnis εgeo, welches grundsätzlich als vorteilhaft anzusehen ist und bei niedrigeren Lasten maßgeblich zur Wirkungsgradverbesserung beiträgt, kann auf diese Weise bei höheren Lasten entschärft werden. Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine können geometrische Kompressionsverhältnisse εgeo ≥ 11 realisiert werden.According to the invention, however, the effective compression ratio ε eff can be lowered by lengthening the intake-side opening duration or by closing an intake valve, for example the second intake valve, with part of the fresh cylinder charge being pushed back into the intake system while the intake is still open as part of the compression stroke , A high geometric compression ratio ε geo , which is basically considered to be advantageous and significantly contributes to the efficiency improvement at lower loads, can be mitigated in this way at higher loads. In the internal combustion engine according to the invention geometric compression ratios ε geo ≥ 11 can be realized.
Erfindungsgemäß wird bei einer Klopfgefahr zumindest das zweite Einlassventil später und nach dem unteren Totpunkt geschlossen, wobei eine Schließzeitspätverstellung ∆tintake,closing,knock, um die das zweite Einlassventil später geschlossen werden soll, unter Verwendung einer momentanen Drehzahl nmot und einer von der Klopfregelung gelieferten Zündspätverstellung ermittelt wird. Die nach dem Stand der Technik erforderliche Verschiebung des Zündzeitpunktes nach spät entfällt und mit dieser die Wirkungsgradeinbußen. Zumindest aber wird die erforderliche Zündspätverstellung vermindert.According to the invention, at least the second intake valve is closed later and after the bottom dead center at a risk of knocking, wherein a Schließzeitspätverstellung .DELTA.t intake, closing, knock , by which the second intake valve is to be closed later, using a current speed n mot and one of the knock control delivered Zündspätverstellung is determined. The required according to the prior art shift of the ignition point to late deleted and with this the efficiency losses. But at least the required Zündspätverstellung is reduced.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine löst die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, nämlich eine Brennkraftmaschine bereitzustellen, die hinsichtlich des Betriebsverhaltens, insbesondere hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs bzw. Wirkungsgrades, verbessert ist.The internal combustion engine according to the invention solves the first object underlying the invention, namely to provide an internal combustion engine that is improved with regard to the operating behavior, in particular with regard to the fuel consumption or efficiency.
Erfindungsgemäß sind die Nocken der Einlassventile eines Zylinders gegeneinander verdrehbar. Unter Beibehaltung der Ventilöffnungsdauer jedes Ventils können dabei die Steuerzeiten der Ventile gegeneinander verschoben werden, so dass sich die Öffnungsdauer des zugehörigen Zylinders einlassseitig verlängern bzw. verkürzen lässt. Die Ventilüberschneidung der Ventile kann variiert werden.According to the invention, the cams of the intake valves of a cylinder are rotatable relative to one another. While maintaining the valve opening duration of each valve, the valve timing can be shifted relative to one another, so that the opening duration of the associated cylinder can be lengthened or shortened on the inlet side. The valve overlap of the valves can be varied.
Diese Verstellmöglichkeit erfordert mindestens einen verdrehbaren Nocken. Gemäß einer ersten Alternative wird ein verstellbar ausgebildeter Nocken gegenüber der Kurbelwelle verdreht, wohingegen der mindestens eine andere Nocken als feststehender, statischer Nocken ausgeführt ist. Gemäß einer zweiten Alternative werden die mindestens zwei Nocken als verstellbare Nocken ausgebildet, die gegeneinander und gegenüber der Kurbelwelle verdrehbar sind.This adjustment requires at least one rotatable cam. According to a first alternative, an adjustable trained cam is rotated relative to the crankshaft, whereas the at least one other cam is designed as a fixed, static cam. According to a second alternative, the at least two cams are designed as adjustable cams which are rotatable relative to one another and relative to the crankshaft.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.Further advantageous embodiments of the internal combustion engine according to the invention are discussed in connection with the subclaims.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Nocken auf einer zumindest zweiteiligen Nockenwelle angeordnet sind, die mindestens zwei gegeneinander verdrehbare Nockenwellenabschnitte umfasst, wobei mindestens ein Nocken auf einem ersten Nockenwellenabschnitt angeordnet ist und mindestens ein Nocken auf einem zweiten Nockenwellenabschnitt angeordnet ist. Ein Beispiel für eine Nockenwelle der vorstehenden Art beschreibt die deutsche Offenlegungsschrift
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die zumindest zweiteilige Nockenwelle als ersten Nockenwellenabschnitt eine Hohlwelle und als zweiten Nockenwellenabschnitt eine in der Hohlwelle drehbar angeordnete Welle umfasst.Embodiments of the internal combustion engine in which the at least two-part camshaft comprises a hollow shaft as the first camshaft section and a shaft which is rotatably arranged in the hollow shaft as the second camshaft section are advantageous.
Bei Brennkraftmaschinen mit einer Kurbelwelle, die mit der Nockenwelle zumindest antriebsverbindbar ist, sind auch Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen die Nocken relativ zur Kurbelwelle verdrehbar sind, insbesondere miteinander und relativ zur Kurbelwelle verdrehbar sind.In internal combustion engines with a crankshaft, which is at least drive-connected with the camshaft, embodiments are also advantageous in which the cams are rotatable relative to the crankshaft, in particular with each other and are rotatable relative to the crankshaft.
Dabei können die Nocken einzeln oder wie bei einem Nockenwellenversteller gemeinsam und in gleicher Weise gegenüber der Kurbelwelle verdreht werden. Gemäß der letztgenannten Variante werden die Steuerzeiten der zugehörigen Ventile unter Beibehaltung der jeweiligen Ventilöffnungsdauer gemeinsam nach spät bzw. früh verschoben.The cams can be rotated individually or as in a camshaft adjuster together and in the same way with respect to the crankshaft. According to the last-mentioned variant, the control times of the associated valves are shifted together late or early while maintaining the respective valve opening duration.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Nocken die gleiche Kontur aufweisen.Embodiments of the internal combustion engine in which the cams have the same contour are advantageous.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jeder Zylinder zwecks Kraftstoffversorgung mit einer Direkteinspritzung ausgestattet ist. Die direkte Einspritzung des Kraftstoffes in den Zylinder ist ein geeignetes Mittel zur Verringerung der Klopfneigung des Ottomotors und eine Maßnahme zur Verbesserung des Wirkungsgrades.Embodiments of the internal combustion engine in which each cylinder is equipped with a direct injection for the purpose of supplying fuel are advantageous. The direct injection of the fuel into the cylinder is a suitable means for reducing the tendency to knock of the gasoline engine and a measure to improve the efficiency.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jeder Zylinder ein geometrisches Kompressionsverhältnis εgeo ≥ 11.5 aufweist. Advantageous embodiments of the internal combustion engine, in which each cylinder has a geometric compression ratio ε geo ≥ 11.5.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jeder Zylinder ein geometrisches Kompressionsverhältnis εgeo ≥ 12 aufweist.Embodiments of the internal combustion engine in which each cylinder has a geometric compression ratio ε geo ≥ 12 are advantageous.
Je höher das Kompressionsverhältnis ist desto höher ist der Wirkungsrad und desto niedriger ist der Kraftstoffverbrauch. Höhere geometrische Kompressionsverhältnisse erfordern aber unter Umständen eine größere Variabilität des Ventiltriebs, um das effektive Kompressionsverhältnis deutlicher bzw. ausreichend absenken zu können.The higher the compression ratio, the higher the efficiency and the lower the fuel consumption. However, higher geometric compression ratios may require greater variability of the valvetrain in order to more significantly and effectively lower the effective compression ratio.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Betätigungseinrichtungen der Einlassventile hydraulisch verstellbare Betätigungseinrichtungen sind.Embodiments of the internal combustion engine in which the actuators of the inlet valves are hydraulically adjustable actuators are advantageous.
Bei Brennkraftmaschinen mit mindestens zwei Zylindern, sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass diese mindestens zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden, wobei der mindestens eine Zylinder einer ersten Gruppe ein auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindlicher Zylinder ist und der mindestens eine Zylinder einer zweiten Gruppe als lastabhängig schaltbarer Zylinder ausgebildet ist.In internal combustion engines having at least two cylinders, embodiments are advantageous in which at least two cylinders are configured in such a way that they form at least two groups, each with at least one cylinder, wherein the at least one cylinder of a first group also in partial shutdown of the internal combustion engine in operation is located cylinder and the at least one cylinder of a second group is designed as a load-dependent switchable cylinder.
Die Zylinderabschaltung, d. h. die Abschaltung einzelner Zylinder in bestimmten Lastbereichen, bietet eine weitere Möglichkeit zur Entdrosselung des Ottomotors. Der Wirkungsgrad des Ottomotors im Teillastbetrieb kann durch eine Teilabschaltung verbessert, d. h. erhöht werden, denn die Abschaltung eines Zylinders einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine erhöht bei konstanter Motorleistung die Belastung der übrigen noch in Betrieb befindlichen Zylinder, so dass die Drosselklappe zum Einbringen einer größeren Luftmasse in diese Zylinder weiter geöffnet werden kann bzw. muss, wodurch insgesamt eine Entdrosselung der Brennkraftmaschine erreicht wird. Die ständig in Betrieb befindlichen Zylinder arbeiten während der Teilabschaltung, d. h. bei Teillast, zudem häufig im Bereich höherer Lasten, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Das Lastkollektiv wird zu höheren Lasten hin verschoben.The cylinder deactivation, d. H. The shutdown of individual cylinders in certain load ranges, provides another way to dethrottle the gasoline engine. The efficiency of the gasoline engine in partial load operation can be improved by a partial shutdown, d. H. be increased, because the shutdown of a cylinder of a multi-cylinder internal combustion engine increases the load of the remaining still in operation cylinder at constant engine power, so that the throttle for introducing a larger air mass in these cylinders can be opened or must, resulting in a total Entdrosselung the internal combustion engine is achieved. The continuously operating cylinders operate during partial shutdown, i. H. at partial load, more often in the area of higher loads, where the specific fuel consumption is lower. The load collective is shifted to higher loads.
Die während der Teilabschaltung weiter betriebenen Zylinder weisen zudem aufgrund der größeren zugeführten Luftmasse eine verbesserte Gemischbildung. Weitere Wirkungsgradvorteile ergeben sich dadurch, dass ein abgeschalteter Zylinder infolge der fehlenden Verbrennung keine Wandwärmeverluste infolge eines Wärmeüberganges von den Verbrennungsgasen an die Brennraumwände generiert.The further operated during the partial shutdown cylinder also have due to the larger air mass supplied improved mixture formation. Further efficiency advantages result from the fact that a deactivated cylinder as a result of the lack of combustion no wall heat losses generated as a result of heat transfer from the combustion gases to the combustion chamber walls.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine einer zuvor genannten Art aufzuzeigen, bei der jeder Zylinder zwei Einlassöffnungen zum Zuführen von Ladeluft via Ansaugsystem aufweist und jeder zu einem Zylinder gehörende Kolben zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt oszilliert, wird gelöst durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass bei einer Klopfgefahr zumindest das zweite Einlassventil später und nach dem unteren Totpunkt geschlossen wird.The second sub-task on which the invention is based, namely to disclose a method for operating an internal combustion engine of the aforementioned type, in which each cylinder has two inlet openings for supplying charge air via the intake system and each piston belonging to a cylinder oscillates between a top dead center and a bottom dead center is achieved by a method which is characterized in that at a risk of knocking at least the second inlet valve is closed later and after the bottom dead center.
Das im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine Gesagte gilt ebenfalls für das erfindungsgemäße Verfahren.The comments made in connection with the internal combustion engine according to the invention also apply to the inventive method.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen eine Schließzeitspätverstellung ∆tintake,closing,knock, um die das zweite Einlassventil später geschlossen werden soll, unter Verwendung einer momentanen Drehzahl nmot und einem von der Klopfregelung gelieferten Zündspätverstellung ∆ignition ermittelt wird.Advantageous are process variants in which a closing time retard Δt intake, closing, knock , by which the second intake valve is to be closed later, using a current speed n mot and a Zündspätverstellung Δ ignition supplied by the knock control is determined.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen ausgehend von einer niedrigeren Last, bei der die zu den zwei Einlassöffnungen jedes Zylinders gehörenden Nocken gegeneinander in der Art verdreht sind, dass ein erstes Einlassventil unter Ausbildung eines Steuerversatzes ∆ früher betätigt wird als ein zweites Einlassventil, bei einer sprunghaft erhöhten Lastanforderung
- – die Drosselklappe weiter geöffnet wird,
- – der Steuerversatz ∆ verringert wird, indem das zweite Einlassventil früher betätigt wird, und
- – der Steuerversatz ∆ in Abhängigkeit von einem mittels Abgasturboaufladung im Ansaugsystem generierten Ladedruck wieder vergrößert wird, indem das zweite Einlassventil später betätigt wird und sobald der mindestens eine Abgasturbolader Ladedruck generiert.
- - the throttle is opened further,
- - The control offset Δ is reduced by the second inlet valve is actuated earlier, and
- - The control offset Δ is increased again in response to a boost pressure generated by exhaust gas turbocharging in the intake system by the second inlet valve is actuated later and as soon as the at least one exhaust gas turbocharger generates boost pressure.
Wird die Brennkraftmaschine beispielsweise als Antrieb für ein Kraftfahrzeug verwendet, kann durch Betätigung des Gaspedals eine erhöhte Last angefordert werden. Dabei kann beispielsweise im Rahmen einer Beschleunigung die Last auch sprunghaft ansteigen, d. h. ein Lastsprung realisiert werden. Der sich anschließende transiente Betrieb der Brennkraftmaschine wird maßgeblich bestimmt vom unterschiedlichen Ansprechverhalten der einzelnen Komponenten, die der Einstellung der Betriebsparameter dienen. Während die Drosselklappe bei einer sprunghaft erhöhten Lastanforderung ohne weiteres, d. h. nahezu verzögerungsfrei, weiter geöffnet werden kann, benötigt der Abgasturbolader eine gewisse Zeit, um den erforderlichen Ladedruck zu generieren, d. h. bereitstellen zu können.If the internal combustion engine is used, for example, as a drive for a motor vehicle, an increased load can be requested by actuating the accelerator pedal. In this case, for example, in the context of an acceleration, the load can also rise sharply, d. H. a load jump can be realized. The subsequent transient operation of the internal combustion engine is significantly determined by the different response of the individual components, which serve to adjust the operating parameters. While the throttle valve at a dramatically increased load request easily, d. H. almost instantaneous, can be opened further, the exhaust gas turbocharger requires a certain amount of time to generate the required boost pressure, d. H. to be able to provide.
Vorliegend wird bei einer sprunghaft erhöhten Lastanforderung die Drosselklappe weiter geöffnet und der Steuerversatz ∆ der Einlassventile verringert, indem das zweite Einlassventil früher betätigt wird als vor der Lastanforderung. Dabei wird davon ausgegangen, dass vor Anforderung einer höheren Last, d. h. bei niedrigerer Last, das erste Einlassventil früher betätigt wird als das zweite Einlassventil, d. h. ein Steuerversatz ∆ zur Realisierung einer verlängerten einlassseitigen Öffnungsdauer vorliegt.In the present case, the throttle valve is opened further and the control offset .DELTA. Of the intake valves at a sudden increased load request is reduced by the second intake valve is actuated earlier than before the load request. It is assumed that before requesting a higher load, ie at lower load, the first inlet valve is actuated earlier than the second inlet valve, ie, there is a control offset Δ for realizing an extended inlet-side opening duration.
Dieser Steuerversatz ∆ wird nun bei einer sprunghaft erhöhten Lastanforderung zunächst verringert bzw. minimiert, wodurch die einlassseitige Öffnungsdauer verkürzt wird. Eine kürzere einlassseitige Öffnungsdauer soll eine möglichst gute Füllung des mindestens einen Zylinders sicherstellen und damit ein hohes Drehmomentangebot zu Beginn der Beschleunigung.This control offset Δ is initially reduced or minimized in the event of a sudden increase in the load requirement, as a result of which the inlet-side opening duration is shortened. A shorter inlet-side opening duration should ensure the best possible filling of the at least one cylinder and thus a high torque supply at the beginning of the acceleration.
Im weiteren Verlauf, sobald der mindestens eine Abgasturbolader anspricht und einen Ladedruck im Ansaugsystem generiert, wird der Steuerversatz ∆ dann in Abhängigkeit von diesem Ladedruck wieder vergrößert, d. h. die einlassseitige Öffnungsdauer wieder verlängert. Diese Vorgehensweise trägt dem Umstand Rechnung, dass die Klopfneigung mit zunehmendem Ladedruck ebenfalls zunimmt. Ein Klopfen wird erfindungsgemäß dadurch vermieden, dass das effektive Kompressionsverhältnis εeff durch eine Verlängerung der einlassseitigen Öffnungsdauer, nämlich ein spätes Schließen des zweiten Einlassventils, abgesenkt wird. Dabei wird ein Teil der Zylinderfrischladung, d. h. Ladeluft, bei noch geöffnetem Einlass wieder in das Ansaugsystem ausgeschoben. Je höher der Ladedruck ist desto später wird das zweite Einlassventil geschlossen bzw. desto später ist das zweite Einlassventil zu schließen.In the further course, as soon as the at least one exhaust gas turbocharger responds and generates a boost pressure in the intake system, the control offset Δ is then increased again as a function of this charge pressure, ie, the intake-side opening period is extended again. This approach takes into account the fact that the tendency to knock increases with increasing boost pressure. Knocking is inventively avoided in that the effective compression ratio ε eff is lowered by an extension of the inlet-side opening period, namely a late closing of the second inlet valve. In this case, part of the fresh cylinder charge, ie charge air, is pushed back into the intake system while the inlet is still open. The higher the boost pressure, the later the second intake valve is closed or the later the second intake valve is to be closed.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen die Drosselklappe bei sprunghaft erhöhter Lastanforderung vollständig geöffnet wird.Advantageously, process variants in which the throttle valve is fully opened at sudden increased load request.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen der Steuerversatz ∆ im Rahmen der Verringerung minimiert wird.Advantageous are process variants in which the control offset Δ is minimized within the scope of the reduction.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen der Steuerversatz ∆ zusätzlich dadurch verringert wird, dass das erste Einlassventil später betätigt wird.Process variants in which the control offset Δ is additionally reduced by the fact that the first inlet valve is actuated later are advantageous.
Zum Betreiben einer aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei der jeder zu einem Zylinder gehörende Kolben zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt oszilliert, sind Verfahrensvarianten vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass bei der niedrigeren Last vor der erhöhten Lastanforderung das erste Einlassventil vor dem unteren Totpunkt und das zweite Einlassventil nach dem unteren Totpunkt geschlossen wird.For operating a supercharged spark-ignition internal combustion engine in which each piston belonging to a cylinder oscillates between a top dead center and a bottom dead center, method variants are advantageous, characterized in that at the lower load before the increased load request, the first intake valve before the bottom dead center and the second intake valve is closed after the bottom dead center.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Verfahrensvarianten, bei denen der Steuerversatz ∆ dadurch verringert wird, dass das zweite Einlassventil vor dem unteren Totpunkt geschlossen wird.Advantageous in this connection are process variants in which the control offset Δ is reduced by the fact that the second inlet valve is closed before bottom dead center.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen eine Schließzeit tintake,closing,2, zu der das zweite Einlassventil geschlossen wird, berechnet wird, indem
- – in einem ersten Verfahrensschritt eine Basisschließzeit tintake,closing,base,2 unter Verwendung einer momentanen Drehzahl nmot und einem momentanen Sollwert für den Druck pintake,des im Ansaugsystem ermittelt wird,
- – in einem zweiten Verfahrensschritt eine additive Schließzeit ∆tintake,closing,2 unter Verwendung einer momentanen Drehzahl nmot und einem momentanen Istwert für den Druck pintake im Ansaugsystem ermittelt wird, und
- – in einem dritten Verfahrensschritt die Schließzeit tintake,closing,2 berechnet wird, indem die Basisschließzeit und die additive Schließzeit addiert werden mit tintake,closing,2 = tintake,closing,base,2 + ∆tintake,closing,2.
- In a first method step, a base closing time t intake, closing, base, 2 using a current rotational speed n mot and an instantaneous nominal value for the pressure p intake, which is determined in the intake system,
- - In a second process step, an additive closing time .DELTA.t intake, closing, 2 is determined using a current speed n mot and a current actual value for the pressure p intake in the intake system, and
- In a third method step, the closing time t intake, closing, 2 is calculated by adding the base closing time and the additive closing time with t intake, closing, 2 = t intake, closing, base, 2 + Δt intake, closing, 2 .
Vorliegend wird zunächst eine Basisschließzeit tintake,closing,base,2 ermittelt, wobei der Ladedruck und damit die Aufladung vernachlässigt werden, d. h. unberücksichtigt bleiben. Dem Ladedruck und damit der Aufladung wird erst durch eine zweite additive Komponente ∆tintake,closing,2 Rechnung getragen.In the present case, a base closing time t intake, closing, base, 2 is first determined, the charge pressure and thus the charge being neglected, ie not considered. The boost pressure and thus the charge is only accounted for by a second additive component .DELTA.t intake, closing, 2 .
Eine erfindungsgemäß zwecks Vermeidung von Klopfen ermittelte Schließzeitspätverstellung ∆tintake,closing,knock, um die das zweite Einlassventil später geschlossen werden soll, ist dann gegebenenfalls bei der Berechnung der Schließzeit tintake,closing,2 zusätzlich zu berücksichtigen, d. h. zu addieren. A closing time retardation Δt intake, closing, knock by which the second inlet valve is to be closed later, if necessary, is then additionally taken into account in the calculation of the closing time t intake, closing, 2 , ie added.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Verfahrensvarianten, bei denen
- – für den ersten Verfahrensschritt ein Umgebungsdruck patm vorgegeben wird, der als maximal zulässiger Sollwert für den Druck pintake,des im Ansaugsystem verwendet wird und durch den der Sollwert für den Druck pintake,des im Ansaugsystem bei der Ermittlung der Basisschließzeit begrenzt wird.
- - For the first step, an ambient pressure p atm is given, which is used as the maximum allowable setpoint for the pressure p intake, which is used in the intake system and by the setpoint for the pressure p intake, in the intake system in determining the base closing time.
Um sicherzustellen, dass im Rahmen des ersten Verfahrensschrittes der Ladedruck und damit die Aufladung tatsächlich unberücksichtigt bleiben, wird ein maximal zulässiger Sollwert vorgegeben, nämlich der Umgebungsdruck patm, der beispielsweise 1013hPa betragen kann. Die aufgeladene Brennkraftmaschine wird dabei wie ein Saugmotor betrachtet.In order to ensure that the charge pressure and thus the charge actually remain unconsidered within the scope of the first method step, a maximum permissible set value is specified, namely the ambient pressure p atm , which may amount to 1013 hPa, for example. The supercharged internal combustion engine is considered as a naturally aspirated engine.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang ebenfalls Verfahrensvarianten, bei denen
- – für den zweiten Verfahrensschritt ein Umgebungsdruck patm vorgegeben wird, der zur Ermittlung einer Ladedruckdifferenz ∆pcharge von dem momentanen Istwert für den Druck pintake im Ansaugsystem subtrahiert wird, wobei die additive Schließzeit ∆tintake,closing,2 unter Verwendung dieser Ladedruckdifferenz ∆pcharge ermittelt wird, falls ∆pcharge > 0.
- - For the second step, an ambient pressure p atm is given, which is subtracted from the current actual value for the pressure p intake in the intake system to determine a charge pressure difference Δp charge , wherein the additive closing time .DELTA.t intake, closing, 2 using this charge pressure difference .DELTA p charge is determined if Δp charge > 0.
Um sicherzustellen, dass im Rahmen des zweiten Verfahrensschrittes nur der durch die Aufladung bzw. den Ladedruck generierte Effekt berücksichtigt wird, wird der Umgebungsdruck patm vom tatsächlichen Druck pintake im Ansaugsystem subtrahiert und eine Ladedruckdifferenz ∆pcharge gebildet. Der zweite Verfahrensschritt liefert nur dann eine additive Schließzeit ∆tintake,closing,2, falls ∆pcharge > 0 gilt, d. h. falls der mindestens eine Abgasturbolader anspricht und einen Ladedruck im Ansaugsystem generiert.In order to ensure that in the second method step only the effect generated by the charge or the charge pressure is taken into account, the ambient pressure p atm is subtracted from the actual pressure p intake in the intake system and a charge pressure difference Δp charge is formed. The second method step only supplies an additive closing time Δt intake, closing, 2 if Δp charge > 0, ie if the at least one exhaust gas turbocharger responds and generates a boost pressure in the intake system.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß den
Dargestellt sind auf der linken Ordinate die Stellung des Gaspedals [%] als Kurve A, die Stellung der Drosselklappe [%] als Kurve B, das Drehmoment [%] als Kurve C sowie die Schließzeit tclosing,1 bzw. tclosing,2 des ersten bzw. des zweiten Einlassventils in Grad Kurbelwinkel nach dem unteren Totpunkt des Ladungswechsels [°KWn.u.T.] als Kurve E1 bzw. E2. Der Druck pintake im Ansaugsystem bzw. der Ladedruck pcharge ist auf der rechten Ordinate in [hPa] als Kurve D aufgetragen. Die Zeit t in Sekunden ist auf der Abszisse aufgetragen.Shown are the left ordinate the position of the accelerator pedal [%] as curve A, the position of the throttle valve [%] as curve B, the torque [%] as curve C and the closing time t closing, 1 or t closing, 2 of first or the second intake valve in degrees crank angle after the bottom dead center of the charge cycle [° KWn.uT] as a curve E1 or E2. The pressure p intake in the intake system or the charge pressure p charge is plotted on the right ordinate in [hPa] as curve D. The time t in seconds is plotted on the abscissa.
Durch Betätigung des Gaspedals wird die Lastanforderung sprunghaft erhöht. Die Drosselklappe wird nahezu verzögerungsfrei geöffnet und zwar vollständig.By pressing the accelerator pedal, the load requirement is increased suddenly. The throttle valve is opened almost instantaneously and that completely.
Ausgelöst durch die sprunghaft erhöhte Lastanforderung wird der Steuerversatz ∆ der Einlassventile verringert, indem das zweite Einlassventil früher geschlossen wird. Wie
Der Steuerversatz ∆ wird vorliegend bei erhöhter Lastanforderung minimiert, wodurch die einlassseitige Öffnungsdauer verkürzt wird. Eine kürzere einlassseitige Öffnungsdauer soll eine möglichst gute Füllung des mindestens einen Zylinders sicherstellen und damit ein hohes Drehmomentangebot zu Beginn der Beschleunigung.The control offset Δ is minimized in the present case with increased load requirement, whereby the inlet-side opening duration is shortened. A shorter inlet-side opening duration should ensure the best possible filling of the at least one cylinder and thus a high torque supply at the beginning of the acceleration.
Sobald die Abgasturboaufladung anspricht und Ladedruck pcharge generiert, wird der Steuerversatz ∆ dann in Abhängigkeit von diesem Ladedruck pcharge wieder vergrößert, d. h. die einlassseitige Öffnungsdauer wieder verlängert, und zwar durch späteres Schließen des zweiten Einlassventils. Dadurch wird das effektive Kompressionsverhältnis εeff abgesenkt und ein Klopfen vermieden. Ein Teil der Ladeluft wird bei geöffnetem zweitem Einlassventil wieder in das Ansaugsystem ausgeschoben. Je höher der Ladedruck ist desto später wird das zweite Einlassventil geschlossen.As soon as the exhaust gas turbocharger responds and generates boost pressure p charge , the control offset Δ is then increased again as a function of this boost pressure p charge , ie, the intake-side opening period is extended again, by closing the second intake valve later. This reduces the effective compression ratio ε eff and prevents knocking. Part of the charge air is pushed back into the intake system with the second intake valve open. The higher the boost pressure, the later the second intake valve is closed.
Die Steuerzeiten der Einlassventile eines Zylinders können variiert werden.
In einem ersten Verfahrensschritt wird unter Verwendung der Drehzahl nmot der Brennkraftmaschine und einem Sollwert für den Druck pintake,des im Ansaugsystem eine Basisschließzeit tintake,closing,base,2 ermittelt (mittlerer Zweig). Dabei wird der Umgebungsdruck patm als maximal zulässiger Sollwert für den Druck pintake,des im Ansaugsystem vorgegeben. Aufladeeffekte, soweit vorhanden, bleiben somit unberücksichtigt.In a first method step, using the engine speed n mot and a setpoint value for the pressure p intake, a base closing time t intake, closing, base, 2 determined in the intake system (middle branch). In this case, the ambient pressure p atm is set as the maximum permissible setpoint for the pressure p intake, that in the intake system. Charge effects, if any, are therefore not taken into account.
In einem zweiten Verfahrensschritt wird unter Verwendung der Drehzahl nmot und des tatsächlichen Drucks pintake im Ansaugsystem eine additive Schließzeit ∆tintake,closing,2 ermittelt und damit der Aufladung Rechnung getragen (unterer Zweig).In a second method step, using the rotational speed n mot and the actual pressure p intake in the intake system, an additive closing time Δt intake, closing, 2 is determined and thus the charge is taken into account (lower branch).
Dabei wird eine Ladedruckdifferenz ∆pcharge ermittelt, indem von dem tatsächlichen Druck pintake im Ansaugsystem der Umgebungsdruck patm subtrahiert wird. Die additive Schließzeit ∆tintake,closing,2 wird dann unter Verwendung dieser Ladedruckdifferenz ∆pcharge ermittelt, aber nur falls ∆pcharge > 0 gilt. Der zweite Verfahrensschritt liefert nur dann eine additive Schließzeit ∆tintake,closing,2, falls die Abgasturboaufladung einen Ladedruck pcharge > patm im Ansaugsystem generiert.In this case, a boost pressure difference Δp charge is determined by subtracting the ambient pressure p atm from the actual pressure p intake in the intake system. The additive closing time Δt intake, closing, 2 is then determined using this charge pressure difference Δp charge , but only if Δp charge > 0 applies. The second method step delivers an additive closing time Δt intake, closing, 2 only if the exhaust gas turbocharging generates a charge pressure p charge > p atm in the intake system.
Besteht eine Klopfgefahr liefert die Klopfregelung der Brennkraftmaschine eine Zündspätverstellung ∆ignition, um welche die Zündung nach spät zu verstellen ist, damit eine klopfende Verbrennung sicher vermieden werden kann.If there is a risk of knocking, the knock control of the internal combustion engine provides a Ignition retard Δ ignition , by which the ignition must be retarded so that knocking combustion can be safely avoided.
Unter Verwendung der momentanen Drehzahl nmot und der von der Klopfregelung gelieferten Zündspätverstellung ∆ignition wird dann eine Schließzeitspätverstellung ∆tintake,closing,knock ermittelt, um die das zweite Einlassventil zwecks Absenkung des effektiven Kompressionsverhältnisses später geschlossen werden soll (oberer Zweig). Dabei wird die als Eingangssignal dienende Zündspätverstellung ∆ignition durch einen Tiefpassfilter
Eine zwecks Vermeidung von Klopfen ermittelte Schließzeitspätverstellung ∆tintake,closing,knock, um die das zweite Einlassventil später geschlossen werden soll, ist dann bei der Berechnung der Schließzeit tintake,closing,2 zusätzlich zu berücksichtigen, d. h. zu addieren (oberer Zweig). A closing time retardation Δt intake, closing, knock , by which the second intake valve is to be closed later, is then additionally taken into account in the calculation of the closing time t intake, closing, 2 , ie added (upper arm).
Die Schließzeit tintake,closing,2 wird berechnet, indem die Basisschließzeit, die additive Schließzeit und die Schließzeitspätverstellung addiert werden mit tintake,closing,2 = tintake,closing,base,2 + ∆tintake,closing,2 + ∆tintake,closing,knock. The closing time t intake, closing, 2 is calculated by adding the base closing time, the additive closing time and the closing time retard with t intake, closing, 2 = tintake, closing, base, 2 + Δt intake, closing, 2 + Δt intake , closing, knock .
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Tiefpassfilter Low Pass Filter
- 22
- Verzögerungsglied delay
- ∆Δ
- Steuerversatz tax offset
- ∆ignition Δ ignition
- Zündspätverstellung spark retard
- εeff ε eff
- effektives Kompressionsverhältnis effective compression ratio
- εgeo geo
- geometrisches Kompressionsverhältnis geometric compression ratio
- °KWn.u.T° KWn.u.T
- Grad Kurbelwinkel nach dem unteren Totpunkt des Ladungswechsels Degree crank angle after the bottom dead center of the charge cycle
- nmot n mot
- Drehzahl der Brennkraftmaschine Speed of the internal combustion engine
- patm p atm
- Umgebungsdruck ambient pressure
- pcharge p charge
- Ladedruck boost pressure
- ∆pcharge Δp charge
- Ladedruckdifferenz Boost pressure difference
- pintake p intake
- Druck im Ansaugsystem, Istwert Pressure in the intake system, actual value
- pintake,des p intake, of
- Sollwert für den Druck im Ansaugsystem Setpoint for the pressure in the intake system
- tintake,closing,2 t intake, closing, 2
- Schließzeit des zweiten Einlassventils Closing time of the second inlet valve
- tclosing,2 t closing, 2
- Schließzeit des zweiten Einlassventils Closing time of the second inlet valve
- tclosing,1 t closing, 1
- Schließzeit des ersten Einlassventils Closing time of the first inlet valve
- tintake,closing,base,2 t intake, closing, base, 2
- Basisschließzeit Base closing time
- ∆tintake,closing,2 Δt intake, closing, 2
- additive Schließzeit additive closing time
- ∆tintake,closing,knock Δt intake, closing, knock
- Schließzeitspätverstellung Closing time retard
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102011104837 A1 [0003] DE 102011104837 A1 [0003]
- DE 102010008958 A1 [0032] DE 102010008958 A1 [0032]
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DE102010008958A1 (en) | 2009-02-23 | 2010-10-14 | Mitsubishi Jidosha Kogyo K.K. | Internal combustion engine with variable valve train |
DE102011104837A1 (en) | 2010-06-24 | 2011-12-29 | Gm Global Technology Operations Llc (N.D.Ges.D. Staates Delaware) | Method and apparatus for improving turbocharged engines |
-
2015
- 2015-06-16 DE DE102015210987.9A patent/DE102015210987A1/en not_active Ceased
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R012 | Request for examination validly filed | ||
R082 | Change of representative |
Representative=s name: DOERFLER, THOMAS, DR.-ING., DE |
|
R016 | Response to examination communication | ||
R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R003 | Refusal decision now final |