DE102017003788A1 - Method for operating an internal combustion engine, in particular a motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer wenigstens einen Zylinder (34) und wenigstens zwei dem Zylinder (34) zugeordnete Einlassventile aufweisenden Verbrennungskraftmaschine, bei welchem beide Einlassventile zumindest während eines Teils eines Ansaugtakts der Verbrennungskraftmaschine betätigt und dadurch geöffnet werden, wobei beide Einlassventile gemäß einer jeweiligen Ventilerhebungskurve (18, 20) und gemäß dem Miller-Zyklus betätigt werden, wobei wenigstens eine der Ventilerhebungskurven (18, 20) einen ersten Teilbereich (22) mit einem ersten Öffnungshub (24) und einen auf den ersten Teilbereich (22) folgenden zweiten Teilbereich (26) mit einem Plateau (27) aufweist, das einen gegenüber dem ersten Öffnungshub (24) geringeren zweiten Öffnungshub (28) aufweist.The invention relates to a method for operating an internal combustion engine having at least one cylinder (34) and at least two intake valves associated with the cylinder (34), in which both intake valves are actuated and thereby opened at least during part of an intake stroke of the internal combustion engine, both intake valves being in accordance with a and at least one of the valve lift curves (18, 20) includes a first portion (22) having a first opening stroke (24) and a second portion following the first portion (22) Partial region (26) having a plateau (27) which has a relation to the first opening stroke (24) smaller second opening stroke (28).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.The invention relates to a method for operating an internal combustion engine, in particular a motor vehicle, according to the preamble of patent claim 1.
Derartige Verfahren zum Betreiben von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere von Kraftfahrzeugen wie beispielsweise Kraftwagen, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik und insbesondere aus dem Serienfahrzeugbau bereits hinlänglich bekannt. Die Verbrennungskraftmaschine weist dabei wenigstens einen Zylinder auf, welcher ein Brennraum der Verbrennungskraftmaschine ist. Die beispielsweise als Hubkolbenmaschine ausgebildete Verbrennungskraftmaschine weist ferner wenigstens zwei dem Zylinder zugeordnete Einlassventile auf, mittels welchen beispielsweise der sogenannte Ladungs- beziehungsweise Gaswechsel des Zylinders gesteuert beziehungsweise geregelt wird. Das jeweilige Einlassventil ist dabei ein Gaswechselventil, welches zwischen einer Schließstellung und wenigstens einer Offenstellung, insbesondere translatorisch, bewegbar ist. Bei dem Verfahren werden beide Einlassventile zumindest während eines Teils eines Ansaugtakts der Verbrennungskraftmaschine betätigt und dadurch geöffnet. Im Zuge des Ansaugtakts wird ein beispielsweise zumindest Luft umfassendes Gas in den Zylinder eingeleitet, insbesondere über die Einlassventile. Das Gas wird beispielsweise von einem translatorisch bewegbar in dem Zylinder aufgenommenen Kolben in den Zylinder eingesaugt. Im Zuge des Ansaugtakts bewegt sich der Kolben, insbesondere aus seinem oberen Totpunkt, in Richtung seines unteren Totpunkts beziehungsweise in seinen unteren Totpunkt.Such methods for operating internal combustion engines, in particular of motor vehicles such as motor vehicles, are already well known from the general state of the art and in particular from the series production of vehicles. The internal combustion engine has at least one cylinder, which is a combustion chamber of the internal combustion engine. The combustion engine designed, for example, as a reciprocating piston engine also has at least two intake valves assigned to the cylinder, by means of which, for example, the so-called charge or gas exchange of the cylinder is controlled or regulated. The respective inlet valve is a gas exchange valve, which is movable between a closed position and at least one open position, in particular translationally. In the method, both intake valves are actuated and thereby opened at least during a part of an intake stroke of the internal combustion engine. In the course of the intake stroke, a gas comprising, for example, at least air is introduced into the cylinder, in particular via the intake valves. The gas is sucked into the cylinder, for example, by a piston received in a translatory manner in the cylinder. In the course of the intake stroke, the piston moves, in particular from its top dead center, in the direction of its bottom dead center or in its bottom dead center.
Außerdem offenbart die
Außerdem offenbart die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass sich ein besonders effizienter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisieren lässt.Object of the present invention is to develop a method of the type mentioned in such a way that a particularly efficient operation of the internal combustion engine can be realized.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a method having the features of patent claim 1. Advantageous embodiments with expedient developments of the invention are specified in the remaining claims.
Um ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass sich ein besonders effizienter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisieren lässt, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass beide Einlassventile gemäß einer jeweiligen Ventilerhebungskurve und gemäß dem Miller-Zyklus betätigt werden, wobei wenigstens eine der Ventilerhebungskurven einen ersten Teilbereich mit einem ersten Öffnungshub und einen auf den ersten Teilbereich folgenden zweiten Teilbereich mit einem Plateau aufweist, das einen gegenüber dem ersten Öffnungshub geringeren zweiten Öffnungshub aufweist. Mit anderen Worten wird beispielsweise mittels des ersten Teilbereichs ein erster Öffnungshub und mittels des Plateaus ein gegenüber dem ersten Öffnungshub geringerer zweiter Öffnungshub desjenigen der Einlassventile bewirkt, welches gemäß der wenigstens einen, das Plateau aufweisenden Ventilhebungskurve betätigt und dadurch insbesondere geöffnet und geschlossen wird.In order to develop a method specified in the preamble of claim 1 type such that a particularly efficient operation of the internal combustion engine can be realized, it is inventively provided that both intake valves are actuated according to a respective valve lift curve and according to the Miller cycle, wherein at least one of Valve lift curves having a first portion having a first opening stroke and a second portion following the first portion having a plateau having a smaller opening than the first opening stroke second opening. In other words, a first opening stroke is effected, for example, by means of the first partial area and the second opening stroke of that of the inlet valves is reduced by means of the plateau, which actuates in accordance with the at least one valve lift curve having the plateau and is thereby in particular opened and closed.
Der erste Öffnungshub ist ein von Null unterschiedlicher erster Öffnungshub, sodass das Einlassventil, welches gemäß der das Plateau aufweisenden Ventilerhebungskurve betätigt wird, während des ersten Öffnungshubs geöffnet wird beziehungsweise ist. Auch der zweite Öffnungshub ist ein von Null unterschiedlicher Öffnungshub und geringer als der erste Öffnungshub, sodass das Einlassventil, welches gemäß der wenigstens einen Ventilerhebungskurve betätigt wird, während des zweiten Öffnungshubs geöffnet wird beziehungsweise ist. Da beide Einlassventile gemäß dem Miller-Zyklus beziehungsweise auf Basis des Miller-Zyklus betätigt und dadurch insbesondere geöffnet oder geschlossen werden, werden die Einlassventile, insbesondere gegenüber dem Otto-Zyklus, verfrüht beziehungsweise früher geschlossen, sodass beispielsweise beide Einlassventile derart geöffnet und geschlossen werden, dass die Einlassventile nach ihrem Öffnen bereits geschlossen sind, bevor beispielsweise ein translatorisch bewegbar in dem Zylinder aufgenommener Kolben seinen unteren Totpunkt im Rahmen des Ansaugtakts erreicht.The first opening stroke is a non-zero first opening stroke, so that the intake valve, which is operated according to the valve-lift curve having the plateau, is opened during the first opening stroke. Also, the second opening stroke is a non-zero opening stroke and less than the first opening stroke, so that the intake valve, which is operated according to the at least one valve lift curve, is opened during the second opening stroke. Since both intake valves are actuated in accordance with the Miller cycle or based on the Miller cycle and are thereby in particular opened or closed, the intake valves, in particular in relation to the Otto cycle, are closed prematurely or earlier, so that, for example, both intake valves are opened and closed in this way, that the intake valves are already closed after they have been opened, before, for example, a piston accommodated in a translationally movable manner in the cylinder bottom dead center reached in the context of the intake stroke.
Der Erfindung liegt dabei insbesondere die folgende Erkenntnis zugrunde: Bedingt durch den ungebrochenen Trend des Downsizings zur Reduzierung des CO2-Ausstoßes von Kraftfahrzeugen, insbesondere von Personenkraftwagen, mit verbrennungsmotorischem Antrieb steigen das spezifische Drehmoment und die spezifische Leistung von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere von Ottomotoren, immer weiter an. Ermöglicht wird dies unter anderem durch eine sogenannte Aufladung der beispielsweise mit einer Kraftstoff-Direkteinspritzung ausgestatteten Verbrennungskraftmaschine. Unter der Aufladung ist zu verstehen, dass dem als Brennraum ausgebildeten Zylinder zumindest verdichtete Luft zugeführt wird, welche mittels wenigstens eines Verdichters verdichtet wird. Der Verdichter ist beispielsweise ein Verdichter eines Abgasturboladers, mittels welchem die zuvor genannte Aufladung durchgeführt werden kann. Die verdichtete Luft wird auch als Ladeluft bezeichnet, sodass das Versorgen des Zylinders mit verdichteter Luft auch als Aufladen oder Aufladung bezeichnet wird.The invention is based in particular on the following finding: Due to the unbroken trend of downsizing to reduce the CO 2 emissions of motor vehicles, in particular of passenger cars, with internal combustion engine drive, the specific torque and the specific power of internal combustion engines, in particular gasoline engines, always increase continue on. This is made possible, among other things, by a so-called charging of the combustion engine equipped, for example, with direct fuel injection. Under the charge is to be understood that at least compressed air is supplied to the cylinder formed as a combustion chamber, which is compressed by means of at least one compressor. The compressor is, for example, a compressor of an exhaust gas turbocharger, by means of which the aforementioned charging can be carried out. The compressed air is also referred to as charge air, so that supplying the cylinder with compressed air is also referred to as charging or charging.
Darüber hinaus ist das Bestreben groß, das Verdichtungsverhältnis der jeweiligen Verbrennungskraftmaschine, welches direkten Einfluss auf den Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine hat, möglichst hoch auszuführen. Somit ist ein Verdichtungsverhältnis von ε=10:1 für einen aufgeladenen Reihen-Vier-Zylinder-Ottomotor mit einer spezifischen Leistung von 100 Kilowatt pro Liter Hubraum heute keine Seltenheit mehr. Mit steigendem Verdichtungsverhältnis wächst jedoch das Risiko für irreguläre Verbrennungen, welche beispielsweise als klopfende Verbrennungen und/oder Vorentflammungen auftreten. Neben klopfmindernden Maßnahmen, die insbesondere zur Darstellung von hohem spezifischem Drehmoment und hoher spezifischer Leistung angewendet werden, stellen die Begrenzung des Drehmoments und eine gleichzeitige Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses eine wirkungsvolle Möglichkeit zur Effizienzsteigerung der auch als Brennkraftmaschine bezeichneten Verbrennungskraftmaschine dar. Die Drehmomentreduzierung wird durch eine Reduzierung der Zylinderfüllung realisiert. Zur Reduzierung der Zylinderfüllung kommt bei modernen, beispielsweise als Ottomotoren ausgebildeten Verbrennungskraftmaschinen mit hohem Verdichtungsverhältnis der sogenannte Miller-Zyklus zur Anwendung. Dabei werden die Einlassventile während des Ansaugtakts und somit während des Ansaugens deutlich vor dem Zeitpunkt geschlossen, an dem der Kolben sich am unteren Totpunkt befindet. In Kombination mit einer Aufladung ist auf diese Weise ein sehr effizienter Motorbetrieb möglich. Das frühe Schließen der Einlassventile wirkt sich jedoch üblicherweise nachteilig auf die Ladungsbewegung aus, sodass beispielsweise zum Zündzeitpunkt deutlich ungünstigere Entflammungsbedingungen vorliegen, die die Verbrennung nachteilig beeinflussen können.In addition, the desire is great, the compression ratio of the respective internal combustion engine, which has a direct influence on the efficiency of the internal combustion engine to perform as high as possible. Thus, a compression ratio of ε = 10: 1 for a supercharged inline four-cylinder gasoline engine with a specific power of 100 kilowatts per liter of displacement is no longer a rarity today. With increasing compression ratio, however, the risk of irregular burns, which occur, for example, as knocking burns and / or Vorentflammungen. In addition to knock-reducing measures, which are used in particular for the presentation of high specific torque and high specific power, the limitation of the torque and a simultaneous increase in the compression ratio is an effective way to increase the efficiency of the internal combustion engine also referred to as an internal combustion engine. The torque reduction is achieved by reducing the Cylinder filling realized. In order to reduce cylinder filling, the so-called Miller cycle is used in modern combustion engines of high compression ratio, designed for example as gasoline engines. In this case, the intake valves are closed during the intake stroke and thus during the intake significantly before the time when the piston is at the bottom dead center. In combination with a supercharging, a very efficient engine operation is possible in this way. However, the early closing of the intake valves usually has a detrimental effect on the charge movement, so that, for example, significantly less favorable ignition conditions are present at the time of ignition, which can adversely affect the combustion.
Es wurde gefunden, dass die sich einstellende Zylinderfüllung maßgeblich von einer jeweiligen Öffnungsbreite der jeweiligen Ventilerhebungskurve sowie von dem Zeitpunkt abhängt, zu dem das jeweilige Einlassventil schließt. Dieser Zeitpunkt wird auch als Ventilschließen oder als Einlassschließen (ES) bezeichnet. Bei einem Reihen-Vier-Zylinder-Motor mit 2 Litern Hubraum beträgt die Öffnungsbreite einer Ventilerhebungskurve zum Bewirken des Miller-Zyklus des Einlassventils beispielsweise 150 Grad Kurbelwinkel, während eine konventionelle Ventilerhebungskurve, beispielsweise zum Bewirken des konventionellen Otto-Prozesses, eine Öffnungsbreite von circa 165 Grad Kurbelwinkel jeweils bei einem Ventilhub von 2 Millimetern aufweist.It has been found that the adjusting cylinder filling depends significantly on a respective opening width of the respective valve lift curve and on the time at which closes the respective intake valve. This time is also referred to as valve closing or inlet closing (ES). For example, in a 2 liter in-line four cylinder engine, the opening width of a valve lift curve for effecting the intake manifold Miller cycle is 150 degrees crank angle, while a conventional valve lift curve, for example, to effect the conventional Otto process, will have an opening width of approximately 165 Degree crank angle in each case has a valve lift of 2 millimeters.
Zur Steigerung der Effizienz der Verbrennungskraftmaschine wird ein möglichst hohes Verdichtungsverhältnis angestrebt, wodurch die Zylinderfüllung - insbesondere bei Volllast - üblicherweise begrenzt werden muss, damit die Verbrennungskraftmaschine nicht infolge irregulärer Verbrennung Schaden nimmt. Durch die Begrenzung der Füllung mittels des verfrühten Schließens der Einlassventile wird jedoch das Ladungsbewegungsniveau, insbesondere der Tumble, deutlich reduziert, was schlussendlich eine signifikante Reduzierung der turbulenten kinetischen Energie (TKE), insbesondere zum Zündzeitpunkt, zur Folge hat. Diesem Sachverhalt kann nach heutigem Stand der Technik mittels unterschiedlicher Maßnahmen begegnet werden. Zu diesen unterschiedlichen Maßnahmen gehören beispielsweise ladungsbewegungssteigernde Maßnahmen, die in der Folge zu einer Steigerung der TKE führen können. Zu solchen ladungsbewegungssteigernden Maßnahmen gehören beispielsweise:
- - Erhöhung des Ladungsbewegungsniveaus mittels Einlasskanaloptimierung
- - Erhöhung des Ladungsbewegungsniveaus mittels Nutzung einer Ladungsbewegungsklappe oder eines ähnlichen Stellglieds
- - Erhöhung der Ladungsbewegung mittels einer Einlassventilmaskierung, wie dies beispielsweise in der
DE 198 08 574 A1
- - Increasing the charge movement level by means of intake channel optimization
- - Increasing the charge movement level by using a charge movement flap or similar actuator
- - Increasing the charge movement by means of an inlet valve masking, as for example in the
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Ferner gehören zu den zuvor genannten Maßnahmen:
- - Einsatz einer Mehrfacheinspritzung, insbesondere mit später Zündeinspritzung, wodurch die Entflammung verbessert wird
- - Verwendung einer optimierten Zündanlage, beispielsweise mit gesteigertem Energieeintrag oder einer Koronar-Zündung.
- - Using a multiple injection, especially with later ignition, whereby the ignition is improved
- - Using an optimized ignition system, for example, with increased energy input or a corona ignition.
Allen oben genannten Maßnahmen ist gemein, dass die vergleichsweise starken Änderungen einer Verbrennungskraftmaschine mit konventioneller Ventilerhebung, das heißt ohne Miller-Zyklus, bedürfen, um den Miller-Zyklus bei gesteigertem Verdichtungsverhältnis unter Verwendung von Miller-Ventilerhebungskurven anwenden zu können. Somit wird beispielsweise eine Ventilerhebungskurve zum Bewirken des Miller-Zyklus auch als Miller-Ventilerhebungskurve bezeichnet. All the above measures have in common that the comparatively strong changes of a conventional valve lift internal combustion engine, ie without a Miller cycle, require to be able to use the Miller cycle with increased compression ratio using Miller valve lift curves. Thus, for example, a valve lift curve for effecting the Miller cycle is also referred to as a Miller valve lift curve.
Mit anderen Worten wurde gefunden, dass es bei Verwendung des Miller-Zyklus beispielsweise anstatt des herkömmlichen Otto-Prozesses zu einer deutlichen Reduzierung von Tumble und TKE kommen kann. Ergänzend wurden Verläufe des Tumble-Niveaus unter Einsatz einer ladungsbewegungssteigernden Maßnahme berechnet. Eine solche ladungsbewegungssteigernde Maßnahme zeigt zwar Wirkung, zu deren Umsetzung bedarf es jedoch - wie bereits erwähnt - einer großen Änderung der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere ausgehend von einer Verbrennungskraftmaschine, welche ohne Miller-Zyklus betrieben wird. Darüber hinaus hat die dazu notwendige Reduzierung des effektiven Einlasskanalquerschnitts Nachteile bei hohem Luftmassenstrom, insbesondere bei der Nennleistung.In other words, it has been found that when using the Miller cycle, for example, instead of the conventional Otto process, a significant reduction in tumble and TKE can occur. In addition, tumble level curves were calculated using a charge motion enhancing measure. Although such a charge movement-increasing measure shows effect, but to implement it requires - as already mentioned - a major change in the internal combustion engine, in particular starting from an internal combustion engine, which is operated without Miller cycle. In addition, the necessary reduction of the effective inlet channel cross section has disadvantages in the case of high air mass flow, in particular in the case of the nominal power.
Diese Probleme und Nachteile können mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens vermieden werden, da dadurch, dass beide Einlassventile geöffnet und gemäß dem Miller-Zyklus betrieben werden sowie dadurch, dass die wenigstens eine Ventilerhebungskurve das Plateau aufweist, zum einen ein besonders hoher Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine und zum anderen eine besonders hohe und vorteilhafte Ladungsbewegung realisiert werden können. Mit anderen Worten wird die Verbrennungskraftmaschine mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß dem Miller-Zyklus betrieben, um einen besonders hohen Wirkungsgrad zu realisieren. Zur Darstellung eines besonders hohen Verdichtungsverhältnisses wird die Zylinderfüllung mittels der Ventilerhebungskurven reduziert beziehungsweise besonders gering gehalten sowie das Ladungsbewegungsniveau positiv beeinflusst. Im Vergleich zu einer herkömmlichen Miller-Ventilerhebungskurve ohne Plateau stellt das Plateau der wenigstens einen Ventilerhebungskurve eine Verzögerung des Schließens desjenigen der Einlassventile dar, welches gemäß der das Plateau aufweisenden Ventilerhebungskurve (Miller-Ventilerhebungskurve) betätigt wird.These problems and disadvantages can be avoided by means of the method according to the invention, since the fact that both inlet valves are opened and operated according to the Miller cycle and characterized in that the at least one valve lift curve has the plateau, on the one hand a particularly high efficiency of the internal combustion engine and on the other a particularly high and advantageous charge movement can be realized. In other words, the internal combustion engine is operated by means of the method according to the Miller cycle in order to realize a particularly high efficiency. To represent a particularly high compression ratio, the cylinder charge is reduced or kept particularly low by means of the valve lift curves and positively influenced the charge movement level. Compared to a conventional Miller non-plateau valve lift curve, the plateau of the at least one valve lift curve represents a delay in closing that of the intake valves actuated according to the plateau valve lift curve (Miller valve lift curve).
Das Einlassventil, welches gemäß der das Plateau aufweisenden Ventilerhebungskurve betätigt wird, wird im Folgenden auch als Miller-Ventil bezeichnet. Das Plateau ist an der fallenden Flanke der wenigstens einen Ventilerhebungskurve vorgesehen und führt dazu, dass es während des Schließens des Miller-Ventils zu einer Verzögerung kommt im Vergleich zu herkömmlichen Miller-Ventilerhebungskurven, sodass das Miller-Ventil eine längere Zeit als bei einer herkömmlichen Miller-Ventilerhebungskurve, insbesondere bei einem geringen Ventilhub, geöffnet bleibt. Dies bedeutet, dass der jeweilige Öffnungshub auch als Ventilhub bezeichnet wird. Da der jeweilige Öffnungshub beziehungsweise Ventilhub ein von Null unterschiedlicher Ventilhub und größer als Null ist, wird das Miller-Ventil sowohl in dem ersten Teilbereich als auch in dem zweiten Teilbereich der wenigstens einen Ventilerhebungskurve geöffnet, wobei jedoch das Miller-Ventil während des zweiten Teilbereichs weniger weit geöffnet beziehungsweise weiter geschlossen ist als während des ersten Teilbereichs.The inlet valve, which is operated in accordance with the plateau having valve lift curve is hereinafter also referred to as Miller valve. The plateau is provided on the falling edge of the at least one valve lift curve and causes it to decelerate during closing of the Miller valve compared to conventional Miller valve lift curves, so the Miller valve lasts longer than a conventional Miller valve Valve lift curve, especially at a low valve lift, remains open. This means that the respective opening stroke is also referred to as valve lift. Since the respective opening stroke or valve lift is a non-zero valve lift and greater than zero, the Miller valve is opened in both the first and second portions of the at least one valve lift curve, however, the Miller valve less during the second portion is wide open or closed further than during the first subarea.
Vorzugsweise weist die wenigstens eine Ventilerhebungskurve in dem ersten Teilbereich eine geringere Öffnungsbreite sowie einen geringeren Maximalhub als eine konventionelle Ventilerhebungskurve auf, wodurch ein besonders vorteilhafter Miller-Zyklus realisierbar ist. Im Vergleich zu herkömmlichen Miller-Ventilerhebungskurven führt das Plateau der wenigstens einen Ventilerhebungskurve zu einem verlängerten Öffnen des Miller-Ventils, insbesondere mit verringertem Ventilhub. Dieses verlängerte Öffnen des Miller-Ventils mit verringertem Ventilhub hat eine Zunahme der Ladungsbewegung im Zylinder zur Folge. Zum einen ist dies die Folge des geringen Ventilöffnungsquerschnitts, wodurch die Geschwindigkeit von einströmender Frischluft beziehungsweise einströmendem Gas gesteigert wird. Zum anderen wird das Miller-Ventil zu einem späteren Zeitpunkt geschlossen, sodass das Ladungsbewegungsniveau auch dadurch gesteigert werden kann.Preferably, the at least one valve lift curve in the first portion has a smaller opening width and a smaller maximum lift than a conventional valve lift curve, whereby a particularly advantageous Miller cycle can be realized. Compared to conventional Miller valve lift curves, the plateau of the at least one valve lift curve results in extended opening of the Miller valve, particularly with reduced valve lift. This prolonged opening of the Miller valve with reduced valve lift results in an increase in charge motion in the cylinder. On the one hand, this is the consequence of the small valve opening cross-section, whereby the velocity of incoming fresh air or incoming gas is increased. On the other hand, the Miller valve is closed at a later time, so that the charge movement level can also be increased thereby.
Darüber hinaus ist es denkbar, die Einlassventile derart zu betätigen, dass über die Einlassventile in den Zylinder einströmendes und zumindest Luft beziehungsweise vorliegend Frischluft umfassendes Gas eine Drall- und/oder Tumbleströmung aufweist. Auch eine solche, vorteilhafte Drall- und/oder Tumbleströmung kann durch das Betätigen der Einlassventile im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens realisiert werden.Moreover, it is conceivable to actuate the intake valves in such a way that gas flowing in through the intake valves into the cylinder and comprising at least air or in the present case fresh air has a swirling and / or tumble flow. Such an advantageous swirling and / or Tumbleströmung can be realized by operating the inlet valves in the context of the method according to the invention.
Es wurde gefunden, dass das erfindungsgemäße Verfahren einen besonders effizienten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine durch signifikante Anhebung des Verdichtungsverhältnisses unter Anwendung des Miller-Zyklus ermöglicht. Durch die erfindungsgemäße Betätigung der Einlassventile können das Ladungsbewegungsniveau sowie die turbulente kinetische Energie zum Zündzeitpunkt deutlich gesteigert werden, was sich positiv auf die Verbrennung, den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemissionen im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine auswirkt. Die Umsetzung kann dabei kostengünstig erfolgen, da sich die Verbrennungskraftmaschine lediglich durch ihren Kolben und beispielsweise ihre Nockenwelle zum Betätigen der Einlassventile von einer konventionellen Verbrennungskraftmaschine mit nicht reduzierter Füllung unterscheidet. Durch den Kolben kann das Verdichtungsverhältnis besonders groß ausgestaltet werden, wobei durch die Nockenwelle die entsprechende Betätigung der Einlassventile bewirkt werden kann. Insbesondere können folgende Vorteile mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens realisiert werden:
- - kostengünstige Lösung zur Anwendung des Müller-Zyklus
- - Steigerung der Ladungsbewegung der TKE
- - Verbesserung der Gemischbildung
- - Verbesserung der Verbrennung
- - geringe Unruhe
- - Reduzierung von Kraftstoffverbrauch, CO2-Ausstoß und Schadstoffemissionen
- - signifikanter Verbrauchsvorteil im realen Betrieb.
- - cost-effective solution for using the Müller cycle
- - Increasing the charge movement of the TKE
- - Improvement of mixture formation
- - Improvement of combustion
- - little restlessness
- - Reduction of fuel consumption, CO 2 emissions and pollutant emissions
- - Significant consumption advantage in real operation.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weisen beide Ventilerhebungskurven einen jeweiligen ersten Teilbereich mit einem ersten Öffnungshub und einen jeweiligen auf den jeweiligen ersten Teilbereich folgenden zweiten Teilbereich mit einem jeweiligen Plateau auf, das jeweils eine gegenüber dem jeweiligen ersten Öffnungshub geringeren zweiten Öffnungshub aufweist. Somit sind beide Ventilerhebungskurven als Miller-Ventilerhebungskurven mit einem Plateau ausgestaltet, durch welches das jeweilige Schließen des jeweiligen Einlassventils - gegenüber einer herkömmlichen Miller-Ventilerhebungskurve - verzögert wird. Hierdurch kann dem über die Einlassventile in den Zylinder einströmenden Gas eine besonders vorteilhafte, insbesondere tumble- und/oder drallförmige, Strömung aufgeprägt werden, wodurch eine besonders vorteilhafte Ladungsbewegung darstellbar ist.In an advantageous embodiment of the invention, both valve lift curves have a respective first partial region with a first opening stroke and a respective second partial region following the respective first partial region with a respective plateau, which in each case has a smaller second opening stroke than the respective first opening stroke. Thus, both valve lift curves are designed as Miller valve lift curves with a plateau, by which the respective closing of the respective intake valve - compared to a conventional Miller valve lift curve - is delayed. As a result, a particularly advantageous, in particular tumble- and / or swirl-shaped, flow can be impressed on the gas flowing into the cylinder via the inlet valves, as a result of which a particularly advantageous charge movement can be represented.
Um eine besonders vorteilhafte Ladungsbewegung und somit einen besonders effizienten Betrieb sowie eine sehr gute Laufruhe zu realisieren, ist es bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass zumindest jeweilige Teile der Ventilerhebungskurven versetzt zueinander angeordnet sind.In order to realize a particularly advantageous charge movement and thus a particularly efficient operation and a very good running smoothness, it is provided in a further embodiment of the invention that at least respective parts of the valve lift curves are arranged offset from one another.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird eines der Einlassventile später als das andere Einlassventil geschlossen. Hierdurch kann eine besonders vorteilhafte Ladungsbewegung realisiert werden, wodurch irregulären Verbrennungen entgegengewirkt werden kann.In another embodiment of the invention, one of the intake valves is closed later than the other intake valve. As a result, a particularly advantageous charge movement can be realized, whereby irregular burns can be counteracted.
Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn der erste Öffnungshub in einem Bereich von einschließlich 3 Millimeter bis einschließlich 5 Millimeter liegt. Hierdurch kann eine besonders vorteilhafte Füllung realisiert werden.It has proven to be particularly advantageous if the first opening stroke is in a range of from 3 millimeters to 5 millimeters inclusive. As a result, a particularly advantageous filling can be realized.
Um einen besonders effizienten Betrieb zu realisieren, ist es bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass der zweite Öffnungshub in einem Bereich von einschließlich 1,5 Millimeter bis einschließlich 2,5 Millimeter liegt.In order to realize a particularly efficient operation, it is provided in a further embodiment of the invention that the second opening stroke is in a range of from 1.5 millimeters to 2.5 millimeters inclusive.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der erste Teilbereich eine Öffnungsdauer oder Öffnungsbreite aufweist, welche in einem Bereich von einschließlich 50 Grad Kurbelwinkel bis einschließlich 130 Grad Kurbelwinkel liegt. Hierdurch kann ein besonders vorteilhafter Betrieb realisiert werden.A further embodiment is characterized in that the first subregion has an opening duration or opening width which lies in a range of, inter alia, 50 degrees crank angle up to and including 130 degrees crank angle. As a result, a particularly advantageous operation can be realized.
Um einen besonders effizienten Betrieb zu realisieren, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der zweite Teilbereich eine Öffnungsdauer oder Öffnungsbreite aufweist, welche in einem Bereich von einschließlich 20 Grad Kurbelwinkel bis einschließlich 60 Grad Kurbelwinkel liegt.In order to realize a particularly efficient operation, it is provided in a further embodiment of the invention that the second portion has an opening duration or opening width, which is in a range of including 20 degrees crank angle up to and including 60 degrees crank angle.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Verbrennungskraftmaschine mit einem Verdichtungsverhältnis (ε) betrieben, welches in einem Bereich von einschließlich 11:1 bis einschließlich 14:1 liegt. Dadurch kann ein besonders hoher Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine dargestellt werden. In a further advantageous embodiment of the invention, the internal combustion engine is operated with a compression ratio (ε) which lies in a range of 11: 1 inclusive to 14: 1 inclusive. As a result, a particularly high efficiency of the internal combustion engine can be represented.
Schließlich hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn die Verbrennungskraftmaschine als Ottomotor betrieben wird, wodurch ein besonders effizienter Betrieb darstellbar ist.Finally, it has proven to be particularly advantageous if the internal combustion engine is operated as a gasoline engine, whereby a particularly efficient operation can be represented.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments and from the drawing. The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or in the figures alone can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations or in isolation, without the scope of To leave invention.
Die Zeichnung zeigt in:
-
1 ein Diagramm zum Veranschaulichen einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine, bei welchem beide, einem Zylinder der Verbrennungskraftmaschine zugeordnete Einlassventile gemäß einer jeweiligen Ventilerhebungskurve und gemäß dem Miller-Zyklus betätigt werden, wobei wenigstens eine der Ventilerhebungskurven an ihrer fallenden Flanke ein Plateau aufweist; -
2 ein Diagramm zum Veranschaulichen einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; -
3 ein Diagramm zum Veranschaulichen eines weiteren Verfahrens zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine; -
4 ein Diagramm zum Veranschaulichen eines weiteren Verfahrens zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine; -
5 eine schematische Perspektivansicht des Zylinders zum Veranschaulichen einer Tumbleströmung; -
6 eine schematische Perspektivansicht des Zylinders zum Veranschaulichen einer Drallströmung; und -
7 ein Diagramm zum Veranschaulichen von Parametern der das Plateau aufweisenden Ventilerhebungskurve.
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1 3 is a diagram illustrating a first embodiment of a method according to the invention for operating an internal combustion engine, in which both inlet valves associated with a cylinder of the internal combustion engine are actuated in accordance with a respective valve lift curve and according to the Miller cycle, wherein at least one of the valve lift curves has a plateau on its falling flank; -
2 a diagram illustrating a second embodiment of the method according to the invention; -
3 a diagram illustrating a further method for operating an internal combustion engine; -
4 a diagram illustrating a further method for operating an internal combustion engine; -
5 a schematic perspective view of the cylinder to illustrate a Tumbleströmung; -
6 a schematic perspective view of the cylinder for illustrating a swirl flow; and -
7 a diagram illustrating parameters of the plateau having valve lift curve.
In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.In the figures, the same or functionally identical elements are provided with the same reference numerals.
In dem Zylinder ist ein Kolben translatorisch bewegbar aufgenommen. Der Kolben ist zwischen einem unteren Totpunkt und einem oberen Totpunkt translatorisch bewegbar. Beispielsweise während eines Ansaugtakts der Verbrennungskraftmaschine bewegt sich der Kolben, insbesondere aus seinem oberen Totpunkt, in Richtung des unteren Totpunkts beziehungsweise in den unteren Totpunkt, wobei beispielsweise das zuvor genannte Gas zumindest während eines Teils des Ansaugtakts in den Zylinder eingebracht beziehungsweise eingeleitet wird.In the cylinder, a piston is received translationally movable. The piston is translationally movable between a bottom dead center and a top dead center. For example, during an intake stroke of the internal combustion engine, the piston moves, in particular from its top dead center, in the direction of bottom dead center or in the bottom dead center, for example, wherein the aforementioned gas is introduced or introduced into the cylinder at least during a portion of the intake stroke.
Die Verbrennungskraftmaschine weist dabei wenigstens zwei dem Zylinder zugeordnete Einlasskanäle auf, über welche das Gas - wenn die Einlasskanäle freigegeben sind - in den Zylinder eingeleitet wird. Dabei ist dem jeweiligen Einlasskanal ein als Einlassventil ausgebildetes Gaswechselventil zugeordnet, sodass die Verbrennungskraftmaschine wenigstens zwei dem Zylinder zugeordnete Einlassventile umfasst. Das jeweilige Einlassventil ist zwischen einer Schließstellung und wenigstens einer Offenstellung translatorisch bewegbar. Bei seiner Bewegung aus der Schließstellung in die Offenstellung führt das jeweilige Einlassventil einen Hub aus, welcher auch als Öffnungshub oder Ventilhub bezeichnet wird.In this case, the internal combustion engine has at least two inlet channels assigned to the cylinder, via which the gas - when the inlet channels are released - is introduced into the cylinder. In this case, a gas exchange valve designed as an inlet valve is assigned to the respective inlet channel, so that the internal combustion engine comprises at least two inlet valves assigned to the cylinder. The respective inlet valve is translationally movable between a closed position and at least one open position. During its movement from the closed position to the open position, the respective inlet valve performs a stroke, which is also referred to as opening stroke or valve stroke.
Dabei weist die Verbrennungskraftmaschine beispielsweise wenigstens eine den Einlassventilen zugeordnete Nockenwelle auf, mittels welcher die Einlassventile betätigt und dadurch insbesondere geöffnet werden. Ferner weist die Verbrennungskraftmaschine eine als Kurbelwelle ausgebildete Abtriebswelle auf, von welcher die Nockenwelle antreibbar ist. Die Abtriebswelle ist um eine Drehachse relativ zu einem Gehäuseelement der Verbrennungskraftmaschine drehbar. Da die Nockenwelle von der Abtriebswelle angetrieben wird, und da die Einlassventile mittels der Nockenwelle betätigt werden, korrespondieren jeweilige Drehstellungen der Kurbelwelle mit jeweiligen Zeitpunkten, zu denen die Einlassventile geöffnet und geschlossen werden. Die Drehstellungen der Kurbelwelle werden auch als Grad Kurbelwinkel [°KW] bezeichnet, sodass beispielsweise jeweilige Zeitpunkte, zu denen die Einlassventile geöffnet oder geschlossen werden, in der Einheit „Grad Kurbelwinkel“ ausgedrückt werden. Ferner werden beispielsweise jeweilige Zeitspannen, während welchen die jeweiligen Einlassventile geöffnet sind beziehungsweise offen gehalten werden, in Grad Kurbelwinkel ausgedrückt.In this case, the internal combustion engine has, for example, at least one camshaft assigned to the intake valves, by means of which the intake valves are actuated and thereby in particular opened. Furthermore, the internal combustion engine has a crankshaft designed as an output shaft from which the camshaft is driven. The output shaft is rotatable about an axis of rotation relative to a housing element of the internal combustion engine. Since the camshaft is driven by the output shaft, and since the intake valves are operated by the camshaft, respective rotational positions of the crankshaft correspond to respective times at which the intake valves are opened and closed. The rotational positions of the crankshaft are also referred to as degrees of crank angle [° CA], so that, for example, respective timings at which the intake valves are opened or closed are expressed in the unit "degrees crank angle". Further, for example, respective periods during which the respective intake valves are opened and kept open are expressed in degrees crank angle.
Dabei zeigt
Dem Zylinder ist ferner wenigstens ein Auslasskanal zugeordnet. Aus der Zündung und der daran anschließenden Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches resultiert Abgas der Verbrennungskraftmaschine. Das Abgas kann über den Auslasskanal aus dem Zylinder abgeführt werden. Dabei ist dem Auslasskanal ein als Auslassventil ausgebildetes Gaswechselventil zugeordnet, welches zwischen einer Schließstellung und wenigstens einer Offenstellung translatorisch bewegbar ist. Somit führt auch das Auslassventil bei seiner Bewegung aus der Schließstellung in die Offenstellung einen Ventilhub aus. Dabei ist beispielsweise dem Auslassventil eine weitere Nockenwelle zugeordnet, mittels welcher das Auslassventil betätigt und dadurch insbesondere geöffnet wird.The cylinder is also associated with at least one outlet channel. From the ignition and the subsequent combustion of the fuel-air mixture exhaust gas of the internal combustion engine results. The exhaust gas can be discharged from the cylinder via the outlet channel. In this case, a gas exchange valve designed as an outlet valve is associated with the outlet channel, which between a closed position and at least one Open position is translationally movable. Thus, the exhaust valve performs a valve lift in its movement from the closed position to the open position. In this case, for example, the exhaust valve associated with a further camshaft, by means of which actuates the exhaust valve and thereby in particular is opened.
Die Betätigung und somit die Bewegung des Auslassventils aus der Schließstellung in die Offenstellung und wieder zurück in die Schließstellung erfolgen gemäß beziehungsweise auf Basis einer in das in
Bei dem Verfahren werden beide Einlassventile zumindest während eines Teils des Ansaugtakts der Verbrennungskraftmaschine betätigt und dadurch geöffnet, sodass die Einlassventile zumindest während des Teils des Ansaugtakts gleichzeitig geöffnet sind beziehungsweise offen gehalten werden.In the method, both intake valves are actuated and thereby opened at least during a part of the intake stroke of the internal combustion engine, so that the intake valves are simultaneously opened or kept open at least during the part of the intake stroke.
Um nun einen besonders effizienten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisieren zu können, werden beide Einlassventile gemäß einer jeweiligen Ventilerhebungskurve
Bei der in
Aus
Die Einlassventile werden zumindest in einem ersten Betriebszustand gemäß den Ventilerhebungskurven
Ferner ist es denkbar, den ersten Betriebszustand und somit den Miller-Zyklus in der Teillast und somit bei frühem Einlassschließen (FES) durchzuführen, insbesondere durch Hubumschaltung. Wie ferner aus
Bei der ersten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die Einlassventile zeitgleich geöffnet werden. Alternativ dazu ist es denkbar, dass die Einlassventile zeitversetzt geöffnet werden. Mit anderen Worten fallen jeweilige Öffnungszeitpunkte, zu denen die Einlassventile geöffnet werden beziehungsweise zu denen mit dem Öffnen der Einlassventile begonnen wird, bei der ersten Ausführungsform zusammen. Ferner ist es denkbar, dass die Öffnungszeitpunkte nicht zusammenfallen, sondern auseinanderfallen, sodass beispielsweise mit dem Öffnen der Einlassventile zeitversetzt beziehungsweise nacheinander begonnen wird.In the first embodiment, it is provided that the intake valves are opened at the same time. Alternatively, it is conceivable that the intake valves are opened with a time delay. In other words, respective opening timings at which the intake valves are opened or started to open the intake valves in the first embodiment coincide. Further, it is conceivable that the opening times do not coincide, but fall apart, so that, for example, with the opening of the intake valves is delayed or started in succession.
In
In
Durch das Plateau
Im Folgenden werden Anwendungsbeispiele des Verfahrens beschrieben. Bei den folgenden Anwendungsbeispielen ist die Verbrennungskraftmaschine beispielsweise als Reihen-Vier-Zylinder-Ottomotor ausgebildet und weist eine Abgasturboaufladung auf. Somit ist wenigstens ein Abgasturbolader vorgesehen, welcher eine Turbine und einen Verdichter aufweist. Die Turbine ist von dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine antreibbar. Der Verdichter ist von der Turbine antreibbar, wobei mittels des Verdichters die dem Zylinder zuzuführende Luft verdichtet werden kann. Ferner ist die Verbrennungskraftmaschine mit einer Kraftstoff-Direkteinspritzung, insbesondere mit einer Benzin-Direkteinspritzung, ausgebildet, sodass der beispielsweise als Ottokraftstoff beziehungsweise als Benzin ausgebildete flüssige Kraftstoff zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine direkt in den Zylinder einspritzbar ist beziehungsweise eingespritzt wird. Insbesondere sind pro Zylinder vier Ventile vorgesehen. Von diesen vier Ventilen sind zwei Ventile die Einlassventile, wobei die anderen zwei Ventile Auslassventile sind. Ferner liegt das Verdichtungsverhältnis der Verbrennungskraftmaschine in einem Bereich von einschließlich 11:1 bis einschließlich 14:1. Mit anderen Worten beträgt das Verdichtungsverhältnis ε vorzugsweise:
Bei einem ersten der Anwendungsbeispiele weist die Verbrennungskraftmaschine einen Hubraum von 1,5 Kubikdezimetern beziehungsweise Litern auf. Ferner weist die Verbrennungskraftmaschine beispielsweise eine Nennleistung von 100 Kilowatt und ein maximales Drehmoment von 240 Newtonmetern auf.In a first of the application examples, the internal combustion engine has a cubic capacity of 1.5 cubic decimeters or liters. Further, the internal combustion engine, for example, a rated power of 100 kilowatts and a maximum torque of 240 Newton meters on.
Für das erste Einlassventil und das zweite Einlassventil gilt beispielsweise, dass der erste Öffnungshub
Bei einem zweiten der Anwendungsbeispiele weist die Verbrennungskraftmaschine beispielsweise einen Hubraum von zwei Kubikdezimetern, eine Nennleistung von 150 Kilowatt und ein maximales Drehmoment von 320 Newtonmetern auf. Sowohl für das erste Einlassventil als auch für das zweite Einlassventil gilt beispielsweise, dass der erste Öffnungshub
Bei einem dritten der Anwendungsbeispiele beträgt der Hubraum der Verbrennungskraftmaschine beispielsweise 1,5 Liter. Ferner weist die Verbrennungskraftmaschine bei dem dritten Anwendungsbeispiel beispielsweise eine Nennleistung von 100 Kilowatt und ein maximales Drehmoment von 240 Newtonmetern auf. Für das erste Einlassventil und somit die Ventilerhebungskurve
Bei einem vierten der Anwendungsbeispiele weist die Verbrennungskraftmaschine beispielsweise einen Hubraum von 1,5 Litern, eine Nennleistung von 100 Kilowatt und ein maximales Drehmoment von 240 Newtonmetern auf. Für das erste Einlassventil und somit für die Ventilerhebungskurve
Bei einem fünften der Anwendungsbeispiele weist die Verbrennungskraftmaschine beispielsweise einen Hubraum von 1,5 Liter, eine Nennleistung von 100 Kilowatt und ein maximales Drehmoment von 240 Newtonmetern auf. Für das erste Einlassventil gilt beispielsweise, dass es gemäß dem konventionellen Miller-Zyklus, das heißt gemäß einer Miller-Ventilerhebungskurve ohne Plateau betätigt wird, sodass beispielsweise die erste Ventilerhebungskurve
Bei einem sechsten der Anwendungsbeispiele weist die Verbrennungskraftmaschine beispielsweise einen Hubraum von 1,5 Litern, eine Nennleistung von 100 Kilowatt und ein maximales Drehmoment von 240 Newtonmetern auf. Für das erste Einlassventil gilt beispielsweise, dass die erste Ventilerhebungskurve
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