DE102019124961B4 - Drive arrangement with switchable exhaust valves - Google Patents
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Abstract
Antriebsanordnung (8), aufweisend- einen Verbrennungsmotor (10) mit wenigstens vier Zylindern (1, 2, 3, 4), die jeweils ein erstes (R) und wenigstens ein zweites (L) Auslassventil aufweisen, sowie mit einem Abgaskrümmer (20) zum Abführen der Abgase,- einen Abgasturbolader (12) mit einer Mono-Scroll-Turbine (18), welche über den Abgaskrümmer zur Abgasführung mit den ersten (R) und zweiten (L) Auslassventilen des Verbrennungsmotors verbunden ist,- eine Steuereinheit (11), die dazu eingerichtet ist,a) in einem Hochlastmodus (200) alle Auslassventile (R, L) der Zylinder zu aktivieren, undb) in einem Teillastmodus (200) für einen, mehrere oder alle Zylinder (1, 2, 3, 4) das erste Auslassventil (R) zu aktivieren und das zweite Auslassventil (L) zu deaktivieren, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Auslassventile (R) mit einer ersten Auslasssteuerzeit (T1) betrieben werden, die kürzer ist als eine zweite Auslasssteuerzeit (T2), mit der die zweiten Auslassventile (L) betrieben werden.Drive arrangement (8), having- an internal combustion engine (10) with at least four cylinders (1, 2, 3, 4), each having a first (R) and at least one second (L) exhaust valve, and with an exhaust manifold (20) for discharging the exhaust gases, - an exhaust gas turbocharger (12) with a mono-scroll turbine (18), which is connected to the first (R) and second (L) exhaust valves of the internal combustion engine via the exhaust manifold for exhaust gas routing, - a control unit (11 ), which is set up to a) activate all exhaust valves (R, L) of the cylinders in a high-load mode (200), andb) in a partial-load mode (200) for one, several or all cylinders (1, 2, 3, 4 ) to activate the first exhaust valve (R) and to deactivate the second exhaust valve (L), characterized in that the first exhaust valves (R) are operated with a first exhaust timing (T1) that is shorter than a second exhaust timing (T2), with which the second outlet valves (L) are operated.
Description
Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung mit einem Verbrennungsmotor mit wenigstens vier Zylindern mit jeweils einem ersten und wenigstens einem zweiten Auslassventil. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Antriebsanordnung.The invention relates to a drive arrangement with an internal combustion engine with at least four cylinders, each with a first and at least one second exhaust valve. Furthermore, the invention relates to a motor vehicle with such a drive arrangement.
Verschiedene Betriebsverfahren für solche Antriebsanordnungen sind allgemein bekannt. Darüber hinaus sind Verbrennungsmotoren bekannt, bei denen die Gaswechselventile über schaltbare Schlepphebel betätigt werden. Solche Schlepphebel wirken in einem aktivierten Zustand mit einer Nockenwelle zusammen und können so die Gaswechselventile betätigen. In einem deaktivierten Zustand betätigen die Schlepphebel unabhängig von einer Stellung der Nockenwelle die Gaswechselventile nicht. Die Auslassventile können auch über andere Mechanismen wie beispielsweise Schiebenocken deaktiviert werden.Various operating methods for such drive assemblies are well known. In addition, internal combustion engines are known in which the gas exchange valves are actuated via switchable rocker arms. In an activated state, such rocker arms interact with a camshaft and can thus actuate the gas exchange valves. In a deactivated state, the rocker arms do not actuate the gas exchange valves, regardless of the position of the camshaft. The exhaust valves can also be deactivated via other mechanisms such as sliding cams.
Ein mit solchen Schlepphebeln ausgestatteter Verbrennungsmotor kann also zwei Betriebszustände einnehmen. In einem Normalbetrieb sind die Gaswechselventile aktiviert und in einem Deaktivierungsbetrieb deaktiviert. Der Deaktivierungsbetrieb kann z. B. für eine Reduktion eines Motorschleppmoments genutzt werden.An internal combustion engine equipped with such rocker arms can therefore assume two operating states. The gas exchange valves are activated in normal operation and deactivated in deactivation operation. The deactivation mode can e.g. B. be used for a reduction of an engine drag torque.
Wenn beide Auslassventile entweder gemeinsam aktiviert oder gemeinsam deaktiviert sind, kann aber nicht in jedem Betriebszustand des Verbrennungsmotors in möglichst effizienterer Weise die geforderte Leistung bereitgestellt werden. Ebenso kann nicht in jedem Betriebszustand ein optimales Verhältnis von günstigem Kraftstoffverbrauch und umweltschonenden Emissionsverhalten erreicht werden.However, if both exhaust valves are either activated together or deactivated together, the required power cannot be provided as efficiently as possible in every operating state of the internal combustion engine. Likewise, an optimal ratio of favorable fuel consumption and environmentally friendly emission behavior cannot be achieved in every operating condition.
Aus der
Bei modernen, aufgeladenen Verbrennungsmotoren mit mehr als drei Zylindern werden normalerweise zündfolgegetrennte Abgaskrümmer eingesetzt, die an eine mehrflutige (Zwillingsstrom- oder Segment-)Turbine eines Abgasturboladers und/oder an mehrere Abgasturbolader angeschlossen werden. Damit kann der Zielkonflikt zwischen langen Auslasssteuerzeiten für guten Ladungswechsel bei hohen Leistungen einerseits und andererseits dem Vermeiden des Rückschiebens von Restgas aus dem als nächsten gezündeten Zylinder bei niedrigen Leistungen, was zu Leistungsverlust und Verbrennungsinstabilitäten führen kann, vermieden. Bei einer Flutentrennung bringen langen Auslasssteuerzeiten auch Ladungswechsel- und damit Verbrauchsvorteile in der Teillast.In modern, supercharged internal combustion engines with more than three cylinders, exhaust manifolds with separate ignition sequences are normally used, which are connected to a multi-flow (twin flow or segment) turbine of an exhaust gas turbocharger and/or to several exhaust gas turbochargers. This avoids the conflict of objectives between long exhaust valve timing for good gas exchange at high power on the one hand and avoiding the pushing back of residual gas from the cylinder that is fired next at low power on the other hand, which can lead to power loss and combustion instabilities. In the case of a flow separation, long exhaust control times also bring gas exchange and thus fuel consumption advantages in the partial load.
Dafür werden allerdings Nachteile beim Gegendruckaufbau bei hohen Leistungen, in der Thermodynamik der Turbine sowie beim Aufwand und den Kosten der zugehörigen Antriebsanordnung in Kauf genommen.In return, however, disadvantages in the build-up of back pressure at high power levels, in the thermodynamics of the turbine, and in terms of complexity and the costs of the associated drive arrangement are accepted.
Die
Die
Davon ausgehend ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine weitere Verbesserung des Betriebs der eingangs genannten Verbrennungsmotoren und Antriebsanordnungen zu erreichen.Proceeding from this, it is an object of the invention to achieve a further improvement in the operation of the internal combustion engines and drive systems mentioned at the outset.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Antriebsanordnung mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen von Anspruch 12.This object is achieved by a drive assembly having the features of
Gemäß einer Ausführung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors einer Antriebsanordnung in Abhängigkeit von einem Lastmodus bereitgestellt. Der Verbrennungsmotor weist wenigstens zwei Zylinder mit jeweils einem ersten und einem zweiten Auslassventil auf.According to one embodiment, a method for operating an internal combustion engine of a drive arrangement depending on a load mode is provided. The internal combustion engine has at least two cylinders, each with a first and a second exhaust valve.
Das Verfahren weist zumindest die folgenden Schritte auf:
- a) Aktivieren aller Auslassventile der Zylinder in einem Hochlastmodus, und
- b) Aktivieren des ersten Auslassventils und Deaktivieren des zweiten Auslassventils eines, mehrerer oder aller Zylinder in einem Teillastmodus.
- a) activating all exhaust valves of the cylinders in a high load mode, and
- b) activating the first exhaust valve and deactivating the second exhaust valve of one, several or all cylinders in a partial load mode.
Unter einem Hochlastmodus ist dabei insbesondere ein Betriebsmodus des Verbrennungsmotors zu verstehen, der angesteuert wird, wenn der unter Verbrennungsmotor unter Volllast oder in einem höheren Teillastbereich betrieben wird. Unter einem Teillastmodus ist dabei insbesondere ein Betriebsmodus des Verbrennungsmotors zu verstehen, der angesteuert wird, wenn der Verbrennungsmotor in einem niedrigeren Teillastbereich oder unter Niedriglast, Nulllast oder ggf. im Schubbetrieb betrieben wird.A high-load mode is to be understood in particular as an operating mode of the internal combustion engine that is activated when the internal combustion engine is operated under full load or in a higher part-load range. A partial load mode is to be understood in particular as an operating mode of the internal combustion engine which is activated when the internal combustion engine is operated in a lower partial load range or under low load, no load or possibly in overrun mode.
In beiden, insbesondere allen, Lastmodi werden die ersten Auslassventile mit einer ersten Auslasssteuerzeit betrieben, die kürzer ist als eine zweite Auslasssteuerzeit, mit der die zweiten Auslassventile betrieben werden. Insbesondere werden die unterschiedlichen Auslasssteuerzeiten und damit insbesondere auch unterschiedliche Ventilhubverläufe durch unterschiedliche Ausprägungen der Nocken an einer Nockenwelle erreicht.In both, in particular all, load modes, the first exhaust valves are operated with a first exhaust control time that is shorter than a second exhaust control time with which the second exhaust valves are operated. In particular, the different exhaust control times and thus in particular also different valve lift profiles are achieved by different forms of the cams on a camshaft.
Dadurch kann ein Abgasturbolader mit einer Mono-Scroll-Turbine auch bei Motoren mit mehr als einer Zylindergruppe eingesetzt werden. Denn wegen der kürzeren Auslasssteuerzeit der ersten Auslassventile - die im Teillastmodus ohne Öffnung der zweiten Auslassventile betrieben werden - unterbleibt im Teillastbetrieb ein unerwünschtes Übersprechen des ausgelassenen Abgases in den nachfolgend zündenden Zylinder auch ohne eine vollständige Flutentrennung bis in die Turbine des Abgasturboladers. Ebenso kann dadurch ein größerer Abgasimpuls auf die Turbine eines Abgasturboladers und dadurch ein gutes Niederlastmoment („low end torque“) erreicht werden. Im Hochlastbetrieb kann hingegen der gute Wirkungsgrad einer Mono-Scroll Turbine verbunden mit einem hohen Leistungspotenzial ausgenutzt werden.As a result, an exhaust gas turbocharger with a mono-scroll turbine can also be used in engines with more than one cylinder group. Because of the shorter exhaust control time of the first exhaust valves - which are operated in part-load mode without opening the second exhaust valves - there is no undesired crosstalk of the exhaust gas in partial-load operation into the subsequently igniting cylinder, even without a complete flow separation up to the turbine of the exhaust gas turbocharger. Likewise, a larger exhaust gas impulse on the turbine of an exhaust gas turbocharger and thus a good low-load torque ("low end torque") can be achieved. In high-load operation, on the other hand, the good efficiency of a mono-scroll turbine combined with a high performance potential can be exploited.
Die Antriebsanordnung weist einen Verbrennungsmotor auf. Der Verbrennungsmotor weist wenigstens vier, insbesondere fünf oder sechs oder acht, Zylinder auf, wobei insbesondere jeweils zwei Zylinder des Verbrennungsmotors einer Zylindergruppe zugeordnet sind. Jeder Zylinder weist ein erstes und wenigstens ein zweites Auslassventil auf.The drive arrangement has an internal combustion engine. The internal combustion engine has at least four, in particular five or six or eight, cylinders, with in particular two cylinders of the internal combustion engine being assigned to a cylinder group. Each cylinder has a first and at least one second exhaust valve.
Gemäß einer Ausführung ist der Verbrennungsmotor ein Vierzylinder mit zwei Zylindergruppen oder ein Sechszylinder mit drei Zylindergruppen. Die Zylindergruppen sind insbesondere derart zugeordnet, dass zeitlich benachbart zündende Zylinder nicht in einer Gruppe sind.According to one embodiment, the internal combustion engine is a four-cylinder with two cylinder groups or a six-cylinder with three cylinder groups. The cylinder groups are assigned in particular in such a way that cylinders that fire in a temporally adjacent manner are not in one group.
Zudem weist der Verbrennungsmotor eine Steuereinheit auf, die sich von bekannten Steuereinheiten zumindest dadurch unterscheidet, dass sie dazu eingerichtet ist, den Verbrennungsmotor mit einem Verfahren nach einer Ausführung der Erfindung zu betreiben.In addition, the internal combustion engine has a control unit that differs from known control units at least in that it is set up to operate the internal combustion engine with a method according to one embodiment of the invention.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Antriebsanordnung bereitgestellt, aufweisend einen Verbrennungsmotor gemäß einer Ausführung der Erfindung, der einen Abgaskrümmer zum Abführen der Abgase aufweist, und einen Abgasturbolader mit einer Mono-Scroll-Turbine, welche über den Abgaskrümmer zur Abgasführung mit den ersten und zweiten Auslassventilen des Verbrennungsmotors verbunden ist. Eine Mono-Scroll-Turbine hat typischerweise bei gleicher Größe einen besseren Wirkungsgrad und eine höhere thermomechanische Festigkeit als eine Zwillingsstrom- oder Segmentturbine. Zudem ist sie einfacher aufgebaut und daher günstiger.According to one aspect of the invention, a drive arrangement is provided, comprising an internal combustion engine according to an embodiment of the invention, which has an exhaust manifold for discharging the exhaust gases, and an exhaust gas turbocharger with a mono-scroll turbine, which is connected via the exhaust manifold for exhaust gas routing to the first and second Exhaust valves of the internal combustion engine is connected. A mono-scroll turbine typically has better efficiency and higher thermo-mechanical strength than a twin scroll or segment turbine for the same size. In addition, it is simpler in construction and therefore cheaper.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Kraftfahrzeug mit einer Antriebsanordnung gemäß einer Ausführung der Erfindung bereitgestellt.According to a further aspect, a motor vehicle is provided with a drive arrangement according to an embodiment of the invention.
Der Erfindung liegt unter anderem die Überlegung zugrunde, dass Turbo-aufgeladenen Vierzylinder mit den bisher bekannten Betriebsstrategien zum Erreichen eines niedrigen Kraftstoffverbrauchs und umweltfreundlicher Emissionswerte eine flutengetrennte Turbine des Abgasturboladers und damit auch einen flutengetrennten Abgaskrümmer benötigen. Indem die Abgase zeitlich benachbart zündender Zylinder auf diese Weise auf lange Wege geschickt werden, kann ein übersprechen der Abgase in den nächsten zündenden Zylinder vermieden und trotzdem eine lange Auslasssteuerzeit für einen guten Ladungswechsel beibehalten werden.The invention is based, among other things, on the consideration that turbocharged four-cylinders with the previously known operating strategies to achieve low fuel consumption and environmentally friendly emission values require a flow-separated turbine of the exhaust gas turbocharger and thus also a flow-separated exhaust manifold. By sending the exhaust gases of adjacent firing cylinders over long distances in this way, crosstalk of the exhaust gases into the next firing cylinder can be avoided and a long exhaust timing for good gas exchange can still be maintained.
Die Erfindung basiert nun unter anderem auf der Idee, den Zielkonflikt zwischen einer langen Auslasssteuerzeit für einen guten Ladungswechsel einerseits und andererseits einer Vermeidung eines Übersprechens von Abgasen in den nächstzündenden Zylinder auf eine andere Art zu lösen.The invention is now based, among other things, on the idea of resolving the conflict of objectives between a long exhaust control time for a good gas exchange on the one hand and avoiding crosstalk of exhaust gases into the next firing cylinder on the other in a different way.
Dies ist nachfolgend am Beispiel eines Vierzylinder-Reihenmotors beschrieben. Im Sinne der Erfindung wird - insbesondere unterhalb eines zu ermittelnden Schaltpunktes - in einem Teillastmodus über eine Ventilabschaltung je eines der Auslassventile eines Zylinders - beispielsweise mittels geeignet angesteuerte Auslassschaltschlepphebel - das Ventil mit einer langen Auslasssteuerzeit für einen guten Ladungswechsel deaktiviert. Die Auslassschaltschlepphebel können beispielsweise mittels einer Schaltwelle oder einer anderen geeigneten, an sich bekannten Vorrichtung geschaltet werden.This is described below using a four-cylinder in-line engine as an example. According to the invention - especially below a switching point to be determined - in a partial load mode via a valve deactivation of one of the exhaust valves of a cylinder - for example by means of suitably controlled exhaust rocker arms - the valve is deactivated with a long exhaust control time for a good gas exchange. The exhaust rocker arms can be shifted, for example, by means of a shift shaft or another suitable device known per se.
So strömt das Abgas nur über das Ventil mit kurzer Öffnungsdauer aus, wodurch ein Rückstrom von Restgas verhindert wird. In einem Hochlastmodus - also insbesondere oberhalb des Schaltpunktes - werden alle Ventile aktiviert und die Vorteile der langen Öffnungsdauer in Verbindung mit dem guten Wirkungsgrad- und Durchsatzverhalten einer Mono-Scroll Turbine genutzt. Ein Umschaltzeitpunkt zwischen Vier- und Acht-Ventilbetrieb wird je nach Betriebspunkt im Kennfeld und Fahrerwunsch nach Kriterien zur Maximierung des Moments oder der Minimierung des Verbrauchs ermittelt. In die Entscheidung gehen insbesondere mehrere Motorkenngrößen einzeln und/oder gewichtet oder ungewichtet kombiniert ein, die im nächsten Absatz aufgeführt sind.The exhaust gas only flows out via the valve with a short opening duration, which prevents residual gas from flowing back. In a high-load mode - i.e. in particular above the switching point - all valves are activated and the advantages of the long opening duration in connection with the good efficiency and throughput behavior of a mono-scroll turbine are used. Depending on the operating point in the map and the driver's wishes, the point at which to switch between four- and eight-valve operation is determined according to criteria for maximizing torque or minimizing fuel consumption. In particular, several engine parameters are included in the decision, individually and/or weighted or combined in a weighted or unweighted manner, which are listed in the next paragraph.
Gemäß einer Ausführung wird ein Schaltpunkt hinsichtlich des Lastmodus in Abhängigkeit von einer oder mehreren Motorkenngrößen und/oder Randbedingungen aus dem Betrieb und/oder der Umgebung des Motors bestimmt, insbesondere in Abhängigkeit von einem anliegenden Motormoment und/oder einem Lastwunsch und/oder einer Drehzahl und/oder einem Restgasgehalt und/oder einem Ladedruckbedarf und/oder einem Gegendruck und/oder einer Schwerpunktlage der Verbrennung und/oder einer Wastegate-Stellung und/oder einem Hub der Einlassventile und/oder einer Spreizung der Ein- und Auslassnockenwellen und/oder einer Rate einer externen AGR und/oder einer Position eines variablen Turbinenleitrades. Gemäß einer Ausführung werden als Motorkenngrößen zur Bestimmung des Lastmodus zumindest ein anliegendes Motormoment und eine Drehzahl berücksichtigt. Dadurch kann das Umschalten, je nach Betriebspunkt im Kennfeld und Fahrerwunsch nach Kriterien zur Maximierung des Moments oder der Minimierung des Verbrauchs erfolgen.According to one embodiment, a switching point with regard to the load mode is determined as a function of one or more engine parameters and/or boundary conditions from the operation and/or the environment of the engine, in particular as a function of an existing engine torque and/or a load request and/or a speed and /or a residual gas content and/or a boost pressure requirement and/or a back pressure and/or a center of combustion and/or a wastegate position and/or a lift of the intake valves and/or a spreading of the intake and exhaust camshafts and/or a rate an external EGR and/or a position of a variable turbine nozzle. According to one embodiment, at least one existing engine torque and one speed are taken into account as engine parameters for determining the load mode. Depending on the operating point in the map and the driver's request, the switchover can take place according to criteria for maximizing torque or minimizing consumption.
Der Verbrennungsmotor kann so hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs und der Emissionen effizient betrieben werden, da er bei Bedarf im Teillastmodus betrieben werden kann, ohne die genannten Nachteile der bekannten Lösungen aufzuweisen.The internal combustion engine can thus be operated efficiently in terms of fuel consumption and emissions, since it can be operated in part-load mode if required, without having the disadvantages of the known solutions mentioned.
Deaktivieren bedeutet vorliegend insbesondere, dass das Auslassventil unabhängig von einer Nockenwellendrehstellung geschlossen ist. Aktivieren bedeutet vorliegend insbesondere, dass das Auslassventil in Abhängigkeit einer Drehstellung einer Nockenwelle geöffnet und geschlossen werden kann. Bei der Motordrehzahl handelt es sich insbesondere um eine Motor-Ist-Drehzahl, bei der Motorlast insbesondere um eine Motor-Ist-Last.In the present case, deactivation means in particular that the exhaust valve is closed independently of a camshaft rotational position. In the present case, activating means in particular that the exhaust valve can be opened and closed depending on a rotational position of a camshaft. The engine speed is in particular an actual engine speed, and the engine load is in particular an actual engine load.
Gemäß einer Ausführung werden die ersten Auslassventile, insbesondere während der ersten Auslasssteuerzeit, mit einem ersten Ventilhubverlauf betrieben, der sich von einem zweiten Ventilhubverlauf, mit dem die zweiten Auslassventile, insbesondere während der zweiten Auslasssteuerzeit, betrieben werden, hinsichtlich eines Hubmaximums und/oder eines Hubgradients beim Öffnen und/oder beim Schließen unterscheidet.According to one embodiment, the first exhaust valves are operated, in particular during the first exhaust control time, with a first valve lift curve that differs from a second valve lift curve, with which the second exhaust valves are operated, in particular during the second exhaust control time, with regard to a lift maximum and/or a lift gradient differs when opening and/or when closing.
Dadurch kann beispielsweise eine Kompensation der etwas stärkeren Drosselung durch die kürzere erste Auslasssteuerzeit bei Teillast erfolgen. Ebenso kann eine Kompensation der leicht schwächeren Gegendruckabsenkung als mit acht „langen“ Auslasssteuerzeiten (bei Vierzylindern) erfolgen.As a result, for example, the slightly stronger throttling can be compensated for by the shorter first exhaust control time at partial load. It is also possible to compensate for the slightly weaker back pressure reduction than with eight "long" exhaust valve timings (for four-cylinder engines).
Gemäß einer Ausführung ist den ersten und zweiten Auslassventilen jeweils eine geeignete Schalteinrichtung, wie beispielsweise ein Schlepphebel und/oder ein Schiebenocken oder ein vollvariabler Ventiltrieb, zugeordnet, wobei die Schleppeinrichtung der zweiten Auslassventile als Auslassschaltschlepphebel oder als Schiebenockenanordnung oder mit einem vollvariablen Ventiltrieb ausgebildet sind, sodass insbesondere die zweiten Auslassventile durch ein Aktivieren und Deaktivieren der jeweils zugehörigen Schalteinrichtung aktivierbar und deaktivierbar sind.According to one embodiment, the first and second exhaust valves are each assigned a suitable switching device, such as a rocker arm and/or a sliding cam or a fully variable valve train, with the drag device of the second exhaust valves being designed as an outlet switching rocker arm or as a sliding cam arrangement or with a fully variable valve train, so that in particular the second outlet valves can be activated and deactivated by activating and deactivating the respectively associated switching device.
Gemäß einer Ausführung sind die ersten Auslassventile durch ein Aktivieren und Deaktivieren der jeweils zugehörigen Schalteinrichtung nicht aktivierbar und deaktivierbar. Das ermöglicht, die ersten Schalteinrichtungen einfach, damit kleiner und günstiger auszuführen.According to one embodiment, the first outlet valves cannot be activated and deactivated by activating and deactivating the respectively associated switching device. This allows the first switching devices to be designed in a simple, smaller and cheaper manner.
Gemäß einer alternativen Ausführung sind die ersten Auslassventile durch ein Aktivieren und Deaktivieren der jeweils zugehörigen Schalteinrichtung - analog den zweiten Auslassventilen - aktivierbar und deaktivierbar, insbesondere indem die Schalteinrichtungen der ersten Auslassventile als Auslassschaltschlepphebel ausgebildet sind. Das ermöglicht einen verbrauchs- und emissionsoptimierten Motorschleppbetrieb.According to an alternative embodiment, the first exhaust valves can be activated and deactivated by activating and deactivating the respectively associated switching device—similar to the second exhaust valves, in particular by the switching devices of the first exhaust valves being designed as exhaust rocker arms. This enables consumption- and emission-optimized engine towing.
Gemäß einer Ausführung kann die Schalteinrichtung in einem aktivierten Zustand in Zusammenwirken mit einer Nockenwelle das Auslassventil betätigen, und betätigt in einem deaktivierten Zustand unabhängig von einer Stellung der Nockenwelle das Auslassventil nicht.According to one embodiment, the switching device can actuate the exhaust valve in an activated state in cooperation with a camshaft, and does not actuate the exhaust valve in a deactivated state, regardless of a position of the camshaft.
Gemäß einer Ausführung weist der Verbrennungsmotor eine Verstelleinrichtung, beispielsweise eine Verstellwelle, auf, die dazu eingerichtet ist, in einem Hochlastmodus alle Auslassventile aller Zylinder zu aktivieren, und in einem Teillastmodus das erste Auslassventil der Zylinder einer, mehrerer oder aller Zylindergruppen zu aktivieren und das zweite Auslassventil der Zylinder dieser Zylindergruppen zu deaktivieren. Dadurch wird ein Betrieb mit einer oder mehreren abgeschalteten Zylindergruppen unterstützt. Diese Betriebsart ist auch in einem „Toggle“-Betrieb mit abwechselnd deaktivierten Zylindergruppen vorgesehen.According to one embodiment, the internal combustion engine has an adjustment device, for example an adjustment shaft, which is set up to activate all exhaust valves of all cylinders in a high-load mode and to activate the first exhaust valve of the cylinders of one, several or all cylinder groups and the second in a part-load mode to deactivate the exhaust valve of the cylinders of these cylinder groups. This supports operation with one or more deactivated cylinder groups. This operating mode is also provided in a “toggle” mode with alternately deactivated cylinder groups.
Gemäß einer Ausführung weist die Mono-Scroll-Turbine ein verstellbares Leitrad auf, ist also insbesondere als VTG-Turbine ausgebildet. Durch das Verstellen des Anstellwinkels der Turbinenschaufeln des Leitrades kann die Impulsübertragung vom Abgas auf die Turbine optimiert und damit die Response der Turbine verbessert werden.According to one embodiment, the mono-scroll turbine has an adjustable guide wheel, ie it is designed in particular as a VTG turbine. By adjusting the angle of attack of the turbine blades of the guide wheel, the momentum transfer from the exhaust gas to the turbine can be optimized and the response of the turbine can thus be improved.
Gemäß einer Ausführung ist der Abgaskrümmer ein teilflutengetrennter Abgaskrümmer. Das heißt insbesondere, dass die Abgasfluten aller Zylinder zumindest im Wesentlichen erst an einer Verbindungsstelle des Abgaskrümmers zu dem Abgasturbolader zusammengeführt werden. Durch die verhältnismäßig späte Zusammenführung der Fluten kann die Impulsübertragung auf die Turbinenschaufeln verbessert werden.According to one embodiment, the exhaust manifold is a split flow exhaust manifold. That means in particular that the exhaust gas flows of all cylinders are brought together at least essentially only at a connection point of the exhaust manifold to the exhaust gas turbocharger. Due to the relatively late merging of the flows, the impulse transmission to the turbine blades can be improved.
Insbesondere werden - bezüglich eines Abgasstroms im Abgaskrümmer - zunächst die Abgasfluten einer ersten Zylindergruppe (mit bezüglich einer Zylinderfolge nicht unmittelbar nacheinander zündenden Zylindern) zu einer ersten Gruppenflut und die Abgasfluten einer zweiten Zylindergruppe zu einer zweiten Gruppenflut zusammengeführt. Anschließend werden, insbesondere beabstandet von den Ausgangspunkten der jeweiligen Gruppenflut, die beiden Gruppenfluten zusammengeführt. Neben der verbesserten Impulsübertragung wirkt eine derartige Ausgestaltung des Abgaskrümmers auch der Neigung des Systems zum Übersprechen entgegen.In particular, with regard to an exhaust gas flow in the exhaust manifold, the exhaust gas flows of a first cylinder group (with cylinders that do not fire immediately one after the other with regard to a cylinder sequence) are first combined to form a first group flow and the exhaust gas flows of a second cylinder group to form a second group flow. The two group flows are then brought together, in particular at a distance from the starting points of the respective group flow. In addition to the improved impulse transmission, such a design of the exhaust manifold also counteracts the tendency of the system to crosstalk.
Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren.
-
1 zeigt schematisch eine Antriebsanordnung nach einer beispielhaften Ausführung der Erfindung in einem Teillastmodus. -
2 zeigt schematisch dieAntriebsanordnung nach 1 in einem Hochlastmodus. -
3 zeigt schematisch einen schaltbaren Schlepphebel eines zweiten Auslassventils in seiner Einbauumgebung eines der Zylinder im Verbrennungsmotorder Antriebsanordnung nach 1 . -
4 zeigt zur Verdeutlichung eines Verfahrens nach einer beispielhaften Ausführung der Erfindung ein Diagramm, in welchem der Hubverlauf der Auslassventile des Verbrennungsmotors der Antriebsanordnung nach1 über den Kurbelwinkel dargestellt ist. -
5 zeigt zur Verdeutlichung des Verfahrens ein Diagramm, in welchem die Zuteilung der verschiedenen Lastmodi in Abhängigkeit von einer Motordrehzahl und einem Motormoment dargestellt ist.
-
1 shows schematically a drive arrangement according to an exemplary embodiment of the invention in a partial load mode. -
2 shows the drive arrangement schematically1 in a high load mode. -
3 shows schematically a switchable rocker arm of a second exhaust valve in its installation environment of one of the cylinders in the internal combustion engine of thedrive arrangement 1 . -
4 shows a diagram to illustrate a method according to an exemplary embodiment of the invention, in which the stroke profile of the exhaust valves of the internal combustion engine of thedrive arrangement 1 is shown over the crank angle. -
5 shows a diagram to clarify the method, in which the allocation of the various load modes is shown as a function of an engine speed and an engine torque.
Die
Darüber hinaus weist die Antriebsanordnung 8 einen Abgasturbolader 12 mit einer Mono-Scroll-Turbine 18 (also mit einem einzigen Einlass am Turbineneintrittsgehäuse 16 an der Turbine 18 des Abgasturboladers 12) auf. Die ersten Auslassventile R sowie die zweiten Auslassventile R sind mit dem Turbineneintrittsgehäuse 16 über einen Abgaskrümmer 20 strömungsverbindbar. Zwischen dem Abgaskrümmer 20 und den Turbineneintrittsgehäuse 16 der Turbine 18 zweigt ein Wastegate 22 zur Umgehung der Turbine 18 ab.In addition, the
Stromabwärts der Turbine 18 ist eine Abgasnachbehandlung mit einem motornahen Katalysator 24 und einem Unterbodenkatalysator 25 angeordnet.Downstream of the
Ein Verdichter 26 des Abgasturboladers 12 verdichtet Umgebungsluft, die von einem Ansauggeräuschdämpfer 27 hergeleitet wird, und führt diese über einen Ladeluftkühler 28 und eine Drosselklappe 29 den Zylindern 1-4 zu.A
Der Abgaskrümmer 20 ist als teilflutengetrennter Abgaskrümmer ausgebildet, wobei bezüglich eines Abgasstroms im Abgaskrümmer 20 zunächst die Abgasfluten einer ersten Zylindergruppe (Zylinder 2 und 3) zu einer ersten Gruppenflut 5 und die Abgasfluten einer zweiten Zylindergruppe (Zylinder 1 und 4) zu einer zweiten Gruppenflut 6 zusammengeführt werden, und anschließend beabstandet von den Ausgangspunkten der jeweiligen Gruppenflut 5 bzw. 6 die beiden Gruppenfluten zusammengeführt werden.
In einem ähnlichen Ausführungsbeispiel können auch die beiden Zylinderfluten einer der Gruppenfluten einzelnen einer anderen, bereits vereinigten Gruppenflut zugeführt werden, oder alle einzelnen Zylinderfluten an einer Vereinigungsstelle zusammengeführt werden. Relevant ist letztlich, dass die einzelnen Fluten bzw. die Gruppenfluten erst möglichst nahe am Turbineneintrittsgehäuse 16 der Turbine 18 des Abgasturboladers 12 zusammengeführt werden, insbesondere erst unmittelbar vor einer Verzweigung zu einem Waste-Gate 22.In a similar exemplary embodiment, the two cylinder flows of one of the group flows can also be fed individually to another group flow that has already been combined, or all the individual cylinder flows can be brought together at a junction point. Ultimately, it is relevant that the individual flows or the group flows are only brought together as close as possible to the
Die ersten Auslassventile R und die zweiten Auslassventile L werden mittels eines Ventiltriebs 30 betrieben (vergleiche
In Abhängigkeit von einem Lastmodus sind entweder in einem Hochlastmodus 200 alle Auslassventile R, L der Zylinder 1-4 aktiviert, oder in einem Teillastmodus 100 die ersten Auslassventile R aktiviert und die zweiten Auslassventile L deaktiviert.Depending on a load mode, either all exhaust valves R, L of cylinders 1-4 are activated in a high-
Der Teillastmodus 100 ist in
Der Hochlastmodus 200 ist in
Zum Umschalten zwischen den Lastmodi 100 bzw. 200 arbeitet im Ventiltrieb 30 ein schaltbarer zweiter Schlepphebel 32 auf einem Ventilschaft 34. Der Ventilschaft 34 ist stellvertretend für jedes der zweiten Auslassventile L dargestellt.To switch between the
In einem aktivierten Zustand wird der Schlepphebel 32 von einer Nockenwelle 36 betätigt. Der Schlepphebel 32 bewegt dann den Ventilschaft 34 derart, dass das zugehörige zweite Auslassventil L geöffnet und geschlossen wird. In einem deaktivierten Zustand betätigt der Schlepphebel 32 den Ventilschaft 34 unabhängig von einer Drehstellung der Nockenwelle 36 nicht.In an activated state, the
Der Schlepphebel 32 wird durch eine im Ausführungsbeispiel als Verstellwelle ausgebildete Verstelleinrichtung 38 zwischen seinem aktivierten Zustand und seinem deaktivierten Zustand geschaltet. Die Verstelleinrichtung 38 umfasst dafür eine Schaltkontur 40, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Schaltnocken ausgebildet ist.The
Die Verstellwelle 38 erstreckt sich im Wesentlichen über die gesamte Breite der Zylinder 1-4 des Verbrennungsmotors 10.The
Auf der Verstelleinrichtung 38 ist eine der Anzahl der Auslassventile L und R entsprechende Anzahl an Schaltkonturen 40 ausgebildet. Im Falle des Verbrennungsmotors 10 sind auf der Verstelleinrichtung 38 also acht Schaltkonturen 40 vorhanden.A number of switching
Die Verstelleinrichtung 38 ist dabei im Ausführungsbeispiel so gestaltet, dass jedem der beschriebenen Lastmodi 100, 200 des Verbrennungsmotors 10 eine Drehstellung der Verstelleinrichtung 38 entspricht.In the exemplary embodiment, the adjusting
Zur Durchführung der Erfindung ist es nicht zwingend erforderlich, dass die nicht dargestellten ersten Schleppeinrichtungen für die ersten Auslassventile R nicht schaltbar ausgeführt sein. Allerdings können diese Schalthebel analog zu den zweiten Schalthebel 32 ausgebildet sein, wenn für den Verbrennungsmotor Betriebsfälle mit einer vollständigen Motorabschaltung, beispielsweise bei einem Schubbetrieb, vorgesehen sein sollen.In order to carry out the invention, it is not absolutely necessary for the first towing devices (not shown) for the first outlet valves R not to be switchable. However, these shift levers can be designed analogously to the
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die ersten Auslassventile R mit einer ersten Auslasssteuerzeit T1 betrieben, die kürzer ist als eine zweite Auslasssteuerzeit T2, mit der die zweiten Auslassventile L betrieben werden. Die erste Auslasssteuerzeit T1 ist bezogen auf einen Kurbelwinkel KW unabhängig davon, ob die Antriebsanordnung 8 im Teillastmodus 100 oder Hochlastmodus 200 betrieben wird. Die zweite Auslasssteuerzeit T2 ist im Hochlastmodus 200 bezogen auf den Kurbelwinkel KW konstant. Im Teillastmodus 100 ist die zweite Auslasssteuerzeit gleich Null, weil die zweiten Auslassventile L nicht angehoben werden.In the present exemplary embodiment, the first exhaust valves R are operated with a first exhaust control time T1, which is shorter than a second exhaust control time T2, with which the second exhaust valves L are operated. The first exhaust control time T1 is based on a crank angle KW, regardless of whether the
In dem Diagramm 400 der
Durch die kürzere erste Auslasssteuerzeit T1 kann im Teillastmodus 100 ein Übersprechen von Abgas aus dem zuvor gezündeten Zylinder in den Zylinder mit dem aktuell geöffneten ersten Auslassventil R vermieden werden.Due to the shorter first exhaust control time T1, crosstalk of exhaust gas from the previously fired cylinder into the cylinder with the currently open first exhaust valve R can be avoided in the part-
Im Hochlastmodus 200 kann durch die längere zweite Auslasssteuerzeit T2 hingegen ein guter Ladungswechsel sichergestellt werden.In the high-
Im dargestellten Ausführungsbeispiel (durchgezogene Linien) werden beide Auslassventile R und L mit dem gleichen Maximalhub Hmax betrieben.In the exemplary embodiment shown (continuous lines), both outlet valves R and L are operated with the same maximum lift Hmax.
In einem anderen Ausführungsbeispiel wäre aber auch denkbar, dass die ersten Auslassventile R mit einem Hubverlauf H1' mit einem größeren Maximalhub Hmax' betrieben werden, insbesondere um eine (ggf. noch) kürzere erste Auslasssteuerzeit T1' beim Gaswechsel zu kompensieren. Damit wäre dann auch ein steilerer Hubgradient verbunden. Diese Variante ist im Diagramm 400 mit einer gestrichelten Linie dargestellt.In another exemplary embodiment, however, it would also be conceivable for the first exhaust valves R to be operated with a lift curve H1′ with a larger maximum lift Hmax′, in particular to compensate for a (possibly even) shorter first exhaust control time T1′ during gas exchange. This would then also be associated with a steeper lift gradient. This variant is shown in diagram 400 with a dashed line.
In dem Diagramm 500 der
Das Diagramm 500 zeigt ein Motorkennfeld, in welchem ein Motormoment M über die Motordrehzahl n aufgetragen ist. Unterhalb einer Linie maximalen Motormoments (Grenzdrehmoment 501) wird das Motormoment-Drehzahl-Feld durch die Schaltlinie S aufgeteilt in einen Bereich, in welchem der Verbrennungsmotor 10 im Teillastmodus 100 betrieben wird, und einen Bereich, in welchem der Verbrennungsmotor 10 Hochlastmodus 200 betrieben wird.Diagram 500 shows an engine characteristics map in which engine torque M is plotted against engine speed n. Below a line of maximum engine torque (limit torque 501), the engine torque-speed field is divided by the switching line S into a range in which
Diese zweidimensionale Darstellung dient unter anderem der einfachen Vermittlung des Prinzips der Umschaltung zwischen den beiden Lastmodi 100 bzw. 200 an der Schaltlinie S. Die Schaltlinie S wird mittels der Steuereinheit 11 in Abhängigkeit unter anderem von den aufgetragenen Motorkenngrößen M und n berechnet. Im Ausführungsbeispiel fließen in die Berechnung des Schaltpunkts S noch verschiedene weitere Motorkenngrößen ein, wie beispielsweise ein Restgasgehalt (RG) und/oder ein Ladedruckbedarf (LB) und/oder ein Gegendruck (GD) und/oder eine Schwerpunktlage der Verbrennung (SV) und/oder eine Wastegate-Stellung (SW) und/oder ein Hub der Einlassventile (HE) und/oder eine Spreizung der Ein- und Auslassnockenwellen (SN) und/oder einer Rate einer externen AGR (RA) und/oder eine Position (PT) eines variablen Turbinenleitrades. In die Berechnung des Schaltpunkts können auch weitere, zuvor nicht genannte Motorkenngrößen oder Randbedingungen einfließen. In unterschiedlichen Ausführungsbeispielen können unterschiedliche, insbesondere auch mehr oder weniger, der Kenngrößen Berücksichtigung finden. Das Umschalten zwischen den Lastmodi erfolgt damit je nach Betriebspunkt im Kennfeld und Fahrerwunsch nach Kriterien zur Maximierung des Moments oder der Minimierung des Verbrauchs.This two-dimensional representation is used, among other things, to simply convey the principle of switching between the two
Durch den Einsatz unterschiedlicher Auslasssteuerzeiten T1 und T2 im Hochlastmodus 200 und die Abschaltung der länger geöffneten zweiten Auslassventile L im Teillastmodus 100 kann ein Abgasturbolader mit einer Mono-Scroll-Turbine 18 auch bei Motoren mit mehr als einer Zylindergruppe 5, 6 eingesetzt werden. Eine Mono-Scroll Turbine hat typischerweise bei gleicher Größe einen besseren Wirkungsgrad, eine höhere thermomechanische Festigkeit sowie geringere Kosten als eine Zwillingsstrom- oder Segmentturbine.By using different exhaust control times T1 and T2 in the high-
Eine Steuereinheit 11 des Verbrennungsmotors 10 ist insbesondere auch als Steuereinheit der Antriebsanordnung 8 ausgebildet. Sie kann auch als interaktiver oder separat arbeitender Teil einer übergeordneten Motorsteuerung des Verbrennungsmotors 10 ausgebildet sein. Für die Zwecke der in den Ausführungsbeispielen beschriebenen Antriebsanordnung 8 ist die Steuereinheit insbesondere für folgende Aufgaben eingerichtet:
- 1) Ermitteln von
Ausprägungen derjenigen Motorkenngrößen 501, 502, die für die Bestimmung des Lastmodus herangezogen werden; 2) Bestimmung des zu verwendenden Lastmodus (also entwederTeillastmodus 100 oder Hochlastmodus 200) in Abhängigkeit von den ermittelten Ausprägungen der herangezogenen Motorkenngrößen; 3)Ansteuern der Verstellwelle 38 zum Aktivieren oder Deaktivieren der zweiten Auslassventile L in Abhängigkeit von dem bestimmten Lastmodus. Falls dieTurbine 18 desAbgasturboladers 12 mit einem variablen Leitrad ausgebildet ist, kann dieSteuereinheit 11 zudem dazu eingerichtet sein, eine Winkelstellung der Schaufeln des Leitrads unter anderem in Abhängigkeit vondem bestimmten Lastmodus 100oder 200 zu verstellen.
- 1) determining characteristics of those
motor parameters 501, 502 that are used to determine the load mode; 2) Determination of the load mode to be used (i.e. either part-load mode 100 or high-load mode 200) as a function of the determined characteristics of the engine parameters used; 3) Controlling theadjustment shaft 38 to activate or deactivate the second exhaust valves L depending on the specific load mode. If theturbine 18 of theexhaust gas turbocharger 12 is designed with a variable guide wheel, thecontrol unit 11 can also be set up to adjust an angular position of the blades of the guide wheel depending on the 100 or 200, among other things.specific load mode
BezugszeichenlisteReference List
- 1-41-4
- Zylindercylinder
- 55
- erste Gruppenflutfirst group flood
- 66
- zweite Gruppenflutsecond group flood
- 88th
- Antriebsanordnungdrive assembly
- 1010
- Verbrennungsmotorcombustion engine
- 1111
- Steuereinheitcontrol unit
- 1212
- Abgasturboladerexhaust gas turbocharger
- 1616
- Turbineneintrittgehäuseturbine inlet casing
- 1818
- Mono-Scroll-TurbineMono scroll turbine
- 2020
- Abgaskrümmerexhaust manifold
- 2222
- Wastegatewastegate
- 2424
- motornaher Katalysatorclose-coupled catalytic converter
- 2525
- Unterbodenkatalysatorunderbody catalyst
- 2626
- Verdichtercompressor
- 2727
- Ansauggeräuschdämpferintake silencer
- 2828
- Ladeluftkühlerintercooler
- 2929
- Drosselklappethrottle
- 3030
- Ventiltriebvalve train
- 3232
- Schalteinrichtung (z.B. schaltbarer, zweiter Schlepphebel)Switching device (e.g. switchable, second rocker arm)
- 3434
- Ventilschaftvalve stem
- 3636
- Nockenwellecamshaft
- 3838
- Verstelleinrichtung (z.B. Verstellwelle)Adjusting device (e.g. adjusting shaft)
- 4040
- Schaltkontur switching contour
- 100100
- Teillastmoduspartial load mode
- 200200
- Hochlastmodushigh load mode
- 400400
- Hubverlauf-Kurbelwinkel-Diagramm Stroke curve crank angle diagram
- 500500
- Motormoment-Motordrehzahl-DiagrammEngine torque engine speed diagram
- 501501
- Grenzmotormoment über die DrehzahlLimit engine torque over the speed
- RR
- erste Auslassventilefirst exhaust valves
- T1T1
- erste, kürzere Auslasssteuerzeitfirst, shorter exhaust timing
- H1H1
- erster Hubverlauffirst stroke
- LL
- zweite Auslassventilesecond exhaust valves
- T2T2
- zweite, kürzere Auslasssteuerzeitsecond, shorter exhaust valve timing
- H2H2
- zweiter Hubverlaufsecond stroke course
- HmaxHmax
- maximaler Ventilhubmaximum valve lift
- KWweek
- Kurbelwinkelcrank angle
- MM
- Motormomentengine torque
- nn
- Motordrehzahlengine speed
- SS
- Schaltpunkt, insbesondere SchaltlinieSwitching point, especially switching line
- RGRG
- Restgasgehaltresidual gas content
- LBLB
- Ladedruckbedarfboost demand
- GDDG
- Gegendruckback pressure
- SVSV
- Schwerpunktlage der Verbrennungcenter of combustion
- SWSW
- Wastegate-Stellungwastegate position
- HEHE
- Hub der Einlassventileintake valve lift
- SNSN
- Spreizung der Ein- und AuslassnockenwellenSpreading of the intake and exhaust camshafts
- RARA
- Rate einer externen AGRRate of an external EGR
- PTpt
- Position eines variablen TurbinenleitradesPosition of a variable turbine nozzle
Claims (12)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102019124961.9A DE102019124961B4 (en) | 2019-09-17 | 2019-09-17 | Drive arrangement with switchable exhaust valves |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102019124961.9A DE102019124961B4 (en) | 2019-09-17 | 2019-09-17 | Drive arrangement with switchable exhaust valves |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102019124961A1 DE102019124961A1 (en) | 2021-03-18 |
DE102019124961B4 true DE102019124961B4 (en) | 2023-05-25 |
Family
ID=74686196
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102019124961.9A Active DE102019124961B4 (en) | 2019-09-17 | 2019-09-17 | Drive arrangement with switchable exhaust valves |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102019124961B4 (en) |
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-
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Also Published As
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Legal Events
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R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |