DE10240913A1 - Air inlet control for IC engine has a fast acting rotating air valve in the inlet duct for each cylinder to vary the compression ratio for fuel injection engines - Google Patents

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Abstract

A rapid acting air inlet control for an IC engine has the inlet duct (12) for each cylinder fitted with a fast rotating air valve (26) which operates from fully open to fully closed. The rapid acting valve as driven by a camshaft and can be phase adjusted w.r.t. the crankshaft. The valve rotates inside a shaped valve seating in the inlet duct. The system provides a variable compression ratio and can be applied to diesel engines as well as Otto engines. The system provides improved cold start and reduced emission products.

Description

Die Endung betrifft einen vorzugsweise mit Schwingsaugrohr ausgestatteten Verbrennungsmotor der Kolbenbauart, mit vollvariabler Lufteinlaßsteuerung mit schnell beweglichen Ventilen und Kraftstoffdirekteinspritzung, insbesondere einen Dieselmotor, sowie ein Verfahren zu seinem Betrieb. Dabei werden unter schnell beweglichen Ventilen solche Ventile verstanden, deren Umschaltzeit etwa in der Größenordnung von z.B. 2 ms liegt.The ending preferably affects one piston-type internal combustion engine equipped with a vibrating intake manifold, with fully variable air intake control with fast moving valves and direct fuel injection, in particular a diesel engine, and a method for its operation. Fast moving valves are understood to mean such valves whose switchover time is of the order of e.g. 2 ms.

Der als VVT bekannte voll variable Ventiltrieb für Zylinderventile wird bisher nur bei Ottomotoren eingesetzt, wo man ihn vorteilhaft zur drosselfreien Laststeuerung (Reduzierung des Luftdurchsatzes) einsetzt. Eine solche Maßnahme wurde bei Dieselmotoren bisher nicht für erforderlich gehalten. Außerdem steht dem Einsatz des VVT bei Dieselmotoren entgegen, daß beim Öffnen nicht genügend Freiraum zwischen dem Zylinderventil und dem Motorkolben zur Verfügung steht. Man hat deshalb für die Anwendung einer voll variablen Ventilsteuerung bei Dieselmotoren keine brauchbare Lösung gefunden.The fully variable known as VVT Valve train for Up to now, cylinder valves have only been used in gasoline engines wherever him advantageous for throttle-free load control (reduction of Air flow rate). Such a measure was taken with diesel engines not yet for held necessary. Moreover stands in the way of the use of the VVT in diesel engines, that not when opening enough There is free space between the cylinder valve and the engine piston. Therefore one has for the use of a fully variable valve control in diesel engines not a viable solution found.

Nach dem derzeitigen Stand der Technik besteht bei Dieselmotoren u. a. ein Innovationsbedarf auf folgenden Gebieten:

  • – Verbesserung der Kaltstartfähigkeit und der Kaltstartemissionen, wie Kaltstartnageln, Rauch und Geruch,
  • – Verbesserung der HC- und CO-Emissionen,
  • – Verbesserung der NOx- und der Partikel-Emissionen,
  • – Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs,
  • – Steigerung der Fahrleistungen, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen und
  • – Erhöhung der Leistungsdichte und des Potentials für Down Sizing.
According to the current state of the art, there is a need for innovation in diesel engines in the following areas:
  • - Improvement of the cold start ability and the cold start emissions, such as cold start nails, smoke and smell,
  • - improvement of HC and CO emissions,
  • - improvement of NO x and particle emissions,
  • - reduction of fuel consumption,
  • - Increase in driving performance, especially at low speeds and
  • - Increasing the power density and the potential for down sizing.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen praktisch realisierbaren Lösungsweg beim Bau und Betrieb von Dieselmotoren zu eröffnen, um im Umfang dieses Innovationsbedarfs Fortschritte zu erzielen. Eine Analyse der Probleme hat ergeben, und dies stellt schon einen ersten Schritt zur Lösung der gestellten Aufgabe dar, daß die eingangs genannte, bei Ottomotoren bekannte Motorkonfiguration hierfür eine gute Voraussetzung bietet. Mit anderen Worten, die bisher bei Dieselmotoren als nicht realisierbar angesehene, voll variable Lufteinlaßsteuerung erweist sich zur Problemlösung als sehr wertvoll, weil sie durch drehzahlunabhängige Steuerung des Ladungswechsels die Voraussetzung dafür schafft, das wesentliche Merkmal der Erfindung praktisch anzuwenden, das darin besteht, daß das Verdichtungsverhältnis auf optimalen Verbrauch bei Teillast eingestellt ist.The invention is based on the object a practically feasible solution in the construction and operation of diesel engines to open up to the extent of this To make progress in terms of innovation. An analysis of the problems has shown, and this is already a first step towards the solution of the posed Task that the A good engine configuration known at the outset, which is known for gasoline engines Provides requirement. In other words, so far with diesel engines fully variable air intake control, which is not considered feasible turns out to be problem solving as very valuable because they control the change of charge regardless of the speed the prerequisite for this manages to put the essential feature of the invention into practice, that is that the compression ratio is set for optimal consumption at part load.

Beim Dieselmotor muß für diese Optimierung im Vergleich mit dem üblicherweise angewendeten Verdichtungsverhältnis das Verdichtungsverhältnis reduziert werden.The diesel engine must for this Optimization in comparison with the compression ratio usually used compression ratio be reduced.

Kostenneutral – wenn auch beim Dieselmotor mit einem Verzicht auf die volle Ausschöpfung des Potentials verbunden – kann bei einer bestehenden Motorkonstruktion die Optimierung des Verdichtungsverhältnisses unter Verzicht auf weitergehende Konstruktionsänderungen durch einen Nockenwellenaustausch erreicht werden, indem die dem Einlaßventil zugeordnete Nockenwelle auf Schließen des Einlaßventils sehr spät nach dem unteren Totpunkt ausgelegt wird. Dabei kann vorzugsweise die Phasenlage der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle einstellbar sein.Cost-neutral - albeit with a diesel engine associated with a waiver of the full exploitation of the potential - can at optimization of the compression ratio of an existing engine design without further design changes due to a camshaft exchange can be achieved by the camshaft assigned to the intake valve on closing of the intake valve very late after bottom dead center. It can preferably the phase position of the camshaft adjustable compared to the crankshaft his.

Zur Optimierung des Verdichtungsverhältnisses kann das Brennraumvolumen entsprechend verändert werden. Dabei wird unter Brennraumvolumen jenes Volumen eines Zylinders verstanden, das bei der Kolbenposition im oberen Totpunkt für den Verbrennungsvorgang zur Verfügung steht. Bei Dieselmotoren ist die volle Ausschöpfung des Potentials nur durch Vergrößerung des Brennraumvolumens erreichbar.To optimize the compression ratio the combustion chamber volume can be changed accordingly. It is under Combustion chamber volume understood that volume of a cylinder that at Piston position at top dead center for the combustion process disposal stands. The full potential of diesel engines is only through Enlargement of the Combustion chamber volume achievable.

Die Veränderung des Verdichtungsverhältnisses kann auch durch Veränderung des Hubvolumens bewirkt werden, wobei unter Hubvolumen jenes Zylindervolumen verstanden wird, das vom Kolbenquerschnitt während seiner Bewegung zwischen dem oberen Totpunkt und dem unteren Totpunkt bestrichen wird.The change in the compression ratio can also change of the stroke volume are effected, with that cylinder volume under the stroke volume is understood by the piston cross-section during its movement between the top dead center and bottom dead center is coated.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß zur voll variablen Lufteinlaßsteuerung wenigstens ein dem Zylinderventil oder den Zylinderventilen vorgeschaltetes Lufttaktventil pro Zylinder vorgesehen ist. Der mit der Kombination von Lufttaktventil und Zylinderventil verbundene Mehraufwand ist im Vergleich zum Zusatznutzen gering. Die Lufttaktventile können in das Schwingsaugrohr integriert werden, so daß existierende Motorbaureihen mühelos umgestellt werden können.A preferred embodiment of the Invention is that for fully variable air intake control at least one upstream of the cylinder valve or the cylinder valves Air cycle valve is provided per cylinder. The one with the combination of Air cycle valve and cylinder valve are associated with additional effort Low compared to the additional benefit. The air cycle valves can be in the vibrating intake manifold can be integrated, so that existing engine series effortlessly can be changed.

Durch die Reduzierung des Verdichtungsverhältnisses sinken beim Dieselmotor die Spitzentemperaturen und die Spitzendrücke in allen Betriebszuständen und die Belastbarkeit des Motors wird erhöht. Das bringt bei Vollast folgende Vorteile:

  • – die NOx- und Rußemissionen werden durch die niedrigeren Temperaturen gemindert,
  • – die höhere Belastbarkeit des Motors kann durch höhere Ladedrücke, die durch Impulsaufladung erzielbar sind, zur Drehmoment- und Leistungserhöhung genutzt werden,
  • – eine weitere Steigerung der effektiven Mitteldrücke oder Drehmomente kann durch Kälteladung erreicht werden, wobei die Kälteladung durch frühes Einlass-Schließen in Kombination mit Aufladung mit gekühlter Ladeluft erfolgt,
  • – die hohen effektiven Mitteldrücke ermöglichen Down Sizing mit einer weiteren Verbrauchsoptimierung.
By reducing the compression ratio, the peak temperatures and the peak pressures in the diesel engine drop in all operating conditions and the load capacity of the engine is increased. This brings the following advantages at full load:
  • - the NO x and soot emissions are reduced by the lower temperatures,
  • - The higher load capacity of the engine can be used to increase torque and power through higher boost pressures that can be achieved by pulse charging,
  • A further increase in the effective mean pressures or torques can be achieved by cold charging, the cold charging being effected by closing the inlet early in combination with charging with cooled charge air,
  • - enable the high effective mean pressures Down sizing with further consumption optimization.

In Betriebszuständen, in welchen höhere Temperaturen z. B. bei der Verbrennung oder im Abgas wünschenswert sind, kann dem durch Wärmeladung oder durch Veränderung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses entsprochen werden. Die Wärmeladung wird durch kurzzeitiges spätes Einlass-Öffnen erreicht. Die Kaltstartfähigkeit wird sogar verbessert und die Kaltstartemissionen werden reduziert, weil der Effekt der reduzierten Verdichtung durch Wärmeladung überkompensiert werden kann. Bei den HC- und CO-Emissionen im Leerlauf und bei niedriger Teillast, insbesondere bei kaltem Motor, wird der Effekt der reduzierten Verdichtung durch Reduzierung überschüssiger Brennluft überkompensiert.In operating conditions in which higher temperatures z. B. are desirable in the combustion or in the exhaust gas by thermal charge or through change of the air-fuel ratio be met. The thermal charge is caused by short late Inlet opening reached. The cold start ability is even improved and cold start emissions are reduced, because the effect of reduced compression due to thermal charge is overcompensated can be. With HC and CO emissions at idle and at low part load, especially when cold Engine, the effect of reduced compression is more than compensated for by reducing excess combustion air.

Es werden somit durch die Kombination von vollvariabler Lufteinlaßsteuerung und Reduzierung der Motorverdichtung in allen Betriebszuständen Verbesserungen in der Fahrbarkeit eines mit dem Motor ausgerüsteten Kraftfahrzeugs, beim Verbrauch und bei den Emissionen wirksam.It will be through the combination of fully variable air intake control and improvements in engine compression in all operating conditions in the driveability of a motor vehicle equipped with the engine, at Consumption and effective in emissions.

Für die volle Ausschöpfung des Potentials ist bei Dieselmotoren die Vergrößerung des Brennraums erforderlich, die zur optimalen Gestaltung des Brennraums genutzt werden kann. Der eventuelle Entfall der Glühstifte kann zur Kostensenkung und zur Vereinfachung des Zylinderkopfs beitragen.For full utilization The potential of diesel engines needs to be increased, that can be used to optimize the design of the combustion chamber. The eventual elimination of the glow plugs can help reduce costs and simplify the cylinder head.

Gewisse Parallelen zwischen Dieselmotoren und aufgeladenen Ottomotoren mit Benzindirekteinspritzung ermöglichen es, die Erfindung mit vergleichbarem Erfolg sinngemäß auf derartige Ottomotoren zu übertragen. Die Optimierung für Teillastverbrauch erfordert hier eine Anhebung der motorischen Verdichtung und die Kompensierung dieses Effekts durch Kälteladung, besonders zur Reduzierung der Klopfneigung und der Reduzierung der NOx- und Rußemissionen. In Betriebszuständen mit Wärmedefizit können Wärmeladung und Reduzierung der überschüssigen Luft zur Reduzierung von HC- und CO-Emissionen, insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen führen.Certain parallels between diesel engines and turbocharged gasoline engines with gasoline direct injection make it possible to apply the invention to such gasoline engines with similar success. The optimization for partial load consumption requires an increase in the engine compression and the compensation of this effect by cold charging, especially to reduce the tendency to knock and the reduction of NO x and soot emissions. In operating states with a heat deficit, heat charging and reducing the excess air can lead to a reduction in HC and CO emissions, especially at low ambient temperatures.

Gemäß den jeweils gegebenen Betriebsbedingungen bzw. Anforderungen können – wie erläutert – jeweils unterschiedliche Ausgestaltungen der Betriebsweisen eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors in Frage kommen, weshalb im Rahmen der gestellten Aufgabe auch Verfahren zum Betrieb des Motors vorgeschlagen werden.According to the given operating conditions or requirements can - as explained - in each case different configurations of the modes of operation of an internal combustion engine according to the invention come into question, why in the context of the task also procedures proposed to operate the engine.

So kann bei einem erfindungsgemäßen Dieselmotor zum Kaltstart eine Wärmeladung durch kurzzeitiges Öffnen con ca. 4 ms des Einlaßventils oder des Lufttaktventils kurz vor oder im unteren Totpunkt erfolgen.So with a diesel engine according to the invention a warm charge for a cold start by briefly opening con about 4 ms of the inlet valve or the air cycle valve shortly before or at bottom dead center.

Dem Wärmebedarf beim Warmlauf, bei niedriger Teillast oder bei niedrigen Umgebungstemperaturen kann durch Reduzierung des Luftdurchsatzes durch frühes Einlass-Schließen entsprochen werden. The heat requirement when warming up low partial load or at low ambient temperatures by reducing the air flow rate by closing the inlet early become.

Der durch frühes Einlass-Schließen erzielte Effekt einer Reduzierung des Luftangebots kann auch dadurch erreicht werden, daß man bei einem Zylinder oder auch mehreren Zylindern das Lufttaktventil zur Zylinderabschaltung geschlossen hält. Durch den Kolben muß dann bei geschlossenem Lufttaktventil unnötige Saugarbeit geleistet werden. Dieser Leistungsverlust wird nach einer vorteilhaften Ausgestaltung dadurch vermieden, daß bei Zylinderabschaltung eine diesem Zylinder zugeordnete Abgasrückführung geöffnet wird, so daß ein Unterdruck im abgeschalteten Zylinder nicht entstehen kann.The effect achieved by closing the inlet early A reduction in the air supply can also be achieved by that he in the case of one cylinder or several cylinders, the air cycle valve keeps closed for cylinder deactivation. Then through the piston closed air cycle valve unnecessary Suction work. This loss of performance is after a advantageous embodiment avoided in that cylinder deactivation an exhaust gas recirculation assigned to this cylinder is opened, so that a negative pressure in the deactivated cylinder can not arise.

Zum Betrieb eines aufgeladenen, erfindungsgemäß gestalteten Dieselmotors mit Ladeluftkühler kann bei Vollast eine Kälteladung durch frühes Einfass-Schließen erfolgen, wodurch Temperatur und Druck beim Verdichtungsende und während der Verbrennung reduziert werden und die NOx-Bildung gemildert wird. Zugleich wird eine Verminderung der mechanischen und thermischen Belastung des Triebwerks und des Zylinderkopfs erreicht.To operate a supercharged diesel engine designed according to the invention with an intercooler, a cold charge can be carried out at full load by early closing, which reduces the temperature and pressure at the end of compression and during combustion and reduces the formation of NO x . At the same time, the mechanical and thermal loads on the engine and the cylinder head are reduced.

Ist man an einer Erhöhung des Luftdurchsatzes interessiert, so kann der Laderdruck entsprechend der reduzierten Verdichtung so weit erhöht werden, bis die ursprünglichen Belastungen des Motors wieder erreicht sind. Ist beispielsweise das Verdichtungsverhältnis von 18 auf 15 : 1 reduziert, so kann der effektive Mitteldruck im gleichen Maße, also um 20 % gesteigert werden.Is there an increase in Interested in air flow, the supercharger pressure can be adjusted accordingly the reduced compression until the original Loads on the engine are reached again. For example the compression ratio reduced from 18 to 15: 1, so the effective medium pressure in the same dimensions, so be increased by 20%.

Eine andere vorteilhafte Betriebsweise nutzt die Impulsaufladung. Zur Impulsaufladung durch einmaliges Takten folgt auf spätes Einlass-Öffnen ein frühes Einlass-Schließen. Zur Impulsaufladung durch zweimaliges Takten folgt in der ersten Phase des Saughubs auf ein gering verzögertes Einlass-Öffnen eine statische Einlaßphase, die im Bereich der Hubmitte beendet wird, worauf kurz vor dem unteren Totpunkt eine kurze dynamische Einlaßphase folgt. Bei niedrigen Drehzahlen ergibt sich dadurch eine bessere Aufladungswirkung als bei einmaligem Takten, das seinerseits jedoch noch bei höheren Drehzahlen sinnvoll angewandt werden kann.Another advantageous mode of operation uses pulse charging. For impulse charging by one time Clocking follows late Inlet opening an early one Inlet closing. The first phase is followed by pulse charging by clocking twice of the suction stroke to a slightly delayed Inlet-open one static inlet phase, which ends in the middle of the stroke, followed shortly before the lower Dead center followed by a short dynamic intake phase. At low Speeds results in a better charging effect than with one-time cycling, which in turn makes sense at higher speeds can be applied.

Das gering verzögerte Einlass-Öffnen dient dem Ausspülen von Restgasen während der Ventilüberschneidung durch die im Zwischenraum gespeicherte verdichtete Luft vom vorhergehenden Arbeitsspiel.The slightly delayed inlet opening serves that rinse of residual gases during the valve overlap by the compressed air stored in the space from the previous one Working cycle.

Anhand eines in der Zeichnung beispielsweise gezeigten Einlaßbereichs eines erfindungsgemäß gestalteten Verbrennungsmotors mit Lufttaktventil und der beigefügten Diagramme für unterschiedliche Betriebsweisen wird die Erfindung näher erläutert.Using one in the drawing, for example shown inlet area one designed according to the invention Internal combustion engine with air stroke valve and the attached diagrams for different modes of operation the invention becomes closer explained.

Es zeigt:It shows:

1 einen Querschnitt durch den Bereich eines Verbrennungsmotors zwischen dem Luftsammler und Brennraum, 1 3 shows a cross section through the area of an internal combustion engine between the air collector and the combustion chamber,

2 ein Diagramm der Ventilbewegungen bei Teillaststeuerung oder Reduzierung des Luftüberschusses und Kälteladung, 2 a diagram of valve movements with partial load control or reduction of excess air and cold charge,

3 ein Diagramm der Ventilbewegungen bei Wärmeladung, 3 a diagram of the valve movements when heated,

4 ein Diagramm der Ventilbewegungen bei Impulsaufladung durch zweimaliges Takten und 4 a diagram of the valve movements with pulse charging by clocking twice and

5 ein Diagramm der Ventilbewegungen bei Impulsaufladung durch einmaliges Takten. 5 a diagram of the valve movements with pulse charging by clocking once.

In 1 führt von einem Luftsammler 10 ein Schwingsaugrohr 12 zu einem Zylinderkopf 14, in dem ein Ventilraum 16 die Verbindung zu einem Brennraum 18 innerhalb eines Zylinders 20 herstellt. Der im Zylinder 20 bewegliche Kolben ist mit 22 bezeichnet. Der Ventilraum 16 kann gegenüber dem Brennraum 18 durch ein Zylinderventil 24 konventioneller Art abgeschlossen werden.In 1 led by an air collector 10 a vibrating suction pipe 12 to a cylinder head 14 in which a valve room 16 the connection to a combustion chamber 18 within a cylinder 20 manufactures. The one in the cylinder 20 moving piston is with 22 designated. The valve room 16 can opposite the combustion chamber 18 through a cylinder valve 24 conventional type.

Im Schwingsaugrohr 12 ist ein als Drehklappe gestaltetes Lufttaktventil 26 vorgesehen, das derart ausgelegt ist, daß seine Umschaltzeit im Bereich von 2 ms liegt. Durch eine der drehbaren Klappe zugeordnete Steuerkante 28 wird eine sehr exakte zeitliche Definition des Öffnungs- und des Schließzeitpunkts ermöglicht.In the vibrating suction pipe 12 is an air cycle valve designed as a rotary flap 26 provided that is designed such that its switching time is in the range of 2 ms. Through a control edge assigned to the rotatable flap 28 a very exact temporal definition of the opening and closing times is made possible.

Bei 30 mündet eine Abgasrückführung in den Ventilraum 16.at 30 Exhaust gas recirculation opens into the valve chamber 16 ,

In den Diagrammen in den 2 bis 5 ist die Abszisse der Kurbelwinkel, während die Ventilposition auf der Ordinate abzulesen ist, so daß für jeden Kurbelwinkel die jeweilige Position von Zylindereinlaßventil (ZV) und Lufttaktventil (LTV) ablesen ist. Dargestellt ist jeweils vollständig der Bewegungsbereich in der Saugphase zwischen oberem Totpunkt (OT) und unterem Totpunkt (UT), sowie ein Teil der angrenzenden Phasen der Kolbenbewegung. Dabei ist die ZV-Bewegung in einer ununterbrochenen Linie dargestellt. Zur Darstellung der LTV-Bewegung werden wahlweise eine unterbrochene Linie und eine strichpunktierte Linie benutzt und zwar zur deutlichen Unterscheidung zwischen statischen und dynamischen Vorgängen bzw. der Kälte- oder Wärmeladung. Es handelt sich deshalb bei unterbrochenen Linien um einen statischen Vorgang bzw. um Kälteladung und bei strichpunktierten Linien um einen dynamischen Vorgang bzw. um Wärmeladung. Als weitere Kurzbezeichnungen werden FES für frühes Einlass-Schließen und SEO für spätes Einlass-Öffnen verwendet. Die durch die Kombination ZV + LTV erzielbaren Effekte können größtenteils auch durch ein ZV mit VVT erhalten werden.In the diagrams in the 2 to 5 is the abscissa of the crank angle, while the valve position can be read on the ordinate, so that the respective position of the cylinder inlet valve (ZV) and air cycle valve (LTV) can be read for each crank angle. The range of motion in the suction phase between top dead center (OT) and bottom dead center (UT) is shown in full, as well as part of the adjacent phases of the piston movement. The ZV movement is shown in a continuous line. A broken line and a dash-dotted line are used to represent the LTV movement, to clearly differentiate between static and dynamic processes or the cold or heat charge. Broken lines are therefore a static process or cold charging and dash-dotted lines are a dynamic process or thermal charging. Other short names used are FES for early intake closing and SEO for late intake opening. Most of the effects that can be achieved by combining ZV + LTV can also be obtained by using ZV with VVT.

Die 2 betrifft sowohl den Vorgang der Teillaststeuerung (Reduzierung des Luftdurchsatzes) bei Saugmotoren als auch die Kälteladung bei aufgeladenen, ladeluftgekühlten Motoren. Die Ventilsteuerzeiten sind identisch. Das frühe Einlass-Schließen ist an sich als Miller-Verfahren bekannt. Je näher am OT das LTV geschlossen wird, desto weniger Luft fließt in den Zylinder und desto kälter ist die Luft wegen ihrer Entspannung auf einen niedrigeren Druck bei Verdichtungsbeginn. Beim Dieselmotor kann durch frühes Einlass-Schließen bei niedriger Teillast die Verbrennungs- und die Abgastemperatur durch Verringerung des Luftüberschusses angehoben werden, obwohl dadurch die Temperatur bei Verdichtungsbeginn sinkt. Die Anhebung der Abgastemperatur verbessert den Betrieb von Abgasreinigungsanlagen, beispielsweise um die Temperatur beim Eintritt in einen Oxydationskatalysator oder eines Partikelfilters kontrolliert anzuheben. Dies ist auch für die Einhaltung der Vorgaben gesetzlicher Emissionstests von Bedeutung.The 2 affects both the process of partial load control (reduction of air throughput) in naturally aspirated engines and the refrigeration charge in supercharged, charge air-cooled engines. The valve timing is identical. Early inlet closing is known per se as the Miller process. The closer to the TDC the LTV is closed, the less air flows into the cylinder and the colder the air is due to its relaxation to a lower pressure at the start of compression. In the diesel engine, early closing the intake at low partial load can raise the combustion and exhaust gas temperatures by reducing the excess air, although this will lower the temperature at the start of compression. Increasing the exhaust gas temperature improves the operation of exhaust gas cleaning systems, for example in order to raise the temperature in a controlled manner when entering an oxidation catalytic converter or a particle filter. This is also important for compliance with the requirements of legal emission tests.

Die 3 zeigt ein sehr spätes kurzzeitiges Einlass-Öffnen des LTV während des zweiten Teils der Saugphase. Es dient der Wärmeladung. Je näher am UT das LTV öffnet, desto wärmer ist die Luft bei Verdichtungsbeginn und desto höher ist der Druck. Die eingeflossene Luftmasse bleibt jedoch konstant, jedenfalls dann, wenn keine Behinderung durch das schließende Zylindereinlaßventil vorliegt.The 3 shows a very late short opening of the LTV during the second part of the suction phase. It is used for thermal charging. The closer the LTV opens, the warmer the air is at the start of compression and the higher the pressure. However, the inflown air mass remains constant, at least when there is no obstruction from the closing cylinder inlet valve.

Außer beim Kaltstart kann die Wärmeladung auch zur Abgastemperatursteuerung von Abgasreinigungsanlagen eingesetzt werden, insbesondere zur Einleitung und Aufrechterhaltung des Abbrands von Partikeln im Partikelfilter. Dieser Abbrand wird üblicherweise bei geringer Motorlast durchgeführt, um das System vor unkontrollierter Überhitzung zu schützen und um genügend Sauerstoff für die Oxydation der Partikel zu haben. Die Folge sind niedrige Abgastemperaturen und demzufolge ergibt sich eine geringe Heizleistung für die Erwärmung der Reinigungsanlage und der angesammelten Partikel, z. B. bei einem Dieselmotor. Durch Wärmeladung kann die Abgastemperatur auch bei hohem Luftüberschuss angehoben werden. Somit ergibt sich eine vorteilhafte Möglichkeit der Steuerung der Abgastemperatur und des Luftüberschusses. Zunächst wird bei Teillast des Motors durch Wärmeladung bei vollem Luftdurchsatz die Kraftstoffzufuhr maximiert, aber spät eingespritzt. Dadurch erzeugt der Motor volle Wärmeleistung bei geringer Kraftentfaltung. Die Reinigungsanlage und die Partikel werden schnell auf Zündtemperatur angehoben. Dann wird die Kraftstoffzufuhr reduziert, während die Wärmeladung zugeschaltet bleibt. So ergeben sich relativ hohe Abgastemperaturen bei hohem Luftüberschuss, der für die Verbrennung der Partikel gebraucht wird.Except when cold starting, it can Heat charge too used for exhaust gas temperature control in exhaust gas cleaning systems in particular to initiate and maintain the burn of particles in the particle filter. This burn is common carried out at low engine load, to protect the system from uncontrolled overheating and to get enough Oxygen for to have the oxidation of the particles. The result is low exhaust gas temperatures and consequently there is a low heating power for heating the Cleaning system and the accumulated particles, e.g. B. at one Diesel engine. By thermal charge the exhaust gas temperature can be raised even when there is a large excess of air. This results in an advantageous possibility of controlling the Exhaust gas temperature and excess air. First is at partial load of the engine by heat charging with full air flow fuel delivery maximized but injected late. Generated thereby the engine full heat output with little power development. The cleaning system and the particles are quickly on ignition temperature raised. Then the fuel supply is reduced while the heat load remains switched on. This results in relatively high exhaust gas temperatures with high excess air, the for the combustion of the particles is needed.

Die. 4 zeigt frühes Einlass-Schließen gefolgt von spätem Einlass-Öffnen als dynamische Aufladung oder Impulsaufladung mit zweimaligem Takten. Diese ist thermodynamisch der bekannten natürlichen Schwingrohraufladung gleichzusetzen. Dementsprechend ist auch für die Impulsaufladung mit LN ein Schwingsaugrohr 12 ( 1) vorgesehen. Die Länge dieses Schwingsaugrohrs 12 ist auf die kürzeste mögliche Öffnungsdauer des Lufttaktventils abgestimmt. Bei dieser Länge kann durch zweimaliges Takten des Lufttaktventils eine sehr günstige Ladewirkung unterhalb und bei der Referenzdrehzahl erzeugt werden. Bei höheren Drehzahlen muß auf einmaliges Takten umgesteuert werden. Die Impulsaufladung dient der Erhöhung der Luftmenge, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen des Motors. Die Variation der Steuerzeiten des Lufttaktventils 26 dient bei der Impulsaufladung der Mengenregelung. Lufttemperatur und Luftdruck bei Verdichtungsbeginn entsprechen der erzielten Steigerung des Luftaufwands.The. 4 shows early inlet closing followed by late inlet opening as dynamic charging or pulse charging with two cycles. This is thermodynamically equivalent to the known natural vibrating tube charge. Accordingly, a vibrating suction tube is also used for pulse charging with LN 12 ( 1 ) intended. The length of this vibrating intake manifold 12 is matched to the shortest possible opening time of the air cycle valve. With this length, a very favorable charging effect below and at the reference speed can be generated by clocking the air cycle valve twice. At higher speeds, it must be reversed to a single cycle. The pulse charging serves to increase the air volume, ins especially at low engine speeds. The variation of the timing of the air cycle valve 26 serves to regulate the quantity during impulse charging. Air temperature and air pressure at the start of compression correspond to the increase in air consumption achieved.

Die 5 zeigt ein spätes Einlass-Öffnen des LN gefolgt von frühem Einlass-Schließen oder Impulsaufladung durch einmaliges Takten. Es handelt sich um eine Form der dynamischen Aufladung. Durch einmaliges Takten wird der Anwendungsbereich der Impulsladung auf höhere Drehzahlen z.B. oberhalb 3000/min ausgedehnt, wo die Zeit für zweimaliges Takten nicht ausreicht.The 5 shows a late inlet opening of the LN followed by early inlet closing or pulse charging by clocking once. It is a form of dynamic charging. The cycle of pulse charging is extended to higher speeds, for example above 3000 / min, where the time for two cycles is insufficient.

Der erfindungsgemäße Motor verwendet demnach sechs prinzipielle Schaltungsvarianten des Lufttaktventils:

  • – frühes Einlass-Schließen
  • – spätes Einlass-Öffnen
  • – frühes Einlass-Schließen gefolgt von spätem Einlass-Öffnen
  • – spätes Einlass-Öffnen gefolgt von frühem Einlass-Schließen
  • – Lufttaktventil offen
  • – Lufttaktventil geschlossen (Zylinderabschaltung).
The engine according to the invention therefore uses six basic circuit variants of the air cycle valve:
  • - early intake closing
  • - late opening
  • - early inlet closing followed by late inlet opening
  • - Late opening followed by early closing
  • - Air cycle valve open
  • - Air cycle valve closed (cylinder deactivation).

Über das Motormanagement werden Änderungen des Fahrzustands oder des Fahrerwunsches in Änderungen der Steuerzeiten des Lufttaktventils umgesetzt. Diese Änderungen können innerhalb einer Schaltungsvariante von gradueller Natur sein, oder es kann der Wechsel zwischen den vorstehenden sechs prinzipiellen Schaltungsvarianten des Lufttaktventils erforderlich sein.about the engine management will be changes the driving status or the driver's wish in changes in the timing of the air cycle valve implemented. These changes can be made within a circuit variant of a gradual nature, or it can be the change between the The above six basic circuit variants of the air cycle valve to be required.

Nachfolgend wird die Steuerung der Schaltungsvarianten für die Betriebsarten einer typischen Fahrt mit Stadtverkehr, Landstraße und Autobahn beispielhaft erläutert, wobei unter Betriebsart das Zusammenspiel von Fahrzustand und Fahrerwunsch verstanden wird:
Kaltstart: Schaltungsvariante Wärmeladung/Spätes Einlass-Öffnen
Warmlauf: Übergang auf frühes Einlass-Schließen, Warmhalten des Katalysators
Leerlauf: Frühes Einlass-Schließen bis der Motor warm ist und die Abgastemperatur hoch genug ist für den effizienten Betrieb des Katalysators, dann Übergang auf Lufttaktventil offen
Anfahren: bei Kavalierstart Impulsaufladung durch zweimaliges Takten, Übergang zu einmaligem Takten und Lufttaktventil offen
Stadtverkehr, Landstraße: je nach Last: Lufttaktventil offen, einmal takten, zweimal takten
Autobahn: je nach Last, Geschwindigkeit und Drehzahl: Wechsel zwischen Lufttaktventil offen, einmal takten, zweimal takten, sowie bei aufgeladenen Motoren Kälteladung durch Überhöhen des Ladedrucks, Ladeluftkühlung und frühes Einlass-Schließen bei mittlerer bis hoher Last.In the following, the control of the circuit variants for the operating modes of a typical drive with city traffic, country road and freeway is explained by way of example, whereby operating mode is understood to mean the interplay of driving condition and driver request:
Cold start: Circuit variant heat charging / late inlet opening
Warm-up: transition to early inlet closing, keeping the catalytic converter warm
Idling: early intake closing until the engine is warm and the exhaust gas temperature is high enough for the efficient operation of the catalytic converter, then transition to air cycle valve open
Start-up: when the cavalier starts, pulse charging through two cycles, transition to one cycle and air cycle valve open
City traffic, country road: depending on the load: air cycle valve open, cycle once, cycle twice
Motorway: depending on load, speed and speed: change between air cycle valve open, cycle once, cycle twice, and with supercharged engines cold charging by increasing the boost pressure, charge air cooling and early intake closing at medium to high load.

Claims (18)

Vorzugsweise mit Schwingsaugrohr (12) ausgestatteter Verbrennungsmotor der Kolbenbauart, mit vollvariabler Lufteinlaßsteuerung mit schnell beweglichen Ventilen (26) und Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum, insbesondere Dieselmotor, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdichtungsverhältnis auf optimalen Verbrauch bei Teillast eingestellt ist.Preferably with a vibrating suction pipe ( 12 ) equipped internal combustion engine of the piston type, with fully variable air intake control with fast moving valves ( 26 ) and fuel injection into the combustion chamber, in particular a diesel engine, characterized in that the compression ratio is set for optimum consumption at part load. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur voll variablen Lufteinlaßsteuerung wenigstens ein Lufttaktventil (26) pro Zylinder (20) vorgesehen ist.Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that for fully variable air intake control at least one air cycle valve ( 26 ) per cylinder ( 20 ) is provided. Verbrennungsmotor nach Anspruch 2 mit Schwingsaugrohr, dadurch gekennzeichnet, daß die Lufttaktventile (26) in das Schwingsaugrohr integriert sind.Internal combustion engine according to claim 2 with a vibrating intake manifold, characterized in that the air cycle valves ( 26 ) are integrated in the vibrating suction pipe. Dieselmotor nach Anspruch 1, bei welchem für den Ladungswechsel VVT-gesteuerte Zylinderventile vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß – soweit zur Vermeidung von Kollisionen zwischen den schnell bewegten Zylinderventilen und dem Kolben (22) erforderlich – der Kolben mit den Ventilen angepaßten Vertiefungen versehen ist.Diesel engine according to claim 1, in which VVT-controlled cylinder valves are provided for the gas exchange, characterized in that - insofar as to avoid collisions between the rapidly moving cylinder valves and the piston ( 22 ) required - the piston is provided with recesses adapted to the valves. Dieselmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Einlaßventil (24) zugeordnete Nockenwelle auf sehr spätes Schließen des Einlaßventils nach dem unteren Totpunkt ausgelegt ist. Diesel engine according to one of claims 1 to 4, characterized in that the inlet valve ( 24 ) assigned camshaft is designed for very late closing of the intake valve after bottom dead center. Dieselmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenlage der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle einstellbar ist.Diesel engine according to claim 5, characterized in that the Phase position of the camshaft opposite the crankshaft is adjustable. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Optimierung des Verdichtungsverhältnisses von der Veränderung des Brennraumvolumens bestimmt ist.Internal combustion engine according to one of claims 1 to 6, characterized in that the Optimization of the compression ratio of change of the combustion chamber volume is determined. Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Optimierung des Verdichtungsverhältnisses von der Veränderung des Hubvolumens bestimmt ist.Internal combustion engine according to claim 7, characterized in that the Optimization of the compression ratio of change of the stroke volume is determined. Verfahren zum Betrieb eines Dieselmotors nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zum Kaltstart eine Wärmeladung durch kurzzeitiges Einlass-Öffnen kurz vor oder im unteren Totpunkt erfolgt.Method for operating a diesel engine according to a of claims 1 to 8, characterized in that a heat charge for the cold start by briefly opening the inlet shortly before or at bottom dead center. Verfahren zum Betrieb eines Dieselmotors nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Wärmebedarf beim Warmlauf, bei niedriger Teillast oder bei niedrigen Umgebungstemperaturen durch Reduzierung des Luftdurchsatzes durch frühes Einlass-Schließen entsprochen wird.Method for operating a diesel engine according to a of claims 1 to 8, characterized in that the heat requirement when warming up, at lower Partial load or at low ambient temperatures by reduction of air flow through early Inlet Close is met. Verfahren zum Betrieb eines Dieselmotors nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Zylinder oder auch mehreren Zylindern das Lufttaktventil zur Zylinderabschaltung geschlossen wird.Method for operating a diesel engine according to a of claims 1 to 8, characterized in that in a cylinder or closed the air cycle valve for several cylinders becomes. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei Zylinderabschaltung eine diesem Zylinder zugeordnete Abgasrückführung geöffnet wird.A method according to claim 11, characterized in that at Cylinder deactivation an exhaust gas recirculation assigned to this cylinder is opened. Verfahren zum Betrieb eines aufgeladenen Dieselmotors mit Ladeluftkühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vollast eine Kälteladung durch frühes Einlass-Schließen in Kombination mit Überhöhung des Laderdrucks erfolgt.Method of operating a supercharged diesel engine with intercooler according to one of the claims 1 to 5, characterized in that a cold charge at full load by early Inlet Close in combination with raising the Charger pressure takes place. Verfahren zum Betrieb eines Dieselmotors nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Impulsaufladung durch einmaliges Takten auf spätes Einlass-Öffnen ein frühes Einlass-Schließen folgt.Method for operating a diesel engine according to a of claims 1 to 8, characterized in that for pulse charging by single clocking for late Inlet opening an early one Inlet Close follows. Verfahren zum Betrieb eines Dieselmotors nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Impulsaufladung durch zweimaliges Takten in der ersten Phase des Saughubs auf ein gering verzögertes Einlass-Öffnen eine statische Einlaßphase folgt, die im Bereich der Hubmitte beendet wird, und daß kurz vor dem unteren Totpunkt eine kurze dynamische Einlaßphase folgt.Method for operating a diesel engine according to a of claims 1 to 8, characterized in that for pulse charging by Two cycles in the first phase of the suction stroke to a low delayed Inlet opening a static intake phase follows, which ends in the middle of the stroke, and that shortly before A short dynamic intake phase follows bottom dead center. Verfahren zum Betrieb eines Ottomotors nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdichtungsverhältnis dem Wert 15 : 1 angenähert ist.Process for operating a gasoline engine according to a of claims 1 to 3, characterized in that the compression ratio to the Value approx. 15: 1 is. Verfahren zum Betrieb eines aufgeladenen Ottomotors nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die durch das gegenüber dem Stand der Technik erhöhte Verdichtungsverhältnis erhöhten Verdichtungsendtemperaturen durch Kälteladung reduziert werden.Process for operating a turbocharged gasoline engine according to claim 16, characterized in that the compared to the State of the art increased compression ratio increased final compression temperatures by cold charging be reduced. Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors der Kolbenbauart mit Krafstoffdirekteinspritzung, insbesondere eines Dieselmotors nach Anspruch 1 bis 8, der mit einem Partikelfilter ausgerüstet ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei gefülltem Filter und Teillast des Motors Wärmeladung durch spätes Einlass-Öffnen erfolgt, daß zunächst eine hohe Kraftstoffzugabe bei spätem Einspritzbeginn erfolgt, und daß bei Erreichen der Abbrandtemperatur im Partikelfilter die Kraftstoffzugabe reduziert wird, und daß der Einspritzbeginn in Abhängigkeit vom Fortschritt des Abbrands bzw. der Regeneration des Filters allmählich an den normalen Fahrbetrieb angepaßt wird und erst dann die Abschaltung der Wärmeladung erfolgt, wenn der komplette Abbrand erfolgt ist, oder wenn die Betriebssituation ein Abbrechen des Abbrands erzwingt.Method for operating an internal combustion engine Piston type with direct fuel injection, especially one Diesel engine according to claim 1 to 8, which with a particle filter equipped is characterized in that at filled Filter and partial load of the engine heat charge through late Inlet opening takes place that first a high fuel addition at late Injection begins and that at When the combustion temperature in the particulate filter is reached, add fuel is reduced, and that the Depending on the start of injection gradually from the progress of the burn-up or regeneration of the filter adapted to normal driving is and only then the heat charge is switched off when the complete burning has occurred, or if the operating situation is a Force abort.
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