DE112018004444T5 - Internal combustion engine with fast responding secondary exhaust valve and associated procedure - Google Patents
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Abstract
Hierin wird ein Verbrennungsmotor, ICE, (2), offenbart. Der ICE (2) umfasst ein zweites Ventil (40), das in einer Auslassleitung (6) angeordnet ist. Die Auslassleitung (6) erstreckt sich von einem Auslassventil (26) zu einem Einlass einer Turbine (8). Das zweite Ventil (40) ist dazu eingerichtet, die Auslassleitung (6) zu öffnen und zu schließen. Das zweite Ventil (40) wird geöffnet, nachdem das Auslassventil (26) damit begonnen hat, zu öffnen. Das zweite Ventil (40) weist eine höhere Ventilflächenöffnungsgeschwindigkeit auf als das Auslassventil (26). Innerhalb eines Bereichs von 10 bis 90 Grad Kurbelwellenwinkel nachdem das Auslassventil (26) damit begonnen hat, zu öffnen, beginnt das zweite Ventil (40) damit, zu öffnen.An internal combustion engine, ICE, (2) is disclosed herein. The ICE (2) comprises a second valve (40) which is arranged in an outlet line (6). The outlet line (6) extends from an outlet valve (26) to an inlet of a turbine (8). The second valve (40) is designed to open and close the outlet line (6). The second valve (40) is opened after the outlet valve (26) has started to open. The second valve (40) has a higher valve surface opening speed than the outlet valve (26). Within a range of 10 to 90 degrees of crankshaft angle after the exhaust valve (26) begins to open, the second valve (40) begins to open.
Description
Technisches GebietTechnical field
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors. Gemäß weiterer Aspekte betrifft die Erfindung ein Computerprogramm zum Durchführen eines Verfahrens zum Steuern eines Verbrennungsmotors sowie ein Computerprogrammprodukt zum Durchführen eines Verfahrens zum Steuern eines Verbrennungsmotors.The present invention relates to an internal combustion engine. The present invention further relates to a method for controlling an internal combustion engine. According to further aspects, the invention relates to a computer program for performing a method for controlling an internal combustion engine and a computer program product for performing a method for controlling an internal combustion engine.
Hintergrundbackground
Ein Kolben eines Viertakt-Verbrennungsmotors (internal combustion engine), ICE, führt in einem Zylinder des ICE vier Takte aus, einen Einlasstakt, einen Verdichtungstakt, einen Arbeitstakt, und einen Ausstoßtakt. Ein herkömmlicher Viertakt-ICE weist dieselbe geometrische Verdichtungsrate und Ausdehnungsrate auf, d. h. der Verdichtungstakt weist dieselbe Länge auf wie der Arbeitstakt. Das Arbeitsmedium wird während des Kompressionstakts ausgehend vom unteren Totpunkt (bottom dead center), BDC, des Kolbens zum oberen Totpunkt (top dead center), TCD, komprimiert. Eine bestimmte Energiemenge wird um den TDC herum hinzugefügt, wenn das Arbeitsmedium verbrennt. Danach wird das Arbeitsmedium während des Arbeitstakts ausgedehnt. Da die Arbeitsweise des herkömmlichen ICE dieselbe geometrische Kompressionsrate und Ausdehnungsrate umfasst, verbleibt immer noch viel Leistung in dem Zylinder, wenn der Kolben den BDC erreicht. Dies ist eine inhärente Eigenschaft des konventionellen ICE. Die im Zylinder verbleibende Leistung entspricht bei großer Last etwa 30 % einer Nennleistung und kann theoretisch beispielsweise in einer Turbine entnommen werden, die mit einer Auslassanordnung des Zylinders verbunden ist. Die Nennleistung eines ICE ist die Leistung, die an einer Ausgangswelle/Kurbelwelle des ICE verfügbar ist.A piston of a four-stroke internal combustion engine (ICE) executes four strokes in an ICE cylinder, an intake stroke, a compression stroke, an operation stroke, and an exhaust stroke. A conventional four-stroke ICE has the same geometric compression rate and expansion rate, i.e. H. the compression cycle has the same length as the work cycle. The working medium is compressed during the compression stroke starting from bottom dead center (BDC), the piston to top dead center (TCD). A certain amount of energy is added around the TDC when the working medium burns. The working medium is then expanded during the work cycle. Because the operation of the conventional ICE includes the same geometric compression rate and expansion rate, there is still a lot of power left in the cylinder when the piston reaches the BDC. This is an inherent property of the conventional ICE. The power remaining in the cylinder corresponds to approximately 30% of a nominal power at high load and can theoretically be obtained, for example, in a turbine which is connected to an outlet arrangement of the cylinder. The nominal power of an ICE is the power that is available on an output shaft / crankshaft of the ICE.
Die Auslassanordnung eines ICE muss während des Arbeitstakts geöffnet werden, bevor der Kolben seinen BDC erreicht. Andernfalls, falls die Auslassanordnung später öffnen würde, beispielsweise wenn der Kolben den BDC erreicht, würde der interne Druck der Abgase (Arbeitsmedium) innerhalb des Zylinders die Bewegung des Kolbens auf den TDC zu während des Ausstoßtakts behindern. Folglich würde die verfügbare Motorleistung verringert werden.An ICE exhaust assembly must be opened during the work cycle before the piston reaches its BDC. Otherwise, if the exhaust arrangement opened later, for example when the piston reached the BDC, the internal pressure of the exhaust gases (working medium) within the cylinder would impede the movement of the piston towards the TDC during the exhaust stroke. As a result, the available engine power would be reduced.
Die Auslassanordnung eines herkömmlichen Viertakt-ICE umfasst zumindest ein Tellerventil. Ein Tellerventil ist eine zuverlässige und haltbare Lösung, und es ist in der Lage, einem Zylinderdruck von 25 MPa und einer Zylindergastemperatur von mehr als 2000 K standzuhalten, während es gasdicht bleibt. Ein Tellerventil, das von einer Nockenwelle gesteuert wird, hat jedoch einen Nachteil dahingehend, dass es sich in einer Ruheposition befindet, wenn es damit beginnt, zu öffnen, was eine niedrige anfängliche Öffnungsgeschwindigkeit des Tellerventils mit sich bringt. Daher drosselt das Tellerventil einen Ausfluss von Abgas durch die Auslassanordnung. Zumindest eine erste Menge von Abgas in dem Zylinder fließt durch das Tellerventil hindurch, während es öffnet, und wird gedrosselt, bevor das Tellerventil eine große Öffnung für ein Hindurchtreten des Abgases bereitstellt. Dies verringert die verfügbare Energie in dem Abgas in einem nichtreversiblen Prozess. Anders ausgedrückt, ein Tellerventil erzeugt einen großen Prozentsatz eines irreversiblen Druckverlusts aufgrund einer Drosselung des Abgases, während es durch das Tellerventil hindurchtritt.The outlet arrangement of a conventional four-stroke ICE comprises at least one poppet valve. A poppet valve is a reliable and durable solution, and is able to withstand a cylinder pressure of 25 MPa and a cylinder gas temperature of more than 2000 K while remaining gas-tight. However, a poppet valve controlled by a camshaft has a disadvantage in that when it starts to open, it is in a rest position, which results in a low initial poppet valve opening speed. Therefore, the poppet valve throttles outflow of exhaust gas through the exhaust assembly. At least a first amount of exhaust gas in the cylinder flows through the poppet valve as it opens and is throttled before the poppet valve provides a large opening for the exhaust gas to pass through. This reduces the available energy in the exhaust gas in a non-reversible process. In other words, a poppet valve creates a large percentage of irreversible pressure loss due to throttling of the exhaust gas as it passes through the poppet valve.
Wie oben angegeben wurde, kann ein ICE eine Turbine zur Nutzbarmachung eines Abgasdrucks zum Antreiben eines Turbinenrads der Turbine aufweisen. Aus der obigen Diskussion folgt, dass ein niedriger Abgasdruckverlust in einem Flusspfad von dem Zylinder zu der Turbine schwierig zu erzielen ist.As indicated above, an ICE may include a turbine to utilize exhaust pressure to drive a turbine wheel of the turbine. From the discussion above it follows that a low exhaust pressure drop in a flow path from the cylinder to the turbine is difficult to achieve.
Es bleibt jedoch nach wie vor das Drosselproblem bestehen, das damit zusammenhängt, dass das Tellerventil eine langsame Erhöhung einer Auslassventilflussfläche bereitstellt, was einem Tellerventil inhärent ist.However, the throttling problem remains that is related to the poppet valve providing a slow increase in exhaust valve flow area, which is inherent in a poppet valve.
Ein Problem mit dem schnell öffnenden Ventil ist es, dass es schwierig ist, eine Dichtung mit dem schnell öffnenden Ventil bereitzustellen, wobei die Dichtung in der Lage ist, der hohen Temperatur und dem Druck innerhalb der entsprechenden Zylinder standzuhalten.One problem with the quick opening valve is that it is difficult to provide a seal with the quick opening valve, the seal being able to withstand the high temperature and pressure within the respective cylinders.
Folglich wird ein höherer Ladedruck bei niedrigen Motordrehzahlen erzielt, was vorteilhaft sein kann für einen Verbrennungsmotor mit geringem Hubraum. Das Aufbauen eines hohen Drucks in dem Abgasrohr zuströmseitig der Abschaltvorrichtung hat jedoch seinen Preis. Anstatt dass sich der Kolben in der relevanten Zylinderbohrung mit einem offenen Auslassventil ungehindert nach oben bewegen kann, trifft der Kolben auf Widerstand von der geschlossenen Abschaltvorrichtung und dem sich ergebenden Druckaufbau. Daher wird mehr Energie benötigt, um den Kolben in der Zylinderbohrung nach oben zu bewegen.As a result, a higher boost pressure is achieved at low engine speeds, which can be advantageous for an internal combustion engine with a small cubic capacity. However, building up a high pressure in the exhaust pipe upstream of the shutdown device has its price. Instead of the piston in the relevant cylinder bore being able to move up freely with an open exhaust valve, the piston encounters resistance from the closed shutdown device and the resulting pressure build-up. Therefore, more energy is required to move the piston up in the cylinder bore.
ZusammenfassungSummary
Es wäre vorteilhaft, einen Verbrennungsmotor (internal combustion engine), ICE, zu erzielen, der zumindest einige der obengenannten Nachteile überwindet oder zumindest abschwächt. Es wäre insbesondere wünschenswert, geringe Drosselverluste in einem Fluss eines Abgases von einem Zylinder des ICE zu ermöglichen, um einen großen Anteil an verbleibender Energie in den Abgasen in einer Turbine nutzbar zu machen, die mit einer Auslassöffnung des ICE verbunden ist. Um einem oder mehreren dieser Belange Rechnung zu tragen, werden ein ICE, ein Fahrzeug und ein Verfahren zum Steuern eines ICE bereitgestellt, die die in den unabhängigen Ansprüchen definierten Merkmale aufweisen.It would be advantageous to achieve an internal combustion engine (ICE) that overcomes or at least mitigates some of the above disadvantages. It would be particularly desirable to enable low throttling losses in a flow of exhaust gas from a cylinder of the ICE to utilize a large amount of remaining energy in the exhaust gases in a turbine connected to an exhaust port of the ICE. In order to take one or more of these concerns into account, an ICE, a vehicle and a method for controlling an ICE are provided which have the features defined in the independent claims.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verbrennungsmotor, ICE, bereitgestellt, der eine Kurbelwelle, zumindest eine Zylinderanordnung und eine Turbine umfasst. Die zumindest eine Zylinderanordnung bildet eine Brennkammer aus, und umfasst eine Zylinderbohrung, einen Kolben, der dazu eingerichtet ist, sich in der Zylinderbohrung zwischen einem oberen Totpunkt (top dead center), TDC, und einem unteren Totpunkt (bottom dead center), BDC, hin und her zu bewegen, ein Auslassventil und eine Auslassöffnung, die an einer inneren begrenzenden Oberfläche der Brennkammer angeordnet ist, wobei das Auslassventil einen Ventilkopf umfasst, der dazu eingerichtet ist, gegen einen Ventilsitz der Auslassöffnung abzudichten. Eine Auslassleitung erstreckt sich von der Auslassöffnung zu einem Einlass der Turbine. Der Verbrennungsmotor umfasst ein zweites Ventil, das in der Auslassleitung angeordnet ist, wobei das zweite Ventil dazu eingerichtet ist, die Auslassleitung zu schließen und zu öffnen, wobei das zweite Ventil geöffnet wird, nachdem das Auslassventil damit begonnen hat, zu öffnen. Das zweite Ventil weist eine höhere Ventilflächenöffnungsgeschwindigkeit auf als das Auslassventil, wobei innerhalb eines Bereichs von 10 bis 90 Grad Kurbelwellenwinkel nachdem das Auslassventil damit begonnen hat, zu öffnen, das zweite Ventil damit beginnt, zu öffnen.According to one aspect of the invention, an internal combustion engine, ICE, is provided that includes a crankshaft, at least one cylinder arrangement, and a turbine. The at least one cylinder arrangement forms a combustion chamber and comprises a cylinder bore, a piston which is set up to move in the cylinder bore between a top dead center (TDC) and a bottom dead center (BDC). reciprocatingly, an exhaust valve and an exhaust port disposed on an inner delimiting surface of the combustion chamber, the exhaust valve including a valve head configured to seal against a valve seat of the exhaust port. An outlet line extends from the outlet opening to an inlet of the turbine. The internal combustion engine includes a second valve arranged in the exhaust line, the second valve being configured to close and open the exhaust line, the second valve being opened after the exhaust valve has started to open. The second valve has a higher valve area opening speed than the exhaust valve, and within a range of 10 to 90 degrees crankshaft angle after the exhaust valve begins to open, the second valve begins to open.
Da der ICE ein zweites Ventil umfasst, das in der Auslassleitung angeordnet ist, wobei das zweite Ventil dazu eingerichtet ist, die Auslassleistung zu schließen und zu öffnen, und innerhalb eines Bereichs von 10 bis 90 Grad Kurbelwellenwinkel nachdem das Auslassventil damit begonnen hat, zu öffnen, geöffnet wird, wird der Druck zwischen der Zylinderbohrung und der Auslassleitung zuströmseitig des zweiten Ventils ausgeglichen, zumindest zu einem bestimmten Grad, bevor das zweite Ventil öffnet. Ferner sind die Abgase einer geringeren Drosselung ausgesetzt, wenn sie durch das zweite Ventil zu der Turbine hindurchtreten, als wenn sie durch das Auslassventil hindurchtreten, da das zweite Ventil eine höhere Ventilflächenöffnungsgeschwindigkeit aufweist als das Auslassventil. Daher kann ein vergleichsweise großer Prozentsatz der verfügbaren Energie der Abgase in der Turbine rückgewonnen werden, die mit der Auslassleitung verbunden ist. Im Ergebnis wird die obengenannte Aufgabe gelöst.Because the ICE includes a second valve disposed in the exhaust line, the second valve configured to close and open the exhaust power and open within a range of 10 to 90 degrees crankshaft angle after the exhaust valve begins to open , is opened, the pressure between the cylinder bore and the outlet line upstream of the second valve is equalized, at least to a certain degree, before the second valve opens. Furthermore, the exhaust gases are subject to less throttling when they pass through the second valve to the turbine than when they pass through the exhaust valve because the second valve has a higher valve area opening speed than the exhaust valve. Therefore, a comparatively large percentage of the available energy of the exhaust gases can be recovered in the turbine connected to the exhaust pipe. As a result, the above object is achieved.
Genauer gesagt erhöht sich der Druck in einem ersten Abschnitt der Auslassleitung bis zu dem geschlossenen zweiten Ventil graduell, da das Auslassventil vor dem zweiten Ventil öffnet, vorzugsweise bis der Druck zwischen der Zylinderbohrung und dem ersten Abschnitt der Auslassleistung im Wesentlichen ausgeglichen wurde. Daher kann ein Abgasfluss durch das Auslassventil hindurch während einer anfänglichen Phase eines Öffnens des Auslassventils stattfinden, wenn die Turbine von einer Verbindung mit dem Auslassventil durch das zweite Ventil getrennt wird. Sobald das zweite Ventil damit beginnt, zu öffnen, wird das Auslassventil zu einem solchen Grad geöffnet worden sein, dass die Abgase im Wesentlichen ungehindert durch die Auslassöffnung hindurch fließen. Da das zweite Ventil eine höhere Ventilflächenöffnungsgeschwindigkeit aufweist als das Auslassventil, erreichen die Abgase die Turbine mit einer geringeren Drosselung, als für den Fall, dass kein zweites Ventil vorhanden wäre und die Auslassöffnung unmittelbar über die Auslassleistung mit der Turbine in Verbindung stünde. More specifically, the pressure in a first portion of the exhaust line gradually increases up to the closed second valve, since the exhaust valve opens before the second valve, preferably until the pressure between the cylinder bore and the first portion of the exhaust power has been substantially equalized. Therefore, exhaust gas flow through the exhaust valve may occur during an initial phase of opening the exhaust valve when the turbine is disconnected from the exhaust valve by the second valve. As soon as the second valve begins to open, the exhaust valve will have been opened to such an extent that the exhaust gases flow through the exhaust opening substantially unimpeded. Because the second valve has a higher valve area opening speed than the exhaust valve, the exhaust gases reach the turbine with less throttling than if there was no second valve and the exhaust port was in direct communication with the turbine via the exhaust power.
Daher kann das Auslassventil dazu eingerichtet sein, den hohen Drücken und Temperaturen während der Verbrennung innerhalb der Zylinderbohrung standzuhalten, während das zweite Ventil von den hohen Drücken und Temperaturen geschützt in der Auslassleitung angeordnet ist, und es daher nicht dazu eingerichtet sein muss, denselben hohen Drücken und Temperaturen standzuhalten. Stattdessen kann das zweite Ventil für ein schnellen Öffnen eingerichtet sein, um eine verlustarme Übertragung der Abgase zu der Turbine bereitzustellen.Therefore, the exhaust valve can be configured to withstand the high pressures and temperatures during combustion within the cylinder bore, while the second valve is located in the exhaust line, protected from the high pressures and temperatures, and therefore need not be configured to handle the same high pressures and withstand temperatures. Instead, the second valve can be set up for quick opening in order to provide low-loss transmission of the exhaust gases to the turbine.
Die Abgase, die in dem Zylinder am Ende des Arbeitstakts und am Anfang des Ausstoßtakts vorhanden sind, werden für eine Entnahme der darin verbleibenden Energie mit deutlich geringeren irreversiblen Verlusten verfügbar sein, als dies in Verbindung mit einem ICE möglich war, in dem die Abgase durch ein Auslassventil hindurch gedrosselt wurden, wenn sie direkt durch eine Auslassleitung zu einer Turbine hindurchtraten. Daher kann in einem ICE gemäß der vorliegenden Erfindung eine Rückgewinnung von Energie aus den Abgasen in der Turbine ermöglicht werden, die abströmseitig des Auslassventils angeordnet ist. Diese effiziente Übertragung der Abgase von dem Zylinder zu der Turbine wird durch das schnell öffnende zweite Ventil erzielt, das die irreversiblen Drosselungsverluste deutlich verringert, die üblicherweise durch das Auslassventil eines ICE hindurch auftreten, in dem die Auslassventile direkt mit der Turbine verbunden ist.The exhaust gases that are present in the cylinder at the end of the working stroke and at the beginning of the exhaust stroke will be available for a removal of the energy remaining therein with significantly less irreversible losses than was possible in connection with an ICE in which the exhaust gases through an exhaust valve was throttled if they passed directly through an exhaust pipe to a turbine. Therefore, in an ICE according to the present invention, recovery of energy from the exhaust gases can be made possible in the turbine arranged on the downstream side of the exhaust valve. This efficient transfer of exhaust gases from the cylinder to the turbine is achieved by the fast opening second valve, which significantly reduces the irreversible throttling losses that typically occur through the exhaust valve of an ICE in which the exhaust valve is directly connected to the turbine.
Folglich stellt die Erfindung eine erhöhte Nutzbarmachung der Energie bereit, die in dem Zylinder am Ende des Arbeitstakts verfügbar ist. Die Erfindung bringt die Möglichkeit mit sich, eine Rückgewinnung von Energie aus den Abgasen im Vergleich zu einem ICE zu erhöhen, die andernfalls in einem nichtreversiblen Drosselungsvorgang durch das Auslassventil hindurch verschwendet worden wäre.Thus, the invention provides increased utilization of the energy available in the cylinder at the end of the stroke. The invention provides the ability to increase energy recovery from the exhaust gases compared to an ICE that would otherwise have been wasted in a non-reversible throttling process through the exhaust valve.
Diese erhöhte rückgewonnene Energie kann dazu verwendet:
- - die Arbeit zu erhöhen, die von der Turbine an einen Zentrifugalkompressor übertragen wird, um die positive Pumparbeit während einer Induktion zu verbessern, d. h. eine erhöhte Open-Cycle-Effizienz, OCE, oder um ein relatives Luft-/KraftstoffVerhältnis, A, zu erhöhen, d. h. eine erhöhte Closed-Cycle-Effizienz, CCE.
- - eine bestimmte Turbine anzutreiben, die Leistung an eine Elektromotor/Generatoreinheit (electrical motor/generator unit), MGU, liefert, die mit einer Welle der Turbine verbunden ist, oder an die Kurbelwelle des ICE, d. h. Turboverbund (turbo compounding), oder an Hilfsvorrichtungen, beispielsweise eines relevanten Fahrzeugs.
- - Increase the work transferred from the turbine to a centrifugal compressor to improve positive pumping work during induction, ie increased open cycle efficiency, OCE, or to increase relative air / fuel ratio, A , ie increased closed-cycle efficiency, CCE.
- - Drive a particular turbine that provides power to an electrical motor / generator unit (MGU) connected to a shaft of the turbine, or to the crankshaft of the ICE, ie turbo compounding, or to Auxiliary devices, for example a relevant vehicle.
Mehrere der obengenannten Alternativen zur Nutzbarmachung der erhöhten rückgewonnene Energie können gleichzeitig verwendet werden, beispielsweise die Kombination einer Turboaufladung mit einem Turboverbund (elektrisch oder mechanisch), umgesetzt mit der Verwendung einer Turbine. Ferner wird die negative Kolbenpumparbeit während des Arbeitstakts beseitigt oder zumindest deutlich verringert werden, was zu einer erhöhten OCE führt. Zusammenfassend wird die vorliegende Erfindung zu einer Erhöhung der thermischen Nenneffizienz (Brake Thermal Efficiency), BTE, im Vergleich zu einem ICE führen, in dem Auslassventile direkt mit der Turbine über die Auslassleitung verbunden sind.Several of the above alternatives for harnessing the increased recovered energy can be used simultaneously, for example the combination of turbocharging with a turbo compound (electrical or mechanical) implemented with the use of a turbine. Furthermore, the negative piston pumping work during the work cycle will be eliminated or at least significantly reduced, which leads to an increased OCE. In summary, the present invention will result in an increase in Brake Thermal Efficiency, BTE, compared to an ICE in which exhaust valves are connected directly to the turbine via the exhaust pipe.
Der ICE kann ein Viertakt-ICE oder ein Zweitakt-ICE sein. Der ICE kann mehr als eine Zylinderanordnung umfassend, wobei jede Zylinderanordnung eine Brennkammer ausbildet und eine Zylinderbohrung, einen Kolben, der in der Zylinderbohrung angeordnet ist und sich hin und her bewegt, eine Pleuelstange, die den Kolben mit einer Kurbelwelle verbindet, und ein Auslassventil für einen Ausfluss von Abgas aus der Zylinderbohrung umfasst. Der ICE kann mehr als eine Turbine umfassen, wie beispielsweise zwei Turbinen, oder eine Turbine für jede Zylinderanordnung des ICE. In dem Fall zweier Turbinen können die Auslassventile einer Anzahl von Zylinderanordnungen mit einer Turbine verbunden sein, und die Auslassventile der verbleibenden Zylinderanordnungen können mit der anderen Turbine verbunden sein. Die Turbine kann zum Beispiel einen Teil eines Turboladers ausbilden, der ICE kann ein Turboverbundmotor sein, mit dem die Turbine über die Kurbelwelle verbunden ist, oder die Turbine kann einen elektrischen Generator antreiben.The ICE can be a four-stroke ICE or a two-stroke ICE. The ICE may include more than one cylinder assembly, each cylinder assembly forming a combustion chamber and a cylinder bore, a piston located in the cylinder bore and reciprocating, a connecting rod connecting the piston to a crankshaft, and an exhaust valve for includes an outflow of exhaust gas from the cylinder bore. The ICE may include more than one turbine, such as two turbines, or one turbine for each cylinder arrangement of the ICE. In the case of two turbines, the exhaust valves of a number of cylinder assemblies can be connected to one turbine and the exhaust valves of the remaining cylinder assemblies can be connected to the other turbine. For example, the turbine may form part of a turbocharger, the ICE may be a compound turbo engine to which the turbine is connected via the crankshaft, or the turbine may drive an electric generator.
Der Begriff Ventilflächenöffnungsgeschwindigkeit bezieht sich auf die Geschwindigkeit, mit der ein Ventil öffnet, d. h. die Änderung der Öffnungsfläche eines Ventils pro Zeiteinheit, zum Beispiel m2/Sekunde. Die Ventilflächenöffnungsgeschwindigkeit kann linear oder nichtlinear sein, zum Beispiel steigend. Dass das zweite Ventil eine höhere Ventilflächenöffnungsgeschwindigkeit aufweist als das Auslassventil bedeutet, dass das zweite Ventil eine höhere Ventilflächenöffnungsgeschwindigkeit zu dem Moment aufweist, wenn das zweite Ventil damit beginnt, zu öffnen, als die Öffnungsgeschwindigkeit des Auslassventils, wenn es damit beginnt, zu öffnen. Auf dieses Weise sind Drosselungsverluste durch das zweite Ventil hindurch geringen im Vergleich zu Drosselungsverlusten durch das Auslassventil hindurch, falls das Auslassventil direkt mit einer Turbine verbunden wäre, wie in einer ICE gemäß dem Stand der Technik. The term valve surface opening speed refers to the speed at which a valve opens, ie the change in the opening surface of a valve per unit time, for example m 2 / second. The valve surface opening speed can be linear or non-linear, for example increasing. That the second valve has a higher valve surface opening speed than the exhaust valve means that the second valve has a higher valve surface opening speed at the moment when the second valve starts opening than the opening speed of the exhaust valve when it starts opening. In this way, throttling losses through the second valve are less compared to throttling losses through the exhaust valve if the exhaust valve were directly connected to a turbine, as in a prior art ICE.
Die Brennkammer ist innerhalb der Zylinderanordnung angeordnet, oberhalb des Kolbens. Einlassluft tritt durch eine Einlassanordnung der Zylinderanordnung während des Einlasstakts des Kolbens in die Brennkammer ein. Die Einlassluft kann von einem Turbolader komprimiert sein. Der Verbrennungsmotor kann zum Beispiel ein Selbstzünder-(compression ignition, CI)-Motor, wie beispielsweise ein Dieselmotor, oder ein Zündfunkenmotor, wie beispielsweise ein Motor vom Otto-Type, sein, und er umfasst in letzterem Fall eine Zündkerze oder eine ähnliche Vorrichtung in der Zylinderanordnung. Kraftstoff kann in die Brennkammer hinein während eines Teils des Verdichtungstakts oder Einlasstakts des Kolbens eingespritzt werden, oder er kann von der Einlassluft mitgeführt sein. Der Kraftstoff kann nahe des TDC zwischen dem Verdichtungstakt und dem Arbeitstakt des Kolbens zünden.The combustion chamber is arranged inside the cylinder arrangement, above the piston. Intake air enters the combustion chamber through an intake assembly of the cylinder assembly during the intake stroke of the piston. The intake air can be compressed by a turbocharger. For example, the internal combustion engine may be a compression ignition (CI) engine, such as a diesel engine, or a spark engine, such as an Otto-type engine, and in the latter case it includes a spark plug or similar device in FIG the cylinder arrangement. Fuel may be injected into the combustion chamber during part of the compression stroke or intake stroke of the piston, or may be entrained in the intake air. The fuel can ignite near the TDC between the compression stroke and the piston stroke.
Gemäß Ausführungsformen bildet die zumindest eine Zylinderanordnung eine Brennkammer aus, wobei die Zylinderanordnung ein maximales Volumen, VMAX, zwischen einem unteren Totpunkt, BDC, des Kolbens und einer inneren begrenzenden Oberfläche der Brennkammer aufweist. Das zweite Ventil ist an einer Position in der Auslassleitung innerhalb eines Bereichs von 1 % bis 25 % des maximalen Volumens, VMAX, abströmseitig der Auslassöffnung angeordnet, vorzugsweise innerhalb eines Bereichs von 1 % bis 15 % des maximalen Volumens, VMAX, abströmseitig der Auslassöffnung. Auf diese Weise kann ein Volumen eines ersten Abschnitts der Auslassleitung zwischen dem Auslassventil und dem zweiten Ventil ein Volumen aufweisen, das einen Druckausgleich, zumindest zu einem hohen Grad, zwischen der Brennkammer und dem ersten Abschnitt der Auslassleistung gestattet, bevor das zweite Ventil damit beginnt, zu öffnen. Dass das zweite Ventil an einer Position in der Auslassleitung angeordnet ist, ausgedrückt durch ein bestimmtes Volumen, bedeutet, dass das bestimmte Volumen, in diesem Fall definiert in Prozent des maximalen Volumens der Brennkammer, in der Auslassleistung zwischen der Auslassöffnung und dem zweiten Ventil bereitgestellt ist.According to embodiments, the at least one cylinder arrangement forms a combustion chamber, the cylinder arrangement having a maximum volume, V MAX , between a bottom dead center, BDC, of the piston and an inner delimiting surface of the combustion chamber. The second valve is arranged at a position in the outlet line within a range of 1% to 25% of the maximum volume, V MAX , downstream of the outlet opening, preferably within a range of 1% to 15% of the maximum volume, V MAX , downstream of the Outlet opening. In this way, a volume of a first portion of the exhaust line between the exhaust valve and the second valve can have a volume that allows pressure equalization, at least to a high degree, between the combustion chamber and the first portion of the exhaust power before the second valve begins to open. The fact that the second valve is arranged at a position in the exhaust line, expressed by a specific volume, means that the specific volume, in this case defined as a percentage of the maximum volume of the combustion chamber, is provided in the output power between the exhaust opening and the second valve .
Gemäß Ausführungsformen kann das zweite Ventil einen Ventilkörper umfassen, wobei der Ventilkörper einen flussdurchlässigen Abschnittsbereich, in dem ein Fluss eines Abgases durch das zweite Ventil hindurchtritt, und einen Null-Fluss-Abschnittsbereich umfassen kann, in dem die Auslassleitung bei dem zweiten Ventil geschlossen ist, und wobei der Ventilkörper dazu eingerichtet ist, in Bewegung versetzt zu werden, bevor der Ventilkörper den flussdurchlässigen Abschnittsbereich erreicht. Auf diese Weise kann das zweite Ventil eine hohe Ventilflächenöffnungsgeschwindigkeit bereitstellen. Im Vergleich zu einem Tellerventil, das aus einer Ruheposition heraus beschleunigt werden muss, wenn es geöffnet wird, kann der Ventilkörper, der sich in Bewegung befindet, eine höhere Ventilflächenöffnungsgeschwindigkeit bereitstellen.According to embodiments, the second valve can comprise a valve body, wherein the valve body can comprise a flow-permeable section area, in which a flow of an exhaust gas passes through the second valve, and a zero-flow section area, in which the outlet line in the second valve is closed, and wherein the valve body is configured to be set in motion before the valve body reaches the flow-permeable section area. In this way, the second valve can provide a high valve surface opening speed. Compared to a poppet valve that needs to be accelerated from a rest position when opened, the valve body that is in motion can provide a higher valve area opening speed.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Fahrzeug bereitgestellt, das einen Verbrennungsmotor gemäß einem der Aspekte und/oder gemäß einer der Ausführungsformen umfasst, die hierin beschrieben sind.According to another aspect of the invention, there is provided a vehicle that includes an internal combustion engine according to one of the aspects and / or according to one of the embodiments described herein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors bereitgestellt, wobei der Verbrennungsmotor zumindest eine Zylinderanordnung, eine Kurbelwelle und eine Turbine umfasst, wobei die zumindest eine Zylinderanordnung eine Brennkammer ausbildet und eine Zylinderbohrung, einen Kolben, der dazu eingerichtet ist, sich in der Zylinderbohrung zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt hin und her zu bewegen, eine Pleuelstange, die den Kolben mit der Kurbelwelle verbindet, ein Auslassventil und eine Auslassöffnung umfasst, die an einer inneren begrenzenden Oberfläche der Brennkammer angeordnet ist, wobei das Auslassventil einen Ventilkopf umfasst, der dazu eingerichtet ist, gegen einen Ventilsitz der Auslassöffnung abzudichten, wobei sich eine Auslassleitung von der Auslassöffnung zu einem Einlass der Turbine erstreckt, wobei der Verbrennungsmotor ein zweites Ventil umfasst, das in der Auslassleitung angeordnet ist, wobei das zweite Ventil dazu eingerichtet ist, die Auslassleitung zu schließen und zu öffnen. Das Verfahren umfasst in der angegebenen Reihenfolge die Schritte:
- - Öffnen des Auslassventils,
- - Drehen der Kurbelwelle um einen vorgegebenen Kurbelwellenwinkel innerhalb eines
Bereichs von 10 bis 90 Grad, und danach - - Öffnen des zweiten Ventils bei einer höheren Ventilflächenöffnungsgeschwindigkeit als das Auslassventil.
- - Opening the exhaust valve,
- - Rotating the crankshaft by a predetermined crankshaft angle within a range of 10 to 90 degrees, and thereafter
- - Opening the second valve at a higher valve surface opening speed than the outlet valve.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden sich ergeben, wenn die beigefügten Ansprüche sowie die folgende ausführliche Beschreibung betrachtet werden.Further features and advantages of the invention will appear when the appended claims and the following detailed description are considered.
FigurenlisteFigure list
Verschiedene Aspekte und/oder Ausführungsformen der Erfindung, einschließlich ihrer speziellen Merkmale und Vorteile, werden anhand der beispielhaften Ausführungsformen einfach verständlich sein, die in der folgenden ausführlichen Beschreibung und in den beigefügten Zeichnungen erläutert werden, in denen:
-
1 stellt schematisch einen Verbrennungsmotor, ICE, gemäß Ausführungsformen dar, -
2 stellt schematisch eine Zylinderanordnung einesICE 2 dar, -
3a bis3c stellen schematisch Querschnitte durch ein zweites Ventil gemäß Ausführungsformen dar, -
4a bis4e stellen alternative Ausführungsformen eines zweiten Ventils dar, -
5 und6 stellen Ausführungsformen von ICEs mit mehr als einer Zylinderanordnung dar, -
7 zeigt ein schematisches Beispiel eines Turbinendiagramms einer Turbine dar, und -
8 stellt ein Verfahren zum Steuern eines ICE dar. -
9 stellt schematisch ein Öffnen und Schließen eines Auslassventils und eines zweiten Ventils dar.
-
1 schematically illustrates an internal combustion engine, ICE, in accordance with embodiments, -
2nd schematically represents a cylinder arrangement of an ICE2nd dar, -
3a to3c schematically represent cross sections through a second valve according to embodiments, -
4a to4e represent alternative embodiments of a second valve, -
5 and6 represent embodiments of ICEs with more than one cylinder arrangement, -
7 FIG. 4 shows a schematic example of a turbine diagram of a turbine, and -
8th represents a method for controlling an ICE. -
9 schematically represents an opening and closing of an exhaust valve and a second valve.
Ausführliche BeschreibungDetailed description
Aspekte und/oder Ausführungsformen der Erfindung werden nur vollständiger beschrieben. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich durchweg auf gleiche Elemente. Bekannte Funktionen und Konstruktionen werden aus Gründen der Kürze und/oder Klarheit nicht zwingend detailliert beschrieben.Aspects and / or embodiments of the invention are only described more fully. The same reference numerals refer to the same elements throughout. Known functions and designs are not necessarily described in detail for the sake of brevity and / or clarity.
Die zumindest eine Zylinderanordnung
Die Zylinderanordnung
Die Auslassanordnung
Die Turbine
Der ICE
Gemäß Ausführungsformen, in denen der ICE
Der ICE
Wenn das Auslassventil
Gemäß einigen Ausführungsformen kann das zweite Ventil
Mit Bezug auf
Innerhalb eines Bereichs von 10 bis 90 Grad Kurbelwellenwinkel nachdem das Auslassventil
Wie oben erwähnt wurde, bildet die zumindest eine Zylinderanordnung
Die Turbinenradeinlassfläche, ATIN, ist an einer Öffnung eines Gehäuses der Turbine vorgesehen, durch die Abgase zu dem Turbinenrad
Wie oben erwähnt wurde, ist die Auslassanordnung
Gemäß diesen Ausführungsformen verbindet die Auslassleitung
Das Turbinenrad
Gemäß einigen Ausführungsformen kann die Zylinderanordnung
Das zweite Ventil
Anders ausgedrückt weist der Ventilkörper
Wie anhand von
Alternative Ausführungsformen des zweiten Ventils
In den Ausführungsformen des zweiten Ventils gemäß
Gemäß den Ausführungsformen gemäß
In den Ausführungsformen gemäß
Gemäß alternativen Ausführungsformen muss der Ventilkörper
Gemäß einigen Ausführungsformen kann die Bewegung des Ventilkörpers
In der Ausführungsform gemäß
Die Steuereinheit
Im Allgemeinen werden Volumina von Verbindungen zu oder von der Auslassleitung
In
Für eine bestimmte Turbine werden Turbinenteststandergebnisse in ein Turbinendiagramm (turbine map) eingetragen. Auf der Grundlage derartiger Turbinendiagramme kann eine geeignete Turbine für einen bestimmten Typ von ICE ausgewählt werden. In einem Typ von Turbinendiagramm können mehrere Turbinendrehzahllinien über einem korrigierten Fluss und Druckverhältnisses über die Turbine aufgetragen sein. Derartige Turbinendrehzahllinien können beispielsweise sogenannte reduzierte Turbinendrehzahlen, RPMRED, darstellen. Der korrigierte Fluss kann beispielsweise durch einen reduzierten Massefluss, m'RED, repräsentiert sein. Die Standards SAE J1826 und SAE
Für eine relevante Turbine kann eine normierte effektive Flussrate, γ, definiert werden als γ = ATURB/VMAX. Daher kann die Turbinenradeinlassfläche, ATIN, relativ zu dem maximalen Volumen, VMAX, der Zylinderanordnung definiert werden. Und zwar wie folgt, ATURB = (ATIN/ATOT) * m'RED * (R/(K(2/(K + 1)X)))1/2, wobei X = (κ + 1)/(K - 1). Wie oben erwähnt wurde, ist ATIN die Turbinenradeinlassfläche, die mit der Auslassflussfläche, ACYL, der Zylinderanordnung verbunden ist. Die Turbine kann mehr als eine Einlassfläche aufweisen. Folglich ist ATOT eine gesamte Einlassfläche der Turbine, d. h. ATIN und alle weiteren Turbineneinlassflächen, ATINX etc. (ATOT = ATIN + ATINX + ...). R ist die spezifische Gaskonstante. Ein beispielhafter Wert für R kann 287 sein. κ = Cp / Cv, wobei Cp die spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck der Abgase ist, und wobei Cv die spezifische Wärmekapazität der Abgase bei konstantem Volumen ist. Ein beispielhafter Wert von κ kann 1,4 sein, bei einer Temperatur von 293 K.For a relevant turbine, a normalized effective flow rate, γ, can be defined as γ = A TURB / V MAX . Therefore, the turbine inlet area, A TIN , can be defined relative to the maximum volume, V MAX , of the cylinder assembly. As follows, A TURB = (ATIN / ATOT) * m'RED * (R / (K (2 / (K + 1) X ))) 1/2 , where X = (κ + 1) / (K - 1). As mentioned above, A TIN is the turbine inlet area connected to the outlet flow area, A CYL , of the cylinder assembly . The turbine can have more than one inlet surface. Consequently, A TOT is an entire inlet area of the turbine, ie A TIN and all other turbine inlet areas, A TINX etc. (A TOT = A TIN + A TINX + ...). R is the specific gas constant. An exemplary value for R can be 287. κ = C p / C v , where C p is the specific heat capacity at constant pressure of the exhaust gases, and where C v is the specific heat capacity of the exhaust gases at constant volume. An exemplary value of κ can be 1.4, at a temperature of 293 K.
ATURB kann als reduzierter Massefluss, m'RED, der Turbine bei einem Druckverhältnis zwischen einer Einlassseite und einer Auslassseite der Turbine von beispielsweise 2,5 bis 3,5 und bei einer Flügelspitzengeschwindigkeit des Turbinenrads beispielsweise von 450 m/s erhalten werden. ATURB für eine bestimmte Turbine kann beispielsweise erhalten werden, indem der reduzierte Massefluss, m'RED, einem relevanten Turbinendiagramm für eine Turbinendrehzahl entnommen wird, die der relevanten Flügelspitzengeschwindigkeit bei dem relevanten Druckverhältnis entspricht, und indem ATURB mit relevanten Daten für die Turbine und ihre Betriebsbedingungen berechnet wird. Anschließend kann γ berechnet werden. Gemäß Ausführungsformen hierin ist γ > 0,22 m-1.A TURB can be obtained as a reduced mass flow, m ' RED , of the turbine with a pressure ratio between an inlet side and an outlet side of the turbine of, for example, 2.5 to 3.5 and with a wing tip speed of the turbine wheel of, for example, 450 m / s. A TURB for a particular turbine can be obtained, for example, by taking the reduced mass flow, m ' RED , from a relevant turbine diagram for a turbine speed that corresponds to the relevant wing tip speed at the relevant pressure ratio, and by A TURB with relevant data for the turbine and their operating conditions is calculated. Then γ can be calculated. According to embodiments herein, γ> 0.22 m -1 .
Gemäß einigen Ausführungsformen weist die Turbine eine normierte effektive Flussfläche, γ, auf, die definiert ist als γ = ATURB/VMAX, wobei γ > 0,22 m-1, wobei ATURB = (ATIN/ATOT) * m'RED * (R/(K(2/(K + 1)X)))1/2, wobei X = (κ + 1)/(K - 1), wobei ATOT eine gesamte Einlassfläche der Turbine (
In einer solchen Turbine
Das Verfahren
- - Öffnen
102 desAuslassventils 26 , - -
Drehen 104 der Kurbelwelle 20 um einen vorgegebenen Kurbelwellenwinkel innerhalb einesBereichs von 10 bis 90 Grad, und danach - - Öffnen
106 des zweiten Ventils40 bei einer höheren Ventilflächenöffnungsgeschwindigkeitals das Auslassventil 26 .
- - To open
102 of theexhaust valve 26 , - - Rotate
104 thecrankshaft 20 by a predetermined crank angle within a range of 10 to 90 degrees, and thereafter - - To open
106 of thesecond valve 40 at a higher valve surface opening speed than theexhaust valve 26 .
Auf diese Weise kann der Druck in der Brennkammer
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Computerprogramm zum Durchführen eines Verfahrens zum Steuern eines ICE
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein computerlesbares Medium bereitgestellt, das Anweisungen umfasst, die dann, wenn sie von einem Computer ausgeführt werden, den Computer dazu veranlassen, das Verfahren
Es sollte verstanden werden, dass das Vorstehende mehrere beispielhafte Ausführungsformen veranschaulicht und dass die Erfindung lediglich durch die beigefügten Ansprüche festgelegt ist. Ein Fachmann wird erkennen, dass die beispielhaften Ausführungsformen abgewandelt werden können, und dass unterschiedliche Merkmale der beispielhaften Ausführungsformen kombiniert werden können, um andere Ausführungsform als die hierin beschriebenen zu erzeugen, ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen, wie er von den beigefügten Ansprüchen definiert ist.It should be understood that the foregoing illustrates several exemplary embodiments and that the invention is defined only by the appended claims. One skilled in the art will recognize that the exemplary embodiments may be modified and that different features of the exemplary embodiments may be combined to produce embodiments other than those described herein without departing from the scope of the invention as defined by the appended claims.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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