Bezeichnung: Verfahren zur Optimierung des Betriebs einer aufgeladenen Kolbenbrennkraftmaschine im unteren DrehzahlbereichName: Process for optimizing the operation of a charged piston internal combustion engine in the lower speed range
Beschreibungdescription
Bei sogenannten aufgeladenen Kolbenbrennkraftmaschinen wird die erforderliche Verbrennungsluft den Zylindern über einen Lader mit einem gegenüber dem Umgebungsdruck erhöhten Druck zugeführt. Die Druckerhöhung kann hierbei über einen sogenannten Abgasturbolader erfolgen, bei dem mittels einer mit der Abgasanlage verbundenen Turbine ein Turboverdichter angetrieben wird, der druckseitig mit der Lufteinlassanlage in Verbindung steht. Die Druckerhöhung kann aber auch durch einen sogenannten mechanischen Lader erfolgen, dessen Antriebsenergie von der Kurbelwelle der Kolbenbrennkraftmaschine abgegriffen wird. Der Kraftstoff wird entweder durch Einspritzung der entsprechenden Kraftstoffmengen jeweils in den Lufteinlasskanal eines jeden Zylinders oder aber durch Einspritzung direkt in den Zylinder zugeführt. Für den Gaswechsel sind je Zylinder jeweils wenigstens ein Auslassventil und wenigstens ein Einlassventil vorgesehen, die entsprechend mit der Abgasanlage und der Lufteinlassanlage in Verbindung stehen.In so-called supercharged piston internal combustion engines, the required combustion air is supplied to the cylinders via a supercharger at a pressure which is higher than the ambient pressure. The pressure increase can take place here via a so-called exhaust gas turbocharger, in which a turbocompressor is driven by means of a turbine connected to the exhaust gas system and is connected on the pressure side to the air intake system. The pressure increase can also be carried out by a so-called mechanical supercharger, the drive energy of which is tapped from the crankshaft of the piston internal combustion engine. The fuel is supplied either by injecting the corresponding amounts of fuel into the air inlet channel of each cylinder or by injecting directly into the cylinder. For the gas exchange, at least one exhaust valve and at least one intake valve are provided for each cylinder, which are correspondingly connected to the exhaust system and the air intake system.
Es hat sich nun herausgestellt, dass im unteren Drehzahlbereich der Kolbenbrennkraft- maschine und der daraus resultierenden geringeren Förderleistung des Laders, und zwar sowohl beim Abgasturbolader als auch beim mechanischen Lader, im Anfahrbetrieb und im Langsamfahrbetrieb ein nicht ausreichendes Lastannahmeverhalten gegeben ist.It has now been found that in the lower speed range of the piston internal combustion engine and the resulting lower delivery capacity of the supercharger, both in the exhaust gas turbocharger and in the mechanical supercharger, there is inadequate load acceptance behavior in the start-up mode and in the slow speed mode.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Betriebsverhalten einer Kolbenbrennkraft- maschine der vorstehend bezeichneten Art im Anfahrbetrieb und im Betrieb mit niedrigen Drehzahlen, insbesondere im Bereich mit Drehzahlen zwischen 1000 und 1300 U/min zu verbessern. .The invention has for its object to improve the operating behavior of a piston internal combustion engine of the type described above in the start-up mode and in operation at low speeds, in particular in the range with speeds between 1000 and 1300 rpm. ,
Diese Aufgabe wird bei einer Kolbenbrennkraftmaschine mit Kraftstoffeinspritzung, insbe- sondere Kraftstoffdirekteinspritzung, mit Gaswechselventilen je Zylinder mit jeweils wenigstens einem Auslassventil, das mit einer Abgasanlage in Verbindung steht, und wenigstens einem Einlassventil, das mit einer Lufteinlassanlage in Verbindung steht, und Mitteln zur Erhöhung des Ladedrucks in der Lufteinlassanlage, dadurch gelöst, dass eine Steuereinrichtung zur variablen Einstellung zumindest der Öffnungszeitpunkte der Ein- lassventile vorgesehen ist und dass im unteren Drehzahlbereich über die Steuereinrichtung die Einlass-Öffnet-Zeitpunkte und/ oder die Auslass-Schließt-Zeitpunkte der Gaswechselventile so gestellt werden, dass eine Ventilüberschneidung mit dem Schließzeit-
punkt der zugehörigen Auslassventile gegeben ist und so der Zylinder vor und/oder während des Ladungswechsels im Bereich des oberen Totpunktes mit frischer Ladeluft gespült wird. Der Vorteil dieser Betriebsweise besteht darin, dass zum einen das Restgas weitgehend aus dem Zylinder gespült wird und so nach dem Schließen des Einlassventils in den Zylinder für die eingeführte Luft das Temperaturniveau geringfügig reduziert wird. Damit kann das Luftaufwandsniveau bereits bei niedrigen Drehzahlen deutlich erhöht werden. Durch das weitgehende Ausspülen von Restgas wird die Klopfneigung reduziert.This object is achieved in a piston internal combustion engine with fuel injection, in particular direct fuel injection, with gas exchange valves per cylinder, each with at least one exhaust valve which is connected to an exhaust system, and at least one intake valve which is connected to an air intake system, and means for increasing the Boost pressure in the air intake system, solved in that a control device is provided for the variable adjustment of at least the opening times of the intake valves and that in the lower speed range the intake-opening times and / or the outlet-closing times of the gas exchange valves are set via the control device that a valve overlap with the closing time point of the associated exhaust valves is given and so the cylinder is flushed with fresh charge air before and / or during the charge change in the area of top dead center. The advantage of this mode of operation is that, on the one hand, the residual gas is largely flushed out of the cylinder and the temperature level for the introduced air is slightly reduced after the inlet valve is closed. This means that the level of air expenditure can be significantly increased even at low engine speeds. The tendency to knock is reduced by largely flushing out residual gas.
Insbesondere in Verbindung mit einer Kraftstoffdirekteinspritzung ergibt sich infolge der Gemischabkühlung im Brennraum eine Steigerung des Luftdurchsatzes durch den Motor. Hierdurch ergibt sich gegenüber Kolbenmotoren mit feststehenden Steuerzeiten von Auslassventilen und Einlassventilen insbesondere im Anfahrbetrieb und bei einem Betrieb mit niedrigen Drehzahlen eine deutliche Erhöhung des an der Kolbenbrennkraftmaschine abgreifbaren Drehmomentes. Vorzugsweise sind die Öffnungs- und Schließzeitpunkte eines Auslassventils zur Erhöhung einer Spülung des Zylinders ebenfalls veränderbar. Bevorzugt ist weiterhin, dass Einlass- und Auslassventile erst dann geöffnet werden, wenn in einem Saugrohr, das ans Einlassventil angeschlossen ist, eine ausreichende Druckerhöhung zur Spülung des Zylinders anliegt. Insbesondere wird angestrebt, zumindest ein Restgas im Zylinder zu mindestens 95% auszuspülen.In particular in connection with direct fuel injection, the mixture cools down in the combustion chamber and increases the air flow through the engine. Compared to piston engines with fixed control times of exhaust valves and intake valves, this results in a significant increase in the torque that can be tapped from the piston internal combustion engine, particularly when starting up and when operating at low speeds. The opening and closing times of an exhaust valve can preferably also be changed in order to increase a flushing of the cylinder. It is further preferred that the inlet and outlet valves are only opened when there is a sufficient pressure increase for flushing the cylinder in an intake manifold that is connected to the inlet valve. In particular, the aim is to purge at least 95% of the residual gas in the cylinder.
Eine erste Weiterbildung sieht vor, dass beispielsweise nur die Einlassventile oder nur die Auslassventile verstellt werden. Eine zweite Weiterbildung sieht vor, dass die Einlass- und die Auslassventile verstellt werden. Eine dritte Weiterbildung sieht vor, dass nur ein Teil von Einlass- und/oder Auslassventilen verstellt wird.A first development provides that, for example, only the inlet valves or only the outlet valves are adjusted. A second development provides that the intake and exhaust valves are adjusted. A third further development provides that only part of the inlet and / or outlet valves is adjusted.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass eine Verstellung der Ventile bis zu einer Drehzahl der Kolbenbrennkraftmaschine von 2000 U/min erfolgt. Vorzugsweise erfolgt darüber eine derartige Verstellung jedoch nicht mehr zur Restgasspülung. Gemäss einer Weiterbildung erfolgt eine Verstellung der Ventilzeiten bei einem Beschleunigungsvorgang, ins- besondere bei einem Anfahrvorgang, in einem Bereich zwischen 30% und 100% einer maximalen Motorlast. Vorzugsweise arbeitet die Kolbenbrennkraftmaschine nach dem Dieselprinzip und wird mit einer Einspritzverstellung betrieben.Another embodiment provides that the valves are adjusted up to a speed of the piston internal combustion engine of 2000 rpm. Such an adjustment is, however, preferably no longer carried out for residual gas purging. According to a further development, the valve times are adjusted during an acceleration process, in particular during a start-up process, in a range between 30% and 100% of a maximum engine load. The piston internal combustion engine preferably works on the diesel principle and is operated with an injection adjustment.
Aufgrund der verbesserten Zylinderfüllung ergibt sich eine ansteigende Enthalpie, die bei der Verwendung eines Abgasturboladers zu einer schnellen Steigerung des Ladedrucks und damit zu einer Verbesserung des vorgeschriebenen Effektes führt.
Bei einem mechanischen Lader, dessen Antriebsenergie von der Kurbelwelle abgegriffen wird, ergibt sich ebenfalls eine höhere Laderleistung, da fortlaufend von Arbeitstakt zu Arbeitstakt sehr schnell ein positives Spüldruckgefälle bewirkt wird und so aufgrund der durch höhere Aufladung erhöhten Zylinderfüllung sehr viel schneller eine Erhöhung des Enddrehmomentes erreicht wird.Due to the improved cylinder filling, there is an increasing enthalpy which, when using an exhaust gas turbocharger, leads to a rapid increase in the boost pressure and thus to an improvement in the prescribed effect. In the case of a mechanical supercharger whose drive energy is tapped from the crankshaft, there is also a higher supercharger output, since a positive purge pressure gradient is quickly and continuously brought about from work cycle to work cycle and thus, due to the increased cylinder charge, an increase in the final torque is achieved much more quickly becomes.
Es besteht darüber hinaus die Möglichkeit, beispielweise über eine Veränderung der Sauganlage ein Spüldruckgefälle im unteren Drehzahlbereich zur Restgasspülung zu beeinflussen. Die Sauganlage kann beispielsweise über ein stufenloses Verstellen einer Schwingrohrlänge, über ein Umschalten zwischen verschiedenen Schwingrohrlängen, über ein wahlweises Abschalten eines Einzelrohres je Zylinder bei Mehrfach- Schwingrohren, über ein Umschalten auf unterschiedliche Sammlervolumen und/oder über ein Umschalten zwischen unterschiedlichen Schwingrohrdurchmessern beeinflusst werden. Beispielsweise können Einzelschwingrohre eingesetzt werden, wobei im unteren Drehzahlbereich längere Schwingrohre verwendet werden als bei höheren Drehzahlen.There is also the option of influencing a purge pressure drop in the lower speed range for residual gas purging, for example by changing the suction system. The suction system can be influenced, for example, by continuously adjusting a length of a vibrating tube, by switching between different lengths of vibrating tube, by optionally switching off a single tube per cylinder in the case of multiple vibrating tubes, by switching to different collector volumes and / or by switching between different vibrating tube diameters. For example, single vibrating tubes can be used, with longer vibrating tubes being used in the lower speed range than at higher speeds.
Insbesondere besteht die Möglichkeit, verschiedene Maßnahmen zur Beeinflussung des Spüldruckgefälles miteinander kombinieren zu können.In particular, there is the possibility of being able to combine various measures for influencing the flushing pressure gradient.
Die erfindungsgemäße Betriebsweise kann zum einen bewirkt werden von einer Kolbenbrennkraftmaschine, bei der zumindest die Einlassventile mit zumindest über Teilbereiche variable Ventiltrieben versehen sind, die über die Steuereinrichtung ansteuerbar sind. Derartige Ventiltriebe können beispielsweise als sogenannte elektromechanische Ventiltriebe ausgebildet sein, bei denen zwischen zwei Elektromagneten ein mit dem Ventil ver- bundener Anker entsprechend der durch die Steuereinrichtung vorgegebenen Bestro- mung jeweils das Ventil in die Schließstellung und die Öffnungsstellung führt. Der Öff- nungs- und Schließzeitpunkt wird hierbei über die Steuereinrichtung vorgegeben. Auch andere elektromechanische oder elektromagnetische Ventilstelleinrichtungen können eingesetzt werden.The mode of operation according to the invention can be effected on the one hand by a piston internal combustion engine, in which at least the inlet valves are provided with valve drives which are variable at least over partial areas and which can be controlled via the control device. Valve drives of this type can be designed, for example, as so-called electromechanical valve drives, in which, between two electromagnets, an armature connected to the valve leads the valve into the closed position and the open position in accordance with the current specified by the control device. The opening and closing time is specified via the control device. Other electromechanical or electromagnetic valve actuators can also be used.
Auch mit teilvariablen oder vollvariablen mechanischen Ventiltrieben, bei denen zwischen den festen Steuernocken der Nockenwelle und dem Ventil zusätzliche verstellbare Steuerkurven vorgesehen sind, lässt sich der erfindungsgemäße Betrieb durchführen. Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Betriebsweise insbesondere für konventi- onelle Kolbenbrennkraftmaschinen mit Gaswechselventilen, die über Nockenwellen gesteuert sind. Zumindest die Nockenwelle für die Einlassventile und vorzugsweise auch für die Auslassventile ist mit entsprechend einstellbaren Nocken zur Einstellung zumindest
des Öffnungszeitpunktes versehen. Ein Nockensteller steht mit der Nockenwelle in Verbindung und wird von einer Steuereinrichtung angesteuert. Jedoch können auch andere mechanisch verstellbare Systeme am Ventiltrieb eingesetzt werden, um die notwendige Überschneidung der Öffnungszeiten der Gaswechselventile zu sichern. Die mechani- sehen Systeme können beispielsweise eine Tassenstößel-Steuerung, eine Schlepphebeloder Schwinghebel-Steuerung oder auch eine Kipphebel-Steuerung aufweisen. Des weiteren besteht die Möglichkeit, verschiedene Systeme miteinander kombinieren zu können.The operation according to the invention can also be carried out with partially variable or fully variable mechanical valve drives, in which additional adjustable control cams are provided between the fixed control cams of the camshaft and the valve. The mode of operation according to the invention is particularly advantageous, in particular, for conventional piston internal combustion engines with gas exchange valves which are controlled via camshafts. At least the camshaft for the intake valves and preferably also for the exhaust valves is at least with correspondingly adjustable cams for adjustment the opening time. A cam actuator is connected to the camshaft and is controlled by a control device. However, other mechanically adjustable systems can also be used on the valve train to ensure the necessary overlap of the opening times of the gas exchange valves. The mechanical systems can, for example, have a bucket tappet control, a rocker arm or rocker arm control or a rocker arm control. It is also possible to combine different systems with one another.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass in einem Betriebsbereich ohne Restgasspülung über eine variable Ansteuerung der Gaswechselventile zur Erzeugung einer Ventilüberschneidung im unteren Drehzahlbereich eine Abgasrückführung vorgesehen ist. Die Abgasrückführung kann durch innermotorische Ventilschaltung und/oder durch Ausnutzung eines Abgasrückführungsventils geschaffen werden. Beispielsweise kann vorgesehen werden, dass die Abgasrückführung nur in einem Betriebsbereich erfolgt, in dem keine Restgasspülung durch Ventilüberschneidung im unteren Drehzahlbereich vorgesehen ist.It is preferably provided that an exhaust gas recirculation is provided in an operating area without residual gas purging via variable control of the gas exchange valves to produce a valve overlap in the lower speed range. The exhaust gas recirculation can be created by internal engine valve switching and / or by using an exhaust gas recirculation valve. For example, it can be provided that the exhaust gas recirculation takes place only in an operating range in which no residual gas purge is provided by valve overlap in the lower speed range.
Gemäss einem weiteren Gedanken der Erfindung wird ein 4-Takt-Ottomotor eines Kraftfahrzeugs mit Kraftstoffdirekteinspritzung mit zumindest drei Zylindern zur Verfügung gestellt. Jedem Zylinder ist zumindest ein Einlass- und ein Auslassventil zugeordnet. Das Einlassventil steht mit einer Ladedruckerhöhungsvorrichtung in einer Lufteinlassanlage in Verbindung. Eine Versteileinrichtung der Öffnungs- und Schließzeitpunkte von Einlassund Auslassventil ist vorgesehen. Diese ist zur Erzielung einer Ventilüberschneidung in einem unteren Drehzahlbereich zur Restgasspülung aktivierbar. Der Ottomotor weist eine Aktivierungsvorrichtung auf, die bei Feststellung von definierten Bedingungen zum Aus- spülen eines Restgases aus dem Zylinder ein Signal erzeugt, wodurch die Versteilvorrichtung aktiviert wird.According to a further concept of the invention, a 4-stroke gasoline engine of a motor vehicle with direct fuel injection with at least three cylinders is provided. At least one intake and one exhaust valve are assigned to each cylinder. The intake valve is connected to a boost pressure device in an air intake system. An adjustment device for the opening and closing times of the inlet and outlet valve is provided. This can be activated to achieve a valve overlap in a lower speed range for residual gas purging. The gasoline engine has an activation device which generates a signal when defined conditions for flushing out a residual gas from the cylinder, whereby the adjusting device is activated.
Die Aktivierungsvorrichtung weist gemäß einer ersten Weiterbildung definierte Bedingungen hinterlegt auf, so dass erst bei Feststellung eines ausreichenden Spülgefälles das Signal erzeugbar ist. Die Aktivierungsvorrichtung kann jedoch auch mit einem Vorhersagemodul gekoppelt sein, mittels dem anhand ermittelter Parameter feststellbar ist, wann das Signal zu erzeugen ist, um Bedingungen im Zylinder zu erzeugen, die erst ein ausreichendes Spülgefälle schaffen. Vorzugsweise sind die Aktivierungsvorrichtung und das Vorhersagemodul Bestandteil eines Ventilsteuergerätes, welches über einen CAN-Bus mit einem Motorsteuergerät verbunden ist.
Gemäss einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Spülgefälle mittels einer Messvorrichtung direkt oder indirekt ermittelbar ist. Gemäss einer anderen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Spülgefälle aus Betriebsdaten, die in einer Motorsteuerung hinterlegt und ergänzbar sind, ermittelbar ist. Auch können beide Vorgehensweisen miteinander gekoppelt werden. Eine Weiterbildung weist eine Sekundäreinspritzung auf, um darüber ein verbessertes Verbrennungsverhalten aufgrund der hohen Spülung ausnutzen zu können. Auch ist es möglich, dass im unteren Drehzahlbereich eine Verstellung einer Zündung nach „spät" erfolgt.According to a first further development, the activation device has defined conditions so that the signal can only be generated when a sufficient wash gradient is determined. However, the activation device can also be coupled to a prediction module, by means of which it can be determined on the basis of determined parameters when the signal is to be generated in order to generate conditions in the cylinder which only create a sufficient flushing gradient. The activation device and the prediction module are preferably part of a valve control unit which is connected to an engine control unit via a CAN bus. According to one embodiment, it is provided that the wash gradient can be determined directly or indirectly by means of a measuring device. According to another embodiment, it is provided that the flushing gradient can be determined from operating data which are stored in a motor controller and can be supplemented. Both procedures can also be coupled. A further development has a secondary injection in order to be able to use an improved combustion behavior due to the high purging. It is also possible for the ignition to be adjusted to "late" in the lower speed range.
Vorgesehen ist insbesondere bei einer nach Diesel- wie auch nach Otto-Prinzip arbeitenden Kolbenbrennkraftmaschine, dass ein mittlerer Gasdruck vor dem Einlassventil angehoben wird. Beispielsweise kann dieses insbesondere bei kontrollierter Selbstzündung im 4-Takt-Verfahren Anwendung finden. Eine Drehmomenterhöhung kann darüber hinaus dadurch bewirkt werden, dass zusätzliche motorische Maßnahmen ergriffen werden. Die- ses können beispielsweise die folgenden Mittel sein, die einzeln oder auch in Kombination miteinander verwendet werden: ein Anfetten der Einlassluft bzw. eine Erhöhung der Treibstoffmenge bei Direkteinspritzung, eine Sekundäreinspritzung oder Mehrfacheinspritzung des Treibstoffes, eine Verstellung von Verdichterschaufeln bzw. Leiträdern bei Verwendung eines Abgasturboladers, eine Verstellung der Einspritzung nach „spät" bei einem Otto-Motor, eine Einspritzverstellung allgemein beim Dieselmotor und anderes.It is envisaged, in particular in the case of a piston internal combustion engine that operates according to the diesel as well as the Otto principle, that an average gas pressure is raised upstream of the inlet valve. For example, this can be used in particular with controlled self-ignition in the 4-stroke process. A torque increase can also be brought about by taking additional motor measures. This can be, for example, the following means, which are used individually or in combination with one another: greasing the intake air or increasing the amount of fuel in the case of direct injection, secondary injection or multiple injection of the fuel, adjusting the compressor blades or stator wheels when using one Exhaust gas turbocharger, an adjustment of the injection to "late" in an Otto engine, an injection adjustment in general in the diesel engine and others.
Beispielsweise wird eine aufgeteilte Einspritzung vorgenommen. Diese kann vorsehen, dass eine erste Treibstoffmenge etwa 50% bis 80% der einzuspritzenden Treibstoffmenge erfasst, während eine nachfolgend einzuspritzende Treibstoffmenge 20% bis 50% um- fasst. Dabei kann die nachfolgend einzuspritzende Treibstoffmenge auf einen oder mehrere Einspritzvorgänge verteilt werden. Vorzugsweise wird eine aufgeteilte Einspritzung insbesondere unter zumindest annähernd Volllast in einem Drehzahlbereich zwischen 1300 U/min und 1500 U/min ausgeführt. Eine Ausgestaltung bei einem direkteinspritzenden Ottomotor sieht beispielsweise eine Primär- und Sekundäreinspritzung vor, bei der eine Einspritzdauer in einem Verhältnis von etwa 60% bis 75% zu 25% bis etwa 40% von Primär- zu Sekundäreinspritzung vorliegt.For example, a split injection is carried out. This can provide that a first quantity of fuel covers approximately 50% to 80% of the quantity of fuel to be injected, while a quantity of fuel subsequently to be injected comprises 20% to 50%. The amount of fuel subsequently to be injected can be distributed over one or more injection processes. A split injection is preferably carried out, in particular under at least approximately full load, in a speed range between 1300 rpm and 1500 rpm. An embodiment in a direct-injection gasoline engine provides, for example, a primary and secondary injection in which there is an injection duration in a ratio of approximately 60% to 75% to 25% to approximately 40% of primary to secondary injection.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, insbesondere beim aufgeladenen Ottomotor mit Direkteinspritzung auch verschiedene Brennverfahren im unteren Drehzahlbereich einsetzen zu können. Dieses kann ein Homogenbrennverfahren oder ein geschichtetes Brennverfahren sein. Beispielsweise kann ein strahlgeführtes oder luftgeführtes Brennverfahren genutzt werden. Die Direkteinspritzung kann dabei einen oder mehrere Injektoren je Zylinder nut-
zen. Vorzugsweise wird ein Drallinjektor oder ein Mehrlochinjektor genutzt. Ein Spraywinkel des Injektors liegt in vorteilhafter Weise in einem Bereich unterhalb von 70°, insbesondere in etwa um 50°.There is also the option of using various combustion processes in the lower speed range, particularly in the case of supercharged gasoline engines with direct injection. This can be a homogeneous combustion process or a stratified combustion process. For example, a jet-guided or air-guided combustion process can be used. The direct injection can use one or more injectors per cylinder Zen. A swirl injector or a multi-hole injector is preferably used. A spray angle of the injector is advantageously in a range below 70 °, in particular around 50 °.
Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen nachfolgend näher erläutert. Die dort jeweils dargestellten Merkmale können mit anderen Merkmalen der Zeichnungen wie auch mit oben beschriebenen Merkmalen zu weiteren Ausgestaltungen kombiniert werden und sind nicht beschränkend. Es zeigen:The invention is explained in more detail below with the aid of schematic drawings. The features shown there can be combined with other features of the drawings as well as with the features described above to form further configurations and are not restrictive. Show it:
Fig. 1 ein Schaltungsschema einer Kolbenbrennkraftmaschine mit AbgasturboladerFig. 1 is a circuit diagram of a piston internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger
Fig. 2 ein Schaltungsschema der Kolbenbrennkraftmaschine gem. Fig. 1 mit mechanischem Lader,Fig. 2 is a circuit diagram of the piston internal combustion engine acc. 1 with mechanical loader,
Fig. 3 für eine mechanisch aufgeladene Kolbenbrennkraftmaschine die Abhängigkeit des Liefergrades und Restgasgehaltes von der Drehzahl und Öffnungszeit,3 for a mechanically charged piston internal combustion engine the dependence of the degree of delivery and residual gas content on the speed and opening time,
Fig. 4 für eine turboaufgeladene Kolbenbrennkraftmaschine die Abhängigkeit des Ladedrucks und des Liefergrades vom Öffnungszeitpunkt beim Ladungswechsel im Bereich des oberen Totpunktes, undFig. 4 for a turbocharged piston internal combustion engine, the dependency of the boost pressure and the degree of delivery on the opening time when changing loads in the area of top dead center, and
Fig. 5 eine schematische Ansicht einer weiteren Kolbenbrennkraftmaschine zur Durchführung einer Restgasspülung in einem unteren Drehzahlbereich.Fig. 5 is a schematic view of another piston internal combustion engine for performing a residual gas purging in a lower speed range.
In Fig. 1 ist eine Kolbenbrennkraftmaschine mit vier Zylindern I, II, III, IV dargestellt, mit jeweils einem Gaseinlassventil 2 und einem Gasauslassventil 3 je Zylinder. Die Gasein- lassventile 2 stehen mit einer Lufteinlassanlage 4 in Verbindung, während die Gasauslassventile mit einer Abgasanlage 5 in Verbindung stehen.1 shows a piston internal combustion engine with four cylinders I, II, III, IV, each with a gas inlet valve 2 and a gas outlet valve 3 per cylinder. The gas inlet valves 2 are connected to an air inlet system 4, while the gas outlet valves are connected to an exhaust system 5.
Die dargestellte Kolbenbrennkraftmaschine ist ferner mit einer Kraftstoff- Direkteinspritzung versehen, die beispielsweise als Common-Rail-Einspritzanlage 6 aus- gebildet ist, der über eine Pumpe 7 der Kraftstoff zugeführt wird.
Für die Betätigung der Gaseinlassventile ist eine Nockenwelle 8 vorgesehen, deren Nocken in bezug auf den Öffnungsvorgang für die Gaseinlassventile 2 verstellbar ausgebildet sind und über einen Nockensteller 9 verstellbar sind. Der Nockensteller 9 steht mit einer Steuereinrichtung 10 in Verbindung, über die die Kraftstoffeinspritzung, die hier nicht näher dargestellte Zündung etc. entsprechend der Lastvorgabe durch ein Gaspedal 11 angesteuert werden.The piston internal combustion engine shown is also provided with a direct fuel injection, which is designed, for example, as a common rail injection system 6, to which the fuel is supplied via a pump 7. For the actuation of the gas inlet valves, a camshaft 8 is provided, the cams of which are adjustable in relation to the opening process for the gas inlet valves 2 and are adjustable via a cam actuator 9. The cam actuator 9 is connected to a control device 10, via which the fuel injection, the ignition, etc., not shown here, are controlled by an accelerator pedal 11 in accordance with the load specification.
Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Gasauslassventile 3 über eine Nockenwelle 12 betätigt, deren Nocken eine fest vorgegebene Steuerkontur aufweisen. Es kann jedoch auch eine Nockenverstellung und/oder Nockenwellenphasenverstellung der Auslassventile vorgesehen sein. Beide Nockenwellen 8 und 12 werden in üblicher Weise über die hier nicht näher dargestellte Kurbelwelle angetrieben.In the exemplary embodiment shown here, the gas outlet valves 3 are actuated via a camshaft 12, the cams of which have a predetermined control contour. However, cam adjustment and / or camshaft phase adjustment of the exhaust valves can also be provided. Both camshafts 8 and 12 are driven in the usual way via the crankshaft, not shown here.
Die Abgasanlage 5 steht mit einem als Turbolader ausgebildeten Luftlader 13,1 in Verbin- düng, dessen Abgasturbine 14 vom Abgas beaufschlagt wird und dessen Turboverdichter 15 druckseitig mit der Lufteinlassanlage 4 in Verbindung steht. Über ein in der Abgaslei- tung 6 ggf. angeordnetes steuerbares Abblaseventil 16 lassen sich für die jeweiligen Betriebsbereiche unzulässige Ladedruckerhöhungen durch Reduzierung des die Turbine beaufschlagenden Abgasstrom vermeiden.The exhaust gas system 5 is connected to an air charger 13, 1 designed as a turbocharger, whose exhaust gas turbine 14 is acted upon by the exhaust gas and whose turbocompressor 15 is connected on the pressure side to the air intake system 4. Via a controllable relief valve 16, which may be arranged in the exhaust line 6, impermissible boost pressure increases for the respective operating areas can be avoided by reducing the exhaust gas flow acting on the turbine.
Der Aufbau der in Fig. 2 dargestellten Kolbenbrennkraftmaschine entspricht im wesentlichen dem Aufbau der anhand von Fig. 1 beschriebenen Anordnung, so dass hierauf verwiesen werden kann. Der Unterschied besteht lediglich darin, dass als Luftlader ein mechanischer Lader 13.2 eingesetzt ist, dessen Antriebsenergie von der Kurbelwelle 1.1 der Kolbenbrennkraftmaschine 1 abgegriffen wird.The structure of the piston internal combustion engine shown in FIG. 2 essentially corresponds to the structure of the arrangement described with reference to FIG. 1, so that reference can be made to this. The only difference is that a mechanical charger 13.2 is used as the air charger, the drive energy of which is tapped from the crankshaft 1.1 of the piston internal combustion engine 1.
Für beide Fälle ist die Ansteuerung der Einlassventile 2 der einzelnen Zylinder so vorgesehen, dass im niedrigen Drehzahlbereich über den Nockensteller 9 die Steuernocken der einlassseitigen Nockenwelle 8 in Richtung auf "Frühes-Einlass-Öffen" verstellt werden, so dass das Einlassventil 2 jeweils bereits geöffnet ist, bevor das Auslassventil schließt. Der Luftlader 13.1 bzw. 13.2 muss so angelegt sein, dass bei niedrigen Drehzahlen im An- fahrbereich und in einem Betriebsbereich von beispielsweise 1300 U/min ein positives Spüldruckgefälle vorhanden ist, d. h. sichergestellt ist, dass die vom Lader der Einlassanlage 4 zugeführte Luft gegenüber dem Gegendruck in der Abgasanlage 5 einen höheren Druck aufweist
Beim Übergang zu höheren Drehzahlen wird von der Steuereinrichtung 10 über den Nockensteller 9 die Verstellung des Öffnungszeitpunktes der Einlassventile auf den für den Normalbetrieb vorgesehenen Zeitpunkt zurückgenommen.For both cases, the control of the intake valves 2 of the individual cylinders is provided in such a way that in the low speed range, the control cams of the intake-side camshaft 8 are adjusted in the direction of “early intake opening” via the cam actuator 9, so that the intake valve 2 is already opened in each case is before the exhaust valve closes. The air loader 13.1 or 13.2 must be designed in such a way that there is a positive purge pressure drop at low speeds in the starting area and in an operating range of, for example, 1300 rpm, ie it is ensured that the air supplied by the loader to the intake system 4 is opposite the Back pressure in the exhaust system 5 has a higher pressure During the transition to higher speeds, the control device 10, via the cam actuator 9, reverses the adjustment of the opening time of the intake valves to the point in time intended for normal operation.
Anstelle des beschriebenen Turboladers oder des mechanischen Laders kann für die Aufladung eine Einrichtung zur sogenannten Impulsaufladung vorgesehen sein. Hierbei wird zur Ladungserhöhung ein Druckgefälle zwischen der Lufteinlassanlage und dem Zylinder ausgenutzt. Durch selbsttätig oder steuerbare Sperrmittel im jeweiligen Lufteinlasskanal kann bei einem anstehenden Druckgefälle Ladeluft stoßartig dem Zylinder zugeführt wer- den. Bei entsprechender Einstellung der Ventilüberschneidung lässt sich eine kurze Restgasspülung und damit eine verbesserte Füllung erreichen.Instead of the turbocharger described or the mechanical supercharger, a device for so-called pulse charging can be provided for charging. A pressure drop between the air intake system and the cylinder is used to increase the charge. By means of automatic or controllable blocking means in the respective air inlet duct, charge air can be supplied to the cylinder abruptly in the event of a pressure drop. With a corresponding setting of the valve overlap, a short residual gas purging and thus an improved filling can be achieved.
Die erfindungsgemäß vorgesehene Steuerzeit "Frühes-Einlass-Öffnen" ist hinsichtlich der möglichen Vorverlegung durch den bei der konkreten Motorkonstruktion vorhandenen Freigang zwischen Ventil und Kolben begrenzt. Durch entsprechende Brennraumgestaltung und/oder angepasste Kolbengeometrien ist es möglich, die Vorverlegung der Steuerzeit "Frühes-Einlass-Öffnen" weit vor den LWOT (Ladedruckwechsel im oberen Totpunkt) vorzulegen, um mit dem Spülvorgang möglichst früh beginnen zu können. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass insbesondere bei der Verwendung eines Turboladers durch die Verbesserung des Aufladeprozesses sich Rückwirkungen auf die Laderauslegung ergeben, so dass eine leistungsorientierte Turboladerauswahl möglich ist und dementsprechend auch kleinere Baueinheiten eingesetzt werden können.The control time "early intake opening" provided according to the invention is limited with regard to the possible advance by the clearance between the valve and the piston which is present in the specific engine design. With the appropriate combustion chamber design and / or adapted piston geometries, it is possible to advance the "Early intake opening" timing far before the LWOT (boost pressure change at top dead center) in order to start the purging process as early as possible. Another advantage is that especially when using a turbocharger, the improvement of the charging process results in repercussions on the design of the supercharger, so that a performance-oriented turbocharger selection is possible and, accordingly, smaller units can be used.
In Verbindung mit einer Direkteinspritzung kann das Anfahrdrehmoment angehoben wer- den, so dass das Nennmoment bei entsprechend niedrigen Drehzahlen erreicht wird. Ein geringere Klopfbegrenzung führt ab Erreichen des Nennmomentes zu einem geringeren Ladungseinsatz. Der bewirkte bessere Verbrennungswirkungsgrad reduziert den Kraftstoffverbrauch im gesamten Drehzahlband.In connection with direct injection, the starting torque can be increased so that the nominal torque is reached at correspondingly low engine speeds. A lower knock limit leads to lower charge usage once the nominal torque is reached. The resulting better combustion efficiency reduces fuel consumption across the entire engine speed range.
Insbesondere beim Einsatz eines Abgasturboladers ergibt sich die Verbesserung auf den nachstehend erläuterten Einflüssen.In particular when using an exhaust gas turbocharger, the improvement results from the influences explained below.
Die leicht spätere Spitzendrucklage bei der Direkteinspritzung verringert den sich einstellenden Drehmomentvorteil etwas. Begründet ist diese erhöhte Klopfbegrenzung durch die angestiegene Zylinderfüllung im Brennraum. Ursachen für den höheren Ladungseinsatz ergeben sich aus der Verdampfung des Kraftstoffs direkt im Brennraum. Es kommt zu einer Abkühlung des Gemisches und die Ladungsdichte wird erhöht. Der Luftaufwand,
bezogen auf die Saugrohrbedingungen, steigt stärker als die Verringerung des Drehmomentvorteils um einige Prozent an. Dieser Effekt bewirkt eine Verschiebung des Betriebspunktes im Laderkennfeld zu einem höheren Volumenstrom. Der erhöhte Volumenstrom durch die Turbine führt aufgrund der Freilaufbedingungen zu einer Steigerung des Druck- Verhältnisses. Der so erhöhte Ladedruck führt dann zu einer deutlichen Drehmomentsteigerung. Bilanziert ergeben die einzelnen Einflussparameter einen Anstieg des Drehmomentes um etwa 10%.The slightly later peak pressure situation in direct injection somewhat reduces the torque advantage that arises. This increased knock limitation is due to the increased cylinder charge in the combustion chamber. The reasons for the higher charge use result from the evaporation of the fuel directly in the combustion chamber. The mixture cools down and the charge density is increased. The air effort, related to the intake manifold conditions, increases more than the reduction in torque advantage by a few percent. This effect shifts the operating point in the loader map to a higher volume flow. The increased volume flow through the turbine leads to an increase in the pressure ratio due to the freewheeling conditions. The boost pressure thus increased leads to a significant increase in torque. Taking the individual influencing parameters into account, the torque increases by about 10%.
Der erfindungsgemäß bewirkte Spüleffekt führt zu einer Anpassung des Zylinderluftver- hältnisses. Wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispielen das Gesamtluftverhältnis auf stöchiometrische Randbedingungen erhöht, so dass ungefähr dasselbe Zylinder- Luftverhältnis (Lambda = o,9) wie bei einer Kolbenbrennkraftmaschine ohne Nockensteller gefahren wird, dann führt dies zu einem Anstieg des Abgastemperatur, höheren Volumenströmen und damit zu einem verbesserten Energieangebot am Turbineneintritt. Mit dem einsetzenden Selbstverstärkungseffekt des Abgasturboladers sind so Ladedrücke von ca. 1 ,7 bar bereits bei 1300 U/min möglich. Hieraus ergibt sich eine Verschiebung des Vollastdrehmomentanstiegs zu ca. 200 U/min niedrigeren Drehzahlen.The rinsing effect brought about according to the invention leads to an adaptation of the cylinder air ratio. If the total air ratio is increased to stoichiometric boundary conditions in the exemplary embodiments shown, so that approximately the same cylinder-air ratio (lambda = 0.9) is used as in a piston-type internal combustion engine without a cam actuator, this leads to an increase in the exhaust gas temperature, higher volume flows and thus to improved energy supply at the turbine inlet. With the self-reinforcing effect of the exhaust gas turbocharger, charging pressures of approx. 1.7 bar are already possible at 1300 rpm. This results in a shift in the full-load torque increase to approximately 200 rpm lower speeds.
Das hohe Abgastemperaturniveau im unteren Drehzahlbereich bietet darüber hinaus Vor- teile beim Motorwarmlauf bei entsprechender Optimierung der Steuerzeitenstrategie für den Teillastbereich.The high exhaust gas temperature level in the lower engine speed range also offers advantages when the engine is warming up with a corresponding optimization of the timing strategy for the partial load range.
In Fig. 3 sind in Diagrammen für eine mechanisch aufgeladene Kolbenbrennkraftmaschine die Abhängigkeiten von Restgasgehalt und Liefergrad, bezogen auf den Sammler der Lufteinlassanlage 4, dargestellt, und zwar in Abhängigkeit von der Drehzahl. Die Betriebsdaten beim Versuch sahen vor, dass eine Einlaßeventlänge konstant mit 200°KW und 1 mm vorlag.In Fig. 3, the dependencies of residual gas content and degree of delivery, based on the collector of the air intake system 4, are shown in diagrams for a mechanically charged piston internal combustion engine, depending on the speed. The operating data during the test provided that an inlet valve length was constant with 200 ° KW and 1 mm.
Bei einem Öffnungshub von 1 mm ergeben sich für 1000 U/min dann bei einer Öffnung bei 310° Kurbelwinkel (KW) Restgasgehalte von unter 0,6% und ein Liefergrad von 0,99. Mit steigender Drehzahl bleibt der Restgasgehalt bis etwa 2500 U/min konstant, während der Liefergrad in diesem Drehzahlbereich bereits abfällt (Kurven mit Quadrat markiert).With an opening stroke of 1 mm, residual gas contents of less than 0.6% and a delivery rate of 0.99 result for 1000 rpm with an opening at a crank angle of 310 ° (KW). As the speed increases, the residual gas content remains constant up to around 2500 rpm, while the delivery rate already drops in this speed range (curves marked with a square).
Der optimale Liefergrad ist über den gesamten dargestellten Drehzahlbereich für einen Öffnungszeitpunkt bei etwa 335° KW gegeben (mit Karo und nach unten weisendem Dreieck markiert). Auch hierbei bleiben die Restgasgehalte mit maximal 1 ,5% bis 2500 U/min verhältnismäßig niedrig.
In Fig. 4 sind die Verhältnisse für eine turboaufgeladene Kolbenbrennkraftmaschine (Ottomotor mit Direkteinspritzung) dargestellt. Die Betriebsdaten bei der Ermittlung der Diagramme sehen vor, dass Auslass-Öffnet bei 165° KW und Auslass-Schließt bei 351 ° KW erfolgt. Der Hub beträgt 1 mm, die Drehzahl n=1000 U/min. Mit eckigen Kästchen sind die Messwerte für eine konstante Einlasseventlänge bei 185° KW und 1 mm Hub angegeben. Mit runden Markierungen sind die Messwerte für Einlass-Schließt-fest bei 555° KW und 1 mm Hub angegeben. Aus den einander zugeordneten Diagrammen ist zu entnehmen, dass der Ladedruck und der Liefergrad sinkt, je näher der Zeitpunkt "Einlass-öffnef auf den oberen Totpunkt von einem frühen Öffnen zurückgenommen wird. Der Restgasgehalt steigt mit nachlassender Spülwirkung entsprechend an.The optimum degree of delivery is given over the entire speed range shown for an opening time at about 335 ° KW (marked with diamonds and a triangle pointing downwards). Here too, the residual gas contents remain relatively low at a maximum of 1.5% to 2500 rpm. 4 shows the conditions for a turbocharged piston internal combustion engine (gasoline engine with direct injection). The operating data when determining the diagrams stipulate that outlet opens at 165 ° KW and outlet closes at 351 ° KW. The stroke is 1 mm, the speed n = 1000 rpm. The measured values for a constant inlet valve length at 185 ° KW and 1 mm stroke are indicated with square boxes. The measured values for inlet-closes-fixed at 555 ° KW and 1 mm stroke are indicated with round markings. It can be seen from the diagrams assigned to one another that the closer the time "intake opening to top dead center" is reduced from an early opening, the lower the boost pressure and the degree of delivery. The residual gas content increases accordingly with a decreasing purge effect.
Fig. 5 zeigt in schematischer Ansicht eine Kolbenbrennkraftmaschine 18 mit Gaswechselventilen 19 für eine Restgasspülung in einem unteren Drehzahlbereich. An die Gaswech- selventile 19 ist eine Versteilvorrichtung 20 angeschlossen, wobei die VerStellvorrichtung 20 für Einlass- und Auslassventile getrennt oder so wie dargestellt auch integriert vorliegen kann. Die Versteilvorrichtung 20 ist mit einer Aktivierungsvorrichtung 21 gekoppelt, die ebenfalls getrennt wie auch integriert vorliegen kann. Vorzugsweise sind die Verstell- vorrichtung 20 und die Aktivierungsvorrichtung Betsandteil eines Ventilsteuergerätes 22, das beispielsweise auf den Gaswechselventilen 21 aufsitzt. Das Ventilsteuergerät 22 kann jedoch auch getrennt zumindest von der Versteilvorrichtung 20 vorliegen. Das Ventilsteuergerät 22 ist über ein Bussystem 23, insbesondere ein CAN-Bus, mit einem Motorsteuergerät 24 gekoppelt. Darüber können ermittelte Betriebsdaten der Kolbenbrennkraftmaschine 18 an das Ventilsteuergerät 22 weitergegeben werden und umgekehrt. Das Ventilsteuergerät 22 und/oder das Motorsteuergerät 24 können ein Vorhersagemodul 25 aufweisen. Darüber kann ein Öffnen bzw. Schließen von zumindest den Einlassventilen mitinitiiert werden. Über eine Messvorrichtung 26 wiederum können Betriebsdaten ermittelt werden, über die bestimmt werden kann, ob beispielsweise voreinsteilbare Bedingungen erreicht sind, die eine Initiierung einer Restgasspülung in einem unteren Drehzahlbe- reich der Kolbenbrennkraftmaschine rechtfertigen. In die Motorsteuerung 24 ist vorzugsweise auch eine Einspritzsteuerung 27 integriert, über die ein Injektor 28 für eine Treibstoff-Direkteinspritzung aktivierbar ist. Darüber kann ein Einspritzverlauf, eine Einspritzmenge wie auch eine Einspritzdauer an den jeweiligen Betriebsbereich angepasst in einen Brennraum eingespritzt werden. Dieses ermöglicht beispielsweise zumindest eine Sekundäreinspritzung auch in unteren Drehzahlen. Schematisch dargestellt ist weiterhin eine Abgasrückführung 29. Diese ist insbesondere in einem Betriebsbereich aktiviert, in dem eine Restgasspülung nicht ausgeführt wird. Mit der Kolbenbrennkraftmaschine 18
werden vorzugsweise gemäß einer Ausgestaltung nur die Öffnungszeitpunkte der Einlassventile so gestellt, dass eine Ventilüberschneidung mit einem Schließzeitpunkt eines zugehörigen Auslassventils im unteren Drehzahlbereich zur Restgasspülung des Zylinders vor dem Ladungswechel im Bereich des oberen Totpunktes mit frischer Ladeluft ge- geben ist.
FIG. 5 shows a schematic view of a piston internal combustion engine 18 with gas exchange valves 19 for a residual gas purging in a lower speed range. An adjusting device 20 is connected to the gas exchange valves 19, wherein the adjusting device 20 for the inlet and outlet valves can be present separately or, as shown, also integrated. The adjusting device 20 is coupled to an activation device 21, which can also be separate or integrated. The adjusting device 20 and the activation device are preferably part of the sand of a valve control unit 22 which is seated on the gas exchange valves 21, for example. The valve control unit 22 can, however, also be separate, at least from the adjusting device 20. The valve control unit 22 is coupled to an engine control unit 24 via a bus system 23, in particular a CAN bus. In this way, determined operating data of the piston internal combustion engine 18 can be passed on to the valve control unit 22 and vice versa. The valve control unit 22 and / or the engine control unit 24 can have a prediction module 25. In addition, opening or closing of at least the inlet valves can also be initiated. Operating data can in turn be determined via a measuring device 26, via which it can be determined whether, for example, presettable conditions have been reached that justify initiating a residual gas purging in a lower speed range of the piston internal combustion engine. An injection control 27, via which an injector 28 can be activated for direct fuel injection, is preferably also integrated in the engine control 24. An injection profile, an injection quantity and also an injection duration can be injected into a combustion chamber in a manner adapted to the respective operating range. This enables, for example, at least one secondary injection even at lower speeds. An exhaust gas recirculation 29 is also shown schematically. This is activated in particular in an operating range in which residual gas purging is not carried out. With the piston internal combustion engine 18 According to one embodiment, only the opening times of the intake valves are set such that there is an overlap of the valve with a closing time of an associated exhaust valve in the lower speed range for purging the cylinder with residual gas before the charge is changed in the area of top dead center with fresh charge air.