WO2006027315A1 - Method for controlling the compression ratio of a spark-ignition internal combustion engine having discretely adjustable compression ratios - Google Patents

Method for controlling the compression ratio of a spark-ignition internal combustion engine having discretely adjustable compression ratios Download PDF

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WO2006027315A1
WO2006027315A1 PCT/EP2005/054123 EP2005054123W WO2006027315A1 WO 2006027315 A1 WO2006027315 A1 WO 2006027315A1 EP 2005054123 W EP2005054123 W EP 2005054123W WO 2006027315 A1 WO2006027315 A1 WO 2006027315A1
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Hong Zhang
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • Internal combustion engines in particular reciprocating engines, with variable compression ratio have been known for some time. Changes in the compression ratio, which is the ratio between the volumes of the combustion chamber at the top and bottom dead center of the piston, can be e.g. achieve by changing the piston stroke.
  • Internal combustion engines with a continuously variable compression ratio and internal combustion engines with a discretely variable compression ratio are known.
  • the method according to the present invention relates to internal combustion engines with discretely adjustable compression ratios.
  • the compression ratio is changed in order to adapt it to operating conditions of the internal combustion engine.
  • a change in the compression ratio of the internal combustion engine is known to influence the course of the combustion pressure via its effect on the mixture ignition (ignition delay and combustion speed).
  • the pressure in the combustion chamber before combustion is naturally also influenced by the compression ratio. Since the knocking behavior of an internal combustion engine is directly linked to the pressure in the combustion chamber, a change in the compression ratio also has an influence on the knocking behavior.
  • the knock limit in turn, depends on the operating point and the compression ratio of the internal combustion engine: the higher the compression ratio, the better the operating behavior of the internal combustion engine, but the greater the risk of knocking. The lower the compression ratio, the lower the risk of knocking, but the poorer the performance of the internal combustion engine.
  • the compression ratio is normally selected for all operating points of the internal combustion engine with regard to the best possible efficiency and the lowest possible fuel consumption of the internal combustion engine.
  • the procedure here is that at low load of the internal combustion engine (in which the volumetric efficiency is low and the knock limit is far from the optimum ignition time point), a comparatively high compression ratio is selected in order to achieve the total efficiency of the internal combustion engine to improve.
  • at high load in which the volumetric efficiency of Hau ⁇ se is large and the knocking limit is close to the optimum ignition timing or even behind it becomes a comparatively low value of the compression ratio selected to protect the engine against knocking.
  • both the compression ratio as well as the ignition point have an effect on the efficiency as well as the Klopfverhal ⁇ th the internal combustion engine. It would be desirable to operate the internal combustion engine with the highest possible compression ratio and an optimal ignition angle. However, there is the risk that knocking of the internal combustion engine will occur, which may reduce the efficiency of combustion and, in particular, damage the internal combustion engine. A compromise in the choice of Verdichtungstin ⁇ ses and the ignition timing is therefore inevitable.
  • the conventional knock control is therefore to avoid knocking. extremely effective, but has some disadvantages in terms of the performance and fuel consumption of the internal combustion engine.
  • DE 199 50 682 A1 discloses a method for regulating the compression ratio of an internal combustion engine, in which a compression ratio which is too high is determined by means of a knock sensor in order then to reduce the compression ratio below the knock limit and then to increase it again.
  • the present invention has for its object to provide a method for controlling the compression ratio of a spark-ignited internal combustion engine with discretely adjustable compression ratios, which allows in relatively simple way to operate the engine in each operating point with the best possible ignition angle and the best possible compression ratio ,
  • the method according to the present invention is defined in An ⁇ claim 1.
  • the efficiencies of the operating parameters are the usual variables for determining of the current torque of the internal combustion engine.
  • a corresponding degree of efficiency for the compression ratio can also be defined, specifically in the form of the ratio of the instantaneous torque which the internal combustion engine generates at the current compression ratio to the maximum torque attainable , which results when all operating parameters of the internal combustion engine have their best ⁇ possible values.
  • the present invention is based on the recognition that a global combustion efficiency can be determined with the aid of the ignition angle efficiency and the compression ratio efficiency, with the aid of which the compression ratio which is optimal for a specific operating point can then be selected.
  • ⁇ _ ⁇ is the degree of efficiency dependent on the compression ratio ⁇ and 77_IGA is the degree of efficiency dependent on the ignition angle
  • ⁇ x ⁇ _ ⁇ ⁇ - ⁇ IGAbest x (2;
  • the current global combustion efficiency ⁇ actua i is compared with the alternative global combustion efficiencies ⁇ x in order to determine the highest possible global combustion efficiency
  • the method according to the invention offers a simple possibility
  • ⁇ _P is the efficiency of another operating parameter or the product of the efficiencies of further operating parameters of the internal combustion engine.
  • the efficiency of a further operating parameter can be considered in particular as the ⁇ efficiency, so that when the global combustion efficiency is calculated, a possibly envisaged enrichment of the combustion efficiency
  • Air / fuel mixture is taken into account. Also, an efficiency for a possible shutdown of one or more cylinders can be considered.
  • FIG. 1 shows a flow diagram of an exemplary embodiment of a method according to the invention
  • Figure 2 is a map of the maximum achievable torque TQref
  • FIG. 3 shows the relationship between the ignition angle efficiency and the ignition angle.
  • the internal combustion engine is further provided with a device for the discrete adjustment of the compression ratio. For example, this device can set three or four different compression ratios.
  • the current global combustion efficiency ⁇ actuai is determined by means of the formula (1) given above (block 3).
  • the efficiencies ⁇ ⁇ _ ⁇ and ⁇ _IGA required for this purpose are readily available.
  • TQ ( ⁇ ) TQU) / TQ ref
  • TQ ( ⁇ ) ⁇ _IGA - ⁇ _X ⁇ 7- SCC -TQ ref
  • ⁇ _IGA the firing angle
  • ⁇ _ ⁇ the ⁇ efficiency
  • ⁇ _SCC a factor (between 0 and 1), which takes into account the Abschal ⁇ tion of one or more of the cylinder.
  • TQ ref is the maximum possible torque that can be achieved with optimal adjustment of all operating parameters of the internal combustion engine. It is usually stored in a map that is plotted against the rotational speed N and the load L; an example of this is shown in FIG. 2.
  • the ignition angle efficiency ⁇ _IGA is determined in the simplest case
  • ⁇ _IGA TQ (IGA) / TQ ref
  • the efficiency ⁇ _IGA is usually stored in a map, which is also spanned over the speed N and the load L.
  • An example of the relationship between the ignition angle efficiency ⁇ _IGA and the ignition angle IGA is shown in FIG.
  • a next step (block 4), the global combustion efficiency ⁇ x for the other settable compression ratios with the formula (2) given above is determined.
  • the formula (2) in each case the ignition angle efficiency ⁇ _IGA best x used for the best possible Zündwin ⁇ angle at the respective compression ratio.
  • the actual ignition angle IGA actU ai / used in the determination of Zünd ⁇ angle efficiency in the formula (1) may not be identical to the best Zündwink ⁇ angle for the current compression ratio; For example, the current ignition point may be set back from the best possible ignition point in order to avoid knocking of the internal combustion engine.
  • the internal combustion engine continues to operate with the current compression ratio a a ctuai and the current ignition angle IGAactuai. However, if it is found out in the comparison that an ⁇ x for another compression ratio leads to a higher global combustion efficiency, then the operation of the internal combustion engine with the compression ratio ⁇ x and ignition angle I x x is switched over for this optimum combustion efficiency (block 6). The internal combustion engine then runs with the newly set compression ratio and ignition angle (block 7).
  • the method for controlling the compression ratio may then begin again (block 2).
  • the described method can be refined in such a way that, when calculating the global combustion efficiency (blocks 3 and 4), efficiencies of further operating parameters are taken into account.
  • ⁇ efficiency ⁇ _ ⁇ by which a possibly envisaged enrichment of the air fuel mixture is taken into account.
  • the method described provides a simple and efficient way of controlling the operating parameters and the
  • the internal combustion engine can therefore be operated at any time with the best possible global combustion efficiency by adjusting the compression ratio taking into account the influence of the other relevant combustion parameters, which has correspondingly positive effects on the combustion, the operating behavior of the internal combustion engine as well as the fuel consumption.

Abstract

The invention relates to a method for regulating the compression ratio of a spark-ignition internal combustion engine having discretely adjustable compression ratios. According to the invention, a current global combustion degree of efficiency is determined from the degree of efficiency for the current compression ratio and the degree of efficiency for the current ignition angle and said global combustion degree of efficiency is compared to the alternative global combustion degree of efficiency for the other possible compression ratios with a respective optimal ignition angle, in order to determine the maximum global combustion degree of efficiency in the related operational conditions.

Description

Beschreibungdescription
Verfahren zum Steuern des Verdichtungsverhältnisses einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit diskret einstellbaren VerdichtungsverhältnissenMethod for controlling the compression ratio of a spark-ignited internal combustion engine with discretely adjustable compression ratios
Brennkraftmaschinen, insbesondere Hubkolbenmaschinen, mit veränderlichem Verdichtungsverhältnis sind seit längerer Zeit bekannt. Änderungen des Verdichtungsverhältnisses, bei dem es sich um das Verhältnis zwischen den Volumina des Brennraumes im oberen und unteren Totpunkt des Kolbens handelt, lassen sich z.B. durch Änderungen des Kolbenhubes erzielen. Es sind Brennkraftmaschinen mit kontinuierlich veränderbarem Verdich¬ tungsverhältnis und Brennkraftmaschinen mit diskret veränder- barem Verdichtungsverhältnis bekannt. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf Brennkraftmaschinen mit diskret einstellbaren Verdichtungsverhältnissen.Internal combustion engines, in particular reciprocating engines, with variable compression ratio have been known for some time. Changes in the compression ratio, which is the ratio between the volumes of the combustion chamber at the top and bottom dead center of the piston, can be e.g. achieve by changing the piston stroke. Internal combustion engines with a continuously variable compression ratio and internal combustion engines with a discretely variable compression ratio are known. The method according to the present invention relates to internal combustion engines with discretely adjustable compression ratios.
Bei derartigen Brennkraftmaschinen wird das Verdichtungsver- hältnis geändert, um es an Betriebsbedingungen der Brenn¬ kraftmaschine anzupassen. Eine Änderung des Verdichtungsver¬ hältnisses der Brennkraftmaschine beeinflusst bekanntlich den Verlauf des Verbrennungsdrucks über seine Auswirkung auf die Gemischentflammung (Zündverzögerung und Brenngeschwindig- keit) . Auch der Druck im Brennraum vor der Verbrennung wird naturgemäß durch das Verdichtungsverhältnis beeinflusst. Da das Klopfverhalten einer Brennkraftmaschine unmittelbar mit dem Druck im Brennraum verknüpft ist, hat eine Änderung des Verdichtungsverhältnisses auch einen Einfluss auf das Klopf- verhalten.In such internal combustion engines, the compression ratio is changed in order to adapt it to operating conditions of the internal combustion engine. A change in the compression ratio of the internal combustion engine is known to influence the course of the combustion pressure via its effect on the mixture ignition (ignition delay and combustion speed). The pressure in the combustion chamber before combustion is naturally also influenced by the compression ratio. Since the knocking behavior of an internal combustion engine is directly linked to the pressure in the combustion chamber, a change in the compression ratio also has an influence on the knocking behavior.
Andererseits gibt es für jeden Wert des Verdichtungsverhält¬ nisses einen (von weiteren Betriebsparametern abhängigen) op- timalen Zündzeitpunkt für eine bestmögliche Gemischverbren¬ nung. Allerdings liegt dieser optimale Zündzeitpunkt (Zünd¬ winkel) meist im potentiellen Klopfbereich, so dass es im allgemeinen nicht möglich ist, die Brennkraftmaschine mit op- timalem Zündwinkel zu betreiben. Der Zündzeitpunkt muss daher in Richtung auf eine spätere Zündung zu der so genannten Klopfgrenze verschoben werden, um die Brennkraftmaschine ge¬ gen eine klopfende Verbrennung zu schützen.On the other hand, for each value of the compression ratio, there is one op-position (dependent on further operating parameters). optimal ignition timing for the best possible Gemischverbren¬ tion. However, this optimum ignition point (ignition angle) usually lies in the potential knock region, so that it is generally not possible to operate the internal combustion engine with the optimum ignition angle. The ignition point must therefore be shifted in the direction of a later ignition to the so-called knock limit, in order to protect the engine against a knocking combustion.
Die Klopfgrenze wiederum hängt von dem Betriebspunkt und dem Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine ab: Je höher das Verdichtungsverhältnis ist, desto besser ist das Be¬ triebsverhalten der Brennkraftmaschine, umso größer ist aber auch die Gefahr des Klopfens. Je niedriger das Verdichtungs- Verhältnis ist, desto geringer ist die Gefahr des Klopfens, umso schlechter ist jedoch auch das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine.The knock limit, in turn, depends on the operating point and the compression ratio of the internal combustion engine: the higher the compression ratio, the better the operating behavior of the internal combustion engine, but the greater the risk of knocking. The lower the compression ratio, the lower the risk of knocking, but the poorer the performance of the internal combustion engine.
Bei Brennkraftmaschinen mit veränderlichem Verdichtungsver- hältnis wird das Verdichtungsverhältnis normalerweise für al¬ le Betriebspunkte der Brennkraftmaschine im Hinblick auf ei¬ nen möglichst guten Wirkungsgrad und einen möglichst niedri¬ gen Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine gewählt. Grundsätzlich wird hierbei so vorgegangen, dass bei niedriger Last der Brennkraftmaschine (bei der der volumetrische Wir¬ kungsgrad gering und die Klopfgrenze vom optimalen Zündzeit¬ punkt weit entfernt ist) ein vergleichsweise hoher Wert für das Verdichtungsverhältnis gewählt wird, um den Gesamtwir¬ kungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern. Bei hoher Last dagegen (bei der der volumetrische Wirkungsgrad von Hau¬ se aus groß ist und die Klopfgrenze nahe am optimalen Zünd¬ zeitpunkt oder sogar dahinter liegt) wird ein vergleichsweise niedriger Wert des Verdichtungsverhältnisses gewählt, um die Brennkraftmaschine gegen Klopfen zu schützen.In internal combustion engines with a variable compression ratio, the compression ratio is normally selected for all operating points of the internal combustion engine with regard to the best possible efficiency and the lowest possible fuel consumption of the internal combustion engine. In principle, the procedure here is that at low load of the internal combustion engine (in which the volumetric efficiency is low and the knock limit is far from the optimum ignition time point), a comparatively high compression ratio is selected in order to achieve the total efficiency of the internal combustion engine to improve. On the other hand, at high load (in which the volumetric efficiency of Hau¬ se is large and the knocking limit is close to the optimum ignition timing or even behind it) becomes a comparatively low value of the compression ratio selected to protect the engine against knocking.
Wie aus den vorstehenden Überlegungen deutlich wird, haben sowohl das Verdichtungsverhältnis wie auch der Zündzeitpunkt einen Einfluss auf den Wirkungsgrad wie auch das Klopfverhal¬ ten der Brennkraftmaschine. Wünschenswert wäre, die Brenn¬ kraftmaschine mit einem möglichst hohen Verdichtungsverhält¬ nis und einem optimalen Zündwinkel zu betreiben. Hierbei be- steht jedoch die Gefahr, dass es zu einem Klopfen der Brenn¬ kraftmaschine kommt, was den Wirkungsgrad der Verbrennung verringert und insbesondere die Brennkraftmaschine schädigen kann. Ein Kompromiss bei der Wahl des Verdichtungsverhältnis¬ ses und des Zündzeitpunktes ist daher unvermeidlich.As is clear from the above considerations, both the compression ratio as well as the ignition point have an effect on the efficiency as well as the Klopfverhal¬ th the internal combustion engine. It would be desirable to operate the internal combustion engine with the highest possible compression ratio and an optimal ignition angle. However, there is the risk that knocking of the internal combustion engine will occur, which may reduce the efficiency of combustion and, in particular, damage the internal combustion engine. A compromise in the choice of Verdichtungsverhältnis¬ ses and the ignition timing is therefore inevitable.
Bei der klassischen Klopfregelung erfolgt eine Klopfkorrektur mittels einer Zündwinkelkorrektur. Genauer gesagt, werden mit Hilfe von KlopfSensoren Klopferkennungssignale erzeugt, mit denen dann der Zündwinkel so verstellt wird, dass Klopfen ge- rade vermieden wird. Der Zündwinkel wird somit gewissermaßen an die Klopfgrenze verlegt (siehe z.B. US 4 884 206, US 6 317 681 B2, EP 1 092 087 Bl) . Wie bereits erwähnt, führt dies jedoch meist zu einer Verringerung des Wirkungsgrades der Gemischverbrennung und somit des erzielbaren Drehmomen- tes. Um dennoch das erforderliche Drehmoment zu erzeugen, ist es daher manchmal erforderlich, die Menge des eingespritzten Kraftstoffes zu erhöhen, was sich ungünstig auf den Kraft¬ stoffverbrauch und die Schadstoffemissionen auswirkt. Außer¬ dem ist es manchmal bei starken Klopferscheinungen und somit sehr großen Zündwinkelverstellungen notwendig, das Kraft¬ stoffgemisch anzufetten, um zu hohe Betriebstemperaturen der Brennkraftmaschine bzw. Abgastemperaturen zu vermeiden. Die herkömmliche Klopfregelung ist daher zum Vermeiden von Klop- fen äußerst wirksam, hat jedoch einige Nachteile im Hinblick auf das Betriebsverhalten und den Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine.In the classic knock control, a knock correction is performed by means of a Zündwinkelkorrektur. More precisely, knock detection signals are generated with the aid of knock sensors, with which the ignition angle is then adjusted so that knocking is just avoided. The ignition angle is thus to some extent moved to the knock limit (see, for example, US Pat. No. 4,884,206, US Pat. No. 6,317,681 B2, EP 1 092 087 B1). As already mentioned, however, this usually leads to a reduction in the efficiency of the mixture combustion and thus of the achievable torque. In order nevertheless to produce the required torque, it is therefore sometimes necessary to increase the amount of fuel injected, which has an unfavorable effect on fuel consumption and pollutant emissions. In addition, it is sometimes necessary for strong knocking phenomena and thus very large ignition angle adjustments to enrich the fuel mixture in order to avoid excessive operating temperatures of the internal combustion engine or exhaust gas temperatures. The conventional knock control is therefore to avoid knocking. extremely effective, but has some disadvantages in terms of the performance and fuel consumption of the internal combustion engine.
Aus der DE 199 50 682 Al ist ein Verfahren zum Regeln des Verdichtungsverhältnisses einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem mittels eines Klopfsensors ein zu hohes Verdichtungs¬ verhältnis ermittelt wird, um daraufhin das Verdichtungsver¬ hältnis unter die Klopfgrenze zu verringern und anschließend wieder zu erhöhen.DE 199 50 682 A1 discloses a method for regulating the compression ratio of an internal combustion engine, in which a compression ratio which is too high is determined by means of a knock sensor in order then to reduce the compression ratio below the knock limit and then to increase it again.
Aus der DE 102 20 596 B3 ist ein Verfahren zum Regeln des Verdichtungsverhältnisses einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem das Verdichtungsverhältnis in Abhängigkeit von einer Klopferkennungsinformation in einer geschlossenen Regel¬ schleife so geregelt wird, dass Klopfen gerade vermieden wird.From DE 102 20 596 B3 a method for controlling the compression ratio of an internal combustion engine is known, in which the compression ratio in response to a knock detection information in a closed Regel¬ loop is controlled so that knocking is just avoided.
Grundsätzlich ist anzustreben, dass die Brennkraftmaschine in jedem Betriebspunkt mit seinem bestmöglichen ZündwinkelBasically, it is desirable that the internal combustion engine at each operating point with its best possible ignition angle
(Verbrennungswirkungsgrad und Betriebsverhalten) und seinem bestmöglichen Verdichtungsverhältnis (Betriebsverhalten bei Vermeidung von Klopfen) betrieben wird.(Combustion efficiency and performance) and its best possible compression ratio (performance while avoiding knocking) is operated.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Steuern des Verdichtungsverhältnisses einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit diskret einstellbaren Verdichtungsverhältnissen anzugeben, das es in relativ einfa¬ cher Weise erlaubt, die Brennkraftmaschine in jedem Betriebs- punkt mit dem bestmöglichen Zündwinkel und dem bestmöglichen Verdichtungsverhältnis zu betreiben. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist in An¬ spruch 1 definiert.The present invention has for its object to provide a method for controlling the compression ratio of a spark-ignited internal combustion engine with discretely adjustable compression ratios, which allows in relatively simple way to operate the engine in each operating point with the best possible ignition angle and the best possible compression ratio , The method according to the present invention is defined in An¬ claim 1.
Bei einer Brennkraftmaschine mit einer elektronischen Mo- torsteuerung auf Drehmomentbasis sind die Wirkungsgrade der Betriebsparameter, insbesondere die des Zündwinkels, des Luftmassenstroms, des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses λ und ge¬ gebenenfalls eines Faktors für die Abschaltung eines oder mehrerer Zylinder die üblichen Größen zum Bestimmen des aktu- eilen Drehmomentes der Brennkraftmaschine. Bei einer Brenn¬ kraftmaschine mit veränderlichem Verdichtungsverhältnis lässt sich außerdem ein entsprechender Wirkungsgrad für das Ver¬ dichtungsverhältnis definieren, und zwar in Form des Verhält¬ nisses von dem aktuellen Drehmoment, das die Brennkraftma- schine bei dem aktuellen Verdichtungsverhältnis erzeugt, zu dem maximal erreichbaren Drehmoment, das sich ergibt, wenn sämtliche Betriebsparameter der Brennkraftmaschine ihre best¬ möglichen Werte haben.In an internal combustion engine with an electronic engine control based on torque, the efficiencies of the operating parameters, in particular the ignition angle, the air mass flow, the air / fuel ratio λ and, if appropriate, a factor for switching off one or more cylinders are the usual variables for determining of the current torque of the internal combustion engine. In the case of a variable compression ratio internal combustion engine, a corresponding degree of efficiency for the compression ratio can also be defined, specifically in the form of the ratio of the instantaneous torque which the internal combustion engine generates at the current compression ratio to the maximum torque attainable , which results when all operating parameters of the internal combustion engine have their best¬ possible values.
Die vorliegende Erfindung geht nun von der Erkenntnis aus, dass sich mit Hilfe des Zündwinkel-Wirkungsgrades und des Verdichtungsverhältnis-Wirkungsgrades ein globaler Verbren¬ nungswirkungsgrad bestimmen lässt, mit dessen Hilfe dann das für einen bestimmten Betriebspunkt optimale Verdichtungsver- hältnis ausgewählt werden kann.The present invention is based on the recognition that a global combustion efficiency can be determined with the aid of the ignition angle efficiency and the compression ratio efficiency, with the aid of which the compression ratio which is optimal for a specific operating point can then be selected.
Genauer gesagt, wird bei dem Verfahren der Erfindung während des Betriebs der Brennkraftmaschine mit diskret einstellbaren VerdichtungsverhältnissenMore specifically, in the method of the invention during operation of the internal combustion engine with discretely adjustable compression ratios
ein aktueller globaler Verbrennungswirkungsgrad ηactuai für ein aktuelles Verdichtungsverhältnis σactuai und einen aktuellen Zündwinkel IGAactUai mit der folgenden Formel berechnet: 7JaCtUaI - 7I _£actual ' 7I _ I GAactual (Da current global combustion efficiency η actua i for a current compression ratio σ act uai and a current ignition angle IGA actU ai calculated using the following formula: 7 JaCtUaI - 7 I _ £ actual '7 I _ I GA actual (D
worin η_ ε der vom Verdichtungsverhältnis ε abhängige Wir¬ kungsgrad und 77_IGA der vom Zündwinkel abhängige Wirkungs¬ grad ist,wherein η_ ε is the degree of efficiency dependent on the compression ratio ε and 77_IGA is the degree of efficiency dependent on the ignition angle,
alternative globale Verbrennungswirkungsgrade ηx für die an¬ deren möglichen Verdichtungsverhältnisse ε x bei optimalem Zündwinkel IGAbest x für das betreffende Verdichtungsverhältnis εx mit der folgenden Formel berechnet:alternative global combustion efficiencies η x for the other possible compression ratios ε x at an optimal ignition angle IGA bes tx for the relevant compression ratio ε x is calculated with the following formula:
ηx = η_ εκ -^IGAbest x (2;η x = η_ ε κ - ^ IGAbest x (2;
der aktuelle globale Verbrennungswirkungsgrad ηactuai mit den alternativen globalen Verbrennungswirkungsgraden ηx vergli¬ chen, um den größtmöglichen globalen Verbrennungswirkungsgrad zu bestimmen,the current global combustion efficiency η actua i is compared with the alternative global combustion efficiencies η x in order to determine the highest possible global combustion efficiency,
und dann der Betrieb der Brennkraftmaschine mit dem Verdich¬ tungsverhältnis für den größtmöglichen Verbrennungswirkungs¬ grad fortgeführt.and then continued the operation of the internal combustion engine with the Verdich¬ tion ratio for the highest possible Verbrennungswirkungs¬ degree.
Die verwendeten Größen r\_ε und η_IGA lassen sich im ein- fachsten Fall wie folgt bestimmen:The variables r \ _ε and η_IGA used can be determined in the simplest case as follows:
r]_ε = TQ(σ)/TQref η_IGA = TQ(IGA) /TQref r] _ε = TQ (σ) / TQ ref η_IGA = TQ (IGA) / TQ ref
worinwherein
TQ (ε ) = Drehmoment abhängig vom Verdichtungsver¬ hältnis ε TQ(IGA) = Drehmoment abhängig vom Zündwinkel IGA TQref = maximal erreichbares Drehmoment bei optimal eingestellten Betriebsparametern der Brenn¬ kraftmaschine.TQ (ε) = torque as a function of the compression ratio ε TQ (IGA) = torque dependent on the ignition angle IGA TQref = maximum achievable torque with optimally set operating parameters of the internal combustion engine.
Ergibt der obige Vergleich, dass das aktuelle Verdichtungs¬ verhältnis die besten Ergebnisse liefert, so wird der Betrieb der Brennkraftmaschine mit dem bisherigen Verdichtungsver¬ hältnis weitergeführt. Ergibt der Vergleich dagegen, dass ei¬ nes der nicht eingestellten anderen Verdichtungsverhältnisse zu einem besseren Wirkungsgrad führt, so wird der Betrieb der Brennkraftmaschine auf dieses andere Verdichtungsverhältnis umgestellt, wobei je nach dem Ergebnis des Vergleiches das Verdichtungsverhältnis auf einen höheren oder auch auf einen niedrigeren Wert umgestellt werden kann.If the above comparison shows that the current compression ratio gives the best results, the operation of the internal combustion engine is continued with the previous compression ratio. On the other hand, if the comparison shows that one of the other compression ratios not set leads to better efficiency, the operation of the internal combustion engine is switched to this other compression ratio, the compression ratio being higher or else lower depending on the result of the comparison can be changed.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet eine einfache Möglich¬ keit,The method according to the invention offers a simple possibility
- den Zeitpunkt zum Umschalten des Verdichtungsverhältnisses zu bestimmen,to determine the timing for switching the compression ratio,
- den bestmöglichen Zündwinkel unter den gegebenen Betriebs¬ bedingungen sicherzustellen,to ensure the best possible ignition angle under the given operating conditions
- einen optimalen Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine bei optimaler Steuerung des Verdichtungsverhältnisses und Zündwinkels während der gesamten Betriebsdauer sicherzustel¬ len,to ensure an optimal overall efficiency of the internal combustion engine with optimal control of the compression ratio and ignition angle during the entire service life,
- einen weichen Übergang im Betriebsverhalten der Brennkraft¬ maschine beim Umschalten des Verdichtungsverhältnisses si¬ cherzustellen. Die Verwendung der obigen Formeln bei einer detaillierteren und verfeinerten Prozessanalyse kann dabei mithelfen, den korrekten Zeitpunkt zum Umschalten des Verdichtungsverhält¬ nisses wie auch den Zeitpunkt der Umschaltung des Zündwinkels zu steuern, um eine drehmomentneutrale Umschaltung der Brenn¬ kraftmaschine sicherzustellen.- Ensure a smooth transition in the operating behavior of Brennkraft¬ machine when switching the compression ratio si¬. The use of the above formulas in a more detailed and refined process analysis can help to control the correct time for switching the compression ratio as well as the timing of the switching of the ignition angle in order to ensure torque-neutral switching of the internal combustion engine.
Eine einfache Verbesserung des oben definierten Verfahrens gemäß der Erfindung besteht darin, dass die Formeln (1) und (2) wie folgt modifiziert werden:A simple improvement of the above-defined process according to the invention is that the formulas (1) and (2) are modified as follows:
Hactual = r|_ E actual ' Η _IGAactUal - 77 _Pactual ( 1 ' )
Figure imgf000010_0001
Hactual = r | _ E actual 'Η _IGA actU al - 77 _Pactual (1')
Figure imgf000010_0001
worin η_P der Wirkungsgrad eines weiteren Betriebsparameters oder das Produkt aus den Wirkungsgraden weiterer Betriebspa¬ rameter der Brennkraftmaschine ist.wherein η_P is the efficiency of another operating parameter or the product of the efficiencies of further operating parameters of the internal combustion engine.
Als Wirkungsgrad eines weiteren Betriebsparameters kommt ins- besondere der λ-Wirkungsgrad in Frage, so dass bei der Be¬ rechnung des globalen Verbrennungswirkungsgrades eine mögli¬ cherweise vorgesehene Anreicherung desThe efficiency of a further operating parameter can be considered in particular as the λ efficiency, so that when the global combustion efficiency is calculated, a possibly envisaged enrichment of the combustion efficiency
Luft/Kraftstoffgemisches berücksichtigt wird. Auch kann ein Wirkungsgrad für eine eventuelle Abschaltung eines oder meh- rerer Zylinder berücksichtigt werden.Air / fuel mixture is taken into account. Also, an efficiency for a possible shutdown of one or more cylinders can be considered.
Anhand der Zeichnungen werden weitere Einzelheiten des erfin¬ dungsgemäßen Verfahrens erläutert. Es zeigt:With reference to the drawings, further details of the inventive method will be explained. It shows:
Figur 1 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens; Figur 2 ein Kennfeld des maximal erreichbaren Drehmomentes TQref;FIG. 1 shows a flow diagram of an exemplary embodiment of a method according to the invention; Figure 2 is a map of the maximum achievable torque TQref;
Figur 3 den Zusammenhang zwischen dem Zündwinkel- Wirkungsgrad und dem Zündwinkel .FIG. 3 shows the relationship between the ignition angle efficiency and the ignition angle.
Ausgegangen wird von einer fremdgezündeten Brennkraftmaschi¬ ne, mit einer Motorsteuerung auf Drehmomentbasis. Da derarti¬ ge Motorsteuerungen (EMS = Engine Management System) heute gängiger Stand der Technik ist, wird hierauf nicht weiter eingegangen. Die Brennkraftmaschine ist ferner mit einer Ein¬ richtung zum diskreten Verstellen des Verdichtungsverhältnis¬ ses versehen. Beispielsweise kann diese Einrichtung drei oder vier verschiedene Verdichtungsverhältnisse einstellen.It is based on a spark-ignited Brennkraftmaschi¬ ne, with a motor control based on torque. Since such engine control systems (EMS = Engine Management System) is today common prior art, this will not be discussed further. The internal combustion engine is further provided with a device for the discrete adjustment of the compression ratio. For example, this device can set three or four different compression ratios.
Es sei angenommen, dass die Brennkraftmaschine mit einem ein¬ gestellten aktuellen Verdichtungsverhältnis ε actuai und einem aktuellen Zündwinkel η_IGAactUai in Betrieb ist (Block 1 in Fig. 1) . Mit dem nun zu beschreibenden Verfahren wird während des Betriebs der Brennkraftmaschine geprüft, ob ein anderes in der Brennkraftmaschine einstellbares Verdichtungsverhält¬ nis ε x zu einem besseren Verbrennungswirkungsgrad führt.It is assumed that the internal combustion engine is in operation with a set actual compression ratio ε actua i and a current ignition angle η_IGA actU ai (block 1 in FIG. 1). With the method to be described now, it is checked during operation of the internal combustion engine whether another compression ratio ε x which can be set in the internal combustion engine leads to a better combustion efficiency.
Zu diesem Zweck wird nach dem Beginn des Verfahrens (Block 2) der aktuelle globale Verbrennungswirkungsgrad η actuai mit Hil¬ fe der oben angegebenen Formel (1) bestimmt (Block 3) . Bei einer Motorsteuerung auf Drehmomentbasis stehen die hierfür erforderlichen Wirkungsgrade τ\_ε und η_IGA ohne weiteres zur Verfügung.For this purpose, after the start of the process (block 2), the current global combustion efficiency η actuai is determined by means of the formula (1) given above (block 3). In a torque-based motor control, the efficiencies τ \ _ε and η_IGA required for this purpose are readily available.
Der Wirkungsgrad τ\_ε ist definiert durchThe efficiency τ \ _ε is defined by
η ε = TQU)/TQref Hierbei lässt sich TQ(^) bestimmen aus:η ε = TQU) / TQ ref Here, TQ (^) can be determined:
TQ(ε) = η_IGA -η_X -T7-SCC -TQref TQ (ε) = η_IGA -η_X → 7- SCC -TQ ref
Hierin bedeuten η_IGA den Zündwinkel, η_λ den λ-Wirkungsgrad und η_SCC einen Faktor (zwischen 0 und 1), der die Abschal¬ tung eines oder mehrerer der Zylinder berücksichtigt.Herein mean η_IGA the firing angle, η_λ the λ efficiency and η_SCC a factor (between 0 and 1), which takes into account the Abschal¬ tion of one or more of the cylinder.
TQref ist das größtmögliche Drehmoment, das bei optimaler Ein¬ stellung sämtlicher Betriebsparameter der Brennkraftmaschine erreicht werden kann. Es ist üblicherweise in einem Kennfeld abgelegt, das über der Drehzahl N und der Last L aufgetragen ist; ein Beispiel hierfür zeigt Fig. 2.TQ ref is the maximum possible torque that can be achieved with optimal adjustment of all operating parameters of the internal combustion engine. It is usually stored in a map that is plotted against the rotational speed N and the load L; an example of this is shown in FIG. 2.
Der Zündwinkel-Wirkungsgrad η_IGA ist im einfachsten Fall be¬ stimmt durchThe ignition angle efficiency η_IGA is determined in the simplest case
η_IGA = TQ(IGA)/TQref η_IGA = TQ (IGA) / TQ ref
wobei es jedoch auch komplexere Möglichkeiten zum Bestimmen von η_IGA gibt.however, there are also more complex ways of determining η_IGA.
Der Wirkungsgrad η_IGA ist üblicherweise in einem Kennfeld abgelegt, das ebenfalls über der Drehzahl N und der Last L aufgespannt ist. Ein Beispiel für den Zusammenhang zwischen dem Zündwinkel-Wirkungsgrad η_IGA und dem Zündwinkel IGA ist in Fig. 3 dargestellt.The efficiency η_IGA is usually stored in a map, which is also spanned over the speed N and the load L. An example of the relationship between the ignition angle efficiency η_IGA and the ignition angle IGA is shown in FIG.
In einem nächsten Schritt (Block 4) wird der globale Verbren¬ nungswirkungsgrad ηx für die anderen einstellbaren Verdich¬ tungsverhältnisse mit der oben angegebenen Formel (2) ermit¬ telt. Zu beachten ist, dass die Formel (2) jeweils den Zünd- winkel-Wirkungsgrad η_IGAbest x für den bestmöglichen Zündwin¬ kel bei dem jeweiligen Verdichtungsverhältnis verwendet. Der aktuelle Zündwinkel IGAactUai/ der bei der Bestimmung des Zünd¬ winkel-Wirkungsgrades in der Formel (1) verwendet wird, ist möglicherweise nicht identisch mit dem bestmöglichen Zündwin¬ kel für das aktuelle Verdichtungsverhältnis; beispielsweise kann der aktuelle Zündzeitpunkt gegenüber dem bestmöglichen Zündzeitpunkt zurückversetzt sein, um Klopfen der Brennkraft¬ maschine zu vermeiden.In a next step (block 4), the global combustion efficiency η x for the other settable compression ratios with the formula (2) given above is determined. It should be noted that the formula (2) in each case the ignition angle efficiency η_IGA best x used for the best possible Zündwin¬ angle at the respective compression ratio. The actual ignition angle IGA actU ai / used in the determination of Zünd¬ angle efficiency in the formula (1) may not be identical to the best Zündwink¬ angle for the current compression ratio; For example, the current ignition point may be set back from the best possible ignition point in order to avoid knocking of the internal combustion engine.
Der aktuelle globale Verbrennungswirkungsgrad ηactuai wird nun mit jedem der globalen Verbrennungswirkungsgrade ηx für die anderen möglichen Verdichtungsverhältnisse verglichen (Block 5) . Dieser Vorgang wird in einer Iterationsschleife durchge- führt, wie in dem Flussdiagramm der Fig. 1 schematisch ange¬ deutet ist.The current global combustion efficiency η actua i is now compared with each of the global combustion efficiencies η x for the other possible compression ratios (block 5). This process is carried out in an iteration loop, as indicated schematically in the flowchart of FIG. 1.
Wenn bei diesem Vorgang festgestellt wird, dass der aktuelle globale Verbrennungswirkungsgrad ηactuai der bestmögliche Wir- kungsgrad ist, wird die Brennkraftmaschine mit dem aktuellen Verdichtungsverhältnis £actuai und dem aktuellen Zündwinkel IGAactuai weiter betrieben. Stellt sich jedoch bei dem Ver¬ gleich heraus, dass ein ηx für ein anderes Verdichtungsver¬ hältnis zu einem höheren globalen Verbrennungswirkungsgrad führt, so wird auf einen Betrieb der Brennkraftmaschine mit dem Verdichtungsverhältnis £x und Zündwinkel IGAx für diesen optimalen Verbrennungswirkungsgrad umgeschaltet (Block 6) . Die Brennkraftmaschine läuft dann mit dem neu eingestellten Verdichtungsverhältnis und Zündwinkel (Block 7) .If it is determined in this process that the current global combustion efficiency η ac tuai is the best possible efficiency, the internal combustion engine continues to operate with the current compression ratio a a ctuai and the current ignition angle IGAactuai. However, if it is found out in the comparison that an η x for another compression ratio leads to a higher global combustion efficiency, then the operation of the internal combustion engine with the compression ratio ε x and ignition angle I x x is switched over for this optimum combustion efficiency (block 6). The internal combustion engine then runs with the newly set compression ratio and ignition angle (block 7).
Das Verfahren zum Steuern des Verdichtungsverhältnisses kann dann wieder erneut beginnen (Block 2) . Wie bereits eingangs erläutert, kann das beschriebene Verfah¬ ren in der Weise verfeinert werden, dass bei der Berechnung des globalen Verbrennungswirkungsgrades (Blöcke 3 und 4) Wir¬ kungsgrade weiterer Betriebsparameter berücksichtigt werden. In Frage kommt in erster Linie der λ-Wirkungsgrad η_λ, durch den eine möglicherweise vorgesehene Anreicherung des Luft- kraftstoffgemischs berücksichtigt wird.The method for controlling the compression ratio may then begin again (block 2). As already explained at the outset, the described method can be refined in such a way that, when calculating the global combustion efficiency (blocks 3 and 4), efficiencies of further operating parameters are taken into account. In question is primarily the λ efficiency η_λ, by which a possibly envisaged enrichment of the air fuel mixture is taken into account.
Das beschriebene Verfahren bietet eine einfache und effizien- te Möglichkeit zum Steuern der Betriebsparameter sowie derThe method described provides a simple and efficient way of controlling the operating parameters and the
Umschaltzeit und -richtung des Verdichtungsverhältnisses ei¬ ner Brennkraftmaschine mit diskret einstellbaren Verdich¬ tungsverhältnissen. Die Brennkraftmaschine kann daher jeder¬ zeit mit dem bestmöglichen globalen Verbrennungswirkungsgrad durch Einstellen des Verdichtungsverhältnisses bei Berück¬ sichtigung des Einflusses der anderen relevanten Verbren¬ nungsparameter betrieben werden, was entsprechend positive Auswirkungen auf die Verbrennung, das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine wie auch auf den Kraftstoffverbrauch hat. Changeover time and direction of the compression ratio of an internal combustion engine with discretely adjustable compression ratios. The internal combustion engine can therefore be operated at any time with the best possible global combustion efficiency by adjusting the compression ratio taking into account the influence of the other relevant combustion parameters, which has correspondingly positive effects on the combustion, the operating behavior of the internal combustion engine as well as the fuel consumption.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Steuern des Verdichtungsverhältnisses einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit diskret einstellbaren Verdichtungsverhältnissen, die eine Motorsteuerung auf Dreh¬ momentbasis umfasst, bei welchem Verfahren während des Be¬ triebs der BrennkraftmaschineA method for controlling the compression ratio of a spark-ignited internal combustion engine with discretely adjustable compression ratios, which includes a torque-based engine control, in which method during operation of the internal combustion engine
ein aktueller globaler Verbrennungswirkungsgrad ηactuai für ein aktuelles Verdichtungsverhältnis ε actuai und einen aktuellen Zündwinkel IGAactual mit der folgenden Formel berechnet wird:a current global combustion efficiency η ac tuai for a current compression ratio ε actua i and a current ignition angle IGA actual is calculated using the following formula:
*1 actuai = η _εactuar η _ IGAactUal ( D* 1 actuai = η _ ε ac t uar η _ IGA actU al (D
worin η_ ε der vom Verdichtungsverhältnis ε abhängige Wir¬ kungsgrad und 7_IGA der vom Zündwinkel abhängige Wirkungs¬ grad ist,wherein η_ ε is the degree of efficiency dependent on the compression ratio ε and 7_IGA is the degree of efficiency dependent on the ignition angle,
alternative globale Verbrennungswirkungsgrade ηx für die an- deren möglichen Verdichtungsverhältnisse εx bei optimalemalternative global combustion efficiencies η x for the other possible compression ratios ε x at optimal
Zündwinkel IGAbest x für das betreffende Verdichtungsverhältnis εx mit der folgenden Formel berechnet wird:Ignition angle IGA bes tx for the relevant compression ratio ε x is calculated with the following formula:
ηx = η_ εx -η_IGΑbest x (2)η x = η_ ε x -η_IGΑ best x (2)
der aktuelle globale Verbrennungswirkungsgrad ηactuai mit den alternativen globalen Verbrennungswirkungsgraden ηx vergli¬ chen wird, um den größtmöglichen globalen Verbrennungswir¬ kungsgrad zu bestimmen,the current global combustion efficiency η ac tuai is compared with the alternative global combustion efficiencies η x in order to determine the highest possible global combustion efficiency,
und dann der Betrieb der Brennkraftmaschine mit dem Verdich¬ tungsverhältnis für den größtmöglichen Verbrennungswirkungs¬ grad fortgeführt wird. and then the operation of the internal combustion engine is continued with the compression ratio for the greatest possible degree of combustion efficiency.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der vom Verdichtungsverhältnis abhängige Wirkungsgrad τ\_ε und der vom Zündwinkel abhängige Wirkungsgrad η_IGA wie folgt bestimmen werden:2. The method according to claim 1, characterized in that the dependent of the compression ratio efficiency τ \ _ε and the ignition angle dependent efficiency η_IGA will be determined as follows:
τ\_ε = ΥQ(ε) /TQref η_IGA = TQ(IGA)/TQref,τ \ _ε = ΥQ (ε) / TQ ref η_IGA = TQ (IGA) / TQ ref ,
worinwherein
TQ (ε ) = Drehmoment abhängig vom Verdichtungsver¬ hältnis εTQ (ε) = torque dependent on the compression ratio ε
TQ(IGA) = Drehmoment abhängig vom Zündwinkel IGA TQref = maximal erreichbares Drehmoment bei optimal eingestellten Betriebsparametern der Brenn¬ kraftmaschine.TQ (IGA) = torque dependent on the ignition angle IGA TQ ref = maximum achievable torque with optimally set operating parameters of the internal combustion engine.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der vom Zündwinkel IGA abhängige Wirkungsgrad η_IGA ei¬ nem über Drehzahl und Last aufgespannten Kennfeld entnommen wird.3. The method of claim 1 or 2, characterized in that the dependent of the ignition angle IGA efficiency η_IGA ei¬ nem spanned over speed and load map is taken.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das maximal erreichbare Drehmoment TQref einem über Dreh¬ zahl und Last aufgespannten Kennfeld entnommen wird.4. The method according to claim 2 or 3, characterized in that the maximum achievable torque TQ ref is taken over a Dreh¬ number and load spanned map.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass das vom Verdichtungsverhältnis ε abhängi- ge Drehmoment TQ(^) wie folgt ermittelt wird:5. The method according to any one of claims 2 to 4, characterized ge indicates that the dependent of the compression ratio ε torque TQ (^) is determined as follows:
TQU) = η_IGA -η_X -^_SCC -TQref (3) worin η_λ der einem Kennfeld entnommene Wirkungsgrad für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis λ bei einer Gemischanfettung und η_SCC ein Maß für eine Verringerung des Drehmomentes bei Ab¬ schaltung einer oder mehrerer Zylinder ist.TQU) = η_IGA-η_X - ^ _ SCC -TQ ref (3) wherein η_λ the efficiency taken for a map of the air / fuel ratio λ in a mixture enrichment and η_SCC is a measure of a reduction in torque at Ab¬ circuit of one or more cylinders.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Formeln (1) und (2) wie folgt modi¬ fiziert werden:6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the formulas (1) and (2) are modified as follows:
Hactual = r|_ E actual ' Η _IGAactUal - 77 _Pactual ( 1 ' ) ηx = η_ εx -η_IGΑbest x -η_Px (2')Hactual = r | _ E actual 'Η _IGA actU al - 77 _Pactual (1') η x = η_ ε x -η_IGΑ best x -η_P x (2 ')
worin η_P der Wirkungsgrad eines weiteren Betriebsparameters oder das Produkt aus den Wirkungsgraden weiterer Betriebspa- rameter der Brennkraftmaschine ist.wherein η_P is the efficiency of another operating parameter or the product of the efficiencies of other operating parameters of the internal combustion engine.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass η_P den vom Luft/Kraftstoff-Verhältnis λ abhängigen Wirkungs¬ grad η_λ bei einer Gemischanfettung umfasst.7. The method according to claim 5, characterized in that η_P the dependent on the air / fuel ratio λ Wirkungs¬ degree η_λ in a Gemischanfettung.
8. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirkungsgrad η_P den Wirkungsgrad η_SCC umfasst, der ein Maß für die Drehmomentverringerung aufgrund der Abschal¬ tung eines oder mehrerer Zylinder ist. 8. The method according to claim 5 or 6, characterized in that the efficiency η_P comprises the efficiency η_SCC, which is a measure of the torque reduction due to the Abschal¬ tion of one or more cylinders.
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