WO2013041164A1 - Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine - Google Patents

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Günter Karl
Frank Otto
Markus Schilling
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Definitions

  • the present invention relates to a method for operating an internal combustion engine according to the preamble of the independent claim.
  • an internal combustion engine For combustion of a fuel, an internal combustion engine usually has a plurality of cylinders, in each of which a stroke-adjustable piston is arranged. For supplying the respective cylinder with fresh air or for discharging the exhaust gas produced by the combustion, at least one inlet valve and at least one outlet valve are assigned to each cylinder.
  • the respective intake valves and exhaust valves are usually operated by means of cams of a camshaft and thus allow the supply of fresh air and the discharge of the exhaust gas from a combustion chamber of the respective cylinder.
  • the internal combustion engine may include a direct fuel injection that injects the fuel directly into the respective cylinder. This results in the mixing of the fuel with the fresh air, different from one
  • Combustion temperatures reduce the amount of harmful exhaust gases.
  • this so-called internal hot exhaust gas recirculation allows an increase in the efficiency of the internal combustion engine, because by higher internal cylinder temperatures a better
  • the disadvantage here is that at low speeds and high loads, due to the tendency to knock, a delayed ignition of the fuel in the cylinder is required, whereby the efficiency and thus the efficiency of the internal combustion engine is reduced.
  • variable camshaft or a variable cam control can also be used to guide additional fresh air into the combustion chamber.
  • scavenging thus the performance of a driven by the exhaust gas of the internal combustion engine exhaust gas turbocharger is increased.
  • the present invention therefore deals with the problem, for a
  • Internal combustion engine in particular with a direct fuel injection, to provide an additional or alternative method, which is characterized in particular by effecting an improved efficiency of the internal combustion engine at low speeds.
  • the present invention is based on the general idea of opening an intake valve of a cylinder of an internal combustion engine at low supercharging levels and thus low speeds of the internal combustion engine while an associated exhaust valve of the cylinder is open, and thus to flush the cylinder with fresh air.
  • Internal combustion engine usually has a plurality of such cylinders, in each of which a piston is arranged adjustable in stroke.
  • a cylinder also has at least one such inlet valve and at least one such outlet valve. Through the inlet valve, the respective cylinder, or one through the respective
  • Combustion chamber supplied with fresh air via a fresh air supply. That by the
  • the internal combustion engine further typically has one
  • Direct fuel injection which injects the fuel directly into the respective cylinder or into the respective combustion chamber.
  • a mixing of the fuel takes place in the cylinder.
  • the invention firstly makes use of the knowledge that at high charge levels, especially at low speeds, a tendency to knock, so an uncontrolled burning of the fuel in the cylinder, caused by a high pressure and a high temperature of the exhaust gas in the cylinder.
  • the invention makes use of the knowledge that at low rotational speeds of the internal combustion engine the pressure prevailing on the side of the inlet valve or an inlet side is at least temporarily greater than the pressure prevailing on the side of the outlet valve or an outlet side.
  • the premature opening of the inlet valve according to the invention at low speeds consequently results in the outlet valve and the associated inlet valve being simultaneously opened over a predetermined period of time, and thus the higher pressure in the fresh air prevailing on the inlet side causing a flow towards the outlet side.
  • fresh air from the fresh air supply is introduced into the cylinder and the exhaust gas present at high temperature and high pressure is flushed out via the outlet side or the exhaust gas discharge.
  • This flushing of the cylinder or the combustion chamber leads to a lowering of the temperature or the pressure and thus to a reduced tendency to knock the internal combustion engine. This has the consequence that a delayed ignition of the fuel can be reduced or avoided, resulting in a higher
  • the pressure difference between the outlet side and the inlet side at low rotational speeds of the internal combustion engine is used to rinse the cylinder, while the pressure difference at low speeds of the internal combustion engine during scavenging to drive or drive support a charging device, in particular an exhaust gas turbocharger used.
  • the shape of the cams may be configured such that a valve lift curve or a crank angle curve of the intake valve has a plateau which causes the overlapping of an open state of the exhaust valve and an open state of the intake valve.
  • the valve lift curve may have four inflection points. In this case, the inlet valve is opened up to a certain stroke value, after which the opening is reduced in order to then continue again to be opened.
  • the valve lift curve has at least one
  • Valve lift curve or the crankshaft angle curve are valid in particular for the area overlapping a valve lift curve of the outlet valve, so that both the outlet valve and the inlet valve are open over a certain period of time. This is especially true at low engine speeds, whereby a flow of fresh air through the inlet valve into the cylinder and a subsequent outflow through the exhaust valve is achieved.
  • the internal combustion engine may have a detector or a sensor device which detects the low rotational speeds of the internal combustion engine and initiates the method.
  • the sensor device the senor device
  • Inlet valves of one or more cylinders is applicable. It should also be noted that a period in which both the intake valve and the
  • Exhaust valve are opened, also by a shift of the opening or
  • the sole FIGURE 1 shows a valve lift curve of an exhaust valve and a
  • Valve lift curve of an intake valve that opens prematurely shows a valve lift curve 1 of an intake valve and a valve lift curve 2 of an associated exhaust valve of an internal combustion engine.
  • the crank angle is plotted in degrees
  • the Y-axis 4 shows the valve lift in mm.
  • the valve lift curve 3 of the exhaust valve is substantially parabolic.
  • the valve lift curve 1 of the intake valve has in an overlap region 5 a form deviating from a purely parabolic course. In the overlap region 5, which extends from about 240 ° to about 390 °, this extends a period during which both the exhaust valve and the intake valve are open.
  • the inlet valve and the outlet valve are opened.
  • the inlet valve is opened during an opening process 7 of the exhaust valve, wherein the inlet valve reaches a stroke value of approximately 4 mm to reach the stroke value of approximately 2.5 during a closing operation 8 of the exhaust valve mm to be reduced.
  • the curve 6 ' in the
  • the first curve 6 'thus has two maxima 9 at about 310 ° and 465 ° mm, between which a minimum 10 at about 365 ° mm is arranged.
  • the intake valve may be actuated in accordance with the course of the partial curve 6 ", where the intake valve is opened by a stroke of approximately 2.5 mm and remains approximately between the crank angle range 310 ° and 360 ° substantially at this opening 6 "in the parabolic area of
  • Both partial curves 6 ", 6" also have at least four turning points.
  • Pressure differential between the intake valve and the exhaust valve may flow fresh air into a cylinder associated with the intake valve and the exhaust valve and then flow out through the exhaust valve.
  • an existing exhaust gas in the cylinder is purged from the cylinder and thus the temperature and the pressure within the
  • Cylinder degraded The flushing of the cylinder causes a prevention or at least reduce a tendency to knock the engine and can to a Increased efficiency or to increase the efficiency of the internal combustion engine can be used.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, vorzugsweise mit einer Kraftstoffdirekteinspritzung, mit mehreren Zylindern, in denen jeweils ein Kolben hubverstellbar angeordnet ist und mit zumindest einem dem jeweiligen Zylinder zugeordneten Einlassventils sowie zumindest einem dem jeweiligen Zylinder zugeordneten Auslassventils. Eine Verbesserung des Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine bei hohen Aufladegraden ergibt sich, wenn das Einlassventil während eines Auslassvorgangs durch das Auslassventil desselben Zylinders verfrüht geöffnet wird.

Description

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.
Zur Verbrennung von einem Kraftstoff weist eine Brennkraftmaschine in der Regel mehrere Zylinder auf, in denen jeweils ein hubverstellbarer Kolben angeordnet ist. Zur Versorgung des jeweiligen Zylinders mit Frischluft bzw. zur Abführung des durch die Verbrennung entstandenen Abgases sind jedem Zylinder zumindest ein Einlassventil und zumindest ein Auslassventil zugeordnet. Die jeweiligen Einlassventile und Auslassventile werden üblicherweise mittels Nocken einer Nockenwelle betätigt und ermöglichen somit die Zuführung der Frischluft sowie die Abführung des Abgases aus einer Brennkammer des jeweiligen Zylinders. Die Brennkraftmaschine kann eine Kraftstoffdirekteinspritzung aufweisen, die den Kraftstoff direkt in den jeweiligen Zylinder einspritzt. Hierdurch erfolgt die Vermischung des Kraftstoffes mit der Frischluft, abweichend von einem
Vergasermotor, direkt in der Brennkammer. Durch Kühlung der Frischladung mittels des verdampfenden flüssigen Kraftstoffs wird ein unkontrolliertes Verbrennen des Kraftstoffes in der Brennkammer und folglich eine Klopfneigung vermieden bzw. reduziert. Der Einsatz der Kraftstoffdirekteinspritzung führt, insbesondere in Kombination mit
Schichtladung, zur Bildung von umweltschädlichen Stickoxiden. Um dem Ausstoß dieser umweltschädlichen Gase bei hohen Drehzahlen entgegenzuwirken, kann die
Brennkraftmaschine variable Nocken bzw. Nockenwellen aufweisen. Damit ist es möglich, die Öffnungs- und Schließzeiten der Einlassventile und Auslassventile überlappen zu lassen, um eine Menge des Abgases beispielsweise in die Abgasabführung oder die Frischluftzuführung strömen zu lassen und anschließend wieder in die Brennkammer zurückzuführen und mit Frischluft zu mischen. Durch niedrigere
Verbrennungstemperaturen wird die Menge an schädlichen Abgasen reduziert. Zudem erlaubt diese sogenannte innere heiße Abgasrückführung eine Effizienzsteigerung der Brennkraftmaschine, weil durch höhere Zylinderinnentemperaturen eine bessere
Umsetzung des Kraftstoffs erzielt werden kann. Derartige Brennkraftmaschinen sind beispielsweise aus der DE 103 44 913 A1 sowie aus der DE 10 2009 034 763 A1 bekannt.
Nachteilig dabei ist, dass bei niedrigen Drehzahlen und hohen Lasten, bedingt durch die Klopfneigung, ein verspätetes Zünden des Kraftstoffes im Zylinder erforderlich ist, wodurch der Wirkungsgrad und somit die Effizienz der Brennkraftmaschine reduziert wird.
Bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine kann die variable Nockenwelle bzw. eine variable Nockensteuerung auch dazu benutzt werden, zusätzliche Frischluft in die Brennkammer zu führen. Beim sogenannten Scavenging wird somit die Leistung eines vom Abgas der Brennkraftmaschine angetriebenen Abgasturboladers erhöht.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für eine
Brennkraftmaschine, insbesondere mit einer Kraftstoffdirekteinspritzung, ein zusätzliches oder alternatives Verfahren anzugeben, die sich insbesondere durch das Bewirken einer verbesserten Effizienz der Brennkraftmaschine bei niedrigen Drehzahlen auszeichnet.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen
Anspruchs gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der unabhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, ein Einlassventil eines Zylinders einer Brennkraftmaschine bei niedrigen Aufladegraden und somit niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine zu öffnen, während ein zugehöriges Auslassventil des Zylinders offen ist, und somit den Zylinder mit Frischluft zu spülen. Die
Brennkraftmaschine weist dabei üblicherweise mehrere derartige Zylinder auf, in denen jeweils ein Kolben hubverstellbar angeordnet ist. Jeweils ein Zylinder weist zudem zumindest ein derartiges Einlassventil sowie zumindest ein derartiges Auslassventil auf. Durch das Einlassventil wird der jeweilige Zylinder, bzw. eine durch den jeweiligen
Zylinder, den Kolben sowie das Einlassventil und das Auslassventil begrenzte
Brennkammer über eine Frischluftzuführung mit Frischluft versorgt. Das durch die
Verbrennung eines Kraftstoffes im jeweiligen Zylinder entstehende Abgas wird über das Auslassventil und eine Abgasabführung aus dem Zylinder bzw. der Brennkammer geführt. Die Brennkraftmaschine weist weiter üblicherweise eine
Kraftstoffdirekteinspritzung auf, die den Kraftstoff direkt in den jeweiligen Zylinder bzw. in die jeweilige Brennkammer einspritzt. Somit findet eine Vermischung des Kraftstoffs im Zylinder statt. Die Erfindung nutzt zunächst die Kenntnis, dass bei hohen Aufladegraden, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, eine Klopfneigung, also ein unkontrolliertes Verbrennen des Kraftstoffes im Zylinder, durch einen hohen Druck sowie eine hohe Temperatur des Abgases im Zylinder verursacht wird. Zudem nutzt die Erfindung die Kenntnis, dass bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine der auf der Seite des Einlassventils bzw. einer Einlassseite herrschende Druck zumindest zeitweise größer ist als der auf der Seite des Auslassventils bzw. einer Auslassseite herrschende Druck. Das erfindungsgemäße verfrühte Öffnen des Einlassventils bei niedrigen Drehzahlen führt folglich dazu, dass das Auslassventil und das zugehörige Einlassventil über einen vorgegebenen Zeitraum gleichzeitig geöffnet sind und somit der auf der Einlassseite herrschende höhere Druck in der Frischluft eine Strömung hin zur Auslassseite bewirkt. Somit wird Frischluft aus der Frischluftzuführung in den Zylinder eingebracht und das mit hoher Temperatur und hohem Druck vorhandene Abgas über die Auslassseite bzw. der Abgasabführung ausgespült. Dieses Spülen des Zylinders bzw. der Brennkammer führt zu einer Absenkung der Temperatur bzw. des Drucks und somit zu einer reduzierten Klopfneigung der Brennkraftmaschine. Dies hat zur Folge, dass eine verspätetes Zünden des Kraftstoffes reduziert oder vermieden werden kann, was zu einem höheren
Wirkungsgrad bzw. zu einer höheren Effizienz der Brennkraftmaschine bei hohen Aufladegraden führt.
Hierbei wird der Druckunterschied zwischen der Auslassseite und der Einlassseite bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine also zum Spülen des Zylinders genutzt, während der Druckunterschied bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine beim Scavenging zum Antrieb bzw. zur Antriebsunterstützung einer Ladeeinrichtung, insbesondere eines Abgasturboladers, genutzt wird.
Um ein verfrühtes öffnen des Einlassventils zu gewährleisten, kann die
Brennkraftmaschine eine variable Nockenwelle aufweisen, wobei die Nocken der
Nockenwelle einem Öffnen und Schließen der jeweiligen Einlassventile und
Auslassventile dienen. Dies kann insbesondere durch eine entsprechende Form der jeweiligen Nocken realisiert sein.
Die Form der Nocken kann beispielsweise derart ausgebildet bzw. ausgestaltet sein, dass eine Ventilhubkurve bzw. eine Kurbelwellenwinkelkurve des Einlassventils ein Plateau aufweist, welches das Überschneiden eines offenen Zustands des Auslassventils und eines offenen Zustandes des Einlassventils bewirkt. Alternativ kann die Ventilhubkurve vier Wendepunkte aufweisen. Hierbei wird das Einlassventil bis zu einem bestimmten Hubwert geöffnet, wonach die Öffnung verkleinert wird um anschließend wieder weiter geöffnet zu werden. Mit anderen Worten, die Ventilhubkurve weist zumindest ein
Minimum zwischen mindestens zwei Maxima auf. Die besagten Formen der
Ventilhubkurve bzw. der Kurbelwellenwinkelkurve sind dabei insbesondere für den mit einer Ventilhubkurve des Auslassventils überlappenden Bereich gültig, so dass über einen gewissen Zeitraum sowohl das Auslassventil als auch das Einlassventil geöffnet sind. Dies gilt insbesondere bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine, womit ein Strömen von Frischluft durch das Einlassventil in den Zylinder und ein anschließendes Ausströmen durch das Auslassventil erreicht wird.
Zweckmäßig kann die Brennkraftmaschine einen Detektor bzw. eine Sensoreinrichtung aufweisen, welche die niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine erkennt und das Verfahren einleitet. Alternativ oder zusätzlich kann die Sensoreinrichtung die
Klopfneigung der Brennkraftmaschine bei niedrigen Drehzahlen erkennen und das Verfahren entsprechend starten.
Es versteht sich, dass das erfindungsgemäße Verfahren auch auf mehreren
Einlassventilen eines oder mehrerer Zylinder anwendbar ist. Ferner wird darauf hingewiesen, dass ein Zeitraum, in dem sowohl das Einlassventil als auch das
Auslassventil geöffnet sind, ebenfalls durch eine Verschiebung der Öffnungs- bzw.
Schließzyklen des Auslassventils und somit durch eine Verschiebung der Ventilhubkurve des Auslassventils erreicht werden kann.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional ähnliche Bestandteile beziehen.
Die einzige Figur 1 zeigt eine Ventilhubkurve eines Auslassventils und eine
Ventilhubkurve eines Einlassventils, das verfrüht geöffnet wird. Fig. 1 zeigt eine Ventilhubkurve 1 eines Einlassventils und eine Ventilhubkurve 2 eines zugehörigen Auslassventils einer Brennkraftmaschine. Hierbei ist auf der X-Achse 3 der Kurbelwinkel im Grad aufgetragen, während die Y-Achse 4 den Ventilhub in mm zeigt. Die Ventilhubkurve 3 des Auslassventils verläuft im Wesentlichen parabelartig. Die Ventilhubkurve 1 des Einlassventils weist hingegen in einem Überlappbereich 5 eine von einem rein parabolischen Verlauf abweichende Form auf. In dem Überlappbereich 5, der sich von etwa 240° bis ca. 390° erstreckt, wird dadurch ein Zeitraum erweitert, während dem sowohl das Auslassventil als auch das Einlassventil geöffnet sind.
Es sind zwei unterschiedliche Möglichkeiten aufgezeigt, um diesen Zeitraum, in dem das Einlassventil und das Auslassventil geöffnet sind, zu erreichen. Bei einer durch die Teilkurve 6' dargestellten ersten Möglichkeit, wird das Einlassventil während eines Öffnungsvorganges 7 des Auslassventils geöffnet, wobei das Einlassventil einen Hubwert von ca. 4 mm erreicht, um während eines Schließvorganges 8 des Auslassventils auf den Hubwert von ca. 2,5 mm reduziert zu werden. Danach geht die Kurve 6' in den
parabolisch verlaufenden Bereich der Ventilhubkurve 1 des Einlassventils über, der den Verlauf der Ventilhubkurve 1 darstellt, bei der kein verfrühtes Öffnen bzw. des
Einlassventils realisiert wäre. Die erste Kurve 6' weist somit zwei Maxima 9 bei ca. 310° und 465° mm auf, zwischen denen ein Minimum 10 bei ca. 365° mm angeordnet ist.
Alternativ kann das Einlassventil gemäß dem Verlauf der Teilkurve 6" betätigt werden. Hierbei wird das Einlassventil durch einen Hub von ca. 2,5 mm geöffnet und bleibt ungefähr zwischen dem Kurbelwinkelbereich 310° und 360° im Wesentlichen bei dieser Öffnung. Anschließend geht die Kurve 6" in den parabolischen Bereich der
Ventilhubkurve 1 des Einlassventils über. Beide Teilkurven 6", 6" weisen zudem zumindest vier Wendepunkte auf. Der erweiterte Überlappbereich 5 und somit der erweiterte Zeitraum, in dem das Einlassventil und das Auslassventil geöffnet sind, wird erfindungsgemäß bei hohen Aufladegraden der Brennkraftmaschine, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen der der Brennkraftmaschine, realisiert. Aufgrund eines
Druckgefälles zwischen dem Einlassventil und dem Auslassventil kann Frischluft in ein zum Einlassventil und zum Auslassventil zugehörigen Zylinder strömen und anschließend durch das Auslassventil hinausströmen. Dabei wird ein im Zylinder vorhandenes Abgas aus dem Zylinder gespült und somit die Temperatur und der Druck innerhalb des
Zylinders abgebaut. Das Ausspülen des Zylinders bewirkt eine Verhinderung oder zumindest Reduzierung einer Klopfneigung der Brennkraftmaschine und kann zu einer Effizienzsteigerung bzw. zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine genutzt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere mit
Kraftstoffdirekteinspritzung, mit mehreren jeweils in einem Zylinder hubverstellbar angeordneten Kolben und mit zumindest einem jeweils einem Zylinder zugeordneten Einlassventil und mit zumindest einem jeweils einem Zylinder zugeordneten Auslassventil,
dadurch gekennzeichnet,
dass bei hohen Aufladegraden der Brennkraftmaschine während des
Auslassvorgangs durch das Auslassventil das Einlassventil des selben Zylinders verfrüht geöffnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass das verfrühte öffnen des Einlassventils bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Ventilhubkurve-/Kurbelwellenwinkelkurve (1 ) des verfrüht öffnenden Einlassventils zumindest vier Wendepunkte aufweist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ventilhubkurve-/Kurbelwellenwinkelkurve (1 ) des verfrüht öffnenden Einlassventils ein Plateau aufweist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ventilhubkurve-/Kurbelwellenwinkelkurve (1 ) des verfrüht öffnenden Einlassventils ein Minimum (10) zwischen zwei Maxima (9) aufweist.
PCT/EP2012/003000 2011-09-22 2012-07-17 Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine WO2013041164A1 (de)

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