DE102007041326A1 - Method for operating internal combustion engine, particularly diesel engine, particularly of motor vehicle, involves introducing combustion air through two inlet channels in working cylinder of internal combustion engine - Google Patents

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Abstract

The method involves introducing combustion air through two inlet channels in a working cylinder of an internal combustion engine. Each inlet channel has an inlet valve. One of the inlet channels of the working cylinder is selectively closed by a swirl flap for generating a turbulence flow in the introduced combustion air. The inlet valve of the other inlet channel is closed with swirl flap later than the inlet valve of the former inlet channel without swirl flap in a work cycle.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere Dieselmotor, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei in wenigstens einen Arbeitszylinder der Brennkraftmaschine Verbrennungsluft über wenigstens zwei Einlasskanäle mit jeweils einem Einlassventil eingeleitet wird, wobei zur Erzeugung einer Drallströmung in der zugeführten Verbrennungsluft wahlweise wenigstens ein zweiter Einlasskanal der Einlasskanäle wenigstens eines Arbeitszylinders mittels einer Drallklappe verschlossen wird, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The The invention relates to a method for operating an internal combustion engine, in particular diesel engine, in particular a motor vehicle, wherein in at least one working cylinder of the internal combustion engine combustion air over at least two inlet channels is each initiated with an inlet valve, wherein for generating a swirl flow in the supplied Combustion air optionally at least a second inlet channel of Inlet channels at least a working cylinder is closed by means of a swirl flap, according to the preamble of Patent claim 1.

Beim bekannten Miller-Atkinson-Zyklus wird der Zeitpunkt "Einlassventil schließt" (ES) nach spät verschoben. Auf diese Weise wird bereits im Zylinder befindliches Frischgas z. T. wieder ausgeschoben. Dies bedeutet einen Füllungsnachteil, der aber über eine Aufladung mit einem geeigneten Ladedruck kompensiert werden kann. Dabei ist der Ladedruck im Volumen zwischen Laderausgang und Motoreinlass so zu regeln, dass der Ladedruck in jedem Miller-Betriebspunkt, d. h. jeder Betriebspunkt in dem der "Miller-Cycle" zur Anwendung kommt, dem theoretischen Verdichtungsenddruck in den Arbeitszylindern der Brennkraftmaschine zum Zeitpunkt Einlassventil schließt entspricht. Für die Regelung, wahlweise auch Steuerung, kommen Druck- und/oder Temperatur- und/oder Massenstromsensoren oder sinnvolle Kombisensoren der drei angesprochenen Sensortypen zum Einsatz.At the Miller-Atkinson cycle, the timing "intake valve closes" (ES) is postponed. In this way, already in the cylinder befindliches fresh gas z. T. pushed out again. This means a filling disadvantage, but over a Charging can be compensated with a suitable boost pressure. The boost pressure is in the volume between the loader outlet and engine inlet so that the boost pressure at each Miller operating point, d. H. every operating point in which the "Miller cycle" is used, the theoretical compression pressure in the working cylinders of the Internal combustion engine at the time intake valve closes corresponds. For the Control, optionally also control, come pressure and / or temperature and / or mass flow sensors or useful combination sensors of the three addressed sensor types are used.

Der positive Effekt des Miller/Atkinson-Cycles mittels frühem oder spätem Zeitpunkt für das Schließen des Einlassventils auf die NOx-Emission und Homogenisierbarkeit des Dieselgemischs ist bekannt. Weiterhin kann bei ottomotorischen Anwendungen die Klopfneigung bei Hochaufladung deutlich reduziert werden. Im Gegensatz zum Ottomotor, der aufgrund fehlender geometrischer Zwänge mit positiver Ventilüberschneidung arbeiten kann, ist beim Dieselmotor eine einfache Umsetzung des Verfahrens mit Hilfe eines Phasenstellers generell nicht möglich. Grund hierfür ist eine mechanische Kollision des Ventils mit dem Kolben bei Frühverstellung und vermehrte Pumparbeit bei Spätverstellung.The positive effect of the Miller / Atkinson cycle on the NO x emission and homogenization of the diesel mixture by means of an early or late point in time for closing the inlet valve is known. Furthermore, in the case of Otto engine applications, the tendency to knock when being supercharged can be significantly reduced. In contrast to the gasoline engine, which can work due to lack of geometric constraints with positive valve overlap, in the diesel engine, a simple implementation of the method using a phaser is generally not possible. The reason for this is a mechanical collision of the valve with the piston during early adjustment and increased pumping work with retardation.

Bei bekannten Vier-Ventil-Dieselmotoren mit zwei Einlasskanälen werden große Teile des emissionsrelevanten Betriebsbereiches zur Anhebung des Drallniveaus mit nur einem freien Einlasskanal betrieben, während der andere Kanal mittels einer Drallklappe weitestgehend verschlossen wird. Die Emissionsmaßnahme "Drallerhöhung" kann aufgrund der dann vorhandenen Füllungsverluste nur im unteren Last- und Drehzahlbereich des Kennfelds angewendet werden. Üblicherweise haben bei dieser Auslegung beide Einlassventile die gleiche Nockenkontur und damit identische Steuerzeiten.at be known four-valve diesel engines with two intake ports size Parts of the emission-relevant operating range to increase the swirl level operated with only one free inlet channel, while the other channel means a swirl flap is largely closed. The emission measure "swirl increase" can be due to the then existing filling losses only applied in the lower load and speed range of the map become. Usually In this design, both intake valves have the same cam contour and with identical control times.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der o. g. Art hinsichtlich der Schadstoffemission der Brennkraftmaschine zu verbessern.Of the Invention is based on the object, a method of o. G. kind to improve the pollutant emission of the internal combustion engine.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.These The object is achieved by a Method of o. Type having the features characterized in claim 1 solved. Advantageous embodiments of the invention are in the other claims described.

Dazu ist es bei einem Verfahren der o. g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass innerhalb eines Arbeitszyklus das Einlassventil des zweiten Einlasskanals mit Drallklappe später geschlossen wird als das Einlassventil des anderen, ersten Einlasskanals ohne Drallklappe.To it is in a method of o. g. Art provided according to the invention, that within one working cycle, the inlet valve of the second Inlet channel with swirl flap later is closed as the inlet valve of the other, first inlet channel without Swirl flap.

Dies hat den Vorteil, dass mit einem einfachen mechanisch variablen System ein Miller-Atkinson-Zyklus, beispielsweise bei einem Dieselmotor, in solchen Betriebsbereichen darstellbar ist, in denen die Drallklappe geöffnet ist, wobei ein sonst notwendiges und sehr aufwändiges Verstellsystem an einzelnen Nocken entfallen kann. Dies erzielt eine Verminderung von Schadstoffemissionen in denjenigen Betriebsbereichen, in denen die Drallklappe geöffnet ist.This has the advantage of having a simple mechanically variable system a Miller-Atkinson cycle, For example, in a diesel engine, in such operating areas can be displayed, in which the swirl flap is open, with an otherwise necessary and very elaborate Adjustment can be omitted on individual cam. This achieved a reduction of pollutant emissions in those operating areas, in which the swirl flap is open.

Eine Verdichtungsanhebung in einem ersten Kennfeldbereich mit niedriger Drehzahl/Last sowie eine Verdichtungsabsenkung in einem zweiten Kennfeldbereich mit hoher Drehzahl/Last erzielt man dadurch, dass in einem ersten Kennfeldbereich der Brennkraftmaschine mit Drehzahlen, die niedriger als ein vorbestimmter Drehzahlwert sind, und niedriger Last, die niedriger als ein vorbestimmter Lastwert ist, die Drallklappe geschlossen wird und in einem zweiten Kennfeldbereich der Brennkraftmaschine außerhalb des ersten Kennfeldbereiches die Drallklappe geöffnet wird.A Compaction increase in a first map area with lower Speed / load and a compression reduction in a second High speed / load map range is achieved by: in a first map region of the internal combustion engine with rotational speeds, which are lower than a predetermined speed value, and lower load, which is lower than a predetermined load value, the swirl flap is closed and in a second map range of the internal combustion engine outside of the first map area, the swirl flap is opened.

Beispielsweise ist der vorbestimmte Drehzahlwert 2.500 U/min bis 3.500 U/min, insbesondere 3.000 U/min, und der vorbestimmte Lastwert 45% bis 55% der maximalen Last der Brennkraftmaschine, insbesondere 50% der maximalen Last der Brennkraftmaschine.For example is the predetermined speed value 2,500 rpm to 3,500 rpm, in particular 3,000 Rpm, and the predetermined load value 45% to 55% of the maximum load the internal combustion engine, in particular 50% of the maximum load of Internal combustion engine.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt inThe The invention will be explained in more detail below with reference to the drawing. These shows in

1 eine graphische Darstellung von Ventilsteuerzeiten gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren und 1 a graphical representation of valve timing according to the inventive method and

2 eine graphische Darstellung eines Motorkennfeldes. 2 a graphical representation of a motor map.

In 1 sind auf einer horizontalen Linie 10 ein Kurbelwinkel aufgetragen sowie Ventilsteuerzeiten von Auslassventil und Einlassventilen einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Arbeitszylinder, in dem sich ein Kolben auf und ab bewegt, dargestellt. Bei 12 erreicht der Kolben einen unteren Totpunkt UT am Ende eines Arbeitshubes und am Beginn eines Ladungswechselhubes, bei 14 einen oberen Totpunkt OT des Ladungswechselhubes und bei 16 einen unteren Totpunkt UT am Ende des Ladungswechselhubes und am Beginn eines Verdichtungshubes.In 1 are on a horizontal line 10 plotted a crank angle and valve timing of exhaust valve and intake valves of an internal combustion engine with at least one working cylinder in which a piston moves up and down, shown. at 12 reaches the piston bottom dead center UT at the end of a working stroke and at the beginning of a Ladungswechselhubes, at 14 a top dead center OT of the charge cycle and at 16 a bottom dead center UT at the end of the charge cycle and at the beginning of a compression stroke.

Ein erster Graph 18 veranschaulicht den Ventilhub in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel für das Auslassventil, ein zweiter Graph 20 veranschaulicht den Hub des Kolbens in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel, ein dritter Graph 22 veranschaulicht den Ventilhub in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel für ein erstes Einlassventil und ein vierter Graph 24 veranschaulicht den Ventilhub in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel für ein zweites Einlassventil.A first graph 18 illustrates the valve lift as a function of the crank angle for the exhaust valve, a second graph 20 illustrates the stroke of the piston as a function of the crank angle, a third graph 22 illustrates the valve lift versus crank angle for a first intake valve and a fourth graph 24 illustrates the valve lift versus crank angle for a second intake valve.

Die Brennkraftmaschine weist für jeden Arbeitszylinder wenigstens einen ersten Einlasskanal und wenigstens einen zweiten Einlasskanal auf, wobei jeder zweite Einlasskanal eine Drall- oder Schaltklappe aufweist, die diesen zweiten Einlasskanal in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine wahlweise verschließt oder öffnet. Optional ist auch in dem ersten Einlasskanal eine Drall- oder Schaltklappe vorgesehen. Das erste Einlassventil ist einem jeweiligen ersten Einlasskanal und das zweite Einlassventil ist einem jeweiligen zweiten Einlasskanal zugeordnet.The Internal combustion engine points for each working cylinder at least a first inlet channel and at least a second inlet channel, wherein each second inlet channel a swirl or Switching flap having this second inlet channel in dependence selectively closes or opens from an operating state of the internal combustion engine. optional is also in the first inlet channel a swirl or switching flap intended. The first intake valve is a respective first one Inlet port and the second intake valve is a respective second intake port assigned.

Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass das zweite Einlassventil eines Arbeitszylinders innerhalb eines Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine später schließt, als das erste Einlassventil dieses Arbeitszylinders. Wie aus 1 ersichtlich, schließt das erste Einlassventil am UT 16 des Kolbens und das zweite Einlassventil nach dem UT 16 des Kolbens. Auf diese Weise ist ein Miller-Atkinson-Zyklus realisiert, wenn die Drallklappe in dem zweiten Einlasskanal des zweiten Einlassventils geöffnet ist. Dies führt wegen des teilweisen Ausschiebens der Zylinderladung zu einer Verringerung des Verdichtungsverhältnisses mit entsprechender Reduktion von Schadstoffemissionen.According to the invention, it is provided that the second intake valve of a working cylinder within a working cycle of the internal combustion engine closes later than the first intake valve of this working cylinder. How out 1 As can be seen, the first inlet valve closes at the UT 16 of the piston and the second inlet valve after the UT 16 of the piston. In this way, a Miller-Atkinson cycle is realized when the swirl flap in the second intake port of the second intake valve is opened. This leads to a reduction of the compression ratio with a corresponding reduction of pollutant emissions because of the partial expulsion of the cylinder charge.

In solchen Betriebszuständen, in denen die Drallklappe geschlossen ist, trägt der zweite Einlasskanal und somit das zweite Einlassventil nicht wesentlich zur Zylinderladung bei, so dass kein teilweises Ausschieben der Zylinderladung erfolgt und dementsprechend das Verdichtungsverhältnisses nicht reduziert wird. In diesen Betriebszuständen erfolgt durch die erzeugte Drallströmung eine Reduktion von Schadstoffemissionen.In such operating conditions, in which the swirl flap is closed, carries the second inlet channel and thus the second intake valve is not essential to the cylinder charge at, so that no partial ejection of the cylinder charge takes place and accordingly, the compression ratio is not reduced. In these operating states Due to the generated swirl flow, a reduction of pollutant emissions takes place.

2 veranschaulicht ein Last-Drehzahlkennfeld für eine Brennkraftmaschine, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird. Auf einer horizontalen Achse 28 ist eine Drehzahl in U/min und auf einer vertikalen Achse 30 ist eine Last in Prozent von der maximalen Last der Brennkraftmaschine aufgetragen. Das Kennfeld 32 wird durch eine Linie 34 in einen ersten Kennfeldbereich 36 und einen zweiten Kennfeldbereich 38 unterteilt. 2 illustrates a load speed map for an internal combustion engine, which is operated according to the inventive method. On a horizontal axis 28 is a speed in rpm and on a vertical axis 30 is a load in percent of the maximum load of the internal combustion engine applied. The map 32 is through a line 34 in a first map area 36 and a second map area 38 divided.

Im ersten Kennfeldbereich 36, in dem eine Drehzahl von kleiner als 3.000 U/min und eine Last von kleiner 50% vorliegt, ist die Drallklappe im zweiten Einlasskanal geschlossen, so dass durch einen Dralleffekt eine Schadstoffreduktion erzielt wird. Das spätere Schließen des zweiten Einlassventils nach UT 16 hat keinen Effekt, da der zweite Einlasskanal im Wesentlichen von der Drallklappe verschlossen ist. Das Verdichtungsverhältnis entspricht dem geometrischen Verdichtungsverhältnis der Arbeitszylinder.In the first map area 36 , in which a speed of less than 3,000 rpm and a load of less than 50%, the swirl flap in the second inlet channel is closed, so that a swirl effect, a pollutant reduction is achieved. The subsequent closing of the second inlet valve to UT 16 has no effect because the second inlet channel is substantially closed by the swirl flap. The compression ratio corresponds to the geometric compression ratio of the working cylinder.

Im zweiten Kennfeldbereich, in dem bei Drehzahlen von kleiner als 3.000 U/min Lasten von größer 50% vorliegen sowie bei Drehzahlen über 3.000 U/min Lasten von 0% bis 100% vorliegen, ist die Drallklappe im zweiten Einlasskanal geöffnet, so dass erster und zweite Einlasskanal offen sind und durch das späte Schließen des zweiten Einlassventils nach UT 16 ein Miller-Atkinson-Zyklus realisiert ist. Das effektive Verdichtungsverhältnis ist gegenüber dem geometrischen Verdichtungsverhältnis kleiner. Dies führt zu einer entsprechenden Reduktion von Schadstoffemissionen.In the second map area, in which loads of more than 50% are present at speeds of less than 3,000 rpm and loads of 0% to 100% are present at speeds of over 3,000 rpm, the swirl flap in the second inlet channel is open, so that the first and second second inlet channel are open and by the late closing of the second inlet valve to UT 16 a Miller-Atkinson cycle is realized. The effective compression ratio is smaller than the geometric compression ratio. This leads to a corresponding reduction of pollutant emissions.

Erweiterte Dralleffekte und Einstellungsmöglichkeiten hinsichtlich des effektiven Verdichtungsverhältnisses können dadurch erzielt werden, dass auch in dem ersten Einlasskanal eine Drall- oder Schaltklappe angeordnet ist, die in Anhängigkeit von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine den ersten Einlasskanal wahlweise öffnet oder schließt.Extended Drip effects and setting options in terms of the effective compression ratio can be achieved by that in the first inlet channel a swirl or switching flap is arranged in pending from an operating state of the internal combustion engine, the first intake passage optionally opens or closes.

Erfindungsgemäß wird mittels der Drallklappe in wenigstens einem der Einlasskanäle stromauf der Einlassventile eines Arbeitszylinders in Kombination mit unterschiedlichen Nockenhüben das relevante Einlassschließen auf zwei Einlassventile verteilt. Dadurch kann ohne aufwändige Aktuatorik hinsichtlich der Einlassventile bzw. vollvariable Ventiltriebe, beispielsweise mit elektrischen oder elektrohydraulischen Einzelaktuatoren, ein Miller-Atkinson-Zyklus in bestimmten Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine realisiert und in anderen Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine abgeschaltet werden.According to the invention by means of the swirl flap in at least one of the inlet channels upstream of Inlet valves of a working cylinder in combination with different cam strokes the relevant inlet closing distributed over two intake valves. This can be done without complex actuators with regard to the inlet valves or fully variable valve trains, for example with electric or electro-hydraulic single actuators Miller-Atkinson cycle in certain operating ranges of the internal combustion engine realized and in other operating areas of the internal combustion engine be switched off.

Für den mittels der Drallklappe verschließbaren zweiten Einlasskanal ist eine beispielsweise mittels entsprechend ausgebildeter Nocke für das zweite Einlassventil fest eingestellte, längere Öffnungsdauer vorgesehen. Hierdurch wird im Bereich mit zwei geöffneten Einlasskanälen für einen Arbeitszylinder über das wirksame späte Einlassschließen die effektive Verdichtung abgesenkt und so der bekannte positive Effekt auf den NOx-Ruß-Trade-off auch bei höheren Drehzahlen/Lasten erreicht, wie in 2 dargestellt. Alternativ kann das Verfahren auch zur drehzahlabhängigen Füllungsoptimierung genutzt werden, wobei bei niedrigen Drehzahlen ein frühes Einlassschließen und bei höheren Drehzahlen ein spätes Einlassschließen eingestellt wird.For the second inlet channel, which can be closed by means of the swirl flap, a longer opening, which is fixed for example by means of a correspondingly designed cam for the second inlet valve, is fixed duration provided. This lowers the effective compression in the area with two open intake ports for a power cylinder via the effective late intake closing and so the known positive effect on the NO x soot trade-off is achieved even at higher speeds / loads, as in 2 shown. Alternatively, the method can also be used for speed-dependent filling optimization, wherein at low speeds an early inlet closing and at higher speeds a late inlet closing is set.

Claims (4)

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere Dieselmotor, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei in wenigstens einen Arbeitszylinder der Brennkraftmaschine Verbrennungsluft über wenigstens zwei Einlasskanäle mit jeweils einem Einlassventil eingeleitet wird, wobei zur Erzeugung einer Drallströmung in der zugeführten Verbrennungsluft wahlweise wenigstens ein zweiter Einlasskanal der Einlasskanäle wenigstens eines Arbeitszylinders mittels einer Drallklappe verschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines Arbeitszyklus das Einlassventil des zweiten Einlasskanals mit Drallklappe später geschlossen wird als das Einlassventil des anderen Einlasskanals ohne Drallklappe.Method for operating an internal combustion engine, in particular a diesel engine, in particular a motor vehicle, combustion air is introduced into at least one working cylinder of the internal combustion engine via at least two inlet channels, each with an inlet valve, wherein at least one second inlet channel of the inlet channels for generating a swirl flow in the supplied combustion air optionally at least one Working cylinder is closed by means of a swirl flap, characterized in that within a work cycle, the inlet valve of the second inlet channel with swirl flap is closed later than the inlet valve of the other inlet channel without swirl flap. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Kennfeldbereich der Brennkraftmaschine mit Drehzahlen, die niedriger als ein vorbestimmter Drehzahlwert sind, und niedriger Last, die niedriger als ein vorbestimmter Lastwert ist, die Drallklappe geschlossen wird und in einem zweiten Kennfeldbereich der Brennkraftmaschine außerhalb des ersten Kennfeldbereiches die Drallklappe geöffnet wird.Method according to claim 1, characterized in that that in a first map range of the internal combustion engine with Speeds lower than a predetermined speed value, and lower load lower than a predetermined load value is, the swirl flap is closed and in a second map area the internal combustion engine outside of the first map area, the swirl flap is opened. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Drehzahlwert 2.500 U/min bis 3.500 U/min, insbesondere 3.000 U/min, ist.Method according to claim 2, characterized in that that the predetermined speed value is 2,500 rpm to 3,500 rpm, especially 3,000 rpm, is. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Lastwert 45% bis 55% der maximalen Last der Brennkraftmaschine, insbesondere 50% der maximalen Last der Brennkraftmaschine, ist.Method according to claim 2 or 3, characterized the predetermined load value is 45% to 55% of the maximum load of the Internal combustion engine, in particular 50% of the maximum load of the internal combustion engine, is.
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