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DE10354428A1 - Management system for IC engine especially during cold starting has the opening time of the inlet valve reduced and with retarded timing - Google Patents

Management system for IC engine especially during cold starting has the opening time of the inlet valve reduced and with retarded timing Download PDF

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DE10354428A1
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Robert Dr. Pivec
Peter Staub
Klaus Maria Schaffer
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Abstract

A management system for an IC engine, e.g. during cold starting, has the open time of the inlet valve reduced and the timing retarded while at the same time reducing the lift amplitude of the valve. This provides a more rapid warm up sequence with a rapid warming of the catalyser. When the preset temperature is reached the control system increases the open time of the inlet valve, advances the timing and increases the lift amplitude of the inlet valve.

Description

Verfahren zum Betrieb einer gemischverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschine mit den, in dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen.method for operating a mixture-compressing, self-igniting internal combustion engine with the, in the preamble of claim 1 mentioned features.

Zum technischen Umfeld von Einrichtungen zur Veränderung der relativen Phasenlage zwischen der Kurbelwelle und einem Gaswechsel-Einlassventil, wird beispielsweise auf die deutsche Patentschrift Nr.: 703 586 hingewiesen. In dieser ist eine gattungsgemäße hydraulische Stelleinrichtung beschrieben, mit der es möglich ist, durch die Phasenverschiebung den Ladungswechsel derart zu beeinflussen, dass die Brennkraftmaschine stets optimal betrieben werden kann. Im vorliegenden Fall handelt es sich beispielsweise um die Anpassung des Ladungswechsels an eine variierende Flughöhe eines Flugzeuges. Mit derartigen Nockenwellenverstellsystemen können heute ferner Abgasemissionswerte für gemischverdichtende, fremdgezündete Brennkraftmaschinen erzielt werden, die auch strengen gesetzliche Anforderungen genügen. Dies ist möglich, da gemischverdichtende, fremdgezündete Brennkraftmaschinen, insbesondere Otto-Brennkraftmaschinen, sog. quantitätsgesteuerte Brennkraftmaschinen sind. Dies bedeutet, dass dem Brennraum der Brennkraftmaschine stets ein stöchiometrisches Kraftstoff-Luft-Verhältnis zugeführt wird (äußere Gemischbildung) und somit Leistung und Drehzahl über die dem Brennraum zugeführte Kraftstoff-Luft-Gemischmenge verändert wird. Die Phasenverschiebung der Nockenwelle dient der Beeinflussung der Ladungsbewegung, bzw. zur Steuerung einer internen Abgasrückführung, wodurch eine emissionsarme Verbrennung erzielt wird.To the technical environment of equipment for changing the relative phase angle between the crankshaft and a gas exchange inlet valve For example, the German Patent No .: 703 586 pointed. In this is a generic hydraulic Control device described with which it is possible by the phase shift the To change charge change such that the internal combustion engine always be optimally operated. In the present case acts For example, it is the adaptation of the charge exchange to a varying altitude of an airplane. With such Nockenwellenverstellsystemen today furthermore exhaust emission values for mixture-compacting, spark-ignited Internal combustion engines are achieved, which are also strict legal Requirements met. This is possible, there mixture-compacting, externally ignited Internal combustion engines, in particular Otto internal combustion engines, so-called. quantity-controlled Internal combustion engines are. This means that the combustion chamber of the Internal combustion engine always a stoichiometric Air-fuel ratio supplied becomes (outer mixture formation) and thus power and speed over which fed to the combustion chamber Fuel-air mixture quantity is changed. The phase shift of the camshaft serves to influence the Charge movement, or to control an internal exhaust gas recirculation, whereby a low-emission combustion is achieved.

Eine weitere Möglichkeit, den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemission von gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen zu verbessern ist in der deutschen Offenlegungsschrift DE 101 23 186 A1 beschrieben. In dieser ist ein Ventiltrieb vorgestellt, mit dem es möglich ist, Leistung und Drehzahl der Brennkraftmaschine über den Ventilhub zu regeln. In diesem Fall übernehmen die Einlassventile die Funktion der Drosselklappe, wodurch Drosselverluste vermieden werden und somit der Kraftstoffverbrauch reduziert wird. Aufgrund der verbesserten Gemischaufbereitung bei kleinen Ventilhüben wird darüber hinaus die Verbrennung verbessert und die Schadstoffemissionen reduziert. Der Einsatz einer derartigen hubvariablen Ventiltriebsvorrichtung wird jedoch bis heute nur für quantitätsgesteuerte Brennkraftmaschinen verwendet, da gemischverdichtende, selbstzündende Brennkraftmaschinen sog. qualitätsgesteuerte Brennkraftmaschinen sind. Diese Steuerung zeichnet sich dadurch aus, dass nur Luft, weitgehend ungedrosselt, durch den Ventilspalt angesaugt und anschließend hoch verdichtet wird. Der aktuell benötigte Brennstoff wird anschließend mit Hochdruck in den Brennraum eingespritzt (innere Gemischbildung), während die Verdichtung des Gases fortschreitet. Somit bestimmt die eingespritzte Brennstoffmenge Leistung und Drehzahl der Brennkraftmaschine. Dies heißt, dass die Brennkraftmaschine bis in den Bereich der Volllast mit einem Luftüberschuss arbeitet.Another way to improve fuel consumption and pollutant emissions of mixture-compression, spark-ignition internal combustion engines is in the German patent application DE 101 23 186 A1 described. In this a valve train is presented, with which it is possible to regulate the power and speed of the internal combustion engine over the valve lift. In this case, the intake valves take over the function of the throttle valve, whereby throttle losses are avoided and thus the fuel consumption is reduced. In addition, the improved mixture preparation with small valve strokes improves combustion and reduces pollutant emissions. However, the use of such a variable-stroke valve drive device is still used today only for quantity-controlled internal combustion engines, since mixture-compressing, self-igniting internal combustion engines are so-called quality-controlled internal combustion engines. This control is characterized by the fact that only air, largely unthrottled, sucked through the valve gap and then highly compressed. The currently required fuel is then injected at high pressure into the combustion chamber (internal mixture formation), as the compression of the gas progresses. Thus, the injected amount of fuel determines the power and speed of the internal combustion engine. This means that the internal combustion engine operates with an excess of air up to the area of full load.

Bei einer gemischverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschine, ist somit der Einsatz einer Einrichtung zur Veränderung der relativen Phasenlage zwischen Kurbelwelle und Gaswechsel-Einlassventil, oder eines hubvariablen Ventiltriebs nach bisheriger allgemeiner Ansicht nicht sinnvoll, da sie wie oben beschrieben ungedrosselt betrieben wird. Die genannten Einrichtungen würden diesen optimalen Betrieb durch Verschlechterung des Ladungswechsels, d. h. durch Reduzierung des maximalen Füllgrades und somit einer Verringerung der Leistung negativ beeinflussen.at a mixture-compression, self-igniting internal combustion engine, is thus the use of a device for changing the relative phase position between crankshaft and gas exchange intake valve, or a variable stroke Valve drive according to the previous general opinion does not make sense because it is operated as described above unthrottled. The mentioned Facilities would this optimal operation due to deterioration of the charge cycle, d. H. by reducing the maximum filling level and thus a reduction negatively impact performance.

Allerdings erzeugen gemischverdichtende, selbstzündende Brennkraftmaschinen nach einem Kaltstart das sog. „Dieselnageln". Dies kommt u.a. daher, dass in der Anfangsphase nach einem Kaltstart lange Zündverzüge, d.h. infolge instabiler Verbrennung unterschiedliche Zylinderdruckverläufe auftreten. Zudem emittiert die Brennkraftmaschine aufgrund dieser verschleppten Verbrennung während der Warmlaufphase eine überproportionale große Schadstoffmenge, insbesondere HC und CO Emissionen.Indeed produce mixture-compressing, self-igniting internal combustion engines after a cold start, the so-called "diesel nail". in the initial phase after a cold start, long ignition delays, i. as a result of unstable combustion different cylinder pressure curves occur. In addition, the internal combustion engine emits due to this delayed Burning during the warm-up phase a disproportionate size Amount of pollutants, in particular HC and CO emissions.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Brennverlauf einer gattungsgemäßen Brennkraftmaschine bei nicht betriebswarmen Motor – insbesondere beim und nach einem Kaltstart – und in weiterer Folge die HC und CO Emissionen zu reduzieren.task The present invention is the burning process of a generic internal combustion engine at not operating warm engine - in particular during and after a cold start - and subsequently to reduce the HC and CO emissions.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.These The object is achieved by the features in the characterizing part of the claim 1 solved.

Durch das Verkürzen der Öffnungsdauer des Gaswechsel-Einlassventils und das Verschieben der Phasenlage zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle derart, dass das Gaswechsel-Einlassventil später öffnet, saugt die Brennkraftmaschine bei nicht betriebswarmen Motor – insbesondere bei und nach einem Kaltstart – weniger Luft an. Somit ist es möglich, die Zündbedingungen im Brennraum zu verbessern und den Zündverzug zu reduzieren. In weiterer Folge werden auch die HC und CO Emissionen deutlich gesenkt und die Dauer bis zum Erreichen der Katalysatoranspringtemperatur verkürzt. Aufgrund der Verkürzung der verstrichenen Zeit nach einem Kaltstart bis zum Anspringen des Katalysators, entfaltet dieser wiederum früher seine katalytische Wirkung und die Abgase werden ebenfalls in vorteilhafter Weise früher von Schadstoffen gereinigt. Sowohl alternativ zu dem genannten Verfahren, als auch als zusätzliche Maßnahme kann der Ventilhub reduziert werden. Hierdurch werden die gleichen positiven Effekte erzielt, bzw. die positiven Effekte zusätzlich verstärkt.By shortening the opening period of the gas exchange intake valve and shifting the phase position between the camshaft and crankshaft so that the gas exchange intake valve opens later, the internal combustion engine sucks in non-warm engine - especially during and after a cold start - less air. Thus, it is possible to improve the ignition conditions in the combustion chamber and to reduce the ignition delay. Subsequently, the HC and CO emissions are significantly reduced and the duration shortened until reaching the Katalysatoranspringtemperatur. Due to the shortening of the elapsed time after a cold start until to start the catalyst, this unfolds in turn earlier its catalytic effect and the exhaust gases are also cleaned in an advantageous manner earlier of pollutants. Both as an alternative to the mentioned method, as well as an additional measure, the valve lift can be reduced. As a result, the same positive effects are achieved, or the positive effects additionally reinforced.

Sobald die Brennkraftmaschine nach einem Kaltstart unter Anwendung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens ihre definierte Betriebstemperatur erreicht hat, wird die Öffnungsdauer des Gaswechsel-Einlassventils gem. Patentanspruch 2 wieder verlängert und die relative Phasenlage zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle wieder derart verschoben, dass das Gaswechsel-Einlassventil früher öffnet und somit wieder der beste Füllgrad für den Brennraum eingestellt ist. Wurde der Ventilhub entweder als zusätzliche Maßnahme oder ausschließlich zum Erreichen der vorteilhaften Effekte reduziert, wird auch dieser wieder auf größtmöglichen Ventilhub eingestellt, um wie bereits erwähnt, den besten Füllgrad für den Brennraum und somit die maximale Leistung zu erhalten.As soon as the internal combustion engine after a cold start using the operating method according to the invention has reached its defined operating temperature, the opening duration the gas exchange inlet valve acc. Claim 2 extended again and the relative phase position between the camshaft and crankshaft again shifted so that the gas exchange inlet valve opens earlier and thus again the best degree of filling for the Combustion chamber is set. Was the valve lift either as an additional measure or exclusively Reduces to achieve the beneficial effects, this is also back to the highest possible Valve stroke adjusted, as already mentioned, the best degree of filling for the combustion chamber and thus get the maximum performance.

Im Folgenden ist die positive Auswirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die Druckverläufe in einem Brennraum einer gemischverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschine nach einem Kaltstart in zwei Figuren mit je einem Diagramm näher erläutert.in the The following is the positive effect of the method according to the invention on the pressure gradients in a combustion chamber of a mixture-compressing, self-igniting Internal combustion engine after a cold start in two figures with one each Diagram closer explained.

1 zeigt Druckverläufe bei einem konventionellen Betriebsverfahren 1 shows pressure curves in a conventional operating method

2 zeigt Druckverläufe bei einem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren 2 shows pressure curves in an operating method according to the invention

Das Diagramm in 1 zeigt die gemessenen Druckverläufe 1 von 50 Selbstzündungen in einem Brennraum einer gattungsgemäßen Brennkraftmaschine nach einem Kaltstart bei –10 °C, sowie einen über 50 Zyklen gemittelten Druckverlauf 2. An der Y-Achse ist der Zylinderinnendruck (Brennraum), über die X-Achse ist der Kurbelwinkel des zu dem Brennraum gehörenden Kolbens aufgetragen. Der Zylinderinnendruck ist skaliert von 0 bis 70 bar, der Kurbelwinkel ist skaliert von –90 bis +90 °KW vor und nach dem oberen Totpunkt des Kolbens. Deutlich erkennbar ist eine Anzahl von Druckverläufen, die nach dem Kaltstart zeitverzögert ihr Maximum erreichen, d.h. es treten unterschiedlich lange Zündverzüge auf. Dies führt zudem zu deutlich erhöhten HC und CO Emissionen und zu einem unrunden Motorlauf.The diagram in 1 shows the measured pressure curves 1 of 50 autoignition in a combustion chamber of a generic internal combustion engine after a cold start at -10 ° C, and averaged over 50 cycles pressure curve 2. On the Y-axis is the cylinder internal pressure (combustion chamber), over the X-axis the crank angle of the piston belonging to the combustion chamber is plotted. The in-cylinder pressure is scaled from 0 to 70 bar, the crank angle is scaled from -90 to +90 ° CA before and after top dead center of the piston. Clearly recognizable is a number of pressure gradients, which reach their maximum after the cold start time-delayed, ie there are different lengths of ignition distortions. This also leads to significantly increased HC and CO emissions and to a non-circular engine running.

In 2 ist das gleiche Diagramm nochmals dargestellt, jedoch mit 50 Druckverläufen 1 von einer erfindungsgemäß betriebenen Brennkraftmaschine, ebenfalls nach einem Kaltstart bei einer Temperatur von –10 °C, sowie ein über 50 Zyklen gemittelte Druckverlauf 2. Deutlich erkennbar sind die wesentlich geringeren Abweichungen der Druckverläufe untereinander. Daraus ergibt sich eine deutlich verbesserte Laufruhe, d. h. auch weniger „Nageln", sowie deutlich geringere HC und CO Emissionen. Dieser Brennkraftmaschinenbetrieb wird nach einem Kaltstart beibehalten, bis die Brennkraftmaschine eine definierte Betriebstemperatur erreicht hat. Diese kann je nach Auslegung der Brennkraftmaschine zwischen –5° C und + 20° C liegen. Im Falle einer speziellen Auslegung kann die definierte Temperatur auch außerhalb dieser Grenzen liegen.In 2 is the same diagram shown again, but with 50 pressure curves 1 of an internal combustion engine operated according to the invention, also after a cold start at a temperature of -10 ° C, and averaged over 50 cycles pressure curve 2. Clearly visible are the much smaller deviations of the pressure profiles among themselves , This results in a significantly improved smoothness, ie less "nailing", and significantly lower HC and CO emissions.This internal combustion engine operation is maintained after a cold start until the internal combustion engine has reached a defined operating temperature, depending on the design of the internal combustion engine between -5 ° C and + 20 ° C. In the case of a special design, the defined temperature can also be outside these limits.

Die Einrichtung zur Veränderung der relativen Phasenlage zwischen der Kurbelwelle und dem Gaswechsel-Einlassventil kann beispielweise hydraulisch erfolgen, jedoch sind auch andere Wirkprinzipien, wie elektrische oder mechanische Stellantriebe denkbar. Die Verkürzung der Öffnungsdauer des Gaswechsel-Einlassventils kann beispielweise durch eine Verringerung der Hubhöhe des Gaswechsel-Einlassventils erfolgen und/oder mit schaltbaren Ventiltassen oder Schaltnocken. Eine weitere Möglichkeit besteht auch in dem Einsatz von vollvariablen (hub- und zeitvariablen) Ventiltrieben, wie z.B. elektromechanischen Ventiltrieben. Ferner kann die Verkürzung der Öffnungsdauer des Gaswechsel-Einlassventils gleichzeitig oder zeitlich getrennt von der Veränderung der relativen Phasenlage zwischen der Kurbelwelle und dem Gaswechsel-Einlassventil durchgeführt werden.The Institution for change the relative phase angle between the crankshaft and the gas exchange inlet valve can be done hydraulically, for example, but there are others Operating principles, such as electrical or mechanical actuators conceivable. The shortening the opening duration the gas exchange inlet valve For example, by reducing the lift height of the gas exchange inlet valve carried out and / or with switchable valve cups or cam. One more way also exists in the use of full variables (stroke and time variables) Valve drives, such as electromechanical valve trains. Further can the shortening the opening duration the gas exchange inlet valve simultaneously or temporally separated from the change in the relative phase position be performed between the crankshaft and the gas exchange inlet valve.

Claims (2)

Verfahren zum Betrieb einer gemischverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschine mit zumindest einem Gaswechsel-Einlassventil, das synchron zu einer Kurbelwelle betätigbar ist, sowie einer Einrichtung zur Veränderung einer relativen Phasenlage zwischen der Kurbelwelle und dem Gaswechsel-Einlassventil und einer Einrichtung zur Veränderung der Öffnungsdauer des Gaswechsel-Einlassventils, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte bis zu einem Überschreiten einer definierten Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine: • Verkürzen der Öffnungsdauer des Gaswechsel-Einlassventils und • Verschieben der Phasenlage zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle derart, dass das Gaswechsel-Einlassventil später öffnet und/oder • Reduzieren einer Hubhöhe des Gaswechsel-Einlassventils.Method for operating a mixture-compacting, self-igniting Internal combustion engine with at least one gas exchange inlet valve, which is operable in synchronism with a crankshaft and a device to change a relative phase angle between the crankshaft and the gas exchange intake valve and a facility for change the opening duration the gas exchange inlet valve, characterized by the following method steps up to a crossing a defined operating temperature of the internal combustion engine: • Shortening the opening time the gas exchange inlet valve and • shifting the phase position between the camshaft and the crankshaft such that the gas exchange intake valve later opens and / or • To reduce a lifting height the gas exchange inlet valve. Verfahren nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte ab einem Überschreiten der definierten Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine: • Verlängern der Öffnungsdauer des Gaswechsel-Einlassventils und • Verschieben der Phasenlage zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle derart, dass das Gaswechsel-Einlassventil früher öffnet und/oder • Vergrößern der Hubhöhe des Gaswechsel-Einlassventils.Method according to claim 1, characterized by the following method steps starting from an exceeding of the defined operating temperature of the internal combustion engine: • Extending the opening time of the gas exchange intake valve and • Shifting the phase position between the camshaft and the crankshaft such that the gas exchange intake valve opens earlier and / or • Increasing the lift height of the gas exchange intake valve.
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