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DE102010051832B4 - Method for operating a reciprocating internal combustion engine with a swirl combustion process - Google Patents

Method for operating a reciprocating internal combustion engine with a swirl combustion process Download PDF

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DE102010051832B4
DE102010051832B4 DE102010051832.8A DE102010051832A DE102010051832B4 DE 102010051832 B4 DE102010051832 B4 DE 102010051832B4 DE 102010051832 A DE102010051832 A DE 102010051832A DE 102010051832 B4 DE102010051832 B4 DE 102010051832B4
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combustion engine
intake
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Christian Heimermann
Arndt Seidel
Marcel Wiegel
Dr. Groenendijk Axel
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Volkswagen AG
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Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Hubkolben-Brennkraftmaschine, wobei Verbrennungsluft in einem Ansaugtakt in mindestens einen Arbeitszylinder über mindestens ein erstes Einlassventil eingeleitet wird, wobei das mindestens eine erste Einlassventil mit einer vorbestimmten ersten Ventilhubkurve betätigt wird, welche bezüglich einer zeitlichen Relation zu einem Kurbelwinkel der Brennkraftmaschine konstant gehalten wird, wobei die Zylinderladung über das erste Einlassventil derart eingeleitet wird, dass die Zylinderladung in dem Arbeitszylinder eine Drallbewegung ausführt, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderladung in den mindestens einen Arbeitszylinder zusätzlich über mindestens ein zweites Einlassventil mit durch Phasing bezüglich des Kurbelwinkels der Brennkraftmaschine variabler zweiter Ventilhubkurve eingeleitet wird.Method for operating a reciprocating internal combustion engine, wherein combustion air is introduced into at least one working cylinder via at least one first intake valve in an intake stroke, wherein the at least one first intake valve is actuated with a predetermined first valve lift curve, which is constant in relation to a time relation to a crank angle of the internal combustion engine is maintained, with the cylinder charge being introduced via the first intake valve in such a way that the cylinder charge in the working cylinder executes a twisting motion, characterized in that the cylinder charge in the at least one working cylinder is additionally fed into the at least one working cylinder via at least one second intake valve with variable phasing with respect to the crank angle of the internal combustion engine second valve lift curve is initiated.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hubkolben-Brennkraftmaschine, insbesondere eines Ottomotors, wobei Verbrennungsluft in einem Ansaugtakt in mindestens einen Arbeitszylinder über mindestens ein erstes Einlassventil eingeleitet wird, wobei das mindestens eine erste Einlassventil mit einer vorbestimmten ersten Ventilhubkurve betätigt wird, welche bezüglich einer zeitlichen Relation zu einem Kurbelwinkel der Brennkraftmaschine konstant gehalten wird, wobei die Zylinderladung über das erste Einlassventil derart eingeleitet wird, dass die Zylinderladung in dem Arbeitszylinder eine Drallbewegung ausführt, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a method for operating a reciprocating internal combustion engine, in particular a spark-ignition engine, wherein combustion air is introduced into at least one working cylinder via at least one first intake valve in an intake stroke, wherein the at least one first intake valve is actuated with a predetermined first valve lift curve, which is relative to a temporal relation to a crank angle of the internal combustion engine is kept constant, the cylinder charge being introduced via the first inlet valve in such a way that the cylinder charge executes a twisting movement in the working cylinder, according to the preamble of patent claim 1.

Aus Hadler, Jens: „Minimaler Verbrauch - Maximale Kraft; TST-Technik im neuen 1,21 Motor von Volkswagen“, Band 1 und 2. Wien: VDI-Verlag, 2009 (VDI-Fortschritt-Berichte, Reihe 12, Nr. 697). - ISBN 978-3-18-369712-0, Seiten 92 bis 116 ist es bekannt, einen Ottomotor mit einer Drallbewegung der Zylinderladung (Drall-Brennverfahren) zu betreiben.From Hadler, Jens: "Minimal consumption - maximum power; TST technology in the new 1.21 engine from Volkswagen”, Volumes 1 and 2. Vienna: VDI-Verlag, 2009 (VDI Progress Reports, Series 12, No. 697). - ISBN 978-3-18-369712-0, pages 92 to 116, it is known to operate an Otto engine with a swirling movement of the cylinder charge (swirling combustion process).

Aus der DE 103 12 961 B3 ist eine Vorrichtung zur variablen Betätigung von Gaswechselventilen von Verbrennungsmotoren bekannt. Hierbei wird eine Ventilhubkurve dadurch beeinflusst, dass eine Lage einer Drehachse eines Zwischengliedes zwischen einem Nocken und einem Abtriebsglied verändert wird.From the DE 103 12 961 B3 a device for the variable actuation of gas exchange valves of internal combustion engines is known. In this case, a valve lift curve is influenced in that a position of an axis of rotation of an intermediate member between a cam and a driven member is changed.

Aus der DE 198 25 308 A1 ist ein variabler Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine bekannt, wobei bei konstantem Öffnungswinkel variable Ventilhübe eingestellt werden. Zum Darstellen von variablen Ventilöffnungswinkeln bei besonders kleinen Ventilhüben wird eine mit einer Nockenwellen-Drehachse parallele Kippachse eines Kipphebels relativ zu einer Nockenwelle längs einer Bahn dynamisch verlagert.From the DE 198 25 308 A1 a variable valve drive for an internal combustion engine is known, with variable valve lifts being set at a constant opening angle. In order to produce variable valve opening angles with particularly small valve lifts, a tilting axis of a rocker arm parallel to a camshaft axis of rotation is dynamically displaced along a path relative to a camshaft.

Die DE 10 2010 007 023 A1 offenbart eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, in dem ein Brennraum zwischen einem Kolben und einem Zylinderkopf begrenzt ist, und mindestens einem Einlasskanal, über den dem Brennraum Verbrennungsluft zugeführt wird, wobei in dem Brennraum ein erstes und ein zweites Einlassventil vorgesehen sind, die mittels einer Ventilsteuereinrichtung derart betätigt werden, dass zur Bildung einer Drallströmung im Brennraum beim ersten Einlassventil ein unterschiedlicher Ventilhub als beim zweiten Einlassventil einstellbar ist, wobei einem Teillastbereich der Brennkraftmaschine bei dem ersten Einlassventil ein erster Ventilhub und bei dem zweiten Einlassventil ein Null-Hub einstellbar ist, und wobei in einem höheren Lastbereich der Brennkraftmaschine bei dem ersten Einlassventil der erste Ventilhub vom Teillast-Betriebspunkt beibehalten wird, wobei bei dem zweiten Einlassventil ein zweiter Ventilhub einstellbar ist.the DE 10 2010 007 023 A1 discloses an internal combustion engine with at least one cylinder, in which a combustion chamber is delimited between a piston and a cylinder head, and at least one inlet channel, via which combustion air is supplied to the combustion chamber, with a first and a second inlet valve being provided in the combustion chamber, which are The valve control device can be actuated in such a way that, in order to form a swirl flow in the combustion chamber, a different valve lift can be set for the first inlet valve than for the second inlet valve, with a first valve lift being settable for the first inlet valve and a zero lift for the second inlet valve in a part-load range of the internal combustion engine, and wherein in a higher load range of the internal combustion engine the first valve lift from the part-load operating point is maintained for the first intake valve, wherein a second valve lift can be set for the second intake valve.

Die DE 101 57 659 B4 beschreibt ein Verfahren zur Erzeugung einer Turbulenz in einem Luft-Kraftstoffgemisch in der Brennkammer eines Mehrventilmotors, wobei der Motor wenigstens ein erstes und ein zweites Einlassventil aufweist, die jeweils unabhängig voneinander von einem Stellglied betätigt werden.the DE 101 57 659 B4 describes a method for creating turbulence in an air-fuel mixture in the combustion chamber of a multi-valve engine, the engine having at least first and second intake valves, each independently actuated by an actuator.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Maßnahme zur Reduktion eines Kraftstoffverbrauchs für ein ottomotorisches oder dieselmotorisches Brennverfahren mit gutem Kosten/Nutzenverhältnis zur Verfügung zu stellen.The invention is based on the object of providing a measure for reducing fuel consumption for a gasoline engine or diesel engine combustion process with a good cost/benefit ratio.

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.According to the invention, this object is achieved by a method of the above-mentioned type with the features characterized in claim 1. Advantageous configurations of the invention are described in the further claims.

Dazu ist es bei einem Verfahren der o.g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Zylinderladung in mindestens einem Arbeitszylinder zusätzlich über mindestens ein zweites Einlassventil mit bezüglich des Kurbelwinkels der Brennkraftmaschine variabler zweiter Ventilhubkurve eingeleitet wird.For this purpose, in a method of the above-mentioned type, the invention provides that the cylinder charge is additionally introduced into at least one working cylinder via at least one second intake valve with a second valve lift curve that is variable with respect to the crank angle of the internal combustion engine.

Dies hat den Vorteil, dass durch entsprechendes „Phasing“ des zweiten Einlassventils eine Reduzierung der Luftmasse ohne Anhebung von Ladungswechselverlusten bei einem Drall-Brennverfahren erzielt wird, wobei gleichzeitig eine Unterexpansion im Ansaugtakt wirksam vermieden ist. In überraschender Weise ergibt sich dadurch eine Erhöhung der Drallbewegung mit entsprechend positiver Beeinflussung der Stabilität des Brennverlaufes und der Homogenisierung der Zylinderladung.This has the advantage that through appropriate "phasing" of the second intake valve, a reduction in the air mass is achieved without increasing gas exchange losses in a swirl combustion process, while at the same time underexpansion in the intake stroke is effectively avoided. Surprisingly, this results in an increase in the swirl movement with a correspondingly positive influence on the stability of the combustion process and the homogenization of the cylinder charge.

Eine mechanisch besonders einfach und kostengünstig ausgestaltete variable Ventilverstellung (VVT) erzielt man dadurch, dass die zweite Ventilhubkurve des zweiten Einlassventils in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine konstant gehalten und bezüglich des Kurbelwinkels zeitlich verschoben wird.A mechanically particularly simple and inexpensive variable valve adjustment (VVT) is achieved by keeping the second valve lift curve of the second intake valve constant depending on an operating state of the internal combustion engine and shifting it in time with respect to the crank angle.

Eine hohe Flexibilität der Einstellung und eine an unterschiedlichste Betriebsbedingungen besonders genau anpassbare variable Ventilverstellung (VVT) erzielt man dadurch, dass ein Zeitpunkt für ein Öffnen des zweiten Einlassventils, ein Zeitpunkt für ein Schließen des zweiten Einlassventils und/oder ein Zeitpunkt für einen maximalen Öffnungshub des zweiten Einlassventils relativ zum Kurbelwinkel in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine verändert wird.A high degree of adjustment flexibility and a variable valve adjustment (VVT) that can be adapted particularly precisely to a wide variety of operating conditions is achieved in that a point in time for opening the second intake valve, a point in time for closing the second intake valve and/or a point in time for a maximum opening stroke of the second intake valve relative to Crank angle is changed depending on an operating state of the internal combustion engine.

Eine weitere Verbesserung der Flexibilität der Einstellung erzielt man dadurch, dass ein maximaler Öffnungshub des zweiten Einlassventils in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine verändert wird.A further improvement in the flexibility of the setting is achieved in that a maximum opening lift of the second intake valve is changed as a function of an operating state of the internal combustion engine.

Eine besonders gute Einstellbarkeit der Hochdruck- und Ladungswechselprozesse in Abhängigkeit von einer Drehzahl und einer Last der Brennkraftmaschine wird dadurch erzielt, dass Abgas in einem Ausschubtakt aus mindestens einem Arbeitszylinder über mindestens ein erstes Auslassventil abgeleitet wird, wobei das mindestens eine erste Auslassventil mit einer vorbestimmten dritten Ventilhubkurve betätigt wird, welche bezüglich einer zeitlichen Relation zu dem Kurbelwinkel der Brennkraftmaschine konstant gehalten wird, wobei das Abgas aus mindestens einem Arbeitszylinder zusätzlich über mindestens ein zweites Auslassventil mit bezüglich des Kurbelwinkels der Brennkraftmaschine variabler vierten Ventilhubkurve abgeleitet wird.A particularly good adjustability of the high-pressure and gas exchange processes depending on a speed and a load of the internal combustion engine is achieved in that exhaust gas is discharged in an exhaust stroke from at least one working cylinder via at least one first exhaust valve, the at least one first exhaust valve having a predetermined third Valve lift curve is actuated, which is kept constant with respect to a time relation to the crank angle of the internal combustion engine, the exhaust gas being derived from at least one working cylinder additionally via at least one second exhaust valve with a fourth valve lift curve that is variable with respect to the crank angle of the internal combustion engine.

Eine vereinfachte mechanische Ausbildung der Verstellung der Gaswechselventile erzielt man dadurch, dass das zweite Einlassventil und das zweite Auslassventil gemeinsam von einer Nockenwelle betätigt werden.A simplified mechanical configuration of the adjustment of the gas exchange valves is achieved in that the second inlet valve and the second outlet valve are actuated jointly by a camshaft.

Eine weitere Reduktion der Frischgasmasse und eine Erhöhung der Ladungstemperatur mit entsprechend verbesserten Zünd- und Verbrennungsbedingungen aufgrund eine Rücksaugung von heißem Restgas in den Brennraum des Arbeitszylinders erzielt man dadurch, dass die vierte Ventilhubkurve des zweiten Auslassventils und/oder ein Zeitpunkt für ein Schließen des Auslassventils derart relativ zum Kurbelwinkel verschoben wird, dass das zweite Auslassventil bis in einen Ansaugtakt eines Ladungswechselhubes hinein geöffnet bleibt.A further reduction in the fresh gas mass and an increase in the charge temperature with correspondingly improved ignition and combustion conditions due to hot residual gas being sucked back into the combustion chamber of the working cylinder is achieved in that the fourth valve lift curve of the second exhaust valve and/or a point in time for closing the exhaust valve in such a way is shifted relative to the crank angle so that the second exhaust valve remains open up to an intake stroke of a gas exchange stroke.

Eine weitere Verbesserung des Brennverfahrens durch eine zusätzliche Unterstützung einer Drallbewegung der Zylinderladung erzielt man dadurch, dass die Zylinderladung über das zweite Einlassventil derart eingeleitet wird, dass die Zylinderladung in dem Arbeitszylinder eine Drallbewegung ausführt.A further improvement in the combustion process through additional support for a swirling movement of the cylinder charge is achieved in that the cylinder charge is introduced via the second intake valve in such a way that the cylinder charge executes a swirling movement in the working cylinder.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen in

  • 1 eine schematische Darstellung einer ersten beispielhaften Ausführungsform einer Anordnung von Gaswechselventilen einer Hubkolben-Brennkraftmaschine zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • 2 eine schematische Darstellung einer zweiten beispielhaften Ausführungsform einer Anordnung von Gaswechselventilen einer Hubkolben-Brennkraftmaschine zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • 3 eine schematische Darstellung einer dritten beispielhaften Ausführungsform einer Anordnung von Gaswechselventilen einer Hubkolben-Brennkraftmaschine zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • 4 eine graphische Darstellung von Ventilhubkurven über einen Kurbelwinkel gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und
  • 5 eine graphische Darstellung der Drallzahl in Abhängigkeit von einem Kurbelwinkel bei einem bzgl. der Steuerzeiten zeitlich variablen Einlassventil mit Sitzdrallphase für verschiedene Phasenverschiebungen des zeitlich variabel angesteuerten Einlassventils.
The invention is explained in more detail below with reference to the drawings. These show in
  • 1 a schematic representation of a first exemplary embodiment of an arrangement of gas exchange valves of a reciprocating internal combustion engine for carrying out the method according to the invention,
  • 2 a schematic representation of a second exemplary embodiment of an arrangement of gas exchange valves of a reciprocating internal combustion engine for carrying out the method according to the invention,
  • 3 a schematic representation of a third exemplary embodiment of an arrangement of gas exchange valves of a reciprocating internal combustion engine for carrying out the method according to the invention,
  • 4 a graphical representation of valve lift curves over a crank angle according to a preferred embodiment of the method according to the invention and
  • 5 a graphical representation of the swirl number as a function of a crank angle in an intake valve that is variable in terms of control times with a seat swirl phase for different phase shifts of the intake valve that is controlled in a variable manner in terms of time.

Die 1 bis 3 zeigen schematisch jeweils einen Arbeitszylinder 10 mit einem ersten Einlassventil 12, einem zweiten Einlassventil 14, einem ersten Auslassventil 16 und einem zweiten Auslassventil 18. Die Einlassventile 12, 14 sind mit einem Einlasskanal 14 und die Auslassventile 16, 18 sind mit einem Auslasskanal 17 fluidleitend verbunden. Je ein Einlassnocken (nicht dargestellt) und ein Auslassnocken (nicht dargestellt) sind auf einer gemeinsamen, nicht dargestellten Nockenwelle angeordnet, so dass beispielsweise das erste Auslassventil 16 und das erste Einlassventil 12 von einer ersten Nockenwelle und das zweite Auslassventil 18 und das zweite Einlassventil 14 von einer zweiten Nockenwelle betätigt werden. Hierzu sind die Gaswechselventile 12, 14, 16 und 18 sternförmig als so genannter „Ventilstern“ angeordnet. Damit jeweils ein Einlass- und ein Auslassventil hintereinander zur Betätigung durch eine gemeinsame Nockenwelle angeordnet sind, ist der Ventilstern bezüglich einer Parallelen 20 zu einer Längsachse der Nockenwelle gedreht. 1 zeigt einen Ventilstern 90°, d.h. einen um 90° relativ zur Parallelen 20 gedrehten Ventilstern, 2 zeigt einen Ventilstern 60° und 3 zeigt einen Ventilstern 120°.the 1 until 3 each schematically show a working cylinder 10 with a first inlet valve 12, a second inlet valve 14, a first outlet valve 16 and a second outlet valve 18. The inlet valves 12, 14 are fluid-conductively connected to an inlet port 14 and the outlet valves 16, 18 are connected to an outlet port 17 . One intake cam (not shown) and one exhaust cam (not shown) are arranged on a common camshaft (not shown), so that, for example, the first exhaust valve 16 and the first intake valve 12 are controlled by a first camshaft and the second exhaust valve 18 and the second intake valve 14 operated by a second camshaft. For this purpose, the gas exchange valves 12, 14, 16 and 18 are arranged in a star shape as a so-called “valve star”. So that one inlet valve and one outlet valve are arranged one behind the other for actuation by a common camshaft, the valve star is rotated with respect to a parallel 20 to a longitudinal axis of the camshaft. 1 shows a valve star 90°, ie a valve star rotated by 90° relative to the parallel 20, 2 shows a valve star 60° and 3 shows a valve star 120°.

Über das erste Einlassventil 12 wird dem Arbeitszylinder 10 während eines Ansaugtaktes Frischluft derart zugeführt, dass sich eine Drallbewegung der Frischluft in dem Arbeitszylinder 10 ergibt. Bei einer Drallbewegung erfolgt eine Rotation der in den Arbeitszylinder 10 über den Einlasskanal 13 mit mindestens einem Einlassventil 12 eingeleiteten Frischluft, Zylinderladung bzw. Verbrennungsluft um eine Achse parallel zu einer Längsachse des Arbeitszylinders 10. Diese wäre in 1 bis 3 senkrecht zur Blattebene der Zeichnung ausgerichtet. Die erste Nockenwelle, welche jeweils das erste Einlassventil 12 und das erste Auslassventil 16 eines Arbeitszylinders 10 betätigt, ist bezüglich des Kurbelwinkels einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine fest, d.h. nicht verstellbar, ausgebildet. Die zweite Nockenwelle, welche jeweils das zweite Einlassventil 14 und das zweite Auslassventil 18 eines Arbeitszylinders betätigt, ist mit einem Nockenwellensteller versehen, so dass diese zweite Nockenwelle relativ zum Kurbelwinkel bzw. relativ zur ersten Nockenwelle verstellbar ist. Hierdurch kann eine im Verlauf ansonsten konstante, jeweilige Ventilhubkurve für das zweite Einlassventil 14 und das zweite Auslassventil 18 relativ zum Kurbelwinkel zeitlich verschoben werden.Fresh air is supplied to the working cylinder 10 via the first inlet valve 12 during an intake stroke in such a way that a twisting movement of the fresh air in the working cylinder 10 results. During a twisting movement, the fresh air, cylinder charge or combustion air introduced into the working cylinder 10 via the intake port 13 with at least one intake valve 12 rotates about an axis parallel to a longitudinal axis of the working cylinder 10. This would be in 1 until 3 aligned perpendicular to the plane of the drawing. The first camshaft, each of which is the first one Actuated outlet valve 12 and the first outlet valve 16 of a working cylinder 10 is fixed with respect to the crank angle of a crankshaft of the internal combustion engine, ie not adjustable. The second camshaft, which actuates the second intake valve 14 and the second exhaust valve 18 of a working cylinder, is provided with a camshaft adjuster so that this second camshaft can be adjusted relative to the crank angle or relative to the first camshaft. As a result, an otherwise constant, respective valve lift curve for second intake valve 14 and second exhaust valve 18 can be shifted in time relative to the crank angle.

4 veranschaulicht die Ventilhubkurven für die Gaswechselventile 12, 14, 16 und 18 in Abhängigkeit von einem Kurbelwinkel. Auf einer horizontalen Achse 22 ist der Kurbelwinkel in °KW und auf einer vertikalen Achse 24 ist ein Hub in mm aufgetragen. Ein Kurbelwinkel von 0°KW entspricht einem „Oberen Totpunkt“ (OT) des Hubkolbens im Ladungswechselhub zwischen einem Ausstoßtakt und einem Ansaugtakt. Mit 26 ist eine erste Ventilhubkurve des ersten Einlassventils 12 in Abhängigkeit von dem Kurbelwinkel 22 bezeichnet. Mit 28 ist eine Schar von zweiten Ventilhubkurven des zweiten Einlassventils 14 in Abhängigkeit von dem Kurbelwinkel 22 bezeichnet. Mit 30 ist eine dritte Ventilhubkurve des ersten Auslassventils 16 in Abhängigkeit von dem Kurbelwinkel 22 bezeichnet. Mit 32 ist eine Schar von vierten Ventilhubkurven des zweiten Auslassventils 18 in Abhängigkeit von dem Kurbelwinkel 22 bezeichnet. 4 illustrates the valve lift curves for the gas exchange valves 12, 14, 16 and 18 as a function of a crank angle. The crank angle in °KW is plotted on a horizontal axis 22 and a stroke in mm is plotted on a vertical axis 24 . A crank angle of 0°CA corresponds to a "top dead center" (TDC) of the reciprocating piston in the gas exchange stroke between an exhaust stroke and an intake stroke. A first valve lift curve of the first intake valve 12 as a function of the crank angle 22 is denoted by 26 . A family of second valve lift curves of the second intake valve 14 as a function of the crank angle 22 is denoted by 28 . A third valve lift curve of the first exhaust valve 16 as a function of the crank angle 22 is denoted by 30 . A family of fourth valve lift curves of the second exhaust valve 18 as a function of the crank angle 22 is denoted by 32 .

Wie unmittelbar aus 4 ersichtlich ist, sind die zweite und vierte Ventilhubkurve 28, 32 zeitlich bezüglich des Kurbelwinkels 22 mittels des Nockenwellenverstellers an der zweiten Nockenwelle verstellbar, wie mit Pfeilen 34 und 36 angedeutet.How immediate 4 As can be seen, the second and fourth valve lift curves 28, 32 can be adjusted in terms of time with respect to the crank angle 22 by means of the camshaft adjuster on the second camshaft, as indicated by arrows 34 and 36.

Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass bei Motoren bzw. Brennkraftmaschinen mit mindestens zwei Einlassventilen 12, 14 (EV) eines in der Phase verschiebbar angesteuert wird. Vorliegend ist dies das zweite Einlassventil 14. Hierdurch lässt sich bei Verstellbereichen bis max. 120°KW eine Reduzierung der Füllung erreichen, indem im Verdichtungstakt ein teilweises Ausschieben der zuvor angesaugten Füllung erfolgt. Wesentlich ist, dass mindestens ein erstes EV 12 in der zeitlichen Abfolge von Öffnen und Schließen nicht relativ zum Kurbelwinkel verschoben wird, so dass eine Unterexpansion im Ansaugtakt vermieden wird. Insgesamt wird eine Reduzierung der Luftmasse ohne Anhebung der Ladungswechselverluste erzielt. Hierzu wird die erste und dritte Ventilhubkurve 26, 30 bezüglich einer zeitlichen Relation zu dem Kurbelwinkel der Brennkraftmaschine konstant gehalten.According to the invention, it is provided that in engines or internal combustion engines with at least two intake valves 12, 14 (EV), one is controlled in a phase-shiftable manner. In the present case, this is the second inlet valve 14. In this way, a reduction in the charge can be achieved in adjustment ranges up to a maximum of 120° crank angle by the previously sucked-in charge being partially pushed out in the compression stroke. It is essential that at least a first EV 12 in the timing sequence of opening and closing is not shifted relative to the crank angle, so that under-expansion in the intake stroke is avoided. Overall, a reduction in the air mass is achieved without increasing gas exchange losses. For this purpose, the first and third valve lift curves 26, 30 are kept constant with respect to a time relation to the crank angle of the internal combustion engine.

Der Ausdruck „Ventilhubkurve, welche bezüglich einer zeitlichen Relation zu einem Kurbelwinkel der Brennkraftmaschine konstant gehalten wird‟für ein Gaswechselventil, insbesondere ein Einlassventil bzw. ein Auslassventil, bedeutet hier, dass ein jeweiliger Kurbelwinkel für den Zeitpunkt „Gaswechselventil öffnet“ und den Zeitpunkt „Gaswechselventil schließt“ sowie ein maximaler Öffnungshub und der Kurbelwinkel für den Zeitpunkt des maximalen Öffnungshubes des Gaswechselventils konstant gehalten wird.The expression "valve lift curve, which is kept constant with respect to a time relation to a crank angle of the internal combustion engine" for a gas exchange valve, in particular an intake valve or an exhaust valve, means here that a respective crank angle for the time "gas exchange valve opens" and the time "gas exchange valve closes” and a maximum opening stroke and the crank angle for the point in time of the maximum opening stroke of the gas exchange valve is kept constant.

Bei Motoren bzw. Brennkraftmaschinen mit mindestens zwei Auslassventilen 16, 18 (AV) wird eines in der Phase verschiebbar gestaltet. In dem dargestellten Beispiel ist dies das zweite Auslassventil 18. Die Grundsteuerzeiten dieses AV 18 sind derart ausgelegt, dass das Ereignis „Auslassventil öffnet“ (AÖ) gezielt beeinflusst wird. Ziel ist es, variabel über Drehzahl und Last das Optimum in Bezug auf Hochdruck- und Ladungswechselprozess einstellen zu können: je später AÖ, desto besser wird die Expansion genutzt. Ist AÖ jedoch zu spät, so steigen die Verluste in Form der Ausschiebearbeit. Das feste Auslassprofil (konstante dritte Ventilhubkurve des ersten Auslassventils 16) verhindert unbeabsichtigtes Restgasrückhalten, welches sich sonst beim „Phasing“ des zweiten Auslassventils 18 ergeben würde. Mit dem Begriff „Phasing des Gaswechselventils“ ist hier die zeitliche Verschiebung der Ventilhubkurve 28 bzw. 32 des jeweiligen Gaswechselventils 14, 18 relativ zum Kurbelwinkel bezeichnet.In engines or internal combustion engines with at least two exhaust valves 16, 18 (AV), one is designed to be shiftable in phase. In the example shown, this is the second exhaust valve 18. The basic control times of this AV 18 are designed in such a way that the event "exhaust valve opens" (AO) is specifically influenced. The aim is to be able to set the optimum in relation to the high-pressure and gas exchange process via variable speed and load: the later AÖ, the better the expansion is used. However, if AÖ is too late, the losses in the form of ejection work increase. The fixed exhaust profile (constant third valve lift curve of the first exhaust valve 16) prevents unintentional residual gas retention, which would otherwise result when the second exhaust valve 18 is "phased". The term "phasing of the gas exchange valve" refers here to the time shift of the valve lift curve 28 or 32 of the respective gas exchange valve 14, 18 relative to the crank angle.

In einer bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sind der variable Einlassnocken, welcher das zweite Einlassventil 14 betätigt, und der variable Auslassnocken, welcher das zweite Auslassventil 18 betätigt, auf einer gemeinsamen, „gemischten“ Nockenwelle angeordnet, nämlich der zweiten Nockenwelle mit dem Phasensteller. Entsprechend werden beide Gaswechselventile 14, 18 auch gemeinsam von dem einen Phasensteller synchron betätigt.In a preferred embodiment of the invention, the variable intake cam, which actuates the second intake valve 14, and the variable exhaust cam, which actuates the second exhaust valve 18, are arranged on a common, "mixed" camshaft, namely the second camshaft with the phaser. Correspondingly, both gas exchange valves 14, 18 are also jointly actuated synchronously by one phase adjuster.

Ein bevorzugter Ventilwinkel (rel. zu einer nicht dargestellten Zylinderachse) liegt im Bereich <10° und ist vorteilhaft in Bezug auf das Ein- /Ausströmen bei hintereinander liegenden Kanälen 13, 17. Insbesondere senkrechte Ventile sind vorteilhaft. Beispielsweise wird der Zylinderkopf eines Dieselmotors verwendet.A preferred valve angle (relative to a cylinder axis, not shown) is in the range of <10° and is advantageous with regard to the inflow/outflow in the case of channels 13, 17 lying one behind the other. Vertical valves are particularly advantageous. For example, the cylinder head of a diesel engine is used.

Es erfolgt beispielsweise eine gezielte Anhebung der Ladungsbewegung (Drall) durch das Phasing 34 des zweiten Einlassventils 14. In Kombination mit der drosselarmen Reduzierung der Luftmasse, wie oben beschrieben, ist dies ein wesentlicher Aspekt zur Erhöhung des Wirkungsgrades von Ottomotoren in niedrigen und mittleren Lasten. Bei dieser Koppelung eines Auslassereignisses mit einem Einlassereignis (gemischte zweite Nockenwelle mit Phasensteller) ist das entsprechende Auslassereignis entsprechend derart gestaltet, dass der Auslassschluss (AS) in Grundposition so früh liegt, dass bei maximalem Verstellbereich ein „normaler“ AS erreicht wird. Dies ist in 4 mit den gestrichelten vierten Ventilhubkurven 32 angedeutet.For example, the charge movement (swirl) is increased in a targeted manner by the phasing 34 of the second intake valve 14. In combination with the low-throttle reduction in the air mass, as described above, this is an essential aspect for increasing the efficiency of gasoline engines at low and medium loads. In this coupling of an outlet event with an intake event (mixed second camshaft with phase adjuster), the corresponding exhaust event is designed in such a way that the exhaust closing (AS) in the basic position is so early that a “normal” AS is achieved with the maximum adjustment range. this is in 4 indicated by the broken fourth valve lift curves 32 .

Alternativ oder zusätzlich wird der Verstellbereich für das zweite Einlassventil 14 (zweite Ventilhubkurven 28) und das zweite Auslassventil 18 (vierte Ventilhubkurven 32) vergrößert, was zu einer Überlappung des Auslassereignisses in den Ansaugtakt führt. Hierdurch ergibt sich ein Bereich 38 der Ventilüberschneidung und in diesem zusätzlichen Teil des Verstellbereiches wird heißes Restgas zurück in den Brennraum gesaugt. Dies erzielt eine weitere Reduzierung der Frischgasmasse und eine Erhöhung der Ladungstemperatur und damit Verbesserung der Zünd- bzw. Verbrennungsbedingungen. Nachteilig ist die Gefahr der Ventil-Kolbenkollision. Zur Vermeidung ist mindestens eine entsprechende Ventiltasche für dieses eine zweite Auslassventil 18 in den Hubkolben eingebracht. Die Tiefe der Ventiltasche im Zusammenhang mit der Gestaltung der Ablaufflanke des Verstell-Auslassnockens wird minimiert.Alternatively or additionally, the adjustment range for the second intake valve 14 (second valve lift curves 28) and the second exhaust valve 18 (fourth valve lift curves 32) is increased, which leads to an overlap of the exhaust event in the intake stroke. This results in a region 38 of valve overlap and in this additional part of the adjustment region, hot residual gas is sucked back into the combustion chamber. This achieves a further reduction in the fresh gas mass and an increase in the charge temperature, thereby improving the ignition and combustion conditions. A disadvantage is the risk of valve-piston collision. To avoid this, at least one corresponding valve pocket for this one second outlet valve 18 is introduced into the reciprocating piston. The depth of the valve pocket in connection with the design of the trailing edge of the variable exhaust cam is minimized.

Alternativ ist die Zwangskopplung zwischen Auslass- und Einlassvariabilität gemäß den Pfeilen 34, 36 (gemischte Nockenwelle mit Phasensteller) aufgehoben und durch eine oder zwei Cam-In-Cam-Verstellnockenwellen ersetzt. Hierdurch können die zweite Ventilkurve 28 und die vierte Ventilkurve 32 unabhängig voneinander relativ zum Kurbelwinkel 22 verstellt werden.Alternatively, the forced coupling between exhaust and intake variability according to arrows 34, 36 (mixed camshaft with phase adjuster) is eliminated and replaced by one or two cam-in-cam variable camshafts. As a result, the second valve cam 28 and the fourth valve cam 32 can be adjusted independently of one another relative to the crank angle 22 .

Optional wird zusätzlich auch über das zweite Einlassventil 14 dem Arbeitszylinder 10 während eines Ansaugtaktes Frischluft derart zugeführt, dass sich eine Drallbewegung der Frischluft in dem Arbeitszylinder 10 ergibt. Hierzu ist im Bereich des zweiten Einlassventils 14 eine Sitzdrallphase ausgebildet. Hierdurch wird auch der über das zweite Einlassventil einströmenden Frischluft bzw. Verbrennungsluft eine Drallbewegung aufgeprägt, welche die gesamte Drallbewegung der Zylinderladung unterstützt. Der Effekt dieser zusätzlichen Drallunterstützung durch das zweite Einlassventil 14 ist in 5 veranschaulicht. In 5 ist auf einer horizontalen Achse 40 ein Kurbelwinkel in °KW, auf einer vertikalen Achse 42 eine Drallzahl [dimensionslos] und auf einer weiteren vertikalen Achse 44 ein Hub des zweiten Einlassventils 14 aufgetragen. Graphen 46 veranschaulichen den Hub des zweiten Einlassventils über dem Kurbelwinkel 40.Optionally, fresh air is also supplied via the second inlet valve 14 to the working cylinder 10 during an intake stroke in such a way that a twisting movement of the fresh air in the working cylinder 10 results. For this purpose, a seat twist phase is formed in the area of the second intake valve 14 . As a result, the fresh air or combustion air flowing in via the second inlet valve is also imparted with a twisting motion, which supports the overall twisting motion of the cylinder charge. The effect of this additional swirl support by the second intake valve 14 is in 5 illustrated. In 5 a crank angle in °CA is plotted on a horizontal axis 40, a swirl number [dimensionless] on a vertical axis 42, and a lift of the second intake valve 14 on a further vertical axis 44. Graphs 46 illustrate second intake valve lift versus crank angle 40.

Ein erster Graph 48 veranschaulicht den Verlauf der Drallzahl 42 über dem Kurbelwinkel, wenn das zweite Einlassventil 14 bei einem Kurbelwinkel von 10°KW geöffnet wird, d.h. bei 0° Phasenverschiebung. Der erste Graph 48 ist mit kreisförmigen Stützstellen dargestellt. Ein Pfeil 50 veranschaulicht den Zeitpunkt der Öffnung des zweiten Einlassventils 14.A first graph 48 illustrates the course of the swirl number 42 over the crank angle when the second inlet valve 14 is opened at a crank angle of 10° CA, i.e. at a 0° phase shift. The first graph 48 is shown with circular support points. An arrow 50 illustrates the point in time at which the second intake valve 14 opens.

Ein zweiter Graph 52 veranschaulicht den Verlauf der Drallzahl 42 über dem Kurbelwinkel, wenn das zweite Einlassventil 14 bei einem Kurbelwinkel von 40°KW geöffnet wird, d.h. bei 30° Phasenverschiebung. Der zweite Graph 52 ist mit gestrichelter Linie dargestellt. Ein Pfeil 54 veranschaulicht den Zeitpunkt der Öffnung des zweiten Einlassventils 14.A second graph 52 illustrates the course of the swirl number 42 over the crank angle when the second inlet valve 14 is opened at a crank angle of 40° CA, i.e. at a 30° phase shift. The second graph 52 is shown with a dashed line. An arrow 54 illustrates the point in time at which the second intake valve 14 opens.

Ein dritter Graph 56 veranschaulicht den Verlauf der Drallzahl 42 über dem Kurbelwinkel, wenn das zweite Einlassventil 14 bei einem Kurbelwinkel von 60°KW geöffnet wird, d.h. bei 50° Phasenverschiebung. Der dritte Graph 56 ist mit quadratischen Stützstellen dargestellt. Ein Pfeil 58 veranschaulicht den Zeitpunkt der Öffnung des zweiten Einlassventils 14.A third graph 56 illustrates the course of the swirl number 42 over the crank angle when the second inlet valve 14 is opened at a crank angle of 60° CA, i.e. at a 50° phase shift. The third graph 56 is shown with square interpolation points. An arrow 58 illustrates the point in time at which the second intake valve 14 opens.

Wie aus 5 unmittelbar ersichtlich ist, wird mit zunehmender Phasenverschiebung für den Öffnungszeitpunkt des zweiten Einlassventils 14 der Drall der Zylinderladung zunehmend unterstützt und dadurch der Brennverlauf verbessert.How out 5 is immediately apparent, with increasing phase shift for the opening time of the second intake valve 14, the swirl of the cylinder charge is increasingly supported and the combustion process is improved as a result.

BezugszeichenlisteReference List

1010
Arbeitszylinderworking cylinder
1212
erstes Einlassventilfirst intake valve
1313
Einlasskanalinlet channel
1414
zweites Einlassventilsecond intake valve
1616
erstes Auslassventilfirst exhaust valve
1717
Auslasskanalexhaust port
1818
zweites Auslassventilsecond exhaust valve
2020
Längsachse der NockenwelleLongitudinal axis of the camshaft
2222
horizontale Achse: Kurbelwinkel in °KWhorizontal axis: crank angle in °CA
2424
vertikale Achse: Hub in mmvertical axis: stroke in mm
2626
erste Ventilhubkurve des ersten Einlassventils 12 in Abhängigkeit von dem Kurbelwinkel 22first valve lift curve of the first intake valve 12 as a function of the crank angle 22
2828
zweite Ventilhubkurve des zweiten Einlassventils 14 in Abhängigkeit von dem Kurbelwinkel 22second valve lift curve of the second intake valve 14 as a function of the crank angle 22
3030
dritte Ventilhubkurve des ersten Auslassventils 16 in Abhängigkeit von dem Kurbelwinkel 22third valve lift curve of the first exhaust valve 16 as a function of the crank angle 22
3232
vierte Ventilhubkurve des zweiten Auslassventils 18 in Abhängigkeit von dem Kurbelwinkel 22fourth valve lift curve of the second exhaust valve 18 as a function of the crank angle 22
3434
Pfeilen: Verstellung der zweiten Ventilhubkurve des zweiten Einlassventils 14Arrows: adjustment of the second valve lift curve of the second intake valve 14
3636
Pfeilen: Verstellung der vierten Ventilhubkurve des zweiten Auslassventils 18Arrows: adjustment of the fourth valve lift curve of the second exhaust valve 18
3838
Bereich der VentilüberschneidungArea of valve overlap
4040
horizontale Achse: Kurbelwinkel in °KWhorizontal axis: crank angle in °CA
4242
vertikale Achse: Drallzahl [dimensionslos]vertical axis: twist number [dimensionless]
4444
vertikale Achse: Hub des zweiten Einlassventils 14vertical axis: lift of the second intake valve 14
4646
Graph: Hub des zweiten Einlassventils 14 in Abhängigkeit von KWGraph: Lift of the second intake valve 14 as a function of KW
4848
erste Graph: Verlauf der Drallzahl 42 über den Kurbelwinkel bei 0° Phasenverschiebungfirst graph: progression of the swirl number 42 over the crank angle at 0° phase shift
5050
Pfeilarrow
5252
zweiter Graph: Verlauf der Drallzahl 42 über den Kurbelwinkel bei 30° Phasenverschiebungsecond graph: progression of the swirl number 42 over the crank angle with a 30° phase shift
5454
Pfeilarrow
5656
dritter Graph: Verlauf der Drallzahl 42 über den Kurbelwinkel bei 50° PhasenverschiebungThird graph: course of the twist number 42 over the crank angle with a 50° phase shift
5858
Pfeilarrow

Claims (8)

Verfahren zum Betreiben einer Hubkolben-Brennkraftmaschine, wobei Verbrennungsluft in einem Ansaugtakt in mindestens einen Arbeitszylinder über mindestens ein erstes Einlassventil eingeleitet wird, wobei das mindestens eine erste Einlassventil mit einer vorbestimmten ersten Ventilhubkurve betätigt wird, welche bezüglich einer zeitlichen Relation zu einem Kurbelwinkel der Brennkraftmaschine konstant gehalten wird, wobei die Zylinderladung über das erste Einlassventil derart eingeleitet wird, dass die Zylinderladung in dem Arbeitszylinder eine Drallbewegung ausführt, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderladung in den mindestens einen Arbeitszylinder zusätzlich über mindestens ein zweites Einlassventil mit durch Phasing bezüglich des Kurbelwinkels der Brennkraftmaschine variabler zweiter Ventilhubkurve eingeleitet wird.Method for operating a reciprocating internal combustion engine, wherein combustion air is introduced into at least one working cylinder via at least one first intake valve in an intake stroke, wherein the at least one first intake valve is actuated with a predetermined first valve lift curve, which is constant in relation to a time relation to a crank angle of the internal combustion engine is maintained, the cylinder charge being introduced via the first intake valve in such a way that the cylinder charge in the working cylinder executes a twisting motion, characterized in that the cylinder charge in the at least one working cylinder is additionally fed into the at least one working cylinder via at least one second intake valve with variable phasing with respect to the crank angle of the internal combustion engine second valve lift curve is initiated. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Ventilhubkurve des zweiten Einlassventils in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine mit Ausnahme der zeitlichen Relation zum Kurbelwinkel konstant gehalten wird.procedure after claim 1 , characterized in that the second valve lift curve of the second intake valve is kept constant as a function of an operating state of the internal combustion engine, with the exception of the time relation to the crank angle. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zeitpunkt für ein Öffnen des zweiten Einlassventils, ein Zeitpunkt für ein Schließen des zweiten Einlassventils und/oder ein Zeitpunkt für einen maximalen Öffnungshub des zweiten Einlassventils relativ zum Kurbelwinkel in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine verändert wird.procedure after claim 1 , characterized in that a point in time for opening the second intake valve, a point in time for closing the second intake valve and/or a point in time for a maximum opening stroke of the second intake valve is changed relative to the crank angle as a function of an operating state of the internal combustion engine. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein maximaler Öffnungshub des zweiten Einlassventils in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine verändert wird.procedure after claim 1 or 3 , characterized in that a maximum opening lift of the second intake valve is changed depending on an operating state of the internal combustion engine. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Abgas in einem Ausschubtakt aus dem mindestens einen Arbeitszylinder über mindestens ein erstes Auslassventil abgeleitet wird, wobei das mindestens eine erste Auslassventil mit einer vorbestimmten dritten Ventilhubkurve betätigt wird, welche bezüglich einer zeitlichen Relation zu dem Kurbelwinkel der Brennkraftmaschine konstant gehalten wird, wobei das Abgas aus mindestens einem Arbeitszylinder zusätzlich über mindestens ein zweites Auslassventil mit bezüglich des Kurbelwinkels der Brennkraftmaschine variabler vierter Ventilhubkurve abgeleitet wird.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that exhaust gas is discharged in an exhaust stroke from the at least one working cylinder via at least one first exhaust valve, the at least one first exhaust valve being actuated with a predetermined third valve lift curve which, in relation to a time relation to the Crank angle of the internal combustion engine is kept constant, the exhaust gas being derived from at least one working cylinder in addition via at least one second exhaust valve with respect to the crank angle of the internal combustion engine variable fourth valve lift curve. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Einlassventil und das zweite Auslassventil gemeinsam von einer Nockenwelle betätigt werden.procedure after claim 5 , characterized in that the second intake valve and the second exhaust valve are actuated jointly by a camshaft. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die vierte Ventilhubkurve des zweiten Auslassventils und/oder ein Zeitpunkt für ein Schließen des Auslassventils derart relativ zum Kurbelwinkel verschoben wird, dass das zweite Auslassventil bis in einen Ansaugtakt eines Ladungswechselhubes hinein geöffnet bleibt.procedure after claim 5 or 6 , characterized in that the fourth valve lift curve of the second exhaust valve and/or a point in time for closing the exhaust valve is shifted relative to the crank angle in such a way that the second exhaust valve remains open up to an intake stroke of a gas exchange stroke. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderladung über das zweite Einlassventil derart eingeleitet wird, dass die Zylinderladung in dem Arbeitszylinder eine Drallbewegung ausführt.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the cylinder charge is introduced via the second inlet valve in such a way that the cylinder charge executes a twisting movement in the working cylinder.
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