DE10306457B4 - Method and device for increasing the heating power in motor vehicles with internal combustion engines - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (10), bei dem ein Teil einer Energie, die beim Verbrennen einer bestimmten Menge Kraftstoff in wenigstens einem Brennraum (14) des Verbrennungsmotors (10) freigesetzt wird, von einem Kühlmedium (48) aufgenommen wird, und bei dem dieser Teil dieser Energie durch Änderung von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors (10) in gesteuerter Weise variiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die in gesteuerter Weise erfolgende Änderung von Betriebsparametern eine Verlängerung einer Verweilzeit heißer Verbrennungsgase in dem wenigstens einen Brennraum (14) bewirkt, die auf eine Zeitdauer eines Verbrennungszyklusses normiert ist, dass die Verweildauer durch eine Verschiebung (62) eines Verbrennungsschwerpunktes (58) erhöht wird, wobei die Verschiebung (62) so erfolgt, dass der verschobene Verbrennungsschwerpunkt (60) vor einem Verbrennungsschwerpunkt (58) liegt, bei dem ein aus der Verbrennung resultierendes Drehmoment des Verbrennungsmotors (10) maximal ist, dass die Verschiebung (62) des Verbrennungsschwerpunktes (58) so erfolgt, dass ein aus Verbrennungen resultierender Druckverlauf (68) in dem wenigstens einen Brennraum (14) früher ansteigt und insgesamt flacher verläuft, und dass ein Auslassventil (20) des Brennraums (14) später geöffnet wird.Method for operating an internal combustion engine (10), in which part of an energy that is released when a certain amount of fuel is burned in at least one combustion chamber (14) of the internal combustion engine (10) is absorbed by a cooling medium (48), and in which this part of this energy is varied in a controlled manner by changing operating parameters of the internal combustion engine (10), characterized in that the controlled change in operating parameters causes a dwell time of hot combustion gases in the at least one combustion chamber (14) to be extended to a The duration of a combustion cycle is standardized so that the dwell time is increased by a shift (62) of a combustion center of gravity (58), the shift (62) taking place in such a way that the shifted combustion center of gravity (60) lies in front of a combustion center of gravity (58) in which a the combustion engine's torque resulting from the combustion (10) The maximum is that the displacement (62) of the combustion center (58) takes place in such a way that a pressure curve (68) resulting from combustion rises earlier in the at least one combustion chamber (14) and is flatter overall, and that an outlet valve (20) of the combustion chamber (14) will be opened later.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, bei dem ein Teil einer Energie, die beim Verbrennen einer bestimmten Menge Kraftstoff in wenigstens einem Brennraum des Verbrennungsmotors freigesetzt wird, von einem Kühlmedium aufgenommen wird, und bei dem dieser Teil dieser Energie durch Änderung von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors in gesteuerter Weise variiert wird.The invention relates to a method for operating an internal combustion engine, wherein a part of an energy that is released when burning a certain amount of fuel in at least one combustion chamber of the internal combustion engine, is absorbed by a cooling medium, and in which this part of this energy by changing operating parameters of the internal combustion engine is varied in a controlled manner.
Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Betreiben eines Verbrennungsmotors nach dem oben genannten Verfahren.Furthermore, the invention relates to an apparatus for operating an internal combustion engine according to the above-mentioned method.
Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung ist jeweils aus der
Verfahren und Vorrichtungen zum Betreiben von Verbrennungsmotoren werden üblicherweise so optimiert, dass der Verbrennungsmotor mit einem möglichst hohen thermodynamischen Wirkungsgrad arbeitet. Bekanntlich wird bei Verbrennungsmotoren die chemische Energie des verbrannten Kraftstoff/Luft-Gemisches in erster Näherung in mechanisch nutzbare Arbeit und in Abwärme umgewandelt, die zum Teil mit dem Abgas abtransportiert wird und zum Teil von einem Kühlmedium des Verbrennungsmotor aufgenommen wird. Als Kühlmedien kommen bekanntlich insbesondere Luft und Wasser enthaltende Kühlflüssigkeiten sowie Öl in Frage.Methods and devices for operating internal combustion engines are usually optimized so that the internal combustion engine operates with the highest possible thermodynamic efficiency. As is known, in internal combustion engines, the chemical energy of the combusted fuel / air mixture is converted in a first approximation into mechanically usable work and waste heat, which is transported away in part with the exhaust gas and is partially absorbed by a cooling medium of the internal combustion engine. As cooling media are known in particular air and water-containing cooling fluids and oil in question.
Die vom Kühlmedium abgeführte Wärme wird über Wärmetauscher zur Beheizung des Fahrzeuges benutzt. Während bei früheren Verbrennungsmotoren etwa ein Drittel der Verbrennungsenergie in mechanische Arbeit umgewandelt wurde, ein weiteres Drittel vom Abgas abgeführt wurde, und das verbleibende Drittel das Kühlmedium aufheizte, erreichen moderne Verbrennungsmotoren höhere thermodynamische Wirkungsgrade. So ereichen beispielsweise aufgeladene Dieselmotoren mit Direkteinspritzung thermodynamische Wirkungsgrade von etwa 45%. Wirkungsgradsteigerungen lassen sich auch bei Ottomotoren durch die Benzindirekteinspritzung erzielen.The heat dissipated by the cooling medium is used by heat exchangers to heat the vehicle. While in previous internal combustion engines about a third of the combustion energy was converted into mechanical work, another third was removed from the exhaust, and the remaining third heated up the cooling medium, modern internal combustion engines achieve higher thermodynamic efficiencies. For example, supercharged diesel engines with direct injection achieve thermodynamic efficiencies of about 45%. Increases in efficiency can also be achieved in gasoline engines through the gasoline direct injection.
Mit der an sich erwünschten Wirkungsgradsteigerung geht zwangsläufig eine Verringerung der vom Kühlmedium aufzunehmenden Wärmemenge einher. Als Folge verringert sich bei gleichbleibender Dimensionierung der Wärmetauscher, die zur Beheizung des Fahrzeuges verwendet werden, die Wärmemenge, die für die Beheizung des Fahrzeugs zur Verfügung steht.With the desired increase in efficiency is inevitably accompanied by a reduction in the amount of heat to be absorbed by the cooling medium. As a result, with a constant dimensioning of the heat exchangers that are used to heat the vehicle, the amount of heat available for heating the vehicle is reduced.
Aus diesem Grund werden insbesondere Kraftfahrzeuge, die von aufgeladenen Dieselmotoren mit Direkteinspritzung angetrieben werden, mit separaten Zusatzheizern ausgerüstet. Separate Zusatzheizer, die entweder Kraftstoff in einer eigenen Brennkammer verbrennen oder die elektrisch arbeiten, sind teuer und erhöhen auf Grund ihres Gewichtes auch dann den Verbrauch, wenn sie nicht aktiviert sind.For this reason, in particular motor vehicles which are powered by supercharged direct injection diesel engines are equipped with separate auxiliary heaters. Separate auxiliary heaters, which either burn fuel in their own combustion chamber or which operate electrically, are expensive and, due to their weight, increase their consumption even when not activated.
Aus der
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In der
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Dadurch, dass die Verweilzeit des heißen Verbrennungsgases in einem Brennraum des Verbrennungsmotors durch die Zeitspanne zwischen dem Beginn der Verbrennung, die beim Dieselmotor durch die Einspritzung ausgelöst wird, und dem Öffnen des Auslaßventils des Verbrennungsmotors bestimmt wird, hat diese Maßnahme eine Verkürzung der Verweilzeit der heißen Verbrennungsgase im Brennraum zur Folge.Characterized in that the residence time of the hot combustion gas in a combustion chamber of the internal combustion engine by the time period between the beginning of the combustion, the Diesel engine is triggered by the injection, and the opening of the exhaust valve of the internal combustion engine is determined, this measure has a shortening of the residence time of the hot combustion gases in the combustion chamber result.
Nach der
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Erhöhen des Anteils der Verbrennungsenergie, die in das Kühlmedium eingetragen wird. Dabei soll der Anteil der Verbrennungswärme, der mit dem Abgas abgeführt wird, möglichst wenig erhöht werden.Against this background, the object of the invention is to specify a method and a device for increasing the proportion of the combustion energy that is introduced into the cooling medium. The proportion of heat of combustion, which is removed with the exhaust gas, should be increased as little as possible.
Diese Aufgabe wird im Bezug auf Verfahrensaspekte durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved with respect to method aspects by the features of claim 1.
Ferner wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung mit der Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.Furthermore, this object is achieved with a device having the features of claim 1.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzen den Vorteil, dass der Wirkungsgrad der vorgenommenen Änderungen, also die erreichte Steigerung des Wärmeeintrages bezogen auf die dadurch hervorgerufene Verschlechterung des thermodynamischen Wirkungsgrades des Verbrennungsmotors, verbessert ist. Dadurch muss nur wenig zusätzlicher Kraftstoff für das Erreichen der gewünschten Heizwirkung aufgewendet werden. Weiter können durch die vorgeschlagenen innermotorischen Maßnahmen weitere Vorteile gegenüber anderen bekannten Lösungen, die separate Kraftstoffzuheizer verwenden, erreicht werden.The inventive method and the device according to the invention have the advantage that the efficiency of the changes made, ie the achieved increase in the heat input based on the resulting deterioration of the thermodynamic efficiency of the internal combustion engine is improved. As a result, only a small amount of additional fuel has to be expended for achieving the desired heating effect. Further, the proposed internal engine measures further advantages over other known solutions that use separate fuel heater, can be achieved.
Diese Vorteile ergeben sich dadurch, dass der im Rahmen dieser Erfindung zur Heizleistungserhöhung verwendete Zusatzkraftstoffbedarf im Verbrennungsmotor sauber verbrennt und das resultierende Abgas ohne zusätzliche Leitungen und Führungen durch ein vorhandenes Abgasnachbehandlungssystem behandelt wird. Im Vergleich zu elektrischen Zuheizern ergibt sich als Vorteil, dass Generator und Batterie kleiner dimensioniert sein können. Außerdem entfallen Wirkungsgradverluste, die durch die bei elektrischen Zuheizern erforderliche Umwandlung von chemischer Energie in mechanische Energie im Verbrennungsmotor und die nachfolgende Umwandlung in elektrische Energie durch den Generator entstehen.These advantages result from the fact that the additional fuel requirement used in the context of this invention for heating power increase clean combustion in the internal combustion engine and the resulting exhaust gas is treated without additional lines and guides by an existing exhaust aftertreatment system. Compared to electric auxiliary heaters results in the advantage that generator and battery can be made smaller. It also eliminates efficiency losses caused by the required in electrical heaters conversion of chemical energy into mechanical energy in the engine and the subsequent conversion into electrical energy by the generator.
Die Verweildauer wird durch eine Verschiebung eines Verbrennungsschwerpunktes erhöht, wobei die Verschiebung so erfolgt, dass der verschobene Verbrennungsschwerpunkt vor einem Verbrennungsschwerpunkt liegt, bei dem ein aus der Verbrennung resultierendes Drehmoment des Verbrennungsmotors maximal ist.The residence time is increased by a shift of a combustion center of gravity, wherein the displacement is such that the shifted combustion center is located in front of a combustion center at which a combustion-resultant torque of the internal combustion engine is maximum.
Nach der in der Motortechnik üblichen Definition entspricht der Verbrennungsschwerpunkt demjenigen Kurbelwinkel, bei dem die Hälfte des insgesamt während eines Arbeitstaktes verbrennenden Kraftstoffs bereits verbrannt ist. Durch die Vorverlegung des Verbrennungsschwerpunktes wird die Verweilzeit der heißen Verbrennungsgase in den Brennräumen verlängert, so dass mehr Wärme über die Wände der Verbrennungsräume in das Kühlmedium gelangt. Darüber hinaus wird durch eine Vorverlegung des Verbrennungsschwerpunktes weniger mechanische Arbeit aus der Verbrennung der Brennraumfüllung gewonnen, so dass die Brennraumfüllung zu erhöhen ist, um ein gleichbleibendes Drehmoment zu erzielen. Die Erhöhung der Brennraumfüllung bei verringertem Wirkungsgrad steigert ebenfalls die im Brennraum freigesetzte Wärme und damit auch den Wärmeeintrag in das Kühlmedium.According to the definition customary in engine technology, the center of gravity of the combustion corresponds to that crank angle at which half of the total fuel burning during a power stroke has already been burnt. By advancing the combustion focus, the residence time of the hot combustion gases is extended in the combustion chambers, so that more heat passes through the walls of the combustion chambers in the cooling medium. In addition, by advancing the combustion center of gravity, less mechanical work is gained from the combustion of the combustion chamber charge, so that the combustion chamber charge is to be increased in order to achieve a constant torque. The increase in the combustion chamber filling with reduced efficiency also increases the heat released in the combustion chamber and thus also the heat input into the cooling medium.
Die Verschiebung des Verbrennungsschwerpunktes erfolgt so, dass ein aus Verbrennungen resultierender Druckverlauf in den Brennräumen früher ansteigt und insgesamt flacher verläuft.The shift of the focal point of combustion takes place in such a way that a pressure curve resulting from combustion increases earlier in the combustion chambers and is generally flatter.
Da ein schnell ansteigender, hohe Enddrücke erreichender Druckverlauf das Entstehen von klopfenden Verbrennungen fördert, wirkt ein flacherer Druckverlauf direkt der Ursache von klopfenden Verbrennungen entgegen. Durch den flacheren Druckverlauf ergeben sich darüber hinaus auch geringere Verbrennungstemperaturen, was die Bedingungen für die Entstehung unerwünschter NOx-Emissionen verschlechtert.Since a rapidly increasing, high end pressure reaching pressure curve promotes the development of knocking burns, a flatter pressure curve directly counteracts the cause of knocking burns. In addition, the flatter pressure curve results in lower combustion temperatures, which worsens the conditions for the generation of unwanted NOx emissions.
Ferner wird ein Auslassventil des Brennraumes später geöffnet.Further, an exhaust valve of the combustion chamber is opened later.
Durch diese Maßnahme, die eine variable Ventilsteuerung voraussetzt, wird die Verweilzeit der heißen Verbrennungsgase in dem Brennraum verlängert. Außerdem wird der mechanische Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors verringert, da ein späteres Öffnen des Auslassventils zu einer Verdichtung des heißen Restgase führt, die dem Verbrennungsmotor mechanische Energie entzieht. Eine Kompensation dieses Effektes durch eine vergrößerte Brennraumfüllung trägt ebenfalls zu einem vergrößerten Wärmeübergang in das Kühlmedium bei. Außerdem kann durch das verspätete Öffnen des Auslassventils der Restgasanteil der folgenden Brennraumfüllung erhöht werden, was einen flacheren Druckverlauf begünstigt und die Klopfneigung verringert.By this measure, which requires a variable valve timing, the residence time of the hot combustion gases is extended in the combustion chamber. In addition, the mechanical efficiency of the internal combustion engine is reduced, since a later opening of the exhaust valve leads to a compression of the hot residual gases, the Internal combustion engine removes mechanical energy. A compensation of this effect by an enlarged combustion chamber filling also contributes to an increased heat transfer into the cooling medium. In addition, can be increased by the late opening of the exhaust valve of the residual gas content of the following combustion chamber filling, which favors a flatter pressure profile and reduces the tendency to knock.
Ferner ist bevorzugt, dass der frühere Anstieg und flachere Druckverlauf durch eine Änderung des zeitlichen Verlaufs von Einspritzungen von Kraftstoff in den wenigstens einen Brennraum des Verbrennungsmotors erfolgt.Furthermore, it is preferred that the earlier increase and flatter pressure curve take place by a change in the time profile of injections of fuel into the at least one combustion chamber of the internal combustion engine.
Durch diese Maßnahme kann insbesondere bei Dieselmotoren mit Direkteinspritzung der Brennverlauf in der gewünschten Weise geformt werden.By this measure, especially in diesel engines with direct injection, the combustion process can be shaped in the desired manner.
Weiter ist bevorzugt, dass eine Einspritzung eines bestimmten Kraftstoffanteils, der auf die zu einer Verbrennung gehörende Einspritzmenge normiert ist, früher erfolgt.It is further preferred that an injection of a certain fuel fraction normalized to the injection quantity belonging to a combustion takes place earlier.
Durch die frühere Einspritzung beginnt insbesondere bei Dieselmotoren, bei denen bekanntlich die Verbrennung durch die Einspritzung von Kraftstoff in hochverdichtete Luft ausgelöst wird, die Verbrennung früher, was zu der gewünschten Verlagerung des Verbrennungsschwerpunktes führt.The earlier injection, especially in diesel engines, in which combustion is known to be triggered by the injection of fuel into highly compressed air, begins the combustion earlier, which leads to the desired displacement of the combustion center.
Die letzten beiden vorgenannten Maßnahmen sind nur bei Direkteinspritzung anwendbar, während die übrigen Maßnahmen auch bei Verbrennungsmotoren mit äußerer Gemischbildung durch Saugrohreinspritzung oder Vergaser anwendbar sind.The last two aforementioned measures are only applicable to direct injection, while the other measures are also applicable to internal combustion engines with external mixture formation by intake manifold injection or carburetor.
Ferner ist bevorzugt, dass eine Verbrennung der bestimmten Menge Kraftstoff früher ausgelöst wird.Further, it is preferred that combustion of the particular amount of fuel be triggered earlier.
Dadurch kann bei Ottomotoren durch eine früher erfolgende Zündung der Verbrennungsschwerpunkt in der gewünschten Weise vorverlegt werden.As a result, the combustion focus can be advanced in the desired manner in gasoline engines by an earlier ignition.
Dabei ist bevorzugt, dass parallel eine Erhöhung der Abgasrückführrate erfolgt.It is preferred that an increase in the exhaust gas recirculation rate takes place in parallel.
Die Erhöhung der Abgasrückführrate führt zu einer Erhöhung des Inertgasanteils an der Brennraumfüllung, der bei einer Verbrennung keine Energie zur Drucksteigerung freisetzt. Daher trägt eine Erhöhung der Abgasrückführrate zu dem Ereichen des gewünschten flacheren Druckverlaufs bei.The increase in the exhaust gas recirculation rate leads to an increase in the inert gas content at the combustion chamber filling, which releases no energy to increase the pressure during combustion. Therefore, increasing the exhaust gas recirculation rate contributes to reaching the desired flatter pressure curve.
Weiter ist bevorzugt, dass die Bewegung von Füllungen oder Ladungen des wenigstens eines Brennraumes verringert wird.It is further preferred that the movement of fillings or charges of the at least one combustion chamber is reduced.
Eine hohe Ladungsbewegung fördert ein schnelles Entzünden und Durchbrennen der gesamten Zylinderfüllung. Daher trägt ein Verlangsamen der Ladungsbewegung zu einer langsameren Verbrennung und damit zu einer Intensivierung des Wärmeübergangs zum Kühlmedium bei.A high charge movement promotes rapid ignition and burning through the entire cylinder filling. Therefore, slowing down the charge movement contributes to a slower combustion and thus to an intensification of the heat transfer to the cooling medium.
Die genannten bevorzugten Ausgestaltungen werden vorzugsweise mit wenigstens einer Maßnahme zur Erhöhung einer Ladungswechselarbeit kombiniert.The said preferred embodiments are preferably combined with at least one measure to increase a charge exchange work.
Als Maßnamen zur Erhöhung der Ladungswechselarbeit kommen insbesondere folgende Einzelmaßnahmen in Frage:
das Schließen von gegebenenfalls vorhandenen Drall- und Drosselklappen; bei variabler Ventilsteuerung in Verbindung
mit mehreren Einlasskanälen pro Zylinder/Brennraum das Geschlossenhalten eines Einlasskanals; ebenfalls bei variabler Ventilsteuerung, das Verringern des Ventilhubs; bei aufgeladenen Verbrennungsmotoren, das Erhöhen des Ladedrucks.As measures to increase the charge exchange work in particular the following individual measures come into question:
the closing of possibly existing swirl and throttle valves; with variable valve control in connection
with multiple intake ports per cylinder / combustion chamber, keeping an intake port closed; also with variable valve timing, reducing the valve lift; in supercharged internal combustion engines, increasing the boost pressure.
Die genannten Maßnahmen entziehen dem Verbrennungsmotor mechanische Energie und verschlechtern damit seinen thermodynamischen Wirkungsgrad. Die Kompensation der Wirkungsgradverschlechterung durch eine erhöhte Brennraumfüllung vergrößert den Eintrag von Verbrennungswärme in das Kühlsystem.The measures mentioned extract mechanical energy from the internal combustion engine and thus impair its thermodynamic efficiency. The compensation of the efficiency deterioration by an increased combustion chamber filling increases the entry of combustion heat into the cooling system.
Mit Blick auf die oben genannte Vorrichtung ist bevorzugt, das die Vorrichtung eines der oben genannten Verfahren und Ausgestaltungen steuert.In view of the above-mentioned apparatus, it is preferable that the apparatus controls one of the above-mentioned methods and configurations.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Figuren.Further advantages will become apparent from the description and the accompanying figures.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.
Zeichnungendrawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und erden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and grounded in the following description. Show it:
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments
Mit den genannten Ventilen wird der Wechsel der Füllung des Brennraums
Dem Steuergerät
Nach der Verbrennung werden die Restgase über das geöffnete Auslassventil
Der verbleibende Teil der bei der Verbrennung freigesetzten Energie wird über Wände des Motorblocks
Erfindungsgemäß wird die Verweilzeit des heißen Verbrennungsgases in dem Brennraum
In der
Erfindungsgemäß wird dann, wenn das Steuergerät
Im Idealfall stellt sich ein Druckverlauf ein, wie er in der
Der Verlust an mechanischer Leistung, der dadurch bedingt ist, wird vom Steuergerät
Die Ziffer
Die Darstellung der
Durch das frühere Einsetzen und spätere Enden wird der Zeitraum, in dem Wärme in dem Brennraum
Bei einer symmetrisch zum Mittelpunkt des Brennraums
Dafür kommen alle vorstehend beschriebenen Maßnahmen in Frage. Ausgehend vom Schritt
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