CN101512127B - 运行内燃机的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种运行火花点火式发动机(2)形式的内燃机的方法，该方法具有下列方法步骤：将提供给内燃机(2)的燃烧室(15A至15D)的空气进行预压缩，将燃料直接喷射到该内燃机(2)的这些燃烧室(15A至15D)中，并且对应于该内燃机(2)在其中运行的负荷范围调节多个气体交换阀的阀门重叠，其特征在于以下方法步骤：在一个排气涡轮增压器形式的增压装置中进行该预压缩，该排气涡轮增压器具有一个带有可变涡轮几何形状(VTG)的涡轮机(5)，其中将发动机排气经由一个多流涡轮机壳体(16A；16B)的分离的多个螺旋管道(17A，18A；17B，18B)提供给该涡轮机(5)。

Description

运行内燃机的方法和装置
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序部分和权利要求4的前序部分的用于运行内燃机的一种方法和装置。
背景技术
由DE 103 03 705 B4可知一种属类的方法和一种属类的装置。
在已知的方法和已知的装置中，使用一种增压装置，它配备了一个所谓的废气泄放阀以便能够控制所述增压装置的动力。
特别地，如果该内燃机是一台火花点火式发动机，则使用带有多个单一流的涡轮机和废气泄放阀的增压装置或排气涡轮增压器，因为这些在之前就一直似乎适合于火花点火式发动机的更高排气温度和更大的空气通过量范围。
然而，具有一个废气泄放阀涡轮增压器的火花点火式发动机在燃料消耗和驱动动力学方面仍具有相当大的改进空间。
发明内容
因此，本发明的一个目的是产生用于运行分别对应于权利要求1的前序部分和权利要求4的前序部分的所属类型的内燃机的一种方法和一种装置，该方法和装置特别在扭矩生成和燃料消耗方面允许效率的改进。
所述目的是通过权利要求1和权利要求4的这些特征实现的。
根据本发明，在根据权利要求1的方法中并且在根据权利要求4的装置中，使用了具有可调节涡轮几何形状以及具有多流涡轮机壳体的一种排气涡轮增压器，这导致排气能量的脉冲利用的极大改进，并且因此在较低的发动机器负荷和速度范围内导致充气压力的增加。这里具体考虑并置流涡轮机壳体以及双重流涡轮机壳体。
在一个并置流(twin-flow)壳体的情况下，两个螺旋管道彼此轴向相邻放置并且由一个分隔物彼此分开。由于这种设计，不能将溢流截面设计成所希望的那么小，这样在一定程度上可发生这两种流的混合。这在中等旋转速度范围和高旋转速度范围内具有一种积极作用，因为存在可供使用的充足的充气压力，这里的脉冲作用已不再是所希望的。
双重流(double-flow)涡轮机壳体的特征在于螺旋管道形式的两个涡轮段，这些涡轮段在径向上被分离地引导在涡轮机外缘的周围，并且有可能将这些溢流截面设计成尽可能地小，并因此而减小这些排气流的相互影响。这样做的结果是：在中等的和较高的发动机速度和负荷范围内，为了降低排气压力水平和充气压力水平，多种附加的措施是有利的。
为了通过双重流安排来补偿由于涡轮机周边上的受限的供流截面(每个涡轮段180°)而减少的经过该涡轮机的最大通过量，有利的是为该双重流涡轮提供脉冲/冲压切换安排。通过所述切换安排，有可能以中等和高的发动机速度(例如高于3000rpm)连接这两个涡轮段。如果开放提供用于此目的的切换阀，可以将排气分配给两个涡轮段并且额外地减少脉动。这两种效果均使涡轮负荷降低，并因此而使充气压力受到所希望的限制。
同时也有可能将该脉冲/冲压切换阀作为一个附加的废气泄放阀运行，该废气泄放阀提供的优点是可以进一步增加涡轮机通过量的范围。
因此，根据本发明，有可能结合这些气体交换阀的阀门重叠的调节来使用带有多流涡轮机壳体的一个涡轮增压器的已优化的流动分离的全部潜力。这是因为，根据本发明有可能在较低的发动机速度范围内实现更长的阀门重叠，并且有可能因此而显著地增加所述特征图范围内的除气比例。
由于以下原因，所述措施对发动机性能数据具有非常积极的影响：
-由于残余气体比例的减少而降低的爆燃灵敏度；
-排气涡轮增压器的涡轮机上游的平均排气温度的降低，以及因此的增加燃烧空气比的可能性；以及
-用于排气涡轮增压器的压缩机以及涡轮的所要求的通过量范围的减小，以及因此以改进的效率水平运行排气涡轮增压器的可能性。
这些从属权利要求包含根据本发明的方法以及装置的有利改进。
在本发明背景下进行的多个试验已表明，根据本发明的这些措施在1500转/分(rpm)的旋转速度nM下能够导致稳定状态全负荷扭矩的40％的增加，这些措施提供了具有可变涡轮几何形状和一个双重流涡轮的排气涡轮增压器、优选地提供的脉冲/冲压切换安排以及所提供的增加的阀门重叠。同时，在与基于单一流废气泄放阀的增压器有关的标称马力点上，可将除气压力梯度提高约400毫巴(mbar)。
在本发明背景下进行的进一步的试验已表明，在动态运行中，对于以1800rpm的nM的负荷步幅的实例，有可能使到达该标称扭矩的90％所用的时间缩短约50％。
附图说明
从下列以附图为基础的多个示例性实施方案的说明中可以获得本发明的进一步的细节、优点和特征，在附图中：
图1示出了根据本发明的一个装置的高度简化的示意性方框电路图，该装置用于运行一台带有直接喷射的火花点火式的内燃机；
图2A、2B示出了涡轮增压器的并置流或双重流涡轮机壳体的示意性简化图，该涡轮增压器壳体是根据图1的装置的一部分；
图3示出了该并置流壳体的溢流截面的一个图示；
图4A、4B示出了用于单一流、并置流和双重流涡轮机壳体的比较性发动机值；
图5A、5B示出了带有脉冲/冲压切换阀的一个双重流涡轮机壳体的示意性简化图；
图6A、6B示出了带有脉冲/冲压切换以及不带有脉冲/冲压切换的比较性发动机值；
图7示出了阀门上升曲线的位移；
图8示出了阀门重叠对这些发动机值的影响。
具体实施方式
图1以简化为一个方框电路图的形式示出了一个装置1，该装置用于运行一台内燃机2，该内燃机被设计为带有直接喷射的一个火花点火式发动机。内燃机(特别是带有直接喷射的火花点火式发动机)应理解成是指与进气导管喷射相比，在内燃机中是以高压将燃料直接喷射到内燃机的这些燃烧室中。为此目的，有可能使用带有中央压力储能器(共轨)的多个喷射装置，其中通过一个高压泵将一个燃料压力积聚在该分配器条(共轨)中，该燃料压力是通过该内燃机的一个电控单元经由一个压力传感器以及一个压力调节安排来调节的，并且所述压力至少基本上独立于旋转速度和喷射量。在图1中通过火花点火式发动机2上的方框3示意性地示出了的一个所述类型的喷射系统。
详细地讲，装置1具有一个排气涡轮增压器形式的增压装置，如同常规的增压装置，该增压装置具有一个涡轮5，该涡轮在一个排气管道4中被安排在内燃机2的下游，并且该涡轮与安排在一个进气管道7中的一台压缩机6相互作用。如连接管线8所示，由排气驱动的涡轮5驱动压缩机6。根据本发明，该排气涡轮增压器的涡轮机5配备一个可变涡轮几何形状(不再详细示出)，在图1中，该可变涡轮几何形状用常规缩写VTG表示。另外，还可以将根据本发明的排气涡轮增压器设计成带有VTG的一个常规排气涡轮增压器，例如像在EP 1 398 463 B1中所描述的那样，其中对于所使用的材料，针对火花点火式发动机的温度水平进行了不言自明的相应的适配，因为排气温度水平高于柴油发动机的排气温度水平，而在柴油发动机中已长时间使用了带有可变涡轮几何形状的涡轮增压器。EP 1398 463 B1的披露的内容通过引用被结合在本申请的披露的内容中。
在图1所示的特别优选的实施方案中，在压缩机6的下游提供了一个充气冷却器9，从这个充气冷却器9经由一个节流阀瓣块10将被压缩的并且被冷却的进气空气传送至火花点火式发动机2的这些燃烧室15A至15D。以常规的方式将一个空气过滤器11和一个气团传感器13安排在压缩机6的上游(如在流动方向S中所观察到的)，然而在本发明中空气过滤器11和气团传感器13不扮演任何特殊的角色，但为了完整性而予以说明。
当然还提供了其他所有的常用组件，但是以下不再详细说明这些组件，因为不需要它们来说明本发明的这些原理。
然而，装置1还具有用于调节内燃机或者火花点火式发动机2的这些气体交换阀(未在图1中更详细地示出)的阀门重叠的一个装置14，该装置在图1中由方框14示出。如在引言中所解释，有可能通过所述装置14改变阀门的重叠，以使之有可能有目标地设置进气侧气体交换阀与出口侧气体阀门的开放程度的不同的重叠，利用更大的重叠允许通过更大的新鲜空气量来改进残余气体的清除，如以上所解释，在具有直接喷射的火花点火式发动机中，该直接喷射有可能将燃料直接喷射到这些燃烧室中而不是喷射到流经进气导管的进气中。
为了完整性的缘故，应该指出当然还有可能为图1中所示出的装置1配备一个排气催化转化器12，该催化转化器可以安排在内燃机2的排气道中的涡轮5的下游。
如同样在引言中已说明的那样，除一个可变涡轮几何形状VTG之外，根据本发明的装置1的排气涡轮增压器5的涡轮机5还配备了一个多流涡轮机壳体，它在图2A，2B中更详细示出。
图2A示出了一个并置流涡轮机壳体16A，该涡轮机壳体具有螺旋流17A和18A。
图2B示出了带有两个螺旋管道17B和18B的一个双重流涡轮机壳体16B，这些螺旋管道分别地被引导围绕该涡轮机的外周，并且有可能极大地减少这些溢流截面的尺寸并因此而减小这些排气流的相互影响。利用所述类型的一个涡轮机壳体16，有可能将由螺旋管道17和管道18的分别引导产生的流的分离的全部势能连同调节装置14用于发动机特征图中的凸轮轴的调节，并因此而用于改变这些气体交换阀的重叠。特别地，有可能在较低的发动机速度范围中实现上述相对较长的阀门重叠，并因此而在所述特征图范围中实质性地增加清理空气的比例。
图3示出了在溢流截面的基础上的该并置流涡轮机壳体16A的两个螺旋流17A、18A的相互影响。
图4A，4B示出了比较性全负荷发动机值，这些值以增压器变量“带有VTG的1-流”作为基础，并有“带有VTG的2-流并置流”以及“带有VTG的2-流双重流”。可以看出，在1000rpm至2000rpm的旋转速度范围内，这些2-流变量具有扭矩积聚方面的优点并且该双重流壳体(无脉冲/冲压切换)导致压力水平和高于4000rpm的燃料消耗方面的缺点。
图5A、5B示出了与双重流涡轮机壳体16B有关的脉冲/冲压切换阀19的一个示例性安排。该脉冲/冲压切换阀19可以作为一个分离的单元安排在涡轮机壳体进气凸缘20的上游或者被整合在该涡轮机壳体进气管道的侧面上。这里，应确保阀门19定位在涡轮机壳体舌状物21的上游P，以确保在所述阀门19的上游不能够发生大量的排气流进入该涡轮机叶轮中。
阀门19的特征在于，在多个小的上升过程中，所述阀门19从两个涡轮机壳体段17B，18B的分隔物22以及一种混合物中升起，并因此允许这些段之间的压力同等化。可以将阀座23设计为在闭合部分26的相对较大上升的情况下使一个旁通量可以额外地流经在涡轮机壳体出口25的方向上的一个旁路24。能够以常规方式气动、电动或电磁地进行阀门19的致动。
脉冲/冲压切换阀19在并置流壳体中的安排径向地发生在壳体的外周处、壳体舌状物的上游，但没有更详细地展示。
图6A、B示出了增加的阀门重叠对发动机性能值的影响及脉冲/冲压切换阀对发动机性能值的影响。可以看出，在1000rpm与2000rpm之间的较低的发动机速度范围内可以获得扭矩的可观的增加。在高于3000rpm的旋转速度下，有可能通过开放该脉冲/冲压阀门来防止排气压力水平的上升并且防止所导致的更高的燃料消耗。
通过举例，图7示出了由凸轮轴调节而导致的该阀门上升曲线可能的位移。这里，该分散区描述了各自的曲线最大值与上止点之间用曲柄角的度数表示的时间间隔。因此，小分散区值导致一个大的阀门重叠。
在图8中可以看出，从基本形式开始(在这些图的左上部的每个大的圆点中)，有可能通过增加的阀门重叠使发动机平均有效压力以及空气效率对于一个不变的除气压力梯度而被显著地增加。然而，所述扭矩增加同样是与燃料消耗增加相关联的。
为补充本披露，特此明确提及在这些附图中的本发明的图解展示。
参考标记清单
1    用于运行内燃机的装置
2    内燃机或火花点火式发动机
3    直接喷射系统
4    排气管道
5    涡轮机
6    压缩机
7    进气管道
8    连接管线
9    充气冷却器
10   节流阀瓣块
11        空气过滤器
12        排气催化转化器
13        空气质量传感器
14        用于调节阀门重叠的装置
15A-15D   火花点火式发动机2的燃烧室
16A       并置流涡轮机壳体
16B       双重流涡轮机壳体
17A，18A  螺旋流
18A，18B  螺旋管道
19        脉冲/冲压切换阀
20        涡轮机壳体进气凸缘
21        涡轮机壳体舌状物
22        分隔物
23        阀座
24        旁路
25        涡轮机壳体出口
26        闭合部分或者阀门柱塞
P         涡轮机壳体进气凸缘20与涡轮机壳体舌状物21之间的脉冲/冲压
          切换阀19的位置

Claims (9)

1.一种用于运行一台火花点火式发动机(2)形式的内燃机的方法，该方法具有以下方法步骤：
-对提供给该内燃机(2)的多个燃烧室(15A至15D)的空气进行预压缩，
-将燃料直接喷射到该内燃机(2)的这些燃烧室(15A至15D)中，并且
-对应于该内燃机(2)在其中运行的负荷范围调节多个气体交换阀的阀门重叠，其特征在于以下方法步骤：
-在一个排气涡轮增压器形式的增压装置中进行该预压缩，该排气涡轮增压器具有一个带有可变涡轮几何形状(VTG)的涡轮机(5)，其中将发动机排气经由一个多流涡轮机壳体(16A；16B)的分离的多个螺旋管道(17A，18A；17B，18B)提供给该涡轮机(5)；
-连接这些分离的涡轮段，这些分离的涡轮段是通过打开一个切换阀(19)在中等和/或高发动机旋转速度下由这些分离的螺旋管道(17A，18A；17B，18B)形成的。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于将一个双重流涡轮机壳体(16B)用作一个多流涡轮机壳体。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于一个并置流涡轮机壳体(16A)被用作一个多流涡轮机壳体。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于将该切换阀(19)作为一个废气泄放阀运行的方法步骤。
5.一种用于运行一台火花点火式发动机(2)形式的内燃机的装置，
-具有一个排气涡轮增压器(5，6)形式的增压装置，
-具有一个燃料直接喷射装置(3)，并且
-具有一个用于调节该内燃机(2)的多个气体交换阀的阀门的重叠的装置(14)，
其特征在于
-该排气涡轮增压器(5，6)配备了一个可变涡轮几何形状(VTG)并且一个涡轮机(5)配备了一个多流涡轮机壳体(16A；16B)，该涡轮机壳体具有两个分离引导的螺旋管道(17A，18A；17B，18B)；
-具有一个切换阀(19)，该切换阀用于连接该多流涡轮机壳体(16A；16B)的螺旋管道(17A，18A；17B，18B)，并且该多流涡轮机壳体是并置流涡轮机壳体或双重流涡轮机壳体。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于将该涡轮机壳体设计为一个并置流涡轮机壳体(16A)。
7.如权利要求5所述的装置，其特征在于将该涡轮机壳体设计为一个双重流涡轮机壳体(16B)。
8.如权利要求5至7中的一项所述的装置，其特征在于该涡轮机壳体(16A；16B)具有一个旁路管道(24)，该旁路管道可以通过该切换阀(19)而被开放和关闭。
9.如权利要求5至7中的一项所述的装置，其特征在于被安排在该排气道(4)中的涡轮机(5)的下游的一个排气催化转化器(12)。
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