CN101517203B - 具有混合式凸轮轴的内燃机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种内燃机，尤其是柴油发动机，尤其是汽车的内燃机，包括至少一个工作缸，其中每个工作缸配置至少两个进气阀和至少一个排气阀，其中设置至少两个凸轮轴(16，18)，其中至少一个凸轮轴(16，18)不仅操纵至少一个进气阀而且操纵至少一个排气阀。其中在至少一个凸轮轴(18)，其不仅操纵至少一个进气阀而且操纵至少一个排气阀，布置有调节器(28)，该调节器将与该凸轮轴(18)配置的进气阀和排气阀的气阀控制时间相对于至少另一个凸轮轴(16)的气阀控制时间可选择地提前调节或延迟调节。

Description

具有混合式凸轮轴的内燃机
技术领域
本发明涉及一种内燃机和一种按用于运行这种内燃机的方法，该内燃机按照自动点火法工作，尤其是汽车的内燃机，该内燃机包括至少一个工作缸，其中每个工作缸配置至少两个进气阀和至少一个排气阀，其中设置两个凸轮轴，它们中的至少一个凸轮轴不仅操纵至少一个进气阀而且操纵至少一个排气阀。
背景技术
在公知的米勒/阿特金森循环(Miller/Atkinson Cycle)中，“进气阀关闭”(ES)时刻被延迟。这样已经位于气缸中的新鲜燃气部分地又被排出。这是一种充气缺陷，但是该缺陷可以通过以合适的增压压力进行的增压来补偿。在此情况下增压压力在增压器出口和发动机入口之间的容积中这样地进行调节，使得增压压力在每个米勒运行点，即在其上应用″米勒循环″的每个运行点，对应于在进气阀关闭的时刻内燃机的工作缸中的理论压缩最终压力。为了该调节，可选择地也为了控制，使用了压力传感器和/或温度传感器和/或质量流传感器或所述这三种传感器类型的有意义的组合。
米勒/阿特金森循环借助于提前或延迟进气阀关闭的时刻对NOx排放和柴油混合物的均匀性的积极效果是已知的。此外在奥托发动机应用中可以在高增压下明显降低爆震趋势。与奥托发动机相反，该奥托发动机由于没有几何结构上的限制而能够以正的气门重叠进行工作，在柴油发动机中借助于相位调节器进行方法的简单转换一般是不可能的。其原因在于在提前调节情况下气阀与活塞发生机械碰撞而在延迟调节情况下泵气功增加。
由DE4426557A1已知在内燃机的工作缸中气阀对角地相互相对地布置，使得两个凸轮轴各控制一部分进气阀。这样就形成了两个分开的进气系统，它们虽然具有不同的控制时间(配气相位)，但是该控制时间是固定的。
DE10359058A1公开了一种具有两个进气阀和两个排气阀和总共三个凸轮轴的四阀内燃机。按照一种实施形式(图1)，第一凸轮轴与一个进气阀和一个排气阀配置，而第二凸轮轴操纵第二进气阀和第三凸轮轴操纵第二排气阀。第一和第二凸轮轴各配置一个相位调节器。所述凸轮轴和气阀装置应在汽油内燃机中使用，但是也可以应用于自燃式内燃机。借助于相位调节器达到的气门开度曲线的移动在自燃式内燃机中不可避免地导致在往复运动的活塞与气阀之间发生碰撞。尚未解决如何通过所建议的装置来克服该问题。此外所建议的装置涉及高的部件费用，因为总共需要三个凸轮轴和两个相位调节器。
由DE19581571T1已知一种按照图1的四阀柴油机，其中第一凸轮轴操纵其中一个进气阀和两个排气阀，而第二凸轮轴可以使另一个进气阀以及两个已经由另一个凸轮轴操纵的排气阀中的一个运行。按照说明书，第二凸轮轴可以由调节装置在固定的角度上转动，从而由该凸轮轴操纵的进气阀和排气阀的配气相位被调节到一个较迟的时刻。在该装置中排气阀在摇臂的中间连接下由两个凸轮轴随时间地相继操纵，从而在气阀的配气相位图中在进气阀被操纵期间发生第二次开启(图4，图6)。
此外由DE60033563T2这样地公开了一种具有混合式凸轮轴的四阀奥托内燃机，每个气缸的两个凸轮轴中的每个凸轮轴操纵一个进气阀和一个排气阀，其中凸轮轴中之一配置一个相位调节器。该相位调节器以通常的方式和方法用于使对应于的进气阀和排气阀的所配置的控制时间相对于固定的气阀的控制时间移动，尤其是参见那里的图2b。这种措施在自燃式内燃机中不可避免地导致在换气阀和活塞之间的碰撞。
DE60119993T2示出了一种外源点火式的具有四个换气阀的奥托内燃机，其中一个凸轮轴操纵两个排气阀和其中一个进气阀，其中另一个凸轮轴可以操纵第二进气阀。该第二凸轮轴与一个相位调节器配置。
发明内容
本发明的任务是在米勒/阿特金森循环的表现上改进上述类型的内燃机。
该任务按照本发明通过一种上述类型的内燃机解决，该内燃机按照自动点火法运行，其包括至少一个工作缸，其中每个工作缸配置至少两个进气阀和至少两个排气阀，其中设置两个凸轮轴，它们中的一个凸轮轴不仅操纵至少一个进气阀而且操纵至少一个排气阀，在其中一个不仅操纵至少一个进气阀而且操纵至少一个排气阀的凸轮轴上布置有调节器，该调节器将与该凸轮轴配置的进气阀和排气阀的气阀控制时间相对于至少另一个凸轮轴的气阀控制时间可选择地提前调节或延迟调节，其特征在于，第一凸轮轴操纵一半的进气阀和排气阀和第二凸轮轴操纵另一半的进气阀和排气阀，其中第一凸轮轴具有固定的控制时间用于与该凸轮轴配置的气阀，并且在第二凸轮轴上布置所述调节器。
为此在一种上述类型的内燃机中按照本发明规定，在至少一个凸轮轴上，其不仅操纵至少一个进气阀而且操纵至少一个排气阀，布置有调节器，该调节器将与该凸轮轴配置的进气阀和排气阀的气阀控制时间相对于至少另一个凸轮轴的气阀控制时间可选择地提前调节或延迟调节。
其具有的优点在于，通过将相位调节器与混合式凸轮轴，即同时地不仅操纵进气阀而且操纵排气阀的凸轮轴，组合，可以以简单的方式实现米勒循环，甚至在气阀的行程运动方面存在几何结构限制的地方，如例如在柴油发动机中，也可以应用。
例如调节器设计成具有用于气阀控制时间的60°KW(曲轴角)+/-20°的调节范围。
此外非常有利的是，通过按照本发明的特征组合可以实现改善的废气。例如在一种用按照本发明的内燃机装配的轿车中氧化氮排放可以达到每行使公里低于0.18克，尤其是0.1克至0.05克。由此低于欧盟规定的关于NOx排放的排放标准EU5(欧5)和EU6(欧6)。对于EU5它规定的值为0.18g/km和对于EU6为0.08g/km。
此外相对于常规设计方案颗粒物排放明显降低，并且其值可以达到低于0.005克/每行使公里，尤其是0.004g/km至0.002g/km。
在一个优选的实施形式中，每个工作缸配置两个排气阀，其中设置两个凸轮轴，其中第一凸轮轴操纵一半的进气阀和排气阀和第二凸轮轴操纵另一半的进气阀和排气阀，其中第一凸轮轴具有固定的控制时间用于与该凸轮轴配置的气阀和在第二凸轮轴上布置所述调节器。
在柴油发动机中也这样地在气阀和活塞之间没有碰撞的情况下实现了特别大的调节范围，即第二凸轮轴这样地设计，在0°KW(曲轴转角)的调节角下与第二凸轮轴配置的排气阀比与第一凸轮轴配置的排气阀较早地关闭和与第二凸轮轴配置的进气阀比与第一凸轮轴配置的进气阀较迟地开启和较迟地关闭。
备选地，第二凸轮轴这样地设计，在0°KW的调节角下与第二凸轮轴配置的进气阀和与第一凸轮轴配置的进气阀同时地关闭。这种情况下只进行一次延迟调节。
按照本发明的用于运行按照自动点火法(自燃式)运行的内燃机的方法规定，在不仅操纵至少一个进气阀而且操纵至少一个排气阀的凸轮轴上这样地操纵所配置的调节器，即使得与该凸轮轴配置的进气阀和排气阀的气阀控制时间相对于另一个凸轮轴的气阀控制时间可选择地被向提前方向调节或向延迟方向调节。
附图说明
以下对照附图详细描述本发明。附图中所示，
图1是按照本发明的内燃机的一种优选的实施形式示意图，
图2是在按照图1的本发明的内燃机中凸轮轴装置的示意图，
图3是在调节角为0°KW(曲轴转角)时不同的凸轮轴的进气阀和排气阀的气阀运动和活塞运动的曲线图，
图4是在提前调节方向上的最大调节程度下不同的凸轮轴的进气阀和排气阀的气阀运动和活塞运动的曲线图，和
图5是在延迟调节方向上的最大调节程度下不同的凸轮轴的进气阀和排气阀的气阀运动和活塞运动的曲线图。
具体实施方式
按照本发明的内燃机的在图1中示出的优选的实施形式包括气缸头10，它限定没有详细示出的工作缸，在该工作缸中各有一个活塞(未示出)往复运动。气缸头10具有排气侧12，废气从该排气侧排出工作缸，和进气侧14，新鲜燃气从该侧供入工作缸。
每个工作缸配置两个进气阀(未示出)和两个排气阀(未示出)，其中设置第一凸轮轴16和第二凸轮轴18。第一凸轮轴16具有各操纵一个进气阀的进气凸轮20，和各操纵一个排气阀的排气凸轮22。同样，第二凸轮轴18具有各操纵一个进气阀的进气凸轮24，和各操纵一个排气阀的排气凸轮26。在两个凸轮轴16，18上在纵向上看各进气凸轮20，24和排气凸轮22，26交替地布置。这样，每个工作缸的两个进气阀和排气阀由不同的凸轮轴16，18操纵。如尤其是附加地从图2中看到，由此每个凸轮轴16，18是所谓的混合式凸轮轴，即每个凸轮轴16，18通过相应的进气凸轮20，24或排气凸轮22，26不仅操纵进气阀而且操纵排气阀。
与配置于每个工作缸的换气阀数的数量无关地，所有换气阀在总体上总是由该两个凸轮轴操纵。
用于与第一凸轮轴16配置的进气阀和排气阀的第一凸轮轴16的控制时间可以不改变地确定。在第二凸轮轴18上布置有调节器28，它相对于第一凸轮轴16的控制时间改变与进气阀和排气阀相配置的控制时间，其方法是使第二凸轮轴18通过调节器28相对于第一凸轮轴16转动。第一凸轮轴16是在标号30处由未示出的内燃机的曲轴驱动的那个凸轮轴。第一凸轮轴16然后本身通过齿轮32驱动第二凸轮轴18。
在图3至5中在水平轴34上标出曲轴转角和在垂直轴36上标出行程运动。在水平轴34上在标记38处标出在换气之前活塞的下死点(UT)，在标记40处标出在换气期间活塞的上死点(OT)和在标记42处标出在换气之后活塞的下死点(UT)。第一曲线44说明活塞在曲轴转角34上的升降运动36，第二曲线46说明由第一凸轮轴16的排气凸轮22控制的那些排气阀在曲轴转角34上的升降运动36，第三曲线48(虚线)说明由第二凸轮轴18的排气凸轮26控制的那些排气阀在曲轴转角34上的升降运动36，第四曲线50说明由第一凸轮轴16的进气凸轮20控制的那些进气阀在曲轴转角34上的升降运动36和第五曲线52(虚线)说明由第二凸轮轴18的进气凸轮24控制的那些进气阀在曲轴转角34上的升降运动36。
在图3中示出了调节器28具有0°KW的位置，即凸轮轴16，18没有被相互相对地转动。在图4中示出了调节器向延迟调节的方向上处于最大的调节情况下的位置和在图5中示出了调节器向提前调节的方向上处于最大的调节情况下的位置。如可以从图2至5直接地看见的那样，第一曲轴16的气阀(第二曲线46和第四曲线50)相对于曲轴的升降运动保持不变，相反共同用于所配属的进气阀和排气阀的第二曲轴18的气阀的升降运动(第三曲线48和第五曲线52分别用虚线表示)被移动。由此一方面可以通过移动的开启时间在第一曲轴16(进气凸轮20；第四曲线50)的进气阀和第二曲轴18(进气凸轮24；第五曲线52)的进气阀之间模拟一种米勒效应(图3)，其中另一方面防止在进气阀和活塞之间的碰撞。
这种模拟的米勒效应的前提是每个工作缸至少具有两个进气阀和每个工作缸具有一个，优选两个排气阀，其中每个工作缸的进气阀由不同的曲轴操纵。在此情况下一个凸轮轴16以常规的控制时间操纵所有进气阀和排气阀的一半。备选地在进气侧在一定的运行点，例如针对冷启动的运行点优化到最大的充气量。第二凸轮轴18操作其余的进气阀和排气阀并且在凸轮轮廓上针对“排气阀关闭”和“进气阀开启”这样地进行设计，使得该凸轮轴18在不发生活塞碰撞下实现大致60°KW+/-20°的调节范围。
通过将一个凸轮轴16的最早的“进气阀开启”和另一个凸轮轴18的最迟的“进气阀关闭”与每个工作缸的不同的气阀配置，实现该米勒效应，参见图4。
压缩最终温度的提升可以由此实现，即在UT42处在固定的凸轮轴16(第四曲线50)的“进气阀关闭”时，第二凸轮轴18(米勒轴)也在提前的方向上调节(第五曲线52；参见图5)。同时废气温度的升高(对于废气后处理是重要的)由此可以通过米勒轴18(第三曲线48)的“排气阀开启”的提前调节来实现，如图5所示。这有助于在冷启动之后快速加热废气催化器。
第一凸轮轴16在大致＝UT42处时具有一次ES(进气阀关闭)，以便在第二凸轮轴18的提前调节情况下达到最大的压缩比。作为对图3所示的在调节器28的0°调节下的状况的备选方案，也可以将其看作是第二凸轮轴18的0°位置，从而则仅仅还进行一次延迟调节。但是在每种情况下重要的是，第一凸轮轴16的进气凸轮与例如在柴油发动机情况下通常的ES相比较在UT之后大致10°-25°KW这样地被缩短，使得UT位置ES可以通过两个凸轮实现。

Claims (10)

1.内燃机，其按照自动点火法运行，该内燃机包括至少一个工作缸，其中每个工作缸配置至少两个进气阀和至少两个排气阀，其中设置两个凸轮轴(16，18)，它们中的一个凸轮轴(16，18)不仅操纵至少一个进气阀而且操纵至少一个排气阀，在其中一个不仅操纵至少一个进气阀而且操纵至少一个排气阀的凸轮轴(18)上布置有调节器(28)，该调节器将与该凸轮轴(18)配置的进气阀和排气阀的气阀控制时间相对于至少另一个凸轮轴(16)的气阀控制时间可选择地提前调节或延迟调节，其特征在于，第一凸轮轴(16)操纵一半的进气阀和排气阀和第二凸轮轴(18)操纵另一半的进气阀和排气阀，其中第一凸轮轴(16)具有固定的控制时间用于与该凸轮轴(16)配置的气阀，并且在第二凸轮轴(18)上布置所述调节器(28)。
2.按照权利要求1所述的内燃机，其特征在于，调节器(28)设计成具有用于气阀控制时间的60°KW+/-20°的调节范围。
3.按照权利要求1所述的内燃机，其特征在于，第二凸轮轴(18)这样地设计，在0°KW的调节角下与第二凸轮轴(18)配置的排气阀比与第一凸轮轴(16)配置的排气阀较早地关闭和与第二凸轮轴(18)配置的进气阀比与第一凸轮轴(16)配置的进气阀较迟地开启和较迟地关闭。
4.按照权利要求1所述的内燃机，其特征在于，第二凸轮轴(18)这样地设计，在0°KW的调节角下与第二凸轮轴(18)配置的进气阀和与第一凸轮轴(16)配置的进气阀同时地关闭。
5.用于运行按照自动点火法运行的内燃机的方法，该内燃机包括至少一个工作缸，其中每个工作缸配置至少两个进气阀和至少两个排气阀，其中设置两个凸轮轴，其中不仅至少一个进气阀而且至少一个排气阀可以由至少其中一个凸轮轴操纵，其中一个不仅操纵至少一个进气阀而且操纵至少一个排气阀的凸轮轴配置有调节器，该调节器将与该凸轮轴配置的进气阀和排气阀的气阀控制时间相对于另一个凸轮轴的气阀控制时间可选择地提前调节或延迟调节，其特征在于，第一凸轮轴(16)操纵一半的进气阀和排气阀和第二凸轮轴(18)操纵另一半的进气阀和排气阀，第一凸轮轴(16)具有固定的控制时间用于与该凸轮轴(16)配置的气阀，并且在第二凸轮轴(18)上布置所述调节器(28)。
6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，所述内燃机用于汽车，其中该调节器这样地调节气阀控制时间，使得在内燃机的废气中氧化氮 排放的值为小于0.18克/每汽车行驶公里。
7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，所述值小于0.1g/km。
8.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，所述值为0.08g/km。
9.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，所述内燃机用于汽车，其中该调节器这样地调节气阀控制时间，使得在内燃机的废气中颗粒物排放的值为小于0.005g/km。
10.按照权利要求9所述的方法，其特征在于，所述值为0.004g/km至0.002g/km。 
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