CN102216592A - 控制活塞发动机的涡轮增压器速度的方法以及涡轮增压活塞发动机的控制系统 - Google Patents

控制活塞发动机的涡轮增压器速度的方法以及涡轮增压活塞发动机的控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及控制活塞发动机的涡轮增压器速度的方法，其中，所述发动机运行在预定负载或者低于预定负载下，并且利用压缩器部对燃烧空气进行加压，通过第一进气门升程曲线来控制进气门，并且燃料在发动机(10)中燃烧，通过第一排气门升程曲线来控制排气门。发动机在超过预定负载时运行在第二操作模式下，其中，进气门的关闭较之第一操作模式被提前，并且压缩器部的出口与涡轮部的进口之间的空气流动增加，从而允许更多的燃烧空气流过压缩器部(25.1)。

Description

控制活塞发动机的涡轮增压器速度的方法以及涡轮增压活塞发动机的控制系统
技术领域
本发明涉及根据权利要求1前序部分所述的控制活塞发动机的涡轮增压器速度的方法。本发明涉及根据权利要求14前序部分的涡轮增压活塞发动机的控制系统。
背景技术
压缩点火式内燃机中的燃料燃烧以及燃料能量到机械功的转换受到诸多因素的影响，某些因素与过程有关，而某些因素与发送机的机械构造有关。现代的压缩点火式活塞发动机通常都设有增压器，一般是涡轮增压器。涡轮增压器装置是特别有利的，因为它利用了发动机的废气的能量。因此，通过使用涡轮增压器，可以例如增大发动机的输出和效率。然而，在实际使用中，涡轮增压器的压缩机是与废气涡轮一同操作的，所以涡轮增压器在发动机低负载操作条件下趋于低效率。此问题的通常解决办法是通过为尺寸略小的涡轮结合一个废气门的装备结合，在较高的负载的操作下，部分废气可以通过废气门绕开涡轮。然而，对于高负载操作逐渐增多之下(例如，发动机的燃料消耗率)的效率，使用废气门不是有益的。
针对通常希望使用的内燃机有一些操作目标。这种目标是特定的，但不是仅仅降低燃料消耗率及废气排放。使用涡轮增压器是提高内燃机性能的通常公认的方法。涡轮增压器的操作受到相关的压缩器和涡轮的特征和匹配(adaptation)的影响。在压缩器中使用高压比(即，在发动机的进气系统中使用相当高的充气压力)是有益的。涡轮增压器的压缩器部分的操作一方面受到与压缩器的最大流量相关的限制的限制，另一方面受到喘振裕度(surge margin)的限制。压缩器的喘振对于发动机的操作是有害的，因为压缩器一喘振，供应至发动机的燃烧空气的压力和流量就会减小。因此，为了确保在变化条件下压缩器和发动机的最佳运转，在压缩器的操作点与喘振极限之间应该有特定的安全裕度。另外，当操作点离开喘振极限特定距离时，压缩器的操作效率是最高的。
关于涡轮增压式活塞发动机的一个重要问题是气门正时。作为用于实现改变气门正时的装置的示例，我们引用了WO 9830787A1。它给出了用于控制内燃机的气门的装置，使得可以延迟发动机气门的打开并且更早地关闭气门，使气门的打开时间更短。根据该文件，该装置可以用于进气门和排气门，但是该文档未能公开这种装置的具体应用。
具体来讲，在大活塞发动机(即，气缸直径大于或等于200mm并且/或者能够产生超过150kW/气缸的功率的发动机)中，例如，由于相当大的燃烧空间，对发动机和燃烧过程的控制是非常费力的。而且运动部件的惯性对瞬变操作有影响。因此，对于发动机性能的要求最近明显提高，需要有高级的控制系统，通过该控制系统，发动机可以操作在就功率、排放和/或其它操作目标而言所需的限制内。
WO 2008/000899A1给出了一种调节内燃机的换气阀门的关闭时刻的装置，使得在例如发动机的不同负载情况下，气门的关闭可以比通常情况更晚。
US 6,105,555公开了一种具有用于防止在发动机操作中燃料快速减少瞬变期间涡轮增压功率快速减小的系统和方法的涡轮增压内燃机。提供了一种能够改变发动机排气门的打开正时的排气门控制装置。这种排气门控制装置将排气门的打开正时提前，以将额外的废气传送至涡轮，从而防止了压缩器速度的迅速减小，并且防止了压缩器喘振。
本发明的一个目的是提供一种控制活塞发动机的涡轮增压器速度的方法，该活塞发动机的操作比现有技术发动机更加高效。
发明内容
在本说明书的上下文中，措辞“百分比度”(％deg)表示相对气门位置在曲柄角的范围内的积分(integral)，其中，百分比表示与气缸直径有关的气门位置。曲柄角表示发动机的曲柄轴的位置，其中，从上止点开始的四冲程发动机在动力冲程之前的全循环包括720°。
本发明的目的通过一种控制活塞发动机的涡轮增压器速度的方法来实现，该活塞发动机包括至少一个进气门和至少一个排气门、用于操作气门的进气门操作系统和排气门操作系统，以及涡轮增压器装置，该涡轮增压器装置包括：压缩器部，其与至少一个进气门的进口侧流连接；以及涡轮部，其与至少一个排气门的排气侧流连接，在该方法中，发动机在第一操作模式下运行，其中，发动机操作在预定负载或者低于预定负载下，并且利用涡轮增压器装置的压缩器部对燃烧空气进行加压，通过第一进气门升程曲线(profile)来控制进气门，并且将空气引至汽缸，利用燃烧空气使燃料在发动机中燃烧，通过第一排气门升程曲线来控制排气门，并且将燃烧期间产生的废气送至涡轮增压器装置的涡轮部。本发明的特征在于，发动机在超过预定负载时运行在第二操作模式下，其中，进气门的关闭较之第一操作模式被提前，并且压缩器部的出口与涡轮部的进口之间的空气流动增加，从而允许更多的燃烧空气流过压缩器部。
根据本发明的优选实施方式，该发动机具有装配有废气门的涡轮增压器。在该情况下，将废气门控制成，使得废气门在第一操作模式下是打开的，而在第二操作模式下是关闭的。这在第二操作模式期间提供了更高的增压空气压力。增加的增压空气压力补偿了进气门提前关闭的影响，同时增大了发动机排气阶段经过发动机的气流。也可以将废气门控制成，使得废气门在第一操作模式下是关闭的，而在第二操作模式下保持关闭。
根据本发明的另一优选实施方式，该发动机具有没有废气门的涡轮增压器。在该情况下，将涡轮增压器设计为在第二操作模式下提供充分增加的增压空气压力，而在第一操作模式下提供所需的性能。
有利的是，在第二操作模式下，将进气门升程的关闭控制为在比第一操作模式期间早了大约20°曲柄角时关闭至汽缸孔(cylinderbore)的1％。
本说明书在定义中使用了1％打开位置，因为1％打开位置很容易检测，并且较之最初从完全关闭位置开始打开更明确。
根据本发明的实施方式，在第二操作模式期间，将进气门升程的关闭控制为在曲柄角位于下止点之前35°至65°之间时关闭至汽缸孔的1％。
根据本发明的另一实施方式，在第二操作模式期间，通过允许更多的空气穿过设置在发动机中在压缩器部的出口侧与涡轮部的进口侧之间延伸的旁路导管来增加在压缩器部的出口与涡轮部的进口之间的气流。
根据本发明的另一实施方式，通过外部点火来点燃燃料，并且在第一操作模式期间，排气门升程的关闭和进气门升程的打开是重叠的，形成了扫气区域(scavenging area)，并且在第二操作模式期间，将扫气区域控制为比第一操作模式期间大5％至300％。
根据本发明的另一实施方式，在发动机中进行了压缩点火，并且在第一操作模式期间，排气门升程的关闭和进气门升程的打开是重叠的，形成了扫气区域，并且在第二操作模式期间，将扫气区域控制为比第一操作模式期间大5％至60％。
有利的是，在第二操作模式期间，扫气区域大于150％deg。在第二操作模式期间，优选地将排气门升程的关闭控制为在比第一操作模式期间晚了大约15°的曲柄角时关闭至汽缸孔的1％。
优选地，对进气门进行操作，使得在打开移动期间，阀门升程处于1％位置，而曲柄角为上止点之前15°至50°之间。
根据本发明的另一实施方式，第二操作模式期间的燃料点火正时比第一操作模式的燃料点火正时提前了大于0°且小于等于5°(曲柄角)。优选地，燃料点火正时超前了大约2°至3°。
预定负载是发动机最大负载的70％至85％。
根据优选的实施方式，在第二操作模式期间，以超过预定的发动机负载来操作发动机，使得当利用由涡轮增压器组件加压的燃烧空气来燃烧燃料时，比第一操作模式更早地关闭发动机的进气门，并且增大了由涡轮增压器组件所获得的增压压力(boost pressure)，并且增大了压缩器部的出口侧与涡轮部的进口侧之间的旁路气流量，从而增大了流经压缩器部的空气量。
根据本发明的优选实施方式，发动机设有废气门，并且通过在第二操作模式期间关闭涡轮增压器组件的废气门而增大了增压压力。
还通过一种用于涡轮增压四冲程活塞发动机的控制系统来达到本发明的目的，该发动机具有带废气门进口和排气门的涡轮增压器，其中，至少进气门或排气门包括可调的气门操作系统，该控制系统包括处理单元、控制信号发送单元和控制信号接收单元，信号发送单元至少与发动机的一个气门操作系统相连，并且信号接收单元至少与监视发动机的负载、速度和/或至少一个燃烧过程变量的发动机传感器相连。处理单元被设置为处理由信号接收单元所接收的信号，并且提供要由信号发送单元发送的信号，使得基于来自监视发动机的负载、速度和至少一个燃烧过程变量的发动机传感器的任意一个的信息来开始(initiate)气门操作系统的状态的改变。
优选地，控制系统被设置为进行操作，使得当超过70％至73％的负载(第二操作模式)时，控制系统将废气门设置为并且/或者保持为关闭状态，并且提前进气门关闭时间，而延迟排气门关闭时间。
实践本方法的四冲程活塞发动机包括：至少一个进气门和至少一个排气门；进气门操作系统和排气门操作系统，其被设置为对气门进行操作；以及涡轮增压器装置，其包括与至少一个进气门的进口侧流连接的压缩器部以及与至少一个排气门的排气侧流连接的涡轮部。该活塞发动机在压缩器部的出口侧与涡轮部的进口侧之间设有可调的流连接，并且进气门操作系统包括用于调节进气门的关闭正时的装置。
这样就可以有效地控制发动机和涡轮增压器的操作。
有利的是，压缩器部的出口与涡轮部的进口之间的可调的流连接包括：进气门操作系统和排气门操作系统，其在排气门升程的关闭和进气门的打开运动期间具有可调的气门重叠。
这样，就可以通过控制对发动机的热负荷有积极效果的气门重叠来有利地控制涡轮增压器的操作。
根据本发明的实施方式，压缩器部的出口与涡轮部的进口之间的可调的流连接包括可调的气门重叠，使得进气门操作系统具有可调的气门打开正时。
根据本发明的另一实施方式，压缩器部的出口与涡轮部的进口之间的可调的流连接包括可调的气门重叠，使得排气门操作系统具有可调的气门关闭正时。
根据本发明的另一实施方式，压缩器部的出口与涡轮部的进口之间的可调的流连接包括旁路导管以及提供在该导管中的控制阀。
本发明有许多益处。例如，本发明提供了对于涡轮增压器的压缩器部的操作的有效控制。此外，将发动机的热负荷最小化。更明确地讲，本发明提供了控制发动机的点燃压力和发动机高负载范围内的涡轮增压器的速度的有效方法。此外，由于进气门的关闭提前，所以减少了NOx的排放。在发动机高负载范围也减少了燃料消耗率。
附图说明
下面将参照示例性、示意性的附图来描述本发明，在附图中：
图1例示了根据本发明第一实施方式的活塞发动机，
图2例示了根据本发明第一实施方式的气门升程曲线，
图3例示了关于本发明的示例性压缩器性能图，
图4例示了根据本发明第二实施方式的气门升程曲线，
图5例示了根据本发明第三实施方式的气门升程曲线，
图6例示了根据本发明第二实施方式的活塞发动机，
图7例示了根据本发明实施方式的涡轮增压四冲程活塞发动机中的控制系统。
具体实施方式
图1示意性示出了活塞发动机10的一部分。所述发动机包括布置在发动机的主体20中的汽缸15。所述发动机是具有涡轮增压器装置25的涡轮增压四冲程发动机。涡轮增压器装置25连接至其换气系统30。涡轮增压器装置25包括压缩器部25.1和涡轮部25.2，其基本操作和构造同样是已知的。在图1的实施方式中，只有单个涡轮增压器连接至发动机，但明确的是，压缩器装置也可以包括多于一个涡轮增压器的组合。
为了使图更加清楚，各个汽缸15包括：一个进气门35；一个排气门40；以及气门操作系统45、50，其被设置为针对发动机的曲柄角来打开和关闭气门。然而，实际上，关于本申请，气门的数量可以多于一个。气门操作系统优选地包括连接至发动机的曲柄轴的凸轮轴，为了清楚，没有将其在此示出。压缩器部25.1被设置为与进气门35流连接。另外，涡轮部25.2被设置为与发动机的排气门40流连接。实际上，当涉及多缸发动机时，可以将压缩器部连接至发动机的储气罐(airreceiver)，并将涡轮部连接至发动机的排气歧管。
在本发明的第一实施方式中，在发动机中还设置了旁路导管55，如图1所示，其在压缩器部的出口侧与涡轮部的进口侧之间延伸。更明确地讲，在该实施方式中，导管被设置为将发动机的储气罐连接至排气歧管，但是也可以将导管集成在涡轮增压器装置25中。旁路导管55设有可控的流量调节装置60，例如控制阀。因而，通过旁路导管55在压缩器部的出口侧与涡轮部的进口侧之间形成了可调的流量连接。
此外，根据本发明的第一实施方式，至少进气门35的气门操作系统45设有用于调节气门的关闭正时的装置。进气门操作系统45被设置为进行操作，使得在发动机操作期间可以调节进气门的关闭正时。就此而论，该装置设置不同状态之间或连续控制的操作。这使得可以实践关于根据本发明第一实施方式的发动机的以下方法，其中，基于发动机的负载来改变操作模式。
当发动机操作在预定负载或低于预定负载的第一操作模式下时，根据本发明的实施方式对排气门操作系统50和进气门操作系统45进行操作，使得气门按照图2中的实线所描绘的升程曲线来操作。应注意的是，在图2中，仅示出了与解释本发明的操作相关的曲柄角的范围。在该语境中，用与所涉及的汽缸孔直径的关系来表示气门升程(即，气门的位置)。在图2中，以实线示出排气门的气门升程曲线210，其中，根据排气门的气门升程曲线210对排气门操作系统45进行设置，以控制排气门40的操作。如图所示，在本发明的第一实施方式中，排气门升程在第一操作模式与第二操作模式之间基本不变。因此，也以实线示出进气门的气门升程曲线220，其中，根据进气门的气门升程曲线220对进气门操作系统45进行设置，以在第一操作模式下控制进气门35的操作。
在图2所示的实施方式中，对排气门进行操作，使得关闭动作期间的升程曲线位于打开位置的1％，而曲柄角为上止点之后0°至15°之间，优选地3°至6°之间。排气门的总的打开动作是大约7.5％，并且关闭动作的开始发生在大约290°的曲柄角处。这提供了根据本发明第一实施方式的发动机的排气门的适当操作。
在本发明的第一实施方式中，如图2所示，所谓的扫气区域230的面积大约为95％deg。
转而对进气门35进行操作，使得打开期间的气门升程220优选地处于1％的位置，而曲柄角为上止点之前15°至50°之间，优选地为30°至40°之间。在气门关闭期间，气门升程220优选地处于1％的位置，而曲柄角为下止点之前35°至65°之间，优选地为40°至50°之间。
根据本发明的第一实施方式，当发动机操作在第二操作模式时，预定负载之上的操作包括以下阶段。在图2中，以虚线示出进气门的气门升程曲线220’，其中，根据进气门的气门升程曲线220’对进气门操作系统45进行设置，以在第二操作模式下控制进气门35的操作。在第二操作模式期间，对进气门35进行操作，使得关闭动作期间的升程曲线220’优选地处于1％的位置，而曲柄角是下止点之前35°至65°之间，优选地为50°，其早于第一操作模式大约20°。这样，通过比第一操作模式更早地关闭气门而减小了进气门打开的时间。优选地，与第一操作模式相比，整体的关闭动作基本上提前了大约20°。
实际上，在该发动机的操作中，这意味着由于发动机的负载增大，从涡轮增压器装置得到的增压压力自然地增大。然而，根据本发明，增压压力比常规情况增加得更多，这是由于利用废气门涡轮增压器，通常在更高的负载下打开废气门。在根据本发明的发动机操作时，通过关闭涡轮增压器的废气门，增大了从第二操作模式下的涡轮增压器装置得到的增压压力。根据本发明的另一实施方式，通过使涡轮增压器装置的操作与缩短的进气门打开时间相匹配(例如，通过涡轮增压器的适当总尺寸)，增大了从第二操作模式下的涡轮增压器装置得到的增压压力。
这对于发动机在几种方式中的总体操作是有益的。虽然打开时间减少了，但是所得到的更高的增压压力实质上补偿了充入汽缸的空气量。
此外，根据本发明的第一实施方式，同时地通过更早地关闭气门来减少进气门的打开时间，压缩器部25.1的出口侧与涡轮部的进口侧之间的流连接(即，旁路55)是打开的，从而允许更多的燃烧空气流过涡轮增压器装置25的压缩器部25.1。这样，压缩器部25.1在压缩器部性能图中的操作点就向离喘振线更远的方向移动。
有利的是，预定负载优选地是发动机最大负载的70％至85％。因而，发动机在第一操作模式下操作在发动机最大负载的70％至85％或更低，而发动机在第二操作模式下操作在高于发动机最大负载的70％至85％。
图3中例示了与压缩器部25.1相关的本发明的操作，图3是压缩器部25.1的示例性压缩器性能图。用标号310来例示第一操作模式(即，预定负载或更低)期间的操作线。当发动机的负载和压缩器部的角速度分别增大时，由压缩器部得到的压力稳定地增大。这时，在以标号320例示的特定点处，开始第二操作模式。如果负载高于点320，则得到的操作线330就遵循较之传统废气门控制涡轮增压器装置有所改动的操作线，以标号340的虚线示出前者的操作线。在传统的配置中，当操作在操作线340上时，废气门是打开的。通过控制如上所述的进气门关闭正时和压缩器部25.1的出口侧与涡轮部的进口侧之间的流连接的组合来控制改动后的操作线330的位置，以将操作线330保持在特定的喘振裕度的右侧(在图3中)，即，图中的阴影区域350。喘振裕度距离压缩器部25.1的喘振线360大约10％至15％。因而，在该方法中，基于所使用的涡轮增压器的压缩器性能图来确定转至第二操作模式的点。
在图3中还示出了假想的操作线330’，其表示第二操作模式不包括以下步骤的条件：通过更早地关闭气门来减少进气门的打开时间，同时打开压缩器部25.1的出口侧与涡轮部的进口侧之间的流连接，从而允许更多的燃烧空气流过涡轮增压器装置25的压缩器部25.1。这样，压缩器部25.1在压缩器性能图中的操作点就从喘振线变为更远的位置，从330’到330。
喘振裕度提供了对操作点喘振的接近程度的量度。在该语境中将喘振裕度定义为：
喘振裕度＝100％*(qw-qs)/qw
其中，qw是操作线处的体积流量(volume flow)，而
qs是喘振线处的体积流量。
因而，根据本发明的第一实施方式，在第二操作模式期间，发动机操作在超过预定发动机负载的负载下，从而当通过涡轮增压器组件对燃烧空气加压来使燃料燃烧时，发动机的进气门比第一操作模式更早地关闭，由涡轮增压器组件得到的增压压力增大，并且在压缩器部25.1的出口侧与涡轮部的进口侧之间流动的旁路空气的量增大了，从而增大了流过压缩器部的空气量。
这提供了控制发动机的操作的有效方式，更明确地讲，提供了控制涡轮增压器装置的压缩器部25.1的操作的有效方式，其在发动机的操作中产生了若干有利效果。
可以通过本发明的第二实施方式来实现压缩器部25.1和发动机10的基本上等价的行为，并且可以进一步得到某些附加的有利效果。根据在图6中描绘的本发明的第二实施方式，发动机10与在图1中所示的发动机的不同一方面在于不需要旁路导管55。另一方面，排气门操作系统50具有可调的气门操作功能。根据本发明的第二实施方式，进气门35的气门操作系统45具有用于调节气门的关闭正时的装置。进气门操作系统45被设置为进行操作，使得在发动机操作期间可以调节进气门的关闭时间。就此而论，这表示对不同的状态之间的操作或者连续控制进行设置。这使得可以实践与根据本发明第二实施方式的发动机相关的以下方法。而且，排气门40的气门操作系统50具有用于调节气门的关闭正时的装置。排气门操作系统50被设置为进行操作，使得在发动机操作期间可以调节进气门的关闭时间。就此而论，这表示对不同的状态之间的操作或者连续控制进行设置。这使得可以实践与根据本发明第二实施方式的发动机相关的以下方法，其中，基于发动机的负载来改变操作模式。
参照图4来说明根据本发明的第二实施方式的方法。现在，当发动机在第一操作模式中操作在预定负载或更低负载时，排气门操作系统50和进气门操作系统45根据如图4所描绘的本发明的第二实施方式进行操作。这里仅示出与说明本发明的操作相关的曲柄角的范围。在图4中以实线示出排气门的气门升程曲线210，其中，根据排气门的气门升程曲线210对排气门操作系统45进行设置，以在第一操作模式下控制排气门40的操作。相应地，也以实线示出进气门的气门升程曲线220，其中，根据进气门的气门升程曲线220对进气门操作系统45进行设置，以在第一操作模式下控制进气门35的操作。
在图4所示的实施方式中，在第一操作模式下操作排气门，使得关闭动作期间的升程曲线位于1％打开位置，而曲柄角是上止点之后0°至15°之间，优选地3°至6°之间。排气门的总的打开动作是大约7.5％，并且关闭动作的开始发生在大约290°的曲柄角处。
在第一操作模式期间，所谓的扫气区域230的面积大约为95％deg。
转而对进气门35进行操作，使得在打开动作期间气门升程220优选地处于1％的位置，而曲柄角为上止点之前的15°至50°之间，优选地30°至40°之间。在气门的关闭动作期间，气门升程曲线220优选地处于1％的位置，而曲柄角是下止点之前35°至65°之间，优选地40°至50°之间。
根据本发明的第二实施方式，当发动机操作在第二操作模式时，按照图4中描绘的虚线对排气门操作系统50和进气门操作系统45进行操作。在图4中，以虚线示出排气门的气门升程曲线210’，其中，根据排气门的气门升程曲线210’对排气门操作系统45进行设置，以在第二操作模式下控制排气门40的操作。相应地，也以虚线示出进气门的气门升程曲线220’，其中，根据进气门的气门升程曲线220’对进气门操作系统45进行设置，以在第二操作模式下控制进气门35的操作。
在图4的示例性实施方式中，在第二操作模式下操作排气门，使得关闭动作期间的升程曲线位于1％打开位置，而曲柄角位于上止点之后15°至25°之间。排气门的关闭操作的开始发生在大约310°的曲柄角处。转而在第二操作模式下对进气门35进行操作，使得关闭动作期间的升程曲线220’优选地处于1％位置处，而曲柄角在下止点之前35°到65°之间。
实际上，对于本发明，比精确的排气门关闭和进气门打开的曲柄角度值更为重要的是扫气区域230。在第二操作模式期间，所谓的扫气区域230的面积大约为160％deg。因而，在本发明的第二示例性实施方式中，当从第一操作模式变为第二操作模式时，扫气区域230增大了大约70％。
应理解的是，从第一操作模式变为第二操作模式在不同种类的发动机中可能涉及十分不同的改变，也取决于发动机的实际应用。然而，共同的特征是总将进气门升程的关闭提前，并且在压缩器部的出口与涡轮增压器的涡轮部的进口之间布置增大的空气通路。优选地，通过增大如上所述的扫气区域来实现增大的空气通路。
举个例子，在通过外部点火(例如，火花或激光束)来点燃燃料的内燃机中，第一操作模式期间的扫气区域可能非常小，有时甚至是零。在这种情况下，第二操作模式期间的气门重叠(即，扫气区域)可以增大几百个百分点。
在柴油发动机中，第二操作模式期间的扫气区域通常增大5至60个百分点。
因此，根据本发明的第二实施方式，发动机操作在第二操作模式期间，使得当利用由涡轮增压器组件加压的燃烧空气来燃烧燃料时，比第一操作模式更早地关闭发动机的进气门，并且增大了由涡轮增压组件所获得的增压压力，并且比第一操作模式更晚地关闭发动机的排气门，从而增大了通过发动机的气流。优选地，通过关闭涡轮旁路或者保持其关闭来增大由涡轮增压器组件所得到的增压压力。
这对于控制如图3所示的发动机10和涡轮增压器的压缩器部25.1的操作提供了等价的操作和益处。在本发明的第二实施方式中，通过在第二操作模式夏更早地关闭气门来减少进气门打开的时间。虽然打开时间减少了，但是所得到的更高的增压压力实质上补偿了充入汽缸的空气量。同时通过更早地关闭气门来减少进气门的打开时间，通过更晚地关闭排气门来增加排气门的打开时间。这在第二操作模式期间增加了气门打开时期的重叠，允许更多的空气流过发动机10，因而也流过涡轮增压器装置25的压缩器部25.1。这样，压缩器部25.1在压缩器性能图中的操作点从喘振线移向更远的位置。
利用本发明的第二实施方式，其中，第二操作模式期间的操作包括增大气门重叠(即，所谓的扫气区域230)，同时将进气门的关闭提前，在扫气阶段有更多的空气流过发动机。该实例中的扫气阶段的气门重叠基本上发生在曲柄角310°至380°之间。
根据本发明的另一实施方式，控制进气门和排气门的操作，使得扫气区域在排气门一侧是非对称的。
容许空气流过发动机10而不(或者额外地)使用旁路导管55对于减少汽缸和汽缸盖中的发动机组件的热负荷有积极的效果，这些组件主要是气门和活塞顶部。
图5中示出了根据本发明第三实施方式的气门的操作。根据第三实施方式的发动机与根据第二实施方式的发动机相对应，即，省略了旁路导管。第三实施方式在第一操作模式期间的操作与第二实施方式相对应，并且第三实施方式在第二操作模式期间的操作与第二实施方式相对应，只是对进气门操作系统45的操作进行设置，使得与第一操作模式期间的操作相比，打开正时和关闭正时均被提前。提前关闭正时的效果与第一实施方式和第二实施方式相对应。
在这种情况下，扫气区域230增大了约50％，同时从第一操作模式变为第二操作模式。
通过控制排气门的关闭正时和进气门的打开正时的组合来增加本发明的第三实施方式中的第二操作模式期间的气流，从而增大了扫气阶段的气门重叠范围和扫气区域230。
实际上，可以用各种方式来实现气门操作系统45和50。可以如WO 2008/000899中所公开的方式来实现关闭正时的改变或调节。
现在转向图6来描述本发明的另一实施方式。该发动机具有控制系统200，其在发动机10的其它操作之外进行配置，利用气门操作系统45、50以及燃料喷射和/或点火系统61来控制例如气门35、40的操作。控制系统包括存储器单元207，其中存储有发动机的操作参数。控制系统200包括处理单元202，其被设置为定义发动机的工况。假如控制系统200获得发动机的负载改变、使得负载增大并超过预定负载的信息，则控制系统200控制进气门更早地关闭。除此之外，控制系统200还如上所述与第二实施方式相关地控制排气门更晚地关闭。此外，假如发动机是直喷发动机(例如，柴油发动机或煤气发动机)，则控制系统控制燃料喷射系统61将喷射和/或点火正时提前。对于煤气发动机，这包括控制引燃燃料的喷射和/或火花塞或其它点火系统。
这由处理单元202来执行。基于发动机负载和/或速度的测量，控制系统控制气门操作系统45、50，使得实际的喘振裕度保持在较低设定值和较高设定值之间。优选地，较低设定值是大约10％，较高设定值是大约15％。
将喘振裕度保持在较低设定值和较高设定值之间包括以下步骤：
1)假如实际喘振裕度低于较低设定值
-控制气门操作系统45、50来使气门动作，使得扫气区域230的尺寸增大，即，气门的重叠增加大约360°曲柄角，并且/或者
-控制进气门操作系统45来使进气门动作，从而延迟关闭正时。
2)假如实际喘振裕度高于较高设定值
-控制气门操作系统45、50来使气门动作，使得扫气区域230的尺寸减小，即，气门的重叠减小大约360°曲柄角，并且/或者
-控制进气门操作系统45来使进气门动作，从而提前关闭正时。
在第二操作模式期间进气门关闭的提前导致NOx排放的急剧减少。因而在第二操作模式期间提前燃料喷射正时是有利的。优选地，第二操作模式期间的燃料喷射正时相对于第一操作模式提前了至少0°至5°(曲柄角)。举个例子，当发动机操作在第一操作模式时，燃料喷射发生在上止点之前大约13°至15°，而在第二操作模式期间，燃料喷射可以发生在下止点之前大约17°。这样，第二操作模式期间的特定燃料消耗可以显著低于传统的废气门控制涡轮增压发动机。
图7示意性地示出了根据本发明另一实施方式的用于活塞发动机10的控制装置。所述发动机包括布置在发动机的主体20中的汽缸15。所述发动机是涡轮增压四冲程发动机，其具有涡轮增压器装置25。更具体地讲，所述发动机是大活塞发动机，其汽缸直径大于等于200mm，并且/或者被设置为产生基本上大于150kW/汽缸的功率。
涡轮增压器装置25连接至发动机的换气系统30。涡轮增压器装置25包括压缩器部25.1和涡轮部25.2，其基本操作和构造同样是已知的。此外，涡轮增压器设有废气门系统25.3，其允许或防止部分废气旁路涡轮部。在图7的实施方式中，单个涡轮增压器连接至发动机，但是清楚的是，压缩器装置也可以包括多于一个涡轮增压器的组合。
为了使图7更加清楚，各个汽缸15都包括：一个进气门35；一个排气门40；以及气门操作系统45、50，其被设置为针对发动机的曲柄角来打开和关闭气门。压缩器部25.1被设置为与发动机的进气门35流连接。对应地，涡轮部25.2被设置为与发动机的排气门40流连接。实际上，当涉及多缸发动机时，可以将压缩器部连接至发动机的储气罐，并将涡轮部连接至发动机的排气歧管。所述发动机还设有燃料喷射和/或点火系统61。
配置有与发动机10及其控制系统200相关的传感器，以监视与发生在发动机中的燃烧过程有关的和/或与发动机的特定过程装置有关的特定变量。
在图7中，发动机设有充入空气温度传感器151和充入空气压力传感器152。这些传感器提供了表示例如涡轮增压器的压缩器部25.1的运转的信息。该发动机还设有速度传感器154和发动机负载传感器155。该发动机还设有排气温度传感器153、汽缸爆震/点火正时/汽缸压力传感器156。这些都是用于监视燃烧过程变量的传感器。也存在其它燃烧过程变量，可以利用例如燃料喷射正时和持续时间的可用信息来确定这些变量。
优选的是，至少进气门35的气门操作系统具有用于调节气门的关闭正时的装置。进气门操作系统45被设置为进行操作，使得可以由控制系统200在发动机操作期间调节进气门的关闭时间。
控制系统200被设置为通过将进气门设置为在至少两个不同状态之间关闭来控制根据优选实施方式的进气门操作系统的操作。这使得能够实践与根据本发明的第一实施方式的发动机相关的以下方法，其中，基于发动机的负载来改变操作模式。
控制系统200包括处理单元202、控制信号发送单元204以及控制信号接收单元206。控制信号发送单元204被设置为从控制系统向所选择的装置发送信号。在发动机中还设置有致动器25.3、45，以改变发动机的控制装置的状态。信号发送单元204也至少与发动机的进气门操作系统45相连。取决于应用，信号发送单元204也与涡轮增压器的废气门25.3相连。信号接收单元被设置为接收进入控制系统的信号。信号接收单元被设置为与发动机传感器相连接，其中，发动机传感器监视发动机的变量，具体来讲，监视发动机的负载154、速度155和/或至少一个燃烧过程变量151、152、153、156。
处理单元202被设置为处理由信号接收单元206接收的信号，并且提供要由信号发送单元204发送的信号。控制系统被设置为以这种方式进行操作，即，基于来自任意一个发动机传感器的信息来开始改变气门操作系统45、50的状态，其中，所述传感器监视发动机的负载155、速度154、至少一个燃烧过程变量和/或外部激活160。这使得能够利用综合的方法来控制涡轮增压四冲程发动机的进气门的操作。
当控制系统200在第一操作模式下以预定负载或低于预定负载操作气门时，排气门操作系统50和进气门操作系统45根据本发明的实施方式进行操作，使得按照图2中的实线所描绘的升程曲线来操作气门。
假如监视发动机的负载155、速度154、至少一个燃烧过程变量或外部激活160的任何一个发动机传感器超过了极限值，则控制系统200开始将操作状态从第一操作模式改为第二操作模式，从而按照图2中的虚线所描绘的升程曲线来操作气门。
进气门的关闭瞬间对发动机运转中(process-vice)的行为有显著的影响。关闭瞬间影响了进气门打开的总时间，因而影响了燃烧空气的量。此外，关闭瞬间影响了压缩冲程之后充入空气的温度。根据本发明，控制系统200被设置为以这样的方式进行操作，即，基于来自监视发动机的负载、速度以及至少一个燃烧过程变量的任何一个发动机传感器的信息来开始改变进气门操作系统45的状态。这样，在发动机的各种运行情况期间，发动机的燃烧都处于严格的控制之下。
针对监视发动机的运转和/或其它发动机的运转变量的各个传感器，为控制系统设置了单独的极限值。可以将这些变量优选地分为三个基本事件组：1)速度/负载激活；2)负载瞬变激活；3)外部激活。因而，通过属于任一事件组的变量的预定改变来开始改变进气门操作系统的状态(即，进气门关闭定时的状态)。
速度/负载激活是基于发动机的多个预定工作范围，其中，各个定义的工作范围都与存储在控制系统中的或者控制系统可用的气门的特定状态有关。当速度/负载的实际值超过相邻的工作范围的设置之间的极限值时，开始由当前的速度/负载引起的气门状态转换。
负载瞬变激活是基于存储在控制系统中的或者控制系统可用的、与发动机的运转变量相关的极限值。针对各个监视的变量存在极限值，并且处理单元被设置为，假如任一变量的信号的实际值超过负载的极限值，则开始改变进气门操作系统的状态。
外部激活是基于进气门操作系统的状态开始改变的任何期望的外部事件。
速度/负载激活实际上表示发动机的负载增加或减少，使得速度/负载的实际值超过极限值。当发动机的负载增大而超过极限值时，从涡轮增压器装置获得的增压压力也自然增大。在根据本发明的控制系统的操作中，控制系统被设置为，通过开始涡轮增压器的废气门的关闭、或者保持其关闭，同时充分地将进气门的关闭提前，来增大从涡轮增压器装置获得的增压压力。优选地，当发动机的负载超过发动机的最大负载的70％至80％时进行以上操作。
尽管通过与目前认为是最优选的实施方式相关的示例在此描述了本发明，但是应理解的是，不将本发明限制于所公开的实施方式。当技术上可行时，可以将关于任何上述实施方式的细节用于另一实施方式。

Claims (15)

1.一种控制活塞发动机的涡轮增压器速度的方法，所述活塞发动机包括：至少一个进气门(35)和至少一个排气门(40)；进气门操作系统(45)和排气门操作系统(45)，其被设置为操作所述气门(35、40)；以及涡轮增压器装置，该涡轮增压器装置包括：压缩器部，其与所述至少一个进气门的进口侧流连接；以及涡轮部，其与所述至少一个排气门的排气侧流连接，在该方法中，发动机在第一操作模式下运行，其中，发动机在预定负载或者低于预定负载下工作，并且利用所述涡轮增压器装置的压缩器部对燃烧空气进行加压，通过第一进气门升程曲线来控制所述进气门，并且将空气引至汽缸，利用燃烧空气使燃料在发动机(10)中燃烧，通过第一排气门升程曲线来控制排气门，并且将燃烧期间产生的废气送至所述涡轮增压器装置的所述涡轮部，
该方法的特征在于，所述发动机在超过预定负载时运行在第二操作模式下，其中，所述进气门的关闭较之第一操作模式被提前，并且所述压缩器部的出口与所述涡轮部的进口之间的空气流动增加，从而允许更多的燃烧空气流过所述压缩器部(25.1)。
2.根据权利要求1所述的操作活塞发动机的方法，其特征在于，在第二操作模式期间，将所述进气门的关闭控制为在曲柄角位于下止点之前35°至65°之间时关闭至汽缸孔的1％。
3.根据权利要求1所述的操作活塞发动机的方法，其特征在于，在第二操作模式下，将所述进气门升程的关闭控制为在曲柄角比第一操作模式期间早了大约20°时关闭至汽缸孔的1％。
4.根据权利要求1所述的操作活塞发动机的方法，其特征在于，在第二操作模式期间，通过允许更多的空气穿过设置在所述发动机(10)中的旁路导管(55)来增加所述压缩器部的出口与所述涡轮部的进口之间的气流，其中，该旁路导管(55)在所述压缩器部的出口侧与所述涡轮部的进口侧之间延伸。
5.根据权利要求1所述的操作活塞发动机的方法，其特征在于，通过外部点火来点燃燃料，并且在第一操作模式期间，所述排气门升程的关闭和所述进气门升程的打开是重叠的，形成了扫气区域，并且在第二操作模式期间，将该扫气区域(230)控制为比第一操作模式期间大5％至300％。
6.根据权利要求1所述的操作活塞发动机的方法，其特征在于，在发动机中进行压缩点火，并且在第一操作模式期间，所述排气门升程的关闭和所述进气门升程的打开是重叠的，形成了扫气区域(230)，并且在第二操作模式期间，将该扫气区域控制为比第一操作模式期间大5％至60％。
7.根据权利要求1所述的操作活塞发动机的方法，其特征在于，在第二操作模式期间，所述扫气区域(230)大于150百分比度。
8.根据权利要求1所述的操作活塞发动机的方法，其特征在于，对进气门(35)进行操作，使得在打开移动期间，所述进气门(35)处于1％位置，而所述曲柄角位于上止点之前15°至50°之间。
9.根据权利要求1所述的操作活塞发动机的方法，其特征在于，对所述气门操作系统(45、50)进行操作，使得扫气区域(230)是非对称的，从而所述进气门升程曲线针对上止点形成了比所述排气门升程曲线更大的区域。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的操作活塞发动机的方法，其特征在于，第二操作模式期间的燃料喷射正时比第一操作模式提前了至少0°至5°。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的操作活塞发动机的方法，其特征在于，所述预定负载是所述发动机的最大负载的70％至85％。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的操作活塞发动机的方法，其特征在于，在第二操作模式期间，以超过所述预定发动机负载来操作所述发动机，使得当利用由涡轮增压器组件加压的燃烧空气来燃烧燃料时，比第一操作模式更早地关闭发动机的进气门，并且增大由所述涡轮增压器组件获得的增压压力，并且增大了所述压缩器部(25.1)的出口侧与所述涡轮部的进口侧之间的旁路空气流量，从而增大了流经所述压缩器部的空气量。
13.根据权利要求12所述的操作活塞发动机的方法，其特征在于，通过在第二操作模式期间关闭所述涡轮增压器组件的废气门来增大所述增压压力。
14.一种用于涡轮增压活塞发动机的控制系统(200)，所述涡轮增压活塞发动机具有带废气门的涡轮增压器、进口(35)和排气门(40)，其中，至少进气门或排气门包括可调的气门操作系统(45、50)，所述控制系统(200)包括处理单元(202)、控制信号发送单元(204)和控制信号接收单元(206)，所述信号发送单元至少与所述发动机的一个气门操作系统(45、50)相连，并且所述信号接收单元至少与监视发动机的负载、速度和/或至少一个燃烧过程变量的发动机传感器相连，
该控制系统的特征在于，所述处理单元被设置为处理由所述信号接收单元接收的信号，并且提供要由所述信号发送单元发送的信号，从而基于来自监视发动机的负载、速度和至少一个燃烧过程变量的任意一个发动机传感器的信息来开始改变所述气门操作系统的状态。
15.根据权利要求14所述的用于涡轮增压四冲程活塞发动机的控制系统(200)，其特征在于，所述控制系统被设置为进行操作，使得当超过70％至73％的负载时，所述控制系统将所述废气门(25.3)设置为并且/或者保持为关闭状态，并且使进气门关闭(220’)时间提前，使排气门关闭(210’)延迟。
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