CN102787951B - 具有进气空气加热的内燃发动机及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及具有进气空气加热的内燃发动机及其操作方法。提供用于发动机系统的实施例。具有至少一个汽缸盖和至少两个汽缸的一种示例性内燃发动机，其中每个汽缸都具有至少一个用于向所述汽缸供应燃烧空气的进气口，该内燃发动机包含：进气管线，其通向每个进气口；总进气管线，在此至少两个汽缸的所述进气管线合并以形成分配器连接点；以及加热装置，其被设置在所述总进气管线中，其具有至少有一个条状加热元件，其横截面的第一窄侧面面朝进气燃烧空气流，其中，所述加热装置被设置成邻近所述分配器连接点，在该分配器连接点处所述进气管合并从而形成所述总进气管线，所述加热装置和所述分配器连接点之间的间隔小于汽缸的直径。

Description

具有进气空气加热的内燃发动机及其操作方法
相关申请
本申请要求2011年5月16日提交的欧洲专利申请号11166157.5的优先权，其全部内容包括在此以供参考。
技术领域
本公开涉及内燃发动机。
背景技术
在本公开的内容中，表述“内燃发动机”具体地包含火花点火发动机，但是也包含柴油发动机，以及也包含混合动力内燃发动机。
内燃发动机具有汽缸体和至少一个汽缸盖，其彼此相连，从而形成汽缸。为了控制充气交换，内燃发动机需要控制元件(通常为阀门的形式)以及用于致动所述控制元件的致动装置。将阀门运动所需的阀门致动机构(包括阀门本身)称为阀动装置。汽缸盖常常用于容纳阀动装置。
在充气交换期间，通过汽缸的出气口释放燃烧气体，并且通过进气口发生燃烧室的充气，也就是说燃烧空气的引入。如果内燃发动机配备有排气再循环系统，那么除了从环境吸入的新鲜空气外，燃烧空气也可包含排气。如果不直接将燃料注入汽缸，而是例如被引入到汽缸上游的进气管，则不仅将燃烧空气也将燃料通过进气口供应给汽缸。
阀动装置的目标是在正确的时间开启和闭合进气口和出气口，且快速打开最大可能的流动横截面以便保持进入气流或排出气流的节流损耗较小，并且以便确保燃烧室最大可能地充有新鲜混合物和有效的(即完全的)排气排出。
依照现有系统，通往进气口的进气管线被至少部分集成在汽缸盖中，并且通常合并以形成单个总进气管线，以便形成至少一个所谓的进气歧管。
对内燃发动机的进口区域存在各种需要。除了其他事物，还考虑提供这样的进气管线的设置和设计，为了确保以新鲜混合物良好充气汽缸，该设置和设计导致进气燃烧空气中尽可能少的损失压力。
进气管线的几何构造进一步对汽缸中的充气运动具有影响，并且因此影响混合物形成，特别是在直接喷射内燃发动机中。因此，常常将进气管线设计成产生所谓的滚流或旋流，其加速且帮助混合物形成，其中，滚流是绕与曲柄轴的纵轴线平行的虚拟轴线的空气旋涡，而旋流是其轴线平行于活塞或汽缸纵轴线的空气旋涡。
在充气交换期间，沿进气管中的流径的压力变化。这种局部压力波动随着气态介质中的波而传播。为了使得可以利用这些动态波过程来优化充气交换，例如可能将进口区域设计成朝向进气冲程的末端，正压波抵达进气口，该正压波引起压缩，并且因此引起一定的后续充气效应。此处，具有可变长度的进气管线是有利的。
多种多样的附加管线，例如排气再循环系统的再循环管线或充气空气冷却器或压缩机的旁通管线，可以通入进气管线或总进气管线中。
此外，内燃发动机可配备有加热装置，其被设置在进口区域，也就是说进气区域内，并且用于加热进气空气。
进气空气的加热可用于各种目的，例如为了缩短冷启动后的暖机阶段，如DE 19854 077 A1中所述。
德国公开说明书DE 10 2006 030 464 A1也在启动和暖机阶段之外在大容量柴油机中利用对进气空气的加热，以便当使用低十六烷值的燃料时避免怠速时熄火。此外，在颗粒过滤器再生期间启用加热元件，并且当发动机扭矩和发动机转速低于预定最小值时也启用加热元件。
例如在德国公开说明书DE 102 14 166 A1和欧洲专利EP 0 793 399 B1中描述适合在内燃发动机中使用的加热装置。
从现有系统已知的所述加热装置包含条状加热元件，其可电加热，并且其具有矩形横截面轮廓。条状加热元件以如下方式被设置在进口区域中，即其矩形横截面对进气燃烧空气施加最小的可能阻力。条状加热元件的横截面的第一窄侧面面向进气燃烧空气流，而矩形横截面的长侧面沿流动方向延伸，以便进气燃烧空气在较大的纵向侧面上切向流动。横截面的这种对齐不仅从流动方向是有利的，而且关于通过对流的传热也是有利的。
在DE 198 54 077 A1中详细说明内燃发动机的进气区域中的加热装置的设置，只是说明，可将加热装置基本设置在进气区域中提供的充气空气冷却器的下游。上述方法也讨论加热装置本身的构造，特别是用作插座或框架的法兰的构造，并且也讨论了条状加热元件的设计以及其所用的材料或材料混合物。
发明内容
然而，发明人在此已认识到，进气加热器可以被构造成除了加热充气空气之外还优化进入汽缸的空气流。因而，提供用于内燃发动机的实施例。具有至少一个汽缸盖和至少两个汽缸且其中每个汽缸都具有至少一个用于向汽缸供给燃烧空气的进气口的一个示例性内燃发动机包含：进气管线，其通往每个进气口；总进气管线，其中至少两个汽缸的进气管线合并以便形成分配器连接点；以及加热装置，其被设置在总进气管线中，加热装置具有至少一个条状加热元件，其横截面的第一窄侧面面向进气燃烧空气流，其中，加热装置被设置成邻近分配器连接点，其中进气管线在该分配器连接点处合并从而形成总管线，加热装置和分配器连接点之间的间隔小于汽缸的直径。
在依照本公开的内燃发动机中，加热装置被设置成尽可能靠近汽缸的进气口，特别是邻近进口歧管的分配器连接点，其中各个进气管线在此分支到至少两个汽缸。该设置有助于加热装置执行其实际功能，特别是向汽缸提供也就是说供给预加热的燃烧空气。
因为靠近分配器连接点设置加热装置，所以最大程度地缩短了经预热的燃烧空气到汽缸的路径。因此，赋予经预热的燃烧空气尽可能短的冷却距离和尽可能短的冷却时间。最小化了汽缸进气口和加热装置之间的进气管线部分的热惯量，因此减少了该部分的质量和长度。
所述措施确保燃烧空气在进入汽缸时处于尽可能高的温度，因此，特别是相当程度地缩短了内燃发动机冷启动后的暖机阶段。这尤其提供了与污染物排放有关的优点。
在本文中可考虑，依靠经预热的进气而快速加热内燃发动机在该情况下导致对发动机油的间接加热。相关的粘性降低导致摩擦力和摩擦损失的减少，特别是在被供以油的轴承中。这种作用对燃料消耗有着有利影响。
单独或结合附图时，通过以下详细说明将更容易明白上述优点和其他优点，以及本说明的特征。
应理解，提供上述发明内容，从而以简化方式引入将在详细说明中进一步描述的概念集合。无意确定要求主旨的关键或必要特征，其范围由详细说明后的权利要求唯一限定。此外，要求的主旨不限于解决上述任何缺点或本公开任何部分中的实施。
附图说明
图1示意性示出内燃发动机进口区域的第一实施例的斜视图。
图2a示意性示出条状加热元件的第一实施例的横截面图。
图2b示意性示出条状加热元件的第二实施例的横截面图。
图2c示意性示出条状加热元件的第三实施例的横截面图。
图2d示意性示出条状加热元件的第四实施例的横截面图。
图3示意性示出多缸发动机中的单个汽缸的实施例。
图4示出依照本公开实施例的操作进气空气加热装置的方法的流程图。
具体实施方式
进气系统可以配备有电加热器，以便快速加热进气燃烧空气，例如在发动机冷启动之后。对进气空气的加热有助于缩短发动机暖机时间，从而改进燃料经济性和排放。然而，在发动机已达到充分温暖的温度后，这些进气加热器经常关闭。在发动机会开始变凉的某些工况期间，例如减速断油(DFSO)操作期间，或者称为超限操作期间，可操作加热器以便将发动机保持在期望温度。此外，加热器可包括多个加热元件，其可经配置从而最优化对多个汽缸的进气空气分配，并且用于例如混合进气空气和EGR的混合装置。
如下内燃发动机的例子是有利的，其中，至少两个汽缸的进气管线合并从而在至少一个汽缸盖中形成总进气管线，以便形成进口歧管。将进口歧管集成到汽缸盖中进一步缩短(本情况下相关的)进气管线的长度，并且因此降低进气管线在汽缸进口和加热装置之间的部分的热惯量。此外，所述措施允许密集包装传动单元，并且减少部件的数目，并且因此降低组装和采购成本。
然而，如下内燃发动机的例子可以是有利的，其中，至少两个汽缸的进气管线合并从而在至少一个汽缸盖外部形成总进气管线并且形成外部进口歧管。
依照本公开，靠近分配器连接点设置加热装置实现了本公开内容所基于的第一目标，具体地是提供关于进气区域中的加热装置的设置被优化的内燃发动机。
与从本公开已知的概念形成对比，依照本公开，靠近汽缸设置加热装置使得可以将条状加热元件对齐和/或设计成有助于将进气燃烧空气均匀分配至各个汽缸。此处，加热装置也起到燃烧空气的引导装置的作用。
如下内燃发动机的例子是有利的，其中，至少一个条状加热元件的第一窄侧面的横截面基本垂直于进气燃烧空气流。
依照本公开的内燃发动机也可具有两个汽缸盖，例如，如果设置有多个汽缸则其分布在两个汽缸组上。
依照本公开，不必要将汽缸盖的所有汽缸的进气管线合并成形成总进气管线，而是仅至少两个汽缸的进气管线合并。
然而，这样的例子也是有利的，即其中至少一个汽缸盖的所有汽缸的进气管线合并从而形成总进气管线。
如果每个汽缸具有两个以上汽缸和/或一个以上进气口，则进气管线也可合并成形成两个总进气管线，以便形成两个分配器连接点。然后，视需要，应提供两个加热装置。
如下内燃发动机的例子是有利的，其中，加热装置和分配器连接点之间的间隔Δ小于汽缸的直径d的一半，即Δ<0.5d。
如下内燃发动机的例子是特别有利的，其中，加热装置和分配器连接点之间的间隔Δ小于汽缸的直径d的四分之一，即Δ<0.25d。
依照上述两个例子，加热装置和分配器连接点之间的间隔Δ的额外缩短有助于进一步缩短用于预热燃烧空气到汽缸的路径，也就是说，降低进气管线在汽缸进口和加热装置之间的部分的热惯量。
在本公开的内容中，加热装置和分配器连接点之间的间隔Δ指的是加热装置出口和分配器连接点的中心之间的距离，其中，进气管线的流动的中心轴丝会合于该分配器连接点处。
在其中沿至少一个汽缸盖的纵轴线串联设置至少两个汽缸的内燃发动机中，以下例子是有利的，其中，至少一个条状加热元件被对齐成沿平行于纵轴线的线基本水平，优选地沿平行于至少一个汽缸盖的纵轴线的线基本水平。
试验已示出，在进气燃烧空气到各个汽缸的分配的方面，加热元件的水平对齐是有利的，并且这也提供了在容积效率方面的优点。
在所讨论类型的内燃发动机中，其中，沿至少一个汽缸盖的纵轴线串联设置至少两个汽缸，则以下例子是特别有利的，其中，至少一个条状加热元件被对齐成基本竖直地、垂直于与至少一个汽缸盖的纵轴线平行的线并且优选地与该线成直角。
条状加热元件的这种对齐特别适合于设计或利用加热元件以作为被加热空气流的引导装置。通过该引导装置，能够以有利方式引导和转移进气燃烧空气，以便对各个汽缸提供均匀空气分布。试图以新鲜混合物对汽缸进行均匀充气。这改进内燃发动机的操作行为，特别是在污染物排放、燃料消耗和有效功率方面。
如下内燃发动机的例子是有利的，其中，至少一个条状加热元件朝向第一窄末端侧面渐缩，后者面朝进气燃烧空气流。
这在流动方面产生优点。由于加热元件沿与流动方向相反渐缩，所以当空气流碰撞在加热装置上时，产生较少湍流。此外，总进气管线的流动横截面不以阶梯方式变窄，而是连续变窄，因此分量空气流的收缩不突然发生。此处，加热元件以刀片形式切入入射空气流。通过上述至少一个条状加热元件的设计，降低加热装置施加于空气流的阻力，因此也降低在加热装置两端产生的压力损失。通过讨论的实施例，抵消了由于加热装置产生的容积效率损失。
对于上述原因也有利的是如下的内燃发动机例子，其中，至少一个条状加热元件的面朝进气燃烧空气流的第一窄末端侧面渐缩。
关于这一点，也可考虑到现代内燃发动机日益配备有排气再循环系统，通过该系统，排气被再循环到进气区域中。将被再循环的排气在被引入进气区域之前常常被冷却。如果排气在加热装置上游被引入进气区域，则会关于加热装置产生问题。
在一些情况下，在冷却期间，从排气质量流中提取很多的热，以致一些排气成分从热排气中凝结出来并且被沉积在加热装置中。凝结出来的排气成分可积聚为胶粘层，其随着渐进的操作持续时间而在加热元件的表面上增长，其中排气质量流中的固体成分，尤其是排气中的煤烟颗粒，最后当与所述层接触时也被粘在上面。该沉积导致流动横截面收缩并且可能导致总进气管线完全闭合，并且使得从加热元件到进气管线的传热受损。进气管线的流动横截面收缩将进一步关联于进气流的压力损失以及容积效率的受损。
至少一个条状加热元件的渐缩第一窄末端侧面抵消了这些沉积。沉积导致的横截面收缩，或者甚至是凝结出来的排气成分所导致的管道闭塞都不造成风险，并且将被抵消。
如下内燃发动机的例子是有利的，其中至少一个条状加热元件的横截面为弧形设计，以便该至少一个条状加热元件具有刀片状外形。
对于使用加热装置作为引导装置而言，条状加热元件的弧形设计是有利的。此处，可考虑到大致将分配器连接点关于至少两个汽缸居中设置，限制连接点的空间范围，并且因此事实上在任何内燃发动机实施例中都可将被预热空气或多或少地被转移到通往汽缸的路径上。
至少一个条状加热元件的刀片状外形允许转移进气燃烧空气而无损失或仅有小的压力损失，并且将空气均匀分配至各个汽缸。
如下内燃发动机的实施例是有利的，其中，加热装置具有至少两个条状加热元件。传热区域并且因此能够被传递至进气燃烧空气的热量也随着加热元件的数目的增加而增加。关于传热方面，加热元件数目的意义并不是特别重要，因为总进气管线中的流速高并且加热元件的温度且因此加热元件和空气之间的温差不能任意增大来增加传热。
如果提供多个加热元件并且其能够被用于影响流动，则同样有利的是将加热装置设计成引导装置。
此处，如下内燃发动机的例子是有利的，其中，至少两个条状加热元件被设置成彼此间隔开。只有通过该方式，才可能利用多个加热元件提供的优点。
在具有至少两个条状加热元件且其被对齐成基本竖直地、垂直于与至少一个汽缸盖的纵轴线平行的线的内燃发动机中，已经证明如下示例是有利的，其中，将至少两个条状加热元件设置为关于彼此成锐角。加热元件的这种设置用于散开被预热的空气流，因此将所述空气流分配至汽缸。
在上述类型的内燃发动机中，其中，至少两个条状加热元件被基本竖直对齐，以下例子进一步有利，其中，至少两个条状加热元件具有刀片状外形，其中凹侧面面向外。
关于这一点，面向外的意思是，凹面——也就是说壁的向内弓的侧面——面朝总进气管线或者面朝支持加热装置的加热元件的法兰，并且背向燃烧空气流的流动的中心轴丝。此处，该至少两个加热元件优选以漏斗状方式敞开。
如下内燃发动机的例子是有利的，其中，由法兰支持至少一个加热元件。所述实施例使得可以将加热装置提供为预组装结构单元，并且使得相同类型的加热装置可以用在不同的内燃发动机中。这了增加产量，并且因此降低单位成本。此外，将使其更易于替换有缺陷的加热装置。
然而，如下内燃发动机的例子也是有利的，其中，总进气管线支持至少一个加热元件，也就是说，以支持件替换法兰。
如下内燃发动机的例子是有利的，其中，提供充气空气冷却器，其配备有旁通管线，后者通往加热装置上游的总进气管线。
充气空气冷却器降低空气温度，并且因此增加空气密度，其结果是，冷却器也有助于改进向汽缸充入空气，换句话说，充入的空气质量更大。已证明，为了绕开冷却器，向充气空气冷却器提供旁通管线是有利的，在内燃发动机冷启动后或暖机阶段期间尤其如此。在这些工作状态期间，冷却进气空气将抵消，也就是说抵抗，加热装置中的加热。
如下内燃发动机的例子是有利的，其中，提供外部排气再循环系统，其配备有再循环管线，后者通往加热装置上游的总进气管线。
将从排气侧到进气区域中的燃烧气体的再循环考虑为权宜之计，用于遵守未来的氮氧化物排放限值，其中，为了相当程度地减少氮氧化物排放，要求高排气再循环率，其可达到xEGR≈60％至70％这样的量级。
此处，将再循环率xEGR确定为xEGR＝mEGR/(mEGR+mfresh air)，其中，mEGR表示再循环排气的质量，而mfresh air表示供给的新鲜空气。
常常在排气再循环管线中提供冷却装置，通过该冷却装置，降低热排气流中的温度，其结果是增加排气的密度。通过该方式，同样地降低新鲜空气和再循环排气混合所导致的燃烧空气的温度，其结果是，排气再循环系统的冷却装置也有助于汽缸的更好充气。通常使用液体冷却设置。视需要，所述冷却装置配备有-如充气空气冷却器-旁通管线可以是有利的。
被引入总进气管线内的气体流产生紊流。如果充气空气冷却器的旁通管线和/或排气再循环系统的再循环管线通到加热装置上游的总进气管线内，则设置在下游的加热装置就也用于稳定燃烧空气流。
如下内燃发动机的例子是有利的，其中，提供增压设置。增压主要用于提高内燃发动机的功率。然而，对于不变的功率水平而言，增压也是减少扫掠体积/工作容积的适当措施，其结果是(对于给定的车辆边界条件而言)能够将总负荷朝向比燃料消耗更低的更高负荷改变。
本公开所基于的第二子目标具体是说明用于操作上述类型内燃发动机的方法，通过这样的方法实现，其中，启用加热装置，以便当内燃发动机的燃料供应被停用时加热燃烧空气。
如果燃料供应停用，就消除了燃烧期间的热释放，这是由于燃料的放热化学转变的原因，其热用于将内燃发动机保持在操作温度。因此，有利的是启用加热装置，以便当停用内燃发动机的燃料供应时加热燃烧空气。
此处，如下方法例子是有利的，其中，启用加热装置，以便当内燃发动机的燃料供应被停用了可预定时间段Δt1时，加热燃烧空气。引入启用加热装置的额外条件是试图防止过度频繁地启用和停用加热装置，特别是如果仅短暂地停用燃料时启用加热装置，而不需要通过加热装置加热进气空气。
现在参考图1，其示意性示出内燃发动机的进气区域5的第一实施例的斜视图。内燃发动机包含沿汽缸盖的纵轴线成直线设置的四个汽缸1a、1b、1c、1d。
通过总进气管线6，向内燃发动机的汽缸1a、1b、1c、1d供给新鲜空气或燃烧空气11a。在总进气管线6中设置用于加热燃烧空气11a的加热装置7。
在加热装置7的下游，总进气管线6并入多个进气管线3a、3b、3c、3d内，以便形成分配器连接点4，所述进气管线通到各个汽缸1a、1b、1c、1d的进气口2a、2b、2c、2d内。
加热装置7具有多个条状加热元件8，其关于与汽缸盖的纵轴线平行的线基本竖直地对齐(也就是说延伸)，并且所述条状加热元件的横截面的第一窄侧面面朝进气燃烧空气流11a。由法兰9支持加热元件8，并且所述加热元件8能够被电加热。提供电终端13。
通过总进气管线6吸入的燃烧空气11a随着其流经被启用的加热装置7而被加热。继而，也就是说，在加热装置7的下游，在分配器连接点4处将经加热的燃烧空气11a分配至各个汽缸1a、1b、1c、1d。
图1中所示的进口区域5的实施例的特征在于如下事实：加热装置7被设置成邻近分配器连接点4，其中，加热装置7和分配器连接点4之间的间隔Δ小于汽缸1a、1b、1c、1d的直径d。
图2a示意性示出条状加热元件8的第一实施例的横截面图。加热元件8具有矩形轮廓的横截面8b，并且所述加热元件的横截面8b的第一窄侧面8a面朝进气燃烧空气流11a。
图2b示意性示出条状加热元件8的第二实施例的横截面图。考虑仅解释关于图2a所示实施例的不同，因此其他特征参考图2a。对相同的部件使用相同的附图标记。
与图2a所示的实施例相比，横截面8b在第一窄侧面8a的方向渐缩，并且因此条状加热元件8朝着第一窄末端侧面8c渐缩，后者面向进气燃烧空气流11a。
图2c示意性示出条状加热元件8的第三实施例的横截面图。考虑仅解释关于图2a所示实施例的不同，因此其他特征参考图2a。对相同的组件使用相同的附图标记。
与图2a所示的实施例相比，横截面8b的第一窄侧面8a并且因此加热元件8的第一窄末端侧面8c朝着进气燃烧空气流11a渐缩，也即是说与流动方向相反地渐缩。
图2d示意性示出条状加热元件8的第四实施例的横截面图。考虑仅解释关于图2a所示实施例的不同，因此其他特征参考图2a。对相同的组件使用相同的附图标记。
与图2a所示的实施例相比，条状加热元件8具有刀片状外形，其具有凹侧面8d和凸侧面。
因而，以上关于图1和图2a-2d所述的发动机系统提供了这样的发动机系统，其包含被联接至多个汽缸的进气歧管，以及被设置在进气歧管中的加热装置，加热装置包括多个加热元件，加热元件经配置从而均匀地将进气空气分配至多个汽缸。该系统可包括，其中，多个加热元件被竖直地设置，并且其中，多个加热元件中的至少两个被设置成彼此成锐角。系统也可包括，其中，多个加热元件中的每个都相反于进气空气的流动方向在宽度上渐缩。
现在参考图3，其示出多缸发动机10的一个汽缸的示意图，可将其包含在机动汽车的推进系统中。
可由包括控制器12的控制系统以及通过车辆操作者12经输入装置130的输入来至少部分控制发动机10。在该例子中，输入装置130包括加速器踏板和踏板位置传感器134，后者用于产生成比例踏板位置信号PP。发动机10的燃烧室(即汽缸)30(汽缸30为图1的汽缸1a-d的一个非限制性例子)可包括燃烧室壁32，活塞36位于其中。在一些实施例中，汽缸30内部的活塞36的面可以具有碗形。活塞36可被联接至曲轴40，以便将活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动。可通过中间传动系统将曲轴40联接至车辆的至少一个驱动轮。此外，可通过飞轮将起动马达联接至曲轴40，从而能够进行发动机10的起动操作。
燃烧室30可通过进气通道42从进气歧管44接收进气空气，并且可通过排气通道48排放燃烧气体。进气歧管44和排气通道48能选择性地通过相应进气阀门52和排气阀门54与燃烧室30相通。在一些实施例中，燃烧室30可包括两个或更多进气阀门和/或两个或更多排气阀门。
在该例子中，可通过相应凸轮致动系统51和53，由凸轮致动来控制进气阀门52和排气阀门54。凸轮致动系统51和53中的每个都可以包括一个或更多凸轮，并且可利用一个或更多凸轮廓线变换系统(CPS)、可变凸轮正时(VCT)、可变阀门正时(VVT)和/或可变阀门升程(VVL)系统，其可由控制器12操作来改变阀门操作。进气阀门52和排气阀门54的位置可分别由位置传感器55和57确定。在可替换实施例中，可由电动阀门致动来控制进气阀门52和/或排气阀门57。例如，汽缸30可替换地包括经电动阀门致动来控制的进气阀门以及经包括CPS和/或VCT系统的凸轮致动来控制的排气阀门。
示出燃料喷射器66被直接联接至燃烧室30，以用于在其中与经电子驱动器68从控制器12接收的信号FPW的脉冲宽度成比例地直接喷射燃料。通过该方式，燃料喷射器66向燃烧室30内提供已知的直接燃料喷射。例如，可将燃料喷射器安装在燃烧室侧面或安装在燃烧室顶部。可通过燃料系统(未示出)将燃料传送至燃料喷射器66，该燃料系统包括燃料箱、燃料泵以及燃料集合管。在一些实施例中，燃烧室30可替换地或另外包括以下列构造被设置在进气通道44中的燃料喷射器，即其向燃烧室30上游的进口端口内提供已知的端口燃料喷射。
点火系统88能够在选择的操作模式下，响应来自控制器12的火花提前信号SA，通过火花塞92向燃烧室30提供点火火花。虽然示出火花点火部件，但是在一些实施例中，可在压缩点火模式下，在具有或不具有点火火花的情况下，操作燃烧室30或发动机10的一个或更多其他燃烧室。
取决于工况，发动机10中的燃烧能够为各种类型。虽然图3示出火花点火发动机，但是应明白，可在任何适当的发动机中使用在此描述的实施例，包括但是不限于柴油和汽油压缩点火发动机、火花点火发动机、直接或端口喷射发动机等等。此外，可使用各种燃料和/或燃料混合物，例如柴油、生物柴油等等。
进气通道42包括分别具有节流板64和65的节气门62和63。在该具体例子中，可由控制器12，通过向节气门62和63所包括的电动马达或致动器提供的信号，改变节流板64和65的位置，该构造通常被称为电子节流控制(ETC)。通过该方式，可操作节气门62和63，从而改变向燃烧室30以及其他发动机汽缸提供的进气空气。可由节气门位置信号TP，向控制器12提供节流板64和65的位置。可在沿进气通道42和进气歧管44的不同点处测量压力、温度以及质量空气流。例如，进气通道42可包括质量空气流传感器120，以用于测量通过节气门63进入的清洁空气质量流。可通过MAF信号，将清洁空气质量流通信至控制器12。
发动机10可进一步包括压缩装置，例如涡轮增压器或机械增压器，其包括至少一个设置在进气歧管44上游的压缩机162。对于涡轮增压器，压缩机162可至少部分由沿排气通道48设置的涡轮164(例如，通过轴)驱动。对于机械增压器，压缩机162可至少部分由发动机和/或电动机驱动，并且可不包括涡轮。因而，通过涡轮增压器或机械增压器向发动机的一个或更多汽缸提供的压缩量可由控制器12改变。可使用各种涡轮增压器设置。例如，当将可变截面喷嘴放置在排气管线中的涡轮上游和/或下游以用于改变通过涡轮的气体的有效膨胀时，可使用可变喷嘴涡轮增压器(VNT)。可使用其他方法来改变排气的膨胀，例如废气门阀。
示出的进气空气加热装置17被设置在进气歧管44中。空气进气加热装置17为以上关于图1所述的进气空气加热器7的一个例子。类似于上述实施例，进气空气加热装置17可为电加热器，其被配置成在空气到达汽缸30之前加热进气空气。下文将关于图4更详细描述与操作进气空气加热装置的控制例程有关的附加细节。
可在压缩机162的下游以及进气空气加热装置17和进气阀门52的上游包括充气空气冷却器154。充气空气冷却器154被配置成冷却例如已经经由压缩机162压缩而被加热的气体。在一个实施例中，充气空气冷却器154可处于节气门62的上游。可在压缩机162的下游测量压力、温度和质量空气流，例如通过传感器145和147测量。可将测量结果分别经信号148和149从传感器145和147通信至控制器12。可在压缩机162的上游测量压力和温度，例如通过传感器153测量，并且其经信号155通信至控制器12。此外，示出的充气空气冷却器154包括旁通管线，其中压缩空气可绕过充气空气冷却器154，例如当期望进气空气加热时如此。
此外，在公开的实施例中，EGR系统可将所需一部分排气从排气通道48引导到进气歧管44。图3示出HP-EGR系统和LP-EGR系统，但是可替换实施例可仅包括LP-EGR系统或仅包括HP-EGR系统。此外，在本公开的另一实施例中，发动机可不包括涡轮增压器，并且这样，可存在单个(非HP或LP)EGR系统。将HP-EGR通过HP-EGR通道140从涡轮164的上游被引导到压缩机162的下游。可由控制器12通过HP-EGR阀门142改变提供给进气歧管44的HP-EGR量。LP-EGR通过LP-EGR通道150从涡轮164的下游被引导到压缩机162的上游。可由控制器12通过LP-EGR阀门152改变提供给进气歧管44的LP-EGR量。HP-EGR系统可包括HP-EGR冷却器146，并且LP-EGR系统可包括LP-EGR冷却器158，从而例如将来自EGR气体的热排至发动机冷却剂。类似于充气空气冷却器154，HP-EGR冷却器146也可包括旁通管线。
在一些情况下，可使用EGR系统来调节燃烧室30内的空气和燃料混合物的温度。因而，可期望测量或评价EGR质量流。EGR传感器可被设置在EGR通道内，并且可提供对于质量流、压力、温度、O2浓度和排气浓度中的一个或更多个的指示。例如，可在HP-EGR通道140内可以设置有HP-EGR传感器144。
在一些实施例中，可在LP-EGR通道150内放置一个或更多传感器，从而提供对于经LP-EGR通道再循环的排气的压力、温度和空气-燃料比中一个或更多个的指示。可在位于LP-EGR通道150和进气通道42的接头处的混合点处，以新鲜进气空气稀释经LP-EGR通道150转移的排气。特别地，通过与(位于压缩机上游、发动机进气的空气进气通道中的)第一空气进气节气门63配合地调整LP-EGR阀门152，可调整EGR流的稀释度。
由发动机进气气流中的传感器145的输出，可推断出LP-EGR的百分比稀释度。具体地，将传感器145定位在第一进气节气门63的下游、LP-EGR阀门152的下游以及在第二主进气节气门62的上游，以便可精确确定处于或靠近主进气节气门的LP-EGR稀释度。传感器145例如可为氧传感器，例如UEGO传感器。
示出的排气传感器126被联接至涡轮164下游的排气通道48。传感器126可为用于提供对于排气空气/燃料比的指示的任何适当传感器，例如线性氧传感器或UEGO(通用或宽域排气氧)、双态氧传感器或EGO、HEGO(加热EGO)、HC或CO传感器。此外，排气通道48可包括另外的传感器，例如包括NOX传感器128和颗粒物质(PM)传感器129，其指示排气中的PM质量和/或浓度。在一个例子中，PM传感器可通过随着时间积聚煤烟颗粒并提供对积聚度的指示以作为排气煤烟水平的测量值从而运行。
示出在排气传感器126下游沿排气通道48设置排放控制装置71和72。装置71和72可以是选择性催化还原(SCR)系统、三元催化器(TWC)、NOX阱、各种其他排放控制装置或其组合。例如，装置71可为TWC，并且装置72可为颗粒过滤器(PF)。在一些实施例中，PF 72可位于TWC 71的下游(如图1中所示)，而在其他实施例中，PF 72可位于TWC 72的上游(图1中未示出)。
图3中示出控制器12为微型计算机，其包括微处理器单元(CPU)102、输入/输出(I/O)端口104、用于可执行程序和校准值(在具体例子中示出为只读存储器芯片(ROM)106的电子存储媒体、随机存取存储器(RAM)108、保活存储器(KAM)110以及数据总线。控制器12还可从被联接至发动机10的传感器接收各种信号，除了上述的那些信号，还包括：来自质量空气流传感器120的引入质量空气流(MAF)测量值；来自被联接至冷却套管114的温度传感器112的发动机冷却剂温度(ECT)；来自于被联接至曲轴40的霍尔效应传感器118(或其他类型)的表面点火感测信号(PIP)；来自节气门位置传感器的节气门位置(TP)；以及来自传感器122的绝对歧管压力信号，MAP。发动机转速信号RPM可由控制器12从信号PIP产生。可使用来自歧管压力传感器的歧管压力信号MAP来提供对于进气歧管中的真空或压力指示。注意，可使用以上传感器的各种组合，例如有MAF传感器而无MAP传感器，或者反之亦可。在按化学计量比操作期间，MAP传感器能够给出对于发动机扭矩的指示。此外，该传感器与探测的发动机转速一起能够提供对于被引入汽缸内的充气(包括空气)的估计。在一个例子中，也被用作发动机转速传感器的传感器118可以在曲轴的每次回转期间产生预定数目的等距脉冲。
可以使用代表可由处理器102执行的指令的计算机可读数据，来对存储媒体只读存储器106编程，用于执行下述方法以及可预期但未具体列出的其他变体。
如上所述，图3仅示出多缸发动机的一个汽缸，并且每个汽缸都可类似地包括其自身的成组的进气/排气阀门、燃料喷射器等。
图4示出用于控制进气空气加热装置(例如加热装置7或17)的方法400的流程图。可由发动机控制器(例如控制器12)根据被存储在其存储器中的指令来执行方法400。
在402，方法400包括通过被设置在进气歧管中的进气空气加热装置将充气空气引导到发动机的多个汽缸。在404，根据发动机工况，进气空气和EGR可在抵达汽缸之前由进气加热装置混合。例如，在某些工况期间，例如高发动机转速和负荷期间，为了降低燃烧温度和控制NOX排放，可启用EGR。如果EGR正在流动，则由于加热装置中的加热元件的构造，进气空气加热装置可以起作用从而混合EGR和进气空气，因而确保将EGR和进气空气均匀分配至多个汽缸中的每一个。
在406，方法400包括确定发动机工作参数。发动机工作参数可基于来自各个发动机传感器的反馈而确定，并且可包括发动机转速、负荷、空气/燃料比、温度等等。此外，可在给定的持续时间确定发动机工作参数，例如10秒，以便确定某些发动机工作参数是否正在改变，或者发动机是否在稳定状态条件下操作。在408，方法400包括，确定发动机是否进入减速断油(DFSO)。在DFSO期间，在没有燃料喷射的情况下操作发动机，同时发动机转动并且将空气泵经汽缸。DFSO进入可以基于各种车辆和发动机工况。具体地，可以使用车辆速度、车辆加速、发动机转速、发动机负荷、节气门位置、踏板位置、传动齿轮位置和各种其他参数其中之一或更多个的组合，来确定发动机是否将进入DFSO。在一个例子中，DFSO进入条件可以是基于，发动机转速低于阈值。在另一例子中，DFSO进入条件可以是基于，发动机负荷低于阈值。在另一例子中，DFSO条件可以是基于加速器踏板位置。另外或可替换地，可以基于终止燃料喷射的命令信号来确定DFSO的进入。
如果发动机正进入DFSO，则方法400继续至410以便确定针对阈值时段，是否已经以DFSO操作发动机。如果否，则方法400就返回，从而继续监控阈值时段。如果是，则方法400就继续至412，从而启用进气空气加热装置以便在进气空气到达汽缸之前对其加热。在414，确定发动机是否正离开DFSO。由继续燃料喷射的命令来指出DFSO的退出。在另一例子中，可以通过加速器踏板位置的改变而确定DFSO的退出。如果发动机未退出DFSO，则方法400返回412，从而继续启用加热装置。如果发动机正退出DFSO，则方法400继续至416，以便停用加热装置。一旦停用进气加热装置，则方法400返回。
虽然图4的方法400示出在一些实施例中进气空气加热装置分别被基于DSFO进或出操作而启用或停用，但是也可基于附加操作条件而启用或停用进气空气加热装置。例如，排气通路中的温度传感器可输出排气温度，并且如果其低于阈值，则可以启用进气加热器。此外，可以继续操作进气加热器，直到发动机退出DFSO之后，例如进行了预定数目的发动机循环或者直到排气温度达到阈值。
因而，图4的方法400提供这样的发动机方法，其包含通过进气歧管将进气空气和EGR引导至燃烧汽缸，并且在到达燃烧室之前，通过被设置在进气歧管中的进气空气加热装置来混合进气空气和EGR。在一些实施例中，可在进气空气到达加热装置之前，通过涡轮增压器压缩机来压缩进气空气。
应当理解这里公开的配置和例程实际上是示范性的，而且不应该认为这些具体实施例是限制性的，因为无穷的变化是可能的。例如，上述技术可应用于V-6、I-4、I-6、V-12、对置4和其他类型发动机。本发明所要求事项包括这里公开的不同系统和配置、不同系统和其他特性，不同系统和/或性能的所有新颖和非显而易见的组合以及子组合。
上述权利要求特别指出某些组合或子组合视为新颖的和非显而易见的。这些权利要求可指的是“一个”元件或“第一”元件或其等价物。应当理解这样的权利要求包括一个或更多这样元件的合并，既不需要也不排除两个或更多这样的元件。可通过对本申请权利要求的修正或通过相关申请提交新的权利要求，对这里所公开的特性、功能、元件和/或性能的其他组合和子组合提出要求。这样的要求，相对于原来的权利要求无论是更宽、更窄、相等或在范围方面不同，也应看作是包括在本公开所要求的事项内。

Claims (20)

1.一种内燃发动机，所述内燃发动机具有至少一个汽缸盖和至少两个汽缸，其中每个汽缸都具有至少一个进气口以用于将燃烧空气供给到该汽缸中，该内燃发动机包含：
进气管线，其通向每个进气口；
总进气管线，在此至少两个汽缸的所述进气管线合并以致形成分配器连接点；
加热装置，其被设置在所述总进气管线中，该加热装置具有至少一个条状加热元件，该加热元件的横截面的第一窄侧面面朝进气燃烧空气流；
其中所述加热元件被对齐成竖直地、垂直于与所述至少一个汽缸盖的纵轴线平行的线并且与所述线成直角；并且
所述加热装置被设置成邻近所述分配器连接点，所述进气管线在该分配器连接点处合并从而形成所述总进气管线，所述加热装置和所述分配器连接点之间的间隔小于汽缸的直径。
2.根据权利要求1所述的内燃发动机，其中，所述加热装置和所述分配器连接点之间的所述间隔小于汽缸的直径的一半。
3.根据权利要求1所述的内燃发动机，其中，所述加热装置和所述分配器连接点之间的所述间隔小于汽缸的直径的四分之一。
4.根据权利要求1所述的内燃发动机，其中，所述至少两个汽缸沿所述至少一个汽缸盖的纵轴线串联设置，并且其中所述至少一个条状加热元件沿与所述至少一个汽缸盖的所述纵轴线平行的线基本水平对齐。
5.根据权利要求1所述的内燃发动机，其中，所述至少两个汽缸沿所述至少一个汽缸盖的纵轴线串联设置，并且其中所述至少一个条状加热元件被对齐成基本竖直地、垂直于与所述至少一个汽缸盖的所述纵轴 线平行的线。
6.根据权利要求1所述的内燃发动机，其中，所述至少一个条状加热元件朝着面向所述进气燃烧空气流的第一窄末端侧面渐缩。
7.根据权利要求1所述的内燃发动机，其中，所述至少一个条状加热元件的面向所述进气燃烧空气流的第一窄末端侧面渐缩。
8.根据权利要求1所述的内燃发动机，其中，所述至少一个条状加热元件的横截面为弧形设计，以致所述至少一个条状加热元件具有刀片状外形。
9.根据权利要求1所述的内燃发动机，其中，所述加热装置具有至少两个条状加热元件。
10.根据权利要求9所述的内燃发动机，其中，所述至少两个条状加热元件被设置成彼此间隔开。
11.根据权利要求9所述的内燃发动机，其中，所述至少两个条状加热元件被对齐成基本竖直地、垂直于与所述至少一个汽缸盖的纵轴线平行的线，并且其中至少两个条状加热元件被设置成相对彼此成锐角。
12.根据权利要求9所述的内燃发动机，其中，所述至少两个条状加热元件被对齐成基本竖直地、垂直于与所述至少一个汽缸盖的纵轴线平行的线，其中至少两个条状加热元件具有刀片状外形，并且其中凹侧面面向外。
13.根据权利要求1所述的内燃发动机，其中，提供充气空气冷却器，其配备有旁路管线，该旁路管线通到所述加热装置上游的所述总进气管线内。
14.根据权利要求1所述的内燃发动机，其中，提供外部排气再循环系统，其配备有再循环管线，该再循环管线通到所述加热装置上游的所述总进气管线内。
15.一种操作根据权利要求1所述的内燃发动机的方法，其中，当停用所述内燃发动机的燃料供给时启用所述加热装置来加热所述燃烧空气。
16.一种发动机操作方法，包含：
通过进气歧管将进气空气和EGR引导至燃烧汽缸；以及
在抵达所述燃烧室之前，通过被设置在所述进气歧管中的进气空气加热装置并通过至少一个条状加热元件来混合所述进气空气和EGR，其中所述至少一个条状加热元件具有面朝进气燃烧空气流渐缩的末端，
其中所述加热元件被对齐成竖直地、垂直于与至少一个汽缸盖的纵轴线平行的线并且与所述线成直角。
17.根据权利要求16所述的发动机操作方法，其中，在抵达所述进气歧管之前，通过涡轮增压器压缩机来压缩所述进气空气。
18.一种发动机系统，包含：
进气歧管，其被联接至多个汽缸；以及
加热装置，其被设置在所述进气歧管中，所述加热装置包含多个加热元件，所述多个加热元件被对齐成竖直地、垂直于与至少一个汽缸盖的纵轴线平行的线并且与所述线成直角以将进气空气均匀地分配至所述多个汽缸；
其中所述加热元件是条状的，具有面朝进气燃烧空气流渐缩的末端。
19.根据权利要求18所述的发动机系统，其中，所述多个加热元件被竖直地设置，并且其中，所述多个加热元件中的至少两个被设置成相对彼此成锐角。
20.根据权利要求18所述的发动机系统，其中，所述多个加热元件中的每个都相反于所述进气空气的流动方向在宽度上渐缩。
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