CN102812222B - 内燃机的工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种内燃机(10)的工作方法，内燃机(10)有至少一个工作气缸(12)，活塞在工作气缸(12)内上下运动，从而在曲轴720度的工作循环内，相继实施进气冲程、压缩冲程、工作冲程和排气冲程，以及为各个工作气缸(12)配设至少三个换气阀(14、16、18)，所述内燃机有排气管(26)和至少一个进气道(22)以及至少一个排气道(28)，所述进气道(22)通入形式上为进气门(14)的换气阀内，并通过此进气门(14)给工作气缸(12)输入至少燃烧用空气，而所述排气道(28)通入形式上为排气门(16)的换气阀内，并通过此排气门(16)将至少废气从工作气缸(12)排入所述排气管内，所述内燃机还有至少一个废气再循环管道(42)，该废气再循环管道与内燃机(10)的排气管(26)连接，其中，至少一个工作气缸的至少一个换气阀用作AGR阀(18)，并将来自废气再循环管道的废气供给该AGR阀(18)，按照本发明，在内燃机规定的工作状态，在曲轴720度的工作循环内，AGR阀(18)至少打开两次，其中第一次打开AGR阀(18)的打开持续时间，在时间上与在排气冲程期间排气门(16)的打开持续时间至少重叠，以及第二次打开AGR阀(18)的打开持续时间，在时间上与在进气冲程期间进气门(14)的打开持续时间至少重叠，以及所述AGR阀(18)在其第一次打开与第二次打开之间关闭。

Description

内燃机的工作方法
本发明涉及一种按照权利要求1前序部分所述的内燃机的工作方法，内燃机有至少一个工作气缸，活塞在工作气缸内上下运动，从而在曲轴720度的工作循环内，相继实施进气冲程、压缩冲程、工作冲程和排气冲程，以及为各个工作气缸配设至少三个换气阀，所述内燃机有排气管和至少一个进气道以及至少一个排气道，所述进气道通入形式上为进气门的换气阀内并通过此进气门给工作气缸输入至少燃烧用空气，而所述排气道通入形式上为排气门的换气阀内并通过此排气门将至少废气从工作气缸排入排气管内，所述内燃机还有至少一个与内燃机的排气管连接的废气再循环管道，其中，至少一个工作气缸的至少一个换气阀用作AGR(废气再循环或废气回授)阀，并将来自废气再循环管道的废气供给AGR阀。
在柴油机中废气再循环是减少内燃机NOx排放的要素之一。人们区别例如由DE19961292C2已知的“外部”废气回授或废气再循环(AGR)与例如由DE102005053940A1已知的冷却式或非冷却式“内部”AGR。在内部废气再循环时，剩余气体的停留或再循环，通常借助附加地打开进气门或排气门通过影响换气阀控制时间，或借助可变的气门机构通过影响负的气门重叠实现。与外部AGR相比，内部AGR的优点是路径短和快速的反应时间以及可直接定量。然而缺点是，不可能如在外部AGR中那样有效地冷却剩余气体。
在已知的Miller/Atkinson(米勒/阿特金森)循环中，“进气门关闭”(ES)的时刻向后推迟。因此，已处于气缸内的、在这里也称为气缸充量的新鲜气体或燃烧用空气，部分重新推入燃烧用空气的进气道内。这意味着一种充填缺点，但这种充填缺点通过用适当的增压压力增压进行补偿。在这里将增压器出口与发动机进口之间容积内的增压压力调整为，使得在任何Miller工作点亦即可应用Miller/Atkinson循环的任何工作点的增压压力，与进气门关闭时刻内燃机工作气缸内理论的压缩终了压力一致。
Miller/Atkinson循环借助提前或推迟进气门关闭时刻对于NOx排放和柴油混合物的均匀化正面的效果是已知的。此外，在汽油机中使用时，可以明显减小高增压时的爆震趋势。与汽油机不同(汽油机由于没有几何约束因而可以用正的气门重叠工作)，在柴油机中一般不可能借助相位调节器简单地移植这种方法。由于这一原因，在调节点火提前时发生气门与活塞的机械碰撞以及在调节点火滞后时使泵做功倍增。
此外，通常为在压缩开始前的“Millerphase(米勒阶段)”仅提供使用一个进气门，它直至在换气UT(在换气后的，亦即在排气冲程与进气冲程之间的往复式活塞的下死点)后很宽的曲轴转角范围内可以保持打开，以实现压缩开始前的“Millerphase”。因此，即使为各个工作气缸设置两个或更多个进气道时，在压缩开始前的“Millerphase”期间，也仅为新鲜气体从工作气缸的流出可提供使用一个进气道的容积。
本发明的目的是，在废气再循环的定量以及Miller/Atkinson循环的实现方面改善上述类型的方法。
按本发明所述目的通过具有权利要求1特征的上述类型的方法达到。在其他权利要求中说明本发明有利的扩展设计。
为此在上述类型的方法中按本发明规定，在内燃机规定的工作状态，在曲轴720度的工作循环内，AGR阀至少打开两次，其中第一次打开AGR阀的打开持续时间，在时间上与在排气冲程期间排气门的打开至少重叠，以及第二次打开AGR阀的打开持续时间，在时间上与在进气冲程期间进气门的打开至少重叠，以及在第一次打开与第二次打开之间关闭AGR阀。
其优点是，无需附加的阀门或致动器，在内燃机一个工作循环内同时实现具有再循环废气高定量精度的内部和外部废气再循环。
通过在内燃机规定的工作状态，在曲轴720度的工作循环内，AGR阀在进气冲程与压缩冲程之间的一个下死点后，在时间上推迟到压缩冲程开始后以及在时间上在进气门关闭后关闭，使压缩冲程开始之前部分气缸充量被推入废气再循环管道内，从而使内燃机以Miller-Atkinson循环工作，做到借助AGR阀无需附加的气门或致动器同时体现废气再循环和Miller/Atkinson循环，此时可以废气再循环管道的形式提供一个附加的容积用于中间储存或暂存推出的气缸充量。
为实现内部的废气再循环采取的措施是，将第一次打开AGR阀的打开持续时间选择为，使第一次打开AGR阀的打开时刻在时间上处于排气冲程的排气门打开时刻的同时或之后，以及第一次打开AGR阀的关闭时刻在时间上处于排气冲程的排气门关闭时刻的同时或之前。
为实现外部的废气再循环采取的措施是，将第二次打开AGR阀的打开持续时间选择为，使第二次打开AGR阀的打开时刻在时间上处于进气冲程的进气门打开时刻的同时或之后，以及第二次打开AGR阀的关闭时刻在时间上处于进气冲程的进气门关闭时刻的同时或之前。
内燃机有最低有害物排放量的工作点的最佳调整采取下述揩施达到：只给进气门输入新鲜空气或基本量AGR(再循环废气或回授废气)；将来自冷却或非冷却式低压AGR循环的纯废气或与新鲜空气混合后的废气输入AGR阀；和/或，将来自冷却或非冷却式高压AGR循环的纯废气或与新鲜空气混合后的废气输入AGR阀。
下面借助附图详细说明本发明，附图中：
图1示意表示用于实施按本发明方法的内燃机的优选实施形式的框图；
图2图解表示活塞运动和进气门、排气门和用作AGR阀的换气阀的阀门运动，其中用少的AGR实现Miller/Atkinson循环；
图3图解表示活塞运动和进气门、排气门和用作AGR阀的换气阀的阀门运动，其中用多的AGR实现Miller/Atkinson循环；以及
图4图解表示活塞运动和进气门、排气门和用作AGR阀的换气阀的阀门运动，其中用两次打开AGR阀同时实现内部和外部AGR。
图1中表示的用于实施按本发明方法的内燃机10作为范例的实施形式包括工作气缸12，其中为每个工作气缸12配设两个进气门14和一个排气门16。此外，为每个工作气缸12配设另一个换气阀18。通过进气门14和通入进气门14内相应的进气道22，将新鲜空气24经由新鲜空气输送装置20输入工作气缸12作为燃烧用空气，以及，从工作气缸12通过排气门16和通入排气门16内相应的排气道28，将废气30经由排气管26引出。在每个工作气缸12内可上下运动地安装一个活塞(未表示)，从而在曲轴720度的工作循环内，在每个工作气缸12内相继实施进气冲程、压缩冲程、工作冲程和排气冲程。
在新鲜空气输送装置20内设废气涡轮增压器34的空气压缩机32和增压空气冷却器36。在排气管26内设废气涡轮增压器34的涡轮38和微粒滤清器40，例如柴油微粒过滤器。此外，设有废气再循环管道42，用于在燃烧过程中将废气30再循环或回授到工作气缸12内。废气再循环管道42在涡轮38的下游与排气管26连接，以及有一个AGR冷却器44和一个用于AGR的增压空气冷却器46，其中后者必要时也与增压空气冷却器36一起设计为一个结构单元。此外在废气再循环管道42内还设有旁通管48，它跨接AGR冷却器44和用于AGR的增压空气冷却器46并有旁通阀50。
每个工作气缸12的各第四个换气阀18，既不与进气道22也不与排气道28连接，而是与废气再循环管道42连接。以此方式，每个工作气缸12由一相应的凸轮轴操纵的换气阀之一直接用作AGR阀。
图2至4在水平轴52上标绘曲轴转角和在垂直轴54上标绘往复式运动或提升运动。在水平轴52上，用56标示在换气前(在工作冲程与排气冲程之间)活塞的下死点(UT)，用58标示在换气期间(在排气冲程与进气冲程之间)活塞的上死点(OT)，以及用60标示在换气后(在进气冲程与压缩冲程之间)活塞的下死点(UT)。第一曲线62表示活塞随曲轴转角52变化进行的往复式运动54，第二曲线64表示排气门16随曲轴转角52变化进行的提升运动54，第三曲线66表示进气门14随曲轴转角52变化进行的提升运动54，以及，第四曲线68(虚线)表示既不与进气道22也不与排气道28连接，而是与废气再循环管道42连接的那个换气阀18(AGR阀)随曲轴转角52变化进行的提升运动54。
在按图2的第一种选用方案中，在进气门14打开期间和也在打开之后进行外部的废气再循环。在这里，虽然进气门14按第三曲线66正常关闭，然而按第四曲线68，保持AGR阀18较长时间打开，以及只是在按第三曲线66关闭进气门14后以及在UT60后才关闭。以此方式实现一种Miller/Atkinson循环，因为在UT60后的压缩冲程期间，AGR阀18按第四曲线68保持打开，从而在AGR阀18按第四曲线68也关闭后开始真正的压缩之前，将部分事先通过进气门14引入的气缸充量推入废气再循环管道42内。通过沿箭头76的方向移动AGR阀18的打开，或多或少非常清楚地表明所述的Miller/Atkinson循环。与此同时第四曲线68的高度和持续打开时间，控制外部废气再循环的量。在按图2的例子中有小量的废气再循环。因此在总体上，借助AGR阀18同时构成Miller/Atkinson循环和AGR，因而进气门14和排气门16不需要附加的可变气门正时装置(VVT)。可以借助刚性的凸轮以及无需凸轮轴调整装置之类控制进气门14和排气门16。
在按图3的第二种选用方案中，外部的废气再循环在进气阀14打开期间和打开后进行。与按图2的第一种选用方案的区别在于，第四曲线68明显较高以及AGR阀18的打开时间长得多，从而再循环大量废气。如在按图2的第一种选用方案中那样，通过推迟关闭AGR阀18，Miller/Atkinson循环与AGR同时实现。排气门14正常关闭，亦即不针对Miller/Atkinson循环。无论在按图2的实施形式中，还是在按图3的实施形式中，虽然实现Miller/Atkinson循环，但没有将部分气缸充量推入进气道22内，而是推入AGR管道42内。
在按图4的第三种选用方案中，在曲轴720度的工作循环内，AGR阀18总是打开两次，在这里，每个工作气缸的每个工作循环分别包括进气冲程、压缩冲程、工作冲程和排气冲程。AGR阀18按第四曲线68的第一次打开，在排气门18按第二曲线64打开期间的UT56与OT58之间进行。由此通过AGR阀18实现内部的AGR，因为来自工作气缸的部分废气，没有推入排气道28内，而是推入AGR管道42内，以及在晚些时候重新吸入工作气缸中。AGR阀18按第四曲线68的第二次打开，在进气门14按第三曲线66打开期间的OT58与UT60之间进行。在这里，一方面先前工作循环事先推入AGR管道42内的废气重新吸入工作气缸中，并与此同时外部的废气再循环。与AGR阀18的第一次打开相比，通过为第二次打开构成更高的第四曲线68，事先推入的废气完全输送到工作气缸中，并除此之外输入外部的废气。用箭头78表示AGR阀18的第一次打开，以及用箭头80表示AGR阀18的第二次打开。
在图示的内燃机中规定，当发动机为每个工作气缸12配置有多于两个的阀时，一个换气阀18单独使用于废气再循环/剩余气体的定量。例如通过下述方案进行这种有单独进气道的AGR阀18的配备：
-冷却式低压AGR纯废气循环(可能有自己的压缩机级)；
-冷却式高压AGR纯废气循环；
-非冷却式高压AGR纯废气循环；
-上述这些方案的空气-废气混合。
在所有的方案中，真正的进气阀仍然只供给新鲜空气或基本量的AGR。
换气阀18和还可能的另一些换气阀14、16的控制，借助可变的阀门机构(机械、电动或液压式)实现，以及在时刻方面不仅可以与进气同时而且可以在时间上错开地进行。因此通过换气阀18或14、16的定位、提升高度和控制的控制宽度，对每个工作气缸12调整再循环废气的定量。
本装置的优点是，除了AGR能循环准确地定量外，尤其可以在涡轮方面充分利用全部废气能量，而且与传统的低压装置相比只须压缩新鲜空气质量流。AGR质量流通过AGR阀18直接被发动机抽吸。在这里，可选的冷却器44、46和旁路50用于空气和废气的温度控制。在涡轮38上游的排气管26与废气再循环管道42之间的连接管72内可选附加设置的转换阀70，允许使用高压(HD)AGR和/或低压(ND)AGR。按选择，可在连接管72内附加设置一个冷却器74。
通过巧妙地设置控制时间，完全可变的AGR阀18被用于实现推迟关闭AGR阀18进气的Miller/Atkinson循环。通过在一个工作循环内多次操纵AGR阀18，借助唯一一个阀达到一种内部和外部AGR的组合。在这里，所有其他进气和排气门14、16的控制时间可以保持固定不变，以及可以通过简单的凸轮传动的控制机构操纵。与已知的Miller/Atkinson循环不同，气缸充量不是推回到进气系统，而是推回到AGR系统或AGR管道42内。如图4所示，借助两次打开AGR阀18，这一点同样适用于内部的AGR。

Claims (7)

1.一种内燃机(10)的工作方法，内燃机(10)有至少一个工作气缸(12)，活塞在工作气缸(12)内上下运动，从而在曲轴720度的工作循环内，相继实施进气冲程、压缩冲程、工作冲程和排气冲程，以及为各个工作气缸(12)配设至少三个换气阀(14、16、18)，所述内燃机有排气管(26)和至少一个进气道(22)以及至少一个排气道(28)，所述进气道(22)通入形式上为进气门(14)的换气阀内，并通过此进气门(14)给工作气缸(12)输入至少燃烧用空气，而所述排气道(28)通入形式上为排气门(16)的换气阀内，并通过此排气门(16)将至少废气从工作气缸(12)排入所述排气管内，所述内燃机还有至少一个废气再循环管道(42)，该废气再循环管道与内燃机(10)的排气管(26)连接，其中，至少一个工作气缸的至少一个换气阀用作AGR阀(18)，并将来自废气再循环管道的废气供给该AGR阀(18)，其特征为：在内燃机规定的工作状态，在曲轴720度的工作循环内，AGR阀(18)至少打开两次，其中第一次打开AGR阀(18)的打开持续时间，在时间上与在排气冲程期间排气门(16)的打开持续时间至少重叠，以及第二次打开AGR阀(18)的打开持续时间，在时间上与在进气冲程期间进气门(14)的打开持续时间至少重叠，以及所述AGR阀(18)在其第一次打开与第二次打开之间关闭。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征为，在内燃机规定的工作状态，在曲轴720度的工作循环内，所述AGR阀(18)在进气冲程与压缩冲程之间的一个下死点后，在时间上推迟到压缩冲程开始后以及在时间上在进气门(14)关闭后关闭，使压缩冲程开始之前部分气缸充量被推入废气再循环管道(42)内，从而使内燃机以米勒-阿特金森循环工作。
3.按照上述权利要求中任一项所述的方法，其特征为，第一次打开AGR阀(18)的打开持续时间选择为，使第一次打开AGR阀(18)的打开时刻在时间上处于排气冲程的排气门(16)打开时刻的同时或之后，以及第一次打开AGR阀(18)的关闭时刻在时间上处于排气冲程的排气门(16)关闭时刻的同时或之前。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征为，第二次打开AGR阀(18)的打开持续时间选择为，使第二次打开AGR阀(18)的打开时刻在时间上处于进气冲程的进气门(14)打开时刻的同时或之后，以及第二次打开AGR阀(18)的关闭时刻在时间上处于进气冲程的进气门(14)关闭时刻的同时或之前。
5.按照权利要求1所述的方法，其特征为，只给进气门(14)输入新鲜空气或基本量AGR。
6.按照权利要求1所述的方法，其特征为，将来自冷却或非冷却式低压AGR循环的纯废气或与新鲜空气混合后的废气输入所述AGR阀(18)。
7.按照权利要求1所述的方法，其特征为，将来自冷却或非冷却式高压AGR循环的纯废气或与新鲜空气混合后的废气输入所述AGR阀(18)。
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