CN102906400B - 内燃机运行方法和内燃机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在内燃机负荷改变情况下带有废气涡轮增压器的内燃机的运行方法，其具有如下方法步骤：根据在节流阀之前的空气压力，引入内燃机的设置在内燃机进气道中的节流阀的关闭过程，使得该空气压力始终都低于废气涡轮增压器的设置在进气道中的压缩机的喘振极限；和减少在内燃机的预定的气缸上的燃料喷射，由此逐级地减小内燃机的转矩。本发明还涉及一种带有废气涡轮增压器的内燃机。

Description

内燃机运行方法和内燃机

本发明涉及特别是用于汽车的内燃机运行方法和内燃机。

DE102004041166A1记载了一种涡轮增压器的结构，其主要由径流式涡轮机和离心压缩机构成，离心压缩机设置在内燃机的进气道中，且通过涡轮增压器轴抗扭地与涡轮机轮耦接。具有大量动能和热能的废气流在运行中推动涡轮机轮，涡轮机轮通过与涡轮增压器轴的耦接促使压缩机轮旋转。离心压缩机抽吸并压缩空气，由此相比于传统的自吸式发动机在内燃机的进气道中相应地提供更多的新鲜空气，进而提供更多的氧气。由此提高发动机平均压力，进而提高发动机转矩，内燃机由此输出更大的功率。

涡轮增压器的离心压缩机在质量流和压缩比方面的可用应用范围往往有限。在使用废气涡轮增压器时，在发动机运行中有时会出现一些处于离心压缩机的预定的运行特性曲线族范围之外的运行状态。例如在切断内燃机推力时，由于所谓的压缩机喘振（Pumpen），特别不希望运行的质量流小而离心压缩机上的压缩比高。当例如因发动机转速高致使流经压缩机的空气质量流大时，涡轮增压器会产生高转速，与此相关地有大量增压空气质量流流入到内燃机的空气收集器中。如果内燃机的节流阀例如在推力切断时由这种运行状态快速地关闭，则从空气收集器流出的空气质量流很快地减少。由于废气涡轮增压器的转动部分有惯性，在增压空气质量流减少的情况下，空气收集器中会出现压力上升。在这里，从压缩机叶轮中断流动，流经压缩机的空气可以回流，这允许降低压力。由于旋转能量大致使压缩机轮转速很缓慢地适应于减小了的增压空气需求，所以在调节完压缩机上的相应的压缩比之后，流向又发生逆反。这种过程快速地接续重复，且基于在这种情况下产生的独特的噪声而称为压缩机喘振。这种压缩机喘振使得涡轮增压器的推力轴承和压缩机轮负荷过重。这会缩短涡轮增压器的寿命。

为了防止压缩机喘振，例如使用所谓的推力空气转向阀（SUV）。带有这种SUV的涡轮增压器装置例如在DE102005054525A1中有所记载。SUV在压缩机的压缩侧和吸气侧之间产生连接。朝向压缩机的压缩侧短暂地打开空气转向阀，就会减轻压缩机的压缩侧的负荷。空气于是在回路中输送。

但这种装置的问题是，在回路中输送的空气的热焓未得到利用，因为压缩机做的功作为纯粹的损耗功率用于循环输送空气了。此外，使用SUV一方面成本高昂，另一方面，在废气涡轮增压器的组装中要考虑到SUV，进而提高了其复杂性和故障概率。另外，SUV需要额外的安装空间，而特别是小型发动机往往并未提供这种安装空间。

在这种背景下，本发明的目的是，提出一种改进的带有废气涡轮增压器的内燃机。

根据本发明，采用具有权利要求1的特征的方法和/或采用具有权利要求8的特征的内燃机，即可实现所述目的。

据此规定：

一种在内燃机负荷改变情况下带有废气涡轮增压器的内燃机的运行方法，具有如下方法步骤：根据在节流阀之前的空气压力，引入内燃机的设置在内燃机进气道中的节流阀的关闭过程，使得该空气压力始终都低于废气涡轮增压器的设置在进气道中的压缩机的喘振极限（Pumpgrenze）；减少在内燃机的预定的气缸上的燃料喷射，由此逐级地减小内燃机的转矩。

一种特别是用于汽车的内燃机，带有：废气涡轮增压器；关闭装置，用于根据在节流阀之前的空气压力，在内燃机负荷改变情况下引入内燃机的设置在内燃机进气道中的节流阀的关闭过程，使得该空气压力始终都低于废气涡轮增压器的设置在进气道中的压缩机的喘振极限；燃料喷射装置，用于减少在内燃机的预定的气缸上的燃料喷射，由此逐级地减小内燃机的转矩。

本发明基于如下构思：在内燃机负荷改变情况下根据在节流阀之前的空气压力逐渐地关闭位于进气道中的节流阀，其中，在逐渐地关闭节流阀时始终都低于废气涡轮增压器的压缩机的喘振极限。在这里，减少在内燃机的预定的气缸上的燃料喷射，由此逐级地减小内燃机的转矩。

与开头部分所述的方案相反，由此实现在不使用SUV的情况下减小发动机转矩，同时低于压缩机的喘振极限。相比于带有废气涡轮增压器和SUV的内燃机，由此可以提供一种并不复杂的带有废气涡轮增压器的内燃机，其减小了安装空间，而且成本低廉。

本发明的有利设计和改进可由其它从属权利要求和说明书结合附图得到。

按照本发明的一种优选设计，减少在数量可变的预定的气缸上的燃料喷射，由此逐级地减小转矩。

根据本发明的一种典型设计，从内燃机出现负荷变化的时刻起，经过预定时间之后，完全中断在内燃机上的燃料喷射，以便实现内燃机的推力切断。

按照本发明的一种特别优选的设计，节流阀在引入关闭过程时完全关闭。

根据发明的另一种优选的设计，负荷变化是负性的负荷突变。

按照本发明的一种优选设计，设置有调节回路，其具有用于确定空气压力的增压空气压力传感器，其中，该调节回路经过设计，使得在引入节流阀的关闭过程时特别是基于可变的油温考虑到废气涡轮增压器中的不同的摩擦状况。

根据本发明的一种同样优选的设计，内燃机的马达控制装置对内燃机节流阀关闭过程的引入加以控制，并对内燃机转矩的逐级减小加以控制。

按照发明的另一种优选的设计，设置有马达控制装置，其控制关闭装置的和燃料喷射装置的功能。

根据本发明的一种优选设计，燃料喷射装置具有喷射阀。

按照本发明的一种同样优选的设计，燃料喷射装置被设计用于完全中断在内燃机上的燃料喷射。

根据发明的另一种优选的设计，为了确定空气压力，设置有增压空气压力传感器，该增压空气压力传感器在内燃机的进气道中沿流动方向设置在节流阀之前。

按照本发明的一种同样优选的设计，关闭装置是节流阀调节器，尤其是电的节流阀调节器。

上述设计可以—只要有意义—采用任意方式相互组合。

下面借助附图中给出的实施例详述本发明。其中：

图1为带有废气涡轮增压器的内燃机的一个优选实施方式的俯视图；和

图2为在内燃机负荷改变情况下带有废气涡轮增压器的内燃机的运行方法示意图。

在这些附图中—只要未做其它说明—相同的构件、部件和特征标有相同的附图标记。

图1所示为带有废气涡轮增压器的内燃机的一个优选实施方式的俯视图。

内燃机1例如具有多个气缸2-5以及可轴向移动地设置在这些气缸2-5中的活塞6-9。内燃机1优选是汽油机1。气缸2-5的数量或活塞6-9的数量是任意的，可以多于四个或者少于四个。内燃机1还具有曲轴10，该曲轴通过未示出的活塞杆与活塞6-9作用连接。内燃机1还具有进气肘管11，该进气肘管使得内燃机1的由气缸2-5构成的燃烧室与进气管12流体连接。进气肘管11与进气管12形成内燃机1的进气道13。进气肘管11具有多个吸气管14-17，这些吸气管的数量与气缸2-5的数量相等，其中每个吸气管14-17分别配属于气缸2-5。吸气管14-17通过未示出的入口阀可与内燃机1的相应的气缸2-5连接或分开，这些入口阀例如是借助内燃机1的凸轮轴机械地控制的盘阀。这些入口阀优选设置在内燃机1的发动机组中。为每个气缸2-5都设有例如多个入口阀。内燃机1还具有废气肘管18，该废气肘管使得内燃机1的气缸2-5与内燃机1的废气管路19连接。每个气缸2-5都分别通过至少一个未示出的出口阀可与废气肘管18流体地连接或分开，该出口阀例如也是用凸轮轴控制的优选设置在发动机组中的盘阀。

内燃机1还具有燃料喷射装置20。燃料喷射装置20例如包括喷射阀42-45，其中给每个气缸2-5都配设有喷射阀42-45。喷射阀42-45例如是可电控制的磁性阀42-45。燃料喷射装置20例如还具有至少一个燃料泵。该燃料泵可以用于给所有喷射阀42-45共同地施加压力，或者给每个喷射阀42-45都配设一个单独的优选整合到相应的喷射阀42-45中的喷射泵。从燃料容器21经由燃料管路给喷射阀42-45输送燃料。为了便于说明，图1中仅示出了一个用于给喷射阀42供应燃料的燃料管路22。喷射阀42-45优选适当地设置在内燃机1上，使得燃料喷射直接在内燃机1的气缸2-5中进行，也就是说，以所谓的直接喷射方式进行。替代地，这些喷射阀42-45按图1所示进行设置，用于喷入到内燃机1的进气道13的相应的吸气管14-17中。喷射阀42-45分别通过数据线与内燃机1的马达控制装置24作用连接，为了简化起见，仅示出其中的一条数据线23。

内燃机1的废气管路19与废气涡轮增压器28的涡轮机27的设置在涡轮机壳体25中的涡轮机轮26流体地耦接。涡轮机轮26通过废气涡轮增压器28的转子轴29抗扭地与废气涡轮增压器28的压缩机轮30连接。压缩机轮30设置在废气涡轮增压器28的压缩机32的压缩机壳体31中。废气涡轮增压器28的压缩机轮30通过进气道13与内燃机1的气缸2-5流体地连接。

在进气道13中设置有节流阀33。该节流阀33优选设置在压缩机32与内燃机1的例如扇形地分支的进气肘管11之间。例如把节流阀33沿流动方向设置在进气肘管11之前不远处。节流阀33例如具有像圆盘那样的柱形形状，该圆盘垂直于节流阀33的旋转轴34可转动地支撑。节流阀33经过优选设计，使得它能完全把进气道13的横截面封闭。节流阀33借助关闭装置35来操纵。关闭装置35例如是节流阀调节器35，尤其是电的节流阀调节器35。节流阀调节器35例如通过操纵臂与节流阀33作用连接。替代地，节流阀调节器35可以经过适当设计，从而它直接使节流阀33转向。节流阀调节器35例如是步进电机。节流阀调节器35还经过优选设计，从而它检测节流阀33的角度位置，进而检测其当前开度。节流阀调节器35通过数据线36与内燃机1的发动机控制装置24作用连接。

内燃机1还具有设置在进气道13中的压力传感器40，该压力传感器优选是增压压力传感器40。压力传感器40设置在节流阀33与压缩机32之间，优选沿流动方向设置在节流阀33之前不远处。压力传感器40被设置用于测量节流阀33之前不远处的增压空气压力。压力传感器40通过数据线41与发动机控制装置24作用连接。

还设置有节气门踏板37，尤其是所谓的电子节气门踏板37。节气门踏板37优选具有油门踏板量传感器（Pedalwertgeber）38，其例如适合于确定节气门踏板37的角度位置。油门踏板量传感器38通过数据线39与内燃机1的发动机控制装置24作用连接。节气门踏板37优选具有弹簧装置50，该弹簧装置使得节气门踏板37在未操纵状态下转移到起始位置。

在带有废气涡轮增压器28的内燃机1的运行中，内燃机1通过废气管路19给涡轮机轮26提供废气，如箭头51所示。通过涡轮机轮26使得废气的热焓降低，从而把废气的动能和热能转化为旋转能量。旋转能量通过转子轴29传递到压缩机轮30上。压缩机轮30抽吸并压缩新鲜空气，且把压缩后的新鲜空气经由进气道13输送给内燃机1，如箭头52所示。

在压缩后的每单位体积的空气中存在有很多氧气，这样就能在内燃机1中使每单位体积的空气有很多燃料燃烧，由此提高内燃机1的功率收益。在内燃机1的气缸2-5中，燃料通过所输送的新鲜空气而燃烧，由此导致气体混合物膨胀，从而转化成活塞6-9的动能。由于活塞6-9通过活塞杆与内燃机1的曲轴10作用连接，所以活塞6-9的动能转化成曲轴10的旋转能量。曲轴10能把转矩传递到汽车的驱动系上。为了调节内燃机1的输出功率，对所输送的空气和动力燃料量加以控制。例如调节进气道13中的节流阀33，由此来控制空气量。根据由节流阀33确定的输送给内燃机1的新鲜空气量，把一定的燃料量输送给内燃机1的气缸2-5。借助喷射阀42-45喷入的燃料的喷入时刻和喷入量例如根据现有的新鲜空气量借助发动机控制装置24的所存储的发动机特性曲线族来控制。因而例如通过发动机控制装置24的数据线23来操纵喷射阀42。

使用者相应地操纵节气门踏板37，由此来改变节流阀33的角度位置。节气门踏板37的位置，特别是其角度位置，通过油门踏板量传感器38来检测，并通过数据线39传递至发动机控制装置24，其中发动机控制装置24通过数据线36向节流阀33的节流阀调节器35发出用于定位节流阀33的相应的控制指令。此外，节流阀33的角度位置通过节流阀调节器35来检测，并通过数据线36输送给发动机控制装置24。

下面介绍在内燃机1发生负荷变化时特别是在出现负性功率突变时内燃机1的功能。例如在内燃机1推力运行时，例如在使用者进行换挡并为此不操纵节气门踏板37时存在负荷变化，由此通过弹簧装置50使得该节气门踏板转移到起始位置。节气门踏板37的位置通过油门踏板量传感器38来检测，并通过数据线39输送给发动机控制装置24。在借助发动机控制装置24识别到内燃机1的推力运行之后，该发动机控制装置引入节流阀33的受压力控制的关闭过程。为此设有带压力传感器40的调节回路，该调节回路能实现对节流阀33的关闭加以调节，使得压缩机32之后或节流阀33之前的空气压力在关闭过程32期间始终都低于压缩机的喘振极限。该调节回路经过优选设计，使得在引入节流阀33的关闭过程时特别是基于可变化的油温考虑到废气涡轮增压器28中的不同的摩擦状况。与此并行地或者在时间上与此错开地，发动机控制装置24开始逐级地减小内燃机1的转矩。为此，发动机控制装置24减少喷射阀42-45喷入到气缸2-5或吸气管14-17中的燃料。在此，逐级地减小内燃机1的转矩的实现方式为，不再把燃料例如首先喷入到气缸2中，随后不再喷入到气缸2和3中，再随后不再喷入到气缸2、3和4中。内燃机1的转矩因而例如可以分四步来调节，具体为，针对内燃机的相关燃烧周期，要么喷入到所有气缸2-5内，要么至多仅喷入到气缸2-5中的一个气缸内。优选在识别到内燃机1的负荷变化后的一定时间例如两秒钟以后，发动机控制装置24完全中断燃料喷入到内燃机1中，然后还根据在进气道13中产生的压力完全关闭节流阀33。内燃机1于是处于推力切断的状态。

因而可以对节流阀33的关闭加以调节，减少喷射从而调节内燃机1的转矩，由此减小节流阀33之前的空气压力。在这种情况下始终都低于压缩机32的喘振极限。

图2所示为在内燃机负荷改变情况下带有废气涡轮增压器的内燃机的运行方法示意图。

在预备的方法步骤S1中借助发动机控制装置24识别到内燃机1的负荷变化之后，在方法步骤S2中根据在节流阀33之前存在的空气压力引入节流阀33的渐进的受压力控制的关闭过程，该节流阀设置在内燃机1的进气道13中，使得该空气压力始终都低于废气涡轮增压器28的设置在进气道13中的压缩机32的喘振极限。在与方法步骤S2优选同时发生或者替代地在时间上与其错开地发生的下一方法步骤S3中，减少在内燃机1的预定的气缸2-5上的燃料喷射，由此引入内燃机1的转矩。

采用本发明的方法能受压力调节地关闭节流阀33，减少燃料喷射进而逐级地调节内燃机1的转矩，由此降低节流阀33之前的空气压力。

相比于已知的方案，由此实现内燃机曲轴的相同的转矩状况，在节流阀快速关闭时也将实现这种转矩状况。但与已知的方案相反，可以实现可靠地防止压缩机的喘振，而无需使用占用大量安装空间的成本高昂的推力空气转向阀（Schubumluftventil）。由此明显降低带有废气涡轮增压器的内燃机的复杂性。

所介绍的内燃机和所介绍的方法能特别有利地应用于汽车领域，这里优选应用于轿车，例如应用于汽油发动机，但在需要时也可以应用于任何其它涡轮增压器用途。

Claims (16)

1.一种在内燃机（1）负荷改变情况下带有废气涡轮增压器（28）的内燃机（1）的运行方法，具有如下方法步骤：

根据在节流阀（33）之前的空气压力，引入内燃机（1）的设置在内燃机（1）进气道（13）中的节流阀（33）的关闭过程，使得节流阀（33）之前的空气压力在节流阀（33）的关闭过程期间始终都低于废气涡轮增压器（28）的设置在进气道（13）中的压缩机（32）的喘振极限，从而即使节流阀（33）完全关闭，也能可靠地防止压缩机（32）的喘振；和

减少在内燃机（1）的预定的气缸（2-5）上的燃料喷射，由此逐级地减小内燃机（1）的转矩。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，减少在数量可变的预定的气缸（2-5）上的燃料喷射，由此逐级地减小转矩。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，从内燃机（1）出现负荷变化的时刻起，经过预定时间之后，完全中断在内燃机（1）上的燃料喷射，以便实现内燃机（1）的推力切断。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，使节流阀（33）在引入关闭过程时完全关闭。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，负荷变化是负性的负荷突变。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，设置有调节回路，该调节回路具有用于确定空气压力的增压空气压力传感器（40），其中，该调节回路经过设计，使得在引入节流阀（33）的关闭过程时考虑到废气涡轮增压器（28）中的不同的摩擦状况。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，内燃机（1）的马达控制装置（24）对内燃机（1）节流阀（33）关闭过程的引入加以控制，并对内燃机（1）转矩的逐级减小加以控制。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，该调节回路经过设计，使得在引入节流阀（33）的关闭过程时基于可变的油温考虑到废气涡轮增压器（28）中的不同的摩擦状况。

9.一种内燃机（1），带有：

废气涡轮增压器（28）；

关闭装置（35），用于根据在节流阀（33）之前的空气压力，在内燃机（1）负荷改变情况下引入内燃机（1）的设置在内燃机（1）进气道（13）中的节流阀（33）的关闭过程，使得节流阀（33）之前的空气压力在节流阀（33）的关闭过程期间始终都低于废气涡轮增压器（28）的设置在进气道（13）中的压缩机（32）的喘振极限，从而即使节流阀（33）完全关闭，也能可靠地防止压缩机（32）的喘振；和

燃料喷射装置（20），用于减少在内燃机（1）的预定的气缸（2-5）上的燃料喷射，由此逐级地减小内燃机（1）的转矩。

10.如权利要求9所述的内燃机，其特征在于，设置有马达控制装置（24），该马达控制装置控制关闭装置（35）的和燃料喷射装置（20）的功能。

11.如权利要求9所述的内燃机，其特征在于，燃料喷射装置（20）具有喷射阀（42-45）。

12.如权利要求9所述的内燃机，其特征在于，燃料喷射装置（20）被设计用于完全中断在内燃机（1）上的燃料喷射。

13.如权利要求9所述的内燃机，其特征在于，为了确定空气压力，设置有增压空气压力传感器（40），该增压空气压力传感器在内燃机（1）的进气道（13）中沿流动方向设置在节流阀（33）之前。

14.如权利要求9所述的内燃机，其特征在于，关闭装置（35）是节流阀调节器（35）。

15.如权利要求9所述的内燃机，其特征在于，所述内燃机（1）是用于汽车的内燃机。

16.如权利要求14所述的内燃机，其特征在于，所述节流阀调节器（35）是电的节流阀调节器。