CN102953844A - 用于运行内燃机的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于运行具有至少一个气缸（3）的内燃机（2）的方法，其中所述气缸（3）具有第一及第二排气阀（8），其中所述内燃机（2）能够在扫气运行中运行，方法是所述排气阀（8）的关闭时刻在四冲程运行的排气冲程之后处于进气阀（4）的打开时刻之后，其中所述第二排气阀（8）在扫气运行中在时间上迟延于所述第一排气阀（8）打开。

Description

用于运行内燃机的方法和装置
技术领域
本发明涉及内燃机尤其可以在扫气运行中运行的内燃机。
背景技术
为了在部分负载运行中改进发动机效率，连续地降低内燃机的排量。由此引起的功率损失通过以下方式得到补偿，即设置了增压装置，所述增压装置在提高了的增压压力下向内燃机提供新鲜空气。尤其对于作为增压装置的废气涡轮增压器来说，在进行快速的负载形成时产生赤字，而快速的负载形成为保证机动车的良好的牵引特性而对于较快的加速来说是必要的。这些缺点可以通过扫气运行来得到补偿，在扫气运行时通过进气阀的打开阶段以及排气阀的打开阶段的阀交叠来将新鲜空气从气缸中扫过。从中通过所输送的质量流量的提高来获得更高的发动机力矩和废气涡轮增压器的更好的工作点。
发明内容
按照本发明，设置了一种按权利要求1所述的用于在扫气运行中运行内燃机的方法以及按并列的权利要求所述的一种装置、一种发动机系统以及一种内燃机。
本发明的其它有利的设计方案在从属权利要求中得到说明。
按照第一方面，设置了一种用于运行具有至少一个气缸的内燃机的方法，其中所述气缸具有第一及第二排气阀，其中所述内燃机能够在扫气运行中运行，方法是所述排气阀的关闭时刻在四冲程运行的排气冲程之后处于进气阀的打开时刻之后，其中所述第二排气阀在扫气运行中在时间上迟延于所述第一排气阀打开。
通过所述扫气运行，可以改进增压装置的不稳定的和稳定的特性，方法是提高所述内燃机的气缸中的充气水平也就是通过所述气缸来输送的新鲜空气质量流量并且由此使瞬态的负载形成加速或者说提高发动机力矩的稳定的终值。扫气的程度由通过所述气缸来输送的新鲜空气质量来确定，所述扫气的程度在废气侧还受到布置在那里的催化器的限制。一方面催化器中的转换仅仅在有限的入范围内进行并且另一方面最大的催化器放热受到了限制。
为了尽管如此还是要借助于扫气运行来实现快速的负载形成，必须由废气涡轮增压器的涡轮机转换尽可能多的在废气中存在的剩余热量。为此必须在所述废气涡轮增压器的涡轮机之前的废气中进行再反应，从而在那里可以提高废气的温度以及涡轮机效率。
用于在到达废气涡轮增压器的涡轮机之前出现再反应的必要的前提是化学计算不足比的（含燃料多的）废气与新鲜空气的混合。混合越均匀，在所述涡轮机之前或者在其当中能够释放的能量就越大。分析已经表明，按排气弯管设计可以在所述气缸的排气阀直至所述增压装置的涡轮机之间的排气系中进行混合，主要紧靠着在所述涡轮机的前面、当中及后面进行混合。但是，由此提高的废气焓只有其可以在所述废气涡轮增压器的前面或者当中转换才能用于增压。
上述方法能够在所述涡轮机的上游改进混合过程，从而提早进行再反应。通过气缸的排气阀的错开的运行，首先将部分排气道之一的通过所述扫气运行输送到部分排气道中的新鲜空气朝所述涡轮机的方向输送并且随后在通过首先打开的排气阀并且通过所述部分排气道将燃烧废气的一部分输送到共同的排气道中之后打开另一个排气阀，用于将另一条部分排气道的新鲜空气柱输送到所述共同的排气道中。由此改进新鲜空气和废气的在共同的排气道中的均匀化并且可以在到达所述增压装置的涡轮机之前提早在内燃机的排气系中进行再反应。这能够实现较高的涡轮机效率，因为所述涡轮机中的能够转换的废气焓较大。
通过上述方法，一般在扫气运行时通过废气再反应来提高废气焓的利用，方法是改进含燃料多的废气也就是具有未燃烧的燃料份额的燃烧废气与新鲜空气的混合并且在更加靠近发动机的地方实现所述混合。由此对于扫气运行来说获得较大的自由度并且能够实现内燃机的较小的尺寸设计。由此可以降低消耗并且减少CO2排放。
尤其可以确定，对于在一个缸体底座的内部引起180°曲轴转角的点火间隔的气缸数来说由于相应必要的弯管设计，在到达所述增压装置的涡轮机之前混合程度变小。因为上述用于运行内燃机的方法为改进排气系中的均匀化而不取决于内燃机的气缸的数目，所以所提出的方法对于具有前面所描述的气缸数的内燃机来说特别有效。
上述方法设置了传统的扫气运行的两个阶段，对于这两个阶段来说在第一阶段中排气阀打开并且含燃料多的废气通过部分排气道流到所述共同的排气道中，所述共同的排气道在早先的周期中由于扫气运行而充满新鲜空气。在接下来的第二阶段中进气阀打开并且新鲜空气流到气缸中并且流到用含燃料多的废气填充的部分排气道中。
对于每个气缸具有多个排气阀的内燃机来说，现在提出，在时间错开的情况下打开排气阀，使得新鲜空气留在所述部分排气道之一中并且只有在汇合到所述共同的排气道中之后在打开所述第一排气阀之后已经加入新鲜空气和化学计算不足的燃烧废气时才排出到所述共同的排气道中。所述混合对于所述第二部分排气道中的留下的新鲜空气份额由此不仅在排气阀本身上而且也在所述两条部分排气道汇合为共同的排气道的汇合处进行。
来自所述排气阀的相位错移的打开的另一个优点通过气体的在所述部分排气道的汇合处的极为不均匀的速度情况而获得。因此在布置在所述汇合处后面的排气弯管中产生大尺度的涡流和特征明显的旋流。再反应的比率的提高结合所述旋流在所述增压装置的涡轮机之前在单个气缸的排气弯管的汇合处中实现额外的均匀化。
上述方法的另一个优点在于所述混合处理的改进，这一点不取决于内装部件或者弯管几何形状，由此对于不同的发动机类型来说所述废气焓由于再反应的比率的提高而提高并且由此能够加以利用。由此可以扩大所述扫气运行并且由此可以容易地解决在瞬态的负载形成时出现的问题。
按照第一方面，设置了一种用于运行具有至少一个气缸的内燃机的方法，其中所述气缸具有第一及第二排气阀，其中所述内燃机能够在扫气运行中运行，方法是所述排气阀的关闭时刻在四冲程运行的排气冲程之后处于进气阀的打开时刻之后，其中所述第二排气阀在扫气运行中在时间上迟延于所述第一排气阀打开。
此外，第二进气阀在四冲程运行的进气冲程之前可以在时间上迟延于第一进气阀打开。
按照一种实施方式，所述第二排气阀在扫气运行中可以在时间上迟延于所述第一排气阀关闭。
所述排气阀的关闭与所述进气阀的打开的重叠的范围可以在曲轴转角的20与80°之间。
按照另一方面，设置了一种用于运行具有至少一个气缸的内燃机的装置，其中所述气缸具有至少一个第一和一个第二排气阀，其中所述内燃机能够在扫气运行中运行，方法是所述排气阀的关闭时刻在四冲程运行的排气冲程之后处于进气阀的打开时刻之后，其中所述装置构造用于在扫气运行中在时间上迟延于所述第一排气阀打开所述第二排气阀。
按照另一方面，设置了一种具有内燃机和上述装置的发动机系统。
可以规定，所述内燃机构造为具有燃料直喷结构的奥托发动机。
此外，所述内燃机具有至少一个气缸，燃烧废气能够从所述气缸中通过第一及第二排气阀排出到分配给所述排气阀的部分排气道中，其中新鲜空气能够通过进气阀输送到所述气缸中，其中所述内燃机能够在扫气运行中运行，方法是所述排气阀的关闭时刻在四冲程运行的排气冲程之后处于进气阀的打开时刻之后。
所述部分排气道可以在汇合区域中汇入到气缸排气道中，其中分配给所述第一排气阀的部分排气道的容积和/或分配给所述第二排气阀的部分排气道的容积相当于所述气缸的排量的0.05倍到1倍。
此外，所述部分排气道可以在汇合区域中汇入到一条气缸排气道中，其中如此确定分配给所述第一排气阀的部分排气道的容积，使得燃烧废气在如下的时间范围内到达所述气缸排气道中，在所述时间范围内只有所述第一排气阀打开。
附图说明
下面借助于附图对本发明的优选的实施方式进行详细解释。附图示出如下：
图1是具有内燃机的发动机系统的示意图；
图2是图1的内燃机的具有部分排气道及气缸排气道的气缸的透视图；并且
图3a和3b是用于示出图1的内燃机的进气阀和排气阀的打开和关闭的时间曲线的图表。
具体实施方式
图1示出了具有内燃机2的发动机系统1的示意图，该内燃机在所示出的实施例中具有四个气缸3。该内燃机比如是奥托发动机。所述气缸3分别具有两个与进气系统5处于连接之中的进气阀4。通过所述进气系统5可以将新鲜空气导送给所述进气阀4，所述进气阀根据其触发情况依据所述气缸3的相应的工作冲程将新鲜空气放入到相应的气缸3的燃烧室中。
将燃料优选直接通过相应的喷射阀（未示出）输送给所述气缸3。空气输出在所述进气系统5中通过节气门6来调节，其中所述节气门6的位置预先给定吸气管区段7中的吸气管压力。所述吸气管压力确定在打开有关的气缸3的相应的进气阀4时流到或者说吸入到所述气缸3的燃烧室中的新鲜空气量。
此外，所述气缸3设有与废气排气系统9相连接的排气阀8。通过所述废气排气系统9来排出燃烧废气并且在所述废气排气系统9的下游可以设置废气涡轮增压器的涡轮机10。所述废气涡轮增压器的涡轮机10用于将废气焓转换为运动能，用于驱动在所述进气系统5中设置在所述节气门6上游的压缩机11。
所述废气排气系统9包括布置在相应的排气阀8与汇合区域92之间的部分排气道91，气缸3的部分排气道91相应地在所述汇合区域中汇合。在所述汇合区域92的下游设置了气缸废气导送区段93，所述气缸废气导送区段具有通过圆圈勾画出来的排气道弯管94。每个气缸3的气缸废气导送区段93在另一个汇合区域95中汇合为共同的排气道96，该排气道汇入到涡轮机10中。也可以这样安排，即所述排气弯道具有部分排气道并且只有在所述排气道弯管中才进行汇合。
图2示出了具有进气阀4和排气阀8的气缸3之一的气缸头的更为详细的示意图，所述排气阀通过部分排气道91和汇合区域92汇合到所述废气导送区段93中。
在此设置了控制单元15，该控制单元可变地控制所述进气阀4和排气阀8的打开和关闭。作为替代方案，所述进气阀4和排气阀8也可以通过能够调节的凸轮轴（未示出）来调节。此外，所述控制单元15控制着所述节气门6和所述废气涡轮增压器的输送功率尤其控制着其压缩机11。所述废气涡轮增压器的功率通过废气门、通过所述涡轮机10的可变的涡轮机几何形状或者类似手段来调节。
一种提高所述内燃机2的效率的方案在于扫气运行。扫气（ausräumen）是指内燃机的一种运行方式，对于该运行方式来说进气阀和排气阀的打开时间部分地交叠。由此，所吸入的新鲜空气的一部分将处于气缸中的燃烧废气吹到所述排气弯管中，由此与常规的运行相比显著改进了充气水平。此外，通过所述扫气运行提高通过废气提供给所述涡轮机10的废气焓，用于就这样达到新鲜空气的更高的增压压力。详细来讲，这在所述扫气运行中通过以下方式来实现，即在奥托发动机的四种程运行的过程中一个特定的气缸3的排气阀8的在排气冲程过程中的打开时间与进气阀4的在接下来的进气冲程过程中的打开时间重叠，从而在围绕着相关的气缸3中的活塞的上死点的时间段中新鲜空气或者说空气/燃料混合物在没有燃烧的情况下导送穿过相关的气缸3的燃烧室并且就这样直接从所述进气系统5到达所述废气排气系统9中。
通过所述排气区段9中的提高了的质量流量，所述涡轮增压器的气门开关性能尤其在转速较低时得到改进。此外，较高的氧气供应量有利于废气的再燃烧。扫气因而有助于避免所谓的“涡轮孔（Turboloch）”。
所述废气焓通过以下方式得到提高，即如此实施燃烧过程，使得未燃烧的燃料留在废气中。这可以通过在所述气缸3的燃烧室中提供含燃料太多的（化学计算不足的）空气/燃料混合物这种方式来实现。通过所述扫气运行，新鲜空气到达所述废气排气系统9中，使得其可以与在那里存在的燃料相混合并且在放热的反应中释放热量。值得追求的是，在所述涡轮机10之前产生反应热，用于就这样可以将那里的废气焓用于驱动所述压缩机11。用于未燃烧的燃料与加入到所述废气排气系统9中的空气中的氧气之间的反应的前提是含燃料多的燃烧废气与新鲜空气的充分的混合。
通过所述扫气运行，在所述废气排气区段9中产生由包含未燃烧的燃料的废气和在所述重叠的打开时间里通过所述气缸3的燃烧室导送的新鲜空气构成的交换的区域，其中所述含燃料多的燃烧废气和新鲜空气的混合仅仅有限制地进行，也就是说在相应的部位上进行，在所述相应的部位上所述区域逐渐地相互过渡。
为了实现含燃料多的燃烧废气和通过所述气缸3导送的新鲜空气的更好的混合，现在在所述扫气运行中规定了每个气缸3上的排气阀8的错开的触发。也就是说，在排气冲程的过程中首先打开排气阀体的一个8第一排气阀，而所述相同的气缸3上的排气阀8中的另一个第二排气阀则还保持着关闭的状态。由此将燃烧废气通过所述第一排气阀8通过所属的部分排气道91输送到所述汇合区域92中并且在这过程中将处于所述第一部分排气道91中的就在所述排气阀8早先关闭之前已经通过相关的气缸导送的新鲜空气推移到所述气缸废气导送区段93中。将所述第二排气阀8一直保持关闭的状态，直到由燃烧废气构成的柱跟随从所述第一部分排气道91中推移到废气导送区段93中的新鲜空气进入到所述废气导送区段93中。而后打开所述第二排气阀8并且处于所述第二部分排气道中的新鲜空气通过还处于所述气缸3中的燃烧废气挤压到所述废气导送区段93中。
取代在同时打开所述排气阀8时可实现的两个由新鲜空气和（含燃料多的）燃烧废气构成的区域，而通过所述排气阀8的错开的打开来得到四个彼此先后相随的区域，这些区域各具有两个拥有燃烧废气的区域和两个拥有新鲜空气的区域，所述区域交替地到达所述气缸废气导送区段93中。通过在跟随着排气冲程的吸气冲程的过程中打开进气阀4的方式，现在在排气阀8仍然打开时又可以将新鲜空气导送到所述部分排气道91中并且在所述排气阀8关闭之前通过所述汇合区域92将所述新鲜空气导送到所述废气导送区段93中。对于接下来出现的排气冲程来说，现在在所述部分排气道91中又存在着新鲜空气柱。
在图3a和3b中示出了用于示出所述进气阀4和排气阀8的打开及关闭的曲线的示意图。所述图表示出了阀调节器（Ventilsteller）的位置B的关于在气缸3的一个排气冲程及一个紧随其后的进气冲程的过程中的曲轴转角KW的曲线。K1示出了所述排气阀8的阀调节器的位置B的曲线并且K2示出了所述进气阀4的阀调节器的位置B的曲线。在图3a中示出了一个气缸3的排气阀8的打开和关闭的时间上的错移，而所述相关的气缸3的进气阀4同时打开和关闭。
在图3b中作为可选的实施方式示出，所述进气阀4在时间上错开地打开和关闭，用于进一步改进包含燃料的燃烧废气与新鲜空气的混合。而后已经可以在所述气缸3的燃烧室中进行部分的混合。
所述进气阀4的在时间上错开的打开和/或关闭可以如在图3a中示出的一样在排气阀8未错开地触发时及在排气阀8错开地触发时进行。
错开的触发的目的是，在所述废气排气系统9中实现得到改进的混合，方法是提高通过所述废气排气系统9在所述部分排气道91、废气导送区段93和共同的排气道96中输送的空气柱及燃烧废气柱的数目。由此出现包含在燃烧废气中的燃料或者说含燃料多的燃烧废气与通过所述扫气运行加入的新鲜空气的尤其在相应的区域中的得到改进的混合，其中在所述相应的区域中所述区域彼此相碰。
对于所述排气阀8的触发来说，可以运用不同的策略。所述排气阀8可以相位错移地打开并且一起也就是非相位错移地关闭；它们可以一起打开并且相位错移地关闭；并且可以在所述排气阀8的整个打开和关闭的过程中设置相位错移。在此至少应该在分配给所述第一排气阀8的部分排气道91中在所述第一排气阀8关闭之后存在着一个具有新鲜空气的区域。
此外可以规定，提高所述部分排气道91的长度，从而扩大所述第一汇合区域92的区域中的混合区。可以如此选择所述部分排气道91的长度，从而在预先给定的工作点上如此设计在打开相关的气缸3的第二排气阀8之前排出的燃烧废气的量的大小，使得分配给所述第一排气阀8的部分排气道91的新鲜空气和（含燃料多的）燃烧废气的额外的预先给定的量到达所述气缸废气导送区段93中。
尤其应该根据相关的气缸3的活塞的排量并且尤其根据在所述进气阀4和排气阀8的打开时间重叠的过程中的排量变化来选择所述第一部分排气道91的容积。相应地可以规定，所述部分排气道91的容积在所述气缸的排量的0.05倍与1倍之间。尤其对于传统的奥托发动机来说，所述部分排气道91的长度至少可以为15cm。
由此可以实现这一点，即在所述第一排气阀8的打开与所述第二排气阀8的打开之间的时间段中在排出燃烧废气时将所述第一部分排气道91中的新鲜空气柱推移到所述气缸废气导送区段93中并且随后将包含未燃烧的燃料的燃烧废气的另外的量加入到所述气缸废气导送区段93中。尤其应该根据相关的气缸3中的活塞的从上死点直至所述第二排气阀8的打开的时刻的排量来选择所述第一部分排气道91的容积。

Claims (11)

1.用于运行具有至少一个气缸（3）的内燃机（2）的方法，其中所述气缸（3）具有第一及第二排气阀（8），其中所述内燃机（2）能够在扫气运行中运行，方式是所述排气阀（8）的关闭时刻在四冲程运行的排气冲程之后处于进气阀（4）的打开时刻之后，
其中所述第二排气阀（8）在所述扫气运行中在时间上迟延于所述第一排气阀（8）打开。
2.按权利要求1所述的方法，其中第二进气阀（4）在四冲程运行的进气冲程之前在时间上延迟于第一进气阀（4）地打开。
3.按权利要求1或2所述的方法，其中在所述扫气运行的过程中在所述气缸（3）中产生化学计算不足的空气/燃料混合物。
4.按权利要求1到3中任一项所述的方法，其中所述第二排气阀（8）在所述扫气运行中在时间上迟延于所述第一排气阀（8）地关闭。
5.按权利要求1到4中任一项所述的方法，其中所述排气阀（8）的关闭与所述进气阀（4）的打开的重叠的范围处于曲轴转角的20与80°之间。
6.用于运行具有至少一个气缸（3）的内燃机（2）的装置，其中所述气缸（3）具有至少一个第一和第二排气阀（8），其中所述内燃机（2）能够在扫气运行中运行，方式是所述排气阀（8）的关闭时刻在四冲程运行的排气冲程之后处于进气阀（4）的打开时刻之后，其中所述装置构造用于在所述扫气运行中在时间上迟延于所述第一排气阀（8）地打开所述第二排气阀（8）。
7.发动机系统（1），具有内燃机（2）和按权利要求6所述的装置。
8.按权利要求7所述的发动机系统（1），其中所述内燃机（2）构造为具有燃料直喷装置的奥托发动机。
9.按权利要求7或8所述的发动机系统（1），其中所述内燃机（2）具有至少一个气缸（3），燃烧废气能够通过第一和第二排气阀（8）从所述气缸排出到所述分配给排气阀的部分排气道（91）中，其中新鲜空气能够通过进气阀（4）输送到所述气缸（3）中，其中所述内燃机（2）能够在所述扫气运行中运行，方式是所述排气阀（8）的关闭时刻在四冲程运行的排气冲程之后处于所述进气阀（4）的打开时刻之后。
10.按权利要求9所述的发动机系统（1），其中所述部分排气道（91）在汇合区域中汇合到气缸排气道（93）中，其中分配给所述第一排气阀（8）的部分排气道（91）的容积和/或分配给所述第二排气阀（8）的部分排气道（91）的容积相当于所述气缸（3）的排量的0.05倍到1倍。
11.按权利要求9所述的发动机系统（1），其中所述部分排气道在汇合区域中汇入到气缸排气道（93）中，其中如此确定所述分配给第一排气阀（8）的部分排气道（91）的容积，从而在如下的时间范围内燃烧废气到达所述气缸排气道（93）中，其中在所述相应的时间范围内仅仅所述第一排气阀（8）打开。
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