CN103237972B - 用于内燃发动机的控制方法和内燃发动机 - Google Patents

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Abstract

控制内燃发动机的操作的方法包括至少两个操作模式。在第一操作模式下，根据米勒循环，进气阀(3)在进气冲程期间活塞(2)到达下死点之前的第一预定曲轴转角时关闭以减小缸体(1)内的压力，并且使用优化为大燃料量的第一燃料喷射装置(9a)喷射燃料。在第二操作模式下，根据传统进气阀关闭正时，进气阀(3)在活塞(2)已经经过下死点之后或稍微在活塞(2)经过下死点之前的第二预定曲轴转角时关闭，并且使用优化为小燃料量的第二燃料喷射装置(9b)喷射燃料。本发明还涉及一种内燃发动机。

Description

用于内燃发动机的控制方法和内燃发动机
技术领域
本发明涉及一种用于控制内燃发动机的操作的方法。本发明还涉及一种内燃发动机。
背景技术
在大型压缩点火式内燃发动机，例如用于船舶或发电厂的那些内燃发动机中，在低负荷下的发烟是一个常见的问题。发动机的燃料喷射器必须能够以最大负荷输送操作所需的燃料量。因为大型内燃发动机需要在最大功率或接近最大功率下可靠且有效地操作，所以所述喷射器对于高负荷而言是非常优化的。这意味着，在低负荷下所述喷射器不能最优化地工作从而形成了烟。
该问题在现有技术方案中已经通过使用具有两个针的喷射器而解决。例如，在欧洲专利申请EP0972932A1中公开了一种燃料喷射器，该燃料喷射器包括数个喷嘴钻孔。在部分负荷操作下，仅仅外部阀针被移动以在上部区域展现喷嘴钻孔。在高负荷下，内部阀针也被移动以在下部区域展现喷嘴钻孔。
在专利申请US2007246561A1中也公开了一种燃料喷射器，该燃料喷射器包括两个喷嘴，这两个喷嘴构造成提供不同的燃料喷射模式。所述喷嘴中的一个对于传统喷射最优化，而所述喷嘴中的另一个对于具有均质混合气压燃(HCCI)的使用最优化。
内燃发动机的另一个问题是NOx的形成，其特别地发生在高燃烧温度下。NOx排放可以使用选择性催化还原从排气中有效地去除，但是期望的是能够在初期就减少NOx的形成。NOx的形成可以通过降低缸体温度而最大限度地减少。这样做的一种方法是使用所谓的米勒(Miller)循环，其使用改进的进气阀关闭程序。存在两种形式的米勒循环：在第一种形式中，进气阀仅在下死点(BDC)之后关闭，这意味着部分压缩行程不用于压缩。这常用在火花点火式发动机中，以达到更高的热效率和更低的爆震倾向。在另一种形式的米勒循环中，使进气阀提前关闭。当进气阀在活塞到达下死点之前关闭时，缸体中的压力和温度在压缩行程的结尾会更低。这种形式的米勒循环常用在压缩点火式发动机中。由于进气阀提前关闭而缸体中具有更少的空气量，这通常通过适当的增压比来补偿。
然而，在部分负荷和低负荷下，米勒循环的使用增加了NOx排放。同时，对于NOx排放的最佳米勒循环引起更高的烟排放。还有，如果使用米勒循环，在低负荷时燃料油消耗比率(SFOC)更高。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于控制内燃发动机的操作的改进的方法。本发明的另一个目的是提供一种改进的内燃发动机。
根据本发明，一种控制内燃发动机的操作的方法包括至少两个操作模式。该发动机包括至少一个缸体、布置在所述缸体内的往复活塞、至少一个布置成与所述缸体连接的进气阀、第一燃料喷射装置、优化为喷射比第一燃料喷射装置小的燃料量的第二燃料喷射装置和用于可变进气阀关闭的装置。在第一操作模式下，根据米勒循环，在活塞在进气冲程期间到达下死点之前，进气阀在第一预定曲轴转角时关闭以减小缸体内的压力，并且使用第一燃料喷射装置喷射燃料。在第二操作模式下，根据传统进气阀关闭正时，在活塞已经通过下死点之后或稍微在活塞通过下死点之前，进气阀在第二预定曲轴转角时关闭，并且使用第二燃料喷射装置喷射燃料。
本发明具有若干优点。米勒循环有效地减少在高负荷下NOx排放并且控制点火压力，但是导致较高的烟排放。根据本发明，米勒循环仅在其益处超过缺点时被使用。对于不同的燃料量使用不同燃料喷射装置同时选择性地使用米勒循环，这实现了非常低的烟排放，同时NOx排放和SFOC也可以被最小化且排气温度被最优化。
根据本发明的一个实施方式，所述方法包括第三操作模式，在此模式下，使用传统进气阀关闭正时并且使用第一燃料喷射装置喷射燃料。此操作模式可以在部分负荷下使用。因为传统进气阀关闭正时的原因，烟排放可以被保持得低。使用第一燃料喷射装置，足量的燃料可以被喷射入缸体内。
根据本发明的一个实施方式，所述方法包括第四操作模式，在此模式下，使用米勒循环并且使用第二燃料喷射装置喷射燃料。在此操作模式下，在相对低负荷下能够实现非常低的NOx排放。同时，在涡轮增压器的涡轮之后，温度显著增高，其能够实现选择性催化还原。
根据本发明的一个实施方式，在第四操作模式下，使用比在第一操作模式下延迟的进气阀关闭正时。根据本发明的一个实施方式，所述进气阀的关闭延迟了5-15度的曲轴转角。在高负荷下，提前关闭进气阀有助于更低的SFOC和NOx排放。
根据本发明的一个实施方式，所述方法包括第五操作模式，在此操作模式下，使用具有比在所述第一操作模式下延迟的进气阀关闭正时的米勒循环并且使用第一燃料喷射装置喷射燃料。根据本发明的一个实施方式，进气阀的关闭延迟了5-15度的曲轴转角。在这种操作模式下，在中到高发动机负荷下，可以实现低SFOC和相对低的NOx和烟排放。
根据本发明的一个实施方式，在第一操作模式下，使用比其它操作模式提前的进气阀开启正时。当使用具有非常提前的进气阀关闭的米勒循环时，提前的进气阀开启减少了涡轮增压器的喘振风险(surgingrisk)。根据本发明的一个实施方式，在第一操作模式下，进气阀的开启比在其它操作模式下提前了10-30度的曲轴转角。
根据本发明的一个实施方式，当使用米勒循环时，进气阀在下死点之前15-70度的曲轴转角时关闭。根据本发明的另一个实施方式，进气阀在下死点之前20-40度的曲轴转角时关闭。
根据本发明的一个实施方式，使用包括两个针的喷射器喷射燃料。
根据本发明的一种内燃发动机包括：至少一个缸体、布置在所述缸体内的往复活塞、布置成与所述缸体连接的至少一个进气阀、用于可变进气阀关闭的装置、第一燃料喷射装置、优化为喷射比第一燃料喷射装置小的燃料量的第二燃料喷射装置、用于控制所述阀关闭装置和燃料喷射装置的控制装置。所述控制装置布置成执行上述方法。
根据本发明的一个实施方式，所述内燃发动机包括用于可变进气口开启的装置。
附图说明
图1示意性地示出内燃发动机的缸体；
图2示出了内燃发动机的喷射器。
具体实施方式
现在参照附图和表格更详细地描述本发明。
在图1中示出了内燃发动机的缸体1。该发动机可以包括布置成直列或V形结构的任何合理数量的缸体1。往复活塞2布置在缸体1内。进气可以经由进气导管6引入缸体1中。在缸体1和进气导管6之间的连接可以通过进气阀3来关闭。用于关闭和开启进气阀3的装置4布置成与阀6连接。该关闭和开启装置4可以是例如液压或电力致动器，或机械凸轮轴引导的装置。所述发动机还包括排气导管7和用于开启和关闭缸体1与排气导管7之间连接的排气阀5。用于关闭和开启所述排气阀5的装置8布置成与阀5连接。该关闭和开启装置8可以是与用于关闭和开启进气阀3的装置4类似的液压或电力致动器或机械凸轮轴引导的设备。燃料喷射器9布置在缸体盖中用于向缸体1内喷射燃料。所述阀开启和关闭装置4,8和燃料喷射器9都由控制单元11控制。
在图2中示出了燃料喷射器9的一个实例。该燃料喷射器9包括两个喷嘴9a，9b。就发动机在最大负荷下操作时喷射的燃料量来说，所述第一喷嘴9a适于喷射大的燃料量。所述第一喷嘴9a因此可以在当发动机在高或中等负荷下操作时使用，例如当发动机负荷为最大负荷的35％-100％时。就发动机在最大负荷下操作时喷射的燃料量来说，所述第二喷嘴9b适于喷射小的燃料量。所述第二喷嘴9b因此可以在当发动机在低负荷下使用，例如当负荷小于最大负荷的35％时使用。
所述燃料喷射器包括第一弹簧加载阀针10a和第二弹簧加载阀针10b。所述针10a，10b可以被液压地移动以使燃料流向喷嘴9a，9b。
根据本发明的方法包括至少两个操作模式，其被用在不同的发动机负荷下。根据本发明的一个实施方式，所述方法包括如表1所示的两个操作模式。
表1.根据本发明一个实施方式的控制策略。
第一操作模式是对于较高发动机负荷最优化的，并且第二操作模式是对于较低负荷最优化的。在表1的实施方式中，所述第一操作模式用在负荷为发动机最大负荷的35-100％时，即从部分负荷到高负荷。在第一操作模式中，使用具有提前进气阀关闭的米勒循环。进气阀3可以在例如下死点之前20-40度的曲轴转角时关闭。关闭曲轴转角是指在所述阀3被完全关闭时的角度。通过使用米勒循环，实现了低SFOC和NOx排放。当发动机在高负荷下操作时，需要大的喷射面积以达到足够的燃料喷射率。因此，通过移动燃料喷射器9的第一针10a，通过第一喷嘴9a将燃料喷射到发动机的缸体1内。实际上，也允许小燃料流周期性地通过第二喷嘴9b。相同的方式也应用于其它操作模式。根据预定的时间间隔实施这种冲洗(flushing)以防止第二针10b的粘结(sticking)。
第二操作模式对于低或非常低的负荷最优化，其中在表1的实施方式中是对于最大负荷的0-35％的负荷最优化。在第二操作模式下，使用可变进气口关闭(VIC)且使用传统的进气阀关闭正时从而取代米勒循环。进气阀3在活塞2已经经过下死点，例如在BDC之后0-20度的曲轴转角，或稍微在BDC之前，例如在BDC之前0-5度的曲轴转角时关闭。在低负荷下，使用传统的阀正时比用米勒循环更能够实现较低的烟排放。同时当使用传统进气阀关闭正时时，SFOC可以最小化。通过使用第二喷嘴9b，将燃料喷射到发动机的缸体1中。实际上，也允许小燃料流周期性地通过第一喷嘴9a以防止第一针10a的粘结。相同的方式也应用于其它操作模式。
根据本发明的第二实施方式，所述方法包括第三操作模式，其用在部分负荷下，如表2所示。在表2的实施方式中，所述第三操作模式用在负荷为最大负荷的35-50％时。因此，第一操作模式用在最大负荷的50-100％，即从中到高负荷的负荷下。
表2.根据本发明的第二实施方式的控制策略。
在第三操作模式下，不使用米勒循环。取而代之，使用传统进气阀关闭正时以实现低的烟排放。通过使用第一喷嘴9a将燃料喷射到发动机的缸体1内。
根据本发明的第三实施方式，所述方法包括第四操作模式，其用在低负荷下，如表3所示。在表3的实施方式中，第四操作模式被用在为最大负荷的15-35％的负荷下。因此，第二操作模式被使用在为最大负荷的0-15％，即在非常低负荷的负荷下。
表3.根据本发明的第三实施方式的控制策略。
在第四操作模式下，通过使用第二喷嘴9b将燃料喷射到发动机的缸体1中以实现低的烟排放。使用米勒循环以实现低的NOx排放。
根据本发明的第四实施方式，所述方法包括第五操作模式，其用在中等负荷下，如表4所示。在表4的实施方式中，第四操作模式被用在最大负荷的50-85％的负荷下。因此，第一操作模式被用在为最大负荷的85-100％，即高负荷的负荷下。所述第五操作模式提供了在中等负荷下的低NOx排放和SFOC。
表4.根据本发明第四实施方式的控制策略。
表4的实施方式和表1-3的实施方式的另一个不同是，在表4的实施方式中，第一操作模式的米勒循环不同于其它操作模式的米勒循环。在第四和第五操作模式下，进气阀3的关闭比在第一操作模式下晚。当在高负荷下使用极限米勒循环(extremeMillercycle)以控制点火压力而取代排气废气门时，实现了低的SFOC和NOx排放。在第一操作模式下，进气阀3可以例如在BDC之前的20-40度的曲轴转角时关闭，且在第四和第五操作模式下比在第一操作模式下延迟5-15度的曲轴转角。
表4所示的实施方式和其它实施方式的另一区别是，在表4的实施方式中，在第一操作模式下使用可变进气阀门开启(VIO)。进气阀3早于在其它操作模式下开启，以实现与排气阀5的长重叠。所述进气阀3的开启比在其它操作模式下提前了例如10-30度的曲轴转角。通过提前进气阀开启，涡轮增压器的喘振风险降低。取代VIO，使用可变排气阀关闭(VEC)以具有可变扫气周期。
本领域技术人员会意识到本发明不限于上述的具体实施方式，而是可以在附加的权利要求的范围内改变。例如，燃料喷射装置可以包括两个喷射器取代具有两个喷嘴的一个喷射器。还可能当发动机在高负荷下操作时，两个燃料喷射装置都使用。不同的米勒循环或进口阀开启正时可以在不同的操作模式下使用。虽然操作模式通过序号来指代，但是显然，操作模式的不同组合是可能的。例如，所述方法可以包括第一、第二和第四操作模式。

Claims (14)

1.一种控制内燃发动机的操作的方法，该发动机包括：
-至少一个缸体(1)，
-往复活塞(2)，所述往复活塞布置在所述缸体(1)内，
-至少一个进气阀(3)，所述至少一个进气阀布置成与所述缸体(1)连接，
-第一燃料喷射装置(9a)，
-第二燃料喷射装置(9b)，所述第二燃料喷射装置被优化为喷射比所述第一燃料喷射装置(9a)小的燃料量，和
-用于可变进气阀关闭的装置(4)，
所述方法包括至少两个操作模式，其特征在于，
-在第一操作模式下，根据米勒循环，在所述活塞(2)在进气冲程期间到达下死点之前，所述进气阀(3)在第一预定曲轴转角时关闭以减小所述缸体(1)内的压力，并且使用所述第一燃料喷射装置(9a)喷射燃料，并且
-在第二操作模式下，根据传统进气阀关闭正时，在所述活塞(2)已经经过下死点之后或在所述活塞(2)经过下死点之前0至5度的曲轴转角时，所述进气阀(3)在第二预定曲轴转角时关闭，并且使用所述第二燃料喷射装置(9b)喷射燃料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括第三操作模式，在该第三操作模式下，使用传统进气阀关闭正时并且使用第一燃料喷射装置(9a)喷射燃料。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法包括第四操作模式，在该第四操作模式下，使用所述米勒循环并且使用所述第二燃料喷射装置(9b)喷射燃料。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述第四操作模式下，使用比在所述第一操作模式下延迟的进气阀关闭正时。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述第四操作模式下，所述进气阀的关闭延迟了5-15度的曲轴转角。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法包括第五操作模式，在该第五操作模式下，使用具有比在所述第一操作模式下延迟的进气阀关闭正时的米勒循环并且使用所述第一燃料喷射装置(9a)喷射燃料。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述第五操作模式下，所述进气阀的关闭延迟了5-15度的曲轴转角。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述第一操作模式下，使用比在其它操作模式下提前的进气阀开启正时。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述第一操作模式下，所述进气阀(3)的开启比在其它操作模式下提前了10-30度的曲轴转角。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，当使用米勒循环时，所述进气阀(3)在下死点之前15-70度的曲轴转角时关闭。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述进气阀(3)在下死点之前20-40度的曲轴转角时关闭。
12.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，使用包括两个针的喷射器喷射燃料。
13.一种内燃发动机，包括：
-至少一个缸体(1)，
-往复活塞，所述往复活塞布置在所述缸体(1)内，
-至少一个进气阀(3)，所述至少一个进气阀布置成与所述缸体(1)连接，
-用于可变进气阀关闭的装置(4)，
-第一燃料喷射装置(9a)，
-第二燃料喷射装置(9b)，所述第二燃料喷射装置优化为喷射比所述第一燃料喷射装置(9a)小的燃料量，和
-控制装置(11)，所述控制装置用于控制所述阀关闭装置(4)和所述燃料喷射装置(9a，9b)，
其特征在于，所述控制装置(11)布置成执行根据权利要求1-12中的任一项所述的方法。
14.根据权利要求13所述的内燃发动机，其特征在于，所述发动机包括用于可变进气口开启的装置(4)。
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