CN104334842A - 用于避免内燃机中提前着火的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于避免气缸工质在内燃机内的计划点火时刻之前提前着火的方法。在所述方法中，这样地调节在所述内燃机(10)的曲轴箱(12)内的压力，从而避免出现通过在所述内燃机(10)的气缸(11)的曲轴箱(12)和燃烧室(18)之间的压力比将润滑油成分从所述曲轴箱(12)传输到所述燃烧室(18)。在另一种方法中，这样地在内燃机(10)的一定运行区间调节用于内燃机(10)的气缸(12)的点火时刻，使得通过被调节的点火时刻引发在所述气缸(12)内的爆震燃烧。

Description

用于避免内燃机中提前着火的方法
本发明涉及一种用于在内燃机中避免气缸工质在计划的点火时间之前提前着火的方法。
为了降低交通工具、例如轿车或者载货车的燃料消耗，将内燃机、尤其汽油机变小，并且装配压缩机、例如涡轮增压器。内燃机的减小也被称为“小型化”(Downsizing)。在具有高增压的汽油机的这种小型化过程中和在特别极限的条件下，例如很差的燃料或者较高的外部温度，在较低转速和较高发动机负载下会出现燃烧反常情况，这被称为提前着火。另外，燃烧室积碳、热构件温度和润滑油成分也能够导致提前着火(Vorentflammung)。“提前着火”的概念表示或多或少明显地在计划的点火时刻之前气缸工质的不可控的着火过程。通过空气燃料混合物和附加压缩的过早转化，能够在提前着火情况下导致非常高的气缸压力。通过提高的热状态，在燃烧开始后会在此通常导致具有接连的爆震燃烧的爆炸。这些条件的综合发生能够导致气缸压力高于250bar，因此能够增加内燃机的损耗或者损坏内燃机，从而使得内燃机立即停机。提前着火的出现通常绝非预示提前发生工作循环。在图1中示出通常燃烧的气缸压力曲线1和具有提前着火的燃烧的气缸压力曲线2。在此，气缸压力通过用于不同冲程的曲柄角来表示。如图1所示，在提前着火的情况下由于在压缩过程中就过早燃烧在活塞到达上死点之前就显著地提高了气缸压力。但是与炽热引火不同，提前着火通常只在特定的条件下发生。首先，需要较高的压缩温度，以便达到预反应和随后引发自燃。在例如涡轮增压的汽油机中通过较高的压缩比和较高的增压度的组合来达到这种温度。额外地需要用于引发预反应和自燃的足够的时间段，从而能够在转速区间1500-2500转/min内强烈地出现提前着火。
与之相关地由DE 10 2008 038 102 B4已知一种用于在具有较高压缩比的汽油机驱动的内燃机的气缸中避免燃料空气混合物的提前着火的方法。在该方法中，对于每个实时的工作循环根据测得的内燃机的曲轴的角速度曲线确定所属的气缸内压力和由此得到相应气缸的燃烧重心位置。由此，对于随后的工作循环计算预期的提前着火倾向，并且在测得在实时工作阶段中对于这种在先的工作循环燃烧重心位置超出能使用的角阈值的情况下、向相应的气缸喷射附加的燃料量。
在本发明的范围内确定，当在燃烧室内存在积炭和润滑油成分时，能够在特别极端的运行条件下出现提前着火。但是，根据发动机的边界条件通常在燃烧室内会形成积炭以及将润滑油成分传输到燃烧室中。例如在汽油机中为了控制负载使用所谓的混合气量调节。这意味着，在较低功率或者扭矩输出情况下必须较少地填充新鲜空气，并且相应地在较高功率或者扭矩输出的情况下必须较多地填充新鲜空气。在此，通过进气管压力调节气缸充气量。在较低的负载情况下能够将绝对进气压力例如降低到250mbar。只要进气阀被打开，这种压力相应地也存在于燃烧室中。相反地，在曲轴箱内的压力则首度接近外部空气压力，并且因此能够在较低发动机负载下在曲轴箱和燃烧室之间形成压力降或压差。因此能够导致从曲轴箱中传输润滑油到燃烧室内。
与之相关地例如由EP1310639A1已知用于具有废气涡轮增压器的曲轴箱通风装置。该曲轴箱通风装置包括第一通风导管，它在一侧与曲轴箱室、和在另一侧与内燃机的进气管相连接，所述曲轴通风装置还包括第二通风导管，它在一侧与曲轴箱室、和在另一侧与压缩机的进气侧相连接。因此，在曲轴箱通风装置中不仅在内燃机增压工作时而且在内燃机自然吸气工作时保证了，能够调节在曲轴箱室内的负压。压力调节器保证了，在曲轴箱室内设定恒定的负压值，该负压值与在进气管内的负压值相比具有降低的负压。
DE 20 2006 017 813 U1涉及一种具有曲轴箱通风导管的内燃机。在通风导管内安置曲轴箱压力调节阀，借助它将在曲轴箱内的压力保持在预设的压力范围内。
DE 103 20 054 A1涉及一种用于驱动具有进气管和通风装置的通风管道的内燃机的方法和装置。所述通风装置能够尤其是油箱通风装置或者曲轴箱通风装置。所述通风管道通入内燃机的进气管中。曲轴箱通风阀用于限制在曲轴箱内的负压。
因此，本发明所要解决的技术问题是，在内燃机中在计划的点火时刻之前避免气缸工质的提前着火。
所述技术问题按照本发明通过根据权利要求1所述的用于避免提前着火的方法、根据权利要求9所述的用于避免提前着火的方法、根据权利要求13所述的内燃机、根据权利要求14所述的内燃机和根据权利要求16所述的交通工具所解决。从属权利要求限定了本发明的优选和有利的实施方式。
按照本发明，提供一种用于避免气缸工质在内燃机中的计划点火时刻之前提前着火的方法。在该方法中，这样地调节在内燃机的曲轴箱内的压力，从而由此避免了，通过在内燃机的曲轴箱和气缸燃烧室之间的压力比将润滑油成分从曲轴箱传送到燃烧室。换言之，这样地调节在内燃机的曲轴箱内的压力，从而基本上阻止将润滑油成分从曲轴箱传送到燃烧室。燃烧室相对于曲轴箱的内部空间通过活塞和活塞环而被密封。但是，这种密封不是绝对密封，因而例如在气缸的压缩冲程和工作冲程期间能够将空气、燃料或者废气压入曲轴箱内。这种效果也被称为漏气效应(Blow-by-Effekt)。相反地泄漏也是可行的，即在例如进气冲程期间用于润滑内燃机的在曲轴箱中的润滑油成分虽然密封仍能够进入燃烧室。润滑油成分这种从曲轴箱到燃烧室内的传输能够由此被促进，即在曲轴箱内有比在燃烧室内更高的压力。在内燃机较低负载的情况下，吸气管的绝对压力会降低到例如250mbar。这种压力在打开进气阀的情况下也存在于燃烧室内。为了阻碍润滑油成分从曲轴箱沿着气缸壁经过活塞环进入燃烧室，需要在曲轴箱内形成相应较低的压力。通过阻碍润滑油成分进入燃烧室，可减少这种润滑油成分引起的提前着火。此外，在燃烧室内的润滑油成分可构成积炭，这种积炭会再次提高提前着火倾向。因此，通过阻碍润滑油成分从曲轴箱到燃烧室内的传输，也能够降低在燃烧室内的积炭构成。
根据实施方式，在曲轴箱内的压力能够相对于在内燃机外部的环境压力被调节到在100-700mbar区间内的负压。能够例如根据运行状态和尤其根据在内燃机内的进气管内压力相应地调节形成负压。在曲轴箱内的压力例如能够基本上等于在打开气缸的进气阀的情况下在燃烧室内的压力。在此，例如基本上意味着，在曲轴箱内的压力在打开气缸的进气阀的情况下最大与在燃烧室内的压力有10％的偏差。通过内燃机的与燃烧室联接的进气管将负压传送到曲轴箱，例如能够由此调节在曲轴箱内的压力。在此需要注意，所述负压传送件尺寸需要足够大，以便即便在进气管内的压力快速变换时也能实现在曲轴箱内的相应快速的压力变换。例如必须如此对安置在曲轴箱和进气管之间的连接管内的油分离器(用于避免润滑油从曲轴箱传输进入进气管)进行尺寸设计，使得在进气管内的负压变化在尽可能短的时间内也会导致在曲轴箱内的相应压力变化，因为否则存在在这段时间内由于在曲轴箱内较高的压力所述润滑油成分从曲轴箱进入到燃烧室内的风险。
根据实施方式，内燃机包括压缩机，它例如被废气涡轮增压器所驱动，并且被这样地设计，提高在内燃机的与燃烧室联接的进气管内的压力。为了这样地调节在曲轴箱内的压力，从而阻碍通过在曲轴箱和燃烧室之间的压力比出现将润滑油成分从曲轴箱传输到燃烧室，则曲轴箱可选地流体技术上或流动连通地与进气管或者压缩机的进气侧相联接。当在进气管内的压力小于在压缩机的进气侧的压力时，则曲轴箱与进气管相连接，从而在曲轴箱内的压力基本上与在气缸的进气阀打开情况下在气缸的燃烧室内的压力相等。当在压缩机的进气侧的压力小于在进气管内的压力时，则曲轴箱与压缩机的进气侧相连接。因此能够保证，在曲轴箱内总是存在尽可能低的压力，也就是说在曲轴箱内存在尽可能大的负压，从而能够有效地避免将润滑油成分从曲轴箱传输到燃烧室内。
在曲轴箱内的压力的调节能够借助阀来进行，在进气管和曲轴箱之间或者在压缩机的进气侧和曲轴箱之间的连接管中安置所述阀。借助所述阀能够例如根据内燃机的运行状态调节在曲轴箱内的压力。所述阀还可包括止回阀。
根据另一个实施方式，在曲轴箱内的压力能够借助真空泵被调节。因此，在曲轴箱内的负压能够被调节，而同时不影响在进气管内或者在压缩机的进气侧的压力。
根据本发明，提供另一种用于避免气缸工质在内燃机内的计划点火时刻之前提前着火的方法。在该方法中，这样地调节在内燃机的一定运行区间内的对于内燃机的气缸的点火时刻，使得通过被调节的点火时刻导致在气缸内的爆震燃烧。通过爆震燃烧能够去除已经在气缸的燃烧室内积淀和导致提前着火的积炭。通过爆震燃烧形成的机械运动或者振动，能够有利于促进燃烧室内的积炭脱落，并且跟随废气从燃烧室排出。换言之，这样地运行内燃机，使得在内燃机的燃烧室内出现震动，这能够导致所述积炭被抖落或者敲掉。一定的运行区间可这样地被选择，即所述爆震燃烧不会使交通工具的驾驶者感到不适。所述一定的运行区间例如能够包括内燃机的平均或中等负载区域。此外，能够这样地选择一定的运行区间，即在这种一定的运行区间内基本上通过爆震燃烧不会出现内燃机的磨损增加。
根据实施方式，在所述方法中还会根据内燃机的运行参数确定出现提前着火的概率，并且根据这种概率调节用于一定时长或者在一定时段内的爆震燃烧的点火时刻。内燃机的一定运行参数、例如频繁的冷启动、较差的燃料或者润滑油成分进入燃烧室的运行状态能够导致在燃烧室内强烈地构成积炭。这能够提高提前着火出现的概率。通过调节用于爆震燃烧的点火时刻，能够去除这种积炭。根据出现提前着火的概率或者构成积炭的概率能够例如改变在这种被调节的爆震燃烧之间的时间间隔，并且调节在一定时长、例如几秒内的爆震燃烧。
虽然之前所述方法作为单独的实施方式被描述，但是很明显，所述方法的实施方式也能够任意地相互组合，比便避免气缸工质的提前着火。
此外，根据本发明提供一种具有用于避免气缸工质在内燃机内的计划点火时刻之前提前着火的装置的内燃机。所述装置能够这样地调节在内燃机的曲轴箱内的压力，从而避免通过在内燃机的曲轴箱和气缸燃烧室之间的压力比将润滑油成分从曲轴箱传输到燃烧室内。此外，内燃机还能够被设计用于执行上述方法，并且因此还包括上述优点。
根据本发明还提供一种具有用于避免气缸工质在内燃机内的计划点火时刻之前提前着火的装置的内燃机。所述装置被设计用于这样地在内燃机的一定运行区间内调节用于内燃机的气缸的点火时刻，使得通过被调节的点火时刻引发在气缸内的爆震燃烧。内燃机还能够适合于运行上述方法，并且因此还包括上述优点。
最后，根据本发明提供一种具有上述内燃机的交通工具。内燃机能够尤其包括高增压进气的内燃机，从而交通工具具有较低的燃料消耗。通过内燃机具有用于避免提前着火的装置，能够提高内燃机的耐久性和稳定性。
下面结合附图在细节上描述本发明。
图1示出常规燃烧和具有提前着火的燃烧的气缸压力曲线。
图2示出根据本发明的实施方式的内燃机。
图3示出根据本发明的实施方式的交通工具。
图2示出具有气缸11、曲轴箱12、进气管13、压缩机14和排气管15的内燃机10。在气缸11的气缸头内安置进气阀16和出气阀17。在气缸11的燃烧室18内设有活塞19，该活塞通过连杆20驱动内燃机10的曲轴21。曲轴21位于曲轴箱12的内部空间22内。此外，润滑油23也在内部空间22内，用于润滑内燃机10的可移动部件的润滑油借助未示出的油泵被泵入内燃机。在进气管13内安置为了控制内燃机10的负载调节向气缸11输送的新鲜空气量的节气阀24。内燃机10还具有其他部件，例如燃料喷射阀和火花塞，但是由于显示的原因在图2中将它们省略了。根据内燃机10的发动机相关的边界条件可能在内燃机运行时导致润滑油23的润滑油成分从曲轴箱12传输到燃烧室11内。当在曲轴箱12的内部空间22内的压力大于在气缸11的燃烧室18内的压力时，尤其会发生上述情况。在燃烧室18内的润滑油成分会导致提前着火，或者构成积炭，所述积炭又容易导致发生提前着火。
为了避免润滑油成分从曲轴箱12的内部空间22进入气缸11的燃烧室18内，并且由此避免提前着火，内燃机10包括流体连接件25，它将曲轴箱12的内部空间22与进气管12的内部空间相联接。此外，内燃机还包括流体连接件26，它将曲轴箱12的内部空间22与压缩机14的进气侧相连接。内燃机10还包括另一个流体连接件27，它与真空泵28相联接。在流体连接件25-27和曲轴箱12的内部空间22之间的过道上可分别安置油分离器，用于阻碍将润滑油23传输通过流体连接件25-27。借助流体连接件25-27能够在曲轴箱12的内部空间内构造负压。借助泵28例如能够调节形成在曲轴箱12的内部空间22内的恒定的负压或者与内燃机10的运行时刻相关的负压。例如能够这样地调节负压，在内燃机10的吸气冲程中曲轴箱12的内部空间22内的压力基本上与在内部空间18内的压力相等，或者只是稍微大于在内部空间18内的压力，例如最多大出100mbar。因为在打开进气阀16的情况下在进气管13内的压力基本上等于在燃烧室18内的压力，所以通过流体连接件25同样地能够在曲轴箱12的内部空间22内产生压力，该压力基本上与在内部空间18内的压力相等，或者只是稍微大于在内部空间18内的压力，例如最多大出100mbar。为了能够尽快地将在曲轴箱12内的压力与在进气管13中的本身在变化的压力比或压力状态相匹配，流体连接件25具有例如8-10mm的适合的直径。通过流体连接件26还能够在曲轴箱12内构造负压，即使在借助压缩机14提高了在进气管13内的压力的情况下。在流体连接件25和26内能够附加地安置阀29或30，以便调节在曲轴箱12内的合适的压力。所述阀29和30能够例如是止回阀，它们只允许在流体连接件25和26内的流量沿着箭头方向流动。所述阀29和30备选地还能够是能调节的阀，例如冲程阀，以便例如调节曲轴箱12内的压力在进气管压力和环境压力之间。这例如在高动力运行过程中(在该过程中曲轴箱压力不必与进气管压力相匹配)是有利的。通过这样地利用流体连接件25-27调节在曲轴箱12内的压力，从而润滑油成分基本上不会从曲轴箱12传输到燃烧室18，因而能够避免在气缸11内的提前着火。
内燃机10能够具有全部三个流体连接件25-27或者只具有其中个别流体连接件或者具有这些流体连接件25-27的任意组合。
图3示出具有图2所示内燃机10的交通工具100。内燃机10包括多个气缸11，它们与用于供应新鲜空气的进气管13相联接。曲轴箱12的内部空间通过流体连接件25与进气管13相连接，以便调节在曲轴箱12内的压力，该压力基本上与在进气管13内的压力相等。因此能够避免，来自曲轴箱12的润滑油成分进入到气缸18的燃烧室内，并且由此能够避免在气缸11内发生提前着火。
内燃机10还包括火花塞40，它能够借助火花引发在气缸11内的燃料空气混合物的燃烧。火花塞40与装置41、例如点火设备相联接。在内燃机10正常运行时这样地调节火花塞40的点火时刻，使得通过燃料空气混合物的燃烧在气缸11的燃烧室内出现的压力在活塞到达上死点时或者在到达上死点之后立即开始驱动活塞19。如果调节点火时刻使之提前，则活塞19在达到上死点之前就被加载了压力，因此会使得燃烧无效力，并且提高了发动机磨损。此外，这种过早的点火能够引起爆震的噪声，这能够使得交通工具100的驾驶员感到不适或者干扰。因此，通常需要避免过早的点火。这种过早的点火还被称为爆震燃烧。由于爆震燃烧导致内燃机10磨损增加通常在较高负载和/或较高转速的情况下出现。在中等或较低负载和中等转速情况下可发生爆震燃烧，而不在内燃机10上出现增加的损耗。通过爆震燃烧在内燃机10内产生振动，这种振动能够促使在燃烧室内、例如在气缸11的侧壁上、在活塞19上或者在气缸盖内或者在阀16、17上的积炭脱落或者松脱，并且在气缸11接下来的排气冲程中能够从燃烧室内被排出。因此，控制装置41在内燃机10的一定的运行状态下这样偶尔地控制火花塞，使得出现爆震燃烧，从而能够去除积炭。控制装置41优选在内燃机10的运行状态中进行这种爆震燃烧，使之对内燃机10没有负面影响。此外，这种装置41还能够根据在气缸11的燃烧室18内构成积炭的概率调节爆震燃烧的频度或者时长。为此，装置41能够例如观测内燃机10的运行过程或者例如监测燃料质量。

Claims (16)

1.一种用于避免气缸工质在内燃机内的计划点火时刻之前提前着火的方法，包括：
-这样地调节在所述内燃机(10)的曲轴箱(12)内的压力，从而避免出现通过在所述内燃机(10)的曲轴箱(12)和气缸(11)燃烧室(18)之间的压力比将润滑油成分从所述曲轴箱(12)传输到所述燃烧室(18)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，调节在所述曲轴箱(12)内的压力包括相对于环境空气压力调节压力到100-700mbar的负压。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，调节在所述曲轴箱(12)内的压力包括从所述内燃机(10)的与所述燃烧室相联接的进气管(13)传导负压。
4.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，所述内燃机(10)包括压缩机(14)，其设计用于提高在所述内燃机(10)的与所述燃烧室(18)相联接的进气管(13)内的压力，其中，调节在所述曲轴箱(12)内的压力包括所述曲轴箱(12)与进气管(13)或者与压缩机的进气侧的可选的流动连通的联接。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，当在进气管(13)内的压力小于在所述压缩机(14)的进气侧上的压力时，则所述曲轴箱与进气管(13)这样地联接，使得在所述曲轴箱(12)内的压力基本上等于在气缸(12)的进气阀(16)被打开时在燃烧室(18)内的压力。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其中，当在压缩机(14)的进气侧上的压力小于在进气管(13)内的压力时，所述曲轴箱(12)与所述压缩机(14)的进气侧相联接。
7.根据权利要求3-6之一所述的方法，其中，调节在所述曲轴箱(12)内的压力包括借助阀(29)调节所述压力，所述阀被安置在所述进气管(13)和所述曲轴箱(12)之间的连接管中。
8.根据上述权利要求之一的方法，其中，调节在所述曲轴箱(12)内的压力包括借助真空泵(28)调节所述压力。
9.一种用于避免气缸工质在内燃机内的计划点火时刻之前提前着火的方法，包括：
-这样地在内燃机(10)的一定运行区间调节用于内燃机(10)的气缸(12)的点火时刻，使得通过被调节的点火时刻引发在所述气缸(12)内的爆震燃烧。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述一定的运行区间包括在所述内燃机(10)的平均或中等负载区间内的运行区间。
11.根据权利要求9或10所述的方法，还包括：
-根据所述内燃机(10)的运行参数确定出现提前着火的概率，
-根据所述概率调节用于一定时长或者在一定的时间间隔内爆震燃烧的点火时刻。
12.一种用于避免气缸工质在内燃机内的计划点火时刻之前提前着火的方法，包括根据权利要求1-8之一所述方法和根据权利要求9-11之一所述方法的方法步骤。
13.一种内燃机，包括：
-用于避免气缸工质在内燃机(10)内的计划点火时刻之前提前着火的装置(25-28)，其中，所述装置(25-28)被设计用于这样地调节在所述内燃机(10)的曲轴箱(12)内的压力，从而阻碍出现通过在内燃机(10)的曲轴箱(12)和气缸(11)的燃烧室(18)之间的压力比将润滑油成分从所述曲轴箱(12)传输到燃烧室(18)。
14.一种内燃机，包括：
-用于避免气缸工质在内燃机(10)内的计划点火时刻之前提前着火的装置(41)，其中，所述装置(41)被设计用于这样地在内燃机(10)的一定运行区间调节用于内燃机(10)的气缸(12)的点火时刻，使得通过被调节的点火时刻引发在所述气缸(12)内的爆震燃烧。
15.根据权利要求13或14所述的内燃机，其中，该内燃机(10)设计用于实施根据权利要求1-12之一所述的方法。
16.一种具有根据权利要求13-15之一所述内燃机(10)的交通工具。
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