CN104373224A - 操作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操作内燃机的方法和装置。提供部分负载模式，该部分负载模式针对高达部分负载上限的发动机负载的低速航行被优化，该部分负载上限在最大发动机负载的40％至75％的范围内。另外，针对在部分负载上限以上的发动机负载提供高负载模式。在部分负载模式下，至少一个进气门(4)在比高负载模式下延后的关闭角被关闭。

Description

操作内燃机的方法和装置
技术领域
本发明大体涉及一种用于操作内燃机的方法和装置，并且更具体地，涉及一种针对在内燃机的海洋应用中低速航行优化的方法和装置。
背景技术
用于调节进气门和出气门的打开和关闭的各种系统在可变气门正时技术领域中是已知的。大多数系统的目的是调节内燃机中凸轮致动部件的致动正时。通常，那些可变气门正时系统促进所谓的凸轮定相，凸轮轴相对于曲轴向前或向后旋转的旋转角使相关联的部件的致动正时超前或延迟。
EP2136054A1示出用于控制内燃机的操作的装置。在静态操作下，柴油发动机在大于满载的25％的负载下被操作，且在米勒循环中有两种气门升程曲线。在满载的25％以下的负载下，内燃机以两种不同的气门升程曲线被操作。该技术也称为柔性凸轮轴技术(FCT)。
一些系统可以包括为燃料喷射器提供高压燃料的共轨，该共轨可以是螺线管致动的或压电致动的。
本发明至少部分地针对改善或克服早先系统的一个或多个方面。
发明内容
根据本发明的一方面，公开了一种用于操作内燃机的控制系统。该内燃机可以包括具有至少一个进气门的至少一个气缸单元。该控制系统可以包括控制单元，该控制单元被构造成提供部分负载模式，该部分负载模式被优化用于部分负载(诸如，在海洋应用中被用于低速航行的负载)并且被构造为用于高达部分负载上限的发动机负载，该部分负载上限设置在最大发动机负载的40％至75％的范围内，其中，所述至少一个进气门在进气门部分负载关闭角被关闭。该控制单元可以进一步被构造成提供高负载模式，该高负载模式被构造用于在部分负载上限以上的发动机负载，其中，所述至少一个进气门在进气门高负载关闭角被关闭。进气门高负载关闭角可以比进气门部分负载关闭角早在5°至25°的范围内。
根据本发明的另一个方面，公开了一种用于操作包括带有至少一个进气门的至少一个气缸单元的内燃机的方法。该方法可以包括在高达部分负载上限的发动机负载下以部分负载模式操作内燃机，所述部分负载上限在最大发动机负载的40％至75％的范围内，其中，所述至少一个进气门在进气门部分负载关闭角被关闭。该方法可以进一步包括在部分负载上限以上的发动机负载下以高负载模式操作内燃机，其中，所述至少一个进气门在比进气门部分负载关闭角早在5°至25°范围内的(角差)的进气门高负载关闭角被关闭。
本发明的其它特征和方面将从下列说明书和附图显而易见。
附图说明
并入本文中并且构成本说明书的一部分的附图示出本发明的示例性实施例并且与本说明书一起用于解释本发明的原理。在这些附图中：
图1示出根据本发明的气缸单元和控制系统的示意图；
图2示出根据本发明的用于控制内燃机的操作的示例性装置的示意图；
图3示出表示如例如由图1的控制系统根据高负载模式和部分负载模式调节的示例性进气门正时的图示。
具体实施方式
下文是本发明的示例性实施例的详细描述。在本发明中所描述的和附图中所示的示例性实施例旨在教示本发明的原理，使得本领域的那些普通技术人员能够在许多不同的环境下对于许多不同应用实施使用本发明。因此，示例性实施例没有意图并且不应被视为对专利保护范围的限制性描述。相反，专利保护范围应由所附权利要求限定。
本发明部分地基于如下认识：在船舶和海洋船只上的大型内燃机在所谓的低速航行期间通常以部分负载被操作。低速航行降低燃料成本，并且因此减轻对环境的影响。一般而言，低速航行被理解为在海洋应用中在远低于最大负载的负载(例如，在最大发动机负载的40和80％之间的负载)下操作发动机。由于大多数发动机特别被优化用于高负载操作，所以在发动机效率方面并且因此在燃料消耗方面，当低速航行时在部分负载下的操作包括未开发的潜力。
在本文中，公开了一种用于操作内燃机的方法和控制系统，该方法和控制系统允许在低速航行期间内燃机的被优化的操作。具体地，在本文中作为示例公开的方法和装置为气门致动和燃料喷射提供针对部分负载操作优化的操作模式。
参照图1，示意性地描绘用于内燃机的控制系统1。该控制系统1包括控制单元2，该控制单元2被构造成控制内燃机的至少一个气缸单元9的至少一个进气门4、至少一个出气门6和/或至少一个燃料喷射器8。
所述包括控制系统1的内燃机可以包括未示出的特征部，诸如空气系统、冷却系统、外围件、动力传动部件等。此外，内燃机可以具有任意大小，具有任意气缸数，以及具有任意构造(例如，“V”形、直列、径向等)。另外，内燃机可以被用来发动任意机器或其它装置，包括但不限于海洋应用、机车应用、公路用卡车或车辆、越野用卡车或机器、推土设备、发电机、航空和航天应用、离岸应用、泵、固定设备、或其它发动机发动应用。可以利用柴油燃料、重燃油和/或类似物来发动内燃机。
如上所指出的，控制单元2控制进气门4、出气门6和/或燃料喷射器8的操作。对那些元件的控制可以由本领域已知的能够根据需要来致动元件的任意可想到的机构来进行。例如，进气门4、出气门6和燃料喷射器8中的至少一个可以由通过曲轴旋转驱动的至少一个凸轮轴直接或间接地机械致动。在另一个实例中，进气门4、出气门6和燃料喷射器8中的至少一个可以由螺线管或压电元件致动。在那些构造中，控制单元2通过分别激励和去激励螺线管和压电元件来控制操作。
控制单元2提供部分负载模式和高负载模式来操作内燃机。部分负载模式，特别是其控制参数设置，在高达部分负载上限的发动机负载下被使用。部分负载上限可以设置在最大发动机负载的40％至75％的范围内，例如45％、50％、65％和70％。因此，在设置的部分负载上限以上的发动机负载下使用高负载模式。
根据图2，可以使控制系统1适于作为所谓的柔性凸轮技术。凸轮轴10优选地与几个凸轮(例如，进气凸轮12、出气凸轮14和泵凸轮16)一体地形成。
进气凸轮12适于操作进气门4(参见图1)，该进气门4布置在内燃机的气缸单元9的燃烧室的进口中并且经由例如进气门操作装置18被操作。以类似的方式，出气凸轮14适于经由例如出气门操作装置20来操作布置在内燃机的气缸单元9的燃烧室的出气口中的出气门6(参见图1)。泵凸轮16适于经由例如泵操作装置22来操作布置在注射泵中的泵活塞24。所述注射泵与燃料喷射器8(参见图1)流体地连接，以在被致动的情况下将燃料供应至燃料喷射器8。
进气门操作装置18包括形成例如为振荡臂的进气门操作杆26，该进气门操作杆26适于经由例如被支撑于其上的辊25来追踪进气凸轮12的行程。该行程经由例如进气门操作挺杆28被传输至进气门4以便操作所述进气门4。
类似地，出气门操作装置20设置有出气门操作杆30，该出气门操作杆30适于经由例如被支撑于其上的辊29来追踪出气凸轮14的行程并且将该行程传输至出气门操作挺杆32。
泵凸轮16的行程可以例如由布置在泵操作杆34的端部处的辊33追踪并且可以被传输至泵活塞24。
在背向追踪辊25、29、33的端部处，操作杆26、30和34被支撑在偏心盘36、38和40上，所述偏心盘36、38和40优选地与可以被支撑在发动机壳体(未示出)上的可旋转轴42一体地形成。偏心盘36、38、40的优选为圆柱形的圆周表面相对于轴42的轴线的偏心以及这些偏心相对于轴42的旋转位置的相对位置可以分别根据本文概述的相应的要求来选择。
为了调节轴42的旋转位置，轴42可以例如扭力刚性地连接到齿轮44或连接到与例如扇形齿轮46的齿啮合的任意其它适用的元件，该扇形齿轮46的旋转位置可以是经由例如包括致动器杆49的致动器48可调节的。致动器48与扇形齿轮46和齿轮44一起可以形成调节装置50。液压或气压缸可以被用作纵向可调节元件。在其它实施例中，线性马达或任意其它适当的元件可以适于以适当的方式使轴42旋转。
示例性控制单元2被提供用于控制致动器48。控制单元2优选地包括具有适当的程序和数据存储器的微处理器，并且包括几个输出端，所述输出端中的至少一个连接到致动器48。控制单元2优选地设置有几个输入端，所述输入端中的一个与例如操作元件54连接以便调节例如内燃机的负载或内燃机的操作模式。
用于检测内燃机的气缸中的气缸压力的多个气缸压力传感器86和用于检测内燃机的曲轴的转速的速度传感器88也可以连接到控制单元2的进一步的输入端。用于检测所需负载及其改变的负载传感器90也可以连接到控制单元2的进一步的输入端。
在一些实施例中，可以提供用于致动进气门和出气门的独立的凸轮轴。
再一次，应注意的是，图2仅指示控制系统1的示例性实施例。各种附加或替代元件可以是控制系统1的部分以促进控制进气门4、出气门6和/或燃料喷射器8。例如，可以提供为在致动之后喷射燃料的燃料喷射器供应高压燃料的共轨。
工业实用性
在下文中，参照图1至图3描述在部分负载模式和高负载模式下控制内燃机的操作的控制系统1的操作。
图3示出指示依赖于曲柄角的气门升程的图示。气门在1.0的气门升程处充分打开，而气门在0.0的气门升程处完全关闭。如本领域的技术人员将了解的，0°和360°的曲柄角(在图3中未示出)与在上死点(TDC)处的活塞相关联，并且180°和540°的曲柄角与在下死点(BDC)处的活塞相关联。在下文中，参照TDC和BDC描述气门升程曲线。例如，某一位置可以是在上死点前(BTDC)10°，或在下死点后(ABDC)15°。
应理解，对于高负载模式和部分负载模式示出的气门致动正时仅仅是示例性的，并且在可能受到例如发动机大小、发动机功率输出和发动机速度的影响的某些界限内，所述气门致动正时可以被修改。因此，对于下文中描述的某些角度，部分负载模式和高负载模式之间的不同的值范围应引起特别关注。此外，曲线的形状也仅仅是示例性的，并且例如取决于潜在的机械系统。
具体地，气门升程曲线A(由图3中的实线指示)和气门升程曲线B(由图3中的短划线指示)限定进气门4(参见图1)在部分负载模式下被致动的范围。气门升程曲线C(由图3中的点线指示)和气门升程曲线D(由图3中的点划线指示)限定进气门4在高负载模式下被致动的范围。根据曲线A，进气门4在约10°ABDC处完全关闭，所述10°ABDC可以是进气门部分负载关闭角(αp′)的上限。在曲线B处，进气门4的部分负载关闭角(αp″)的下限是在约15°BBDC处。对于高负载模式，高负载关闭角(αh′)的上限是在约10°BBDC处，在此处进气门4完全关闭，这能够在曲线C处看到，并且高负载关闭角(αh″)的下限是在约35°BBDC处，这由曲线D指示。
一般而言，取决于发动机速度、活塞行程和平均活塞速度，曲线在它们的角位置上可以不同。
作为示例，图3示出对于中型内燃机的示例性高负载关闭角(αh)和示例性部分负载关闭角(αp)之间的差d。差d表明高负载关闭角(αh)比部分负载关闭角(αp)早。高负载关闭角(αh)是在早例如5°至25°(例如，20°)的范围内，如图3所描绘。一般说来，随着部分负载上限减小，差d被设置为更高，并且反之亦然，所述部分负载上限构成从部分负载模式过渡到高负载模式的过渡点。原因在于，对于被设置为相对低的部分负载上限，部分负载模式被优化用于例如在最大发动机负载的25％至50％的范围内的较低部分负载。这离被优化用于高负载模式的发动机操作点相当远。对于被设置为相对高的部分负载上限，部分负载模式被优化用于较高部分负载。例如，最大发动机负载的40％至75％的范围相比之下离被优化用于高负载模式的发动机操作点近。
而且，进气门4在进气冲程期间关闭越早，进行所谓的米勒循环越明显。如本领域的技术人员将了解的，米勒循环伴随各种效应，诸如例如更高的几何压缩、降低的燃烧峰温度、减少的爆震和更加有效的燃料燃烧。降低的燃烧峰温度可以尤其减小产生的NOx的量。另一方面，特别是在部分负载模式下，内燃机仅以不太明显的米勒循环(如果会发生的话)被操作。在进气门在部分负载模式下在下死点后不久被关闭的实施例中，内燃机在不太明显的所谓的阿特金森循环中运行，所述阿特金森循环的效应类似于不太明显的米勒循环的效应。如术语已经指示，在不太明显的米勒循环以及在不太明显的阿特金森循环中，上文提出的明显的米勒循环的效应不太明显地发生。
在燃料喷射正时方面，高负载模式和部分负载模式也不同于彼此。为了确保在部分负载模式下的无烟燃烧，使用与在高负载模式下相比更早的喷射正时。具体地，部分负载喷射正时比高负载喷射正时更早进行，且喷射正时差例如在从2°至6°范围内。例如，如果燃料在部分负载模式下在从作为下限的15°BTDC到作为上限的2°BTDC(或5°BTDC)的范围内被注入，则燃料在高负载模式下可以在从13°BTDC至3°BTDC的范围内被注入。
以与进气门4类似的方式，出气门6在部分负载模式和高负载模式下被不同地致动。具体地，在部分负载模式下，出气门6在比高负载出气门关闭角更早的部分负载出气门关闭角被关闭。
在示例性实施例中，图2所示的控制系统1被构造成根据本文公开的方法来控制内燃机特别是进气门4、出气门6和燃料喷射器8。具体地，调节装置50被构造成将轴42的旋转角调节到至少第一角位置和不同于该第一角位置的第二角位置。第一角位置与高负载模式相关联，并且第二角位置与部分负载模式相关联。
除最大输出负载优化的高负载模式之外，本文公开的用于进气门和/或出气门和/或燃料喷射的操作角的关联性允许提供针对低速航行优化的部分负载模式。
这特别允许用于在最大功率输出下或在部分负载优化的功率输出下的海洋应用航行。例如，后者是适用的，如果行驶速度不太重要或能够较好地满足排放法规。
虽然本文中已经描述了本发明的优选实施例，但是在不脱离所附权利要求的范围的情况下，可以包含改进和修改。

Claims (13)

1.一种用于操作内燃机的控制系统(1)，所述内燃机包括带有至少一个进气门(4)的至少一个气缸单元(9)，所述控制系统(1)包括：
控制单元(2)，所述控制单元(2)能够
提供部分负载模式，所述部分负载模式针对部分负载操作优化并且能够用于高达部分负载上限的发动机负载，所述部分负载上限设置在最大发动机负载的40％至75％的范围内，其中，所述至少一个进气门(4)在进气门部分负载关闭角(αp)被关闭；以及
提供高负载模式，所述高负载模式能够用于在所述部分负载上限以上的发动机负载，其中，所述至少一个进气门(4)在进气门高负载关闭角(αh)被关闭；
其中，所述进气门高负载关闭角(αh)是在比所述进气门部分负载关闭角(αp)早5°至25°的范围内。
2.根据权利要求1所述的控制系统(1)，其中，所述进气门部分负载关闭角(αp)是在从以下死点(BDC)前15°作为下限到以下死点后10°作为上限的范围内。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的控制系统(1)，其中，
在所述高负载模式下，燃料在高负载模式喷射正时期间被注入；并且
在部分负载模式下，燃料在比所述高负载喷射正时早2°至6°的范围内的部分负载喷射正时期间被注入。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的控制系统(1)，其中，在所述部分负载模式下，燃料在以上死点(TDC)前15°作为下限到以上死点(TDC)前2°作为上限的范围内被注入。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的控制系统(1)，其中，所述高负载关闭角(αh)是在35°BBDC至10°BBDC的范围内。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的控制系统(1)，其中，在所述高负载模式下，燃料在以上死点(TDC)前13°作为下限到以上死点(TDC)前3°作为上限的范围内被注入。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的控制系统(1)，进一步包括：
轴(42)，所述轴(42)可旋转地被支撑并且设置有第一偏心轮(36)，所述第一偏心轮(36)能够用以支撑用于控制所述进气门(4)的进气门操作杆(26)；和
调节装置(50)，所述调节装置(50)能够调节所述轴(42)的旋转角到至少第一角位置和不同于所述第一角位置的第二角位置，所述第一角位置与所述高负载模式相关联，并且所述第二角位置与所述部分负载模式相关联，其中，
所述第一偏心轮(36)被设计并且被布置在所述轴(42)上，使得在所述第一角位置，所述相关联的进气门(4)在所述高负载进气门关闭角被关闭，并且，在所述第二角位置，所述相关联的进气门在所述部分负载进气门关闭角被关闭。
8.根据权利要求7所述的控制系统，其中，所述轴(42)进一步设置有第二偏心轮(38)，所述第二偏心轮(38)能够支撑用于控制出气门(6)的出气门操作杆(30)，所述第二偏心轮(38)被设计并且被布置在所述轴(42)上，使得在所述第一角位置，相关联的出气门(6)在高负载出气门关闭角被关闭，并且，在所述第二角位置，相关联的出气门在比所述高负载出气门关闭角早的部分负载出气门关闭角被关闭。
9.根据权利要求7或8所述的控制系统(1)，其中，所述轴(42)进一步设置有第三偏心轮(40)，所述第三偏心轮(40)能够支撑用于控制燃料喷射器(8)的燃料泵操作杆(34)，所述第三偏心轮(40)被设计并且布置在所述轴(42)上，使得在所述第一角位置，相关联的燃料喷射器(8)被控制使得燃料在高负载喷射正时期间被注入，并且，在所述第二角位置，相关联的燃料泵被控制使得燃料在比所述高负载喷射正时早的部分负载喷射正时期间被注入。
10.一种用于操作内燃机的方法，所述内燃机包括带有至少一个进气门(4)的至少一个气缸单元(9)，所述方法包括：
在高达部分负载上限的发动机负载下以部分负载模式操作所述内燃机，所述部分负载上限在最大发动机负载的40％至75％的范围内，其中，所述至少一个进气门(4)在进气门部分负载关闭角被关闭；以及
在所述部分负载上限以上的发动机负载下以高负载模式操作所述内燃机，其中，所述至少一个进气门(4)在比所述进气门部分负载关闭角早5°至25°范围内的进气门高负载关闭角被关闭。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述部分负载关闭角是在从以下死点(BDC)前15°作为下限到以下死点(BDC)后10°作为上限的范围内。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，
在所述高负载模式下，燃料在高负载模式喷射正时期间被注入；并且
在部分负载模式下，燃料在比所述高负载喷射正时早2°至6°的范围内的部分负载喷射正时期间被注入。
13.根据权利要求10至12中的任一项所述的方法，其中，在所述部分负载模式下，燃料在以上死点(TDC)前15°作为下限到以上死点(TDC)前2°作为上限的范围内被注入。
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