CN104641085A - 用于运行具有至少一个进气阀的内燃机、尤其是汽油发动机的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于运行具有至少一个进气阀(11)的内燃机(1)、尤其是汽油发动机的方法，其中：-输送至所述内燃机(1)的增压空气流通过废气涡轮增压器(2)进行压缩；-在部分负荷工作状况下，所述内燃机(1)的所述至少一个进气阀(11)在非常早的第一时间点(t1)或者非常晚的第二时间点(t2)被关闭；-在由部分负荷工作状况向全负荷工作状况过渡的过程中，在预先规定的时间段内所述至少一个进气阀(11)在较早的第三时间点(t3)或者在较晚的第四时间点(t4)关闭，第三时间点(t3)在第一时间点(t1)后，第四时间点(t4)在第二时间点(t2)前。

Description

用于运行具有至少一个进气阀的内燃机、尤其是汽油发动机的方法
技术领域
本发明涉及一种用于运行具有至少一个进气阀的内燃机、尤其是汽油发动机(奥托循环发动机)的方法。此外，本发明还涉及一种通过该方法运行的内燃机以及具有这一类内燃机的机动车。
背景技术
在现代商用车中通常使用柴油发动机作为内燃机。由于结构原因，在这一类的柴油发动机中可以实现较高的压缩比，这可以带来相对较高的热力学效率，同时也可以使得使用这一类柴油发动机的商用车具有较高的经济性。当然，不管是用于将燃油喷射至柴油发动机燃烧室中的柴油发动机喷射系统，还是该柴油发动机的其他部件都相对较为昂贵。在商用车中使用柴油发动机的另一缺点在于，柴油发动机排出的有害排放物尤其在内燃机的全负荷工作状况下不容忽视，需要较高的花费进行废气再处理。与此相对，外部点火的汽油发动机会以所谓的稀薄混合气运转方式进行工作。与柴油发动机相比，构成为汽油发动机的内燃机在燃烧时产生的废气几乎不产生炭黑。与此相对，汽油发动机的经济性由于大量的热力学框架条件而受到限制。此外，由于汽油发动机燃油存在所谓的爆震趋势，其几何学压缩比不允许超过预先规定的明显低于柴油发动机的极限值。与之对应，汽油发动机的热力学效率低于柴油发动机的热力学效率。
为了改善汽油发动机的热力学效率，汽油发动机可以以所谓的米勒运行模式作为“米勒发动机”进行工作。在这一类的米勒运行模式下，常规的汽油发动机以比汽油发动机的标准工作状况下更高的压缩比进行工作。为了降低由此形成的米勒发动机的爆震趋势，内燃机气缸的进气阀关闭得非常早或者非常晚，尤其是明显在属于内燃机活塞下死点的540°的曲轴转角之前或者之后进行关闭。这意味着，通过进气阀将新鲜的燃烧空气吸入燃烧室的过程要么提前中断，要么将部分已经吸入燃烧室的空气重新送至置于进气阀之前的进气管道中。在两种情况下，各自的气缸仅实施不完全充气，由此，可以避免或者至少降低燃烧室中意外出现的爆震。
从现有技术例如DE 199 50 677 A1中已知，常规的汽油发动机能够以米勒发动机的形式结合废气再循环装置进行工作。此外根据该改进形式，内燃机既可以以部分负荷方式，也可以以完全负荷方式进行工作，从而使得在完全负荷工作状况下通过对进气阀和排气阀的控制时间进行适当的调节重新回到已经升高的压缩比。同时，根据该改进形式，也可以借助置于内燃机之后的废气涡轮增压器进行增压。然而，以该方式进行工作的汽油发动机仅在有限条件下适合全负荷工作，因为内燃机的活塞以及输送废气的部件在排气阀区域遭受较高的热负荷。为了降低这一类不期望出现的高的热负荷，在全负荷工作状况下通常对燃油-空气混合气进行润滑，然而这会增大燃油消耗量，同时也会提高内燃机的有害物排放。
DE 10 2006 032 719 A1公开了一种具有更佳经济性的汽油发动机运行方法。根据该方法，汽油发动机的至少一个进气阀非常早或者非常晚地进行关闭。这种非常早或者非常晚关闭至少一个进气阀的方法可以在改进热力学效率的条件下降低温度水平。借助废气涡轮增压器来压缩燃烧空气流，从而由于进气阀关闭时间而减少的气缸充气可以至少近似地得到补偿，从而可以提供足够高的功率水平。另一个降低温度的措施是，至少在全负荷情况下排出废气的部分气流作为废气再循环气流输送至燃烧空气流。该方法的缺点在于，在所谓的内燃机瞬态工作状况下，即在内燃机由较低负荷向较高负荷或者全负荷的负荷转变过程中，内燃机的负荷能力或者效率相对不足。
发明内容
本发明的任务是，说明一种运行内燃机的方法，对于该内燃机而言可以排除或者至少降低上述缺点。上述发明的另一任务是，说明一种用于实施这一类改进型方法的对应内燃机。
上述任务通过独立权利要求的主题加以解决。优选的实施形式是从属权利要求的主题。
本发明基于的一般思想是，在内燃机由部分负荷工作状况向全负荷工作状况过渡的过程中，即在所谓的瞬态工作状况下，进气阀关闭的时间点对预先规定的时间段来说，即临时地，沿着朝着一内燃机活塞位于下死点的时间点的方向推移。这意味着，在部分负荷向全负荷工作状况过渡的过程中，活塞在进气阀关闭的时间点与在原本的部分负荷或者全负荷工作状况中相比更加靠近下死点位置。通过该方式，在由部分负荷向全负荷工作状况过渡的过程中可以短时间将增大的空气量带入燃烧室中。借助这一类短时间提高经过内燃机燃烧室的空气质量流量，还可以短暂提高废气涡轮增压器的涡轮机功率，这使得整个内燃机的功率短暂上升。因此，借助根据本发明的方法，相对于常规的上文所述的方法，可以快速且有效地在由部分负荷向全负荷工作状况过渡的过程中按期望提高功率。但同时，在瞬态工作状况下的内燃机燃油消耗同部分负荷和全负荷工作状况下一样保持在相对较低的水平。
根据本发明的方法，在单纯的部分负荷或者全负荷工作状况下，内燃机在常规的米勒运行模式(在该运行模式下，内燃机的至少一个进气阀在非常早的第一时间点关闭)或者在所谓的阿特金森运行模式(在该运行模式下，内燃机的至少一个进气阀在非常晚的第二时间点关闭)下进行运行。根据本发明的方法基于内燃机在部分负荷和全负荷下的常规的米勒或者阿特金森运行模式以及在由部分负荷向全负荷过渡的瞬态工作状况下的改进方法。
在一种优选的实施形式中，在内燃机的单纯的全负荷和/或部分负荷工作状况下，如果内燃机的活塞相对于内燃机活塞的、配属于内燃机进气冲程的下死点具有或者基本上为-70°(“米勒运行模式”)或者基本上为+70°(“阿特金森运行模式”)的相对曲轴转角时，则该至少一个进气阀被关闭。根据整个系统的设计以及已经存在的但非必需的不同的配气机构(所述配气机构具有可描述的不同类型的以及可转换的凸轮形状)，上述70°KW的数值可存在+-30°KW的变化。
在瞬态工作状况下，即由部分负荷工作状况向全负荷工作状况过渡的过程中，内燃机的进气阀根据本发明在相对曲轴转角基本上大约为-67°或者+67°时，即在下死点区域中在预先规定的时间段内关闭。通过该方式可以特别快速提高内燃机在瞬态工作状况下的功率，同时保持较低的燃油消耗并实现较低的有害物质排放。
在另一种实施形式中，预先规定的时间段至少为0.2ms。通过该方式，可以确保置于内燃机之后的废气涡轮增压器增大足够的功率。
在另一种实施形式中，在预先规定的时间段内降低内燃机中废气的废气再循环率。对此，内燃机的低压和/或高压废气再循环装置具有一相应的调节阀，该调节阀为了降低废气再循环率在短时间内部分或者甚至完全关闭，从而使得废气再循环气流相对于内燃机的部分负荷和全负荷工作状况在瞬态工作状况下暂时降低。
在一种特别优选的实施形式中，置于内燃机之后的废气涡轮增压器的废气阀门装置的废气阀门开口至少在由部分负荷向全负荷工作状况过渡的预先规定的时间段内关闭。通过关闭废气阀门开口，废气涡轮增压器的涡轮机功率在瞬态工作状况下可以到达最大，由此可以特别快速且有效地实现在瞬态工作状况下需要的功率上升。除了关闭废气阀门开口，也可以选择或者额外对废气涡轮增压器中废气涡轮增压器涡轮的可能已经存在的可变的涡轮机形状进行相应的调节。
为了进一步改善实施根据本发明方法的内燃机的效率，在一种优选的实施形式中，在预先规定的时间段内，内燃机点火装置的点火时间点延迟一预先规定的延迟时间段或者延迟一活塞的预先规定的相对曲轴转角，即变晚。在一种特别优选的实施形式中，随着废气再循环率的上升而减小的该预先规定的相对曲轴转角相对于内燃机活塞的、配属于内燃机点火冲程的上死点基本上为+5°至+23°。
此外，本发明还涉及一种具有增压装置的内燃机，所述内燃机用来实施具有上述特征中的一种或者多种的方法，该内燃机具有控制装置，该控制装置设计得使控制装置在部分负荷工作状况下在非常早的第一时间点或者在非常晚的第二时间点将内燃机的至少一个进气阀关闭，对此，在由部分负荷工作状况向全负荷工作状况过渡的过程中，即所谓的瞬态工作状况下，将该至少一个内燃机进气阀在较早的第三时间点或者较晚的第四时间点在预先规定的时间段内关闭，对此第三时间点在第一时间点后，且第四时间点在第二时间点前。
本发明涉及一种具有上述根据本发明的内燃机以及排气管的机动车，在该排气管中布置有废气涡轮增压器。
本发明的其他重要特征和优点见从属权利要求、附图和相关的根据附图的附图说明。
可以理解的是，上述以及下述特征不仅可以以各自所述的组合，而且也可以以其他组合或者单独加以使用，只要在上述发明的范围内。
附图说明
本发明优选的实施示例在附图中进行显示，并在下文的说明中进行更详细的解释，对此，相同的标号表示相同、类似或者功能相同的部件。
其中，分别示出了：
图1示出根据本发明的内燃机的一种实施例。
图2示出了描述根据本发明的方法中重要的活塞曲轴转角位置的图表。
具体实施方式
在图1中大致示意示出了用于实施根据本发明方法的内燃机，并且以1表示。内燃机1包含增压装置2。在根据图1的实施示例中，增压装置2以废气涡轮增压器2的形式具有涡轮机3和压缩机4。当然，可以理解的是，增压装置也可以包含多个废气涡轮增压器或者包含一个或者多个废气涡轮增压器以及一机械增压器。对此废气涡轮增压器可以具有一种可变的涡轮机形状。内燃机1包含气缸体5，在该气缸体中示例性地设置有四个气缸6。当然，在实施形式的变体中，也可以规定其他数量的气缸6。内燃机1为汽油发动机。通过具有进气歧管7的进气管8输送新鲜空气至气缸6中。在进气管8中也可以布置有冷却器9。借助冷却器9可以冷却待输送至气缸6中的吸入空气，从而可以以有利的方式降低气缸6中的工作温度。但在一种简化变体中也可以取消冷却器9。
在内燃机1的气缸6中，布置有上下移动的活塞，为简明起见，该活塞在图1的简化示意图中未示出。在根据本发明的方法中，输送至内燃机1的空气流借助废气涡轮增压器2进行压缩。为了形成在气缸6中待燃烧的燃油-空气混合物，将燃油喷射至进气管8(进气管喷射)或者直接喷射至气缸6(直接喷射)中。
空气流(参见箭头10)向气缸6中的输送控制通过仅粗略显示的进气阀11进行，对此每个气缸6分别具有至少一个进气阀11。进气阀11可在打开和关闭状态之间进行调节，对此，借助控制装置12能够对进气阀11的打开度进行调节。
燃油-空气混合物在气缸6中燃烧时形成的废气以废气流的形式(参见箭头13)从气缸6通过排气管14排出。借助图1中未示出的排气阀对废气流13进行排气控制，对此，对应于进气阀11，为每个单独的气缸6分别配备至少一个排气阀。
排气管14可以和进气管8通过高压废气再循环管15相连。除了高压废气再循环管15，也可以选择或者额外布置图1中未示出的低压废气再循环管。高压废气再循环管15可以具有类型为高压阀门的控制单元16，借助该控制单元可以对待再循环的废气流量进行调节。相应地，这也适用于可能存在的低压废气再循环管。
废气流的非再循环部分经过废气涡轮增压器2的涡轮机3进行引导，对此，借助涡轮机3驱动废气涡轮增压器2的压缩机4。压缩机4在燃烧空气流进入气缸6中前对燃烧空气流进行压缩。废气再循环管15可以在涡轮机3的上游从排气管14分流为所谓的高压废气再循环，也可以选择或者额外如上文所述的一样在涡轮机3的下游从排气管14分流为所谓的低压废气再循环(未示出)。
在部分负荷工作状况下，内燃机1的气缸6的各进气阀11既可以在非常早的第一时间点t1(米勒运行模式)，也可以在非常晚的第二时间点t2(阿特金森运行模式)被关闭。对此，当内燃机1的气缸6的活塞相对于配属于内燃机1的进气冲程的、各自活塞的下死点UT具有基本上为-70°(米勒运行模式)或者基本上为+70°(阿特金森运行模式)时，部分负荷工作状况下的进气阀11被恰好关闭。该情况在图2的示意图中进行了更详细的说明，该附图简化显示了各自气缸6的活塞的曲轴转角α。活塞的下死点以“UT”表示。该下死点UT为540°的绝对活塞角度。
在静止的全负荷工作状况下，出于效率的原因，也应较早或者较晚关闭进气阀11。
根据本发明，在部分负荷工作状况下，将内燃机1的至少一个进气阀11在非常早的第一时间点t1(米勒运行模式)或者在非常晚的第二时间点t2(阿特金森运行模式)关闭。对此，第一时间点t1对应于相对曲轴转角α1(相对于下死点UT)或者对应于相对曲轴转角α2(同样相对于下死点UT)，对此，配属于非常早的第一时间点t1的相对曲轴转角α1基本上介于-40°至-100°之间，配属于非常晚的第二时间点t2的相对曲轴转角α2基本上介于+40°至+100°之间。曲轴转角α1基本上优选为-70°，曲轴转角α2基本上优选为+70°。
根据本发明，在内燃机1的瞬态工作状况下，即在部分负荷工作状况向全负荷工作状况过渡的过程中，各自的相对曲轴转角α1或者α2相对于下死点UT减小，更确切地说是在预先规定的优选为至少2ms的时间段内减小。相对活塞角度α向下死点的相对移动优选为分别至少3°，这意味着，配属于第一相对曲轴转角α1的非常早的第一时间点t1向较早的第三时间点t3延迟，而较早的第三时间点t3在时间上位于第一时间点t1之后。与之对应，非常晚的第二时间点t2向较晚的第四时间点t4推移，该第四时间点在时间上位于非常晚的第二时间点t2之前。用曲轴转角α来描述，这意味着相对曲轴转角分别向下死点UT移动了至少3°，这在图2中通过具有标号20的箭头表示。因此，在瞬态工作状态下，在相对曲轴转角α基本上为-67°(米勒)或者+67°(阿特金森)时关闭进气阀11。相应的相对曲轴转角在图2中通过α3(米勒运行模式)或者α4(阿特金森运行模式)进行表示。
在优选至少为0.2ms的预先规定的时间段内，也可以将借助高压废气再循环管15再循环的废气的废气再循环率通过相应地调节控制单元16至少在预先规定的时间段内降低至预先规定的相对值，例如在内燃机1的部分负荷工作状况和全负荷工作状况下降到正常再循环率的80％。通过该方式，废气涡轮增压器2的涡轮机3的涡轮机功率可以暂时增大，这也使得废气涡轮增压器2的压缩机4的压缩机功率增大以及进而导致整个内燃机1的功率上升。
在预先规定的时间段内，分别布置在每个气缸6中且在图1中粗略示意所示的点火装置17的点火时间点延迟了预先规定的延迟时间段或者延迟了气缸6的各自活塞的预先规定的相对曲轴转角αZ。点火时间点的调节沿延迟调节的方向进行。对此，预先规定的相对曲轴转角αZ相对于配属于内燃机1的点火冲程的、内燃机1的气缸6的各自活塞的上死点(“OT”)基本上优选为+5°至+23°。
也可以选择或者额外地至少在预先规定的时间段内，将图1中仅粗略示意所示的置于内燃机1之后的废气涡轮增压器2的废气阀门装置18的废气阀门开口至少在从部分负荷向全负荷工作状况过渡的预先规定的时间段内关闭，以便通过该方式增大涡轮机3的涡轮机功率，由此也增大废气涡轮增压器2的压缩机4的压缩机功率。

Claims (10)

1.一种用于运行具有至少一个进气阀(11)的内燃机(1)、尤其是汽油发动机的方法，在所述方法中
-输送至所述内燃机(1)的增压空气流通过废气涡轮增压器(2)进行压缩，
-在部分负荷工作状况下，所述内燃机(1)的至少一个进气阀(11)在非常早的第一时间点(t1)或者在非常晚的第二时间点(t2)被关闭，
-在部分负荷工作状况向全负荷工作状况过渡的过程中，在预先规定的时间段内，所述至少一个进气阀(11)在较早的第三时间点(t3)或者较晚的第四时间点(t4)被关闭，其中第三时间点(t3)在第一时间点(t1)后，第四时间点(t4)在第二时间点(t2)前。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
-在所述内燃机(1)的部分负荷工作状况下，当所述内燃机(1)的活塞相对于配属于所述内燃机(1)的进气冲程的、活塞的下死点(UT)具有基本上为-40°至-100°或者基本上为+40°至100°的相对曲轴转角(α1或者α2)时，所述至少一个进气阀(11)被关闭。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
-在所述内燃机(1)的部分负荷工作状况下，当所述内燃机(1)的活塞相对于配属于所述内燃机(1)的进气冲程的、活塞的下死点(UT)具有基本上为-70°或者基本上为+70°的相对曲轴转角(α1或者α2)时，所述至少一个进气阀(11)被关闭，
-在所述内燃机(1)由部分负荷工作状况向全负荷工作状况过渡的过程中，在所述预先规定的时间段内，在相对曲轴转角(α3或者α4)基本上为-67°或者+67°时，所述至少一个进气阀(11)关闭。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，
所述预先规定的时间段至少为0.2ms。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，
在所述预先规定的时间段内，废气再循环率降低。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，
置于所述内燃机(1)之后的废气涡轮增压器(2)的废气阀门装置(18)的废气阀门开口至少在预先规定的过渡时间段内被关闭。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，
在所述预先规定的时间段内，所述内燃机(1)的点火装置(17)的点火时间点延迟了预先规定的延迟时间段或者延迟了活塞的预先规定的相对曲轴转角。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，
所述预先规定的相对曲轴转角相对于配属于所述内燃机(1)点火冲程的、活塞上死点(OT)基本上为+5°至+23°。
9.一种具有增压装置(2)的内燃机(1)，所述内燃机用于实施根据权利要求1至7中任一项所述的方法且具有控制装置(12)，所述控制装置设计得
-在部分负荷工作状况下，将内燃机(1)的至少一个进气阀(11)在非常早的第一时间点(t1)或者在非常晚的第二时间点(t2)关闭，
-在由部分负荷工作状况向全负荷工作状况过渡的过程中，在预先规定的时间段内将所述内燃机(1)的所述至少一个进气阀(11)在较早的第三时间点(t3)或者在较晚的第四时间点(t4)关闭，其中第三时间点(t3)在第一时间点(t1)之后，而第四时间点(t4)在第二时间点(t2)之前。
10.一种具有根据权利要求8所述的内燃机(1)以及具有排气管(14)的机动车，在所述排气管中布置有废气涡轮增压器(2)。
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