CN105649847A - 增压式内燃机和/或排气后处理装置的冷起动预热的方法 - Google Patents

增压式内燃机和/或排气后处理装置的冷起动预热的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于增压式内燃机和/或增压式内燃机的排气后处理装置的冷起动预热的方法。本发明还涉及一种机动车，尤其是商用车，其具有增压式内燃机、排气后处理装置以及用于增压式内燃机和/或排气后处理装置的冷起动预热的装置。在该方法中，冷起动辅助装置设置在进气管道中，用于在发动机静止时加热增压空气。内燃机包括至少一个工作气缸，其在各种情况下具有连接到进气管道的至少一个入口阀和连接到排气系统的至少一个出口阀，并且还包括用于设置阀位置的装置。内燃机可借助于增压装置进行增压，增压装置可通过电动机操作。

Description

增压式内燃机和/或排气后处理装置的冷起动预热的方法
技术领域
本发明涉及一种用于增压式内燃机和/或增压式内燃机的排气后处理装置的冷起动预热的方法。本发明还涉及一种机动车，尤其是商用车，其具有增压式内燃机、排气后处理装置以及用于增压式内燃机和/或排气后处理装置的冷起动预热的装置。
背景技术
从实践经验已经获悉，通过借助于排气后处理系统(例如具有排气催化剂的排气后处理系统)对排气进行催化后处理可以在有效的方式下减少来自内燃机的污染物排放。然而，为了此目的，重要的前提是催化剂已经达到其点燃温度。低于这个温度，排气催化剂是无效的或不是非常有效的，并且反应仅在不足的低转换速率下发生。
在具有排气涡轮增压的系统中，由于排气涡轮所提供的散热，以对于排放最佳的方式达到催化剂点燃是很关键的。在这种类型的内燃机的情况下，因而必须采取措施以确保排气催化剂在冷起动时很快达到其点燃温度。
常常利用二次空气系统来限制冷起动排放。在这种情况下，二次空气在预热期间通过例如二次空气泵注入到出口阀附近。通过注入空气与包含在热排气中的未燃烧的排气成分的反应和催化剂中的进一步的氧化作用，所述催化剂被更快速地加热。
出于这个目的，例如，DE4441164A1提出了经由增压空气管线将增压空气传送至内燃机，并在这个增压空气管线内部设置节流阀。通向增压器的入口侧的再循环空气管线使节流阀的上游和增压器的下游分流。再循环空气调节器设置在再循环空气管线中。连接管线从增压器的压力侧通向内燃机的排气管线，其中连接至发动机控制单元的控制阀设置在所述连接管线中。
之前已知方法的缺点是必须提供额外的构件，例如二次空气泵、再循环空气管线、再循环空气调节器、节流阀等等。
在实践中还已经获悉用于预加热燃烧空气的冷起动辅助装置，例如采用火焰-起动装置或电热塞形式的冷起动辅助装置，其设置在燃烧装置的进气管道中。具体地说，这种类型的冷起动辅助装置用于容许内燃机(例如柴油机或火花点火发动机)在具有增压空气或没有增压空气的情况下的冷起动。其尤其用于柴油机的情况中，例如用于货柜车的直接喷射式柴油机中，以确保发动机在低温下(例如低于-10°C)可靠地起动。这些冷起动辅助装置的缺点是加热效应受限于增压空气温度，并且没有对气缸或排气后处理装置的加热。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种用于增压式内燃机和/或排气后处理装置的冷起动预热的改进的方法，借助于该方法可避免传统技术的缺点。
这些目的借助于具有主权利要求的特征的方法实现。本发明的有利的实施例和应用形成了从属权利要求的主题，并且在某些情况下在以下参照附图的描述中更详细地说明。
根据本发明的大体方面，提出了一种用于增压式内燃机和/或增压式内燃机的排气后处理装置的冷起动预热的方法。具体地说，该方法涉及一种用于在发动机静止时进行冷起动预热的方法，并且涉及一种用于在执行增压式内燃机的冷起动之前或期间立即进行冷起动预热的方法。
在这种情况下，根据现有技术，冷起动辅助装置设置在进气管道中，用于在发动机静止时加热增压空气。冷起动辅助装置可为火焰-起动装置或辉光型装置，例如电热塞或辉光格栅。内燃机可借助于增压装置增压，增压装置可通过电动机操作，并因而还可在发动机静止时或内燃机没有点火时进行增压。内燃机还包括至少一个工作气缸，其在各种情况下具有连接到进气管道的至少一个入口阀和连接到排气系统的至少一个出口阀。还提供了一种用于设置阀位置的装置。该装置可通过旋转曲轴和/或通过触发凸轮轴相位调节器(如果存在)设置阀位置。
在用于冷起动预热的方法中，以下步骤在检测内燃机的冷起动之后执行：当发动机静止时触发冷起动辅助装置，触发增压装置的电动机操作，并在工作气缸的至少一个入口阀和至少一个出口阀之间设置阀重叠和/或增压交换位置，以便将由增压装置传送的增压空气中的至少一些直接传送到排气系统中。增压空气直接传送到排气系统中意味着变热的增压空气在工作气缸的排出且没有点火过程的情况下传送到排气系统中。在这种情况下，不需要上述三个步骤的特定顺序。它们可接连地或同时被起动。
增压装置的电动机操作使得有可能将增压空气传送到内燃机并且使其通过触发的冷起动辅助装置加热，尽管发动机是静止的且甚至没有来自内燃机的燃烧空气的涡轮能量。在工作气缸的至少一个入口阀和至少一个出口阀之间设置阀重叠具有的效果在于，使加热的增压空气在阀重叠的情况下流入对应的工作气缸中，并且经由出口阀排出至排气侧。在阀重叠的情况下，入口阀和出口阀同时部分地打开，结果存在经由入口阀进入到排气系统中的增压空气的排出。一方面工作气缸和另一方面排气后处理系统(尤其是排气后处理催化剂)因此被预热。因而可能省略通向增压器的入口侧的额外的再循环空气管线或额外的二次泵。
在预热阶段之后，例如在预定的时间之后，随后可发生起动器的促动以便起动发动机。由于预热的一个或多个气缸，内燃机呈现更好的点火性能或起动性能。由于预热的排气后处理装置，更快地达到点火温度，并且减少污染物排放。
这里，可通过电动机操作的增压装置优选地体现为电动机辅助的排气涡轮增压器。这种电动机辅助的排气涡轮增压器本身也是从现有技术已知的，并具有电驱动的非容积式压缩机。在这种情况下，辅助能量例如可在低速累积的延时压力期间以限时的方式并且借助于瞬态模式的电动机来供给。因而一个特别的优点在于，还可使用排气涡轮增压器来加热工作气缸和排气后处理装置，意味着不需要额外的泵或电动压缩机。另一个优点在于，排气涡轮增压器的共旋转的涡轮有助于将热空气传送给排气后处理系统。
然而，在本发明的范围内，还可能提供电动压缩机替代电动机辅助的排气涡轮增压器，其仅仅由电动装置驱动，而非经由通过排气能量驱动的涡轮。
用于设置阀位置的装置可设计为设置曲轴的至少一个预定角度位置，其通过曲轴的共旋转产生阀重叠，并且为了设置曲轴的角度位置，触发内燃机的起动电动机或曲轴起动发电机。此外，用于设置阀位置的装置还可设计为借助于凸轮轴的相位调节器(如果存在)使凸轮轴扭转，其设置更大的阀重叠。
在本发明的范围内，存在一种可能性为，在设置阀重叠的步骤中，阀重叠和/或增压交换位置在各种情况下对于在起动过程期间接下来待点火的一个或多个工作气缸接连设置。这提供了将冷起动过程期间接下来待点火的气缸选择性地预热的优点。
在体现为直列式六气缸发动机的内燃机的情况下，根据本发明的实施方式的一种可能性设想为，在设置阀重叠的步骤中，曲轴接连旋转3次或若干次，每次120°，以便在各种情况下将两个同步的工作气缸的其中一个工作气缸设置至增压交换上死点位置。在后续起动过程期间，接下来待点火的工作气缸因此是已经预热的。
还可能的是，阀不经由凸轮轴驱动，而是内燃机的阀装置体现为电磁阀装置，其通过用于设置阀位置的装置触发以便设置阀重叠。这里同样还可能的是，借助于相位调节器转动凸轮轴，以便设置更大的阀重叠。
在本发明的另一方案中，在设置阀重叠的步骤中，在发动机静止时发生缓慢的连续的曲轴旋转。连续的曲轴旋转同样接连地产生阀重叠，导致由增压装置传送的增压空气中的至少一些直接传送到排气系统中。
根据一个优选的实施例，内燃机以自点火方式操作，并且尤其是柴油机。
例如，如果冷却剂温度或进气空气温度在起动内燃机时下降到阈值以下时，可检测冷起动过程的存在。
本发明还涉及一种机动车，优选地商用车，其包括排气后处理装置；冷起动辅助装置，其设置在进气管道中，用于在发动机静止时加热增压空气；增压的优选自点火的内燃机，其具有至少一个工作气缸，该工作气缸在各种情况下具有连接到进气管道的至少一个入口阀以及连接到排气系统的至少一个出口阀；增压装置，其可通过电动机操作，以用于内燃机的增压；以及用于设置内燃机的工作气缸的阀位置的装置。根据本发明的大体方面，该机动车还包括用于在发动机静止时对增压式内燃机和/或排气后处理装置进行冷起动预热的控制装置，该控制装置设计为执行这里所公开的方法。
为了避免重复，纯粹按照本方法公开的特征地应被认为也是按照装置公开和可要求权利的。
附图说明
本发明的上述优选的实施例和特征可按照任何所需的方式彼此进行组合。下面参照附图描述了本发明的进一步的细节和优点，其中：
图1显示了内燃机的示意性框图，其具有电动机辅助的排气涡轮增压器；
图2显示了根据本发明的一个实施例的用于冷起动预热的方法的流程图；且
图3A、图3B和图3C通过示例显示了根据本发明的一个实施例的曲轴的触发，其用于为直列式六缸发动机设置阀重叠。
参考标号列表
1　　　　　控制装置
2　　　　　控制线路
3　　　　　内燃机
4　　　　　增压空气冷却器
5　　　　　增压空气管线
6　　　　　火焰-起动装置
7　　　　　曲轴
8　　　　　曲轴起动发电机
10　　　　　可通过电动机操作的排气涡轮增压器
11　　　　　压缩机
12　　　　　涡轮
13　　　　　轴
14　　　　　电动机
15　　　　　排气涡轮增压器的控制装置
16　　　　　电能储存装置
17a,17b　　　能量转移的线
18a　　　　增压空气管道
18b　　　　增压空气管线
19　　　　　排气管线
30,30_1到30_6　　工作气缸
CETDC　　　　　增压交换TDC，TDC=上死点
ITDC　　　　　　点火TDC，TDC=上死点。
具体实施方式
在图1中以框图的形式显示了用于商用车的增压式柴油内燃机3和相关联的电动机辅助的排气涡轮增压器(ET)10。这里，只显示了用于理解本发明所需要的构件。具体而言，已经省去了排气后处理装置、点火系统、燃料回路和冷却回路的图示，它们在各种情况下以本身已知的方式体现。
电动机辅助的排气涡轮增压器10包括涡轮12，其通过来自内燃机3的排气驱动，该排气经由排气管线19进给至涡轮。涡轮12通常通过轴13连接至压缩机11，其中压缩机11压缩待进给至内燃机3的增压空气，并因而增加内燃机3的功率。
ET10体现为电动机辅助的排气涡轮增压器。这个实施例的特别的特征尤其在于，非容积式压缩机11的电动机驱动器借助于小型电动机14来实现，其已经集成到压缩机11的压缩机外壳中。电动机14既可作为电动机又作为发电机操作，并且出于这个目的，由控制装置15控制，控制装置15还连接至电能储存装置16。借助于控制装置15的功率电子器件，来自能量储存装置16的能量可用于电动机14，如实线17a所示，或者从ET的操作回收的能量可进给至能量储存装置16，如虚线17b所示。排气涡轮增压器10本身是从现有技术已知的，并且在例如杂志"MTZ–MotortechnischeZeitschrift"第3/2014版的第50-55页中有所描述。应该强调的是，在本发明的范围内还可使用电动机辅助的排气涡轮增压器的其它设计实施例。
经由进气管道18a，内燃机10获得燃烧所需要的新鲜空气。新鲜空气事先在压缩机11中被压缩，并且在所考虑的说明性实施例中，经由增压空气管线18b进给至增压空气冷却器4，然后经由增压空气管线5进给至内燃机3。设置在增压空气管线5或进气管道18a中的还有火焰-起动装置6，可借助于火焰-起动装置6在冷起动的情况下加热增压空气。还可能使用上面已经提到的电热塞替代火焰-起动装置6。
为了起动内燃机，可提供传统的起动器，其为了起动内燃机借助于其起动器副齿轮接合在起动器齿轮中并驱动所述齿轮，起动器齿轮可旋转地联接至曲轴。作为备选，如图1以高度示意性的方式所示，可提供电机以起动内燃机，该电机可既作为电动机又作为发电机操作，采用电动曲轴起动发电机(CSG)8的形式，其一般与曲轴7同轴地设置在内燃机3和变速器(未显示)之间。在这种情况下，CSG8与曲轴7处于操作连接，例如通过CSG8的转子，其在装配状态下可旋转地连接到飞轮上，飞轮设置在曲轴7上。CSG8还用于在冷起动预热的情况下设置阀位置，这将在下面进行解释。
图中还显示了进一步的控制装置1，其可体现为例如发动机控制器的一部分。控制装置设计为经由合适的控制线路2触发ET10、火焰-起动装置6和CSG8(或传统的起动器)，作为用于冷起动预热的方法的一部分。
图2显示了根据本发明的一个实施例的用于冷起动预热的方法的流程图。
在执行冷起动预热之前，该系统确定了车辆的冷起动是否即将来临。冷起动过程的存在可通过从现有技术已知的方法来确定。通常，冷起动过程可借助于冷却剂温度与热起动过程区别开。例如，如果在起动内燃机时冷却剂温度下降到预定的阈值以下，那么存在冷起动。阈值是经验性地确定的，并储存在存储装置1中。
如果检测到内燃机3的冷起动(步骤S1)，就执行随后的步骤。在步骤S2中，火焰-起动装置6由控制装置1触发。控制装置1在步骤S3中还控制ET10的控制器15，以便触发ET10的电动机操作。压缩机11因而被电驱动，并将增压空气传送给火焰-起动装置6，由此加热后者。
在步骤S4中，内燃机3的一个或多个气缸的入口阀和出口阀(未显示)被设置为阀重叠。出于这个目的，控制装置1的程序是以这样一种方式设计的，即，响应于步骤S1中的冷起动的检测，激励CSG8的转子使其相对于CSG的定子自动地移动到预定的旋转位置中。这里，预定的转子旋转位置对应于预定的旋转位置，即，曲轴7的角度位置以及因而凸轮轴或大体而言阀装置的角度位置，其中内燃机3的至少一个气缸的至少一个入口阀和至少一个出口阀被设置为阀重叠。预定的转子旋转位置储存在控制装置1的存储器中，并且已经是例如经验性地预先确定的。
借助于电感性或电容性操作的本身已知的位置编码器(未显示)，已经预先确定了转子相对于CSG的定子且因此相对于曲轴7的当前旋转位置。例如，从实际经验已经知道转子相对于定子的旋转位置的检测可借助于额外的杯状或埚状构件(未显示)来实现，该构件可旋转地固定在飞轮上。特殊的几何形状或标记(编码器轨迹)应用至该构件，借助于电感性或电容性操作的位置编码器的传感器将其感测，以便确定编码器轨迹和因此转子的旋转位置。通过形成预定的旋转位置和实际的旋转位置之间的差异，控制装置1计算所需要的转子旋转来采取用于阀重叠的预定旋转位置。
在设置阀重叠之后，当发动机静止时，由电动机驱动的压缩机11所传送的增压空气中的至少一些经由打开的入口阀和打开的出口阀直接传送到排气系统中。ET10的电动机操作因而可使增压空气传送到内燃机，且使其被触发的冷起动辅助装置6加热，尽管发动机是静止的，并且没有来自内燃机的燃烧空气的涡轮能量。工作气缸的至少一个入口阀和至少一个出口阀之间的阀重叠和/或增压交换位置的设置具有的效果在于，使加热的增压空气在阀重叠的情况下流入到对应的工作气缸中并且经由出口阀排出至排气侧。结果，一方面工作气缸和另一方面排气后处理系统(尤其是排气后处理催化剂)被预热。
然后在步骤S5中起动内燃机3。
图3A、3B和3C通过示例显示了根据本发明的一个实施例的曲轴7的触发，其用于为直列式六缸发动机设置阀重叠。各气缸30由参考标号30_1至30_6表示。
根据这个实施例变型，当发动机静止时，在步骤S4中使曲轴(CS)7接连转向3次(每次120°)以用于设置阀重叠，以便在各种情况下将在起动过程期间接下来待点火的两个同步的工作气缸30的其中一个工作气缸设置至增压交换上死点位置(CETDC，TDC=上死点)。
图3A显示了曲轴8的第一旋转位置0°，其中气缸30_1和30_6的活塞处于上死点位置(TDC)，其中第一气缸30_1处于点火TDC的位置(ITDC，在压缩冲程和做功冲程之间)，并且第六气缸30_6处于增压交换上死点的位置(CETDC，在排气冲程和进气冲程之间)。
图3B显示了随后的曲轴位置，其是由控制装置通过在步骤S4中触发CSG8进一步转向120°的结果。因此，第二气缸30_2现在处于CETDC，并且第五气缸处于ITDC。图3C显示了第三曲轴位置，其中曲轴7已经在步骤S4中由控制装置1通过触发CSG8进一步转向120°。因此，第三气缸30_3处于ITDC，并且第四气缸处于CETDC。
在CETDC位置，对应气缸的入口阀和出口阀处于阀重叠。因此，气缸30_6、30_2且然后30_4被接连预热。在后续起动过程期间，也是这些已经被预热接下来要点火的气缸30改善了其点火性能。
本发明并不局限于上述优选的说明性实施例。相反，同样利用创造性概念并因此落在保护范围内的多种变型和修改是可能的。具体地说，本发明还要求保护独立于其所引用的权利要求的从属权利要求的主题和特征。

Claims (9)

1.一种用于车辆的增压式内燃机(3)和/或排气后处理装置的冷起动预热的方法，
其中，冷起动辅助装置(6)设置在进气管道(5)中，用于在所述发动机静止时加热增压空气，且
其中，所述内燃机(3)包括至少一个工作气缸(3)，所述工作气缸在各种情况下具有连接到所述进气管道(5)的至少一个入口阀以及连接到排气系统的至少一个出口阀，并且还包括用于设置阀位置的装置(1,8)，并且可借助于增压装置(10)进行增压，所述增压装置(10)可通过电动机操作；
其中，在所述方法中，以下步骤在检测所述内燃机(3)的冷起动(S1)之后执行：
在所述发动机静止时触发所述冷起动辅助装置(S2)；
触发所述增压装置的电动机操作(S3)；以及
在工作气缸(30)的至少一个入口阀和至少一个出口阀之间设置阀重叠(S4)，以便将由所述增压装置(10)传送并由所述冷起动辅助装置预热的增压空气中的至少一些直接传送到所述排气系统中。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
(a)可通过电动机操作的所述增压装置是电动机辅助的排气涡轮增压器(10)；或
(b)可通过电动机操作的所述增压装置是电动压缩机。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述冷起动辅助装置(6)是火焰-起动装置或辉光型装置，例如电热塞或辉光格栅。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，
(a)所述用于设置阀位置的装置(1,8)设计为设置所述曲轴(7)的至少一个预定的角度位置，这产生所述阀重叠，并且出于这个目的触发所述内燃机的起动电动机或曲轴起动发电机(8)；或
(b)所述内燃机的阀装置体现为电磁阀装置，其由所述用于设置阀位置的装置触发，以便设置所述阀重叠；或
(c)如果所述内燃机配备有至少两个凸轮轴和至少一个凸轮轴相位调节器，其中至少一个凸轮轴相位调节器被触发，使得增加所述阀重叠。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在设置所述阀重叠的步骤中，所述阀重叠在各种情况下对于在起动过程期间接下来待点火的一个或多个工作气缸(30)接连设置。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述内燃机体现为直列式六缸发动机，并且在设置所述阀重叠的步骤(S4)中，所述曲轴接连转向三次，每次120°，以便在各种情况下将所述起动过程期间接下来待点火的两个同步工作气缸(30)的其中一个工作气缸设置至增压交换上死点位置(CETDC)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在设置所述阀重叠的步骤(S4)中，在所述发动机静止时发生缓慢的连续的曲轴旋转。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述内燃机(3)以自点火方式操作，并且尤其是柴油机。
9.一种机动车，优选地商用车，包括
排气后处理装置；冷起动辅助装置(6)，其设置在进气管道(5)中，用于在所述发动机静止时加热增压空气；增压的优选自点火的内燃机(3)，其具有至少一个工作气缸(30)，所述工作气缸在各种情况下具有连接到所述进气管道的至少一个入口阀以及连接到排气系统的至少一个出口阀；增压装置(10)，其可通过电动机操作，以用于所述内燃机(3)的增压；以及，用于设置所述内燃机(3)的所述工作气缸(30)的阀位置的装置；和
控制装置(1)，其用于在所述发动机静止时对所述增压式内燃机(3)和/或所述排气后处理装置进行冷起动预热，所述控制装置设计为执行根据前述权利要求1至8中的任一项所述的方法。
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