CN106164450B - 具有交替的气缸关闭的内燃机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在部分负载运行时对三缸或五缸内燃机进行交替的气缸关闭的方法，在所述部分负载运行时，禁止所关闭的气缸的换气阀打开。关闭的气缸的阀禁用应分别开始于：在所述气缸的常规吸气冲程开始时，禁用所述气缸的进气阀；以及结束于：在所述气缸的常规吸气冲程开始时，随后再激活所述气缸的进气阀。

Description

具有交替的气缸关闭的内燃机

技术领域

本发明涉及一种用于在部分负载运行中对三缸或五缸内燃机进行交替的气缸关闭的方法，在所述部分负载运行时，禁用所关闭的气缸的换气阀。

背景技术

尤其在汽油发动机中，关闭单个气缸是适当的方案，在部分负载区域中，将其他气缸的工作点朝向更高的负载点移动，所述更高的负载点移动具有更好的工作效率和相应更有益的燃料消耗。换气过程的减少节流损失决定性地引起工作效率的改善，使得可推断的消耗潜力基本上随发动机的排量而增大。具有气缸关闭的内燃机因此典型为大体积的八缸和十二缸发动机。尽管如此，在持续不断的小型化趋势中，当前也市售具有气缸关闭的四缸发动机，例如参见MTZ 03/2012“具有气缸关闭的1.4L-TSI-汽油发动机”。

此外，已知的是，具有单数气缸数量的内燃机、实践中即三缸和直列五缸发动机配设有气缸关闭。然而，与在具有偶数气缸数量的发动机中不同，在该情况下，同一缸的持久关闭引起不规则的点火间隔以及相应的行驶不平稳性。如在DE 10 2010 037 362A1中提出的那样，所述缺点通过所谓的交替(也称作为滚动地)关闭气缸来补偿。在此，点火间隔的均匀性由此保持不变，使得发动机的所有气缸可关闭，并且对于一个工作循环按照点火顺序始终关闭每第二个缸。这在三缸直列式发动机中在气缸关闭运行中引起点火顺序1-3-2，点火顺序1-3-2具有480°的曲轴点火间隔，所述三缸直列式发动机在没有关闭的全发动机运行时以点火顺序1-2-3运行。类似地，对于具有点火顺序1-2-4-5-3的五缸发动机，得到具有288°的点火间隔的关闭点火顺序1-4-3-2-5。

也已知从中得到的如下优点：在所涉及的气缸的关闭的工作循环期间禁止阀操纵，进而换气阀保持关闭。因此，开始引用的DE 10 2010 037 362A1提出，在换气阀关闭并且包含空气时运行关闭的气缸，所述气缸在附加的压缩和吸气冲程中如低摩擦的气动弹簧那样工作。

根据EP 2 669 495A1，相反更有益地是，关闭的气缸借助包含在其中的废气运行。在此，废气应通过具有减小的打开横截面的上一次排气阀升程限制于一定量，使得一方面不出现由于过高的气缸压力造成的自点火/爆燃，并且另一方面避免由于过低的气缸内部压力造成换气阀不受控地打开。

从EP 0 779 427A2中已知的关闭方法同样压缩所包含的废气，其中不仅在关闭时，而且也在随后启动气缸时，始终首先禁用及再激活出口，随后入口。包含在气缸中的热废气防止气缸被不期望地冷却，并且在进气阀之前再激活排气阀防止：保留在气缸中的废气与新鲜空气混合，该混合对随后的燃烧不利。

发明内容

本发明基于下述目的，提出一种用于三缸或五缸内燃机的交替的气缸关闭的方法，此外，通过所述方法，发动机的部分负载消耗能够下降。

所述目的的解决方案通过下述方式得到：关闭的气缸的阀禁用开始于：在气缸常规吸气冲程开始时，禁用所述气缸的进气阀；以及结束于:在气缸常规吸气冲程开始时，随后再激活所述气缸的进气阀。与在已知的用于禁用换气阀的控制时间中不同的，根据本发明的方法提出一种气缸关闭运行，在所述气缸关闭运行中，分别关闭的气缸以尽可能排空的状态运行，在已知的用于禁用换气阀的控制时间中，关闭的气缸由新鲜空气或废气填充，并且所述填充物首先被压缩并且随后膨胀。那么，在忽略由压缩体积和阀关闭时间引起的气缸剩余填充的极大简化的观察中，关闭的气缸在包含在其中的真空的情况下运行。

申请人的类似的模拟已经示出，这种交替的气缸关闭的方法提供迄今为止最大的改善燃料消耗的潜力。对此的重要原因是极其小的壁热损耗和漏气损耗，否则所述壁热损耗和漏气损耗会伴随着废气的压缩和膨胀出现，并且很大范围抵消借助气缸关闭实现的工作效率优点。

此外，紧接在所关闭的气缸的进气阀被禁用之前，借助能可变调节的附加行程在下述曲轴角度范围内打开所述进气阀，所述气缸的常规排气冲程位于所述曲轴角度范围中。通过进气阀在排气冲程中的可能的、附加的打开，所述气缸的随后的关闭与内部的废气再循环系统(AGR)重叠，其方式在于，废气的一部分被排出到进气道中并且在那里位于前面，直至下一个吸气冲程。

作为替选方案，在分别关闭的气缸中包含的剩余气体量也能够通过排气早关(FAS)来调节。因此，关闭的气缸的控制时间调节成，使得在换气过程上止点(oberTotpunkt)之前并且在该气缸的进气阀被禁用之前关闭排气阀。

作为对在关闭气缸中所包含的剩余气体量进行调节的另外的替选方案，也存在如下可能性：在换气过程上止点之后将排气晚关(SAS)，其中将排出的废气的一部分再次吸回。

禁用和再激活换气阀所需的机械装置原则上能够借助所有已知的配气机构来实现，所述配气机构允许阀的完全停止。关于相对高频的激活和再激活，预定电液压的配气机构，因为所述配气机构构成为极其快地、并因此以循环可靠的方式关闭，并且除了换气阀停止之外，也能够实现阀升程和阀控制时间的完全可变的调节。如果不仅进气侧的配气机构、而且排气侧的配气机构是完全可变的，那么一方面工作点移动的气缸关闭能够与无节流的负载控制组合(众所周知地，在那里主要关于进气阀打开横截面进行定量调整，且较少关于节气门位置进行定量调整)，并且另一方面在排气侧也能够完全可变地调节FAS(排气早关)控制时间。适合于此的电液压配气机构不仅从大量参考文献中已知，而且也在汽车制造商FIAT方面以名称“Mulitair”或“Twinair”市售。

作为进一步的专利参考文献，在此已知EP 1 321 634A2，其公开了一种直列五缸发动机，所述直列五缸发动机具有电液压的气门控制系统、交替的气缸关闭系统和内部的废气再循环系统。电液压的气门控制系统操纵进气阀，而排气阀的停止能够借助相对简单的凸轮开关打开/关闭来实现。内部的AGR(废气再循环系统)的在上文中提到的选项的进一步的细节可从EP 2 397 674A1中得知，其公开了一种电液压的气门控制系统，所述气门控制系统在用于内燃机的排气冲程中具有能可变调节的进气冲程，所述内燃机具有气缸关闭系统。

出于完整性要提及的是，能够借助根据本发明的方法运行具有n个气缸的任意内燃机，当点火顺序中的每第p个周期点燃并且当n和p互质时，使得每个气缸周期性地关闭和启动。在此，也不强制需要的是，气缸在每个工作循环中交替地关闭和启动。因此，例如三缸发动机也能够在模式1-(2-3-1)-2-(3-1-2)-3-(1-2-3)-1……并且五缸发动机在模式1-(2-4)-5-(3-1)-2-(4-5)-3-(1-2)-4-(5-3)-1……或1-(2-4-5)-3-(1-2-4)-5-(3-1-2)-4-(5-3-1)-2-(4-5-3)-1等中运行，其中括号中的气缸被关闭。显而易见的，本发明既不限制于应用在直列发动机中，也不限制于应用在多阀发动机中。

附图说明

本发明的其他的优点从下面的描述和附图中得出，在所述附图中，分别根据关闭的气缸的控制时间示出根据本发明的方法的三个实施例。附图示出：

图1示出已知的方法，其中关闭的气缸借助包含在其中的废气运行；

图2示出已知的方法，其中关闭的气缸借助包含在其中的新鲜空气运行；

图3示出根据本发明的方法的第一实施例，其中关闭的气缸以近似排空的状态运行；

图4对于不同的气缸关闭方法以类似的对照图示出在参考点n＝2000rpm、pme＝2bar时的1L三缸发动机的模拟的燃料消耗；

图5示出根据本发明的方法的第二实施例，其中关闭的气缸的排气阀早关(FAS)；

图6示出根据本发明的方法的第三实施例，其中要关闭的阀借助扩展的AGR(废气再循环系统)运行。

具体实施方式

本发明基于交替的气缸关闭的已知方法来阐述，其中气缸在关闭状态下或者根据图1在包含废气的条件下运行，或者根据图2在包含新鲜空气的条件下运行。分别关于内燃机在曲轴角度-720°和+720°之间的两个工作循环，绘制气缸之一的排气阀的阀升程EX(虚线)和进气阀的阀升程IN(实线)。水平的阀升程线表示曲轴角度，在所述曲轴角度之内，换气阀相对于其(激活的)常规阀升程是禁用的，进而保持关闭。分别在点火上止点示出的闪电图形说明，气缸中是否发生燃烧。如通过用细的且点状的线示出的闪电图形所表示的那样，在0°时气缸是关闭的。

图1：关闭的气缸的阀禁用开始于禁用所述气缸的一个或多个排气阀，并且结束于随后再激活所述气缸的排气阀。换言之，始终首先禁用并且随后再激活要关闭的气缸的排气阀。包含在关闭的气缸中的废气在关闭周期期间两次压缩和膨胀，其中出现减小工作效率的壁热损耗和漏气损耗。

图2：在该情况下，也始终首先禁用并且随后再激活排气阀。然而，关于关闭的点火上止点的所述激活的顺序相对于根据图1的方法反转，使得现在关闭的气缸使新鲜空气压缩和膨胀两次。所述方法也伴随着减小工作效率的壁热损耗和漏气损耗。

在根据图3的根据本发明的气缸关闭方法中，分别设定要关闭的气缸的控制时间，使得阀禁用分别开始于在所述气缸的常规吸气冲程开始时禁用一个或多个进气阀，并且结束于在下一个常规吸气冲程开始时再激活进气阀。因此，与已知的方法不同地，在该情况下，始终首先禁用并且随后再激活进气阀，其中在关闭的点火上止点之前的“换气过程”基本上在排出废气、但是不吸入新鲜空气的条件下进行，并且其中在关闭的点火上止点之后的换气过程基本上在不排出废气、但是吸入新鲜空气的条件下进行。在此期间，包含的剩余气体量分两次依次分别首先膨胀并且随后压缩。剩余气体量为小的废气量，气缸在排气关闭时——关闭时刻在该实施例中位于换气过程上止点之后——包含所述废气量。

柱状图(图4)示出1.0L直列三缸发动机在转速n＝2000rpm和有效平均压力pme＝2bar的典型参考点中的模拟燃料消耗。用0表示的柱对应于在相对消耗为100％时的没有气缸关闭的基本运行。

用0’表示的柱示出在第二缸永久关闭时发动机的消耗。尽管如此，接近10％的已经非常有益的低消耗在实践中没有意义，因为这种气缸关闭的行驶不平稳性不仅大到不可接受，而且预计也会引起曲轴的过早振动断裂。

柱1表示根据图1的已知的方法，其中以点火间隔480°交替关闭的气缸在包含废气的条件下运行。在上文中阐述的工作效率损失抵消超过了由气缸关闭引起的、减少消耗的减少节流，并且甚至产生11.6％的更多消耗。

柱2反应根据图2的已知的方法，其中以点火间隔480°交替关闭的气缸在包含新鲜空气的条件下运行。在此，在行驶不平稳性可接受的情况下，得到3.4％的消耗优点。

柱3以接近12％示出根据图3的根据本发明的方法的明显的消耗优点，其中以点火间隔480°交替关闭的气缸近似在包含真空的条件下运行。

在根据图5的根据本发明的方法的第二实施例中，通过电液压的配气机构完全可变地操纵排气阀升程。在此，在进行操纵的排气凸轮和所属的排气阀之间张紧的液压系统控制成，使得排气阀在换气过程上止点和随后禁用的进气阀的常规打开时刻之前提早关闭。这通过用粗线示出的排气冲程EX的关闭时刻示出，所述关闭时刻与用细线示出的排气凸轮包络曲线C相比明显更早，所述包络曲线作为用于最大可能的排气冲程的量值。如在上文中阐述的那样，将在关闭的气缸中借助所述FAS(排气早关)控制时间设定的剩余气体量低损耗地膨胀和压缩两次。

在图6中示出的根据本发明的方法的第三实施例包括扩展的剩余气体控制装置。排气冲程EX和进气冲程IN在此彼此在分开的图表中关于曲轴角度绘制。在该实施例中，分别关闭的气缸的阀禁用开始于禁用进气冲程IN，并且结束于随后的再激活进气冲程，更确切地说分别开始于所述气缸的常规吸气冲程，在所述常规吸气冲程中，基本上吸入新鲜空气。然而，操纵相应的进气阀的凸轮升程设有附加行程Z，所述附加行程紧接在禁用进气阀之前在所述气缸的常规排气冲程之内打开进气阀，即与打开的排气阀同时打开进气阀。同样可通过完全可变的电液压气门控制系统实现的附加行程Z能够被完全禁用，如完全禁用直至随后在常规吸气冲程开始时再激活进气阀。

如已经在上文中阐述的，附加行程Z引起扩展的内部AGR(废气再循环系统)，其中废气的一部分排出到与排气道同时打开的进气道中，并且在那里保持位于进气阀之前，直至同一气缸重新吸气，以便随后吸入新鲜空气。

在下面的图表中示出的压力曲线图将与凸轮角度相关联的气缸内部压力p-cyl作为绝对压力示出。所述绝对压力在关闭的工作循环期间处于极低的并且几乎不可变的水平上，由此避免已知的气缸关闭方法的减小工作效率的壁热损耗和漏气损耗。

Claims (2)

1.一种用于在部分负载运行中对三缸或五缸内燃机进行交替的气缸关闭的方法，在所述部分负载运行时，禁止所关闭的气缸的换气阀打开，

其特征在于，

所关闭的气缸的阀禁用分别开始于：在所述气缸的常规吸气冲程开始时，禁用所述气缸的进气阀；以及结束于：在所述气缸的常规吸气冲程开始时，随后再激活所述气缸的进气阀，其中紧接在禁用所关闭的气缸的所述进气阀之前，借助能可变调节的附加行程(Z)在下述曲轴角度范围之内打开所关闭的气缸的所述进气阀，所述气缸的常规排气冲程位于所述曲轴角度范围中。

2.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

在禁用所述气缸的进气阀之前，关闭所关闭的气缸的排气阀。