CN106414946A - 具有废气涡轮增压器的四冲程往复式内燃机及用于这种内燃机的运行方法 - Google Patents

具有废气涡轮增压器的四冲程往复式内燃机及用于这种内燃机的运行方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种内燃机，具有偶数个气缸和一废气涡轮增压器，所述废气涡轮增压器具有两个至少基本上相互分开的涡轮入口(T1，T2)。所述气缸中的每一个配置有：至少一个用于将燃烧用空气送入所述气缸的燃烧室的进气通道(EK1；EK2)，所述进气通道具有燃烧室侧的进气口(E1；E2)；用于将废气排出所述气缸的燃烧室的第一排气通道(AK1)，所述第一排气通道具有燃烧室侧的第一排气口(A1)；以及用于将废气排出所述气缸的燃烧室的第二排气通道(AK2)，所述第二排气通道具有燃烧室侧的第二排气口(A2)。所述气缸的第一半部通过相应的第一排气通道(AK1)与所述两个涡轮入口(T1，T2)中的第一涡轮入口连接，并且通过相应的第二排气通道(AK2)与所述两个涡轮入口(T1，T2)中的第二涡轮入口连接。所述气缸的第二半部通过相应的第一排气通道(AK1)与所述第二涡轮入口(T2)连接，并且通过相应的第二排气通道(AK2)与所述第一涡轮入口(T1)连接。根据本发明，所述第二排气口(A2)具有大于所述第一排气口(A1)的直径。在一种用于本发明的内燃机的运行方法中，在低于一预设转速下限的低转速下，借助分别配置给所述第一排气口或所述第二排气口的排气门使所述第一排气口(A1)或所述第二排气口(A2)持续关闭。

Description

具有废气涡轮增压器的四冲程往复式内燃机及用于这种内燃 机的运行方法
技术领域
本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的具有废气涡轮增压器的四冲程往复式内燃机以及一种用于这种内燃机的运行方法。
背景技术
由DE 102 43 473 A1已知一种内燃机，该内燃机具有废气涡轮增压器和数个各具有第一排气门和第二排气门的气缸，其中所述第一排气门和第二排气门分别被合并成一个可分开控制的组。来自于配置给相应一组排气门的废气通道的废气可被供应给废气涡轮增压器的双涡轮的相互分开的入口。低转速时仅打开一组气门，转速较高时将两组排气门都打开。其中所存在的问题一方面在于，如果在转速相对较低时就转换至使得所有排气门都打开的运行模式，则气缸中的残气含量就会非期望地高。另一方面，如果使该转换操作的转速界限推移至更高的转速，就会有损于内燃机的热力学效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种能改善上述缺点的同类型内燃机及用于这种内燃机的运行方法。
本发明用以达成上述目的的解决方案为一种具有权利要求1的特征的内燃机和一种具有权利要求7的特征的相应运行方法。
本发明的四冲程往复式内燃机具有偶数个气缸和一废气涡轮增压器，所述废气涡轮增压器具有两个至少基本上相互分开的涡轮入口。所述气缸中的每一个配置有至少一个用于将燃烧用空气送入所述气缸的燃烧室的进气通道，所述进气通道具有燃烧室侧的进气口。此外，所述气缸中的每一个配置有用于将废气排出所述燃烧室的第一排气通道和第二排气通道，其中所述第一排气通道具有燃烧室侧的第一排气口，并且所述第二排气通道具有燃烧室侧的第二排气口。其中，第一排气门和第二排气门用于通过打开和关闭所述第一排气口和所述第二排气口控制废气从所述燃烧室通过所述第一排气通道和所述第二排气通道的排出。其中，所述气缸的第一半部通过相应的第一排气通道与所述两个涡轮入口中的第一涡轮入口连接，并且通过相应的第二排气通道与所述两个涡轮入口中的第二涡轮入口连接。此外，所述气缸的第二半部通过相应的第一排气通道与所述第二涡轮入口连接，并且通过相应的第二排气通道与所述第一涡轮入口连接。本发明提出，所述第二排气口具有大于所述第一排气口的直径。相应地，对应配置的第一气门和第二气门的气门头的直径也实施得不一样。通过这些不同大小的气门头直径和排气口直径能改善残气扫气。也能在不损害内燃机的热力学效率的情况下，提高从每气缸仅操纵一个排气门的运行模式转换至每气缸操纵两个排气门的运行模式的转速界限。
为尽可能有效地实现有益效果，本发明提出，所述第二排气口和所述第二排气门的气门头直径选择得比所述第一排气口的直径或所述第一排气门的气门头直径大至少10％，但优选大至少15％、20％或甚至更多。
本发明的内燃机优选实施为4缸或6缸发动机，特别采用直列式设计。对应配置的涡轮增压器可以是所谓的双涡流增压器或分段式增压器(Segment-Lader)。
在本发明的技术方案中，为每个气缸设有具有第一进气口的第一进气通道以及具有第二进气口的第二进气通道。由此，所述内燃机构建为所谓的4气门发动机。其中特别有益的是，在本发明进一步的技术方案中，所述第二进气口具有大于所述第一进气口的直径。与第二排气口相似，第二进气口可具有一直径，该直径选择得比第一进气口的直径大至少10％，但优选大至少15％、20％或甚至更多。
在本发明进一步的技术方案中，所述第一进气通道构建为螺旋通道或涡流通道，并且所述第二进气通道构建为填充通道，借此可实现特别良好和稳定的燃烧。借此可在燃烧室中形成对燃烧起稳定作用的螺旋或涡流。为此，进气通道轴的方向相对于气缸轴采用合适的实施方案。
另外，为实现良好的换气和有益的燃烧过程，本发明进一步的技术方案提出，从所述气缸的俯视角度看，所述第二进气口与所述第二排气口沿对角线相对布置。
在本发明进一步的技术方案中，为所述内燃机设有四个排成一列的气缸一至四，其中，所述第一气缸和所述第四气缸组成所述气缸的第一半部，并且所述第二气缸和所述第三气缸组成所述气缸的第二半部，并且为所述气缸设置一-三-四-二的点火顺序。其中从与所述内燃机的动力输出相对的一侧开始，以常规方式对所述气缸计数。借助上述点火顺序并结合不同大小的排气口，可使得各扫气过程之间的交叉影响特别小并且使气缸中的残气含量特别低。
借助于根据权利要求1至6中任一项所述的内燃机，本发明还通过一种运行方法来解决前述课题，其中，在低于一预设转速下限的低转速下，借助分别配置给所述第一排气口或所述第二排气口的排气门使所述第一排气口或所述第二排气口持续关闭。在一可预设的转速上限以上这样运行所述内燃机，即，通过以常规方式操纵所述排气门，使得所有气缸的所述两个排气口在临近工作冲程结束时打开并且在排出冲程的上止点之后立即再度关闭。其中，在所述方法的技术方案中提出，根据负载将所述转速下限预设为介于所述内燃机的标称转速的约15％与50％之间。
根据所述方法进一步的技术方案，在一每气缸设有两个进气口并且所述第二进气口的直径大于所述第一进气口的内燃机中，在低于所述内燃机的一预设转速界限的低转速下，借助分别配置给所述第一进气口的进气门使直径较小的所述第一进气口持续关闭。这项措施也有利于换气。
附图说明
下面将对附图中所示出的本发明的有益实施方式进行说明。在此，在本发明范围内，上文所述以及下文还将予以阐述的特征不仅可按分别给出的特征组合应用，也可按其他组合应用或单独应用。
其中：
图1为按本发明实施的内燃机的粗略的原理示意图；以及
图2为图1所示内燃机标有运行范围的负载-转速特性曲线族。
具体实施方式
下面将参照图1对本发明内燃机的示例性有益实施方式进行详细说明。其中，以气缸头2的俯视图形式示出图1中仅被粗略地示意性示出的内燃机1。内燃机1在此实施为按四冲程原理工作的往复式发动机。可以实施为外源点火式奥托发动机或压缩点火式柴油机。
内燃机1在此具有四个结构相同的排成一列的气缸Z1-Z4。每个气缸Z1-Z4具有两个用于供应燃烧用空气的进气口E1、E2，这些进气口配置有未详细示出的进气门。下文将标有E1的进气口称为第一进气口并且将对应配置的进气门称为第一进气门。类似地，将标有E2的进气口称为第二进气口并且将对应配置的进气门称为第二进气门。第一进气门和第二进气门的气门头具有与优选实施为圆形的进气口E1、E2相匹配的直径。通过对所述进气门进行操纵，例如借助尤其是可调的凸轮轴，可以控制到气缸Z1-Z4或其燃烧室的燃烧用空气的供应。其中，可以通过配置给第一进气口和第二进气口E1、E2的第一进气通道和第二进气通道EK1、EK2为气缸Z1-Z4供应燃烧用空气。
本发明提出，气缸Z1-Z4的第一进气门可被一起且同步控制，以便在一预设或可预设的时段后打开和关闭第一进气口E1。第二进气门同样如此，其中第一进气门优选可与第二进气门分开被控制。
为了从气缸Z1-Z4或分别所属的燃烧室中排出废气，所述气缸分别具有第一排气口A1和第二排气口A2，对应配置的第一排气通道AK1和AK2在燃烧室侧分别通向所述排气口。其中，对应的第一排气口A1配置有第一排气门并且对应的第二排气口A2配置有第二排气门，这一点在图中未详细示出。与所述进气门相似，所述排气门的气门头具有与对应排气口相匹配的直径。此外，与所述进气门相似，通过对所述排气门进行操纵，例如借助尤其是可调的凸轮轴，控制从气缸Z1-Z4或其燃烧室的废气排出。其中，所述排气门可被同步且分组控制。
此处为内燃机1设置1-3-4-2的点火顺序。亦即，从第一气缸Z1的点火事件开始，气缸Z3、Z4和Z2接着按上述顺序分别推延一个冲程地进行点火。为了实现尽可能不受气缸之间的交叉影响的换气，设有两个单独的废气集管S1和S2，气缸Z1-Z4的第一排气通道和第二排气通道AK1和AK2通入所述废气集管。其中，第一气缸Z1和第四气缸Z4的第一排气通道AK1以及第二气缸Z2和第三气缸Z3的第二排气通道AK2通入第一废气集管S1。气缸Z1-Z4的其他排气通道AK1、AK2通入第二废气集管S2。第一废气集管S1所收集的废气可被供应给图中未详细示出的双废气涡轮增压器的第一涡轮入口T1，该双废气涡轮增压器具有两个基本上相互分离的涡轮入口T1和T2。为此，第一集管S1直接与第一涡轮入口T1连接。第二废气集管S2直接与第二涡轮入口T2连接。借此可将内燃机1的气缸Z1-Z4划分成由第一气缸Z1和第四气缸Z4组成的第一半部以及由第二气缸Z2和第三气缸Z3组成的第二半部。亦即，在所述气缸的第一半部中，所属的气缸Z1和Z4的第一排气通道AK1与第一涡轮入口T1流体连接，第二排气通道AK2与第二涡轮入口T2流体连接。在所述气缸的第二半部中则是反过来，即，对应配置的气缸Z2和Z3的第一排气通道AK1与第二涡轮入口T2连接，而第二排气通道AK2与第一涡轮入口T2连接。结合对第一排气门和第二排气门的下文还要详细描述的分开控制，借此可以在避免所谓的涡轮迟滞的情况下实现所述废气涡轮增压器的动态运行。
所述废气涡轮增压器优选构建为所谓的双涡流增压器或分段式增压器。在此也可以采用不对称的实施方案，即，通过流入第一涡轮入口T1或流入第二涡轮入口T2的废气加载少于一半或超过一半的涡轮叶片。例如在实施为具有10个叶片的分段式涡轮(Segmentturbine)的情况下，流入第一涡轮入口T1或流入第二涡轮入口T2的废气可以加载四个或六个叶片。类似地，若是具有七个叶片的分段式涡轮，则可通过流入第一涡轮入口T1或流入第二涡轮入口T2的废气加载四个和三个叶片。相应的涡轮增压器实施方式对于本领域技术人员而言是已知的，此处不再加以赘述。
下面联系图2，具体结合气门控制对内燃机1的优选运行模式进行详细说明。
图2示意性示出内燃机1的负载-转速特性曲线族，其中，满载特性曲线3表示内燃机平均圧力与内燃机转速相关的标称值。线条4标示的是将转速相对低的第一运行范围B1与转速相对较高的第二运行范围B2分开的运行范围界限。该运行范围界限的线条4穿过第一运行点和第二运行点，所述第一运行点具有约25％的标称负载和第一转速n1，所述第二运行点位于满载特性曲线3上且具有第二转速n2。第一转速n1约为标称转速的15％，并且第二转速n2约为标称转速的50％。
根据本发明，在第一运行范围B1内这样运行内燃机1，使得每个气缸Z1-Z4的两个排气门中仅一个排气门受到操纵，而另一个排气门则在所有四个工作冲程上使得所属的排气口保持关闭。这有助于实现内燃机1在热力学方面有益的运行以及废气涡轮增压器的动态反应。然而，随着在第一运行范围B1内转速的上升，废气反压的上升程度较为剧烈，并且废气的排出越来越差，因此内燃机1的热力学效率下降。因此在达到运行范围界限时，在第二运行范围B2内这样运行内燃机1，使得两个排气门都受到操纵。然而在此特别是在低转速下，就点火顺序而言相邻的气缸的交叉影响使得气缸中的残气含量上升，这同样会对内燃机1的热力学效率产生不良影响。本发明用以对抗这一缺点的方案是，将气缸Z1-Z4的第二排气口A2实施得比第一排气口A1更大。如此一来，配置给第二排气口A2的第二排气门的气门头直径也实施得比配置给第一排气口A1的第一排气门的气门头直径更大。其中，优选为第二排气口A2选择比第一排气口A1的直径至少大10％、优选甚至大至少15％的直径。相应地，对应配置的排气门的气门头直径也是如此。这项措施能显著改善气缸的残气扫气，进而能相应改善内燃机的热力学效率。其中，优选在第一运行范围B1内仅操纵具有较大的气门头直径的第二排气门。由此，由于第一排气门未受操纵，第一排气口A1持续保持关闭。
通过以下措施可进一步改善燃烧和/或涡轮增压器的运行以及内燃机效率。首先有益的是，如图1中所示，将第二进气口E2选择得比第一进气口E1更大，进而为第二进气门选择比第一进气门的气门头直径更大的气门头直径。在此情况下，与排气门相似，同样选择至少10％、但优选至少15％的尺寸差。其中，从气缸头2如图所示的俯视角度看，较大的第二排气口A2与较大的第二进气口E2优选沿对角线相对布置。一般而言，优选将进气口E1和E2实施得略大于对应的排气口A1、A2，即，比对应的排气口大约大10％至20％。此外，进气通道EK1、EK2和/或排气通道AK1、AK2优选在其绝大部分长度上与进气口E1、E2的直径或排气口A1、A2的直径相匹配。也就是说，根据进气门开口E1、E2的直径比，第一进气通道EK1的直径在其至少绝大部分长度上选择得大约小于第二进气通道EK2的直径。这一点相应也可适用于排气通道AK1、AK2。
此外，第一进气通道EK1可构建为螺旋通道或涡流通道，并且第二进气通道EK2可构建为填充通道。这一点在以下情形下特别有益：第一进气通道EK1的直径小于第二进气通道EK2。在此情况下，优选以第二进气通道在第二进气口E2上的中心轴为参照，构建为填充通道的第二进气通道EK2几乎沿气缸竖轴定向。第一进气通道EK1则优选以更大的程度倾斜于气缸竖轴定向，以帮助进入燃烧室的废气实现围绕气缸竖轴的螺旋运动或围绕气缸横轴的涡流运动。
关于内燃机1的运行，可以在两个运行范围B1和B2上对每个气缸Z1-Z4的两个进气门都进行操纵。但也可以在第一运行范围B1内仅操纵两个进气门中的一个，并且借助另一个进气门使相应的进气口持续保持关闭。其中，如果两个进气口实施得不一样大，则优选在第一运行范围B1内仅操纵较大的第二进气门。此外还可设置中间运行范围B3，该中间运行范围的负载值和转速值低于第二运行范围B2。在此情况下，第一运行范围B1可以向更低的负载和转速推移。如果采用这样的划分，则优选在较低的第一运行范围B1内仅操纵配置给较小的第一排气通道AK1的第一排气门。在中间运行范围B3内则仅操纵配置给较大的第二排气通道AK2的第二排气门，并且在较高的第二运行范围B2内对两个排气门都进行操纵。

Claims (9)

1.一种四冲程往复式内燃机，具有偶数个气缸和一废气涡轮增压器，所述废气涡轮增压器具有两个至少基本上相互分开的涡轮入口(T1，T2)，其中，所述气缸中的每一个配置有：
-至少一个用于将燃烧用空气送入所述气缸的燃烧室的进气通道(EK1；EK2)，所述进气通道具有燃烧室侧的进气口(E1；E2)，
-用于将废气排出所述气缸的燃烧室的第一排气通道(AK1)，所述第一排气通道具有燃烧室侧的第一排气口(A1)，
-用于将废气排出所述气缸的燃烧室的第二排气通道(AK2)，所述第二排气通道具有燃烧室侧的第二排气口(A2)，
其中，所述气缸的第一半部通过相应的第一排气通道(AK1)与所述两个涡轮入口(T1，T2)中的第一涡轮入口连接，并且通过相应的第二排气通道(AK2)与所述两个涡轮入口(T1，T2)中的第二涡轮入口连接，以及所述气缸的第二半部通过相应的第一排气通道(AK1)与所述第二涡轮入口(T2)连接，并且通过相应的第二排气通道(AK2)与所述第一涡轮入口(T1)连接，
其特征在于，所述第二排气口(A2)具有大于所述第一排气口(A1)的直径。
2.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，为每个气缸设有具有第一进气口(E1)的第一进气通道(EK1)以及具有第二进气口(E2)的第二进气通道(EK2)。
3.根据权利要求2所述的内燃机，其特征在于，所述第二进气口(E2)具有大于所述第一进气口(E1)的直径。
4.根据权利要求2或3所述的内燃机，其特征在于，所述第一进气通道(EK1)构建为螺旋通道或涡流通道，并且所述第二进气通道(EK2)构建为填充通道。
5.根据权利要求3或4所述的内燃机，其特征在于，从所述气缸的俯视角度看，所述第二进气口(E2)与所述第二排气口(A2)沿对角线相对布置。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的内燃机，其特征在于，设有四个排成一列的气缸(Z1，Z2，Z3，Z4)，其中，所述第一气缸(Z1)和所述第四气缸(Z4)组成所述气缸的第一半部，并且所述第二气缸(Z2)和所述第三气缸(Z3)组成所述气缸的第二半部，并且为所述气缸(Z1，Z2，Z3，Z4)设置一-三-四-二的点火顺序。
7.一种用于根据权利要求1至6中任一项所述的内燃机的运行方法，其特征在于，在低于一预设转速下限的低转速下，借助分别配置给所述第一排气口或所述第二排气口的排气门使所述第一排气口(A1)或所述第二排气口(A2)持续关闭。
8.根据权利要求7所述的运行方法，其特征在于，根据负载将所述转速下限预设为介于所述内燃机(1)的标称转速的约15％与50％之间。
9.根据权利要求6或7所述的运行方法，其特征在于，在一每气缸设有两个进气口(E1，E2)并且所述第二进气口(E2)的直径大于所述第一进气口(E1)的内燃机(1)中，在低于所述内燃机的一预设转速界限的低转速下，借助分别配置给所述第一进气口的进气门使直径较小的所述第一进气口(E1)持续关闭。
CN201580025406.8A 2014-05-17 2015-05-12 四冲程往复式内燃机及用于这种内燃机的运行方法 Active CN106414946B (zh)

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