CN108138663A - 一种用于柴油发动机的方法及柴油发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在四冲程柴油发动机中改变发动机负载期间使氮氧化物最小化的程序，该四冲程柴油发动机包括至少一个带有气缸盖(1)的气缸，安装在连杆(3)上的往复式的第一活塞(2)，一个安装在汽缸盖上的传动装置(4)和传动装置操作的第二活塞(5)，该第二活塞能够经由液压回路(6)锁定在燃烧室(7)中的不同位置中，至少一个设置在汽缸盖上用于废气排放的出口阀(8)，至少一个位于气缸盖上用于供应助燃空气且可自由控制的进气阀(10)，至少一个与燃烧室(7)连接的喷射器(9)，用于在所述燃烧室中注入燃料。该程序的特征在于，第二活塞(5)最迟在当前压缩冲程期间由传动装置(4)带动且被液压回路(6)锁定在燃烧室(7)中的位置处，通过第一活塞(2)引入的空气以预定的压缩比被压缩以满足现有发动机负载，即在压缩冲程结束时引入的助燃空气量产生预定压缩比时自由操作的进气阀(10)在活塞位置处关闭进气冲程且喷射器(9)喷射指定量的燃料。

Description

一种用于柴油发动机的方法及柴油发动机
技术领域
本发明与柴油发动机有关，在这种发动机中氮氧化物(NOx)的排放是一个大问题。具有所谓定性燃烧的普通四冲程柴油发动机会导致高氮氧化物形成。
背景技术
在内燃机中，活塞在两个位置之间移动，一个较高和一个较低的转向点。进气冲程之后是压缩冲程，接着是工作冲程，接着是排气冲程结束整个程序，所以称之为标准四冲程程序。在普通柴油发动机中，进气阀和排气阀借助凸轮轴打开。此外，汽缸容积和燃烧室容积之间的比例，即压缩比例恒定，例如16:1或17:1或其他。高压缩比导致高效率。
目前柴油发动机要解决的问题是减少空气中氧气和氮气混合物造成的氮氧化物，并随着燃烧温度升高而迅速增加。高温燃烧会减少HC和CO以及颗粒产生，并有助于减少燃料消耗。另一方面，由于会造成与吸入有关的健康风险(特别是在城市交通中)，氮氧化物增加会引起有害影响。
众所周知，氮氧化物是在高温和稀薄条件下产生，即少量燃料和大量空气，即所谓空气过剩。
柴油机使用所谓的定性燃烧，这意味着原则上相同体积的空气在循环之后被压缩循环，并且通过喷射不同量的燃料来提供不同的功率需求。因此，通常或多或少的贫燃条件发生，空气过量或多或少会导致形成更多或更少氮氧化物。因此，定性燃烧在燃烧气体中形成不同量的氮氧化物，这取决于当前发动机负载，这恰恰是难以找到连续减少氮氧化物方法的原因。该问题可以归纳为：定性燃烧导致变化的空气过量和伴随的氮氧化物形成，现今经常试图通过冷却的废气再循环到入口，即所谓EGR(废气再循环)来减少氮氧化物。
发明内容
本发明主要目的是实现一种柴油发动机，与现有柴油发动机相比，该发动机在所有发动机负载下都具有高效率，且同时产生明显较少的氮氧化物。
本发明可实现该目的，其中已经给出了以下权利要求中提到的特征性条款。
通过在发动机负载变化时燃料量不断平均适应空气量的燃烧-所谓定量燃烧-将给出每个循环周期后压缩比的相同有效压缩比。这在所有发动机负载下都能同时获得高发动机效率的同时最小化氮氧化物。
问题解决方案和本发明核心：压缩空气可以连续不断地循环，在不同的发动机负载下循环往复，以适应燃烧气体中产生最少氮氧化物的燃料量。这样做的目的在于，对于每个发动机负载，选定的空气量在循环之后被压缩到基本上相同的最终压力循环。这可以通过其中空气被压缩的燃烧室通过发动机控制系统相对于所述选定的空气量而变化，这取决于功率/发动机负载的需求，并且在进气冲程期间通过自由操作阀加载并且在由发动机控制系统选择的时间保持打开。在压缩之后，注入的燃料量产生最小的氮氧化物。相对于压缩空气的质量提供最小氮氧化物的燃料质量，根据本发明将原则上等于与当前发动机负载无关的循环之后的循环。废气中的剩余氮氧化物百分比变得基本上相同，这有助于可能需要为任何后续处理找到合适的方法。
有了汽缸盖中自由操作的阀、现代四冲程发动机中的提升阀以及可变的压缩容积，氮氧化物的问题可能会大大减少。这是被上面提到的稀燃条件所避免的。可以保持现在的凸轮轴来控制排气阀，但进气阀应自由运行，以便达到调节进气量的最佳运行经济性。如果进气阀也像现在一样由凸轮轴操作，进气量必须用任何类型的空气限流器进行调节，然而这些空气限流器不能充分发挥真正高效率的潜力。
首选自由气动阀门，用加压气体打开，最好是空气。空气被压缩机压缩到定制的稳定打开阀门的压力(参见专利SE535886C2，SE1100435(A1))。但是也可以使用其他的自由操作阀(例如液压或电磁操作阀)的方法。可变压缩可以通过不同的方式实现。这推荐一种方法，其中活塞中的当前空间，即所谓的活塞腔，可以说是被转移到了汽缸盖且根据上述专利的原理，燃烧室体积可变。这在下面结合对优选方案的描述进行说明。
因此，如上所述，本发明的目的是实现一种柴油发动机，其在任何发动机负载/动力下都具有高效率并且同时比现在的柴油发动机产生更少的氮氧化物。
通过相对于汽缸盖内的燃烧室的容积来控制进气门打开时间，或者说通过相对于入口阀的打开时间控制燃烧室的容积，所述发动机确定的压缩比可以被保持在不同的发动机负载下，同时被喷射的燃料的质量被调整并且指向氮氧化物的最小化，即避免了所述的贫燃条件。这将同时提供高燃烧压力、高燃烧温度和高效率。
如果燃烧室的容积需要修改以适应新的发动机负载，则最小化氮氧化物的最佳时间为最后修正的打开时间之后的压缩冲程期间，用于在先前的进气冲程期间的进气阀，但也可以在先前的排气冲程期间。当汽缸内存在高压时，适宜在燃烧冲程下进行从部分发动机负载到最大发动机负载的转换。
如果是给定的汽缸容量，例如压缩比为16：1，则原则上进气阀在整个进气冲程中是打开的，并且燃烧室中喷射燃料的质量适于使氮氧化物最小化。如果为了降低发动机功率，通过发动机控制系统进气阀的进气冲程期间的助燃空气的一半被指令提前关闭，原则上在进气冲程的中途，汽缸盖燃烧室的容积必须尽可能减小，原则上减半以便当填满一半的燃料时，基本上能保持压缩比。其结果是燃烧温度高、燃烧压力高，并且工作冲程的效率也显著提高，这将比进气冲程更长，即所谓的米勒循环。在一个或几个单独的循环中可以使燃烧室的尺寸减小50％。持续调整燃烧室尺寸以对付怠速下压缩比明显最小的状况，以及在发动机负载最大时，其可以包括通过排气涡轮机进行回充电。或者，它可以在低负载下(例如空转)与所谓的汽缸关闭交替，抑或不关闭汽缸工作以输送更多动力以保持发动机运转。
即使进口阀控制提供了良好的供应精度，通过采用空气质量的发动机控制系统，适宜使用空气质量计以安全地达到空气量，并基于此来计算喷射到燃烧室中的燃料质量。
附图说明
图1是发动机汽缸上部的横截面示意图，其中活塞处于上部冲程模式(低负载下)，
图2是发动机汽缸上部的横截面示意图，其中活塞处于上部冲程模式(最大负载下)，和
图3是发动机汽缸上部的横截面示意图，其中活塞处于上部冲程模式(中等负载下)。
具体实施方式
现在将结合附图描述本发明，其中显示了优选实施例。图1是具有汽缸盖的发动机汽缸上部的横截面示意图，其中燃烧室容积适于小的发动机负载并且发动机活塞在压缩冲程之后处于上部冲程模式。原则上，所有在进气冲程下加载的空气被锁定在所述容积内。
图2是发动机汽缸上部的横截面示意图，其中燃烧室容积适于最大发动机负载并且发动机活塞在压缩冲程之后处于上部冲程模式。原则上，所有来自进气冲程的空气都被锁定在上述容积内。
图3是发动机汽缸上部的横截面示意图，其中燃烧室容积适合于中等的发动机负载并且发动机活塞在压缩冲程之后处于上部冲程模式。原则上，所有来自进气冲程的空气被锁定在上述容积内。
图1显示一个发动机汽缸，配备汽缸盖1和活塞2，安装在连杆3上。传动装置4原则上执行专利(SE535886C2，SE110 0435(A1))。根据上述专利的发动机气门已经被替换为可在燃烧室7中移动的活塞5。通过来自发动机控制系统的信号(这里未示出)，活塞5可以被控制以在燃烧室中采用不同的位置并且因此改变活塞下方部分的体积，当通过喷射器9喷射燃料时发生大部分燃烧。所述专利中描述的液压回路6锁定不同的模式。由凸轮轴或通过传动装置控制一个出口阀8(例如所述专利中象征性示出)，以及适宜(但非必须)由一个传动装置基于来自发动机控制系统(具有符合上述专利的功能)的信号打开和关闭一个进气阀10。布置有空气质量计11，用于测量经由进气阀10在内燃冲程中的空气供应量。以上部冲程模式示出的活塞2不允许与包括提升阀8、10的汽缸锁机械接触。
图2示出了处于其上部位置的活塞5，其中燃烧室处于其最大值，并且发动机可以(但不一定)被加载到最大值。尽管如今，或多或少的发动机负载可以根据喷射的燃料量来进行加载，在这种情况下，现在的排气排放量仍然较高。然而，对于位于活塞腔中活塞中的小凹部，即在燃烧室的中部，可能是有利的。
图3是发动机汽缸上部的横截面示意图，其中燃烧室容积适合于中等的发动机负载并且发动机活塞在压缩冲程之后处于上部冲程模式。基本上来自进气冲程的所有空气都被锁定在上述容积内。一种有趣的驾驶模式是，例如，当车辆驾驶员突然将加速器踏板踩到底部，并因此要求最大的发动机功率。在随后的膨胀冲程期间，将活塞5锁定在燃烧室7中的液压回路6停用，其中柱塞在几毫秒内移动到图2中的上部位置，并且同时在随后的进气冲程中将自由操作的进气阀5保持打开以最大限度地供应空气。在压缩端，注入适量的燃料以使氮氧化物最小化。上述活动由发动机控制系统操作。
应该指出的是，今天的基于计算机的发动机控制系统是显而易见的，因此这里不必提及如何实现自由阀和定位在燃烧室7中的活塞5的打开和关闭，以及通过由发动机控制系统命令的喷射选择器开关9喷射燃料，该发动机控制系统也连接到必要的传感器和密封件。
应该说燃烧不会在燃烧室中完全发生，与当前活塞腔相对应，不同之处在于其尺寸可以根据进气行程中引入的空气量而变化。在活塞2离开上部冲程模式之后燃烧停止并且膨胀的燃烧气体的压力作用在整个活塞表面上。所述进气冲程下的所述变化和进气阀打开时间由发动机控制系统决定，所述发动机控制系统假定存在而未在附图中示出或以其他方式详述。

Claims (6)

1.在四冲程柴油发动机中改变发动机负载期间使氮氧化物最小化的程序包括：至少一个带有气缸盖(1)的气缸，安装在连杆(3)上的往复式的第一活塞(2)，一个安装在汽缸盖上的传动装置(4)和传动装置操作的第二活塞(5)，该第二活塞能够经由液压回路(6)锁定在燃烧室(7)中的不同位置中，至少一个设置在汽缸盖上用于废气排放的出口阀(8)，至少一个位于气缸盖上用于供应助燃空气且可自由操作的进气阀(10)，至少一个与燃烧室(7)连接的喷射器(9)，用于在所述燃烧室中注入燃料；其特征在于，所述第二活塞(5)最迟在当前压缩冲程期间由传动装置(4)带动且被液压回路(6)锁定在燃烧室(7)中的位置处，通过第一活塞(2)引入的空气以预定的压缩比被压缩以满足现有发动机负载，即在压缩冲程结束时引入的助燃空气量产生预定压缩比时自由的进气阀(10)在活塞位置处关闭进气冲程且喷射器(9)喷射指定量的燃料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃料的指定量基于空气流量计(11)的测量值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二活塞(5)最迟在压缩冲程中随着先前进气冲程期间进气阀打开时间改变而采用在燃烧室(7)中的修正位置。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二活塞(5)不迟于先前排气冲程期间采用在燃烧室(7)中的修正位置。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在工作冲程期间发生从部分到最大发动机负载的转换。
6.一种四冲程柴油发动机，包括至少一个带有气缸盖(1)的气缸，安装在连杆(3)上的往复式的第一活塞(2)，一个安装在气缸盖上的传动装置(4)，一个传动装置操作的第二活塞(5)，能够通过液压回路(6)锁定在燃烧室(7)中的不同位置，至少一个设置在汽缸盖上用于废气排放的出口阀(8)，至少一个位于汽缸盖上用于引入助燃空气且可自由操作的进气阀(10)，至少一个与燃烧室(7)连接的喷射器(9)，用于在所述燃烧室中注入燃料；其特征在于，所述第二活塞(5)用于响应传动装置(4)的控制且由液压回路(6)锁定在燃烧室(7)中的位置处，在进气冲程期间加入助燃空气，自由的进气阀(10)在活塞位置处关闭，压缩冲程结束时注入指定量的燃料产生预定的压缩比。
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