CN108691668B - 具有排气再循环系统的内燃发动机 - Google Patents

Abstract

一种具有排气再循环系统(50)的内燃发动机(10)，该内燃发动机包括用于确定进入到新鲜空气系统(40、41)中的待循环的排气的量的再循环阀(55)和被配置成用于依赖于燃烧周期来操控再循环阀(55)的控制系统。

Description

具有排气再循环系统的内燃发动机

技术领域

本发明涉及一种内燃发动机和一种用于排气再循环的方法，该内燃发动机具有排气再循环系统和用于控制进入到新鲜空气系统中的待循环的排气的量的再循环阀。

背景技术

在高的燃烧温度(例如超过1800℃)的情况下，在发动机中产生越来越多的氮氧化物NOx。为了减少氮氧化物，尤其在奥托发动机和柴油发动机的情况下可以利用排气再循环系统来降低燃烧温度。

氧气含量少且含有二氧化碳的排气的再循环挤压进气管中的新鲜空气并降低新鲜气体的氧气含量，这导致燃烧速度降低。此外，排气相对于新鲜空气的更高的热容量降低了燃烧温度，因为存在的二氧化碳吸收了一部分燃烧热量。换言之：由于排气不参与燃烧，但还是必须一起加热，因而燃烧温度降低。

在奥托发动机中，通过取消节流(Entdrosselung)、减小爆震趋势和减小壁热损失来减小燃料消耗也可以是至关重要的。

在排气再循环系统中，在外部排气再循环系统与内部排气再循环系统之间进行了区分。在外部排气再循环系统中，排气的一部分经由引导系统、例如管被引导回进气侧并在该那里与新鲜气体混合。进气侧尤其是进入气缸中的入口之前的区域，该入口对于内燃发动机的所有气缸而言是共用的。相比之下，在内部排气再循环系统中，以如下方式来设定关闭相应的气缸的一个或多个排气阀的时刻以及打开一个或多个进气阀的时刻：使得在下一个周期中在气缸中存在更高的排气含量。本发明仅仅涉及外部排气再循环系统的装置。

由于使用排气涡轮增压器，在进气区域中的压力升高。同时在排气涡轮增压器之前的排气区域中的压力升高。排气涡轮增压器的效率特性和在排气系统和进气系统中的其他构件的压力损失特性导致：当在高负荷下、在低发动机转速下使用内燃发动机时，在进气区域中的压力如此高，使得在排气涡轮增压器之前从排气侧到新鲜空气侧也许不存在足够的压降且由此不发生足够的流体流(即，无有效的排气再循环)。

用于排气再循环系统的调节装置是普遍已知的，例如在DE 10 2012104 155A1中公开的那样。从US 8,783,020B2中已知利用翼形阀将新鲜空气侧与排气区域连接，其中，如下地使用该翼形阀：使得该翼形阀可以选择性地使新鲜空气流动到排气区域中。

发明内容

本发明的目的是，即使常规上是不可行的，也可以实现排气再循环。这个目的是通过根据本发明所述的内燃发动机和用于控制内燃发动机的方法来实现的。优选的改进方案是在下文中给出。

一种具有排气再循环系统的内燃发动机，该内燃发动机包括用于控制进入到新鲜空气系统中的待循环的排气的量的再循环阀和被配置成用于依赖于燃烧周期来操控再循环阀的发动机控制系统。术语“依赖于燃烧周期”尤其可以如此理解：依赖于燃烧周期的燃烧状态(即，曲轴旋转一圈或两圈)产生不同的控制值。因此可能的是，依赖于燃烧状态和/或依赖于曲轴或凸轮轴和/或尤其依赖于排气系统中的压力比率在一个工作循环中打开和关闭再循环阀至少一次。因此，在明显短于一个工作循环的时间段上实现排气再循环。再循环阀的相应的打开的时间段可以小于曲轴旋转半圈。恰好在这样的运行状态中(其中排气侧的平均压力小于新鲜空气侧的平均压力)，常规而言借助就具体压差而言不可被操控的再循环阀来实现排气再循环是不可行的。根据本发明的实施方式在结构上不同于止回阀，该止回阀还可以被称为翼形阀并且该止回阀可能被装入排气再循环系统的流体流中，并且只有当排气侧的压力大于新鲜空气侧的压力且该阀由于施加的压差被打开时，该止回阀才允许流体通过。也就是说，翼形阀具有不同的缺点：首先，翼形阀不具有非常好的密封性，从而还在并非发动机控制系统所期望的时刻、在一定程度上发生新鲜空气流不期望地进入到排气侧或者排气流进入到新鲜空气侧。此外，这样的阀需要用于激活的一定程度上的最小压差并且在已经出现该压差之后才打开。因此，这样的阀不适合于快速且精确的流动控制。

依赖于燃烧周期的发动机控制系统尤其被配置成依赖于多气缸的内燃发动机的单独的气缸的燃烧周期来确定用于操控再循环阀的控制值。在单气缸的内燃发动机中，可以识别到在排气系统中的压力依赖于燃烧周期的明显改变。相比之下，在多气缸的发动机中，通过相移使相曲线在很大程度上被平均化和平整化。但是已知，在排气侧的压力曲线中的小的、短暂的峰值(在这些峰值中排气侧的压力大于在新鲜空气系统中的压力)已经可以被用于执行排气再循环。并且这些峰值可以在一个工作循环内多次出现。

此外有利的是，除了所提及的再循环阀之外，提供第二阀，该第二阀同样被配置成用于确定进入到该新鲜空气系统中的待循环的排气的量，其中，对于该第二阀而言不提供依赖于燃烧周期的控制。这两个阀可以串联连接。因此，虽然使用两个阀，这意味着结构和成本方面的更多耗费，但是在必要时在结构上更简单地将两个不同的目的(即，一方面排气再循环系统的普遍使用和另一方面排气再循环系统的取决于燃烧周期的控制)在功能上分离。

此外，该发动机控制系统可以有利地被配置成用于依赖于凸轮轴位置和/或曲轴位置将该再循环阀带到特定的位置中。这是直接控制。也就是说，已知(简单来说)在凸轮位置或者曲轴位置相同的情况下在排气系统中的压力状态始终是相同的，从而其位置是可简单确定的测量值，该测量值可以用于确定再循环阀的位置。作为结构上简单的解决方案可以为此提供机械耦合元件，如优选地利用凸轮轴的一个或多个凸轮以及耦合杆。

替代性地，内燃发动机包括用于确定发动机的周期状态的传感器，其中，有利地该传感器是用于识别曲轴或凸轮轴的角位置的角度传感器。在再循环阀包括自身的调节驱动器时，这个方案可以为优选的。在排气系统中提供的传感器可以直接记录测量值，以便因此依赖于由测量值生成的控制信号来操控该再循环阀。尤其压力传感器适用于此，该压力传感器测量在排气系统中占主导的压力。这在流动方向上在涡轮增压器之前发生。依赖于燃烧周期可改变的所有物理值原则上适合于测量。例如可以使用温度传感器。电容性测量原理也是可行的。在确定测量值时重要的不是测量变量的特定的绝对值，而是可以足以记录测量值的依赖于发动机周期的波动，这些波动允许推断出在周期之内的时间点。

发动机控制系统优选地被配置成用于依赖于内燃发动机的特定的气缸的周期状态来实现该再循环阀的阀打开和阀关闭，其中，为了阀打开和阀关闭在该气缸的排气阀的阀打开之前提供时间超前(zeitlicher Vorlauf)。打开再循环阀的时间超前实现了：当排气阀被打开成使得恰好在该时刻在再循环阀上存在最大压差时，该再循环阀已经打开了一定的程度或优选已经处于或接近最大打开。在此，重要的不是提高在新鲜空气侧的压力，而是可以将燃烧气体的一部分导引到那里。

在此适用的是，该再循环阀尤其应被配置成用于以a*n*x的频率来建立排气系统与新鲜空气系统的连接，其中，a为工作循环数(在4冲程发动机中为0.5)，n为内燃发动机的转速，且x为内燃发动机(10)的气缸的数量。由此描述再循环阀的特性。在具有四个气缸的4冲程发动机中，由此获得再循环阀的如下特性：即，当例如发动机的最大转速为4000 1/min时，每分钟必须可以执行至少8000次打开。

在用于控制包括具有再循环阀的排气再循环系统的内燃发动机的方法中，控制系统控制再循环阀的位置并由此控制从排气系统导引到新鲜空气系统中的排气的量，其中，该控制系统包括从发动机的凸轮轴或曲轴(例如利用耦合杆)到再循环阀的机械耦合。或者，该控制系统通过记录测量值来确定内燃发动机的单独的气缸的燃烧状态并依赖于燃烧状态来发送用于打开或关闭的电信号给该再循环阀。每个单独气缸的燃烧状态尤其可以通过在相应的气缸之内的活塞的位置来描述。打开或关闭再循环阀的信号还可以包括中间状态。

在此，再循环系统可以实施为高压排气再循环系统，其中，再循环气体的提取是在排气侧在流动方向上在涡轮增压器之前进行的，并且在新鲜气体侧导入到新鲜空气系统中是在该涡轮增压器之后且尤其在安装在该涡轮增压器下游的节流阀瓣之后提供的。用于再循环的排气提取优选地相对靠近来自气缸的排气出口。在该排气出口处压力波动(相比于低压排气再循环系统)是相对较高的，从而压力峰值(下文还称为峰值)可以良好地用于再循环。

附图说明

下面借助于优选的实施方式示例性地解释本发明。在附图中：

图1示出了内燃发动机的示意图用于解释多个实施方式，并且

图2示出了具有阀升程和压力的曲线图用于借助于单气缸的内燃发动机的实例来解释本发明。

具体实施方式

在图1中示意性地示出了内燃发动机10，其中，首先展示了燃烧气体的供应和排放。在右侧以向左指向的箭头示出了向内燃发动机10中的空气供应。新鲜空气通过未展示的空气过滤器被引导到排气涡轮增压器60中，新鲜空气在该排气涡轮增压器中压缩。接着，新鲜空气被导引到可选的中冷器47中。在此从空气中提取热量，所述热量由于在排气涡轮增压器60中的压缩被供应给空气。接着，新鲜空气经由节流阀瓣45被导引到进气管40中。所标记的新鲜空气系统41包括内燃发动机10的为新鲜空气提供的全部区域。由此，进气管40也是新鲜空气系统41的一部分。进气管40具有分配器的任务，该分配器将新鲜空气供应给内燃发动机10的单独的气缸。在此处未详细讨论的燃烧过程(例如根据奥托发动机原理或柴油发动机原理)之后，空气(现在被称为排气)被导引到排气系统20中。空气从该排气系统经由引导系统(如尤其管系统)被供应给排气涡轮增压器60，并且被用于如已经描述的那样来压缩新鲜空气。此后，排气从发动机中排出并且可以接着例如被导引经过催化器。

此外，内燃发动机10包括排气再循环系统，该排气再循环系统被实施为将排气系统20连接到新鲜空气系统41。排气再循环系统尤其在排气涡轮增压器60之后被导引到新鲜空气系统41中。这可以在结构上例如通过管系统来实现。在该连接中，根据图1提供了两个阀52和55，其中，至少再循环阀55是必要的并且(下文被称为第二阀52的)第二个阀是可选的，即在任何实施方式中不是必要的。此外，可选地且在图1中未示出的是，用于排气的冷却器可以被整合在排气再循环系统中。

下面首先描述包括这两个阀52和55的实施方式。第二阀52在其作用方式方面对应于常规已知的再循环阀。常规已知的再循环阀依赖于内燃发动机10的普遍的运行条件来打开和关闭，其中尤其中间位置也是可行的。例如发动机控制系统可以被设置成在发动机的冷启动条件下或在全负荷情况下不应执行排气再循环。在这些运行状态中，相应地第二阀52是关闭的。所提及的“普遍的运行状态”是始终不依赖于曲轴或凸轮轴的具体位置。可以依赖于曲轴或凸轮轴的位置被操控的再循环阀55的情况不是这样的。对此的原因在下文借助于图2来解释。

即，在一些运行条件下在新鲜空气系统41中或者在进气管40中的压力可以大于在排气系统中的压力，如这在图2的上部分中示出。在那里示出了具有唯一的气缸的发动机的运行状态，在该发动机中在进气管中的普遍的压力大约大于2bar且在很大程度上是恒定的。在周期的大部分中，排气侧的压力为大约1bar。因此，在这些阶段中可以由于相反的压力梯度而不执行排气再循环。仅仅在大约180°的曲轴角的范围中在排气侧达到如下压力(在该实例中：将近4bar作为最大值)：即，该压力大于进气管压力(即，新鲜空气侧的压力)。该压力升高由于打开发动机的排气阀而得到。排气阀的打开在图2的下部分中利用点划线来示出。自约130°的曲轴角起开始排气阀的阀打开，该阀打开在270°的角度下以约9mm的阀升程达到其最大值，从该最大值起该排气阀再次关闭。借助于上部图区域的虚线可看出，紧接在排气阀打开之后在气缸中流出的气体引起排气系统20中的最大压力升高。提早的顶点是由于在气缸中的高压力而产生的，该高压力由于排气阀的打开而降低。仅仅在有限制的时间段中(其中排气侧的压力大于进气侧的、即新鲜空气侧的压力)，排气再循环是可行的。这表示这样的区域：即，在该区域中在图2的上部分中虚线高于点线。为了再循环而使用排气再循环阀55。排气再循环阀的打开行程在图2的下部分中以实线示出。在最大的排气侧压力的角位置处再循环阀55具有其最大打开。在优选的实施方式中，可以存在尤其具有+/-25°的公差的重合。

在图2中描绘了偏移v，再循环阀55以该偏移v超前于排气阀。该超前在两个阀的最大阀打开的情形下也可以看到。同样，对应的超前在阀的50％打开(即阀升程)的情形下可以看到。此外，再循环阀55的打开在时间上在打开排气阀之前开始。该偏移可以是有利的，使得紧接在排气阀打开之后、当(如已经描述地)在排气系统20中最大压力占主导时，再循环阀55已经以如下程度地打开：使得可以实现从排气侧到新鲜空气侧的尽可能轻微制动的流体流。

通过有针对性地控制再循环阀55的开度可以由此实现尽可能多的排气通过排气再循环被导引到新鲜空气系统41或者进气管40中。当由于内燃发动机10的运行条件出现实际上抵抗排气再循环的压力比率时，这恰好是有利的。

在进气管中的压力在图2的上部分中以点线示出。该压力如已经提及的那样是在很大程度上恒定的。虽然该压力由于排气引导而稍微升高。但是该升高在曲线图中是不可看见的，因为其他影响因素(如向气缸中的吸入、新鲜空气系统41的相对较大的体积、以及新鲜空气向新鲜空气系统中的供应)在效果方面起主要作用。

依赖于发动机位置(曲轴位置/凸轮轴位置)对再循环阀55进行控制可以不同地发生。例如为此可以提供凸轮轴的凸轮。于是，与凸轮存在机械耦合，以用于调整再循环阀的打开。替代性地，可以提供角度测量装置，该角度测量装置识别曲轴和/或凸轮轴的角度。依赖于该角度，发动机控制系统负责打开和关闭再循环阀55。在一种替代性的实施方式中可行的是，利用压力传感器24测量在排气系统中的压力。依赖于该压力来调整再循环阀的打开。由于在进气管中的压力(参见图2上部分)是在很大程度上恒定的，因此在控制时不必考虑进气管压力。在另外的实施方式中，恰好当进气管压力可以取决于运行情况而不同时，对于控制而言可以使用在排气侧的压力与进气管压力之间的差值作为调节变量。在使用传感器的实施方式中，再循环阀55可以通过电磁的调节驱动器或压电驱动器或例如气动地被操控。

上文描述了具有仅仅一个气缸的实施方式，其中，本发明还可用于具有多个气缸的发动机。在具有四个气缸的4冲程发动机的示例性的情况中，对于图2的排气侧的压力而言不仅在180°处可能具有一个峰值而且在720°上分布有四个峰值。对应地，再循环阀不仅可能具有在图2中示出的阀打开，而且同样可能具有围绕720°的循环均匀地分布的四个阀打开。这些打开可以如上文描述的那样实现。

上文描述了这样的实施方式，其中除了再循环阀55之外还使用第二阀52。在此第二阀52的目的是：不是依赖于发动机周期、而是依赖于运行状态接通或者切断排气再循环或者以超过利用再循环阀55可实现的程度来调节排气再循环率。这样的运行状态(其中发动机控制系统可以选择性地使用或不使用排气再循环系统)尤其例如是冷启动、怠速运行、部分负荷运行或全负荷运行。第二阀的控制可以依赖于加速踏板位置来进行。恰好在具有发动机角位置与再循环阀55的打开的机械耦合的实施方式中，第二阀52是有利的，因为在这种机械耦合中依赖于运行状态的控制在结构上只可以高耗费地实现。另一方面：恰好在通过所提及的传感器之一来识别发动机状态并且然后将(电)控制信号发送给再循环阀55的发动机控制系统中，可以简单地实现，将依赖于运行状态的控制一起集成到再循环阀控制中。于是不再需要第二阀52，因为这种另外的组合的阀承担了这一任务。

在不同的运行状态中以不同的方式使用排气再循环系统。首先，在冷启动时不期望(外部的)排气再循环或者在最初的周期中甚至无法实现排气再循环。在该状态中，第二阀52保持关闭。在凸轮轴与再循环阀55机械耦合的情况下不需要取消该耦合，而是再循环阀55可以继续一起运行。由于再循环阀与第二阀52串联连接，不发生排气再循环。

在发动机启动之后发生催化器加热。常规上在此通常在奥托发动机的情况下不期望排气再循环。但是恰好在点火角度往后调整非常多时NOx排放可能明显增大。在此，于是即使在低转速时发动机也以部分地轻微增压的方式运行，从而这是本发明的使用范围，以便降低NOx排放。

在低的部分负荷的负荷条件下且不依赖于转速的情况下，使用常规冷却的或未冷却的排气再循环，以便通过取消节流来降低燃料消耗并减小壁热损失。由于在此典型地在奥托发动机的情况下存在从排气系统20到新鲜空气系统41中的压降，在此常规的高压AGR也起作用，该高压AGR不依赖于发动机周期地被控制。但是根据本发明的排气再循环系统仍然是有利的，以便例如产生更高的再循环率和/或运行有针对性的曲线。相同的条件原则上在高的部分负荷和全负荷的情况下、在中等转速和高转速的情况下也适用。在后者的条件下优选外部的、冷却的AGR，以便通过改进爆震趋势、减小加润滑需求、以及减小壁热损失来改善燃料消耗。由于在此典型地存在从排气系统到新鲜空气系统中的压降，在此常规的高压AGR也起作用。附加的、根据本发明的再循环阀在此在打开特性方面被设计成使得实现期望的AGR率。

在大的部分负荷和全负荷的情况下，在低转速时期望常规上外部的、冷却的AGR，以便通过改进爆震趋势和减小壁热损失来改进燃料消耗。由于在此典型地不存在从排气系统20到新鲜空气系统41中的足够的压降，在此常规的高压AGR不起作用。根据本发明的附加的再循环阀55才可以实现这一点。发动机控制系统因此被配置成在再循环阀55中实现打开特性，从而实现期望的AGR率。

附图标记清单：

10 内燃发动机

20 排气系统

24 压力传感器

40 进气管，新鲜空气系统的一部分

41 新鲜空气系统

45 节流阀瓣

47 中冷器

50 排气再循环系统(高压)

52 第二阀，常规的再循环阀

55 再循环阀

60 排气涡轮增压器

Claims (12)

1.一种具有排气再循环系统(50)的内燃发动机(10)，该内燃发动机具有用于控制进入到新鲜空气系统(40，41)中的待循环的排气的量的再循环阀(55)和第二阀(52)，该第二阀同样被配置成用于确定进入到该新鲜空气系统(40，41)中的待循环的排气的量，

其特征在于，

该内燃发动机(10)被配置成用于依赖于多气缸内燃发动机(10)的单独的气缸的燃烧周期来操控该再循环阀(55)，其中，对于该第二阀(52)而言不提供依赖于燃烧周期的控制。

2.根据权利要求1所述的内燃发动机(10)，其特征在于，发动机控制系统被配置成用于依赖于凸轮轴位置和/或曲轴位置将该再循环阀(55)带到特定的位置中。

3.根据权利要求2所述的内燃发动机(10)，其特征在于，为将该再循环阀(55)带到所述位置中提供机械耦合元件。

4.根据权利要求1至3之一所述的内燃发动机(10)，其特征在于，该内燃发动机包括用于确定该内燃发动机(10)的周期状态的传感器，其中，该传感器是用于识别曲轴或凸轮轴的角位置的角度传感器，和/或该传感器是在该内燃发动机(10)的排气系统(20)中提供的传感器；

并且该发动机控制系统被配置成用于依赖于该传感器的测量值来操控该再循环阀(55)。

5.根据权利要求4所述的内燃发动机(10)，其特征在于，所述传感器压力传感器(24)。

6.根据权利要求1至3之一所述的内燃发动机(10)，其特征在于，该发动机控制系统被配置成用于依赖于该内燃发动机的特定的气缸的周期状态来实现该再循环阀(55)的阀打开并且为了该阀打开在该气缸的排气阀的阀打开之前提供了时间超前(v)。

7.根据权利要求1至3之一所述的内燃发动机(10)，其特征在于，该再循环阀(55)被配置成用于以a*n*x的频率来断开和闭合排气系统(20)与新鲜空气系统(40，41)的连接，其中，a为工作循环数，n为该内燃发动机的转速，并且x为该内燃发动机(10)的气缸的数量。

8.根据权利要求1至3之一所述的内燃发动机(10)，其特征在于，该内燃发动机包括高压排气再循环系统，其中，再循环气体的提取是在排气侧在流动方向上在涡轮增压器(60)之前进行的，并且在新鲜气体侧导入到燃烧气体系统中是在该涡轮增压器(60)之后和/或在安装在该涡轮增压器(60)下游的节流阀瓣(45)之后提供的。

9.根据权利要求3所述的内燃发动机(10)，其特征在于，所述机械耦合元件是凸轮轴的一个凸轮或多个凸轮。

10.一种用于控制内燃发动机的方法，其中，排气再循环系统包括再循环阀(55)，并且控制系统控制再循环阀(55)的位置并由此控制从排气系统(20)导引到新鲜空气系统(41)中的排气的量，其特征在于，

该控制系统包括该内燃发动机(10)的凸轮轴或曲轴与该再循环阀(55)的机械耦合，或者

该控制系统读出传感器的测量值、并且因此确定该内燃发动机的单独的气缸的燃烧阶段状态、并且依赖于该燃烧阶段状态将用于打开或关闭的信号发送给该再循环阀(55)。

11.一种用于控制内燃发动机的方法，其中，在排气系统(20)与新鲜空气系统(41)之间串联连接有再循环阀(55)和第二阀(52)，并且发动机控制系统基本上依赖于发动机温度和发动机负载条件来打开和/或关闭该第二阀(52)。

12.根据权利要求11所述的方法，其中发动机负载条件是加速踏板的位置。

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