CN109312643A - 四冲程内燃机及其相关方法 - Google Patents

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J·林迪瑞德
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Abstract

本文公开了一种四冲程内燃机(2)，其包括至少一个汽缸装置(4)、曲轴(20)、凸轮轴(25)、和涡轮机(8)。凸轮轴(25)与曲轴(20)同步以在与曲轴(20)相同的转速下旋转。联动件装置(40)构造成在凸轮轴(25)的每次交替旋转时防止阀头(30)的运动，使得排气开口(28)在活塞(10)的压缩冲程期间保持关闭。还公开了一种用于控制四冲程内燃机(2)的方法。

Description

四冲程内燃机及其相关方法
技术领域
本发明涉及一种四冲程内燃机。本发明还涉及一种用于控制四冲程内燃机的方法。根据另外的方面，本发明涉及一种用于执行用于控制四冲程内燃机的方法的计算机程序，以及一种用于执行用于控制四冲程内燃机的方法的计算机程序制品。
背景技术
四冲程内燃机ICE的活塞在ICE的汽缸中执行四个冲程，即进气冲程、压缩冲程、动力冲程、和排气冲程。传统的四冲程ICE具有相同的几何压缩比和膨胀比，即压缩冲程具有与膨胀冲程相同的长度。工作介质在压缩冲程期间从活塞的下止点BDC压缩到活塞的上止点TDC。在工作介质燃烧时，特定量的能量被添加到TDC周围。此后，工作介质在动力冲程期间膨胀。由于传统ICE的工作原理涉及相同的几何压缩比和膨胀比，因此当活塞到达BDC时，大量动力仍然残留在汽缸中。这是传统ICE的固有特征。在高负荷下残留在汽缸中的动力对应于制动动力的大约30％并且理论上可以在例如连接到汽缸的排气装置的涡轮机中提取。ICE的制动动力是ICE的输出轴/曲轴处的可用动力。
ICE的排气装置必须在活塞在动力冲程期间到达其BDC之前打开。否则，如果排气装置稍后(例如当活塞到达BDC时)打开，则来自汽缸内部的排气(工作介质)的内部压力将阻碍活塞在排气冲程期间朝向TDC的运动。因此，可用发动机动力将会降低。
排气装置在活塞在动力冲程期间到达BDC之前打开允许排气的一部分通过排气装置逸出，称为泄放。术语泄放也可以结合在活塞到达BDC之前和在活塞达到BDC之后通过排气装置逸出的排气使用，同时汽缸内部的压力超过排气装置下游的排气系统中的压力。
传统ICE的排气装置包括至少一个提升阀。提升阀是一种坚固耐用的解决方案，能够承受25MPa的汽缸压力和超过2000K的汽缸气体温度，同时保持气密性。然而，由凸轮轴控制的提升阀的缺点在于，当它开始打开时它处于静止状态，这导致提升阀的较慢的初始打开速度。因此，提升阀在泄放的至少初始部分期间节流通过排气装置的排气流出，这在不可逆过程中降低了排气中的可用能量。换言之，凸轮轴控制的提升阀由于在排气经过提升阀时对其进行节流而产生大百分比的不可逆压力损失。
如上所述，四冲程ICE可以包括涡轮机，用于利用排气压力来驱动涡轮机的涡轮机叶轮。从上面的讨论可以看出，排气从汽缸到涡轮机的低损失是有待解决的问题。
US4535592公开了一种内燃式涡轮复合发动机，其具有传统的可往复运动的活塞、汽缸、歧管、燃料氧气混合装置或燃料喷射器、点火装置或压缩点火器，并且结合有相应喷嘴构件的改进，用于将热的、轻度高压燃烧产物(排气)从相应汽缸输送到一个或多个涡轮机。喷嘴构件的进气端和排气端分别与相应燃烧室或汽缸的相应边界壁以及涡轮机的进气口连接。快速打开的喷嘴阀将排气从相应汽缸引入喷嘴构件。因此，提供了由发动机所利用的涡轮机对于排气的有效使用。
US6244257公开了一种内燃机，其具有发动机凸轮与发动机汽缸阀之间的电控液压联动件。液压流体从相关的液压联动件中选择性地释放，以允许发动机凸轮与相关发动机汽缸阀之间的空动(lost motion)。电控液压流体阀用于产生液压流体从液压联动件中的选择性释放。借助于液压联动件，可以修改发动机汽缸阀对凸轮凸起部的响应。借助于液压联动件可以省略用于打开进气阀的凸轮凸起部。发动机的操作模式可以例如从正动力模式改变为压缩释放发动机制动模式或反之亦然，或者可以进行更细微的改变以修改发动机汽缸阀打开的正时和/或程度以对于各种发动机或车辆操作条件(例如不同发动机或车辆速度)优化发动机性能。
US2007/0144467公开了一种内燃机的气门正时齿轮，其具有液压阀间隙调节元件。US5996550公开了一种用于优化内燃机的固定定时发动机制动系统的实用空动，其包括用于将运动从气门机构元件(诸如凸轮)传递到发动机气门的液压联动件。
US6244257、US2007/0144467和US5996550中公开的液压阀器件的目的是改进提升阀的打开和关闭过程。然而，它们都没有讨论提升阀打开缓慢的问题，或者泄放能量利用率低的问题。
发明内容
本发明的一目的是提供一种四冲程内燃机，其能够从排气中回收相对高百分比的可用能量。
根据本发明的一方面，该目的通过一种四冲程内燃机实现，该四冲程内燃机包括至少一个汽缸装置、曲轴、凸轮轴和涡轮机，其中
该至少一个汽缸装置形成燃烧室并包括汽缸孔、布置成在汽缸孔中往复运动的活塞、将活塞与曲轴连接的连接杆、以及用于将排气从汽缸孔流出到涡轮机的排气装置，其中
排气装置包括排气阀和排气开口，排气阀包括构造成抵靠着排气开口的阀座密封的阀头，其中
凸轮轴包括构造成引起阀头的运动以打开和关闭排气开口的凸起部，其中
排气管道从排气开口延伸到涡轮机的进气口，并且其中
排气装置包括构造成将由凸起部引起的阀头的运动改变的联动件装置。
凸轮轴与曲轴同步以在与曲轴相同的转速下旋转，其中
联动件装置构造成在凸轮轴的每次交替旋转时防止阀头的运动，使得排气开口在活塞的压缩冲程期间保持关闭。
由于联动件装置构造成在凸轮轴的每次交替旋转时防止阀头的运动，使得排气开口在活塞的压缩冲程期间保持关闭，因此可以使用与曲轴同步的被限定的凸轮轴以在与曲轴相同的转速下旋转，因此，与如凸轮轴在常见的四冲程内燃中发动机中所做的那样，当排气阀的凸轮轴以曲轴转速的一半旋转时相比，实现了排气阀的更快的打开速度。因此，与其中凸轮轴以曲轴转速的一半旋转的内燃机相比，排气在打开排气阀的初始阶段期间受到较少的节流。
大部分的泄放能量从而被传递到涡轮机。也就是说，由泄放产生的排气的初始爆发以不受限制的方式经过排气开口并且可以在涡轮机中被利用。
更具体地，与结合其中凸轮轴以曲轴转速的一半旋转的ICE可以做到的相比，在动力冲程结束时和排气冲程开始时，汽缸中存在的排气将可用于以低得多的不可逆损失提取其中的剩余能量。因此，在根据本发明的ICE中，当活塞围绕BDC时，可以改善能量从布置在排气装置下游的涡轮机中的排气中的回收。排气从汽缸到涡轮机的有效传递通过快速打开的排气阀来实现，这显著降低了通常在其中凸轮轴以曲轴转速的一半旋转的ICE的排气阀上发生的不可逆的节流损失。
因此，本发明提供了对于膨胀冲程结束时汽缸中可用的能量的增加的利用。与具有以曲轴转速的一半旋转的凸轮轴的ICE相比，本发明提供了增加来自排气的能量回收的可能性，否则该能量会在跨过排气阀的不可逆节流过程中被浪费。
这种增加的回收能量可以用于：
-增加从涡轮机传递到离心式压缩机的功，以便在感应期间改善正泵送功，即增加的开环效率OCE，或增加相对空气/燃料比λ，即增加的闭环效率CCE。
-驱动特定涡轮机，其将动力传送到接附到涡轮机的轴杆的电动机/发电机单元MGU，或传送到ICE的曲轴(即涡轮复合)，或者传送到例如相关车辆的辅助器件。
利用增加的回收能量的许多上述替代方案可以同时使用，例如涡轮增压与涡轮复合(电气或机械)的组合，通过使用涡轮机来实施。此外，排气冲程期间的负活塞泵送功将被消除或至少显著降低，导致增加的OCE。总之，与其中排气阀的凸轮轴以曲轴的一半速度旋转的ICE相比，本发明将导致制动热效率BTE增加。
由于阀的正时是必要的，因此凸轮轴必须例如以曲轴的一半转速、相同转速、两倍转速等与曲轴同步旋转。发明人已经认识到，以与曲轴相同的转速旋转的凸轮轴提供了阀的快速打开，同时仍然可以利用由相应适配的凸起部控制的阀的打开和关闭的正时。阀的打开速度V可以被表示为V＝ω×r，其中ω是凸轮轴的角速度，r是阀与凸轮轴的凸起部之间的接触点和当凸起部未提升阀时阀与凸轮轴之间的中性触点之间的距离。发明人现在已经增加了角速度ω，而不是增加距离r(这本来是直观的选择)。凸轮轴的甚至更高的转速在物理上是不可能的，因为如果凸起部要在阀将被保持打开接近180度CA(曲轴角度)或超过180度CA的情况下控制阀的打开和关闭，则需要凸起部具有超过凸轮轴上的可用周向空间的周向长度。
此外，发明人已经认识到，包括联动件装置的阀装置可以用于在凸轮轴的每次交替转动时中和排气阀的运动，否则排气阀的该运动将会在压缩行程期间由凸起部引起。因此，可以利用快速旋转的凸轮轴，这增加了阀的打开速度。
四冲程ICE可以包括一个以上的汽缸装置，每个汽缸装置形成燃烧室并包括汽缸孔、布置成在汽缸孔中往复运动的活塞、将活塞与曲轴连接的连接杆、以及用于将排气从汽缸孔流出到涡轮机的排气装置。四冲程ICE可以包括一个以上的涡轮机(例如两个涡轮机)，或对于ICE的每个汽缸装置具有一个涡轮机。在两个涡轮机的情况下，多个汽缸装置的排气装置连接到一个涡轮机，并且其余汽缸装置的排气装置可以连接到另一个涡轮机。涡轮机可以例如形成涡轮增压器的一部分，ICE可以是涡轮复合发动机，涡轮机可以经由曲轴连接到该涡轮复合发动机，或者涡轮机可以驱动发电机。
燃烧室布置在汽缸装置内部，在活塞上方。在活塞的进气冲程期间，进气通过汽缸装置的进气装置进入燃烧室。进气可以通过涡轮增压器压缩。内燃机可以是例如压缩点火(CI)发动机(诸如柴油型发动机)，或火花点火发动机(诸如奥托型发动机)，并且在后一种情况下包括汽缸装置中的火花塞或类似器件。燃料可以在活塞的压缩冲程或进气冲程的一部分期间被喷射到燃烧室中，或者可以利用进气夹带。燃料可以在活塞的压缩冲程与动力冲程之间的TDC附近点燃。凸轮轴与曲轴同步以在与曲轴相同的转速下旋转意味着凸轮轴和曲轴具有相同的角速度ω。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于控制四冲程内燃机的方法，四冲程内燃机包括至少一个汽缸装置、曲轴、凸轮轴、和涡轮机，其中该至少一个汽缸装置形成燃烧室并包括汽缸孔、布置成在汽缸孔中往复运动的活塞、将活塞与曲轴连接的连接杆、以及用于将气体从汽缸孔流出到涡轮机的排气装置，其中排气装置包括排气阀和排气开口，排气阀包括构造成抵靠着排气开口的阀座密封的阀头，其中凸轮轴包括构造成引起阀头的运动以打开和关闭排气开口的凸起部，其中排气管道从排气开口延伸到涡轮机的进气口，其中排气装置包括构造成将由凸起部引起的阀头的运动改变的联动件装置。该方法包括以下步骤：
-将凸轮轴以与曲轴相同的转速旋转，以及
-借助于联动件装置在凸轮轴的每次交替旋转时防止阀头的运动，使得排气开口在活塞的压缩冲程期间保持关闭。
当研究所附权利要求和以下具体实施方式时，本发明的其它特征和优点将变得显而易见。
附图说明
从以下具体实施方式和附图中讨论的示例性实施方式将会容易地理解本发明的各个方面，包括其具体特征和优点，其中：
图1示意性地示出了根据各实施方式的四冲程内燃机，
图2示意性地示出了图1的四冲程内燃机的一个汽缸装置，
图3和4示意性地示出了包括液压联动件的联动件装置的实施方式，
图5示出了包括机械联动件的联动件装置的实施方式，
图6和7示出了替代实施方式，其中一个以上的汽缸装置连接到涡轮机，
图8示出了用于控制四冲程内燃机的方法，以及
图9示出了涡轮增压器的涡轮机图的实施例。
具体实施方式
现在将更全面地描述本发明的各方面。相同的数字始终指代相同的元件。为了简洁和/或清楚起见，不一定会详细描述众所周知的功能或结构。
图1示意性地示出了根据各实施方式的四冲程内燃机(ICE)2。ICE 2包括至少一个汽缸装置4、排气管道6、和至少一个涡轮机8。图1还示出了包括根据本文公开的任何一个方面和/或实施方式的四冲程内燃机(2)的车辆1。车辆(1)可以是例如重型车辆，诸如卡车或公交车。
该至少一个汽缸装置4包括活塞10、汽缸孔12、排气装置14、进气装置16、和燃料喷射装置18和/或点火器件。活塞10布置成在汽缸孔12中往复运动。在图1中，活塞10在其下止点BDC处以连续线示出，并且在其上止点TDC处以虚线示出。汽缸装置4具有在活塞10的BDC与燃烧室23的上部内侧界定表面24之间的最大容积VMAX。燃烧室23在汽缸装置4内部形成在活塞10上方。连接杆22将活塞10与ICE 2的曲轴20连接。
汽缸装置4具有汽缸孔12中在BDC与TDC之间的总扫气体积VS。汽缸装置4具有压缩比ε。VMAX可以被表示为：
VMAX＝VS×(ε/(ε-1))
如下面参照图2所讨论的，排气装置14包括排气阀和排气开口。排气装置14布置成用于将排气从汽缸孔12流出到涡轮机8。排气装置14构造成在活塞往复运动的排气程序期间打开和关闭排气开口的排气流动面积ACYL。排气程序可以在动力冲程期间在活塞10到达其BDC之前开始，并且在排气冲程与进气冲程之间围绕活塞的TDC结束。
图2示意性地示出了图1的ICE 2的至少一个汽缸装置4。具体地，排气装置14被更详细地示出。排气装置14包括排气阀26和排气开口28。当排气阀26打开时，排气从燃烧室23通过排气开口28逸出。排气管道6从排气开口28延伸到涡轮机8的进气口29。排气阀26包括构造成抵靠着围绕排气开口28延伸的阀座32密封的阀头30。阀座32可以配置在汽缸装置4中，例如在燃烧室23的上部内侧界定表面24处。
ICE 2包括凸轮轴25，用于控制排气阀26的运动，以及排气阀26的打开和关闭。即，凸轮轴25包括构造成引起阀头30的运动以打开和关闭排气开口28的凸起部34。换言之，凸起部34将输入提供给阀头30，即凸起部34形成凸轮，其后面是排气阀30的端部部分36。凸起部34偏心地布置在凸轮轴上。排气阀26的端部部分36抵靠凸起部34。在凸轮轴25旋转时，排气阀26的端部部分36跟随凸起部34，引起阀头30的运动。如本领域中已知的，排气阀26例如可以借助于弹簧朝向其关闭位置偏置。
排气装置14包括构造成将由凸起部34引起的阀头30的运动改变的联动件装置40。
凸轮轴25与曲轴20同步以在与曲轴20相同的转速下旋转，即凸轮轴25具有与曲轴20相同的角速度ω。联动件装置40构造成在凸轮轴25的每次交替旋转时防止阀头30的运动，使得排气开口28在活塞10的压缩冲程期间保持关闭。
进气装置16可以包括进气阀42，该进气阀的运动由以曲轴20的角速度的一半ω/2旋转的凸轮轴44控制。
根据各实施方式，凸起部34可具有0.5mm/度CA的最大陡峭度。以这种方式，可以提供给阀头30的合适输入，同时可以将排气阀26与凸起部34之间的接触力维持在可控制的范围内。
根据各实施方式，当四冲程内燃机(2)以800-1500rpm范围内的转速运行时，阀头30的运动可以具有在3-5m/s范围内的最大纵向打开速度。以这种方式，可以提供阀头30的适当高的打开速度。纵向打开速度是阀沿其纵向延伸的速度，通常基本上垂直于阀头30和阀座32延伸。
根据各实施方式，阀头30的运动可以引起在0.75-1.25m2/s范围内的排气开口28的最大面积打开速度。以这种方式，可以提供排气阀26的快速打开，并且可以实现从布置在排气装置下游的涡轮机中的排气中有效回收能量。
回到图1，涡轮机8具有进气口29并包括涡轮机叶轮27。涡轮机8的进气口29具有涡轮机进气面积ATIN，其中至少一个汽缸装置4形成燃烧室23。汽缸装置4具有活塞10的下止点BDC与燃烧室23的上部内侧界定表面24之间的最大容积VMAX。排气管道6可以具有小于等于最大容积VMAX的0.5倍的排气管道容积VEXH。
涡轮机叶轮进气面积ATIN配置在涡轮机的壳体的开口处，排气在该开口处进入涡轮机叶轮27。涡轮机叶轮进气面积ATIN可以适当地是涡轮机8的喷嘴喉部面积。喷嘴喉部面积也可以称为涡轮机外壳喉部面积、涡轮机外壳关键面积或类似物，并且通常可指定用于特定涡轮机。在没有为特定涡轮机指定喷嘴喉部和/或未指定喷嘴喉部面积的位置的情况下，涡轮机叶轮进气面积ATIN垂直于排气的流动方向延伸。在涡轮机的这样的实施方式中(诸如在双涡旋涡轮增压器中)，其中排气管道沿涡轮机叶轮的一部分(例如在蜗壳中)延伸，将涡轮机叶轮进气面积ATIN限定在排气管道的这样的区段处，其中涡轮机叶轮首先暴露于从相关汽缸装置发出的排气。
排气管道6将排气装置14与涡轮机8连接。排气管道6具有排气管道容积VEXH。在图1中，排气管道容积VEXH示出为方框。实际上，排气管道6在排气流动面积ACYL与涡轮机叶轮进气面积ATIN之间延伸。因此，排气管道容积VEXH由排气流动面积ACYL与涡轮机叶轮进气面积ATIN之间的排气管道容积形成。在这些实施方式中，排气管道6仅将排气开口28与涡轮机8的进气口29流体连接。也就是说，排气管道6形成在排气流动面积ACYL与涡轮机叶轮进气面积ATIN之间延伸的单独管道。单独的导管没有任何其它用于排气的进气口或排气口。因此，涡轮机叶轮进气面积ATIN是涡轮机8的专用进气面积，用于经由排气管道6与其连接的具体排气流动面积ACYL。
如上所述，排气管道容积VEXH可以小于等于最大容积VMAX的0.5倍，即VEXH≤0.5×VMAX。以这种方式，可以在涡轮机8中有效地利用排气的泄放能量。
根据一些实施方式，排气装置14可以构造成当活塞10处于BDC时，使排气流动面积ACYL暴露的尺寸为最大容积VMAX的至少0.22倍，即ACYL≥0.22×VMAX。因此，当活塞10处于BDC时，可以满足标准：ACYL/VMAX≥0.22m-1。这样的标准可以进一步改善从汽缸装置到涡轮机8的泄放能量的有效传递。
涡轮机8的涡轮机叶轮27可以连接到涡轮(未示出)，用于将进气压缩和输送到进气装置16。根据一些实施方式，涡轮机叶轮27可以是轴向涡轮机叶轮。包括轴向涡轮机叶轮的涡轮机8可以提供本文所述的低背压。然而，根据替代实施方式，涡轮机叶轮可以是径向涡轮机叶轮，其也可以提供本文所述的低背压。
根据一些实施方式，汽缸装置4可以具有在汽缸孔12中在活塞10的下止点BDC与上止点TDC之间的总扫气体积VS，其中0.3<VS<4升。纯粹作为实施例提及，在较低的VS范围中，汽缸装置4可以形成用于轿车的内燃机的一部分，并且在中间和更高的VS范围中，汽缸装置4可以形成用于重载车辆(诸如卡车、公交车或施工车辆)的内燃机的一部分。同样在更高的VS范围中，汽缸装置4可以形成用于例如发电机组(genset)、用于船舶使用、或用于铁路(火车)使用的内燃机的一部分。
图6和7示出了替代实施方式，其中一个以上的汽缸装置可以连接到涡轮机8。图6示出了这样的实施方式，其中两个汽缸装置4经由一个涡轮机叶轮进气面积ATIN连接到涡轮机8，即两个汽缸装置4共享同一个涡轮机轮进气面积ATIN。因此，来自两个汽缸装置4的排气开口装置14的排气管道分支6’，6”连接以形成通向涡轮机8和涡轮机叶轮进气面积ATIN的共用排气管道6。由于在排气从汽缸装置4中的一个流动到涡轮机叶轮进气面积ATIN时存在两个排气管道分支6’，6”之间的一定程度的交叉流动，因此如上所述的标准：VEXH≤0.5×VMAX可能对集合的排气管道容积VEXH有效。图7示出了这样的实施方式，其中两个汽缸装置4经由两个单独的排气管道6连接到涡轮机8，每个排气管道通向一个涡轮机叶轮进气面积ATIN。涡轮机叶轮进气面积ATIN彼此相邻定位，使得它们可以被认为在涡轮机8的一个位置处连接到涡轮机8。两个涡轮机叶轮进气面积ATIN之间的交叉流动是可忽略的。因此，对于每个排气管道6，上述标准：VEXH≤0.5×VMAX可能是有效的。
通常，进出排气管道6的连接件的容积在这种连接件的截面面积低于极限值的情况下不被认为形成排气管道容积VEXH的一部分。根据各实施方式，排气管道容积VEXH可以排除经由具有小于等于最大容积VMAX的0.022倍的最小连接截面面积，即ACON≤0.022×VMAX的连接件而连接到排气管道的所有容积。利用这样小的截面面积ACON，任何通过连接件的排气的交叉流动都是可忽略的。在图7中，已经指出了具有最小连接截面面积ACON的两个示例性连接件7。纯粹作为实施例提及，这种连接件7可以形成排气再循环(EGR)系统的一部分，或者可以连接到传感器等。
对于特定的涡轮机，涡轮机测试结果绘制在涡轮机图中。基于这种涡轮机图，可以为具体的四冲程内燃机选择合适的涡轮机。在一种类型的涡轮机图中，可以相对于涡轮机上的校正的流量和压力比率绘制多个涡轮机速度线。这种涡轮速度线可以代表例如所谓的降低的涡轮机转速RPMRED。校正的流量可以例如由降低的质量流量m’RED表示。SAE J1826和SAE J922标准涉及涡轮增压器的测试程序、命名和术语，并且通过引用并入本文，以获得与涡轮增压器相关的涡轮机图和参数的进一步细节。
m’RED＝m’×(T)1/2/P，
其中m’是通过涡轮机叶轮的实际质量流量，T是涡轮机叶轮之前的排气温度，P是涡轮机叶轮之前的排气压力。在图9中，示出了涡轮机(诸如涡轮增压器)的涡轮机图的示意性实施例。
对于相关的涡轮机，标准化的有效流动面积γ可以定义为γ＝ATURB/VMAX。因此，涡轮机叶轮进气面积ATIN可以相对于汽缸装置的最大容积VMAX限定。也就是说，
ATURB＝(ATIN/ATOT)×m’RED×(R/(κ(2/(κ+1)X)))1/2，
其中X＝(κ+1)/(κ-1)。如上所述，ATIN是连接到汽缸装置的排气流动面积ACYL的涡轮机叶轮进气面积。涡轮机可以具有一个以上的进气面积。因此，ATOT是涡轮机的总进气面积，即ATIN和任何额外的涡轮机叶轮进气面积ATINX等(ATOT＝ATIN+ATINX+......)。R是特定的气体常数。R的示例值可以是287。κ＝Cp/Cv，其中Cp是排气在恒定压力下的比热容，Cv是排气在恒定体积下的比热容。κ的示例值在293K的温度下可以是1.4。
ATURB可以是在涡轮机的进气侧与排气侧之间的2.5-3.5的压力比率下并且在涡轮机叶轮的例如450m/s的叶尖速度下、在涡轮机的降低的质量流量m’RED下获得的。用于具体涡轮机的ATURB可以例如通过从用于与相关压力比率下的相关叶尖速度相对应的涡轮机速度的相关涡轮机图中提取并且利用用于涡轮机及其操作条件的相关数据计算ATURB来获得。此后，可以计算γ。根据本文的各实施方式γ>0.22m-1。
根据一些实施方式，涡轮机8具有标准化的有效流动面积γ，其被定义为γ＝ATURB/VMAX，其中γ>0.22m-1，其中ATURB＝(ATIN/ATOT)×m’RED×(R/(κ/2/(κ+1)X)))1/2，其中X＝(κ+1)/(κ-1)，其中ATOT是涡轮机8的总进气面积，并且其中ATURB是在涡轮机8的进气侧与排气侧之间的2.5-3.5的压力比率下并且在涡轮机叶轮的450m/s的叶尖速度下、在涡轮机8的降低的质量流量m’RED下获得的。
在这种涡轮机8中，可以利用从快速打开的排气开口有效地传递泄放能量。因此，在排气从汽缸装置传递到涡轮机时可以提供低的压降，并且在排气在涡轮机8的涡轮机叶轮上膨胀时泄放能量可以转换成有用功。
图3示意性地示出了联动件装置40的实施方式，该联动件装置包括布置在凸轮轴25与阀头30之间的液压联动件46。液压联动件46在第一模式中构造成将凸起部34的输入传递到阀头30以引起阀头30的运动。液压联动件46在第二模式中构造成防止阀头30的运动。由于液压系统很好地发展并且在液压领域中已知许多结构元件，因此液压联动件46为响应和可控制的联动件装置40提供基础。
液压联动件46包括形成排气阀26的阀杆的一部分的液压缸48。在凸轮轴25以与ICE的曲轴相同的速度旋转时，液压缸48交替地填充并且至少部分地排空液压液体。入口阀50和出口阀52由控制器54控制，使得液压缸48在活塞10的排气冲程之前或期间充满液压液体。因此，液压联动件46处于第一模式。此外，入口阀50和出口阀52由控制器54控制，使得液压缸48在活塞10的压缩冲程之前或期间填充有液压液体。因此，液压联动件46处于第二模式。泵56可以对液压液体加压，使得当入口阀50打开时，液压缸48填充有液压液体。可以提供用于液压液体的罐58。
液压液体可以是液压油。ICE的燃料可以替代地用作用于液压联动件46的液压液体。其它液压液体可以用作另一替代方案。
图4示意性地示出了联动件装置40的可选实施方式，其包括布置在凸轮轴25与阀头30之间的液压联动件46。这些实施方式在很大程度上类似于图3的实施方式。两个实施方式之间的主要差异将在下文中讨论。同样，液压联动件46在第一模式中构造成将凸起部34的输入传递到阀头30以引起阀头30的运动。液压联动件46在第二模式中构造成防止阀头30的运动。
液压联动件46包括连接到排气阀26的阀杆的液压缸48。液压缸48包括第一活塞70和第二活塞72。第一活塞70抵靠凸轮轴25的凸起部34。活塞72连接到排气阀26。同样，液压缸48交替地填充和排空液压液体，使得液压缸48在第一模式中填充有液压液体，并且在第二模式中至少部分地排空液压液体。
因此，在第一模式中，由凸起部34引起的第一活塞70的运动被传递到第二活塞72，并且在第二模式中，第一活塞70不影响第二活塞72。
根据各实施方式，液压联动件46包括连接到曲轴25的第一活塞70和连接到阀头30的第二活塞72，并且其中第一活塞70具有比第二活塞72更大的面积。也就是说，第一活塞70在液压缸48内部具有比第二活塞72更大的面积。因此，在液压缸48中实现液压传动。第二活塞72将会比第一活塞70行进更长的距离，与第一和第二活塞70，72之间的面积差异成比例。同样，第二活塞72的速度并且因此阀头30的打开速度将会成比例地大于由凸起部34在第一模式中引起的第一活塞70的运动速度。因此，排气开口28的打开速度可以增加到高于由1:1传动装置达到的打开速度。
在认为不需要传动装置的替代实施方式中，第一和第二活塞70，72可以在液压缸48内部具有相同的面积。
可以可选地利用现有技术(诸如来自US6244257、US2007/0144467或US5996550)中已知的各种其它液压联动件在凸轮轴25的每次交替旋转时防止阀头30的运动，使得排气开口28在活塞10的压缩冲程期间保持关闭。这种液压联动件的控制以及这种液压联动件的行程长度仅仅必须适于确保排气阀在压缩冲程期间保持关闭。
图5示出了联动件装置40的实施方式，其包括布置在凸轮轴25与阀头30之间的机械联动件60。机械联动件60在第一模式中可以构造成将凸起部34的输入传递到阀头30。机械联动件60在第二模式中可以构造成防止阀头30的运动。以这种方式，可以提供液压联动件的替代方案。
排气阀26连接到杠杆62(诸如摇杆62)的第一端部部分63。摇杆62通过凸轮轴25及其凸起部34围绕枢转轴线64前后枢转。因此，排气阀26向上和向下移动。同样，排气阀26可以朝向其关闭位置偏置。
由于凸轮轴25以与ICE 2的曲轴相同的转速旋转，因此通过机械联动件60消除了排气阀26的每次交替向下运动。为此，排气阀26的阀杆在杠杆62的第二端部部分65处可滑动地布置在摇杆62中，并且机械联动件60包括从排气阀26的阀杆延伸的销66、阻挡构件68、和致动器70。当阻挡构件68定位在销66与摇杆62之间时，如图5所示，摇杆62的左手侧的向下运动被传递到排气阀26，该排气阀因此将会跟随摇杆62的向下运动并且打开排气开口28。凸轮轴25的每次交替旋转，即在活塞10的压缩冲程期间，阻挡构件68通过致动器70远离销66移动。因此，在摇杆62的左手侧的向下运动期间，排气阀26的阀杆在摇杆62内滑动，因此排气开口28保持关闭。控制器54控制致动器70以在凸轮轴25每次交替旋转时使阻挡构件68移入和移出销66与摇杆62之间的接合。
根据各实施方式，机械联动件60包括在第一端部部分63处连接到凸轮轴25并且在第二端部部分65处连接到阀头30的杠杆62，并且其中杠杆62围绕布置成使得第二端部部分65具有比第一端部部分63更高的行进速度的轴64’枢转。因此，可以实现机械传动，其将排气开口28的打开速度增加到高于由1:1传动装置实现的打开速度。如图5所示，轴64’朝向第一端部部分63从杠杆62的第一与第二端部63，65之间的中点偏移。行进速度可以是例如杠杆62的角速度，或者例如排气阀26的纵向速度。
可选的机械联动件可以利用两个可围绕枢转轴线枢转的平行臂操作。各臂中的一个臂固定到与枢转轴线同心的枢转轴并且抵靠凸轮轴的凸起部。另一个臂可围绕枢转轴线自由枢转并连接到排气阀，并将臂的向下运动传递到排气阀。根据本发明的各实施方式操作，在凸轮轴的每次交替旋转时，两个臂例如借助于延伸穿过两个臂的销彼此锁定，这将会引起凸轮轴的凸起部打开排气阀，并且在每隔一次旋转时，两个臂彼此不锁定，这将会引起抵靠凸起部的臂仅仅围绕枢转轴线枢转而不影响排气阀。这种机械联动件类似于的VtechTM技术。
根据一些实施方式，凸轮轴25可以是顶置凸轮轴25，如图2-4所示。
图8示出了用于控制四冲程内燃机ICE的方法100。ICE可以是根据本文讨论的任何方面和/或实施方式的ICE。
方法100包括以下步骤：
-将凸轮轴以与曲轴相同的转速旋转102，以及
-借助于联动件装置在凸轮轴每次交替旋转时防止104阀头的运动，使得排气开口在活塞的压缩冲程期间保持关闭。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于执行用于控制四冲程内燃机的方法的计算机程序，其中计算机程序包括计算机可读代码，该计算机可读代码配置为引起四冲程内燃机的控制单元的中央处理单元执行根据本文公开的方面和/或实施方式的方法。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于执行用于控制四冲程内燃机的方法的计算机程序制品，其中计算机程序制品包括计算机可读代码，该计算机可读代码配置为引起四冲程内燃机的控制单元的中央处理单元执行根据本文公开的方面和/或实施方式的方法。
应当理解，前述内容是对各种示例实施方式的说明，并且本发明仅由所附权利要求限定。本领域技术人员将会认识到，可以修改示例实施方式，并且可以组合示例实施方式的不同特征以创建除了本文描述的实施方式之外的实施方式，而不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围。例如排气装置可以包括根据本发明控制的一个以上的排气阀，例如两个排气阀。联动件装置40可以包括液压联动件46和机械联动件60两者。

Claims (15)

1.一种四冲程内燃机(2)，包括至少一个汽缸装置(4)、曲轴(20)、凸轮轴(25)、和涡轮机(8)，其中
所述至少一个汽缸装置(4)形成燃烧室(23)并包括汽缸孔(12)、布置成在汽缸孔(12)中往复运动的活塞(10)、将活塞(10)与曲轴(20)连接的连接杆、以及用于将排气从汽缸孔(12)流出到涡轮机(8)的排气装置(14)，其中
排气装置(14)包括排气阀(26)和排气开口(28)，排气阀(26)包括构造成抵靠着排气开口(28)的阀座(32)密封的阀头(30)，其中
凸轮轴(25)包括构造成引起阀头(30)的运动以打开和关闭排气开口(28)的凸起部(34)，其中
排气管道(6)从排气开口(28)延伸到涡轮机(8)的进气口，并且其中
排气装置(14)包括构造成将由凸起部(34)引起的阀头(30)的运动改变的联动件装置(40)，
其特征在于
凸轮轴(25)与曲轴(20)同步以在与曲轴(20)相同的转速下旋转，其中
联动件装置(40)构造成在凸轮轴(25)的每次交替旋转时防止阀头(30)的运动，使得排气开口(28)在活塞(10)的压缩冲程期间保持关闭。
2.根据在前权利要求中任一项所述的四冲程内燃机(2)，其中凸起部(34)的最大陡峭度为0.5mm/度CA。
3.根据在前权利要求中任一项所述的四冲程内燃机(2)，其中当四冲程内燃机(2)以800-1500rpm范围内的转速运行时，阀头(30)的运动具有在3-5m/s范围内的最大纵向打开速度。
4.根据在前权利要求中任一项所述的四冲程内燃机(2)，其中阀头(30)的运动引起在0.75-1.25m2/s范围内的排气开口(28)的最大面积打开速度。
5.根据在前权利要求中任一项所述的四冲程内燃机(2)，其中涡轮机(8)的进气口(29)具有涡轮机进气面积ATIN，其中
所述至少一个汽缸装置(4)形成燃烧室(23)，其中
汽缸装置(4)具有在活塞(10)的下止点BDC与燃烧室(23)的上部内侧界定表面(24)之间的最大容积VMAX，并且其中
排气管道(6)具有小于等于最大容积VMAX的0.5倍的排气管道容积VEXH。
6.根据权利要求5所述的四冲程内燃机(2)，其中排气管道容积VEXH排除经由具有小于等于最大容积VMAX的0.022倍的最小连接截面面积的连接件(7)而连接到排气管道(6)的所有容积。
7.根据权利要求5或6所述的四冲程内燃机(2)，其中排气管道(6)仅将排气开口(28)与涡轮机(8)的进气口(29)流体连接。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的四冲程内燃机(2)，其中涡轮机(8)具有标准化的有效流动面积γ，其被定义为γ＝ATURB/VMAX，其中γ>0.22m-1，其中ATURB＝(ATIN/ATOT)×m’RED×(R/(κ/2/(κ+1)X)))1/2，其中X＝(κ+1)/(κ-1)，其中ATOT是涡轮机(8)的总进气面积，并且其中ATURB是在涡轮机(8)的进气侧与排气侧之间的2.5-3.5的压力比率下并且在涡轮机叶轮(27)的450m/s的叶尖速度下、在涡轮机(8)的降低的质量流量m’RED下获得的。
9.根据在前权利要求中任一项所述的四冲程内燃机(2)，其中汽缸装置(4)具有在汽缸孔(12)中在活塞(10)的下止点BDC与上止点TDC之间的总扫气体积VS，并且其中0.3<VS<4升。
10.根据在前权利要求中任一项所述的四冲程内燃机(2)，其中联动件装置(40)包括布置在凸轮轴(25)与阀头(30)之间的液压联动件(46)，其中液压联动件(46)在第一模式中构造成将凸起部(34)的输入传递到阀头(30)以引起阀头(30)的运动，并且其中液压联动件(46)在第二模式中构造成防止阀头(30)的运动。
11.根据权利要求10所述的四冲程内燃机(2)，其中液压联动件(46)包括连接到凸轮轴(25)的第一活塞(70)和连接到阀头(30)的第二活塞(72)，并且其中第一活塞(70)具有比第二活塞(72)更大的面积。
12.根据权利要求1至10中任一项所述的四冲程内燃机(2)，其中联动件装置(40)包括布置在凸轮轴(25)与阀头(30)之间的机械联动件(60)，其中机械联动件(60)在第一模式中构造成将凸起部(34)的输入传递到阀头(30)以引起阀头(30)的运动，并且其中机械联动件(60)在第二模式中构造成防止阀头(30)的运动。
13.根据权利要求11所述的四冲程内燃机(2)，其中机械联动件(60)包括在第一端部部分(63)处连接到凸轮轴(25)并且在第二端部部分(65)处连接到阀头(30)的杠杆(62)，并且其中杠杆(62)围绕轴线(64’)枢转，所述轴线布置成使得第二端部部分(65)具有比第一端部部分(63)更高的行进速度。
14.一种车辆(1)，包括根据在前权利要求中任一项所述的四冲程内燃机(2)。
15.一种用于控制四冲程内燃机(2)的方法，四冲程内燃机(2)包括至少一个汽缸装置(4)、曲轴(20)、凸轮轴(25)、和涡轮机(8)，其中所述至少一个汽缸装置(4)形成燃烧室(23)并包括汽缸孔(12)、布置成在汽缸孔(12)中往复运动的活塞(10)、将活塞(10)与曲轴(20)连接的连杆、以及用于将排气从汽缸孔(12)流出到涡轮机(8)的排气装置(14)，其中排气装置(14)包括排气阀(26)和排气开口(28)，排气阀(26)包括构造成抵靠着排气开口(28)的阀座(32)密封的阀头(30)，其中凸轮轴(25)包括构造成引起阀头(30)的运动以打开和关闭排气开口(28)的凸起部(34)，其中排气管(6)从排气开口(28)延伸到涡轮机(8)的进气口，其中排气装置(14)包括构造成将由凸起部(34)引起的阀头(30)的运动改变的联动件装置(40)，并且其中该方法包括以下步骤：
-将凸轮轴(25)以与曲轴(20)相同的转速旋转，以及
-借助于联动件装置在凸轮轴(25)的每次交替旋转时防止阀头(30)的运动，使得排气开口(28)在活塞(10)的压缩冲程期间保持关闭。
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