CN110857659A - 用于对四冲程内燃发动机进行去节流的方法 - Google Patents

用于对四冲程内燃发动机进行去节流的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于对四冲程内燃发动机进行去节流的方法。一种用于对包括至少一个气缸的四冲程内燃发动机进行去节流的方法，其中，‑工作循环包括四个连续冲程，即进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程，‑每个气缸具有至少一个出口开口和至少一个入口开口，‑具有阀驱动装置的气缸的每个入口开口和每个出口开口装配有阀，所述阀关闭或打开相关的开口，并且‑第一气缸组的每个气缸装配有可切换阀，其中，停用的阀关闭相关的开口，其中，为了对内燃发动机进行去节流的目的，所述第一气缸组的至少一个气缸的工作循环增加偶数数量的附加冲程，所述偶数数量的附加冲程包括至少一个附加压缩冲程和至少一个附加膨胀冲程，其中‑附加压缩冲程紧随之前的膨胀冲程并且附加膨胀冲程紧随附加压缩冲程，‑除了最后一个附加冲程之外，在所述附加冲程期间所述阀被停用，或者所述至少一个出口开口的所述至少一个阀被停用，或者所述至少一个出口开口的所述至少一个阀被停用。

Description

用于对四冲程内燃发动机进行去节流的方法
技术领域
本发明涉及用于对四冲程内燃发动机进行去节流(dethrottling)的方法，该四冲程内燃发动机包括至少一个气缸，其中：
-工作循环包括四个连续冲程，即进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程，
-每个气缸具有用于通过排气排出系统排出排气的至少一个出口开口和用于通过进气系统供应燃烧空气的至少一个入口开口，
-具有阀驱动装置的气缸的每个入口开口和每个出口开口装配有阀，该阀关闭或打开相关的开口，并且
-第一气缸组的每个气缸装配有可切换阀，其中，停用的阀关闭相关的开口，并且启动的阀在打开位置和关闭位置之间移动，从而产生阀冲程Δhmax，并且从而在打开持续时间Δtmax期间打开相关的开口。
例如，所述类型的内燃发动机用于驱动机动车辆。在本发明的框架内，术语内燃发动机指的是柴油发动机和汽油发动机，但也指混合动力内燃发动机(即，使用混合燃烧方法操作的内燃发动机)以及混合动力驱动装置，除内燃发动机外，混合动力驱动装置还包括至少一个另外的扭矩源以驱动机动车辆，例如可驱动连接或驱动连接到内燃发动机并代替内燃发动机或除内燃发动机之外提供动力的电机。
内燃发动机具有气缸体和至少一个气缸盖，所述气缸体和所述至少一个气缸盖彼此连接以形成各个气缸。
背景技术
现代内燃发动机几乎仅仅根据包括四个冲程的工作过程操作。在负载变化的框架内，通过气缸的至少一个出口开口排出燃烧气体并通过至少一个入口开口进行燃烧空气的填充。为了控制负载变化，内燃发动机需要控制构件和致动元件来致动这些控制构件。为了控制负载变化，在四冲程发动机的情况下，提升阀几乎仅仅用作控制构件，其在内燃发动机的操作期间执行振动提升运动并且以这种方式打开入口开口或关闭出口开口。阀运动所需的阀致动机构(包括阀本身)被称为阀驱动装置。所述至少一个气缸盖通常用于接收该阀驱动装置。
阀驱动装置的功能是在合适的时间打开气缸的相关的入口开口或关闭相关的出口开口，其中寻求最大可能的流动横截面的快速释放，以便当节流阀完全打开时，输入或输出的气流中的节流损失被最小化，并且保证了气缸的最佳可能的填充或排气的有效(即，完全)去除。因此，气缸也经常装配有多个入口开口或出口开口。
形成本发明的主题的内燃发动机的每个气缸具有至少一个出口开口和至少一个入口开口。
根据现有技术，通向入口开口的进气管线和附接到出口开口的排气管线至少部分地集成在气缸盖中。多个进气管线常规地组合以形成联合的总进气管线。
气缸体具有用于接收活塞或气缸管的对应数量的气缸孔。内燃发动机中的每个气缸的活塞在气缸管中以轴向可移动的方式被引导，并且与气缸管和气缸盖一起界定气缸的燃烧室。活塞用于将燃烧产生的气体力传递给曲轴。为此目的，活塞借助于活塞销以铰接的方式连接到连杆，连杆又可移动地安装在曲轴上、曲轴曲柄部分的区域中。安装在曲柄壳体中的曲轴接收连杆力，其中活塞的振动提升运动转换成曲轴的旋转转动运动。在这种情况下，曲轴将扭矩传递给传动系。
在开发内燃发动机时，一个基本目标是使燃料消耗率最小化，其中集中精力提高整体效率。在这个背景下，内燃发动机的机械增压变得越来越重要。机械增压是增加内燃发动机的功率同时气缸容量保持不变或减小气缸容量同时功率保持不变的合适方式。在任何情况下，机械增压导致功率/容积比的改善和更有利的性能质量。如果气缸容量减小而边际车辆状况保持不变，则载荷谱可以转移到更高的负载，在这种情况下，比燃料消耗率更低。因此，内燃发动机的机械增压支持最小化燃料消耗率(即，提高内燃发动机的效率)的努力。
燃料消耗率以及因此效率是成问题的，特别是在汽油发动机的情况下(即，在用火花点火的内燃发动机的情况下)。其原因在于汽油发动机的基本工作方法。负载控制通常借助于设置在进气系统中的节流阀进行。通过调整节流阀，节流阀后面的进气压力可以在较大或较小程度上减小。越进一步关闭节气门，即其越多地关闭进气系统，通过节气门吸入的空气中的压力损失越大，并且在节气门上游且在进入所述至少三个气缸(即燃烧室)的入口之前的进气压力越低。利用恒定的燃烧室容积，空气质量(即数量)能够以此方式通过进气的压力来设定。这也解释了为什么数量调节在部分负载操作中被证明是不利的，因为小负载要求高节流以及进气系统中的压力降低，因而负载变化损失随着负载减小和节流增加而增加。
为了减少所述损失，已经开发了各种策略来对火花点火式内燃发动机进行去节流。
用于对汽油发动机进行去节流的一种解决方案是例如具有直接喷射的汽油发动机工作方法。直接燃料喷射是实现分层燃烧室加载的合适手段。因此，到燃烧室中的直接燃料喷射允许在一定限度内进行内燃发动机的质量调节。通过将燃料直接喷射到气缸中或位于气缸中的空气中而不通过燃料被引入进气系统中的进气中的外部渗碳作用(carburation)来发生渗碳作用。
优化汽油发动机中的燃烧过程的另一种可能方式涉及使用至少部分可变的阀驱动装置。与其中阀的冲程和控制时间都不变的传统阀驱动装置的情况不同，这些影响燃烧过程并因此影响燃料消耗率的参数可以借助于可变阀驱动装置在较大或较小程度上改变。
在引导过程中流入燃烧室的混合物质量于是不是借助于节流阀控制，而是通过入口阀冲程和入口阀的打开持续时间来控制。
通过气缸停用(即，在给定负载范围内各个气缸的停用)，提供了用于汽油发动机的去节流的另一种解决方案。汽油发动机在部分负载操作中的效率可以通过部分停用来改善(即增加)，因为在发动机输出保持恒定的同时在多缸内燃发动机中停用气缸增加了仍在运转的剩余气缸上的负载，使得节流阀能够或必须进一步打开，以便将更大的空气质量引入该气缸中，由此实现内燃发动机的整体去节流。在部分停用期间不断运转的气缸在部分停用期间也在较高负载的范围内工作，在该负载下比燃料消耗率较低。载荷谱转移到更高的负载。
在部分停机期间继续运转的气缸由于供应的更大的空气质量或混合物质量而表现出改善的渗碳作用。
进一步的效率优点导致：由于不存在燃烧，，停用的气缸不会产生任何由于燃烧气体向燃烧室壁的热传递导致的壁热损失。
尽管由于所使用的质量调节导致柴油发动机(即自点火内燃发动机)最初表现出比汽油发动机更高的性能(即更低的燃料消耗率)，但是借助于经由气缸的填充进行的节流或数量调节而在所述汽油发动机中设置如前所述的负载，在燃料消耗率或效率方面改进的可能性以及改进的需要也存在于柴油发动机的情况下。
气缸停用(即，在给定的负载范围内各个气缸的停用)也是用于降低柴油发动机中的燃料消耗率的概念。柴油发动机在部分负载范围内的性能可以通过部分停用来改善(即增加)，因为具有恒定发动机输出的多缸内燃发动机中的至少一个气缸的停用增加了要不然也在柴油发动机的情况下仍然运转的气缸上的负载，使得这些气缸在较高的负载范围(其中比燃料消耗率较低)内工作。柴油发动机的部分负载操作期间的载荷谱向更高的负载转移。
与汽油发动机一样，在壁热损失方面具有相同的优点，这就是为什么参考相应的评论。
柴油发动机中的部分停用还旨在当负载由于所用燃料数量的减少而减小时，防止燃料/空气混合物在质量调节的框架内变得过于稀薄。
然而，现有技术中描述的具有部分停用的多缸内燃发动机和操作这些内燃发动机的相关方法显示出大量改进潜力。
如果为了部分停用的目的而中断(即停止)可停用气缸的燃料供应，则如果这些气缸的相关的阀驱动装置未被停用或不能被停用的话，停用的气缸继续参与到负载变化中。在这种情况下产生的负载变化损失减损了通过部分停用实现的与燃料消耗率和效率有关的改善，并且与这些改善不一致，因此部分停用的益处至少部分地丧失，即，实际上部分停用总体上不会带来什么实质性的改善。
为了弥补上述不利影响，将阀驱动装置设置在能够被切换或调整的入口侧和出口侧上是富有成效的，并且利用入口侧和出口侧，停用的气缸在部分停用期间保持关闭并且因此不参与到进一步的负载变化中。
具有部分停用的多缸内燃发动机此外还具有其它缺点。
在部分停用期间停用的气缸由于不存在燃烧而或多或少地快速冷却下来。当部分停用结束时，即当停用的气缸被重新启动时，这会导致有害物质的排放增加。
此外，由于更大的负载和扭矩波动，部分停用导致内燃发动机的不均匀运行。
发明内容
在上述内容的背景下，本发明所提出的问题是公开了根据权利要求1的前序部分所述的用于对四冲程内燃发动机进行去节流的改进方法。
该问题通过用于对包括至少一个气缸的四冲程内燃发动机进行去节流的方法来解决，其中：
-工作循环包括四个连续冲程，即进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程，
-每个气缸具有用于通过排气排出系统排出排气的至少一个出口开口和用于通过进气系统供应燃烧空气的至少一个入口开口，
-装配有阀驱动装置的气缸的每个入口开口和每个出口开口具有阀，该阀关闭或打开相关的开口，并且
-第一气缸组的每个气缸装配有可切换阀，其中，停用的阀关闭相关的开口，并且启动的阀在打开位置和关闭位置之间移动，从而产生阀冲程Δhmax，并且从而在打开持续时间Δtmax期间打开相关的开口，
其中，为了对内燃发动机进行去节流的目的，第一气缸组的至少一个气缸的工作循环增加偶数数量的附加冲程，所述偶数数量的附加冲程包括至少一个附加压缩冲程和至少一个附加膨胀冲程，其中
-附加压缩冲程紧随之前的膨胀冲程并且附加膨胀冲程紧随附加压缩冲程，并且
-除了最后一个附加冲程之外，在附加循环期间所述阀被停用，或者所述至少一个出口开口的所述至少一个阀被停用，或者所述至少一个出口开口的所述至少一个阀被停用。
按照根据本发明的方法，不存在内燃发动机的部分停用，即，不存在各个气缸在给定的负载范围内停用。
相反，在根据本发明的去节流的框架内，内燃发动机中的所有气缸都是连续地(即，定期地)点燃的运转气缸。
根据本发明的去节流的概念设想通过附加冲程扩展并因此延长内燃发动机中的至少一个气缸的工作循环，其中实现了根据本发明的工作循环的这种扩展的每个气缸被认为并被称为第一气缸组中的气缸。与原则上可以仅停用多缸内燃发动机中的几个气缸的传统的部分停用不同，利用内燃发动机中的所有气缸，扩大根据本发明的工作循环原则上是可能的；在某些情况下甚至特别有利。
如果，例如，当使用根据本发明的方法时要在汽油发动机的曲轴处提供恒定大的发动机或驱动装置输出，则必须在比燃料消耗率较低的较高负载区域中在常规过程期间操作第一气缸组中的气缸，优选地内燃发动机中的所有气缸。为此目的，必须进一步打开节流阀以将更大的空气质量引入这些气缸中，由此实现内燃发动机的去节流。载荷谱转移到更大的负载。汽油发动机的效率得到改善，即增加。
根据本发明的工作循环的扩展总是涉及偶数数量的附加冲程，即相等数量的附加压缩冲程和附加膨胀冲程。
在这种情况下，附加压缩冲程原则上紧随之前的膨胀冲程，并且附加膨胀冲程紧随附加压缩冲程。
如果，例如，为了对内燃发动机进行去节流，第一气缸组的气缸的工作循环通过两个附加冲程得以扩展，则该扩展包括附加压缩冲程和附加膨胀冲程。附加压缩冲程紧随包括原始四冲程的循环中的之前的膨胀冲程，而附加膨胀冲程紧随该附加压缩冲程。
如果进一步的附加压缩和膨胀冲程被整合(即，添加或安装)到工作循环中，则在之前的附加膨胀冲程之后进行进一步的附加压缩冲程，并且在之前的进一步的附加压缩冲程之后进行进一步的附加膨胀冲程。
与部分停用相反，在根据本发明的去节流的情况下，工作循环的扩展意味着不存在各个气缸变凉的风险，因为没有气缸被停用，而是内燃发动机中的所有气缸都是点燃的工作气缸。
根据本发明的工作循环的扩展还提供了与渗碳作用有关的优点，特别是在直接喷射内燃发动机的情况下。对于燃料喷射，燃烧室中的混合物制备(即，空气和燃料的彻底混合以及在预反应(包括蒸发)的情况下制备燃料，而且以及所制备的混合物的点火)可以用于相对较短时间，这就是为什么特别是在直接喷射的情况下常规需要额外措施的原因，利用这些额外措施，渗碳作用被支持并加速，使得燃料/空气混合物在点火之前尽可能均质化。根据本发明的工作循环的扩展意味着燃料/空气混合物的渗碳作用或均质化被提供更多时间。这至少适用于具有火花点火的燃料能够被预先引入附加循环的内燃发动机。
除了最后的附加冲程之外，阀在根据本发明的附加冲程期间被停用并且保持在关闭位置，即关闭，使得燃料/空气混合物不会以不希望的方式从气缸中逸出。
必须排除掉以所述最后一个附加冲程开始，因为所述第一气缸组中的所述至少一个气缸的所述至少一个出口阀原则上在所述最后一个附加冲程(其为附加膨胀冲程)期间能够打开或是打开的，以用于引入负载变化或用于其他原因。
然而，根据本发明，阀也可以在所有附加循环期间毫无例外地停用，即当所述第一气缸组中的所述至少一个气缸的所述至少一个出口阀仅在原始排出冲程期间打开时。
利用根据本发明的方法，公开了根据权利要求1的前序部分的用于对四冲程内燃发动机进行去节流的改进方法。因此，根据本发明的方法解决了本发明所提出的问题。
具体实施方式
结合从属权利要求讨论了根据本发明的方法的进一步有利实施例。
其中至少一个气缸具有用于通过排气去除系统去除排气的出口开口和用于通过进气系统供应燃烧空气的入口开口的本发明的实施例是有利的。
如果内燃发动机的每个气缸只有一个入口开口且只有一个出口开口，则内燃发动机的设计得以简化，并且成本可以降低。
另一方面，负载变化，特别是用燃烧空气填充气缸，变得更加困难，这就是为什么实现令人满意的性能是成问题的。为了改善负载变化，努力设计尽可能大的入口开口和出口开口。
为此，内燃发动机的气缸经常还装配有两个或更多个入口开口和两个或更多个出口开口。
该方法的其中至少一个气缸具有用于通过排气去除系统去除排气的至少两个出口开口和/或用于通过进气系统供应燃烧空气的至少两个入口开口的实施例是有利的。
这便于快速打开尽可能大的流动横截面，使得输入或输出气流中的节流损失保持很小。
该方法的其中每个气缸装配有直接喷射的实施例是有利的，利用直接喷射，燃料通过被直接喷射到气缸中而被引入。在这种情况下，每个气缸可以配备一个喷射喷嘴，用于直接喷射。
与具有进气歧管喷射的内燃发动机的情况相比，在直接喷射内燃发动机的情况下，燃料供应可以被更快速且更可靠地控制，特别是被停用。
然而，该方法的其中提供进气歧管喷射的实施例也可以是有利的，利用进气歧管喷射，燃料通过喷射被引入进气系统中。
该方法的其中借助于火花点火开始位于气缸中的燃料/空气混合物的燃烧的实施例是有利的。
由于它们的基本工作方法，即借助于节流阀的负载控制，火花点火式内燃发动机特别注定用于去节流的方法，以提高效率。
该方法的其中与所述第一气缸组的所述至少一个气缸有关的借助于火花点火的燃烧的开始通过附加冲程从时间上被推迟的实施例在该情况下是有利的。
在火花点火式内燃发动机(特别是具有直接喷射的火花点火式内燃发动机)的情况下，在渗碳作用方面特别具有优点。根据本发明的工作循环的扩展不仅延长了工作循环，而且延长了渗碳作用。在借助于火花点火开始燃烧之前，燃料/空气混合物可以基本上更有效地被均质化。这意味着内燃发动机的尤其是排放行为明显得到改善。
由于在具有火花点火的内燃发动机的情况下燃料可以在附加冲程之前被引入，这是可能的，因为压缩点火(除了爆震燃烧之外)的风险确实常规存在。
另一方面，在火花点火式内燃发动机的情况下，燃料不能像在包括四个冲程的原始工作循环的情况下那样并且在附加冲程之前被早早引入，因为压缩点火造成的燃料/空气混合物的燃烧远早于附加冲程之前开始。
然而，借助于压缩点火开始位于气缸中的燃料/空气混合物的燃烧的方法的实施例可以是有利的。
该方法的其中与所述第一气缸组的所述至少一个气缸有关的燃料的引入通过附加冲程从时间上被推迟的实施例在该情况下是有利的。该方法的这种变型需要直接喷射并且防止燃料/空气混合物的燃烧，因为压缩点火过早地并且在附加冲程之前开始。
即使在具有压缩点火的内燃发动机中的附加冲程不能用于推进燃料/空气混合物的均质化，渗碳作用也被明显改善，因为附加冲程，特别是燃烧空气的反复压缩，导致被喷射入燃料的气缸空气的温度上升。作为混合物制备的一部分的燃料的蒸发得到显著支持，特别是在不利条件(即外部温度低)的情况下。这也导致改善的排放性能。
因此，该方法的其中所述第一气缸组的至少一个气缸的工作循环在压缩点火式内燃发动机的预热阶段期间扩展偶数数量的附加冲程的实施例在该情况下也是有利的。
该方法的其中所述第一气缸组的至少一个气缸的工作循环扩展两个附加冲程(即附加压缩冲程和附加膨胀冲程)以对内燃发动机进行去节流的实施例是有利的，其中
-附加压缩冲程紧随之前的膨胀冲程，并且附加膨胀冲程紧随附加压缩冲程。
该方法的其中所述第一气缸组的至少一个气缸的工作循环扩展四个附加冲程(即两个附加压缩冲程和两个附加膨胀冲程)以对内燃发动机进行去节流的实施例也是有利的，其中，
-附加压缩冲程紧随之前的膨胀冲程，并且附加膨胀冲程紧随附加压缩冲程。
该方法的其中内燃发动机的所有气缸都是所述第一气缸组的气缸的实施例是有利的。
该方法的其中所述第一气缸组的所有气缸的工作循环扩展偶数数量的附加冲程(包括至少一个附加压缩冲程和至少一个附加膨胀冲程)的实施例是有利的。
该方法的其中所述第一气缸组的所有气缸的工作循环扩展相等且偶数数量的附加冲程(包括至少一个附加压缩冲程和至少一个附加膨胀冲程)以对内燃发动机进行去节流的实施例是有利的。
该方法的其中内燃发动机被机械增压的实施例是有利的。如已经提到的，机械增压是最小化燃料消耗率(即提高内燃发动机的效率)的合适手段。

Claims (14)

1.一种用于对包括至少一个气缸的四冲程内燃发动机进行去节流的方法，其中，
-工作循环包括四个连续冲程，即进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程，
-每个气缸具有用于通过排气排出系统排出排气的至少一个出口开口和用于通过进气系统供应燃烧空气的至少一个入口开口，
-具有阀驱动装置的气缸的每个入口开口和每个出口开口装配有阀，所述阀关闭或打开相关的开口，并且
-第一气缸组的每个气缸装配有可切换阀，其中，停用的阀关闭相关的开口，并且启动的阀在打开位置和关闭位置之间移动，从而产生阀冲程Δhmax，并且从而在打开持续时间Δtmax期间打开相关的开口，
其中，为了对所述内燃发动机进行去节流的目的，所述第一气缸组的至少一个气缸的工作循环增加偶数数量的附加冲程，所述偶数数量的附加冲程包括至少一个附加压缩冲程和至少一个附加膨胀冲程，其中
-附加压缩冲程紧随之前的膨胀冲程并且附加膨胀冲程紧随附加压缩冲程，
-除了最后一个附加冲程之外，在所述附加冲程期间所述阀被停用，或者所述至少一个出口开口的所述至少一个阀被停用，或者所述至少一个出口开口的所述至少一个阀被停用。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个气缸具有用于通过排气去除系统去除排气的出口开口和用于通过进气系统供应燃烧空气的入口开口。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个气缸具有用于通过所述排气去除系统去除排气的至少两个出口开口和/或用于通过所述进气系统供应燃烧空气的至少两个入口开口。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，每个气缸装配有直接喷射，利用所述直接喷射，所述燃料通过直接喷射到所述气缸中被引入。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，提供进气歧管喷射，利用所述进气歧管喷射，所述燃料通过喷射被引入所述进气系统。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，借助于火花点火开始位于所述气缸中的燃料/空气混合物的燃烧。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，与所述第一气缸组的所述至少一个气缸有关的借助于火花点火的燃烧的开始通过所述附加冲程从时间上被推迟。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，借助于压缩点火开始位于所述气缸中的燃料/空气混合物的燃烧。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，与所述第一气缸组的所述至少一个气缸有关的燃料的引入通过所述附加冲程从时间上被推迟。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，所述第一气缸组的至少一个气缸的所述工作循环在压缩点火式内燃发动机的预热阶段期间扩展偶数数量的附加冲程。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，为了对所述内燃发动机进行去节流的目的，所述第一气缸组的至少一个气缸的所述工作循环增加两个附加冲程，即附加压缩冲程和附加膨胀冲程，其中
-所述附加压缩冲程紧随之前的膨胀冲程，并且所述附加膨胀冲程紧随所述附加压缩冲程。
12.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，为了对所述内燃发动机进行去节流的目的，所述第一气缸组的至少一个气缸的所述工作循环增加四个附加冲程，即两个附加压缩冲程和两个附加膨胀冲程，其中
-附加压缩冲程紧随之前的膨胀冲程，并且附加膨胀冲程紧随附加压缩冲程。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述内燃发动机中的所有气缸都是所述第一气缸组的气缸。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，为了对所述内燃发动机进行去节流的目的，所述第一气缸组中的所有气缸的所述工作循环增加偶数数量的附加冲程，所述偶数数量的附加冲程包括至少一个附加压缩冲程和至少一个附加膨胀冲程。
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