CN113167153A - 外部点火式内燃机以及用于运行这种内燃机的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种外部点火式内燃机，其至少具有第一燃烧室和第二燃烧室，在所述燃烧室中能够燃烧燃料/空气混合物，其中，在燃烧室上设置有废气设备并且燃料/空气混合物燃烧的废气首先流过废气歧管并且紧接着流过废气设备中的废气净化设备，其中，废气设备的从第一燃烧室至废气净化设备的第一区段比废气设备的从第二燃烧室至废气净化设备的第二区段得到更良好的冷却，并且第一燃烧室能够借助贫燃(λ＞1)的燃料/空气混合物运行并且第二燃烧室能够借助富燃(λ＜1)的燃料/空气混合物运行，其中，整体的废气λ在进入到废气净化设备中时为化学计量空燃比(λ＝1)。通过根据本发明的方法能够以有利的方式降低废气温度以用于构件保护以及用于功率提升。

Description

外部点火式内燃机以及用于运行这种内燃机的方法

技术领域

本发明涉及一种具有权利要求1的前序部分中的特征的外部点火式内燃机以及一种具有权利要求7中的特征的用于运行这种内燃机的方法。

背景技术

关于技术领域例如可参阅德国公开文献DE 10 2008 047 722 A1。从其中已知一种用于运行废气净化设备的方法，该废气净化设备设置在用于机动车辆的可贫燃运行的内燃机、尤其是奥托(Otto)内燃机上。内燃机的废气在废气净化设备中首先流经氮氧化物储存式催化转换器并且进一步流经SCR催化转换器，其中，废气具有与当前的内燃机运行状态有关的废气温度并且除了其它物质外也含有被视为有害物质的氮氧化物。如果内燃机的运行状态产生高于特定温度的废气温度并且在贫燃运行状态期间在SCR催化转换器上游向废气输送还原剂，则内燃机借助贫燃的空气/燃料混合物(λ>1)运行。如果内燃机的运行状态产生低于特定温度的废气温度，则内燃机借助具有化学计量空燃比的空气/燃料混合物(λ＝1)运行。通过根据本发明的方法解决了在由于冷启动后长时间均匀运行而增加的燃料消耗与由于SCR系统未运行就绪而导致的氮氧化物(NO_x)穿透之间的目标冲突。

数十年来，为了遵守废气法规而使用废气催化转换器，以将内燃机的未处理排放物中的有害物质通过化学后反应降低到最低限度。为了提高内燃机的功率密度，废气涡轮增压器近年来成为内燃机领域内的最新技术。由于不仅催化转换器的催化涂层、而且其载体材料以及废气涡轮增压器的涡轮仅允许加载直至一定的温度，因此内燃机的最高废气温度被限制于该温度。此外，由于废气温度水平与内燃机的功率密度成正比，因此内燃机的功率密度受到对于废气涡轮增压器和催化转换器的最大允许温度的限制。

原则上，废气涡轮增压器的涡轮上游的最大允许温度高于催化转换器的最大允许温度，因为涡轮在废气的流动方向上设置在催化转换器的上游。同时，涡轮从废气质量流中吸出焓，以便由此经由压缩机压缩增压空气，由此，其在增压运行中更进一步增加涡轮上游的温度与催化转换器上游的温度之间的温差。

基于通过上述构件对废气温度的限制与内燃机的功率密度之间的关联，已存在用于内燃机的多种工艺和运行策略以降低废气温度并且由此提高内燃机的功率密度。所述可能性中的两种可能性是本领域技术人员已知的所谓的米勒(Miller)策略和冷却式废气歧管，所述冷却式废气歧管尤其是也能够在内燃机的气缸盖中实施。在这种情况下称之为气缸盖集成式歧管(ZIK)。冷却式废气歧管只能在换气出口阀的下游降低废气温度并且经此降低废气温度的整体水平，而米勒策略在燃烧室内就已起作用。通过更低的过程温度降低内燃机的爆震倾向，由此能够将所谓的燃烧重点位置提前。燃烧过程在这种情况下变得更优化并且由此同样降低废气温度。

传统的(混合物)加浓(在所述加浓的情况下注入比当前的内燃机运行点所需更多的燃料量并且由此有助于冷却)、以及稀释(即注入高于当前所需的空气量)同样也是降低废气温度的措施。

上述的加浓(λ＜1)(是迄今最新的技术)基于未来的排放要求将不再使用。由此在内燃机的功率密度方面产生高损失。同样地，所述稀释(λ＞1)基于更高的NO_x排放量也对废气后处理系统提出了更高的要求并且因此与高成本相关联。

从德国公开文献DE 10 2014 216 461 A1(本发明也由此出发)中已知一种内燃机，其具有用于串联的四个气缸的气缸盖并且具有入口侧的和出口侧的换气阀驱动装置。在气缸盖内部，第一气缸的第一排出通道汇入到第二气缸的第二排出通道中并且第四气缸的第四排出通道汇入到第三气缸的第三排出通道中，其中，所述出口侧的换气阀驱动装置的控制时间可缩短。通过根据该发明的内燃机的构造方案在内燃机的燃料消耗和响应特性方面实现改进。

出于构件保护的原因，尤其是为了保护废气清洁净化设备、例如催化转换器，值得期待的是降低内燃机的废气温度。

发明内容

本发明的任务在于，提出一种用于降低内燃机的废气温度的措施。

该任务在装置方面通过权利要求1的特征部分中的特征以及在方法方面通过权利要求7的特征实现。

通过根据本发明的所谓的λ分流(λ-Splits)方案能够降低废气温度，而不会在此整体上脱离λ＝1运行并且由此不会在排放方面引起另外的耗费。此外，与气缸盖集成式歧管相结合能够经由各气缸特定的点火角度降低各个气流之间的温度梯度并且进一步提高内燃机的功率潜能。

本发明的有利的扩展方案在从属权利要求中说明。

在根据权利要求2的一种特别优选的实施方式中，在废气设备中在废气歧管和废气净化设备之间设置有废气涡轮增压器的涡轮壳体。通过该措施不仅能够将本发明用于抽吸式内燃机，而且也能够用于具有废气涡轮增压器的内燃机。

根据权利要求3的构造方案是一种特别优选的实施变型方案。借助这种紧凑型的实施方案实现特别良好的废气冷却，尤其是借助气缸特定的点火角度。

对于废气冷却的进一步改进可借助根据权利要求4的构造方案实现。

根据权利要求5的构造方案以有利的方式提高内燃机的动力。

根据权利要求6的一致的气流分离又是一种特别优选的实施方式。

借助根据权利要求1的内燃机，一种根据权利要求7的、用于运行外部点火式内燃机的方法此时是可行的，其具有如下方法步骤：

-以富混合比将空气与燃料引入到第一燃烧室中，

-将第一燃烧室中的燃料/空气混合物点燃并且燃烧，

-将废气通过废气设备排出，

-以贫混合比将空气与燃料引入到第二燃烧室中，

-将第二燃烧室中的燃料/空气混合物点燃并且燃烧，

-将废气通过废气设备排出。

通过根据权利要求8的如下方法步骤能够实现废气温度的再次降低：

-调整第一燃烧室中的燃烧重点位置，直至来自第一燃烧室的废气温度具有最小值，

-调整第二燃烧室中的燃烧重点位置，直至来自第二燃烧室的废气温度具有最小值。

换言之：

由此在本发明的范畴内建议，内燃机的各个气缸以不同的λ(Lambda)运行，即一个气缸富燃运行，而另一个气缸则贫燃运行，以便由此降低废气净化设备上游的或者说废气涡轮增压器的涡轮上游的废气温度水平(在图2中示出)。λ的“调整”在此必须这样进行，使得废气λ在各个气缸的废气混合之后、在废气净化设备上游再次精确地等于1并且由此为化学计量空燃比。三元催化转换器由此能够将未处理废气中的有害物质(与传统的λ＝1运行类似地)完全转化。在具有偶数气缸的内燃机的情况下，一半的气缸在此能够贫燃运行，而另一半则富燃运行。通过这样根据本发明运行内燃机降低废气温度并且由此能够提高内燃机的功率密度。如果附加地使各个气缸的点火角度、即点火时刻分别匹配于最小的废气温度，则实现废气温度水平的进一步降低。其原因尤其在于，通过富燃运行爆震倾向显著降低，并且由此能够实现更良好的燃烧重点位置，更良好的燃烧重点位置附加地有助于降低温度。气缸贫燃运行或者富燃运行的程度越高，温度降幅相比于正常运行则越大。λ在此可以处于0.8至1.2之间。通过该措施，在实际运行中可显示出高达60℃的废气温度降幅。

与双涡流废气涡轮增压器相结合，在此提供减小各股气流之间的温差的可能性。在此例如对于四缸内燃机的情况使气缸2和3(其废气由于废气歧管中的较短的路径而冷却较少)富燃运行并且由此使废气相对于气缸1和4进一步冷却。各涡流之间的温差由此变小并且构件保护变得更好。在冷却式废气歧管的情况下(在这种情况下所述效果表现地更为显著)所述处理方式还会更加有用。由于尤其是通过富燃运行的气缸而在内燃机的未处理废气中产生大量未燃烧的燃料残留物和一氧化碳并且由于贫燃运行的气缸过量氧气进入未处理废气中，因此由于未处理废气在废气净化设备中的转化，热量释放趋向于增加。废气净化设备中的温度由此稍有升高。但是因为尤其是由于贫燃运行这些气缸的一氧化碳排放量非常低，所以所述放热的增加保持在极限范围内。由此必须专门为每个内燃机设置分流因数，即如何为每个气缸设置富燃与贫燃运行。

对于其所有气缸的废气已在废气净化设备的上游或者说在废气涡轮增压器的涡轮的上游汇聚的内燃机，由于高温而可能已在废气净化设备的或者说涡轮的上游出现后反应。由此，温度降幅由于λ分流而较小，但是始终仍存在。在这种情况下根据结构实施方案的不同而可能有利的是，不是相应于点火顺序在贫燃废气脉冲之后紧接的是富燃废气脉冲，而是在多个富燃脉冲之后紧接着相同数量的多个贫燃脉冲。所述后反应由此基于贫燃和富燃之间的较长的时间间隔而减小并且由此再次转移到催化转换器中。后者能够储存氧气并且由此对在为了完全转化所需的反应物之间的时间延迟进行缓冲。

附图说明

下面根据两个附图更详细地阐述本发明。

图1示意性地示出根据本发明的内燃机。

图2以图表示出根据本发明的效果。

具体实施方式

图1示意性地示出根据本发明的例如四缸的内燃机1。通过空气收集器10，内燃机为其两个第一燃烧室2及其两个第二燃烧室3吸取新鲜空气。所述燃烧室(也对应于各个气缸)用圆圈象征性地示出。在这里，混合物形成例如能够通过直接注射到燃烧室2、3中和/或空气收集器10中而实现。在燃烧室2、3中使该燃料空气混合物燃烧并且通过废气歧管5排出到废气设备4中。在本实施例中，废气首先流经未详细示出的废气涡轮增气压器的涡轮壳体7并且继续流经废气净化设备6。该废气净化设备6例如可以是三元催化转换器。涡轮壳体7和废气净化设备6是废气设备4的部件。

在本实施例中，废气歧管5集成到气缸盖(ZIK)中，但是并非必须如此。无论废气歧管5是否集成在内燃机1的气缸盖中，也无论其是否是铸造歧管或是隔离气隙的废气歧管5，废气设备4的从第一燃烧室2至涡轮7的第一区段比从第二燃烧室3至涡轮7的区段得到更良好的冷却。在其它实施例中也能够省却涡轮7，使得废气净化设备6是废气在废气设备4中流经的第一个构件。此外，在本实施例中使废气设备4在内燃机1的气缸盖内冷却，尤其是使液体冷却。

此外在本实施例中，涡轮7双流式地实施，即为所谓的双涡流涡轮，其具有第一涡流8和第二涡流9。也能够将单流式涡轮(所谓的单涡流涡轮)用于根据本发明的内燃机1。优选地，废气净化设备4的第一区段汇入第一涡流中并且废气净化设备4的第二区段汇入第二涡流9中。

借助在此的外部点火式内燃机1，此时具有如下方法步骤的运行方法是可行的：

-以贫混合比(λ＞1)将空气与燃料引入到第一燃烧室2中，

-将第一燃烧室2中的燃料/空气混合物点燃并且燃烧，

-将废气通过废气设备4导出，

-以富混合比(λ＜1)将空气与燃料引入到第二燃烧室3中，

-将第二燃烧室3中的燃料/空气混合物点燃并且燃烧，

-将废气通过废气设备4导出。

废气温度水平的进一步降低通过如下方法步骤是可行的：

-调整第一燃烧室2中的燃烧重点位置，直至来自第一燃烧室2的废气温度具有最小值，

-调整第二燃烧室3中的燃烧重点位置，直至来自第二燃烧室3的废气温度具有最小值。

所述对燃烧重点位置的调整例如能够借助发动机控制装置实现，该发动机控制装置获得由测量传感器提供的数据，或者数据存储在特性场中。

燃烧重点位置表明曲柄角位置，在该曲柄角位置的情况下50％的燃料混合物得到转化并且被进一步用作对于燃烧效率的衡量标准。对于Otto内燃机的在效率方面优化的燃烧，其重点位置处于点火上死点之后约8度的曲柄角处。

图2以图表示出根据本发明的方法的效果。

在y轴上记录废气净化设备6上游的或者说涡轮7上游的废气温度，从780℃至930℃。在x轴上示出根据气缸选择的λ，其在0.9至1.08的范围内。

第一曲线用11标记，其代表在λ从0.9变化至1.08的情况下在废气净化设备6上游来自第一燃烧室2的废气温度。第二曲线用12标示，其代表在λ从0.9变化至1.08的情况下在废气净化设备6上游从第二燃烧室3中排出的废气温度。构成所述曲线基础的测量值是均匀地在多缸内燃机的所有气缸上对λ调节的结果以显示根据本发明的效果。

如在图表中可以看到的那样，在大约λ＝0.9的富燃区间内，废气温度降幅比以λ1运行的情况下约低60°，而在大约λ＝1.08的贫混合物的情况下，温度降幅约为40℃。富燃运行时(温度的)进一步降低尤其通过调整点火角度可以实现。

附图标记列表

1 内燃机

2 第一燃烧室

3 第二燃烧室

4 废气设备

5 废气歧管

6 废气净化设备

7 涡轮壳体

8 第一涡流

9 第二涡流

10 空气收集器

11 第一燃烧室废气温度

12 第二燃烧室废气温度

Claims (8)

1.外部点火式内燃机(1)，所述外部点火式内燃机至少具有第一燃烧室(2)和第二燃烧室(3)，燃料/空气混合物能够在所述第一燃烧室和第二燃烧室中燃烧，其中，在所述燃烧室上设置有废气设备(4)，并且燃料/空气混合物燃烧的废气首先流经废气歧管(5)并且紧接着流经废气设备(4)中的废气净化设备(6)，其中，废气设备(4)的从第一燃烧室(2)至废气净化设备(6)的第一区段比废气设备(4)的从第二燃烧室(3)至废气净化设备(6)的第二区段得到更良好的冷却，

其特征在于，所述第一燃烧室(2)能够借助贫燃(λ＞1)的燃料/空气混合物运行并且第二燃烧室(3)能够借助富燃(λ＜1)的燃料/空气混合物运行，其中，整体的废气λ在进入到废气净化设备(6)中时为化学计量空燃比(λ＝1)。

2.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，在所述废气设备(4)中，在废气歧管(5)和废气净化设备(6)之间设置有废气涡轮增压器(8)的涡轮壳体(7)。

3.根据权利要求1或2所述的内燃机，其特征在于，所述废气歧管(5)至少局部地集成在内燃机(1)的气缸盖中。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的内燃机，其特征在于，所述废气歧管(5)是冷却的，尤其液体是冷却的。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的内燃机，其特征在于，所述废气涡轮增压器是双涡流废气涡轮增压器。

6.根据权利要求5所述的内燃机，其特征在于，所述废气设备(4)的第一区段汇入到第一涡流(9)中并且废气设备(4)的第二区段汇入到废气涡轮增压器的第二涡流(10)中。

7.用于运行根据权利要求1至4中任一项所述的外部点火式内燃机的方法，其特征在于如下方法步骤：

-以贫混合比(λ＞1)将空气与燃料引入到第一燃烧室(2)中，

-将第一燃烧室(2)中的燃料/空气混合物点燃并且燃烧，

-将废气通过废气设备(4)导出，

-以富混合比(λ＜1)将空气与燃料引入到第二燃烧室(3)中，

-将第二燃烧室(3)中的燃料/空气混合物点燃并且燃烧，

-将废气通过废气设备(4)导出。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于如下方法步骤：

-调整第一燃烧室(2)中的燃烧重点位置，直至来自第一燃烧室(2)的废气温度具有最小值，

-调整第二燃烧室(3)中的燃烧重点位置，直至来自第二燃烧室(3)的废气温度具有最小值。

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