CN1946921B - 用于运行内燃机的方法以及用于实施该方法的内燃机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于运行内燃机的方法，该内燃机具有一个废气涡轮增压器和至少两个分别设有进气门和排气门的缸，其中设定，为了在对于至少一个缸(3)的换气时提高新鲜气体的缸充气量，缩短排气动作时间并且延长进气动作时间与排气动作时间的重叠相位，通过缩短排气动作时间实现各缸的点火顺序分离。本发明也包括一种用于实施该方法的内燃机。

Description

用于运行内燃机的方法以及用于实施该方法的内燃机
技术领域
本发明涉及一种用于运行内燃机的方法以及一种用于实施该方法的内燃机。 
背景技术
燃烧室的至少部分不良的新鲜气体的充气与在四冲程发动机中在低的和极低的转速时高转矩的目的相反。尤其在带有废气增压器的发动机(涡轮增压发动机)中导致在低转速范围内不能对于废气流的低质量流量对涡轮增压器进行优化设计。如本身已知的，在开始压缩前燃烧室的充气由一部分未燃烧的空气燃料混合气以及一部分燃烧过的混合气构成。燃烧过的混合气部分根据发动机的边界条件在数量级上可以直到燃烧室的全部充气量的10％。由于来自上述工作循环的剩余气体有很高的温度，所述燃烧过的混合气的体积份额可以比10％大得多。剩余气体量由下面几部分构成： 
-在缸内的剩余气体，其在进气门与排气门的重叠相位期间没有被扫出； 
-在进气门打开后由于缸与进气区域之间的负的扫气压差而从缸输送到发动机进气区域内并且在进气相位时又进入到缸内的剩余气体； 
-在关闭排气门之前从发动机的排气区域又推回到缸内的剩余气体。 
已知的是，进气门关闭时刻的选择比其他控制时间更强烈地影响发动机的充气特性并且从而影响转矩特性。较早的关闭时刻在此认为有利于在低转速范围内的高转矩，其中需要注意的是，通过进气升程的提前也增加进气门与排气门之间的重叠，这能导致剩余气体含量的提高并且从而能导致新鲜充气量的降低。 
此外已知的是，在大的气门重叠时，充气量的一部分能通过缸流出，没有参与燃烧。所谓的扫气损失降低发动机的有效的效率。当然这也是已知的，除了所述的缺点也有可能出现优点，因为在全负荷时尽可能地排出剩余气体，这产生较大的缸充气量和较高的功率。在部分负荷时剩余气体含量随着气门重叠的增加而升高，由此能减少换气功和氮氧化物排放。
发明内容
因此本发明的目的是，提出一种用于运行内燃机的方法，用该方法在优选低转速时能实现较高的转矩。本发明的一个另外的目的在于提出一种用于实施该方法的内燃机。 
按本发明，在用于运行内燃机的新方法中，该内燃机具有一个废气涡轮增压器和至少两个分别设有进气门和排气门的缸，为了在低转速范围内在对于至少一个缸的换气时提高新鲜气体的缸充气量，缩短排气动作时间并且延长进气门与排气门的重叠相位，即通过在对于至少一个缸的换气时选择排气动作时间和选择进气动作时间与排气动作时间的重叠相位，其中在排气端的压力超过进气端的压力之前关闭排气门，通过缩短排气动作时间实现各缸的点火顺序分离。 
按本发明的方法以下述知识为基础，在内燃机的排气端上在确定的时间出现高的压力幅值，所述的压力幅值在传统的换气方法中导致负的扫气压差。当打开缸的排气门时，燃烧气体由于高的压差以高的质量流量流入到发动机的排气区域内也就是排气弯管内。在该区域内有节流位置，以使废气不会足够快地流出。因此在发动机的排气区域内总体上并且尤其是在其他缸的排气门前形成高的压力。当缩短排气动作时间并且同时延长进气动作时间与排气动作时间的重叠相位时，能提高新鲜气体的缸充气量，因为能实现用于避免回流的正的扫气压差，并且同时能实现主动的缸扫气。在按本发明的缩短排气动作时间和延长属于相同缸的进气门与排气门的重叠相位的组合中，在发动机的排气端区域内的压力达到其最大值之前的一个时刻关闭排气门。 
在按本发明的内燃机中设有一个控制模块，为了提高在换气期间新鲜气体的缸充气量，该控制模块缩短排气动作时间，并且延长属于相同缸的进气门与排气门的重叠相位，使得在排气端的压力超过进气端的压力之前关闭排气门，通过缩短排气动作时间实现各缸的点火顺序分离。 
当仅仅在低转速范围优选小于2500转/分内进行排气动作时间和延长重叠相位时，能避免这样的方法在较高转速时由于提高的换气功和降低效率而产生的缺点。对此要考虑的是，转矩的提高特别在低转速范围内是值得追求的，因为发动机通常在从中转速范围到高转速范围内的运转点上被优化。 
当通过缩短排气动作时间实现各缸的点火顺序分离时，抑制不同缸的排气压力脉冲的不希望的关联。这样的关联能对换气过程产生不良影响。 
在一种另外的实施方式中，排气动作时间确定成使排气门在缸的进气端与排气端之间的正的扫气压差时关闭。通过正的扫气压差实现把剩余气体体积从上述燃烧循环中良好地扫出。这又导致提高新鲜气体的缸充气份额。与此对应提高在燃烧过程中获得的功率或转矩。 
当内燃机具有一个废气涡轮增压器时，在发动机的进气端上比自然吸气的发动机得到更加恒定的压力。因此在优化的扫气压差方面便于协调进气端与排气端之间的压力关系。 
该方法能使在缸的排气端上有提高的废气压力，并且从而在带有废气涡轮增压器的发动机中实现涡轮的较高的运行功率。这又导致提高的缸充气量并且从而提高的功率或转矩。 
尤其是规定，在缸的排气端上在关闭排气门后出现的提高的压力用于提高在进气端上由废气涡轮增压器产生的增压压力。 
按本发明，在直列四缸发动机中设有180°±10°曲轴转角的排气动作时间。排气动作时间优选不明显比各个缸的点火间隔长，并且从而例如在直列四缸发动机中应该大约为180°曲轴转角。在带有不均匀的点火间隔的V型发动机中在一列缸(Zylinderbank)上不同于所述的规则，各个缸不同的动作长度和排气控制时间的互相重叠可能是必需的。 
此外证实的是，缸的进气门与排气门的重叠相位涉及到1mm的气门行程时在5°与30°曲轴转角之间是有利的。这样的重叠相位导致足够大的时间窗(Zeitfenster)，在该时间窗内正的扫气压差能起作用。 
在部分负荷区域内由于缸的进气门与排气门之间大的气门重叠通过 内部的废气再循环提高剩余气体含量，该废气再循环本身在低的和中等的负荷区域内导致节流解除并且从而改善油耗。附加的油耗潜能可以根据结构的情况由系统本身固有的延迟调节排气门的打开并且从而与其相关的有效利用膨胀功来产生。 
通过提高新鲜气体的缸充气量，内燃机用降低大约50K的增压温度进行运行，能提高缸的容积充气效率。 
此外通过提高新鲜气体份额可以降低在压缩结束时的温度并且从而可以积极地影响内燃机的爆震极限。同样地起到降低剩余气体含量的作用，因此不仅降低点火滞后时间而且提高充分燃烧速度。 
适当的是，借助于一根凸轮轴控制排气门，该凸轮轴借助于配属的凸轮轴轮廓缩短排气动作时间以及延长重叠相位。 
在低转速的全负荷时用于延长重叠相位的开始开启的适当的值包含比传统方法提早30°±5°曲轴转角的进气门开始开启。 
附图说明
本发明的其他实施方式、方面和优点与其在各权利要求中的总结无关不限制一般性借助于附图可以从下列详细描述中得出。其中： 
图1按本发明的内燃机的示意图； 
图2传统涡轮增压发动机的进气区域和排气区域的压力曲线的 
视图； 
图3图2的局部放大图； 
图4与传统的发动机相比，在按本发明的发动机的进气区域和排 
气区域内的压力曲线； 
图5图4的局部放大图； 
图6用于实施按本发明方法的带有按本发明的轮廓的凸轮轴； 
图7传统的和按本发明的用于运行内燃机的方法的控制时间。 
具体实施方式
在图1中示出一种按本发明的涡轮增压的四缸内燃机1的示意图。燃料可以通过一个燃料供给装置4进入缸3的燃烧室2内，这通过燃料供给装置4上的一个箭头表示。每个缸具有一个进气门5a和一个排气门 5b。 
混合气供给通过一个混合气供给装置6实现。在内燃机1的进气区域内设有一个空气压缩机7。空气供给通过空气压缩机7上的一个箭头表示。废气装置8具有一个可由废气驱动的废气涡轮机9。不言而喻的是，本发明原则上也可以在没有废气增压的内燃机中实现。此外一个催化器10设在废气装置8内。通过一个废气再循环装置11可以影响燃烧混合气的成分。不同的发动机功能由一个预控制器12控制或者调节，该预控制器获得转速、发动机温度、催化器温度、节气门位置的传感器13的信号以及载荷或功率要求的信号。控制器12包括一个控制模块14，用该控制模块可以控制进气门和排气门或者进气动作时间和排气动作时间。 
按本发明的方法尤其在较低转速时能显著提高缸充气量。按本发明减少剩余气体含量并且提高新鲜充气量。在缸内的剩余气体量包括在气门重叠相位期间扫过进气门和排气门的剩余气体、在进气门打开后由于在缸与进气端之间的负的扫气压差而从缸输送到进气端内并在进气阶段又进入到缸内的剩余气体和在关闭排气门前不久从排气端又推回到缸内的剩余气体。发动机的进气端与排气端之间的压差(扫气压差)越大，则剩余气体含量一般越小。 
在图2中示出在低转速(N＝1000转/分)时涡轮增压内燃机的进气区域和排气区域区域的与曲轴转角相关的压力曲线20、21的示意图。从视图中清晰可见，静态压力不足以用于描述相关的现象。明显可见，进气门前的进气端压力21在时间上基本上是恒定的。相反在排气端可以看到出现大的压力幅值，所述压力幅值从根本上影响相应瞬间的扫气压差。对于所述的压力幅值涉及到被观察的发动机的缸的预排气脉冲。一旦一个缸的排气门打开，燃烧气体由于高的压差而以高的质量流量流入到排气区域内，尤其是流入到排气弯管内。在其他缸的排气门前，压力由于在排气装置内已有的节流位置而升高。 
当研究气门的排气动作时间22时，可见的是，当排气端的压力20达到其最大值时排气门正好关闭。这尤其在图3的放大图中清晰可见。在这晚的时刻相对较多的剩余气体回冲到缸内。按本发明通过缩短排气 动作时间积极地影响扫气压差。 
在图4中示出在转速为n＝1000转/分时传统涡轮增压内燃机的进气区域和排气区域的与曲轴转角相关的压力曲线20、21的视图。在图5中放大的视图示出，当排气端的压力20达到其最大值时排气门正好关闭(见排气控制时间22)。与此相反按本发明在在此所述的方法中，在排气端30的压力超过进气端31的压力之前关闭排气门(见排气控制时间32)。由于由此产生的正的扫气压差减少剩余气体含量，并且提高新鲜充气量。因此更多的能量供废气涡轮增压器使用，这又导致增压压力31相对于压力水平21提高。 
按本发明减少排气动作长度，以实现切断各缸通过排气端的联系。这样的点火顺序分离在直列四缸发动机中优选在180°曲轴转角的动作长度中实现。 
此外为了能把剩余气体从缸内扫出，示出进气门和排气门的足够长的重叠时间。优选重叠在10°与25°曲轴转角之间，这涉及到1mm的气门升程。 
为了实现缩短的动作长度和延长的重叠相位，在控制排气门时引入附加的变化。 
如图6所示，按本发明的内燃机具有一个气门变换系统，用该气门变换系统能实现按本发明地改变控制时间。在图6中示出一根凸轮轴40的一部分以及按本发明的分级排气凸轮41和42(带有两个排气门的缸)。在低转速时，从一个带有较大升程轮廓41a和42a的凸轮换到一个带有较小升程轮廓41b和42b的凸轮上。通过一根摇杆43，相应的凸轮操纵配属的气门。按本发明的凸轮41a和41b或者42a和42b具有互相交叠的而不相互交错的升程轮廓。因此在没有附加的排气端的相位调节器的情况下能实现按本发明必需的排气动作时间的改变。 
图7示出与传统的控制时间相比按本发明的控制时间与曲轴转角相关的视图。与传统的进气升程轮廓50相比，按本发明进气升程轮廓51向前推移，而按本发明的排气升程轮廓53与传统的排气升程轮廓52相比向后推移。 
进气升程轮廓的推移适当通过一根凸轮轴调节器实现，因为进气升程轮廓的一个后面的位置在高转速时具有部分优点。 
气门变换系统能充分利用排气动作时间缩短和进气动作时间与排气动作时间的重叠相位延长的所有潜能，因为可以避免在空载和全负荷时在较高转速情况下的缺点。 
本发明在低转速时通过提高缸充气量由于减少剩余空气量和延迟爆震极限而能提高发动机转矩。通过缩短排气动作时间能避免回流，并且能实现不同缸的几乎理想的点火顺序分离。通过正的扫气压差由于提高气门重叠而改善缸的燃烧室的剩余气体的扫出。因为提高了废气能量，所以在涡轮增压内燃机中能提高用于再次提高缸充气量的增压压力。同时通过降低增压温度和提高充分燃烧速度能实现积极地影响点火条件。 
附图标记列表
1内燃机 
2缸燃烧室 
3缸 
4燃料供给装置 
5a进气门 
5b排气门 
6混合气供给装置 
7压缩机 
8废气装置 
9废气涡轮机 
10催化器 
11废气再循环装置 
12发动机控制器 
13传感器 
14控制模块 
20压力-排气端(传统) 
21压力-进气端(传统) 
22排气动作时间(传统) 
30压力-排气端(按本发明) 
31压力-进气端(按本发明) 
32排气动作时间(按本发明) 
40凸轮轴 
41排气凸轮(按本发明) 
41a排气凸轮(按本发明) 
41b排气凸轮(按本发明) 
42排气凸轮(按本发明) 
42a排气凸轮(按本发明) 
42b排气凸轮(按本发明) 
43摇杆 
50进气-控制时间(传统) 
51进气-控制时间(按本发明) 
52排气-控制时间(传统) 
53排气-控制时间(按本发明) 

Claims (16)

1.一种用于运行内燃机的方法，该内燃机具有一个废气涡轮增压器(7、9)和至少两个分别设有进气和排气门的缸，其特征在于：为了在对于至少一个缸(3)的换气时提高新鲜气体的缸充气量，缩短排气动作时间和延长进气动作时间与排气动作时间的重叠相位，其中在排气端的压力超过进气端的压力之前关闭排气门，通过缩短排气动作时间实现各缸的点火顺序分离。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：排气动作时间的缩短和重叠相位的延长在低转速范围内进行。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：排气动作时间确定成使在缸(3)的进气端与排气端之间为正的扫气压差时关闭排气门。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：缸(3)的排气端设定提高的废气压力。
5.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于：至少在关闭排气门(5b)后出现的在缸(3)的排气端上的提高的压力用于提高在进气端上由废气涡轮增压器(7、9)产生的增压压力。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在直列四缸发动机中设有180°±10°曲轴转角的排气动作时间。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：重叠相位在涉及到1mm的气门升程时有在5°与30°曲轴转角之间的长度。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在零负荷与解除节流的运行之间的部分负荷区域内通过进气门与排气门之间的重叠时间的提高可以实现内部的废气再循环的提高。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：通过提高新鲜气体的缸充气量，内燃机用降低大约50K的增压温度进行运行。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：通过降低剩余气体含量提高充分燃烧速度。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：通过降低增压温度积极地影响发动机的爆震极限。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：为了控制排气门(5b)设有一根凸轮轴，并且排气动作时间的缩短和重叠相位的延长借助于配属的排气凸轮轴轮廓进行。
13.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述低转速范围小于2500转/分。
14.带有一个废气涡轮增压器(7、9)和至少两个分别设有进气门和排气门的缸的内燃机，其特征在于：设有一个控制模块(14)，为了提高在换气期间的新鲜气体的缸充气量，该控制模块缩短排气动作时间并且延长进气门与排气门的重叠相位，使得在排气端的压力超过进气端的压力之前关闭排气门，通过缩短排气动作时间实现各缸的点火顺序分离。
15.根据权利要求14所述的内燃机，其特征在于：为了控制排气门(5a)，设有一根凸轮轴(40)，并且排气动作时间的缩短和重叠相位的延长借助于配属的排气凸轮轴轮廓进行。
16.根据权利要求14所述的内燃机，其特征在于：为了控制进气门(5a)，设有一根凸轮轴，并且为了延长重叠相位，进气门通过相位推移早于传统系统30°±5°曲轴转角开始打开进气门(5a)。
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