CN101142385B - 用于操作内燃机的方法和相关的内燃机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于操作包含具有可调节的打开曲线的进气门的内燃机的方法。在部分负荷工况下，进气门的关闭时刻和燃料喷射时刻根据气缸的内部温度确定。

Description

用于操作内燃机的方法和相关的内燃机
技术领域
本发明涉及一种用于操作内燃机的方法和相关的内燃机，该内燃机具有设置在内燃机的气缸处的进气门和排气门，其中可根据内燃机的状态与工作变量对进气门的打开曲线进行可变地调节。
背景技术
文献US 6 688 280 B2说明了一种用于减少在内燃机点火操作期间生成的氮的氧化物的方法。这里，在气缸处的进气门的打开升程运动被延迟，使得在压缩冲程期间进气门仍然处于开放位置并且已经进入燃料室内的燃烧空气的一部分能够经由打开的进气门再次流回至被连接在上游的空气收集器。这样，燃烧室的内部压力与燃烧室温度都被降低，这对于氮的氧化物的生成具有有利的作用。
氮的氧化物排放也可以借助于排气再循环来减少。在例如DE 197 34494 C1中说明的这种方法中，在内燃机部分负荷工况下，排气质量流量的一部分通过再循环管路从排气***进入进气管道，在该进气管道中排气与被吸入的燃烧空气混合。然而，在这种排气再循环中存在如下问题，即，随着再循环比率的增加，特别是位于再循环管路内的排气热交换器发生污染或积碳的危险增加，结果对内燃机的热效率产生不利的影响，并且内燃机的功率和排气性能都受到不利的影响。
发明内容
从所述现有技术出发，本发明所基于的目的是，以简单可行的措施，并且在不损害内燃机或内燃机部件的使用寿命的情况下降低排气的排放。
内燃机的进气门是可变的设计，以便进气门的升程曲线能够根据当前的边界条件相应地改变。根据本发明，在内燃机部分负荷工况下，规定进气门关闭时刻以及燃料喷入燃烧室的喷射时刻根据气缸内部温度可变地调节。这提供了(闭环)温控燃烧，其中气缸内部温度作为控制变量。这确保了在部分负荷工况下在燃烧室中建立最优温度，由此特别使NOx排放物减少。对于柴油机，能够以高精度设定自行发火所需要的内部温度和内部压力。
在进气门通过下止点后延迟关闭过程中，在压缩冲程中燃烧室的内容物仍然与进气管道流体连接，由此压力降低并且温度也随之降低。燃烧室的内容物通过打开的进气门再次部分地返回至进气管道中。
即使在进气门提前关闭的情况下-即关闭时刻在到达下止点之前-由于燃烧室被填充的程度降低，所以导致内部压力和内部温度降低。
在两种情况下，即进气门在下止点之前关闭的情况与进气门在下止点之后关闭的情况，均能够对气缸内部温度的(闭环)控制进行有效的调节。进气门关闭时刻的移动特别是在内燃机的中度部分负荷范围内执行，在该负荷范围内并不需要最大的燃烧室填充度。由于空气组分略微减少，所以可以设定略浓的空气/燃料混合物，这进一步促进了NOx的减少。
根据本发明的方法的另一个优点在于，在部分负荷工况下，燃烧室中的空气/燃料混合物具有比较均匀的分布，这是因为进气门关闭时刻的移动使得在燃烧室内产生了额外的涡流，该额外的涡流确保了在燃烧室内更好的混合。在通过下止点后延迟关闭的情况下，还有更多的时间可用来进行混合。
其中进气门的关闭时刻可以被改变的角度范围适当地约位于下止点前60°与下止点后120°之间。相对于传统的、固定的关闭曲线，这将得到大约180°的整个角度范围，在该角度范围内关闭曲线可以为实现均匀混合和减少NOx的目的而改变。
为了有助于均匀化，可以通过每个气缸的多个喷嘴将燃料分布到燃烧
在一个优选的改进中，每个气缸至少配有两个进气门，其中在部分负荷工况下可对两个具有移动的关闭时刻的进气门进行同步和不同步的致动。例如，每一气缸的进气门可在越过下止点后保持开放，但是具有不同的关闭时刻。
根据本发明的另一方面在于实现了所谓的内部排气再循环，其中排气从排气***经由气缸直接再循环返回进气管道中。例如，这通过在相位重叠期间气缸上的排气门与进气门同时保持开放来实现。
在根据本发明的内燃机中，在部分负荷工况下，进气门由调节-控制(闭环和开环控制)单元的致动信号可变地调节，其中进气门的关闭时刻与燃料喷射时刻根据气缸内部温度确定。相反地，在全负荷工况以及适当地较低部分负荷工况下，优选地转变为固定地预先规定的进气门关闭曲线，根据该曲线进气门在下止点关闭。然而，如果合适的话，在全负荷工况和较低部分负荷工况下，也可以对进气门升程曲线进行可变地调整。
这种内燃机可以配备各种附加部件，例如排气涡轮增压器，如果合适的话也可以配备两个串联的排气涡轮增压器，该排气涡轮增压器的一个排气涡轮或两个排气涡轮可以配备有可变涡轮几何结构，以实现涡轮有效进气截面的可变调节。也可以用旁路绕过涡轮增压器的一个或两个涡轮和/或一个或两个压缩机。由此可以额外地获得影响排气背压和增压压力的调整可能性。
此外，还可以设置一个排气再循环装置，该装置包括在排气***与进气管道之间的再循环管路。为了对将被再循环的排气质量流量进行调节(闭环控制)，在再循环管路中设置有一个可调节的止回阀；为了冷却排气可额外设置一个冷却器。这种所谓的外部排气再循环借助于附加的再循环管路来实现，能够与上述的内部排气再循环结合，其中根据一个适当的实施例，首先启动内部排气再循环，只有当将被再循环的排气质量流量不能仅通过内部排气再循环提供时才启动外部排气再循环。
另外，可以为所有气缸布置一个共用的排气总管，所有气缸的排气都进入该共用的排气总管中。该排气总管可以被单独冷却；另外也可以借助于压缩机供给补充空气，由此增大排气背压。在排气总管中增大的压力继而可以在大的工作范围内用于排气再循环。增大的排气背压还可以提高内燃机制动功率。
提高排气总管内的压力的另一种可能性是，气缸部分关闭并且使用未点火的气缸作为压缩机，该压缩机将供给的燃烧空气压缩并将所述燃烧空气排入排气总管中。通过对未点火气缸的进气门和排气门适当(开环)控制，也可以使进气管道内的增压压力增加，其中将在未点火的气缸内被压缩的燃烧空气送入进气管道并且供给至点火气缸中。
附图说明
其它优点和适当的实施例可以从进一步的权利要求、附图说明和附图中得到。在附图中：
图1是具有两级增压和排气再循环装置的内燃机的示意图，
图2是根据曲轴转角而变化的气缸的排气门和进气门的打开曲线的图，
图3是在另一实施例中的内燃机的示意图，在该实施例中内燃机的气缸与共用的排气总管连接。
在图中相同的部件具有相同的参考标号。
具体实施方式
图1所示的内燃机1-汽油机或柴油机-配备有两个串联的排气涡轮增压器2和3，其中靠近内燃机布置的排气涡轮增压器2具有高压涡轮增压器的功能，而远离内燃机布置的排气涡轮增压器3具有低压涡轮增压器的功能，所述功能通过以下方式实现：高压涡轮增压器比低压涡轮增压器尺寸更小并因此具有更低的质量惯性矩。
靠近内燃机的排气涡轮增压器2包括在内燃机的排气***内的排气涡轮4，该排气涡轮4的涡轮通过轴6与进气管道12中的压缩机5的压缩轮连接。排气涡轮4为双流设计并且包括大小不同的两个排气流4a和4b。两个排气流4a和4b分别通过排气管段10和11与内燃机1的气缸体1a和1b连接。只有相关的气缸体1a或1b的排气才能通过所配置的排气管段10和11分别通向排气流4a或4b。
此外，排气涡轮4配备有可变涡轮几何结构22，通过该几何结构可以在最小阻断位置与最大开放位置之间调节有效的涡轮进入截面。例如，可变涡轮几何结构22可以构造为可轴向移动的导流栅或具有可调节的导向叶片的轴向固定的导流栅。
从排气管路11分离出绕过排气涡轮4的旁路。该旁路包括桥接管路21，该桥接管路21在排气涡轮的上游从排气管路11分出并且在排气涡轮的下游再次与排气管路11汇合。可调节的止回阀20位于桥接管路21中。此外，在为较小的排气流4a配置的第一排气管路10中还分出一管段19，该管段19接入桥接管路21。通过桥接管路21中的止回阀20，可以调节(以闭环方式控制)通过桥接管路21的气流与通过管段19的气流。这样，在阻断位置可以完全关闭桥接管路21，因此也阻断了管段19，来自排气管路10或来自排气管路11的排气都不通过旁路流动。在第一开放位置，管段19被关闭而桥接管路21被打开，使得只有来自用于较大的排气流4b的管段11的排气流过旁路，而来自用于较小的排气流4a的管段10的排气不流过旁路。在第二开放位置，情况与此相反，只有来自管段10的排气流过旁路，而来自管段11的排气不流过旁路。在第三开放位置，在管段10和11之间流过，而没有排气流过桥接管路以绕过排气涡轮。最后，来自两个管段10和11的排气都通过旁路排出也是可能的。
远离内燃机的排气涡轮增压器3包括位于排气***中的排气涡轮7，该排气涡轮7的涡轮通过轴9与压缩机8的压缩轮连接，其中压缩机8布置在内燃机的进气管道12中。在内燃机工作时，压缩机8吸入燃烧空气并且将所述燃烧空气的压力增大，在该增大压力下燃烧空气首先在第一增压空气冷却器13中冷却。在后面的进程中，被预压缩的燃烧空气被供给至连接在下游的靠近内燃机的排气涡轮增压器的压缩机5。在压缩机5的下游，被压缩的燃烧空气在第二增压空气冷却器14中被冷却，随后在增压压力下被供给至内燃机的气缸。
在排气侧，在内燃机的气缸体1a和1b中产生的排气通过排气管路10和11供给至排气涡轮4的排气流4a和4b，由此驱动涡轮的轮片。在排气涡轮4中膨胀后，排气在排气管段11中聚集并且被供给至远离内燃机的涡轮增压器3的排气涡轮7，其中可利用的排气残余能量应用于驱动涡轮的轮片。
此外，还设有排气再循环装置15，该排气再循环装置15包括排气再循环管路16，排气再循环管路16在排气涡轮4的上游从排气管路10分出并且在第二增压空气冷却器14的下游与进气管道12汇合。在排气再循环管路16中布置有排气冷却器17和可调节的止回阀18。
至少内燃机1的第二气缸体1b的气缸配备有可变调节的气体交换阀23，该气体交换阀23可通过致动器24在关闭位置与开放位置之间进行调节。这种可调节的气体交换阀23特别地是指第二气缸体1b的气缸的进气门；但是在适当情况下，排气门也可以构造为可变调节阀。最后，第一气缸体1a的气体交换阀也可以构造成可变调节。
内燃机的所有可调模块单元都由调节-控制单元25控制。在调节-控制单元25中，根据内燃机和各单元的状态和工作变量产生致动信号，根据该致动信号，特别地作用于排气再循环管路16中的止回阀18，靠近内燃机的排气涡轮4中的可变涡轮几何结构22，气体交换阀23的致动器24，以及桥接管路21中的止回阀20。
在图2的图中，示出了内燃机的一个气缸的进气门和排气门的打开曲线。如图所示，每一个进气门和排气门的升程根据曲轴转角的度数而变化。图中示出了在内燃机一个工作循环之内曲轴转角从330°至720°的范围内的细节。进气门的打开曲线26具有可变区域26a，该可变区域26a在图中被变暗。在所述变暗的区域内，进气门的打开曲线可以改变。这意味着，在进气门的关闭运动过程中，打开曲线26可以在暗区域的边界线26’和26”之间变化。该标记区域落在一个工作循环内的在燃烧之后的下止点UT的区域内。在左侧的边界线26’的情况下，进气门的关闭时刻比下止点UT提前约60°，在右侧的边界线26”的情况下，进气门的关闭时刻比下止点UT落后约120°。
重叠区域28落在前面的上止点区域中，在该重叠区域28中进气门的打开曲线26和排气门的打开曲线27重叠。在重叠区域28中进气门与排气门都打开。通过改变进气门的打开曲线26或改变排气门的打开曲线27或改变两种打开曲线，可以调整重叠区域28的持续时间。
在进气门的打开曲线26内的由线26’和26”限定的暗区域使得能够影响内燃机气缸内的压力pzy1和温度Tzy1。特别地，当进气门沿外边界线26”关闭时，该气门延迟关闭，使得当活塞已经返回压缩冲程时，进气门仍然开放一段短的时间。由此，燃烧空气通过仍然开放的进气门从燃烧室再循环到进气管道内，使得气缸内部压力pzy1和气缸内部温度Tzy1减小。
进气门的打开曲线或升程曲线26的改变可用于内燃机的部分负荷工况下的均匀燃烧。通过在边界线26’和26”内部改变打开曲线，可以将气缸内部压力和特别是气缸内部温度设定为预定值。与相应地改变燃料喷射时刻共同作用，可在部分负荷工况下在燃烧室内建立促进均匀燃烧的条件，均匀燃烧会相应地减少污染物，特别是减少NOx排放物。这种进气门打开曲线26的改变可以扩展到全负荷工况。
在图3中示出的内燃机1同样地配备有排气涡轮增压器2，该排气涡轮增压器的排气涡轮4具有可变涡轮几何结构22。在空气侧，被吸入的燃烧空气首先在空气过滤器32中被净化，然后在排气涡轮增压器2的压缩机5中被压缩。在压缩机5的下游，被压缩的燃烧空气在增压空气冷却器13中被冷却，然后被供给至总空气收集器30中，增压空气从该总空气收集器30流入气缸29的燃烧室。
在排气侧，在内燃机中产生的排气通过排气***的排气管路10首先进入排气涡轮4，在该排气涡轮4中膨胀，并且在排气涡轮下游的进一步行程中，被供给至排气后处理装置33，在该排气后处理装置33中排气被净化。排气后处理装置33特别地包括催化转换器以及在适当情况下的排气过滤器。
在排气侧，还设有内燃机的所有气缸29共用的排气收集管路34(轨道)。每一个气缸29分别通过制动阀35与排气收集管路34连接。在制动阀35的打开位置，各个气缸29的内容物分别与排气收集管路连通；在关闭位置，气缸与排气收集管路34之间的气体交换被阻断。在每一气缸上的制动阀35是除了相关气缸上的进气门和排气门之外特别设置的。
排气收集管路34通过流出管路36与内燃机的排气***的排气管路10连接，在该流出管路36中设有可调流出阀37。当流出阀37打开时，排气收集管路34中的气体内容物与排气管路10流体连接。
排气收集管路34还通过外部排气再循环装置与空气收集器30连接，该外部排气再循环装置包括再循环管路38。在再循环管路38中设有可调止回阀39以及冷却器40。当止回阀39打开时，排气收集管路34内的内容物与空气收集器30流体连接；反之，该阀关闭时，所述流体连接被中断。
止回阀39以及适当情况下流出阀37分别设计成相对于压力波动保持稳定。例如，这可以通过旋转滑阀的实现形式来获得。
内燃机1还配置有调节-控制单元25，该单元25根据内燃机1或配置在内燃机上的各单元的状态和工作变量产生致动信号，以用于调节和控制内燃机中所有的致动单元，特别是可变涡轮几何结构22、流出管路36中的流出阀37，以及再循环管路38中的止回阀39。
除此之外，调节-控制单元25还测量制动开关41的状态，该制动开关41可以由驾驶员致动，以便手动调节流出阀37并由此调节在气压缸中的压力。但是，通过调节-控制单元25还可以在没有驾驶员干涉的情况下实现对流出阀37的自动调节。
与气缸29连通的排气收集管路34使内燃机的不同的运行模式成为可能。特别地，尤其可以通过对配置给排气收集管路34的阀35、37和39的调节来影响内燃机制动模式、排气再循环和排气加浓运行模式。
为提高效率，排气收集管路34配置有冷却器42，该冷却器42将排气收集管路34中的气体内容物冷却。此外，还可以通过压缩机43将额外的空气经由管路45供给至排气收集管路34中。压缩机43从进气管道12中分出，其中在压缩机43与排气收集管路34之间的管路45中设有另一个用于冷却压缩空气的冷却器44。借助于该压缩机43，可以提高排气收集管路34中的压力。
然而，排气收集管路34中的压力也可以在与压缩机43无关的情况下通过以下方法提高：即，将内燃机1的单独的气缸29关闭并且用作被吸入的燃烧空气的压缩机，该燃烧空气从空气收集器30进入被关闭的气缸29的燃烧室，在该燃烧室中被压缩并且随后通过打开的制动阀35排入排气收集管路34中。

Claims (18)

1.一种用于操作内燃机的方法，该内燃机具有设置在内燃机(1)的气缸(29)处的进气门和排气门(23)，其中可根据内燃机(1)的状态与工作变量对进气门的打开曲线(26)进行可变地调节，
其特征在于，在内燃机(1)的部分负荷工况下，进气门的关闭时刻和燃料喷射时刻根据气缸内部温度(Tzy1)确定。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在内燃机(1)的部分负荷工况下，进气门在经过下止点(UT)时保持开放。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，进气门保持开放最迟至下止点(UT)之后120°。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在内燃机(1)的部分负荷工况下，进气门在下止点(UT)之前已经关闭。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，进气门最早在下止点(UT)之前60°关闭。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，在每个气缸(29)有至少两个进气门的情况下，一个气缸(29)的进气门被同步致动。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，在每个气缸(29)有至少两个进气门的情况下，一个气缸(29)的进气门被不同步致动。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述气缸(29)的所有进气门在经过下止点(UT)时保持开放，但是具有不同的关闭时刻。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，在全负荷工况下，进气门在下止点(UT)关闭。
10.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，在较低的部分负荷工况下，进气门在下止点(UT)关闭。
11.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，为了通过内燃机(1)的气缸(29)实现内部排气再循环，进气门与排气门在重叠相位期间被同时调节至开放位置。
12.一种内燃机，特别地用于实现权利要求1至11中任一项所述的方法，该内燃机具有设置在内燃机(1)的气缸(29)处的进气门和排气门(23)，其中可根据内燃机(1)的状态与工作变量对进气门的打开曲线(26)进行可变地调节，
其特征在于，在内燃机(1)的部分负荷工况下，进气门可由调节-控制单元(25)的致动信号可变地调节，其中进气门的关闭时刻和燃料喷射时刻可根据气缸内部温度(Tzy1)确定。
13.根据权利要求12所述的内燃机，其特征在于，设有排气涡轮增压器(2)，该排气涡轮增压器(2)具有位于排气***(10)内的排气涡轮(4)和位于进气管道(12)内的压缩机(5)。
14.根据权利要求12或13所述的内燃机，其特征在于，设有两个串联的排气涡轮增压器(2、3)。
15.根据权利要求12或13所述的内燃机，其特征在于，设有排气再循环装置，该排气再循环装置具有在排气***与进气管道(12)之间的再循环管路(38)并具有可调止回阀(39)。
16.根据权利要求12所述的内燃机，其特征在于，设有用于所有气缸(29)的共用排气收集管路(34)。
17.根据权利要求16所述的内燃机，其特征在于，排气收集管路(34)配置有冷却器(42)。
18.根据权利要求16或17所述的内燃机，其特征在于，可借助于压缩机(43)向排气收集管路(34)供给额外的空气。
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