CN103052783A - 内燃机及相应的运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于运行——特别是汽车的——增压内燃机的方法，其中至少在具有稀燃运行类型的稀燃范围（23）中同时实施内部排气再循环和外部排气再循环，其中在稀燃范围（23）中，外部排气再循环的排气再循环率（25）随着内燃机的负荷和/或转速的增大而提高。

Description

内燃机及相应的运行方法
技术领域
本发明涉及一种用于运行增压内燃机——尤其是汽车的增压内燃机——的方法。本发明此外涉及一种增压内燃机、特别是汽车的增压内燃机。
背景技术
为降低有害物质排放和/或为降低燃料消耗，一般地公开了一种排气再循环、简称AGR。排气再循环率、简称AGR率在此方面描述的是再循环的排气相对于输送到内燃机燃烧室的新鲜空气的份额，其中由再循环的排气和输送的新鲜空气所组成的混合物形成各燃烧室中的新鲜气体或新鲜充量。AGR率在此方面通常随内燃机的负荷和/或转速而变化。特别是在怠速或部分负荷的情况下产生的AGR率大于例如在满负荷时的AGR率。
排气再循环有外部排气再循环与内部排气再循环之间的区别。在传统的外部AGR中，在内燃机外部使排气从排气***中分支出并在内燃机外部将其输送到进气***/新鲜空气设备。AGR因此在内燃机的外部进行、因此在外部进行。与此不同的是，内部AGR在内部或者说在内燃机的内部进行。例如可以，例如通过在活塞的上止点处在气缸中保留一定的死容积，在相应活塞的作功冲程后使一般设计为活塞发动机的内燃机中的排气保留在相应气缸中。保留在气缸中的排气份额可以通过换气门的相应气门关闭时间进行改变。例如，如果排气门在进气门关闭情况下比平常提前关闭，那么保留在气缸中的排气份额增大。在这种情况下出现所谓的中间压缩。此外，可以使相应进气门提前、也就是比平常更早地打开，从而使排气朝向进气***的方向从相应气缸排出。这种排气在接下来的进气冲程中被重新回吸并由此提高在新鲜气体中的排气份额。替代或附加地，同样可以使排气门滞后、也就是比平常更晚地关闭，使得从气缸排出的排气在下个进气冲程中就已经能再次从排气***或从属于排气***的内燃机区域中被回吸。上述措施可以替代地或累积地或以任意的组合形成用于实现内部AGR的可实施措施。
DE102008053243公开了一种用于使内燃机运行的方法，其中分层充气运行期间排气门在换气过程中在上止点之前关闭并且进气门在上止点之后打开。由此在换气过程中，排气被阻留在燃烧室内并在分层充气运行中得到利用。该方案是具有中间压缩的内部AGR的例子，其中排气被阻留在相应燃烧室内。
DE102009034763公开了一种以内部排气再循环来驱动内燃机的方法。在这种情况下，进气门被二次打开以便在排气冲程期间将一部分排气压入新鲜气体通道内并在进气冲程期间将该排气重新吸入燃烧室内和/或通过在进气冲程期间二次打开和关闭排气门将压入排气通道内的排气吸回到燃烧室内。该方案是内部AGR的例子，其利用相应进气门或相应排气门附加的打开过程从新鲜空气端或从排气端进行吸回。
此外——正如上面介绍的那样——原则上也可以在排气冲程中这样推移相应排气门的关闭时间点和/或相应进气门的打开时间点，使相应进气门提前打开或相应排气门滞后关闭、并因此产生从新鲜空气端或排气端回吸排气的可能性。
内部排气再循环与外部排气再循环相比的优点在于明显减少的结构空间需求。但在内部AGR时用于调节AGR率的仪器成本/复杂性明显高于外部AGR。此外，内部AGR还具有的基本特性是，内部再循环的排气具有明显高于外部再循环排气的温度，这是因为在外部AGR中基于管道长度有规律地对再循环排气进行冷却、局部还借助排气再循环冷却器、简称AGR冷却器进行冷却。该方案在低负荷和中等负荷情况下具有决定性的优点，这是因为由此支持了混合物的形成和点火、因此提高了残余气体的一致性。但在较高负荷下爆震倾向增大。
此外，事实证明内部AGR方面存在的问题是，用于形成内部AGR的技术装置（例如在配气机构可变性范围内的专用的凸轮型线）并不是在任何运行点上都能最优适配的，确切地说，必须在考虑整个特性曲线簇的情况下作出折衷。这一点可能的后果是，不能在所有运行点上优化地充分利用最大AGR一致性。现代的内燃机直至中等的负荷和转速范围都以稀燃方式运行（λ>1），在直至满负荷的高负荷范围中以理论配比（λ=1）均质运行。在稀燃运行范围内或也在稀燃范围内，作为燃烧室内的燃烧过程使用所谓的“分层充气运行”，其中相应燃烧室中、特别是与燃料直喷相关地紧接在燃烧过程之前出现相应燃烧室充量中的燃空比的非均匀分布。特别是在此方面对于外部点火的内燃机来说，在相应点火装置的核心范围中调节出较大的λ值，该λ值随着与该核心区域距离的加大而下降。就此而言，在相应燃烧室中产生出具有不同λ值的空间分层。例如，在核心范围中存在浓混合物，而在环绕核心区域的中间范围中稀混合物占主导。另外的环绕中部区域的边缘区域甚至会无燃料。在分层运行与均质运行之间的稀燃范围过渡区域中，内燃机此外可以在均质-稀燃运行或均质-分层运行中稀燃运行。在均质-稀燃运行中，内燃机利用均质的稀混合物运行，其中，均质的混合物可以利用点火装置点火。在均质-分层运行中，燃烧室被充入均质的稀混合物，其中，所存在的稀混合物借助容易点燃的较浓分层充量在相应点火装置上被点燃。特别是在利用这种类型的分层充量运行、均质-稀燃运行和均质-分层运行的稀燃范围中实现最佳设定的AGR率，从而例如避免会导致氮氧化物排放提高的燃烧过程过热。
这种稀燃运行类型以特别的方式适用于内燃机的怠速运行或部分负荷运行状态。在高负荷范围和满负荷范围内，内燃机以理论配比（λ=1）均质运行，其中，在该方案中也可以规定经冷却的外部AGR以避免爆震。可以有利地利用经冷却的外部AGR来降低燃烧室中的温度并防止内燃机部件过热，从而可以取消用于控制燃烧室中温度控制的混合物加浓，由此产生燃料消耗和排放中的优点。
发明内容
本发明的目的在于，为开头所述类型的运行方法或相应的内燃机提供一种改进的实施方式，其特点特别是在于，使AGR率和新鲜充气的温度可以更好地与内燃机的相应运行点相匹配。
该目的依据本发明通过独立权利要求的主题得以实现。具有优点的实施方式是从属权利要求的主题。
本发明基于如下的总体思路：至少在具有稀燃运行类型的稀燃范围中同时实施内部AGR和外部AGR，其中在稀燃范围中，外部AGR的AGR率随着内燃机的负荷和/或转速的增大而提高。通过提高外部AGR率使输入相应燃烧室的新鲜气体中的排气份额增大，由此相应燃烧室中可通过内部AGR实现的排气份额自动地相应按比例下降。通过外部AGR的可控制性，AGR率可以更好地与内燃机的不同运行点相匹配。
在此方面特别具有优点的是如下实施方式：其中在稀燃范围中同时使内部AGR的AGR率随着负荷和/或转速的增大而下降。通过相应的措施，例如通过改变换气门的控制时间可以改变内部AGR率。负荷和/或转速增大的情况下使内部AGR率下降改善了AGR对内燃机变化的运行点的适应能力。
在此方面特别具有优点的是如下实施方式：其中在稀燃范围中，通过外部AGR率和内部AGR率的总和形成的总AGR率随着负荷和/或转速的增大而下降。
因此特别具有优点的是如下实施方式：其中随着负荷和/或转速的增大，内部AGR率的下降强于外部AGR率的提高，从而总体上产生所希望的总AGR率的下降。
此外可以提出，在稀燃范围的整个负荷和/或转速范围中外部AGR率小于内部AGR率。
依据另一种实施方式，稀燃范围可以仅在预先确定的负荷范围和/或转速范围内实施，而在较大的负荷和/或转速情况下则实施可以利用AGR也可以不利用AGR的均质运行。
例如可以主动地借助AGR阀对外部AGR率进行调节。该方案在比较低的费用情况下实现比较精确的可调整性。例如外部AGR可以通过简称ND-AGR管道的低压排气再循环管道来实施，该低压-排气再循环管道使内燃机的排气***在排气涡轮增压器的涡轮机的下游处与内燃机的进气***在排气涡轮增压器的压缩机的上游处流体连接。
例如可以被动地通过换气过程的动态性能和/或主动地对内部AGR率进行调节。换气过程的动态性能由可供使用的时窗和相应存在的压力确定，它们取决于内燃机的运行状态并因此影响内部AGR。内部AGR的主动调节例如可以通过提前打开内燃机相应气缸的至少一个进气门和/或滞后关闭相应气缸的至少一个排气门来实施。
特别是，内部AGR可以通过如下方式实现：相应提前打开的进气门和/或相应滞后关闭的排气门的气门行程-曲轴转角曲线具有至少四个拐点。在此方面特别是可以提出：相应气门的气门行程在活塞上止点的区域中与气门行程的最大值相比是下降的。附加地或替代地，提前打开的进气门和/或滞后关闭的排气门的气门行程-曲轴转角曲线具有平坦区。替代地，提前打开的进气门和/或滞后关闭的排气门的气门行程-曲轴转角曲线可以具有设置在两个最大值之间的最小值。
可以实现此处提出的运行方法的增压内燃机包括用于使排气从内燃机气缸排出的排气***；用于向气缸输送新鲜空气的进气***；排气涡轮增压器，该排气涡轮增压器的涡轮机设置在排气***中而该排气涡轮增压器的压缩机设置在进气***中；ND-AGR-环管道，该ND-AGR-环管道用于使排气***在涡轮机下游处与进气***在压缩机上游处流体连接；用于控制气缸的换气过程的换气门和用于操纵换气门的配气机构。为实现内部AGR，配气机构在此方面这样构成：至少在稀燃范围中通过提前打开相应气缸的至少一个进气门和/或通过滞后关闭相应气缸的至少一个排气门实现内部AGR。由此在此所述的增压内燃机使外部AGR与可调的内部AGR相组合。
优选地，具有用于控制ND-AGR管道的AGR阀以能够对外部AGR率进行调节。
此外，可以具有用于运行内燃机的控制装置，该控制装置这样构造和/或编程：从而能实施依据本发明的上述运行方法。
依据一种特别具有优点的实施方式，配气机构具有凸轮轴，该凸轮轴包括控制排气门和/或进气门的多个凸轮，其中，相应凸轮的凸轮型线构造成，使滞后关闭的排气门和/或提前打开的进气门的气门行程-曲轴转角曲线具有至少四个拐点。
配气机构特别是可以构造成可调的，从而能够为了改变内部AGR率而改变换气门的关闭时间。
本发明的其他重要特征和优点来自从属权利要求、附图和借助附图相应作出的对附图的说明。
不言而喻，前面所述的和后面还要介绍的特征不仅可以以相应提出的组合应用，也可以以其他组合应用或单独应用，而不偏离本发明的框架。
附图说明
本发明的优选实施方式在附图中示出并在下面的说明书中详细介绍，其中，相同的附图标记涉及相同的或类似的或功能上相同的部件。其中：
图1示意示出排气门滞后关闭的排气门气门行程-曲轴转角曲线；
图2示意示出进气门提前打开的进气门气门行程-曲轴转角曲线；
图3示意示出内部AGR和外部AGR的AGR率-负荷曲线；
图4示意示出增压内燃机的线路原理图。
具体实施方式
根据图1，内部AGR可以通过滞后关闭排气门实现。为说明内部AGR的这种方案，在图表1中的纵坐标或y轴2上标注出相应气门的气门行程，而在横坐标或x轴3上则标注出曲轴转角。在曲轴转角180°到360°之间基本上进行排气冲程IV，而在曲轴转角360°到540°之间则进行进气冲程I。此外，图表1中示出依据标准凸轮型线的排气门的气门行程-曲轴转角曲线4。此外，图表1中示出依据标准凸轮型线的进气门气门行程-曲轴转角曲线5、具有平坦区7的排气门气门行程-曲轴转角曲线6以及具有一设置在两个最大值9、9'之间的最小值10的排气门气门行程-曲轴转角曲线8。对于具有平坦区7或具有设置在两个最大值9、9'之间的最小值10的排气门气门行程-曲轴转角曲线6、8的情况，这些气门行程-曲轴转角曲线6、8与具有两个拐点的气门行程-曲轴转角曲线4、5相比具有两个附加的拐点并因此具有四个拐点。具有这种气门行程-曲轴转角曲线6、8的排气门不是依据传统排气门的气门行程-曲轴转角曲线4连续关闭，而是在气门行程-曲轴转角曲线8的情况下在开始关闭后再更强地打开，由此在气门行程-曲轴转角曲线8中存在有在两个最大值9、9'之间的最小值10。在气门行程-曲轴转角曲线6的情况下，通过将部分关闭的排气门保持在预先确定的气门行程水平11上，产生排气门气门行程-曲轴转角曲线6的平坦区7。
排气门气门行程-曲轴转角曲线6、8的两个方案与排气门传统的气门行程-曲轴转角曲线4相比导致排气门滞后关闭，由此在这里实现一种形式的内部AGR，即通过从排气***中回吸排气实现内部AGR。
图2示出另一种形式的内部AGR。除了依据标准凸轮型线的排气门和进气门传统的气门行程-曲轴转角曲线4、5外，还示出了具有设置在两个最大值13、13'之间的最小值14的进气门气门行程-曲轴转角曲线12以及具有平坦区16的进气门气门行程-曲轴转角曲线15。在此方面，在气门行程-曲轴转角曲线12的情况下进气门打开期间，进气门的打开运动被进气门的部分关闭中断，从而在气门行程-曲轴转角曲线12的曲线延伸中出现设置在两个最大值13、13'之间的最小值14。在气门行程-曲轴转角曲线15的情况下，部分打开的进气门保持在预先确定的气门行程水平17上，从而在气门行程-曲轴转角曲线15的曲线延伸中出现平坦区16。
进气门气门行程-曲轴转角曲线12、15方面的两个方案导致提前打开进气门，由此在这里实现另一种形式的内部AGR，即将排气排到进气***中，该进气***在下个进气冲程I中将排出的排气与新鲜空气一起吸入。
图1和2中所介绍的用于内部AGR的两种方法也可以相互组合。特别是用于实施内部AGR的这些方法可以通过凸轮轴的分配给进气门和排气门的凸轮的相应凸轮型线来实现。
根据图3，图表18中的纵坐标或y轴19上标注出AGR率，而横坐标或x轴20上则标注出内燃机的负荷。取代负荷也可以标注内燃机的转速。同样可以在横坐标20上标注与内燃机的负荷和/或转速相关的相应参量。
图表18中存在竖直的边界线21和22，它们为其中希望实施稀燃运行类型——如分层充气运行、均质稀燃运行或均质分层运行——的负荷范围23或转速范围23确定下限21和上限22。范围23的上限22同时形成其中希望实现均质运行的范围24的下限。因为在范围23内发生稀燃运行类型，所以下文中具有其稀燃运行类型的稀燃范围也用23表示。具有均质运行的范围也是如此，该范围在下文中因此也用24表示。
至少在稀燃范围23中希望实施排气再循环。曲线25在此方面代表外部AGR。曲线26代表内部AGR。此外标注出曲线27，其代表总的AGR，也就是内部AGR26和外部AGR25的总和。曲线25、26、27在此方面相应表示出与内燃机的负荷或转速相关的AGR率的分布。因此在下文中以曲线25、26、27等同于相应的AGR率，从而外部AGR率用25表示，内部AGR率用26表示，总AGR率用27表示。
可以看出，外部AGR率25随着负荷的增大和/或随着转速的增大而上升。此外，内部AGR26随着负荷的增大和/或随着转速的增大而下降。在此方面，在这里内部AGR26的下降大于外部AGR25的增大，从而总AGR率27也随着负荷和/或转速的增大而下降。在示例中，AGR率25、26、27线性变化、同样可以具有其他的比例条件。
依据图4，内燃机28包括具有多个气缸30的发动机缸体29，这些气缸各自包括燃烧室31和在气缸中可进行升降运动的、在这里未示出的活塞。就此而言，内燃机28是一种活塞式发动机。内燃机28此外包括进气***32，利用该设备可以向气缸30输送通过箭头表示的新鲜空气33。内燃机28此外包括排气***34，利用该排气***可以从气缸30排出通过箭头表示的排气35。内燃机28是增压的并为此具有排气涡轮增压器36，该排气涡轮增压器包括涡轮机37和压缩机38。涡轮机37设置在排气***34中，而压缩机38则设置在进气***32中。一共同的轴39将涡轮机37的未示出的涡轮与压缩机38的同样未示出的压缩机轮连接。
内燃机28此外具有低压排气再循环管道40，该管道下面称为ND-AGR管道40并在排气***34的涡轮机37下流处与进气***32的压缩机38上游处之间建立流体连接。在进气***32与排气***34之间的连接就排气涡轮增压器36而言在低压侧进行。ND-AGR管道40中设置有排气再循环阀41，该排气再循环阀下面也称为AGR阀41。此外，ND-AGR管道40中可选地设有排气再循环冷却器42，其下面也可以称为AGR冷却器42。
为控制气缸30的换气过程而设有换气门，即进气门43和排气门44。在此方面，为每个气缸30配有至少一个进气门43和至少一个排气门44。此外，设有用于操纵换气门43、44的配气机构45。配气机构45针对进气门43可以具有带操纵进气门43的进气凸轮47的进气凸轮轴46。为控制排气门44，配气机构45可以具有携带操纵排气门44的排气凸轮49的排气凸轮轴48。
此外可以设有控制装置50，该控制装置按照适当的方式例如与AGR阀41连接。此外，控制装置50可与调整装置51连接，利用该调整装置可以调节配气机构45，例如以便改变进气门43和/或排气门44的打开时间和/或关闭时间。
为改变内部AGR率26，控制装置50可以与一控制元件51共同作用。在此方面，内部AGR率26优选可以对应于参照图1和2详细介绍的方案实施。
为改变外部AGR率25，控制装置50可以相应地操控AGR阀41。
在图4的举例中，排气***34中设有至少一个催化器52。此外在进气***32中设有一节流阀53，该节流阀同样可与控制装置50相连接以***纵。

Claims (10)

1.一种用于运行——特别是汽车的——增压内燃机（28）的方法，
-其中至少在具有稀燃运行类型的稀燃范围（23）中同时实施内部排气再循环和外部排气再循环，
-其中在稀燃范围（23）中，外部排气再循环的排气再循环率（25）随着内燃机的负荷和/或转速的增大而提高。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，在稀燃范围（23）中同时使内部排气再循环的排气再循环率（26）随着负荷和/或转速的增大而下降。
3.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在稀燃范围（23）中，通过外部排气再循环的排气再循环率和内部排气再循环的排气再循环率形成的总排气再循环率（27）随着负荷和/或转速的增大而下降。
4.按权利要求1～3之一所述的方法，其特征在于，稀燃范围（23）仅在预先确定的负荷范围和/或转速范围中实施，而在较大的负荷和/或转速情况下则实施均质运行（24）。
5.按权利要求1～4之一所述的方法，其特征在于，
-主动地借助排气再循环阀（41）对外部排气再循环的排气再循环率进行调节，和/或
-被动地通过换气过程的动态性能和/或主动地对内部排气再循环的排气再循环率进行调节。
6.按权利要求1～5之一所述的方法，其特征在于，
-内部排气再循环通过提前打开内燃机（28）相应气缸（30）的至少一个进气门（43）和/或通过滞后关闭相应气缸（30）的至少一个排气门（44）来实施，和/或
-外部排气再循环通过低压-排气再循环管道（40）来实施，该低压-排气再循环管道使内燃机（28）的排气***（34）在排气涡轮增压器（36）的涡轮机（37）的下游处与内燃机（28）的进气***（32）在排气涡轮增压器（36）的压缩机（38）的上游处流体连接。
7.一种——特别是汽车的——增压内燃机，包括：
-用于使排气（35）从内燃机（28）的气缸（30）排出的排气***（34），
-用于向气缸（30）输送新鲜空气（33）的进气***（32），
-排气涡轮增压器（36），该排气涡轮增压器的涡轮机（37）设置在排气***（34）中，而该排气涡轮增压器的压缩机（38）设置在进气***（32）中，
-低压-排气再循环管道（40），该低压-排气再循环管道用于使排气***（34）在涡轮机（37）下游处与进气***（32）在压缩机（38）上游处流体连接，
-用于控制气缸（30）的换气过程的换气门（43、44），
-用于操纵换气门（43、44）的配气机构（45），该配气机构构造成：至少在分层充气运行（23）期间通过提前打开相应气缸（30）的至少一个进气门（43）和/或通过滞后关闭相应气缸（30）的至少一个排气门（44）实现内部排气再循环。
8.按权利要求7所述的内燃机，其特征在于，设有用于控制低压-排气再循环管道（40）的排气再循环阀（41）。
9.按权利要求7或8所述的内燃机，其特征在于，设有用于按权利要求1～6之一所述方法来运行内燃机（28）的控制装置（50）。
10.按权利要求7～9之一所述的内燃机，其特征在于，配气机构（45）具有至少一个凸轮轴（46、48），该至少一个凸轮轴包括控制排气门（44）和进气门（43）的多个凸轮（47、49），其中，相应凸轮（47、49）的凸轮型线构造成，使滞后关闭的排气门（44）和/或提前打开的进气门（43）的气门行程-曲轴转角曲线（6、8、12、15）具有至少四个拐点。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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