CN104797810A - 用于运行具有废气涡轮增压器的外源点火内燃机的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于运行外源点火的内燃机的方法，所述内燃机包括：通过控制单元控制的点火角调节机构；和具有涡轮及压缩机的废气涡轮增压器，并且在压缩机与内燃机之间的新鲜空气道内设置有节气门；以及用于将压缩空气引入新鲜空气道内的压缩空气吹入设备，其包括至少一个压力罐并包含与该压力罐导气地连接的且能由控制单元开启的空气吹入阀，用于将压缩空气在节气门与内燃机之间引入新鲜空气道中，其中，在新鲜空气道内测量压缩机与节气门之间的第一气体压力和节气门与内燃机之间的第二气体压力，并且节气门能够通过所述控制单元进行控制或者调节。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于运行具有废气涡轮增压器的外源点火内燃机的方法，其包括权利要求1特征部分所述的特征。
背景技术
关于技术领域，例如参阅国际专利申请WO 2009/036992 A1和WO 2011/015336 A1。特别是由WO 2011/015336 A1公开了一种具有燃烧室的外源点火的往复活塞式内燃机，其具有可运动地设置在其内的活塞，该活塞与曲轴作用连接。燃烧室具有一进气门和一排气门。各气门通过凸轮轴按下述方式与曲轴机械地作用连接，使得它们在活塞的每两个冲程循环各开启和关闭一次，也就是说涉及到四冲程内燃机。另外还设置有一个流体动力学设备，该设备用于在燃烧室前提高进气容积内的压力，该进气容积通过进气门与燃烧室作用连接。此外，所述往复活塞式内燃机还具有一个用于燃油喷射的设备以及一个节气门，该节气门用于影响进气容积内的压力。此外，燃烧室还具有一个附加的增压阀，该增压阀将燃烧室与一个压缩空气罐连接，其中，增压阀通过凸轮轴与曲轴作用连接。另外还存在这样一种机构，该机构用于断开增压阀与曲轴之间的机械式作用连接，使得增压阀在活塞的多个冲程循环期间能被关闭。
该已知往复活塞式内燃机的缺点是：所得到的整个***具有很高的复杂性以及产生很高的费用。
例如由欧洲专利文献EP 1 856 388 B1公开了一种用于克服柴油内燃机的涡轮空穴(Turboloch，涡轮迟滞)的类似设备。然而与WO2011/015336 A1不同，在这个公开文献中，压缩空气罐并非通过内燃机内部的燃烧室填充压缩空气，而是通过一个外部的、由曲轴驱动的压缩机(填充压缩空气)。此外，不是将压缩空气直接吹入往复活塞式内燃机的燃烧室内，而是在废气涡轮增压器与燃烧室之间吹入到进气管中的一个吹入位置。由此，在EP 1 856 388 B1的实施例中公开了一种涡轮增压的、具有直列六个气缸的柴油内燃机，各气缸的进气歧管连接在一集流管上，其具有连接法兰，一个新鲜气体管道段以其用于流出的第二端接头连接在该连接法兰上。用于流入的第一端接头则通过一根导管与增压空气冷却器的排气口联接，该空气冷却器的进气口通过一根导管与涡轮压缩机的排气口联接。一个空气滤清器以一根导管与涡轮压缩机的进气口连接。涡轮压缩机构成了废气涡轮增压器的一个部分，该废气涡轮增压器的废气涡轮以其进气口连接在排气总管的排气口上。涡轮压缩机和废气涡轮固定在一根共同的轴上。燃烧室通过排气管道连接在排气总管上。废气涡轮的排气口与排气管联接在一起。通过喷嘴实施对气缸的燃料供应，通过电子控制单元实施对所述喷嘴的调节。加速踏板的接口连接在电子控制单元的一个接口上。控制单元的另一个电气接口与新鲜气体管道段的电气接口联接在一起。新鲜气体管道段具有一个压缩空气接口，该压缩空气接口连接在压缩空气罐的排出接口上。压缩空气罐的供应接口通过导管连接在空气压缩机的压缩空气接口上。在该导管内安装有一个压力调节器和一个空气干燥器。空气压缩机具有一个吸气管接头，该吸气管接头设置有一空气滤清器。空气压缩机的轴通过带传动与涡轮增压的柴油内燃机的曲轴相连接。
为了改善加速排放性能，在专利EP 1 856 388 B1中提出下述方法：
＞测定扭矩要求信号并将数据传输给电子控制单元，
＞测定发动机特性值并将数值传输给电子控制单元，
＞测定节气门的位置并将数值传输给电子控制单元，
＞测定在第一端接头与节气门或者第二端接头与节气门之间在新鲜气体管道段的内腔中的空气压力并将压力值传输给电子控制单元，
＞测定在气缸进气门与节气门之间在进气歧管的内腔中的空气压力并将压力值传输给电子控制单元，以及测定在节气门与涡轮压缩机之间在进气歧管的内腔中的空气压力并将压力值传输给电子控制单元，
＞为了产生用于开启/关闭暂时吹入进气歧管内的压缩空气阀的操作输出信号，在电子控制单元中对上述数据和测量值进行处理，以及
＞在吹入开始时向着“关闭”方向和在吹入结束时向着“开启”方向同时操作节气门。
该现有技术具有的缺点是：所述运行方法是针对于自行点火内燃机优化的。
发明内容
本发明的目的是，提出一种用于运行具有废气涡轮增压器的外源点火内燃机的方法，同时在压缩空气消耗量最小的情况下使得对内燃机的扭矩额定值突变的反应时间最小化。
这个目的通过在权利要求1特征部分所述的方法步骤得以实现。
通过本发明的方法，在压缩空气消耗量最小的情况下明显地使得对内燃机的扭矩额定值突变的反应时间最小化。
为实现这一目标，而提出了下述按照本发明的用于运行具有废气涡轮增压器的外源点火内燃机的方法(其包括权利要求1前序部分所述特征)：
-提高对内燃机的扭矩要求，
-开启空气吹入阀并通过控制单元持续地测量第一和第二气体压力p1、p2，
-最早随着空气吹入阀的开启通过控制单元关闭节气门，或者，一旦第二压力p2超过第一压力p1，便通过控制单元关闭节气门，
-通过控制单元计算输送到内燃机中的第一气体质量流量以及计算与所期望的扭矩相应的第二气体质量流量，
-一旦第一气体质量流量大于第二气体质量流量，便将点火角往迟后方向移动，
-一旦第一气体质量流量与一个系数ezw,min相乘等于第二气体质量流量，便缓慢地关闭空气吹入阀，
-一旦废气涡轮增压器达到限定的转速，便完全关闭空气吹入阀，
-一旦第一气体压力p1等于第二气体压力p2，便通过控制单元开启节气门，
-以常规方式运行内燃机。
在从属权利要求中对本发明方法的一些有益发展设计作了说明。
若在用于压缩机的新鲜空气道内设置有能够利用溢流阀封闭的压缩机旁路用以绕过压缩机，则提出如权利要求2所述的下列进一步的方法步骤：
-一旦压缩机达到喘振界限，便通过控制单元开启溢流阀。
通过如权利要求3所述的下列方法步骤实现这个方法的又一发展设计：
-通过控制单元调节或者控制所述溢流阀，使得压缩机不超过喘振界限。
通过两个最后提到的方法步骤防止了：压缩机超过其喘振界限并因此基于压力特性而进入喘振范围(Pumpbereich)之中。
根据权利要求4通过下列方法步骤产生了本发明的方法的又一发展设计：
-通过控制单元按下述方式持续控制或调节燃料***：将接近化学计算的燃料/空气比持续地提供给内燃机用于燃烧。
通过这个按照本发明的方法步骤防止了：例如排放未经燃烧的碳氢化合物。通过使用三元催化转化器，可以将内燃机的排放降至最小程度。所说接近化学计算的燃料/空气比，应理解为在大约0.97至1.03范围内的燃料/空气比，这在实际运行中可视为化学计算的。
附图说明
下文将参照两个附图进一步详细地阐述本发明。
图1示意性地示出了用于实施本发明方法的按照本发明的往复活塞式内燃机的构造；
图2a示出了在扭矩额定值突变时往复活塞式内燃机的平均压力的额定值与实际值的第一曲线图；
图2b示出在了扭矩额定值突变时增压压力、进气管压力和按比例缩放的废气涡轮增压器转速的第二曲线图；
图2c示出了通过空气吹入阀的质量流量、通过节气门进入往复活塞式内燃机的质量流量的第三曲线图；
图2d示出了节气门的、空气吹入阀的和点火角滞后的执行器信号的第四曲线图。
具体实施方式
图1示意性地示出了用于实施本发明的方法的按照本发明的往复活塞式内燃机1的构造。在本实施例中，内燃机1具有两个示意性地通过两个大的、未标注附图标记的圆所表示的气缸。在所述圆内具有四个较小的、同样未标注附图标记的圆，代表着两个换气进气门和两个换气排气门。对于每个气缸，在换气门之间象征性地通过一个闪电符号示出点火装置。
通过一个标注有附图标记13的电子控制单元，可以使点火角相对曲柄转角位置往早前或者往迟后方向调节移动。另外，为了运行内燃机而设置有燃料***19。针对每个气缸设置有一个未标注附图标记的燃料喷射器，示意性地通过一个三角形示出。
为了给内燃机1供应新鲜空气而设置有一个新鲜空气道6，以及为了排出废气而设置有一个排气道4。在排气道4和新鲜空气道6中设置有一个废气涡轮增压器2。废气涡轮增压器2的涡轮3设置在排气管路4内，废气涡轮增压器2的压缩机5设置在新鲜空气道6内。另外，废气净化设备18(例如催化转化器或颗粒过滤器)位于排气管路4内，沿着通过箭头示出的废气流动方向在涡轮3之后。为了使废气绕开涡轮3，另外还设置有涡轮旁路16，其具有设置在该涡轮旁路16内的第三封闭元件17，例如废气活门。在另一个实施例中也可以省却涡轮旁路16。
在新鲜空气侧，新鲜空气在新鲜空气道6内首先流过一个未单独标注附图标记的进气道消音器、继而流过压缩机5以及继而流过一个增压空气冷却器20。沿着新鲜空气的流动方向，在增压空气冷却器20之后设置有一个用于调节流入内燃机中用以燃烧的新鲜空气量的节气门9。在节气门9之后，新鲜空气流入一个未标注附图标记的进气歧管以及继而流过换气进气门进入气缸中。另外，为压缩机5设置有一个具有溢流阀7的压缩机旁路8，用于使新鲜空气绕过压缩机5。在另一个实施例中也可以省却压缩机旁路8。
例如，为了有效地克服所谓的“涡轮空穴”，而设置有一个压缩空气吹入设备10，该压缩空气吹入设备主要包括一个压力罐11、一个与该压力罐11导气地作用连接的压缩空气吹入阀12。
可以通过电子控制单元13(例如发动机控制器)来操控空气吹入阀12，使得该空气吹入阀12能够符合需要地开启和关闭。溢流阀7也可以由控制单元13操控，用以开启和关闭压缩机旁路7。另外，节气门9也可以由控制单元13操控，用以受控制地或受调节地进行开启或关闭。为了实施本发明的方法，另外在压缩机5与节气门9之间设置有一个压力测量点以及另外在节气门9与内燃机1之间设置有第二压力测量点。第一压力标注为p1，第二压力标注为p2。在控制单元13中对两个压力信号进行处理。
尽管当今内燃机1的几乎所有参数都能够被模型化地或者作为综合特性曲线存储在控制单元13中，仍可在另外的实施例中设置另外的传感器用于测量例如：
○压缩机5前的气体压力，
○压缩机5后的气体压力p1，
○进气管内的气体压力(即在节气门9之后)，p2，
○压力罐11内的气体压力，
○涡轮3前的气体压力，
○涡轮3后的气体压力，
○内燃机1的转速，
○废气涡轮增压器2的转速。
用于克服涡轮空穴的空气量需求与用于操纵节气门9、空气吹入阀12、溢流阀7所采用的调节策略和点火时刻密切相关。本发明的调节策略的目标是实现对所要求的扭矩额定值突变的尽可能快速的回应。同时应该将空气量消耗保持得尽可能小。所述扭矩额定值突变例如可能由机动车驾驶员或者在混合动力车的情况中由控制器导致。
因此，为了在最小的空气消耗量的情况下使得对内燃机的扭矩额定值突变的反应时间最小化，下列执行器及控制信号可供使用：
针对用于消除涡轮空穴的间接空气吹入措施，如已经在上面述及的那样，已经开发了调节策略。然而在此所提供的本发明的调节策略可导致明显更低的空气需要量。图2a至2d示出了在借助本发明的间接空气吹入措施克服涡轮空穴时一些最为重要的参量在模拟中所测定的变化曲线。
在图2a中示出了扭矩额定值突变时内燃机1的平均压力的额定值和实际值的第一曲线图。
在图2b中示出了扭矩额定值突变时内燃机1的增压压力pl(压缩机后的压力)、进气管压力psr和按比例缩放的涡轮压缩机转速ωtl的第二曲线图。
在图2c中示出了在扭矩额定值突变时流过空气吹入阀12的质量流量mbv、流过节气门9的质量流量mdk和流入内燃机1内的质量流量mβ。
在图2d中是节气门9的执行器信号udk、空气吹入阀12的执行器信号ubv和点火角的执行器信号uzw。
在本发明提出的调节策略中，有意识地将进气管(在节气门9与换气进气门之间的区域)填充过满，以便达到比内燃机1所需更大的空气质量流量。为了尽管如此仍能实现所期望的扭矩，使点火角往迟后方向移动。这种策略的优点在于提高了废气焓，该提高的废气焓导致废气涡轮增压器加速度的提升。因此可以缩短空气吹入的持续时间。在所期望的扭矩额定值突变时本发明调节策略的内容具体如下：
1.节气门9和空气吹入阀12完全开启：
为了实现内燃机1尽可能快速的扭矩形成(扭矩建立)，必须尽可能快速地提高进气管压力psr。通过开启空气吹入阀12和节气门9可以达成这一点；
2.一旦集气管压力psr大于增压压力pl，便关闭节气门：
一旦集气管压力psr大于增压压力pl，便立刻关闭节气门9，以防止空气泄漏/损失到进气道中以及压缩机5的抽吸/喘振(CompressorSurge)，该抽吸/喘振由于吹入的空气从进气管经节气门9回流到压缩机5而出现。
3.一旦通过内燃机1的质量流量mβ大于通过内燃机1的所期望的质量流量mβ，soll，便使点火角往迟后方向位移：
为了尽管有大的质量流量依然能获得所期望的扭矩，使点火角往迟后方向位移。变量mβ，soll与为了在无点火角调节的情况下实现所期望扭矩pme，soll所需的质量流量相符。在图2a至2d中这一点发生在t≈0.15秒。
4.如果需要的话：一旦压缩机5达到喘振界限，便开启溢流阀7：
如果压缩机5上的压力特性(压力比)对于目前的压缩机质量流量来说接近喘振界限，则将溢流阀7开启，以防止压缩机5的抽吸/喘振。由此引起的空气质量流失导致压缩机5上压力比的降低。借助溢流阀7这样地调节质量流失，使得压力比略微低于喘振界限。因此压缩机5的运转点沿着喘振界限运动。
在图2a至2d的负载跃变中不需要溢流阀7。所以未示出其变化曲线。
5.一旦通过内燃机的质量流量mβ＝mβ,soll/ezw,min，便缓慢地关闭空气吹入阀12：
虽然应该将进气管过满填充，然而质量流量mβ不应该超过值mβ,max＝mβ,soll/ezw,min，因为否则只通过点火角调节就不再能够实现所期望的扭矩。为了实现这一点，对通过空气吹入阀12进入进气管的流入进行控制。在图2a中这一点发生在t≈0.21秒。变量ezw,min表示热力学效率的降低，可以通过调节点火角最大程度地实现该降低。在所示出的实施例中其数值选择为等于ezw,min＝0.66。
6.一旦废气涡轮增压器2的转速ωtl大于0.9×ωtlsoll，便完全关闭空气吹入阀12：
一旦废气涡轮增压器2接近额定转速，便关闭空气吹入阀12。接着将进气管排空。
7.一旦进气管压力psr等于增压压力pl，便开启节气门：
一旦进气管压力psr降低到增压压力pl的水平，就重新开启节气门9。
在图2a至2d中所示出的平均压力形成(平均压力建立)进行得极其迅速。在仅仅132毫秒内就达到额定平均压力pme,soll的90％。为了缓慢地构成平均压力上升，适合于使点火角往迟后方向移动。由此，废气焓得以附加提高，这样便导致了空气需求的降低。
因而，用于这种类型内燃机1的按照本发明的运行方法以有益方式用来在压缩空气消耗量最小的情况下将对内燃机1扭矩额定值突变的反应时间最小化。
附图标记列表
1. 内燃机
2. 废气涡轮增压器
3. 涡轮
4. 排气管路
5. 压缩机
6. 新鲜空气道
7. 溢流阀
8. 压缩机旁路
9. 节气门
10. 压缩空气吹入设备
11. 压力罐
12. 空气吹入阀
13. 控制单元
14. 第一气体压力测量点
15. 第二气体压力测量点
16. 涡轮旁路
17. 第三封闭元件
18. 废气净化设备
19. 燃料***
20. 增压空气冷却器
P1 第一气体压力
P2 第二气体压力
Psr 进气管压力
Pl 增压压力
Pme 有效平均压力
Pme,soll 所期望的平均压力(所期望的扭矩)
mα (在图2c中的附图标记)，与mdk相同
mβ 通过内燃机的质量流量
mβ,soll 通过内燃机的所期望的质量流量
mbv 通过空气吹入阀的质量流量
mdk 通过节气门的质量流量
Udk 控制信号节气门
Ubv 控制信号空气吹入阀
Uzw 控制信号点火角滞后
ωtl 废气涡轮增压器转速
ωtl,soll 额定废气涡轮增压器转速
ezw,min 通过点火角调节的热力学效率的最大降低
Claims (4)
1.用于运行外源点火的内燃机(1)的方法，所述内燃机包括：通过控制单元(13)控制的点火角调节机构；和废气涡轮增压器(2)，该废气涡轮增压器具有设置在用于内燃机(1)的废气的排气管路(4)内的涡轮(3)和设置在用于内燃机(1)的新鲜空气的新鲜空气道(6)内的压缩机(5)，其中，沿着新鲜空气的流动方向在压缩机(5)之后而在内燃机(1)之前设置有节气门(9)；以及压缩空气吹入设备(10)，其包括至少一个压力罐(11)并包含与该压力罐(11)导气地连接的且能由控制单元(13)开启和关闭的空气吹入阀(12)，用于将压缩空气在节气门(9)与内燃机(1)之间引入新鲜空气道(6)中，其中，在新鲜空气道(6)内测量压缩机(5)与节气门(9)之间的第一气体压力p1和节气门(9)与内燃机(1)之间的第二气体压力p2，并且节气门(9)能够通过所述控制单元(13)进行控制或者调节，
其特征在于包括下述方法步骤用以在压缩空气消耗量最小的情况下将对内燃机(1)的扭矩额定值突变的反应时间最小化：
-提高对内燃机(1)的扭矩要求，
-开启空气吹入阀(12)并通过控制单元(13)持续地测量第一和第二气体压力p1、p2，
-最早随着空气吹入阀(12)的开启通过控制单元(13)关闭节气门(9)，或者，一旦第二压力p2超过第一压力p1，便通过控制单元关闭节气门，
-通过控制单元(13)计算输送到内燃机(1)中的第一气体质量流量以及计算与所期望的扭矩相应的第二气体质量流量，
-一旦第一气体质量流量大于第二气体质量流量，便将点火角往迟后方向移动，
-一旦第一气体质量流量与一个系数ezw,min相乘等于第二气体质量流量，便缓慢地关闭空气吹入阀(12)，
-一旦废气涡轮增压器(2)达到限定的转速，便完全关闭空气吹入阀(12)，
-一旦第一气体压力p1等于第二气体压力p2，便通过控制单元(13)开启节气门(9)，
-以常规方式运行内燃机(1)。
2.如权利要求1所述的方法，其中，在用于压缩机的新鲜空气道内设置有能够利用溢流阀封闭的压缩机旁路用以绕过压缩机，其特征在于包括下述方法步骤：
-一旦压缩机(5)达到喘振界限，便通过控制单元(13)开启所述溢流阀(7)。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于包括下述方法步骤：
-通过控制单元(13)调节或者控制所述溢流阀(7)，使得压缩机(5)不超过喘振界限。
4.如权利要求1至3之任一项所述的方法，其中，设置有燃料***，其特征在于包括下述方法步骤：
-通过控制单元(13)按下述方式持续控制或调节所述燃料***(19)：将接近化学计算的燃料/空气比持续地提供给内燃机(1)用于燃烧。
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