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CN101846001B - 内燃发动机 - Google Patents

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Abstract

一种内燃发动机，具有：多个汽缸，这些汽缸各自配有至少一个进气门、至少一个排气门以及一个燃烧室；至少一个进气凸轮轴以及至少一个排气凸轮轴；用于致动进气门的一个可切换的进气门驱动器；用于致动排气门的一个可切换的排气门驱动器；一个排气系统，该排气系统设置有一个排气背压调节装置，用于根据运行点调整排气背压。该内燃发动机根据运行点通过压燃点火或通过火花点火运行，在压燃点火模式中借助排气背压调节装置可调整燃烧室中的剩余废气量。该排气门驱动器这样构造：使得为了选择式地致动对应的排气门而设置有多个凸轮，其中，至少一个用于设定多个排气门开放阶段的排气凸轮具有多个凸轮隆起。本发明还涉及一种运行该内燃发动机的方法。

Description

内燃发动机
技术领域
本发明涉及一种具有多个汽缸的内燃发动机，并且涉及一种用于运行这种内燃发动机的方法。
背景技术
DE 198 18 596 C5披露了用于运行一台奥托发动机的方法，通过该方法在部分负载范围内通过压燃点火的奥托发动机的运行得到了调节。在这种情况下，在一种压燃点火模式中，一个确定的废气量被保留在燃烧室中并且被压缩，在开始供给新鲜空气之前一定量的燃料被喷射进入这个被压缩的废气量中。在这种情况下，所保留的废气量借助于一个排气保持活门来调节。
发明内容
本发明所基于的目的是提供具有改进的燃烧的一种内燃发动机，该发动机根据运行点以压燃点火或以火花点火来运行。根据本发明，这一目的是通过一种内燃发动机来实现的。
根据本发明，提出一种内燃发动机，具有：多个汽缸，这些汽缸各自配有至少一个进气门、至少一个排气门以及一个燃烧室；至少一个进气凸轮轴以及至少一个排气凸轮轴；用于致动这些进气门的一个可切换的进气门驱动器；用于致动这些排气门的一个可切换的排气门驱动器；和一个排气系统，该排气系统设置有一个排气背压调节装置，用于根据运行点调整排气背压；其中，该内燃发动机根据运行点通过压燃点火或通过火花点火来运行，并且，在该压燃点火模式中，借助该排气背压调节装置能够调整燃烧室中的剩余废气量，其中，该排气门驱动器这样构造：使得为了选择式地致动对应的排气门而设置有多个凸轮，其中，至少一个用于设定多个排气门开放阶段的排气凸轮具有多个凸轮隆起。
根据本发明，还提出一种用于运行该内燃发动机的方法，其中，该内燃发动机在压燃点火模式中通过一个排气凸轮来运行，通过该排气凸轮发生一个第一排气门开放阶段以及一个第二排气门开放阶段，该第二排气门开放阶段在一个进气门开放阶段的过程中开始，并且，在该压燃点火模式的第一运行点处，燃烧室中的剩余废气量根据在一个换气过程中在进气门与排气门之间设定的气门负交叠来确定大小，在该压燃点火模式的一个第二运行点处，燃烧室中的剩余废气量根据该第二排气门开放阶段的持续时间来确定大小。
根据本发明的内燃发动机的独特之处在于，排气门驱动器这样构造：使得为了选择式地致动各个排气门设置有多个凸轮，其中，至少一个用于设定多个排气门开放阶段的排气凸轮具有多个凸轮隆起。结果是，可以控制保留在内燃发动机的燃烧室中的废气量，其方式为特别是当该内燃发动机是处于压燃点火模式时实现优化的燃烧过程。此外，通过根据本发明的内燃发动机可以实现将压燃点火模式扩展到更多的运行点上，从而获得了一个带有自点火的扩张的运行特性曲线族。优选地，该内燃发动机被设计为一种奥托(Otto)发动机，其中所使用的燃料是汽油。
根据本发明的进一步的改进，用于设定多个排气门开放阶段的排气凸轮被设计为双凸轮。通过使用一个排气侧的双凸轮，根据本发明的这些进气门以及这些排气门可以在一个压燃点火模式过程中得到控制，使得将一个确定的废气量从该排气系统中吸出而返回到燃烧室之中。通过使用一个可切换的进气门驱动器并且通过使用一个可切换的排气门驱动器，这些进气门以及排气门均以不同的控制时间以及不同的阀门升程来运行(取决于内燃发动机的运行点)，从而在该内燃发动机的燃烧室中对于对应的运行点设定一个必要的废气量。
根据本发明的一个改进，该排气背压调节装置被设计为一个无级控制的排气活门并且在排气系统中被定位在一个排气催化转化器的下游。根据本发明对排气活门的定位导致了在一个排气歧管内的一个均匀的排气背压的设定，这样就可以预测对应的运行点所必需的、在燃烧室中的废气量的设定。
根据本发明的一个有利的改进，该排气活门在该排气系统中被定位在进入一个排气涡轮机的入口的上游处。特别是当使用一个排气涡轮增压器时，该排气活门的定位发生在该排气涡轮机入口的上游。结果是，实现了在该内燃发动机的排气歧管中的一个均匀的排气背压的可靠的设定。可替代地，该排气背压调节装置被设计为一个排气涡轮增压器的一个整体组成部分，该排气背压的设定能够借助于一个排气涡轮增压器的可变涡轮几何特征来实现。因此，该排气活门是可以省却的。
根据本发明的一个进一步的改进，可以设定一个第一排气门开放阶段以及一个第二排气门开放阶段，该第二排气门开放阶段在一个进气门开放阶段的过程中开始。因此，在一个燃烧循环过程中，在一个排放冲程之后，一个确定的新鲜空气量在一个进气门开放阶段的过程中被首先供给该燃烧室，该排气门在该进气门开放阶段的过程中被再次打开，从而一个确定的废气量被吸回到该燃烧室之中。作为被吸回的废气量的结果，实现了一种均化的混合物，从而发生了混合物的一种有利的自动点火。此外，可以实现将压燃点火运行扩展到该内燃发动机的特性曲线族的多个宽范围上。
根据本发明的一种有利的改进，该排气门驱动器具有一个滑动凸轮装置。这样一个滑动凸轮装置使得能够在该排气侧上安排不同的凸轮，这样使得能够根据内燃发动机的运行点不同而从压燃点火运行迅速转换到火花点火运行。优选地，该进气门驱动器同样具有一个滑动凸轮装置，通过该滑动凸轮装置，同样实现了内燃发动机的从一种压燃点火模式到一种火花点火模式的迅速而可靠的转变。
根据本发明，该排气侧滑动凸轮装置具有至少一个双凸轮，用于设置两个排气门开放阶段。优选地，设计该排气侧滑动凸轮装置的方式为在该排气侧上的每个阀门处设置三个凸轮。对应的阀门可以由此被这三个凸轮之一致动。对应凸轮的选择可以依据运行点来进行。为了设定两个排气门开放阶段，这些凸轮中的至少一个设置有双凸轮，通过该双凸轮使该排气门的两次开放成为可能。其结果是，在进气门开放阶段的过程中，可以从该排气系统中吸出一个确定的废气量并返回到该内燃发动机的燃烧室之中。
根据本发明的另一个方面，提供了用于运行内燃发动机的一种方法。因此，该内燃发动机通过一个排气凸轮在压燃点火模式下运行，通过该排气凸轮，发生了一个第一排气门开放阶段以及一个第二排气门开放阶段，该第二排气门开放阶段在一个进气门开放阶段的过程中开始，并且，在该压燃点火模式的一个第一运行点处，在该燃烧室中的剩余废气量根据在一个换气过程中在进气门与排气门之间设定的气门负交叠(Ventilunterschneidung)来确定大小；并且，在压燃点火模式的一个第二运行点处，该燃烧室内的剩余废气量根据该第二排气门开放阶段的持续时间来确定大小。其结果是，可以实现压燃点火式操作扩展到内燃发动机特性曲线族的多个宽范围上。优选地，该内燃发动机在从该第一运行点到该第二运行点的转换过程中通过火花点火来运行，并且反之亦然。
根据本发明的一个有利的改进，燃烧室中的剩余废气量依据该排气背压调节装置的位置来确定大小。因此发生了在该燃烧室中对于对应的运行点必要的废气量的一个准确的设定。
附图说明
应该认识到，以上提到的这些特征以及仍有待在以下说明的那些特征不仅能够以各种所说明的组合使用，而且还可以在其他组合中使用或单独使用，而不脱离本发明范围。本发明的更多特征将在从属权利要求、随后的说明以及附图中获悉，在附图中：
图1示出了根据一个第一示例性实施方案的一台内燃发动机的一个示意性图示，
图2示出了根据一个第二示例性实施方案的一台内燃发动机的一个示意图，
图3示出了根据图1或图2的一台内燃发动机的发动机特性曲线族的一个示意性图示，
图4示出了根据图1或图2的一台内燃发动机的滑动凸轮装置的多个进气凸轮以及多个排气凸轮的一个示意性图示，
图5示出了图4的进气门以及排气门的凸轮形状的截面视图，
图6示出了由图4的进气凸轮以及排气凸轮致动的进气门以及排气门的升程特征曲线的一个示意性图示，
图7示出了在排气回吸过程中进气门以及排气门的升程特征曲线的一个示意性图示，
图8示出了在排气保留过程中进气门以及排气门的升程特征曲线的一个示意性图示，
图9示出了在一个低负荷的范围内，对于一个运行点的进气门和排气门的阀门升程特征曲线的一个图示，
图10示出了在一个非满负荷范围内，对于一个运行点的进气门和排气门的阀门升程特征曲线的一个图示，
图11示出了在一个非满的中等负荷范围内，对于一个运行点的入口和排气门的阀门升程特征曲线的一个图示，并且
图12示出了在一个高负荷范围内，对于一个运行点的进气门和排气门的阀门升程特征曲线的一个图示。
具体实施方式
图1示意性地展示了一台内燃发动机1，该内燃发动机包括：一个吸入系统2、多个汽缸3、一个排气歧管4、一个排气催化转换器5、被设计为排气活门6的一个排气背压调节装置、以及一个排气管线7。在内燃发动机1的每个汽缸3内一个活塞(未展示)被导向，该活塞被保持为纵向可移位并且在该活塞与一个汽缸盖之间(未展示)形成一个燃烧室。内燃发动机1的燃烧室在上方由该汽缸盖关闭，该活塞在下方界定了燃烧室。内燃发动机1包括每个燃烧室的至少一个进气门、至少一个排气门、一个燃料喷射器、以及一个点火源，该点火源优选地被配置为一个火花塞。
根据本发明的一个第一形式，排气活门6被定位在内燃发动机1的排气管线7中一个催化转换器5的下游。根据本发明的一个第二示例性实施方案，内燃发动机1包括一个排气涡轮增压器10，该排气涡轮增压器具有一台涡轮机8以及一台压缩机9。根据该第二示例性实施方案，排气活门6被定位在进入涡轮机8的入口的上游。根据本发明的内燃发动机1根据该负荷点通过压燃点火或通过火花点火来运行。特别是当使用排气涡轮增压器10时，排气活门6定位在该排气涡轮机入口的上游。结果是，在该内燃发动机的排气歧管中获得了一个均匀排气背压的可靠的设定。可替代地，该排气背压调节装置被设计为排气涡轮增压器10的一个整体组成部分，该排气背压的调整可借助于排气涡轮增压器10的可变涡轮几何特征来进行。因此，排气活门6可以省却。根据本发明，该内燃发动机的运行涉及根据图1和图2的内燃发动机的第一实施形式和第二实施形式。
图3描述了内燃发动机1的不同的运行点范围。在根据特性曲线族区域A的一个低负荷范围中，内燃发动机1通过火花点火方式来运行。在根据特性曲线族区域B的一个低负荷范围中并且在根据特性曲线族区域C的一个低中负荷范围中，内燃发动机1以压燃点火的模式来运行。相比之下，在根据特性曲线族区域D的一个高负荷范围中，内燃发动机1通过火花点火方式来运行。
由内燃发动机1的空气吸入系统2吸入新鲜的空气并且将其供给对应的燃烧室。在每次燃烧后形成的排气通入排气歧管4并且此后到达排气催化转换器5，在排气歧管4内通过排气活门6设定一个排气背压。内燃发动机1按照四冲程的原理运行，并且在此情况下它能够根据负荷点作为一台奥托发动机、也就是说通过火花点火来运行，或者以压燃点火模式来运行。在压燃点火模式中，燃烧通过自动点火来启动。在一个四冲程的方法中，一个冲程对应于一个完整的活塞冲程。内燃发动机1的运行循环(包括四个冲程)对应于一个燃烧周期，一个燃烧周期在换气上止点处开始于一个进气阶段。在该进气阶段的过程中，将新鲜空气供给该燃烧室，进气阶段延伸至下止点。在该进气阶段的过程中，燃料通过定位在燃烧室内的燃料喷射器被喷射到该燃烧室之中。在该进气阶段的过程中，燃料与被吸入的新鲜空气混合，从而形成了一种燃料/空气混合物。随后，在一个压缩阶段的过程中，所形成的混合物被压缩，该压缩阶段延伸至点火上止点ITDC。该混合物通过自点火或者通过一种火花点火(取决于该内燃发动机的运行点)而被引燃并且燃烧。
为了致动进气门(未展示)，根据本发明的内燃发动机1具有一个滑动凸轮装置(未展示)，通过该装置，对应进气门的致动根据运行点不同而分别通过一个不同的进气凸轮进行。为此目的，根据图4，设置了三个进气凸轮E1、E2以及E3，通过它们可以设定进气门的不同的阀门升程。此外，为了致动排气门，内燃发动机1同样具有一个滑动凸轮装置(未展示)，该滑动凸轮装置具有三个不同的排气凸轮A1、A2以及A3，该排气门由一个排气凸轮致动(取决于该负荷点)。由此，可以设定不同的排气门升程。例如，可以根据公开文件EP 0 798 451 B1来执行排气侧以及进气侧滑动凸轮装置的致动。
根据图5，排气凸轮A3具有一个第一凸轮11以及一个第二凸轮12，通过这两个凸轮，当排气门被排气凸轮A3致动时，根据图6以及图7实现两个排气门开放阶段。当该排气门被排气凸轮A3致动时，由凸轮11进行的排气门的致动发生在排放冲程过程中并且导致一个第一排气门开放阶段13，其后跟随着由凸轮12进行的一个第二排气门开放阶段15，第二排气门开放阶段15在一个进气门开放阶段14的过程中发生或者开始。排气凸轮A3的双凸轮构形的结果是，在该内燃发动机的一个确定运行点处，排气可以被从排气歧管区域回吸到燃烧室之中，因为，在排气门开放阶段15的过程中，与在排气歧管4中占主导的排气压力相比较，在燃烧室中存在一个负压。
图6展示了通过对应的进气凸轮或者排气凸轮的运行而实现的多个阀门升程特征曲线。在一个第一特性曲线族区域A中，内燃发动机1通过火花点火方式运行，该进气侧上的滑动凸轮装置被设定的方式为使得这些进气门是由凸轮E1来致动。在这个特性曲线族区域A中，排气门是由排气凸轮A2来致动。这在排气侧上以及在进气侧上引起了图9所展示的阀门升程特征曲线。优选地，内燃发动机1在低负荷的情况下通过特性曲线族区域A来运行，例如在内燃发动机1的空转状态的过程中。
此外，根据图10，在一个特性曲线族区域B中，内燃发动机是以一种压燃点火模式来运行，在此进气侧上的滑动凸轮装置被致动的方式是使得进气门被进气凸轮E1致动。排气门被排气凸轮A1致动。此外，根据本发明的内燃发动机在进气侧上以及排气侧上各具有一个凸轮轴调节器，从而可以改变这些进气门以及这些排气门的控制时间。例如，在特性曲线族区域B中，这些排气门以及这些进气门的控制时间16和18被设定的方式是使得这些排气门的关闭时间点较早，从而在燃烧室中保留一定的废气量。进气门E1的开放时间点是相应地较晚的，从而在燃烧室中保留了该必要的废气量。在此，在排气门与进气门之间设定了气门负交叠17。
图11展示了在特性曲线族区域C中内燃发动机的运行，其中，在进气侧上，设定了用于运行进气门的进气凸轮E2。为了致动排气门，设置了排气凸轮A3，该排气凸轮具有第一凸轮11以及第二凸轮12。当由进气侧上以及排气侧上的这些凸轮轴调节器设定了相应的控制时间时，在该特性曲线族区域C中不发生废气保留。为了在燃烧室中设定足够的废气用于压燃点火，在特性曲线族区域C中将排气从排气歧管4中吸回，这通过第二排气门开放阶段15实现。在高负荷范围中，内燃发动机1根据特性曲线族区域D通过火花点火来运行，根据图12，将凸轮E3设置在进气侧上而凸轮A2设置在排气侧上，用于在特性曲线族区域D中的运行。
根据本发明，内燃发动机1可以用汽油运行，在这种情况下内燃发动机1可以作为一个增压的奥托发动机来运行。根据本发明的滑动凸轮装置在进气侧上以及在排气侧上的配置使得能够在特性曲线族区域B以及C中通过废气保留和废气回吸利用自动点火来运行内燃发动机1，内燃发动机1在从特性曲线族区域B到C的特性曲线族转换过程临时通过火花点火来运行，并且反之亦然。在此，在进气侧上是由进气凸轮E2并且在排气侧上由排气凸轮A2使内燃发动机1运行。通过根据本发明来配置内燃发动机1，燃料消耗得到优化并且废气排放物被减到最小。根据本发明的内燃发动机1使得能够使汽油自动点火扩展到一个宽的特性曲线族范围上，该范围迄今为止是不可能的。通过根据本发明来运行内燃发动机1，实现了燃料消耗以及废气排放物的减少，同时，具体地讲，在该内燃发动机的效率优化的运行过程中使氮氧化物的排放物减为最小。
本发明涉及一台内燃发动机1，该内燃发动机带有多个汽缸3，这些汽缸各自配有至少一个进气门、一个排气门以及一个燃烧室；带有被连接到一个凸轮轴调节器上的一个进气凸轮轴；带有被连接到一个凸轮轴调节器上的一个排气凸轮轴；带一个可切换的进气门驱动器，该进气门驱动器具有用于致动对应的进气门的多个进气凸轮；带有一个可切换的排气门驱动器，该排气门驱动器具有用于致动对应的排气门的多个排气凸轮；并且带有一个排气系统。内燃发动机1根据运行点通过压燃点火或通过火花点火来运行。为此目的，在该燃烧室中设定了用于压燃点火的一定的剩余废气量。此外，该内燃发动机根据运行点通过一个排气凸轮来运行，通过该排气凸轮产生了一个第一排气门开放阶段以及一个第二排气门开放阶段，该第二排气门开放阶段在一个进气门开放阶段的过程中开始。在压燃点火模式中的一个第一运行点处，燃烧室中的剩余废气量根据在一个换气过程中设定在进气门与排气门之间的气门负交叠来确定大小；在压燃点火模式中的一个第二运行点处，燃烧室中的剩余废气量根据该第二排气门开放阶段的持续时间来确定大小。

Claims (14)

1.内燃发动机，具有：多个汽缸，这些汽缸各自配有至少一个进气门、至少一个排气门以及一个燃烧室；至少一个进气凸轮轴以及至少一个排气凸轮轴；用于致动这些进气门的一个可切换的进气门驱动器；用于致动这些排气门的一个可切换的排气门驱动器；和一个排气系统，该排气系统设置有一个排气背压调节装置，用于根据运行点调整排气背压；其中，该内燃发动机根据运行点通过压燃点火或通过火花点火来运行，并且，在该压燃点火模式中，借助该排气背压调节装置能够调整燃烧室中的剩余废气量，其特征在于，该排气门驱动器这样构造：使得为了选择式地致动对应的排气门而设置有多个凸轮，其中，至少一个用于设定多个排气门开放阶段的排气凸轮具有多个凸轮隆起，并且，该排气门驱动器这样构造：使得能够设定一个第一排气门开放阶段以及一个第二排气门开放阶段，该第二排气门开放阶段能够被设定在一个进气门开放阶段的过程中。 
2.根据权利要求1所述的内燃发动机，其特征在于，用于设定多个排气门开放阶段的排气凸轮构造为双凸轮。 
3.根据权利要求1或2所述的内燃发动机，其特征在于，该排气背压调节装置构造为排气活门并且该排气系统中被定位在排气催化转化器的下游。 
4.根据权利要求1或2所述的内燃发动机，其特征在于，该排气背压调节装置在排气系统中被定位排气涡轮机的进口的上游。 
5.根据权利要求1所述的内燃发动机，其特征在于，该排气背压调节装置构造为一个排气涡轮增压器的整体组成部分，该排气背压的调整借助排气涡轮增压器的可变涡轮几何特征进行。 
6.根据权利要求1或2所述的内燃发动机，其特征在于，该排气门驱动器具有一个滑动凸轮装置。 
7.根据权利要求1或2所述的内燃发动机，其特征在于，该进气门驱动器具有一个滑动凸轮装置。 
8.根据权利要求1或2所述的内燃发动机，其特征在于，该进气凸轮轴以及该排气凸轮轴各连接到一个凸轮轴调节器上。 
9.用于运行根据权利要求1至8之一所述的内燃发动机的方法，其特征在于，该内燃发动机在压燃点火模式中通过一个排气凸轮来运行，通过该排气凸轮发生一个第一排气门开放阶段以及一个第二排气门开放阶段，该第二排气门开放阶段在一个进气门开放阶段的过程中开始，并且，在该压燃点火模式的第一运行点处，燃烧室中的剩余废气量根据在一个换气过程中在进气门与排气门之间设定的气门负交叠来确定大小，在该压燃点火模式的一个第二运行点处，燃烧室中的剩余废气量根据该第二排气门开放阶段的持续时间来确定大小。 
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，该内燃发动机在从该第一运行点到该第二运行点的转换过程中通过火花点火来运行，反之，在从该第二运行点到该第一运行点的转换过程中也通过火花点火来运行。 
11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，该排气系统配备有一个排气背压调节装置，通过该排气背压调节装置，根据运行点来改变该排气系统的排气歧管中的排气背压。 
12.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，燃烧室中的剩余废气量根据该排气背压调节装置的位置来确定大小。 
13.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，在该压燃点火模式的第二运行点处这样控制这些进气门以及这些排气门：使得从该排气系统中将一个确定的废气量回吸到燃烧室之中。 
14.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，该排气门驱动器以及该进气门驱动器这样构造：使得根据运行点在排气侧和进气侧分别设定不同的阀门升程和/或不同的控制时间。 
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