用于執(zhí)行內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中的充氣交換的方法
【專利說明】用于執(zhí)行內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中的充氣交換的方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉參考
[0002]本申請(qǐng)要求2014年3月24日提交的德國(guó)專利申請(qǐng)N0.102014205414.1的優(yōu)先權(quán)，其整體內(nèi)容通過引用合并于此以用于所有的目的。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本申請(qǐng)涉及執(zhí)行內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中的充氣交換的方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0004]發(fā)動(dòng)機(jī)可使用渦輪增壓器或機(jī)械增壓器來提高發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩/功率輸出密度并最小化燃料消耗。在一個(gè)示例中，渦輪增壓器可包括壓縮機(jī)和由驅(qū)動(dòng)軸連接的渦輪，其中渦輪被耦合到排氣歧管側(cè)，并且壓縮機(jī)被耦合到進(jìn)氣歧管側(cè)。然而，在低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的條件下，由于排氣質(zhì)量流量的降低隨后可能降低渦輪壓力比，這樣的機(jī)械增壓或渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)可能會(huì)經(jīng)歷扭矩下降。
[0005]解決在低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速條件下的扭矩下降問題的一個(gè)方法是通過例如可變氣門正時(shí)來改變氣門重疊。另一種方法是使用具有小渦輪橫截面的排氣渦輪增壓器或使用多個(gè)排氣渦輪增壓器。
[0006]本發(fā)明人在此已經(jīng)認(rèn)識(shí)到伴隨上述系統(tǒng)的各種問題。例如，在氣門重疊期間，可能會(huì)發(fā)生掃氣損失(scavenging losses)，其可能阻擋新鮮空氣的完全充氣進(jìn)入汽缸并參與燃燒，從而降低功率輸出。此外，由于在活塞朝向上止點(diǎn)移動(dòng)時(shí)與氣門鄰近，因此需要克服在低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下的扭矩虧缺的大氣門重疊可能在具有高壓縮比的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(如柴油發(fā)動(dòng)機(jī))中并不可行。具有較小橫截面的排氣渦輪增壓器可能能夠在低排氣流速下產(chǎn)生進(jìn)氣壓力，但可能因此使扭矩下降進(jìn)一步朝向較低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]至少部分地解決上述問題的一種方案是一種方法和系統(tǒng)，其包括:在包括活塞的燃燒室的充氣交換期間，將至少一個(gè)排氣門打開到最大氣門升程；在充氣交換期間，在活塞到達(dá)燃燒室的上止點(diǎn)之前，致動(dòng)至少一個(gè)進(jìn)氣門，以執(zhí)行附加的進(jìn)氣門升程，使得進(jìn)氣壓力大于排氣壓力；然后在充氣交換過程期間，將至少一個(gè)入口氣門打開到最大氣門升程，并且在充氣交換期間，在活塞到達(dá)下止點(diǎn)之前，致動(dòng)至少一個(gè)排氣門，以執(zhí)行附加的排氣門升程，使得進(jìn)氣壓力大于排氣壓力。以這種方式，在一個(gè)示例中，附加的氣門升程可減少掃氣和/或可提供增加的低端扭矩，而不增加排氣溫度。
[0008]應(yīng)當(dāng)理解，所提供的上述
【發(fā)明內(nèi)容】
以簡(jiǎn)化形式介紹了在【具體實(shí)施方式】中進(jìn)一步描述的概念。這并不意味著識(shí)別所要求主題的關(guān)鍵或必要特征，其范圍由遵循【具體實(shí)施方式】的權(quán)利要求書唯一地限定。此外，所要求的主題并不限于解決以上所述或在本公開任何部分中的任何缺點(diǎn)的實(shí)施方式。
【附圖說明】
[0009]圖1示意性地示出了示例性車輛系統(tǒng)。
[0010]圖2A在示圖中示出入口氣門和出口氣門的氣門升程曲線hintake、hexhaust。
[0011]圖2B在示圖中示出入口氣門和出口氣門的氣門升程曲線hintake、hexhaust。
[0012]圖3示出附加氣門升程的示例方法流程圖。
[0013]圖4示出用于附加氣門升程系統(tǒng)的示例性操作程序。
【具體實(shí)施方式】
[0014]本申請(qǐng)涉及一種用于執(zhí)行在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中的充氣交換的系統(tǒng)，該內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)包括:具有至少一個(gè)汽缸的至少一個(gè)汽缸蓋，每個(gè)汽缸包括用于經(jīng)由進(jìn)氣系統(tǒng)供給新鮮空氣的至少一個(gè)入口孔，并包括用于經(jīng)由排氣排放系統(tǒng)排放排氣的至少一個(gè)出口孔，并包括沿著在下止點(diǎn)和上止點(diǎn)之間的活塞縱軸可移動(dòng)的活塞；以及具有至少兩個(gè)氣門的至少兩個(gè)氣門驅(qū)動(dòng)器，該至少兩個(gè)氣門沿著它們?cè)跉忾T關(guān)閉位置和氣門打開位置之間的縱軸線可移動(dòng)，執(zhí)行最大氣門升程，以便在充氣交換過程期間打開和阻塞至少一個(gè)汽缸的至少一個(gè)入口孔和至少一個(gè)出口孔，并且具有用于將氣門逆著(counter)預(yù)加載力打開的至少兩個(gè)致動(dòng)裝置。
[0015]上述類型的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)被用作機(jī)動(dòng)車輛的驅(qū)動(dòng)器。在本申請(qǐng)的上下文中，表述“內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)”包括奧托循環(huán)(Otto-cycle)發(fā)動(dòng)機(jī)、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，并且也包括利用混合動(dòng)力燃燒過程的混合動(dòng)力內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)以及混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器，該混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器不僅包括內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，而且還包括電動(dòng)機(jī)，該電動(dòng)機(jī)可根據(jù)驅(qū)動(dòng)被連接到內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，并且其從內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)接收動(dòng)力，或其作為可切換的輔助驅(qū)動(dòng)器而額外輸出功率。
[0016]內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)具有汽缸體和彼此連接的至少一個(gè)汽缸蓋以形成至少一個(gè)汽缸。為保持活塞或汽缸套，該汽缸體具有相應(yīng)數(shù)量的汽缸孔。汽缸蓋通常用于保持氣門驅(qū)動(dòng)器。為了控制充氣交換，內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)需要控制元件和用于致動(dòng)控制元件的致動(dòng)裝置。在汽缸的充氣交換期間，燃燒氣體可經(jīng)由至少一個(gè)出口孔排出，并且燃燒室的充氣，即新鮮空氣的吸入，經(jīng)由至少一個(gè)入口孔發(fā)生。為了控制充氣交換，在四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)中，幾乎可以全部使用升程氣門作為控制元件，其升程氣門在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的操作期間執(zhí)行沿它們的縱向軸線的擺動(dòng)升程運(yùn)動(dòng)，并且其升程氣門以這種方式打開和關(guān)閉入口孔和出口孔。氣門運(yùn)動(dòng)所需的致動(dòng)裝置(包括氣門本身)被稱為氣門驅(qū)動(dòng)器。
[0017]氣門驅(qū)動(dòng)器的目的是在正確的時(shí)間打開和關(guān)閉汽缸的至少一個(gè)入口孔和/或出口孔，尋求盡可能大的流動(dòng)橫截面的快速孔，以便保持在流入和流出氣體流中的節(jié)流損失為低，并且以便更好地實(shí)現(xiàn)汽缸的最佳可能充氣和排氣的完全排出。因此，根據(jù)一些方法，汽缸也常常并日益被提供有兩個(gè)或更多個(gè)入口孔和出口孔。
[0018]根據(jù)一些方法，引導(dǎo)到入口孔的進(jìn)氣管線和毗鄰出口孔的排氣管線可至少部分地集成在汽缸蓋中。
[0019]內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)的主要目的是最小化燃料消耗。同樣，在這方面，內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械增壓變得越來越重要。機(jī)械增壓可能是合適的裝置，用于提高內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，同時(shí)保持不變的掃掠容積，或用于降低掃掠容積同時(shí)保持相同的功率。對(duì)于同一車輛的邊界條件，因此可以改變朝向更高的載荷集中的載荷，在所述更高的載荷處，特定燃料消耗可能更低。內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械增壓因此有助于努力最小化燃料消耗，也就是說提高內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。
[0020]排氣渦輪增壓的結(jié)構(gòu)經(jīng)常造成困難，其中它基本上尋求獲得在所有發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍中顯著的性能提高。然而，根據(jù)一些方法，扭矩下降可以在一定的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下沖的情況下被觀察到。如果人們考慮到該充氣壓力比取決于渦輪壓力比，則所述扭矩下降是可以理解的。例如，如果發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，則這將導(dǎo)致更小的排氣質(zhì)量流量，并且因此導(dǎo)致較低的渦輪壓力比。這具有的結(jié)果是，朝向較低的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，充氣壓力比和充氣壓力同樣減少，這相當(dāng)于扭矩下降。
[0021]充氣壓力的下降基本上可以通過使用小的排氣渦輪增壓器來抵消，即具有小的渦輪橫截面的排氣渦輪增壓器，以便能夠甚至以低排氣流速產(chǎn)生足夠的充氣壓力。然而，這將最終只會(huì)使扭矩下降進(jìn)一步朝向較低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速改變。此外，所述方法，即在渦輪橫截面尺寸上的減小受到限制，因?yàn)樗璧臋C(jī)械增壓和性能增加應(yīng)該是可行的，而沒有約束，并且甚至在高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下也達(dá)到所需的程度。
[0022]根據(jù)一些方法，已經(jīng)尋求通過各種措施例如借助于結(jié)合排氣吹掃的渦輪橫截面的小設(shè)計(jì)，或使用多個(gè)排氣渦輪增壓器，來改善機(jī)械增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩特性。
[0023]扭矩特性也可借助于串聯(lián)連接的多個(gè)排氣渦輪增壓器而被有利地影響。通過串聯(lián)連接兩個(gè)排氣渦輪增壓器，其中一個(gè)排氣渦輪增壓器用作高壓力級(jí)，并且一個(gè)排氣渦輪增壓器用作低壓力級(jí)，發(fā)動(dòng)機(jī)特性圖示可以有利地被擴(kuò)大，特別是在較小的壓縮機(jī)流動(dòng)的方向上和同樣在較大的壓縮機(jī)流動(dòng)的方向上。
[0024]例如，采用用作高壓力級(jí)的排氣渦輪增壓器，可以在較小壓縮機(jī)流動(dòng)的方向中改變喘振極限，因此，高充氣壓力比可甚至以小壓縮機(jī)流量獲得，其顯著提高了在較低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍中的扭矩特性。這通過設(shè)計(jì)用于小排氣質(zhì)量流的高壓力渦輪，并且通過提供旁通管線來實(shí)現(xiàn)，借助于所述旁通管線，隨著增加的排氣質(zhì)量流量，排氣的增加量被引導(dǎo)經(jīng)過高壓力渦輪。為了這個(gè)目的，旁通管線從高壓力渦輪上游的排氣放氣系統(tǒng)來分支，并且再次通入低壓力渦輪上游的排氣排放系統(tǒng)，其中切斷元件被設(shè)置在旁路管線中，以便控制傳導(dǎo)經(jīng)過高壓力渦輪的排氣流。
[0025]相對(duì)于具有單級(jí)機(jī)械增壓的類似內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，以這種方式機(jī)械增壓的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的響應(yīng)行為被顯著改進(jìn)，因?yàn)橄鄬?duì)小的高壓力級(jí)是較少惰性的，也就是說，較小尺寸的排氣渦輪增壓器的轉(zhuǎn)子可以更迅速地加速。
[0026]機(jī)械增壓的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩特性可進(jìn)一步借助于平行設(shè)置的多個(gè)渦輪增壓器來改進(jìn)，即借助于相對(duì)小的平行設(shè)置的橫截面的多個(gè)渦輪，其中渦輪可以隨著增加排氣流速而被連續(xù)激活。
[0027]機(jī)械增壓的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩特性也可借助于由機(jī)械增壓器(例如壓縮機(jī))輔助的至少一個(gè)排氣渦輪增壓器來提高。
[0028]除了如上所述的排氣渦輪增壓裝置的概念性改進(jìn)，一些方法還包括用于改進(jìn)排氣渦輪增壓的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩特性，其方法的目的是增加扭矩，并克服例如在低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的扭矩虧缺。在此，在低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下的扭矩虧缺的基本原因被認(rèn)為是在低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下的過低排氣流速。
[0029]借助于可變氣門控制裝置，氣門重疊即曲軸角范圍可變化，在所述曲軸角范圍中，出口尚未關(guān)閉，而入口是打開的。在氣門重疊期間，掃氣損失可以發(fā)生，其中一些吸入的新鮮空氣流過汽缸而不參與隨后的燃燒?？勺儦忾T控制允許以尤其依賴于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的方式的氣門重疊的變化。
[0030]在排氣渦輪增壓施加點(diǎn)火的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，在低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，大的氣門重疊適于顯著提高最大扭矩并改進(jìn)瞬態(tài)工作性能。在低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，在入口側(cè)和出口側(cè)之間存在的壓力梯度(gradient)有助于以新鮮空氣的有效的汽缸掃氣處理，并且更好地實(shí)現(xiàn)更大的汽缸充氣以及因此更高的功率。
[0031]在具有相對(duì)低的壓縮比(例如對(duì)于自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)ε 乂 10，或?qū)τ跈C(jī)械增壓發(fā)動(dòng)機(jī)ε ~8...9)的奧托循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，在低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的扭矩虧缺可以用大的氣門重疊抵消。在具有高壓縮比的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(諸如柴油發(fā)動(dòng)機(jī))的情況下，大的氣門重疊往往不能實(shí)現(xiàn)，因?yàn)殡S著活塞經(jīng)過上止點(diǎn)，它非常接近入口氣門和/或出口氣門，并且在氣門重疊的情況下，氣門的打開不可能到無限制的程度。
[0032]針對(duì)上述背景，本申請(qǐng)的目的是限定如說明書所述的方法，借助于該方法，在低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的扭矩虧缺可以被抵消，并且特別是排氣渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩特性可以得到改善。
[0033]所述目的可借助于用于執(zhí)行在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中的充氣交換的方法來實(shí)現(xiàn)，所述發(fā)動(dòng)機(jī)包括:具有至少一個(gè)汽缸的至少一個(gè)汽缸蓋，每個(gè)汽缸包括經(jīng)由進(jìn)氣系統(tǒng)供給新鮮空氣的至少一個(gè)入口孔和經(jīng)由排氣排放系統(tǒng)排放排氣的至少一個(gè)出口孔，以及沿著在下止點(diǎn)和上止點(diǎn)之間的活塞縱軸線可移動(dòng)的活塞，以及具有至少兩個(gè)氣門的至少兩個(gè)氣門驅(qū)動(dòng)器，該至少兩個(gè)氣門沿著在氣門關(guān)閉位置和氣門打開位置之間的氣門的縱軸線可移動(dòng)，執(zhí)行最大氣門升程，以便在充氣交換