具有廢氣渦輪增壓器的四沖程往復式內燃機及用于這種內燃機的運行方法與流程

本發明涉及一種如權利要求1前序部分所述的具有廢氣渦輪增壓器的四沖程往復式內燃機以及一種用于這種內燃機的運行方法。

背景技術：

由DE 102 43 473 A1已知一種內燃機，該內燃機具有廢氣渦輪增壓器和數個各具有第一排氣門和第二排氣門的氣缸，其中所述第一排氣門和第二排氣門分別被合并成一個可分開控制的組。來自于配置給相應一組排氣門的廢氣通道的廢氣可被供應給廢氣渦輪增壓器的雙渦輪的相互分開的入口。低轉速時僅打開一組氣門，轉速較高時將兩組排氣門都打開。其中所存在的問題一方面在于，如果在轉速相對較低時就轉換至使得所有排氣門都打開的運行模式，則氣缸中的殘氣含量就會非期望地高。另一方面，如果使該轉換操作的轉速界限推移至更高的轉速，就會有損于內燃機的熱力學效率。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種能改善上述缺點的同類型內燃機及用于這種內燃機的運行方法。

本發明用以達成上述目的的解決方案為一種具有權利要求1的特征的內燃機和一種具有權利要求7的特征的相應運行方法。

本發明的四沖程往復式內燃機具有偶數個氣缸和一廢氣渦輪增壓器，所述廢氣渦輪增壓器具有兩個至少基本上相互分開的渦輪入口。所述氣缸中的每一個配置有至少一個用于將燃燒用空氣送入所述氣缸的燃燒室的進氣通道，所述進氣通道具有燃燒室側的進氣口。此外，所述氣缸中的每一個配置有用于將廢氣排出所述燃燒室的第一排氣通道和第二排氣通道，其中所述第一排氣通道具有燃燒室側的第一排氣口，并且所述第二排氣通道具有燃燒室側的第二排氣口。其中，第一排氣門和第二排氣門用于通過打開和關閉所述第一排氣口和所述第二排氣口控制廢氣從所述燃燒室通過所述第一排氣通道和所述第二排氣通道的排出。其中，所述氣缸的第一半部通過相應的第一排氣通道與所述兩個渦輪入口中的第一渦輪入口連接，并且通過相應的第二排氣通道與所述兩個渦輪入口中的第二渦輪入口連接。此外，所述氣缸的第二半部通過相應的第一排氣通道與所述第二渦輪入口連接，并且通過相應的第二排氣通道與所述第一渦輪入口連接。本發明提出，所述第二排氣口具有大于所述第一排氣口的直徑。相應地，對應配置的第一氣門和第二氣門的氣門頭的直徑也實施得不一樣。通過這些不同大小的氣門頭直徑和排氣口直徑能改善殘氣掃氣。也能在不損害內燃機的熱力學效率的情況下，提高從每氣缸僅操縱一個排氣門的運行模式轉換至每氣缸操縱兩個排氣門的運行模式的轉速界限。

為盡可能有效地實現有益效果，本發明提出，所述第二排氣口和所述第二排氣門的氣門頭直徑選擇得比所述第一排氣口的直徑或所述第一排氣門的氣門頭直徑大至少10％，但優選大至少15％、20％或甚至更多。

本發明的內燃機優選實施為4缸或6缸發動機，特別采用直列式設計。對應配置的渦輪增壓器可以是所謂的雙渦流增壓器或分段式增壓器(Segment-Lader)。

在本發明的技術方案中，為每個氣缸設有具有第一進氣口的第一進氣通道以及具有第二進氣口的第二進氣通道。由此，所述內燃機構建為所謂的4氣門發動機。其中特別有益的是，在本發明進一步的技術方案中，所述第二進氣口具有大于所述第一進氣口的直徑。與第二排氣口相似，第二進氣口可具有一直徑，該直徑選擇得比第一進氣口的直徑大至少10％，但優選大至少15％、20％或甚至更多。

在本發明進一步的技術方案中，所述第一進氣通道構建為螺旋通道或渦流通道，并且所述第二進氣通道構建為填充通道，借此可實現特別良好和穩定的燃燒。借此可在燃燒室中形成對燃燒起穩定作用的螺旋或渦流。為此，進氣通道軸的方向相對于氣缸軸采用合適的實施方案。

另外，為實現良好的換氣和有益的燃燒過程，本發明進一步的技術方案提出，從所述氣缸的俯視角度看，所述第二進氣口與所述第二排氣口沿對角線相對布置。

在本發明進一步的技術方案中，為所述內燃機設有四個排成一列的氣缸一至四，其中，所述第一氣缸和所述第四氣缸組成所述氣缸的第一半部，并且所述第二氣缸和所述第三氣缸組成所述氣缸的第二半部，并且為所述氣缸設置一-三-四-二的點火順序。其中從與所述內燃機的動力輸出相對的一側開始，以常規方式對所述氣缸計數。借助上述點火順序并結合不同大小的排氣口，可使得各掃氣過程之間的交叉影響特別小并且使氣缸中的殘氣含量特別低。

借助于根據權利要求1至6中任一項所述的內燃機，本發明還通過一種運行方法來解決前述課題，其中，在低于一預設轉速下限的低轉速下，借助分別配置給所述第一排氣口或所述第二排氣口的排氣門使所述第一排氣口或所述第二排氣口持續關閉。在一可預設的轉速上限以上這樣運行所述內燃機，即，通過以常規方式操縱所述排氣門，使得所有氣缸的所述兩個排氣口在臨近工作沖程結束時打開并且在排出沖程的上止點之后立即再度關閉。其中，在所述方法的技術方案中提出，根據負載將所述轉速下限預設為介于所述內燃機的標稱轉速的約15％與50％之間。

根據所述方法進一步的技術方案，在一每氣缸設有兩個進氣口并且所述第二進氣口的直徑大于所述第一進氣口的內燃機中，在低于所述內燃機的一預設轉速界限的低轉速下，借助分別配置給所述第一進氣口的進氣門使直徑較小的所述第一進氣口持續關閉。這項措施也有利于換氣。

附圖說明

下面將對附圖中所示出的本發明的有益實施方式進行說明。在此，在本發明范圍內，上文所述以及下文還將予以闡述的特征不僅可按分別給出的特征組合應用，也可按其他組合應用或單獨應用。

其中：

圖1為按本發明實施的內燃機的粗略的原理示意圖；以及

圖2為圖1所示內燃機標有運行范圍的負載-轉速特性曲線族。

具體實施方式

下面將參照圖1對本發明內燃機的示例性有益實施方式進行詳細說明。其中，以氣缸頭2的俯視圖形式示出圖1中僅被粗略地示意性示出的內燃機1。內燃機1在此實施為按四沖程原理工作的往復式發動機。可以實施為外源點火式奧托發動機或壓縮點火式柴油機。

內燃機1在此具有四個結構相同的排成一列的氣缸Z1-Z4。每個氣缸Z1-Z4具有兩個用于供應燃燒用空氣的進氣口E1、E2，這些進氣口配置有未詳細示出的進氣門。下文將標有E1的進氣口稱為第一進氣口并且將對應配置的進氣門稱為第一進氣門。類似地，將標有E2的進氣口稱為第二進氣口并且將對應配置的進氣門稱為第二進氣門。第一進氣門和第二進氣門的氣門頭具有與優選實施為圓形的進氣口E1、E2相匹配的直徑。通過對所述進氣門進行操縱，例如借助尤其是可調的凸輪軸，可以控制到氣缸Z1-Z4或其燃燒室的燃燒用空氣的供應。其中，可以通過配置給第一進氣口和第二進氣口E1、E2的第一進氣通道和第二進氣通道EK1、EK2為氣缸Z1-Z4供應燃燒用空氣。

本發明提出，氣缸Z1-Z4的第一進氣門可被一起且同步控制，以便在一預設或可預設的時段后打開和關閉第一進氣口E1。第二進氣門同樣如此，其中第一進氣門優選可與第二進氣門分開被控制。

為了從氣缸Z1-Z4或分別所屬的燃燒室中排出廢氣，所述氣缸分別具有第一排氣口A1和第二排氣口A2，對應配置的第一排氣通道AK1和AK2在燃燒室側分別通向所述排氣口。其中，對應的第一排氣口A1配置有第一排氣門并且對應的第二排氣口A2配置有第二排氣門，這一點在圖中未詳細示出。與所述進氣門相似，所述排氣門的氣門頭具有與對應排氣口相匹配的直徑。此外，與所述進氣門相似，通過對所述排氣門進行操縱，例如借助尤其是可調的凸輪軸，控制從氣缸Z1-Z4或其燃燒室的廢氣排出。其中，所述排氣門可被同步且分組控制。

此處為內燃機1設置1-3-4-2的點火順序。亦即，從第一氣缸Z1的點火事件開始，氣缸Z3、Z4和Z2接著按上述順序分別推延一個沖程地進行點火。為了實現盡可能不受氣缸之間的交叉影響的換氣，設有兩個單獨的廢氣集管S1和S2，氣缸Z1-Z4的第一排氣通道和第二排氣通道AK1和AK2通入所述廢氣集管。其中，第一氣缸Z1和第四氣缸Z4的第一排氣通道AK1以及第二氣缸Z2和第三氣缸Z3的第二排氣通道AK2通入第一廢氣集管S1。氣缸Z1-Z4的其他排氣通道AK1、AK2通入第二廢氣集管S2。第一廢氣集管S1所收集的廢氣可被供應給圖中未詳細示出的雙廢氣渦輪增壓器的第一渦輪入口T1，該雙廢氣渦輪增壓器具有兩個基本上相互分離的渦輪入口T1和T2。為此，第一集管S1直接與第一渦輪入口T1連接。第二廢氣集管S2直接與第二渦輪入口T2連接。借此可將內燃機1的氣缸Z1-Z4劃分成由第一氣缸Z1和第四氣缸Z4組成的第一半部以及由第二氣缸Z2和第三氣缸Z3組成的第二半部。亦即，在所述氣缸的第一半部中，所屬的氣缸Z1和Z4的第一排氣通道AK1與第一渦輪入口T1流體連接，第二排氣通道AK2與第二渦輪入口T2流體連接。在所述氣缸的第二半部中則是反過來，即，對應配置的氣缸Z2和Z3的第一排氣通道AK1與第二渦輪入口T2連接，而第二排氣通道AK2與第一渦輪入口T2連接。結合對第一排氣門和第二排氣門的下文還要詳細描述的分開控制，借此可以在避免所謂的渦輪遲滯的情況下實現所述廢氣渦輪增壓器的動態運行。

所述廢氣渦輪增壓器優選構建為所謂的雙渦流增壓器或分段式增壓器。在此也可以采用不對稱的實施方案，即，通過流入第一渦輪入口T1或流入第二渦輪入口T2的廢氣加載少于一半或超過一半的渦輪葉片。例如在實施為具有10個葉片的分段式渦輪(Segmentturbine)的情況下，流入第一渦輪入口T1或流入第二渦輪入口T2的廢氣可以加載四個或六個葉片。類似地，若是具有七個葉片的分段式渦輪，則可通過流入第一渦輪入口T1或流入第二渦輪入口T2的廢氣加載四個和三個葉片。相應的渦輪增壓器實施方式對于本領域技術人員而言是已知的，此處不再加以贅述。

下面聯系圖2，具體結合氣門控制對內燃機1的優選運行模式進行詳細說明。

圖2示意性示出內燃機1的負載-轉速特性曲線族，其中，滿載特性曲線3表示內燃機平均圧力與內燃機轉速相關的標稱值。線條4標示的是將轉速相對低的第一運行范圍B1與轉速相對較高的第二運行范圍B2分開的運行范圍界限。該運行范圍界限的線條4穿過第一運行點和第二運行點，所述第一運行點具有約25％的標稱負載和第一轉速n1，所述第二運行點位于滿載特性曲線3上且具有第二轉速n2。第一轉速n1約為標稱轉速的15％，并且第二轉速n2約為標稱轉速的50％。

根據本發明，在第一運行范圍B1內這樣運行內燃機1，使得每個氣缸Z1-Z4的兩個排氣門中僅一個排氣門受到操縱，而另一個排氣門則在所有四個工作沖程上使得所屬的排氣口保持關閉。這有助于實現內燃機1在熱力學方面有益的運行以及廢氣渦輪增壓器的動態反應。然而，隨著在第一運行范圍B1內轉速的上升，廢氣反壓的上升程度較為劇烈，并且廢氣的排出越來越差，因此內燃機1的熱力學效率下降。因此在達到運行范圍界限時，在第二運行范圍B2內這樣運行內燃機1，使得兩個排氣門都受到操縱。然而在此特別是在低轉速下，就點火順序而言相鄰的氣缸的交叉影響使得氣缸中的殘氣含量上升，這同樣會對內燃機1的熱力學效率產生不良影響。本發明用以對抗這一缺點的方案是，將氣缸Z1-Z4的第二排氣口A2實施得比第一排氣口A1更大。如此一來，配置給第二排氣口A2的第二排氣門的氣門頭直徑也實施得比配置給第一排氣口A1的第一排氣門的氣門頭直徑更大。其中，優選為第二排氣口A2選擇比第一排氣口A1的直徑至少大10％、優選甚至大至少15％的直徑。相應地，對應配置的排氣門的氣門頭直徑也是如此。這項措施能顯著改善氣缸的殘氣掃氣，進而能相應改善內燃機的熱力學效率。其中，優選在第一運行范圍B1內僅操縱具有較大的氣門頭直徑的第二排氣門。由此，由于第一排氣門未受操縱，第一排氣口A1持續保持關閉。

通過以下措施可進一步改善燃燒和/或渦輪增壓器的運行以及內燃機效率。首先有益的是，如圖1中所示，將第二進氣口E2選擇得比第一進氣口E1更大，進而為第二進氣門選擇比第一進氣門的氣門頭直徑更大的氣門頭直徑。在此情況下，與排氣門相似，同樣選擇至少10％、但優選至少15％的尺寸差。其中，從氣缸頭2如圖所示的俯視角度看，較大的第二排氣口A2與較大的第二進氣口E2優選沿對角線相對布置。一般而言，優選將進氣口E1和E2實施得略大于對應的排氣口A1、A2，即，比對應的排氣口大約大10％至20％。此外，進氣通道EK1、EK2和/或排氣通道AK1、AK2優選在其絕大部分長度上與進氣口E1、E2的直徑或排氣口A1、A2的直徑相匹配。也就是說，根據進氣門開口E1、E2的直徑比，第一進氣通道EK1的直徑在其至少絕大部分長度上選擇得大約小于第二進氣通道EK2的直徑。這一點相應也可適用于排氣通道AK1、AK2。

此外，第一進氣通道EK1可構建為螺旋通道或渦流通道，并且第二進氣通道EK2可構建為填充通道。這一點在以下情形下特別有益：第一進氣通道EK1的直徑小于第二進氣通道EK2。在此情況下，優選以第二進氣通道在第二進氣口E2上的中心軸為參照，構建為填充通道的第二進氣通道EK2幾乎沿氣缸豎軸定向。第一進氣通道EK1則優選以更大的程度傾斜于氣缸豎軸定向，以幫助進入燃燒室的廢氣實現圍繞氣缸豎軸的螺旋運動或圍繞氣缸橫軸的渦流運動。

關于內燃機1的運行，可以在兩個運行范圍B1和B2上對每個氣缸Z1-Z4的兩個進氣門都進行操縱。但也可以在第一運行范圍B1內僅操縱兩個進氣門中的一個，并且借助另一個進氣門使相應的進氣口持續保持關閉。其中，如果兩個進氣口實施得不一樣大，則優選在第一運行范圍B1內僅操縱較大的第二進氣門。此外還可設置中間運行范圍B3，該中間運行范圍的負載值和轉速值低于第二運行范圍B2。在此情況下，第一運行范圍B1可以向更低的負載和轉速推移。如果采用這樣的劃分，則優選在較低的第一運行范圍B1內僅操縱配置給較小的第一排氣通道AK1的第一排氣門。在中間運行范圍B3內則僅操縱配置給較大的第二排氣通道AK2的第二排氣門，并且在較高的第二運行范圍B2內對兩個排氣門都進行操縱。