運行帶VCR?調節器的往復活塞式內燃機的方法和裝置與流程
本發明涉及內燃機、特別是往復活塞式內燃機，帶有VCR-調節器（VCR：Variable Compression Ratio—可變壓縮比），該調節器能夠實現可變化地匹配內燃機的燃燒室的壓縮比。此外，本發明還涉及用于運行帶有VCR-調節器的這種內燃機的方法。
背景技術：
對于往復活塞式內燃機來說存在這樣的可能性：通過不同的措施來調整在氣缸的燃燒室中的壓縮比。所述壓縮比給出了在內燃機的一個做功沖程時的、在燃燒室的最大的容積和該燃燒室的最小的容積之間的比例。所述比例能夠通過合適的所謂VCR-調節器可變化地進行調節。
例如，由文獻WO2014/019684已知一種帶有可變的壓縮機構并且帶有用于改變壓縮比的操縱單元的往復活塞式內燃機。所述操縱單元具有一種帶有可變的長度的連桿，還具有一種帶有可變的壓縮高度的活塞和/或一種帶有可變的曲軸半徑的曲軸。
此外，由文獻DE102008050827A1已知一種用于內燃機曲軸的調節裝置。所述曲軸支承在調整軸承中，該調整軸承能夠通過一種調整軸進行調整，以便把所述曲軸的位置在在氣缸中的活塞的最小壓縮位置和最大壓縮位置之間進行改變。
此外，由文獻US2014/0014071已知一種用于調節在內燃機中的可變的壓縮比的裝置。所述裝置包括一種用于容納曲軸的偏心軸承裝置。所述偏心軸承裝置包括一種能夠旋轉的偏心環，在該偏心環中支承著所述曲軸，其中，通過旋轉所述偏心環就能夠調整壓縮比。
技術實現要素：
根據本發明，設置了一種根據權利要求1的用于運行帶有VCR-調節器的內燃機的方法，以及根據并列的權利要求的一種裝置和一種帶有內燃機的發動機系統。
其它的構造方案在從屬權利要求中給出。
根據第一方面，提出了一種用于運行帶有VCR-調節器和閥控制機構的內燃機的方法，該VCR-調節器用于對于在所述內燃機的氣缸中的壓縮比進行調整，該閥控制機構用于調整換氣閥的閥行程和/或換氣閥的關于曲軸角度的運行的相位。所述方法包括下述步驟：
- 檢查：是否在閥控制機構中出現了故障；并且
- 如果確認了故障，那么就限制在氣缸中的壓縮比，從而使得在氣缸的燃燒室中的活塞的運動的上死點如此被確定：使得在處在上死點的位置處的活塞和在其最大的打開狀態處的換氣閥的閥門頭部之間存在大于等于0的距離。
特別是所述在氣缸中的壓縮比能夠被限制，從而使得在氣缸的燃燒室中的活塞的運動的上死點被確定在一個位置上，該位置對應于關于氣缸軸線帶有其最大期望著的打開狀態的換氣閥的閥門頭部的位置，或者被確定在一個距離換氣閥更遠的位置上。
帶有VCR-調節器的內燃機通過對于換氣損失進行優化、通過調整在氣缸的燃燒室中的壓縮比來降低燃料消耗。因為內燃機的熱效率取決于壓縮比，所以能夠對于內燃機的運行來說依賴于運行點地調整一個合適的壓縮比。特別是能夠在低-和部分運行點中通過高的壓縮比來實現一種高的熱力學的效率，而在高負載的運行點中減小所述壓縮比，以便減小內燃機的爆震傾向。
在內燃機中，換氣閥以進氣-和排氣閥的形式位于燃燒室的燃燒室頂部中。所述換氣閥通過所涉及的換氣閥的閥門頭部的進入到燃燒室中的運動來關閉和打開所述燃燒室。換氣閥的運行一般來說以同步的方式與內燃機的曲軸的旋轉相耦接。然而，對于換氣閥的閥控制方式是已知的，該閥控制方式使得換氣閥的運行至少部分地與曲軸的旋轉脫離耦合，或者相互推移它們的運動相位。例如在對于換氣閥的一些閥控制方式中設置了液壓地耦接的閥控制機構，例如Schaeffler UniAir?、Fiat Multiair?和類似的閥控制機構。在此，液壓油在冷的狀態中由于高的粘性從而導致緩慢的閥反應。
在換氣閥的一個不被期望的閥門運動中，例如關閉過程能夠相應地減慢，從而使得相應的閥的閥門頭部更久地伸入進燃燒室中。此外，在一個高的壓縮比中，活塞運動的上死點靠近燃燒室頂部，從而使得所述閥門頭部會與在燃燒室中朝向上死點的方向上運動著的活塞發生碰撞。這會導致氣門傳動機構和/或曲軸傳動機構的機械的損傷。
這種情況同樣會在閥行程調節和氣門相位調節的故障中發生，如果最大的閥行程和到達活塞上死點的時刻重合的的話，所述閥行程調節預先規定了換氣閥的行程的高度。
上述方法的構思因此在于：減小壓縮比，如果相應的換氣閥的調節被阻礙了或閥門反應不清楚的話，以便減小閥門傳動機構或曲軸傳動機構的損傷的風險。
因此利用上述方法規定了：在一種運行情況中，在該運行情況中或者確認了在VCR-調節器中的故障，或者如果所涉及的換氣閥的位置不能夠準確地被確定，那么就如此限制所述壓縮比，使得在氣缸中的在上死點處的活塞的位置這樣與所述燃燒室頂部相間隔，使得即使在換氣閥的閥門頭部的最大行程中也不會預期到機械的碰撞。法門傳動機構和/或曲軸傳動機構的機械損傷能夠以這種方式通過保持與所述燃燒室頂部的最小間隔得以保證，如果出現了VCR-調節器的故障或者所述換氣閥的位置不明確的話。
此外，閥控制機構的故障能夠被識別出來，如果通過診斷方法所識別出的故障被確認了的話，或者如果閥狀態的支座反饋的失效被確認了的話。
根據一種具體實施方式，所述上死點能夠越靠近換氣閥，所述壓縮比就越高，其中壓縮比被調整到一種最小的壓縮比，如果所述閥狀態由于失效的支座反饋不清楚的話。
替代的或者附加的是，在確認了故障的情況下，所述壓縮比被調整成這樣一個壓縮比：在該壓縮比時活塞在上死點處的位置對應于換氣閥的最大的打開狀態的位置。
根據另一方面，提出了一種用于運行帶有VCR-調節器和閥控制機構的內燃機的裝置，該VCR-調節器用于調整在所述內燃機的氣缸中的壓縮比，該閥控制機構用于調整換氣閥的閥行程和/或關于曲軸角度調整換氣閥的運行的相位。所述裝置如此進行構造，以便：
- 檢查，是否在閥控制機構中出現了故障；并且
- 如果確認了故障，那么就限制在氣缸中的壓縮比，從而使得在氣缸的燃燒室中的活塞的運動的上死點如此被確定，使得在處在上死點的位置處的活塞和換氣閥的處在其最大的打開狀態處的閥門頭部之間形成了大于等于0的距離。
根據另一方面，提出了一種帶有往復活塞式內燃機的發動機系統，該往復活塞式內燃機帶有VCR-調節器和上述裝置。
根據另一方面，提出了一種計算機程序，該計算機程序被構造用來實施上述方法的所有步驟。
附圖說明
具體實施方式接下來會根據附圖進一步被闡述。附圖示出：
圖1：帶有內燃機的發動機系統的示意性的示圖，該內燃機具有VCR-調節器，該VCR-調節器用于對于在氣缸的燃燒室中的可變化的壓縮比進行調整；
圖2：通過氣缸的橫截面的示意性的示圖，示出了在高的和低的壓縮比時活塞和換氣閥的調節路徑；
圖3：用于示出用于運行帶有VCR-調節器的內燃機的方法的流程圖。
具體實施方式
圖1示出了帶有內燃機2的發動機系統1的示意性視圖，該內燃機以一種往復活塞式內燃機的形式進行構造。所述內燃機2能夠例如以一種汽油發動機或柴油發動機的形式進行構造。
所述內燃機2具有氣缸3，該氣缸具有燃燒室31，在該燃燒室中活塞4以公知的方式可移動地進行布置。所述活塞4在它的與所述燃燒室31對置的側面處通過（未示出的）連桿與曲軸5耦接，從而使得活塞4的通過在內燃機2中的燃燒沖程所引起的往復運動轉化為所述曲軸5的旋轉運動。
在其它方面，所述內燃機2如同傳統的內燃機一樣地進行構造。進氣系統、排氣系統、燃料供給系統和類似的系統出于清楚性的原因沒有在圖1中示出。
在所述曲軸5和在氣缸3中的所述活塞4之間的耦接可以配設有VCR-調節器6（VCR：Variable Compression Ratio—可變壓縮比），以便可變地調節在氣缸3中的壓縮比。所述壓縮比對應氣缸3的燃燒室31的最大容積與所述氣缸3的所述燃燒室31的最小容積之比，所述最大容積是指：當所述活塞4位于下死點時所述燃燒室31的容積；所述最小容積是指：當所述活塞4位于上死點時所述燃燒室31的容積。所有VCR-調節器6共同依賴于待調整的壓縮比來改變在上死點處的所述活塞4的位置。特別的是，上死點離燃燒室31的燃燒室頂部16越近，所述被調整的壓縮比就越大。
內燃機2以公知的方式通過控制單元10進行操作。除了被設置用來驅動傳統的內燃機2的調節可能性之外，所述控制單元10也能夠調節VCR-調節器6。
壓縮比ε的可調節性的優勢產生于內燃機的熱效率ηTH對于所述壓縮比的依賴，如下：
在此ε描述壓縮比，該壓縮比在汽油發動機中通常處于8和14之間，并且k是混合物的各向同性指數（Isotropenexponenten），該各向同性指數對于均勻的燃燒能夠被假設為是大約1.3。因此，在壓縮比的全部的調節區域上，在把壓縮比從一個最小值提高到一個最大值時，所述熱效率ηTH提高了大約10%。借此，內燃機的燃料消耗能夠被減少。
在運行中，壓縮比實際上如此地被調節，使得它盡可能的大，但是要避免內燃機的爆震。這意味著，在低負載運行點和部分負載運行點時調整為一個高的或者一個最大的壓縮比，而在高負載運行點時把所述壓縮比相應地減小，以便在所述內燃機中不出現爆震。
在圖2中示出了通過圖1中的內燃機2的氣缸3之一的燃燒室31的橫截面視圖。可以看出的是：所述氣缸3配設有以進氣閥11和排氣閥12為形式的換氣閥。所述進氣-和排氣閥布置在燃燒室頂部16處，該燃燒室頂部將氣缸3的燃燒室31封閉住。所述換氣閥11、12分別配設了一種可變的閥控制機構，一種進氣閥控制機構13和一種排氣閥控制機構14。所述閥控制機構13、14能夠對應于液壓地耦接的閥控制機構，例如Schaeffler UniAir?、Fiat Multiair?。這些閥控制機構能夠有可能故障地操控所述換氣閥。這樣的故障能夠例如利用一種合適的公知的診斷方法進行查明。此外，所述閥控制機構能夠配設有支座反饋傳感器（Lagerrückmeldungssensoren），該支座反饋傳感器返回地報告當前的閥位置。如果一種這樣的支座反饋傳感器壞了的話，那么閥位置就不清楚了。
所述進氣閥控制機構13用于預先規定在進氣閥11的打開-和關閉狀態之間的閥行程和/或相對于曲軸位置的相位。所述排氣閥控制機構14用于預先規定在排氣閥12的打開-和關閉狀態之間的閥行程和/或相對于曲軸位置的相位。在打開所述進氣閥11或者所述排氣閥12時，相應的閥門頭部15運動到氣缸3的燃燒室的內部中。
可活動地位于氣缸3中的活塞31會以在一個下死點UT和一個上死點OT之間的往復運動的方式運行。所述上死點OT對應于活塞31的一個位置，在該上死點處，所述活塞31的面對所述燃燒室頂部16的表面到所述燃燒室頂部距離最近，而所述下死點UT對應活塞31的一個位置，在該下死點處，所述活塞31的面對所述燃燒室頂部16的側面到所述燃燒室頂部16距離最遠。
根據被調整的壓縮比ε，所述上死點的位置距離所述燃燒室頂部更近或者更加遠離所述燃燒室。在圖2中以虛線示出了對于一種高的壓縮比在上死點OT1和在下死點UT1處的活塞31的位置。對于一種低的壓縮比，在上死點OT2和下死點UT2處的活塞31的位置被以點線示出。
在調整到最大的壓縮比時，上死點OT1對應于活塞31的一個位置，在該位置處所述換氣閥11、12之一的閥門頭部15在打開狀態與最大的閥行程相沖突。但是在正常運行中，所述閥控制會如此的進行，不僅使得進氣閥11和排氣閥12處于關閉狀態中或者處于打開狀態中，在該打開狀態中所述閥門頭部不具有它的最大的打開狀態，如果所述活塞31到達了所述上死點的話。因此能夠排除沖突的情況。如果由于一個故障導致出現與正常運行相偏離的情況的話，那么活塞4到達上死點的時刻和進氣閥11或者排氣閥12到達最大的打開狀態的時刻就能夠重合了，并且在內燃機2的運行中在閥門頭部15和所述活塞31之間的碰撞就無法避免了。
圖3示出了一種方法，利用該方法能夠確保即使在內燃機2的、特別是VCR-調節器6的非正常的運行中，在所述換氣閥11、12的閥門頭部15和在氣缸3的燃燒室中的活塞31之間的碰撞也能夠被避免。
在步驟S1中首先被檢查的是，是否閥控制機構13、14存在故障。這能夠例如借助于一種合適的診斷方法進行查明。如果在步驟S1中查出了在所述閥控制機構中的故障（二者擇一：是），那么所述方法會繼續進行步驟S3，否則（二者擇一：否）所述方法會繼續進行步驟S2。
在步驟S2中會檢查，是否換氣閥11、12的閥反應（Ventilreaktion）被確定了，或者是否不能夠確定所述閥門頭部15處于哪個位置中。如果所述換氣閥11、12中的至少一個換氣閥的閥反應不清楚（二者擇一：是），那么所述方法會繼續進行步驟S3，否則會返回地跳回至步驟S1。
在步驟S3中現在會檢查是否最大的行程高度hmax是已知的。如果所述最大的行程高度是已知的（二者擇一：是），那么會由此在步驟S4中確定最大的壓縮比εmax：在打開狀態下所涉及的換氣閥11、12的閥門頭部15伸長到所涉及的氣缸3的燃燒室中什么程度。最大能夠允許的壓縮比εmax就對應：
εmax = hKolben × A +Vr（Pventil_offen）/Vr（Pventil_offen）
其中A是活塞橫截面面積，hKolben是活塞運動的行程長度，并且Vr（Pventil_offen）是活塞位置在上死點OT處時氣缸3的剩余容積，該上死點位置對應于在最大的打開狀態Pventil_offen處的所涉及的換氣閥11、12的閥門頭部15的朝活塞方向上最大能夠到達的位置。換句話說，所涉及的換氣閥11、12的閥門頭部15的位置關于氣缸軸線在最大的打開狀態Pventil_offen時，對應于通過最大能夠允許的壓縮比εmax所確定的、活塞4的上死點OT的位置。特別是，所述最大能夠允許的壓縮比εmax能夠被定義為這樣的壓縮比：在該壓縮比中，活塞與所涉及的換氣閥11、12的閥門頭部恰好接觸，所述活塞處于它的上死點OT處，所述換氣閥處于它的最大的打開狀態中。
如果最大的打開狀態Pventil_offen是未知的（二者擇一：否），那么在步驟S5中VCR-調節器6的最小能夠調整的壓縮比εmin會被確定為最大的壓縮比εmax。
所述待調整的壓縮比εsoll在步驟S6中由最大壓縮比εmax的和被要求的壓縮比εwunsch的最小值產生，該被要求的壓縮比一般來說能夠由控制單元10來預先規定。
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