專利名稱：至少有一個在氣缸中引導的工作活塞的內(nèi)燃機工作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及具有權利要求1前序部分所述特征的至少有一個在氣缸中引導的工作活塞的內(nèi)燃機工作方法。
內(nèi)燃機，特別是以稀薄混合氣運轉(zhuǎn)的汽油機和特殊的直接噴射式汽油機是以滿負荷運轉(zhuǎn)時的抗爆性所考慮的壓縮比來工作的。汽油機的這個壓縮比，依據(jù)結(jié)構(gòu)型式、是否增壓及其類型以及所應用的燃料，為8.5∶1直至最大值12.5∶1。因此，特別是在部分負荷運轉(zhuǎn)時不得不承受效率損失，因為在這樣的部分負荷范圍內(nèi)可以以較高的壓縮比運行?，F(xiàn)已得知，已有采用機械調(diào)節(jié)幾何壓縮比的內(nèi)燃機，使其能夠適應不同的負荷范圍。例如由DE35 21 626 C2和DE36 39 850 A1得知的這種內(nèi)燃機采用調(diào)節(jié)其燃燒室大小的方法，但是這種壓縮比調(diào)節(jié)方法是很昂貴、復雜，并具有很大的摩擦損失的，因此已知的內(nèi)燃機寧肯容忍效率損失而沒有壓縮比調(diào)節(jié)。
還已知，按照所謂的密勒(Miller)原理或阿特金索(Atkinson)原理來影響壓縮比，跟隨這種技術狀況而產(chǎn)生了一種進氣凸輪軸調(diào)節(jié)，可以使進氣門的開啟時刻和關閉時刻變化。但是關閉時刻和開啟時刻是相互關聯(lián)的，因此它們一起向提前或滯后方向移動，而關閉和開啟時刻的移動產(chǎn)生燃燒室的充氣損失，這種損失在被調(diào)節(jié)成λ＝1的內(nèi)燃機中，通過增加成本和效率低下的機械增壓來補償。
由DE4012 490 A1得知一種混合氣壓縮內(nèi)燃機，它裝備有一種氣門配氣相位移動裝置，用此可相互獨立地調(diào)節(jié)進排氣門開啟和關閉時刻。由這種專利文件得知的內(nèi)燃機依然在效率方面具有缺點，特別是在部分負荷運轉(zhuǎn)時。
因此本發(fā)明的任務是，提供一種至少有一個在氣缸中導引的工作活塞的內(nèi)燃機工作方法，其不具有上述的缺點。
解決這個任務所采用的內(nèi)燃機工作方法包含權利要求1中所述的特征。這種工作方法規(guī)定，一個工作活塞在一個氣缸中引導；還規(guī)定，這種內(nèi)燃機至少有一個具有可變關閉時刻的進氣門，關閉和開啟氣缸的進氣口。此外，至少有一個具有可變開啟時刻和不變關閉時刻的排氣門，關閉和開啟氣缸的排氣口。本發(fā)明工作方法的優(yōu)點是，內(nèi)燃機以一個幾何壓縮比工作，但在特殊的部分負荷時該壓縮比提高。因此根據(jù)本發(fā)明工作方法工作的內(nèi)燃機被設計成在部分負荷范圍內(nèi)具有盡可能高的壓縮，但是通過進排氣門配氣相位的調(diào)節(jié)，在滿負荷時又沒有過高的壓縮比，因此本發(fā)明的內(nèi)燃機不僅僅在部分負荷，而且在滿負荷范圍內(nèi)均以最佳的壓縮比工作，尤其是本發(fā)明的工作方法避免了部分負荷范圍內(nèi)不得不忍受的效率損失。因此本發(fā)明的內(nèi)燃機在部分負荷時也能以較高的效率工作，這不僅降低燃油消耗，而且還改善排氣質(zhì)量。另外，采用本發(fā)明的內(nèi)燃機，使效率得到優(yōu)化，能夠附加地實現(xiàn)使排氣溫度提高和降低的措施以及對排氣成分HC/CO/H2/O2百分數(shù)產(chǎn)生影響。其中特別是對于具有NOx-存儲式催化轉(zhuǎn)化器的發(fā)動機方案，它具有一個最利于NOx轉(zhuǎn)換的限制溫度范圍(大約為220～500℃)，同時相對于傳統(tǒng)的三元催化轉(zhuǎn)化器，它有一個受限制的耐高溫性(大約為850℃，相應的三元催化轉(zhuǎn)化器大約為1000℃)。
本發(fā)明的另一個方案是，內(nèi)燃機以幾何壓縮比14∶1至24∶1的范圍工作，此時幾何壓縮比表征活塞上止點OT和下止點UT之間的容積，因此內(nèi)燃機能夠以相對于傳統(tǒng)發(fā)動機明顯高的幾何壓縮比工作。
本發(fā)明的另一方案是，內(nèi)燃機可以以增壓或自由吸氣的方式工作；另外還可選擇內(nèi)燃機以稀薄燃料-空氣-混合氣工作，特別是在低負荷和部分負荷范圍內(nèi)。
本發(fā)明的另一方案是，在內(nèi)燃機排氣道中有一個排氣凈化裝置，它作為NOx-存儲式催化轉(zhuǎn)化器工作，因此這種存儲式催化轉(zhuǎn)化器也能用于本發(fā)明內(nèi)燃機的運轉(zhuǎn)。如前所述，這種內(nèi)燃機具有一個限制的溫度范圍，在此范圍內(nèi)可以以稀薄混合氣在寬廣的特性曲線范圍內(nèi)工作。
一個實施例是，在內(nèi)燃機進氣道中對空氣流進行無節(jié)流限制，自然也可以改變進氣道的橫截面，特別是在要求高EGR率而需要節(jié)流時。
一個優(yōu)選的實施例是，對內(nèi)燃機增壓和通過排氣門提前開啟來提高功率。通過這種方法使內(nèi)燃機將一部分膨脹功轉(zhuǎn)移給增壓裝置，特別是渦輪增壓器。通過這種方法改善燃燒室新鮮混合氣的充量，這樣由于增加了λ＝1運轉(zhuǎn)所需要的燃料量而引起剩余功率的轉(zhuǎn)換，除補償交變負荷動態(tài)運轉(zhuǎn)中由于排氣開啟時刻提前而引起的效率損失外還有剩余。
一個實施例是，進氣門以可變關閉時刻和不變開啟時刻關閉和開啟進氣口；而排氣門則根據(jù)本發(fā)明的工作方法，以可變開啟時刻和不變關閉時刻工作。這種具有優(yōu)點的工作方法，通過相應選擇進氣關閉和排氣開啟時間而能夠使壓縮比相對于膨脹比實現(xiàn)附加的變化；通過這樣的方法還特別能夠?qū)ε艢鉁囟犬a(chǎn)生影響。
另一實施例是，進氣門以可變關閉時刻和可變開啟時刻關閉和開啟進氣口。特別是在上部負荷區(qū)域內(nèi)，進氣門受爆震傳感器控制而增加提前開啟，以便使壓縮比與爆震界限匹配。由于在此負荷范圍內(nèi)膨脹比可以高于壓縮比，而且在此負荷范圍內(nèi)排氣溫度也低于傳統(tǒng)內(nèi)燃機的相應值，因此為了保護催化轉(zhuǎn)化器，滿負荷混合氣加濃范圍不能小，這就引起燃油消耗減小。但是，由于壓縮比受爆震傳感器控制而回調(diào)，則可能使節(jié)省的燃料百分數(shù)要比高壓縮比的部分負荷范圍時要小。此外，由于膨脹期的延長，而使燃油消耗在任何情況下都要比傳統(tǒng)發(fā)動機有一定的降低。
由從屬權利要求給出了其它設計方案。
下面參照附圖借助實施例詳細論述本發(fā)明如下，即

圖1一臺已知的直接噴射式汽油機的特性曲線；圖2一臺根據(jù)本發(fā)明工作方法工作的直接噴射式汽油機的特性曲線；圖3根據(jù)本發(fā)明工作方法工作的汽油機的特性曲線，其中表示出不同排氣門開啟時刻或進氣門開啟時刻所對應的各條特性曲線；圖4具有爆震傳感器控制壓縮比，并根據(jù)本發(fā)明工作方法工作的汽油機的特性曲線；圖5根據(jù)本發(fā)明工作的汽油機的特性曲線，其中還表示出穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時的膨脹比；圖6根據(jù)本發(fā)明工作的汽油機的特性曲線，其中表示出相對于一臺具有固定壓縮比發(fā)動機排氣溫度的變化；圖7本發(fā)明的內(nèi)燃機的特性曲線，其中表示出相對于一臺具有固定壓縮比發(fā)動機燃油消耗的變化；圖8表示一臺本發(fā)明的增壓發(fā)動機的特性曲線。
圖1表示出一臺已知發(fā)動機的特性曲線。在一個兩坐標軸正交的坐標系中，內(nèi)燃機負荷L隨轉(zhuǎn)速n變化。由不同的陰影區(qū)域可得知已知發(fā)動機的不同運轉(zhuǎn)范圍。較低轉(zhuǎn)速和負荷范圍1描述已知內(nèi)燃機在所謂的分層稀薄混合氣情況下運轉(zhuǎn)；中等轉(zhuǎn)速和負荷范圍2為均勻稀薄混合氣運轉(zhuǎn)；較高轉(zhuǎn)速和負荷范圍3表示內(nèi)燃機處于λ＝1的狀況下運轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)速和/或負荷的提高，所謂全負荷—混合器加濃的范圍4與范圍3相接，此范圍也是為了保護零部件，特別是為了保護內(nèi)燃機的排氣凈化裝置不受過高運轉(zhuǎn)溫度的損害。
圖2表示出本發(fā)明涉及的內(nèi)燃機的特性曲線。如圖1一樣的范圍采用相同的符號。明顯可見，由于采取了本發(fā)明的措施，混合氣加濃的范圍4在一個較高的轉(zhuǎn)速成一個較高的負荷時才開始，這就意味著全負荷混合氣加濃必須在必要時從一個較高的轉(zhuǎn)速或一個較高的負荷才開始進行。因此本發(fā)明內(nèi)燃機的燃油消耗低于現(xiàn)有技術狀況下的油耗。
圖3中的虛線表明不同排氣門開啟時刻A的情況。顯而易見，特別是在范圍1中(圖2)排氣門開啟時刻向“提前”方向移動。不同的進氣門關閉時刻ES用點劃線表示。顯然在較高負荷時進氣門關閉時刻向“滯后”方向移動，特別是在全負荷混合氣加濃的范圍4中，進氣門關閉時刻向“滯后”方向移動了約60°。
如果將圖2和圖3重迭起來，則可清晰地看出，各個進排氣門關閉和開啟時刻ES和A位于范圍1和4中。還可明顯看出，由0°的基準關閉時刻出發(fā)，在較高的負荷L時關閉時刻向“滯后”方向移動。此外，由圖3中的不同特性曲線可明顯看出，進排氣門的配氣相位也可隨轉(zhuǎn)速變化。
圖4插繪出本發(fā)明內(nèi)燃機的各條特性曲線，其中表示出壓縮比隨負荷L或轉(zhuǎn)速n的提高而降低。特別是在壓縮比有爆震傳感器控制的情況。因此基于改變或可變氣門配氣相位使壓縮比的變化也可使本發(fā)明的內(nèi)燃機以最大可能的壓縮比工作，無論是在部分負荷范圍，還是在全負荷范圍內(nèi)。圖4表示出相應壓縮比的各根特性曲線。
圖5表示出膨脹比能夠被改變，特別是在低至中轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)和低負荷時。隨著負荷和轉(zhuǎn)速的降低，膨脹比也下降，每個膨脹比都對應相應的特性曲線。
由圖6可清晰地看出，采用本發(fā)明工作方法工作的內(nèi)燃機可以使排氣溫度變化，以便能夠使廢氣凈化裝置在預先規(guī)定的溫度范圍內(nèi)工作。在全負荷混合氣加濃范圍4內(nèi)，以廢氣溫度降低約90℃的狀態(tài)工作。隨負荷下降，廢氣溫度的降低也減少，以便能夠提高低負荷和低轉(zhuǎn)速時的廢氣溫度降。通過進排氣門配氣相位變化而使壓縮比變化，從而影響排氣溫度，使本發(fā)明內(nèi)燃機能夠在已知內(nèi)燃機排氣溫度太高或太低的運轉(zhuǎn)范圍內(nèi)工作，以便使廢氣凈化裝置能夠工作在預先規(guī)定的溫度范圍內(nèi)。這就意味著，采用本發(fā)明的工作方法能夠在低負荷L和低轉(zhuǎn)速n時提升廢氣溫度，同時本發(fā)明的內(nèi)燃機也能夠以特別低的負荷和低轉(zhuǎn)速工作，而對廢氣凈化裝置不造成損害。
由圖7得知，與已知發(fā)動機相比，燃油消耗得到了所希望的節(jié)省，在混合氣加濃范圍4內(nèi)燃油消耗大約降低5％，隨著負荷L的降低，燃油消耗節(jié)省加大，直至10％左右。在低速、最低負荷范圍內(nèi)，雖然最低油耗升高約2％，但總的說來，在具有交變負荷的動態(tài)運轉(zhuǎn)時，采用本發(fā)明工作方法工作的內(nèi)燃機是能夠節(jié)省燃油消耗的。
圖8表示出一臺按照本發(fā)明工作方法工作的內(nèi)燃機的特性曲線，其中除了氣門配氣相位變化和幾何壓縮比提高外還使內(nèi)燃機進氣增壓。這種特性曲線在圖8中以A表示；而符號B則表示按照現(xiàn)有技術狀況工作，但增壓的內(nèi)燃機；特性曲線C為一臺已知的天增壓發(fā)動機。顯而易見，本發(fā)明的增壓發(fā)動機是為了發(fā)出較高的負荷或功率而構(gòu)成的，因此相對于已知內(nèi)燃機，它表現(xiàn)出功率提高。圖8以點線表示出其它的特性曲線，它們表示出本發(fā)明發(fā)動機的各種運轉(zhuǎn)特性曲線，其中排氣門開啟時刻A根據(jù)圖8中的度數(shù)或者時間來變化。短虛線則表示本發(fā)明發(fā)動機的各種特性曲線，其中考慮了進氣門不同的關閉時刻ES。它表示本發(fā)明發(fā)動機可以在一個很大的負荷范圍和轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作，此時僅僅氣門配氣相位變化和對發(fā)動機采用諸如渦輪增壓器的方法增壓。
權利要求
1.至少有一個在氣缸中引導的工作活塞的內(nèi)燃機工作方法，該內(nèi)燃機至少有一個具有可變關閉時刻的進氣門，關閉和開啟氣缸的進氣口，并且至少有一個具有可變開啟時刻和不變關閉時刻的排氣門，關閉和開啟氣缸的排氣口，其特征是，內(nèi)燃機以一個幾何壓縮比工作，該幾何壓縮比在特定的部分負荷時被提高。
2.根據(jù)權利要求1的方法，其特征是，內(nèi)燃機工作的幾何壓縮比在14∶1和24∶1之間。
3.根據(jù)上述權利要求之一的方法，其特征是，內(nèi)燃機以增壓或自由吸氣方式工作。
4.根據(jù)上述權利要求之一的方法，其特征是，內(nèi)燃機能夠采用稀薄燃料-空氣-混合氣工作。
5.根據(jù)上述權利要求之一的方法，其特征是，在內(nèi)燃機排氣道中至少有一個作為NOx-存儲式催化轉(zhuǎn)化器工作的排氣凈化裝置。
6.根據(jù)上述權利要求之一的方法，其特征是，在內(nèi)燃機進氣道中對空氣流進行無節(jié)流限制。
7.根據(jù)權利要求1至5的方法，其特征是，進氣道橫截面是可變的。
8.根據(jù)上述權利要求之一的方法，其特征是，對內(nèi)燃機增壓，并通過排氣門提前開啟達到功率提高。
9.根據(jù)上述權利要求之一的方法，其特征是，采用一個渦輪增壓器進行增壓。
10.根據(jù)上述權利要求之一的方法，其特征是，進氣門以可變關閉時刻和不變開啟時刻關閉和開啟進氣口。
11.根據(jù)權利要求1至9之一的方法，其特征是，進氣門以可變關閉時刻和可變開啟時刻關閉和開啟進氣口。
12.根據(jù)上述權利要求之一的方法，其特征是，進氣門的關閉時刻根據(jù)廢氣凈化裝置的實際溫度(IST-溫度)決定。
13.根據(jù)上述權利要求之一的方法，其特征是，進氣門的關閉時刻根據(jù)內(nèi)燃機負荷—轉(zhuǎn)速—運轉(zhuǎn)工況確定。
全文摘要
本發(fā)明涉及至少有一個在氣缸中導引的工作活塞的內(nèi)燃機工作方法,該內(nèi)燃機至少有一個具有可變關閉時刻的進氣門,關閉和開啟氣缸的進氣口,并且至少有一個具有可變開啟時刻和不變關閉時刻的排氣門,關閉和開啟氣缸的排氣口。規(guī)定內(nèi)燃機以一個幾何壓縮比工作,在特定的部分負荷時壓縮比有所提高。
文檔編號F02D15/04GK1378618SQ00814032
公開日2002年11月6日 申請日期2000年9月22日 優(yōu)先權日1999年10月21日
發(fā)明者B·施蒂貝爾斯, E·波特, L·施皮格爾 申請人:大眾汽車有限公司