用于执行内燃发动机中的充气交换的方法
【专利说明】用于执行内燃发动机中的充气交换的方法
[0001]相关申请的交叉参考
[0002]本申请要求2014年3月24日提交的德国专利申请N0.102014205414.1的优先权，其整体内容通过引用合并于此以用于所有的目的。
技术领域
[0003]本申请涉及执行内燃发动机中的充气交换的方法和系统。
【背景技术】
[0004]发动机可使用涡轮增压器或机械增压器来提高发动机扭矩/功率输出密度并最小化燃料消耗。在一个示例中，涡轮增压器可包括压缩机和由驱动轴连接的涡轮，其中涡轮被耦合到排气歧管侧，并且压缩机被耦合到进气歧管侧。然而，在低发动机转速的条件下，由于排气质量流量的降低随后可能降低涡轮压力比，这样的机械增压或涡轮增压发动机可能会经历扭矩下降。
[0005]解决在低发动机转速条件下的扭矩下降问题的一个方法是通过例如可变气门正时来改变气门重叠。另一种方法是使用具有小涡轮横截面的排气涡轮增压器或使用多个排气涡轮增压器。
[0006]本发明人在此已经认识到伴随上述系统的各种问题。例如，在气门重叠期间，可能会发生扫气损失(scavenging losses)，其可能阻挡新鲜空气的完全充气进入汽缸并参与燃烧，从而降低功率输出。此外，由于在活塞朝向上止点移动时与气门邻近，因此需要克服在低发动机转速下的扭矩亏缺的大气门重叠可能在具有高压缩比的内燃发动机(如柴油发动机)中并不可行。具有较小横截面的排气涡轮增压器可能能够在低排气流速下产生进气压力，但可能因此使扭矩下降进一步朝向较低发动机转速转变。
【发明内容】
[0007]至少部分地解决上述问题的一种方案是一种方法和系统，其包括:在包括活塞的燃烧室的充气交换期间，将至少一个排气门打开到最大气门升程；在充气交换期间，在活塞到达燃烧室的上止点之前，致动至少一个进气门，以执行附加的进气门升程，使得进气压力大于排气压力；然后在充气交换过程期间，将至少一个入口气门打开到最大气门升程，并且在充气交换期间，在活塞到达下止点之前，致动至少一个排气门，以执行附加的排气门升程，使得进气压力大于排气压力。以这种方式，在一个示例中，附加的气门升程可减少扫气和/或可提供增加的低端扭矩，而不增加排气温度。
[0008]应当理解，所提供的上述
【发明内容】
以简化形式介绍了在【具体实施方式】中进一步描述的概念。这并不意味着识别所要求主题的关键或必要特征，其范围由遵循【具体实施方式】的权利要求书唯一地限定。此外，所要求的主题并不限于解决以上所述或在本公开任何部分中的任何缺点的实施方式。
【附图说明】
[0009]图1示意性地示出了示例性车辆系统。
[0010]图2A在示图中示出入口气门和出口气门的气门升程曲线hintake、hexhaust。
[0011]图2B在示图中示出入口气门和出口气门的气门升程曲线hintake、hexhaust。
[0012]图3示出附加气门升程的示例方法流程图。
[0013]图4示出用于附加气门升程系统的示例性操作程序。
【具体实施方式】
[0014]本申请涉及一种用于执行在内燃发动机中的充气交换的系统，该内燃发动机包括:具有至少一个汽缸的至少一个汽缸盖，每个汽缸包括用于经由进气系统供给新鲜空气的至少一个入口孔，并包括用于经由排气排放系统排放排气的至少一个出口孔，并包括沿着在下止点和上止点之间的活塞纵轴可移动的活塞；以及具有至少两个气门的至少两个气门驱动器，该至少两个气门沿着它们在气门关闭位置和气门打开位置之间的纵轴线可移动，执行最大气门升程，以便在充气交换过程期间打开和阻塞至少一个汽缸的至少一个入口孔和至少一个出口孔，并且具有用于将气门逆着(counter)预加载力打开的至少两个致动装置。
[0015]上述类型的内燃发动机被用作机动车辆的驱动器。在本申请的上下文中，表述“内燃发动机”包括奥托循环(Otto-cycle)发动机、柴油发动机，并且也包括利用混合动力燃烧过程的混合动力内燃发动机以及混合动力驱动器，该混合动力驱动器不仅包括内燃发动机，而且还包括电动机，该电动机可根据驱动被连接到内燃发动机，并且其从内燃发动机接收动力，或其作为可切换的辅助驱动器而额外输出功率。
[0016]内燃发动机具有汽缸体和彼此连接的至少一个汽缸盖以形成至少一个汽缸。为保持活塞或汽缸套，该汽缸体具有相应数量的汽缸孔。汽缸盖通常用于保持气门驱动器。为了控制充气交换，内燃发动机需要控制元件和用于致动控制元件的致动装置。在汽缸的充气交换期间，燃烧气体可经由至少一个出口孔排出，并且燃烧室的充气，即新鲜空气的吸入，经由至少一个入口孔发生。为了控制充气交换，在四冲程发动机中，几乎可以全部使用升程气门作为控制元件，其升程气门在内燃发动机的操作期间执行沿它们的纵向轴线的摆动升程运动，并且其升程气门以这种方式打开和关闭入口孔和出口孔。气门运动所需的致动装置(包括气门本身)被称为气门驱动器。
[0017]气门驱动器的目的是在正确的时间打开和关闭汽缸的至少一个入口孔和/或出口孔，寻求尽可能大的流动横截面的快速孔，以便保持在流入和流出气体流中的节流损失为低，并且以便更好地实现汽缸的最佳可能充气和排气的完全排出。因此，根据一些方法，汽缸也常常并日益被提供有两个或更多个入口孔和出口孔。
[0018]根据一些方法，引导到入口孔的进气管线和毗邻出口孔的排气管线可至少部分地集成在汽缸盖中。
[0019]内燃发动机开发的主要目的是最小化燃料消耗。同样，在这方面，内燃发动机的机械增压变得越来越重要。机械增压可能是合适的装置，用于提高内燃发动机的动力，同时保持不变的扫掠容积，或用于降低扫掠容积同时保持相同的功率。对于同一车辆的边界条件，因此可以改变朝向更高的载荷集中的载荷，在所述更高的载荷处，特定燃料消耗可能更低。内燃发动机的机械增压因此有助于努力最小化燃料消耗，也就是说提高内燃发动机的效率。
[0020]排气涡轮增压的结构经常造成困难，其中它基本上寻求获得在所有发动机转速范围中显著的性能提高。然而，根据一些方法，扭矩下降可以在一定的发动机转速下冲的情况下被观察到。如果人们考虑到该充气压力比取决于涡轮压力比，则所述扭矩下降是可以理解的。例如，如果发动机转速降低，则这将导致更小的排气质量流量，并且因此导致较低的涡轮压力比。这具有的结果是，朝向较低的发动机转速，充气压力比和充气压力同样减少，这相当于扭矩下降。
[0021]充气压力的下降基本上可以通过使用小的排气涡轮增压器来抵消，即具有小的涡轮横截面的排气涡轮增压器，以便能够甚至以低排气流速产生足够的充气压力。然而，这将最终只会使扭矩下降进一步朝向较低发动机转速改变。此外，所述方法，即在涡轮横截面尺寸上的减小受到限制，因为所需的机械增压和性能增加应该是可行的，而没有约束，并且甚至在高发动机转速下也达到所需的程度。
[0022]根据一些方法，已经寻求通过各种措施例如借助于结合排气吹扫的涡轮横截面的小设计，或使用多个排气涡轮增压器，来改善机械增压内燃发动机的扭矩特性。
[0023]扭矩特性也可借助于串联连接的多个排气涡轮增压器而被有利地影响。通过串联连接两个排气涡轮增压器，其中一个排气涡轮增压器用作高压力级，并且一个排气涡轮增压器用作低压力级，发动机特性图示可以有利地被扩大，特别是在较小的压缩机流动的方向上和同样在较大的压缩机流动的方向上。
[0024]例如，采用用作高压力级的排气涡轮增压器，可以在较小压缩机流动的方向中改变喘振极限，因此，高充气压力比可甚至以小压缩机流量获得，其显著提高了在较低发动机转速范围中的扭矩特性。这通过设计用于小排气质量流的高压力涡轮，并且通过提供旁通管线来实现，借助于所述旁通管线，随着增加的排气质量流量，排气的增加量被引导经过高压力涡轮。为了这个目的，旁通管线从高压力涡轮上游的排气放气系统来分支，并且再次通入低压力涡轮上游的排气排放系统，其中切断元件被设置在旁路管线中，以便控制传导经过高压力涡轮的排气流。
[0025]相对于具有单级机械增压的类似内燃发动机，以这种方式机械增压的内燃发动机的响应行为被显著改进，因为相对小的高压力级是较少惰性的，也就是说，较小尺寸的排气涡轮增压器的转子可以更迅速地加速。
[0026]机械增压的内燃发动机的扭矩特性可进一步借助于平行设置的多个涡轮增压器来改进，即借助于相对小的平行设置的横截面的多个涡轮，其中涡轮可以随着增加排气流速而被连续激活。
[0027]机械增压的内燃发动机的扭矩特性也可借助于由机械增压器(例如压缩机)辅助的至少一个排气涡轮增压器来提高。
[0028]除了如上所述的排气涡轮增压装置的概念性改进，一些方法还包括用于改进排气涡轮增压的内燃发动机的扭矩特性，其方法的目的是增加扭矩，并克服例如在低发动机转速的扭矩亏缺。在此，在低发动机转速下的扭矩亏缺的基本原因被认为是在低发动机转速下的过低排气流速。
[0029]借助于可变气门控制装置，气门重叠即曲轴角范围可变化，在所述曲轴角范围中，出口尚未关闭，而入口是打开的。在气门重叠期间，扫气损失可以发生，其中一些吸入的新鲜空气流过汽缸而不参与随后的燃烧。可变气门控制允许以尤其依赖于发动机转速的方式的气门重叠的变化。
[0030]在排气涡轮增压施加点火的内燃发动机的情况下，在低发动机转速，大的气门重叠适于显著提高最大扭矩并改进瞬态工作性能。在低发动机转速下，在入口侧和出口侧之间存在的压力梯度(gradient)有助于以新鲜空气的有效的汽缸扫气处理，并且更好地实现更大的汽缸充气以及因此更高的功率。
[0031]在具有相对低的压缩比(例如对于自然吸气发动机ε 乂 10，或对于机械增压发动机ε ~8...9)的奥托循环发动机的情况下，在低发动机转速的扭矩亏缺可以用大的气门重叠抵消。在具有高压缩比的内燃发动机(诸如柴油发动机)的情况下，大的气门重叠往往不能实现，因为随着活塞经过上止点，它非常接近入口气门和/或出口气门，并且在气门重叠的情况下，气门的打开不可能到无限制的程度。
[0032]针对上述背景，本申请的目的是限定如说明书所述的方法，借助于该方法，在低发动机转速的扭矩亏缺可以被抵消，并且特别是排气涡轮增压内燃发动机的扭矩特性可以得到改善。
[0033]所述目的可借助于用于执行在内燃发动机中的充气交换的方法来实现，所述发动机包括:具有至少一个汽缸的至少一个汽缸盖，每个汽缸包括经由进气系统供给新鲜空气的至少一个入口孔和经由排气排放系统排放排气的至少一个出口孔，以及沿着在下止点和上止点之间的活塞纵轴线可移动的活塞，以及具有至少两个气门的至少两个气门驱动器，该至少两个气门沿着在气门关闭位置和气门打开位置之间的气门的纵轴线可移动，执行最大气门升程，以便在充气交换