多缸内燃机和运行多缸内燃机的方法

专利名称：多缸内燃机和运行多缸内燃机的方法
技术领域：
本发明涉及一种运行点火式多缸内燃机的方法，其中奇数η个气缸直列排列，其中在部分载荷运行中，在低于预定载荷下部分气缸关闭。本发明进一步涉及一种实现上述方法的多缸内燃机。
背景技术：
内燃机发展的一个基本目标是使燃料消耗量最小化，努力方向主要集中在燃烧改良上，即更有效率的燃烧。燃料消耗量以及因此带来的效率问题尤其对于火花点火式发动机而言是一个难题。原因在于火花点火式发动机的基本运行方法。火花点火式发动机通过均勻的燃料-空气混合物运行，在没有直接喷射的情况下，燃料-空气混合物是由通过将燃料引入进气管道中的进气而形成的外部混合物制备的。通过改变燃烧室的载荷来调节需要的功率输出， 所以，与柴油机不同，火花点火式发动机的运行方法是基于定量控制。载荷通常通过设置在进气管道中的节流阀进行控制。通过调节所述节流阀，能够较多或较少地减小所述节流阀下游的进气的压力。所述节流阀关闭得越彻底，即所述节流阀对进气管道的限制越多，经过节流阀的进气的压力损失就越大，该节流阀下游的以及从入口上游至气缸即燃烧室的进气的压力就越小。对于恒定的燃烧室容量，可以通过上述这种方式经由进气的压力来调节空气质量，即数量。这同时也解释了为什么这种定量控制方法特别是在部分载荷范围内是有缺点的，因为小载荷需要高度节流和大幅度减小进气管道中的压力，并由此随着载荷减小和节流增大，负载循环的损耗增大。已经发展了多种对点火式内燃机截止节流以减少上述损耗的措施。由于在部分载荷运行中，火花点火式发动机由于节流控制而具有低效率，而柴油发动机具有较高的效率，也就是说由于定量控制而具有较低的燃料消耗量，已经尝试结合上述两种运行方法，以在火花点火式发动机中利用柴油发动机的优势。在此，研究工作主要集中于这两种方法的实质特征上。传统火花点火方法的特点是混合物压缩、均勻混合物、点火以及定量控制，而传统柴油发动机方法的特点是空气压缩、非均勻混合物、压缩点火以及定性控制。一种截止节流的方法是，例如，具有直接喷射的火花点火式发动机的运行方法。燃料直喷是一种实现层化燃烧室负载的合适方式。在一定范围内，燃料直接喷射入燃烧室从而允许在点火式发动机中实现定性控制。通过燃料直喷入气缸，更确切的说是喷入气缸中已存在的空气，接着形成混合物， 而不是通过将燃料引入进气管道中的进气形成混合物的外部混合物形成。另一个优化火花点火式发动机燃烧过程的方式在于使用可变气门机构。与传统气门机构相反，气门升程以及定时，即进气阀和排气阀的开闭时间，均通过气门机构的不可调整及非柔性机构预先设定为定量，这些参数影响燃烧过程并因此能够通过所述可变气门机构较大或较小地改变燃料消耗量。理想的解决方式应该是有一个完全可变气门定时装置，其将允许专门与火花点火式发动机的任何运行节点匹配的升程和定时值。然而，利用部分可变气门机构同样也能得到明显节省燃料。简单通过改变进气阀的关闭时间和进气阀的升程，从而使获得具有无节流并因此无损耗的载荷控制成为可能。进气过程中流入燃烧室的混合物的量因此不通过节流阀而是通过进气阀升程和该进气阀的开启时段来控制。上文描述的理念具有的缺点是，因为它们需要对基础发动机和/或气门机构进行实质上的修改以及增加复杂部件，因此不适合市场上已存在的发动机。提供一种通过气缸关闭对市场上已有的火花点火式发动机截止节流的方法。这用于改进，即增加在部分载荷范围内的效率，因为关闭多缸内燃机中的一个气缸增加了运行中气缸的载荷，从而能够并必须进一步开大所述节流阀以将更多的空气量引入气缸，从而总体上实现这种内燃机的截止节流。由于传送了更多的空气量，在部分关闭期间仍在运行的气缸具有改良的混合物形成并能容忍较高的废气再循环速率。进一步地，在效率方面具有的优点是，得益于没有燃烧，在从燃烧气体到燃烧室墙壁的热量传输中，在穿过墙壁时，已关闭的气缸不会产生任何的热量损耗。除上述优点外，现有技术中描述的，尤其是在具有奇数η个气缸的多缸内燃机中部分关闭的方法，同样存在缺点，这些缺点通常成为系列化生产的障碍。下面将点火式三缸内燃机作为例子就部分关闭中产生的问题进行讨论，其中所述三个气缸直列排列。为实现部分关闭，现有技术中该三缸直列发动机中的一个气缸配置为关闭气缸， 即第一外部气缸、第二内部气缸或第三，同样也是外部气缸中的任何一个。这些气缸编号方式通过DIN73021进行管理。在直列发动机中，将这些气缸从位于离合器对面的一侧开始连续地按顺序编号。在正常运行中，即当所有三个气缸都在运行且部分关闭无效时，将这些气缸以 2400C A的间隔按照点火次序1-2-3点火。因此，在正常运行期间，形成有规则的点火模式， 其中每隔240°C A就会发生点火。在部分关闭情况下，使关闭的气缸无效且仅有两个剩余的气缸继续运行，从而发生不规则的点火模式，其中点火间隔在240°C A和480°C A间交替，这造成许多不利影响。通过脉冲和交互作用力而被激发形成结构声振动的发动机结构，经过其发动机表面发出结构声作为大气噪音，并以这种方式产生实际的发动机噪声。不规则的点火模式造成不和谐的令人觉得不愉快的发动机噪声。这就是缺点，因为内燃机产生的噪声会对购买行为产生较大影响。凭借这样一种发现，即当消费者要选购车辆时，其购买决定也实质上渐渐地甚至果断地受内燃机以及车辆的噪声所影响，实际上正在努力研究上述特定影响以及对作为噪声设计即声音设计一部分的发出的噪声建模。例如，跑车的驾驶者，较喜欢车辆以及发动机，其噪声强调了该车辆的运动性能。现在技术中的具有部分关闭的三缸直列发动机的不规则点火模式对声音设计和对其采取的有关措施而言是一种逆效障碍，因为其产生了令人觉得不愉快的发动机噪声。部分关闭产生的不规则点火模式进一步造成曲轴的更多不均衡的旋转振动。曲轴通过与其连接的发动机部件形成振动系统。在这个系统中，曲轴由旋转力激发以产生旋转振动，所述旋转力随时间而变化且经过铰接在单个曲柄销上的连杆传递到曲轴。这里曲轴的旋转振动同时引起由于结构声的排放产生的噪声和将结构声传入车体和内燃机产生的噪声，并显然导致了噪声的排放。在固有频率范围内的曲轴激振能造成高旋转振动振幅，这甚至会造成疲劳断裂。由于通过惯性力和气体力施加在曲轴上的高动载荷，设计者在设计内燃机时尽力设法获得最可能广泛的，即最优化的质量平衡，其目的在于弥补或减少惯性力的外部作用。较大的质量平衡取决于曲轴的摆幅，气缸的数量和布置以及分单个气缸的点火次序。部分关闭，也就是气缸的关闭与其相关联的点火模式的变化破坏了任何试图进行的质量平衡。以三缸内燃机为例讨论的问题同样也存在于任何多缸内燃机中，其中奇数η个气缸直列排列，例如，同样也存在于五个气缸直列的五缸内燃机中。

发明内容
以上述内容为背景，本发明的目的在于提出一种运行根据权利要求1的前序所述的点火式多缸内燃机的方法，对其部分关闭进行了优化。进一步地，本发明的部分目的是提供一种根据权利要求11的前序所述的多缸内燃机，其用于实现本发明的方法。通过一种运行点火式多缸内燃机的方法实现本发明的第一部分目的，其中奇数η 个气缸直列排列，其中在部分载荷运行中，气缸在低于预定载荷下部分关闭，其特征在于在部分关闭期间，以依次点火和关闭各个气缸的方式，间歇运行各个气缸。在根据本发明的方法中，在正常运行中，当所有η个气缸正在运行且部分关闭无效时，η个气缸均以大约720°C Α/η的点火间隔点火。另一方面，在部分关闭期间，以依次点火和关闭各个气缸的方式，间歇运行各个气缸，以使得在部分载荷运行中，气缸以大约 (2*720°C Α)/(η)的点火间隔按修改的点火次序点火。由于气缸部分关闭，点火间隔因此翻倍。根据本发明的部分关闭产生统一的点火间隔，即规则点火模式，并因此产生和谐的发动机噪声。在具有奇数气缸的点火式多缸直列的发动机中，根据本发明的部分关闭的方法使减少束缚于通过节流阀进行的定量控制而导致的负载循环损耗成为可能，同时避免了不规则点火模式，在所述不规则点火模式下，点火间隔变化，且对噪声的排放产生不良影响。根据本发明的运行点火式多缸直列的发动机的方法，提出了一种在不必接受噪声排放方面缺陷的情况下，能够实现为发动机截止节流的部分关闭的方法。与现有技术相比， 根据本发明的部分关闭的方法因而得以优化。因此实现了本发明的第一个目的。在本发明中，给气缸点火是指将易燃的或是易起火的燃料-空气混合物提供给气缸，启动点火，即产生点火火花，燃料-空气混合物点燃并燃烧。在这方面，点火和启动点火，即激活点火存在区别。该方法的更多优选变型将在从属权利要求中讨论。运行点火式三缸直列内燃机的方法的优选实施例，其中在正常运行中，三个气缸以240°C A的间隔按1-2-3点火次序依次点火，在部分载荷运行中，气缸在低于预定载荷下部分关闭，其特征在于，在部分关闭期间，以依次点火和关闭各个气缸的方式，间歇运行各个气缸，以使得在部分载荷运行中，气缸以480°C A的点火间隔按修改的点火次序1-3-2点火。与现有技术不同，三缸直列发动机中没有具体的气缸作为关闭气缸且在部分关闭情况下没有具体的气缸停用，而是将各个气缸点火和停用，即在部分载荷运行中的部分关闭期间将其关闭，每次仅关闭一个气缸而其余两个气缸继续运行。适合的点火次序有利于确保了规则点火模式。在正常运行中，即当所有三个气缸都在运行且部分关闭无效时，如现有技术所述， 这些汽缸以240°C A的间隔按点火次序1-2-3点火。在部分关闭的情况下，当将各个气缸点火一个工作周期和关闭一个工作周期， 从工作周期内第一个气缸的运行开始，依据本发明点火次序为1-3-2，统一的点火间隔为 4800C A0在部分载荷运行中，关闭一个气缸，使得剩余两个气缸的载荷要求增大，这需要打开节流阀以将更多的空气引入这些气缸，因此产生内燃机的截止节流。运行点火式五缸直列内燃机的方法的优选实施例，其中在正常运行中，五个气缸以144°C A的间隔按1-2-4-5-3点火次序依次点火，在部分载荷运行中，在低于预定载荷下部分气缸关闭，其特征在于，在部分关闭期间，以依次点火和关闭各个气缸的方式，间歇运行各个气缸，以使得在部分载荷运行中，气缸以288°C A的点火间隔按修改的点火次序 1-4-3-2-5 点火。关于三缸直列发动机的描述也适用于五缸直列发动机，因此请参考上述描述。在该方法的一种优选实施例中，采用直接喷射将燃料提供给气缸。第一，燃料直接喷射进入气缸中，如部分关闭自身以及以上详细说明，是一种内燃机截止节流的合适方法，从而这两种方式，即一方面部分关闭，另一方面直接喷射，彼此支持，也就是说在截止节流中相互加强。第二，直接喷射允许从一个运行周期到下一个运行周期的燃料供应的关闭和选择性开启。直接喷射的所述特征结合根据本发明的方法尤其有利，其中各个气缸依次开启和关闭，也就是说，关于燃料消耗量，污染排放以及气缸有效的即可靠的关闭，真正重要的是从一个运行周期到下一个运行周期尽可能完全地停止燃料的供应。与直接喷射不同，当采用入口歧管喷射时是不可能保证完全停止燃料传送进关闭的气缸，该入口歧管喷射的原理同样涉及润湿具有燃料的进气管道的管壁。在本方法的优选实施例中，使向关闭的气缸的燃料供给无效。原则上，通过使点火无效，可以保持关闭的气缸的燃料供应且能单独地进行汽缸的关闭。然而，这对燃料消耗和污染排放会非常不利，也会与部分关闭所追求的目的即减少燃料消耗和提高效率不一致。因此依据讨论的本方法的变型去阻止在部分载荷运行中部分关闭期间向内燃机的关闭气缸传送燃料是尤其有利的，从而使得所述气缸可靠地停止运行。这也阻止了任何燃料由于气缸燃烧室中残留气体的高温，甚至不用点火而意外地、自发地燃烧。这里，吸入的助燃空气仍能流经关闭气缸，由于没有任何燃料负载，其保证了没有可用的易燃或易起火的燃料-空气混合物，因此即使是引入了点火火花，在气缸中也不会发生点火和燃烧。
在部分关闭期间，关闭气缸基本上不会影响内燃机的功率输出。如果没有切断反而保持新鲜空气，输入关闭气缸的空气继续在四个工作周期，即进气，压缩，膨胀，排气中发挥作用，以使得关闭气缸不仅不输送能量，而且在气缸中不得不引入燃料循环工作，这降低了效率，也就是说这在热力学上是不利的。由此，停止向关闭气缸供气的所述方法的变型可能是有优势的。这里，无效的气缸可通过截止阀使其与助燃空气供应相隔离。这里必须修改进气管道，例如，为各个气缸配置单独的进气口。以修改的进气管道替换传统的进气系统使得该理念适合改装。在配置有以负载循环为目的的提升阀的多缸内燃机中，本方法的实施例是有优势的，其特征在于使关闭气缸的提升阀无效。具有关闭的阀的关闭气缸在部分关闭期间起作用。在这种情况下，通过向上移动的活塞在压缩过程中对气缸中存在的空气进行压缩，在又一次释放之前，即在下一个冲程即随后的膨胀冲程将其引入曲轴驱动器之前，该压缩空气像弹簧一样存储功或能量。除了由发动机中移动部件产生的细小摩擦能外，没有更多的损耗发生，基于这个原因，比起允许空气继续流入该气缸，在负载循环中使关闭气缸的阀无效在热力学上更为有利。在本方法的所述变型中，通过进气歧管喷射给气缸供应燃料同样也很少出现问题，因为在阀关闭以及进气歧管喷射停用的关闭状态下，没有燃料能从进气管道进入气缸， 尤其是通过燃料浸润壁进入。在本方法的优选实施例中，各个气缸配置有火花塞。火花塞是一种用于可靠引入点火火花的点火设备，其具有必要的耐用性而且便宜。在本方法的优选实施例中，使关闭气缸的点火无效。如上所述，严格来说，仅通过停止燃料供应就能够关闭气缸，因为没有燃料负载也就没有任何可燃的燃料-空气混合物，可通过引入点火火花来点火和燃烧所述燃料-空气混合物。尽管如此，即使是具有无效的燃料供应，通过停用点火来关闭气缸或停用关闭气缸的点火，并因此可靠地避免不需要的点火，如通过气缸中残留的气体，这是特别有利的。在本方法的优选实施例中，低于其时发生部分关闭的预定载荷，随着内燃机的速度函数而变化。这意味着不仅存在实际载荷，低于所述实际载荷时将随着发动机的速度函数关闭一个汽缸，而且还存在基于发动机速度的方法，其在性能曲线内定义出部分载荷范围，在所述性能曲线中进行部分关闭。通过一种汽缸直列排列并配置有点火的多缸内燃机来实现本发明的第二部分目的，即提供一种能用作实现前述方法的多缸内燃机，以对汽缸点火并启动新鲜汽缸负载的燃烧，其特征在于提供有发动机控制，用于通过点火失效来关闭各个汽缸。已经描述的关于本发明的方法同样适用于依据本发明的多缸内燃机，因此，请大体上参考关于本方法的上述描述。本方法的多种变型需要相应的内燃机。在多缸内燃机的优选实施例中，各个气缸配置有用于引入点火的火花塞。在多缸内燃机的优选实施例中，各个气缸配置有以通过直接喷射提供燃料为目的的喷射喷嘴。
在多缸内燃机的优选实施例中，各个气缸配置有以负载循环为目的的提升阀。在多缸内燃机的优选实施例中，提供可调节流阀用于载荷控制。可调节流阀的一个优点在于对部分关闭的，即一个气缸的激活和停用，发动机转矩不降低或升高并且驾驶员不用像在具有不可调节流阀的情况下一样去调节油门踏板以与转矩协调从而保持载荷。该可调节流阀优选为电控节流阀，以及发动机控制采用该节流阀的控制。在成本方面该实施例也是更可取的。在此，通过闭环方法实现节流阀的可调的实施例是有优势的。


以下将参照根据图Ia和Ib所述方法的变型更详细地说明本发明，其中图Ia是正常运行时点火式三缸直列发动机的三个气缸的燃点的示意图，以及图Ib是部分关闭时点火式三缸直列发动机的三个气缸的燃点的示意图。
具体实施例方式图Ia是正常运行时点火式三缸内燃机的三个气缸1，2，3的燃点的示意图。在正常运行中，其中将所有三个气缸1，2，3点火，三个气缸1，2，3直列设置以 240°CA的间隔(弯曲箭头所示)按点火次序1-2-3连续点火。因此得到点火间隔为240°CA 的规则点火模式。内燃机的四个冲程包括曲轴的两次旋转并形成一个循环。从图Ia能看出，第一外部气缸1在0°C A时点火，第一内部气缸2在240°C A时点火，以及第三外部气缸3在480°C A 时点火。最后一个曲柄角标记720°C A代表第一个循环的结束和接着第二循环的开始，所以这里曲柄角从0°C A重新计数。图Ib表示部分关闭时点火式三缸内燃机的三个气缸1，2，3的燃点的示意图。在部分载荷运行中，在部分关闭的情况下，关闭一个气缸1，2，3，且只有两个气缸 1，2，3被点火，气缸1，2，3在部分关闭期间间歇运行且各个气缸1，2，3在个循环中点火和关闭各一次。各个气缸1，2，3依次点火和关闭，使得在部分关闭运行中气缸1，2，3以480°C A 的间隔按点火次序1-3-2点火。在该部分关闭期间，同样在正常运行期间，获得点火间隔为 4800C A的规则点火模式。从图Ib能看出，第一外部气缸1在第一循环中在0°C A时点火，第三外部气缸3在第一循环中在480°C A时点火，以及第二内部气缸2在第二循环在240°C A时点火。参考标记
1第一气缸
2第二气缸
3第三气缸
4第四气缸
5第五气缸
0CA曲柄角值
η气缸数
8
权利要求
1.一种运行点火式多缸内燃机的方法，其中奇数η个气缸直列排列，其中在部分载荷运行中，气缸在低于预定载荷下部分关闭，其特征在于，在部分关闭期间，以依次点火和关闭各个气缸的方式，间歇运行各个气缸。
2.根据权利要求1所述的运行三缸直列点火式发动机的方法，在正常运行中，三个气缸以240°C A的间隔按1-2-3点火次序依次点火，在部分载荷运行中，在低于预定载荷下部分气缸关闭，其特征在于，在部分关闭期间，以依次点火和关闭各个气缸的方式，间歇运行各个气缸，以使得在部分载荷运行中，气缸以480°C A的点火间隔按修改的点火次序1-3-2 点火。
3.根据权利要求1所述的运行五缸直列点火式发动机的方法，其中在正常运行中，五个气缸以144°C A的间隔按1-2-4-5-3点火次序依次点火，在部分载荷运行中，在低于预定载荷下部分气缸关闭，其特征在于，在部分关闭期间，以依次点火和关闭各个气缸的方式， 间歇运行各个气缸，以使得在部分载荷运行中，气缸以288°C A的点火间隔按修改的点火次序 1-4-3-2-5 点火。
4.根据上述权利要求之一所述的运行点火式多缸内燃机的方法，其特征在于采用直接喷射为气缸供给燃料。
5.根据上述权利要求之一所述的运行具有燃料供给的点火式多缸内燃机的方法，其特征在于使对关闭的气缸的燃料供给无效。
6.根据上述权利要求之一所述的运行具有供气的进气系统的点火式多缸内燃机的方法，其特征在于停止向关闭的气缸的供气。
7.根据上述权利要求之一所述的运行点火式多缸内燃机的方法，其中以负载循环为目的在气缸上设置有提升阀，其特征在于使关闭的气缸的提升阀无效。
8.根据上述权利要求之一所述的运行点火式多缸内燃机的方法，其特征在于各个气缸配置有火化塞。
9.根据上述权利要求之一所述的运行点火式多缸内燃机的方法，其特征在于使关闭的气缸的点火无效。
10.根据上述权利要求之一所述的运行点火式多缸内燃机的方法，其特征在于在低于其下时发生部分关闭的预定载荷，随着内燃机的速度函数而变换。
11.一种用于实现上述权利要求之一所述方法的多缸内燃机，其具有奇数η个气缸 (n ^ 3)，其中气缸直列排列并配置有火花点火，以为气缸点火以及启动新鲜气缸燃料的燃烧，其特征在于提供有通过使点火失效来关闭各个气缸的发动机控制。
12.根据权利要求11所述的多缸内燃机，其特征在于各个气缸配置有引发点火的火化O
13.根据权利要求11或12所述的多缸内燃机，其特征在于为了通过直接喷射来提供燃料，各个气缸配置有喷射喷嘴。
14.根据权利要求11-13之一所述的多缸内燃机，其特征在于各个气缸以负载循环为目的配置有提升阀。
15.根据权利要求11-14之一所述的多缸内燃机，其特征在于提供有可调节的节流阀， 用于载荷控制。
全文摘要
本发明涉及一种运行点火式多缸内燃机的方法，其中奇数n个气缸直列排列，其中在部分载荷运行中，气缸在低于预定载荷下部分关闭。本发明进一步涉及一种实现上述方法的多缸内燃机。本发明提出一种上述类型的部分关闭被优化的方法。这个目的通过所述类型的方法来实现，其中在所述部分关闭期间，以依次点火和关闭各个气缸的方式，间歇运行各个气缸。
文档编号F02D13/06GK102400795SQ20111025138
公开日2012年4月4日 申请日期2011年8月29日 优先权日2010年9月7日
发明者B·平恩, C·韦伯, H·H·鲁兰德, K·豪恩伯肯, M·特伯格特 申请人:福特环球技术公司