内燃机操作方法以及完成该方法的内燃机的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种内燃机的操作方法，用于在一个排气循环期间将位于内燃机气缸 中的废气从气缸排出并进入废气系统。本发明尤其涉及包括多个气缸的内燃机，引导每一 个气缸中的工作活塞作用在一个共同的曲轴，通过在进口侧上的一个致动进气阀系统将该 气缸或者每个气缸的燃烧室连接到进气系统并且通过出口侧上的一个致动排气阀系统将 该气缸或者每个气缸的燃烧室连接到排气系统。本发明进一步涉及一个排气增压栗，特别 是用于在这种类型的内燃机。
【背景技术】
[0002] 内燃机或者热力发动机应用于各种领域具有多种用途，例如作为机动车辆的驱动 单元，或者用于工厂或其他技术设备中的固定物中。内燃机或热力发动机的运行可通过使 用汽油或柴油、两个或四个气缸、以及使用各种液体或气体燃料。在所有的各种结构中，压 缩燃料空气混合物通常引起气缸燃烧室爆炸(或在一个旋转发动机类似配置的盘室内），以 反作用的方式，在活塞缸中配置上述的一个可替换的活塞执行工作行程，从而驱动发动机 轴提供动力。工作行程完成后，即气缸中的燃烧气体膨胀后，在所述的气缸的一个排气循环 中，产生燃烧工作气体，同时废气排放到连接到气缸的排气侧的排气系统中。
[0003] 在传统的构造中，内燃机可以配置为一个四冲程发动机，通过气缸中的一个排气 阀打开废气系统废气使废气进入排气系统。然而，在另一种传统结构中，内燃机也可以配置 为二冲程发动机，该发动机排气周期的配置作为实际工作冲程的一部分，废气系统打开进 入排气系统，所述的排气系统以开槽控制的方式打开，在这种结构中，活塞在冲程运动的最 后阶段滑离越过气缸中的出口槽，随后打开它们。在四冲程发动机中，一个相应的进气阀系 统通常是在进气口一侧，而在二冲程发动机中这个功能是以换气槽的形式实现并设置在缸 筒中。进一步，设置有基于旋转滑板的阀系统，在该结构中通过旋转滑板开启和关闭气缸盖 的管道横截面。旋转滑动控制系统用于二冲程和四冲程方法中。因此，在二冲程发动机的情 况下，"进气阀系统"和"排气阀系统"在以下用作描述，也因此明确参考在气缸壳中的相应 的开槽设置，相应的阀功能通过提升阀或旋转滑板的方式被类似的提供给四冲程发动机中 的实际执行。
[0004] 对于任何一个结构（例如斯特林发动机、蒸汽机等）的内燃机或热力发动机，人们 长期以增加每个气缸的单位气缸容量的可用功率输出和/或以增加效率/减少特定的燃料 消耗作为配置目标。鉴于这些配置的目标，已经开发了一些利用或回收流出气缸的废气中 的残余能量的设计。
[0005] 这些设计包括废气涡轮增压。废气涡轮增压从废气流中提取焓并且将提取焓在新 鲜气体流中以压缩功的方式返回到发动机。从一个连续流机器的性能来看，假设存在连续 排气焓流，废气涡轮增压具有很高的效率。排气焓变随机浮动越大，涡轮的效率越差。这意 味着，在实践中气缸发动机和废气涡轮增压器只有在三个或更多的气缸的情况下具有良好 的效率，仅在某些情况下（最好是在一个对称的点火顺序的情况下)两缸发动机可用，而不 能在单缸发动机中有效运行。
[0006] 在原则上，在涡轮和压缩机中具有小汽缸容量的内燃机需要小叶片直径。涡轮效 率和压缩机效率随着叶片直径的减小而降低，因为在其他事情中叶片和壳体之间的间距损 失不成比例。如果发动机载荷阶跃，废气涡轮增压器的响应特性(动态行为)也被发现是不 利的，因为从一个低负载(低废气焓)开始，由于惯性，在从涡轮的上游焓的逐渐升高仅以延 迟方式加快了转子。而以涡轮滞后的形式，导致以一个已知的方式在压缩机的一侧缓慢的 压力升高。在具有低的汽缸容量发动机中这种效果是更为显著的，因为在转子的惯性力矩 未如同废气焓流中减少的一样多，而在汽油发动机中比在柴油发动机更为明显，因为废气 焓扩散的更广泛。因此，几乎没有可能采用废气涡轮增压器操作小的、动态驱动的发动机， 如汽车和电力控制块加热站。
[0007] 压缩波增压器可以想象为一种替代的增压系统，如废气涡轮增压器，它从废气流 中提取焓，并将其作为压缩功提供给的吸入的燃烧空气。即使在发动机转速较低时，压缩波 增压器具有良好的动态特性和高增压率。在废气和新鲜空气之间的"开放"的换气系统被发 现是不利的，原因在于在发动机启动时，必须绕过增压器以防止扫气短路，也不承受任何吸 气的节流，这意味着增压器出现不适合部分负荷运行的动态操作的汽油发动机。由于废气 管路和新鲜气体管路的直接连接，其声学特性也存在问题。大安装体积和重量以及需要同 步驱动增压器和发动机转速使压缩波增压器对于低量的汽油发动机是不经济的。
[0008] 将废气焓变为有用功的另一种选择，可以通过再在另一个膨胀缸中膨胀来自内燃 机的运行气缸中的废气来提供。其中，马里奥和格哈德施密茨(Mario Illien and Gerhard Schmitz)的出版物(http: //www. 5-takt-motor · com/de/news .html)公开一个这种类型的 系统，该系统耦合两个高压气缸，以四冲程的方法使用相同的点火顺序操作，以一个更大的 汽缸容量的低压缸，在180°曲轴偏移运行。当在工作行程后，高压缸到达下止点（BDC)，排气 系统打开连接低压缸的管道，所述低压缸位于上止点（TDC)。由于低压缸的较大的冲程容 量，即使是高压缸的上升活塞又正在减小其体积，工作气体仍进一步膨胀。
[0009] 从热力学角度，这种设置增加燃烧循环的膨胀比，提高热效率。
[0010]具有一个单独的低压缸系统的缺点是在气缸盖中的溢流管的热负荷高，高压缸的 气门叠开(扫气）的排气背压越高，低压气缸发动机在重量和安装空间以及摩擦损失(额外 的活塞组和曲轴传动)也就越大。事实上，方便操作的二冲程操作的低压气缸发动机要与具 有相同的角点火间隔的两个高压气缸结合使用。系统成本很高。因此，这一结构对单缸发动 机是没有前景的。
[0011]德国专利：DE 36 25 050 A1，DE 36 25 048 A1，DE 36 25 051 A1，DE 36 25 053 A1，DE 33 18 136 A1和Schatz等人公开的"一种新的动态增压方法一脉冲增压"，英格兰 1989年的第二次发展新动力底盘国际会议（Second International Conference New Development Powertrain Chassis)，披露排气脉冲增压器作为提高内燃机的功率和效率 的进一步替代设计。排气脉冲增压器将内燃机排出的废气焓转换成新鲜气体的压缩功。该 系统包括在气缸内导向的一个自由活塞。气缸的一端通过一个排气输送管连接到发动机的 排气系统，气缸的另一端连接到进气系统。弹簧推动自由活塞在气缸内的排气侧停止，以这 样的方式，当不加载压力，自由活塞清除了新鲜气体侧的最大体积和在相应的排气侧的最 小体积。自由活塞可选择的具有屏蔽、对中在排气侧，从而从一个特定的自由活塞冲程到废 气排气管清除废气气缸体积，以便废气排入消声器，或一个阀门，阀门由排气增压栗的排气 压力控制而打开和关闭排气出口管。使用一个至少部分独立于自由活塞运动的阀门控制废 气排气管的目的是，由废气驱动可以使自由活塞的膨胀行程更长。在新鲜的气体侧，通过一 个止回阀，气缸体积可以吸入周围空气，当体积减小，气缸体积被推到发动机的进气系统。
[0012] 出版物"一种新的动态增压方法一脉冲增压"公开了一个二缸发动机的废气脉冲 增压器的测试结果。当发动机气缸的排气阀开启时，废气进入废气脉冲增压器，并加速了自 由活塞对弹簧力的反力。废气在废气脉冲增压器做膨胀功直到自由活塞上的屏蔽打开解压 管。自由活塞的质量惯性允许它继续在气缸中，直到动能总量达到弹簧的势能以及在进气 系统中的自由活塞压缩新鲜空气的能量。由于这两个发动机气缸相互对称相位，第一发动 机气缸的发动机排气阀打开使自由活塞移动到上止点（TDC)活塞位置，在发动机进气阀关 闭前不久对应于第二发动机气缸上止点活塞位置，以这样一种方式，使正在由自由活塞压 缩的部分的新鲜空气通过进气系统从入口端被迅速推入两上游气缸并且因此提高空气密 度。进气系统中的弹簧力和在进气系统中压缩后的新鲜气体推动自由活塞返回静止位置， 也就是返回到排气侧停止位置。360曲轴度后，废气脉冲增压器的工作循环从前面开始，但 相对于废气脉冲增压器，两个发动机缸交换了功能。
[0013] 在测试中，废气脉冲增压器在低的发动机转速(约达2000rpm)下表现出良好的动 态行为，也增加了空气效率。在较高的旋转速度(从约3000rpm起)下增电压力不再有任何增 加。
[0014] 废气脉冲增压器具有一定的热力学和机械的缺点，这是对效率和功能不利的：
[0015] ?在排气侧(排气输送管和排风喷射管之间短路连接)上具有显著的有害体积，从 而不但减少来自自由活塞上游的废气压力而且减少了进气系统中的端部压缩压力。
[0016] ?自由活塞上屏蔽长度较短，从废气脉冲增压器释放的废气流入消声器，只能够 利用自由活塞的行程的一小部分作为解压的发动机排气的工作行程。对于利用排气脉冲的 能量，一方面，自由活塞相对于废气压缩波的高质量，阻止了在脉冲传输过程中从废气到自 由活塞的的能量转移，因此，通过测试可以确认增压压力的增幅变小。另一方面，由于溢流， 废气排气管直接连接到废气脉冲增压器的膨胀室更加导致了脉冲丢失。
[0017] ?在每一个运行周期结束后，为使自由活塞能够返回静止位置，当自由活塞的屏 蔽被关闭时，必须没有泄漏。这些泄漏损失构成了进一步的压力损失，从而导致能量损失。
[0018] ?-方面，使用由排气压力控制的阀控制废气出口管并且根据排气阀正时（摩擦 损失和固有振动特性)惯性是非常不精确;另一方面，使用建议的阀系统不可能实现基本热 力学理想的排气控制图，其中的自由活塞全行程作为一个封闭的排气出口管的工作行程， 并且自由活塞返回时废气出口管道是完全打开的。阀门和自由活塞的现有的质量惯性使理 想的排气控制图无法实现，因为加速的质量需要一个反向延迟管线。对于特定的排气压力 所需配置的废气驱动气门驱动机构意味着当负荷和发动机转速变化时，排气阀正时反向改 变。特别是，当节流时，因为发动机具有低压缩比和相对较低的膨胀率，尽管在容量控制汽 油发动机中部分负荷范围内，相对于特定的发动机做功相对高的排气焓可以恰好得到，但 废气驱动气门驱动机构对低排气压力（低负荷，怠速运转)不响应，即排气脉冲增压器也不 进行任何膨胀做功。在同时存在负载下发动机排气阀的关闭和在发动机运行中出现的转速 差时，出口管道无法实现由压力和质量惯性控制的阀门关闭的叠加。特别是，文档中引用的
【背景技术】中未有关于出口管道的阀门关闭是完全基于排空排气脉冲增压中的废气侧的时 间且没有相关的相位或发动机的排气阀关闭的披露。
[0019] ?自由活塞和弹簧(包括进气管内的气动弹簧)形成一个谐波振荡器，其固有频率 是依赖于移动的质量(活塞、直线导向杆和弹簧的质量)和弹簧的速度。如果该系统接近其 固有频率，相当大的振幅峰发生，这可能会导致高加速度下自由活塞在气缸中停止其行程。 运动部件的预见性高重量，这可能是几百克，和一定弱弹簧力，这使得自由活塞移动，即使 在相对较低的排气压力（约2bar)下，对系统的固有频率明显的已达到低发动机运行速度。 在所描述的测试发动机中，由于排气增压器的增压压力从2000rpm以上迅速下降，可以得出 结论，已超出该系统的固有频率，系统不再进行全面的工作行程。当超过其固有频率时，自 由活塞没有足够的时间返回到它的静止位置。从约3000rpm向上，增压压力不再建立在所描 述的测试发动机上。据推测，在一半的活塞位移中，自由活塞位于静止位置。
[0020] ?由于不同的废气压力和变化的气动弹簧返回速率，依据固有频率和活塞冲程， 该系统的自由活塞不能唯一确定，所以在气缸中末端位置自由活塞的碰撞是可预期的。
[0021] ?自由活塞相对于气缸壁的密封须通过间距非接触设置，因为大缸孔或使用密封 元件，例如活塞环，所以从排气侧到新鲜气体侧的明显漏流会产生，然而这将需要润滑，且 增加摩擦。
[0022] ?整个废气流通过排气脉冲增压器，从而导致在增压器外壳和自由活塞上的高热 负荷。
[0023] 提高内燃机的功率和效率的进一步替代设计是替代下游汽化过程(0RC)。在这样 的背景下，提供了包括活塞或透平膨胀机的利用排气焓或余热、蒸汽的过程，最好是采用低 沸点有机工质(〇RC==有机朗肯循环）。这些过程完全通过换热器从废气流获得热量。在一 个单级的过程中由于低的温度差异(物理工作材料限制），效率是很少高于15%。换热器和 线路系统的热惯性，阻止良好的动态行为，因此，这些系统是不适合机械功率输出直接进入 动态操作的内燃机。特别是高系统成本的内燃机用于防范使用在小发动机中，目前成本是 超过3000欧元/千瓦(EUR 3000/kW)。
[0024] 另外，提供热电能量转换利用塞贝克效应。此效应描述了由于在这些机构的晶体 晶格中的不同的电子气体密度，在两个机构之间不同的温度差的电位差。这种电位差随着 机构之间的温度差增加，并可用于使电流流过。使用内燃机的废气，加热一个机构，另一个 机构是最好保持在室温下。该系统做工无需任何移动组件，因此不是一台机器。
【发明内容】
[0025] 本发明的目的是以一个特别简单和可靠的方式，提供一种可供选择的方法，用于 操作上述类型的内燃机，该方法使内燃机具有特别高的特定功率输出和/或一个特别低的 燃料消耗。本发明也提供一种特别适合于进行该方法的内燃机。
[0026] 本发明可以通过以下方法实现，根据本发明在排气循环的第一循环阶段，在将废 气输入排气系统排气循环的第二循环阶段之前，排气压力波的脉冲和/或压力能量的整个 或部分传输至排气增压栗的主级侧。
[0027] 第一和第二循环阶段的总持续时间最好近似对应于相应的发动机排气阀总打开 时间，第一阶段的开始伴随着发动机排气阀打开，第二阶段的终点大约正好与发动机排气 阀关闭同时发生或稍微延迟。一个短的第一循环阶段降低了出口管和排气增压栗的壁热损 失，并连同在发动机缸中提前的压力减少，在负荷变化期间使相应的低排气做功或低排气 背压成为可能。特别是发生在该循环阶段中，当排气阀打开，由于一个合适的排气波流动传 导的结果，废气流的脉冲和这个排气压力波的压力能量是尽可能完全或至少部分地向排气 增压栗的主级侧传送。在这一阶段，进入排气系统的排气的漏失应当在很大程度上予以防 止。提供从排气压力波到排气增压栗的主级侧的理想脉冲传送，废气直接或者至少部分地 到达排气增压栗，直接脉冲传输是特别优选的，其中，流出气缸的排气压力波部分或尽可能 完全地传递到位于排气增压栗的主级侧的气体缓冲和/或位于排气增压栗的主级侧上游的 气体缓冲。随后是出口循环的的第二循环阶段，在该循环中废气流入排气系统。
[0028]本发明是基于剩余焓仍然含在流出气缸的废气中的考虑，选择剩余焓作为增加内 燃机的效率和/或功率的一个特别合适的切入点，因为在操作中，具有较高的残余压力的废 气流出所述的气缸，在废气排入大气前，可用于额外的功率输出供给。
[0029]该排气增压栗的应用特别集中在单缸和双缸发动机的应用，其具有约50-250CC相 对较低的单个气缸容积。对于这些发动机类型，还没有经济上可行的（失去)废气能量转换 为机械(驱动）能量转换系统。排气增压栗最好能有效地约束使用于下列这些发动机类型， 或有以下特性：
[0030]-用于速度高达l〇〇〇〇rpm(2轮发动机)的发动机
[0031 ]-能够有效转换排气气体流中的强烈波动能(单缸发动机）
[0032]-新鲜气体的输送速度应与负载和转速成大约正比 [0033]-在排气循环中和在负荷变化期间提供低排气背压力 [0034]-完全分离的废气和新鲜气体管道 [0035]-良好的动态特性(车辆应用）
[0036]-低固有(摩擦)损失
[0037]-良好的声学特性(2轮发动机）
[0038]-低系统成本
[0039]-低保养
[0040]-最低可能的热负荷
[0041 ]-适