专利名称：至少有一个在气缸中引导的工作活塞的内燃机工作方法
技术领域：
本发明涉及具有权利要求1前序部分所述特征的至少有一个在气缸中引导的工作活塞的内燃机工作方法。
内燃机，特别是以稀薄混合气运转的汽油机和特殊的直接喷射式汽油机是以满负荷运转时的抗爆性所考虑的压缩比来工作的。汽油机的这个压缩比，依据结构型式、是否增压及其类型以及所应用的燃料，为8.5∶1直至最大值12.5∶1。因此，特别是在部分负荷运转时不得不承受效率损失，因为在这样的部分负荷范围内可以以较高的压缩比运行。现已得知，已有采用机械调节几何压缩比的内燃机，使其能够适应不同的负荷范围。例如由DE35 21 626 C2和DE36 39 850 A1得知的这种内燃机采用调节其燃烧室大小的方法，但是这种压缩比调节方法是很昂贵、复杂，并具有很大的摩擦损失的，因此已知的内燃机宁肯容忍效率损失而没有压缩比调节。
还已知，按照所谓的密勒(Miller)原理或阿特金索(Atkinson)原理来影响压缩比，跟随这种技术状况而产生了一种进气凸轮轴调节，可以使进气门的开启时刻和关闭时刻变化。但是关闭时刻和开启时刻是相互关联的，因此它们一起向提前或滞后方向移动，而关闭和开启时刻的移动产生燃烧室的充气损失，这种损失在被调节成λ＝1的内燃机中，通过增加成本和效率低下的机械增压来补偿。
由DE4012 490 A1得知一种混合气压缩内燃机，它装备有一种气门配气相位移动装置，用此可相互独立地调节进排气门开启和关闭时刻。由这种专利文件得知的内燃机依然在效率方面具有缺点，特别是在部分负荷运转时。
因此本发明的任务是，提供一种至少有一个在气缸中导引的工作活塞的内燃机工作方法，其不具有上述的缺点。
解决这个任务所采用的内燃机工作方法包含权利要求1中所述的特征。这种工作方法规定，一个工作活塞在一个气缸中引导；还规定，这种内燃机至少有一个具有可变关闭时刻的进气门，关闭和开启气缸的进气口。此外，至少有一个具有可变开启时刻和不变关闭时刻的排气门，关闭和开启气缸的排气口。本发明工作方法的优点是，内燃机以一个几何压缩比工作，但在特殊的部分负荷时该压缩比提高。因此根据本发明工作方法工作的内燃机被设计成在部分负荷范围内具有尽可能高的压缩，但是通过进排气门配气相位的调节，在满负荷时又没有过高的压缩比，因此本发明的内燃机不仅仅在部分负荷，而且在满负荷范围内均以最佳的压缩比工作，尤其是本发明的工作方法避免了部分负荷范围内不得不忍受的效率损失。因此本发明的内燃机在部分负荷时也能以较高的效率工作，这不仅降低燃油消耗，而且还改善排气质量。另外，采用本发明的内燃机，使效率得到优化，能够附加地实现使排气温度提高和降低的措施以及对排气成分HC/CO/H2/O2百分数产生影响。其中特别是对于具有NOx-存储式催化转化器的发动机方案，它具有一个最利于NOx转换的限制温度范围(大约为220～500℃)，同时相对于传统的三元催化转化器，它有一个受限制的耐高温性(大约为850℃，相应的三元催化转化器大约为1000℃)。
本发明的另一个方案是，内燃机以几何压缩比14∶1至24∶1的范围工作，此时几何压缩比表征活塞上止点OT和下止点UT之间的容积，因此内燃机能够以相对于传统发动机明显高的几何压缩比工作。
本发明的另一方案是，内燃机可以以增压或自由吸气的方式工作；另外还可选择内燃机以稀薄燃料-空气-混合气工作，特别是在低负荷和部分负荷范围内。
本发明的另一方案是，在内燃机排气道中有一个排气净化装置，它作为NOx-存储式催化转化器工作，因此这种存储式催化转化器也能用于本发明内燃机的运转。如前所述，这种内燃机具有一个限制的温度范围，在此范围内可以以稀薄混合气在宽广的特性曲线范围内工作。
一个实施例是，在内燃机进气道中对空气流进行无节流限制，自然也可以改变进气道的横截面，特别是在要求高EGR率而需要节流时。
一个优选的实施例是，对内燃机增压和通过排气门提前开启来提高功率。通过这种方法使内燃机将一部分膨胀功转移给增压装置，特别是涡轮增压器。通过这种方法改善燃烧室新鲜混合气的充量，这样由于增加了λ＝1运转所需要的燃料量而引起剩余功率的转换，除补偿交变负荷动态运转中由于排气开启时刻提前而引起的效率损失外还有剩余。
一个实施例是，进气门以可变关闭时刻和不变开启时刻关闭和开启进气口；而排气门则根据本发明的工作方法，以可变开启时刻和不变关闭时刻工作。这种具有优点的工作方法，通过相应选择进气关闭和排气开启时间而能够使压缩比相对于膨胀比实现附加的变化；通过这样的方法还特别能够对排气温度产生影响。
另一实施例是，进气门以可变关闭时刻和可变开启时刻关闭和开启进气口。特别是在上部负荷区域内，进气门受爆震传感器控制而增加提前开启，以便使压缩比与爆震界限匹配。由于在此负荷范围内膨胀比可以高于压缩比，而且在此负荷范围内排气温度也低于传统内燃机的相应值，因此为了保护催化转化器，满负荷混合气加浓范围不能小，这就引起燃油消耗减小。但是，由于压缩比受爆震传感器控制而回调，则可能使节省的燃料百分数要比高压缩比的部分负荷范围时要小。此外，由于膨胀期的延长，而使燃油消耗在任何情况下都要比传统发动机有一定的降低。
由从属权利要求给出了其它设计方案。
下面参照附图借助实施例详细论述本发明如下，即
图1一台已知的直接喷射式汽油机的特性曲线；图2一台根据本发明工作方法工作的直接喷射式汽油机的特性曲线；图3根据本发明工作方法工作的汽油机的特性曲线，其中表示出不同排气门开启时刻或进气门开启时刻所对应的各条特性曲线；图4具有爆震传感器控制压缩比，并根据本发明工作方法工作的汽油机的特性曲线；图5根据本发明工作的汽油机的特性曲线，其中还表示出稳定运转时的膨胀比；图6根据本发明工作的汽油机的特性曲线，其中表示出相对于一台具有固定压缩比发动机排气温度的变化；图7本发明的内燃机的特性曲线，其中表示出相对于一台具有固定压缩比发动机燃油消耗的变化；图8表示一台本发明的增压发动机的特性曲线。
图1表示出一台已知发动机的特性曲线。在一个两坐标轴正交的坐标系中，内燃机负荷L随转速n变化。由不同的阴影区域可得知已知发动机的不同运转范围。较低转速和负荷范围1描述已知内燃机在所谓的分层稀薄混合气情况下运转；中等转速和负荷范围2为均匀稀薄混合气运转；较高转速和负荷范围3表示内燃机处于λ＝1的状况下运转。随着转速和/或负荷的提高，所谓全负荷—混合器加浓的范围4与范围3相接，此范围也是为了保护零部件，特别是为了保护内燃机的排气净化装置不受过高运转温度的损害。
图2表示出本发明涉及的内燃机的特性曲线。如图1一样的范围采用相同的符号。明显可见，由于采取了本发明的措施，混合气加浓的范围4在一个较高的转速成一个较高的负荷时才开始，这就意味着全负荷混合气加浓必须在必要时从一个较高的转速或一个较高的负荷才开始进行。因此本发明内燃机的燃油消耗低于现有技术状况下的油耗。
图3中的虚线表明不同排气门开启时刻A的情况。显而易见，特别是在范围1中(图2)排气门开启时刻向“提前”方向移动。不同的进气门关闭时刻ES用点划线表示。显然在较高负荷时进气门关闭时刻向“滞后”方向移动，特别是在全负荷混合气加浓的范围4中，进气门关闭时刻向“滞后”方向移动了约60°。
如果将图2和图3重迭起来，则可清晰地看出，各个进排气门关闭和开启时刻ES和A位于范围1和4中。还可明显看出，由0°的基准关闭时刻出发，在较高的负荷L时关闭时刻向“滞后”方向移动。此外，由图3中的不同特性曲线可明显看出，进排气门的配气相位也可随转速变化。
图4插绘出本发明内燃机的各条特性曲线，其中表示出压缩比随负荷L或转速n的提高而降低。特别是在压缩比有爆震传感器控制的情况。因此基于改变或可变气门配气相位使压缩比的变化也可使本发明的内燃机以最大可能的压缩比工作，无论是在部分负荷范围，还是在全负荷范围内。图4表示出相应压缩比的各根特性曲线。
图5表示出膨胀比能够被改变，特别是在低至中转速范围内和低负荷时。随着负荷和转速的降低，膨胀比也下降，每个膨胀比都对应相应的特性曲线。
由图6可清晰地看出，采用本发明工作方法工作的内燃机可以使排气温度变化，以便能够使废气净化装置在预先规定的温度范围内工作。在全负荷混合气加浓范围4内，以废气温度降低约90℃的状态工作。随负荷下降，废气温度的降低也减少，以便能够提高低负荷和低转速时的废气温度降。通过进排气门配气相位变化而使压缩比变化，从而影响排气温度，使本发明内燃机能够在已知内燃机排气温度太高或太低的运转范围内工作，以便使废气净化装置能够工作在预先规定的温度范围内。这就意味着，采用本发明的工作方法能够在低负荷L和低转速n时提升废气温度，同时本发明的内燃机也能够以特别低的负荷和低转速工作，而对废气净化装置不造成损害。
由图7得知，与已知发动机相比，燃油消耗得到了所希望的节省，在混合气加浓范围4内燃油消耗大约降低5％，随着负荷L的降低，燃油消耗节省加大，直至10％左右。在低速、最低负荷范围内，虽然最低油耗升高约2％，但总的说来，在具有交变负荷的动态运转时，采用本发明工作方法工作的内燃机是能够节省燃油消耗的。
图8表示出一台按照本发明工作方法工作的内燃机的特性曲线，其中除了气门配气相位变化和几何压缩比提高外还使内燃机进气增压。这种特性曲线在图8中以A表示；而符号B则表示按照现有技术状况工作，但增压的内燃机；特性曲线C为一台已知的天增压发动机。显而易见，本发明的增压发动机是为了发出较高的负荷或功率而构成的，因此相对于已知内燃机，它表现出功率提高。图8以点线表示出其它的特性曲线，它们表示出本发明发动机的各种运转特性曲线，其中排气门开启时刻A根据图8中的度数或者时间来变化。短虚线则表示本发明发动机的各种特性曲线，其中考虑了进气门不同的关闭时刻ES。它表示本发明发动机可以在一个很大的负荷范围和转速范围内工作，此时仅仅气门配气相位变化和对发动机采用诸如涡轮增压器的方法增压。
权利要求
1.至少有一个在气缸中引导的工作活塞的内燃机工作方法，该内燃机至少有一个具有可变关闭时刻的进气门，关闭和开启气缸的进气口，并且至少有一个具有可变开启时刻和不变关闭时刻的排气门，关闭和开启气缸的排气口，其特征是，内燃机以一个几何压缩比工作，该几何压缩比在特定的部分负荷时被提高。
2.根据权利要求1的方法，其特征是，内燃机工作的几何压缩比在14∶1和24∶1之间。
3.根据上述权利要求之一的方法，其特征是，内燃机以增压或自由吸气方式工作。
4.根据上述权利要求之一的方法，其特征是，内燃机能够采用稀薄燃料-空气-混合气工作。
5.根据上述权利要求之一的方法，其特征是，在内燃机排气道中至少有一个作为NOx-存储式催化转化器工作的排气净化装置。
6.根据上述权利要求之一的方法，其特征是，在内燃机进气道中对空气流进行无节流限制。
7.根据权利要求1至5的方法，其特征是，进气道横截面是可变的。
8.根据上述权利要求之一的方法，其特征是，对内燃机增压，并通过排气门提前开启达到功率提高。
9.根据上述权利要求之一的方法，其特征是，采用一个涡轮增压器进行增压。
10.根据上述权利要求之一的方法，其特征是，进气门以可变关闭时刻和不变开启时刻关闭和开启进气口。
11.根据权利要求1至9之一的方法，其特征是，进气门以可变关闭时刻和可变开启时刻关闭和开启进气口。
12.根据上述权利要求之一的方法，其特征是，进气门的关闭时刻根据废气净化装置的实际温度(IST-温度)决定。
13.根据上述权利要求之一的方法，其特征是，进气门的关闭时刻根据内燃机负荷—转速—运转工况确定。
全文摘要
本发明涉及至少有一个在气缸中导引的工作活塞的内燃机工作方法,该内燃机至少有一个具有可变关闭时刻的进气门,关闭和开启气缸的进气口,并且至少有一个具有可变开启时刻和不变关闭时刻的排气门,关闭和开启气缸的排气口。规定内燃机以一个几何压缩比工作,在特定的部分负荷时压缩比有所提高。
文档编号F02D15/04GK1378618SQ00814032
公开日2002年11月6日 申请日期2000年9月22日 优先权日1999年10月21日
发明者B·施蒂贝尔斯, E·波特, L·施皮格尔 申请人:大众汽车有限公司