专利名称：用于压缩点火燃烧的内燃机和方法
技术领域：
本发明涉及一种按权利要求1前序部分的内燃机、尤其是汽油机，该内燃机至少在一定的运行条件下能在压缩点火燃烧模式中运行；以及涉及一种按权利要求9前序部分的用于控制相应构成的内燃机的方法。
背景技术：
现在在部分负荷时同时在保持极低的有害物质排放的情况下致力于降低油耗。无节流的汽油机的分层燃烧方法在此在降低油耗方面展示很大潜能。在此在分层燃烧方法或稀薄混合物运行时，在点火时间点前不久才将燃料喷入到气缸内，以便在点火时间点尽管非常少量喷入的燃料仍在火花塞周围形成可点燃的可燃混合物。借助于火花塞产生的火焰前锋从那里扩展到整个燃烧室。因此转化速度取决于火焰速度。然而这种分层稀薄混合物的方案的问题在于，为了降低氮氧化物，耗费的废气后处理装置是必需的。通过所谓的压缩点火燃烧方法-也称为HCCI燃烧方法(均质压燃)-能避开上述问题，该方法能在内燃机的一定的运行条件下使用。在HCCI燃烧方法中在内燃机的压缩点火燃烧模式时，点火不是如传统方法那样点状地在火花塞上实现，而是在整个燃烧室内几乎同时通过可燃混合物的自燃实现，因为气缸充气在压缩过程或流程(Prozessablauf)中达到自燃条件并且自燃。因此燃烧不是通过点状的外界点火源启动，而是仅仅由燃烧室内的点火条件确定。为此必需的点火条件例如通过热残余气体的回流、通过预热进气或通过提高压缩比确保。这种燃烧方法一方面具有高的油耗潜能，并且另一方面在大的运行范围内显著降低NOx的未处理排放，使得在没有耗费的废气后处理装置的情况下稀薄混合物运行也成为可能。然而通过如下方式产生上述燃烧方法的问题，即与外界点火的以点火时间点作为主导控制参数的燃烧相比不能借助于可单一应用的参数控制在压缩点火燃烧模式时的燃烧。由于在借助于传统的火花塞点燃可燃混合物时相对慢地扩展的燃烧前锋，只能在边上影响借助于这种点火系统的HCCI燃烧方法的过程，也就是说这种点火系统不适用于在该燃烧方法的整个运行范围中用于燃烧过程控制。由US6986342B2已经已知一种用于控制压缩点火燃烧模式的装置和方法，其中借助于电晕放电装置能电离可燃混合物，该电晕放电装置能设置在气缸的进气道内或者能设置在气缸的燃烧室内。通过电离度能影响燃烧时间点。此外公开触发单元，该触发单元使触发自燃成为可能。
发明内容
本发明的目的是，给出一种内燃机和一种相应的方法，其中能实现在压缩点火燃烧模式中受控制的且快速的点火。所述目的通过按权利要求1的内燃机以及按权利要求9的方法解决。有利的进一步拓展在从属权利要求中阐明。
本发明以内燃机、尤其是也许带有增压装置的直喷式(汽油)内燃机为出发点，该内燃机至少在一定的运行条件下能在压缩点火燃烧模式中运行。如开头已经描述过的，在此存在于燃烧室内或在燃烧室内形成的可燃混合物通过压缩以及进行的化学过程达到自燃条件，以便同时或者典型地按快速的时间顺序在整个燃烧室内发生化学转化。为了在压缩点火燃烧模式之外能主动点燃可燃混合物，在汽油机中必须设有点火系统，该点火系统取决于希望的点火时间点触发可燃混合物的转化。按现有技术，为此使用传统的火花塞，所述火花塞产生点火火花，该点火火花在火花的直接邻近处点燃可燃混合物。取决于火焰前锋扩展速度，逐渐点燃整个燃烧室内的可燃混合物。本发明以下述认识为基础，除了传统的火花塞点火系统外已经已知所谓的电晕放电点火系统。在电晕放电点火系统中例如通过泰斯拉线圈在燃烧室内的电极尖端上产生与强烈不均勻的电场分布相关联的非常高的电压，该泰斯拉线圈通过高频交流电进入共振。 因此局部电场足够高，以便在燃烧室内产生不完全的火花击穿即电晕，在该电晕内电子从原子主体或分子主体内脱出或冲出。因此产生从高频/高压电极直到接地极的不完全的导电的离子通道。根据激励频率，只是略微加热产生的所谓不热的电晕放电等离子体。形成自由基，通过自由基在燃烧室内进行化学链式反应。为了在至少在一定的运行条件下能在压缩点火燃烧模式中运行的内燃机中在压缩点火燃烧方式中实现控制的点火而建议，电晕放电点火系统用作为用于在达到自燃条件之前触发或激活自燃的触发单元。通过产生的电晕放电在时间上有针对性地启动空间自燃，即沿着电晕线形成自由基，由此局部提高可燃混合物的反应性。由此沿着电晕线启动非常快速的燃烧，并且从而触发在燃烧室的其余区域内的自燃(例如通过压力导致的温度升高和自由基链式爆炸)。为了节省不必要的成本和结构空间，所述电晕放电点火系统尤其是在汽油机中按本发明进一步构成和设置，使它也能在压缩点火燃烧模式之外尤其是通过产生所谓低温等离子体用于(外界)点燃可燃混合物。在该情况中能取消用于在压缩点火燃烧模式之外主动外界点燃可燃混合物的传统的点火系统(火花塞系统)。类似于按本发明的内燃机，按本发明的用于在压缩点火燃烧模式期间(如上面描述过的)控制内燃机的方法通过如下方式显得出色，即触发单元构成为电晕放电点火系统，并且尤其通过产生所谓的低温等离子体在压缩点火燃烧模式期间触发或激活自燃，在该方法中在达到自燃条件之前借助于触发单元能触发自燃。在如今的现有技术中，在压缩点火燃烧方式中自燃的时间点一般通过有针对性地控制流程(例如混合物温度和喷射时间点的变化等等)来调节。但是由于流程的变化的边界条件不能精确地调节所述时间点。因此在按本发明使用电晕放电点火系统时可燃混合物仅仅在达到自燃阈值前不久转变到这样一种状态，以便通过借助于电晕放电点火系统的触发(尤其通过产生电晕放电)能在精确的时间点上开始燃烧。用于在压缩点火燃烧方式中时间点精确地激活自燃的电晕放电在此能取决于希望的最佳点火时间点产生。为了控制燃烧过程，能可变地预定用于在压缩点火燃烧模式中触发或激活自燃的电晕放电点火系统的点火电压和/或点火时间点和/或点火持续时间，并且在电晕放电时调制点火电压。因此例如在需要时能有针对性地将转化开始点推迟到膨胀冲程。有利的是，电晕放电点火系统在一个工作循环内也能多次点火，以便为了启动或控制转化在需要时能进行有针对性的多次点火。在按本发明的内燃机和按本发明的方法的另一种有利的实施方式中，电晕放电点火系统附加地作为用于在压缩点火燃烧模式之外点燃可燃混合物的点火系统和/或作为用于自由基化学处理可燃混合物的混合物处理单元和/或作为用于点燃存在于燃烧室内的在中间压缩阶段的可燃混合物的点火单元运行。自由基化学处理的使用范围例如能从前一循环的“关闭排气门”时间点直到目前循环的(自燃)点火时间点。电晕放电点火系统作为用于点燃存在于燃烧室内的在中间压缩阶段的可燃混合物的点火单元运行例如能在下述时间段内实现，在该时间段内存在负的气门重叠。所述时间段在“关闭排气门”与“打开进气门”之间。因此在所述时间段内为了扩展空间自燃的工作范围能将燃料喷入到残余气体(带有残余氧气)内，并且紧接着能借助于电晕放电点燃混合物。按本发明的方法及其有利的实施方式能借助于执行的算法或相应的部件结构在为此设置的控制器内、尤其是在发动机控制器内实现。
现在借助于实施例详细解释本发明。
具体实施例方式在此唯一的附图示出内燃机的电晕放电点火系统的不同可能的应用领域，该内燃机在一定的运行条件下能在所谓的HCCI燃烧方法(均质压燃)的框架内在所谓的压缩点火燃烧模式中运行。如开头已经提到过的，在HCCI燃烧方法中，在内燃机的压缩点火燃烧模式期间点火不是如传统方法那样点状地在火花塞上实现，而是在整个燃烧室内几乎同时通过可燃混合物的自燃实现。因此燃烧不是通过局部受限的点火源(例如火花塞)启动， 而是仅仅由燃烧室内的点火条件确定。为此必需的点火条件例如通过热残余气体的回流确保。在压缩点火燃烧模式之外可燃混合物不是通过自燃而是通过借助于点火系统的主动 (外界)点火点燃。按本发明内燃机装有电晕放电点火系统(Corona-ZS)，该点火系统例如定位在至少一个气缸的燃烧室内，在那里在传统内燃机中定位火花塞。这种电晕放电点火系统 (Corona-ZS)按本发明能以不同的方式运行，或者在燃烧方法的框架内能用于不同的目的。 在电晕放电点火系统(Corona-ZS)中，不仅点火能量E而且点火时间点t至少在压缩点火燃烧模式中能可变地预定。点火持续时间d、点火频度η和最佳的电晕放电点火电压曲线 U(t)(例如至少在单个点火过程中)同样能预定。只要内燃机由于存在的运行条件处于压缩点火燃烧模式外，电晕放电点火系统 (Corona-ZS)能通过产生所谓的低温等离子体用作为用于主动(外界)点燃可燃混合物的点火系统。然而当内燃机由于存在的运行条件处在这样一个运行状态时，即在该运行状态中可燃混合物的自燃显得可能且有意义，也就是内燃机处在压缩点火燃烧模式K中，电晕放电点火系统(Corona-ZS)能用作为用于自燃的触发单元。因为时间上精确控制自燃在没有其他辅助措施的情况下只能非常困难地实现，电晕放电点火系统(Corona-ZS)能用作为用于触发或激活自燃的触发单元。因此实际的点火时间点能精确地调整到希望的最佳点火时间点。为了能使借助于电晕放电点火系统(Corona-ZS)激活自燃成为可能，可燃混合物之前必须在临近、但必须小于自燃阈值的状态中，以便能实现自燃的启动。附加地，电晕放电点火系统(Corona-ZS)也能用作为在一种或两种运行模式中用于自由基化学处理气缸充气的混合物处理单元。理想情况下这在前一循环的“关闭排气门” 时间点与目前循环的点火时间点或自燃时间点之间的时间窗内实现。附加地或可选地，电晕放电点火系统(Corona-ZS)也能在两种运行模式中用作为用于点燃存在于燃烧室内的在中间压缩阶段的可燃混合物的点火单元。在此在中间压缩阶段中围绕换气的上死点(也称为换气上死点)在“关闭排气门”时间点与“打开进气门”时间点之间的时间窗内通过如下方式触发燃烧，即燃料喷入到残余气体(包含残余氧气)内， 并且紧接着借助于在中间压缩期间的电晕放电点燃。因此按本发明的内燃机以及按本发明的方法使借助于电晕放电点火系统在时间上精确控制自燃成为可能。因此产生用于降低对燃烧室的监控要求的潜能，因为也许能取消在燃烧室内必需的用于获得和调节精确点火时间点的压力传感装置。附加地，电晕放电点火系统的电流-电压值曲线能用于燃烧位置诊断。通过在压缩点火燃烧模式之外使用电晕放电点火系统作为点火单元，能节省传统点火系统的成本。进一步简化燃烧方法的功能调节方案，因为按重点通过电晕放电的时间点、能量、持续时间和调制预定干预。最后通过有针对性的力矩控制装置(例如通过有针对性地调节或早或晚的转化开始点)能大大简化不同运行方式之间的转换过程。因此在转换过程中即使在不利的边界条件下(例如高残余气体率、稀薄混合物)也能实现发动机的稳定运行。
权利要求
1.内燃机，该内燃机至少在一定的运行条件下能在压缩点火燃烧模式中运行，在该压缩点火燃烧模式中存在于燃烧室内的可燃混合物在流程期间达到自燃条件并且自燃，该内燃机包括用于在压缩点火燃烧模式期间在达到自燃条件之前触发自燃的触发单元，其特征在于触发单元构成为电晕放电点火系统(Corona^S)，并且能作为用于尤其是通过产生低温等离子体在压缩点火燃烧模式(K)期间触发自燃的触发单元运行。
2.根据权利要求1所述的内燃机，该内燃机附加地包括用于在压缩点火燃烧模式之外点燃可燃混合物的点火系统，其特征在于电晕放电点火系统(Corona-ZS)能附加地作为用于在压缩点火燃烧模式(K)之外点燃可燃混合物的点火系统运行。
3.根据权利要求1或2所述的内燃机，其特征在于在压缩点火燃烧模式(K)期间，存在于燃烧室内的且处在接近自燃阈值的状态中的可燃混合物借助于通过电晕放电点火系统(Corona-ZS)产生的电晕放电而进入自燃。
4.根据权利要求3所述的内燃机，其特征在于用于触发自燃的电晕放电在压缩点火燃烧模式(K)中能取决于希望的最佳的点火时间点产生。
5.根据上述任何一项权利要求所述的内燃机，其特征在于用于在压缩点火燃烧模式 (K)之内和/或在压缩点火燃烧模式(K)之外触发自燃的电晕放电点火系统(Corona-ZS) 的点火能量(E)和/或点火时间点⑴和/或点火持续时间(d)和/或电压曲线(U(t)) 的调制能被可变地预定。
6.根据上述任何一项权利要求所述的内燃机，其特征在于电晕放电点火系统 (Corona-ZS)在一个工作循环内能多次点火。
7.根据上述任何一项权利要求所述的内燃机，其特征在于电晕放电点火系统 (Corona-ZS)能附加地作为用于自由基化学处理可燃混合物的混合物处理单元运行。
8.根据上述任何一项权利要求所述的内燃机，其特征在于电晕放电点火系统 (Corona-ZS)能附加地作为用于在中间压缩阶段期间点燃存在于燃烧室内的混合物的点火单元运行。
9.用于在压缩点火燃烧模式期间控制内燃机的方法，在该压缩点火燃烧模式中存在于燃烧室内的可燃混合物在流程期间达到自燃条件并且自燃，在达到自燃条件之前借助于触发单元触发自燃，其特征在于触发单元构成为电晕放电点火系统(Corona-^)，该点火系统尤其是通过产生低温等离子体在压缩点火燃烧模式(K)期间触发自燃。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于为了在压缩点火燃烧模式⑷期间触发自燃，使存在于燃烧室内的可燃混合物进入到临近自燃阈值的状态，并且紧接着借助于通过电晕放电点火系统(Corona-ZS)产生的电晕放电来触发自燃。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于取决于希望的最佳点火时间点产生用于在压缩点火燃烧模式(K)中触发自燃的电晕放电。
12.根据权利要求9-11之一所述的方法，其特征在于可变地预定用于在压缩点火燃烧模式⑷中触发自燃的电晕放电点火系统(Corona-ZS)的点火能量(E)和/或点火时间点(t)和/或点火持续时间(d)和/或电压曲线(U(t))的调制。
13.根据权利要求9-12之一所述的方法，其特征在于在一个工作循环内能导入多次电晕放电。
14.根据权利要求9-13之一所述的内燃机，其特征在于将电晕放电点火系统(Corona-ZS)附加地作为用于在压缩点火燃烧模式(K)之外点燃可燃混合物的点火系统运行和/或作为用于自由基化学处理可燃混合物的混合物处理单元运行。
15.根据权利要求9-14之一所述的内燃机，其特征在于将电晕放电点火系统 (Corona-ZS)附加地作为用于在中间压缩阶段期间点燃存在于燃烧室内的混合物的点火单元运行。
全文摘要
本发明涉及一种内燃机，该内燃机至少在一定的运行条件下能在压缩点火燃烧模式中运行，在该压缩点火燃烧模式中存在于燃烧室内的可燃混合物在流程期间达到自燃条件并且自燃，该内燃机包括用于在压缩点火燃烧模式期间在达到自燃条件之前触发自燃的触发单元。本发明的特征在于，触发单元构成为电晕放电点火系统，并且能作为用于尤其是通过产生低温等离子体在压缩点火燃烧模式期间触发自燃的触发单元运行。
文档编号F02B1/12GK102245883SQ200980149466
公开日2011年11月16日 申请日期2009年11月24日 优先权日2008年12月11日
发明者M·京特纳, M·申克 申请人:宝马股份公司