Поршневой двигатель внутреннего сгорания, автомобиль промышленного назначения с поршневым двигателем внутреннего сгорания и способ функционирования поршневого двигателя внутреннего сгорания
Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Поршневой двигатель внутреннего сгорания содержит размещенные на головке (3) цилиндра по меньшей мере один клапан (5) впуска, по меньшей мере один клапан (6) выпуска и электромагнитный клапан (4) для ввода воздуха в камеру (13) сгорания и/или для вывода воздуха из камеры (13) сгорания. Электромагнитный клапан (4) в открытом положении пневматически связывает камеру (13) сгорания и пневмоаккумулятор (1) через пневмомагистраль (2а). Пневмоаккумулятор (1) предназначен для питания пневматического тормоза автомобиля. Электромагнитный клапан (4) посредством управляющего блока управляется в зависимости от давления и/или температуры пневматической системы, положения поршня, требования нагрузки, числа оборотов двигателя и/или давления наддува в цилиндре. Управляющий блок выполнен так, чтобы в рабочих состояниях, в которых не требуется полный крутящий момент двигателя, для по меньшей мере одного цилиндра с отключенным впрыском топлива открывать электромагнитный клапан (4) при движении вверх поршня (7) и в диапазоне верхней мертвой точки вновь закрывать, чтобы отобрать сжатый воздух из камеры (13) сгорания и подать в пневмоаккумулятор (1). Управляющий блок также выполнен так, чтобы в такте сжатия режима принудительного холостого хода непосредственно после закрытия клапана (5) впуска открывать электромагнитный клапан (4) для дополнительного наддува сжатого воздуха и, самое позднее, когда давление газа в цилиндре достигает давления в пневмоаккумуляторе (1), вновь закрывать его. Раскрыты автомобиль, автомобиль промышленного назначения с поршневым двигателем внутреннего сгорания и способ функционирования поршневого двигателя внутреннего сгорания. Технический результат заключается в снижении выбросов оксида азота и сажи в процессах ускорения из холостого хода или низкой неполной нагрузки двигателя. 4 н. и 9 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к поршневому двигателю внутреннего сгорания и к способу функционирования поршневого двигателя внутреннего сгорания.
Дизельные двигатели для автомобилей, в частности, автомобилей промышленного назначения, согласно уровню техники оснащены газотурбинным наддувом (ATL). Достижимый с помощью этого повышенный избыток воздуха обуславливает сниженные выбросы оксида азота и частиц. Проблематичные рабочие диапазоны представляют собой, однако, процессы ускорения из холостого хода или низкой неполной нагрузки, так как здесь к моменту времени ускорения еще не имеется достаточного давления наддува, чтобы постоянно поддерживать высокий избыток воздуха. Следствием этого являются повышенные выбросы оксида азота и частиц (выбросы сажи) в процессах ускорения.
Из практики известно, что для минимизации этого недостатка предусматривается дополнительный наддув воздуха, при котором во время ускорения воздух из пневматической тормозной системы автомобиля направляется в распределительную трубу наддувочного воздуха. Обратный удар подаваемого воздуха к впускной установке предотвращается клапанами. Подобные клапаны предотвращают то, что выработанный газотурбинным наддувом воздух наддува может достичь двигателя. Поэтому недостатком при этом подходе является то, что весь необходимый воздух, вплоть до нарастания достаточного давления наддува, должен отбираться из пневматической тормозной системы.
В патенте DE 10129976 В4 описан способ, который для дополнительного наддува воздуха применяет необходимые для пуска, выполненные как тарельчатые клапаны, пусковые клапаны двигателя большой мощности.
Задачей изобретения является предоставить усовершенствованный поршневой двигатель внутреннего сгорания, с помощью которого можно преодолеть недостатки обычных поршневых двигателей внутреннего сгорания. Задачей изобретения является, в частности, предоставить поршневой двигатель внутреннего сгорания, который пригоден для использования с газотурбинным наддувом для минимизации выбросов вредных веществ и/или который обеспечивает возможность более эффективного функционирования поршневого двигателя внутреннего сгорания. Другой задачей изобретения является предоставить усовершенствованный способ для функционирования поршневого двигателя внутреннего сгорания, который избегает недостатков обычных способов функционирования.
Эти задачи решаются посредством поршневого двигателя внутреннего сгорания и способа функционирования поршневого двигателя внутреннего сгорания с признаками независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные формы выполнения и применения изобретения являются предметом независимых пунктов и в последующем описании будут пояснены более подробно со ссылками на чертежи.
Согласно обобщенным аспектам изобретения, указанные задачи решаются посредством поршневого двигателя внутреннего сгорания, при котором дополнительно к клапанам впуска воздуха или выпуска воздуха, расположенным на впуске воздуха и выпуске воздуха головки цилиндра, через которые осуществляется смена наддува в такте выхлопа и такте всасывания, расположен электромагнитный клапан для ввода воздуха в камеру сгорания и/или вывода воздуха из камеры сгорания.
Электромагнитный клапан, который далее упоминается как электромагнитно приводимый в действие инжектор, является, например, электрически управляемым магнитным клапаном. Электромагнитный клапан предпочтительно размещен на конце трубопровода сжатого воздуха (пневмомагистрали), который соединяет цилиндр, на котором размещен электромагнитный клапан, с пневмоаккумулятором тактеской системы. Таким образом, электромагнитный клапан связывает в открытом положении камеру сгорания цилиндра и пневмоаккумулятор через пневмомагистраль. Таким образом, посредством электромагнитного клапана осуществляется дополнительная подача воздуха в камеру сгорания не через обычный трубопровод подачи воздуха наддува, а через отдельную пневмомагистраль. Клапаны впуска и клапаны выпуска на головке цилиндра могут быть выполнены как тарельчатые клапаны. Пневмоаккумулятор может, например, быть выполнен так, чтобы питать пневматический тормоз автомобиля.
Предпочтительным образом, на каждой головке цилиндра набора цилиндров размещен подобный электромагнитный клапан. Электромагнитный клапан для подачи воздуха в камеру сгорания и/или для вывода воздуха из камеры сгорания может быть регулируемым. Посредством точного и быстро переключаемого электромагнитного клапана можно, таким образом, регулировать количество воздуха в камере сгорания и при закрытых клапанах впуска и выпуска, например, на такте сжатия.
Для дополнительного наддува воздуха, электромагнитный клапан предпочтительно управляется блоком управления таким образом, что в области запирания клапана впуска электромагнитный клапан переводится в положение открытия, чтобы ввести дополнительный воздух в камеру сгорания через электромагнитный клапан. Электромагнитный клапан снова переводится в закрытое положение, когда или непосредственно перед тем, как давление в цилиндре, повышенное за счет компрессии в такте сжатия, превышает давление воздуха в пневматической системе. Вышеупомянутый диапазон закрытия клапана впуска должен также включать в себя моменты времени непосредственно перед и непосредственно после закрытия клапана впуска.
Так как через электромагнитный клапан дополнительный воздух должен непосредственно вводиться в камеру сгорания, предпочтительным образом, после закрытия клапана впуска, отпадает необходимость в обратных клапанах. Заполнение цилиндра воздухом, в том числе при поддержке турбокомпрессора, работающего на отработавших газах, может осуществляться обычным образом, так что дополнительный наддув через электромагнитный клапан может подключаться только при необходимости. Тем самым может поддерживаться постоянный высокий избыток воздуха, чтобы снизить выбросы оксида азота и частиц.
Предпочтительным образом электромагнитный клапан выполнен таким образом, что эффективное сечение электромагнитного клапана, то есть эффективное сечение для наддува воздуха лежит в диапазоне от 5 до 20 мм2, более предпочтительно, в диапазоне от 10 до 15 мм2. Для объема цилиндра от 1,5 до 2 л эффективное сечение от 10 до 15 мм2 является особенно предпочтительным. Таким образом, предпочтительное эффективное сечение электромагнитного клапана больше, чем в случае обычных электромагнитных клапанов, и сокращает требуемую длительность времени для наддува воздуха и отбора воздуха. Это является предпочтительным, так как за счет высоких коэффициентов сжатия в дизельных двигателях в такте сжатия достигаются конечные давления сжатия 50 бар, так что повышенное за счет компрессии давление в цилиндре в короткое время превышает давление в пневматической системе резервуара высокого давления (пневмоаккумулятор). Предоставленное в распоряжение временное окно для наддува воздуха является, таким образом, малым.
Электромагнитный клапан посредством управляющего блока может управляться для открытия и закрытия. Управляющий блок может быть выполнен таким образом, что управляющие параметры клапана, в особенности, касательно решения о том, осуществляется ли приведение в действие электромагнитного клапана в текущем рабочем состоянии, касательно начала отпирания электромагнитного клапана и/или окончания отпирания электромагнитного клапана, определяются в зависимости от положения поршня, требования нагрузки, числа оборотов двигателя и/или давления наддува в цилиндре. Кроме того, в рамках изобретения существует возможность того, что блок управления выполнен так, чтобы параметры управления электромагнитного клапана определять в зависимости от давления и/или температуры в пневматической системе, содержащей пневмоаккумулятор.
Согласно предпочтительной форме выполнения, электронный контроллер двигателя применяется как блок управления для электромагнитного клапана. В предпочтительном варианте этой формы выполнения поршневой двигатель внутреннего сгорания выполнен с инжектором общей топливной магистрали. В качестве блока управления для электромагнитного клапана может тогда предпочтительным образом применяться блок управления инжектора общей топливной магистрали, так что, например, в случае дизельного двигателя тот же самый электронный контроллер двигателя применяется для управления дизельными инжекторами 11 и для управления соответствующими воздушными инжекторами 4, приводимым в действие электромагнитным способом.
Поршневой двигатель внутреннего сгорания предпочтительным образом представляет собой двигатель внутреннего сгорания с самовоспламенением (дизельный двигатель). Поршневой двигатель внутреннего сгорания с электромагнитным клапаном может быть выполнен, кроме того, как двигатель внутреннего сгорания с принудительным воспламенением рабочей смеси (бензиновый двигатель), что поясняется далее более подробно.
Другой аспект изобретения относится к автомобилю, в особенности, к автомобилю промышленного назначения с поршневым двигателем внутреннего сгорания, согласно вышеописанному аспекту.
Особенно предпочтительным является применение изобретения в автомобилях промышленного назначения. При этом электромагнитный клапан может пневматически связывать камеру сгорания с пневматической системой тормозов, как уже упоминалось выше.
Согласно особенно предпочтительной форме выполнения, автомобиль промышленного назначения включает в себя первую пневматическую систему с первым пневмоаккумулятором, например, для снабжения тормозов сжатым воздухом, и вторую пневматическую систему со вторым пневмоаккумулятором, причем второй пневмоаккумулятор при функционировании автомобиля приводится в действие с более высоким давлением, чем первый пневмоаккумулятор. Второй пневмоаккумулятор может пневматически связываться с камерой сгорания через электромагнитный клапан и, кроме того, выполнен с возможностью заполнения первого пневмоаккумулятора сжатым воздухом.
В этом варианте выполнения, таким образом, используются более высокие коэффициенты сжатия в такте сжатия, чтобы второй пневмоаккумулятор заполнять через отбор сжатого воздуха из камеры сгорания путем открытия электромагнитного клапана. Это имеет преимущество, состоящее в том, что пневматическая система для тормозов может быть выполнена меньшей и при том же объеме в целом может накапливать большую массу сжатого воздуха. Кроме того, электромагнитные клапаны могут проектироваться с меньшими эффективными сечениями.
Согласно обобщенным аспектам изобретения, предоставлен способ для функционирования поршневого двигателя внутреннего сгорания, причем сжатый воздух из пневмоаккумулятора вводится в камеру сгорания, дополнительно к воздуху наддува, который вводится через по меньшей мере один клапан впуска в камеру сгорания. Кроме того, сжатый воздух может через электромагнитный клапан отбираться из камеры сгорания и вновь подаваться в пневмоаккумулятор. Как уже упоминалось выше, дополнительный наддув сжатого воздуха через электромагнитный клапан начинается в области закрывания по меньшей мере одного клапана впуска и заканчивается самое позднее тогда, когда давление газа в цилиндре достигает давления воздуха в пневмоаккумуляторе.
Предоставление электромагнитным образом приводимого в действие инжектора, который по сравнению с тарельчатыми клапанами может управляться более точно и приводиться в действие быстрее, чтобы в короткие интервалы времени вводить воздух в камеру сгорания и/или выводить воздух из камеры сгорания, обеспечивает возможность дополнительных предпочтительных режимов работы поршневого двигателя внутреннего сгорания путем соответствующего управления для открытия и закрытия клапана.
Согласно предпочтительному примеру выполнения, способ включает в себя этап, на котором в рабочих состояниях, в которых не требуется полный крутящий момент двигателя, для по меньшей мере одного цилиндра с отключенным впрыском топлива, электромагнитный клапан в диапазоне верхней мертвой точки, предпочтительно непосредственно перед достижением верхней мертвой точки, открывается и во время рабочего хода поршня вниз вновь закрывается, чтобы отобрать сжатый воздух из камеры сгорания и подать в пневмоаккумулятор.
Соответствующий изобретению двигатель внутреннего сгорания может, таким образом, в рабочих состояниях, при которых не требуется полная мощность двигателя или полный крутящий момент двигателя, применяться для генерации сжатого воздуха. За счет более высокого давления в цилиндре, которое возникает в такте сжатия, происходит заполнение пневмоаккумуляторов.
В этом рабочем режиме поршневой двигатель внутреннего сгорания может также использоваться для рекуперации энергии торможения. Если фазы толчка (принудительного холостого хода без впрыска топлива) используются без впрыска топлива, как описано выше, для генерации сжатого воздуха, то получается повышение эффективности системы, так как энергия торможения применяется для генерации сжатого воздуха.
Согласно предпочтительному варианту вышеназванной формы выполнения, рабочее состояние, при котором используется не полная мощность двигателя, представляет собой режим принудительного холостого хода без впрыска топлива. В этом варианте блок управления управляет электромагнитным клапаном следующим образом. В начале такта сжатия режима принудительного холостого хода непосредственно после закрытия клапана впуска, электромагнитный клапан приводится в открытое положение. В этот момент времени давление в камере сгорания меньше, чем в пневмоаккумуляторе. Осуществляется дополнительный наддув сжатого воздуха в камеру сгорания. Позже, когда давление газа в цилиндре или в камере сгорания достигает давления в пневмоаккумуляторе, электромагнитный клапан снова закрывается. Затем, в диапазоне верхней мертвой точки, например, перед верхней мертвой точкой, электромагнитный клапан снова открывается и во время хода поршня вниз снова закрывается, чтобы сжатый воздух отобрать из камеры сгорания и вновь направить в пневмоаккумулятор.
Согласно этому варианту выполнения, повышенное действие торможения достигается тем, что в такте сжатия дополнительный воздух вводится в цилиндр, так что посредством повышенного заполнения цилиндра во время хода поршня вверх достигается увеличенная работа сжатия, которая тормозящим образом воздействует на коленчатый вал. Чтобы предотвратить то, что запасенная в воздухе энергия при обратном ходе поршня ускоряющим образом воздействовала бы на коленчатый вал, инжектор в верхней мертвой точке поршня снова открывается, и воздух отбирается для заполнения пневматической системы.
Согласно другому аспекту изобретения, предложен автомобиль промышленного назначения, в котором генерация сжатого воздуха осуществляется посредством описанного отбора сжатого воздуха из камеры сгорания и подачи в пневмоаккумулятор, не требуя отдельно встроенного воздушного компрессора для генерации сжатого воздуха. Другое преимущество предложенного изобретения заключается, таким образом, в том, чтобы при подходящем проектировании системы можно было отказаться от встроенного воздушного компрессора для генерации сжатого воздуха, обычно имеющегося в автомобилях промышленного назначения.
Согласно другому предпочтительному варианту осуществления, электромагнитный клапан управляется таким образом, что количество воздуха, которое вводилось через клапан впуска в камеру сгорания, посредством по меньшей мере частичного отбора с помощью электромагнитного клапана, перед сжиганием сокращается, чтобы целенаправленно повысить температуру отработавших газов. Это управляемое посредством электромагнитного клапана сжигание обеспечивает возможность целенаправленного повышения температур отработавших газов, чтобы, например, обеспечивать более раннее активирование систем обработки отработавших газов после запуска двигателя.
Этот тип работы, таким образом, предпочтительно используется после холодного старта, пока двигатель не достигнет нормальной рабочей температуры. Кроме того, в режиме холостого хода и в области слабой нагрузки при этом варианте выполнения эффективность системы обработки отработавших газов может быть повышена. При этом, в противоположность сокращению количества воздуха посредством дросселирования всасываемого воздуха, не нужно учитывать ухудшение кпд из-за потерь на дросселирование.
Согласно предпочтительному варианту этой формы выполнения, этот тип функционирования может осуществляться в случае поршневого двигателя внутреннего сгорания с самовоспламенением посредством обеспечения лямбда-зонда (кислородного датчика) в замкнутом контуре регулирования, причем лямбда-зонд измеряет параметр регулирования, и электромагнитный клапан управляется в качестве исполнительного элемента. Тем самым лямбда-регулирование, как оно известно из уровня техники для двигателей внутреннего сгорания с принудительным воспламенением рабочей смеси, может предоставляться для дизельного двигателя, причем оно соответствует лямбда-регулированию современного двигателя внутреннего сгорания с принудительным воспламенением рабочей смеси.
Другие детали и преимущества изобретения далее описываются со ссылками на приложенные чертежи, на которых показано следующее:
Фиг. 1 - блок-схема дизельного двигателя внутреннего сгорания согласно примеру выполнения;
Фиг. 2 - блок-схема двигателя внутреннего сгорания с принудительным воспламенением рабочей смеси согласно примеру выполнения;
Фиг. 3 - блок-схема дизельного двигателя внутреннего сгорания согласно другому примеру выполнения.
На фиг. 1 схематично показано строение цилиндра двигателя внутреннего сгорания с самовоспламенением согласно примеру выполнения. Поршень 7, направляемый с возможностью перемещения в цилиндре, перемещается посредством приводимого коленчатым валом шатуна 8. В головке 3 цилиндра размещены по меньшей мере один клапан 5 впуска и по меньшей мере один клапан 6 выпуска в форме тарельчатых клапанов. Они на такте всасывания и на такте выхлопа по отношению к так называемому газораспределителю известным способом попеременно с возможным перекрытием клапанов открываются и снова закрываются, чтобы всасывать свежую горючую смесь из канала наддувочного воздуха через клапан 5 впуска в цилиндр и вытеснять отработавшие газы через клапан 6 выпуска из цилиндра. Кроме того, может быть предусмотрен турбокомпрессор, работающий на отработавших газах (не показан), который может вырабатывать избыточное давление для наддува цилиндра через клапан 5 впуска. Впрыскивание топлива в камеру 3 сгорания осуществляется через размещенный в головке цилиндра дизельный инжектор 11.
В головке 3 цилиндра расположен электрически приводимый в действие магнитный клапан 4, который сообщается с камерой 3 сгорания. Расположенное вне камеры 13 сгорания отверстие магнитного вентиля 4 подсоединено к пневмомагистрали 2а, через которую электромагнитный вентиль 4 соединен с пневматической системой. Другие цилиндры блока цилиндров (на фиг. 1 не показаны) выполнены сопоставимым образом.
В пневматической системе расположен резервуар сжатого воздуха (пневмоаккумулятор 1), из которого, например, снабжается сжатым воздухом пневматический тормоз автомобиля промышленного назначения (не показано). Пневмомагистрали 2а от электромагнитного клапана 4 каждого цилиндра блока цилиндров сводятся через направляющую 10 распределителя в пневмомагистраль 2b, которая связана с резервуаром сжатого воздуха. Между резервуаром сжатого воздуха и направляющей 10 распределителя, кроме того, предусмотрен запорный клапан 9. Резервуар сжатого воздуха, как это типично применяется в автомобилях промышленного назначения, работает в диапазоне от 10 до 12 бар.
Управление электромагнитным клапаном 4 осуществляется посредством управляющего устройства системы инжектора с общей топливной магистралью, которая через управляющую линию соединена с электромагнитным клапаном 4 (не показано). Управляющий блок для управления инжекторами 11 с общей топливной магистралью, в частности, конечная ступень для управления инжекторами 11 с общей топливной магистралью, также пригодны для управления электромагнитным инжектором 4. Согласно настоящему примеру выполнения, таким образом, та же конечная ступень, которая применяется для управления дизельным инжектором 11, посредством способа мультиплексирования также используется для управления электромагнитным клапаном 4.
Управляющий блок определяет требуемые для управления электромагнитным клапаном 4 величины или параметры управления, например, функционирование клапана - «Да» или «Нет», начало открытия и конец открытия электромагнитного клапана 4. Определение параметров управления осуществляется в зависимости от текущего требования к нагрузке, числа оборотов двигателя и давления наддува, которые уже имеются в управляющем устройстве для управления дизельными инжекторами 11. Кроме того, управляющее устройство выполнено с возможностью, через цифровой интерфейс с другими расположенными в автомобиле управляющими устройствами или непосредственно от соответствующих датчиков 17, определять давление и температуру в системе впуска воздуха в качестве других величин, применяемых для вычисления параметров управления. В этом примере выполнения измерительный датчик 17 давления и температуры расположен на резервуаре сжатого воздуха, и дополнительный измерительный датчик 17 давления и температуры расположен на направляющей 10 распределителя, чтобы измерять давление и температуру в резервуаре сжатого воздуха или в направляющей 10 распределителя.
Фиг. 2 показывает вариант примера выполнения по фиг. 1 для двигателя внутреннего сгорания с принудительным воспламенением рабочей смеси, так что во избежание повторений можно сослаться на вышеизложенное описание. Особенность этого двигателя внутреннего сгорания состоит в том, что вместо дизельного инжектора 11 предусмотрена свеча 12 зажигания, с помощью которой смесь воздуха с топливом воспламеняется в камере 13 сгорания. Кроме того, выше по потоку от электромагнитного клапана 4 в пневмомагистрали 2 предусмотрен дополнительный обратный клапан 15, чтобы препятствовать тому, что горючая смесь из камеры 13 сгорания попадала бы через электромагнитный клапан 4 в пневматическую систему.
Фиг. 3 показывает еще один вариант примера выполнения по фиг. 1 и отличается от него тем, что предусмотрена только двухступенчатая пневматическая система. В отличие от примера выполнения по фиг. 1, отдельные цилиндры через их соответствующие электромагнитные клапаны 4 и пневмомагистрали 2а не прямо подключены к резервуару сжатого воздуха, от которого, например, питается пневматический тормоз автомобиля промышленного назначения. Более того, второй пневомаккумулятор 14 (резервуар сжатого воздуха), который эксплуатируется при более высоком давлении, чем первый резервуар сжатого воздуха, размещен между первым резервуаром сжатого воздуха и цилиндрами.
В этом примере выполнения измерительный датчик 17 давления и температуры расположен, соответственно, на первом резервуаре сжатого воздуха, на втором пневомаккумуляторе 14 и на направляющей 10 распределителя, чтобы измерять давление и температуру, соответственно, в первом резервуаре сжатого воздуха, во втором пневмоаккумуляторе 14 и в направляющей 10 распределителя.
В то время как первый резервуар сжатого воздуха типично эксплуатируется в диапазоне от 10 до 12 бар, второй резервуар сжатого воздуха является резервуаром высокого давления, который эксплуатируется при давлении порядка величины 30 бар.
Оба пневомаккумулятора соединены через пневмомагистраль 2с. Между обоими резервуарами сжатого воздуха размещен обратный клапан 15 и регулятор 16 давления. За счет высоких коэффициентов сжатия в дизельных двигателях достигаются конечные давления сжатия порядка величины 50 бар. Тем самым возможно, с помощью вышеописанных способов пневмоаккумулятор 14 высокого давления заполнять через электромагнитный клапан 4 сжатым воздухом, выработанным в такте сжатия. Наддув воздуха в цилиндры осуществляется также из пневмоаккумулятора 14. Через клапан 16 регулирования давления или другие управляемые клапаны осуществляется заполнение нормального резервуара сжатого воздуха из пневмоаккумулятора 14.
Устройство по фиг. 3 с двухступенчатой пневматической системой имеет следующие преимущества: пневматическая система для тормоза может быть выполнена меньшей, потому что запасенный в системе высокого давления воздух предоставляется в качестве резерва. При одинаковом объеме в системе высокого давления может быть аккумулирована большая масса сжатого воздуха. Кроме того, при одинаковом объеме в целом может быть аккумулирована большая масса сжатого воздуха. Другое преимущество состоит в том, что электромагнитный клапан 4 может быть выполнен с меньшим эффективным сечением, потому что воздух из системы высокого давления имеет более высокую плотность, и потому что больше времени для наддува воздуха предоставляется в распоряжение в течение фазы сжатия. Клапаны 4 с меньшим эффективным сечением могут к тому же выполняться меньшими и, тем самым, требуют меньшего конструктивного пространства в головке 13 цилиндра. Наконец, преимуществом является то, что перемещаемые массы при меньших эффективных сечениях являются меньшими. Поэтому также техническая реализация может быть осуществлена более просто и приводит к сниженным затратам.
Выше уже были описаны предпочтительные способы функционирования, которые могут быть реализованы с соответствующей изобретению конфигурацией электромагнитного клапана 4 в головке 3 цилиндра поршневого двигателя внутреннего сгорания. Они будут далее еще раз пояснены для примера на основе дизельного двигателя внутреннего сгорания по фиг. 1.
Первый режим работы включает в себя дополнительный наддув воздуха, в особенности при процессах ускорения из холостого хода или пониженной неполной нагрузки, когда турбонаддув, работающий на отработавших газах, не предоставляет достаточного давления наддува для заполнения цилиндра воздухом.
Когда управляющий блок электромагнитного клапана, например, в зависимости от числа оборотов двигателя и зарегистрированного давления наддува устанавливает, что не происходит достаточного заполнения цилиндра через клапан 5 впуска, то управляющий блок активирует работу электромагнитных клапанов 4 цилиндров и определяет начало открытия и конец открытия клапанов в течение четырехтактного процесса.
Для дополнительного наддува воздуха электромагнитные клапаны 4 управляются посредством управляющего блока таким образом, что в диапазоне запирания клапана впуска электромагнитный клапан переводится в открытое положение, чтобы подать дополнительный сжатый воздух, который предоставляется от пневмоаккумулятора 1, в камеру 13 сгорания через электромагнитный клапан 4. Электромагнитный клапан 4 снова приводится в положения закрытия, когда или прежде чем давление в цилиндре, повышенное посредством компрессии в такте уплотнения, превысит давление воздуха в резервуаре сжатого воздуха.
Заполнение цилиндра воздухом зависит в первую очередь от текущего давления наддува. Поэтому дополнительный воздух, вдуваемый через электромагнитный клапан 4, может постоянно уменьшаться в зависимости от возрастающего давления наддува. Если давление наддува достигает необходимого значения, то дополнительная подача воздуха отключается.
Посредством первого режима работы может поддерживаться непрерывно высокий избыток воздуха, чтобы снижать выбросы оксида азота и частиц.
Второй режим работы может применяться для генерации сжатого воздуха.
Посредством управления электромагнитным клапаном 4 таким образом, что он открывается, когда давление газа в камере сгорания выше, чем давление воздуха в резервуаре сжатого воздуха, сжатый воздух течет из камеры 13 сгорания через электромагнитный клапан 4 и в пневматическую систему резервуара сжатого воздуха. Такт сжатия цилиндра используется, следовательно, для генерации сжатого воздуха, который выводится через электромагнитный клапан из камеры 13 сгорания. Подобная генерация сжатого воздуха осуществляется предпочтительным образом в рабочих состояниях, при которых требуется не полная мощность двигателя или полный крутящий момент двигателя. При этом в одном или нескольких цилиндрах отключается впрыск топлива, что само по себе известно из предшествующего уровня техники. После сжатия находящегося в цилиндре воздуха перед верхней мертвой точкой открывается магнитный клапан 4. За счет более высокого давления в цилиндре пневмоаккумулятор 1 (резервуар сжатого воздуха) заполняется. Когда давление в цилиндре за счет декомпрессии во время движения вниз поршня 7 спадает ниже давления в пневмоаккумуляторе 1, электромагнитный клапан 4 снова закрывается.
Третий режим работы может использоваться для рекуперации энергии торможения. При этом используются фазы принудительного холостого хода без впрыска топлива для генерации сжатого воздуха согласно второму режиму работы. Отсюда следует повышение эффективности системы, так как энергия торможения применяется для генерации сжатого воздуха.
Четвертый режим работы может использоваться для поддержки торможения. Дополнительное преимущество изобретения состоит в том, чтобы в режиме принудительного холостого хода без впрыска топлива режим работы электромагнитного клапана 4 можно было реализовать таким образом, что действие торможения двигателя повышается. Прежде всего, необходимо установить, что имеет место действие торможения только за счет генерации сжатого воздуха, так как осуществляется преобразование кинетической энергии, являющееся результатом движения автомобиля, в повышенный уровень давления в системе пневмоаккумулятора. Повышенное действие торможения может также генерироваться, если в начале такта сжатия, непосредственно после закрытия вентиля 5 впуска, открывается инжектор 4, и тем самым дополнительный воздух подается в камеру 13 сгорания. Самое позднее тогда, когда давление в цилиндре или камере 13 сгорания и в пневматической системе пневмоаккумулятора 1 выравнивается, инжектор 4 снова закрывается. Посредством повышенного заполнения цилиндра, во время движения вверх поршня 7 совершается увеличенная работа сжатия, которая тормозящим образом воздействует на коленчатый вал (не показано). Для того чтобы предотвратить то, что энергия, накопленная в воздухе, при рабочем ходе вниз ускоряющим образом действовала на коленчатый вал, инжектор 4 в верхней мертвой точке поршня 7 снова открывается. Поданный в начале процесса воздух возвращается назад в пневматическую систему 1. При этом способ может выполняться таким образом, что больше воздуха возвращается в пневматическую систему 1, чем было отобрано, за счет чего также этот режим работы может служить для заполнения пневматической системы 1. Таким образом, обеспечивается повышение эффективности двигателя внутреннего сгорания, так как энергия торможения используется для генерации сжатого воздуха.
В рамках изобретения, кроме того, существует возможность, показанную на фиг. 1 систему за счет соответствующего расчета пневмоаккумулятора и режимов работы, в которых генерируется сжатый воздух, спроектировать таким образом, что за счет этого потребность в сжатом воздухе автомобиля покрывается, и таким образом можно полностью отказаться от воздушного компрессора для генерации сжатого воздуха, обычно встраиваемого на автомобилях промышленного назначения.
Пятый режим работы магнитного клапана 4 предусматривает снижение количества воздуха для процесса сгорания. При этом с помощью магнитного клапана 4 часть воздуха, находящегося в цилиндре после смены заряда (рабочей смеси), перед воспламенением смеси отбирается из камеры 13 сгорания. За счет этого температура отработавших газов целенаправленно повышается, чтобы, например, обеспечить возможность ранней активности системы обработки отработавших газов после запуска двигателя. Также при холостом ходе и в области слабой нагрузки с помощью этой меры можно повысить эффективность системы обработки отработавших газов. Особое преимущество этого режима состоит в том, что, в противоположность сокращению количества воздуха за счет дросселирования всасываемого воздуха, при этом не нужно учитывать никакие ухудшения кпд из-за потерь на дросселирование.
Кроме того, существует возможность, вышеуказанный режим работы выполнять посредством применения лямбда-зонда в замкнутом контуре регулирования согласно пятому режиму работы. При этом, аналогично лямбда-регулированию в двигателях внутреннего сгорания с принудительным воспламенением рабочей смеси, посредством регулирования воздуха, вводимого в камеру сгорания через магнитный клапан 4, в камере 13 сгорания регулируется заданное соотношение масс воздуха и топлива. Подобный способ регулирования известен из уровня техники для функционирования двигателей внутреннего сгорания с принудительным воспламенением рабочей смеси и может при соответствующем функционировании электромагнитного клапана 4 также применяться для дизельного двигателя.
Вышеуказанные различные режимы работы двигателей внутреннего сгорания при управлении электромагнитного клапана 4 особенно предпочтительны для работы дизельного двигателя, как схематично представлено на фиг. 1.
Однако вышеуказанные режимы работы могут также, при ограничениях и модификациях, применяться в двигателе внутреннего сгорания с принудительным воспламенением рабочей смеси, как представлено на фиг. 2.
Аналогично способу работы дизельного двигателя, электромагнитный клапан 4 может согласно первому режиму работы функционировать таким образом, причем посредством электромагнитного клапана 4 дополнительный сжатый воздух вводится в камеру 13 сгорания, чтобы предусмотреть дополнительную возможность оказывать влияние на соотношение масс воздуха и топлива в камере 13 сгорания.
Если, как показано на фиг. 2, предусмотрен обратный клапан 15, чтобы препятствовать тому, что горючая смесь из камеры 13 сгорания поступала бы в пневматическую систему, вышеназванные режимы работы, при которых сжатый поршнем 7 воздух из камеры 13 сгорания отбирается посредством электромагнитного клапана 4, невозможны. Это ограничение справедливо независимо от типа формирования смеси. Как при классическом внешнем формировании смеси, так и при прямом впрыске в камеру сгорания, в цилиндре во время сжатия по меньшей мере время от времени имеется способная к воспламенению топливно-воздушная смесь.
Если, однако, вместо обратного клапана 15 в пневмомагистралях 2а, 2b предусмотрено другое средство контроля, например, с помощью соответствующих датчиков и/или клапанов отсечки в магистралях, то и в двигателях внутреннего сгорания с принудительным воспламенением рабочей смеси с непосредственным впрыскиванием существует возможность эксплуатировать электромагнитный клапан 4 в вышеназванных третьем и четвертом режимах работы для рекуперации энергии торможения и для поддержки торможения.
Кроме того, вышеназванный пятый режим работы для сокращения количества воздуха для сгорания также может использоваться для экономии топлива. При этом дроссельный клапан остается также в диапазоне неполной нагрузки существенно открытым. За счет этого потери при дросселировании сокращаются. Часть находящегося в цилиндре воздуха выпускается через электромагнитный воздушный клапан 4. Если находящаяся в цилиндре воздушная масса соответствует требованиям нагрузки, то воздушный клапан 4 закрывается, и начинается сжатие.
При этом эффективность тем выше, чем позже вводится впрыскивание топлива, так как до этого момента времени требуется, чтобы воздушный клапан был закрыт. Чем больше времени предоставляется для выпуска воздуха, тем больше воздуха может быть выпущено через электромагнитный клапан 4 и тем больше может открываться дроссельный клапан, за счет чего потери на дросселирование минимизируются.
Вышеуказанный режим работы для дизельных двигателей, у которых в рабочем состоянии, в котором требуется не полная мощность двигателя или полный крутящий момент двигателя, и один или несколько цилиндров работают при отключенном впрыскивании топлива, при задании лямбда=1-регулирования не реализуется в двигателе внутреннего сгорания с принудительным воспламенением рабочей смеси, но может быть реализован в двигателе, работающем на обедненной смеси.
Все режимы работы предъявляют высокие требования к управлению двигателем, в особенности в лямбда=1-режиме. Обычно современный двигатель внутреннего сгорания с принудительным воспламенением рабочей смеси работает с предварительно отрегулированным впрыскиванием топлива, которое накладывается на быстрое лямбда-регулирование. Для топливного регулирования, воздушная масса регистрируется измерителем воздушной массы или вычисляется из давления в канале впуска. Из воздушной массы вычисляется масса топлива, необходимая для стехиометрического горения. Ни датчик воздушной массы, ни датчик давления не могут определять воздух, дополнительно вводимый или выпускаемый через воздушный клапан. Поэтому эта воздушная масса в данном варианте работы очень точно вычисляется посредством системы управления двигателем.
Хотя изобретение было описано со ссылкой на определенные примеры выполнения, возможно множество вариантов и модификаций, которые также применяют идеи изобретения и поэтому входят в объем защиты. Следовательно, изобретение не должно ограничиваться раскрытыми определенными примерами выполнения, а должно охватывать все такие примеры выполнения, которые попадают в область, определяемую приложенными пунктами формулы изобретения.
Перечень ссылочных позиций
1 резервуар сжатого воздуха/пневмоаккумулятор 12 бар
2а, 2b, 2c пневмомагистраль
3 головка цилиндра
4 электромагнитный клапан
5 клапан впуска
6 клапан выпуска
7 поршень
8 шатун
9 запорный клапан
10 направляющая распределителя воздуха
11 дизельный инжектор
12 свеча зажигания
13 камера сгорания
14 резервуар сжатого воздуха/пневмоаккумулятор 30 бар
15 обратный клапан
16 регулятор давления
17 измерительный датчик давления и температуры
1. Поршневой двигатель внутреннего сгорания с по меньшей мере одним размещенным на головке (3) цилиндра клапаном (5) впуска, и по меньшей мере одним размещенным на головке цилиндра клапаном (6) выпуска, и с расположенным на головке (3) цилиндра электромагнитным клапаном (4) для ввода воздуха в камеру (13) сгорания и/или для вывода воздуха из камеры (13) сгорания,
причем электромагнитный клапан (4) в открытом положении пневматически связывает камеру (13) сгорания и пневмоаккумулятор (1) через пневмомагистраль (2а),
причем пневмоаккумулятор (1) предназначен для питания пневматического тормоза автомобиля,
причем электромагнитный клапан (4) посредством управляющего блока выполнен с возможностью управления в зависимости от давления и/или температуры пневматической системы, положения поршня, требования нагрузки, числа оборотов двигателя и/или давления наддува в цилиндре, и управляющий блок выполнен так, чтобы в рабочих состояниях, в которых не требуется полный крутящий момент двигателя, для по меньшей мере одного цилиндра с отключенным впрыском топлива открывать электромагнитный клапан (4) при движении вверх поршня (7) и в диапазоне верхней мертвой точки вновь закрывать, чтобы отобрать сжатый воздух из камеры (13) сгорания и подать в пневмоаккумулятор (1),
отличающийся тем, что управляющий блок также выполнен так, чтобы в такте сжатия режима принудительного холостого хода непосредственно после закрытия клапана (5) впуска открывать электромагнитный клапан (4) для дополнительного наддува сжатого воздуха и, самое позднее, когда давление газа в цилиндре достигает давления в пневмоаккумуляторе (1), вновь закрывать его.
2. Поршневой двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что эффективное сечение электромагнитного клапана (4) лежит в диапазоне от 5 до 20 мм2, более предпочтительно, в диапазоне от 10 до 15 мм2.
3. Поршневой двигатель внутреннего сгорания по п.1 или 2, отличающийся тем,
(а) что управляющий блок представляет собой электронный контроллер двигателя; или
(b) что поршневой двигатель внутреннего сгорания выполнен с системой впрыска с общей топливной магистралью, и что управляющий блок представляет собой управляющий блок для системы впрыска с общей топливной магистралью.
4. Поршневой двигатель внутреннего сгорания по п.1 или 2, отличающийся тем,
(а) что поршневой двигатель внутреннего сгорания содержит турбокомпрессор, работающий на отработавших газах; и/или
(b) что по меньшей мере один клапан (5) впуска и клапан (6) выпуска выполнены как тарельчатые клапаны; и/или
(с) что поршневой двигатель внутреннего сгорания представляет собой двигатель внутреннего сгорания с самовоспламенением или двигатель внутреннего сгорания с принудительным воспламенением рабочей смеси.
5. Автомобиль, в частности автомобиль промышленного назначения с поршневым двигателем внутреннего сгорания по любому из пп.1-4.
6. Автомобиль промышленного назначения с поршневым двигателем внутреннего сгорания по любому из пп.1-4, отличающийся первой пневматической системой с первым пневмоаккумулятором (1) для снабжения тормозов сжатым воздухом и второй пневматической системой со вторым пневмоаккумулятором (14), причем второй пневмоаккумулятор (14) выполнен с возможностью функционирования с более высоким давлением, чем первый пневмоаккумулятор (1), и выполнен с возможностью пневматического связывания с камерой сгорания через электромагнитный клапан (4), причем второй пневмоаккумулятор (14) выполнен с возможностью заполнения первого пневмоаккумулятора (1) сжатым воздухом.
7. Способ функционирования поршневого двигателя внутреннего сгорания по любому из пп.1-4, отличающийся тем,
(а) что сжатый воздух из пневмоаккумулятора (1) через электромагнитный клапан (4) вводят в камеру (13) сгорания, дополнительно к воздуху наддува, который вводят через упомянутый по меньшей мере один клапан (5) впуска в камеру (13) сгорания, и/или
(b) что сжатый воздух через электромагнитный клапан (4) отбирают из камеры (13) сгорания и подают в пневмоаккумулятор (1).
8. Способ по п.7, отличающийся тем, что дополнительный наддув сжатого воздуха через электромагнитный клапан (4) начинают в области закрывания упомянутого по меньшей мере одного клапана (5) впуска и заканчивают самое позднее тогда, когда давление газа в камере (13) сгорания достигает давления воздуха в пневмоаккумуляторе (1).
9. Способ по п.8, отличающийся тем, что в рабочих состояниях, в которых не требуется полный крутящий момент двигателя, для по меньшей мере одного цилиндра с отключенным впрыском топлива электромагнитный клапан (4) при движении вверх поршня (7) открывают и в диапазоне верхней мертвой точки вновь закрывают, чтобы отобрать сжатый воздух из камеры (13) сгорания и подать в пневмоаккумулятор (1).
10. Способ по п.9, отличающийся тем, что в фазе сжатия режима принудительного холостого хода непосредственно после закрытия клапана (5) впуска электромагнитный клапан (4) открывают для дополнительного наддува сжатого воздуха и, самое позднее, когда давление газа в цилиндре достигает давления в пневмоаккумуляторе (1), снова закрывают.
11. Способ по п.8, отличающийся тем, что после смены заряда рабочей смеси и перед воспламенением через электромагнитный клапан (4) находящийся в цилиндре воздух по меньшей мере частично отбирают из камеры (13) сгорания.
12. Способ по п.11, отличающийся тем, что
(а) поршневой двигатель внутреннего сгорания является поршневым двигателем внутреннего сгорания с самовоспламенением; и
(b) что отбор воздуха через электромагнитный клапан (4) в качестве исполнительного элемента осуществляют в замкнутом лямбда-контуре регулирования.
13. Способ по любому из пп.7-12, отличающийся тем, что управляющие параметры касательно начала отпирания электромагнитного клапана (4), окончания отпирания электромагнитного клапана (4) и решения, осуществляется ли приведение в действие электромагнитного клапана (4), определяют в зависимости от давления и/или температуры в пневматической системе, содержащей пневмоаккумулятор (1), от положения поршня, требования нагрузки, числа оборотов двигателя и/или давления наддува в цилиндре и/или впускном коллекторе.
