[发明专利]内燃热机、控制系统、用于设计该发动机尺寸的方法以及具有所述发动机的汽车

说明书

技术领域

本发明的领域在于内燃机领域，并更特别地在于汽油发动机，优选地为增压式汽油发动机。

背景技术

用于机动车的内燃机包括燃烧室，该燃烧室大体由一个或多个汽缸形成，燃料和空气的混合物在该汽缸中燃烧以产生发动机功。吸入混合物可以或可以不被压缩，这取决于发动机是否包括增压压缩机。

活塞被安装以使其可在汽缸中移动，这些活塞驱动随轴一体旋转的曲轴。如本领域的技术人员所熟知，发动机的转速被定义为发动机轴在给定时刻的回转数；此外，由发动机供应的扭矩被定义为发动机轴上测量的扭矩的力矩。

在包括压缩装置(例如压缩机或涡轮压缩机)的增压发动机的情况中，混合物被吸入发动机，通过压缩机压缩，被吸入汽缸并在其中燃烧，并随后通过排气回路排出。当压缩装置包括涡轮压缩机时，废气驱动机械地固定到压缩机的涡轮，以便驱动压缩机。

还已知多数内燃机(特别是柴油发动机和汽油直喷发动机)产生对环境有特别有害的影响的氮氧化物(通常表示为NOx)。用于限制氮氧化物的产生的一个已知方法是再循环一些废气并将其注入发动机的进气侧。这已知为废气再循环，通常已知为其英文首字母缩写EGR。通过再循环废气实现的NOx减少是由于燃烧室中的温度的下降，因为废气(主要包括CO2和水蒸气)的热容量比新鲜气体(“新鲜气体”的表述表示在再循环废气的再注入之前被吸入发动机的气体混合物；新鲜气体因此通常包括空气和汽油蒸汽；与再循环废气混合的新鲜气体构成吸入气体)的热容量高大约20％。废气通常在其被再注入燃烧室前在热交换器中冷却。

该EGR技术主要在低转速(典型地在2至3000rpm以下，即大约为低空转转速的三倍)和低负载(其特征可在于比发动机可输出的最大扭矩小一半的扭矩)时实现，以便当车辆在市区道路上使用时避免NOx的排放。这还有额外的优点在于，这在这些低转速和低负载的工作点处提供了燃料消耗的减少。由于再注入的气体，吸入气体的压力为大约一个大气压，而如果发动机仅吸入新鲜气体，对于吸入的相同质量的新鲜气体，该吸入气体的压力低于一个大气压(为0.7或0.8个大气压)；这因此使发动机供应更少的功来吸入气体并从而消耗更少的燃料。

当在涡轮之后排出并在压缩机之前再注入的废气上执行废气再循环时，可被称为“低压”再循环，或当在涡轮之前排出并在压缩机之后再注入的废气上执行废气再循环时，可被称为“高压”再循环。

无论是低压或高压再循环，再循环由专门的装置控制，例如三通阀，并通过发动机控制单元控制该阀。

机动车制造者不断地寻求减少其发动机的燃料消耗，并寻求满足日益严格的污染物排放标准，例如NOx的排放。一个被探究的途径是改进增压式汽油发动机，以使这些发动机可在燃料消耗方面比柴油发动机有竞争力。结合增压的气体压缩确实导致了发动机体积的减小和相应的磨损减少。

增压式汽油发动机面对的一个问题是其对爆震(pinging)现象的易感性，这妨碍其实现其通过在理论配比条件下(典型地，1g燃料配14g空气)使用的空气/燃料混合物优化的最佳性能。爆震是控制点火发动机的非正常燃烧现象，该现象在外部通过发动机发出的金属噪音而被察觉，并可对发动机的活塞有破坏作用。这是由于燃烧室内的冲击波，该冲击波由尚未燃烧的气体的自燃产生。事实上，加大压缩比(即当活塞在下止点处时燃烧室的容量与当活塞在上止点处时燃烧室的容量之比)加重了爆震现象。但是对于自然吸入式发动机，即非增压的发动机，压缩比通常可达到大约11，而当前的增压发动机实际上限制在大约为9的比率。

已经设想了用于抵御爆震的产生并允许加大压缩比的多种方案。例如，已经提出了使点火提前(ignition advance)时刻后退，即该方法是要将活塞通过上止点之后(换言之，在气体已达到其最大压力之后)点燃空气-燃料混合物的时刻延迟。还已提出了通过注入比理论配比条件所需更多的燃料来增加混合物的富裕度，过剩的燃料吸收可能导致爆震的能量(富裕度(richness)表示注入的燃料量与对应于理论配比混合物的燃料量之比(因而对于理论配比，富裕度等于1))。

这些方案导致注入燃料的非优化使用，并从而导致过度燃料消耗。

发明内容

本发明的目的在于通过提出用于汽油发动机、特别是用于具有高压缩比的增压发动机的改进运行来克服这些缺点。本发明的目的在于使用相对于活塞通过上止点的位置的最佳提前角点燃理论配比条件下的混合物的情况下，允许这些发动机在任何转速运行而没有爆震。