运行带VCR‑调节器的往复活塞式内燃机的方法和装置与流程

本发明涉及内燃机、特别是往复活塞式内燃机，带有VCR-调节器（VCR：Variable Compression Ratio—可变压缩比），该调节器能够实现可变化地匹配内燃机的燃烧室的压缩比。此外，本发明还涉及用于运行带有VCR-调节器的这种内燃机的方法。

背景技术：

对于往复活塞式内燃机来说存在这样的可能性：通过不同的措施来调整在气缸的燃烧室中的压缩比。所述压缩比给出了在内燃机的一个做功冲程时的、在燃烧室的最大的容积和该燃烧室的最小的容积之间的比例。所述比例能够通过合适的所谓VCR-调节器可变化地进行调节。

例如，由文献WO2014/019684已知一种带有可变的压缩机构并且带有用于改变压缩比的操纵单元的往复活塞式内燃机。所述操纵单元具有一种带有可变的长度的连杆，还具有一种带有可变的压缩高度的活塞和/或一种带有可变的曲轴半径的曲轴。

此外，由文献DE102008050827A1已知一种用于内燃机曲轴的调节装置。所述曲轴支承在调整轴承中，该调整轴承能够通过一种调整轴进行调整，以便把所述曲轴的位置在在气缸中的活塞的最小压缩位置和最大压缩位置之间进行改变。

此外，由文献US2014/0014071已知一种用于调节在内燃机中的可变的压缩比的装置。所述装置包括一种用于容纳曲轴的偏心轴承装置。所述偏心轴承装置包括一种能够旋转的偏心环，在该偏心环中支承着所述曲轴，其中，通过旋转所述偏心环就能够调整压缩比。

技术实现要素：

根据本发明，设置了一种根据权利要求1的用于运行带有VCR-调节器的内燃机的方法，以及根据并列的权利要求的一种装置和一种带有内燃机的发动机系统。

其它的构造方案在从属权利要求中给出。

根据第一方面，提出了一种用于运行带有VCR-调节器和阀控制机构的内燃机的方法，该VCR-调节器用于对于在所述内燃机的气缸中的压缩比进行调整，该阀控制机构用于调整换气阀的阀行程和/或换气阀的关于曲轴角度的运行的相位。所述方法包括下述步骤：

- 检查：是否在阀控制机构中出现了故障；并且

- 如果确认了故障，那么就限制在气缸中的压缩比，从而使得在气缸的燃烧室中的活塞的运动的上死点如此被确定：使得在处在上死点的位置处的活塞和在其最大的打开状态处的换气阀的阀门头部之间存在大于等于0的距离。

特别是所述在气缸中的压缩比能够被限制，从而使得在气缸的燃烧室中的活塞的运动的上死点被确定在一个位置上，该位置对应于关于气缸轴线带有其最大期望着的打开状态的换气阀的阀门头部的位置，或者被确定在一个距离换气阀更远的位置上。

带有VCR-调节器的内燃机通过对于换气损失进行优化、通过调整在气缸的燃烧室中的压缩比来降低燃料消耗。因为内燃机的热效率取决于压缩比，所以能够对于内燃机的运行来说依赖于运行点地调整一个合适的压缩比。特别是能够在低-和部分运行点中通过高的压缩比来实现一种高的热力学的效率，而在高负载的运行点中减小所述压缩比，以便减小内燃机的爆震倾向。

在内燃机中，换气阀以进气-和排气阀的形式位于燃烧室的燃烧室顶部中。所述换气阀通过所涉及的换气阀的阀门头部的进入到燃烧室中的运动来关闭和打开所述燃烧室。换气阀的运行一般来说以同步的方式与内燃机的曲轴的旋转相耦接。然而，对于换气阀的阀控制方式是已知的，该阀控制方式使得换气阀的运行至少部分地与曲轴的旋转脱离耦合，或者相互推移它们的运动相位。例如在对于换气阀的一些阀控制方式中设置了液压地耦接的阀控制机构，例如Schaeffler UniAir®、Fiat Multiair®和类似的阀控制机构。在此，液压油在冷的状态中由于高的粘性从而导致缓慢的阀反应。

在换气阀的一个不被期望的阀门运动中，例如关闭过程能够相应地减慢，从而使得相应的阀的阀门头部更久地伸入进燃烧室中。此外，在一个高的压缩比中，活塞运动的上死点靠近燃烧室顶部，从而使得所述阀门头部会与在燃烧室中朝向上死点的方向上运动着的活塞发生碰撞。这会导致气门传动机构和/或曲轴传动机构的机械的损伤。

这种情况同样会在阀行程调节和气门相位调节的故障中发生，如果最大的阀行程和到达活塞上死点的时刻重合的的话，所述阀行程调节预先规定了换气阀的行程的高度。

上述方法的构思因此在于：减小压缩比，如果相应的换气阀的调节被阻碍了或阀门反应不清楚的话，以便减小阀门传动机构或曲轴传动机构的损伤的风险。

因此利用上述方法规定了：在一种运行情况中，在该运行情况中或者确认了在VCR-调节器中的故障，或者如果所涉及的换气阀的位置不能够准确地被确定，那么就如此限制所述压缩比，使得在气缸中的在上死点处的活塞的位置这样与所述燃烧室顶部相间隔，使得即使在换气阀的阀门头部的最大行程中也不会预期到机械的碰撞。法门传动机构和/或曲轴传动机构的机械损伤能够以这种方式通过保持与所述燃烧室顶部的最小间隔得以保证，如果出现了VCR-调节器的故障或者所述换气阀的位置不明确的话。

此外，阀控制机构的故障能够被识别出来，如果通过诊断方法所识别出的故障被确认了的话，或者如果阀状态的支座反馈的失效被确认了的话。

根据一种具体实施方式，所述上死点能够越靠近换气阀，所述压缩比就越高，其中压缩比被调整到一种最小的压缩比，如果所述阀状态由于失效的支座反馈不清楚的话。

替代的或者附加的是，在确认了故障的情况下，所述压缩比被调整成这样一个压缩比：在该压缩比时活塞在上死点处的位置对应于换气阀的最大的打开状态的位置。

根据另一方面，提出了一种用于运行带有VCR-调节器和阀控制机构的内燃机的装置，该VCR-调节器用于调整在所述内燃机的气缸中的压缩比，该阀控制机构用于调整换气阀的阀行程和/或关于曲轴角度调整换气阀的运行的相位。所述装置如此进行构造，以便：

- 检查，是否在阀控制机构中出现了故障；并且

- 如果确认了故障，那么就限制在气缸中的压缩比，从而使得在气缸的燃烧室中的活塞的运动的上死点如此被确定，使得在处在上死点的位置处的活塞和换气阀的处在其最大的打开状态处的阀门头部之间形成了大于等于0的距离。

根据另一方面，提出了一种带有往复活塞式内燃机的发动机系统，该往复活塞式内燃机带有VCR-调节器和上述装置。

根据另一方面，提出了一种计算机程序，该计算机程序被构造用来实施上述方法的所有步骤。

附图说明

具体实施方式接下来会根据附图进一步被阐述。附图示出：

图1：带有内燃机的发动机系统的示意性的示图，该内燃机具有VCR-调节器，该VCR-调节器用于对于在气缸的燃烧室中的可变化的压缩比进行调整；

图2：通过气缸的横截面的示意性的示图，示出了在高的和低的压缩比时活塞和换气阀的调节路径；

图3：用于示出用于运行带有VCR-调节器的内燃机的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了带有内燃机2的发动机系统1的示意性视图，该内燃机以一种往复活塞式内燃机的形式进行构造。所述内燃机2能够例如以一种汽油发动机或柴油发动机的形式进行构造。

所述内燃机2具有气缸3，该气缸具有燃烧室31，在该燃烧室中活塞4以公知的方式可移动地进行布置。所述活塞4在它的与所述燃烧室31对置的侧面处通过（未示出的）连杆与曲轴5耦接，从而使得活塞4的通过在内燃机2中的燃烧冲程所引起的往复运动转化为所述曲轴5的旋转运动。

在其它方面，所述内燃机2如同传统的内燃机一样地进行构造。进气系统、排气系统、燃料供给系统和类似的系统出于清楚性的原因没有在图1中示出。

在所述曲轴5和在气缸3中的所述活塞4之间的耦接可以配设有VCR-调节器6（VCR：Variable Compression Ratio—可变压缩比），以便可变地调节在气缸3中的压缩比。所述压缩比对应气缸3的燃烧室31的最大容积与所述气缸3的所述燃烧室31的最小容积之比，所述最大容积是指：当所述活塞4位于下死点时所述燃烧室31的容积；所述最小容积是指：当所述活塞4位于上死点时所述燃烧室31的容积。所有VCR-调节器6共同依赖于待调整的压缩比来改变在上死点处的所述活塞4的位置。特别的是，上死点离燃烧室31的燃烧室顶部16越近，所述被调整的压缩比就越大。

内燃机2以公知的方式通过控制单元10进行操作。除了被设置用来驱动传统的内燃机2的调节可能性之外，所述控制单元10也能够调节VCR-调节器6。

压缩比ε的可调节性的优势产生于内燃机的热效率η_TH对于所述压缩比的依赖，如下：

在此ε描述压缩比，该压缩比在汽油发动机中通常处于8和14之间，并且k是混合物的各向同性指数（Isotropenexponenten），该各向同性指数对于均匀的燃烧能够被假设为是大约1.3。因此，在压缩比的全部的调节区域上，在把压缩比从一个最小值提高到一个最大值时，所述热效率η_TH提高了大约10%。借此，内燃机的燃料消耗能够被减少。

在运行中，压缩比实际上如此地被调节，使得它尽可能的大，但是要避免内燃机的爆震。这意味着，在低负载运行点和部分负载运行点时调整为一个高的或者一个最大的压缩比，而在高负载运行点时把所述压缩比相应地减小，以便在所述内燃机中不出现爆震。

在图2中示出了通过图1中的内燃机2的气缸3之一的燃烧室31的横截面视图。可以看出的是：所述气缸3配设有以进气阀11和排气阀12为形式的换气阀。所述进气-和排气阀布置在燃烧室顶部16处，该燃烧室顶部将气缸3的燃烧室31封闭住。所述换气阀11、12分别配设了一种可变的阀控制机构，一种进气阀控制机构13和一种排气阀控制机构14。所述阀控制机构13、14能够对应于液压地耦接的阀控制机构，例如Schaeffler UniAir®、Fiat Multiair®。这些阀控制机构能够有可能故障地操控所述换气阀。这样的故障能够例如利用一种合适的公知的诊断方法进行查明。此外，所述阀控制机构能够配设有支座反馈传感器（Lagerrückmeldungssensoren），该支座反馈传感器返回地报告当前的阀位置。如果一种这样的支座反馈传感器坏了的话，那么阀位置就不清楚了。

所述进气阀控制机构13用于预先规定在进气阀11的打开-和关闭状态之间的阀行程和/或相对于曲轴位置的相位。所述排气阀控制机构14用于预先规定在排气阀12的打开-和关闭状态之间的阀行程和/或相对于曲轴位置的相位。在打开所述进气阀11或者所述排气阀12时，相应的阀门头部15运动到气缸3的燃烧室的内部中。

可活动地位于气缸3中的活塞31会以在一个下死点UT和一个上死点OT之间的往复运动的方式运行。所述上死点OT对应于活塞31的一个位置，在该上死点处，所述活塞31的面对所述燃烧室顶部16的表面到所述燃烧室顶部距离最近，而所述下死点UT对应活塞31的一个位置，在该下死点处，所述活塞31的面对所述燃烧室顶部16的侧面到所述燃烧室顶部16距离最远。

根据被调整的压缩比ε，所述上死点的位置距离所述燃烧室顶部更近或者更加远离所述燃烧室。在图2中以虚线示出了对于一种高的压缩比在上死点OT1和在下死点UT1处的活塞31的位置。对于一种低的压缩比，在上死点OT2和下死点UT2处的活塞31的位置被以点线示出。

在调整到最大的压缩比时，上死点OT1对应于活塞31的一个位置，在该位置处所述换气阀11、12之一的阀门头部15在打开状态与最大的阀行程相冲突。但是在正常运行中，所述阀控制会如此的进行，不仅使得进气阀11和排气阀12处于关闭状态中或者处于打开状态中，在该打开状态中所述阀门头部不具有它的最大的打开状态，如果所述活塞31到达了所述上死点的话。因此能够排除冲突的情况。如果由于一个故障导致出现与正常运行相偏离的情况的话，那么活塞4到达上死点的时刻和进气阀11或者排气阀12到达最大的打开状态的时刻就能够重合了，并且在内燃机2的运行中在阀门头部15和所述活塞31之间的碰撞就无法避免了。

图3示出了一种方法，利用该方法能够确保即使在内燃机2的、特别是VCR-调节器6的非正常的运行中，在所述换气阀11、12的阀门头部15和在气缸3的燃烧室中的活塞31之间的碰撞也能够被避免。

在步骤S1中首先被检查的是，是否阀控制机构13、14存在故障。这能够例如借助于一种合适的诊断方法进行查明。如果在步骤S1中查出了在所述阀控制机构中的故障（二者择一：是），那么所述方法会继续进行步骤S3，否则（二者择一：否）所述方法会继续进行步骤S2。

在步骤S2中会检查，是否换气阀11、12的阀反应（Ventilreaktion）被确定了，或者是否不能够确定所述阀门头部15处于哪个位置中。如果所述换气阀11、12中的至少一个换气阀的阀反应不清楚（二者择一：是），那么所述方法会继续进行步骤S3，否则会返回地跳回至步骤S1。

在步骤S3中现在会检查是否最大的行程高度h_max是已知的。如果所述最大的行程高度是已知的（二者择一：是），那么会由此在步骤S4中确定最大的压缩比ε_max：在打开状态下所涉及的换气阀11、12的阀门头部15伸长到所涉及的气缸3的燃烧室中什么程度。最大能够允许的压缩比ε_max就对应：

ε_max = h_Kolben × A +V_r（P_{ventil_offen}）/V_r（P_{ventil_offen}）

其中A是活塞横截面面积，h_Kolben是活塞运动的行程长度，并且V_r（P_{ventil_offen}）是活塞位置在上死点OT处时气缸3的剩余容积，该上死点位置对应于在最大的打开状态P_{ventil_offen}处的所涉及的换气阀11、12的阀门头部15的朝活塞方向上最大能够到达的位置。换句话说，所涉及的换气阀11、12的阀门头部15的位置关于气缸轴线在最大的打开状态P_{ventil_offen}时，对应于通过最大能够允许的压缩比ε_max所确定的、活塞4的上死点OT的位置。特别是，所述最大能够允许的压缩比ε_max能够被定义为这样的压缩比：在该压缩比中，活塞与所涉及的换气阀11、12的阀门头部恰好接触，所述活塞处于它的上死点OT处，所述换气阀处于它的最大的打开状态中。

如果最大的打开状态P_{ventil_offen}是未知的（二者择一：否），那么在步骤S5中VCR-调节器6的最小能够调整的压缩比ε_min会被确定为最大的压缩比ε_max。

所述待调整的压缩比ε_soll在步骤S6中由最大压缩比ε_max的和被要求的压缩比ε_wunsch的最小值产生，该被要求的压缩比一般来说能够由控制单元10来预先规定。