CN101718219A - 具有两个增压器的内燃机及其运行方法 - Google Patents

具有两个增压器的内燃机及其运行方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有至少一个气缸的内燃机，气缸具有至少两个与排气管路相连的排气门，排气管路之中设有排气涡轮增压器的涡轮，所述排气涡轮增压器具有用于内燃机的增压空气的压缩机。本发明提出，在压缩机下游设有一用于压缩机增压空气流(21)的集流部(23)，在所述压缩机(14，16)中至少一个的下游、所述集流部(23)的上游设有至少一个能在外部控制的阀(25)。本发明还涉及一种运行这种内燃机的方法。本发明提出，在所述压缩机下游使所述压缩机的增压空气流汇集，至少在所述压缩机中的一个的下游、在集流部的上游能够对所述增压空气流中的至少一个进行能从外部控制的阻断或节流。

Description

具有两个增压器的内燃机及其运行方法
技术领域
本发明涉及一种具有至少一个气缸的内燃机，气缸具有至少两个与排气管路相连的排气门，在排气管路中设置有排气涡轮增压器的涡轮，所述排气涡轮增压器具有用于内燃机的增压空气的压缩机。
本发明还涉及一种用于运行这种内燃机的方法。
背景技术
在现有技术中已知一种内燃机，该内燃机的每个气缸具有至少两个排气门，所述排气门对应于不同的排气管路，每个排气管路具有排气涡轮增压器的一个涡轮，该涡轮对应于用于内燃机的增压空气的压缩机。为运行排气涡轮增压器以如下方式控制排气门：在低负荷或者部分负荷工况下使一个排气门关闭，使得只有设置在相应排气门打开的排气管路中排气涡轮增压器的涡轮运行。当存在转矩请求时，尤其在满负荷工况下，与另一排气管路相连的其余排气门也会打开，使得对应于该排气管路的排气涡轮增压器开始工作并将增压空气输送给内燃机。在低负荷或者部分负荷工况下，仅使用两个排气涡轮增压器中的一个，而在满负荷工况下或者当突然存在转矩请求时，则运行两个排气涡轮增压器。在此通过打开对应于相应排气管路的其余排气门来接通第二排气涡轮增压器。例如DE 10 2005 055 996以及EP1 645 735 A1就公开了一种这样的装置。
这些实施形式的缺点在于：当第二排气涡轮增压器不工作(也就是第二排气门关闭)时，由第一排气涡轮增压器输送到进气管中的增压空气可能会域逆着预期流动方向从进气管区进入第二排气涡轮增压器的压缩机区域中，导致不希望的压降和增压空气损失，进而引起运行性能的不均衡。已知有一些装置可避免这种情况发生，在这些装置中将一止回阀布置在第二压缩机的下游，在通过打开第二排气门并给对应于该第二压缩机的第二涡轮加载而接通第二压缩机之后，止回阀以一定的滞后开启。如果在第二压缩机的规定输送功率下当达到预定的压力阈值时止回阀打开，则由由此会发生不希望的压力失衡，例如一压力冲击，这在内燃机运行中引起几乎是突然的转矩变化。内燃机的转矩将以不平顺的方式升高，甚至会让驾驶员感到不舒适，对于大功率内燃机，在极为不利的运行条件下可能会损害车辆的操纵性。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种能够避免上述缺点的内燃机及其运行方法。
为此提出一种具有至少一个气缸的内燃机，所述气缸具有至少两个与排气管路相连的排气门，在该排气管路中设有排气涡轮增压器的涡轮，所述排气涡轮增压器具有用于内燃机的增压空气的压缩机。(本发明)提出，在所述压缩机的下游设有一用于所述压缩机的增压空气流的集流部，在所述压缩机中至少一个的下游、所述集流部的上游设有至少一个能在外部控制的阀。可按照已知的方式接通各个压缩机和/或排气涡轮增压器的驱动压缩机的涡轮，即打开与相应(尤其是第二)排气涡轮增压器及其排气管路对应的排气门。由此排气涡轮增压器由于其涡轮被施加排气而开始运行，进而使压缩机开始输送增压空气。压缩机的增压空气流在一设在压缩机下游的集流部中汇集。在压缩机中至少一个的下游、所述集流部的上游设有一阀，该阀可从外部控制，即特别是与增压空气流以及增压空气流在阀上形成的背压/差压无关，该阀在增压空气的体积流量和/或质量流量方面实现对至少一个增压空气流的控制。对该阀的控制从外部进行，尤其是通过现有的发动机控制系统、例如现有技术条件下已知的发动机控制单元进行。
在一种实施形式中提出，将所述阀设计成阻风门。阻风门不仅能阻断或释放增压空气流，而且能尤其是以优选的无级方式改变增压空气流。可以按照十分有利于流动的方式对阻风门进行设计，即特别是抑制或减小在阻风门区域内的增压空气流中的不希望的增压空气涡流。
优选规定：所述集流部具有一空气集流室，在该空气集流室中设置所述阀。因此集流部具有空气集流室以汇集增压空气流。在该集流室中布置所述阀。
优选将设计成阻风门的阀布置在空气集流室中。
在一种特别优选的实施形式中，所述设计成阻风门的阀在空气集流室中布置成，能选择阻断或节流来自一个压缩机的增压空气流，阻断或节流来自另一个压缩机的增压空气流，或释放所述两个增压空气流。因此，设计成阻风门的阀可以阻断、释放或节流任一压缩机的增压空气流。例如可以完全释放第一压缩机的增压空气流，并从起初的阻断状态开始连续地释放第二压缩机的增压空气流，也就是将与第二增压空气流相关的阻风门打开得越来越大，直至最终释放所述两增压空气流。这样极有利地避免现有装置内存在的增压空气管路中的压力冲击进入进气管的情况，从而避免突然的转矩增大，这一点特别是大功率车辆的不熟练的驾驶员不能控制的。进气管内的增压空气流的增压压力以及增压空气量却逐渐增大，从而使内燃机的转矩逐渐增大。因此不会出现突然的压力冲击或者不希望的压力失衡。还可以将阻风门设计成，使其逐渐地、但在极短的时间内完全打开。这样不会损害内燃机的动力性。由于与具有简单止回阀的实施形式不同在开始打开阻风门起初不存在由止回阀滞后引起的延迟，所以随着接通第二压缩机便增大转矩。
在另一种实施形式中，在所述压缩机中的至少一个后设有增压空气冷却器。
优选在压缩机后设有一共用的增压空气冷却器，特别优选使所述阀与所述增压空气冷却器形成结构单元。该阀尤其可设在增压空气冷却器外侧或内侧，即内置在增压空气冷却器或其外壳中。这样可实现一种非常有益的模块化结构，其在操作上带来在装配、结构空间和成本方面的优点。
在另一种优选的实施形式中，至少一个排气管路具有(旁通)涡轮的旁路，所述旁路优选能由一旁通阀调节。通过这种优选可通过旁通阀调节的旁路，能够调节排气管路的排气质量流对涡轮的加载，其中只要打开旁通阀就能使排气质量流的一部分绕过涡轮。
在另一种优选的实施形式中，所述旁路桥接/短接/跨接对应于第一排气门的第一排气管路的第一涡轮。因此所述旁路与设在第一排气管路中的第一涡轮并行，该第一排气管路对应于第一排气门。该第一涡轮是这样的涡轮：其与第二涡轮(在第二排气管路中，因此对应于第二排气门)的接通无关地始终被加载排气，可通过旁路控制该第一涡轮的运行性能。尤其能够根据对应于第二排气管路以及第二排气门的第二涡轮的接通，对第一涡轮的工作性能进行匹配，从而匹配连接的压缩机的输送功率。
本发明还提出一种用于运行内燃机的方法，所述内燃机特别是根据上述实施形式中一项或多项所述，所述内燃机具有至少一个气缸，所述气缸具有至少两个与排气管路相连的排气门，在排气管路中设有排气涡轮增压器的涡轮，所述排气涡轮增压器具有用于内燃机的增压空气的压缩机。在此提出：在所述压缩机下游使所述压缩机的增压空气流汇集，至少在所述压缩机中一个的下游、在集流部的上游能够对所述增压空气流中的至少一个进行能从外部控制的阻断或节流。因此，对增压空气流中的至少一个的阻断、开放或节流从外部控制，与增压空气管路中的内部压力条件无关。
在一种优选的方法实施形式中，从外部对阀的控制通过软件功能——尤其是内燃机的发动机控制单元的软件功能——进行。可利用发动机控制单元根据运行状态对现有技术条件下已知的现代内燃机的工作进行控制。以很有利的方式，利用这种发动机控制单元中的软件功能执行对阀的控制。这样就不必使用独立的控制单元。由此特别是还保证：利用软件功能将对阀的控制完全集成在内燃机的运行管理(Betriebsführung)中。
在另一方法实施形式中，所述软件功能考虑到内燃机的仅一个或多个排气门的打开。因此，可至少根据内燃机的一个或多个排气门的打开状态来进行利用软件功能对阀的控制。如果例如当功率要求较高时打开相应气缸的相应第二排气门，使得第二排气涡轮增压器被内燃机的排气流入，而与该第二排气涡轮增压器相应的压缩机供给增压空气，则通过软件功能打开所述阀。这样便在第二压缩机的足够的增压空气压力下朝向进气管释放增压空气流。
在另一方法实施形式中，所述软件功能考虑到进气系统(ansaugtrakt)内的增压空气压力，尤其是节气门前的增压空气压力。这样非常有利地避免了：在某一负荷状况下或转矩要求下为运行内燃机而希望在节气门前存在的增压空气压力被低过或超过，或避免增压空气压力以不希望的方式波动。因此能够使进气系统内——尤其节气门前——的增压空气压力与希望的条件动态匹配。通过软件功能进行这种对阀的控制，使得对应于该阀的第二压缩机提供这样的增压空气压力或增压空气流，其与第一压缩机的增压空气流一起在节气门前形成希望的增压空气压力。尤其能够进行一种无明显延迟的动态控制，从而允许对内燃机进行动态性好的运行管理。由此特别是能够确定和选择打开阀/阀板的尽可能好的时刻。
在另一方法实施形式中，所述软件功能考虑到经过至少一个涡轮的排气质量流和/或在至少一个压缩机后的增压空气压力。在另一方法实施形式中，所述软件功能考虑到油温和/或冷却剂温度、进气温度和/或增压空气温度。这种参数实现了：根据内燃机的多种工况，精确地调整所述阀的打开或阻断、对经过与阀相应的压缩机——特别是第二压缩机——的增压空气流的释放或节流。尤其可以进行很不同的运行管理，在内燃机的希望的功率值和/或特别是能效方面来优化运行管理。这样可以使增压空气流非常有利地匹配于当前条件。
在一种特别优选的方法实施形式中，所述软件功能考虑到内燃机的发动机控制单元已提供的——特别是上述的——参数。这是指：不必为用于控制阀的软件功能而使用其它传感装置，而是使用内燃机的发动机控制单元本已处理的参数，所述参数尤其是源于用于运行内燃机的现有传感器，这些参数在基本的控制与软件架构以及内燃机的发动机控制单元的相应架构设计中提供。
软件功能尤其优选考虑到在驱控阀时的时滞或滞后。通过软件功能考虑到特别是阀自身或操纵阀的执行器的机械影响引起的开关延迟、和/或希望的和不希望类型的开关延迟，即或者作为给定的默认值、例如也可作为对一确定的系列的平均值而从一存储区中读出并在运行中使用，或者由软件功能根据阀的运行管理求出并为进一步的使用而存储，然后使用。这样便能够非常有利地补偿压缩机的启动延迟或内燃机转矩增大的延迟。例如可以使阀在一定的打开时刻外保持关闭，然后加速打开；或者在实际规定的打开时刻之前使其连续地打开以便缓慢、持续地增大压力，只要该压力增大在内燃机运行管理中是需要的或合理的。
在一种优选的方法实施形式中，所述软件功能控制旁路的打开或关闭，尤其是驱控旁通阀。控制所述阀或阀板的打开和关闭的软件功能还控制所述旁路。这样就能在对阀和旁路的控制方面、进而在对第一涡轮的加载方面进行运行管理，以实现协调的运行性能和十分协调的功率增大。
优选根据每气缸是打开一个排气门还是打开两个排气门来进行对旁通阀的驱控。这样尤其可以避免两个涡轮增压器运行性能的不均衡，例如当打开内燃机的第二排气门时，在接通第二涡轮或第二涡轮增压器时因启动第二压缩机而引起的不希望的压降或不希望的压力升高。当两个排气门均被打开而使两个排气管路的两个涡轮增压器均被施加排气时，在第二排气门被打开前或打开时通过旁路将供应给两个涡轮增压器的两个涡轮的排气质量流在第一涡轮的分量方面调节成，使得第一涡轮的运行性能被控制成，不会在打开第二排气门、接通第二涡轮和第二压缩机时出现在增压空气的压力增大中的不均衡。
在另一优选的实施形式中，根据将被施加到排气涡轮增压器的涡轮上的、向排气管路中的排气排出量(Abgasmassenausstoβ)来进行对旁通阀的驱控。这里对排气大量排出的检测不是或不仅是与第二排气门的打开相关。其目的还包括避免增压空气压力增大中的不均衡。
其它较有利的实施形式由从属权利要求及其组合给出。
附图说明
下面根据一实施例对本发明进行详细解释，但本发明并非仅限于此。
附图中：
图1示出一种内燃机，该内燃机具有分别在两个排气管路中的两个排气涡轮增压器以及带一可从外部控制的阀的增压空气集流部。
具体实施方式
图1所示的内燃机1具有四个气缸2，每个气缸2对应两个排气门3，即第一排气门4和第二排气门5。各第一排气门4均对应于第一排气管路6，各第二排气门5均对应于第二排气管路7。在每个排气管路6、7中设置一个排气涡轮增压器9的涡轮8，即在第一排气管路6中设置一第一涡轮10，在第二排气管路7中设置第二涡轮11。第一排气管路6中的第一涡轮18具有一旁路12，该旁路具有一可调的旁通阀13从而能至少部分地调节第一涡轮10的周围环境。第一涡轮10还对应第一压缩机14，第二涡轮11还对应第二压缩机15。经过空气滤清器17，再经由分别对应于第一压缩机14和第二压缩机15的第一增压空气气道18和第二增压空气气道19将增压空气16输送给增压空气冷却器20。这时形成的增压空气流21在形成于增压空气冷却器20内的空气集流室22中汇集在一起，该空气集流室设计成增压空气流21的集流部23，从该集流部起增压空气流汇集在一起并流入内燃机1的进气管24。在空气集流室22中设有一可从外部控制的阀25，该阀设计成阻风门26。通过未示出的电子控制装置、尤其是通过内燃机1的发动机控制单元对该阻风门进行控制，通过未示出的执行器来操纵该阻风门26。该阻风门26可阻断、开放或部分开放增压空气流21中的任一个，或者同时开放两个增压空气流21。
在内燃机1运行中，例如在低负荷和部分负荷工况下在第二排气门5关闭的情况下运行，从而仅通过第一排气门4将排气27导入第一涡轮10。可利用旁通阀13精确调节第一涡轮10的运行。在满负荷范围内或当突然存在转矩请求时，通过例如凸轮轴调节机构(未示出)接通第二排气门5，使内燃机1的排气27还通过第二排气管路7进入第二涡轮11。由此使第二压缩机15运行，同样开始朝向增压空气冷却器20——特别是集流部23——的方向输送增压空气16。阻风门26这时仍然关闭，使得第二压缩机15对抗关闭的阻风门26工作。这样可避免：由全(负荷)工作的第一压缩机14产生的增压空气压力从集流部23或进气管24与预期输送方向相反地朝向第二压缩机15流动，从而导致不希望的压降以及由其引起的内燃机1的功率损失。只有当第二压缩机15达到足够高的输送功率并且在第二增压空气气道19中形成相应的增压压力时，才会逐渐但非常迅速地打开阻风门26，使得第二压缩机15输送的增压空气16进入集流部23中、经由增压空气冷却器20输入进气管24、最终进入内燃机1的燃烧室中。这样就能更好、更平缓地启动第二压缩机15，使得设有内燃机1的车辆的驾驶员不会感受到不舒适的转矩变化。通过两个压缩机14、15逐渐、但迅速地在进气管24内增大增压压力，使得内燃机1的动力性不受损害。在此不会出现现有双涡轮增压装置的不希望的现象。对阻风门26的打开的控制要考虑到时滞或滞后以防止提前打开或在不希望的时刻关闭。所述控制尤其要考虑到在发动机控制单元(未示出)中的可读标记，该标记指示一个或多个气缸2是否已经通过相应的第二排气门5排出排气27作为排气质量流。
优选地，还考虑到进气管24内的压力，例如在未示出的节气门上游的增压空气压力。此外优选还考虑到通过压缩机14、15——尤其是通过第二压缩机15——输送的增压空气16的质量流量，或在相应的压缩机14、15下游的压力，该压力也可由上述质量流量计算出。为了使内燃机1实现协调的运行性能优选还要考虑其它运行状态，尤其是油温或者代替地考虑冷却剂温度、进气温度或这些温度的组合。这样不仅能够使内燃机1协调地运行，而且这种运行不会对内燃机1或者其部件造成不恰当的负担。这样可使得内燃机1的运行特别可靠，延长使用寿命。从正在工作的第一压缩机14过渡到辅助第一压缩机14进行工作的第二压缩机15实现了：通过由于使用阻风门26而分别输送的增压空气流21来对转矩增大进行优化。通过如上所述地有针对性地开启阻风门26，进一步改善了第二涡轮11以及不能相对转动地与其相连的第二压缩机15的起动/加速。
附图标记清单
1   内燃机
2   气缸
3   排气门
4   第一排气门
5   第二排气门
6   第一排气管路
7   第二排气管路
8   涡轮
9   排气涡轮增压器
10  第一涡轮
11  第二涡轮
12  旁路
13  旁通阀
14  第一压缩机
15  第二压缩机
16  增压空气
17  空气滤清器
18  第一增压空气气道
19  第二增压空气气道
20  增压空气冷却器
21  增压空气流
22  空气集流室
23  集流部
24  进气管
25  阀
26  阻风门
27  排气

Claims (21)

1.一种具有至少一个气缸的内燃机，所述气缸具有至少两个与排气管路相连的排气门，在所述排气管路中设有排气涡轮增压器的涡轮，所述排气涡轮增压器具有用于内燃机的增压空气的压缩机，其特征在于，在所述压缩机(14，15)的下游设有一用于所述压缩机(14，15)的增压空气流(21)的集流部(23)，在所述压缩机(14，15)中至少一个的下游、所述集流部(23)的上游设有至少一个能在外部控制的阀(25)。
2.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述阀(25)设计成阻风门(26)。
3.根据上述权利要求中任一项所述的内燃机，其特征在于，所述集流部(23)具有一空气集流室(22)，在该空气集流室中设置所述阀(25)。
4.根据上述权利要求中任一项所述的内燃机，其特征在于，在所述空气集流室(22)内设有设计成阻风门(26)的阀(25)。
5.根据上述权利要求中任一项所述的内燃机，其特征在于，所述设计成阻风门(26)的阀(25)在所述空气集流室(22)中布置成，能选择阻断或节流来自一个压缩机(14，15)的增压空气流(21)，阻断或节流来自另一个压缩机(14，15)的增压空气流(21)，或释放所述两个增压空气流(21)。
6.根据上述权利要求中任一项所述的内燃机，其特征在于，在所述压缩机(14，15)中的至少一个后设有增压空气冷却器(20)。
7.根据上述权利要求中任一项所述的内燃机，其特征在于，在所述压缩机(14，15)后设有一共用的增压空气冷却器(20)。
8.根据上述权利要求中任一项所述的内燃机，其特征在于，所述阀(25)与所述增压空气冷却器(20)形成结构单元。
9.根据上述权利要求中任一项所述的内燃机，其特征在于，至少一个排气管路(6，7)具有用于所述涡轮(10，11)的旁路(12)，所述旁路优选能由一旁通阀(13)调节。
10.根据上述权利要求中任一项所述的内燃机，其特征在于，所述旁路(12)桥接第一排气管路(6)的第一涡轮(10)，所述第一排气管路对应于第一排气门(4)。
11.一种用于运行特别是根据上述权利要求中一项或多项所述的内燃机的方法，所述内燃机具有至少一个气缸，所述气缸具有至少两个与排气管路相连的排气门，在所述排气管路中设有排气涡轮增压器的涡轮，所述排气涡轮增压器具有用于内燃机的增压空气的压缩机，其特征在于，在所述压缩机下游使所述压缩机的增压空气流汇集，至少在所述压缩机中的一个的下游、在集流部的上游能够对所述增压空气流中的至少一个进行能从外部控制的阻断或节流。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，从外部对阀的控制通过软件功能——尤其是内燃机的发动机控制单元的软件功能——进行。
13.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述软件功能考虑到内燃机的仅一个或多个排气门的打开。
14.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述软件功能考虑到进气系统内的增压空气压力，尤其是节气门前的增压空气压力。
15.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述软件功能考虑到经过至少一个涡轮的排气质量流和/或在所述压缩机中的至少一个后的增压空气压力。
16.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述软件功能考虑到油温和/或冷却剂温度、进气温度和/或增压空气温度。
17.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述软件功能考虑到由内燃机的发动机控制单元提供的——特别是上述的——参数。
18.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述软件功能考虑到在驱控阀时的时滞或滞后。
19.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述软件功能对旁路的打开或关闭——尤其是旁通阀的驱控——进行控制。
20.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，根据每气缸是打开一个排气门还是打开两个排气门来进行对旁通阀的驱控。
21.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，根据将被施加到排气涡轮增压器的涡轮上的、向排气管路中的排气排出量进行对旁通阀的驱控。
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