CN101743390A - 内燃机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种内燃机，特别是汽油机，该内燃机具有废气涡轮增压器和机械增压器(16)，其中，在燃烧用空气的空气通道里在机械增压器(16)上游布置有废气涡轮增压器的压缩机(12)。在这里废气涡轮增压器的压缩机(12)被这样布置在燃烧用空气的空气通道内，即废气涡轮增压器的压缩机(12)直接从空气滤清器(28)抽吸燃烧用空气，其中，在废气涡轮增压器的压缩机(12)下游以及在机械增压器(16)上游布置有第一增压空气冷却器(14)，并且在机械增压器(16)下游布置有第二增压空气冷却器(22)，其中，第一增压空气冷却器(14)、第二增压空气冷却器(22)、机械增压器(16)以及进气管(34)被布置在唯一的一个增压空气冷却模块内，其中，在内燃机的燃烧室内设置有燃料直喷装置用于供给燃料。

Description

内燃机
本发明涉及一种内燃机，特别是汽油机，该内燃机具有废气涡轮增压器和机械增压器，其中，依据权利要求1的前序部分，废气涡轮增压器的压缩机在机械增压器上游布置在用于燃烧用空气的空气通道内。
例如从US 4 903 488公知通过一个机械增压器(ML)和一个废气涡轮增压器(ATL)对汽油机的组合增压，并且提供了显著地扩大其特性曲线族的可能性。此外可以通过机械增压器在低转速区域的自发的反应特性避免所谓的增压盲区，并且因此ATL被设计用于高转速区域和额定功率区域。由于具有很宽的可用的扭矩高原，可以使用更长的变速器传动比，这被称为低速化，它可以与通过所谓的小型化实现的负荷点位移一起实现相对于传统发动机的显著的燃料消耗节省。利用这一技术在连续边缘条件下也可以实现最大平均有效压力的升高(从22bar到大约24bar)以及比功率的升高(从90kW/l到大约100kW/l)，以便通过进一步的小型化实现更多的油耗节省潜力。然而为了真正获得重要的改善，还需要技术突破。
然而前述内燃机的以下缺点阻碍了平均有效压力和比功率的显著升高以及因此阻碍了小型化程度。由于封装原因，在ATL压缩机上游和下游需要很长的空气通道。因为机械增压器是第一增压装置，在进气管压力升高和扭矩建立上游，包括风冷的增压空气冷却器在内的一个很大的空间必须被充满。这降低了反应特性方面的潜力，从而在进一步的高增压时产生了明显的动作延迟。在进气路程很长时产生的ATL压缩机上游的很高的进气压力损失在高增压时对ATL的效率有特别不利的影响，这减小了ATL的可能的工作范围以及因此减小了发动机的工作范围。压缩机特性曲线族内的工作点在下限扭矩区域非常靠近压缩机喘振边界，这阻碍了低转速区域内的进一步的显著的扭矩升高。喘振边界的限制还阻碍了对为了额定功率的进一步的明显提升所必需的更大的压缩机的使用。进一步的功率升高需要额外的构件保护措施，例如阻碍更少的燃料消耗并使得小型化的根本优点丧失的混合气变浓。进一步的扭矩升高需要机械增压器的更高的压力比和更长的接通时间，这同样减少了可获得的油耗降低。要导出的热量或者冷却能力过度地增加，这需要很大的冷却器有效散热表面。
从DE 199 28 523 A1公知一种具有ATL和压气机的内燃机，其中，ATL压缩机在气流方向上被布置机械增压器之前。
本发明的任务在于，在内燃机上通过高增压实现很强的以降低燃料消耗为目的的小型化。
该任务依据本发明通过具有在权利要求1中说明的特征的上述种类的内燃机得以解决。本发明的有利的结构类型在其他的权利要求中得以说明。
为此在上述种类的内燃机中依据本发明规定，废气涡轮增压器的压缩机被这样布置在用于燃烧用空气的空气通道内，即废气涡轮增压器的压缩机直接从空气滤清器抽吸燃烧用空气，其中，在废气涡轮增压器的压缩机的下游以及机械增压器上游布置有第一增压空气冷却器，并且在机械增压器下游布置有第二增压空气冷却器，其中，第一增压空气冷却器、第二增压空气冷却器、机械增压器以及进气管被布置在唯一的一个增压空气冷却模块内，其中，在内燃机的燃烧室内设置有燃料直喷装置用于供给燃料。
其优点在于，依据本发明的所有特征的组合产生了最佳协同作用，该协同作用将以下单独的优点组合利用，由此产生了出人意料的技术突破：ATL压缩机从周围环境吸入未增压的空气，因此压缩机体积流量在质量流量不变的情况下增加，并且在下限扭矩区域内的危险的工作点离开喘振边界。压缩机效率增加，这不但改善了ATL的反应特性和加速特性，而且提高了可实现的下限扭矩。此外由于对喘振边界问题的解决可以使用更大的压缩机，这是获得更高的比功率的前提。作为体积流输送装置的机械增压器由于被ATL预压缩的空气可以供给尽可能高的质量流量。以这种方式可以以非常好的反应特性实现非常高的气缸充气系数。对于同样的发动机扭矩，机械增压器的驱动功率下降，这意味着扭矩的增加或者扭矩不变时油耗的降低。ATL压缩机之前的更小的进气压力损失由此产生，即ATL压缩机直接从空气滤清器抽吸空气并因此在ATL压缩机之前只有很短的空气路径。通过借助于中间冷却的对增压空气的冷却将机械增压器的热负荷降到了最低。要排出的全部热量相对于不带中间冷却的解决方案得到了减少，从而所需要的冷却器散热面积即使在功率升高时也不会增加很多。从中间冷却器进入机械驱动的压气机以及从该压气机进入进气管的很短的空气路径通过增压空气冷却模块形式的整体结构来实现，其将第一增压空气冷却器、机械增压器、第二增压空气冷却器和进气管集成在一个模块中。通过直接喷射可以利用通过燃料蒸发实现内部冷却作用，并因此降低了发动机的爆震趋势。以这种方式在高增压时也可以实现相对较高的压缩比，这是更小的部分负荷消耗的必需的前提。可以在单位扭矩为大约235Nm/l时获得在24-28bar范围内的平均有效压力，以及在95-125kW/l范围内的和甚至超过130kW/l的比功率。
为了实现机械增压器和进气通道之间的优选小于3升(3000ccm)的体积，第一和/或第二增压空气冷却器被构成为水冷的增压空气冷却器。
机械增压器和进气管符合目的地被这样布置和构成，即在用于燃烧用空气的空气通道内机械增压器和进气通道之间的体积小于3升。
根据内燃机的安装位置或者结构空间关系，从空气滤清器抽吸空气的废气涡轮增压器可以被布置在内燃机的与增压空气冷却模块相对的一侧或者相同的一侧。在相对布置的情况下，废气涡轮增压器优选被布置在测地学上的上方或者较高的靠近气缸盖的位置上，由此产生了离开废气涡轮增压器的增压空气与进入第一增压空气冷却器的入口的很短的连接。
在增压空气冷却模块和废气涡轮增压器位于同侧的布置中，压缩器的出口与进入第一增压空气冷却器的入口之间的流动连接可以被进一步缩短。
当在本发明的范围内说到废气涡轮增压器直接从空气滤清器抽吸燃烧用空气时，这意味着，空气滤清器和废气涡轮增压器的压缩机入口之间的流动连接被设计得尽量短。进气路程的延长意味着流动损失和反应特性变坏。
可选择的额外具有的外部废气再循环(AGR)在保持空气系数为1的情况下，也就是在内燃机尽可能地以化学计量比空燃比工作时，并且利用受控的三元催化器在部分负荷时提供了这样的可能性，即通过发动机的减少节流节省换气功并因此降低燃料消耗。在增压装置高负荷时，废气温度可以通过冷却的外部AGR由于气缸内的更大的充气质量得到降低，并因此为了保护构件降低了混合气变浓的要求。
下面本发明借助于附图得到进一步说明。其中：
图1在透视视图中示出依据本发明的内燃机的优选的实施方式；
图2示出具有低压AGR的依据本发明的内燃机的一种作为替代的优选的实施方式的示意图，以及
图3示出具有高压AGR的依据本发明的内燃机的一种作为替代的优选的实施方式的示意图。
在图1中示出的依据本发明的内燃机的第一优选实施方式包括气缸体10、废气涡轮增压器的压缩机12、增压空气管13、第一增压空气冷却器14、机械增压器16、用于机械增压器16的在其中设有节气阀20的旁通管道18以及第二增压空气冷却器22。第一增压空气冷却器14、机械增压器16、旁通管道18、第二增压空气冷却器22以及在图1中不可见的进气管被集成在一个增压空气冷却模块中，由此在这些部件之间形成了特别短的燃烧用空气的空气通道路程。
带有外部废气再循环(AGR)的这样的内燃机的示意图在图2中示出。功能相同的部分被标注以与图1中相同的附图标记，从而为了说明参考了以上图1中的描述。除了可以从图1中清楚看到的构件以外，该内燃机在燃烧用空气通道内还包括用于燃烧用空气26的入口24、空气滤清器28、绕过压缩机12的分流阀30、节气门32以及进气管34。
该内燃机在废气通道内包括排气弯管36、废气涡轮增压器的涡轮38、绕过涡轮38的废气门40、废气催化器42、用于废气46的出口44以及带有AGR冷却器50和AGR阀52的低压AGR管路48，该管路从催化器42下游的废气通道处分支，并在压缩机12上游汇入到燃烧用空气通道内。
机械增压器16通过磁离合器54与内燃机的曲轴56相连。
在依据图3的作为替代的实施方式中，功能相同的部分被标注以与图1和图2中相同的附图标记，从而为了说明参考了以上图1和图2中的描述。设置有高压AGR管路58，替代了依据图2的实施方式中的低压AGR管路。该高压AGR管路58从排气弯管36处分支并汇入进气管34。
依据本发明的对以下特征的组合：
(a)在压缩机12下游设置机械增压器16；
(b)通过压缩机12直接布置在空气滤清器28下游，使得压缩机12之前的空气路径非常短；
(c)在第一增压空气冷却器14上借助于中间冷却使增压空气26再冷却；
(d)通过将第一增压空气冷却器14、机械增压器16、第二增压空气冷却器22以及进气管34集成到唯一的一个增压空气冷却模块中，使得从第一增压空气冷却器14到机械增压器或机械驱动的压气机16，以及从机械增压器16到吸气管34形成很短的空气路径；
(e)直接喷射，以及
(f)可选择的AGR
令人惊讶地获得了特性曲线族区域的扩大、更高的小型化程度以及更强的油耗降低。令人惊讶地获得了超过30bar的平均有效压力和超过130kW/l的比功率，而不会出现在传统的内燃机上出现的上述限制。
在图1中以箭头64a至64g表示燃烧用空气的流动路线，其中，节气阀20被关闭，从而燃烧用空气经过机械增压器16沿着所有的箭头64a至64g流动。当节气阀20开启时，压气机16(箭头64e和64f)被绕过。如可以直接清楚地看到的那样，两个增压空气冷却器14和22虽然被直接并排布置，但是不存在从一个增压空气冷却器到另一个增压空气冷却器的直接的引导气流的连接，而是只有一个或者经过旁通管道18、或者经过机械增压器16的连接。两个增压空气冷却器14和22被构成为水冷的增压空气冷却器，并且具有共同的水冷却回路。该水冷却回路通过被集成在增压空气冷却模块内。
在上述所有实施方式中可以选择，利用旁路66绕过第二增压空气冷却器22，其中，在旁路中布置有开关阀68。对第二增压空气冷却器22的旁通优选在节气阀20开启时发生，因此压气机被绕过，并且单独的一个增压空气冷却器，也就是第一增压空气冷却器14，可以负责对增压空气的足够的冷却。于是有利地消除了第二增压空气冷却器22的流动损失和节流损失。
增压空气冷却器的设计参数优选如下：
  2000转/分的爬坡行驶   Vmax
  车辆速度(km/h)   37   240
  发动机空气质量流量(kg/h)   250   630
  外界温度(℃)   30   40
  进气温度(℃)   45   45
  第一增压空气冷却器14入口的增压空气温度(℃)   120-160   145-205
  第一增压空气冷却器14出口的增压空气温度(℃)   35-65   100-140
  第二增压空气冷却器22入口的增压空气温度(℃)   120-150   100-140
  第二增压空气冷却器22出口的增压空气温度(℃) 25-55 35-65
通过布置进入第一增压空气冷却器14的空气导入位置60，在图1中可以看出在后端面的右方，不再需要用于改善增压空气的均匀分配的冷却器格栅上的特别的措施。由于增压空气的空气导入位置和空气导出位置60和62的成对角线相对的位置，获得了冷却器格板上的增压空气的均匀分配。第二增压空气冷却器22的冷却器格板上的增压空气的均匀分配由进气通道的位置强制获得，因为这些进气通道交替地沿着整个冷却器格栅宽度接收空气，并输入内燃机的单个气缸中。

Claims (6)

1.内燃机，特别是汽油机，具有废气涡轮增压器和机械增压器(16)，其中，在燃烧用空气的空气通道里在机械增压器(16)上游布置有所述废气涡轮增压器的压缩机(12)，其特征在于，所述废气涡轮增压器的所述压缩机(12)被这样布置在燃烧用空气的空气通道内，即所述废气涡轮增压器的所述压缩机(12)直接从空气滤清器(28)抽吸燃烧用空气，其中，在所述废气涡轮增压器的所述压缩机(12)下游并在所述机械增压器(16)上游布置有第一增压空气冷却器(14)，并且在所述机械增压器(16)下游布置有第二增压空气冷却器(22)，其中，所述第一增压空气冷却器(14)、所述第二增压空气冷却器(22)、所述机械增压器(16)以及进气管(34)被布置在唯一的一个增压空气冷却模块内，其中，在所述内燃机的燃烧室内设置有燃料直喷装置用于供给燃料。
2.按权利要求1所述的内燃机，其特征在于，第一和/或第二增压空气冷却器(14、22)被构成为水冷的增压空气冷却器。
3.按权利要求1或2所述的内燃机，其特征在于，所述机械增压器(16)和所述进气管(34)被这样布置以及这样构成，即在用于燃烧用空气的空气通道内所述机械增压器(16)和进气通道之间的体积小于3升。
4.按前述权利要求中一项或多项所述的内燃机，其特征在于，设置有外部的废气再循环(48；54)。
5.按前述权利要求中一项或多项所述的内燃机，其特征在于，所述废气涡轮增压器被构成为所述增压空气冷却模块的一部分。
6.按前述权利要求中一项或多项所述的内燃机，其特征在于，给所述第二增压空气冷却器(22)配有旁路(66)。
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