CN102220896A - 增压内燃机进气的装置、交通工具和增压内燃机进气的方法 - Google Patents

增压内燃机进气的装置、交通工具和增压内燃机进气的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于增压内燃机(2)进气的装置(1)，其包括：布置在新鲜空气导管(7)中的压缩机(4)；布置在废气导管(8)中的、驱动所述压缩机(4)的涡轮(5)；在所述废气导管(8)中沿废气的流动方向布置在所述涡轮(5)之后的催化器(9)。此外，该装置(1)还包括一根在所述压缩机(4)和所述内燃机(2)之间从所述新鲜空气导管(7)中分支出的冷却空气导管(12)，其中，所述冷却空气导管(12)通入在所述内燃机(2)和所述催化器(9)之间的所述废气导管(8)中并且有一膨胀阀(13)连接在所述冷却空气导管(12)中。本发明还涉及一种相应的用于增压内燃机(2)进气的方法。

Description

增压内燃机进气的装置、交通工具和增压内燃机进气的方法
技术领域
本发明涉及一种用涡轮增压器给内燃机增压进气的装置。本发明还涉及一种带有这种装置的交通工具以及一种用于增压内燃机进气的方法。
背景技术
对温度敏感的部件如涡轮增压器的涡轮或催化器不能在运行中承受任意高的废气温度。然而，常常通过消耗燃料的内燃机运行方式和/或以其它方式通过耗费的冷却方法降低废气的温度。因此，燃烧过程效率的提高通常由于必须遵守温度边界值而受到限制。
由DE 10 2007 058 964 A1已知，通过输入已冷却的二次气流降低废气导管中的温度。二次气流从新鲜空气导管或废气导管中获取、冷却并且借助压缩机压缩并且输送。由此可以根据需要输入冷却气体，并因此调节废气导管中的温度。然而，该装置较耗费并且尤其需要安装和运行另一个涡轮和压缩机。
发明内容
因此，本发明所要解决的技术问题在于，给出一种用于增压内燃机进气的装置，其使燃烧过程的效率能够提高并且同时在安装和运行时都不需要很大的技术或能量耗费。除此外，本发明的另一个技术问题是，给出一种用于增压内燃机进气的有效方法。
按本发明该技术问题通过一种用于增压内燃机进气的装置来解决。按本发明的用于增压内燃机进气的装置包括布置在新鲜空气导管中的压缩机、布置在废气导管中的、驱动压缩机的涡轮和在废气导管中沿废气的流动方向布置在涡轮之后的废气催化器。此外，该装置还包括一根在压缩机和内燃机之间从新鲜空气导管中分支出的冷却空气导管，其中，冷却空气导管在内燃机和催化器之间通入废气导管中，并且在冷却空气导管中连接有一膨胀阀。
根据本发明的一种基本思想，至少在内燃机的多种负载状态下，自然地在内燃机入口和出口之间存在压差，并因此在压缩机之后的新鲜空气导管和涡轮之前或之后的废气导管之间存在压差。通过从新鲜空气导管中分支出一条支流作为冷却空气并且基本上绝热地通过膨胀阀减压，可以将所述压差有针对性地用于废气的冷却。将通过膨胀而减压到废气导管中的压力水平的冷却空气输入废气导管中，并因此使废气冷却。
虽然需要首先压缩冷却空气，但这原本就会发生，其中，待利用的压差在一定的负载状态中形成。因此，按本发明的装置可以有针对性地利用该压差，并因此充分发挥了至今未被利用的潜能。
该装置只需要配设带有膨胀阀的冷却空气导管。因此该装置的优点是，通过技术上很简单和廉价的方式实现废气的冷却。因此可以在内燃机的区域内实现更高的废气温度并因此实现有效的、节省燃料的燃烧过程，而不会使温度敏感的部件，如涡轮和催化器受到的负载过大。
按本发明的一种实施形式，冷却空气导管沿废气流动方向在涡轮之前通入废气导管中。
该实施形式的优点是，催化器和温度敏感的涡轮都可以被冷却。
按一种可选的实施形式，冷却空气导管在涡轮和催化器之间通入废气导管。
在该实施形式中，涡轮相应未被冷却，而只有催化器被冷却空气冷却。该实施形式的优点是，可用于冷却空气膨胀并因此可用于冷却该冷却空气的压差大于在涡轮之前输入冷却空气时的压差。也就是说，如果可以取消对涡轮的冷却，则可以借助该实施形式实现对催化器更有力的冷却。
也可以考虑两种实施形式相互组合，并且在涡轮之前设置冷却空气导管的第一通入口并且在涡轮和催化器之间设置第二通入口。在这种情况下，可以在冷却空气导管中设置一个相应地控制冷却空气流的三通阀。那么，根据内燃机的负载状态和冷却需求可在涡轮之前就已开始降低废气温度或也可以在催化器之前才降低废气温度。
该实施形式的优点是，可以在均匀地减轻涡轮和催化器的热负载和只非常好地减轻催化器的热负载之间选择，并因此可以特别灵活地满足当前的冷却空气需求。
膨胀阀可设计为可调节式并因此可对冷却进行调节。
冷却空气导管有利地这样设置，使得从新鲜空气导管中分支出可调节的冷却空气量，例如数量级为新鲜空气导管容量的5％至10％。在冷却空气达到这种量时可以实现充分的冷却效果，而不会负面地影响燃烧过程。
按一种实施形式，可以这样调整涡轮的几何尺寸及形状，使得能够调节形成新鲜空气导管和废气导管之间的预先给定的压差。尤其可以规定，通过打开和封闭涡轮叶片之间的开口改变流动横截面并因此调节废气导管中的压差。
在此，新鲜空气导管和废气导管之间的压差是指冷却空气导管的各连通口之间的压差。
按本发明的用于增压内燃机的装置可以特别有利地使用在带有汽油或柴油发动机的交通工具中。
按本发明的一方面，提供一种用于增压内燃机的方法，其中，通过布置在新鲜空气导管中的压缩机把新鲜空气输送给内燃机，并且通过一根具有驱动压缩机的涡轮的废气导管从内燃机将废气输出。从在压缩机和内燃机之间的新鲜空气导管中获取冷却空气、使之膨胀减压，之后将该冷却空气输入到在内燃机和催化器之间的废气导管中。
冷却空气可以沿废气流动方向在涡轮之前或在涡轮和催化器之间输入废气导管中。
按一种实施形式，冷却空气的膨胀基本上是绝热的。此处基本上绝热的膨胀是指，在这种膨胀中绝大部分从冷却空气中获取的热能用于膨胀并且只与周围环境交换了微不足道的热量。
按一种实施形式，可以通过调整涡轮的几何尺寸及形状调节形成新鲜空气导管和废气导管之间的预先给定的压差。
有利地从新鲜空气导管中分支出可调节的冷却空气量作为冷却空气。
按本发明的方法的优点是，使得可以在涡轮和/或催化器区域内以特别简单的方式进行废气的冷却。虽然冷却只能在新鲜空气导管和废气导管之间存在压差的运行状态中使用并且也只能在一定的范围内调节，但因为几乎不需要额外装入其他部件，所以冷却只需要很少的技术耗费。
可以取消用于冷却空气流的昂贵的热交换器或输送装置。因此该方法能够实现有限但非常有效的废气冷却。该方法可以有利地通过其它已知的用于废气冷却的方法进行补充，其中，也可以根据负载状态使用一种或多种方法。
附图说明
以下参照附图进一步阐述本发明的各种实施形式。在附图中：
图1是按本发明的第一种实施形式的用于增压内燃机进气的装置的示意图，
图2是按本发明的第二种实施形式的用于增压内燃机进气的装置的示意图。
具体实施方式
相同的部件在两个图中用相同的附图标记标注。
用于增压内燃机2进气的装置1包括一个涡轮增压器3，该涡轮增压器3带有一个压缩机4和一个通过公共轴6驱动该压缩机4的涡轮5。
压缩机4连接到一根从进气口10导引至内燃机2的新鲜空气导管7中。涡轮5连接到一根从内燃机2导引至排气口11的废气导管8中。
在压缩机4和内燃机2之间并因此沿着用箭头14表示的流动方向在压缩机4之后设有一个将一条冷却空气导管12从该新鲜空气导管7分出的分叉口15。在内燃机2和涡轮5之间并因此沿着用箭头14表示的流动方向在涡轮5之前布置冷却空气导管12的通入口16。冷却空气导管12具有可调节的膨胀阀13。
当内燃机运行时，通过压缩机4输送并且压缩新鲜空气，从而在新鲜空气导管7中的分叉口15的区域内调节形成较高的压力p1。
相反，当内燃机2处于一定的负载状态中时，在废气导管8中的通入口16的区域内调节形成较低的压力p2。该压力差Δp＝p1-p2尤其在转速低于约3000转/分时原本就会出现。然而，也可以在压缩机侧这样确保正压差，即，在整个发动机转速的范围内调节冷却空气量。
使用压差Δp以通过膨胀阀13基本上绝热地降低冷却空气的压力并因此冷却该冷却空气。以这种方式冷却的冷却空气在通入口16的区域内输入废气导管8中并且使得废气的温度下降。因此，当出于效率方面的考虑在内燃机2中实现了较高的燃烧温度时，尤其是涡轮5的叶片和催化器9这些部件也不会热负载过大。
图2示出按第二种实施形式的用于增压内燃机2进气的装置1。该实施形式与图1中所示的第一种实施形式的区别在于，冷却空气导管12通入废气导管8中的通入口16沿箭头14表示的流动方向布置在涡轮5之后，但在催化器9之前。
按第二种实施形式，冷却空气在涡轮5之后才输入废气导管中，因此冷却空气只冷却催化器9，但不冷却涡轮5。在该第二种实施形式中，在通入口16的区域内调节形成通常低于p2的压力p3。因此，在按第二种实施形式的装置1中可用于冷却空气膨胀减压并因此可用于冷却该冷却空气的压差Δp＝p1-p3大于在按第一种实施形式的装置1中的压差Δp＝p1-p2。所以，在通入口16区域内的冷却空气具有比第一种实施形式中通入口16区域内的冷却空气更低的温度。
通过按第二种实施形式的装置1可以通过取消冷却涡轮5而实现特别好地冷却催化器9。
附图标记清单
1装置
2内燃机
3涡轮增压器
4压缩机
5涡轮
6轴
7新鲜空气导管
8废气导管
9催化器
10进气口
11排气口
12冷却空气导管
13膨胀阀
14箭头
15分叉口
16通入口

Claims (14)

1.一种用于增压内燃机(2)进气的装置(1)，其包括：
-一个布置在新鲜空气导管(7)中的压缩机(4)；
-一个布置在废气导管(8)中的、驱动所述压缩机(4)的涡轮(5)；
-一个在所述废气导管(8)中沿废气的流动方向布置在所述涡轮(5)之后的催化器(9)；
-一根在所述压缩机(4)和所述内燃机(2)之间从所述新鲜空气导管(7)中分支出的冷却空气导管(12)，其中，所述冷却空气导管(12)通入在所述内燃机(2)和所述催化器(9)之间的所述废气导管(8)中，并且一膨胀阀(13)连接在所述冷却空气导管(12)中。
2.按权利要求1所述的装置(1)，其中，所述冷却空气导管(12)沿废气流动方向在所述涡轮(5)之前通入所述废气导管(8)中。
3.按权利要求1所述的装置(1)，其中，所述冷却空气导管(12)在所述涡轮(5)和所述催化器(9)之间通入所述废气导管(8)中。
4.按权利要求1所述的装置(1)，其中，所述冷却空气导管(12)具有在所述涡轮(5)之前通入所述废气导管(8)的第一支路和在所述涡轮(5)和所述催化器(9)之间通入所述废气导管(8)的第二支路。
5.按权利要求1至4之一所述的装置(1)，其中，所述膨胀阀(13)能够被调节。
6.按权利要求1至5之一所述的装置(1)，其中，这样设计所述冷却空气导管(12)，使得从所述新鲜空气导管(7)中分支出可调节的冷却空气量。
7.按权利要求1至6之一所述的装置(1)，其中，可这样调整所述涡轮(5)的几何尺寸和形状，使得能够调节形成所述新鲜空气导管(7)和所述废气导管(8)之间的预先给定的压差。
8.一种交通工具，其具有按权利要求1至7之一所述的用于增压内燃机(2)进气的装置(1)。
9.一种用于增压内燃机(2)进气的方法，其中，通过一个布置在新鲜空气导管(7)中的压缩机(4)输送新鲜空气到该内燃机，并且通过一根具有驱动所述压缩机(4)的涡轮(5)的废气导管(8)从所述内燃机输出废气，其中，从所述压缩机(4)和所述内燃机(2)之间的所述新鲜空气导管(7)中获取冷却空气、使之膨胀并且将冷却空气输入到在所述内燃机(2)和催化器(9)之间的所述废气导管(8)中。
10.按权利要求9所述的方法，其中，沿废气流动方向在所述涡轮(5)之前将所述冷却空气输入所述废气导管(8)中。
11.按权利要求9所述的方法，其中，在所述涡轮(5)和所述催化器(9)之间将所述冷却空气输入所述废气导管(8)中。
12.按权利要求9至11之一所述的方法，其中，基本上绝热地进行所述冷却空气的膨胀。
13.按权利要求9至12之一所述的方法，其中，通过调整所述涡轮(5)的几何尺寸及形状调节形成所述新鲜空气导管(7)和所述废气导管(8)之间的预先给定的压差。
14.按权利要求9至13之一所述的方法，其中，从所述新鲜空气导管(7)中分支出可调节的冷却空气量作为冷却空气。
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