CN102297041A - 具有汽缸盖和涡轮机的内燃机以及这种内燃机的运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有至少一个汽缸盖和至少一个涡轮机的内燃机以及这种内燃机的运行方法。在此内燃机中，至少一个汽缸盖包含至少一个汽缸，其中，每个汽缸均具有至少一个排气孔，并且在每个排气孔上均连接有排气导管；并且为了利用排气热焓，至少一个包含涡轮机外壳的涡轮机与至少一个排气导管相连，其中为了形成冷却器，此涡轮机外壳配备了与冷却剂外罩类似的空腔；该内燃机设置有配量装置，用来把液态的冷却剂装入空腔中以进行蒸发，其中为了形成冷却剂回路设置有排出导管和循环导管，所述排出导管用来把蒸发的冷却剂从空腔中排出，而所述循环导管则用来给配量装置提供重新液化的冷却剂。

Description

具有汽缸盖和涡轮机的内燃机以及这种内燃机的运行方法

技术领域

本发明涉及一种具有至少一个汽缸盖和至少一个涡轮机的内燃机，在此内燃机中

-此至少一个汽缸盖包含至少一个汽缸，其中每个汽缸都具有至少一个排气孔，用来把排气从汽缸中排出来，并且在每个排气孔上均连接有排气导管；并且

-为了利用排气热焓，此至少一个包含涡轮机外壳的涡轮机与至少一个排气导管相连，其中此涡轮机外壳为了形成冷却器配备了与冷却剂外罩类似的空腔。

此外，本发明还涉及一种这种内燃机的运行方法。

背景技术

上述类型的内燃机被用作汽车的驱动装置。在本发明的范畴中，内燃机这一概念包含柴油发动机和汽油发动机，并且还包含混合-内燃机，即借助混合-燃烧方法驱动的内燃机。

内燃机具有汽缸体和汽缸盖，它们彼此相连以形成至少一个汽缸(即燃烧室)。为容纳活塞或汽缸套，汽缸体具有相应数量的汽缸孔。此活塞以能够轴向活动的方式约束在汽缸套中，并与汽缸套及汽缸盖一起构成内燃机的燃烧室。

汽缸盖通常用来容纳阀门传动机构。为了控制换气，内燃机需要控制机构(即阀门)和用来操纵控制机构的操纵装置。在换气的范畴中，燃烧气体通过排气孔实现排出，而燃烧室则通过进气孔进气(即吸气)。阀门运动所需的阀门操纵机构连同阀门自身被称为阀门传动机构。

按现有技术，通向进气孔的进气通道以及连接在排气孔上的排气通道或排气导管至少局部地集成在汽缸盖上。汽缸的排气导管成组地聚集在一起，通常还聚集成唯一一个总排气导管。由各排气导管聚集成的共同的排气导管，通常被称为排气弯管，在本发明的范畴内也如此。

在所述至少一个汽缸的下游，排气通过排气导管可能传输到排气涡轮压缩机的涡轮机中，和/或传输到一个或多个排气再处理系统中。

因此，一方面努力将排气涡轮压缩机的涡轮机尽量设置在内燃机的排气口附近，以便能以这种方式最佳地利用热排气的排气热焓(排气热焓主要由排气压力和排气温度来决定)，并确保排气涡轮压缩机能够快速响应。另一方面，热排气通往不同排气再处理系统的路径也应该尽量短，从而减少冷却排气的时间，并且使排气再处理系统尺快地达到它的运行温度或反应温度，尤其在内燃机冷启动之后。

将涡轮机尽可能近地设置在发动机附近，会由于燃烧气体的高热而使得涡轮机承受极高的热负荷。在这种情况下还需注意，由于增压，此热负荷还会明显增大。因此，制造涡轮机(尤其是涡轮机外壳)需要能够承受高热的材料。

由于使用这种能够承受高热的材料(通常含镍)，这种涡轮机的制造成本非常高，尤其与采用原本优选材料(即铝)时产生的成本相比。不仅这些材料(即材料成本)会导致成本上升，而且对这种能够承受高热的材料进行加工的成本(即加工成本)也很高，这也会导致成本上升。

由此可知，如果可提供一种能够由成本较低的材料(例如铝)制成的涡轮机，则在成本方面是非常有利的。

在涡轮机的重量方面，采用铝材可能也是有利的。特别是在注意到以下情况时，即，涡轮机设置在发动机附近，这将使得外壳尺寸相对较大，而且体积庞大。由于空间狭小借助法兰和螺钉实现的涡轮机与汽缸盖的连接需要涡轮机具有较大的入口区域，而且，因为须为安装工具设计足够的空间，也需要涡轮机具有较大的入口区域。大体积的外壳相应地具有较大的重量。当涡轮机设置在发动机附近时，由于投入的材料相对较多，铝材与能够承受高热的材料相比所具有的重量优势降低得尤为明显。

按现有技术，涡轮机配备了液体冷却器，以便也能使用铝来制造涡轮机外壳。由于冷却了承受高热的涡轮机，因此可以省略用来保护邻近部件免高温影响的加热片(Hitzebleche)。

为构造液体冷却器，涡轮机外壳通常装配有冷却剂外罩，在这种情况下，此冷却剂外罩可通过内燃机的液体冷却器来供应冷却剂，例如通过将集成在汽缸盖上的冷却剂外罩与涡轮机的冷却剂外罩连接在一起的方式。例如在US 3,948,052中就描述了这种由液体来冷却的涡轮机。

EP 1 384 857 A2同样公开了一种外壳装配有冷却剂外罩的涡轮机。

由于液体(尤其是通常所用的水)特有的高热容，利用液体冷却器能够从外壳上带走大量的热量。这些热量在外壳内部传递给冷却剂，并借助冷却剂排出。传递给冷却剂的热量在换热器中再次从冷却剂中去除。

原则上存在这样的可能性，即涡轮机的液体冷却器配备有单独的换热器，或者，在由液体冷却的内燃机中，将发动机冷却器的换热器，也就是说将其它液体冷却器的换热器用于此种目的。在后一种情况中，只需要把两个回路相应地连接起来。

但在这种情况中需注意，在涡轮机中被冷却剂接收的热量可能是40kW或更多。事实证明，在换热器中要将这么多的热量从冷却剂中除去，并利用空气流排到周围环境中，是难以实现的。

现代的汽车驱动装置虽然配备了高效的风扇马达，以便在静止状态(即在汽车停止时)或者在汽车速度很低的情况下为冷却系统的换热器提供进行充分热交换所需的空气质量流量。原则上，这种风扇也能够加强换热器中的热交换。但是，对于热交换起决定作用的另一参数，亦即为热交换所提供的表面却不能制成任意大或不能够任意加大，因为汽车前端区域内通常设置有不同的换热器，因而可提供的位置有限。

除了发动机冷却器的换热器以外，现代汽车通常还具有其它的换热器，尤其是冷却装置。

在内燃机的进气侧通常设置有增压空气冷却器，以便提高汽缸新鲜进气的密度，并有利于更好地填充所述至少一个的汽缸。通常，增压的内燃机配备有增压空气冷却器。

为了保持最大允许的油温，由于热量传导和自然对流，通过机油盘进行散热通常不再足够，因此在个别情况下必须设置油冷却器。

此外，现代内燃机越来越多地配备排气再循环系统(AGR)。排气再循环是一项用来防止氮氧化物形成(形成氮氧化物需要过量空气及高温)的措施，因为排气再循环是一项降低温度的措施。

为达到显著降低氮氧化物排放的目的，需要很高的排气循环率x_AGR，由于x_AGR＝m_AGR/(m_AGR+m_Frischluft)，其数量级可以是

至70％，其中x_AGR表示引回的排气量，而m_Frischluft表示已输入且可能已被压缩的新鲜空气或增压空气量。

为了实现这个高循环率，需要强制地冷却循环的排气，即需要强制通过冷却来压缩排气，以便增大循环的排气的密度。因此，内燃机需配备额外的冷却装置以冷却待循环的排气。

可设置其它的冷却器，以便例如在自动变速箱中冷却变速器油，和/或以便冷却应用在可液压操纵的调节装置中或用来协助转向的冷却液压机液体(尤其是液压油)。空调设备的冷凝器同样也是换热器，它需在运转过程中将热量排到周围环境中，因此需要有足够大的空气流，并因此被设置在前端区域中。

由于前端区域内的空间很狭窄，并且由于换热器数量很多，所以只能有限制地考虑每个换热器的实际冷却需求。在现有技术中，换热器在汽车前端部区域内的尺寸与布局以及它们相互间的布局需要折衷考虑，因为在热交换方面，不可能将全部换热器均设计成最佳的尺寸并以理想的方式来布置。

这样的方案，即在前端区域内为涡轮机的液体冷却器设置独立的、足够大的换热器，或者，将液体冷却的内燃机的发动机冷却器的换热器设计成大尺寸，从而能够通过它们额外地将得自涡轮机中的热量排出去，是不存在的。

因此，需要其它的能够用以将在涡轮机的冷却器范围内收集到冷却剂中的热量再次从冷却剂中去除的措施，并且需要指明涡轮机的冷却器的设计方案，以便处理如此多的热量。

发明内容

基于上述情况，本发明的目的是，提供一种根据本发明(即同类型)的、在涡轮机冷却方面进行了优化的内燃机。

本发明的另一分目的是，指明一种这种内燃机的运行方法。

上述第一分目的通过一种具有至少一个汽缸盖和至少一个涡轮机的内燃机得以实现，在此内燃机中

-至少一个汽缸盖包含至少一个汽缸，其中，每个汽缸均具有至少一个排气孔，用来把排气从汽缸中排出来，并且，在每个排气孔上均连接有排气导管；并且

-为了利用排气热焓，至少一个包含涡轮机外壳的涡轮机与至少一个排气导管相连，其中，涡轮机外壳为了形成冷却器配备有与冷却剂外罩类似的空腔，

其特征在于，

-设置有配量装置，它用来把液态的冷却剂装入空腔中，以便进行蒸发，其中，为形成冷却剂回路设置有排出导管和循环导管，所述排出导管用来把蒸发的冷却剂从空腔中排出来，而所述循环导管则用来给配量装置提供重新液化的冷却剂。

为了形成按本发明的冷却器，涡轮机外壳配备有与冷却剂外罩类似的空腔，也就是说配备有与用液体冷却的涡轮机的冷却剂外罩相似或一致的空腔。液态的冷却剂是利用配量装置装入到此空腔中的。冷却剂蒸发，并因此把热量从涡轮机或涡轮机外壳中带走。排出导管和循环导管的作用是，关闭冷却剂回路。

按照本发明，所述至少一个涡轮机没有配备传统意义上的液体冷却器，而是配备了基于液态冷却剂的蒸发原理的冷却器。

在涡轮机进行冷却时采取的这种方式在各种技术效果互相补充或者以有利的方式共同作用，即协同作用方面同时具有诸多优点。一方面，在投入的冷却剂量相对较少时，涡轮机可通过冷却剂的蒸发散去大量热量。另一方面，存在于蒸气状冷却剂中的热焓(即借助于蒸发而聚集在冷却剂中的热量)可有多种不同用途。

基于此原因，内燃机的这种实施例特别有利，即在排出导管中设置能够利用蒸发的冷却剂的热焓的装置。与现有技术相反，那些在涡轮机中被冷却剂接收的热量不会未经使用就在换热器中排到周围环境中去。

相反，通过蒸发的冷却剂的压力下降和/或温度下降，被带入冷却剂中的热量变得有用并被再次利用，因此提高了内燃机的整体效率。必然随之发生的热焓降能够导致或协助蒸气状冷却剂重新液化，这种液化正是为在封闭的冷却剂回路中持续地给配量装置供应液态冷却剂所期待或者说必需的。

因此就实现了本发明的第一基本目的，即，提供一种根据本发明的对涡轮机的冷却进行了优化的内燃机。

按本发明的内燃机具有涡轮机，为利用排气热焓，该涡轮机与至少一个排气导管相连。此涡轮机可以是排气涡轮增压机的组成部分，但不必非得是排气涡轮增压机的组成部分。

虽然如此，但如下内燃机实施方式是有利的，即与至少一个排气导管相连的涡轮机是排气涡轮增压机的涡轮机。

增压首先有助于提高内燃机的功率。燃烧过程所需的空气被压缩，因此在每个工作循环中均能有更多的空气量被输入到每个汽缸中。由此可增加燃料量，并因而提高平均压力P_me。

因此，对于在排量不变的情况下增大内燃机的功率，或者在功率相同的情况下减小排量而言，增压均是一种有用手段。在相同的汽车边界条件下，综合负载(Lastkollektiv)可被推到更高的负载。内燃机的燃料消耗降低，其效率得到改善。

在排气涡轮增压机中，压缩机和涡轮机设置在同一机轴上，其中，热排气流通过排气导管输入到涡轮机中，并在此涡轮机中释出能量后降压，从而使上述机轴开始旋转。从排气流传达到涡轮机并最终传递到机轴上的能量被用于驱动同样设置在该机轴上的压缩机。此压缩机输送并压缩那些通过进气导管输入其中的增压空气，由此实现内燃机的增压目的。

与机械增压机相比，排气涡轮增压机的优点在于，在增压机和内燃机之间不存在或不需要用于传递功率的机械连接。机械增压机从内燃机中获得其驱动所需的能量，而排气涡轮增压机则利用由内燃机产生的热排气的能量，即排气热焓。

内燃机的其它有利实施例将结合各从属权利要求进行阐述。

蒸发的冷却剂的热焓可有多种不同用途，也就是说，它是可利用的，其中，余热的利用原则上是以蒸发的冷却剂的压力下降和/或温度下降为基础的。相应地，为利用冷却剂热焓所用的装置可能并不相同。

内燃机如下实施例是有利的，即在排气导管中设置活塞泵，以作为利用蒸发的冷却剂的热焓的装置。

特别是如下内燃机实施例也是有利的，即，在排气导管中设置流体机械，以作为利用蒸发的冷却剂的热焓的装置。

首先提到的活塞泵以及流体机械都是膨胀器，它们是在膨胀过程中通过压力的下降而将热量从被蒸发并通常过热的冷却剂中去除的。

这两种膨胀器适用于把从蒸气状的冷却剂中获得的能量用于其它用途，例如传递给内燃机的曲柄轴，或者用来驱动辅助机组。因此，改善了内燃机的能量平衡或效率。在燃料投入相同的情况下，提高了内燃机的功率输出或能量输出。因此，就利用结合在冷却剂中的能量，以便提高内燃机的功率输出而言，膨胀器是有用的。

活塞泵与内燃机本身一样是以间歇方式驱动的，也就是说，是按节拍地工作，并且蒸气状的冷却剂是一份一份地被输入到此活塞泵中的，与之相反，流体机械的特征在于其连续的工作方式，在这种工作方式中，蒸气状冷却剂以不中断的方式输入到流体机械中。

由于持续的穿流，流体机械具有比活塞泵更高的效率。

需注意的是，像活塞泵一样具有一个或多个活塞，但却被持续地穿流的膨胀器在本发明的范畴内不属于活塞泵，而是属于流体机械。这种膨胀器的实例是鲁茨鼓风机，鲁茨鼓风机通常具有两个活塞并被持续地穿流。

如果利用冷却剂热焓的装置是流体机械，则这样的内燃机实施例，即流体机械是蒸气涡轮机的实施例特别有利。

由于持续地穿流，涡轮机一方面具有相对较高的效率。另一方面，可应用能单独加装的涡轮机，以用于以各种不同方式制成的汽车结构。此外，对于这种膨胀器在内燃机中的应用已有足够的认知。

此外，涡轮机的轴可以简单与内燃机用于功率传递的的曲柄轴相连接或者与用来驱动例如辅助机组的牵引工具相耦合，。

基于此原因，如下内燃机实施例是有利的，即，充当利用冷却剂热焓的装置的涡轮机与曲柄轴连接在或者能够连接在一起(必要时在两者中间连接耦合器)，以便传递功率。

这样的内燃机实施例是有利的，即，在排出导管中设置换热器，用以充当利用蒸发的冷却剂的热焓的装置。

与膨胀器相反，换热器是通过热交换把热量从蒸发的冷却剂中带走的，这首先在冷却剂中引起温度下降，然后才间接地导致压力下降。从冷却剂中带走的热量可被赋予其它作业液体，例如，在冷启动之后赋予发动机油以用来缩短热运转阶段，或者也可以用来加热空气流。

如下内燃机实施例是有利的，即，冷却剂回路配备有用于使冷却剂液化的冷凝器。

事实上，涡轮机的冷却器是封闭的冷却剂回路，并且由于配量装置要提供液体状的冷却剂，因此必须在配量装置的上游将蒸发的冷却剂彻底液化，这就可能在个别情况下需要为冷却剂回来装配冷凝器。

因此，如果在利用冷却剂热焓的装置中，冷却剂的压力下降和/或温度下降不够大，不能使蒸气状的冷却剂完全液化，或不能确保冷却剂在进入配量装置之时处于液化状，则冷凝器总是必需的。

在这种情况下需要注意的是，在膨胀器中使蒸发的冷却剂(即便只是部分地)液化，有可能是不利的。如果蒸气状的冷却剂再次转换成流体的物态，则它的体积会骤然缩小，从而可能会导致活塞泵或涡轮机承受过高的机械负荷，还有可能引起不可修复的损坏，并损坏膨胀器。

就此而言，如果被蒸发的过热冷却剂基本上仍以蒸气状态离开膨胀器，并且设置在循环导管下游的冷凝器在冷却剂进入配量装置之前再次将其转换成液体状，则是有利的。

如下内燃机实施例是有利的，即，配量装置具有喷射装置。借助喷射将燃料装入，是极其有利的。液态的燃料在喷射过程中被喷成或细或粗(视喷射压力而定)的雾状，因此形成冷却剂雾，而且明显增大了冷却剂表面。冷却剂小液滴在与空腔的内壁接触时至少部分地蒸发。因而从涡轮机外壳中带走蒸发热量，从而降低外壳温度。

在这种情况下，如下内燃机实施例是有利的，即，喷射装置具有至少一个喷嘴。

这样的内燃机实施例是有利的，即，涡轮机外壳至少局部由铝制成。与采用平常材料相比，这会带来成本优势。此外，使用铝来制造涡轮机外壳还会使重量更轻。

由于按本发明的冷却器的冷却功率较高，所以可完全或至少部分地不用能够承受高热的材料来制造涡轮机或涡轮机外壳。按本发明，并不需要使用(或者可明显少用)高成本(通常含镍)的材料。

如下内燃机实施例是有利的，即，涡轮机外壳是铸造件，即外壳的坯件可能需要后续加工。外壳的这种制造方式能够构造出有利的空腔。

这样的内燃机实施例是有利的，即，至少一个汽缸盖具有至少一个集成的冷却剂外罩，用来形成液体冷却器。

此液体冷却器要求汽缸盖配备有冷却剂外罩，也就是用来将冷却剂引导通过汽缸盖的冷却剂通道。热量在汽缸盖的内部即已传递给冷却剂。在这种情况下，冷却剂是借助设置在冷却剂回路中的泵进行输送的，因此它在冷却剂外罩中循环。在换热器中。传递给冷却剂的热量再次从冷却剂中被带走。

与空气冷却器相比，借助液体冷却器可排出明显更多的热量。通过对液体冷却器以及冷却功率进行相应的设计，汽缸盖可以完全或至少局部地由铝制成，这与使用耐高温的奥氏体钢相比具有成本优势。此外，用铝来制造汽缸盖还可使重量更轻。

汽缸盖的液体冷却器尤其适用于增压的内燃机，这种内燃机由于排气温度较高需要进行有效且理想的冷却。

此外，有效的液体冷却器还可避免内燃机承受过多的热负荷，而无需添加润滑脂(λ＜1)来降低排气温度。添加润滑脂时，注入的燃料多于提供的空气量实际所能烧尽的燃料。过量的燃料同样会被加热并蒸发，从而降低燃料气体的温度。这种做法在燃料消耗与有害物质排放方面是不利的。此外，添加润滑脂还将使内燃机不能总是以例如排气再处理系统所需的方式进行驱动。

液体冷却器还允许汽油发动机即使在高负载时也能进行化学计量的运行

此外，在提到的实施例中，即以液体冷却的内燃机中，可以利用发动机冷却器来为涡轮机冷却器供应冷却剂。

这样的内燃机实施例是有利的，即，液体冷却器与涡轮机外壳的冷却剂回路相连。

集成在汽缸盖上的冷却剂外罩可例如与涡轮机的类似于冷却剂外罩的空腔相连，其中，来自空腔的排出导管引向汽缸盖，而循环导管则从汽缸盖的冷却剂外罩中分岔出来并与配量装置相连接，以便为该配量装置供应液态冷却剂。其它的冷却剂导管可省略。

这样的内燃机实施例是有利的，即，每个汽缸盖都具有至少两个排气孔，用来把排气从汽缸中排出。在排气在换气过程中被推出时，首要的目的是尽可能快地开放尽可能大的流动横截面，以确保有效地排出排气，因此设置多于一个的排气孔是有利的。

基于相似的原因，优选设置两个或多个进气孔，以便在流入的气体流中保持较小的节流损失，并确保尽可能好地用新鲜混保物填充燃烧室。

但是这样的汽缸盖实施例也是有利的，即，每个汽缸只有一个用来把排气从汽缸中排出的排气孔。

对于具有至少两个汽缸的内燃机而言，如下实施例是有利的，即，至少两个汽缸的排气导管在汽缸盖内部构成至少一个集成排气弯管并汇聚到总排气导管中。尤其是在涡轮机被布置在发动机附近时，会产生优点。

由于集成在汽缸盖上，因而排气导管的长度减小。因此一方面使得涡轮机的上游的导管体积(即排气导管的排气容积)变小。另一方面，缩短的排气导管也会使涡轮机上游的排气系统的热学惰性更小，从而使涡轮机入口处得排气温度更高，因此，在涡轮机入口处的排气热焓会更高，并可能会使设置在涡轮机下游的排气再处理系统能够更快地达到所需的运转温度。

此外，在汽缸内将排气导管汇集起来，使得传动单元能够紧密地封装。

如果内燃机的至少两个汽缸具有两个或多个排气孔，则如下内燃机实施例是有利的，即，在至少两个汽缸的排气分管汇集成一个总排气导管之前，每个汽缸的至少两个排气孔的排气导管首先汇聚成一个属于汽缸的排气分管。

由此就缩短了全部排气导管的总路径。另外，排气导管逐级地汇集成一个总排气导管有利于使汽缸盖实现更紧凑(即体积更小)的结构方式，因此尤其有利于减轻重量，并在电机室内实现更有效的封装。

涡轮机可配备有可变化的涡轮机几何形状，通过对涡轮机几何形状或有效的涡轮机横截面进行调整，能够使其尽量适配内燃机的相应运转点。在这种情况下，涡轮机的入口区域设置有用来影响流动方向的导向叶片。与环形工作轮的导向叶片相反，此导向叶片不会随着涡轮机的机轴旋转。

如果涡轮机具有固定不变的几何形状，则导向叶片不仅是静止的，而且还完全不能活动地设置(即刚性地固定)在入口区域中。相反，如果涡轮机具有可变化的几何形状，则导向叶片虽然是静止的，但不是完全不能活动，而是可围绕着它的轴线旋转，因此可影响导向叶片的环流。

涡轮机为轴流式涡轮机或者径流式涡轮机的实施例，都是有利的。

涡轮机也可以是指叉流式涡轮机。叉流式涡轮机包含带两个进入通道的入口区域，其中，两个排气导管与叉流式涡轮机以这样的方式相连，即排气导管分别通到进入通道中。

第二分目的，即上述类型之一的内燃机的运行方法是通过具有如下特征的方法得以实现的，

-液态的冷却剂借助配量装置装入空腔中；

-装入的冷却剂被蒸发，因此把热量从涡轮机外壳中带走；并且

-蒸发的冷却剂通过排出导管排出。

对按本发明的内燃机所作的说明也适用于按本发明的方法，因此，这里请参考以上就各内燃机所作的详细解释。

与内燃机的不同实施例相应地可有不同的方法变例。

如下方法变例尤其有利，即借助设置在排出导管中的装置来利用蒸发的冷却剂的热焓。在冷却过程中带走的热量在一定程度上是以温度上升和压力上升的形式存储在冷却剂中的。上述装置用来回收收集在冷却剂中的能量。

这样的方法变例也特别有利，即，通过喷射的方式将液态冷却剂装入空腔中。

如下方法变例尤其有利，即，采用那些蒸发热焓高得出众的冷却剂。

附图说明

下面通过三个由图1至3所示的实施例对本发明进行详细阐述。其中：

图1示意性地示出了内燃机的第一实施例；

图2示意性地示出了内燃机的第二实施例；以及

图3示意性地示出了内燃机的第三实施例。

参考标记清单

1内燃机

2汽缸盖

3汽缸

4进气导管

5排气导管

6排气涡轮增压机

6a涡轮机

6b压缩机

7增压空气冷却器

8涡轮机外壳

9涡轮机冷却器

10冷却剂回路

11配量装置

12排出导管

13循环导管

14用来利用蒸发的冷却剂的热焓的装置

15膨胀器

16活塞泵

17蒸气涡轮机

18冷凝器

19换热器

kW千瓦

具体实施方式

图1示意性地示出了内燃机1的第一实施例。图1所示的实施例是三缸-直列发动机1，其中，三个汽缸3沿着汽缸盖2的纵轴，即以顺序排列的方式布置。为排出热的燃烧气体设置有排气导管5，并且为给汽缸3供应新鲜空气或新鲜混合物，设置有进气导管4。

内燃机1出于增压目的配备有排气涡轮增压机6，其中，涡轮机6a设置在排气导管5中，而压缩机6b则设置在进气导管4中。输入到汽缸3中的新鲜空气在压缩机6b中被压缩，为此，涡轮机6a中的排气流的热焓得到利用。这种增压提高了内燃机1的热负荷。

在压缩机6b的下游，一增压空气冷却器7被布置在进气导管4中，用以降低压缩的增压空气的温度。这种方式提高了空气了密度，因此实现了使汽缸3更好地充气的目的。

排气涡轮压缩机6的涡轮6a具有涡轮机外壳8，为了形成冷却器9，涡轮机外壳8配备有与冷却剂外罩类似的空腔(通过波浪线表示)。此冷却器9用来保护涡轮机6a以免其过热，并且因此能够尽可能省却耐高温的材料，尽管增压的内燃机1的排气温度很高。

冷却器9构造成封闭的冷却剂回路10。为了冷却涡轮机6a，利用配量装置11将液体状冷却剂引入到集成在外壳8内的空腔中。冷却剂蒸发，因而把热量从外壳8中带走。蒸发的冷却剂则通过排出导管12从空腔中排出。冷却剂在液化后，通过循环导管13被提拱给配量装置11，并被重新引入空腔中。

为了利用蒸发的冷却剂的热焓，在排出导管12中设置有装置14。在图1所示的实施例中设置有蒸气涡轮机17，即膨胀器15作为利用冷却剂热焓的装置14。

由于持续的穿流，涡轮机17具有很高的效率，并且，为了实现功率输出，它可以简单的方式与曲柄轴相连，并与牵引工具传动装置相耦合(未示出)。

在涡轮机17的下游，冷凝器18设置在冷却剂回路10中，以便使冷却剂彻底液化。使蒸发的冷却剂离开涡轮机17时基本上仍然处于蒸气状态是有利的，这是因为蒸气状的冷却剂在过渡到液态时，其体积会骤然缩小，从而可能会损坏涡轮机17。

图2示意性地示出了内燃机1的第二实施例。在此只讨论与图1所示实施例的不同之处，因此其它的请参照图1及相应描述。相同的零件使用了相同的附图标记。

与图1所示的实施例不同的是，在图2所示的内燃机1中，在排出导管12中设置了活塞泵16以作为利用蒸发的冷却剂的热焓的装置14。

如同图1所示实施例的蒸气涡轮机一样，活塞泵16也是膨胀器15，它通过在膨胀过程中的压力下降而将能量从蒸发的冷却剂中带走。但是，与蒸气涡轮机相反，活塞泵16是利用活塞的振动式往复运动(通过双箭头来表示)而以间歇方式工作的。

图3示意性地示出了内燃机1的第三实施例。在此只讨论与图1所示实施例的不同之处，因此其它的请参照图1及相应描述。相同的零件使用了相同的参考标记。

与图1所示的实施例不同的是，在图3所示的内燃机1中，在排出导管12中设置有换热器19以作为利用蒸发的冷却剂的热焓的装置14。

与膨胀器相反，换热器19通过热量抽离

来利用结合在蒸发的冷却剂中的热量，这会使冷却剂的温度下降。从冷却剂中抽离的热量可有多种不同用途，例如在冷启动之后用来加热机油。

用来液化的冷凝器不是必需的，因为冷却剂能够完全(即彻底地)在换热器19中被液化。

Claims (14)

1.一种具有至少一个汽缸盖(2)和至少一个涡轮机(6a)的内燃机(1)，在此内燃机中

-所述至少一个汽缸盖(2)包含至少一个汽缸(3)，其中每个汽缸(3)都具有至少一个排气孔，用来把排气从汽缸(3)中排出来，并且在每个排气孔上均连接有排气导管(5)；并且

-为利用排气热焓，至少一个包含涡轮机外壳(8)的涡轮机(6a)与至少一个排气导管(5)相连，其中，为形成冷却器(9)，此涡轮机外壳(8)配备有与冷却剂外罩类似的空腔，

其特征在于，

-设置有配量装置(11)，该配量装置(11)用来把液态的冷却剂装入空腔中，以便进行蒸发，其中，为了形成冷却剂回路(10)设置有排出导管(12)和循环导管(13)，所述排出导管(12)用来把蒸发的冷却剂从空腔中排出来，所述循环导管(13)则用来给配量装置(11)提供重新液化的冷却剂。

2.按权利要求1所述的内燃机(1)，其特征在于，在所述排出导管(12)中设置有用来利用蒸发的冷却剂的热焓的装置(14)。

3.按权利要求2所述的内燃机(1)，其特征在于，在所述排气导管(12)中设置有活塞泵(16)作为利用蒸发的冷却剂的热焓的装置(14)。

4.按权利要求2所述的内燃机(1)，其特征在于，在所述排气导管(12)中设置有流体机械作为利用蒸发的冷却剂的热焓的装置(14)。

5.按权利要求4所述的内燃机(1)，其特征在于，在所述排气导管(12)中设置有蒸气涡轮机(17)作为流体机械。

6.按权利要求2所述的内燃机(1)，其特征在于，在所述排气导管(12)中设置有换热器(19)作为利用蒸发的冷却剂的热焓的装置(14)。

7.按上述权利要求之任一项所述的内燃机(1)，其特征在于，所述冷却剂回路(10)配备有使冷却剂液化的冷凝器(18)。

8.按上述权利要求之任一项所述的内燃机(1)，其特征在于，所述配量装置(11)具有喷射装置。

9.按权利要求8所述的内燃机(1)，其特征在于，所述喷射装置具有至少一个喷嘴。

10.按上述权利要求之任一项所述的内燃机(1)，其特征在于，所述涡轮机外壳(8)至少部分是由铝制成的。

11.按上述权利要求之任一项所述的内燃机(1)，其特征在于，所述至少一个汽缸盖(2)具有至少一个集成的冷却剂外罩，以用于形成液体冷却器。

12.按权利要求11所述的内燃机(1)，其特征在于，所述液体冷却器与所述涡轮机外壳(8)的冷却剂回路(10)连接在一起。

13.一种使如上述权利要求之任一项所述的内燃机(1)运行的方法，其特征在于，

-利用所述配量装置(11)将液态的冷却剂装入空腔中；

-装入的冷却剂被蒸发，从而把热量从涡轮机外壳(8)中带走；并且

-通过排出导管(12)将蒸发的冷却剂排出。

14.按权利要求13所述的方法，其特征在于，借助设置在排出导管(12)中的装置(14)来利用蒸发的冷却剂的热焓。