CN102400773B - 具有发动机的机动车以及发动机运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有发动机(10)和进气系(14)的机动车，通过所述进气系为所述发动机(10)输入空气，在所述进气系中设有用于压缩空气的压缩机(32)，其特征在于，在所述压缩机(32)的下游在所述进气系(14)中设有涡轮(34)，该涡轮(34)能由经所述压缩机(32)压缩的空气来驱动。本发明还涉及这种发动机(10)的运行方法。

Description

具有发动机的机动车以及发动机运行方法
技术领域
本发明涉及一种权利要求1的前序部分所述类型的、具有发动机的机动车以及权利要求8的前序部分所述类型的发动机运行方法。
背景技术
JP 06200770 A公开了一种具有进气系的发动机，在该进气系中设置进气接管。在进气接管的上游设置压缩机，经由一轴能由发动机的输出轴驱动该压缩机。
JP 06081669 A公开了一种发动机，该发动机通过一输出轴和另一轴驱动一空气马达(Luftmotor)。
JP 06288250 A1公开了一种具有进气系的发动机，在该发动机中设置一包括涡轮的空气马达。该涡轮可以将流入进气系中的空气所含的能量转化成转动能，该转动能可以由一发电机转化成电能。
JP 63289219 A公开了一种具有排气涡轮增压器的柴油机，该排气涡轮增压器包括一可由柴油机的排气驱动的涡轮。通过该涡轮可驱动排气涡轮增压器的压缩机，该压缩机将用于柴油机的空气进行压缩。一气动马达与柴油机的输出轴相连接，该气动马达也可以被供给经压缩机压缩的空气的一部分。
WO2009/014488A2公开了一种具有排气涡轮增压器的发动机，该排气涡轮增压器包括可以由发动机的排气驱动的涡轮。涡轮可以驱动排气涡轮增压器的压缩机，该压缩机将用于柴油机的空气进行压缩。在此压缩机也可以由发动机的曲轴驱动。此外压缩机还通过带传动机构与一可以由该压缩机驱动的电机相连接。
这些已知的发动机还具有降低发动机运行能耗的潜力。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种具有发动机的机动车以及运行这种发动机的方法，以实现发动机的特别高效的运行。
所述目的通过根据本发明的、具有发动机的机动车以及根据本发明的发动机运行方法来实现。
本发明的第一方面涉及一种具有发动机和进气系的机动车，通过进气系给发动机输入空气，在进气系中设有用于压缩空气的压缩机。按照本发明提出，(沿空气穿过进气系的流动方向)在所述压缩机的下游在进气系中设有涡轮，该涡轮能由经压缩机压缩的空气来驱动。通过该涡轮提供一所谓的冷空气涡轮(Kaltluftturbine)，该冷空气涡轮能够在发动机运行期间回收在经压缩机压缩的空气中所含的能量，并将该能量用于驱动至少一个另外的装置和/或将其转化成电能或者用于其它用途。由此实现了发动机、进而是整车的非常高效的运行，从而降低能量需求、进而降低机动车运行的燃料消耗。这样，尤其是还使CO2排放保持很低。之所以能够如此，是因为能够或者必然利用压缩空气的能量并且不利用额外的燃料来例如驱动机动车和/或为至少一个另外的负载、例如发动机提供能量。
压缩机例如是排气涡轮增压器的组成部分，该排气涡轮增压器还包括涡轮，该涡轮可以由发动机的排气来驱动，通过该涡轮可驱动压缩机以对发动机的空气进行压缩。由此能利用排气所含能量，来通过涡轮驱动用于压缩空气的压缩机。由此可以回收另外的、否则便在不被利用的情况下作为热量排放到环境中的能量。
利用压缩机尤其能够在特别有效地利用排气所含能量的情况下将空气压缩到高于为使发动机在燃料消耗方面优化运行所需的压力水平的压力水平。换句话说，排气提供足够高的能量，从而通过涡轮和压缩机将空气压缩到这样高的压力水平。由此能特别是从排气回收很多能量。利用布置在压缩机下游的涡轮将被压缩到非常高的压力水平——也称作增压压力——的空气松驰/卸压、进而降低到相对较低的压力水平，该压力水平对于发动机特别是在燃料消耗方面的优化运行是有利的并且是希望的。然后可以利用借助涡轮进行的松驰和降压所获得的能量，从而使发动机以非常高效并且节省燃料的方式运行。
按照本发明的一种有利实施方式，所述涡轮与发电机相联接，从而可以将利用涡轮回收的能量转化成电能。因此不规定而且不需要，由发动机燃烧额外的燃料以例如通过发动机的曲轴将其转化成电能。而是可以利用为使发动机和机动车运行而本来就要提供并且燃烧的燃料，通过排气所含能量来提供电能。
按照本发明的一种有利实施方式，发电机用于驱动电机。该电机可以例如提供机动车的一种或者多种舒适性功能。这样，电机可以例如用于驱动空调的制冷剂压缩机或者类似设备。如果该机动车例如是一种除发动机外还能由至少一个电机驱动的混合动力车辆，则可以将借助涡轮获得或转化的能量用于驱动所述电机，进而驱动机动车。作为替代或补充方案，发电机还可以用于给机动车的蓄电装置、尤其是蓄电池充电。如果机动车处在例如由于不必给额外的负载提供能量而不需要所回收的能量的运行状态中，则可以将电能有利地存储起来、尤其是临时储存起来，然后可以当需要该电能并且出现机动车的相应运行状态时请求并且消耗所述电能。在该运行状态下例如需要给特别是大量的电负载供应电能，这时能够有利地利用被回收并且临时储存的能量给所述负载供电。由此还能将发动机的燃料消耗保持得更低。
同样可以毫无问题地利用如下的涡轮：其将压缩空气所含能量转化成机械能或者其它能量形式并对其加以利用和/或必要时储存在相应的蓄能装置中。
按照本发明的一种实施方式，所述涡轮布置在用于冷却压缩空气的冷却装置、尤其是增压空气冷却器的下游。由于借助压缩机对空气进行压缩而使空气升温。冷却装置可以使被压缩、进而升温的空气再冷却，从而使其具有特别高的增压度(压缩度)。这便实现了，借助涡轮从经压缩和再冷却的空气回收并且利用特别多的能量，从而给至少一个负载供给能量和/或将该能量转化成其它能量形式和/或将其储存起来。由此机动车以特别高效而且节省燃料的方式运行，这样还使得CO2排放保持很低。
按照本发明的一种特别有利的实施方式，同样可以将所述涡轮布置在用于冷却空气的冷却装置的上游。这是所述涡轮相对于冷却装置以及压缩机在技术上特别合理的布置方式，通过这种布置方式能使涡轮被压缩空气特别高效地驱动。由此能特别有利地利用和回收压缩空气所含能量，从而给至少一个负载供给该能量和/或将该能量转化成其它能量形式、尤其是电能。这进一步有助于使机动车以特别高效并且节省燃料的方式运行。
在另一种实施方式中，机动车包括用于调节驱动所述涡轮的空气的量的阀装置。这样便可以根据需要来调节驱动涡轮的空气量并使之与发动机的当前工作点/工况相匹配，从而能根据需要调节借助涡轮回收的能量的量。
借助该阀装置能够至少部分地开放或阻断例如一旁通装置的流路。这样便能在必要时使全部被压缩的空气驱动布置在进气系中的涡轮。同样也可以在必要时调节阀装置，使得只有一部分量的压缩空气驱动涡轮，另一部分量的压缩空气不驱动涡轮，而是在不由该涡轮的作用而膨胀的情况下经旁通装置绕过该涡轮流向发动机，并且流入发动机的相应燃烧室中。同样可以调节阀装置，以使涡轮完全不被施加压缩空气，至少是不被压缩空气驱动，其中全部压缩空气都在不驱动涡轮的情况下经旁通装置绕过涡轮并且被输入发动机。这种情况例如在特定工作点可能对发动机的高效运行有利。
所述阀装置例如是能够对流过涡轮的空气质量流量进行调节的、可切换的调节阀，或者是转换阀或类似的阀。
在另一实施方式中，涡轮包括能够对流过涡轮的空气质量流量进行调节的调节装置，尤其是可变涡轮几何(特征)和/或可调的滑阀。由此能在很宽的范围(Spektrum)内改变涡轮的功率并且使之适应发动机的多个不同的、其中穿过进气系的空气质量流量不同的工作点。由此能使涡轮在该范围内以非常高的效率非常高效地运行，从而使发动机、进而使整车非常高效地运行。
有利地设有用于控制或调节涡轮的控制装置，该控制装置也用于控制或调节发动机和/或该发动机的相应的喷射和燃烧过程。换句话说，可以将为调节或控制发动机而采用的发动机控制装置用于相应地控制或调节以及特别高效地运行所述涡轮。由此使机动车的零件数量、成本以及重量保持很低。减轻重量尤其是使得燃料消耗降低并且使CO2排放降低。较少的零件数量解决或避免了尤其在空间紧张的区域中、例如其中设置有机动车发动机的发动机室中的封装问题。
但也可以毫无问题地使用附加的控制装置来控制或调节涡轮，这种方案例如在维修情况下可以起到节约成本的作用。
本发明的第二方面涉及一种机动车发动机的运行方法，在所述方法中，通过进气系给发动机输入空气，利用布置在进气系中的压缩机将空气压缩。根据本发明提出，利用空气来驱动在压缩机下游布置在进气系中的涡轮。本发明第一方面的有利实施方式可被视为本发明第二方面的有利实施方式，反之亦然。本发明方法能够使发动机在CO2排放非常低的情况下以特别高效并且节省燃料的方式运行，这是因为其能够回收和利用经压缩机压缩的空气所含的能量。该能量可以被储存起来和/或被用于供应给至少一个负载。
有利地至少根据环境温度和/或压力和/或机动车的行驶状态或者说运行状态，利用至少一个相应的调节装置来调整、控制或调节穿过涡轮的空气质量流量。由此能根据需要使空气质量流量适应于发动机的当前工作点，并且能够使涡轮以特别高效并且效率最优的方式运行。
如本发明第一方面所述，例如可以将排气涡轮增压器的布置在机动车发动机排气系中的涡轮用于将发动机排气所含能量转化成机械能，并且以此驱动涡轮，然后通过涡轮驱动压缩机。排气含有特别多的能量，该能量可被用于借助压缩机将空气压缩到相应的压力水平，该压力水平高于为使发动机在燃料消耗方面优化运行所需的压力水平。由此能特别有效地利用排气并且回收相应大量的能量，这些能量否则以热量形式在未被利用的情况下被排放到环境中。此外这还在本来需要并且希望的压力水平与相对提高的压力水平之间引起特别高的压力差，从而通过使压缩空气膨胀到希望的较低压力水平来回收特别多的包含在压缩空气中的能量。利用所述特别大量的回收能量可以给至少一个电负载、用于驱动机动车的驱动装置和/或机动车的蓄能装置、尤其是蓄电池供给能量或充电。不规定并且不需要消耗额外的燃料来进行供给能量或者充电，使得尽管可能存在附加的负载、特别是电负载，仍能使发动机的燃料消耗保持很低。
本发明的其它优点、特征和细节由以下参照附图对优选实施例的说明给出。在不脱离本发明的范围的情况下，前面在描述中提到的特征和特征组合以及随后在对附图的描述中提到的和/或仅在附图中示出的特征和特征组合不仅可以按照相应给出的组合应用，而且可以按照不同的组合应用或单独地应用。
附图说明
附图如下：
图1是发动机的原理图，通过发动机的进气系将空气输入该发动机，其中，借助排气涡轮增压器的设置在进气系中的压缩机将空气压缩，其中在进气系中在压缩机下游设置冷空气涡轮，该冷空气涡轮可以由经压缩机压缩的空气驱动，通过该冷空气涡轮可驱动发电机；
图2是按照图1的原理图，其中可以利用发电机驱动一电机并且可以给蓄电池充电；
图3是两条曲线的图，这两个曲线示出按照上述图的排气涡轮增压器的压缩机功率与发动机转速的关系。
具体实施方式
图1示出具有三个气缸12的机动车发动机10。通过进气系14给发动机10输入空气，由发动机10按照方向箭头16吸入空气，所述空气首选利用设置在进气系14中的空气滤清器18净化。空气按照方向箭头20穿流过进气系14并流入气缸12，在气缸中通过燃料直喷对空气施加燃料。由此形成空气燃料混合物，该空气燃料混合物在气缸12中被点燃(火花点火或者自燃/压燃)并且燃烧。但是也可以容易地在发动机10中实施所谓的进气道喷射。在这种进气道喷射中不是将燃料直接喷入气缸12中。而是将燃料喷入到沿空气流动方向在气缸12上游布置在进气系14中的进气道或者进气模块中，从而在进气道中便形成空气燃料混合物，接着使这些至少部分预混合的空气燃料混合物流入气缸12中并进行燃烧。
由燃烧而产生发动机10排气，所述排气通过发动机10的排气系22从发动机排出。排气按照方向箭头24穿流过排气系22，并且在利用图1中未示出的排气净化装置进行净化之后被排放到环境中。
在排气系22中设置发动机10的排气涡轮增压器28的涡轮26，该涡轮被排气穿流过并且能由排气驱动。涡轮26通过轴30与排气涡轮增压器28的布置在进气系14中的压缩机32相连接。
因此，涡轮26可以通过轴30驱动压缩机32，该压缩机对输入发动机10的空气进行压缩，从而能实现发动机10的希望的转矩和功率。
为了使涡轮26、进而使排气涡轮增压器28能够高效地以效率最优的方式运行并且能够与发动机10的不同工作点相适配，涡轮26具有可变涡轮几何(VTG)。但是也可以将涡轮26设计成不具有可设定的可变涡轮几何的固定几何涡轮。
如图1所示，在进气系14中沿按照方向箭头20的空气流动方向在压缩机32下游设置冷空气涡轮，该冷空气涡轮可以由经压缩机32压缩的空气驱动。由此，可以利用冷空气涡轮34回收压缩空气中所含的能量。
冷空气涡轮34通过一轴36与发电机38相连接，该发电机可以借助冷空气涡轮34驱动，利用该发电机可以将压缩空气中所含的能量转化成电能。
为了使发动机10以特别高效而且节省燃料的方式运行，可将大量的发动机10排气所含能量用于驱动涡轮26、进而驱动压缩机32，从而将空气压缩到一高于为使发动机10能在燃料消耗方面优化运行所需的相对较低压力水平的压力水平。借助涡轮34使利用压缩机32压缩到该升高压力水平的空气再次松驰到所述相对较低的、特别是在燃料消耗方面优化的压力水平，其中利用由该膨胀产生的、所获得的能量来驱动冷空气涡轮34、进而驱动发电机38。由此一方面实现了，给发动机10提供相应的空气压力水平，也称作增压压力，以使发动机10以高效并节省燃料的方式运行。
另一方面可以利用特别多的排气所含能量，并且可以通过涡轮26、压缩机32、冷空气涡轮34和发电机38将其转化成电能，这些能量否则不被利用并且以热量形式排放到环境中。由此实现发动机10特别节省燃料地运行。可以将电能、进而是排气所含能量用于例如给电负载供电。不要求并且不需要为了给这些负载供给能量而利用发动机10燃烧额外的燃料并且相应地转化成电能。
为了实现特别高的空气压缩度，在压缩机32下游并且在冷空气涡轮34下游在进气系14中设置增压空气冷却器40，该增压空气冷却器对被压缩、因而升温的空气进行冷却。
在进气系14中还布置有旁通通道44和旁通装置42的调节阀46。利用旁通装置42可以调节穿流过并且驱动冷空气涡轮34的空气的质量流量。这样便能够使所有经压缩机32压缩的空气都来驱动冷空气涡轮34。也可以不对冷空气涡轮34进行驱动并且使所有经压缩机32压缩的空气都通过旁通通道44在不驱动冷空气涡轮34的情况下完全绕过该冷空气涡轮。也可以使经压缩机32压缩的空气的部分空气质量流量驱动冷空气涡轮34，而使另一部分空气质量流量经由旁通通道44在不驱动冷空气涡轮34的情况下绕过该冷空气涡轮。
图2示出根据图1的、具有冷空气涡轮34的发动机10，其中为了简明起见没有示出具有涡轮26的排气系22部分和具有排气涡轮增压器28的压缩机32的进气系14部分。在图2中示出机动车的变速器48，该变送器与发动机10的曲轴50相联接并且能通过该曲轴驱动。在此，该乘用车设计成混合动力车辆并且包括电机52，该电机同样与曲轴50相连接并且能借助该电机来驱动机动车。电机52也可以作为用于起动发动机10的起动器发电机组件(Statergenerator)，从而不需要额外的起动器装置来起动发动机10。这便使零件数量和重量都保持很小，这一点又有利于使发动机10高效、节省燃料地运行。
为了运行电机52以例如起动发动机10或者驱动机动车，电机52需要电能。例如可以通过相应的导线54和56从蓄能装置58为该电机提供电能，该蓄能装置例如设计成蓄电池。蓄能装置58又通过导线54和另一导线58与发电机38相联接。由此能利用转化成电能的压缩空气能量给蓄电池58馈电和充电。此外还可以利用如此获得的电能，以通过导线58和56直接给电机52馈电并且驱动该电机。
机动车还包括控制单元60，该控制单元通过相应的导线62、64、66、68和70与电机52、蓄能装置58、调节阀46和发电机38相连接以传输信号并且对它们进行控制或者调节。
图3示出一图表72，其中横坐标74表示发动机10的发动机转速nmot。纵坐标76表示图1和2所示的排气涡轮增压器28的压缩机32的功率PVerd。
在图表72中示出压缩机32的功率PVerd的第一曲线78。如果压缩机32以对应于曲线78的功率PVerd运行，则利用压缩机32将空气压缩到如下的压力水平：为发动机10提供一增压压力以使发动机10能够特别是在其燃料消耗方面优化地并且非常高效地运行。换句话说，所提供的增压压力负责提供相应的空气量，该空气量对气缸12中的燃烧非常有利并且在实现希望的功率和转矩的同时降低燃料消耗。
如上所述，发动机10的排气所含能量足以使压缩机32以高得多的压缩机功率PVerd运行。相应地，在图表72中示出这种较高的压缩机功率PVerd的第二曲线80，该第二曲线相当于从曲线78起例如使压缩机功率PVerd提高10％、进而使相应的增压压力提高10％。由此，将空气压缩到与特别是在燃料消耗方面优化的压力水平相比高出10％的压力水平。
由于存在通过图表72中示出的曲线78和80的差别表示出的这些压力水平的差别，引起由所提高的增压压力与所提高的冷空气涡轮34的空气流量的乘积形成的能势/势能(Energiepotential)82。其然后可以使压缩空气从曲线80所示的升高的增压压力松驰到曲线78所示的、在燃料消耗方面优化的增压压力。由此能将由膨胀产生的能量(能势82)用于驱动发电机38，该发电机将该能量转化成电能并且相应地给蓄能装置58充电和/或驱动电机52。以这种方式可从经压缩机32压缩的空气回收能量，其中，所回收的功率P回收与曲线78和80所示的压缩机功率PVerd间的差别、冷空气涡轮34的效率、发电机38的效率以及考虑该回收对发动机的可能影响的效率。换句话说，可能由于效率不理想引起的损失而无法完全利用能势82并且无法利用发电机38将其完全转化成电能。
但是，由于增压压力提高或者由于曲线78和80所示的压缩机功率PVerd提高而能利用能势82的大部分来驱动发电机38，从而提供电能。由此能使发动机10非常高效并且节省燃料地运行。

Claims (10)

1.一种具有发动机(10)和进气系(14)的机动车，通过所述进气系为所述发动机(10)输入空气，在所述进气系中设有用于压缩空气的压缩机(32)，该压缩机(32)是排气涡轮增压器的组成部分，其特征在于，在所述压缩机(32)的下游在所述进气系(14)中设有涡轮(34)，该涡轮(34)能由经所述压缩机(32)压缩的空气来驱动，该经所述压缩机(32)压缩的空气的压力水平高于为使发动机在燃料消耗方面优化运行所需的压力水平。
2.根据权利要求1所述的机动车，其特征在于，所述涡轮(34)与发电机(38)相联接。
3.根据权利要求2所述的机动车，其特征在于，所述发电机(38)用于驱动电机(52)和/或用于给蓄电装置(58)充电。
4.根据权利要求3所述的机动车，其特征在于，所述蓄电装置(58)是蓄电池。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的机动车，其特征在于，所述涡轮(34)布置在用于对空气进行冷却的冷却装置(40)上游。
6.根据权利要求1所述的机动车，其特征在于，所述机动车包括用于对驱动所述涡轮(34)的空气的量进行调节的阀装置(46)。
7.根据权利要求1所述的机动车，其特征在于，所述涡轮(34)具有调节装置，借助所述调节装置能调节流过所述涡轮(34)的空气质量流量。
8.根据权利要求7所述的机动车，其特征在于，所述调节装置是可变涡轮几何特征和/或能被调节的滑阀。
9.根据权利要求1所述的机动车，其特征在于，所述机动车包括用于控制或调节所述涡轮(34)的控制装置，该控制装置也用于控制或调节所述发动机(10)。
10.一种机动车的发动机(10)的运行方法，其中，通过进气系(14)给所述发动机(10)输入空气，利用布置在所述进气系(14)中的压缩机(32)将所述空气压缩，该压缩机(32)是排气涡轮增压器的组成部分，其特征在于，利用经所述压缩机(32)压缩的空气来驱动在所述压缩机(32)下游布置在所述进气系(14)中的涡轮(34)，该经所述压缩机(32)压缩的空气的压力水平高于为使发动机在燃料消耗方面优化运行所需的压力水平。
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