CN102588082A - 增压内燃发动机和用于运行所述类型的内燃发动机的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种增压内燃发动机。该发动机包括汽缸；进气系统中的进气管道，用于经由内燃发动机的入口侧的进气歧管供应增压空气到汽缸的进气入口；用于排出排气的排气管道；排气涡轮增压器，其包括设置在排气管道中的涡轮和设置在进气管道中的压缩机；排气再循环装置，其包括再循环管道，该再循环管道从涡轮下游的排气管道分支并开口到压缩机上游的进气管道；以及在压缩机下游的进气管道中的增压空气冷却器，该增压空气冷却器设置在汽缸的进气入口之上。

Description

增压内燃发动机和用于运行所述类型的内燃发动机的方法
相关申请
本申请要求2011年1月12日提交的德国专利申请No.102011002552.9的优先权，其全部内容被合并至此以供参考。
技术领域
本公开涉及增压内燃发动机。
背景技术
内燃发动机通常配备增压以增加功率，其中发动机中的燃烧过程所需的增压空气/充气(charge air)被压缩，由此在每个工作循环更大量的增压空气可以被供应到每个汽缸。以此方式，燃料量和由此的平均有效压力可以被增加。
通常，为了增压，利用排气涡轮增压器，其中压缩机和涡轮被设置在相同的轴上，热的排气流被供应到涡轮，在所述涡轮中膨胀释放能量，并且由此使轴旋转。由排气流供应到轴的能量被用来驱动被同样设置在轴上的压缩机。压缩机传递并压缩供应至其的增压空气，由此实现汽缸的增压。有利的是增压空气冷却器设置在压缩机下游的进气管道，通过该增压空气冷却器，压缩的增压空气在进入至少一个汽缸之前被冷却。冷却器降低增压空气的温度并由此增加增压空气的密度，使得冷却器还有助于改进汽缸的增压空气(charge)，即更大的空气质量。实际上，发生由冷却引起的压缩。
增压适合于在保持不变的容积排量/波及容积(swept volume)的同时增加内燃发动机的功率，或者适合于在保持相同的功率的同时减小容积排量。在任何情况下，增压引起体积功率输出的增加和改进的功率-重量比。对于相同的车辆边界条件，因此可能使负荷共同向更高的负荷变化，其中特定的燃料消耗更低。这也被称为精简(downsizing)。
因此，增压有助于不断努力的内燃发动机的发展以最小化燃料消耗，也就是说，改进内燃发动机的效率。通过增压的目标构造，还可能获得关于排气排放的优点。通过例如柴油发动机的合适增压，氮氧化物排放可以被降低并且在效率上没有任何损失。同时可以顺利地影响碳氢化合物排放。在减少燃料消耗的情况下，与燃料消耗直接相关的碳氧化物的排放同样降低。
然而，为了遵循未来的污染排放的限值，进一步的测量是有必要的。此处，发展工作的焦点在于其中氮氧化物排放的减少，其特别在柴油发动机中是高度相关的。由于氮氧化物的形成不仅需要大量空气而且也需要高温，因此降低氮氧化物排放的一种概念在于发展低燃烧温度的燃烧过程。
此处，其中排气再循环(EGR)，即燃烧气体从出口侧到入口侧的再循环，对实现该目标是有利的，其中可能通过增加排气再循环率显著地减少氮氧化物排放。此处，排气再循环率xEGR被确定为xEGR＝mEGR/(mEGR+mfresh air)，其中mEGR表示再循环的排气的质量，mfresh air表示供应的新鲜空气。
为了实现氮氧化物排放的显著减少，需要高排气再循环率，其可以是xEGR≈60％至70％的数量级。
当用排气涡轮增压运行内燃发动机并同时使用排气再循环时，例如根据本公开的内燃发动机中的情况，如果再循环的排气通过高压EGR从涡轮上游的排气管路抽取并且不再用于驱动涡轮，则可能产生冲突。
在增加排气再循环率的事件中，引入涡轮中的排气流之后同时减少。通过涡轮的减少的排气质量流引起更低的涡轮压力比，结果增压空气压力比(charge pressure ratio)同样下降，其相当于更小的压缩机质量流。除了降低增压空气压力之外，在压缩机的运行中可能产生关于压缩机喘振限制的另外的问题。也可能产生关于污染物排放的缺点，例如关于在加速期间柴油发动机中碳烟的形成。
发明内容
出于此原因，需要这样的概念，即其特别是在部分负荷范围中确保充分高的增压空气压力以及同时高的排气再循环率。一种提出的方案被称为低压EGR。
与上述高压EGR装置/设置(arrangement)相反，其中排气从涡轮上游的排气管路抽取并被引入压缩机下游的进气管路，在低压EGR装置的情况下，已经流过涡轮的排气被再循环到入口侧。出于此目的，低压EGR装置包括再循环管路，再循环管路从涡轮下游的排气管路分支并开口/接入(open into)到压缩机上游的进气管路。
通过排气涡轮增压的方式增压并配备有低压EGR装置的内燃发动机也是本公开的主题。
经由低压EGR装置再循环到入口侧的排气与压缩机上游的新鲜空气混合。以此方式产生的新鲜空气和再循环的排气的混合物形成被供应到压缩机并被压缩的增压空气/充气(charge air)，其中压缩的增压空气被供应到压缩机下游的至少一个汽缸。
此处，在低压EGR的过程期间排气被引导通过压缩机并不是不利的，因为通常使用这样的排气，其已经经历排气后处理，特别是在涡轮下游的微粒物过滤器中。因此，没有压缩机中的沉积物的风险，沉积物会改变压缩机的几何特性，特别是流动截面，并且由此损害压缩机的效率。
相反，由于压缩的增压空气的冷却，可能在压缩机下游产生问题。在现有技术中，增压空气冷却器通常设置在内燃发动机的侧面并与内燃发动机相邻，例如在曲轴箱水平处，即在汽缸体或油底壳的水平处。此处，增压空气冷却器不需要是单独的冷却器，也就是说专门设置用来冷却增压空气的冷却器。实际上，在现有技术中，这些概念也是公知的，其中设置在车辆的前端区域中用于冷却发动机的冷却器同时也起到增压空气冷却器的作用。
在冷却过程中，如果低于气态增压空气流的成分(特别是水)的露点温度，则之前仍以气体形式包含在增压空气中的液体可以被冷凝出。由于增压空气冷却器的通常低设置，以及由于沉淀的冷凝物没有被耗散并由于动力学(kinetics)而通常连续以极少的数量被增压空气流供应到汽缸的事实，冷凝物可以在冷却器中收集，其中之后冷凝物从增压空气冷却器不可预期地并以突然的方式大量被引入进气系统中，例如在围绕曲线移动时、在上坡时的侧向加速事件中，或者在冲击的事件中。后者也被称为水锤现象/水击作用(water hammer)，其不仅可能导致内燃发动机运行中的严重破坏，而且还可能导致冷却器下游的部件的不可逆的损害。
上述问题随着再循环率的增加而加剧，因为随着再循环的排气量的增加，增压空气中各排气成分的部分，特别是包含在排气中的水的部分，不可避免地增加。在现有技术中，因此，经由低压EGR装置再循环的排气量被限制，以便减少冷凝出的水的量或者防止冷凝出。一方面低压EGR需要的限值和另一方面氮氧化物排放的显著减少所需的高排气再循环率导致再循环的排气量的规模的不同目标。减少氮氧化物排放的法定要求突出了这个问题在实际中的高相关性。
在现有技术中，需要的高再循环率可以仅通过高压EGR获得，其中相关的缺点必须被接受。低压EGR的优点因此可以仅被利用到有限的程度。
在所有实施例中，压缩的增压空气从压缩机开始经由增压空气冷却器和进气歧管从出口侧被引导至汽缸的入口侧。增压空气冷却器的上述设计和设置需要压缩机和汽缸入口之间的相对大的距离。此处，实际需要将所述距离保持尽可能短，以便由此确保涡轮增压器的快速响应行为并将特别是由于偏斜引起的增压空气流中的压力损失保持尽可能低。
进气系统中的大距离还对内燃发动机的噪声行为不利，并导致低频噪声的排放，其在噪声设计的背景下很难通过额外的测量被影响。此处，必须考虑购买车辆时潜在客户的购买决定显著地受到内燃发动机或车辆的噪声的影响。
发明人在此已经意识到上述问题并提出了至少部分地解决它们的系统。在一个实施例中，提供增压内燃发动机。该发动机包括汽缸；进气系统中的进气管道，其用于经由内燃发动机的入口侧上的进气歧管供应到汽缸的增压空气到汽缸进入汽缸的入口；排气管道，其用于排出排气；排气涡轮增压器，其包括设置在排气管道中的涡轮和设置在进气管道中的压缩机；排气再循环装置，其包括再循环管道，再循环管道从涡轮下游的排气管道分支并开口到压缩机上游的进气管道；以及在压缩机下游的进气管道中的增压空气冷却器，增压空气冷却器设置在汽缸的入口之上。
在根据本发明的内燃发动机中，增压空气冷却器设置在汽缸入口之上，即在至少一个入口之上，使得冷却器被设置得大地坐标高于至少一个入口。在这方面，增压空气冷却器不需要克服至汽缸的路径上的高度差。因此，防止在冷却过程中被冷凝出的液体在冷却器中或者在冷却器与汽缸之间的进气系统中冷凝。在冷却器中被冷凝出的任何液体被增压空气流连续地夹带(entrained)，即由于运动而被携带。此处，冷凝物的输送基于增压空气运动或者基于进气系统中压缩机建立的增压空气压力，并且由于根据本发明的增压空气冷却器的设置又被重力驱动。
此处，被供应到汽缸的小液体量没有阻碍内燃发动机的无故障运行。冷凝物参与燃烧过程，并且由于蒸发焓的结果，甚至降低燃烧温度，由此氮氧化物的形成被有利地影响，即被减少。
然而，与现有技术已知的概念有关的明显区别在于，根据本发明的内燃发动机不需要经由低压EGR装置再循环的排气量的任何限制，因为冷凝出基本不需要被防止，或者冷凝出的水的量不需要被严格限制。这使得可能明显更大的排气量通过低压EGR装置被再循环。在这方面，根据本发明的内燃发动机的低压EGR装置可能使减少氮氧化物排放所需的高排气再循环率达到比现有技术中可能的更大的程度。
此外，基本可能仅使用低压EGR使其中发生排气再循环的发动机特性图的那些区域扩展/膨胀。这是有利的，因为可能在内燃发动机的宽运行范围中省去高压EGR，由此与所述高压EGR相关的缺点也被消除。
现有技术已知的产生于再循环率(特别是关于低压EGR的低比率和关于减少氮氧化物的高比率)的不同要求的冲突通过根据本发明的内燃发动机解决，并且由此被消除。
单独或连同附图考虑以下具体实施方式时，本发明的以上优点和其他优点以及特征将显而易见。
应该理解，提供以上概述以简化形式介绍在下面的具体实施方式中进一步描述的一系列概念。这不意欲辨别要求保护的主题的关键特征或本质特征，要求保护的主题的范围仅由所附权利要求限定。此外，要求保护的主题不限于解决上述或此公开的任何部分中提及的任何缺点的实施方式。
附图说明
图1A示意性示出内燃发动机的第一实施例。
图1B示意性示出图1A的进气系统。
图2示意性示出内燃发动机的第二实施例。
图3示意性示出内燃发动机的第三实施例。
图4在图表中示出排气中氮氧化物的含量CNOX相比于增压空气中部分燃烧产物的比例Fintake。
图5是流程图，其图示说明用于控制根据本发明的实施例的低压和/或高压排气再循环系统的方法。
具体实施方式
图1A示意性示出了内燃发动机1的第一实施例，内燃发动机1具有至少一个汽缸2，并且由发动机电子控制器112控制。在本公开的背景下，表述“内燃发动机”包括柴油发动机、火花点火发动机和混合内燃发动机。每个汽缸2具有至少一个入口(inlet opening)并且经由设置在入口侧5a上的进气系统3被供应增压空气。进气系统3(在图1B中详细示出)不仅包括进气管道4，而且包括通向汽缸2的入口的进气歧管6。为了排出排气，每个汽缸2具有至少一个出口，出口由排气管道7邻接。
图1A中图示说明的内燃发动机1通过排气涡轮增压器8增压，并且还配备有排气再循环装置。增压器8具有设置在排气管道7中的涡轮8b和设置在进气管道4中的压缩机8a。为了形成低压EGR(LP-EGR)装置9，设置再循环管道9a，再循环管道9a从涡轮8b下游排气管道7分支并开口到压缩机8a上游的进气管道4，并且冷却器9b设置在再循环管道9a中，在排气在压缩机8a上游与经由进气管道4吸入通过空气滤清器3a的新鲜空气混合之前，冷却器9b降低热排气流的温度。开关元件9d也设置在再循环管道9a中，开关元件9d起到低压EGR阀9d的作用，并且用于调节经由低压EGR装置9再循环的排气量。低压EGR装置9具有用于旁通冷却器9b的旁通管道9c。
在再循环管道9a的分支上游，排气管道7在其中设置了两个排气后处理系统14，具体是氧化催化转换器14a和微粒过滤器14b，其确保仅经后处理的排气经由低压EGR装置9进入进气系统3。
由于从排气管道7到进气管道4中的排气再循环需要压力差，即压力梯度，因此提供用于调节排气背压的系统11。设置在排气管道7中的节气门13配备有旁通管道11a。通过节气门13和设置在旁通管道11a中的开关元件11b的适当调节，可以改变和控制节气门13上游的排气背压。
经由低压EGR装置9引入进气管道4中的排气与新鲜空气混合。由此形成的增压空气被供应到压缩机并被压缩。在压缩机8a的下游，经压缩的增压空气在被设置在进气管道4中的增压空气冷却器10中被冷却。
增压空气冷却器10位于至少一个汽缸2的至少一个入口之上，并且在当前情况下被设置在进气系统3中的大地坐标最高点处。进气系统3中的大地坐标高度在从入口10a朝向汽缸2到增压空气冷却器10的流动方向上减小，使得在流动方向上存在向下的斜面。这也通过到进入增压空气冷却器10的入口10a在大地坐标上(geodetically)高于离开增压空气冷却器10的出口10b来实现。
为了能够产生很高的再循环率，提供另外的排气再循环装置12。为了形成所述高压EGR(HP-EGR)装置12，提供管道12a，管道12a从涡轮8b上游的排气管道7分支并开口到增压空气冷却器10下游的进气系统3。为了调节经由高压EGR装置12再循环的排气量，用作高压EGR阀12b的开关元件12b设置在管道12a中。
用于检测进气系统3中增压空气的成分i的含量Ci，intake的传感器15设置在到进气管道4中的再循环管道9a的开口的下游。
如果排气再循环9、12独占地经由低压EGR装置9发生，即高压EGR装置12停用，则低压EGR装置9可以通过闭环控制运行。
由传感器15检测的含量Ci，intake可以被用来确定由燃烧产生的增压空气部分的比例(the proportion)Fintake和/或用于确定再循环率xEGR。使用传感器15，由此可能使低压EGR装置9的再循环率xEGR被调节，即可能使设置在再循环管道9a中的开关元件9d被致动以便调节再循环率。排气中的氮氧化物含量CNOx，exhaust同样可以基于传感器读数被确定。
传感器15可以是用于检测增压空气中的氧气(O2)含量的O2传感器，例如UEGO或HEGO传感器。O2传感器相对便宜。此外，O2传感器的优点在于新鲜空气的O2含量可以被假定为在方程式背景下是已知的并且是常量。
然而，传感器基本也是通过其可以检测增压空气中未燃烧的碳氢化合物、一氧化碳或二氧化碳的含量的传感器。
在现有情况下，增压空气冷却器10设置在内燃发动机1的出口侧5b与入口侧5a之间的至少一个汽缸2之上，并且从入口侧5a至出口侧5b倾斜角度α。
经由进气管道4被供应到压缩机8a的增压空气流过增压空气冷却器10，并经由进气歧管6被供应或分配在汽缸2之间。
在图1A中控制器112被示为常规的微型计算机，其包括：微处理器单元(CPU)102、输入/输出端口(I/O)104、只读存储器(ROM)106、随机存储器(RAM)108、保活存储器(KAM)110和常规的数据总线。控制器112可以包括可执行以实施一个或更多个控制例程的指令。控制器112被示为从被联接至发动机1的传感器接收各种信号，例如来自传感器15以及图1A中未示出的其他传感器的输入。示例传感器包括来自温度传感器的发动机冷却剂温度(ECT)；联接至加速器踏板的用于感测加速器位置的位置传感器；来自联接至进气歧管的压力传感器的发动机歧管压力(MAP)的测量值；来自霍尔效应传感器的感测曲轴位置的发动机位置传感器；来自传感器(例如，热线式空气流量计)的进入发动机的空气质量的测量值；以及节气门位置的测量值。大气压力可以被感测用于由控制器112处理。在本描述的优选方面，发动机位置传感器可以在每个曲轴进程产生预定数量的等间隔脉冲，据此可以确定发动机转速(RPM)。控制器112还可以基于来自从各种发动机传感器接收的信号的反馈输出信号至发动机的各种致动器，例如阀9d、11b和12b。
如已提及的，内燃发动机的示例是有利的，其中开关元件设置在再循环管道中，开关元件起到低压EGR阀的作用并且用于调节再循环率，即经由低压EGR装置再循环的排气量。
此处，示例是有利的，其中低压EGR阀设置在再循环管道开口到进气管道的位置处。之后阀被优选地设计成组合阀，通过该组合阀，再循环的排气量和吸入的新鲜空气量同时并且以协调的方式产生。
根据本公开，出于增压的目的，内燃发动机配备有至少一个排气涡轮增压器。然而，特别地，内燃发动机的示例也是有利的，其中提供至少两个排气涡轮增压器。理由如下。
如果使用单个排气涡轮增压器，如果没有满足某转速则可以观察到明显的扭矩下降。所述效果是不期望的，因为即使在较低的转速范围内驱动器也期望相应高的扭矩。由此，所谓的低转速下的涡轮迟滞(turbo lag)也是排气涡轮增压的最严重的缺点之一。
如果考虑增压空气压力比取决于涡轮压力比，则所述涡轮迟滞是不期望的。在柴油发动机的情况下，例如，如果发动机转速减小，这导致更小的排气质量流量并因此导致更低的涡轮压力比。这产生的结果是，朝更低的转速，增压空气压力比同样下降，这相当于扭矩下降。
此处，增压空气压力的下降基本可以通过减小涡轮横截面的大小而被抵消，然而这需要以更高转速吹走排气，对在所述转速范围中的增压行为不利。
因此，经常尝试通过使用多个排气涡轮增压器改进增压内燃发动机的扭矩特性，例如通过串联连接的多个排气涡轮增压器。
通过串联连接两个排气涡轮增压器，其中一个排气涡轮增压器用作高压级并且一个涡轮增压器用作低压级，压缩机特性图/示性映射(characteristic map)可以有利地被展开，特别是在较小压缩机流的方向和较大压缩机流的方向上。
特别地，通过用作高压级的排气涡轮增压器，可能在较小压缩机流的方向上改变喘振限值，其结果是即使用小压缩机流也可以获得高增压空气压力比，这显著地改善了较低的部分负荷范围中的扭矩特性。这通过设计用于小排气质量流量的高压涡轮和提供旁通管道来实现，通过旁通管道，随着排气质量流量增加，越来越多的排气被引导通过高压涡轮。出于此目的，旁通管道从高压涡轮上游的排气管道分支并开口到涡轮下游的排气管道，其中开关元件设置在旁通管道中以便控制被引导通过高压涡轮的排气流。
增压内燃发动机的扭矩特性还可以通过并联连接的多个涡轮增压器改进，该多个涡轮增压器具有相应小的涡轮横截面，涡轮增压器被连续致动。
如果内燃发动机的汽缸被分成在每种情况下具有单独的排气管道的两个汽缸组，则两个排气管道中的每一个可以分配一个排气涡轮增压器。此处，第一排气涡轮增压器的涡轮设置在第一汽缸组的排气管道中，而第二排气涡轮增压器的涡轮设置在第二汽缸组的排气管道中。排气涡轮增压器的压缩机可以并联或串联设置。排气涡轮增压器可以在尺寸上更小，并且涡轮被设计用于更小的排气流。与仅具有一个排气涡轮增压器的类似内燃发动机相关的响应行为被改进，因为两个较小的排气涡轮增压器比一个大排气涡轮增压器的惯性/惰性(inert)小，并且转子可以更迅速地加速和减速。
其中冷却器设置在低压EGR装置的再循环管道中的内燃发动机的示例是有利的。所述冷却器在排气与压缩机上游的新鲜空气混合之前降低热排气流中的温度，并由此增加排气的密度。汽缸新鲜增压空气的温度以此方式被进一步降低，结果所述冷却器也有助于改进增压空气。
优选地设置旁通管道，其旁通低压EGR装置的冷却器，并且经由低压EGR装置再循环的排气通过旁通管道可以被引入已经旁通所述冷却器的进气管道。如已提及的，示例是有利的，其中增压空气冷却器设置在压缩机下游的进气管道中，通过该增压空气冷却器，经压缩的增压空气在进入至少一个汽缸之前被冷却。实际上，增压空气通过冷却被压缩，因此增压空气冷却器也有助于改善汽缸的增压空气。
与增压空气冷却相关的问题在于之前仍以气态形式包含在增压空气中的液体，特别是水，可以由于温度降低的结果而被冷凝出。由于根据之前的系统的冷却器的低设置，例如在曲轴箱的水平处，即在汽缸体或油底壳的水平处，冷凝物可以收集在冷却器中，之后冷凝物以不受控制的方式被引入进气系统，这也被称为水锤现象/水击作用。
在每个汽缸具有至少一个入口的内燃发动机中，示例由此是有利的，其中在内燃发动机的安装位置中，增压空气冷却器设置在至少一个汽缸的所述至少一个入口之上。
此处，增压空气冷却器设置在汽缸入口之上，即在大地坐标上高于至少一个入口，结果增压空气流不需要克服从冷却器前进至汽缸的路径上的任何高度差。在冷却过程中被冷凝出的液体因此可以不收集在冷却器中或冷却器与汽缸之间的进气系统中。在冷却器中被冷凝出的任何液体通过增压空气流被连续地夹带，即由于动力学而被带走。此处，冷凝物的输送基于增压空气运动或者基于压缩机在进气系统中建立的增压空气压力，并且另外由于增压空气冷却器设置在至少一个入口之上，而被重力驱动。供应至汽缸的任何少量的液体不会损害内燃发动机的无故障运行。冷凝物参与燃烧过程，并且由于蒸发焓的结果，甚至降低了燃烧温度，结果氮氧化物的形成被有利地影响，即被降低。
与之前已知的概念相反，不需要对经由低压EGR装置再循环的排气量的限制，因为冷凝出基本不需要被防止，或者由于冷却设置，冷凝出不是有害的。这使得可能经由低压EGR装置再循环明显更大量的排气，也就是说，可能使低压EGR装置被利用至明显更大的程度用于实现高再循环率。这是有利的，因为在内燃发动机的宽运行范围内，高压EGR可以被省去并且与高压EGR相关的缺点可以被消除。
之前已知的产生于对再循环率特别是关于低压EGR的低比率和关于减少氮氧化物的高比率的不同需求的冲突被消除。
内燃阀发动机的示例是有利的，其中进气系统中的大地坐标高度在从入口朝至少一个汽缸的至少一个入口到增压空气冷却器的流动方向上连续减小。
所述示例确保增压空气流不需要克服从到增压空气冷却器中的入口前进到至少一个汽缸的整个路径上的任何梯度，即在流动方向上有连续向下的斜面。
内燃发动机的示例是有利的，其中增压空气冷却器是液体冷却的。
基本可能的是，根据热交换器的原理，冷却装置被设计为空气冷却装置或者液体冷却装置的形式。在空气冷却装置的情况下，被引导通过增压空气冷却器的增压空气被产生于相关的风和/或由鼓风机产生的空气流冷却。相反，液体冷却装置需要形成冷却回路，如果合适可使用已有回路，例如液体冷却内燃发动机的发动机冷却回路。此处，冷却剂由设置在冷却回路中的泵注入，使得所述冷却剂循环并流动通过增压空气冷却器。从增压空气耗散至冷却器中的冷却剂的热量被引导离开，并在另一个热交换器中再次从冷却剂抽取。
由于液体相对于空气的明显更高的热容量，通过液体冷却比通过空气冷却能够耗散明显更多的热量。出于此原因，特别是在具有排气再循环的增压内燃发动机的情况下，增压空气冷却器是液体冷却的是有利的，因为要被耗散的热量相对大。
增压内燃发动机的示例可以是有利的，其中提供额外的排气再循环装置，其包括从涡轮上游的排气管道分支并开口到压缩机下游的进气系统的管道。
提供高压EGR装置可以是必须的或者有利的，以便产生减少氮氧化物排放所需的高再循环率，即便由于根据本发明的增压空气冷却器的装置/设置(arrangement)，进气系统中冷凝物的形成不再导致低压EGR的限制。特别地，必须考虑从排气管道到进气管道的排气再循环需要出口侧与进口侧之间的压力差，即压力梯度。为了实现所需的高排气再循环率，大的压力梯度也是必须的。
在配备有高压EGR装置并且其中增压空气冷却器设置在压缩机下游的进气管道中的内燃发动机的情况下，示例是有利的，其包括用于排气再循环的开口到增压空气冷却器下游的进气系统的管道。这防止经由高压EGR装置再循环的未经处理的排气污染增压空气冷却器。
内燃发动机的示例是有利的，其中到增压空气冷却器中的入口设置得大地坐标高于离开增压空气冷却器的出口。增压空气冷却器的所述示例确保无冷凝物收集在冷却器中，仅因为入口位于比出口高的大地坐标高度。
内燃发动机的示例是有利的，其中增压空气冷却器被设置成从到增压空气冷却器中的入口到离开增压空气冷却器的出口倾斜角度α。在所述示例中，增压空气冷却器设置一角度使得在入口与出口之间形成梯度。
内燃发动机的示例是有利的，其中增压空气冷却器至少共同地形成通向至少一个入口的进气歧管。如已论述的，根据本发明的增压空气冷却器的装置/设置(arrangement)允许非常紧凑的设计和进气系统中的短路径。所述概念可以由于进气系统使用整体部件而辅助。
其中增压空气冷却器和进气歧管形成整体式部件的内燃发动机的实施例具有多个优点。例如，在组装过程中部件的连接和由此的连接元件以及在连接点处可能泄露的问题被消除。这也与节省重量相关。组装成本和采购成本被降低。
然而，内燃发动机的实施例也是有利的，其中增压空气冷却器和进气歧管形成由至少两个部件建立的组装件。
其中至少两个部件被连接到另一个部件的模块构造具有基本的优点，单独的部件，特别是增压空气冷却器被用在根据构建配套原理(construction kit principle)的不同实施例中。部件的多用性大体上增加了产量，因此制造成本可以降低。
当使用排气涡轮增压器时，基本寻求将涡轮设置得尽可能靠近汽缸的出口，以便由此能够最优地利用由排气压力和排气温度显著地被确定的热排气的排气焓，并且确保涡轮或者涡轮增压器的快速响应行为。此外，到不同排气后处理系统的热排气路径应该尽可能短，使得排气被给予少的时间来冷却，并且排气后处理系统尽可能快地达到他们的运行温度或者点火温度，特别是在内燃发动机冷起动之后。
出于上述原因，涡轮增压器和压缩机被布置成在出口侧尽可能靠近内燃发动机的出口。此处，特别有利的是排气歧管被整合到汽缸盖，其中汽缸的排气管道被合并，以在汽缸盖内形成至少一个总体的排气管道。
增压器的上述设置具有在压缩机中压缩的增压空气基本可以从汽缸的出口侧被引导到入口侧的效果。
就此而论，内燃发动机的示例是有利的，其中增压空气冷却器设置在内燃发动机的出口侧与入口侧之间的至少一个汽缸之上，并且从入口侧到出口侧倾斜角度α。此处，在具有容纳阀驱动的至少一个汽缸盖的内燃发动机的情况下，增压空气冷却器设置在出口侧与入口侧之间的阀驱动之上。
所述示例产生非常紧凑的内燃发动机设计并且允许密集包装的驱动单元作为整体。压缩机与汽缸入口之间的距离被缩短至最大可能的程度，这产生了多重优点。
压缩机下游的进气系统中的短距离确保涡轮增压器的快速响应行为，并减少了到燃烧室的入口增压空气流中的压力损失。不必要的长管道被省去，这进一步降低了进气系统的重量和空间要求。短距离也在噪声特性方面具有有利效果。
进气系统的大部件通过增压空气冷却器本身形成，即跨越，这产生了关于冷却器和位于下游的进气歧管的多个有利示例。
关于角度α，示例已经证明是有利的，其中角度α符合以下准则：α≥5°，优选地20°≥α≥5°。然而，内燃发动机的示例也是有利的，其中角度α符合以下准则：α≥10°，优选地20°≥α≥10°。
特定的角度或角度范围首先确保了冷却器中或冷却器的足够大的梯度，并且其次确保了紧凑的设计，其中冷却器不伸出过远。
关于角度α，实施例已经证明是有利的，其中角度α符合以下准则：α≥5°，优选地45°≥α≥5°。
然而，内燃发动机的实施例也是有利的，其中角度α符合以下准则：α≥10°，优选地90°≥α≥10°。
特定的角度或角度范围首先确保了冷却器中或冷却器的充分陡的向下的斜面，并且其次确保了紧凑的设计，其中冷却器不伸出到不必要的程度。
内燃发动机的实施例是有利的，其中增压空气冷却器设置在进气系统中大地坐标最高点处。
此处特别有利的是排气歧管被整合到汽缸盖，汽缸的排气管道被并入，以在汽缸盖内形成至少一个整体排气管道。
增压器的上述设置具有在压缩机中被压缩的增压空气必须基本从汽缸的出口侧被引导到入口侧的效果。
就此而论，内燃发动机的实施例是有利的，其中增压空气冷却器设置在内燃发动机的出口侧与入口侧之间的至少一个汽缸之上，并且从入口侧到出口侧倾斜一角度α。在具有容纳阀驱动的至少一个汽缸盖的内燃发动机的情况下，增压空气冷却器在此情况下被设置在出口侧与入口侧之间的阀驱动之上。
所述实施例产生内燃发动机的紧凑设计，并允许密集包装整个驱动单元。压缩机与汽缸入口之间的距离被缩短至最大可能的程度，这具有多重优点。
特别地，就此而论，内燃发动机的实施例是有利的，其中进气系统中的大地坐标高度在从进入增压空气冷却器的入口到至少一个汽缸的至少一个入口的流动方向上连续减小。
在具有高压EGR装置的内燃发动机中，示例是有利的，其中在高压EGR的管道中提供额外的冷却器。所述额外的冷却器降低热排气流的温度并由此增加排气的密度。汽缸新鲜增压空气的温度以此方式被进一步降低，因此额外的冷却器也有助于用新鲜混合物改进燃烧室的增压空气。
内燃发动机的示例是有利的，其中至少一个排气涡轮增压器的涡轮配备有可变的涡轮几何，这使得能够通过涡轮几何的调节或有效的涡轮横截面的调节更准确的适于内燃发动机的各工况点。此处，用于影响流动方向的可调引导叶片设置在涡轮的入口区域中。与旋转转子的转子叶片相反，引导叶片不随着涡轮的轴转动。
如果涡轮具有固定的不可变的几何，则引导叶片设置在入口区域中以便不仅固定而且完全不可移动，即刚性固定。相反，在可变几何的情况下，引导叶片也被适当地设置为固定但不是完全不可移动，在一定程度上可绕它们的轴转动，使得接近转子叶片的流可以被影响。
然而，内燃发动机的示例也可以是有利的，其中至少一个排气涡轮增压器的涡轮具有固定的涡轮几何。关于可变几何，这通过发动机控制显著简化了内燃发动机和/或增压器的运行。此外，涡轮的简化设计产生了关于排气涡轮增压器的成本优点。
图2示意性示出内燃发动机1的第二实施例。试图解释与图1中图示说明的实施例有关的区别，出于此原因，参考图1和相关描述。相同的参考标记用于相同的部件。
与图1中图示说明的内燃发动机1相反，假设在根据图2的实施例中传感器15不是设置在压缩机8a的上游，而是在压缩机8a的下游，具体在压缩机8a与增压空气冷却器10之间的进气管道4中。如传感器15设置在压缩机8a的上游的情况，仅经由低压EGR装置9已被再循环的排气通过传感器15。
由于其流过压缩机8a，新鲜空气与排气的增压空气混合物被均质，使得通过传感器15检测的含量Ci，intake明显携带关于测量品质的更大比重，即更具代表性。
压缩机8a下游的增压空气的温度由于压缩而增加，这抵消/阻碍了水冷凝出并有助于传感器15达到其运行温度。
如已提及的，在本公开的背景下，基本足以使传感器以经由低压EGR装置再循环的排气也通过传感器的方式被定位。这相当于传感器设置在到进气管道的再循环管道的开口下游。
关于传感器确定的含量Ci，intake的特性或者EGR再循环的特性，然而有利的是对应于讨论的实施例的传感器被设置在压缩机的下游，因为由排气再循环产生的新鲜空气和排气的混合物在流过压缩机时不仅被压缩而且还被均质化。因此，在压缩机下游的增压空气流内由传感器检测的含量Ci，intake将进行很小的变化，即，将更有代表性。
传感器设置在压缩机下游具有进一步的优点。压缩机下游的增压空气的温度由于压缩而增加。液体特别是水的冷凝出以此方式被抵消/阻碍。这是高度相关的，液体对传感器碰撞可以导致对传感器的损害或者破坏，并且由此导致EGR再循环的失效。此外，此处增加的增压空气温度有助于通过传感器检测含量Ci，intake，因为传感器需要某最低温度以便执行其功能，类似于催化转化器。
增压内燃发动机的实施例是有利的，其中传感器设置在压缩机与增压空气冷却器之间。
增压空气的温度在压缩机上游高于下游，因此冷凝物的形成，特别是水的冷凝出，被妨碍或者被可靠地防止。以此方式，保护传感器以免被冷凝物损害。传感器设置在增压空气冷却器下游不仅关于这方面是有利的。增加的增压空气温度辅助传感器，其可以处于最低温度以执行其功能。
然而，内燃发动机的实施例也可以是有利的，其中传感器设置在增压空气冷却器的下游，特别是即使由于所述设置，传感器被排气中含有的碳烟微粒污染不能被防止。理由如下。
此处，即使存在额外的高压EGR装置，传感器可以以这样的方式被布置在增压空气冷却器的下游，即所述传感器排他地被经由低压EGR装置再循环的排气碰撞。关于含量Ci，intake，这相当于传感器设置在增压空气冷却器上游。
然而，如果内燃发动机额外地配备高压EGR装置，则传感器也可以被布置成使所有再循环的排气通过传感器。高压EGR装置再循环排气的管道从涡轮上游的排气管道分支并且开口到增压空气冷却器下游的进气系统。如果传感器被布置在进入进气系统的管道开口的下游，则经由低压EGR装置再循环的排气和经由高压EGR装置再循环的排气都通过传感器。
由于经由高压EGR装置再循环的排气还没有被净化，特别是还没有在微粒过滤器中被后处理，所以传感器可能被污染。另一方面，传感器的设置允许通过测量检测进气系统中整个增压空气流的成分i的含量Ci，intake，并由此确定相关的总再循环率xEGR。因此，通过传感器检测的含量Ci，intake还可以被用来确定排气中的氮氧化物含量CNOx，exhaust，使得可能省去排气排放系统中的NOx传感器。
通过传感器的排气再循环的闭环控制仅在两个排气再循环装置中的仅一个在使用时是可能的，也就是说，当排气再循环排他地经由低压EGR装置或经由高压EGR装置发生时。
图3示意性示出内燃发动机1的第三实施例。试图解释与图1和图2中图示说明的实施例有关的区别，出于此原因，参考所述两个附图和相关描述。相同的参考标记用于相同的部件。
与图2中图示说明的内燃发动机1相反，假设在根据图3的实施例中传感器15不是设置在进气系统3中增压空气冷却器10的上游，而是设置在增压空气冷却器10的下游，具体是在高压EGR装置12的管道12a的开口点的下游。通过传感器15的所述设置，所有再循环的排气通过传感器15。
图4在图400中示出排气中氮氧化物的含量CNOX，exhaust相比于由燃烧产生的增压空气部分的比例(the proportion)Fintake。产生于燃烧的增压空气的比例可以通过来自传感器15的输出确定。例如，如果传感器15是氧气传感器，则与环境空气相比通过传感器的空气的氧含量的减少可以归因于增压空气中EGR的量。如果汽缸新鲜增压空气中燃烧产物的比例Fintake增加，即Fintake增加，则排气中氮氧化物含量CNOX，exhaust下降。
图5是图示说明用于基于来自设置在发动机进气道中的传感器的反馈控制LP-EGR和/或HP-EGR系统的方法500的流程图。响应于从各种发动机传感器接收的信号，例如氧气传感器(例如，图1、2和/或3的传感器15)，方法500通过车辆的控制系统(例如控制器112)被实施。
方法500包括在步骤502处确定发动机运行参数。发动机运行参数可以包括发动机转速、负荷、温度、MAP等。此外，发动机参数可以包括如在步骤504处通过位于进气道中的氧气传感器确定的增压空气中氧气的含量。
在步骤506处，确定是否能够进行EGR。EGR能够进行取决于运行参数。例如，如果发动机温度低于阈值，如果发动机转速和负荷低于阈值(例如，发动机运行于怠速)等，则EGR不能进行。如果EGR不能进行，则方法500前进到步骤508以关闭LP-EGR和HP-EGR阀两者。如果EGR能够进行，则方法500前进到步骤510以基于运行参数设置期望的EGR率。期望的EGR率可以以合适的方式设置，例如基于位于控制器的存储器中的表，并且可以基于发动机转速和负荷被确定。此外，取决于发动机转速和负荷以及其他运行参数，LP-EGR系统可以以期望的速率进行，HP-EGR系统可以以期望的速率进行，或者LP-EGR和HP-EGR系统两者均可以以期望的速率进行。
在步骤512处，方法500包括确定是否进行LP-EGR。如果进行LP-EGR，则方法500前进到步骤514以基于来自氧气传感器的反馈调节LP-EGR阀。氧气传感器可以指示EGR组成的增压空气的相关部分，并且因此LP-EGR阀可以基于来自传感器的反馈被调节以达到期望的EGR率。此外，在一些实施例中，传感器可以被用来确定增压空气中的NOx含量并由此确定EGR中的NOx含量。LP-EGR阀可以被调节以控制排气中NOx的量，例如阀可以被打开以便增加EGR率并由此降低NOx含量。此外，在一些示例中，如果HP-EGR系统也进行(如在步骤510处通过发动机运行参数确定的)，则HP-EGR阀可以基于在步骤515处通过HP-EGR系统的估计流量被控制。流量/流(flow)可以基于HP-EGR阀的确定位置、LP-EGR阀的确定位置、HP-EGR阀上游和/或下游的确定压力等被估计。
如果不能进行LP-EGR，仅能进行HP-EGR，则方法500前进到步骤516处以调节HP-EGR阀以产生期望的EGR率。在一些实施例中，例如当传感器位于进气中HP-EGR入口的下游时，在步骤518处HP-EGR阀可以基于来自传感器的反馈被调节。然而，在传感器位于HP-EGR入口的上游的实施例(例如图1和图2中图示说明的实施例)中，HP-EGR可以不基于来自传感器的反馈被控制，但可以仅基于存储在控制器的存储器中的表和如上所述估计的通过HP-EGR系统的流量被控制。当关闭阀或者调节LP-EGR和/或HP-EGR阀时，方法500返回。
因此，图5的方法提供运行包括LP-EGR和HP-EGR系统两者的增压内燃发动机。该方法包括如果LP-EGR和HP-EGR系统都进行，则基于由设置在发动机的进气系统中的传感器检测的增压空气中氧气含量来调节LP-EGR阀，并基于估计的HP-EGR流量调节HP-EGR阀。如果仅LP-EGR系统进行，则可以基于传感器检测的氧气含量仅调节LP-EGR阀。如果仅HP-EGR系统进行，则可以基于传感器检测的氧气含量仅调节HP-EGR阀。
以此方式，如果仅HP-EGR或LP-EGR系统进行，则进行的系统的闭环控制可以通过进气中的氧气传感器被改进，其可以提供比排气中的氧传感器或者比估计EGR流量的其他机构更准确的EGR率确定。氧气传感器可以布置在压缩机下游的进气中以增加传感器读数的准确性。在HP-EGR阀基于来自进气氧气传感器的反馈被控制的实施例中，传感器可以布置在HP-EGR进入进气的位置处的下游。
如果HP-EGR和LP-EGR系统都进行，则LP-EGR阀可以基于来自传感器的反馈被控制，同时HP-EGR系统可以基于估计的EGR流量被控制。LP-EGR系统的反馈控制可以提供准确的LP-EGR率，并且HP-EGR阀可以基于估计的EGR流量被控制，其可以包括确定的LP-EGR阀的位置。以此方式，可以经由来自氧气传感器的反馈间接控制HP-EGR系统。
在另一个实施例中，用于运行上述类型的增压内燃发动机的方法通过以下方法实现，该方法的特征在于通过排气再循环而被再循环的排气量相对于氮氧化物排放的减少被限定，不考虑在增压空气冷却器中冷却期间液体是否被冷凝出以及液体被冷凝出至什么程度。
在目前的情况下，通过排气再循环而被再循环的排气量指经由低压EGR装置再循环的排气。已经连同根据本发明的内燃发动机陈述的那些同样适用于根据本发明的方法。
为了冷却，增压空气被引导通过设置在至少一个汽缸的至少一个入口之上的增压空气冷却器。调节再循环率，即调节经由低压EGR装置再循环的排气量，其主要目的是减少排气排放。冷凝物的任何沉淀不会导致对排气再循环的任何限制，即对再循环的排气量的限制。
然而，方法的实施例是有利的，其中如果每单位时间沉淀的冷凝物的量超过预定值，则经由低压EGR装置再循环的排气量没有增加。所述方法变体允许这样的事实，即：不可能任意大量的液体被(甚至连续地)供应到在汽缸中发生的燃烧过程，而对内燃发动机的无故障运行不产生风险。
将意识到，本文公开的构造和方法本质上是示意性的，并且这些特定实施例不被认为有限制的意思，因为很多变化是可能的。例如，以上技术可以应用到V-6、I-4、I-6、V-12、对置4缸和其他发动机类型。本公开的主题包括本文公开的各种系统和构造以及其他特征、功能和/或性质的所有的新颖且非显而易见的组合和子组合。
所附权利要求具体指出了被认为是新颖的且非显而易见的某些组合和子组合。这些权利要求可能涉及“一个”元件或“第一”元件或其等价物。这些权利要求应该被理解为包括一个或更多个这些元件的合并，不要求也不排除两个或更多个这些元件。公开的特征、功能、元件和/或性质的其他组合和子组合可以通过对本权利要求的修改或者通过在这个或相关应用中提出新权利要求而要求保护。这些权利要求，无论在范围上比原权利要求更宽、更窄、相同或不同，也被认为包括在本公开的主题以内。

Claims (15)

1.一种增压内燃发动机，其包括：
汽缸；
进气系统中的进气管道，其用于经由所述内燃发动机的入口侧的进气歧管供应增压空气到所述汽缸的进气入口中；
排气管道，其用于排出排气；
排气涡轮增压器，其包括设置在所述排气管道中的涡轮和设置在所述进气管道中的压缩机；
排气再循环装置，其包括再循环管道，所述再循环管道从所述涡轮下游的所述排气管道分支并开口到所述压缩机上游的所述进气管道；以及
在所述压缩机下游的所述进气管道中的增压空气冷却器，所述增压空气冷却器设置在所述汽缸的所述进气入口之上。
2.根据权利要求1所述的增压内燃发动机，其中进入所述增压空气冷却器的入口被设置成大地坐标高于离开所述增压空气冷却器的出口。
3.根据权利要求2所述的增压内燃发动机，其中所述增压空气冷却器被设置成从进入所述增压空气冷却器的所述入口到离开所述增压空气冷却器的所述出口倾斜，其角度为α。
4.根据权利要求3所述的增压内燃发动机，其中所述增压空气冷却器被设置在所述内燃发动机的出口侧与入口侧之间的汽缸之上，并且从所述内燃发动机的所述入口侧到所述出口侧倾斜，其角度为α。
5.根据权利要求4所述的增压内燃发动机，其中α≥5°。
6.根据权利要求4所述的增压内燃发动机，其中α≥10°。
7.根据权利要求1所述的增压内燃发动机，其中所述增压空气冷却器被设置在所述进气系统中大地坐标最高点处。
8.根据权利要求1所述的增压内燃发动机，其中所述进气系统中的大地坐标高度在从所述增压空气冷却器到所述汽缸的所述入口的流动方向上连续减小。
9.根据权利要求8所述的增压内燃发动机，其中所述进气系统中的所述大地坐标高度在从进入所述增压空气冷却器的入口到所述汽缸的所述入口的流动方向上连续减小。
10.根据权利要求1所述的增压内燃发动机，其中所述增压空气冷却器是液体冷却的。
11.根据权利要求1所述的增压内燃发动机，其中设置另外的排气再循环装置，其包括第二再循环管道，所述第二再循环管道从所述涡轮上游的所述排气管道分支并开口到所述压缩机下游的所述进气管道。
12.根据权利要求11所述的增压内燃发动机，其中所述第二再循环管道开口到所述增压空气冷却器下游的所述进气管道。
13.根据权利要求1所述的增压内燃发动机，其中所述增压空气冷却器至少共同形成通向所述入口的进气歧管。
14.根据权利要求1所述的增压内燃发动机，其中所述增压空气冷却器和至少部分所述进气歧管形成由至少两个部件构成的组装件。
15.一种用于运行权利要求1所述的增压内燃发动机的方法，其中通过排气再循环而被再循环的排气量关于氮氧化物排放的减少而被限定，不考虑在增压空气冷却器中冷却期间液体是否被冷凝出和液体被冷凝出至什么程度。
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