CN102588084A - 具有排气涡轮增压的内燃发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种增压内燃发动机，其具有带有至少两个汽缸的至少一个液冷式汽缸盖，每个汽缸具有至少一个排气排出口，排气管线附着在每个出口。来自每个出口的排气管线合并从而在汽缸盖内形成整合的排气歧管和引导排气至汽缸盖外部的总排气管线；以及至少一个液冷式涡轮，其具有布置在上述总排气管线中的涡轮壳体。此外，从形成整合的排气歧管的排气管线中分离的旁路管线在涡轮上游分叉出来，其引导排出的排气通过涡轮和涡轮壳体的外部。

Description

具有排气涡轮增压的内燃发动机

相关申请

本申请要求2011年1月17日提交的德国专利申请No.10 2011 002 759.9的优先权，其全部内容为了所有目的通过引用包括在此。

技术领域

本公开涉及增压内燃发动机，其具有至少一个液冷式汽缸盖、涡轮和排气系统，排气系统包括用于抽取排气的旁路管线，其从涡轮上游分出来，可通过该旁路管线引导抽取的排气通过涡轮。

背景技术

在本公开的背景下，措辞“内燃发动机”包括柴油发动机、火花点火发动机以及混合式内燃发动机。

发明内容

内燃发动机以排气系统为特色，其中排气系统包括形成发动机汽缸下游的排气歧管的组合排气管线。在排气歧管的下游，排气通常被提供至排气涡沦增压器的至少一个涡轮，并且在适用情况下提供至一个或更多个排气后处理系统。涡轮可布置于尽可能接近汽缸的排出口，因此以便能够最佳地利用热排气的排气焓(enthalpy)且能够保证涡轮增压器的快速响应行为。热排气至不同排气后处理系统的通路也应尽可能的短，以便提供短时间用于排气的冷却且排气后处理系统尽可能快地达到它们的操作温度或点火温度，尤其在内燃发动机的冷启动之后。因此，根据本公开，至少一个排气歧管被完全整合在汽缸盖中，因此使涡轮上游的排气管线的总长度和容量最小。所述类型的汽缸盖的特征也在于非常紧凑的设计，这允许整个驱动单元的密集封装。这类汽缸盖的使用也导致组件数目减少，并且因此导致成本上的减少，尤其是装配和采购成本。

本公开的另一个方面包含涡轮横截面的小设计以及排气排放设备的同步供应。这个废气门配置抵消充气压力降，其中当借助排气涡轮增压器增压内燃发动机时经历充气压力。若排气质量流超过临界值，控制元件就打开旁路管线，并且在所谓的排气排放过程中经旁路管线引导一部分排气流通过涡轮。这允许更小的涡轮，其针对小到中等排气量而设计，以通过引导至少一部分气体通过涡轮从而处理更大的排气量，例如，经历高负荷或高旋转速度的那些排气。

在一些布置中，旁路管线在涡轮壳体中至少部分被整合。例如，欧洲专利申请EP 2 143 922 A1描述了一种增压内燃发动机，其中涡轮壳体也包含旁路管线和/或控制元件。然而，这个构造增加涡轮壳体的容量和重量，导致生产和材料成本的增加。

因此，本公开的目的在于提供一种增压内燃发动机，其包含带有至少两个汽缸的至少一个液冷式汽缸盖，每个汽缸具有至少一个排气排出开口；附着在每个出口的排气管线，来自每个出口的排气管线合并从而在汽缸盖内形成整合的排气歧管和引导排气至汽缸盖外部的总排气管线；至少一个液冷式涡轮，其具有布置在所述总排气管线中的涡轮壳体；以及旁路管线，其形成分离的排气管线，在涡轮上游分叉出来，引导排放的排气通过涡轮和涡轮壳体的外部。

涡轮的上述布置使以下成为可能，即当同时实现密集封装时，即使对于大容量排气后处理系统，也可将其以紧联结布置放置在汽缸体的侧部和涡轮下游。

参考以下大致按比例绘制的附图，下文将在更多细节上说明本公开。

附图说明

图1在透视图中图解示出增压内燃发动机第一实施例的汽缸盖和排气涡轮增压器的涡轮。

图2在汽缸盖的装配端侧的俯视图中示出图1中说明的汽缸盖和涡轮的布置。

图3在透视图中示出图1中说明的汽缸盖和涡轮的布置，其截面垂直于装配端侧。

图4示出冷却图1-3的内燃发动机的示例性方法。

具体实施方式

图1在透视图中图解示出增压内燃发动机第一实施例的汽缸盖1和排气涡轮增压器的涡轮8。

涡轮8是液冷式的并且布置在总排气管线6中，排气经总排气管线6由排气歧管5收集且被排出汽缸盖1。涡轮位于涡轮壳体8a内，其装备有冷却剂导管从而形成液冷布置，其中冷却剂经冷却剂进入口12a供给且经冷却剂排出口12b排出。涡轮壳体8a可直接附着在汽缸盖1上，且汽缸盖1的冷却布置可从汽缸盖1至涡轮壳体8a的冷却剂进入口12a提供冷却剂。汽缸盖1可具有内部歧管5，其联结多个汽缸2的排气孔4a、4b和冷却通道。以该方式，汽缸盖1可包括冷却的整合排气歧管5，其经由穿过冷却通道的冷却剂被冷却。涡轮壳体8a可联结到内部歧管5下游的汽缸盖1且具有流控地联结到汽缸盖1的冷却通道的冷却通道，以便冷却剂可从汽缸盖1流动至涡轮壳体8a。此外，可能的是，为涡轮8的液冷布置装备单独的热交换器用于该目的，或在液冷式内燃发动机的情况下，发动机冷却布置的热交换器，即，不同液冷布置的热交换器用于该目的。后者仅要求两个回路间的对应连接。

压缩机(未示出)和涡轮8可布置在同一轴上，热排气流被提供至涡轮8且在涡轮8中膨胀，同时释放能量，因此轴被轮流设置。由排气流提供至涡轮8且最终至轴的能量用于驱动同样被布置在轴上的压缩机。压缩机传递且压缩提供给它的增压空气，因此获得汽缸2的增压。

在装配期间，作为分离的预制总成的排气涡轮增压器的轴，与预安装涡轮和压缩机转子一起，例如以箱的形式，插入到涡轮壳体8a中或插入整合到汽缸盖1的涡轮增压器壳体中。在此，壳体8a不仅支撑涡轮组件8，而且也支撑压缩机的部件。将新鲜空气管线附着到压缩机或从压缩机出发是进一步可能的，例如从压缩机出口至汽缸盖1的入口侧的管线。此外，可能的是，将新鲜空气管线整合到汽缸顶盖，且到压缩机壳体的距离由导管连接起来，其中所述导管也可为，例如，汽缸盖1的部件。

涡轮8可被设计为辐射状涡轮，即，行近转子叶片的流大体辐射状移动。在此，“大体辐射状”表示径向上的速度分量大于轴向速度分量。流的速度向量和涡轮8的轴或轮轴相交，若行近流完全辐射状移动，则具体地在直角处相交。为了使流呈辐射状行近转子叶片成为可能，用于排气供给的进口区通常被设计为环形螺旋或蜗轮箱壳体，以便至涡轮8的排气流入物大体辐射状移动。然而涡轮8也可被设计为轴涡轮，其中轴向的速度分量大于径向的速度分量。

涡轮8可装备有可变的涡轮几何结构，其能够更精确适应于涡轮几何结构或有效涡轮横截面的调节的内燃发动机的各自运转点。在此，用于影响流方向的可调节引导叶片布置在涡轮8的入口区中。对比旋转转子的转子叶片，引导叶片不随着涡轮8的轴旋转。

若涡轮8具有固定的、不可变的几何结构，则引导叶片布置在入口区中以便不仅是固定的而且是完全不可移动的，即刚性固定。与此相反，在可变几何结构的情况下，引导叶片也被适当布置以便其为固定的，但不是完全不可移动的，而不是围绕它们的轴可旋转的，以便行近转子叶片的流可被影响。

使用其涡轮8和压缩机串联或并联布置的多个涡轮增压器也是可能的。

为了排放排气，即为了绕开涡轮8，提供旁路管线9，其在涡轮8的上流被分叉出来且排气可经由旁路管线9被引导通过涡轮8。旁路管线9可为由耐热钢制成的管道零件且可用螺钉将其钉在汽缸盖上，然而在进入总排气管线的内开点上，也可提供代替螺钉连接的焊接连接。旁路管线9可联结到排气歧管5下游的汽缸盖1且与涡轮壳体8a平行。在此，旁路管线9，作为分离的排气管线，可通过涡轮8，至涡轮壳体8a的外面且在涡轮8的下游重回总排气管线6，在涡轮8的总排气管线中，排气后处理系统(未示出)布置在旁路管线9的内开点的下游。旁路管线9可从总排气管线6、排气歧管5中分出来，尤其在排气管线通向公共总排气管线且内燃发动机汽缸的热排气被收集的区域中、或涡轮8上游的任何其它位置分出来。旁路管线9可在涡轮8下游的任意点(包括后处理系统的上游或下游)重新加入总排气管线6，其中后者可导致两个气流分别被供应至后处理系统。

为了调节排出的排气流，提供控制元件10，在图1说明的实施例中其布置在旁路管线9的端部，在此处旁路管线9进入总排气管线6。控制元件可被替换地直接布置在旁路管线的分支上，也就是在传感点(pick-off point)的附近，以便允许在汽缸盖中提供的液冷布置冷却控制元件，或可以别的方式有利附着于旁路管线。在控制元件10处，枢转瓣10a控制旁路管线9被关闭或打开，其中枢转瓣10a的旋转轴伸出旁路管线9。当涡轮增压器的负载超过预定阈值时或当排气温度超过预定阈值时，瓣10a可开启旁路管线9。控制元件10可替换地或额外地包含阀，并且可通过例如内燃发动机的发动机控制器电力地、通过水压、由空气作用、机械地、或磁力地控制。

图2在汽缸盖1的装配端侧1a的俯视图中示出图1中说明的汽缸盖1和涡轮8的布置。汽缸盖1可在装配端侧1a连接到汽缸体(未示出)以便形成汽缸2。仅寻求解释与以上描述的图1相比的额外特征，因此以别的方式参考图1。相同参考标记用于相同组件。

如图2所示，示出的汽缸盖1在沿着汽缸盖1纵轴的直列布置中具有四个汽缸2。在此，所示汽缸盖1具有四汽缸直列发动机。

每个汽缸2具有两个用于释放排气的排出口3a、3b，其中每个排出口3a、3b通过排气管线4a、4b在下游毗连。四个汽缸2的排气管线4a、4b合并从而在汽缸盖1内形成总排气管线6，以便形成整合的排气歧管5。

至少一个汽缸盖1具有三个或更多汽缸2且仅两个汽缸2的排气管线4a、4b合并，从而在汽缸盖1内形成总排气管线6。在两个或更多汽缸2的情况中，实施例也是有利的，其中至少三个汽缸2可以以在每种情况下形成两个组的方式被配置，而每个汽缸组的至少一个汽缸2以及汽缸2的排气管线4a、4b在每种情况下合并为总排气管线6以便形成排气歧管5。汽缸盖1可具有直列布置的四个汽缸，直列布置中外部汽缸2的排气管线4a、4b和内部汽缸2的排气管线4a、4b在每种情况下被合并从而形成总排气管线6。

旁路管线9可在面向装配端侧1a的侧上分叉出来，即在歧管5面向汽缸体的侧上，具体地在盖1中排气的收集点7上，在此排气歧管5的单独排气管线4a、4b合并从而形成总排气管线6。旁路管线9可在旁路管线9的输入侧连接到涡轮壳体8a上游的总排气管线6，且在旁路管线9的输出侧连接到涡轮壳体8a下游的位置。以该方式，旁路管线9位于涡轮壳体的外部，形成从合并的排气管线4a、4b分离的排气管线，其中合并的排气管线4a、4b形成排气歧管5，且旁路管线9引导排气流至涡轮壳体8a的外部。

图3在透视图中示出图1和2中说明的汽缸盖1和涡轮8的布置，其截面垂直于装配端侧1a。仅寻求解释与以上描述的图1和2相比的额外特征，因此以别的方式参考上述图形。相同参考标记用于相同组件。

带有整合歧管5的汽缸盖1的热负载高于装备有外部歧管的汽缸盖，且因此对冷却布置有更多的需求。为了保持汽缸盖的热负载在理想范围内，引入到汽缸盖1的一部分热流可再次从汽缸盖1抽取。通常，通过强迫对流有目标地实现汽缸盖1的冷却。为此目的，汽缸盖1装备有液冷布置，其中为了形成液冷布置，提供冷却套11、11a、11b。液冷布置包含下部冷却套11b和上部冷却套11a和其他的部件，下部冷却套11b布置在整合的排气歧管5和装配端侧1a之间，且上部冷却套11a布置在来自下部冷却套11b的排气歧管5的相对一侧上。冷却套11、11a、11b因此形成冷却导管布置，其引导冷却剂穿过汽缸盖1。在此，通过布置在冷却回路中的泵(未示出)馈进冷却剂，以便所述冷却剂在冷却套中循环。耗散至冷却剂的热以该方式从汽缸盖1的内部释放，且再次在热交换器(未示出)中从冷却剂中被抽出。

对于冷却布置，采用空气冷却布置或液冷布置的形式从根本上是可能的。由于液冷可耗散多很多的热，所以通常形成带有液冷布置的本类型汽缸盖1。

在汽缸盖1中，至少一个连接布置在整合排气歧管5的一侧上，该侧远离汽缸盖1的至少两个汽缸2而面向至少两个汽缸2。至少一个连接因此位于整合的排气歧管5的外部。至少一个连接和总排气管线6之间的间隔可小于汽缸2的直径，例如小于汽缸2直径的一半或四分之一，而此间隔为总排气管线6的壁和至少一个连接的壁之间的距离。由于上部和下部冷却套11、11a、11b之间生成的压力梯度，可改进冷却作用，因此至少一个连接中的速度增加，这导致由于对流而增加的热传。若下部冷却套11b和上部冷却套11a连接到涡轮8的冷却导管，则这类压力梯度也提供优势。压力梯度然后充当用于传送冷却剂穿过涡轮8的冷却导管的驱动力。

在图3说明的示图中，可以看出，涡轮8的转子布置在装配端侧1a之上，且可置于整合的排气歧管5之上，即在整合的排气歧管5远离装配端侧1a但朝向装配端侧1a的侧上。转子的旋转轴8b，即转子可旋转固定于其上的涡轮轴，位于装配端侧1a之上。

可以以一个零件形成涡轮8的涡轮壳体8a和汽缸盖1，即壳体8a和汽缸盖1形成单片组件，在本实例中为铸造部件。穿过涡轮8或穿过旁路管线9的排气流由箭头表示。涡轮壳体8a和至少一个汽缸盖1可替换地作为分离组件，它们以非强制联锁、强制联锁和/或粘合方式彼此相连接。

图4示出冷却之前图1-3中示出的内燃发动机的示例性方法。如步骤40中所示，来自于联结到汽缸盖1的多个汽缸2中的每个的排气流被联合。这形成整合到汽缸盖1中的排气歧管5，其中可在步骤41由从汽缸盖1流到涡轮壳体8a的冷却剂冷却排气歧管5。联合流在步骤42被划分为分离的第一流和第二流。步骤41和42都可发生在汽缸盖1之内。在步骤43，从汽缸盖1引导第一流至涡轮壳体8a从而流过涡轮8，涡轮8和涡轮8a附着到汽缸盖1，以便其可由从涡轮壳体8a的冷却剂入口12a流至冷却剂出口12b的冷却剂冷却，且进一步以便其驱动涡轮8。在步骤44，第二流被引导从汽缸盖1至旁路管线9并且穿过旁路管线9，旁路管线9穿过涡轮8的下游和外部以及涡轮壳体8a。以该方式，第二流不接触涡轮8或在涡轮壳体8a内流动，减少至涡轮8的热传输。如步骤45中所示，在有资格打开的操作条件下可打开旁路管线9，例如当涡轮增压器负荷超过预定阈值或排气温度超过预定阈值时。在该情况下，由于可引导排气经过旁路管线至涡轮下游的联合排气管线，排气可流经旁路管线且从汽缸盖退出，而不进入涡轮壳体。如步骤46中所示，在有资格关闭的操作条件下可闭合旁路管线9，例如，当涡轮增压器在正常负载和温度下运转时。

应当注意，汽缸盖1可具有用于第一和第二流的各自出口，第一出口联结涡轮壳体8a，且第二出口联结旁路管线9。在这个情况下，当旁路管线入口直接联结到汽缸盖1时，其可替换地联结到管线，该管线联结涡轮增压器入口和汽缸盖1。此外，应当注意，汽缸盖1内包含的排气歧管5可首先联合来自两个或更多汽缸2的流，然后仍然在汽缸盖1内划分该流。歧管5、歧管入口流(来自每个各自汽缸2)、联合流以及分离的第一和第二流中的每个可邻接于汽缸盖1的内部冷却通道。

Claims (20)

1.一种内燃发动机，其包含：

至少一个液冷式汽缸盖，其带有至少两个汽缸，每个汽缸具有至少一个排气排出口；

排气管线，其附着于每个出口，来自每个排出口的所述排气管线合并从而形成所述汽缸盖内整合的排气歧管和引导排气至所述汽缸盖的外部的总排气管线；

至少一个液冷式涡轮，其具有布置在所述总排气管线中的涡轮壳体；

旁路管线，其形成从所合并的排气管线分离的排气管线，从所述涡轮的上游分出来，所述涡轮引导排放的排气穿过所述涡轮和所述涡轮壳体的外部，其中合并的排气管线形成所述排气歧管。

2.根据权利要求1所述内燃发动机，其中所述旁路管线从所述总排气管线分出来。

3.根据权利要求1所述内燃发动机，其中所述旁路管线从所述整合的排气歧管分出来。

4.根据权利要求1所述内燃发动机，其中每个汽缸具有至少两个排出口，并且至少两个汽缸的所述排气管线合并，从而在所述汽缸盖内形成总排气管线，以便形成整合的排气歧管，同时在部分排气管线合并形成所述总排气管线之前，每个汽缸的至少两个排出口的所述排气管线首先合并从而形成与所述汽缸相关联的部分排气管线。

5.根据权利要求1所述内燃发动机，其中所述旁路管线通向所述涡轮下游的所述总排气管线。

6.根据权利要求5所述内燃发动机，其中排气后处理系统布置在所述旁路管线的下游和所述涡轮的下游。

7.根据权利要求1所述内燃发动机，其中所述至少一个汽缸盖在装配端侧连接到汽缸体，并且所述旁路管线在面向所述装配端侧的侧上分出来。

8.根据权利要求1所述内燃发动机，其中所述至少一个汽缸盖可在装配端侧连接到汽缸体，其中所述至少一个涡轮的转子被布置在所述装配端侧的面向所述汽缸盖的所述侧之上。

9.根据权利要求1所述内燃发动机，其中所述旁路管线装配有控制元件，用于调节排出的排气流。

10.根据权利要求1所述内燃发动机，其中所述至少一个涡轮的所述壳体以及所述至少一个汽缸盖为分离的组件，其以非强制联锁、强制联锁和/或粘合方式彼此相连接。

11.根据权利要求1所述内燃发动机，其中所述至少一个涡轮的至少部分涡轮壳体和所述至少一个汽缸盖被形成在一个零件中并且形成单片组件。

12.根据权利要求11所述内燃发动机，其中所述单片组件为铸造部件。

13.根据权利要求12所述内燃发动机，其中所述单片组件为铝铸件。

14.根据权利要求1所述内燃发动机，其中所述旁路管线包含耐热钢制成的管件。

15.根据权利要求9所述内燃发动机，其中所述旁路管线包含用于所述控制元件的壳体，其中壳体优选由灰铸铁或铸钢制成。

16.一种冷却发动机的方法，其包含：

在汽缸盖内，联合来自多个汽缸的排气流，并且然后将所联合的排气流分离为第一流和第二流；

引导所述第一流从所述汽缸盖至附着在所述汽缸盖的涡轮壳体；以及

引导所述第二流从所述汽缸盖至旁路以及所述涡轮壳体的下游和外部。

17.根据权利要求16所述方法，其进一步包含使冷却剂从所述汽缸盖流动至所述涡轮壳体。

18.根据权利要求17所述方法，其中所述汽缸盖包括借助于所述冷却剂的冷却排气歧管。

19.根据权利要求16所述方法，其中所述排气流被引导通过所述旁路至所述涡轮壳体下游的联合排气管线。

20.一种发动机，其包含：

汽缸盖，其具有联结多个汽缸的排气孔和冷却通道的内部歧管；

涡轮壳体，其联结到所述内部歧管下游的所述汽缸盖，所述内部歧管具有流控地联结到所述汽缸盖的冷却通道的冷却通道；以及

旁路，其中具有控制阀，其联结到所述歧管下游的所述汽缸盖并且与所述涡轮壳体平行。

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