CN103299043B - 用于运行数量控制的内燃机的方法和内燃机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于运行数量控制的内燃机（1）的方法，所述内燃机包括进气系统（2）和排气管路（3），在进气系统（2）中在燃烧用空气的流动方向上在内燃机（1）的进气阀上游设置膨胀机（4），所述膨胀机的输出轴（4ˊ）能与内燃机（1）的输出轴（1ˊ）耦合，设有能设置在排气管路（3）上的换热器（5），燃烧用空气在其流过膨胀机（4）之前在换热器（5）中被内燃机（1）的废气加热。根据本发明的方法使得具有数量控制的负荷控制的内燃机的效率在部分负荷中显著提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于运行数量控制的内燃机的方法以及一种内燃机。
背景技术
德国专利公开文本DE10116264A1公开一种用于运行具有机械增压和可变压缩的内燃机的方法。在用于运行具有设置在进气系统中的可通过耦合装置由曲轴驱动的机械压缩机的内燃机的该方法中，燃烧用空气被供送至发动机进气口中。另外设有用于可变地调节燃烧室内的压缩比的装置，通过该装置在内燃机的部分负荷范围中调节出较高的压缩比并且在满负荷范围中调节出较低的压缩比。需由压缩机输送的空气质量流是可调节的，在低于参考负荷值的部分负荷范围中，为了调节出进气口中的负压，压缩机以节流运行或膨胀运行方式运行。
另外上述内燃机节流方法在书"Turbo-undKompressormotoren",EntwicklungundTechnik,Motorbuchverlag,Hack/Langkabel,2001年第2版,ISBN号3-613-01950-7。在该书第72页的章节“LadertypenimDetail”的节“Regelung”中详细说明了这种已知的节流方法。
上述方法的缺点在于数量控制的内燃机的效率提高尚不充分，该效率还明显低于质量控制的内燃机的效率，在质量控制的内燃机中，例如借助稀薄燃烧方法(λ>1)进行负荷控制。
发明内容
本发明的任务在于提出一种用于运行数量控制的内燃机的方法，在该方法中效率明显得到提高。
本发明实现一种用于运行数量控制的内燃机的方法，所述内燃机包括进气系统和排气管路，在进气系统中在燃烧用空气的流动方向上在内燃机的进气阀上游设置膨胀机，所述膨胀机的输出轴能与内燃机的输出轴或与电机的驱动轴耦合，设有能设置在排气管路上的换热器，燃烧用空气在其流过膨胀机之前在换热器中被内燃机的废气加热，被加热的燃烧用空气在进入膨胀机之前在混合器中与未被加热的燃烧用空气混合，所述燃烧用空气在膨胀机下游并且在进气阀上游在冷却器中被冷却，燃烧用空气在换热器上游和/或在混合器上游被废气涡轮增压器的压缩机压缩，并且所述膨胀机作为第二压缩机工作。
本发明还实现一种用于按本发明方法运行的数量控制的内燃机，所述内燃机包括进气系统和排气管路，在进气系统中在燃烧用空气的流动方向上在内燃机的进气阀上游设置膨胀机，所述膨胀机的输出轴能与内燃机的输出轴或与电机的驱动轴耦合，设有能设置在排气管路上的换热器，燃烧用空气在其流过膨胀机之前能在换热器中被内燃机的废气加热，在进气系统中在燃烧用空气的流动方向上在换热器下游并且在膨胀机上游设置混合器，被加热的和未被加热的燃烧用空气能在该混合器中被混合，在进气系统中在膨胀机和进气阀之间设置用于燃烧用空气的冷却器，在进气系统中在燃烧用空气的流动方向上在换热器上游和/或在混合器上游设置废气涡轮增压器的压缩机，并且所述膨胀机能作为第二压缩机工作。
下面表明，通过利用进气系统中的膨胀过程不仅避免换气损失，而且结合根据本发明的废气换热器实现了明显的效率增加和因此显著的燃料消耗优势。另外，该技术可特别好地与废气涡轮增压结合。在下面关于本发明又提及数量控制的内燃机的有效负荷控制(ELS)。
类似于通过进气系统中的压缩机(机械驱动或电驱动)压缩燃烧用空气可提高内燃机功率，可代替节气门用膨胀机将燃烧用空气“稀释”、即调整到较低的密度并且因此内燃机功率降低。从而在实践中完全避免了节气门的节流损失。效率优势与可变气门控制相似，其例如由BMW以名称“Valvetronic”大规模使用。在膨胀机中所做的功在此可通过内燃机的机械耦合装置(例如皮带传动机构)被输送给内燃机。就此而言这相应于现有技术。
如根据本发明通过排气管路上的换热器将热能传递给燃烧用空气，则可在内燃机的部分负荷中实现进一步的、显著的效率提高。由此燃烧用空气的体积流量增大并且在进气系统中的膨胀机中所做的功与该体积流量成正比。在膨胀机下游，在燃烧用空气被供应给内燃机之前，燃烧用空气通过冷却器、如增压空气冷却器再次被冷却到常见的燃烧用空气温度。因此可在数量控制的内燃机的部分负荷范围中实现明显高于可变气门机构的效率。
另外，该方法可极好地与废气涡轮增压结合(在此情况下，有利地是已存在增压空气冷却器)。在此废气中的一部分热能以燃烧用空气的压力升高的形式被输送给膨胀机，同时换热器中的温度降低。这有利地导致进气系统中的构件的较低的温度负荷。因此膨胀机的提高效率的运行可通过膨胀机上更大的压差扩展到内燃机的较高的负荷范围中。该理论上的、在比较过程中可到达的效率相应于具有完全膨胀的过程控制的效率并且因此甚至高于质量控制的负荷控制的效率。
在根据本发明的另一种方案中，代替连接到内燃机上，膨胀机也可连接到电机或发电机上，并且所产生的电流可被输送给蓄电器或直接输送给耗电器。
在适合的设计中，即为了使用于负荷控制的机械可变地既作为膨胀机又作为压缩机运行时，可额外地改善废气涡轮增压器的响应特性并且因此实现了一种内燃机设计，其功率高且燃料消耗非常有利并且在使用废气涡轮增压器时具有极好的响应特性(避免“增压盲点”)。
总之，通过根据本发明方法(ELS)和根据本发明构造的内燃机产生下述优点：
-燃料消耗非常有利，同时功率潜力高并且废气涡轮增压时响应性能极好。
-无需复杂的内部的内燃机技术(如可变气门控制)或燃烧方法(如具有相应复杂的废气后处理的稀薄燃烧方法、HCCI等)。
-本发明的系统(方法和装置)可在不改变内燃机设计(如TGDI内燃机(增压汽油直喷))的情况下仅通过外部措施(转换阀、废气－燃烧用空气换热器、膨胀机、增压空气冷却器)构成。
-根据本发明的燃烧方法涉及传统的λ＝1的燃烧方法，无需复杂的废气后处理，并且因此可在世界上广泛使用本发明。
-与优点相比仅产生极小的结构费用和极低的技术风险。
附图说明
下面借助六个附图中的现有技术和四个附图中的两种优选实施例详细说明本发明。
图1示意性示出具有通过节气门的负荷控制的内燃机；
图2以第一p-V曲线图(一个载荷循环的压力对体积)示出有关图1的过程曲线；
图3示意性示出具有通过可变气门机构(VVT)的负荷控制的内燃机；
图4以第二p-V曲线图(VVT)示出有关图3的过程曲线；
图5示意性示出具有通过进气系统中的膨胀机的负荷控制(VLS、体积负荷控制)的内燃机；
图6以第三p-V曲线图(VLS)示出有关图5的过程曲线；
图7示意性示出具有根据本发明的负荷控制(ELS、有效负荷控制)的内燃机；
图8以第四p-V曲线图(ELS)示出有关图7的过程曲线；
图9示意性示出具有根据本发明的负荷控制(ELS)和附加的废气涡轮增压的内燃机；
图10以第五p-V曲线图(ELS和ATL)示出有关图9的过程曲线。
具体实施方式
下面在所有附图中为相同结构元件使用相同的附图标记。
图1示意性示出了根据现有技术的具有通过节气门的负荷控制的内燃机。经由进气系统2，具有通过四个圆圈象征性表示的气缸的内燃机1吸入燃烧用空气，燃烧用空气首先通过进气消音器9，然后在节流元件12旁经过，例如节气门或圆筒滑阀。被吸入的燃烧用空气随后与气缸中的燃料燃烧并且作为废气通过排气管路3再次排出，在排气管路3中在废气的流动方向上设置一个用于废气净化的废气净化设备10和紧接着的一个消音器11。
数量控制(λ＝1)的内燃机1的传统的负荷控制通过节流元件12通过在内燃机1进气阀上游的进气管路中“稀释”吸入空气来实现。图1示出以四气缸往复活塞式内燃机为例的如上所述的相应布置。
图2以第一p-V曲线图(一个载荷循环的压力对体积的关系)示出有关图1的用于内燃机1部分负荷的过程曲线。由于内燃机1的p-V曲线图对于机械制造或发动机制造领域的技术人员而言当然是已知且熟悉的，所以除了刚刚提及的细节之外不再详细说明。为了更好地分辨较低的压力范围，为压力绘出对数刻度。
为了调整出内燃机1的部分负荷，在数量控制的负荷方法中减少供送给内燃机1的空气量。在节流方法中，为此空气通过节流元件12降低到压力PL，在该压力时出现要求负荷所需的燃烧用空气的密度。由于内燃机1吸入低压PL的燃烧用空气，但必须克服环境压力PU排出废气，所以换气循环中的功为负并且在做功过程中消失。该换气循环为逆时针旋转的循环，在p-V曲线图中通过圆形箭头表示。因此在部分负荷中节流方法效率低下。
图3示意性示出了同样根据现有技术的具有通过可变气门机构(VVT)的无节流的负荷控制的内燃机1。图3与图1的区别在于，省略节流元件12，但为此负荷控制借助可变气门机构(VVT)、如BMW的“Valvetronic”进行。在该无节流的方法中，负荷控制通过进气阀的行程和/或打开持续时间变化来进行。这象征性地分别通过气缸中的一个箭头(表示可变性)和一个三角(表示进气阀)来表示。
一种已知的用于在数量控制的负荷方法中避免换气损失的措施在于使用上述可变气门机构(VVT)。在此仅这样长或远地打开换气进气门，直到所需的燃烧用空气量进入气缸中。在此省略节流元件12。图4中示出有关的过程曲线。
图4以第二p-V曲线图(VVT)示出有关图3的过程曲线。在此在环境压力PU下吸入所需的燃烧用空气量。随后几乎无损地在气缸中膨胀至PL并且再压缩至PU进行。之后开始本来的做功过程。在此很大程度地避免了图2的左旋的有损失的过程循环。但过程曲线偏离最佳的汽油机循环过程，因为在VVT方法中不能形成环境压力PU下方的阴影部分。因此借助该方法不能在部分负荷中实现如在满负荷或在质量控制的负荷控制(如稀薄燃烧方法，λ>1)时的汽油机循环过程的最大效率。
图5示意性示出具有同样已知的借助进气系统2中的膨胀机4的负荷控制(VLS、体积负荷控制)的内燃机1。与图1和3不同，图5中的内燃机1既没有节流元件12又没有可变气门机构(VVT)。与此相反，在进气系统2中设置膨胀机4，其输出轴4'可与内燃机1的输出轴1'例如通过皮带传动机构耦合。
膨胀机例如理解为压缩机、往复活塞机械、涡轮机、螺杆或叶片。
因此形成一种替换的用于通过使用膨胀机4避免换气损失的可能性。在此燃烧用空气被膨胀到压力PL，在该压力下产生要求负荷所需的密度。膨胀功经由机械耦合装置(如皮带传动装置)被输入给内燃机1，或者也可通过发电机为蓄电器充电。
图6以第三p-V曲线图(VLS、体积负荷控制)示出有关图5的过程曲线。膨胀机4吸入环境压力PU下的燃烧用空气并且将其膨胀到PL。接着，燃烧用空气被排出膨胀机4并且内燃机1的进气以做功中性的方式在压力水平PL上进行。内燃机1中从PL到PU的压缩功在此通过膨胀机4中的膨胀功补偿。所产生的过程曲线相应于借助可变进气机构VVT的负荷控制(参见图4)。
这种负荷控制方法可理解为用于低负荷范围的在借助压缩机的增压技术中所利用的功能原理的颠倒。
图7示意性示出采用根据本发明的负荷控制方法(ELS、有效负荷控制)的内燃机1。图7与图5的区别在于，在排气管路3中设置一个换热器5例如气-气换热器，通过该换热器，由内燃机1或膨胀机4吸入的燃烧用空气可被预热。为了能调节出定义的温度，在换热器5下游并且在膨胀机4上游在进气系统2中设置一个混合器6，该混合器例如具有一个活门控制装置或一个辊控制装置。另外，在进气系统2中在膨胀机4和内燃机1之间还可设置一个附加的冷却器7如增压空气冷却器用以冷却预热的燃烧用空气。
因此，根据本发明通过借助排气管路3中的换热器5加热燃烧用空气并且在此后将其供送给膨胀机4并且在膨胀到压力PL之后借助冷却器7如增压空气冷却器冷却到较低的燃烧用空气温度水平上，可进一步提高效率并且改善燃料消耗，图8示出由此产生的过程曲线。
图8以第四p-V曲线图(ELS)示出有关图7的过程曲线。环境压力PU下的燃烧用空气被供送至膨胀机4。然而与图6相比，通过借助换热器5提高的燃烧用空气温度形成明显增大的燃烧用空气体积。在膨胀机4中产生的膨胀功在此与被加热的燃烧用空气的体积成比例地增加。在膨胀到压力水平PL并且被排出膨胀机4之后，燃烧用空气通过冷却器7被冷却至接近环境空气温度。用于内燃机1的进一步的过程曲线与节流运行时的过程曲线(图2)相同。与节流方法(图2)或VVT方法(图4)相反，在做功平衡中在环境空气压力PU下方剩下右旋的过程循环(箭头)，从其中可获得额外的功并且因此可改善内燃机1的效率。
如上所述，在膨胀机4的作为膨胀和压缩机的可变设计中可额外实现增压。为了内燃机的1的增压运行，通过膨胀机4上游的混合器6中的转换活门关闭经过换热器5的供气并且直接向膨胀机4供应冷空气4。通常混合器6中的所述活门(用于燃烧用空气的温度调节器)在换热器运行时通过混合被加热的和冷的燃烧用空气在膨胀机4上游调节出所希望的温度水平。因此该系统可极其灵活地适应各运行条件或运行极限(如极限温度、冷却器尺寸，膨胀比等)。借助膨胀机和废气余热利用的负荷控制的原理在此被称为ELS(有效负荷控制)。
现在，根据本发明方法的特征在于，燃烧用空气在其流过膨胀机4之前在换热器5中被内燃机1的废气加热。
在本发明的一种扩展方案中，被加热的燃烧用空气在进入膨胀机4之前在混合器6中与未被加热的燃烧用空气混合。在该方法的另一种扩展方案中，燃烧用空气在膨胀机4下游并且在内燃机的进气阀上游在冷却器7中被冷却。
图9示意性示出具有根据本发明的负荷控制(ELS)的内燃机1，其为根据图7的本发明内燃机1的一种扩展方案。
与图7中的内燃机1相比，图9中的内燃机1具有废气涡轮增压器，该废气涡轮增压器包括排气管路3中的废气涡轮机13和进气系统2中的压缩机8。废气涡轮增压器的废气涡轮机13设置在内燃机1和废气净化设备10之间，废气涡轮增压器(ATL)的压缩机设置在进气消音器9和混合器6或换热器5之间。
图9示出，在本发明的一种扩展方案中有效负荷控制(ELS)也可极好地结合废气涡轮增压。在图9中示出具有废气涡轮增压的内燃机1被补充以膨胀机4。图10可见有关的过程曲线。
图10以第五p-V曲线图(ELS和ATL)示出有关图9的过程曲线。通过废气涡轮增压器(ATL)可在较高的部分负荷下预压缩燃烧用空气并且因此可提高膨胀机4上的压差。因此膨胀机4的效率优势可扩展到内燃机1的更高的负荷范围上。通过一个未示出的废气门控制装置(绕过涡轮机13的旁路)可在膨胀机4之前调节出用于相应工作点的压力和温度方面的最佳状态。在废气门打开时获得最高温度，在废气门关闭时获得最高压力。因此在膨胀机4同时也用作压缩机的情况下形成废气涡轮增压器和压缩机的组合。从而可众所周知地显著改善废气涡轮增压器的响应特性(避免“增压盲区”)。
在该实施方式中，根据本发明的方法被进一步扩展，即燃烧用空气在燃烧用空气的流动方向上在换热器5上游和/或混合器6上游被压缩机8压缩。另外，膨胀机4也可作为第二压缩机运行。
当然，用于根据本发明方法的内燃机可以是四冲程或二冲程内燃机或旋转活塞内燃机。根据本发明的方法也可用于根据汽油机或柴油机工作的内燃机。
总之，通过根据本发明方法(ELS)和根据本发明构造的内燃机产生下述优点：
-燃料消耗非常低，同时功率潜力高并且废气涡轮增压(ATL)时响应性能极好。
-无需复杂的内部的内燃机技术(如可变气门控制)或燃烧方法(如具有相应复杂的废气后处理的稀薄燃烧方法、HCCI等)。
-本发明系统(方法和装置)可在不改变内燃机设计(如TGDI内燃机(增压汽油直喷))的情况下仅通过外部措施(转换阀、废气－燃烧用空气换热器、膨胀机、增压空气冷却器)构成。
-根据本发明的燃烧方法涉及传统的λ＝1的燃烧方法，无需复杂的废气后处理，并且因此可在世界上广泛使用。
-与优点相比仅产生极小的结构费用和极低的技术风险。
附图标记列表
1内燃机
1'内燃机的输出轴
2进气系统
3排气管路
4膨胀机
4'膨胀机的输出轴
5换热器
6混合器
7冷却器
8压缩机
9进气消音器
10废气净化设备
11消音器
12节流元件
13涡轮机
Claims (2)
1.用于运行数量控制的内燃机(1)的方法，所述内燃机包括进气系统(2)和排气管路(3)，在进气系统(2)中在燃烧用空气的流动方向上在内燃机(1)的进气阀上游设置膨胀机(4)，所述膨胀机的输出轴(4')能与内燃机(1)的输出轴(1')或与电机的驱动轴耦合，设有能设置在排气管路(3)上的换热器(5)，其特征在于，燃烧用空气在其流过膨胀机(4)之前在换热器(5)中被内燃机(1)的废气加热，被加热的燃烧用空气在进入膨胀机(4)之前在混合器(6)中与未被加热的燃烧用空气混合，所述燃烧用空气在膨胀机(4)下游并且在进气阀上游在冷却器(7)中被冷却，燃烧用空气在换热器(5)上游和/或在混合器(6)上游被废气涡轮增压器的压缩机(8)压缩，并且所述膨胀机(4)作为第二压缩机工作。
2.用于按根据权利要求1的方法运行的数量控制的内燃机(1)，所述内燃机包括进气系统(2)和排气管路(3)，在进气系统(2)中在燃烧用空气的流动方向上在内燃机(1)的进气阀上游设置膨胀机(4)，所述膨胀机的输出轴(4')能与内燃机(1)的输出轴(1')或与电机的驱动轴耦合，设有能设置在排气管路(3)上的换热器(5)，其特征在于，燃烧用空气在其流过膨胀机(4)之前能在换热器(5)中被内燃机(1)的废气加热，在进气系统(2)中在燃烧用空气的流动方向上在换热器(5)下游并且在膨胀机(4)上游设置混合器(6)，被加热的和未被加热的燃烧用空气能在该混合器中被混合，在进气系统(2)中在膨胀机(4)和进气阀之间设置用于燃烧用空气的冷却器(7)，在进气系统(2)中在燃烧用空气的流动方向上在换热器(5)上游和/或在混合器(6)上游设置废气涡轮增压器的压缩机(8)，并且所述膨胀机(4)能作为第二压缩机工作。
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