CN105422248A - 具有涡轮的机械增压内燃发动机和控制涡轮冷却的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有涡轮的机械增压内燃发动机和控制涡轮冷却的方法，公开了操作内燃发动机中的发动机系统的方法，包括在第一工况期间，使冷却剂循环通过涡轮壳体中的冷却套，涡轮壳体至少部分包围涡轮转子，并且在第二工况期间，用来自排放罐的空气替换冷却套内的冷却剂。

Description

具有涡轮的机械增压内燃发动机和控制涡轮冷却的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年9月16日提交的德国专利申请No.102014218587.4的优先权，该专利的全部内容在此通过引用而被合并以用于各种目的。

技术领域

本发明涉及内燃发动机中涡轮的冷却布置。

背景技术

排气驱动的涡轮增压器被包含在内燃发动机内以增加发动机的功率输出与重量的比。涡轮增压器中的涡轮可能经受高温状态。因此，可以经由被耦接到发动机的散热器的发动机冷却系统支路来冷却涡轮。此外，涡轮可以由对高温排气系统状态较不敏感的材料构造。但是，可以经受高温状态的材料可能是昂贵的。而且，在其他工况期间，涡轮和发动机可以具有不同的冷却要求。因此，在发动机操作的某些周期中，涡轮和/或发动机可以被提供不充分的冷却或变暖。

发明内容

在一种途径中，存在一种操作内燃发动机中的发动机系统的方法，该方法包括在第一工况期间，使冷却剂循环通过至少部分地包围涡轮转子的涡轮壳体内的冷却套，以及在第二工况期间，用来自排放罐中的空气替换冷却套中的冷却剂。用这种方式，可以在某些工况期间经由液体冷却系统冷却涡轮并且在其他的工况期间用空气填充涡轮以使排气系统组件能够更快地变热。在冷启动期间以及发动机已经暖机时的发动机操作期间，可以选择性地冷却涡轮以改进发动机操作。

附图说明

图1显示了内燃发动机的第一实施例的涡轮以及辅助回路，并且被显示为垂直于涡轮轴的局部剖面，所述涡轮可以被液体冷却；

图2显示了控制冷却至少一个涡轮的方法，所述涡轮被配置为被液体冷却并且被包含在机械增压内燃发动机内；以及

图3显示了操作内燃发动机中的发动机系统的方法。

具体实施方式

本文描述了被用作马达车辆驱动单元的内燃发动机。如所述，表述“内燃发动机”包含柴油发动机和奥托循环发动机以及还有混合动力内燃发动机，其利用混合动力燃烧过程，该表述还包含混合动力驱动器，其不仅包括内燃发动机还包括电机，电机可以根据驱动器被连接到内燃发动机，并且从内燃发动机接收功率，或者作为可切换辅助驱动器而额外地输出功率。

本公开所述的机械增压内燃发动机具有液体冷却布置。发动机可以具有至少一个汽缸盖，其具有至少两个汽缸并且具有排气涡轮增压器的至少一个涡轮，涡轮可以是液体冷却的，其中每个汽缸具有至少一个出气口以便将排气排出汽缸并且每个出气口邻接排气管路，排气管路合并以形成至少一个排气总管，以便形成至少一个排气歧管，排气总管通向至少一个涡轮，涡轮具有涡轮壳体并且具有流管，流管引导排气通过涡轮壳体，并且至少一个涡轮具有至少一个冷却套，冷却套集成在壳体内以便形成冷却布置。本公开也描述了用于控制冷却至少一个涡轮的方法，所述涡轮是液体冷却的且属于上述类型的内燃发动机。

内燃发动机可以具有汽缸体和至少一个汽缸盖，汽缸盖在其组装件端侧互相连接以形成至少两个汽缸，即燃烧室。

为了保持活塞或汽缸套，汽缸体可以具有相应数量的汽缸孔。活塞可以用轴向可移动的方式在汽缸套内被引导，并且与汽缸套和汽缸盖一起形成内燃发动机的燃烧室。

汽缸盖也可以用于保持气门驱动器。为了控制充气交换，控制元件和致动控制元件的致动设备可以被包含在内燃发动机内。在充气交换期间，通过出气口将燃烧气体排出并且对燃烧室充气，即通过进气口引入新鲜混合物或新鲜空气。为了控制充气交换，在四冲程发动机中，可以将提升阀用作控制元件，在内燃发动机的操作期间，提升阀进行振荡的升降运动，并且提升阀用这种方式打开和关闭进气口和出气口。对于气门的运动所要求的气门致动机构(包含气门本身)被称为气门驱动器。

在一些发动机中，通向进气口的进气管道以及排气管道，即邻接出气口的排气管路，可以被至少部分地整合在汽缸盖内。合并排气管路以形成排气总管通常被称为排气歧管。

在一些发动机中，在至少一个排气歧管的下游，排气可以被供应给排气涡轮增压器的至少一个涡轮，并且可以被引导通过一个或多个排气后处理系统。

因为经常被用于高热负载的涡轮壳体的含镍材料，特别是涉及被优选用于汽缸盖的材料(例如铝)是昂贵的，所以涡轮的生产成本可以比较高。不仅含镍材料本身的成本而且加工这些材料的成本也是比较高的。

由于上述已经陈述的原因，如果可以由不太昂贵的材料(例如，铝或铸铁)生产出涡轮，则由此断定，关于成本方面，其将会是非常有益的。

关于涡轮的重量，使用铝也将会是有利的，尤其当考虑到紧凑耦合布置的涡轮导致相对大尺寸的、宽大的壳体时，因为涡轮和汽缸盖通过法兰和螺钉的连接由于受限的空间条件而要求有大的涡轮入口区域，还因为必须为组装工具提供足够的空间。宽大的壳体与相应高重量相关。铝相对于可承受高应力的材料的重量优势在考虑比较高的材料利用而将涡轮布置得靠近发动机的情况下是特别显著的。

为了可以使用更便宜的材料来生产涡轮，涡轮可以被装备有冷却装置，例如，装备有液体类型的冷却布置，其可显著降低涡轮和涡轮壳体由于热排气而产生的热负载，并且因此允许使用低热高负载的材料。关于冷却剂，其通常由配备有添加剂的水-乙二醇混合物组成。有关其他的冷却剂，水具有无毒、容易得到和便宜，且还有非常高的热容的优点，由于该原因，水适合提取和散逸相当大量的热，这基本上被认为是有利的。

涡轮壳体可以被装备有冷却套以便形成冷却布置。在以前的涡轮设计中，有两种概念，即壳体是铸造零件且在铸造过程期间冷却套被形成为整体式壳体的整体构成零件，以及壳体是模块化构成的概念，其中在组装期间形成了用作冷却套的空腔。

例如，根据后一种概念设计出的涡轮被描述在德国公开的说明书DE102008011257A1中。涡轮的液体类型的冷却布置通过装备有套装的实际涡轮壳体形成，从而在壳体和被布置为与壳体分隔开的至少一个套装元件之间形成可以引入冷却剂的空腔。由此，被扩展以包含套装布置的壳体包含冷却套。

此外，EP1384857A2同样公开了其壳体装备有冷却套的涡轮。DE102007017973A1描述了用于形成汽化冷却的涡轮套装的构造配套元件。

由于液体的高比热容，特别是常用的水，可以通过液体类型的冷却系统从壳体中提取大量的热。热量散逸到壳体内部的冷却剂并且与冷却剂一起排出。散逸到冷却剂的热量被再次从热交换器内的冷却剂中提取。

对于涡轮的液体类型的冷却布置，其可能装备有分离的热交换器，或者处在液体冷却的内燃发动机(对于发动机冷却布置的热交换器)情况中，即可以使用不同液体类型的冷却布置的热交换器。后者要求两个回路之间有相应的连接。马达车辆驱动器经常被装备有大功率风扇马达以提供(在热交换器处)期望水平的热传递所需要的空气质量流量。

在某些情况中，液体类型的冷却布置的目标可以不是在所有工况下从内燃发动机和/或涡轮壳体提取最大可能数量的热。而是以适当的方式控制液体类型的冷却布置以达到期望的发动机组件工作温度。

为了减少摩擦损失并且因此减小内燃发动机的燃料消耗，可以期望发动机油的快速升温，特别是在冷启动之后(例如，发动机已经冷却到周围环境的环境温度且从冷却状态启动的情况下)。内燃发动机暖机阶段期间发动机油的快速升温确保了油粘度的相应的快速下降并且因此减少了摩擦以及摩擦损失，特别是减少了被供应油的轴承(例如曲轴轴承)内的摩擦及摩擦损失。

发动机油的快速升温以减少摩擦损失也可以通过快速加热内燃发动机本身而被支持，快速加热内燃发动机进而可以凭借减少暖机阶段期间从内燃发动机提取的热量而被促进。

在这方面，在冷启动之后内燃发动机的暖机阶段是一种操作模式的示例，在该操作模式中，减少从内燃发动机提取的热量(例如，最小量的热量)是有利的。

该情形类似于液体冷却的涡轮的液体冷却，并且例如，具体地说是冷却涡轮壳体。在暖机阶段期间以期望的方式控制涡轮冷却布置的背景中，尤其是在内燃发动机的冷启动之后，目的是减小的(如，最小的)热量排除，以确保热排气(然后其通过未冷却的涡轮)迅速加热下游排气后处理系统。相反，在加热内燃发动机或排气后处理系统升温到工作温度的情况中，将优选更多或更少程度的涡轮壳体冷却，从而保护壳体免于由热排气流引起的热过载。

上述期望的发动机工况的冲突在以前的发动机中还没有被解决。与上述发动机工况的背景不同，本说明书的目标是提供一种机械增压内燃发动机，其提供涡轮的冷却布置的更多控制。本说明书的进一步的子目标是说明控制至少一个涡轮的冷却布置的方法，所述涡轮可以是液体冷却的。

第一子目标可以通过机械增压内燃发动机来实现，机械增压内燃发动机具有液体冷却布置，具有带有至少两个汽缸的至少一个汽缸盖，并且具有至少一个涡轮，该涡轮可以是液体冷却的且属于排气涡轮增压器，其中每个汽缸具有至少一个出气口，以便将排气排出汽缸，并且每个出气口邻接排气管路，排气管路合并以形成至少一个排气总管，以便形成至少一个排气歧管，排气总管通向至少一个涡轮，涡轮具有涡轮壳体并且具有将排气引导通过涡轮壳体的流管，且至少一个涡轮具有至少一个冷却套，该冷却套被整合在壳体内以便形成冷却布置，并且机械增压内燃发动机的区别在于，至少一个冷却套可连接到液体类型的冷却布置，至少一个冷却套被布置在辅助回路(secondarycircuit)内，辅助回路与液体类型的冷却布置分离并且包括可以用空气和冷却剂填充并且可经由通风管路连接经由第一端口到排气排放系统的至少一个冷却套的排放罐，通风管路引导空气并且可以通过第一关闭元件关闭，在冷却剂引导回流管路内提供泵，冷却剂引导回流管路可以被关闭并且将涡轮壳体的至少一个冷却套经由第二端口连接到排放罐，并且提供冷却剂引导旁通管路，该冷却剂引导旁通管路可以被关闭以用于绕过所述泵，该冷却剂引导旁通管路经由第二端口将排放罐连接到涡轮壳体的至少一个冷却套。

根据描述，被整合在涡轮壳体内的至少一个冷却套可以用冷却剂或空气填充，其中填充有冷却剂的冷却套被有利地连接到加热的内燃发动机的液体类型的冷却布置，以便从壳体主动地提取热量并且减小(如，防止)由热排气引起的壳体的可能的热过载。

从冷却套被填充冷却剂并且与内燃发动机的液体类型的冷却布置分离的情形继续，可以用泵经由回流管路将冷却剂转移到提供的排放罐内，并且可以经由通风管路用来自排放罐内的空气替换冷却剂。最终，如果回流管路和通风管路被关闭并且泵被停用，则先前被填充有冷却剂的至少一个冷却套可以充入空气。

从冷却套被填充空气并且与发动机冷却系统分离的情形继续，打开旁通管路允许冷却剂在重力的作用下从排放罐进入至少一个冷却套，其中冷却套内的空气经由打开的通风管路逃逸到排放罐内。最终，如果旁通管路和通风管路被再次关闭，则先前被填充有空气的至少一个冷却套被充入冷却剂。

为了能够交换至少一个冷却套内的介质，可以构造辅助回路，其被分离或可以与发动机冷却系统分离，并且，除了至少一个冷却套和被填充或可以被填充空气和冷却剂的排放罐以外，其还包括空气引导通风管路、冷却剂引导回流管路以及冷却剂引导旁通管路，冷却剂引导旁通管路绕过被布置在回流管路内的泵。

通风管路、回流管路以及旁通管路每个都被连接到排放罐，并且，经由第一或第二端口，连接到涡轮壳体的至少一个冷却套，并且可以被打开或关闭。

在一个示例中，通过从涡轮壳体的至少一个冷却套中排放冷却剂并且将空气引入涡轮壳体的至少一个冷却套，减小(如，降低)了冷却能力，进而减少了从壳体移除的热量。这在内燃发动机的暖机阶段是有利的，尤其是在冷启动之后。热排气通过涡轮而没有冷却，并且加热了布置在下游的排气后处理系统。

在排气后处理系统已经暖机并且排气后处理转化速率达到期望的水平之后，涡轮壳体的冷却套内的空气可以被冷却剂替换，并且通过壳体的足够的冷却剂流速和涡轮壳体的冷却可以通过连接到发动机冷却系统而被确保。所述后者也可以甚至在内燃发动机的暖机阶段结束之前发生，其中冷却剂在涡轮壳体内变暖的结果被用于迅速加热内燃发动机，进而减少摩擦损失并且因此减少内燃发动机的燃料消耗。

先前所述目标的冲突被解决了，其中涡轮冷却满足或可以满足非常广泛的冷却要求。依据本说明书的概念已经被证明是特别有利的，或在暖机阶段期间或在冷启动之后是尤其有利的。为了生产在此所述的涡轮，可以使用展示出对热负载的低抗性且更便宜的材料，优选地使用灰铸铁、铸钢等，在一个示例中，如果适当的话，添加例如硅钼(SiMo)的添加剂。

如上所述，第一子目标可以由此实现，即提供机械增压内燃发动机，其在涡轮的冷却布置方面被改进。

在一个示例中，内燃发动机是排气涡轮增压式内燃发动机，其中至少一个涡轮(其可以是液体冷却的)是排气涡轮增压器的构成零件。由于相对高的排气温度，机械增压式内燃发动机经受特别强烈的热负载，由于该原因，冷却至少一个排气涡轮增压器的涡轮是有利的。

机械增压用于增加内燃发动机的功率和/或可以减小发动机的尺寸以便具有较大的自然吸气式发动机的等效功率输出。在此，燃烧过程所需的空气被压缩，因此，在每个工作循环中，更大的空气质量可以被供应给每个汽缸。用这种方式，可以增加燃料质量并且因此增加平均压力。

机械增压是增加内燃发动机的功率，同时维持不变的工作容积(sweptvolume)的一种合适方式，或者是减小工作容积同时维持相同功率的一种合适方式。在任何情况下，机械增压导致了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，因此可以使负载集合转换成更高的负载，其中具体的燃料消耗较低。结果，机械增压有助于以不断的努力开发内燃发动机以减少燃料消耗，即提高了内燃发动机的效率。

排气涡轮增压器相对于机械式增压器的优点是在增压器和内燃发动机之间不要求有用于传递功率的机械式连接。虽然机械式增压器直接从内燃发动机的旋转输出中获得驱动该机械式增压器所需的能量，但是排气涡轮增压器利用了热排气的排气能量。

至少一个涡轮可以被设计为径流式涡轮，即接近转子叶片的流基本上径向流动。在此，“基本上径向”意指径向方向上的速度分量大于轴向速度分量。流的速度矢量与涡轮的轴或轮轴相交，具体地说，如果接近流精确地在径向流动，则以直角相交。为了使流径向接近转子叶片成为可能，排气供应的入口区域经常被设计为环绕螺旋或涡形壳体，以便流入涡轮的排气基本上径向流动。

但是，至少一个涡轮也可以被设计为轴向涡轮，其中轴向方向上的速度分量大于径向方向上的速度分量。

如果汽缸盖具有两个汽缸并且只有一个汽缸的排气管路形成通向至少一个涡轮的排气总管，则这同样是可以与在此所述的涡轮冷却系统一起使用的内燃发动机。

如果汽缸盖具有三个或多个汽缸，并且如果只有两个汽缸的排气管路合并形成了排气总管，则这同样是可以与在此所述的涡轮冷却系统一起使用的内燃发动机。

例如，至少一个汽缸盖具有直列式布置的四个汽缸并且外部汽缸的排气管路和内部汽缸的排气管路合并形成各自的一个排气总管的实施例同样是可以与在此所述的涡轮冷却系统一起使用的内燃发动机。

在三个或多个汽缸的情况下，至少三个汽缸以此方式被配置以形成两组，其中每个组具有至少一个汽缸，并且每个汽缸组的汽缸的排气管路合并以形成各自的排气总管进而形成排气歧管的实施例因此也是有利的。

所述实施例特别适合于双通道涡轮的使用。双通道涡轮具有入口区域，其具有两个进气管，其中两个排气总管被用某种方式连接到双通道涡轮，使得在每种情况下，一个排气总管打开通到一个进气管内。如果合适的话，在涡轮的下游发生在排气总管内被引导的两个排气流的合并。如果以此方式对排气管路分组以使得能够维持高压，特别是维持出口前冲击，则双通道涡轮特别适合于脉冲机械增压，通过脉冲机械增压方式，即使在低转速情况下也可以得到高涡轮压力比。

但是，汽缸或排气管路的分组也提供了使用多个涡轮或排气涡轮增压器的优点，其中在每种情况下，一个排气总管被连接到一个涡轮。

但是，至少一个汽缸盖的所有汽缸的排气管路合并以形成单个排气管路，即共同的排气总管的实施例也是有利的。

机械增压式内燃发动机的更多有利实施例将结合额外的潜在特征被论述。

机械增压式内燃发动机的实施例是有利的，其中绕过泵的旁通管路从泵下游的回流管路分支出来并且再次进入泵上游处的回流管路，以形成第一接合点，其中在该第一接合点处提供了关闭设备，该关闭设备打开回流管路或旁通管路或者关闭回流管路和旁通管路。

在目前情况中，旁通管路和回流管路共享共同的管路区段，进而减小管路系统的总长度。在重量和空间要求(即，封装要求)方面，这也具有优点。第一接合点的形成允许只通过单个关闭阀元件(如，3/2通阀)控制回流管路和旁通管路两者。

关闭设备是3/2通阀的机械增压式内燃发动机的实施例也因此是有利的，该3/2通阀被布置在第一接合点处并且被连接到至少一个冷却套的第二端口，被连接到回流管路以及旁通管路。

但是，各个关闭元件被布置在旁通管路和回流管路中的机械增压式内燃发动机的实施例可以同样是有利的。

机械增压式内燃发动机的实施例是有利的，其中至少一个冷却套的第一端口位于比至少一个冷却套的第二端口更高的大地测量的点(如，重力点)。如果冷却剂经由第二端口流入(即被引入)冷却套中，则空气可以经由第一端口溢出，第一端口位于更高的大地测量的点(geodeticallyhigherpoint)，即如果排放罐位于比第一端口更高的大地测量的点，则空气进入排放罐。

从冷却套填充空气的情形继续，冷却剂在重力的作用下经由旁通管路从排放罐进入至少一个冷却套。通过使用重力用冷却剂填充冷却套的这种填充要求有大地高度差，具体地说是排放罐和第二端口之间的大地高度差和第二和第一端口之间的大地高度差两者。

由于以上提到的原因，排放罐位于比至少一个冷却套的第一端口更高的大地测量的点的内燃发动机的实施例，和排放罐位于比至少一个冷却套的第二端口更高的大体测量点的内燃发动机的实施例也因此同样是有利的。

其中在本说明书背景下做出对大地高度差或大地高度的参考，这是相对于内燃发动机以及其组件的安装位置和水平车辆的。

涡轮壳体是整体铸造零件的机械增压式内燃发动机的实施例是有利的。通过铸造和使用相应型芯，可以在一个工作步骤中形成具有复杂结构的壳体，从而随后只有壳体和组装件的精加工是必须的以便形成涡轮。在此，提供了无泄漏。

至少一个涡轮的涡轮壳体是由至少两个组件以模块化的方式构造的机械增压式内燃发动机的实施例也是有利的，其中至少两个组件中的每个组件可以是铸件(即，在铸造工艺中产生的组件)。

每个汽缸具有至少两个出气口以便将排气排出汽缸的机械增压式内燃发动机的实施例是有利的。

气门驱动器的目的是在正确的时间打开和关闭燃烧室的出口，其中快速打开所需的最大可能流量横截面以便保持流出排气的低节流损失和确保有效，即完全排出排气。因此，提供给汽缸两个或多个出气口可以是有利的。

至少一个冷却套经由供应口和排出口可连接到内燃发动机的液体类型的冷却布置的机械增压式内燃发动机的实施例是有利的。如果至少一个冷却套被连接到内燃发动机的液体类型的冷却布置，则基本上只需要提供单数的形成冷却回路所要求的其他组件和组装件，因为这些组件和组装件可以既被用作涡轮的冷却回路也可用作内燃发动机的冷却回路，因此导致了协同效应和成本节约，并引起重量节约。耗散到内燃发动机和涡轮壳体内冷却剂的热量可以从共同的热交换器内的冷却剂中提取出。

在所说明背景中，第二关闭元件打开或关闭在入口侧提供的供应口和第三关闭元件打开或关闭在出口侧提供的排出口的机械增压式内燃发动机的实施例是有利的。

排气管路合并以形成至少一个汽缸盖内的至少一个排气总管进而形成至少一个集成排气歧管的机械增压式内燃发动机的实施例是有利的。

必须考虑到，要从根本上寻求将涡轮，特别是将排气涡轮增压器的涡轮，布置得尽可能地靠近汽缸的出口以便进而可以利用热排气的排气热函，并且以便确保涡轮或涡轮增压器的快速响应行为，所述热排气的排气热函显著地由排气压力和排气温度确定。而且，热排气到不同排气后处理系统的路径也应该尽可能地短，从而排气被给予少量的时间冷却并且使排气后处理系统迅速达到它们的工作温度或起燃温度，特别是在内燃发动机的冷启动之后。

因此，试图减小(如，最小化)汽缸的出气口和涡轮之间或者汽缸的出气口和排气后处理系统之间部分排气管路的热惯性，这可以通过减小所述部分的质量和长度来实现。

为了实现该目的，可以合并汽缸盖内的排气管路，从而形成至少一个集成排气歧管。

通过用这种方法来减小排气管路的长度。首先，减小管路体积的尺寸，即涡轮上游排气管路的排气体积，从而改进涡轮的响应行为。其次，缩短的排气管路也会导致涡轮上游处排气系统的热惯性的减小，从而增加涡轮入口处排气的温度，结果涡轮入口处排气的热函也变高。

而且，合并汽缸盖内的排气管路允许驱动单元的密集封装，减少了组件的数量且便于组装。

但是，具有集成排气歧管的汽缸盖比装备有外部歧管的常规汽缸盖具有更高的热负载，并且因此对冷却布置有更多的需求。

因此，至少一个汽缸盖被装备有至少一个冷却套的机械增压式内燃发动机的实施例也是有利的，所述至少一个冷却套被集成在汽缸盖内以形成液体类型的冷却布置。

液体类型的冷却必需使汽缸盖装备有至少一个冷却套，即必需提供引导冷却剂通过汽缸盖的冷却剂导管。热量耗散到汽缸盖内部的冷却剂。在此，冷却剂由冷却回路内布置的泵来馈送，从而使所述冷却剂在冷却套内循环。用这种方法，耗散到冷却剂的热量被从汽缸盖的内部排出，并且又被从热交换器内的冷却剂中提取出。

合并汽缸盖内的排气管路(即，集成至少一个排气歧管)与用液体类型的冷却布置装备的汽缸盖一起导致了发动机冷启动后冷却剂的迅速升温，并且因此导致了内燃发动机更迅速的升温，并且如果提供了车辆客厢的冷却剂操作的加热，则导致了所述客厢的更迅速的加热。

液体类型的冷却布置已经被证明是有利的，特别是在机械增压式发动机的情况下，因为机械增压式发动机的热负载比气体冷却的内燃发动机的热负载高很多。将至少一个排气歧管集成到液体冷却的汽缸盖内消除了用可承受高热负载材料制造外部歧管的需要，并且这也具有成本优点。

机械增压式内燃发动机的实施例是有利的，其中至少一个汽缸盖可以在组装件端侧被连接到汽缸体，并且被整合在汽缸盖内的至少一个冷却套具有下部冷却套(其被布置在排气管路和汽缸盖的组装件端侧之间)和上部冷却套(其被布置在位于与下部冷却套相反的排气管路的一侧上)。

在所述背景中，上部冷却套可连接到供应口且下部冷却套可连接到排出口的机械增压式内燃发动机的实施例是有利的。

在所述背景中，上部冷却套可连接到排出口并且下部冷却套可连接到供应口的机械增压式内燃发动机的实施例也是有利的。

压力梯度可以在上部和下部冷却套之间生成。然后，压力梯度作为驱动力以便输送冷却剂通过涡轮的至少一个冷却剂导管。

涡轮可以被装备有可变涡轮几何结构，其通过调节涡轮的几何结构或有效涡轮横截面的方式允许更加精确地适应内燃发动机的各自的工作点。在此，影响流动方向的可调节导向轮叶被布置在涡轮的入口区域内。与旋转泵轮的转子叶片不同，导向轮叶(guidevane)不与涡轮的轴一起旋转。

如果涡轮具有固定的不可变的几何结构，则导向轮叶被布置在入口区域内，从而不仅是静止的而且也是完全不可移动的，即被刚性固定的。相反，在可变几何结构的情况下，导向轮叶也被适当地布置成静止的，但是不是完全不可移动的，而是可绕着它们的轴旋转，从而可以影响接近转子叶片的流。

上述第二个子目标是基于，即说明一种用于控制上述类型的内燃发动机的至少一个涡轮的冷却的方法，所述涡轮可以是液体冷却的，该涡轮的冷却通过一种方法来实现，在所述方法中，从旁通管路被关闭并且至少一个冷却套被冷却剂填充且与液体类型的冷却布置分离的情形继续，回流管路被打开并且泵被激活，从而将冷却剂输送出填充有冷却剂的至少一个冷却套以进入排放罐内，所述排放罐经由通风管路和由于第一关闭元件被打开而产生的第一端口被连接到涡轮壳体的至少一个冷却套，并且当预定量的冷却剂已经被输送出至少一个冷却套并且被用空气替换时，关闭回流管路和通风管路并且停用泵。

根据本发明结合内燃发动机一起已经被陈述的内容同样适用于在此所述的方法。至少一个填充空气的冷却套也用作热屏障，其阻止从热排气向涡轮壳体引入热量和排气的冷却。

在一个示例中，控制液体类型的冷却布置包括排出冷却剂，其中冷启动之后，减少涡轮内热量的提取，以便实现排气后处理系统的快速加热。

从回流管路被关闭并且至少一个冷却套被填充有空气且与液体类型的冷却布置分离的情形继续，所述方法的实施例是有利的，其中旁通管路被打开以使冷却剂能够在重力的作用下从排放罐进入至少一个冷却套中，排放罐经由通风管路和由于第一关闭元件被打开而产生的第一端口而被连接到涡轮壳体的至少一个冷却套，以便使空气能够从至少一个冷却套溢出到排放罐内，并且当预定量的冷却剂已经被引入到至少一个冷却套内时，关闭旁通管路和通风管路。

在所述背景中，所述方法的实施例是有利的，其中填充有冷却剂的至少一个冷却套由于供应口和排放口被打开而被连接到机械增压式内燃发动机的液体类型的冷却布置。如果排气后处理系统已经达到它们的工作温度或期望温度(如，最小期望温度)，则在暖机阶段已经执行该方法。

图1显示了内燃发动机20的第一实施例的涡轮1与辅助回路3，并且显示为垂直于涡轮轴1b的局部截面，所述涡轮可以选择性地为液体冷却的。发动机20可以包含汽缸盖26，其被耦接到汽缸体27，汽缸体27形成至少一个汽缸31。汽缸盖26可以包含液体冷却布置28，其包含上部冷却套29和下部冷却套32。冷却套29和32可以被配置为使冷却剂流过发动机以从其中排除热量。冷却套28和29被配置为使冷却剂流动到热交换器34，并且在一个示例中，可具体配置为使冷却剂流动到热交换器34的上游和下游的冷却剂管路32。在一个示例中，上部冷却套29可以被定位在合并以形成排气歧管23的排气管路上方，并且下部冷却套32可以被定位在合并以形成排气歧管23的排气管路下方。

来自内燃发动机20的排气通过一个或多个排气管路被供应给涡轮1，用箭头22表示。该图也描绘了接收排气的涡轮1的入口区域24。排气管路22可以从被集成到发动机20内的排气歧管32接收排气。

涡轮1，其具有涡轮壳体1a，且具有流管1d和泵轮1c，流管引导排气通过涡轮1并且被实施在壳体1a内，泵轮被布置在壳体1a内并且被安装在可旋转涡轮轴1b上。泵轮1c可以被称为涡轮转子。

为了形成液体类型的冷却布置，涡轮1被装备有冷却套2，冷却套被集成在壳体1a内并且经由供应口8a和排放口8b可连接到发动机冷却布置8。冷却套2也穿过壳体1a(即，涡轮壳体)。第二关闭阀元件8a’被装备在入口侧上，以便打开或关闭供应口8a。第三关闭阀元件8b’被装备在出口侧上，以便打开或关闭排放口8b。第二关闭阀元件8a’和第三关闭阀元件8b’被配置为调节流过冷却套并且进入发动机冷却系统30内的冷却剂的量。具体地说，它们可以被打开和关闭以允许和抑制冷却剂流向和流出发动机冷却系统30。发动机冷却系统30包含冷却剂管路32和热交换器34(如，散热器)。发动机冷却系统也可以包含横穿发动机20的冷却套28和29。发动机冷却套被耦接到热交换器34并且被配置为使冷却剂流到发动机冷却套并且从发动机冷却套接收冷却剂。在另一示例中，冷却套(28和29)可以被耦接到热交换器上游和下游的冷却剂管路32。

冷却套2被布置在辅助回路3内，辅助回路3是分离的或可以与发动机冷却布置8分离并且辅助回路3包括排放罐4，排放罐4可以被填充空气和冷却剂。排放罐4可以经由空气引导通风管路4a连接到冷却套2的第一端口2a，第一端口2a可以被第一关闭元件4b关闭和打开。用于传送冷却剂的泵5被布置在冷却剂引导回流管路6内，冷却剂引导回流管路6可以被打开和关闭，并且其将排放罐4连接到冷却套2的第二端口2b。冷却剂引导旁通管路7，其可以被打开和关闭，并且用于绕过泵5和将排放罐4连接到冷却套2的第二端口2b。

在当前情况下，旁通管路7从泵5的下游处的回流管路6分支出来并且再进入泵5上游的回流管路6，以形成第一接合点10。3/2通阀9a，其用作关闭设备9，且被布置在接合点10处。阀9a被连接到冷却套2的第二端口2b，被连接到回流管路6以及旁通管路7，并且打开回流管路6或旁通管路7或者关闭回流管路6和旁通管路7。

在第一工况期间，液体冷却剂可以被流动(如，循环)通过冷却套2并且进入发动机冷却系统30，其中热量经由热交换器34从冷却剂中去除。用这种方法，涡轮可以是液体冷却的。另一方面，在第二工况期间，冷却剂可以从冷却套2流出且进入排放罐4，以便用空气填充冷却套。在从第一工况到第二工况的过渡期间，在一个示例中，冷却剂可以在重力的帮助下从冷却套2流到排放罐4内。另一方面，在从第二工况到第一工况的过渡期间，空气可以从排放罐4被转移到冷却套2，该过程可以通过泵S的操作将冷却剂从冷却套2泵送到排放罐4内来实施。第一工况可以是发动机温度超过阈值温度时，例如当发动机不处于冷启动阶段并且被暖机时。第二工况可以是当发动机温度低于阈值时，例如当发动机处于冷启动阶段并且不被暖机时。而且，将会意识到的是，涡轮1、冷却套3、排放罐4、泵S等可以被包含在发动机系统60中。

此外，控制器50(如，电子控制器)可以被配置为控制泵S、阀9a、关闭元件4b(如，阀)、第二关闭阀元件8a’(如，阀)以及第三关闭阀元件8b’(如，阀)的操作。控制器可以包含被存储在存储器52内可由处理器54执行以便实施本文所述的各种方法、技术等的代码。具体地说，控制器50可以被配置为在第一工况期间操作阀以便使冷却剂循环通过冷却套2和发动机冷却系统30，并且可以被配置为在过渡到第二工况期间将冷却剂从冷却套2中去除并且用空气替换冷却剂。因此，在第二工况期间，冷却套2可以填充空气以便有助于排气系统组件的变暖，并且在第一工况期间，冷却剂可以被循环通过冷却套2，以便可以从涡轮1中去除热量，以减小涡轮过热的可能性以及(如果需要的话)可以用较低成本的较不耐热材料(如，铝)构造出涡轮。

注意，本文所包含的示例控制和估计程序可以与各种发动机和/或车辆系统配置一起使用。本文公开的控制方法和程序可以被存储为非临时存储器内的可执行指令，并且可以由包含控制器与各种传感器、驱动器以及其他发动机硬件的组合的控制系统实施。本文所描述的具体程序可以表示一种或多种任何数量的处理策略，例如事件驱动的、中断驱动的、多任务的、多线程的等等。同样地，所说明的各个动作、操作和/或功能可以用所说明的顺序执行、并行执行或在某些情况下被省略。同样，处理次序不是实现本文所述示例实施例的特征和优点所必须要求的，而是被提供以便于说明和描述。所说明动作、操作和/或功能中的一个或多个可以被重复地进行，这取决于所使用的特定策略。而且，所述动作、操作和/或功能可以图解地表示成代码，该代码被编程到发动机控制系统内的计算机可读存储介质的非临时存储器内，其中所述动作通过执行包含可与电子控制器组合的各种发动机硬件组件的系统内的指令来实施。示例性阀驱动器包含机电驱动器和例如止回阀等被动阀驱动器等，所述机电驱动器被耦接到阀以便调节阀处于打开或关闭配置。在一些示例中，所述阀也可以被气动或液压驱动。

图2显示了用于控制至少一个涡轮的冷却的方法200，至少一个涡轮被配置为液体冷却并且被包含在机械增压式内燃发动机内。该方法可以通过涡轮1和关于图1在上文所述的相关系统来实施，或者可以通过另一合适的涡轮、系统等来实施。

在202，该方法包含打开回流管路。回流管路可以被耦接到涡轮的冷却套和罐。接下来在204，该方法包含激活泵以将冷却剂输送出填充有冷却剂的至少一个冷却套并进入排放罐。接下来在206，该方法包含经由通风管路和由于第一关闭元件被打开而产生的第一端口将排放罐连接到涡轮壳体的至少一个冷却套。

在208，该方法包含关闭回流管路和通风管路，并且在210，该方法包含当预定量的冷却剂已经被输送出至少一个冷却套并且被替换为空气时停用所述泵。步骤202-210被实施为从至少一个冷却套被填充冷却剂并且与液体类型的冷却布置分离的情形继续。进一步地在一个示例中，确定(如，估计)从冷却套抽出的冷却剂的量，以便确定预定量的冷却剂何时已经被输送出冷却套。

此外在一个示例中，在212，该方法包含打开旁通管路以使冷却剂能够在重力的作用下从排放罐进入至少一个冷却套。接下来在214，该方法包含经由通风管路和由于第一关闭阀被打开而产生的第一端口而将排放罐连接到涡轮壳体的至少一个冷却套，以便使空气能够从至少一个冷却套溢出到排放罐内。在216，该方法包含当预定量的冷却剂已经被引入到至少一个冷却套内时，关闭旁通管路和通风管路。步骤212-216被实施以从至少一个冷却套被填充空气并且与液体类型的冷却布置分离的情形继续。在一个示例中，至少一个冷却套在某些工况期间被填充冷却剂，并且通过供应口和排出口被打开而被连接到内燃发动机的液体类型的冷却布置。

此外在一个示例中，可以根据冷却套内的空气量、从冷却套去除冷却剂之后空气在冷却套内的持续时间、发动机温度和/或环境温度来估计涡轮温度。例如，可以根据冷却套被填充空气的持续时间和冷却套内的空气量来确定涡轮温度。然后，可以根据所估计的涡轮温度来调节发动机操作。例如，当估计出涡轮温度低于阈值时，可以实施节气门调节和/或燃料传送系统调节以增加发动机的功率输出。此外，在一个示例中，可以根据所估计的涡轮温度来调节冷却套内空气或冷却剂的量。

图3显示了操作内燃发动机中的发动机系统的方法300。该方法可以经由涡轮1和关于图1在上文所述的相关系统来实施，或者可以经由另一合适的涡轮、系统等来实施。

在302，该方法包含使冷却剂循环通过涡轮壳体内的冷却套，涡轮壳体至少部分包围涡轮转子。接下来，在304，该方法包含用来自排放罐的空气替换冷却套内的冷却剂。用来自排放罐的空气替换冷却套内的冷却剂可以包含在306根据涡轮温度调节被定位在回流管路内的泵的操作，所述回流管路被耦接到排放罐和冷却套。调节泵的操作可以包含将冷却剂从冷却套泵送到排放罐。将会意识到的是，排放罐可以被垂直定位在冷却套上方。因此，在这种示例中，可以将冷却剂泵送到排放罐内以从冷却套去除冷却剂，并且当冷却套内的空气被冷却剂替换时，冷却剂可以通过重力从排放罐流动到冷却套。

在第一工况期间，可以实施步骤302，而在第二工况期间，可以实施步骤304。在一个示例中，第一工况可以是发动机和/或涡轮高于阈值温度之时，并且第二工况可以是发动机和/或涡轮低于阈值温度之时。但是，额外或可替换的工况可被预计。

此外，在一个示例中，第二和第三关闭元件8a’和8b’可以被关闭，并且当冷却剂被从冷却套去除时，阀9a和/或阀4b可以被打开一段持续时间。另一方面，在冷却套被填充空气的一段持续时间之后，当冷却套被填充冷却剂时，阀9a和/或4b可以被打开一段期望的持续时间。打开阀9a和4b之后，这些阀可以被关闭，并且第二和第三关闭元件8a’和8b’可以被打开以便使冷却剂的循环能够通过冷却套和发动机冷却系统。

图1-3提供了一种发动机系统，其包含涡轮壳体和冷却套，涡轮壳体至少部分地包围涡轮转子，冷却套横穿涡轮壳体，以便在第一工况期间接收来自发动机冷却系统的冷却剂流，并且在第二工况期间用来自排放罐的空气替换冷却套内的冷却剂。

Claims (20)

1.一种机械增压式内燃发动机，其包括：

具有两个汽缸的汽缸盖；

用于所述汽缸盖的液体类型的冷却布置；

排气涡轮增压器中的涡轮，其中：

每个汽缸具有至少一个出气口以便将排气排出所述汽缸，并且每个出气口邻近排气管路，所述排气管路合并以形成至少一个排气总管，从而形成至少一个排气歧管，所述排气总管通向所述至少一个涡轮，所述涡轮具有涡轮壳体并且具有流管，所述流管引导排气通过所述涡轮壳体；以及

所述至少一个涡轮具有至少一个冷却套，所述冷却套被集成在所述壳体中，以便形成冷却布置；

其中所述至少一个冷却套可连接到所述液体类型的冷却布置；

所述至少一个冷却套被布置在辅助回路中，所述辅助回路与所述液体类型的冷却布置分离并且包括排放罐，所述排放罐能够被填充空气和冷却剂并且经由通风管路可连接经由第一端口到所述涡轮壳体的所述至少一个冷却套，所述通风管路引导空气并且通过第一关闭元件可关闭；

泵被装备在冷却剂引导回流管路中，所述冷却剂引导回流管路能够被关闭并且经由第二端口将所述涡轮壳体的所述至少一个冷却套连接到所述排放罐；以及

冷却剂引导旁通管路被装备以用于绕过所述泵，所述冷却剂引导旁通管路能够被关闭并且经由所述第二端口将所述排放罐连接到所述涡轮的所述至少一个冷却套。

2.根据权利要求1所述的机械增压式内燃发动机，其中用于绕过所述泵的所述旁通管路从所述泵的下游的所述回流管路分支出来并且再次进入所述泵的上游的所述回流管路，形成第一接合点，关闭设备被提供，所述关闭设备打开所述回流管路或所述旁通管路或者关闭所述回流管路和所述旁通管路。

3.根据权利要求2所述的机械增压式内燃发动机，其中所述关闭设备是3/2通阀，其被布置在所述第一接合点并且被连接到所述至少一个冷却套的所述第二端口，并且被连接到所述回流管路和所述旁通管路。

4.根据权利要求2所述的机械增压式内燃发动机，其中各自的关闭元件被布置在所述旁通管路和所述回流管路内。

5.根据权利要求1所述的机械增压式内燃发动机，其中所述至少一个冷却套的所述第一端口位于比所述至少一个冷却套的所述第二端口更高的大地测量的点。

6.根据权利要求1所述的机械增压式内燃发动机，其中所述排放罐位于比所述至少一个冷却套的所述第一端口更高的大地测量的点。

7.根据权利要求1所述的机械增压式内燃发动机，其中所述至少一个冷却套经由供应口和经由排出口至少可连接到所述内燃发动机的所述液体类型的冷却布置。

8.根据权利要求7所述的机械增压式内燃发动机，其中在入口侧上装备有第二关闭元件，其打开或关闭所述供应口，并且在出口侧上装备有第三关闭元件，其打开或关闭所述排出口。

9.根据权利要求1所述的机械增压式内燃发动机，其中所述排气管路合并以形成所述汽缸盖内的至少一个排气总管，进而形成至少一个集成的排气歧管。

10.根据权利要求1所述的机械增压式内燃发动机，其中所述至少一个汽缸盖被装备有至少一个冷却套，所述冷却套被集成在所述汽缸盖中，以便形成液体类型的冷却布置。

11.根据权利要求10所述的机械增压式内燃发动机，其中所述至少一个汽缸盖能够被连接到汽缸体，并且被集成在所述汽缸盖中的所述至少一个冷却套具有下部冷却套和上部冷却套。

12.根据权利要求11所述的机械增压式内燃发动机，其中所述上部冷却套可连接到所述供应口，并且所述下部冷却套可连接到所述排出口。

13.根据权利要求11所述的机械增压式内燃发动机，其中所述上部冷却套可连接到所述排出口，并且所述下部冷却套可连接到所述供应口。

14.一种控制至少一个涡轮的冷却的方法，所述涡轮被配置为被液体冷却并且被包含在机械增压式内燃发动机中，所述方法包括：

从至少一个冷却套被填充冷却剂并且与所述液体类型的冷却布置分离的情形继续，打开回流管路；

激活泵以将冷却剂输送出被填充冷却剂的所述至少一个冷却套以进入排放罐；

经由通风管路和由于第一关闭元件被打开而产生的第一端口，将排放罐连接到涡轮壳体的所述至少一个冷却套；以及

关闭所述回流管路和所述通风管路；以及

当预定量的冷却剂已经被输送出所述至少一个冷却套并且被用空气替换时，停用所述泵。

15.根据权利要求14所述的方法，其进一步包括，从至少一个冷却套被填充空气并且与所述液体类型的冷却布置分离的情形继续：

打开旁通管路以使冷却剂能够在重力的作用下从所述排放罐进入所述至少一个冷却套；

经由所述通风管路和由于所述第一关闭元件被打开而产生的所述第一端口，将所述排放罐连接到所述涡轮壳体的所述至少一个冷却套，以便使空气能够从所述至少一个冷却套溢出到所述排放罐中；以及

当预定量的冷却剂已经被引入到所述至少一个冷却套中时，关闭所述旁通管路和所述通风管路。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述至少一个冷却套在某些工况期间被填充冷却剂，并且通过供应口和排出口被打开而被连接到所述内燃发动机的所述液体类型的冷却布置。

17.一种操作内燃发动机中的发动机系统的方法，其包括：

在第一工况期间，使冷却剂循环通过涡轮壳体中的冷却套，所述涡轮壳体至少部分地包围涡轮转子；以及

在第二工况期间，用来自排放罐的空气替换所述冷却套中的冷却剂。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述第一工况是所述发动机高于阈值温度之时，并且所述第二工况是所述发动机低于所述阈值温度之时。

19.根据权利要求17所述的方法，其中所述排放罐被垂直定位在所述冷却套上方。

20.根据权利要求17所述的方法，其进一步包括根据涡轮温度来调节泵的操作，所述泵被定位在耦接到所述排放罐和所述冷却套的回流管路中。