CN107269385B - 用于运行增压的内燃机的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及运行增压的内燃机的方法，其具有分别由多个气缸构成的多个气缸组和排气涡轮增压器，能由第一气缸组的气缸的第一排气门以及第二气缸组的气缸的第一排气门经过至少一个第一排气歧管给至少一个第一排气涡轮增压器供应排气，能由第一气缸组的气缸的第二排气门以及第二气缸组的气缸的第二排气门经过第二排气歧管给至少一个第二排气涡轮增压器供应排气，当内燃机的转速较低或在部分负荷运行状态和/或不稳定运行状态下，经过每个气缸组与第一排气门相连接的第一排气歧管能在至少该第一排气涡轮增压器的涡轮机的流入区域中以可分配的支流通道给该涡轮机供应排气，同时第二排气涡轮增压器是未激活的。

Description

用于运行增压的内燃机的方法
技术领域
本发明涉及一种用于运行增压的内燃机的方法以及排气引导系统，该增压的内燃机具有分别由多个气缸构成的多个气缸组和多个排气涡轮增压器，其中，能够由第一气缸组的气缸的第一排气门以及第二气缸组的气缸的第一排气门给至少一个第一排气涡轮增压器供应排气，并且其中能够由该第一气缸组的气缸的第二排气门以及该第二气缸组的气缸的第二排气门经过第二排气歧管给至少一个第二排气涡轮增压器供应排气。
背景技术
作为用于减少燃料消耗以及CO2排放的有效措施，已证实有用的是与内燃机的增压相关联的排量减小，普遍已知为“缩小尺寸(Downsizing)”。在此，在与直接喷射燃料的共同作用下，可以开发出用于减少燃料消耗以及CO2排放的巨大潜力。这通过机械部件的减小的内部摩擦、通过该内燃机的运行点向更高的负荷范围偏移以及通过该内燃机的重量的减小(通过较小的排量或活塞和/或还通过减少的气缸数量)而实现。
从现有技术和实践中已知多种解决可能性，这些解决可能性还部分地着手解决在对增压而言必要的增压器、尤其优选使用的排气涡轮增压器的运行中的特别情况。
例如由DE 42 42 494 C1已知的是，为该排气涡轮增压器的涡轮机设置一个可调节的气流引导器件。在此，尤其为多级的涡轮机设置对应地适配的多个气流引导器件。应在该气流引导器件的调节和几何形状中实现该适配。在此类涡轮机中占主导的运行状况(即在也许很高的转速下相对高的温度)在某些情况下在用于调节该引导器件的可移动部件中可能导致功能问题。
由DE 10 2007 058 296 A1已知一种排气涡轮增压器的涡轮机，其涡轮机壳体具有在涡轮机轮的圆周上分布地安排的、分别在不同的圆周角范围内延伸的多个流入室，这些流入室可以由排气流的不同支流加载。
在DE 10 2008 020 405 A1中展示并描述了一种用于内燃机的排气涡轮增压器，其涡轮机壳体具有至少两条螺旋通道，其中至少一条螺旋通道具有至少两个流体上分开的螺旋通道区段，这些螺旋通道区段能够与该内燃机的不同的排气管路相联接。
并且DE 10 2010 060 110 A1最终揭示并描述了一种内燃机，该内燃机具有分别由多个气缸构成的多个气缸组和多个排气涡轮增压器，其中由该第一气缸组的气缸的第一排气门经过一个第一排气歧管为指派给该第一气缸组的第一排气涡轮增压器供应排气，而由该第一气缸组的气缸的多个第二排气歧管经过该第一气缸组的第二排气歧管给指派给该第一气缸组的第一排气涡轮增压器供应排气，其中能够由该第二气缸组的气缸的第一排气门经过该第二气缸组的一个第一排气歧管为指派给该第二气缸组的第二排气涡轮增压器供应排气，并且其中能够由该第二气缸组的气缸的第二排气门经过该第二气缸组的第二排气歧管为指派给该第二气缸组的第二排气涡轮增压器供应排气。在此，该第一和该第二气缸组的第一排气歧管彼此耦合并且具有不同的流动横截面，由此可以改善增压。应依赖于该内燃机的运行状态来接通或断开该第二排气涡轮增压器。
发明内容
从此类现有技术出发，本发明的目的在于，提出一种用于运行具有多个气缸组的增压的内燃机的方法和一种用于应用此类方法的、内燃机的排气引导系统，除了在燃料消耗减少和排放减少的情况下增大功率外，该方法的突出之处在于显著地改善了在内燃机的转速较低时、在部分负荷运行状态和/或不稳定运行状态下的响应特性以及在该内燃机的整个转速范围内的负荷特性。
在开篇所述的用于运行增压的内燃机的方法中或在用于应用此类方法的内燃机的排气引导系统中，根据本发明的目的以如下方式实现：当内燃机的转速较低时或在部分负荷运行状态和/或不稳定运行状态下，每个气缸组通过与第一排气门相连接的第一排气歧管能够在至少一个第一排气涡轮增压器的涡轮机的流入区域中以在该涡轮机的流入区域中可分配的支流通道给该第一排气涡轮增压器的涡轮机供应排气；而当内燃机的转速较低时或在部分负荷运行状态和/或不稳定运行状态下，该第二排气涡轮增压器是未激活的，并且只有当内燃机的转速更高或较高时或者在全负荷运行状态下，该第二排气涡轮增压器才能够借助于打开第二排气门并经过该第二排气歧管供应排气而接通。
在根据本发明的方法中，由于与第二排气歧管相连接的第二排气门的气门行程＝0或最小气门行程，能够实现不激活该第二涡轮增压器。
特别有利的是，例如在全负荷运行状况下经过该第一气缸组的第一排气歧管的排气体积流量与经过该第二气缸组的第一排气歧管的排气体积流量能够经过受阀瓣或阀控制的膨胀管相连。
根据本发明的方法可以优选地用内燃机的排气引导系统实现，其中该第一排气歧管实施为具有小的横截面并且能够以小的长度连接在进入该排气涡轮增压器的涡轮机中的排气入口处。
用于实施根据本发明的方法的排气引导系统的突出之处优选在于：安排有至少在该第一排气涡轮增压器的涡轮机中彼此分开地、优选围绕该涡轮机的叶轮螺旋状地延伸的流入通道，流入通道用于引导分配后的排气支流。
在高转速下或在全负荷下对排气涡轮增压器的最佳运行状态而言便利的是：用于给该第二排气涡轮增压器的第二涡轮机供应排气流的第二排气门被设计为很早地打开。便利的是，通过由凸轮轴进行气门控制的、以特别宽的轮廓设置的凸轮来实现早打开。
优选地，用于执行本发明的方法的排气涡轮增压器的涡轮机被实施为径流式涡轮机。然而同样可设想的是应用轴流式或还有“混流式”涡轮机。
由于第一排气歧管的用于以尽可能最短的路径直接连接到这些气缸组的(在该第一涡轮增压器的第一涡轮机的流入区域处的)相应的第一排气门以及第一排气歧管的具有小的流动横截面的设计方式，通过由于在往复活塞式内燃机中的燃烧的周期性过程导致的该涡轮机的冲击性的加载实现了在低转速下在排气增压时特别好的响应特性。此外，这尤其在多气缸内燃机中还以如下方式有利地实现：在该内燃机的运行中如下地选择这些单独的气缸的点火间隔，使其具有尽可能最大的间隔。
根据本发明的方法以及用于实施根据本发明的方法的排气引导系统尤其适合于应用于机动车辆的内燃机。
除了在部分负荷运行状态或不稳定运行状态下改善了运行状况之外，在负荷较高的运行状态下，由于通过排气流的不同供应提高了在涡轮机上游的排气引导体积，根据本发明的方法以及对应的排气引导系统的应用使得平均排气温度明显下降。通过在第一排气涡轮增压器中的排气引导的对应设计，能够实现增强所谓的阻滞增压原理(Stauaufladungsprinzips)。
附图说明
在附图中示出并描述了本发明的主题的多个实施例。借助这些实施例对本发明主题或本发明的方法的特征、优选改进方案和细节进行详细说明。
在此，本发明不限制于所示和所描述的实施例，例如具有6个气缸的内燃机。而本发明还可以在具有多个分开的气缸组的内燃机中实现：该内燃机包括呈例如V型、W型、列式或还有箱式安排的2个、4个或更多个气缸。
该附图以示意性图示示出了本发明的主题，尤其参照从气缸出口直至排气涡轮增压器的涡轮机的排气流延伸。
在附图中：
图1示出了经过6气缸内燃机的排气门的排气流延伸的示意性图示，以具有所指派的排气涡轮增压器的两个气缸组来安排该6气缸内燃机；
图2示出了用一个涡轮增压器运行时的增压压力曲线，不同于用两个涡轮增压器运行时的增压压力曲线；
图3、4、5、6和7以部分横截面示意性地示出了用于实施本发明的方法的涡轮机壳体或其流入区域。
具体实施方式
带有两个分别为三气缸的气缸组2和3的内燃机1以自身从现有技术已知的方式在每个气缸2.1、2.2和2.3或3.1、3.2和3.3中具有两个进气门4并且同样地在每个气缸中分别具有排气门5.1和排气门5.2。该第一气缸组2的所有三个气缸2.1、2.2和2.3的这些排气门5.1，就在这些气缸中的燃烧过程之后的排气流而言，通过一条共用的排气歧管6串联连接。同样地，该第二气缸组3的气缸3.1、3.2和3.3的这些排气门5.1，就在这些气缸中的燃烧过程之后的其排气流而言，通过一条共用的排气歧管7相连接。在根据图1的实施例中，这些排气歧管6或7通入该至少一个排气涡轮增压器9.2或11.2的该至少一个涡轮机8.2或12.2的排气流入区域中。在根据图1的实施例中，该排气涡轮增压器9.2或11.2可以根据运行状况接通或断开。
当内燃机的转速较低时或在部分负荷运行状态和/或不稳定运行状态下，在两个气缸组2和3中的这些排气门5.1关闭(通过例如在致动进气门和排气门的凸轮轴上的对应的凸轮来控制)，即设置有行程＝0或充其量最小行程，使得在燃烧冲程中排他地或几乎排他地通过这些排气门5.2并且经过相对短且以小的横截面实施的排气歧管13.1、13.2、13.3或14.1、14.2、14.3给与这个/这些排气涡轮增压器9.2或11.2平行地安排的排气涡轮增压器9.1或11.1的这个或这些涡轮机8.1或12.1供应全部排气流。由此实现，通过内燃机的这些燃烧冲程尤其在低转速范围内实现在该排气涡轮增压器中的冲击性的增压过程，这导致该增压的内燃机的特别好的响应特性。
在图1所示的实施例中，这些排气歧管13.1、13.2、13.3或14.1、14.2、14.3示出为分开地引导到进入涡轮机8.1或12.1的该流入区域中的多条管路。但是当然还可容易地设想的是，与排气歧管6或7类似地，在一个管路中将从这些排气门喷出的排气流组合，或者在一个共用的排气歧管内将该排气流引导到例如三条分开的引导通道中，以便然后在流入区域中将该排气流以多条、例如三条支流分配到这些涡轮机8.1或12.1中(参见下述的关于图3至图7的详细说明)。
这两个排气歧管6或7理想地同样实施为在这些排气门5.1的排出区域与这个/这些排气涡轮增压器9.2或11.2的该涡轮机8.2或12.2的流入区域之间尽可能直接地连接。这些排气歧管6或7优选地设计为具有用于大的体积流量的大的横截面。在内燃机的高转速或全负荷下期望的均匀的增压或阻滞增压首先以如下方式实现：这些排气歧管13或14实施为具有相对大的横截面。除此之外，可以通过这些排气歧管6或7的长度的相对应的适配产生对应大的体积，使得形成均匀的体积流量。
在内燃机1的较高的负荷运行状态下或在全负荷下、即在对应更高或较高的转速下，这两个气缸组2和3的这些排气门5.1再次被凸轮轴的凸轮控制而打开。理想地，通过用于控制这些排气门5.1的、以特别宽的轮廓实施的凸轮来实现打开，使得实现非常提早地打开第二排气门5.1并且由此能够实现与这些排气涡轮增压器9.1或11.1并联连接的这个/这些排气涡轮增压器9.2或11.2(通过向其涡轮机8.2或12.2中馈送排气)的接通。由于早打开，排气流从这些气缸的喷出首先仅产生在连接这两个气缸组2或3的这些排气门5.1的、大体积的排气歧管6或7上，由此减小或分解了压力冲击并且实现了在这些排气歧管中的很大程度上均匀的质量流量。
此外特别有利的是，这些排气歧管6或7通过膨胀管15相连接。可以用阀瓣16.1或16.2(或阀)来打开过关闭该膨胀管15。在例如部分负荷运行状态中或在低转速下，这些阀瓣关闭(如还有这些排气门5.1)，使得短地并且以小的横截面实施的第一排气歧管13.1、13.2、13.3或14.1、14.2、14.3的小的体积针对冲击增压起作用。在全负荷运行中或在高转速下，通过打开阀瓣16.1或16.2来增大用于排气流的体积，使得能够实现相对应地辅助从冲击增压向阻滞增压的过渡。
在图2中以曲线图(在转速n上记录增压压力d)展示了转速与由排气涡轮增压器9.1或11.1可提供的增压压力之间的关联。在关闭的排气门5.1和未激活的排气涡轮增压器9.2或11.2中，由于小的体积以及这些排气歧管13.1、13.2、13.3或14.1、14.2、14.3在排气门5.2的区域处与该排气涡轮增压器9.1或11.1的涡轮机8.1或12.1的流入区域的直接地、以最短路径进行的连接，在该排气涡轮增压器9.1或11.1中的增压压力d出现了非常快速的上升(参见图2中的曲线k1)。由于在第一排气歧管13.1、13.2、13.3或14.1、14.2、14.3中的小的体积和体积流量，当内燃机的转速n上升时，增压压力d在某些情况下突然下降。为了避免所谓的“涡轮迟滞(Turbolochs)”，在增压压力d下降之前接通/打开(图2中的接通区域Z)这些排气门5.1并且由此接通该第二涡轮增压器组的这个/这些第二涡轮增压器9.2或11.2。借助对应大体积地实施的第二排气歧管6或7，出现了向涡轮增压器中的体积流量的明显增大以及由此出现从冲击波增压向均匀的阻滞增压的过渡。
此外，还可以通过打开膨胀管15中的阀瓣16.1或16.2来补充体积增大，以引导排气流。在图2中用箭头A或B展示了膨胀管15的打开。在箭头A中，该膨胀管是关闭的；参见箭头B，一旦在非常高转速下的增压压力d有下降的危险，则该膨胀管打开。
如上文已经描述的，便利的是，通过提早打开排气门5.1使该第二涡轮增压器9.2或11.2的该接通区域与这个或这些涡轮增压器9.1或11.1的该运行区域重叠。这可以通过具有对应宽的轮廓的排气门5.1实现，这些排气门可以实现早打开第二排气门5.1。
根据本发明的方法或用于实施本发明的方法的排气引导系统能够以有利的方式得到辅助：将排气流的该流入区域对应地设计到排气涡轮增压器的这些涡轮机中。这样可以将尤其排气歧管13、14(但在适当时还有排气歧管6、7)的体积流量在该涡轮机8.1、8.2、12.1、12.2的该流入区域中分配成多个支流。这可以通过借助通道20或21(参见图3)的两道流动(例如在4气缸内燃机中)或通过借助通道22、23和24(参见图4)的三道流动(例如在6气缸内燃机中)实现。借助此类的体积流量分配，该涡轮机的叶轮L在其圆周上分布均匀地加载。
在图5、6和7中示意性地展示了用于排气涡轮增压器的增压机的壳体构型。图5示出了成双形式的流动通道的构造(通道25和26)。图6和图7借助通道27、28或29和30示出了略有不同的成双形式的构造。
无论如何特别便利的是，这还适用于在图5至7中所示的这些通道的成双安排，这些通道的通入口在该涡轮机的叶轮L上螺旋状偏置地分布在该叶轮L的外周上。
对于本领域技术人员而言当然可以理解的是，该排气涡轮增压器的涡轮机的叶轮可以实施为径流式、轴流式或还有“混流式”的型式(径流-轴流)。
附图标记清单
1 内燃机
2 气缸组
2.1、2.2、2.3 气缸
3 气缸组
3.1、3.2、3.3 气缸
4 进气门
5.1 第二排气门
5.2 第一排气门
6 气缸组2的第二排气歧管
7 气缸组3的第二排气歧管
8.1 排气涡轮增压器9.1的涡轮机
9.1 排气涡轮增压器
9.2 排气涡轮增压器
11.1 排气涡轮增压器
12.1 排气涡轮增压器11.1的涡轮机
12.2 排气涡轮增压器11.2的涡轮机
13.1、13.2、13.3 气缸组2的第一排气歧管
14.1、14.2、14.3 气缸组3的第一排气歧管
15 膨胀管
16.1、16.2 阀瓣/阀
31 催化器
32 催化器
33 末端消声器
34 末端消声器
A 关闭的膨胀管15
B 打开的膨胀管15
Z 接通区域
n 转速
d 增压压力
k1 ＝图2中的曲线1
k2 ＝图2中的曲线2
L 叶轮

Claims (8)

1.一种用于运行增压的内燃机的方法，该内燃机具有分别由多个气缸(2.1，2.2，2.3，3.1，3.2，3.3)构成的多个气缸组(2，3)和多个排气涡轮增压器(9.1，9.2，11.1，11.2)，其中，能够由该第一气缸组(2)的气缸(2.1，2.2，2.3)的第一排气门(5.2)以及该第二气缸组(3)的气缸(3.1，3.2，3.3)的第一排气门(5.2)经过至少一个第一排气歧管(13.1，13.2，13.3；14.1，14.2，14.3)给至少一个第一排气涡轮增压器(9.1，11.1)供应排气，其中能够由该第一气缸组(2)的气缸(2.1，2.2，2.3)的第二排气门(5.1)以及该第二气缸组(3)的气缸(3.1，3.2，3.3)的第二排气门(5.1)经过第二排气歧管(6，7)给至少一个第二排气涡轮增压器(9.2，11.2)供应排气，其中，当该内燃机的转速较低时或在部分负荷运行状态和/或不稳定运行状态下，每个气缸组(2，3)通过与第一排气门(5.2)相连接的第一排气歧管(13.1，13.2，13.3；14.1，14.2，14.3)能够在至少第一排气涡轮增压器(9.1，11.1)的涡轮机(8.1，12.1)的流入区域中以可分配的支流通道(20，21，22，23，24，25，26，27，28，29，30)给该涡轮机(8.1，12.1)供应排气，而第二排气涡轮增压器(9.2，11.2)是未激活的，其特征在于，经过这两个气缸组(2，3)的第二排气歧管(6，7)的排气体积流量能够通过受阀瓣或阀(16.1，16.2)控制的膨胀管(15)汇合。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由于与第二排气歧管(6，7)相连接的第二排气门(5.1)的气门行程＝0或最小气门行程，能够实现不激活该第二排气涡轮增压器(9.2，11.2)。
3.用于实施根据前述权利要求之一所述的方法的内燃机的排气引导系统，其特征在于，第一排气歧管(13.1，13.2，13.3；14.1，14.2，14.3)设计为具有小的横截面并且以小的长度连接到进入该第一排气涡轮增压器(9.1，11.1)的涡轮机(8.1，12.1)中的排气入口处。
4.用于实施根据权利要求1或2所述的方法的内燃机的排气引导系统，其特征在于，为了产生均匀的体积流量，具有大横截面的第二排气歧管(6，7)被连接到进入该第二排气涡轮增压器(9.2，11.2)的涡轮机(8.2，12.2)中的排气入口处。
5.用于实施根据权利要求1或2所述的方法的内燃机的排气引导系统，其特征在于，安排有至少在第一排气涡轮增压器(9.1，11.1)的涡轮机(8.1，12.1)中分开地延伸的流入通道(20，21，22，23，24，25，26，27，28，29，30)，流入通道用于引导分配后的排气支流。
6.用于实施根据权利要求1或2所述的方法的内燃机的排气引导系统，其特征在于，排气涡轮增压器(9.1，9.2，11.1，11.2)的所有涡轮机(8.1，8.2，12.1，12.2)的流入通道(20，21，22，23，24，25，26，27，28，29，30)被实施为分开地延伸的螺旋通道。
7.根据权利要求3至6之一所述的排气引导系统，其特征在于，该排气涡轮增压器(9.1，9.2，11.1，11.2)的涡轮机(8.1，8.2，12.1，12.2)被实施为径流式或轴流式的或“混流式”涡轮机。
8.机动车中的内燃机，其特征在于，使用根据权利要求1或2所述的方法来用于运行所述内燃机的和/或根据权利要求3至7之一所述的排气引导系统被用于运行所述内燃机。
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