CN108291480B - 四冲程内燃机 - Google Patents

Abstract

本文公开了一种四冲程内燃机(2)。内燃机(2)包括至少一个汽缸装置(4)、排气管道(6)和至少一个涡轮机。汽缸装置(4)包括构造成打开和关闭排气流动面积A_CYL的排气端口装置(14)。汽缸装置(4)具有最大容积V_MAX。排气管道(6)在排气流动面积A_CYL和涡轮机的涡轮入口面积A_TIN之间延伸并且具有排气管道容积V_EXH。排气管道容积V_EXH小于等于0.5乘以最大容积V_MAX。排气端口装置(14)构造成当汽缸装置(4)的活塞(10)处于下止点BDC时将排气流动面积A_CYL暴露为至少0.22乘以最大容积V_MAX的尺寸。

Description

四冲程内燃机

技术领域

本发明涉及一种包括涡轮机的四冲程内燃机。

背景技术

在包括涡轮机(例如涡轮增压器)的四冲程内燃机中，汽缸中的排气压力被用来驱动涡轮机的涡轮。

四冲程内燃机的活塞执行四个冲程，进气冲程、压缩冲程、动力冲程、和排气冲程。包括例如普通排气提升阀的内燃机的排气端口装置必须在动力冲程期间活塞达到其下止点BDC之前打开。否则，如果排气装置将在稍后(例如当活塞达到BDC时)打开，则来自汽缸内部的排气的内部压力将阻止活塞在排气冲程期间朝向上止点TDC移动。因此可用的发动机功率会降低。

排气装置在动力冲程期间在活塞的下止点BDC之前打开允许一部分排气在活塞达到BDC之前通过排气装置逸出，被称为泄放。术语泄放也可以与在活塞达到BDC之前和活塞已经达到BDC之后，同时汽缸内部的压力超过排气装置下游的排气系统中的压力时，排气通过排气装置逸出结合使用。泄放的能量(功)，即泄放能量，通过排气装置逸出并且不传递到相关内燃机的曲轴。

US5067452公开了一种压燃式发动机中的汽缸盖，其具有至少三个汽缸，每个汽缸具有用于供给燃料的单一开口、用于排气的单一开口、将燃料供给开口与用于分立汽缸的进气阀连接的第一组通道、将用于排气的开口与用于分立汽缸的排气阀连接的第二组通道。涡轮增压器的入口直接连接到用于排气的开口，并且用于燃料加注的涡轮增压器的出口管直接连接到燃料供给开口。因此，可以在汽缸的入口和出口侧提供尽可能短的气体导管以避免压力和温度损失，以便尽可能多地利用涡轮增压器中的排气能量。

DE4414132公开了从内燃机的每个汽缸的出口阀到涡轮机的直接导管。所获得的能量产出被用于通过增加的加注来增加燃烧室中的空气体积，以减少NO_X排放。在膨胀冲程期间引起的活塞功率被调节到低于所供给的空气体积所允许的量以获得所需的减少的NO_X值。排气歧管的横截面可以小于阀通过流动表面，其中横截面仅在涡轮机气体入口处变宽。

US4535592公开了一种内燃式涡轮复合发动机，其具有传统的可往复运动的活塞、汽缸、歧管、燃料氧气混合装置或燃料喷射器、点火装置或压缩点火器，并且结合有用于将热的、轻度高压燃烧产物(排气)从相应的汽缸输送到一个或多个涡轮机的相应的喷嘴构件的改进。喷嘴构件的入口端和排出端分别与相应的燃烧室或汽缸的相应的边界壁以及涡轮机的入口连接。快速打开的喷嘴阀将排气从相应的汽缸引入喷嘴构件。

发明内容

本发明的目的是提供一种包括涡轮机的四冲程内燃机，其中内燃机的涡轮机泄放能量的使用程度大于上述现有技术文献的燃式发动机中的涡轮机泄放能量。

根据本发明的一个方面，该目的通过包括至少一个汽缸装置、排气管道、和包括涡轮的涡轮机的四冲程内燃机来实现，该涡轮机具有涡轮入口面积A_TIN。该至少一个汽缸装置形成燃烧室并且包括布置成在汽缸孔中往复运动的活塞和排气端口装置，排气端口装置构造成在活塞往复运动的排气程序期间打开和关闭排气流动面积A_CYL。汽缸装置具有在活塞的下止点BDC与燃烧室的上部内侧界定表面之间的最大容积V_MAX。排气管道在排气流动面积A_CYL与涡轮入口面积A_TIN之间延伸，并且具有排气管道容积V_EXH。排气管道容积V_EXH小于等于0.5乘以最大容积V_MAX，并且排气端口装置构造成当活塞处于下止点BDC时，以至少0.22乘以最大容积V_MAX的尺寸来暴露排气流动面积A_CYL。

由于排气管道容积V_EXH小于等于0.5乘以最大容积V_MAX，即V_EXH≤0.5×V_MAX，并且由于排气端口装置被配置为当活塞处于下止点BDC时，以至少0.22乘以最大容积V_MAX的尺寸来暴露排气流动面积A_CYL，即A_CYL≥0.22×V_MAX，因此排气的泄放能量在涡轮机中被有效地利用。结果，实现了上述目的。

发明人已经发现，所定义的最大排气管道容积V_EXH与当活塞处于BDC时已经打开以对应于至少0.22乘以最大容积V_MAX的尺寸的排气流动面积A_CYL相结合，导致大部分泄放能量被传递到涡轮机。也就是说，由泄放产生的排气的初始爆发以不受限制的方式通过排气流动面积A_CYL，并且经由排气管道传递到涡轮入口面积A_TIN以用于涡轮机。

四冲程内燃机可以包括多于一个汽缸装置，每个汽缸装置具有活塞和排气端口装置。四冲程内燃机可以包括多于一个涡轮机。涡轮机例如可以是涡轮增压器，其可以形成涡轮复合发动机的一部分，或者可以是驱动发电机的涡轮机。内燃机的一个或多个活塞可以经由一个或多个连杆连接到内燃机的曲轴。

在汽缸装置内部，活塞上方存在燃烧室。进气在活塞的进气冲程期间通过汽缸装置的进气装置进入燃烧室。进气可以通过涡轮增压器压缩。内燃机可以是例如诸如柴油型发动机的压缩点火(CI)式发动机或诸如奥托型发动机的火花点火式发动机，并且在后者情况下包括汽缸装置中的火花塞或类似装置。燃料可以在活塞的压缩冲程的一部分期间被注入到燃烧室中，或者可以与吸入空气一起被夹带。燃料可能在活塞的压缩冲程与动力冲程之间的TDC附近点燃。

根据实施方式，汽缸装置的瞬时汽缸容积V由活塞在其往复运动期间在汽缸孔中的瞬时位置定义，并且A_CYL(V)表示在活塞的动力冲程期间的排气流动面积A_CYL，其是瞬时汽缸容积V的函数。排气流动面积系数δ被定义为，δ＝A_CYL(V)/(0.22×V_MAX)，A_CYL以m²表示，V_MAX以m³表示。排气端口装置具有被定义为β＝(V(δ＝1)-V(δ＝0.1))/V_MAX的打开速度系数β，并且排气流动面积A_CYL可以具有打开速度系数β<0.06。

以这种方式，排气流动面积A_CYL可以在排气端口装置中以提供低流动阻力的速度打开。因此，可以促进从燃烧室向排气管道的泄放能量的快速传递。此外，所定义的最大排气管道容积V_EXH与所定义的打开速度系数β结合可以确保由泄放能量产生的排气的初始爆发可用于涡轮中。

换言之，打开速度系数β<0.06意味着在动力冲程期间，A_CYL从V_MAX的10％增加至V_MAX的100％时，汽缸容积增加小于6％。

根据实施方式，涡轮机具有标准化的有效流动面积γ，其被定义为γ＝A_TURB/V_MAX，其中γ可以大于0.22m^-1，其中A_TURB＝(A_TIN/A_TOT)×m’_RED×(R/κ(2/(κ+1)^X)))^1/2，其中X＝(κ+1)/(κ-1)，其中A_TOT是涡轮机的总入口面积，并且其中A_TURB是在涡轮机的入口侧与出口侧之间的压力比率是2.5-3.5的情况下并且在涡轮的尖端速度是450m/s的情况下在涡轮机的减小的质量流量m’_RED下获得的。

以这种方式，提供了一种涡轮机，其中可以利用来自一个汽缸装置并且经由BDC处的所定义的排气流动面积A_CYL和所定义的排气管道容积V_EXH传递到涡轮入口面积A_TIN的泄放产生的排气的初始爆发。此外，在具有这样定义的标准化的有效流动面积γ的涡轮机中，泄放能量可以在曲轴的小于80度的曲柄角度中从排气中提取。因此，泄放能量可以从连接到涡轮机的每个汽缸装置中独立地提取，因为来自不同汽缸装置的排气在曲轴的不同曲柄角度处达到涡轮机。

除了涡轮机中的泄放能量利用率提高之外，上面所讨论类型的四冲程内燃机还具有优异的气体交换性能。也就是说，由于排气端口装置的快速打开和BDC处已有的大的可用排气流动面积，以及涡轮机的上面所限定的特性，因此排气受到低背压的影响。内燃机的排气系统中的低背压促进了排气的高效率、低能量排放。在如上面所限定的四冲程内燃机中，实现了这种低能量排放，同时仍然在具有上面所限定的特性的涡轮机中利用大量的泄放能量。换言之，大量的可用泄放能量在涡轮机中被回收，而不会以高的汽缸内压力不利于排气冲程，这将导致高的负活塞泵送功。

当研究所附权利要求和以下具体实施方式时，本发明的进一步特征和优点将变得显而易见。

附图说明

根据在以下具体实施方式和附图中讨论的示例性实施方式，将容易地理解本发明的各个方面，包括其特定特征和优点，其中：

图1示意性地示出了根据实施方式的穿过四冲程内燃机的横截面图，

图2示出了四冲程内燃机的排气端口装置上的质量流量的图表，

图3示出了排气端口装置的排气流动面积的图表，

图4示出了涡轮增压器的涡轮机图的示意性实施例，以及

图5示意性地示出四冲程内燃机的两个实施方式。

具体实施方式

现在将更全面地描述本发明的各方面。相同的数字始终指代相同的元素。为了简洁和/或清楚起见，众所周知的功能或结构不一定会被详细描述。

图1示意性地示出根据实施方式的四冲程内燃机2。四冲程内燃机2包括至少一个汽缸装置4、排气管道6以及以涡轮增压器8形式示例的至少一个涡轮机。

至少一个汽缸装置4包括活塞10、汽缸孔12、排气端口装置14、进气口装置16、和燃料喷射装置18、和/或点火装置。活塞10布置成在汽缸孔12中往复运动。在图1中，活塞10在其下止点BDC处利用连续的线示出，并且在其上止点TDC处利用虚线示出。汽缸装置4具有在活塞10的BDC与燃烧室23的上部内侧界定表面24之间的最大容积V_MAX。燃烧室23在汽缸装置4内部形成在活塞10上方。活塞10连接到内燃机2的曲轴20。在这些实施方式中，活塞10借助于活塞杆22直接连接到曲轴20。

汽缸装置4具有汽缸孔12中在BDC与TDC之间的总扫气体积V_S。汽缸装置4具有压缩比ε。V_MAX可以表示为：

V_MAX＝V_S×(ε/(ε-1))

排气端口装置14构造成在活塞往复运动的排气程序期间打开和关闭排气流动面积A_CYL。排气程序在动力冲程期间在活塞10达到其BDC之前开始，并且在排气冲程与进气冲程之间在活塞的TDC周围结束。在活塞10的往复运动期间，汽缸装置4具有瞬时汽缸容积V。也就是说，汽缸装置的瞬时汽缸容积V由活塞10在汽缸孔12中的瞬时位置定义。因此，排气流动面积A_CYL可以表示为瞬时汽缸容积V的函数，即A_CYL(V)。如将在下面讨论的，在活塞10的动力冲程期间利用A_CYL(V)用于限定排气端口装置14的打开速度。

涡轮增压器8包括涡轮26。涡轮增压器8包括涡轮入口面积A_TIN。涡轮入口面积A_TIN被设置在涡轮增压器8的外壳的开口处，排气在该开口处进入涡轮26。涡轮入口面积A_TIN适当地可以是涡轮增压器8的喷嘴喉部区域。喷嘴喉部区域也可以被称为涡轮机外壳喉部区域、涡轮机外壳关键区域或类似部分，并且通常可以针对特定涡轮机进行规定。在没有针对特定涡轮机规定喷嘴喉部和/或未规定喷嘴喉部区域的位置的情况下，涡轮入口面积A_TIN垂直于排气的流动方向延伸。在其中排气管道沿涡轮叶轮的一部分延伸(例如以涡形延伸，诸如在双涡旋式涡轮增压器中)的涡轮机的实施方式中，涡轮入口面积A_TIN被限定在排气管道的使涡轮首先暴露于从相关汽缸装置发出的排气的区段处。

排气管道6将排气端口装置14与涡轮增压器8连接。排气管道6具有排气管道容积V_EXH。在图1中，排气管道容积V_EXH被示出为盒子。实际上，排气管道6在排气流动面积A_CYL与涡轮入口面积A_TIN之间延伸。因此，排气管道容积V_EXH由排气管道在排气流动面积A_CYL与涡轮入口面积A_TIN之间的容积形成。在这些实施方式中，排气管道6仅将排气流动面积A_CYL与涡轮入口面积A_TIN流体连接。也就是说，排气管道6形成在排气流动面积A_CYL与涡轮入口面积A_TIN之间延伸的单独管道。单独管道没有任何其他的用于排气的入口或出口。因此，涡轮入口面积A_TIN是用于经由排气管道6与其相连的特定排气流动面积A_CYL的涡轮增压器8的专用入口面积。排气管道容积V_EXH小于等于0.5乘以最大容积V_MAX，即V_EXH≤0.5×V_MAX。此外，当活塞10处于BDC时，排气端口装置14构造成以至少0.22乘以最大容积V_MAX的尺寸来暴露排气流动面积A_CYL，即A_CYL≥0.22×V_MAX。

涡轮增压器8的涡轮26可以连接到用于将进气压缩和输送到进气口装置16的叶轮(未示出)。根据一些实施方式，涡轮26可以是轴向涡轮。包括轴向涡轮的涡轮增压器可以提供这里讨论的低背压。然而，根据替代实施方式，涡轮可以是径向涡轮，其也可以提供本文所讨论的低背压。

根据一些实施方式，汽缸装置4可以具有汽缸孔12中在活塞10的下止点BDC与上止点TDC之间的总扫气体积V_S，其中0.3<V_S<4升。纯粹作为实施例提到，在V_S的较低范围中，汽缸装置4可以形成用于客车的内燃机的一部分，并且在V_S的中间和更高范围中，汽缸装置4可以形成用于重载车辆(例如卡车、公共汽车或建筑车辆)的内燃机的部分。同样在V_S的较高范围中，汽缸装置4可以形成用于例如发电机机组(发电机组)、用于海洋使用、或用于铁路(火车)使用的内燃机的部分。

根据替代实施方式，多于一个汽缸装置可以在涡轮增压器的一个位置处连接到涡轮增压器。图6示出了其中两个汽缸装置4经由一个涡轮入口面积A_TIN连接到涡轮增压器8的实施方式，即两个汽缸装置4共享同一涡轮入口面积A_TIN。因此，来自两个汽缸装置4的排气端口装置14的排气导管分支6’，6”连接以形成通向涡轮增压器8和涡轮入口面积A_TIN的公共排气导管6。由于当排气从其中一个汽缸装置4流动到涡轮入口面积A_TIN时，两个排气管道分支6’，6”之间存在一定程度的交叉流动，因此上面所讨论的标准：V_EXH≤0.5×V_MAX对于两个排气导管分支6’，6”和公共排气导管6的共同的排气管道容积V_EXH是有效的。图7示出了其中两个汽缸装置4经由两个单独的排气导管6连接到涡轮增压器8的实施方式，每个排气导管通向一个涡轮入口面积A_TIN。涡轮入口面积A_TIN彼此相邻定位，使得它们可以被认为在涡轮增压器8的一个位置处连接到涡轮增压器8。两个涡轮入口面积A_TIN之间的交叉流动可以忽略不计。因此，对于每个排气管道6，上面所讨论的标准：V_EXH≤0.5×V_MAX是有效的。

通常，不认为进出排气管道6的连接的容积形成排气管道容积V_EXH的一部分，如果这样的连接具有低于极限值的横截面积的话。根据实施方式，排气管道容积V_EXH不包括所有经由具有小于等于0.022乘以最大容积V_MAX的最小连接横截面积A_CON的连接而连接到排气管道6的体积。也就是说，横截面积A_CON的极限值是当活塞10处于下止点BDC时关于排气流动面积A_CYL的上面所讨论的标准的10％。利用这样小的横截面积A_CON，排气的通过连接的任何交叉流动可以忽略不计。在图7中已经指出了具有最小连接横截面面积A_CON的两个示例连接7。纯粹作为实施例提到，这种连接7可以形成排气再循环(EGR)系统的一部分，或者可以连接到传感器等。

图2示出了四冲程内燃机的排气端口装置上的质量流量的图表。沿着该图表的X轴，在内燃机的汽缸装置的汽缸孔中的活塞的四个冲程，动力冲程30、排气冲程32、进气冲程34、和压缩冲程36在活塞的下止点BDC与上止点TDC之间被指示出。内燃机的曲轴的角度也在X轴上给出。0度曲轴角被设定在排气冲程32与进气冲程34之间的TDC处。通过排气端口装置的以kg/s为单位的示例性质量流量在Y轴上给出。

图表的曲线图显示了排气端口装置的质量流量。在点38处，排气端口装置开始打开。在点40处，排气端口装置再次关闭。因此，在点38与40之间的时间段中，排气流动面积A_CYL被暴露并且增加到最大值，然后减小并关闭。在点38与40之间的时间段中，排气经由排气端口装置从汽缸装置排出。点38与40之间的时间段可以大致分为两部分，即泄放42和清理44。在泄放42期间，与排气流动面积A_CYL下游的压力相比，在汽缸孔中的排气中存在过大的压力。过大的压力导致排气经由排气流动面积A_CYL从汽缸孔自发地流出。过大的压力可以例如在涡轮机中被利用。在清理44期间，与排气流动面积A_CYL下游的压力相比，在汽缸孔中的排气中不再存在过大的压力，并且排气当其在汽缸孔中向上行进时通过活塞在排气端口装置上被排出。

参照本文所讨论的实施方式，排气程序在点38处开始，在点40处结束，并且由附图标记46指示出。此外，在动力冲程30与排气冲程32之间的BDC(-180.0度)处，排气流动面积A_CYL已经打开至A_CYL≥0.22×V_MAX的程度。

图3示出了排气端口装置的排气流动面积A_CYL的图表。每个这样的排气端口装置形成汽缸装置的一部分，该汽缸装置还包括布置成在汽缸孔中往复运动的活塞。沿着Y轴以mm²给出排气端口装置的示例性排气流动面积。沿着X轴给出相对汽缸容积，即计算瞬时汽缸容积V与最大容积V_MAX之间的比率V/V_MAX。因此，在比率1处，活塞处于其BDC处。

图表中显示了三个曲线图50，52，54。第一曲线图50涉及包括标准凸轮轴控制的排气提升阀的排气端口装置。第一曲线图50显示了提升阀以约0.82的比率打开，并且提升阀的排气流动面积随着活塞朝向BDC行进而逐渐增加，并且随着活塞朝向TDC行进而以0.88的比率达到其最大排气流动面积。第二曲线图52涉及包括电子和/或液压操作的排气提升阀的排气端口装置。第二曲线图52显示了提升阀以约0.88的比率打开，并且提升阀的排气流动面积随着活塞朝向BDC行进而逐渐增大，并且随着活塞达到BDC而以约1的比率达到其最大排气流动面积。第三曲线图54涉及例如在US4535592中显示的类型的快速打开的大面积排气端口装置。第三曲线图54显示了排气端口装置以约0.88的比率打开，并且排气端口装置的排气流动面积随着活塞朝向BDC行进而逐渐增大。

如下面将讨论的，第一曲线图50示出了现有技术的排气端口装置的特性，而第二和第三曲线图52，54示出了本文所讨论的实施方式的排气端口装置的特性。

根据实施方式，汽缸装置的瞬时汽缸容积V由活塞在其往复运动期间在汽缸孔中的瞬时位置定义。A_CYL(V)表示在活塞的动力冲程期间的排气流动面积A_CYL，其是瞬时汽缸容积V的函数。排气流动面积系数δ被定义为

δ＝A_CYL(V)/(0.22×V_MAX)，

其中A_CYL以m²表示，并且V_MAX以m³表示。在图3的图表中，随着比率增加，活塞的动力冲程在向右方向上。动力冲程在比率1处结束。随着比率减小，活塞的排气冲程在图表中的向左方向上。此外，排气端口装置具有打开速度系数β，其被定义为

β＝(V(δ＝1)-V(δ＝0.1))/V_MAX，

也就是说，V(δ＝1)代表当δ等于1时的瞬时汽缸容积V，并且V(δ＝0.1)代表当δ等于0.1时的汽缸瞬时容积V。因为δ基于排气流动面积A_CYL，所以打开速度系数β代表打开汽缸装置的特定排气端口装置的速度有多快。打开速度系数β越低，特定的排气端口装置越快。

根据本文所讨论的实施方式，排气端口装置可以具有打开速度系数β<0.06，以有效地利用涡轮增压器中的泄放能量。

在图3的图表中，用于具有特定V_MAX的汽缸装置的排气端口装置的打开速度系数β由在相关曲线图50，52，54上延伸穿过代表V(δ＝1)的点56，58，60和代表V(δ＝0.1)的点62，64，66的相应线条代表。因此，打开速度系数β1，对于包括由第一曲线图50代表的标准凸轮轴控制的排气提升阀的排气端口装置而言，β₁＝0.09。对于由第二和第三曲线图52，54代表的排气端口装置而言，β₂＝0.04并且β₁＝0.025。因此，由第二和第三曲线图52，54代表的排气端口装置满足要求β<0.06。

结合本文的实施方式的所提到的排气程序在相应的曲线图52，54上当排气端口装置打开时开始，然后沿着曲线图在图表中向右达到BDC，然后沿着曲线图在图表中向左朝向TDC。因此，对于由第二曲线图52表示的排气端口装置而言，在图表中仅表示排气程序的开始。当活塞向TDC移动时，低于0.80的比率未在图表中显示。对于由第三曲线图54表示的排气端口装置而言，排气程序的更短部分在图表中表示。由于相关排气端口装置的相对较大的排气流动面积A_CYL和快速打开速度，第三曲线54在比率1处延伸到图表外部。

对于特定的涡轮机而言，涡轮机台架实验结果绘制在涡轮机图中。基于这种涡轮机图，可以为特定的四冲程内燃机选择合适的涡轮机。在一种类型的涡轮机图中，可以针对涡轮机上的经校正的流动和压力比率绘制多个涡轮机速度线。这种涡轮速度线可以表示例如所谓的减少的涡轮机转速RPM_RED。经校正的流量可以由例如减少的质量流量m’_RED表示。标准SAEJ1826和SAEJ922涉及涡轮增压器的测试程序、命名法和术语，并且通过引用并入本文以获得与涡轮增压器相关的涡轮机图和参数的进一步细节。

m’_RED＝m’×(T)^1/2/P

其中m’是通过涡轮的实际质量流量，T是涡轮之前的排气温度，并且P是涡轮之前的排气压力。在图4中示出了涡轮增压器的涡轮机图的示意性实施例。

根据实施方式，涡轮机具有被定义为γ＝A_TURB/V_MAX的标准化有效流动面积γ。因此，涡轮入口面积A_TIN可以相对于汽缸装置的最大容积V_MAX来定义。也就是说，

A_TURB＝(A_TIN/A_TOT)×m’_RED×(R/(κ(2/(κ+1)^X)))^1/2，

其中X＝(κ+1)/(κ-1)。如上面所提到的，A_TIN是连接到汽缸装置的排气流动面积A_CYL的涡轮入口面积。涡轮机可能具有一个以上的入口面积。因此，A_TOT是涡轮机的总入口面积，即A_TIN和任何额外的涡轮入口面积A_TINX等(A_TOT＝A_TIN+A_TINX+...)。R是特定的气体常数。R的示例值可以是287。κ＝C_P/C_V，其中C_P是排气在恒定压力下的比热容，并且C_V是排气在恒定体积下的比热容。在温度为293K时，κ的示例值可以是1.4。

A_TURB是在涡轮机的入口侧与出口侧之间的2.5-3.5压力比率下并且在涡轮的450m/s的尖端速度下在减小的涡轮机质量流量m’_RED下获得的。用于特定涡轮机的A_TURB可以例如通过从用于与在相关压力比率下的相关叶尖速度相对应的涡轮机速度的相关涡轮机图中提取减小的质量流流量m’_RED，并且利用用于涡轮机及其运行条件的相关数据计算A_TURB来获得。之后，可以计算γ。根据本文的实施方式，γ>0.22m^-1。

如上面所讨论的，排气端口装置构造成当活塞处于下止点BDC时，以至少0.22×V_MAX的尺寸来暴露排气流动面积A_CYL。在具有标准化的有效流动面积γ>0.22m^-1的涡轮机中，当活塞处于下止点BDC时，涡轮入口面积A_TIN可以对应于上面所定义的排气流动面积A_CYL(A_CYL≥0.22×V_MAX)。换言之，在活塞的下止点BDC处的排气流动面积系数δ≥1。因此，结合所定义的V_EXH≤0.5×V_MAX，可以实现泄放能量从排气端口装置到涡轮入口面积A_TIN的有效传递。因此，随着排气从汽缸装置传递到涡轮机，可以提供低压降，并且随着排气在涡轮机的涡轮上膨胀，泄放能量可以转化为有用功。而且，上面所讨论的具有打开速度系数β<0.06的排气阀装置的快速打开可能有助于从汽缸装置到涡轮机的低压降。

图5示出了四冲程内燃机2的第一示例性实施方式以及四冲程内燃机2的第二示例性实施方式。

利用实线，图5中示出了包括三个汽缸装置4的四冲程内燃机2的第一示例性实施方式。每个汽缸装置4包括排气端口装置14，其中单独的排气管道6仅将每个排气端口装置14与涡轮增压器8的单独的入口面积A_TIN流体连接。每个汽缸装置4是如结合图1所讨论的汽缸装置4。

上面所讨论和定义的打开速度系数β以及标准化的有效流动面积γ适用于汽缸装置4中的至少一个。根据实施方式，每个汽缸装置4具有如本文所定义的打开速度系数β<0.06。根据一些实施方式，上面所讨论和定义的打开速度系数β和标准化的有效流动面积γ适用于汽缸装置4中的每一个和与其连接的涡轮增压器8。

根据实施方式，三个汽缸装置4中的每一个可布置成以约240度的曲轴角度分离间隔点火。

根据在图5中示出的第二示例性实施方式，四冲程内燃机2包括六个汽缸装置4，4’。这些实施方式包括前述实施方式的三个汽缸装置4以及用虚线表示的三个汽缸装置4’。同样，每个汽缸装置4，4’包括排气端口装置14，14’，其中单独的排气管道6，6’仅将每个排气端口装置14，14’中的一个与涡轮增压器8，8’的单独的入口面积A_TIN流体连接。在这些实施方式中，内燃机包括两个涡轮增压器8，8’。三个单独的排气管道6连接到第一涡轮增压器8，并且三个单独的排气管道6’连接到第二涡轮增压器和8’。同样，每个汽缸装置4，4’是如结合图1所讨论的汽缸装置4，4’。上面所讨论和定义的打开速度系数β和标准化的有效流动面积γ适用于汽缸装置4，4’中的至少一个。根据一些实施方式，上面所讨论和定义的打开速度系数β和标准化的有效流动面积γ适用于汽缸装置4，4’中的每一个和与其连接的涡轮增压器8，8’。

根据实施方式，六个汽缸装置4，4’中的三个汽缸装置4，4’可以布置成以约240度的曲轴箱角度分离间隔点火。

根据另外的实施方式，四冲程内燃机可以包括不同数量的汽缸装置4，例如两个、四个、五个、或八个汽缸装置4。

本发明不应被解释为限于在此阐述的实施方式。本领域技术人员将认识到，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以组合本文公开的实施方式的不同特征来创建除了在此描述的实施方式之外的实施方式。尽管已经参考示例性实施方式描述了本发明，但是对于本领域技术人员而言，许多不同的变更、修改等将变得显而易见。例如，在结合图1-5所讨论的实施方式中，已经讨论了至少一个呈涡轮增压器形式的涡轮机。替代地，涡轮机可以是连接到内燃机的曲轴的涡轮机，或连接到发电机的涡轮机。因此，应该理解，前述内容是对各种示例性实施方式的说明，并且本发明仅由所附权利要求限定。

如本文所使用的，术语“包括”或“包含”是开放式的，并且包括一个或多个陈述的特征、元件、步骤、组件或功能，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、组件、功能或其组合。

Claims (9)

1.一种四冲程内燃机(2)，包括至少一个汽缸装置(4)、排气管道(6)、和包括涡轮(26)的涡轮机，所述涡轮机具有涡轮入口面积A_TIN，其中所述至少一个汽缸装置(4)形成燃烧室(23)并且包括布置成在汽缸孔(12)中往复运动的活塞(10)和排气端口装置(14)，所述排气端口装置(14)构造成在活塞(10)往复运动的排气程序期间打开和关闭排气流动面积A_CYL，其中所述汽缸装置(4)具有在所述活塞(10)的下止点BDC与所述燃烧室(23)的上部内侧界定表面(24)之间的最大容积V_MAX，其中所述排气管道(6)在所述排气流动面积A_CYL与所述涡轮入口面积A_TIN之间延伸，并且具有排气管道容积V_EXH，其特征在于，所述排气管道容积V_EXH小于等于0.5乘以所述最大容积V_MAX，

并且其中所述涡轮机具有标准化的有效流动面积γ，其被定义为

γ＝A_TURB/V_MAX，其中γ>0.22m^-1，其中A_TURB＝(A_TIN/A_TOT)×m’_RED×(R/(κ(2/(κ+1)^X)))^1/2，其中X＝(κ+1)/(κ-1)，其中，减小的质量流量示出为m’_RED，R是特定的气体常数，κ＝CP/CV，其中CP是排气在恒定压力下的比热容，并且CV是排气在恒定体积下的比热容，其中A_TOT是所述涡轮机的总入口面积，并且其中A_TURB是在所述涡轮机的入口侧与出口侧之间的压力比率是2.5-3.5的情况下并且在所述涡轮(26)的尖端速度是450m/s的情况下在所述涡轮机的减小的质量流量m’_RED下获得的，

并且其中所述排气端口装置(14)构造成当所述活塞(10)处于所述下止点BDC时将所述排气流动面积A_CYL暴露为至少0.22m^-1乘以所述最大容积V_MAX的尺寸，其中，排气流动面积A_CYL表示为瞬时汽缸容积V的函数A_CYL(V)。

2.根据权利要求1所述的四冲程内燃机(2)，其中所述排气管道容积V_EXH不包括所有经由具有小于等于0.022m^-1乘以所述最大容积V_MAX的最小连接横截面面积A_CON的连接而连接到所述排气管道(6)的体积。

3.根据权利要求1或2所述的四冲程内燃机(2)，其中所述排气管道(6)仅将所述排气流动面积A_CYL与所述涡轮入口面积A_TIN流体连接。

4.根据前述权利要求1或2所述的四冲程内燃机(2)，其中所述汽缸装置(4)的瞬时汽缸容积V由所述活塞(10)在其往复期间在所述汽缸孔(12)中的瞬时位置来定义，其中

A_CYL(V)表示在所述活塞(10)的动力冲程期间的所述排气流动面积A_CYL，其是所述瞬时汽缸容积V的函数，其中

排气流动面积系数δ被定义为

δ＝A_CYL(V)/(0.22m^-1×V_MAX)，A_CYL以m²表示，并且V_MAX以m³表示，其中

所述排气端口装置(14)具有打开速度系数β，其被定义为

β＝(V(δ＝1)-V(δ＝0.1))/V_MAX，并且其中

所述排气流动面积A_CYL具有打开速度系数β<0.06。

5.根据前述权利要求1或2所述的四冲程内燃机(2)，其中所述涡轮(26)是轴向涡轮。

6.根据前述权利要求1或2所述的四冲程内燃机(2)，其中所述汽缸装置(4)具有所述汽缸孔(12)中在所述活塞(10)的下止点BDC与上止点TDC之间的总扫气体积V_S，并且其中0.3<V_S<4升。

7.根据前述权利要求1或2所述的四冲程内燃机(2)，包括三个汽缸装置(4)，每个汽缸装置包括排气端口装置(14)，其中单独的排气管道(6)仅将每个排气端口装置(14)中的一个与所述涡轮机的单独的入口面积A_TIN流体连接。

8.根据权利要求7所述的四冲程内燃机(2)，其中所述三个汽缸装置(4)中的每一个布置成以240度的曲轴角度分离间隔点火。

9.根据权利要求4所述的四冲程内燃机(2)，包括三个汽缸装置(4)，每个汽缸装置包括排气端口装置(14)，其中单独的排气管道(6)仅将每个排气端口装置(14)中的一个与所述涡轮机的单独的入口面积A_TIN流体连接，其中每个汽缸装置(4)具有打开速度系数β<0.06。

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