CN117098910A - 增压内燃发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内燃发动机(1)，该内燃发动机包括：‑燃烧室，‑新鲜空气进气管线(20)，‑燃烧过的气体的排气管线(80)，‑涡轮增压器(30)，该涡轮增压器包括涡轮机(82)和压缩机(22)，以及‑真空泵(40)，该真空泵包括入口(41)，并且该真空泵适于在所述入口中产生低于大气的空气压力。根据本发明，内燃发动机进一步包括增压管线(50)，该增压管线在一侧连接至真空泵的入口，并且在另一侧通向压缩机下游的进气管线。内燃发动机还包括控制阀(51)，该控制阀适于对在增压管线中循环的空气流量进行控制。

Description

增压内燃发动机

技术领域

本发明总体上涉及增压内燃发动机。

本发明更特别地涉及包括以下各项的内燃发动机：

-燃烧室，

-新鲜空气进气管线，该新鲜空气进气管线通向燃烧室，

-排气管线，该排气管线用于排放来自燃烧室的燃烧过的气体，

-涡轮增压器，该涡轮增压器包括位于排气管线中的涡轮机以及位于进气管线中并且由该涡轮机驱动而旋转的压缩机，以及

-真空泵，该真空泵包括入口，并且该真空泵被设计成在所述入口中建立低于大气压力的空气压力。

背景技术

增压发动机(无论是通常被称为“汽油发动机”的受控点火发动机还是通常被称为“柴油发动机”的压缩点火发动机)通常包括涡轮增压器。

这种涡轮增压器包括两个叶轮，这两个叶轮位于不同的空气管道中并且安装在共用的轴的两端处。这两个空气管道通过安装在该共用的轴上的密封垫圈以密封的方式隔开。这两个叶轮中的一个叶轮(被称为涡轮机)由在空气管道之一中循环的来自发动机的排气驱动而旋转，从而使得共用的轴旋转，并且因此使得这两个叶轮中的另一个叶轮(被称为压缩机)旋转。因此，该压缩机在其旋转时从大气中吸入新鲜空气并对该新鲜空气进行压缩，以便在压力下将压缩后的空气喷射到发动机的燃烧室中。

这种涡轮增压器存在主要缺点。这种主要缺点在于，当驾驶员期望急剧加速而发动机处于低负载运行点时，涡轮增压器的惯性不允许发动机在前几秒中按照期望那样快速加速。

这种缺点在发动机气缸容量较小时尤其强烈。目前，这种发动机越来越广泛地用于降低发动机的燃料消耗并且减少由此产生的污染物排放。

因此，设想了各种解决方案来缩短发动机加速的响应时间。

例如从文献FR 3018545中已知一种发动机，除了涡轮增压器之外，该发动机还包括电动压缩机。这种电动压缩机使得可以在对发动机存在高需求水平的情况下辅助涡轮增压器的压缩机以改善该发动机的响应时间。令人遗憾的是，这种解决方案需要使用两个不同的压缩机，这被证明是繁琐且昂贵的并且消耗电能，最终导致发动机过度消耗。

发明内容

为了克服这些缺点，本发明提出了用于缩短发动机加速的响应时间的另一种解决方案。

更具体地，本发明提出了一种如在引言中限定的内燃发动机，该内燃发动机设置有：

-增压管线，该增压管线在第一侧与真空泵的入口连通，并且在第二侧通向压缩机下游的进气管线，以及

-至少一个控制阀，该至少一个控制阀被设计成对在增压管线中循环的空气流量进行调节。

在详细阐述本发明提供的优点之前，应重申，在包括这种内燃发动机的机动车辆的气动制动助力系统中，制动伺服器通常插置在车辆的制动踏板与制动器本身之间。这种制动伺服器包括主缸和制动助力器，该制动助力器允许对驾驶员施加至主缸处的踏板的力进行增强。

为此，制动伺服器连接至真空泵，该真空泵递送低于大气压力的压力，并且助力器包括内膜，该内膜承受的压力在大气压力与低压之间变化，以便提供气动助力。

当对制动系统无需求时，真空泵吸入的空气流量非常低(如果说不是零的话)，主要对应于可能存在的任何空气泄漏。换言之，这种系统的真空泵必须不定期地吸入空气，主要在对制动系统存在需求时吸入空气。因此，即使在对制动系统无需求的情况下真空泵也持续操作，这导致了不必要的能量浪费。

因此，本发明提出了通过将真空泵持续产生的真空用于在驾驶员期望急剧加速时加速压缩机的增压来利用该能量。

为此，当控制阀打开时，增压管线通过压缩机产生了大量的空气涌入。这种空气涌入将加速压缩机的旋转，并且因此缩短发动机的响应时间。

另外应注意的是，由于压缩机更为快速地达到了更高的旋转速度，其压缩效率得到提高。

因此，本发明使得可以缩短涡轮增压器的响应时间，同时附加成本非常有限，因为仅需要几个部件，主要是螺线管阀。此外，该解决方案不会增加发动机的燃料消耗。

优选地，增压管线包括连接在真空泵与控制阀之间的空气储器。

有利地，增压管线在与压缩机相距小于10厘米的位置处通向进气管线。

优选地，增压管线通向空气管道，该空气管道将真空泵的入口连接至真空制动伺服器。

本发明还涉及一种机动车辆，该机动车辆包括车轮、推进单元以及包括真空制动伺服器的车轮制动系统，该推进单元包括如上所述的内燃发动机，该内燃发动机的真空泵通过空气管道连接至真空制动伺服器。

优选地，真空制动伺服器包括止回阀，该止回阀被设计成防止从真空制动伺服器朝向真空泵的任何空气回流。

本发明还涉及一种用于操作如上所述的内燃发动机的方法，其中，设置的是(通过驾驶员或通过发动机控制单元)捕获对内燃发动机的需求水平，并且其中，当该需求水平的变化率超过预定阈值时，使所述控制阀打开以免阻塞空气通过。

优选地，在使所述控制阀打开之后，设置的是当涡轮增压器达到预定的速度设定值时使该控制阀关闭。

作为变体或除此之外，在使所述控制阀打开之后，设置的是当增压管线中的压力超过确定阈值时使该控制阀关闭。

当然，本发明的实施例的各种特征、变体和形式可以以各种组合彼此组合，只要它们没有相互不兼容或相互排斥即可。

附图说明

参照以非限制性示例的方式给出的附图的以下描述将使得容易理解本发明的内容以及可以如何实施本发明。

在附图中：

图1是根据本发明的内燃发动机的示意图。

具体实施方式

在本说明书中，术语“上游”和“下游”将根据新鲜空气从大气被抽吸的点到燃烧过的气体被释放到大气中的点的方向的气体流动所沿的方向来使用。

图1示意性地描绘了机动车辆的内燃发动机1，该内燃发动机包括发动机缸体10，该发动机缸体设置有曲轴以及分别容纳在气缸11中的活塞(未描绘)。这些气缸(存在四个，但是优选地存在三个)一起界定燃烧室。在本实例中，该发动机是压缩点火(柴油)发动机。该发动机同样可以是受控点火(汽油)发动机。

在气缸11的上游，内燃发动机1包括进气管线20，该进气管线从大气中获取新鲜空气并且该进气管线通向空气歧管25，该空气歧管被设计成将空气分配至发动机缸体10的每个气缸11。该进气管线20在新鲜空气流动所沿的方向上包括：对从大气中获取的新鲜空气进行过滤的空气过滤器21、对经空气过滤器21过滤的新鲜空气进行压缩的压缩机22、对该压缩后的新鲜空气进行冷却的主增压空气冷却器23、以及能够对通向空气歧管25的新鲜空气的流量进行调节的进气门24。

在气缸11的出口处，内燃发动机1包括从排气歧管81延伸到排气消声器87的排气管线80，先前在气缸11中燃烧过的气体通向该排气歧管，该排气消声器允许燃烧过的气体膨胀，然后再被排放到大气中。在燃烧过的气体流动所沿的方向上，该内燃发动机还包括涡轮机82以及用于处理燃烧过的气体的催化转化器83。

涡轮机82由离开排气歧管81的燃烧过的气体流驱动而旋转，并且经由比如简单的传动轴等机械联接件而允许对压缩机22进行旋转驱动。因此，涡轮机82、压缩机22和传动轴在此形成涡轮增压器30。

内燃发动机1还可以包括一个或两个燃烧后的气体再循环管线(也被称为EGR管线)，用于将燃烧后的气体的一部分再循环至进气侧，所述管线始于排气管线80并且通向进气管线20。

内燃发动机1还包括用于将燃料喷射到气缸11中的燃料喷射管线60。该喷射管线60包括喷射泵62，该喷射泵被设计成从罐61获取燃料并且在压力下将获取的燃料输送到分配轨63中，该分配轨经由喷射器64通向气缸11。

内燃发动机1还包括真空泵40，该真空泵被设计成建立低于大气压力的空气压力。

该真空泵40优选地是机械的并且直接由内燃发动机的曲轴驱动或者经由凸轮轴、齿轮、带、链或其他机构间接地由曲轴驱动。

在此，泵是叶片型泵，但是也可以使用任何其他专用型泵。

该真空泵40包括入口41和出口，该真空泵经由入口吸入空气以产生真空，经由出口排出所吸入的空气。

配备有该内燃发动机1的机动车辆包括用于使车辆减速的制动系统。以常规的方式，该制动系统包括制动踏板、由制动踏板操作的制动伺服器以及制动回路，该制动回路允许制动流体受制动伺服器驱动以操作制动钳。

在此，制动伺服器70为真空型的。因此，该制动伺服器包括由制动踏板操作的主缸以及气动制动助力系统，该气动制动助力系统能够将驾驶员施加至制动踏板的力进行增强。

制动伺服器70通过空气管道71连接至真空泵40的入口41。因此，真空泵40能够在制动伺服器70的膜的一侧建立压力，该压力低于施加至该膜的另一侧的大气压力，从而辅助驾驶员进行制动。

在此，制动伺服器70包括止回阀72，该止回阀被设计成防止从制动伺服器70朝向真空泵40的任何空气回流。

根据本发明的一个特别有利的特征，内燃发动机1进一步包括增压管线50，该增压管线在需要时能够加速压缩机22的增压，即加速压缩机22的旋转。

该增压管线50始于在压缩机22下游的进气管线20中并且通向空气管道71(应重申，该空气管道将真空泵40的入口41连接至制动伺服器70)。

因此，该增压管线50允许空气被吸入压缩机22的下游，以便使通过该压缩机的空气加速，从而增大该压缩机的角速度。

为了使通过压缩机22的空气吸入尽可能有效，增压管线50在尽可能靠近压缩机22(优选地与其相距小于10cm)的位置处始于进气管线20。

在此，该增压管线连接至T形件，该T形件直接连接至压缩机22的出口。作为变体，该增压管线直接附接至压缩机22。

根据本发明，增压管线50配备有控制阀51，该控制阀被设计成对循环通过增压管线50的空气的流量进行调节。

该控制阀51的有益之处在于，允许在无需帮助压缩机加速的情况下关闭增压管线50。

在此，该控制阀51是双稳态的。因此，该控制阀被设计成移动到以下两种稳定位置中的一者或另一者，即：

-关闭位置，在该关闭位置，该控制阀完全阻塞增压管线50，使得其中的空气流量为零(空气泄漏不计)；以及

-打开位置，在该打开位置，增压管线50完全不受阻塞，使得其中的空气流量最大。

控制阀51例如由蝶阀形成，但是当然可以以不同的方式实施。

真空泵40自身通常不能产生足够的真空，无法使其产生的空气吸入足以像期望那样加速压缩机22。

因此，有必要提供真空泵可以在真空或减压下置于其中的储存体积，使得当控制阀51打开时，该储存的全部可以用于产生高水平吸力以通过压缩机22吸入空气。

为此，增压管线50可以被设置为包括截面较大的管道，从而能够包含较大体积的空气。

然而，优选地，增压管线50包括截面较小的管道以及连接在真空泵40与控制阀51之间的空气储器52。

该空气储器52的体积至少等于半升，并且在此实例中等于大约两升。作为变体，该空气储器的体积可以更大、至多等于五升。该空气储器所具有的机械性质使得该空气储器内的空气压力可以非常低(例如数量级为0.2巴)而该空气储器不会塌缩。

如可以在图1看到的，为了操作内燃发动机1的各个部件，存在计算机100，该计算机包括处理器(CPU)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)和数据输入/输出接口。

使用该接口，计算机100能够从各个传感器接收与发动机的运行相关的输入信号。

除了包括这些传感器之外，特别地存在发动机负载传感器，使得可以确定对发动机的需求水平。在此，该负载传感器由位置传感器形成，该位置传感器被设计成测量车辆的油门踏板的位置。作为变体，对发动机的需求水平可以以不同的方式来确定，例如通过计算或根据进气门24的位置来确定。

此外，使用该接口，计算机100能够向发动机的各个部件、特别是向控制阀51传输输出信号。

使用该计算机的存储器，计算机100存储有由包含指令的计算机程序组成的计算机应用，这些指令当由处理器执行时允许计算机实施下文描述的方法。特别地，该计算机存储有在发动机测试台上开发的地图，使得能够生成针对发动机的每种运行状况的输出信号。

通常，当机动车辆的驾驶员打开发动机时，计算机100被初始化并且然后命令启动器和燃料喷射器64，使得这些部件启动内燃发动机1。

在该发动机启动之后，通过进气管线20从大气中获取的新鲜空气被空气过滤器21过滤，被压缩机22压缩，被主增压空气冷却器23冷却，然后在气缸11中燃烧。

在离开气缸11时，燃烧过的气体在涡轮机82中膨胀，在催化转化器83中被处理和过滤，在排气消声器84中再次膨胀，然后再被排放到大气中。

从发动机启动的时间点到发动机关闭的时间点，真空泵40连续地运行，以便在制动伺服器70中建立低于大气压力的压力。

当发动机起动时，计算机100使控制阀51移动到关闭位置。从此时起，发动机和制动系统以与通常实施的那样相同地运行。

然后命令控制阀51连续保持在该关闭位置，使得真空泵40可以降低空气管道71和空气储器52中的空气压力。

只有在发动机需要从低负载运行点过渡至高负载运行点时(也就是说在驾驶员突然对发动机提出高需求时)才命令控制阀51打开。在这种情况下，存在的风险是压缩机22在加速到足以允许发动机快速满足驾驶员的需求方面存在延迟。

为了避免这种情况，将计算机100编程成捕获发动机的负载水平(也就是说，对发动机的需求水平)，并且该计算机在其检测到负载水平快速上升时命令控制阀51打开。

在这种情况下，这种打开命令是在所需负载水平的变化率超过预定阈值的情况下做出的。

举例而言，当油门踏板被压下的行程大于预定阈值、例如在一秒内被压下超过40％的情况下使控制阀51打开。

因此，在所需的负载起初较低(例如油门踏板被压下20％)然后驾驶员完全压下该踏板的情况下使控制阀51打开。

在该阀被打开之后，增压管线50以及特别地被降压了的空气储器52在压缩机22的下游产生强劲的空气吸力，从而迫使该压缩机加速。

在打开该阀时，空气管道71中的压力增大。因此，止回阀72防止制动伺服器中的压力增大，因为这种压力增大可能是危险的。

在涡轮增压器30已经能够加速之后，控制阀51被设置成再次关闭，使得空气管道71和空气储器52中的空气压力可以再次下降。

更具体地，该控制阀51可以被设置成在已经过去预定时间(几秒的量级)之后或者在已经过去从发动机运行点推导出的时间之后再次关闭。

在此，只要满足以下两个条件中的至少一个条件就命令该控制阀关闭：

-涡轮增压器30达到预定的速度设定值，

-增压管线50中的压力超过预定阈值、例如数量级为0.8巴。

本发明不以任何方式来限制所描述和描绘的实施例，并且本领域的技术人员将知道如何以根据本发明的任何方式来改变该实施例。

特别地，当车辆在不受驾驶员辅助的情况下由专用处理单元自动驾驶时，该车辆可能基于该处理单元发出的设定值命令控制阀打开，而非基于油门踏板所被压下的程度命令控制阀打开。

Claims (9)

1.一种内燃发动机(1)，该内燃发动机包括：

-燃烧室，

-新鲜空气进气管线(20)，该新鲜空气进气管线通向该燃烧室，

-排气管线(80)，该排气管线用于排放来自该燃烧室的燃烧过的气体，

-涡轮增压器(30)，该涡轮增压器包括位于该排气管线(80)中的涡轮机(82)以及位于该进气管线(20)中并且由该涡轮机(85)驱动而旋转的压缩机(22)，以及

-真空泵(40)，该真空泵包括入口(41)，并且该真空泵被设计成在所述入口(41)中建立低于大气压力的空气压力，

其特征在于，该内燃发动机进一步包括增压管线(50)，该增压管线在第一侧与该真空泵(40)的所述入口(41)连通，并且在第二侧通向该压缩机(22)下游的进气管线(20)，并且

该内燃发动机设置有至少一个控制阀(51)，该至少一个控制阀被设计成对在该增压管线(50)中循环的空气流量进行调节。

2.如权利要求1所述的内燃发动机(1)，其中，该增压管线(50)包括连接在该真空泵(40)与该控制阀(51)之间的空气储器(52)。

3.如权利要求1或2所述的内燃发动机(1)，其中，该增压管线(50)在该第二侧开口的位置与该压缩机(22)相距小于10厘米。

4.如权利要求1至3之一所述的内燃发动机(1)，其中，该增压管线(50)在该第一侧通向空气管道(71)，该空气管道将该真空泵(40)的入口(41)连接至真空制动伺服器(70)。

5.一种机动车辆，该机动车辆包括车轮、推进单元以及包括真空制动伺服器(70)的车轮制动系统，其特征在于，该推进单元包括如前述权利要求之一所述的内燃发动机(1)，该内燃发动机的真空泵(40)通过空气管道(71)连接至该真空制动伺服器(70)。

6.如权利要求5所述的机动车辆，其中，该真空制动伺服器(70)包括止回阀(72)，该止回阀被设计成防止从该真空制动伺服器(70)朝向该真空泵(40)的任何空气回流。

7.一种用于操作如权利要求1至4之一所述的内燃发动机(1)的方法，其中，设置的是捕获对该内燃发动机(1)的需求水平，并且其中，当该需求水平的变化率超过预定阈值时，使所述控制阀(51)打开以免阻塞空气通过。

8.如前一项权利要求所述的操作方法，其中，在使所述控制阀(51)打开之后，设置的是当该涡轮增压器(30)达到预定的速度设定值时使该控制阀关闭。

9.如前述两项权利要求之一所述的操作方法，其中，在使所述控制阀(51)打开之后，设置的是当该增压管线(50)中的压力超过确定阈值时使该控制阀关闭。