用於運行增壓的內燃機的方法與流程

2023-06-13 09:56:21

本發明涉及一種用於運行增壓的內燃機的方法以及排氣引導系統，該增壓的內燃機具有分別由多個氣缸構成的多個氣缸組和多個排氣渦輪增壓器，其中，能夠由第一氣缸組的氣缸的第一排氣門以及第二氣缸組的氣缸的第一排氣門給至少一個第一排氣渦輪增壓器供應排氣，並且其中能夠由該第一氣缸組的氣缸的第二排氣門以及該第二氣缸組的氣缸的第二排氣門經過第二排氣歧管給至少一個第二排氣渦輪增壓器供應排氣。

背景技術：

作為用於減少燃料消耗以及co2排放的有效措施，已證實有用的是與內燃機的增壓相關聯的排量減小，普遍已知為「縮小尺寸(downsizing)」。在此，在與直接噴射燃料的共同作用下，可以開發出用於減少燃料消耗以及co2排放的巨大潛力。這通過機械部件的減小的內部摩擦、通過該內燃機的運行點向更高的負荷範圍偏移以及通過該內燃機的重量的減小(通過較小的排量或活塞和/或還通過減少的氣缸數量)而實現。

從現有技術和實踐中已知多種解決可能性，這些解決可能性還部分地著手解決在對增壓而言必要的增壓器、尤其優選使用的排氣渦輪增壓器的運行中的特別情況。

例如由de4242494c1已知的是，為該排氣渦輪增壓器的渦輪機設置一個可調節的氣流引導器件。在此，尤其為多級的渦輪機設置對應地適配的多個氣流引導器件。應在該氣流引導器件的調節和幾何形狀中實現該適配。在此類渦輪機中佔主導的運行狀況(即在也許很高的轉速下相對高的溫度)在某些情況下在用於調節該引導器件的可移動部件中可能導致功能問題。

由de102007058296a1已知一種排氣渦輪增壓器的渦輪機，其渦輪機殼體具有在渦輪機輪的圓周上分布地安排的、分別在不同的圓周角範圍內延伸的多個流入室，這些流入室可以由排氣流的不同支流加載。

在de102008020405a1中展示並描述了一種用於內燃機的排氣渦輪增壓器，其渦輪機殼體具有至少兩條螺旋通道，其中至少一條螺旋通道具有至少兩個流體上分開的螺旋通道區段，這些螺旋通道區段能夠與該內燃機的不同的排氣管路相聯接。

並且de102010060110a1最終揭示並描述了一種內燃機，該內燃機具有分別由多個氣缸構成的多個氣缸組和多個排氣渦輪增壓器，其中由該第一氣缸組的氣缸的第一排氣門經過一個第一排氣歧管為指派給該第一氣缸組的第一排氣渦輪增壓器供應排氣，而由該第一氣缸組的氣缸的多個第二排氣歧管經過該第一氣缸組的第二排氣歧管給指派給該第一氣缸組的第一排氣渦輪增壓器供應排氣，其中能夠由該第二氣缸組的氣缸的第一排氣門經過該第二氣缸組的一個第一排氣歧管為指派給該第二氣缸組的第二排氣渦輪增壓器供應排氣，並且其中能夠由該第二氣缸組的氣缸的第二排氣門經過該第二氣缸組的第二排氣歧管為指派給該第二氣缸組的第二排氣渦輪增壓器供應排氣。在此，該第一和該第二氣缸組的第一排氣歧管彼此耦合併且具有不同的流動橫截面，由此可以改善增壓。應依賴於該內燃機的運行狀態來接通或斷開該第二排氣渦輪增壓器。

技術實現要素：

從此類現有技術出發，本發明的目的在於，提出一種用於運行具有多個氣缸組的增壓的內燃機的方法和一種用於應用此類方法的、內燃機的排氣引導系統，除了在燃料消耗減少和排放減少的情況下增大功率外，該方法的突出之處在於顯著地改善了在內燃機的轉速較低時、在部分負荷運行狀態和/或不穩定運行狀態下的響應特性以及在該內燃機的整個轉速範圍內的負荷特性。

在開篇所述的用於運行增壓的內燃機的方法中或在用於應用此類方法的內燃機的排氣引導系統中，根據本發明的目的以如下方式實現：當內燃機的轉速較低時或在部分負荷運行狀態和/或不穩定運行狀態下，每個氣缸組通過與第一排氣門相連接的第一排氣歧管能夠在至少一個第一排氣渦輪增壓器的渦輪機的流入區域中以在該渦輪機的流入區域中可分配的支流通道給該第一排氣渦輪增壓器的渦輪機供應排氣；而當內燃機的轉速較低時或在部分負荷運行狀態和/或不穩定運行狀態下，該第二排氣渦輪增壓器是未激活的，並且只有當內燃機的轉速更高或較高時或者在全負荷運行狀態下，該第二排氣渦輪增壓器才能夠藉助於打開第二排氣門並經過該第二排氣歧管供應排氣而接通。

在根據本發明的方法中，由於與第二排氣歧管相連接的第二排氣門的氣門行程＝0或最小氣門行程，能夠實現不激活該第二渦輪增壓器。

特別有利的是，例如在全負荷運行狀況下經過該第一氣缸組的第一排氣歧管的排氣體積流量與經過該第二氣缸組的第一排氣歧管的排氣體積流量能夠經過受閥瓣或閥控制的膨脹管相連。

根據本發明的方法可以優選地用內燃機的排氣引導系統實現，其中該第一排氣歧管實施為具有小的橫截面並且能夠以小的長度連接在進入該排氣渦輪增壓器的渦輪機中的排氣入口處。

用於實施根據本發明的方法的排氣引導系統的突出之處優選在於：安排有至少在該第一排氣渦輪增壓器的渦輪機中彼此分開地、優選圍繞該渦輪機的葉輪螺旋狀地延伸的流入通道，流入通道用於引導分配後的排氣支流。

在高轉速下或在全負荷下對排氣渦輪增壓器的最佳運行狀態而言便利的是：用於給該第二排氣渦輪增壓器的第二渦輪機供應排氣流的第二排氣門被設計為很早地打開。便利的是，通過由凸輪軸進行氣門控制的、以特別寬的輪廓設置的凸輪來實現早打開。

優選地，用於執行本發明的方法的排氣渦輪增壓器的渦輪機被實施為徑流式渦輪機。然而同樣可設想的是應用軸流式或還有「混流式」渦輪機。

由於第一排氣歧管的用於以儘可能最短的路徑直接連接到這些氣缸組的(在該第一渦輪增壓器的第一渦輪機的流入區域處的)相應的第一排氣門以及第一排氣歧管的具有小的流動橫截面的設計方式，通過由於在往復活塞式內燃機中的燃燒的周期性過程導致的該渦輪機的衝擊性的加載實現了在低轉速下在排氣增壓時特別好的響應特性。此外，這尤其在多氣缸內燃機中還以如下方式有利地實現：在該內燃機的運行中如下地選擇這些單獨的氣缸的點火間隔，使其具有儘可能最大的間隔。

根據本發明的方法以及用於實施根據本發明的方法的排氣引導系統尤其適合於應用於機動車輛的內燃機。

除了在部分負荷運行狀態或不穩定運行狀態下改善了運行狀況之外，在負荷較高的運行狀態下，由於通過排氣流的不同供應提高了在渦輪機上遊的排氣引導體積，根據本發明的方法以及對應的排氣引導系統的應用使得平均排氣溫度明顯下降。通過在第一排氣渦輪增壓器中的排氣引導的對應設計，能夠實現增強所謂的阻滯增壓原理(stauaufladungsprinzips)。

附圖說明

在附圖中示出並描述了本發明的主題的多個實施例。藉助這些實施例對本發明主題或本發明的方法的特徵、優選改進方案和細節進行詳細說明。

在此，本發明不限制於所示和所描述的實施例，例如具有6個氣缸的內燃機。而本發明還可以在具有多個分開的氣缸組的內燃機中實現：該內燃機包括呈例如v型、w型、列式或還有箱式安排的2個、4個或更多個氣缸。

該附圖以示意性圖示示出了本發明的主題，尤其參照從氣缸出口直至排氣渦輪增壓器的渦輪機的排氣流延伸。

在附圖中：

圖1示出了經過6氣缸內燃機的排氣門的排氣流延伸的示意性圖示，以具有所指派的排氣渦輪增壓器的兩個氣缸組來安排該6氣缸內燃機；

圖2示出了用一個渦輪增壓器運行時的增壓壓力曲線，不同於用兩個渦輪增壓器運行時的增壓壓力曲線；

圖3、4、5、6和7以部分橫截面示意性地示出了用於實施本發明的方法的渦輪機殼體或其流入區域。

具體實施方式

帶有兩個分別為三氣缸的氣缸組2和3的內燃機1以自身從現有技術已知的方式在每個氣缸2.1、2.2和2.3或3.1、3.2和3.3中具有兩個進氣門4並且同樣地在每個氣缸中分別具有排氣門5.1和排氣門5.2。該第一氣缸組2的所有三個氣缸2.1、2.2和2.3的這些排氣門5.1，就在這些氣缸中的燃燒過程之後的排氣流而言，通過一條共用的排氣歧管6串聯連接。同樣地，該第二氣缸組3的氣缸3.1、3.2和3.3的這些排氣門5.1，就在這些氣缸中的燃燒過程之後的其排氣流而言，通過一條共用的排氣歧管7相連接。在根據圖1的實施例中，這些排氣歧管6或7通入該至少一個排氣渦輪增壓器9.2或11.2的該至少一個渦輪機8.2或12.2的排氣流入區域中。在根據圖1的實施例中，該排氣渦輪增壓器9.2或11.2可以根據運行狀況接通或斷開。

當內燃機的轉速較低時或在部分負荷運行狀態和/或不穩定運行狀態下，在兩個氣缸組2和3中的這些排氣門5.1關閉(通過例如在致動進氣門和排氣門的凸輪軸上的對應的凸輪來控制)，即設置有行程＝0或充其量最小行程，使得在燃燒衝程中排他地或幾乎排他地通過這些排氣門5.2並且經過相對短且以小的橫截面實施的排氣歧管13.1、13.2、13.3或14.1、14.2、14.3給與這個/這些排氣渦輪增壓器9.2或11.2平行地安排的排氣渦輪增壓器9.1或11.1的這個或這些渦輪機8.1或12.1供應全部排氣流。由此實現，通過內燃機的這些燃燒衝程尤其在低轉速範圍內實現在該排氣渦輪增壓器中的衝擊性的增壓過程，這導致該增壓的內燃機的特別好的響應特性。

在圖1所示的實施例中，這些排氣歧管13.1、13.2、13.3或14.1、14.2、14.3示出為分開地引導到進入渦輪機8.1或12.1的該流入區域中的多條管路。但是當然還可容易地設想的是，與排氣歧管6或7類似地，在一個管路中將從這些排氣門噴出的排氣流組合，或者在一個共用的排氣歧管內將該排氣流引導到例如三條分開的引導通道中，以便然後在流入區域中將該排氣流以多條、例如三條支流分配到這些渦輪機8.1或12.1中(參見下述的關於圖3至圖7的詳細說明)。

這兩個排氣歧管6或7理想地同樣實施為在這些排氣門5.1的排出區域與這個/這些排氣渦輪增壓器9.2或11.2的該渦輪機8.2或12.2的流入區域之間儘可能直接地連接。這些排氣歧管6或7優選地設計為具有用於大的體積流量的大的橫截面。在內燃機的高轉速或全負荷下期望的均勻的增壓或阻滯增壓首先以如下方式實現：這些排氣歧管13或14實施為具有相對大的橫截面。除此之外，可以通過這些排氣歧管6或7的長度的相對應的適配產生對應大的體積，使得形成均勻的體積流量。

在內燃機1的較高的負荷運行狀態下或在全負荷下、即在對應更高或較高的轉速下，這兩個氣缸組2和3的這些排氣門5.1再次被凸輪軸的凸輪控制而打開。理想地，通過用於控制這些排氣門5.1的、以特別寬的輪廓實施的凸輪來實現打開，使得實現非常提早地打開第二排氣門5.1並且由此能夠實現與這些排氣渦輪增壓器9.1或11.1並聯連接的這個/這些排氣渦輪增壓器9.2或11.2(通過向其渦輪機8.2或12.2中饋送排氣)的接通。由於早打開，排氣流從這些氣缸的噴出首先僅產生在連接這兩個氣缸組2或3的這些排氣門5.1的、大體積的排氣歧管6或7上，由此減小或分解了壓力衝擊並且實現了在這些排氣歧管中的很大程度上均勻的質量流量。

此外特別有利的是，這些排氣歧管6或7通過膨脹管15相連接。可以用閥瓣16.1或16.2(或閥)來打開過關閉該膨脹管15。在例如部分負荷運行狀態中或在低轉速下，這些閥瓣關閉(如還有這些排氣門5.1)，使得短地並且以小的橫截面實施的第一排氣歧管13.1、13.2、13.3或14.1、14.2、14.3的小的體積針對衝擊增壓起作用。在全負荷運行中或在高轉速下，通過打開閥瓣16.1或16.2來增大用於排氣流的體積，使得能夠實現相對應地輔助從衝擊增壓向阻滯增壓的過渡。

在圖2中以曲線圖(在轉速n上記錄增壓壓力d)展示了轉速與由排氣渦輪增壓器9.1或11.1可提供的增壓壓力之間的關聯。在關閉的排氣門5.1和未激活的排氣渦輪增壓器9.2或11.2中，由於小的體積以及這些排氣歧管13.1、13.2、13.3或14.1、14.2、14.3在排氣門5.2的區域處與該排氣渦輪增壓器9.1或11.1的渦輪機8.1或12.1的流入區域的直接地、以最短路徑進行的連接，在該排氣渦輪增壓器9.1或11.1中的增壓壓力d出現了非常快速的上升(參見圖2中的曲線k1)。由於在第一排氣歧管13.1、13.2、13.3或14.1、14.2、14.3中的小的體積和體積流量，當內燃機的轉速n上升時，增壓壓力d在某些情況下突然下降。為了避免所謂的「渦輪遲滯(turbolochs)」，在增壓壓力d下降之前接通/打開(圖2中的接通區域z)這些排氣門5.1並且由此接通該第二渦輪增壓器組的這個/這些第二渦輪增壓器9.2或11.2。藉助對應大體積地實施的第二排氣歧管6或7，出現了向渦輪增壓器中的體積流量的明顯增大以及由此出現從衝擊波增壓向均勻的阻滯增壓的過渡。

此外，還可以通過打開膨脹管15中的閥瓣16.1或16.2來補充體積增大，以引導排氣流。在圖2中用箭頭a或b展示了膨脹管15的打開。在箭頭a中，該膨脹管是關閉的；參見箭頭b，一旦在非常高轉速下的增壓壓力d有下降的危險，則該膨脹管打開。

如上文已經描述的，便利的是，通過提早打開排氣門5.1使該第二渦輪增壓器9.2或11.2的該接通區域與這個或這些渦輪增壓器9.1或11.1的該運行區域重疊。這可以通過具有對應寬的輪廓的排氣門5.1實現，這些排氣門可以實現早打開第二排氣門5.1。

根據本發明的方法或用於實施本發明的方法的排氣引導系統能夠以有利的方式得到輔助：將排氣流的該流入區域對應地設計到排氣渦輪增壓器的這些渦輪機中。這樣可以將尤其排氣歧管13、14(但在適當時還有排氣歧管6、7)的體積流量在該渦輪機8.1、8.2、12.1、12.2的該流入區域中分配成多個支流。這可以通過藉助通道20或21(參見圖3)的兩道流動(例如在4氣缸內燃機中)或通過藉助通道22、23和24(參見圖4)的三道流動(例如在6氣缸內燃機中)實現。藉助此類的體積流量分配，該渦輪機的葉輪l在其圓周上分布均勻地加載。

在圖5、6和7中示意性地展示了用於排氣渦輪增壓器的增壓機的殼體構型。圖5示出了成雙形式的流動通道的構造(通道25和26)。圖6和圖7藉助通道27、28或29和30示出了略有不同的成雙形式的構造。

無論如何特別便利的是，這還適用於在圖5至7中所示的這些通道的成雙安排，這些通道的通入口在該渦輪機的葉輪l上螺旋狀偏置地分布在該葉輪l的外周上。

對於本領域技術人員而言當然可以理解的是，該排氣渦輪增壓器的渦輪機的葉輪可以實施為徑流式、軸流式或還有「混流式」的型式(徑流-軸流)。

附圖標記清單

1內燃機

2氣缸組

2.1、2.2、2.3氣缸

3氣缸組

3.1、3.2、3.3氣缸

4進氣門

5.1第二排氣門

5.2第一排氣門

6氣缸組2的第二排氣歧管

7氣缸組3的第二排氣歧管

8.1排氣渦輪增壓器9.1的渦輪機

9.1排氣渦輪增壓器

9.2排氣渦輪增壓器

11.1排氣渦輪增壓器

12.1排氣渦輪增壓器11.1的渦輪機

12.2排氣渦輪增壓器11.2的渦輪機

13.1、13.2、13.3氣缸組2的第一排氣歧管

14.1、14.2、14.3氣缸組3的第一排氣歧管

15膨脹管

16.1、16.2閥瓣/閥

31催化器

32催化器

33末端消聲器

34末端消聲器

a關閉的膨脹管15

b打開的膨脹管15

z接通區域

n轉速

d增壓壓力

k1＝圖2中的曲線1

k2＝圖2中的曲線2

l葉輪