具有可变容积储气室的内燃发动机及运行该类型内燃发动机的方法

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具有可变容积储气室的内燃发动机及运行该类型内燃发动\n机的方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种内燃发动机并且涉及一种运行内燃发动机的方法。\n背景技术\n[0002] 压缩机中的压力比对于当前在例如发动机的内燃发动机中使用的涡轮增压器加速概念的实现构成很大的限制。压缩机中的所述压力比不能超过特定阈值。为此原因，一些排气的热量在高排气温度下仍不被利用。例如，一些热排气经由旁通管被引导绕过涡轮机，或者在可变涡轮几何形状的情况下，打开涡轮机的导向叶片。在此的缺点是排气热能的损失。否则热能可例如通过涡轮增压器被转化为机械能，并且这种方式有助于燃料消耗量的降低。\n[0003] 因此，需要这样一种方案，即该方法独立于压缩机中压力比的限制并且能够实现排气的热能转化为机械能的最大转换率。\n[0004] WO 2004/025097A1描述了一种内燃发动机，特别是机动车辆的内燃发动机。该内燃发动机包括压缩机、排气涡轮增压器、旁通压缩机的空气导管以及压缩节气门瓣。当排气涡轮增压器可根据排气质量流量输送的质量流量超过压缩机的输送体积时，质量流量的一部分被引导绕过压缩机并且穿过旁通压缩机的空气导管。\n[0005] DE 101 58 874A1公开了一种用于内燃发动机的排气涡轮增压器，该排气涡轮增压器包括被指定在压缩机区域的次级空气供给装置，该次级空气供给装置具有在压缩机壳体中的次级空气导管以供给次级空气。具体地，提供了用作收集腔室的环形腔室，其用于引导次级空气进入压缩机壳体。环形腔室具有压力-振动-补偿作用，由此保证次级空气的供给具有均匀的压力。例如当低于增压转速阈值时，有利的是将次级空气直接输送至压缩机下游的进气部分，由此保证增加的充气压力。在此，具体 目的是补偿具有排气涡轮增压器的内燃发动机中较低转速范围内的或多或少的显著扭矩不足。\n[0006] DE 103 61 913A1中描述了相似的装置。在此同样地，在较低转速范围内由发动机的不足机械增压导致的扭矩不足由存储器中的空气的机械增压来补偿。\n[0007] 此外，DE 199 44 946A1和DE 10 2007 059 145A1公开了具有压缩空气存储器或压力箱的内燃发动机，用以额外供给压缩空气至对应的涡轮增压内燃发动机。自压力箱或压缩空气存储器额外供给的压缩空气用于补偿机械增压内燃发动机(具体为燃烧发动机)中的增压压力。\n[0008] EP 0 754 843B1描述了一种具有排气涡轮增压器的内燃发动机，以及一种用于加速内燃发动机的排气涡轮增压器的方法。在此，来自燃烧室的一部分气体流被转移到压力存储器中并且稍后被供给至排气涡轮增压器的涡轮。\n[0009] EP 1 489 289A3描述了一种用于柴油发动机的低微粒排放的方法和一种低微粒排放柴油发动机，其中根据加速过程的开始而额外地引导增压空气。\n[0010] WO 03/0044348A1描述了一种活塞式内燃发动机中的充气交换的方法，以及适合实施该方法的充气交换系统。在此，充气被选择性地经由压缩机分支或经由作为旁通管旁通压缩机的抽气分支供给至燃烧室。\n[0011] 在引用的现有技术中，加速的控制受限于压缩机中压力比的限制条件，需要该限制条件来保护压缩机。这特别适用于排气的高温条件。\n发明内容\n[0012] 根据本发明背景，本发明的第一目的是提供有益的内燃发动机。本发明的第二目的是提供运行内燃发动机的有益方法。\n[0013] 第一目的是通过根据本发明的内燃发动机实现的。第二目的是通过根据本发明运行内燃发动机的方法实现的。\n[0014] 根据本发明的内燃发动机包括具有压缩机出气口的压缩机和带有汽缸进气口的至少一个汽缸。在此，压缩机出气口就流动而言被连接至汽缸进气口。内燃发动机还包括至少一个可变容积储气室，其被设置在压 缩机出气口和汽缸进气口之间。\n[0015] 根据本发明的内燃发动机典型地可包括多个汽缸，具体为4、6、8或12个汽缸。然而，还可能提供非偶数个汽缸；例如，根据本发明的内燃发动机可包括5个汽缸。有利的是集气室被连接至该汽缸或这些汽缸的上游。集气室例如可被设计为可变容积储气室。特别地，集气室可与上述可变容积储气室相同。\n[0016] 根据本发明的内燃发动机还可包括涡轮增压器。在此情况下，压缩机可以是涡轮增压器压缩机。\n[0017] 可变容积储气室使得有可能避免以上提到的保护压缩机的限制条件，或使所述限制条件对于内燃发动机的运行变得不重要。具体地，可改变该储气室的容积，从而压缩机中的压力比不会超过某一预定值，或者在特定范围内保持恒定。\n[0018] 此外，可在压缩机出气口和汽缸进气口之间设置节气门和/或冷却器。该冷却器可以例如是增压空气冷却器(charge air cooler)。储气室可被设置在压缩机出气口和冷却器之间或冷却器和汽缸进气口之间。可替代地，冷却器可包围储气室。这意味着储气室可被集成于冷却器内。\n[0019] 此外，内燃发动机可包括排气再循环系统和/或涡轮机。该涡轮机可以是例如涡轮增压器涡轮机。排气再循环系统可具体包括用于冷却再循环排气的冷却器。\n[0020] 此外，内燃发动机可包括涡轮机(具体是涡轮增压器涡轮机)和旁通流量管。在此，旁通流量管就流动而言可将储气室连接至被设置在涡轮机下游的流量管。以此方式，来自储气室的不需要的气体可与从涡轮机排出的排气进行混合。由此，不需要的气体可被引导绕过汽缸和涡轮机。该气体可以是空气或空气和排气的混合物。\n[0021] 通过根据本发明的内燃发动机，可有效避免压缩机过载。同时，可有效利用排气的热能。\n[0022] 根据本发明用于运行内燃发动机的方法涉及包括压缩机和至少一个汽缸的内燃发动机。在根据本发明的方法的背景下，就流动而言被设置在压缩机和汽缸之间的储气室的容积随着内燃发动机的运行状态被改变。可具体通过根据本发明的内燃发动机来实施根据本发明的方法。\n[0023] 内燃发动机可包括例如涡轮增压器。在此情况下，压缩机可以是涡轮增压器压缩机。\n[0024] 可根据内燃发动机的转速和/或扭矩有利地改变储气室的容积。此外，还可根据内燃发动机的其他负载参数改变储气室的容积。\n[0025] 内燃发动机还可包括多个可变容积储气室。内燃发动机可以是例如具体为柴油发动机的发动机。\n[0026] 此外，气体可被压缩机引导至储气室中，并且随后向前至汽缸，其中气体被冷却。\n在此，气体可在离开压缩机之后并且被引导进入储气室之前被冷却。然而，气体还可在离开储气室之后并且被引导进入汽缸之前被冷却。进一步的可替代方案是气体可在包围可变容积储气室的冷却器内被冷却。\n[0027] 优选地改变储气室的容积，从而压缩机中的压力比被保持恒定。具体地，如果达到高于预定阈值的内燃发动机的加速度值，则可以增加储气室的容积。可有利地以不达到最大压缩机推力值的方式改变(根据需要具体为增加)储气室的容积。\n[0028] 此外，排气可从汽缸的出气口被再循环至汽缸的进气口和/或压缩机的进气口。\n在后一种情况下，空气和排气的混合物在压缩机中被压缩。\n[0029] 被存储在储气室中或被引导进入储气室中的气体可基本为空气或空气和排气的混合物。\n[0030] 内燃发动机可包括涡轮机和旁通流量管。在此，旁通流量管可将储气室连接至就流动而言被设置在涡轮机下游的流量管。被存储在储气室中的气体可被引导进入汽缸。可替代地，被存储在储气室中的气体可被引导穿过旁通流量管进入被设置在涡轮机下游的旁通管中。在后一种情况下，气体被引导绕过汽缸和涡轮机。涡轮机可具体为涡轮增压器涡轮机。离开涡轮机的气体和/或经旁通流量管被引导绕过涡轮机的气体随后可被引导朝向至少一个排气后处理部件。\n附图说明\n[0031] 下面将基于示例性实施例并且参考附图更详细地描述本发明进一步的特件、特征和优点。在此，所描述的特征不管在单独的情况下还是在 组合的情况下均是有利的。\n[0032] 图1示意性显示常规内燃发动机的设计。\n[0033] 图2示意性显示根据本发明的内燃发动机的第一变体的设计。\n[0034] 图3示意性显示根据本发明的内燃发动机的第二变体的设计。\n[0035] 图4示意性显示根据本发明的内燃发动机的第三变体的设计。\n[0036] 附图标记\n[0037] 1压缩机\n[0038] 2冷却器\n[0039] 3节气门\n[0040] 4汽缸\n[0041] 5涡轮机\n[0042] 6自动变速器\n[0043] 7冷却器\n[0044] 8排气再循环装置\n[0045] 9可变储气室\n[0046] 10带有集成的可变储气室的冷却器\n[0047] 11压缩机出气口\n[0048] 12流量管\n[0049] 13旁通流量管\n[0050] 14汽缸进气口\n[0051] 15流动方向\n[0052] 16流动方向\n[0053] 17流动方向\n具体实施方式\n[0054] 以下，将基于图1至图4更详细地解释本发明的示例性实施例。图1示意性显示常规内燃发动机的设计。该内燃发动机包括压缩机1、冷却器2、汽缸4、涡轮机5和自动变速器6。压缩机1和涡轮机5可以是涡轮 增压器的部件。\n[0055] 冷却器2被设置成在进气流动方向15上紧随压缩机1。进气在从冷却器2朝向汽缸4的流动方向15上被引导。设置在冷却器2和汽缸4之间的是节气门3，进气被引导穿过该节气门。在汽缸4中，进气与燃料一起燃烧，从而形成热排气。热排气在流动方向16上被引导进入涡轮机5。产生的机械能被传递至自动变速器6。\n[0056] 内燃发动机还包括排气再循环系统，该排气再循环系统包括排气再循环装置8和冷却器7。离开汽缸4的一些排气在流动方向17上被引导至冷却器7并且从此被供给至排气再循环装置8。在离开排气再循环装置8之后，再循环的排气被再次引导进入汽缸4中。\n[0057] 图2示意性显示根据本发明的内燃发动机的第一变体的设计。在此，可以是涡轮增压器压缩机的压缩机1包括压缩机出气口11。汽缸4包括汽缸进气口14。在图2中，对比图1中显示的示例，可变容积储气室9被设置在压缩机1和冷却器2之间。例如可根据内燃发动机的运行状态(特别是转速和扭矩)在尺寸上增大或减小储气室9的容积。\n[0058] 通过压缩机出气口11离开压缩机1的气体被首先引导到储气室9中。离开储气室9的气体被随后供给至冷却器2。气体的流动方向由箭头15指示。\n[0059] 此外，根据本发明的内燃发动机可包括旁通流量管13，该旁通流量管就流动而言将储气室9连接至离开涡轮机5的流量管12。流量管12具体地可以是涡轮机5的排气出气管。\n[0060] 图3示意性显示根据本发明的内燃发动机的第二变体。在图3中，对比在图2中显示的示例，储气室9被设置在冷却器2和节气门3之间。因此，储气室9在流动方向15上被连接至冷却器2的下游。\n[0061] 根据本发明的内燃发动机的第三设计变体在图4中示意性显示。在图4中显示的内燃发动机包括其中集成有可变容积储气室的冷却器10。冷却器10与集成的可变容积储气室被设置在压缩机1(具体是压缩机出气口11)与汽缸4(具体是汽缸进气口14)之间。\n例如可根据内燃发动机的负载参数(如转速和扭矩)在尺寸上增大或减小储气室的容积。\n[0062] 旁通流量管13同样可被连接至被集成于冷却器10中的可变容积储气 室，该旁通流量管13(如先前设计变体中说明的)连通离开涡轮机5的流量管12。此外，节气门3同样被定位在汽缸4和带有集成储气室的冷却器10之间。\n[0063] 在所有设计变体中，压缩机1和涡轮机5作为涡轮增压器的部件是基本可能的。此外，在所有设计变体中，储气室9或集成在冷却器10内的储气室可被设计成使得在低压缩机压力下保持储气室9的容积恒定并且以常规方式加速内燃发动机。在具有高热能的排气情况下，由排气涡轮机5产生的机械能被主要用于加速压缩机1的进气连接体。对于高于预定阈值的加速度，可增加储气室的容积。以此方式，保持压缩机1中的压力比恒定，并且避免达到压缩机推力的阈值的情况。\n[0064] 所描述的方法具有以下优点：在低负载下，此时为了减少排放需要高水平的排气再循环，可以增加节气门3上游的容积。在此，在这些情况下，节气门保持部分关闭。以此方式，减小在阀门上游的新鲜空气的供给。在此，功率被排气的热能限制，这在常规燃烧下太低以致于不能获得明显的加速。另一方面，可通过本发明有效利用高排气温度，特别是在排气后处理系统的再生(例如柴油微粒过滤器再生或催化转化器的清洁运行)期间。根据需要，特别是可在加速方面获得改进。\n[0065] 在高负载运行状态下，可以有效地利用排气的热能，因为不需要根据关于压缩机的限制条件排放未利用的热排气，具体的限制条件是因为过高压力比的发生。\n[0066] 此外，在排气再循环的背景下，还可在压缩机1的上游再次供给排气至压缩机。在此情况下，包括空气和排气的气体被供给至压缩机1并且随后被供给至储气室9或包围储气室9的冷却器10。然后所述空气和排气的混合物对于低负载运行状态来说是可用的。\n[0067] 在以膨胀容积运行的情况下，也就是说当储气室9的可变容积已经在尺寸上变大时，存储的气体可被直接引导至汽缸4或者通过旁通流量管13引导至在下游方向上邻接涡轮机5的流量管12。特别地，在下游方向上邻接涡轮机5的流量管12可被设置在排气后处理部件的上游。可使得经旁通流量管13排放的气体量与排气再循环程度关联。