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CN101842565B - 带有废气涡轮增压器和增压空气冷却器的内燃机 - Google Patents

带有废气涡轮增压器和增压空气冷却器的内燃机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种尤其为机动车的内燃机，该内燃机带有：在新鲜空气装置(16)中的进气管(36)，该进气管(36)通到在内燃机的气缸盖中的进气道中；废气装置(12)；以及废气涡轮增压器(14)，该废气涡轮增压器(14)具有布置在废气装置(12)中的涡轮(18)和由涡轮(18)驱动的布置在新鲜空气装置(16)中的压缩机(20)，其中，涡轮(18)具有废气门通道(22)以用于废气在涡轮(18)的涡轮转子处的分路旁流，其中，在废气门通道(22)中布置有废气门阀(24)以用于有选择性地打开和关闭废气门通道(22)，其中，设置有电动促动器(26)以用于操纵废气门阀(24)，其中，在新鲜空气装置(16)中在压缩机(20)的下游布置有增压空气冷却器。在此，增压空气冷却器并入到进气管(36)中并且增压空气冷却器构造成带有水冷式热交换器。

Description

带有废气涡轮增压器和增压空气冷却器的内燃机
技术领域
本发明涉及一种尤其为机动车的内燃机，该内燃机带有：在新鲜空气装置中的进气管，该进气管通到在内燃机的气缸盖中的进气道中；废气装置；以及废气涡轮增压器，该废气涡轮增压器具有布置在废气装置中的涡轮和由涡轮驱动的布置在新鲜空气装置中的压缩机，其中，涡轮具有废气门通道(Wastegeate-Kanal)以用于废气在涡轮的涡轮转子处的分路(überbrückend)旁流其中，在废气门通道中布置有废气门阀(Wastegateventil)以用于有选择性地打开和关闭废气门通道，其中，设置有电动促动器以用于操纵废气门阀，其中，在新鲜空气装置中在压缩机的下游布置有增压空气冷却器。
此外，本发明涉及一种用于操作尤其为机动车的内燃机的方法。
背景技术
对于根据现有技术(例如从文件DE19824913A1中已知)的废气门涡轮增压器，借助于气动式压力促动器而实现在带有废气涡轮增压的发动机中的增压压力调节。对于增压式汽油机，在大多数情况下应用带有刚性几何结构(Starrgeometrie)和废气门调节的涡轮增压器，因为在此首先高成本(高成本是相对于柴油机明显更高的废气温度的结果)阻碍了在柴油机上应用的VTG技术(可变涡轮几何结构)的广泛使用。因此，对于价格敏感(preissensitiv)的应用，涡轮增压式汽油机即使在未来还是具有刚性几何结构ATL和废气门调节。
对于这些发动机的研发日益受到高的低端扭矩(LowEnd-Torque)和无延迟的响应性能(Ansprechverhalten)的影响。在带有ATL设计的情况下考虑这种实际情况(Sachverhalt)，其尤其对于低转速区域而优化。相对于发动机排量，这种ATL就其通过能力而言相当小，对此这种ATL在小的废气质量流量时就可通过增压器实现高的压力比。在高的发动机转速和大的废气质量流量时必须引导相应大的废气量通过废气门而绕过涡轮。
由此相应地得出对于废气门促动器的要求，即，在低端扭矩和瞬态运行时必须利用较大的力关闭废气门并且在额定功率的范围内必须存在足够的调节裕量(Regelreserve)，以用于在峰值时可同样可靠地调节额定功率或者在ATL处可实现限速调节(Abregelung)以防止超速。此外，废气背压在部分负荷运行中应尽可能地小，以用于可调整有利于消耗的最小的换气功。由在汽油机处的迄今为止利用超压调节的气动促动器只可不充分地解决这种权衡。一种解决方案为电驱动的废气门调整器，该废气门调整器可不依赖于在发动机处的压力而被操纵或调节。
从文件DE102005056011A1中已知带有用于废气门的电动促动器和增压空气冷却器的内燃机。通过以下方式得出用于废气门的电动操纵的特别的优点，即，流动通过废气门的废气输送到自身的废气洪流(Abgasflut)中。
发明内容
本发明的目的在于，在负荷要求下在燃料消耗和响应方面改进上文所提及类型的内燃机。
根据本发明，该目的通过这样的内燃机而实现：该内燃机带有：在新鲜空气装置中的进气歧管，进气歧管通到在内燃机的气缸盖中的进气道中；废气装置；以及废气涡轮增压器，废气涡轮增压器具有布置在废气装置中的涡轮和由涡轮驱动的布置在新鲜空气装置中的压缩机，其中，涡轮具有废气门通道以用于废气在涡轮的涡轮转子处的分路旁流，其中，在废气门通道中布置有废气门阀以用于有选择性地打开和关闭废气门通道，其中，设置有电动促动器以用于操纵废气门阀，其中，在新鲜空气装置中在压缩机的下游布置有增压空气冷却器，其中增压空气冷却器并入到进气歧管中，从而才通过电动促动器不取决于与运行点有关的压力来调节废气门阀，并且增压空气冷却器构造成带有水冷式热交换器，其中废气门阀构造成废气门活门，其中增压空气冷却器的水冷式热交换器与内燃机的冷却水循环回路相连接，并且其中冷却水循环回路具有泵和低温冷却器。
为此，根据本发明在上文所提及类型的内燃机中设置成，增压空气冷却器并入(integrieren)到进气管中，并且该增压空气冷却器构造成带有水冷式热交换器。
这具有的优点为，在新鲜空气装置中在压缩机的下游得到较小的体积，由此在负荷要求下即使在部分负荷运行中打开废气门阀或废气门活门(Wastegateklappe)的情况下也确保内燃机的快速响应。由此，在负荷要求下在部分负荷范围中通过打开废气门阀而降低燃料消耗不再与恶化的响应相结合。
适宜地，增压空气冷却器的水冷式热交换器与内燃机的冷却循环回路相连接。
在优选的实施形式中，增压空气冷却器为水-空气-增压空气冷却器(WL-LLK)。
适宜地，用于操纵废气门阀的电动促动器具有电动机，如此地布置并且构造该电动机，即，使得该电动机将发动机控制器的电输出信号直接转换成废气门阀的调整运动。
此外根据本发明，该目的通过这样的用于操作上文所提及类型的内燃机的方法而实现：
-新鲜空气流动通过新鲜空气装置的进气歧管而进入到内燃机的气缸盖中的进气道中，
-并且废气流动通过布置在废气装置中的废气涡轮增压器的涡轮，
-其中，涡轮驱动布置在新鲜空气装置中的压气机，
-并且，废气有选择性地流动通过从涡轮中分路的废气门通道，
-其中，与废气门通道相关联的废气门阀有选择性地打开和关闭废气门通道，其中废气门阀构造成废气门活门，
-其中，借助于电动促动器可操纵废气门阀，并且其中，新鲜空气流动通过布置在压气机下游的水冷式热交换器，水冷式热交换器与内燃机的冷却水循环回路相连接，并且水冷式热交换器并入到进气歧管中，从而才通过电动促动器不取决于与运行点有关的压力来调节废气门阀，其中冷却水循环回路具有泵和低温冷却器。
在尤其优选的实施形式中废气门阀构造成废气门活门。
附图说明
在下文中借助于附图进一步解释本发明。其中：
图1显示了根据本发明的内燃机的优选的实施形式的示意性图示，以及
图2显示了用于借助于电动促动器的废气门的调节的特性曲线。
具体实施方式
在图1中示出的根据本发明的内燃机的优选的实施形式包括发动机缸体10、废气装置12、废气涡轮增压器14(ATL)以及新鲜空气装置16。ATL14具有布置在废气装置12中的涡轮18和布置在新鲜空气装置16中的压缩机20。此外，在废气装置12中如此地布置带有废气门阀24的废气门通道22，即，使得通过有选择性地打开废气门阀24而使一部分废气被运送绕过涡轮，废气门阀24(其优选构造成废气门活门)具有电动促动器26以用于操纵废气门阀24。在涡轮18的下游，在废气装置12中布置有催化器28、尤其为前级催化器或靠近发动机的主催化器。
在新鲜空气装置16中布置有带有空气转向阀(Schubumluftventil)32(SUV)的从压缩机20中分路的旁通通道30。此外，在新鲜空气装置16中布置有节气门活门34(DKL)和进气管36。带有水冷式热交换器的增压空气冷却器并入到进气管36中。水冷式热交换器与内燃机的冷却水循环回路38相连接。冷却水循环回路38具有泵40和低温冷却器(Niedertemperaturkühler)42。
图2说明了用于借助于电动促动器26的废气门阀24的调节的特性曲线。在图2中，在水平数轴44上绘出了以[1/min]为单位的转速，而在垂直数轴46上绘出了以[％]为单位的相对平均压力。在第一特性曲线区域48中关闭废气门阀24，在第二特性曲线区域50中打开废气门阀24，而在第三特性曲线区域52中调节废气门阀24。
此外，同样取决于加速踏板倾斜度(Fahrpedalgradient)以这种方式实现促动器操控，即，在快速踩下踏板的情况下废气门阀24基本上立即关闭，并且当驾驶员事前没有加大油门时废气门阀24保持关闭直到达到最大程度允许的增压压力。
为了在部分负荷运行中通过打开废气门阀24还可使无节流(Entdrosselung)的优点转换成相应的消耗优点，根据本发明，增压空气冷却器并入到进气管36中并且配备有水冷式热交换器。这确保在部分负荷中打开的废气门阀24不会造成发动机响应中的明显的延迟，因为在ATL压缩机出口和通到内燃机的燃烧室中的入口之间只存在较小的空气体积。因此，根据本发明，这两种技术“电动废气门促动器”和“并入在进气管中的水冷式增压空气冷却器”相互结合。
只要通过将这两种已知的技术(即，“并入在进气管36中的WL-LLK”和“电动废气门促动器”)相结合才可能在实际情况中实现电动废气门促动器的优点。
只有通过由于并入在进气管36中的WL-LLK而得到相当小的压缩空气体积时，电动废气门促动器才可实现其优点(即，不取决于与运行点有关的压力而调节废气门阀24)，而在由于低部分负荷的负荷要求下在此时打开废气门阀24的情况下不必考虑动力性的恶化，相比于在传统的气动促动器中，在电动废气门促动器中整个压缩空气体积处于明显更小的压力水平上，而传统的气动促动器还造成1-2％的更高的燃料消耗。
如果在低的部分负荷中已经关闭废气门阀24，则虽然动力学性能至少改进到气动促动器的水平上，但是为此油耗在整个特性曲线区域中以不期望的方式处于气动废气门促动器的较坏的水平上。
在部分负荷中打开废气门阀24(这为所期望的状态)的情况下，由于使用电动废气门促动器26的首要动机是降低消耗，因此通过使用电动废气门促动器26可既改进动力性又改进消耗，因为通过并入在进气管36中的LLK和电动废气门促动器26的相结合可改进消耗而不必遭受关于动力学性能方面的缺点。此外由此而得到这样的可能性，即，根据仅仅与发动机相关的(motorisch)热力学准则而调整废气门阀24。因此，得到根据图2的特性曲线。利用在此示出的电动废气门促动器26的运行策略，使电动操控的优点最大化。实现根据图2的特性曲线的前提条件为并入在进气管36中的WL-LLK。
本文中，电动废气门促动器26表示这样的促动器，即，该促动器将发动机控制器的电输出信号借助于电动机直接转换成废气门阀或废气门活门的所期望的调整运动。这表示发动机的与运行点有关的供给压力的独立性。

Claims (11)

1.一种内燃机，所述内燃机带有：在新鲜空气装置(16)中的进气歧管(36)，所述进气歧管(36)通到在所述内燃机的气缸盖中的进气道中；废气装置(12)；以及废气涡轮增压器(14)，所述废气涡轮增压器(14)具有布置在所述废气装置(12)中的涡轮(18)和由所述涡轮(18)驱动的布置在所述新鲜空气装置(16)中的压缩机(20)，其中，所述涡轮(18)具有废气门通道(22)以用于废气在所述涡轮(18)的涡轮转子处的分路旁流，其中，在所述废气门通道(22)中布置有废气门阀(24)以用于有选择性地打开和关闭所述废气门通道(22)，其中，设置有电动促动器(26)以用于操纵所述废气门阀(24)，其中，在所述新鲜空气装置(16)中在所述压缩机(20)的下游布置有增压空气冷却器，其特征在于，所述增压空气冷却器并入到所述进气歧管(36)中，从而才通过所述电动促动器(26)不取决于与运行点有关的压力来调节所述废气门阀(24)，并且所述增压空气冷却器构造成带有水冷式热交换器，其中所述废气门阀(24)构造成废气门活门，其中所述增压空气冷却器的水冷式热交换器与所述内燃机的冷却水循环回路(38)相连接，并且其中所述冷却水循环回路(38)具有泵(40)和低温冷却器(42)。
2.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述增压空气冷却器为水-空气-增压空气冷却器。
3.根据权利要求1或2所述的内燃机，其特征在于，所述用于操纵废气门阀(24)的电动促动器(26)具有电动机，如此地布置并构造所述电动机，即，使得所述电动机将发动机控制器的电输出信号直接转换成所述废气门阀(24)的调整运动。
4.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述内燃机使用在机动车中。
5.一种用于操作内燃机的方法，其中，
-新鲜空气流动通过新鲜空气装置的进气歧管而进入到所述内燃机的气缸盖中的进气道中，
-并且废气流动通过布置在废气装置中的废气涡轮增压器的涡轮，
-其中，所述涡轮驱动布置在所述新鲜空气装置中的压气机，
-并且，废气有选择性地流动通过从所述涡轮中分路的废气门通道，
-其中，与所述废气门通道相关联的废气门阀有选择性地打开和关闭所述废气门通道，其中所述废气门阀构造成废气门活门，
-其中，借助于电动促动器可操纵所述废气门阀，并且其中，新鲜空气流动通过布置在所述压气机下游的水冷式热交换器，所述水冷式热交换器与所述内燃机的冷却水循环回路相连接，并且所述水冷式热交换器并入到所述进气歧管中，从而才通过所述电动促动器不取决于与运行点有关的压力来调节所述废气门阀，其中所述冷却水循环回路具有泵和低温冷却器。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述电动促动器具有电动机，所述电动机将发动机控制器的输出信号转换成所述废气门阀的调整运动。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，促动器控制附加地取决于加速踏板倾斜度而实现。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述废气门阀在快速踩下踏板的情况下立即关闭。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，当驾驶员事前没有加大油门时，所述废气门阀保持关闭直到达到最大程度允许的增压压力。
10.根据上述权利要求5至9中任一项所述的方法，其特征在于，在用于调节废气门阀的转速与相对平均压力特性曲线中，在第一特性曲线区域中关闭所述废气门阀，在第二特性曲线区域中打开所述废气门阀，在第三特性曲线区域中调节所述废气门阀。
11.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述内燃机使用在机动车中。
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