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带有排气再循环的 涡轮 增压 发动机

阅读：2发布：2021-06-28

专利汇可以提供带有排气再循环的涡轮增压发动机专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种带有排气再循环的涡轮增压内燃发动机，该发动机包括进气歧管 (24)、排气歧管 (26)、新鲜空气涡轮增压器 (28)和排气增压器(46)，其中所述进气歧管由分隔壁(70)分隔成新鲜空气通道(72)和排气通道(74)，所述通道中的一个连接到所述发动机的气缸的进气开口，所述新鲜空气通道(72)连接到所述新鲜空气涡轮增压器 (28)的压缩机 (30)的出口(38)，所述排气通道(24)连接到排气增压器(46)的压缩机(48)的出口(28)，且所述分隔壁(70)形成有连接所述两个通道的孔(76)。，下面是带有排气再循环的涡轮增压发动机专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种带有排气再循环的涡轮增压内燃发动机，包括：
包括多个气缸(14a-14e)的内燃发动机(8)，每个气缸(14a-14e)具有至少一个进气开口和至少一个排气开口，
连接到所述进气开口的进气歧管(24)，
连接到所述排气开口的排气歧管(26)，
包括第一涡轮(32)以及新鲜空气压缩机(30)的新鲜空气涡轮增压器(28)，所述第一涡轮(32)的入口(42)连接到所述排气歧管(26)，且所述第一涡轮(32)的所述出口(44)与大气相连，所述新鲜空气压缩机(30)的入口(36)与大气相连，且所述新鲜空气压缩机(30)的出口(38)连接到所述进气歧管(24)，以及
包括压缩机(48)的排气增压器(46；48，84)，所述压缩机的入口适于被供以来自所述排气歧管的排气且其出口连接到所述进气歧管(24)，
其中所述进气歧管(24)由分隔壁(70)分隔成新鲜空气通道(72)和排气通道(74)，新鲜空气通道和排气通道(72，74)中的一个连接到所述气缸(14a-14e)的所述进气开口，其中所述新鲜空气通道(72)连接到所述新鲜空气涡轮增压器(28)的压缩机(30)的出口(38)，
所述排气通道(24)连接到所述增压器(46；48，84)的压缩机(48)的出口(68)，且所述分隔壁(70)形成有连接所述两个通道(72，74)的孔(76)。
2.根据权利要求1所述的涡轮增压燃烧发动机，其特征在于，所述排气增压器(48，84)的压缩机(48)由电动机(84)驱动。
3.根据权利要求1所述的涡轮增压燃烧发动机，其特征在于，所述排气增压器(46)的压缩机(48)由第二涡轮(50)驱动，所述第二涡轮(50)的入口(54)连接到所述排气歧管(26)且所述第二涡轮(50)的出口(58)与大气相连。
4.根据权利要求3所述的涡轮增压内燃发动机，其特征在于，所述第二涡轮(50)的出口(58)还连接到所述排气增压器(46)的压缩机(48)的入口(60)。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的涡轮增压内燃发动机，其特征在于，所述排气增压器(46)的压缩机(48)的入口(60)连接到所述排气歧管(26)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的涡轮增压内燃发动机，其特征在于，在所述排气增压器(46)的压缩机(48)的入口(60)的上游设有阀(80)，借助于所述阀(80)，所述排气涡轮增压器的压缩机(48)的入口能够选择性地连接到被供以排气的管道(62，58)或与大气相连。
7.根据权利要求3所述的涡轮增压内燃发动机，其特征在于，在所述排气歧管(26)与所述排气涡轮增压器(46)的压缩机(50)的入口(54)之间设有控制阀(56)。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的涡轮增压内燃发动机，其特征在于，所述进气歧管(24)与所述发动机(8)的曲轴箱(10)整体地形成。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的涡轮增压内燃发动机，其特征在于，所述新鲜空气通道(72)位于所述排气通道(74)上方并直接连接到所述气缸(14a-14e)的所述进气开口。
10.根据权利要求9所述的涡轮增压内燃发动机，其特征在于，连接两个通道(72，74)的孔(76)由从所述分隔壁(70)向上延伸的管(86)形成。
11.根据权利要求1至7中任一项所述的涡轮增压内燃发动机，其特征在于，所述发动机(8)包括与布置在所述气缸(14a-14e)内的活塞配合的曲轴(12)，所述新鲜空气涡轮增压器(28)位于所述发动机的靠近所述曲轴(12)的一端的一侧(18)，且所述排气增压器(46)位于所述发动机的靠近所述曲轴(12)的另一端的一侧(16)。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的涡轮增压内燃发动机，其特征在于，在所述排气增压器(46)的压缩机(48)的所述入口(60)的上游设有排气冷却器(66)。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的涡轮增压内燃发动机，其特征在于，在所述新鲜空气压缩机(30)与所述进气歧管(24)的新鲜空气通道(72)之间设有新鲜空气冷却器(40)。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的涡轮增压内燃发动机，其特征在于，控制阀(64)设置在所述排气涡轮增压器(46)的压缩机(48)的上游并适于控制排气向排气压缩机的流动。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的涡轮增压内燃发动机，其特征在于，所述内燃发动机为V型发动机，其中进气歧管(24)位于所述发动机(8)的两个气缸列(A，B)之间。
16.一种带有排气再循环的涡轮增压内燃发动机，包括：
具有多个气缸(14a-14e)的内燃发动机(8)，每个气缸具有至少一个进气开口和一个排气开口，
连接到所述进气开口的进气歧管(24)，
连接到所述排气开口的排气歧管(26)，
具有涡轮(32)并具有压缩机(30)的新鲜空气涡轮增压器(28)，所述涡轮(32)的入口(42)连接到所述排气歧管且所述涡轮(32)的出口(44)与大气相连，所述压缩机(30)的入口(36)与大气相连且所述压缩机(30)出口(38)连接到所述进气歧管，以及具有有压缩机(48)的排气增压器(46)，所述压缩机(48)的出口(68)连接到所述进气歧管，
其中
所述排气增压器(46)的压缩机(48)的入口能够选择性地连接到排气歧管或与大气相连。
17.一种控制涡轮增压内燃发动机的操作的方法，所述内燃发动机包括：多个气缸(14a-14e)，每个气缸具有至少一个进气开口和一个排气开口；连接到所述进气开口的进气歧管(24)；连接到所述排气开口的排气歧管(26)；具有涡轮(32)并具有压缩机(30)的新鲜空气涡轮增压器(28)，所述涡轮(32)的入口(42)连接到所述排气歧管且所述涡轮(32)的出口(44)与大气相连，所述压缩机(30)的入口(36)与大气相连且所述压缩机(30)的出口(38)连接到所述进气歧管；以及具有压缩机(48)的排气增压器(46)，所述压缩机(48)的出口(68)连接到所述进气歧管，所述方法包括：
用来自所述内燃发动机的排气和/或来自大气的新鲜空气选择性地供应给所述排气增压器(46)的压缩机(48)的入口。

说明书全文

带有排气再循环的涡轮 增压 发动机

技术领域

[0001] 本发明涉及带有排气再循环的涡轮增压发动机(例如，柴油内燃发动机)，其适于例如在重负荷车辆、船舶或电站中使用，但不局限于这些应用。

背景技术

[0002] 涡轮增压是增加内燃发动机的转矩和功率的常见方法。排气再循环是提高排气品质(即，降低排气中的氮氧化物含量)的常见方法。当将外部排气再循环(即，将来自发动机的排气歧管的一部分排气引导到发动机的进气歧管)与涡轮增压相结合时，需要将再循环到进气歧管的排气的压力增加到至少与进气歧管内经加压的新鲜空气的压力水平相同的压力水平。

[0003] DE 196 03 591 C1公开了一种带有新鲜空气涡轮增压器和排气涡轮增压器的涡轮增压内燃发动机，其中排气管道连接到排气涡轮增压器的涡轮的入口和新鲜空气涡轮增压器的涡轮的入口，而且还连接到排气涡轮增压器的压缩机的入口。排气涡轮增压器的出口连接到一管道，该管道将新鲜空气涡轮增压器的压缩机的出口连接到发动机。排气涡轮增压器的压缩机的上游和新鲜空气涡轮增压器的压缩机的下游设置有冷却器。控制阀连接到排气涡轮增压器的压缩机和涡轮的入口以及发动机的排气出口上，以控制排气再循环的速度。

[0004] DE 44 36 732 A1公开了一种带有新鲜空气涡轮增压器和排气涡轮增压器的涡轮增压内燃发动机，其中新鲜空气涡轮增压器和排气涡轮增压器的入口并行地连接到发动机的排气侧。此外，发动机的排气侧还经由冷却器连接到排气涡轮增压器的压缩机的入口。排气涡轮增压器的压缩机的出口连接到燃烧发动机的进气歧管，该进气歧管还经由冷却器连接到新鲜空气涡轮增压器的压缩机的出口。出于控制排气再循环速度的目的，在排气涡轮增压器的涡轮的入口上游设置了控制阀。

[0005] 本发明至少部分地针对改善或克服现有的带有排气再循环的涡轮增压内燃发动机的一个或多个方面，例如，安装难度、复杂性和/或效率。

发明内容

[0006] 根据本发明的第一方面，一种涡轮增压内燃发动机包括：多个气缸，每个气缸具有至少一个进气开口和至少一个排气开口；连接到所述进气开口的进气歧管；以及连接到所述排气开口的排气歧管。此外，该发动机可以包括新鲜空气涡轮增压器，该新鲜空气涡轮增压器包括涡轮以及新鲜空气压缩机，该涡轮的入口连接到排气歧管且其出口与大气相连，该新鲜空气压缩机的入口与大气相连且其出口连接到进气歧管。此外，该发动机可以包括排气增压器，该排气增压器包括压缩机，该压缩机的入口适于被供以来自排气歧管的排气且其出口连接到进气歧管。进气歧管可以由分隔壁分为新鲜空气通道和排气通道，这些通道中的一个连接到进气开口，该新鲜空气通道连接到新鲜空气压缩机的出口，所述排气通道连接到排气增压器的压缩机的出口，且所述分隔壁形成有连接所述两个通道的孔。

[0007] 根据本发明的又一方面，一种涡轮增压内燃发动机可以包括多个气缸，每个气缸具有至少一个进气开口和一个排气开口。进气歧管可以连接到所述进气开口且排气歧管可以连接到所述排气开口。新鲜空气涡轮增压器包括涡轮，该涡轮的入口连接到排气歧管且其出口与大气相连，并且还包括新鲜空气压缩机，该新鲜空气压缩机的入口与大气相连且其出口连接到进气歧管。排气增压器包括压缩机，该压缩机的出口连接到进气歧管。该排气增压器的压缩机的入口可以选择性地连接到排气歧管或与大气相连。

[0008] 根据本发明的另一方面，公开了一种控制涡轮增压内燃发动机的操作的方法。该发动机包括：多个气缸，每个气缸具有至少一个进气开口和一个排气开口；连接到所述进气开口的进气歧管；连接到所述排气开口的排气歧管；具有涡轮和压缩机的新鲜空气涡轮增压器，该涡轮的入口连接到排气歧管且其出口与大气相连，该压缩机的入口与大气相连且其出口连接到进气歧管；以及具有压缩机的排气增压器，该压缩机的出口连接到进气歧管。该方法可以包括以下步骤：对排气增压器的压缩机的入口选择性地供应来自内燃发动机的排气和/或来自大气的新鲜空气。

[0009] 本发明的其它特征和方面将从以下描述和附图变得清晰。

附图说明

[0010] 结合在本文中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并连同说明一起用于解释本发明的原理。在附图中：

[0011] 图1是本发明的实施例的示意性俯视图，

[0012] 图2是图1的实施例的示意性侧视图，

[0013] 图3是本发明的又一个实施例的示意性俯视图，

[0014] 图4是V型发动机的实施例的示意性俯视图，

[0015] 图5是发动机在图4中所示的平面V-V中的示意性剖视图，

[0016] 图6是相对于图1的实施例进行了修改的实施例的示意性俯视图，[0017] 图7是相对于根据图2的实施例进行了修改的实施例的示意性侧视图，以及[0018] 图8是如图5所示的发动机的改型的示意性剖视图。

具体实施方式

[0019] 在所有附图中，相应的元件使用相同的参考标号。

[0020] 以下将参考图1和2描述带有排气再循环的涡轮增压内燃发动机的实施例。

[0021] 内燃发动机8(例如直列式5缸发动机)可以包括曲轴箱10，曲轴12被支承在该曲轴箱内。曲轴12由点划线表示。曲轴12连接到活塞(未示出)，该活塞可在相应的气缸14a-14e内移动。

[0022] 如图所示，发动机8具有在曲轴12的长度方向上相对的端侧16、18和在正交于曲轴12的长度方向的方向上相对的侧20、22。

[0023] 进气歧管24沿着发动机的侧20延伸并连接到各个气缸14a-14e上。每个气缸14a-14e可以设有至少一个进气阀，该进气阀适于打开或关闭进气歧管24与相应的气缸的工作腔室之间的连接。排气歧管26可以设置在另一侧22，该排气歧管26可以连接到气缸
14a-14e中的每一个上。每个气缸14a-14e可以设有至少一个排气阀，该排气阀构造成打开或关闭相应的气缸14a-14e内的工作腔室与排气歧管之间的连接。

[0024] 在端侧16、18中的其中一个处(在所示的实施例中在侧18处)可以定位有包括经由轴34连接的压缩机30和涡轮32的新鲜空气增压器28。

[0025] 压缩机30的入口36可以与外部大气相连。压缩机30的出口38可以连接到进气歧管24，其中，冷却器40可以设置在出口38与进气歧管24之间。

[0026] 涡轮32的入口42可以连接到排气歧管26。涡轮32的出口44可以连接到发动机的排气系统，该排气系统包括用于排气净化和消声的装置。

[0027] 在发动机8的侧16处，定位有排气涡轮增压器46，该排气涡轮增压器包括经由轴52可旋转地连接的压缩机48和涡轮50。

[0028] 涡轮50的入口54连接到排气歧管26，其中第一控制阀56可以设置在涡轮50与排气歧管26之间。涡轮50的出口58类似于涡轮32的出口44连接到发动机的排气系统。

[0029] 排气涡轮增压器46的压缩机48的入口60经由管道62连接到具有第二控制阀64的排气歧管，冷却器66可以设置在管道62中。压缩机48的出口68连接到进气歧管24。

[0030] 如从图2可以看到，可以与曲轴箱10整体地铸成的进气歧管24在其长度方向上由分隔壁70分成新鲜空气通道72和排气通道74。新鲜空气通道70在其邻近发动机的侧16的端部处封闭，并在其靠近发动机的侧18的端部处连接到压缩机30的出口38。排气通道74在其靠近发动机的侧18的端部处封闭，并在其靠近发动机的侧16的端部处连接到排气涡轮增压器46的压缩机48。优选地，新鲜空气通道72位于排气通道74上方。新鲜空气通道72直接连接到气缸14a-14e，而排气通道74经由形成在分隔壁70中的孔76与新鲜空气通道72连通。优选地，孔76中的至少一个位于与相应的气缸14a-14e对应的位置。

[0031] 图3示出了涡轮增压内燃发动机的第二实施例，其中排气涡轮增压器46的管道与图1的实施例相比已进行修改。以下仅描述图3的实施例的与图1的实施例相比改动过的那些部分。

[0032] 在排气歧管26与排气涡轮增压器46的涡轮50的入口54之间的连接部中未设置控制阀。此外，涡轮50的出口58连接到管道78，该管道78在一端80处连接到发动机的排气系统并在其另一端处连接到控制阀82，管道78可以通过所述控制阀82连接到排气涡轮增压器46的压缩机48的入口60或与大气相连。在管道78至涡轮50的连接部和阀82之间设置有冷却器66。

[0033] 图4披露了V型发动机，其包括与图1的气缸列相对应但关于发动机的包括其曲轴12的竖直中心平面成镜像的两个气缸列A和B。

[0034] 如从图5可以最好地看到，图5是发动机沿着图4中所示的平面V-V的剖视图，进气歧管24位于气缸列A和B之间。新鲜空气通道72连接到新鲜空气涡轮增压器28、28′两者的压缩机30、30’，而两个排气涡轮增压器的出口68、68’连接到排气通道74。

[0035] 图6示出了本发明的与图1的实施例相比经修改的实施例。将仅描述相对于图1的修改。

[0036] 根据图1，构成由排气涡轮增压器的涡轮50驱动的排气增压器的压缩机48由电动机84可旋转地驱动，所述电动机84由电子控制单元(未示出)控制成使得构成增压器的压缩机48根据燃烧发动机8的工况(即，与发动机的负荷和速度相对应地)以一定速度和压力向进气歧管24的排气通道74供应排气。由于可以根据发动机的工况直接控制电动机84，因此可以省略第二控制阀64。

[0037] 当然，图6的实施例也可以应用于图4的实施例，其中图4的实施例的两个压缩机48、48’可以由相应的电动机或共用的电动机可旋转地驱动。

[0038] 图7示出了本发明的与图2的实施例相比经修改的实施例。以下将仅描述修改。

[0039] 然而，在图2的实施例中，将排气通道74的内部与新鲜空气通道72的内部相连的孔76与图7的实施例一样形成为分隔壁70中的简单的开孔。这些孔76由管86的内部通道形成，该管86从分隔壁70向上延伸。优选地，管86形成为使得它们的自由端(远离排气通道的端部)直接通向将气缸14a至14e与新鲜空气通道72相连接的管道，使得来自排气通道74的排气在来自新鲜空气通道72的新鲜空气流内流入相应的气缸。通过管86保证了排气内的任何液滴——其可能由于排气温度下降而由排气冷凝而成——被直接输送到气缸内而不会冷凝在新鲜空气通道72的任何内表面处。

[0040] 图8是类似于图5的视图并示出了前面已经说明的管86如何布置在带有两个气缸组A和B的V型发动机中。

[0041] 工业适用性

[0042] 根据图1的发动机(例如能够用作重负荷卡车的驱动发动机)的功能如下：

[0043] 当发动机运行时，新鲜空气压缩机28的涡轮32和排气压缩机46的涡轮50被从排气歧管26的两端离开的排气驱动。涡轮32驱动压缩机30，使得在冷却器40中冷却的压缩新鲜空气流入进气歧管24。

[0044] 排气涡轮增压器46的涡轮50驱动压缩机48，藉此，从排气歧管26离开并在冷却器66中冷却的排气被压缩机48压缩成压力近似于或略高于新鲜空气通道72中的经压缩的新鲜空气的压力，使得经压缩的排气通过孔76流入新鲜空气通道72，在该新鲜空气通道中该排气与经压缩的新鲜空气混合。经压缩的新鲜空气和经压缩的排气的混合物流入气缸的工作腔室。

[0045] 再循环到排气通道74内的排气的速度可以由控制阀56和64控制，其中控制阀56控制涡轮50的驱动功率，而控制阀64控制管道62的有效截面。

[0046] 控制阀64和56由发动机的控制装置根据发动机的操作参数(例如负荷、速度和温度)来控制。

[0047] 通过将涡轮增压器安装在发动机的对侧(相对的两侧)，简化了安装并有效地利用了空间。此外，通过紧凑的布置使任何流量损失最小化。

[0048] 通过进气歧管24的由分隔壁70分隔成新鲜空气通道72和排气通道74的设计，实现了紧凑和有效的设计。由于连接新鲜空气通道72和排气通道74的孔76，实现了再循环的排气与新鲜空气之间的有效混合。

[0049] 可以是热交换器的冷却器40和66——其中通过来自发动机的冷却水从气体带走热——提高了整体效率。

[0050] 通过两个控制阀56和64，可以有效控制排气再循环速度。

[0051] 依发动机的操作参数而定，排气涡轮增压器46和新鲜空气涡轮增压器28的设计参数被设定为满足发动机关于排气再循环速度的功能需求。

[0052] 如上所述的发动机的基本设计可以在诸多方面进行修改。该设计可以用于汽油发动机(Otto engine)和柴油发动机、燃烧液态或气态燃料的发动机以及带有不同数量的气缸的发动机。此外，进气歧管24并不局限于与曲轴箱10成一体的构件，而可以是安装在发动机机体上的单独部件。冷却器40或66中的任何一个都可以省略。控制阀的位置可以改变。管道62可以连接到涡轮50的出口58。

[0053] 排气通道64并不局限于位于新鲜空气通道72下方。

[0054] 图3的实施例与图1的实施例的不同之处在于涡轮50的出口58和排气涡轮增压器的压缩机48的入口60的连接。在阀82的一种状态下，在该状态中管道78连接到压缩机48的入口60，排气在压缩机48中被加压并供应给排气歧管26(图2)。应当提及的是，管道78可以直接连接到排气歧管26，如其在图1的实施例中那样。

[0055] 当阀82切换到一种状态、在该状态中管道78与入口60分离且入口60与外部大气相连时，排气涡轮增压器46起到类似于新鲜空气涡轮增压器28的、附加的新鲜空气涡轮增压器的作用。在此阶段，不存在发动机排气再循环而是有效地进行涡轮增压。阀82可以是允许在最大速度(入口60仅连接到管道78)和最小速度(入口60与管道78完全分离)之间控制排气再循环速度的比例阀。存在大量这样的应用，其中操作带有或者不带有排气再循环的发动机可能是有利的。涡轮50的入口54的封闭将引起排气歧管26中的排气压力增大，这将引起新鲜空气涡轮增压器28的过载。将排气涡轮增压器46从排气压缩切换到新鲜空气压缩克服了此问题。

[0056] 图4的实施例对应于图1的实施例，但将此技术应用于V6发动机。为气缸列A和B使用一个共用的进气歧管24允许具有短的管道和低的流量损失的紧凑设计。当然，根据图3的排气涡轮增压器的布置也可以适用于图4。此外，排气压缩机46和46’的涡轮48和48’可以结合为由两个涡轮50、50’驱动的一个压缩机。代替两个涡轮50、50’，可以设置仅一个涡轮，其中该涡轮的入口可以连接到排气歧管26和26’。此外，可以使用仅一个压缩机代替压缩机30和30’，并且可以使用仅一个涡轮代替两个涡轮32和32’。根据图3的排气涡轮增压器46的布置——其允许排气涡轮增压器操作成从排气再循环切换到新鲜空气压缩——也可以与未设置有进气歧管的发动机一起使用，并通过分隔壁分离成两个通道。通过压缩机48加压的排气或通过压缩机48加压的新鲜空气可以被直接供应给发动机的进气歧管或供应至连接到进气歧管的管道。

[0057] 前面已参照图1至5描述了发动机的不同实施例的功能。由根据图6的电动机84取代排气涡轮增压器46的涡轮50允许通过控制电动机84的速度来对关于图3的实施例的传送到排气通道74的排气和/或传送到排气通道74的新鲜空气进行加压或增压。此外，使用电动机84代替涡轮50允许提高压缩机30对发动机的增压，因为全部排气可以用于驱动新鲜空气涡轮增压器28的涡轮32。使用根据图7或8的管86避免了由于再循环的排气降温而冷凝的液滴可能沉积在新鲜空气通道72的内表面处的任何风险。

[0058] 通过截面——这些截面用于从排气通道74经由孔76或管86流到气缸14a至14e的排气和用于从新鲜空气通道72流到气缸14a至14e的新鲜空气——的有效流动/流量可以沿着歧管24的长度不是一致的。所述有效流量可以例如通过孔的数量和/或与不同气缸相对应的孔76或管86的截面进行修改，以便保证所有气缸都被供以相同量的新鲜空气和排气的混合物，所述新鲜空气和排气的混合物具有统一的新鲜空气相对于排气的比率。

[0059] 尽管文中已描述本发明的优选实施例，但可加入改进和改型而不脱离以下权利要求的范围。

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