技术领域
[0001] 本
发明涉及一种具有
涡轮增压和废气再循环的内燃发动机，尤其是
柴油发动机且优选是双冲程
大型柴油发动机。
背景技术
[0002] 特别是在大型柴油发动机中，
涡轮增压器级是常见的，用于移除来自于发动机的废气
能量，从而压缩要向发动机供给的增压空气或压缩要向发动机供给的增压气体并由此得到改善的燃烧。尤其是在多
气缸发动机中，为此也使用多个
涡轮增压器。在此，经压缩的增压空气经常被冷却，从而可以输入更多的增压空气，例如参见德国
专利申请DE2923852A1。
[0003] 除了有关从所排出的燃烧气体或废气回收能量的措施以外，现今的焦点放在了尽可能洁净的燃烧上。为此经常地，一部分废气再循环到发动机的进气口侧，从而以此方式降低发动机的NOx排放。具有废气或燃烧气体再循环的双冲程大型柴油发动机的一个例子由本
申请人的德国专利文献DE10331187B4已知。在此，在该再循环管路中设置有
压气机，用以将回引的废气部分压缩到所预期的、在进气口侧的增压空气收集器中主导的增压空气压
力。此外，在该再循环管路中设置有换热器，回引的废气流在该换热器处借助增压空气被冷却。为了进一步冷却
泵浦回到发动机进气口侧的废气支流，此处还设置有喷
水装置。
[0004] 德国专利申请DE102010003864A1示出了另一种具有废气回引机构的涡轮
增压式发动机，其中在此设置有废气冷却器和中和器，该中和器用于中和废气再循环管路中的
腐蚀性废气组份。德国专利申请DE102008035747A1同样示出了一种具有废气回引机构的涡轮增压式小型柴油发动机，其中在废气再循环管路中安置有废气冷却器，或者其中废气再循环管路被引导通过废气冷却器。这里废气再循环管路具有与废气冷却器并联的旁通管路分支，以便当再循环废气中的
温度面临降到
露点以下的情况时将再循环废气带过废气冷却器，从而避免由于冷凝水而在废气再循环管路中产生脏污。
[0005] 为了清洁再循环的废气，根据德国专利DE102009010808B3和德国专利申请DE102007040934A1已经提出引导再循环管路通过气体洗涤装置。
[0006] 在通过废气再循环降低NOx排放的同时，另一方面发动机的效率整体因此显著降低。这是因为一方面，回引的废气量不再提供对涡轮增压器的驱动并由此不再提供增压空气的压缩；另一方面，回引的废气量必须通过压气机、例如通到发动机进气口侧的抽气机、即例如泵浦到增压空气收集器中，由此对于再循环压气机的驱动会产生额外的损耗。
[0007] 因此，根据欧洲专利申请EP2196660A1已经提出一种具有废气再循环的涡轮增压式大型发动机，其中可以选择性地将废气输送给再循环管路或输送给与第一涡轮增压器并联且与再循环管路并联布置的第二涡轮增压器。也就是说，发动机可以以两种运转模式运转，即一方面是降低NOx排放的运转模式，另一方面是高效率的运转模式。
[0008] 在这种类型的大型发动机中，除了已知的再循环管路或除了回引到进气口侧的再循环管路以外，以及除了存在于这种内燃发动机中的涡轮增压器级（下文称为第一涡轮增压器级）以外，还设置有与其并联连接的第二涡轮增压器级或辅助涡轮增压器级，以及
开关装置，经由所述开关装置选择性地向第二涡轮增压器级或再循环管路加载从
燃烧室排出的废气的废气支流（下文称为第二废气流）。
[0009] 通过此方式，例如由这种类型的呈双冲程大型柴油发动机形式的内燃发动机所驱动的
船舶或该内燃发动机本身一方面可以以环保模式进行驱动，在该环保模式下，例如在近岸区域中（或者在市区中的
汽车内燃发动机的情况下），NOx排放借助接通的废气再循环管路得以降低。另一方面，还是同样的例子，远海中的船舶或长途行车的汽车以高效模式运行，在该高效模式下，尽管未实施废气再循环并且由此未减少NOx排放，但就此通过接通第二涡轮增压器级获得更大的整体增压空气流或更高的经压缩的整体增压空气流，该整体增压空气流在进气口侧供给发动机并由此改善发动机效率。
发明内容
[0010] 由此出发，本发明的目的在于，在这种类型的可在高效模式下和低NOx排放模式下运行的内燃发动机中，提供节省空间且成本低廉地在两种运行模式下有利的运行条件。
[0011] 所述目的通过一种内燃发动机实现，具有：至少一个由气缸和与
曲柄轴共同作用的
活塞限界的燃烧室，所述燃烧室具有至少一个用于排出废气的排气口以及至少一个用于供应增压空气的进气口；第一涡轮增压器级，所述第一涡轮增压器级构成为用于通过第一废气流进行驱动以及用于压缩第一增压空气流，所述第一涡轮增压器级具有至少一个第一涡轮以及至少一个由相配设的第一涡轮驱动的第一压气机；废气再循环装置，用于使第二废气流从排气口向进气口再循环，所述废气再循环装置具有从排气口侧通到进气口侧的废气再循环管路，在所述废气再循环管路中安置有废气冷却器；第二涡轮增压器级，所述第二涡轮增压器级构成为用于通过第二废气流进行驱动以及用于压缩第二增压空气流，所述第二涡轮增压器级具有至少一个第二涡轮以及至少一个在第二涡轮增压器级的运行中由相配设的第二涡轮驱动的第二压气机；开关装置，借助所述开关装置第二废气流能够选择性地供应给第二涡轮增压器级或被再循环，其中，该内燃发动机具有在压气机侧引导通过第二涡轮增压器级的第二增压空气管路，所述第二增压空气管路在中间的管路部段中被引导通过安置在废气再循环管路中的废气冷却器。
[0012] 也就是，根据本发明，在废气再循环管路中设置有冷却器，该冷却器可同时用作第二增压空气流的冷却器。另外，在压气机侧引导通过第二涡轮增压器级的用于第二增压空气流的管路（或管路装置）（该管路在下文中称为第二增压空气管路）有利地同样被引导通过安置在废气再循环管路中的冷却器。这里有利的是，第二涡轮增压器级与第一涡轮增压器级并联地并列布置。
[0013] 第二增压空气管路在引导通
过冷却器的管路部段中可以与废气再循环管路的引导通过该冷却器的管路部段合并成共用管路部段。有利地，在再循环管路中还设置有废气或燃烧
气体洗涤器或废气洗涤装置。这是因为在废气中存在有
煤烟和其他需要在回引之前尽可能分离的颗粒。废气或燃烧气体洗涤器适用于此，正如本申请人的德国专利DE102009010808B3中以及本申请人的德国专利申请DE102007040934A1中所示的装置，其中废气流经清洁液体池并且首先分成多条支流，清洁液体分别喷入到各支流中。在此，这些文献在废气洗涤器方面完全合并。
[0014] 在紧凑构造和优化流动条件的意义上，所述共用管路部段优选地也被引导通过煤烟或废气洗涤器以及位于燃烧气体或废气洗涤器下游的水蒸气捕捉器。在这里有利的是，设置有用于排出来自燃烧气体洗涤器的水或清洁液体的装置，借助该装置所述燃烧气体洗涤器在接通辅助涡轮增压之前被清空。优选地，该装置可以通过开关装置进行控制。另一方面，在燃烧气体洗涤器中也可以在第二涡轮增压器运行时进行液体喷入，以进一步冷却第二增压空气流。在所述水蒸气捕捉器中，存在于这样形成的
气溶胶中的小水滴或由于冷凝而形成的小水滴得以分离。
[0015] 有利地，第二涡轮增压器级在此被调整到总废气流的通常用于废气再循环的份额。所述总废气流包括：再循环的或用于驱动第二涡轮增压器级的废气支流，即第二废气流；以及用于驱动第一涡轮增压器级的且然后可排到周围环境中的废气支流，即第一废气流，其应在减少NOx排放的同时有利地实现比第二废气流高的发动机效率。相应地，在前述的高效模式下（当再循环装置关闭且第二涡轮增压器级接通时，即在第二涡轮增压器运行时）有利的是，第一增压空气流（即通过第一涡轮增压器级压缩的增压空气支流）有利地大于第二增压空气流（即通过第二涡轮增压器级压缩的增压空气支流）。
[0016] 因此，第二涡轮增压器级的涡轮侧与第一涡轮增压器级的涡轮侧相比优选较小或设计用于较小的流量或在尺寸上适于较小的流量。这同样有利地适用于与第一涡轮增压器级的压气机侧的尺寸相比的第二涡轮增压器级的
压缩机侧或压气机侧的尺寸。同样地，再循环装置与第一涡轮增压器级的涡轮侧相比优选较小或设计用于较小的流量或在尺寸上适于较小的流量。再循环装置与第二涡轮增压器级的涡轮侧相比优选设计用于相同的流量或在尺寸上适于相同的流量。
[0017] 尤其是在双冲程大型柴油发动机的情况下，在此已证实特别适合的是，第二涡轮增压器级的涡轮侧在尺寸上适于的（第二废气流）的流量与第一涡轮增压器级的涡轮侧在尺寸上适于的（第一废气流）的流量之比为约三分之一至三分之二。因此，相应地也有利地适用于再循环装置的尺寸与第一涡轮增压器级的涡轮侧的尺寸的比例。
[0018] 这里，第一涡轮增压器级可以具有一个或多个涡轮增压器，下文称为第一涡轮增压器。这同样适用于第二涡轮增压器级，其可以具有一个或多个涡轮增压器，下文称为第二涡轮增压器。但通常，第一涡轮增压器级具有一个唯一的第一涡轮增压器，其具有一个唯一的涡轮（下文称为第一涡轮）以及一个唯一的由该涡轮驱动的压气机（下文称为第一压气机）；并且，第二涡轮增压器级具有一个唯一的第二涡轮增压器，其具有一个唯一的涡轮（下文称为第二涡轮）以及一个唯一的由该涡轮驱动的压气机（下文称为第二压气机）。但不仅仅对于开头部分所说明的第一涡轮增压器级具有多个第一涡轮增压器的发动机，第二涡轮增压器级也可以具有多个第二涡轮增压器。
[0019] 就此而言注意到，有利的是，第二涡轮增压器级与第一涡轮增压器级并联地设置，也就是由第二涡轮增压器级压缩的辅助增压空气流或第二增压空气流是作为由第一涡轮增压器级压缩的主增压空气流或第一增压空气流的另一气体流。然而还可想到的是，第二涡轮增压器级以
串联方式与第一涡轮增压器级相连接，从而借助第二涡轮增压器级，第一增压空气流在整体上或其一个支流就可以得到与由第一涡轮增压器级独自进行压缩相比更高的压缩。
[0020] 这里还有利的是，开关装置不仅构成为用于选择性地接通燃烧气体或废气再循环或者接通第二增压空气流的压缩，而且还允许完全关闭所述两者。通过此方式，可以在发动机启动时更快地达到稳定的运行状态，其中在选择性地接通废气再循环或第二涡轮增压器级之前，首先只开启第一涡轮增压器级。在发动机高负荷运转时，这里也可以在接通第一涡轮增压器级之前，先行接通（较小的）第二涡轮增压器级。
[0021] 此外，还有利的是，开关装置还允许在第二涡轮增压器级或废气再循环的接通与优选上述二者的完全关闭状态之间的中间
位置，从而运行模式也可以得以开动，在该模式下实现部分的NOx排放减少以及部分的附加增压。
附图说明
[0022] 各有利的实施方式是其他各从属
权利要求的内容，并且借助下列附图进行详细说明。
[0023] 附图示出：
[0024] 图1根据本发明的一个有利的
实施例的内燃发动机在废气再循环接通且第二涡轮增压器级断开时的示意图；
[0025] 图2在第二涡轮增压器级接通且废气再循环断开时的与图1相对应的示图。
具体实施方式
[0026] 这里可以看到以附图标记5标示的燃烧气体收集器，该燃烧气体收集器在其进气口侧上与内燃发动机的一个或多个（未示出的）燃烧室的一个或多个排气口相连接。此外，还可以看到以附图标记4标示的增压空气收集器，该增压空气收集器在其排气口侧上与一个或多个燃烧室的一个或多个进气口相连接。
[0027] 第一燃烧气体管路或第一废气管路B1从废气收集器5出发被引导通过第一涡轮8，该第一涡轮8驱动第一压气机9，借助该第一压气机对通过第一增压空气管路L1、L1B2供应给增压空气收集器4的第一增压空气流进行压缩。因此，第一涡轮8和第一压气机9共同构成在所示实施例中纯示例性的唯一的第一涡轮增压器，由此该第一涡轮增压器本身构成所谓的以附图标记1标示的第一涡轮增压器级。
[0028] 与第一涡轮增压器级1并联地并列设置有在所示实施例中纯示例性的唯一的、比第一涡轮增压器小的涡轮增压器，该较小的涡轮增压器本身构成所谓的第二涡轮增压器级2，该第二涡轮增压器级由此在所示实施例中纯示例性地比第一涡轮增压器级1小。第二涡轮增压器级2经由在下文中称为第二废气管路的管路B2a与废气收集器5相连接。
[0029] 第二涡轮增压器级2具有第二涡轮18，该第二涡轮在第二涡轮增压器级2接通且废气再循环断开（图2）时由第二燃烧气体流或第二废气流来驱动，该第二燃烧气体流或第二废气流通过与废气收集器5相连接的第二燃烧气体管路或第二废气管路B2a被引导通过第二涡轮18。在第二废气管路B2a开启时（在第二涡轮增压器级2接通且废气再循环断开时），第二涡轮18又驱动第二压气机19，通过该第二压气机同样对供应给增压空气收集器4的第二增压空气流进行压缩。这里，第二废气流通过第二废气管路B2a的路径在图2中用细虚线标记出。这里，第二增压空气流通过第二增压空气管路L21、L2B2、L2到增压空气收集器4的路径在图2中同样用细虚线标记出。这里，第二增压空气管路L21、L2B2、L2具有其中安置有第二压气机19的进料部段L21。
[0030] 与此相对地，图1示出在废气再循环接通且第二涡轮增压器级断开时的内燃发动机。第二废气流通过整体用附图标记3标示的废气再循环管路的路径在此用粗虚线标记出。这里，废气再循环管路3具有进料部段B2b，该废气再循环管路3借助该进料部段B2b连接到废气收集器5上。
[0031] 在位于进料部段L21或B2b下游的区域中，废气再循环管路3（图1中的粗虚线）和第二增压空气管路L21、L2B2、L2（图2中的细虚线）合并为共用管路部段L2B2。在该共用管路部段L2B2的末端，废气再循环管路3和第二增压空气管路L21、L2B2、L2又分开成支路。废气再循环管路3继续被引导到中间部段B22中，该中间部段将共用管路部段L2B2与第一增压空气管路L1、L1B2的通入部段L1B2相连接。通入部段L1B2又分开成废气再循环管路3和第一增压空气管路L1、L1B2。最后，第二增压空气管路L21、L2B2、L2和废气再循环管路3的共用管路部段L2B2经由通入部段L2与增压空气收集器4相连接。第二增压空气管路L21、L2B2、L2（图2中的细虚线）的通入部段L2在共用管路部段L2B2的末端从废气再循环管路3（图1中的粗虚线）中分支出来。
[0032] 在废气再循环管路3的进料部段B2b中安置有再循环关闭
阀11，借助该再循环关闭阀可以开启或断开废气再循环管路3。在第二废气管路B2a中安置有相应的辅助增压关闭阀12，借助该辅助增压关闭阀可以开启和切断增压空气收集器4与第二涡轮增压器级2的连接。在第二增压空气管路L21、L2B2、L2的进料部段L21中安置有再循环气体回流防止阀13，借助该再循环气体回流防止阀可以开启和切断第二涡轮增压器级2的第二压气机19与废气再循环管路3的连接。
[0033] 阀11、12、13整体构成开关装置11、12、13，用以选择性地接通废气再循环（图1）或接通第二涡轮增压器级2（图2）。如果需要使燃烧气体或废气再循环，则关闭辅助增压关闭阀12并打开再循环关闭阀11。此外还关闭再循环气体回流防止阀13，从而使流入废气再循环管路3中的废气不能流到第二压气机19的进气口侧。与此相对地，如果需要接通第二涡轮增压器级2，则关闭再循环关闭阀11并打开辅助增压关闭阀12。
[0034] 在共用管路部段L2B2中可以安置有水冷器6和位于水冷器6下游的燃烧气体洗涤器7。在燃烧气体洗涤器7的下游又设置有位于第二增压空气管路L21、L2B2、L2和再循环管路3的共用管路部段L2B2中的水蒸气捕捉器14。
[0035] 在此优点在于，冷却和清洁再循环废气流所需的冷却器6可以同时用作在第二涡轮增压器级2处增压的辅助增压空气的冷却器。因为通过涡轮增压器级中的压缩，所述辅助增压空气经常加热到相对较高的温度，例如200℃。然而，增压空气流越冷，则越多的增压空气能够由于相同压力下更高的
密度而进入到发动机的燃烧室内。
[0036] 出于同样的原因，在第一增压空气管路L1、L1B2中、在沿流动方向位于第一压气机9下游的区域中也设置有包括两个水冷器27、28的冷却器组27、28，以便同样冷却因压缩而加热的第一增压空气流，例如冷却到可容许的35℃。
[0037] 在再循环关闭阀11的下游且在冷却器6的上游，还可以在再循环管路3的进料区域B2b中安置预喷水单元或
喷嘴单元10，如果再循环接通则借助该单元向再循环废气流喷水，从而能够以此方式使预先已有的煤烟颗粒积聚到所喷入的小水滴上并由此从废气流中滤除。
[0038] 再循环管路3的中间部段B22通入第一增压空气管路L1、L1B2中的通入部在此位于两个水冷器27、28的下游、在通入共用通入部段L1B2的入口处。但也可以想到的是，使再循环管路和第二增压空气管路在冷却器组的上游通入第一增压空气管路中，而不是将再循环管路和第二增压空气管路引导通过适当的冷却器。然而在此情况下，必须预先在再循环管路（如果存在的话）中洗涤废气。
[0039] 抽气机15位于再循环管路3的中间部段B22中，以将再循环气体流提高到第一增压空气流的压力水平上。此外，在抽气机15的下游设置有调节阀14，借助该调节阀可以对再循环气体管路3的开度进行调节。
[0040] 在中间部段B22通入主增压空气管路L1、L1B2中的通入部下游设置有另一个水蒸气捕捉器16，既用以分离由于主增压空气的冷却而存在于第一增压空气流中的冷凝水，又用以分离可能还存在于再循环气体流中的未化合的水。在该水蒸气捕捉器16的下游，通入部段L1B2分开成两条以并联方式通入增压空气收集器4的分支，一条具有安置于其中的辅助鼓
风机20的管路分支以及一条绕开该辅助鼓风机20的旁通管路分支。经由止回阀25、26保证，不会有高压缩的增压空气从增压空气收集器4回流到第一增压空气管路L1、L1B2的通入部段L1B2中。为了能够开启或关闭辅助鼓风机分支或选择性地开启或关闭旁通分支，在此可以设置附加的阀（未示出）。
[0041] 与第一增压空气管路L1、L1B2的通入部段L1B2一样，第二增压空气管路L21、L2B2、L2的通入部段L2分开成两条分支，一条具有安置在其中的辅助鼓风机21的管路分支以及一条用于辅助鼓风机21的旁通分支。为了防止位于增压空气收集器4中的增压空气回流到辅助增压空气管路L21、L2B2、L2中，又设置有止回阀23、24。这里也可以存在有其他的阀，用以选择性地开启辅助鼓风机分支或旁通分支。
[0042] 可以对所示实施例进行变更和
修改，而不背离本发明的范围。
[0043] 例如可以想到的是，再循环管路继续与第二增压空气管路共同地引导通过第二增压空气管路的通入部段L2，而不是经由中间部段B22引导到第一增压空气管路L1、L1B2。因而，可以用辅助鼓风机21来替代抽气机15，该辅助鼓风机21要设计成相应强的，其中借助适当的阀可以开启旁通分支或具有辅助鼓风机的管路分支。此外还可以想到的是，在一个（或多个）其他旁通分支中设置一个或多个其他的辅助鼓风机来代替一个较大的辅助鼓风机，以便能够在再循环模式下将其接通。也可以设置从第二增压空气管路侧的辅助鼓风机到第一增压空气管路侧的辅助鼓风机的管路连接来代替附加的第二辅助鼓风机。
[0044] 这里应说明的是，简单地始终将供给燃烧室的气体称作“增压空气”。但在废气再循环或废气回引接通的情况下，供给燃烧室的混合气体严格来讲不仅仅包括空气，而是还包括回引的废气。此外，供给燃烧室的混合气体除了空气或回引的废气以外还包含其他的气体。因此，在本发明的范围内，“增压空气”这一概念应理解为在进气口侧要供给燃烧室的气体，也就是增压气体；在此意义上，“增压空气收集器”和“增压空气管路”这两个概念应理解为用于增压气体的收集器和管路。
