四冲程内燃机
阅读：737发布：2020-05-14
专利汇可以提供四冲程内燃机专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本文公开了一种 内燃机 (2)，其包括形成 燃烧室 (23)的至少一个汽缸装置(4)。 发动机 (2)还包括至少一个 涡轮 机(21)，其包括涡轮(26)并且具有涡轮入口面积ATIN。排气管道(6)从布置在汽缸装置(4)的汽缸孔(12)的下半部中的端口(15)延伸到涡轮入口面积ATIN。 活塞 (10)具有不同的活塞冲程长度， 做功冲程 和 排气冲程 比 进气冲程 和压缩冲程长，以使得端口(15)在做功冲程和排气冲程的部分期间不被活塞(10) 覆盖 ，并且在进气冲程和压缩冲程期间被活塞(10)覆盖。，下面是四冲程内燃机专利的具体信息内容。
1.一种四冲程内燃机(2)，包括形成燃烧室(23)的至少一个汽缸装置(4)和曲轴(20)，其中
所述至少一个汽缸装置(4)包括活塞(10)、连杆(22)、汽缸孔(12)、以及用于使排气从所述汽缸孔(12)流出的排气装置(14)，其中，
所述活塞(10)在所述连杆(22)的第一端处可枢转地连接所述到连杆(22)并且布置成在进气冲程、压缩冲程、做功冲程、和排气冲程中在汽缸孔(12)中往复运动，其中所述排气装置(14)包括布置在所述汽缸孔(12)的下半部分中的端口(15)，其中，所述四冲程内燃机(2)还包括至少一个涡轮机(21)，所述涡轮机包括涡轮(26)并且具有涡轮入口面积ATIN，并且其中，
排气管道(6)从所述端口(15)延伸到所述涡轮入口面积ATIN
其特征在于：
所述活塞(10)具有不同的活塞冲程长度，所述做功冲程和所述排气冲程比所述进气冲程和所述压缩冲程更长，使得所述端口(15)在所述做功冲程和所述排气冲程的部分期间不被所述活塞(10)覆盖，并且在所述进气冲程和所述压缩冲程期间被活塞(10)覆盖。
2.根据前述权利要求中任一项所述的四冲程内燃机(2)，其中当所述活塞(10)位于所述做功冲程与所述排气冲程之间的下止点BDC时，所述端口(15)的端口面积APORT具有至少两倍于所述涡轮机(21)的所述涡轮入口面积ATIN的尺寸。
3.根据权利要求2所述的四冲程内燃机(2)，其中所述端口(15)的高度处于所述活塞(10)的上止点TDC与在所述做功冲程与所述排气冲程之间的所述下止点BDC之间的活塞冲程长度的8％-16％的范围内。
4.根据权利要求2或3所述的四冲程内燃机(2)，其中所述至少一个汽缸装置(4)具有在所述活塞(10)在所述做功冲程与所述排气之间的所述下止点BDC与所述燃烧室(23)的上部内侧界定表面(24)之间的最大容积VMAX，其中所述端口(15)构造成当所述活塞(10)处于所述做功冲程与所述排气冲程之间的下止点BDC时将所述端口面积APORT暴露为至少0.44×VMAX的尺寸。
5.根据前述权利要求中任一项所述的四冲程内燃机(2)，其中所述汽缸装置(4)具有在所述活塞(10)在所述做功冲程与所述排气之间的所述下止点BDC与所述汽缸孔(12)的上部内侧界定表面之间的最大容积VMAX，其中所述汽缸装置(4)的瞬时汽缸容积V由所述活塞(10)在其往复运动期间在所述汽缸孔(12)中的瞬时位置定义，其中
APORT(V)表示在所述活塞(10)的做功冲程期间的所述端口(15)的端口面积，其是所述瞬时汽缸容积V的函数，其中
所述端口(15)的排气流动面积系数δ被定义为
2 3
δ＝APORT(V)/(0.22×VMAX)，APORT以m表示，并且VMAX以m表示，其中
所述端口(15)具有打开速度系数β，其被定义为
β＝(V(δ＝1)-V(δ＝0.1))/VMAX，并且其中
所述端口(15)的打开速度系数β<0.06。
6.根据前述权利要求中任一项所述的四冲程内燃机(2)，其中所述汽缸装置(4)具有在所述活塞(10)在所述做功冲程与所述排气冲程之间的下止点BDC与所述汽缸孔(12)的上部内侧界定表面(24)之间的最大容积VMAX，其中所述排气管道(6)具有排气管道容积VEXH，并且其中VEXH小于等于0.5乘以所述最大容积VMAX。
7.根据前述权利要求中任一项所述的四冲程内燃机(2)，其中所述排气管道(6)仅将所述端口(15)与所述涡轮入口面积ATIN流体连接。
8.根据前述权利要求中任一项所述的四冲程内燃机(2)，其中所述端口(15)仅由固定部件形成。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的四冲程内燃机(2)，包括构造成用于改变所述端口(15)的尺寸的可移动汽缸壁部分(31)，其中所述可移动汽缸壁部分(31)能够在第一位置与第二位置之间移动，所述可移动壁部分(31)在所述第一位置处形成所述端口(15)的一部分，所述可移动壁部分(31)在所述第二位置被从所述端口(15)移除。
10.根据前述权利要求中任一项所述的四冲程内燃机(2)，其中所述排气装置(14)包括处于所述汽缸孔(12)的上部内侧界定表面处的阀装置(17)，所述阀布置(17)与延伸到所述涡轮机(21)下游的排气管线(19)流体连接。
11.根据权利要求10所述的四冲程内燃机(2)，其中所述阀装置(17)能够选择性地与所述涡轮机(21)上游的所述排气管道(6)流体连接。
12.根据前述权利要求中任一项所述的四冲程内燃机(2)，其中所述涡轮机(21)具有标准化有效流动面积γ，其被定义为
γ＝ATURB/VMAX，其中γ>0.22m-1，其中，
ATURB＝(ATIN/ATOT)×m’RED×(R/(κ(2/(κ+1)X)))1/2，其中X＝(κ+1)/(κ-1)，其中ATOT是所述涡轮机(21)的总入口面积，并且其中ATURB是在所述涡轮机(21)的入口侧与出口侧之间的压力比率是2.5-3.5的情况下并且在所述涡轮的尖端速度是450m/s的情况下在所述涡轮机(21)的减小的质量流量m’RED下获得的。
13.根据前述权利要求中任一项所述的四冲程内燃机(2)，其中所述汽缸装置(4)具有所述汽缸孔(12)中在做功冲程与排气冲程之间的所述下止点BDC与所述活塞(10)的上止点TDC之间的总扫气体积VS，并且其中0.3
四冲程内燃机
技术领域
背景技术
[0003] 四冲程内燃机的活塞执行四个冲程，进气冲程、压缩冲程、做功冲程、和排气冲程。包括例如普通排气提升阀的内燃机的排气装置必须在做功冲程期间活塞达到其下止点BDC之前打开。否则，如果排气装置将在稍后(例如当活塞达到BDC时)打开，则来自汽缸内部的排气的内部压力将阻止活塞在排气冲程期间朝向上止点TDC移动。因此可用的发动机功率会降低。
[0004] 排气装置在做功冲程期间在活塞的BDC之前打开允许一部分排气在活塞达到BDC之前通过排气装置逸出，被称为泄放。术语泄放也可以用于在活塞达到BDC之前和活塞已经达到BDC之后，排气通过排气装置逸出的，同时汽缸内部的压力超过排气装置下游的排气系统中的压力。泄放的能量(功)，即泄放能量，通过排气装置逸出并且不经由活塞传递到内燃机的曲轴。
[0005] US4535592公开了一种内燃式涡轮复合发动机，其具有传统的可往复运动的活塞、汽缸、歧管、燃料氧气混合装置或燃料喷射器、点火装置或压缩点火装置，并且结合有相应的喷嘴装置的改进，用于将热的高压燃烧产物(排气)从相应的汽缸传送到一个或多个涡轮机。喷嘴装置的入口端和出口端分别与相应的燃烧室或汽缸的相应的边界壁以及涡轮机的入口连接。快速打开的喷嘴阀将排气从相应的汽缸引入喷嘴装置。
[0006] US5775105公开了一种凸轮驱动的塞子，其打开和关闭发动机汽缸孔中的排气阀端口。塞子移动并形成用于从汽缸逸出的排气的最佳可变几何形状喷嘴，以将最大速度能量赋予这些排气，用于首先以超音速输送，然后随着汽缸压力衰减而以较低速度输送，以驱动将动力输送到内燃机的轴或其他服务负载的涡轮机。
[0007] 以上所提到的文献中所讨论的喷嘴阀和凸轮驱动的塞子可以证明是在实践中实现起来较为复杂的装置。
发明内容
[0008] 本发明的一个目的是提供一种包括涡轮机的四冲程内燃机，其中提供可靠的装置以利用排气能量。
[0009] 根据本发明的一个方面，该目的通过一种四冲程内燃机来实现，该四冲程内燃机包括形成燃烧室的至少一个汽缸装置和曲轴。该至少一个汽缸装置包括活塞、连杆、汽缸孔、以及用于将排气从汽缸孔排出的排气装置。活塞在连杆的第一端处可枢转地连接到连杆并且布置成在进气冲程、压缩冲程、做功冲程、和排气冲程中在汽缸孔中往复运动。排气装置包括布置在汽缸孔的下半部分中的端口。四冲程内燃机还包括至少一个涡轮机，该涡轮机包括涡轮并且具有涡轮入口面积ATIN。排气管道从端口延伸到涡轮入口面积ATIN。活塞具有不同的活塞冲程长度，做功冲程和排气冲程比进气冲程和压缩冲程更长，以使得端口在做功冲程和排气冲程的部分期间不被活塞覆盖，并且在进气冲程和压缩冲程期间被活塞覆盖招。
[0010] 由于活塞具有不同的活塞行程长度，因此做功冲程和排气冲程比进气冲程和压缩冲程更长，使得端口在做功冲程和排气冲程的部分期间不被活塞覆盖，并且在进气冲程和压缩冲程期间被活塞覆盖，因此排气管道中不需要任何单独的阀来打开和关闭排气管道。结果，实现了以所提到的目的。
[0011] 此外，由于排气装置包括布置在汽缸孔的下半部中的端口并且排气管道从端口延伸到涡轮入口面积ATIN，因此排气的泄放能量在涡轮机中被有效地利用。
[0012] 四冲程内燃机可以包括多于一个汽缸装置，每个汽缸装置具有活塞和排气装置。四冲程内燃机可以包括多于一个涡轮机。涡轮机例如可以是涡轮增压器，其可以形成涡轮复合发动机的一部分，或者可以是驱动发电机的涡轮机。活塞可以经由连杆连接到内燃机的曲轴。适当地，连杆可以间接地连接到曲轴。该端口可以包括一个单一端口。然而，本文中对于端口的表述还包括被分成两个或更多个端口部段的端口，以及汽缸孔中的连接到同一个排气管道的多于一个的单数个端口。
[0013] 在汽缸装置内部，在活塞上方存在燃烧室。进气在活塞的进气冲程期间通过汽缸装置的进气装置进入燃烧室。进气可以被涡轮增压器压缩。内燃机可以是例如诸如柴油型发动机的压缩点火(CI)发动机或诸如奥托型发动机的火花点火(SI)发动机，并且在后者的情况下包括汽缸装置中的火花塞或类似器件。燃料可以在活塞的进气冲程或压缩冲程的部分期间被喷射到燃烧室中，或者可以与进气一起被夹带。燃料可能在活塞的压缩冲程与做功冲程之间的TDC附近点燃。
[0014] 根据实施方式，当活塞处于做功冲程与排气冲程之间的下止点BDC时，端口的端口面积APORT可以具有涡轮机的涡轮入口面积ATIN的至少两倍的尺寸。以这种方式，可以确保端口面积APORT在泄放期间不限制排气的流出。因此，排气的泄放能量可以在涡轮机中被有效地利用。
[0015] 根据实施方式，端口的高度可以在活塞的上止点TDC和做功冲程与排气冲程之间的下止点BDC之间的活塞冲程长度的8％至16％的范围内。以这种方式，端口可以不被覆盖，以确保排气的泄放能量被释放到涡轮机以便在其中有效使用。根据一些实施方式，当活塞达到BDC时，端口将完全不被活塞覆盖。在这样的实施方式中，端口的高度将从BDC向上延伸在做功冲程与排气冲程之间在活塞的上止点TDC与下止点BDC之间的活塞冲程长度的8％至16％之间的范围内的高度。
[0016] 根据实施方式，该至少一个汽缸装置可以具有在活塞在做功冲程与排气冲程之间的下止点BDC与燃烧室的上部内侧界定表面之间的最大容积VMAX。端口可以配置成当活塞处于做功冲程与排气冲程之间的下止点BDC时将端口面积APORT暴露为至少0.44×VMAX的尺寸。以这种方式，活塞处于下止点BDC时的端口面积APORT的尺寸可以设定成使得排气的泄放能量可以在涡轮机中被有效地利用。
[0017] 发明人已经发现，当活塞处于做功冲程与排气冲程之间的BDC时已经打开以对应于至少0.44乘以最大容积VMAX的尺寸的端口面积APORT导致泄放能量中的大部分被传递到涡轮机。也就是说，由泄放产生的排气的初始爆发以不受限制的方式经过排气流动面积APORT并且经由排气管道传递到涡轮入口面积ATIN，以被利用在涡轮机中。
[0018] 根据实施方式，汽缸装置可以具有在活塞在做功冲程与排气冲程之间的下止点BDC与汽缸孔的上部内侧界定表面之间的最大容积VMAX。汽缸装置的瞬时汽缸容积V可以由活塞在其往复运动期间在汽缸孔中的瞬时位置来定义，其中
[0019] APORT(V)表示端口在活塞的做功冲程期间的端口面积，其是汽缸瞬时容积V的函数，其中
[0020] 端口的排气流面积系数δ被定义为
[0021] δ＝APORT(V)/(0.22×VMAX)，APORT以m2表示，并且VMAX以m3表示，
[0022] 其中
[0023] 端口具有打开速度系数β，其被定义为
[0024] β＝(V(δ＝1)-V(δ＝0.1))/VMAX，并且其中
[0025] 端口面积APORT具有打开速度系数β<0.06。
[0026] 以这种方式，端口面积APORT可以以在排气装置中以提供低流动阻力的速度打开。因此，可以促进泄放能量从燃烧室到排气管道的有效传递。
[0027] 换言之，打开速度系数β<0.06意味着在做功冲程期间，汽缸容积增加小于6％，而APORT从0.22×VMAX的10％增加到100％。
[0028] 根据实施方式，汽缸装置可以具有在活塞在做功冲程与排气冲程之间的下止点BDC与汽缸孔的上部内侧界定表面之间的最大容积VMAX。排气管道可具有排气管道容积VEXH，其中VEXH小于等于最大容积VMAX的0.5倍。以这种方式，排气的泄放能量可以被有效地传递通过排气管道，以被利用在涡轮机中。
[0029] 此外，所定义的最大排气管道容积VEXH结合上面所定义和讨论的打开速度系数β可以确保由排气能量产生的排气的初始爆发可用于涡轮机。
[0030] 根据实施方式，四冲程内燃机可以包括构造成用于改变端口的尺寸的可移动汽缸壁部分。可移动汽缸壁部分可以在第一位置与第二位置之间移动，可移动壁部分在该第一位置处形成端口的一部分，可移动壁部分在该第二位置处被从端口移除。以这种方式，可以实现可变的端口尺寸。例如，当要增加内燃机的速度时，可以通过将可移动壁部分定位在第二位置处来增加端口尺寸，以便加速涡轮机的速度以辅助内燃机的速度增加。一旦涡轮机已加速，可移动壁部分可以再次被定位在其第一位置处。
[0031] 根据实施方式，排气装置可以包括处于汽缸孔的上部内侧界定表面处的阀装置，阀装置与延伸到涡轮机下游的排气管线流体连接。以这种方式，在排气冲程期间，恰好在端口被活塞覆盖之前，或者在端口被覆盖之后，汽缸装置中的剩余排气可以通过阀装置排出。由于在排气冲程的大部分期间(即在所谓的扫气期间)，排气不再有助于从涡轮机中的排气中提取功，因此利用涡轮机下游的排气管线绕过涡轮机可以避免能量被浪费在涡轮机中。
[0032] 根据实施方式，涡轮机可以具有标准化的有效流动面积γ，其被定义为[0033] γ＝ATURB/VMAX，其中γ>0.22m-1，其中ATURB＝(ATIN/ATOT)×m’RED×(R/(κ(2/(κ+1X 1/2)))) ，其中X＝(κ+1)/(κ-1)，其中ATOT是涡轮机的总入口面积，并且其中ATURB是在涡轮机的入口侧与出口侧之间的压力比率是2.5-3.5的情况下并且在涡轮的尖端速度是450m/s的情况下在涡轮机的减小的质量流量m’RED下获得的。
[0034] 以这种方式，可以提供一种涡轮机，其中可以利用由来自一个汽缸装置的泄放产生并经由所定义的端口面积APORT和所定义的排气管道容积VEXH传送到涡轮入口面积ATIN的排气的初始爆发。此外，在具有这样定义的标准化的有效流动面积γ的涡轮机中，泄放能量可以在曲轴的小于80度的曲柄角度中从排气中提取。因此，泄放能量可以从连接到涡轮机的每个汽缸装置中独立地提取，因为来自不同汽缸装置的排气在曲轴的不同曲柄角度处达到涡轮机。
[0035] 除了涡轮机中的泄放能量利用率提高之外，上面所讨论类型的四冲程内燃机还具有优异的气体交换性能。也就是说，由于端口的快速打开和端口中的大的可用排气流动面积，以及涡轮机的上面所限定的特性，因此排气受到低背压的影响。内燃机的排气系统中的低背压促进了排气的高效率、低能量排放。在如上面某些实施方式所限定的四冲程内燃机中，实现了这种低能量排放，同时仍然在具有上面所限定的特性的涡轮机中利用大量的泄放能量。换言之，大量的可用泄放能量在涡轮机中被回收，而不会以高的汽缸内压力不利于排气冲程，这将导致高的负活塞泵送功。
[0036] 根据本发明的另一方面，提供了一种包括根据本文所讨论的任何方面和/或实施方式的四冲程内燃机的车辆。
[0038] 根据在以下具体实施方式和附图中所讨论的示例性实施方式，将容易地理解本发明的各个方面，包括其特定特征和优点，其中：
[0039] 图1a和1b示意性地示出了根据实施方式的四冲程内燃机，
[0040] 图1c和1d示出了四冲程内燃机的替代实施方式的局部横截面图，
[0041] 图2示出了四冲程内燃机的排气装置上的质量流量的图表，
[0042] 图3示出了排气装置的排气流动面积的图表，
[0043] 图4示出了涡轮增压器的涡轮机图的示意性实施例，
[0044] 图5示出了四冲程内燃机的示例性实施方式以及包括四冲程内燃机的车辆的实施方式，
[0045] 图6和7示出了两个汽缸装置连接到涡轮机的实施方式。
具体实施方式
[0046] 现在将更全面地描述本发明的各方面。相同的数字始终指代相同的元素。为了简洁和/或清楚起见，众所周知的功能或结构不一定会被详细描述。
[0047] 图1a和1b示意性地示出了根据实施方式的四冲程内燃机2。参见图1a，四冲程内燃机2包括形成燃烧室23的至少一个汽缸装置4、排气管道6、和至少一个涡轮机(21)，该涡轮机在这些实施方式中作为涡轮增压器8的一部分示意性地例示。
[0048] 该至少一个汽缸装置4包括活塞10、连杆22、汽缸孔12、用于使排气从汽缸孔12流出的排气装置14、入口端口装置16、和燃料喷射装置18、和/或点火器件。活塞10在连杆22的第一端处可枢转地连接到连杆22，并且布置成在进气冲程、压缩冲程、做功冲程、和排气冲程中在汽缸孔12中往复运动。
[0049] 排气装置14包括布置在汽缸孔12的下半部分中的端口15。排气管道6从端口15延伸到涡轮入口面积ATIN。活塞10具有不同的活塞冲程长度，做功冲程和排气冲程比进气冲程和压缩冲程更长，以使得端口15在做功冲程和排气冲程的部分期间不被活塞10覆盖，并且在进气冲程和压缩冲程期间被活塞10覆盖。在图1a和1b中，活塞10在其TDC处以虚线显示。在图1a中，活塞10在其进气冲程与压缩冲程之间的BDC处以实线显示，其中端口15被覆盖。
在图1b中，活塞10在其做功冲程与排气冲程之间的BDC处以实线显示，其中端口15不被覆盖。因此，当活塞在活塞孔12中往复运动时，排气装置14的端口15的端口面积APORT被打开和关闭。端口15的高度在做功冲程与排气冲程之间的活塞10的TDC与BDC之间的活塞行程长度的8-16％范围内。在这些实施方式中，仅当活塞10达到BDC时，端口15完全不被活塞10覆盖。
在替代实施方式中，端口可以沿着汽缸孔定位得更高，以使得端口在活塞达到BDC之前完全不被覆盖。利用汽缸孔中的端口排出排气的优点是排气流区域的至少一部分(即端口面积APORT)的快速打开速度。在其中在活塞达到BDC之前端口完全不被覆盖的实施方式中，实现了进一步的优点，即端口面积APORT的打开速度甚至比其中仅当活塞达到BDC时端口才完全不被覆盖的实施方式中的端口面积APORT的打开速度更快。
在图1b中，活塞10在其做功冲程与排气冲程之间的BDC处以实线显示，其中端口15不被覆盖。因此，当活塞在活塞孔12中往复运动时，排气装置14的端口15的端口面积APORT被打开和关闭。端口15的高度在做功冲程与排气冲程之间的活塞10的TDC与BDC之间的活塞行程长度的8-16％范围内。在这些实施方式中，仅当活塞10达到BDC时，端口15完全不被活塞10覆盖。
在替代实施方式中，端口可以沿着汽缸孔定位得更高，以使得端口在活塞达到BDC之前完全不被覆盖。利用汽缸孔中的端口排出排气的优点是排气流区域的至少一部分(即端口面积APORT)的快速打开速度。在其中在活塞达到BDC之前端口完全不被覆盖的实施方式中，实现了进一步的优点，即端口面积APORT的打开速度甚至比其中仅当活塞达到BDC时端口才完全不被覆盖的实施方式中的端口面积APORT的打开速度更快。
[0050] 在图1a和1b中，活塞10已经被示出比实际中更短。即实际上活塞10应当适当地具有一定长度，以使得端口15当其处于其TDC时被活塞10覆盖，以避免排气管道6与四冲程内燃机2的曲轴箱连通。
[0051] 活塞10的不同的活塞行程长度可以通过将连杆22与内燃机2的曲轴20连接的机构27来实现。机构27在图1a和1b中示意性地示出。各种这样的机构是已知的，例如在专利文献US367496中公开的所谓的阿特金森循环发动机中，或如在专利文献US4517931中公开的可变冲程发动机中。
[0052] 在这些实施方式中，端口15仅由固定的部件形成。也就是说，端口15由汽缸孔12中的固定尺寸的一个或多个开口形成。因此，在这些实施方式中，端口面积APORT不可变。
[0053] 在活塞10的往复运动期间，汽缸装置4具有瞬时汽缸容积V。也就是说，汽缸装置的瞬时汽缸容积V由活塞10在汽缸孔12中的瞬时位置定义。因此，端口面积APORT可以表示为瞬时汽缸容积V的函数，即APORT(V)。如将在下面讨论的，在活塞10的做功冲程期间利用APORT(V)用于限定端口15的打开速度。排气装置14还包括在汽缸孔12的上部内侧界定表面24处的阀装置17。阀装置17与延伸到涡轮机21下游的排气管道19流体连接。阀装置17具有在活塞往复运动期间变化的排气流动面积ACYL。更具体地说，排气流动面积ACYL在排气冲程期间恰好在活塞10完全覆盖端口15之前或之后开始打开。
[0054] 根据一些实施方式，阀装置17可以选择性地与涡轮机上游的排气管道6流体连接。以这种方式，在某些操作条件下，阀装置17可以在涡轮机的上游被连接。例如，为了改善加速期间的发动机负载响应。如图1b所示，可以提供双向阀25，用于选择性地将排气管线19连接到排气管道6。双向阀25可以通过四冲程内燃机2的控制系统(未示出)控制。
[0055] 涡轮机21包括涡轮26。涡轮机21包括涡轮入口面积ATIN。涡轮入口面积ATIN被设置在涡轮机21的外壳的开口处，排气在该开口处进入涡轮26。涡轮入口面积ATIN适当地可以是涡轮机的喷嘴喉部区域。喷嘴喉部区域也可以被称为涡轮机外壳喉部区域、涡轮机外壳关键区域或类似部分，并且通常可以针对特定涡轮机进行规定。在没有针对特定涡轮机规定喷嘴喉部和/或未规定喷嘴喉部区域的位置的情况下，涡轮入口面积ATIN垂直于排气的流动方向延伸。在其中排气管道沿涡轮叶轮的一部分延伸(例如以涡形延伸，诸如在双涡旋式涡轮增压器中)的涡轮机的实施方式中，涡轮入口面积ATIN被限定在排气管道的使涡轮首先暴露于从相关汽缸装置发出的排气的区段处。
[0056] 汽缸装置4具有在活塞10的做功冲程与排气冲程之间的BDC与燃烧室23的上部内侧界定表面24之间的最大容积VMAX。燃烧室23在汽缸装置4内部形成在活塞10上方。活塞10连接到内燃机2的曲轴20。更具体地说，活塞10可以经由连杆22和机构27间接地连接到曲轴20。
[0057] 汽缸装置4具有在做功冲程和排气冲程期间在BDC与TDC之间的汽缸孔12中的总扫气体积VS。汽缸装置4具有几何压缩比，ε＝VMAX/VMIN。VMAX可以被表示为：VMAX＝VS×(ε/(ε-1))。
[0058] 排气管道6将端口15与涡轮机21连接。排气管道6具有排气管道容积VEXH。在图1a和1b中，排气管道容积VEXH被示出为盒子。实际上，排气管道6在端口面积APORT与涡轮入口面积ATIN之间延伸。因此，排气管道容积VEXH由排气管道在端口面积APORT与涡轮入口面积ATIN之间的容积形成。排气管道6仅将端口15与涡轮入口面积ATIN流体连接。也就是说，排气管道6形成在端口面积APORT与涡轮入口面积ATIN之间延伸的单独管道。单独管道没有任何其他的用于排气的入口或出口。因此，涡轮入口面积ATIN是用于经由排气管道6与其相连的端口15的涡轮增压器8的专用入口面积。
[0059] 排气管道容积VEXH小于等于最大容积VMAX的0.5倍，即VEXH≤0.5×VMAX。此外，当活塞处于做功冲程与排气冲程之间的下止点BDC时，端口15的端口面积APORT可以具有涡轮机的涡轮入口面积ATIN的至少两倍的尺寸。对于端口15的尺寸的附加的或替代的标准可以是，其被配置为当活塞处于做功冲程与排气冲程之间的下止点BDC时将端口面积APORT暴露为至少0.44×VMAX的尺寸，即APORT≥0.44×VMAX。因此，当活塞10处于做功冲程与排气冲程之间的BDC时，满足标准：APORT/VMAX≥0.44m-1。
[0060] 涡轮增压器8中的涡轮机21的涡轮26连接到用于将进气压缩和输送到进气端口装置16的叶轮(未示出)。
[0061] 根据一些实施方式，涡轮26可以是轴向涡轮。包括轴向涡轮的涡轮机可以提供本文所讨论的低背压。然而，根据替代实施方式，涡轮可以是径向涡轮，其也可以提供本文所讨论的低背压。涡轮机21可以是脉冲涡轮机或反作用式涡轮机。
[0062] 根据一些实施方式，汽缸装置4可以具有汽缸孔12中的在活塞的做功冲程与排气冲程之间的下止点BDC与上止点TDC之间的总扫气体积VS，并且其中0.3卡车、公共汽车或建筑车辆)的内燃机的一部分。同样在VS的较高范围中，汽缸装置4可以形成用于例如发电机机组(发电机组)、用于海洋使用、或用于铁路(火车)使用的内燃机的部分。
[0063] 图1c和1d示出了四冲程内燃机2的替代实施方式的局部横截面图。这些实施方式很大程度上类似于图1a和1b的实施方式，然而，四冲程内燃机2包括构造成用于改变端口15的尺寸的可移动汽缸壁部分31。可移动汽缸壁部分31能够在第一位置与第二位置之间移动，可移动壁部分31在该第一位置处形成端口15的上部，可移动壁部分31在该第二位置处被从端口15移除。因此，在四冲程内燃机2的操作期间，端口15的端口面积APORT可以改变。为了控制端口15的尺寸，可移动汽缸壁部分31可以通过控制器系统(未示出)控制。在图1c中，可移动汽缸壁部分31被示为处于形成汽缸孔12在端口15中的延伸部的其第一位置处，并且在图1d中，可移动汽缸壁部分31被示为处于被从端口15和汽缸孔12移除的其第二位置处。
[0064] 在图1c和1d中，活塞10已经被示出比实际中更短。也就是说，实际上活塞10应当具有这样的长度，使得活塞10当处于其上止点TDC时覆盖端口15，以避免排气管道6与曲轴箱连通(如果是四冲程内燃机2的话)。
[0065] 根据替代实施方式，多于一个汽缸装置可以在涡轮机21的一个位置处连接到涡轮机21。图6示出了其中两个汽缸装置4经由一个涡轮入口面积ATIN连接到涡轮机21的实施方式，即两个汽缸装置4共享同一涡轮入口面积ATIN。因此，来自两个汽缸装置4的端口15的排气导管分支6’，6”连接以形成通向涡轮机21和涡轮入口面积ATIN的公共排气导管6。由于当排气从其中一个汽缸装置4流动到涡轮入口面积ATIN时，两个排气管道分支6’，6”之间存在一定程度的交叉流动，因此上面所讨论的标准：VEXH≤0.5×VMAX对于两个排气导管分支6’，6”和公共排气导管6的共同的排气管道容积VEXH是有效的。图7示出了其中两个汽缸装置4经由两个单独的排气导管6连接到涡轮机21的实施方式，每个排气导管通向一个涡轮入口面积ATIN1，ATIN2。涡轮入口面积ATIN1，ATIN2彼此相邻定位，使得它们可以被认为在涡轮机21的一个位置处连接到涡轮机21。两个涡轮入口面积ATIN1，ATIN2之间的交叉流动可以忽略不计。因此，对于每个排气管道6，上面所讨论的标准：VEXH≤0.5×VMAX是有效的。
[0066] 通常，不认为进出排气管道6的连接的容积形成排气管道容积VEXH的一部分，如果这样的连接具有低于极限值的横截面积的话。根据实施方式，排气管道容积VEXH不包括所有经由在其最窄部分具有小于等于0.022m-1乘以最大容积VMAX的最小连接横截面积ACON的连接而连接到排气管道6的体积。也就是说，横截面积ACON的极限值是当活塞10处于做功冲程与排气冲程之间的下止点BDC时关于端口面积APORT的上面所讨论的标准的5％。利用这样小的横截面积ACON，排气的通过连接的任何交叉流动可以忽略不计。在图7中已经指出了具有连接横截面面积ACON的两个示例连接7。纯粹作为实施例提到，这种连接7可以形成排气再循环(EGR)系统的一部分，或者可以连接到传感器等。
[0067] 图2示出了四冲程内燃机的排气装置上的质量流量的图表。沿着该图表的X轴，在内燃机的汽缸装置的汽缸孔中的活塞的四个冲程，做功冲程30、排气冲程32、进气冲程34、和压缩冲程36在活塞的下止点BDC与上止点TDC之间被指示出。内燃机的曲轴的角度也在X轴上给出。0度曲轴角被设定在排气冲程32与进气冲程34之间的TDC处。通过排气装置的以kg/s为单位的示例性质量流量在Y轴上给出。
[0068] 图表的曲线图显示了排气装置的质量流量。在点38处，排气装置开始打开。在点40处，排气装置再次关闭。因此，在点38与40之间的时间段中，排气流动面积被暴露并且增加到最大值，然后减小并关闭。在点38与40之间的时间段中，排气经由排气装置从汽缸装置排出。点38与40之间的时间段可以大致分为两部分，即泄放42和清理44。在泄放42期间，与排气流动面积下游的压力相比，在汽缸孔中的排气中存在过大的压力。过大的压力导致排气经由排气流动面积从汽缸孔自发地流出。过大的压力可以例如在涡轮机中被利用。依照本发明，在泄放42期间，排气装置的端口不被活塞覆盖。因此，实现了经由端口有效地将排气排出到涡轮机，这有助于涡轮机中的泄放能量的高度利用。在清理44期间，与排气流动面积下游的压力相比，在汽缸孔中的排气中不再存在过大的压力，并且排气当其在汽缸孔中向上行进时通过活塞在排气装置上被排出。具体地说，如上面结合图1a和1b所讨论的，排气可以在清理期间通过阀装置17被排出。
[0069] 排气程序在点38处开始，在点40处结束，并且由附图标记46指示出。此外，在做功冲程30与排气冲程32之间的BDC(-180.0度)处，端口面积APORT已经打开至APORT≥0.44×VMAX的程度。
[0070] 图3示出了排气装置的排气流动面积的图表。每个这样的排气装置形成汽缸装置2
的一部分，该汽缸装置还包括布置成在汽缸孔中往复运动的活塞。沿着Y轴以mm 给出排气装置的示例性排气流动面积。沿着X轴给出相对汽缸容积，即计算瞬时汽缸容积V与最大容积VMAX之间的比率V/VMAX。因此，在比率1处，活塞处于其BDC处，即本发明的实施方式中的在做功冲程与排气冲程之间的BDC。
的一部分，该汽缸装置还包括布置成在汽缸孔中往复运动的活塞。沿着Y轴以mm 给出排气装置的示例性排气流动面积。沿着X轴给出相对汽缸容积，即计算瞬时汽缸容积V与最大容积VMAX之间的比率V/VMAX。因此，在比率1处，活塞处于其BDC处，即本发明的实施方式中的在做功冲程与排气冲程之间的BDC。
[0071] 图表中显示了两个曲线图50，54。第一曲线图50涉及包括标准凸轮轴控制的排气提升阀的排气装置。第一曲线图50显示了提升阀以约0.82的比率打开，并且提升阀的排气流动面积随着活塞朝向BDC行进而逐渐增加，并且随着活塞朝向TDC行进而以0.88的比率达到其最大排气流动面积。第二曲线图54涉及包括布置在汽缸孔的下半部分处的端口的排气装置。第二曲线图54显示了排气装置以约0.88的比率打开，并且端口面积随着活塞朝向做功冲程与排气冲程之间的BDC行进而逐渐增加。
[0072] 如下面将要讨论的，第一曲线图50示出了现有技术的排气装置的特性，而第二曲线图54示出了本文所讨论的实施方式的排气装置的特性。
[0073] 根据实施方式，汽缸装置的瞬时汽缸容积V由活塞在其往复运动期间在汽缸孔中的瞬时位置定义。APORT(V)表示端口在活塞的做功冲程期间的端口面积，其是瞬时汽缸容积V的函数。端口的排气流动面积系数δ被定义为δ＝APORT(V)/(0.22×VMAX)，APORT以m2表示，并且VMAX以m3表示。在图3的图表中，随着比率增加，活塞的做功冲程在向右方向上。做功冲程在比率1处结束。随着比率减小，活塞的排气冲程在图表中的向左方向上。此外，端口具有打开速度系数β，其被定义为β＝(V(δ＝1)-V(δ＝0.1))/VMAX。也就是说，V(δ＝1)代表当δ等于1时的瞬时汽缸容积V，并且V(δ＝0.1)代表当δ等于0.1时的汽缸瞬时容积V。因为δ基于排气流动面积，所以打开速度系数β代表打开汽缸装置的特定排气装置的速度有多快。打开速度系数β越低，特定排气装置将会暴露排气流动面积的速度越快。
[0074] 根据本文所讨论的实施方式，端口面积APORT可以具有打开速度系数β<0.06，以有效地利用涡轮机中的泄放能量。
[0075] 在图3的图表中，用于具有特定VMAX的汽缸装置的排气装置的打开速度系数β由在相关曲线图50，54上延伸穿过代表V(δ＝1)的点56，60和代表V(δ＝0.1)的点64，66的相应线条代表。因此，打开速度系数β1，对于包括由第一曲线图50代表的标准凸轮轴控制的排气提升阀的排气装置而言，β1＝0.09。对于由第二曲线图54代表的排气装置而言，β2＝0.025。因此，由第二曲线图54代表的排气装置满足要求β<0.06。
[0076] 结合本文的实施方式的所提到的排气程序在曲线图54上在端口不被活塞覆盖的情况下开始，然后沿着曲线图54在图表中向右达到BDC，然后沿着曲线图在图表中向左朝向TDC，同时阀装置打开。在图表中仅代表排气程序的开始。低于0.80的比率未在图表中显示。由于端口的相对较大的排气流动面积APORT和端口的快速打开速度，因此比率1处的第二曲线图54延伸到图表的外部。因此，对于由第二曲线图54代表的排气装置而言，与对于由第一曲线图50代表的现有技术排气装置而言相比，在图表中示出排气程序中的较短部分。
[0077] 对于特定的涡轮机而言，涡轮机台架实验结果绘制在涡轮机图中。基于这种涡轮机图，可以为特定的四冲程内燃机选择合适的涡轮机。在一种类型的涡轮机图中，可以针对涡轮机上的经校正的流动和压力比率绘制多个涡轮机速度线。这种涡轮速度线可以表示例如所谓的减少的涡轮机转速RPMRED。经校正的流量可以由例如减少的质量流量m’RED表示。
[0078] m’RED＝m’×(T)1/2/P，
[0079] 其中m’是通过涡轮的实际质量流量，T是涡轮之前的排气温度，并且P是涡轮之前的排气压力。在图4中示出了涡轮增压器的涡轮机图的示意性实施例。标准SAEJ1826和SAEJ922涉及涡轮增压器的测试程序、命名法和术语，并且通过引用并入本文以获得与涡轮增压器相关的涡轮机图和参数的进一步细节。
[0080] 根据实施方式，涡轮机具有被定义为γ＝ATURB/VMAX的标准化有效流动面积γ。因此，涡轮入口面积ATIN可以相对于汽缸装置的最大容积VMAX来定义。也就是说，[0081] ATURB＝(ATIN/ATOT)×m’RED×(R/(κ(2/(κ+1)X)))1/2，
[0082] 其中X＝(κ+1)/(κ-1)。如上面所提到的，ATIN是连接到汽缸装置的排气装置的涡轮入口面积。涡轮机可能具有一个以上的入口面积。因此，ATOT是涡轮机的总入口面积，即ATIN和任何额外的涡轮入口面积ATINX等(ATOT＝ATIN+ATINX+...)。R是特定的气体常数。R的示例值可以是287。κ＝CP/CV，其中CP是排气在恒定压力下的比热容，并且CV是排气在恒定体积下的比热容。在温度为293K时，κ的示例值可以是1.4。
[0083] ATURB是在涡轮机的入口侧与出口侧之间的2.5-3.5压力比率下并且在涡轮的450m/s的尖端速度下在减小的涡轮机质量流量m’RED下获得的。用于特定涡轮机的ATURB可以例如通过从用于与在相关压力比率下的相关叶尖速度相对应的涡轮机速度的相关涡轮机图中提取减小的质量流流量m’RED，并且利用用于涡轮机及其运行条件的相关数据计算ATURB来获得。之后，可以计算γ。根据本文的实施方式，γ>0.22m-1。
[0084] 如上面所讨论的，排气装置构造成当活塞处于做功冲程与排气冲程之间的下止点BDC时将端口面积APORT暴露为至少0.44×VMAX的尺寸。在具有标准化的有效流动面积γ>0.22m-1的涡轮机中，当活塞处于做功冲程与排气冲程之间的下止点BDC时，涡轮入口面积ATIN可以对应于上面所定义的端口面积APORT(APORT≥0.44×VMAX)。换言之，在活塞的做功冲程与排气冲程之间的下止点BDC处的排气流动面积系数是δ≥2。因此，结合所定义的VEXH≤0.5×VMAX，可以实现泄放能量从排气装置到涡轮入口面积ATIN的有效传递。因此，随着排气从汽缸装置传递到涡轮机，可以提供低压降，并且随着排气在涡轮机的涡轮上膨胀，泄放能量可以转化为有用功。而且，上面所讨论的具有打开速度系数β<0.06的排气阀装置的快速打开可能有助于从汽缸装置到涡轮机的低压降。
[0085] 图5示出了四冲程内燃机2的第一示例实施方式以及四冲程内燃机2的第二示例实施方式，以及包括四冲程内燃机2的车辆1的实施方式。
[0086] 利用实线，图5中示出了包括三个汽缸装置4的四冲程内燃机2的第一示例性实施方式。每个汽缸装置4包括具有端口15的排气装置，其中单独的排气管道6仅将每个端口15与涡轮机21的单独的入口面积ATIN流体连接。每个汽缸装置4是如结合图1a和1b所讨论的汽缸装置4。
[0087] 上面所讨论和定义的打开速度系数β以及标准化的有效流动面积γ适用于汽缸装置4中的至少一个。根据实施方式，每个汽缸装置4具有如本文所定义的打开速度系数β<0.06。根据一些实施方式，上面所讨论和定义的打开速度系数β和标准化的有效流动面积γ适用于汽缸装置4中的每一个和与其连接的涡轮机21。
[0088] 根据实施方式，三个汽缸装置4中的每一个可布置成以约240度的曲轴角度分离间隔点火。
[0089] 根据在图5中示出的第二示例性实施方式，四冲程内燃机2包括六个汽缸装置4，4’。这些实施方式包括前述实施方式的三个汽缸装置4以及用虚线表示的三个汽缸装置4’。
同样，每个汽缸装置4，4’包括具有端口15，15’的排气装置，其中单独的排气管道6，6’仅将每个端口15，15’中的一个与涡轮机21，21’的单独的入口面积ATIN流体连接。在这些实施方式中，内燃机包括两个涡轮机21，21’。三个单独的排气管道6连接到第一涡轮机21，并且三个单独的排气管道6’连接到第二涡轮机21’。同样，每个汽缸装置4，4’是如结合图1a和1b所讨论的汽缸装置4，4’。上面所讨论和定义的打开速度系数β和标准化的有效流动面积γ适用于汽缸装置4，4’中的至少一个。根据一些实施方式，上面所讨论和定义的打开速度系数β和标准化的有效流动面积γ适用于汽缸装置4，4’中的每一个和与其连接的涡轮机21，21’。
同样，每个汽缸装置4，4’包括具有端口15，15’的排气装置，其中单独的排气管道6，6’仅将每个端口15，15’中的一个与涡轮机21，21’的单独的入口面积ATIN流体连接。在这些实施方式中，内燃机包括两个涡轮机21，21’。三个单独的排气管道6连接到第一涡轮机21，并且三个单独的排气管道6’连接到第二涡轮机21’。同样，每个汽缸装置4，4’是如结合图1a和1b所讨论的汽缸装置4，4’。上面所讨论和定义的打开速度系数β和标准化的有效流动面积γ适用于汽缸装置4，4’中的至少一个。根据一些实施方式，上面所讨论和定义的打开速度系数β和标准化的有效流动面积γ适用于汽缸装置4，4’中的每一个和与其连接的涡轮机21，21’。
[0090] 根据实施方式，六个汽缸装置4，4’中的三个汽缸装置4，4’可以布置成以约240度的曲轴箱角度分离间隔点火。
[0091] 根据另外的实施方式，四冲程内燃机可以包括不同数量的汽缸装置4，例如两个、四个、五个、或八个汽缸装置4。
[0092] 车辆1在图5中示意性地示出。车辆1包括根据第一示例性实施方式或根据图5中示出的第二示例性实施方式的四冲程内燃机2。
[0093] 本发明不应被解释为限于在此阐述的实施方式。本领域技术人员将认识到，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以组合本文公开的实施方式的不同特征来创建除了在此描述的实施方式之外的实施方式。尽管已经参考示例性实施方式描述了本发明，但是对于本领域技术人员而言，许多不同的变更、修改等将变得显而易见。例如，在结合图1-5所讨论的实施方式中，已经讨论了至少一个呈涡轮增压器形式的涡轮机。替代地，涡轮机可以是连接到内燃机的曲轴的涡轮机，或连接到发电机的涡轮机。因此，应该理解，前述内容是对各种示例性实施方式的说明，并且本发明仅由所附权利要求限定。
[0094] 如本文所使用的，术语“包括”或“包含”是开放式的，并且包括一个或多个陈述的特征、元件、步骤、组件或功能，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、组件、功能或其组合。
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