[发明专利]具有两个涡轮的增压内燃发动机和用于运行所述类型内燃发动机的方法

说明书

相关申请 

本申请要求2011年8月3日提交的欧洲专利申请号11176370.2的优先权，该申请的整个内容为全部目的通过引用集成于此。 

技术领域

本发明涉及具有至少一个汽缸盖和至少两个串联设置的涡轮的增压内燃发动机。本发明还涉及用于运行所述类型的内燃发动机的方法。 

背景技术

在本发明的范围内，术语“内燃发动机”具体包括火花点火发动机，但是也包括柴油发动机并且也包括混合内燃发动机。 

所述类型的内燃发动机具有在装配表面相互连接的汽缸体和至少一个汽缸盖，以形成至少两个汽缸。为了保持活塞或汽缸套，该汽缸体具有相应数目的汽缸孔。活塞在汽缸套内以轴向运动的方式被引导，并且与汽缸套和汽缸盖一起形成该内燃发动机的至少两个汽缸。 

该至少一个汽缸盖常规上用来保持阀驱动装置。为了控制进气交换，内燃发动机需要例如提升阀的控制元件，和用于致动该控制元件的致动装置。在进气交换期间，燃烧过的气体经由排气口排出，并且燃烧室进气，也就是说，新鲜混合物或进气空气经由进气口引进。阀运动所需要阀致动机构包括阀本身叫做阀驱动装置。 

阀驱动装置的目的是在正确的时间打开和关闭汽缸的进气口和排气口，追求最大可能的流动截面的快速打开，以便确保流入和流出气体流的节气损失小，并且确保汽缸用新鲜混合物最好可能的进气，以及排气的有效（也就是说完全）释放。因此汽缸也经常并逐渐地并日益增加地装设有两个或两个以上的进气口和排气口。 

汽缸的排气口通向排气道，在排气道中排气在到达大气之前被引导通过一个或更多个后处理装置。此外，一个或更多个涡轮增压器可以设置在排气道中，以便利用来自排气的能量来驱动用于压缩进气的压缩机。 

增压内燃发动机经常装有多个排气涡轮增压器，以便改进内燃发动机的转矩特性。这种措施后面的理由是，在利用单个涡轮增压器时，当某旋转速度不足时能够观察到明显的转矩下降。 

如果考虑到进气压力比取决于涡轮的压力比，所述转矩下降是可以理解的。如果，例如在柴油发动机中，发动机速度减小，或在火花点火的发动机中，载荷或发动机速度减小，这导致较低的排气质量流量，较低的排气质量流量又产生较低的涡轮机压力比，因此产生较低的进气压力比。这等同于转矩下降。 

进气压力下降通过减小涡轮截面的尺寸能够被基本抵消。如果排气质量流量超过预定的阈值，在所谓的排气排出的过程内，至少一部分排气流经由旁通管路引导绕过涡轮。但是所述方法具有缺点，即在比较高的旋转速度下增压方式不能令人满意。 

因此，提供多个涡轮可以是有利。通过以串联方式连接两个排气涡轮增压器，其中一个排气涡轮增压器用作高压级，一个排气涡轮用作低压级，该压缩机的特性映射图能够有利地扩大，特别是在较小的压缩机流的方向和较大的压缩机流的方向上。 

具体说，在使用用作高压级的排气涡轮增压器的情况下，喘振限制可能沿着较小的压缩机流的方向移动，结果即使用小压缩机流也能够获得高进气压力比，这大大改进较低部分载荷范围中的转矩特性。这是通过设计用于小排气质量流量的高压涡轮并且通过提供引导排气绕过高压涡轮的旁通管路实现的。为此，旁通管路从高压涡轮（下文中也叫做小涡轮）上游的总排气管分支，并且再接入在所述小涡轮下游和低压涡轮（下文中叫做大涡轮）上游的总排气管中，其中优选设置控制元件以便控制引导绕过高压涡轮的排气流。 

两个串联连接的排气涡轮增压器还具有其他优点。能够进一步增加通过增压的助力。还有，相对于具有单级增压的类似内燃发动机，以这种方式增压内燃发动机尤其在部分载荷范围内的响应行为大大改进。其原因是较小尺 寸的排气涡轮增压器的转子能够被更快地加速，并且因此较小的高压级比单级增压所用的较大的排气涡轮机具有较小的惯性。 

在从前面的具有两个排气涡轮增压器的系统已知的方案中，排气流在汽缸盖的外面供给小的高压涡轮，并且接着供给设置在排气系统中更下游的低压涡轮。到所述第二涡轮的总排气管路的长度比较长。而且，可以提供用于涡轮和涡轮外壳以及管路的安装空间。在前面的系统中，不能够设置串联的两个涡轮机并且同时靠近发动机。 

另一个问题是涡轮的高生产成本，在多个涡轮的情况下这是由于增加的材料费用附加引起的。通常用于高热载荷的涡轮外壳的含镍材料比较昂贵，特别是与优选用于汽缸盖的材料（例如铝）相比。不仅材料成本本身比较高，而且加工用于涡轮外壳的所述材料的成本也比较高。 

关于成本，利用不太昂贵的材料，例如铝是有利的。关于涡轮的重量，铝的利用也是有利的。