[发明专利]具有排气涡轮增压布置的机械增压内燃发动机及操作所述类型内燃发动机的方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年2月1日提交的德国专利申请号102016201464.1的优先权。上述申请全部内容通过参考方式将其全文并入本文中，用于所有目的。

技术领域

本发明提供了涡轮增压内燃发动机的系统和方法。

背景技术

在本发明的上下文中，表述“内燃发动机”包括奥托循环发动机、柴油发动机、且还有利用混合燃烧过程的混合动力内燃发动机、不仅包括内燃发动机还包括电机的混合动力驱动，该电机通过驱动连接到内燃发动机并从内燃发动机接收动力或者，作为可切换辅助驱动，额外地输出动力。

在内燃发动机的研发中，基础目标在于使燃料消耗最小化，其中努力的重点在于获得良好的整体效率。

燃料消耗及由此导致的效率特别地在奥托循环发动机的情况下提出了问题，其中，所需求的负荷或动力通过改变燃烧室的增压而设定，即，通过量调节。然而，通过节气门翻板(throttle flap)进行的量调节由于节流损失而在部分负荷范围中具有热力学缺点。

对奥托循环发动机减少节流的方案的一种方法在于，例如，利用直接喷射的奥托循环发动机操作过程。燃料直接喷射到气缸的燃烧室被认为是显著降低甚至在奥托循环发动机中的燃料消耗的适当措施。内燃发动机的减少节流通过在某些限制中使用的量调节而实现。据此，通过直接喷射，可以实现分层燃烧室燃烧。至少部分可变气门驱动的使用同样提供了减少节流的可能性。气缸停用(即，某个负荷范围中单个气缸的停用)同样用于减少奥托循环发动机的节流。通过部分停用，部分负荷运行中的效率能够改善(即，增加)，因为在恒定发动机动力的情况下，多缸内燃发动机中一个气缸的停用增加了仍然工作的其他气缸上的负荷。部分停用期间，永久操作的气缸此外在燃料消耗率较低的更高负荷的区域中工作。负荷收集向着更高负荷变换。

提高内燃发动机效率和/或降低燃料消耗的进一步措施由内燃发动机的机械增压构成，其中机械增压是主要增加功率的方法，其中，发动机中的燃烧过程所需空气被压缩，而更大质量的空气在每个工作循环中能够提供给每个气缸。以此方式，燃料质量和因此产生的平均压力能够增加。

机械增压是增加内燃发动机动力同时保持不变的容积排量(swept volume)或者降低容积排量同时保持相同功率的适宜手段。在任意情况下，机械增压导致容积功率输出增加以及更为有利的功率重量比。如果容积排量降低，由此能够将负荷收集转换为燃料消耗率较低的更高负荷。通过结合适宜变速器配置的机械增压，也可以实现所谓的降速(downspeed)，由此可以获得更低的燃料消耗率。

机械增压因而有助于不断努力研发内燃发动机以使得燃料消耗最小化，即，提高内燃发动机的效率。

对于机械增压，通常使用排气涡轮增压器，其中压缩机和涡轮机设置在同一轴上。热排气流提供给涡轮机并在所述涡轮机中利用能量的释放而膨胀，结果就是轴被设定为旋转。由排气流提供到涡轮机且最终提供到轴的能量被用于驱动压缩机，其同样是设置在该轴上的。压缩机传送并压缩提供给自身的增压空气，结果获得了气缸的机械增压。增压空气冷却布置可附加地提供在压缩机下游的进气系统中，籍此压缩的增压空气在其进入到气缸之前冷却。

排气涡轮增压器相对于机械增压器的优势在于不存在传递功率的机械连接，或者排气涡轮增压器和内燃发动机之间不需要传递功率的机械连接。同时，机械增压器抽取将其整个从内燃发动机驱动所需的能量，由此降低了输出功率并由此不利地影响发动机效率，排气涡轮增压器利用热排气的排气能量。

机械增压器相对于排气涡轮增压器的优势在于机械增压器一直生成并可以获得所需增压压力，特别地无论内燃发动机操作状态，特别是无论曲轴当前旋转速度。特别地，这应用到能够通过电机驱动的机械增压器。

在排气涡轮增压器的配置中会遇到问题，其中基本上试图在所有发动机转速范围上获得显著的性能增加。在具有排气涡轮增压器的机械增压的内燃发动机情况下，当某个发动机转速下冲(undershoot)时，观察到相对显著的扭矩降。

所述扭矩降是可以理解的，如果我们考虑到增压压力比取决于涡轮机压力比。例如，如果发动机转速降低，这导致更小的排气质量流量，且由此导致更低的涡轮机压力比。结果，增压压力比同样在更小的发动机转速方向上降低，这等于扭矩降。