用于運(yùn)行驅(qū)動(dòng)設(shè)備的方法和驅(qū)動(dòng)設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于運(yùn)行帶有汽油機(jī)(1)和廢氣冷卻部的驅(qū)動(dòng)設(shè)備的方法。在該方法中，利用帶有具有可變的渦輪幾何結(jié)構(gòu)的渦輪(13)的廢氣渦輪增壓器(12)來壓縮通過進(jìn)入閥被輸送給汽油機(jī)(1)的缸體(3)的燃燒空氣。在活塞在缸體(3)中到達(dá)下止點(diǎn)之前，關(guān)閉進(jìn)入閥。被輸送給渦輪的廢氣在排氣管的一部分中、尤其在排氣歧管中被冷卻。
【專利說明】用于運(yùn)行驅(qū)動(dòng)設(shè)備的方法和驅(qū)動(dòng)設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于運(yùn)行帶有根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分的特征的驅(qū)動(dòng)設(shè)備的方法。此外，本發(fā)明涉及一種帶有根據(jù)權(quán)利要求10的前序部分的特征的驅(qū)動(dòng)設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]本申請(qǐng)要求2011.12.24的德國(guó)專利申請(qǐng)DElO 2011 122 442.8的優(yōu)先權(quán)。該文件的公開內(nèi)容以此在整個(gè)范圍中被包含在本申請(qǐng)的公開中。
[0003]在車輛、例如乘用車或載重汽車中，通常應(yīng)用實(shí)施為內(nèi)燃機(jī)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備用于驅(qū)動(dòng)車輛。內(nèi)燃機(jī)通常是汽油機(jī)或柴油機(jī)。為了減少車輛的運(yùn)行成本和排放并且提高車輛的工作效率和舒適性，過去對(duì)于內(nèi)燃機(jī)建議了大量關(guān)于此的改善措施。
[0004]文件DE 101 59 801 Al例如涉及一種內(nèi)燃機(jī)，其帶有由內(nèi)燃機(jī)的廢氣流來驅(qū)動(dòng)的至少一個(gè)增壓器且?guī)в懈鶕?jù)米勒方法可調(diào)節(jié)的凸輪軸。串聯(lián)或并聯(lián)于增壓器布置有另外的壓縮機(jī)級(jí)，其不由內(nèi)燃機(jī)的廢氣流來驅(qū)動(dòng)。在內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速較低時(shí)，通過激活該另外的壓縮機(jī)級(jí)來提高增壓壓力。不由內(nèi)燃機(jī)的廢氣流來驅(qū)動(dòng)的該另外的縮機(jī)級(jí)例如可被電驅(qū)動(dòng)。這樣電驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)級(jí)還被稱為電氣增壓機(jī)。
[0005]米勒方法由文件US 2，670，595已知。也可由在MTZ發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)雜質(zhì)2007年06 期第 480 頁至 485 頁中 E.Schutting 等的文章"Miller- und Atkinson-Zyklus amaufgeladenen Dieselmotor〃得悉米勒方法的介紹。根據(jù)米勒方法,在排氣行程之后打開進(jìn)入閥，以便給缸體輸送空氣。在活塞到達(dá)進(jìn)氣行程的下止點(diǎn)之前關(guān)閉進(jìn)入閥。
[0006]文件EP 2 041 414 BI涉及一種用于運(yùn)行汽油機(jī)的方法，在其中汽油機(jī)的至少一個(gè)進(jìn)入閥非常早地或非常晚地被關(guān)閉并且在其中利用增壓器來壓縮被輸送給汽油機(jī)的燃燒空氣流。至少在全負(fù)荷時(shí)將再循環(huán)的廢氣的部分流作為廢氣再循環(huán)(Abgasrueckfuehrung)輸送給燃燒空氣并且以大于1:10的幾何壓縮比來運(yùn)行汽油機(jī)。
[0007]文件DE 102 33 256 Al涉及一種用于在帶有預(yù)燃室和在預(yù)燃室中的火花點(diǎn)火的帶有燃料直噴的汽油機(jī)中點(diǎn)燃燃料-空氣混合物的方法。預(yù)燃室與較小的活塞凹坑(Kolbenmulde)處于有效連接中。
[0008]汽油機(jī)在其熱力學(xué)效率上由于定量負(fù)荷控制的必要的節(jié)流以及為了避免發(fā)動(dòng)機(jī)爆震的減小的壓縮比而受限制。用于在部分負(fù)荷運(yùn)行中消除節(jié)流且用于可能提高幾何壓縮比的方式是之前所提及的米勒方法和由現(xiàn)有技術(shù)已知的阿特金森方法。在此，通過進(jìn)入閥的較早的或較晚的關(guān)閉來減少空氣消耗和有效壓縮?？諝庀恼f明了充量交換品質(zhì)并且給出了在進(jìn)氣行程期間被輸送給缸體的實(shí)際的空氣量與理論上最大空氣量之間的比例。由此使發(fā)動(dòng)機(jī)消除節(jié)流，以及減小壓縮終溫度和因此爆震傾向。此外可提高幾何壓縮。在現(xiàn)有技術(shù)中已知的米勒/阿特金森方法然而具有明顯的功率損失。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的因此是提高汽油機(jī)的效率，而不減小發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。[0010]該目的通過一種根據(jù)權(quán)利要求1的用于運(yùn)行帶有汽油機(jī)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備的方法或通過一種根據(jù)權(quán)利要求10的帶有汽油機(jī)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。從屬權(quán)利要求定義本發(fā)明的優(yōu)選的且有利的實(shí)施形式和/或改進(jìn)方案。
[0011]根據(jù)本發(fā)明提供一種用于運(yùn)行帶有汽油機(jī)和廢氣冷卻部的驅(qū)動(dòng)設(shè)備的方法。汽油機(jī)在優(yōu)選的實(shí)施形式中是高壓縮的汽油機(jī)。該優(yōu)選的實(shí)施形式也可被稱為高增壓的或高壓縮的汽油機(jī)。優(yōu)選地，以大于1:10而小于1:20的幾何壓縮比來壓縮在汽油機(jī)的缸體中所輸送的燃燒空氣。汽油機(jī)尤其是直噴式汽油機(jī)。換言之，在優(yōu)選的實(shí)施形式中燃料被直接噴入缸體中。
[0012]在根據(jù)本發(fā)明的方法中利用帶有具有可變的渦輪幾何結(jié)構(gòu)的渦輪的廢氣渦輪增壓器來壓縮通過進(jìn)入閥被輸送給汽油機(jī)的缸體的燃燒空氣。輸送給渦輪的廢氣在排氣管(Abgasleitung)的一部分中、尤其在汽油機(jī)的排出閥與廢氣渦輪增壓器的渦輪之間根據(jù)本發(fā)明被冷卻。優(yōu)選地，廢氣在排氣歧管(Abgaskrue_er)中被冷卻。其特別有利地集成在汽油機(jī)的缸蓋中。
[0013]在活塞在缸體中到達(dá)缸體的下止點(diǎn)之前，進(jìn)入閥被關(guān)閉。廢氣渦輪增壓器優(yōu)選地包括渦輪和壓縮機(jī)輪，它們?cè)谳S上相互連接。渦輪由汽油機(jī)的廢氣流來驅(qū)動(dòng)。壓縮機(jī)輪布置在汽油機(jī)的燃燒空氣供給部(Verbrennungsluftzufuhr)中并且以由通過軸相聯(lián)結(jié)的潤(rùn)輪驅(qū)動(dòng)的方式壓縮被輸送給汽油機(jī)的缸體的燃燒空氣。在渦輪入口中的有效的流動(dòng)橫截面設(shè)計(jì)成可變的。對(duì)此，例如可在廢氣渦輪增壓器的渦輪殼體(渦輪布置在其中)中布置可調(diào)節(jié)的導(dǎo)葉。通過調(diào)整導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)可在廢氣流相同的情況下改變渦輪的轉(zhuǎn)速，由此，可改變由壓縮機(jī)輪所產(chǎn)生的壓縮、所謂的增壓壓力。備選地，例如利用滑套(Schiebehuelse)可改變有效的流動(dòng)橫截面。帶有可變的渦輪幾何結(jié)構(gòu)的廢氣渦輪增壓器優(yōu)選地具有徑向渦輪和徑向壓縮機(jī)。在潤(rùn)輪入口中可設(shè)置有導(dǎo)葉仿形(Leitschaufelmimik),其通過電氣調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)。在此，可通過導(dǎo)葉的旋轉(zhuǎn)在渦輪之前來改變有效的流動(dòng)橫截面。
[0014]通過在活塞到達(dá)下止點(diǎn)之前較早關(guān)閉進(jìn)入閥，可提高汽油機(jī)的壓縮比，而不出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)爆震。通過在渦輪入口中的流動(dòng)橫截面的可變性可用的渦輪特性場(chǎng)變得更寬。渦輪的操控尤其根據(jù)所需的增壓壓力實(shí)現(xiàn)。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增加，需要更高的增壓壓力。為了產(chǎn)生該增壓壓力，減小在渦輪處的流動(dòng)橫截面，以產(chǎn)生提高的渦輪功率。在此，與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用相區(qū)分，通過最大允許的排氣背壓來限制最小的渦輪流動(dòng)橫截面。由此，操控還不同于對(duì)于帶有輔助流調(diào)節(jié)(Nebenstromregelung)(廢氣門)的廢氣潤(rùn)輪增壓器的操控，因?yàn)樵诖擞稍硪鸩恍枰@樣的限制。
[0015]使用帶有可變的渦輪幾何結(jié)構(gòu)的廢氣渦輪增壓器因此導(dǎo)致較寬可用的壓縮機(jī)特性場(chǎng)，使得已在汽油機(jī)的中等負(fù)荷下可產(chǎn)生充足的增壓壓力，以平衡可通過進(jìn)入閥的較早的關(guān)閉而產(chǎn)生的充氣損失。因此，尤其在這些運(yùn)行區(qū)域中可實(shí)現(xiàn)熱力學(xué)總效率的顯著提升。通過進(jìn)入閥的較早關(guān)閉，在缸體中在進(jìn)氣行程中實(shí)現(xiàn)燃燒空氣通過膨脹的附加冷卻。這導(dǎo)致減少的壓縮功以及減小的過程溫度，其減小爆震傾向和壁熱損失。
[0016]此外，在根據(jù)本發(fā)明的設(shè)置中可減小廢氣溫度，由此使能夠?qū)U氣渦輪增壓器在熱學(xué)上設(shè)計(jì)到對(duì)于汽油機(jī)較低的例如最大850攝氏度的廢氣溫度上。由此可類似于當(dāng)今的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)用于汽油機(jī)的廢氣渦輪增壓器進(jìn)行材料選擇以及縫隙尺寸設(shè)計(jì)(SpaltmaBauslegung),由此,可減少用于帶有可變的潤(rùn)輪幾何結(jié)構(gòu)的廢氣潤(rùn)輪增壓器的成本。通過減小的縫隙尺寸設(shè)計(jì)，此外可提高渦輪效率。因此，與根據(jù)米勒燃燒方法運(yùn)行的帶有具有固定的渦輪幾何結(jié)構(gòu)的廢氣渦輪增壓器的汽油機(jī)相比，根據(jù)本方法可實(shí)現(xiàn)功率中性的(Ieistungsneutral)效率提升。
[0017]根據(jù)一實(shí)施形式，根據(jù)汽油機(jī)的負(fù)荷來調(diào)節(jié)廢氣渦輪增壓器的可變的渦輪幾何結(jié)構(gòu)。通過進(jìn)入閥的較早關(guān)閉伴隨的充量損失可由通過帶有可變的渦輪幾何結(jié)構(gòu)的廢氣渦輪增壓器的更寬的壓縮機(jī)特性場(chǎng)調(diào)節(jié)可變的廢氣渦輪增壓器在汽油機(jī)的所有負(fù)荷范圍中合適地來平衡。此外，尤其在全負(fù)荷運(yùn)行中可減小過程溫度和廢氣溫度，由此提高汽油機(jī)的效率，并且可在排氣系中和在廢氣渦輪增壓器的渦輪中使用更加成本有利的材料。
[0018]根據(jù)另一實(shí)施形式，附加地利用電驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)、所謂的電氣增壓機(jī)或者e-增壓機(jī)來壓縮被輸送給缸體的燃燒空氣。通過在活塞在缸體中到達(dá)下止點(diǎn)之前之進(jìn)入閥的較早關(guān)閉，減少空氣消耗，這意味著被輸送給缸體的實(shí)際的空氣量與在缸體中理論上最大的空氣量的比例被減小。由于減少的空氣消耗，尤其對(duì)用于提高轉(zhuǎn)速或扭矩的要求的汽油機(jī)響應(yīng)時(shí)間可提高。通過利用電氣驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)來預(yù)壓縮燃燒空氣，借助于電氣驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)可減小汽油機(jī)的響應(yīng)時(shí)間，并且因此使廢氣渦輪增壓器加速。壓縮機(jī)的電氣驅(qū)動(dòng)器例如具有低于IKW的功率消耗并且因此能以通常在車輛中存在的12V網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)。此外，由帶有可變的渦輪幾何結(jié)構(gòu)的廢氣渦輪增壓器和電驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)構(gòu)成的組合使之成為可能，即電驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)僅短暫地為了改善汽油機(jī)的響應(yīng)時(shí)間來運(yùn)行且因此不需要用于提高車輛的電氣網(wǎng)絡(luò)的電氣功率能力的措施。
[0019]通過在實(shí)施形式的組中所設(shè)置的廢氣渦輪增壓器與經(jīng)由曲軸機(jī)械地驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)的組合可實(shí)現(xiàn)相當(dāng)寬的壓縮機(jī)特性場(chǎng)。由此，可在汽油機(jī)的較寬的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷范圍中來平衡由進(jìn)入閥的較早關(guān)閉所引起的充量損失。因此，由可在汽油機(jī)的較寬的負(fù)荷范圍上實(shí)現(xiàn)汽油機(jī)的功率中性的效率提升。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的一改進(jìn)方案,廢氣潤(rùn)輪增壓器的旁通閥(Nebenschlussventil)可根據(jù)汽油機(jī)的負(fù)荷來調(diào)節(jié)。旁通閥導(dǎo)引汽油機(jī)的廢氣的被調(diào)節(jié)的部分經(jīng)過廢氣渦輪增壓器的渦輪。這樣的旁通閥還被稱為廢氣門或旁路閥。借助于旁通閥尤其在汽油機(jī)的轉(zhuǎn)速較高時(shí)也可在全負(fù)荷范圍中來提供較寬的壓縮機(jī)特性場(chǎng)，由此可合適地來調(diào)節(jié)充量損失的平衡。
[0021]根據(jù)另一特別有利的改進(jìn)方案，汽油機(jī)包括廢氣再循環(huán)，其中，通過廢氣再循環(huán)來導(dǎo)引的廢氣被冷卻。廢氣再循環(huán)例如可包括所謂的高壓廢氣再循環(huán)和/或所謂的低壓廢氣再循環(huán)。高壓廢氣再循環(huán)將在汽油機(jī)的排出閥和廢氣渦輪增壓器的渦輪之間的廢氣引導(dǎo)與在壓縮機(jī)和進(jìn)入閥之間的燃燒空氣供給相聯(lián)結(jié)。低壓廢氣再循環(huán)將在廢氣渦輪增壓器的渦輪后面的廢氣引導(dǎo)與在壓縮機(jī)前面的燃燒空氣供給相聯(lián)結(jié)。通過廢氣再循環(huán)的冷卻，可來冷卻被輸送給汽油機(jī)的燃燒空氣并且因此減小過程溫度。廢氣再循環(huán)例如可借助于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑通過使用例如集成的排氣歧管來執(zhí)行。尤其，對(duì)于再循環(huán)的廢氣的廢氣冷卻可以是作用于被輸送給廢氣渦輪增壓器的渦輪的廢氣的廢氣冷卻。
[0022]效率優(yōu)點(diǎn)主要產(chǎn)生于對(duì)此提高的發(fā)動(dòng)機(jī)功率。在此，當(dāng)今的汽油機(jī)的設(shè)計(jì)必須通過在缸體中附加的燃料供給來降低過程溫度，以保護(hù)廢氣引導(dǎo)的構(gòu)件免于太高的熱負(fù)荷。這通常導(dǎo)致燃料的較高的額外消耗。通過使用集成的排氣歧管，該措施可被顯著減少并且因此對(duì)于較高的發(fā)動(dòng)機(jī)功率可使發(fā)動(dòng)機(jī)的效率提高幾個(gè)百分點(diǎn)。與使用傳統(tǒng)的廢氣再循環(huán)系統(tǒng)相比，借助于集成的排氣歧管因此可顯著降低廢氣溫度。
[0023]此外，進(jìn)入閥可在進(jìn)氣行程與壓縮行程之間在下止點(diǎn)之前汽油機(jī)的35°至90°曲軸轉(zhuǎn)角的范圍中被關(guān)閉。進(jìn)入閥尤其可在下止點(diǎn)之前汽油機(jī)的50°至70°曲軸轉(zhuǎn)角的范圍中被關(guān)閉。進(jìn)入閥的關(guān)閉在此涉及一毫米閥行程，也就是說進(jìn)入閥在上述曲軸角度范圍中被關(guān)閉到使得留下的閥行程小于或等于一毫米。通過進(jìn)入閥的較早關(guān)閉，使直到那時(shí)所輸送的燃燒氣體在進(jìn)氣行程的另一過程中膨脹，由此燃燒空氣冷卻。這導(dǎo)致在接下來的壓縮行程中減少的壓縮功以及導(dǎo)致減小的過程溫度，由此可減小汽油機(jī)的爆震傾向和壁熱損失。同時(shí)，對(duì)于做功行程完全的膨脹比可供使用。
[0024]根據(jù)另一實(shí)施形式，汽油機(jī)包括可變的閥控制部。根據(jù)汽油機(jī)的負(fù)荷借助于可變的閥控制部來調(diào)節(jié)進(jìn)入閥關(guān)閉的角度。通過調(diào)節(jié)進(jìn)入閥關(guān)閉的角度，可根據(jù)負(fù)荷來調(diào)節(jié)空氣消耗，使得發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的無節(jié)流的調(diào)節(jié)(其使功率中性的效率提升成為可能)成為可能。
[0025]此外或備選于此，通過冷卻汽油機(jī)的排氣歧管來冷卻在汽油機(jī)的排氣閥與廢氣渦輪增壓器之間的廢氣。通過在廢氣渦輪增壓器前的廢氣的冷卻，可將廢氣渦輪增壓器在熱學(xué)上設(shè)計(jì)到較小的廢氣溫度上，由此使更加成本有利的材料選擇以及減小的縫隙尺寸設(shè)計(jì)成為可能。
[0026]根據(jù)本發(fā)明，此外提供一種帶有汽油機(jī)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備。驅(qū)動(dòng)設(shè)備包括帶有渦輪的廢氣渦輪增壓器和閥控制部，該渦輪具有可變的渦輪幾何結(jié)構(gòu)。廢氣渦輪增壓器設(shè)計(jì)用于壓縮通過進(jìn)入閥輸送給汽油機(jī)的缸體的燃燒空氣。閥控制部設(shè)計(jì)成在活塞在缸體中尤其在進(jìn)氣行程與壓縮行程之間到達(dá)下止點(diǎn)之前關(guān)閉進(jìn)入閥。汽油機(jī)因此尤其適合于執(zhí)行之前所說明的帶有所說明的特征中的一個(gè)或多個(gè)的方法并且因此還包括之前所說明的優(yōu)點(diǎn)。該汽油機(jī)尤其使相對(duì)于傳統(tǒng)汽油機(jī)的效率的提高成為可能，其中，汽油機(jī)的功率不由于效率提高而被減小。
[0027]根據(jù)本發(fā)明，驅(qū)動(dòng)設(shè)備具有與排氣管的一部分相關(guān)聯(lián)的廢氣冷卻器，用于冷卻在排氣管的該部分中被輸送給渦輪的廢氣。在實(shí)施形式的組中，排氣管的該部分是排氣歧管。其優(yōu)選地以有利的方式部分地或(特別優(yōu)選地)完全地集成在汽油機(jī)的缸蓋中。
[0028]對(duì)于集成的排氣歧管，通常單獨(dú)實(shí)施的排氣歧管被完全集成到缸蓋中并且因此在從缸蓋出來之后留有至渦輪的唯一的管連接。為了不使構(gòu)件溫度不允許地高，周圍沖刷冷卻地(kiihlumspiilt)來實(shí)施引導(dǎo)氣體的輪廓。在此，該冷卻劑套(Kiihlmittelmantel)也可由多件式的型芯(Gieskern)來表示。冷卻劑尤其可以是水。
[0029]根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)設(shè)備可具有帶有在1:10至1:20、優(yōu)選地1:12至1:15的范圍中、尤其1:13的幾何壓縮比的汽油機(jī)。這樣大的壓縮比是可能的，因?yàn)榻柚谶M(jìn)入閥的較早關(guān)閉來調(diào)節(jié)〈I的空氣消耗并且由此可防止汽油機(jī)的爆震傾向?？諝庀睦绫徽{(diào)節(jié)到
0.5至0.9的范圍上、優(yōu)選地到0.6至0.8的范圍上。
[0030]根據(jù)本發(fā)明，最后提供一種車輛、尤其無軌的陸上車輛，其具有所說明的帶有汽油機(jī)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備中的一個(gè)。通過汽油機(jī)的改善的效率，可減小車輛的油耗和排放、尤其CO2排放。因?yàn)槿缙渲八f明的那樣效率提升可功率中性地來執(zhí)行，對(duì)于車輛的使用者在車輛的運(yùn)行中不產(chǎn)生任何功率損失。
【專利附圖】

【附圖說明】[0031]接下來參照附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施形式。其中:
圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施形式的帶有汽油機(jī)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備的示意性的圖示，
圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施形式的帶有汽油機(jī)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備的另一示意性的圖示，以及
圖3示意性地顯示了帶有本發(fā)明的實(shí)施形式的根據(jù)本發(fā)明的車輛。
【具體實(shí)施方式】
[0032]在常見的汽油機(jī)中，由于定量負(fù)荷控制的必要的節(jié)流以及為了避免發(fā)動(dòng)機(jī)爆震的減小的壓縮比熱力學(xué)效率而受限制。用于在部分負(fù)荷運(yùn)行中消除節(jié)流且用于可能提高幾何壓縮比的方式是所謂的米勒或阿特金森方法。在此，通過進(jìn)入閥的較早的或較晚的關(guān)閉(較早的進(jìn)氣關(guān)閉，F(xiàn)ES ;較晚的進(jìn)氣關(guān)閉，SES)來減少空氣消耗和有效的壓縮。由此使發(fā)動(dòng)機(jī)消除節(jié)流，以及減小壓縮最終溫度和因此爆震傾向或提高幾何壓縮?？諝庀?其說明在進(jìn)氣行程之后實(shí)際的空氣量與最大理論空氣量的比例)可通過米勒方法被從例如0.95減小到0.5-0.9。由于減小的空氣消耗，然而可出現(xiàn)功率損失。為了避免該功率損失且盡管如此通過米勒方法實(shí)現(xiàn)效率提升，根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施形式提出一種帶有高壓縮的米勒方法和具有可變的渦輪幾何結(jié)構(gòu)的廢氣渦輪增壓器的汽油機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)高壓縮的米勒方法，在活塞在相應(yīng)的缸體中到達(dá)下止點(diǎn)之前，關(guān)閉進(jìn)入閥。進(jìn)入閥例如可在到達(dá)下止點(diǎn)之前90°至35°曲軸角度的角度范圍中被關(guān)閉。優(yōu)選地，進(jìn)入閥可在到達(dá)下止點(diǎn)之前70°至50°曲軸角度的角度范圍中被關(guān)閉。
[0033]圖1顯示了帶有汽油機(jī)I的驅(qū)動(dòng)設(shè)備的一實(shí)施形式。汽油機(jī)I優(yōu)選地是汽油機(jī)。汽油機(jī)I包括帶有四個(gè)示意性表示的缸體3的氣缸體2。在進(jìn)入側(cè)4處通過進(jìn)入閥(其在附圖中未示出)給汽油機(jī)I輸送燃燒空氣。進(jìn)入閥可包括可變的閥機(jī)構(gòu)，使得能夠可變地來調(diào)節(jié)進(jìn)入閥關(guān)閉的曲軸角度。被輸送給進(jìn)入側(cè)4的汽油空氣(Ottoluft)包括新鮮空氣5以及燃燒廢氣6，其通過廢氣再循環(huán)7和8被與新鮮空氣5混合。新鮮空氣5通過帶有可調(diào)節(jié)的低壓廢氣再循環(huán)閥9的低壓廢氣再循環(huán)8被與廢氣6混合。附加地利用冷卻器18來冷卻通過低壓廢氣再循環(huán)7所引導(dǎo)的廢氣。利用電驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)、所謂的e_增壓機(jī)來壓縮該混合物。e-增壓機(jī)包括壓縮機(jī)10，其由電動(dòng)機(jī)11來驅(qū)動(dòng)。通過電動(dòng)機(jī)11的(未示出的)操控，能夠可變地來調(diào)節(jié)由壓縮機(jī)10引起的壓縮。
[0034]由壓縮機(jī)10壓縮的空氣在該實(shí)施形式中被輸送給帶有可變的渦輪幾何結(jié)構(gòu)的廢氣渦輪增壓器12。廢氣渦輪增壓器12包括由汽油機(jī)I的廢氣驅(qū)動(dòng)的渦輪13和壓縮機(jī)14，它們通過共同的軸15相互連接。通過高壓廢氣再循環(huán)7可將汽油機(jī)I的廢氣側(cè)16的另外廢氣輸送給由壓縮機(jī)10和14壓縮的燃燒空氣。為了調(diào)節(jié)通過高壓廢氣再循環(huán)7的廢氣再循環(huán)，高壓廢氣再循環(huán)7包括高壓廢氣再循環(huán)閥17。因此被壓縮的且與廢氣混合的燃燒空氣通過增壓空氣冷卻器19被輸送給進(jìn)入側(cè)4。從廢氣側(cè)16，四個(gè)缸體3的廢氣在排氣歧管20中被收集并且輸送給高壓廢氣再循環(huán)7以及帶有可變的幾何結(jié)構(gòu)的渦輪13。為了冷卻廢氣，排氣歧管20可包括廢氣冷卻器21，其例如利用冷卻水來冷卻。
[0035]廢氣渦輪增壓器12此外包括可選的旁通閥22，通過其可將汽油機(jī)I的廢氣的可調(diào)節(jié)的部分導(dǎo)引經(jīng)過廢氣渦輪增壓器12的渦輪13。在渦輪13下游，汽油機(jī)I包括廢氣凈化系統(tǒng)23、例如三元催化器。汽油機(jī)I此外包括汽油噴入設(shè)備、優(yōu)選地汽油直噴，其將燃料直接噴入缸體3中。
[0036]基于例如帶有汽油直噴的增壓的汽油機(jī)1，在用于發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的無節(jié)流的調(diào)節(jié)的相位、控制寬度和閉缸方面借助于充氣系數(shù)(Liefergrad)來調(diào)節(jié)閥機(jī)構(gòu)可變性。同時(shí)，汽油機(jī)I的氣缸體2具有提高的幾何壓縮比，例如在大約12-14的范圍中。為了降低在較高的部分負(fù)荷和全負(fù)荷運(yùn)行中伴隨于此的提高的爆震傾向，借助于較早進(jìn)氣關(guān)閉(FES)將空氣消耗調(diào)節(jié)到〈1，例如在0.5-0.9或者優(yōu)選0.6-0.8的范圍中。此外，在增壓壓力引導(dǎo)的運(yùn)行狀態(tài)中通過低壓廢氣再循環(huán)8為了提高廢氣的比熱容使被冷卻的且轉(zhuǎn)換的廢氣再循環(huán)。如在圖1中所示，借助于低壓廢氣再循環(huán)8使廢氣在催化器23之后被提取、過濾、冷卻且再循環(huán)到壓縮機(jī)10和14之前。伴隨于此的充量損失通過借助于壓縮機(jī)10和14提高進(jìn)氣管壓力來平衡。原則上，因此代替在缸體中通過壓縮機(jī)10和14來完成工作氣體的壓縮的一部分。借助于相應(yīng)地設(shè)計(jì)尺寸的增壓空氣冷卻器19，在于缸體3中實(shí)現(xiàn)剩余的壓縮之前，實(shí)現(xiàn)被壓縮的工作氣體的中間冷卻(Rueckkuehlung)。由于FES,在缸體3中在進(jìn)氣或排氣行程中通過膨脹實(shí)現(xiàn)工作氣體的附加的冷卻。這導(dǎo)致減少的壓縮功以及降低的過程溫度，其減小爆震傾向和在氣缸體2中的壁熱損失。同時(shí)，幾何壓縮比的完全的膨脹比可供做功行程使用。對(duì)于增壓空氣冷卻和廢氣再循環(huán)冷卻的提高的冷卻功率需求通過減少熱輸入到發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑中在很大程度上來補(bǔ)償。
[0037]為了汽油機(jī)I的增壓，與e-增壓機(jī)10、11相結(jié)合地使用帶有可變渦輪幾何結(jié)構(gòu)的廢氣渦輪增壓器12。與通常的帶有旁通閥22的廢氣渦輪增壓器相比，通過渦輪13的可變的渦輪幾何結(jié)構(gòu)和與此相聯(lián)系的可變的渦輪特性場(chǎng)寬度在中等負(fù)荷下已可充足地產(chǎn)生增壓壓力以平衡之前提及的由方法引起的充量損失。此外，可將廢氣的整個(gè)質(zhì)量流導(dǎo)引通過渦輪，由此更多渦輪功率在全負(fù)荷范圍中可供使用。因此，尤其在循環(huán)相關(guān)的運(yùn)行范圍中引起熱力學(xué)總效率的顯著提升。通過排氣歧管20的有利的、優(yōu)選的冷卻部21和減小的過程溫度，可將廢氣渦輪增壓器12在熱力學(xué)上設(shè)計(jì)到對(duì)于汽油燃燒方法較低的例如最大850°的廢氣溫度上。由此，與通常的帶有用于汽油機(jī)的可變的渦輪幾何結(jié)構(gòu)的廢氣渦輪增壓器設(shè)計(jì)相比，更加成本有利的材料選擇和縫隙尺寸設(shè)計(jì)是可能的。與通常的用于汽油機(jī)的廢氣渦輪增壓器相比，通過材料選擇可減小廢氣渦輪增壓器的成本而通過減小的縫隙尺寸設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)更高的渦輪效率。
[0038]總地來說，之前所說明的工作過程由于通過在較早進(jìn)氣關(guān)閉(FES)、冷卻的廢氣再循環(huán)、提高的幾何壓縮比的情況下冷卻的預(yù)壓縮、內(nèi)部的膨脹而減小的過程溫度和伴隨于此的延長(zhǎng)的膨脹導(dǎo)致在排出閥打開時(shí)降低的廢氣溫度。由之前所說明的工作方法(高壓縮的米勒方法)和帶有可變的渦輪幾何結(jié)構(gòu)的廢氣渦輪增壓器構(gòu)成的組合因此對(duì)于借助于高壓縮的米勒方法的功率中性的效率提升且對(duì)于充分小的廢氣溫度是決定性的，其使對(duì)于帶有可變的渦輪幾何結(jié)構(gòu)的廢氣渦輪增壓器的使用在經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上合理的花費(fèi)成為可倉(cāng)泛。
[0039]圖2顯示了汽油機(jī)I的另一實(shí)施形式，其例如適合于較高的升功率。在圖2中的帶有汽油機(jī)I的驅(qū)動(dòng)設(shè)備可代替帶有可變的渦輪幾何結(jié)構(gòu)的廢氣渦輪增壓器12具有帶有固定的渦輪幾何結(jié)構(gòu)的廢氣渦輪增壓器212。也就是說，廢氣渦輪增壓器212包括帶有固定的渦輪幾何結(jié)構(gòu)的渦輪213。附加地，廢氣渦輪增壓器212包括旁通閥222，其也被稱為旁路閥或廢氣門。備選于此地，驅(qū)動(dòng)設(shè)備可具有帶有可變的渦輪幾何結(jié)構(gòu)的廢氣渦輪增壓器212，其通過軸215與壓縮機(jī)214相聯(lián)結(jié)。與圖1中所示的實(shí)施形式不同，圖2的汽油機(jī)I代替e-增壓機(jī)10、11包括機(jī)械驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)210，其通過驅(qū)動(dòng)器211與汽油機(jī)I的曲軸相聯(lián)結(jié)并且通過曲軸來驅(qū)動(dòng)。這樣的由機(jī)械驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)210和廢氣渦輪增壓器212構(gòu)成的設(shè)計(jì)也還被稱為雙增壓設(shè)計(jì)(Twin-Charger-Konzept)。圖2的汽油機(jī)I的其余部件相應(yīng)于圖1的汽油機(jī)I的部件。在相應(yīng)的活塞到達(dá)下止點(diǎn)之前，汽油機(jī)I的進(jìn)入閥被關(guān)閉。圖2的汽油機(jī)I因此也根據(jù)米勒方法工作。
[0040]與通常的汽油機(jī)相比在空氣消耗減少的情況下之前結(jié)合圖1所說明的廢氣溫度的降低導(dǎo)致減小的廢氣洽(Abgasenthalpie),其對(duì)于瞬態(tài)的運(yùn)行狀態(tài)、例如自發(fā)的負(fù)荷要求可供廢氣渦輪增壓器使用。在當(dāng)今通常的汽油機(jī)設(shè)計(jì)中，通過點(diǎn)火角和因此燃燒的延后調(diào)節(jié)而實(shí)現(xiàn)廢氣焓提高，這導(dǎo)致在瞬態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中的效率損失。為了改善由于減小的空氣消耗而產(chǎn)生的汽油機(jī)的響應(yīng)時(shí)間的提高，將預(yù)壓縮機(jī)、例如在圖1中所示的e-增壓機(jī)10、11或在圖2中所示的機(jī)械驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)210集成到增壓系統(tǒng)中。將預(yù)壓縮機(jī)定位在抽吸路段中的空氣濾清器之后在主壓縮機(jī)14或214之前。通過產(chǎn)生小于1.5hPa的壓縮比，使廢氣渦輪增壓器12或212加速并且由此實(shí)現(xiàn)期望的響應(yīng)時(shí)間。在較小的發(fā)動(dòng)機(jī)中，e-增壓機(jī)10、11在小于1000瓦的范圍中的驅(qū)動(dòng)功率就足夠，這意味著電機(jī)11可至少短時(shí)地以存在的12V車載網(wǎng)絡(luò)的電能來運(yùn)行。在較大的發(fā)動(dòng)機(jī)中，12V車載網(wǎng)絡(luò)的電功率常常不夠。在這些情況中，機(jī)械驅(qū)動(dòng)的預(yù)壓縮機(jī)210是有利的，其由汽油機(jī)I的曲軸來機(jī)械地驅(qū)動(dòng)。
[0041]圖3最后顯示了根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施形式的車輛300，其包括之前所說明的帶有汽油機(jī)I的驅(qū)動(dòng)設(shè)備。
【權(quán)利要求】
1.一種用于運(yùn)行帶有汽油機(jī)(I)和廢氣冷卻部的驅(qū)動(dòng)設(shè)備的方法，其包括: -利用帶有渦輪(13)的廢氣渦輪增壓器(12)來壓縮通過進(jìn)入閥被輸送給所述汽油機(jī)(I)的缸體(3)的燃燒空氣，所述渦輪(13)具有可變的渦輪幾何結(jié)構(gòu)，以及 -在活塞在所述缸體(3)中到達(dá)下止點(diǎn)之前，關(guān)閉所述進(jìn)入閥， 其特征在于被輸送給所述渦輪(13)的廢氣在排氣管的一部分中的冷卻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述廢氣在排氣歧管(20)中被冷卻。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，為了冷卻所述廢氣使用排氣歧管(20)，其集成在所述汽油機(jī)(I)的缸蓋中。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，根據(jù)所述汽油機(jī)(I)的負(fù)荷調(diào)節(jié)所述廢氣渦輪增壓器(12)的可變的渦輪幾何結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，附加地利用電驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)(10)來壓縮被輸送給所述缸體的所述燃燒空氣(5)。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在所述下止點(diǎn)之前所述汽油機(jī)(I)的35°至90°曲軸轉(zhuǎn)角的范圍中關(guān)閉所述進(jìn)入閥。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述汽油機(jī)(I)包括可變的閥控制部，其中，根據(jù)所述汽油機(jī)(I)的負(fù)荷來調(diào)節(jié)所述進(jìn)入閥關(guān)閉的角度。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，燃料被直接噴入所述缸體(3)中。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在所述汽油機(jī)(I)的缸體(3)中所輸送的燃燒空氣以大于1:10而小于1:20的幾何壓縮比被壓縮。
10.一種尤其用于執(zhí)行根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，其包括: -汽油機(jī)， -用于壓縮通過進(jìn)入閥被輸送給所述汽油機(jī)(I)的缸體(3)的燃燒空氣的帶有渦輪(13)的廢氣渦輪增壓器(12)，所述渦輪(13)具有可變的渦輪幾何結(jié)構(gòu)，以及 -閥控制部，其設(shè)計(jì)成在活塞在所述缸體(3)中到達(dá)下止點(diǎn)之前關(guān)閉所述進(jìn)入閥， 其特征在于， -廢氣冷卻部(21)，其與排氣管的一部分相關(guān)聯(lián)以冷卻在所述排氣管的該部分中被輸送給所述渦輪的廢氣。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，其特征在于，所述排氣管的該部分是排氣歧管(20)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，其特征在于，所述排氣歧管(20)集成在所述汽油機(jī)的缸蓋中。
13.根據(jù)上述權(quán)利要求10至12中任一項(xiàng)所述的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，其特征在于，所述汽油機(jī)(I)具有大于1:10而小于1:20的幾何壓縮比。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，其特征在于，所述汽油機(jī)(I)具有大于1:12而小于1:15的幾何壓縮比。
15.一種車輛，其帶有根據(jù)權(quán)利要求9至14中任一項(xiàng)所述的驅(qū)動(dòng)設(shè)備。
【文檔編號(hào)】F01N3/02GK103998730SQ201280064178
【公開日】2014年8月20日 申請(qǐng)日期:2012年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月24日
【發(fā)明者】H.霍夫邁爾, P.格內(nèi)格爾, N.林登坎普, J.特奧巴爾德 申請(qǐng)人:大眾汽車有限公司