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CN109209625B - 增压内燃机 - Google Patents

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CN109209625B
CN109209625B CN201810688279.5A CN201810688279A CN109209625B CN 109209625 B CN109209625 B CN 109209625B CN 201810688279 A CN201810688279 A CN 201810688279A CN 109209625 B CN109209625 B CN 109209625B
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gas turbocharger
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MAN Truck and Bus SE
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Abstract

本发明涉及一种内燃机(100)。内燃机(100)包括气门控制装置(102)，气门控制装置用于在米勒关闭时间或阿特金森关闭时间关闭所述内燃机(100)的进气门(104)。内燃机(100)的电气化废气涡轮增压器(106)包括能够选择性地作为电动机或发电机运行的电机(112)。控制单元(114)在所述内燃机(100)的第一负荷范围中使电气化废气涡轮增压器(106)的电机(112)作为电动机运行，且在第二负荷范围中使电气化废气涡轮增压器(106)的电机(112)作为发电机运行，其中与所述第一负荷范围相比，第二负荷范围对应于内燃机(100)的更大负荷。

Description

增压内燃机
技术领域
本发明涉及一种例如用于驱动车辆的内燃机。特别地，本发明描述了具有米勒(Miller)关闭时间或阿特金森(Atkinson)关闭时间的内燃机。
背景技术
在罗沙(A.E.Beau de Rochas)和奥托(N.A.Otto)的四行程原理的基础发明之后的仅仅几年就使用了进气门的明显偏离下止点(Totpunkt，UT)的关闭时间，使得由于与压缩相比更长的膨胀行程，燃烧气体进一步膨胀、更好地冷却，并且由此更好地利用气体中包含的能量。特别地，长时间以来已知的是，由于根据米勒或阿特金森的进气门的较早关闭(在UT之前)或较晚关闭(例如在UT之后的超过40°)，与常规控制时间相比，能够获得具有更低的峰值压力(即，气缸压力在点火上止点之后的循环中的最大值)的高单位负荷(即，与燃料消耗率相关地输出的机械功率)。在增压系统具有良好效率的情况下，也能够降低燃料消耗(即，单位负荷的倒数)。同时，较低的过程温度会产生更少的氮氧化物。
尤其能够在高功率范围中获得这些优点。在中低功率的范围中，由较低的容积效率导致的缺点占据主导，这尚不能通过有效的增压进行补偿。因此，米勒或阿特金森控制时间通常与可变气门机构组合地应用，可变气门机构允许在功率范围之间切换或改变控制时间。文献WO 2001/21939A2描述了一种用于运行内燃机的气门的液压机构，该液压机构能够在部分负荷的情况下进行米勒循环或者在满负荷的情况下关闭米勒循环。文献DE102007022145A1描述了一种内燃机的可切换气门机构，该机构在凸轮轴上具有可轴向地移动的凸轮。
然而，这种可切换气门机构导致复杂的控制机构，从而增加了内燃机的制造成本，增大了安装空间，并且/或者降低了内燃机的可靠性。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种内燃机，该内燃机即使在没有利用可切换气门机构的情况下也能实现在UT之外关闭的进气门的优点。
通过本发明的内燃机和相应的机动车辆来实现该目的。在如下描述中，将部分地参照附图更加详细地说明本发明的有利实施例和应用。
根据本发明的一个方面提供了一种内燃机。内燃机包括气门控制装置，气门控制装置用于在米勒关闭时间或阿特金森关闭时间关闭内燃机的进气门。另外，内燃机包括具有电机的电气化废气涡轮增压器，电机能够选择性地作为电动机或发电机运行。另外，内燃机包括控制单元，控制单元用于在内燃机的第一负荷范围中(例如，暂时地)使电气化废气涡轮增压器的电机作为电动机运行，并且在第二负荷范围中(例如，时常地)使电气化废气涡轮增压器的电机作为发电机运行，相比于第一负荷范围，第二负荷范围对应于内燃机的更大负荷。
在第二负荷范围中可以时常地作为发电机运行。在第二负荷范围中也可以临时地作为电动机运行。
在这种情况下，可以通过内燃机的(例如，内燃机的曲轴上的)机械功率和/或转矩来确定负荷。特别地，也可以将第一和第二负荷范围分别表述为第一和第二功率范围。在这种情况下，可以将“负荷”和“转矩”理解为类似的或者可互换的概念。另外，因为“功率”与转速和转矩的乘积成比例，所以“功率”的概念也可以清楚地与“转矩”相关联，例如，使用常规的或平均的转速来在本质上在电动机的运行状态之间进行区分。在不存在也可能作用于曲轴的电机的贡献的情况下，负荷可以与内燃机相关。
内燃机可以是燃烧式发动机，特别是往复活塞式发动机。内燃机可以是四行程发动机，特别是奥托发动机(Ottomotor)或者狄塞尔发动机(Dieselmotor)。
内燃机可以实施成不具有废气再循环装置(Abgasrückführung，AGR)。例如，由于内燃机的气门控制装置的关闭时间而避免使用AGR。
另外，控制单元可以用于使电气化废气涡轮增压器的电机在第一和/或第二负荷范围中机械地解耦，并且/或者使电机在断电的状态下(即，以无电气功能的方式，既不作为发电机也不作为电动机)运行。在内燃机的第一负荷范围中，控制单元可以使电气化废气涡轮增压器的电机时常地和/或主要地作为电动机运行。替代地或者附加地，在内燃机的第二负荷范围中，控制单元可以使电气化废气涡轮增压器器的电机时常地和/或主要地作为发电机运行。
控制单元可用于在第一负荷范围中不使电气化废气涡轮增压器的电机作为发电机运行。控制单元可用于仅在第一负荷范围中使电气化废气涡轮增压器的电机作为电动机运行。另外，替代地或者组合地，控制单元可用于仅在第二负荷范围中使电气化废气涡轮增压器的电机作为发电机运行。
另外，控制单元可用于在第一负荷范围中以既不作为电动机也不作为发电机的方式来利用电气化废气涡轮增压器的电机。例如，为了避免涡轮机迟滞(即，在内燃机应当输出高转矩但由于没有足够的燃烧空气而不能输出高转矩的情况下)，控制单元能够在第二负荷范围中临时地使电气化废气涡轮增压器作为电动机运行。
废气涡轮增压器可以包括用于产生内燃机的增压压力的压缩机和用于驱动压缩机的涡轮机。内燃机的进气门能够经由增压空气冷却器与废气涡轮增压器的压缩机流体性地连通。为此，涡轮机和/或压缩机可用于产生增压压力，增压压力用于在内燃机的第一负荷范围中补偿由于关闭时间而相对于排量(Hubraum)减小的增压容积。
在这种情况下，例如，在废气涡轮增压器电机作为电动机运行时，补偿可以包括过度补偿。例如，在相同温度的情况下，第一负荷范围中废气涡轮增压器的增压压力和由于关闭时间而减小的增压容积所对应的空气质量可以等于或大于环境压力(例如，常压)和发动机的排量所对应的空气质量。
例如，废气涡轮增压器的尺寸可设定为使得第一负荷范围中的增压压力补偿由关闭时间导致的容积效率的降低。可以设置涡轮机的涡轮机横截面的尺寸，并且/或者可以设置涡轮机的涡轮机几何结构的形状，使得废气涡轮增压器在第一负荷范围中通过增压压力补偿由于关闭时间而减少的增压容积。为此，废气涡轮增压器能够(例如，根据涡轮机几何结构和/或涡轮机横截面)在第一负荷范围中以通过废气流(例如，内燃机的废气流的废气压力)驱动的方式借助增压压力来补偿由于关闭时间而减小的增压容积。为此，废气涡轮增压器能够在第一负荷范围内的高负荷的情况下或者在从第一到第二负荷范围的过渡区域的情况下仅通过废气流且/或在不通过废气涡轮增压器的作为电动机运行的电机借助增压压力来补偿由于切换时间而减小的增压容积。
在第一负荷范围和第二负荷范围中，涡轮机(特别是，涡轮机横截面和/或涡轮机几何结构)可以是相同的。涡轮机(特别是，涡轮机横截面和/或涡轮机几何结构)可以是不变的。
为此，控制单元可用于在第二负荷范围中借助作为发电机运行的电机来转换涡轮机的超出压缩机所需的用于补偿的功率的机械功率。在第二负荷范围中作为发电机运行的电机可以转换压缩机不需要的功率的至少一部分。所需的涡轮机功率可以是在内燃机的稳定运行中需要的功率，以产生增压压力，由此能够实现在各个运行点需要的燃烧空气比率。涡轮机的超出所需的涡轮机功率的功率输出可以作为剩余功率供应到作为发电机运行的电机。
废气涡轮增压器的电机能够刚性地耦接至废气涡轮增压器的涡轮机和/或压缩机。例如，为此，控制单元还可用于使废气涡轮增压器的电机在第一负荷范围中从(涡轮机和压缩机的)公共轴解耦，以减少功率电子器件(Leistungselektronik)的部件的损失。
气门控制装置的关闭时间可以是不变的。例如，内燃机可以不包括可变气门控制装置。在第一和第二负荷范围中，关闭时间和/或气门控制装置可以是相同的。可以相对于内燃机的循环(例如，相对于凸轮轴的旋转位置和/或顺时针热动力循环中的状态)来确定关闭时间。
气门控制装置可以包括由内燃机的曲轴驱动的凸轮轴，凸轮轴用于确定关闭时间。凸轮轴可以针对内燃机的整个负荷范围统一地确定关闭时间。能够避免凸轮轴调节。
另外，内燃机可以包括可再充电能存储器，可再充电能存储器连接至或者能够连接至电气化废气涡轮增压器的电机，以存储在发电机运行中输出的电能。电气化废气涡轮增压器的电机和可再充电能存储器能够经由直流电网络(例如，48伏网络)连接。
另外，内燃机可以包括第二电机，第一电机用作电动机，以转换由电气化废气涡轮增压器在第二功率范围中输出的电能。第二电机可以刚性地连接到内燃机的曲轴。例如，第二电机可以通过曲轴起动发电机来实现。内燃机可以是混合动力驱动器或者混合动力驱动器的组成部分。
另外，控制单元可用于将第二电机连接到电气化废气涡轮增压器的作为发电机运行的电机，以通过电机进行功率供应。第二电机可以直接被电气化废气涡轮增压器的作为发电机运行的电机供应电能。替代地或组合地，第二电机可以被电能存储器供应电能。第二电机连接至或者能够连接至电能存储器，以进行功率供应。
另外，第二电机可以选择性地作为发电机运行，以回收动能(例如，机动车辆的动能)。电能存储器连接至或者能够连接至第二电机，以存储由第二电机回收的动能。
在内燃机的废气流中可设置有废气门。废气门可以包括用于旁路电气化废气涡轮增压器的涡轮机的旁路阀。
另外，控制单元可用于在第二负荷范围的对应于第二负荷范围内的较高负荷的一部分中打开废气门。控制单元可以将废气门打开至如下程度：由废气涡轮增压器的电机在作为发电机运行时转换的功率对应于预定的最高功率。
根据另一方面，提供了一种包括根据设备方面的实施例的内燃机的车辆，该车辆例如为陆用车辆和水上交通工具。陆用车辆可以是载人车辆、商用车辆(例如，公共汽车、载重车辆、拖拉机或者农业机械)。
在下文中，将参照附图来描述本发明另外的特点和优点。
附图说明
图1是内燃机的实施例的示意性框图。
图2是根据不同实施例的气门关闭时间的示意图。
图3是根据能够与每个实施例组合的实施方式的内燃机的不同功率范围的示意图。
具体实施方式
图1示出了整体上由参考标记100表示的内燃机的实施例的示意性框图。内燃机100包括气门控制装置102，气门控制装置在UT之外(特别是，在米勒关闭时间或阿特金森关闭时间)至少关闭内燃机100的进气门104。另外，内燃机100包括具有涡轮机108、压缩机110和电机112的电气化废气涡轮增压器106。电气化废气涡轮增压器106的电机112能够选择性地作为电动机或者发电机运行，因此也可以被称为电动机-发电机单元(M/G)。另外，内燃机100包括用于控制电气化废气涡轮增压器106的电机112的运行的控制单元(SG)114。
根据控制单元114，在内燃机100的第一负荷范围中，电机112至少时常地作为电动机运行。例如，在第一负荷范围中，电机112能够以可变的电动机功率运行。如果不需要通过涡轮机108对压缩机110的驱动器进行电动辅助，则电机112能够机械地且/或电气地解耦。在第二负荷范围中，电机112至少时常地作为发电机运行，其中与第一负荷范围相比，第二负荷范围包括内燃机100的更大负荷。
由气门控制装置102(例如，具有固定凸轮118的凸轮轴116)设定的关闭时间在负荷范围中是不变的。也将气门控制装置102和进气门称为进气系统。废气涡轮机108的横截面的尺寸被设置成使得在没有电机112的电气辅助的情况下在第一功率范围(与内燃机100的平均功率相比，第一功率范围为低)中确保内燃机100的充足的空气供应。在第二功率范围(例如更高的功率)中，由于废气涡轮机108的(例如，与内燃机100的废气流相比)窄的横截面，废气压力能够在进入涡轮机108之前急剧地增大。这反作用于电气化废气涡轮增压器106的作为发电机运行的电机112。特别地，废气涡轮机108的多余机械能通过电机112在发电机运行期间转换为电能。
为此，内燃机100可以包括电能存储器(A)124和/或第二电机(M)122。第二电机122在驱动侧连接至内燃机100，例如连接于内燃机100的曲轴120。将废气涡轮机108的多余能量供应至电能存储器124并且/或者经由第二电机122以并行混合运行的方式与内燃机100的机械输出功率一起输出。
在车辆中使用内燃机100时，将废气涡轮机108的多余能量输出至车辆的传动机构。例如，狭义上的内燃机100(即没有第二电机122的贡献的内燃机)是车辆的主驱动器。
在第一功率范围中，电机112总是作为电动机运行。优选地，在第一功率范围中，控制单元114通过控制电机112的电动机运行来实现与现有的废气压力无关的增压。
在第二功率范围中，电机112至少时常地作为发电机运行。在内燃机100的第二功率范围中，对电机112的运行的控制可以在第一子范围和对应于内燃机100的较低功率的第二子范围之间存在差异。在第一子范围中，由发电机转换的电功率随着内燃机100的功率的增大而增大。在第二子范围中，电机112的发电机功率受限于发电机运行期间的最大功率。通过废气门136或者可选地通过打开废气涡轮机108的涡轮机调节几何结构来防止废气压力的进一步增加。
图2示出了根据气门控制装置102的各个变型例202或204的米勒关闭时间或阿特金森关闭时间的示意图200。在水平轴线上绘制了曲轴120的角位置。在垂直轴线上绘制了由凸轮118实现的气门行程。
内燃机100的进气系统在进气行程中具有关闭进气门104的固定的控制时间，即不变的关闭时间。图200还示出了关闭时间的常规的充量优化设计的比较示例203。相对于充量优化比较示例203，产生了作为变型例202中的具有米勒关闭时间的进气行程曲线的较早关闭时间点或者作为变型例204中的具有阿特金森关闭时间的进气行程曲线的较晚关闭时间点的关闭时间。
废气涡轮增压器106包括废气涡轮机108和压缩机110，并且连接至电机112。被压缩的增压空气经由增压空气冷却器126到达进气系统。控制单元114处理来自废气歧管130(其位于涡轮机108之前)中的压力传感器128的信号和/或来自增压空气管134(优选地，其位于增压空气冷却器126之后)中的压力传感器132的信号(以及其他)。对于压力传感器128来说，替代地或附加地，在废气歧管130中(或者在其它位置处)可设置有用于确定燃烧空气比率的传感器，通过控制单元114从传感器获取信号。
如果测量的压力、测量的燃烧空气比率或者从信号获得的值超过(例如，经由内燃机100的运行状态的特性曲线图(Kennfeld))预设的)最大值或额定值，则控制单元114向电机112发出用于发电机运行的信号，电机112作为发电机制动废气涡轮增压器106的转子，直到测量的或获得的值降至最大值以下或者到达额定值。
将以此方式产生的电流供应到电能存储器124或者直接供应到与传动机构连接的电机122。
图3示出了不同负荷范围中的不同运行模式的示意图300。在图300的水平轴线上绘制了例如作为内燃机100的转矩的负荷范围。为了使用于区分负荷范围的参数的数字保持清楚，图3中的曲线可以代表控制单元114在某一转速(例如，常规转速或者平均转速)下的基本特性。此处，出于清楚说明且不限制技术启示的目的，这里不再在负荷、转矩和功率这些术语之间进行区分。对于本领域的技术人员来说，借助(例如，作为转矩和转速的函数的)较高维度的特征曲线图能够直接在各种运行模式之间进行进一步区分。这种特性曲线图的具体值可以因针对不同的转速而发生变化。
在第一负荷范围302中，尚未达到压力和/或燃烧空气比率的特性曲线图额定值，因此不发生由发电机实现的制动。这直到第二负荷范围才发生，其中，在第二负荷范围的较低的子范围304中，电功率(Pel)306随着转矩的增大而增大至预设的最大值。一旦到达最大值，在第二负荷范围的较高子范围304-2中，废气门136(图300示意地示出废气门的开口横截面(DWG)308)或者可调节的涡轮机几何结构打开，以在到达最大转矩之前使产生的电功率306没有增加为超过最大值。
特别地，根据上述实施例，该内燃机的优点对于技术人员来说是明显的。因此，在没有复杂的可变气门控制装置的情况下(特别是，鉴于非常高的特定功率的情况下降低的压力负荷)能够实现米勒关闭时间或阿特金森关闭时间。所描述的技术在没有高成本的凸轮调节系统的情况下实现了这种关闭时间，否则，考虑到部分负荷运行中的更不利的特性以及较低的动态性而需要凸轮调节系统。
借助本技术能够实现的米勒关闭时间或阿特金森关闭时间的另一优点在于氮氧化物排放的减少。这种效果与适度实施的废气再循环装置(Abgasrückführung，AGR)相当，在这种情况下可以省略废气再循环装置。通过省略可变气门机构和AGR部件，导致内燃机的结构复杂性更低。
另外，通过省略AGR，能够提高涡轮机之后的温度或者进入废气后处理(Abgasnachbehandlung，AGN)之前的温度。尤其能够在低平均压力下增强AGN的作用。此处，替代地或者组合地，例如在电气组件和增压组件具有良好效率的情况下，能够在部分运行范围中实现单位燃料消耗的降低。另外，例如，因为AGN的增强作用允许更高的未经处理的氮氧化物排放，所以AGN的增强作用可能导致更高的未经处理的氮氧化物排放。这在喷油开始时间偏移到更早的时间(其通常与高压过程的更佳效率相关)时会出现。因此，这种技术能够解决通常存在的矛盾(更少的未经处理的氮氧化物排放或者更低的燃料消耗)。
尽管已经根据示例性实施例说明了本发明，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，能够做出各种改变并且能够使用等同物作为替代。另外，能够做出很多变型，以使内燃机的特定应用或者特定材料适应于本发明的原理。因此，本发明不限于所公开的实施例，而使包括落入所附权利要求的范围中的所有实施例。
附图标记列表
100 内燃机
102 内燃机的气门控制装置
104 内燃机的进气门
106 内燃机的废气涡轮增压器
108 电气化废气涡轮增压器的涡轮机
110 电气化废气涡轮增压器的压缩机
112 电气化废气涡轮增压器的电机
114 控制单元
116 凸轮轴
118 凸轮
120 内燃机的曲轴
122 曲轴上的电机
124 电能存储器
126 增压空气冷却器
128 废气压力传感器
130 废气歧管
132 增压空气压力传感器
134 增压空气管
136 废气门
200 关闭时间图
202 米勒关闭时间
203 比较示例
204 阿特金森关闭时间
300 运行模式图
302 第一负荷范围
304-1 第二负荷范围的较低子范围
304-2 第二负荷范围的较高子范围
306 废气涡轮增压器的输出功率
308 废气门的开口横截面

Claims (14)

1.一种内燃机(100)，其包括：
气门控制装置(102)，其用于在米勒关闭时间或阿特金森关闭时间关闭所述内燃机(100)的进气门(104)，其中，所述气门控制装置(102)的所述关闭时间是不变的；
电气化废气涡轮增压器(106)，其具有能够选择性地作为电动机或发电机运行的电机(112)；和
控制单元(114)，其用于在所述内燃机(100)的第一负荷范围中使所述电气化废气涡轮增压器(106)的所述电机(112)作为电动机运行，且在第二负荷范围中使所述电气化废气涡轮增压器(106)的所述电机(112)作为发电机运行，与所述第一负荷范围相比，所述第二负荷范围对应于所述内燃机(100)的更大负荷，所述气门控制装置(102)包括由所述内燃机(100)的曲轴(120)驱动的凸轮轴(116)，所述凸轮轴(116)用于确定所述关闭时间，其中，所述凸轮轴针对所述内燃机的整个负荷范围统一地确定所述关闭时间，
其中，所述控制单元(114)用于在所述第一负荷范围中不使所述电气化废气涡轮增压器(106)的所述电机(112)作为发电机运行，并且仅在所述第二负荷范围中使所述电气化废气涡轮增压器(106)的所述电机(112)作为发电机运行。
2.根据权利要求1所述的内燃机，其中，所述废气涡轮增压器(106)包括压缩机(110)和用于驱动所述压缩机(110)的涡轮机(108)，所述压缩机和所述涡轮机用于产生增压压力，所述增压压力在所述内燃机的所述第一负荷范围中补偿由于所述关闭时间而相对于排量减小的增压容积。
3.根据权利要求2所述的内燃机，其中，所述涡轮机(108)的涡轮机横截面的尺寸被设置并且/或者所述涡轮机(108)的涡轮机几何结构的形状被设置，使得所述废气涡轮增压器(106)在所述第一负荷范围中通过所述增压压力来补偿由于所述关闭时间而减小的所述增压容积。
4.根据权利要求2所述的内燃机，其中，所述涡轮机(108)是不变的。
5.根据权利要求4所述的内燃机，其中，所述涡轮机的横截面和/或所述涡轮机的几何结构是不变的。
6.根据权利要求3所述的内燃机，其中，所述控制单元(114)用于在所述第二负荷范围中通过作为发电机运行的所述电机(112)来转换所述涡轮机(108)的超出所述压缩机(110)所需的用于补偿的功率的机械功率。
7.根据权利要求2所述的内燃机，其中，所述废气涡轮增压器(106)的所述电机(112)刚性地耦接到所述废气涡轮增压器(106)的所述涡轮机(108)。
8.根据权利要求1所述的内燃机，其中，所述内燃机(100)还包括电能存储器(124)，所述电能存储器连接至或能够连接至所述电气化废气涡轮增压器(106)的所述电机，以便存储在作为发电机运行期间输出的电能。
9.根据权利要求1所述的内燃机，其中，所述内燃机(100)还包括第二电机(122)，所述第二电机用作电动机，以便在所述第二负荷范围中转换由所述电气化废气涡轮增压器输出的电能。
10.根据权利要求8所述的内燃机，其中，所述内燃机(100)还包括第二电机(122)，所述第二电机用作电动机，以便在所述第二负荷范围中转换由所述电气化废气涡轮增压器输出的电能，并且
其中，所述第二电机(122)连接至或能够连接至所述电能存储器(124)，以进行功率供应。
11.根据权利要求9所述的内燃机，其中，所述控制单元(114)还用于将所述第二电机(122)与所述电气化废气涡轮增压器(106)的作为发电机运行的所述电机(112)连接，以通过所述电机(112)进行功率供应。
12.根据权利要求1所述的内燃机，其中，在所述内燃机(100)的废气流中布置有废气门(136)，并且所述控制单元(114)还用于在所述第二负荷范围的一部分(304-2)中打开所述废气门(136)，所述一部分(304-2)对应于所述第二负荷范围内的高负荷。
13.一种包括根据权利要求1到12中任一项所述的内燃机(100)的机动车辆。
14.根据权利要求13所述的机动车辆，其中，所述机动车辆是商用车辆。
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