專利名稱：內(nèi)燃機(jī)的制作方法
內(nèi)燃機(jī) 本發(fā)明涉及一種內(nèi)燃機(jī)，特別是汽油機(jī)，該內(nèi)燃機(jī)具有廢氣渦輪增壓器和機(jī)械增
壓器，其中，依據(jù)權(quán)利要求1的前序部分，廢氣渦輪增壓器的壓縮機(jī)在機(jī)械增壓器上游布置 在用于燃燒用空氣的空氣通道內(nèi)。 例如從US 4 903 488公知通過一個(gè)機(jī)械增壓器(ML)和一個(gè)廢氣渦輪增壓器 (ATL)對(duì)汽油機(jī)的組合增壓，并且提供了顯著地?cái)U(kuò)大其特性曲線族的可能性。此外可以通過 機(jī)械增壓器在低轉(zhuǎn)速區(qū)域的自發(fā)的反應(yīng)特性避免所謂的增壓盲區(qū)，并且因此ATL被設(shè)計(jì)用 于高轉(zhuǎn)速區(qū)域和額定功率區(qū)域。由于具有很寬的可用的扭矩高原，可以使用更長的變速器 傳動(dòng)比，這被稱為低速化，它可以與通過所謂的小型化實(shí)現(xiàn)的負(fù)荷點(diǎn)位移一起實(shí)現(xiàn)相對(duì)于 傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的顯著的燃料消耗節(jié)省。利用這一技術(shù)在連續(xù)邊緣條件下也可以實(shí)現(xiàn)最大平均 有效壓力的升高(從22bar到大約24bar)以及比功率的升高(從90kW/l到大約100kW/ 1)，以便通過進(jìn)一步的小型化實(shí)現(xiàn)更多的油耗節(jié)省潛力。然而為了真正獲得重要的改善，還 需要技術(shù)突破。 然而前述內(nèi)燃機(jī)的以下缺點(diǎn)阻礙了平均有效壓力和比功率的顯著升高以及因此 阻礙了小型化程度。由于封裝原因，在ATL壓縮機(jī)上游和下游需要很長的空氣通道。因?yàn)?機(jī)械增壓器是第一增壓裝置，在進(jìn)氣管壓力升高和扭矩建立上游，包括風(fēng)冷的增壓空氣冷 卻器在內(nèi)的一個(gè)很大的空間必須被充滿。這降低了反應(yīng)特性方面的潛力，從而在進(jìn)一步的 高增壓時(shí)產(chǎn)生了明顯的動(dòng)作延遲。在進(jìn)氣路程很長時(shí)產(chǎn)生的ATL壓縮機(jī)上游的很高的進(jìn)氣 壓力損失在高增壓時(shí)對(duì)ATL的效率有特別不利的影響，這減小了 ATL的可能的工作范圍以 及因此減小了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作范圍。壓縮機(jī)特性曲線族內(nèi)的工作點(diǎn)在下限扭矩區(qū)域非?？拷?壓縮機(jī)喘振邊界，這阻礙了低轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)的進(jìn)一步的顯著的扭矩升高。喘振邊界的限制還 阻礙了對(duì)為了額定功率的進(jìn)一步的明顯提升所必需的更大的壓縮機(jī)的使用。進(jìn)一步的功率 升高需要額外的構(gòu)件保護(hù)措施，例如阻礙更少的燃料消耗并使得小型化的根本優(yōu)點(diǎn)喪失的 混合氣變濃。進(jìn)一步的扭矩升高需要機(jī)械增壓器的更高的壓力比和更長的接通時(shí)間，這同 樣減少了可獲得的油耗降低。要導(dǎo)出的熱量或者冷卻能力過度地增加，這需要很大的冷卻 器有效散熱表面。 從DE 199 28 523 Al公知一種具有ATL和壓氣機(jī)的內(nèi)燃機(jī)，其中，ATL壓縮機(jī)在 氣流方向上被布置機(jī)械增壓器之前。 本發(fā)明的任務(wù)在于，在內(nèi)燃機(jī)上通過高增壓實(shí)現(xiàn)很強(qiáng)的以降低燃料消耗為目的的 小型化。 該任務(wù)依據(jù)本發(fā)明通過具有在權(quán)利要求1中說明的特征的上述種類的內(nèi)燃機(jī)得 以解決。本發(fā)明的有利的結(jié)構(gòu)類型在其他的權(quán)利要求中得以說明。 為此在上述種類的內(nèi)燃機(jī)中依據(jù)本發(fā)明規(guī)定，廢氣渦輪增壓器的壓縮機(jī)被這樣布 置在用于燃燒用空氣的空氣通道內(nèi)，即廢氣渦輪增壓器的壓縮機(jī)直接從空氣濾清器抽吸燃 燒用空氣，其中，在廢氣渦輪增壓器的壓縮機(jī)的下游以及機(jī)械增壓器上游布置有第一增壓 空氣冷卻器，并且在機(jī)械增壓器下游布置有第二增壓空氣冷卻器，其中，第一增壓空氣冷卻 器、第二增壓空氣冷卻器、機(jī)械增壓器以及進(jìn)氣管被布置在唯一的一個(gè)增壓空氣冷卻模塊
3內(nèi)，其中，在內(nèi)燃機(jī)的燃燒室內(nèi)設(shè)置有燃料直噴裝置用于供給燃料。 其優(yōu)點(diǎn)在于，依據(jù)本發(fā)明的所有特征的組合產(chǎn)生了最佳協(xié)同作用，該協(xié)同作用將以下單獨(dú)的優(yōu)點(diǎn)組合利用，由此產(chǎn)生了出人意料的技術(shù)突破ATL壓縮機(jī)從周圍環(huán)境吸入未增壓的空氣，因此壓縮機(jī)體積流量在質(zhì)量流量不變的情況下增加，并且在下限扭矩區(qū)域內(nèi)的危險(xiǎn)的工作點(diǎn)離開喘振邊界。壓縮機(jī)效率增加，這不但改善了 ATL的反應(yīng)特性和加速特性，而且提高了可實(shí)現(xiàn)的下限扭矩。此外由于對(duì)喘振邊界問題的解決可以使用更大的壓縮機(jī)，這是獲得更高的比功率的前提。作為體積流輸送裝置的機(jī)械增壓器由于被ATL預(yù)壓縮的空氣可以供給盡可能高的質(zhì)量流量。以這種方式可以以非常好的反應(yīng)特性實(shí)現(xiàn)非常高的氣缸充氣系數(shù)。對(duì)于同樣的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，機(jī)械增壓器的驅(qū)動(dòng)功率下降，這意味著扭矩的增加或者扭矩不變時(shí)油耗的降低。ATL壓縮機(jī)之前的更小的進(jìn)氣壓力損失由此產(chǎn)生，即ATL壓縮機(jī)直接從空氣濾清器抽吸空氣并因此在ATL壓縮機(jī)之前只有很短的空氣路徑。通過借助于中間冷卻的對(duì)增壓空氣的冷卻將機(jī)械增壓器的熱負(fù)荷降到了最低。要排出的全部熱量相對(duì)于不帶中間冷卻的解決方案得到了減少，從而所需要的冷卻器散熱面積即使在功率升高時(shí)也不會(huì)增加很多。從中間冷卻器進(jìn)入機(jī)械驅(qū)動(dòng)的壓氣機(jī)以及從該壓氣機(jī)進(jìn)入進(jìn)氣管的很短的空氣路徑通過增壓空氣冷卻模塊形式的整體結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，其將第一增壓空氣冷卻器、機(jī)械增壓器、第二增壓空氣冷卻器和進(jìn)氣管集成在一個(gè)模塊中。通過直接噴射可以利用通過燃料蒸發(fā)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部冷卻作用，并因此降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震趨勢。以這種方式在高增壓時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)較高的壓縮比，這是更小的部分負(fù)荷消耗的必需的前提。可以在單位扭矩為大約235Nm/l時(shí)獲得在24-28bar范圍內(nèi)的平均有效壓力，以及在95_125kW/l范圍內(nèi)的和甚至超過130kW/l的比功率。 為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械增壓器和進(jìn)氣通道之間的優(yōu)選小于3升(3000ccm)的體積，第一和/或第二增壓空氣冷卻器被構(gòu)成為水冷的增壓空氣冷卻器。 機(jī)械增壓器和進(jìn)氣管符合目的地被這樣布置和構(gòu)成，即在用于燃燒用空氣的空氣通道內(nèi)機(jī)械增壓器和進(jìn)氣通道之間的體積小于3升。 根據(jù)內(nèi)燃機(jī)的安裝位置或者結(jié)構(gòu)空間關(guān)系，從空氣濾清器抽吸空氣的廢氣渦輪增壓器可以被布置在內(nèi)燃機(jī)的與增壓空氣冷卻模塊相對(duì)的一側(cè)或者相同的一側(cè)。在相對(duì)布置的情況下，廢氣渦輪增壓器優(yōu)選被布置在測地學(xué)上的上方或者較高的靠近氣缸蓋的位置上，由此產(chǎn)生了離開廢氣渦輪增壓器的增壓空氣與進(jìn)入第一增壓空氣冷卻器的入口的很短的連接。 在增壓空氣冷卻模塊和廢氣渦輪增壓器位于同側(cè)的布置中，壓縮器的出口與進(jìn)入第一增壓空氣冷卻器的入口之間的流動(dòng)連接可以被進(jìn)一步縮短。 當(dāng)在本發(fā)明的范圍內(nèi)說到廢氣渦輪增壓器直接從空氣濾清器抽吸燃燒用空氣時(shí)，這意味著，空氣濾清器和廢氣渦輪增壓器的壓縮機(jī)入口之間的流動(dòng)連接被設(shè)計(jì)得盡量短。進(jìn)氣路程的延長意味著流動(dòng)損失和反應(yīng)特性變壞。 可選擇的額外具有的外部廢氣再循環(huán)(AGR)在保持空氣系數(shù)為1的情況下，也就是在內(nèi)燃機(jī)盡可能地以化學(xué)計(jì)量比空燃比工作時(shí)，并且利用受控的三元催化器在部分負(fù)荷時(shí)提供了這樣的可能性，即通過發(fā)動(dòng)機(jī)的減少節(jié)流節(jié)省換氣功并因此降低燃料消耗。在增壓裝置高負(fù)荷時(shí)，廢氣溫度可以通過冷卻的外部AGR由于氣缸內(nèi)的更大的充氣質(zhì)量得到降低，并因此為了保護(hù)構(gòu)件降低了混合氣變濃的要求。
下面本發(fā)明借助于附圖得到進(jìn)一步說明。其中

圖1在透視視圖中示出依據(jù)本發(fā)明的內(nèi)燃機(jī)的優(yōu)選的實(shí)施方式； 圖2示出具有低壓AGR的依據(jù)本發(fā)明的內(nèi)燃機(jī)的一種作為替代的優(yōu)選的實(shí)施方式
的示意圖，以及 圖3示出具有高壓AGR的依據(jù)本發(fā)明的內(nèi)燃機(jī)的一種作為替代的優(yōu)選的實(shí)施方式 的示意圖。 在圖1中示出的依據(jù)本發(fā)明的內(nèi)燃機(jī)的第一優(yōu)選實(shí)施方式包括氣缸體10、廢氣渦 輪增壓器的壓縮機(jī)12、增壓空氣管13、第一增壓空氣冷卻器14、機(jī)械增壓器16、用于機(jī)械增 壓器16的在其中設(shè)有節(jié)氣閥20的旁通管道18以及第二增壓空氣冷卻器22。第一增壓空 氣冷卻器14、機(jī)械增壓器16、旁通管道18、第二增壓空氣冷卻器22以及在圖1中不可見的 進(jìn)氣管被集成在一個(gè)增壓空氣冷卻模塊中，由此在這些部件之間形成了特別短的燃燒用空 氣的空氣通道路程。 帶有外部廢氣再循環(huán)(AGR)的這樣的內(nèi)燃機(jī)的示意圖在圖2中示出。功能相同的 部分被標(biāo)注以與圖1中相同的附圖標(biāo)記，從而為了說明參考了以上圖1中的描述。除了可 以從圖1中清楚看到的構(gòu)件以外，該內(nèi)燃機(jī)在燃燒用空氣通道內(nèi)還包括用于燃燒用空氣26 的入口 24、空氣濾清器28、繞過壓縮機(jī)12的分流閥30、節(jié)氣門32以及進(jìn)氣管34。
該內(nèi)燃機(jī)在廢氣通道內(nèi)包括排氣彎管36、廢氣渦輪增壓器的渦輪38、繞過渦輪38 的廢氣門40、廢氣催化器42、用于廢氣46的出口 44以及帶有AGR冷卻器50和AGR閥52 的低壓AGR管路48，該管路從催化器42下游的廢氣通道處分支，并在壓縮機(jī)12上游匯入到 燃燒用空氣通道內(nèi)。 機(jī)械增壓器16通過磁離合器54與內(nèi)燃機(jī)的曲軸56相連。 在依據(jù)圖3的作為替代的實(shí)施方式中，功能相同的部分被標(biāo)注以與圖1和圖2中 相同的附圖標(biāo)記，從而為了說明參考了以上圖1和圖2中的描述。設(shè)置有高壓AGR管路58， 替代了依據(jù)圖2的實(shí)施方式中的低壓AGR管路。該高壓AGR管路58從排氣彎管36處分支 并匯入進(jìn)氣管34。 依據(jù)本發(fā)明的對(duì)以下特征的組合 (a)在壓縮機(jī)12下游設(shè)置機(jī)械增壓器16 ; (b)通過壓縮機(jī)12直接布置在空氣濾清器28下游，使得壓縮機(jī)12之前的空氣路 徑非常短； (c)在第一增壓空氣冷卻器14上借助于中間冷卻使增壓空氣26再冷卻；
(d)通過將第一增壓空氣冷卻器14、機(jī)械增壓器16、第二增壓空氣冷卻器22以及 進(jìn)氣管34集成到唯一的一個(gè)增壓空氣冷卻模塊中，使得從第一增壓空氣冷卻器14到機(jī)械 增壓器或機(jī)械驅(qū)動(dòng)的壓氣機(jī)16，以及從機(jī)械增壓器16到吸氣管34形成很短的空氣路徑；
(e)直接噴射，以及
(f)可選擇的AGR 令人驚訝地獲得了特性曲線族區(qū)域的擴(kuò)大、更高的小型化程度以及更強(qiáng)的油耗降 低。令人驚訝地獲得了超過30bar的平均有效壓力和超過130kW/l的比功率，而不會(huì)出現(xiàn) 在傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)上出現(xiàn)的上述限制。 在圖1中以箭頭64a至64g表示燃燒用空氣的流動(dòng)路線，其中，節(jié)氣閥20被關(guān)閉，從而燃燒用空氣經(jīng)過機(jī)械增壓器16沿著所有的箭頭64a至64g流動(dòng)。當(dāng)節(jié)氣閥20開啟時(shí)，壓氣機(jī)16(箭頭64e和64f)被繞過。如可以直接清楚地看到的那樣，兩個(gè)增壓空氣冷卻器14和22雖然被直接并排布置，但是不存在從一個(gè)增壓空氣冷卻器到另一個(gè)增壓空氣冷卻器的直接的引導(dǎo)氣流的連接，而是只有一個(gè)或者經(jīng)過旁通管道18、或者經(jīng)過機(jī)械增壓器16的連接。兩個(gè)增壓空氣冷卻器14和22被構(gòu)成為水冷的增壓空氣冷卻器，并且具有共同的水冷卻回路。該水冷卻回路通過被集成在增壓空氣冷卻模塊內(nèi)。 在上述所有實(shí)施方式中可以選擇，利用旁路66繞過第二增壓空氣冷卻器22，其中，在旁路中布置有開關(guān)閥68。對(duì)第二增壓空氣冷卻器22的旁通優(yōu)選在節(jié)氣閥20開啟時(shí)發(fā)生，因此壓氣機(jī)被繞過，并且單獨(dú)的一個(gè)增壓空氣冷卻器，也就是第一增壓空氣冷卻器14，可以負(fù)責(zé)對(duì)增壓空氣的足夠的冷卻。于是有利地消除了第二增壓空氣冷卻器22的流動(dòng)損失和節(jié)流損失。 增壓空氣冷卻器的設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)選如下
2000轉(zhuǎn)/分的爬坡行駛Vmax
車輛速度(km/h)37240
發(fā)動(dòng)機(jī)空氣質(zhì)量流量(kg/h)250630
外界溫度CC )3040
進(jìn)氣溫度rc)4545
第一增壓空氣冷卻器14入口 的增壓空氣溫度rc)120-160145-205
第一增壓空氣冷卻器14出口 的增壓空氣溫度rc)35-65100-140
第二增壓空氣冷卻器22入口 的增壓空氣溫度rc)120-150100-140
第二增壓空氣冷卻器22出口 的增壓空氣溫度rc)25-5535-65 通過布置進(jìn)入第一增壓空氣冷卻器14的空氣導(dǎo)入位置60，在圖1中可以看出在后端面的右方，不再需要用于改善增壓空氣的均勻分配的冷卻器格柵上的特別的措施。由于增壓空氣的空氣導(dǎo)入位置和空氣導(dǎo)出位置60和62的成對(duì)角線相對(duì)的位置，獲得了冷卻器格板上的增壓空氣的均勻分配。第二增壓空氣冷卻器22的冷卻器格板上的增壓空氣的均勻分配由進(jìn)氣通道的位置強(qiáng)制獲得，因?yàn)檫@些進(jìn)氣通道交替地沿著整個(gè)冷卻器格柵寬度接收空氣，并輸入內(nèi)燃機(jī)的單個(gè)氣缸中。
權(quán)利要求
內(nèi)燃機(jī)，特別是汽油機(jī)，具有廢氣渦輪增壓器和機(jī)械增壓器(16)，其中，在燃燒用空氣的空氣通道里在機(jī)械增壓器(16)上游布置有所述廢氣渦輪增壓器的壓縮機(jī)(12)，其特征在于，所述廢氣渦輪增壓器的所述壓縮機(jī)(12)被這樣布置在燃燒用空氣的空氣通道內(nèi)，即所述廢氣渦輪增壓器的所述壓縮機(jī)(12)直接從空氣濾清器(28)抽吸燃燒用空氣，其中，在所述廢氣渦輪增壓器的所述壓縮機(jī)(12)下游并在所述機(jī)械增壓器(16)上游布置有第一增壓空氣冷卻器(14)，并且在所述機(jī)械增壓器(16)下游布置有第二增壓空氣冷卻器(22)，其中，所述第一增壓空氣冷卻器(14)、所述第二增壓空氣冷卻器(22)、所述機(jī)械增壓器(16)以及進(jìn)氣管(34)被布置在唯一的一個(gè)增壓空氣冷卻模塊內(nèi)，其中，在所述內(nèi)燃機(jī)的燃燒室內(nèi)設(shè)置有燃料直噴裝置用于供給燃料。
2. 按權(quán)利要求l所述的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于，第一和/或第二增壓空氣冷卻器(14、22)被構(gòu)成為水冷的增壓空氣冷卻器。
3. 按權(quán)利要求1或2所述的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于，所述機(jī)械增壓器(16)和所述進(jìn)氣管(34)被這樣布置以及這樣構(gòu)成，即在用于燃燒用空氣的空氣通道內(nèi)所述機(jī)械增壓器(16)和進(jìn)氣通道之間的體積小于3升。
4. 按前述權(quán)利要求中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于，設(shè)置有外部的廢氣再循環(huán)(48 ;54)。
5. 按前述權(quán)利要求中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于，所述廢氣渦輪增壓器被構(gòu)成為所述增壓空氣冷卻模塊的一部分。
6. 按前述權(quán)利要求中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于，給所述第二增壓空氣冷卻器(22)配有旁路(66)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種內(nèi)燃機(jī)，特別是汽油機(jī)，該內(nèi)燃機(jī)具有廢氣渦輪增壓器和機(jī)械增壓器(16)，其中，在燃燒用空氣的空氣通道里在機(jī)械增壓器(16)上游布置有廢氣渦輪增壓器的壓縮機(jī)(12)。在這里廢氣渦輪增壓器的壓縮機(jī)(12)被這樣布置在燃燒用空氣的空氣通道內(nèi)，即廢氣渦輪增壓器的壓縮機(jī)(12)直接從空氣濾清器(28)抽吸燃燒用空氣，其中，在廢氣渦輪增壓器的壓縮機(jī)(12)下游以及在機(jī)械增壓器(16)上游布置有第一增壓空氣冷卻器(14)，并且在機(jī)械增壓器(16)下游布置有第二增壓空氣冷卻器(22)，其中，第一增壓空氣冷卻器(14)、第二增壓空氣冷卻器(22)、機(jī)械增壓器(16)以及進(jìn)氣管(34)被布置在唯一的一個(gè)增壓空氣冷卻模塊內(nèi)，其中，在內(nèi)燃機(jī)的燃燒室內(nèi)設(shè)置有燃料直噴裝置用于供給燃料。
文檔編號(hào)F02M25/07GK101743390SQ200880024888
公開日2010年6月16日 申請日期2008年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月17日
發(fā)明者D·哈格爾斯坦, J·庫爾邁耶, K·米切爾斯, M·克洛夫特 申請人:大眾汽車有限公司