專利名稱：用于內(nèi)燃機(jī)的排氣裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及內(nèi)燃機(jī)，尤其涉及用于往復(fù)式或旋轉(zhuǎn)式內(nèi)燃機(jī)的排氣裝置。
背景技術(shù)：
改進(jìn)現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)的效率和燃料經(jīng)濟(jì)性的需求一直存在。其中一個(gè)缺乏效率的領(lǐng)域與內(nèi)燃機(jī)的“換氣(breathing)”有關(guān)。在內(nèi)燃機(jī)的“換氣”期間，活塞工作從而將新鮮空氣或空氣燃料混合氣吸入到汽缸內(nèi)，然后在壓縮沖程和動(dòng)力沖程后將其排出。這種換氣從內(nèi)燃機(jī)的輸出端直接做功(被稱為泵動(dòng)損失)，因此，對(duì)于內(nèi)燃機(jī)的燃料經(jīng)濟(jì)性是不利的(在節(jié)流發(fā)動(dòng)機(jī)上更加顯著)。多方努力正投入到以最小的泵動(dòng)損失來(lái)操作內(nèi)燃機(jī)方面以提高燃料經(jīng)濟(jì)性。為了更有效地操作，現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)可以通過(guò)入口壓縮機(jī)“升壓”，該入口壓縮機(jī)可以由內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)(增壓)或由排氣渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)(渦輪增壓)。這樣，減少了入口泵動(dòng)損失并且也增加了動(dòng)力允許內(nèi)燃機(jī)以較小尺寸制造(減少活塞排量)。然而，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)從發(fā)動(dòng)機(jī)端做功是不理想的。在排氣裝置中使用渦輪機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)渦輪增壓系統(tǒng)中的入口壓縮機(jī)從排氣裝置中吸取了多余的能量并避免從發(fā)動(dòng)機(jī)端做功，從而進(jìn)一步提高了效率。更具體地，在燃燒和主動(dòng)力沖程之后，以及排氣閥打開(kāi)之前，典型地，汽缸壓力高于排氣系統(tǒng)壓力。 這導(dǎo)致了當(dāng)該排氣閥打開(kāi)時(shí)從該汽缸流出的初始?xì)饬?，稱為“放氣(blowdown) ”，該初始?xì)饬髂軌蝌?qū)動(dòng)渦輪機(jī)，盡管隨后活塞必須做功從而對(duì)抗排氣系統(tǒng)壓力將剩余的廢氣排出。然而，隨著所有廢氣流經(jīng)排氣渦輪機(jī)，在排氣沖程期間，渦輪機(jī)上具有增大的壓降。這種作用在活塞上的壓力增加了排氣裝置上的泵動(dòng)損失并因此抵消了一些好處。已經(jīng)有人提出提供一種分離的排氣裝置用以減少與這種渦輪機(jī)裝置相關(guān)聯(lián)的排氣泵動(dòng)損失。這種裝置早在1921年的GB179i^6專利中就已經(jīng)提出，較近的在專利 GB2185286、US6883319 以及由C.E.M6ller、P. Johansson、B. Grandin 和F. Lindstrom 發(fā)表白勺題巨為"Divided Exhaust Period-A Gas Exchange System forTurbocharged SI Engines”(SAE Technical Paper 2005-01-1150，2005)的論文中提出。在這些提議中，在第一“放氣”排氣期間，廢氣被分離開(kāi)并且適當(dāng)?shù)拈y裝置引導(dǎo)廢氣到渦輪機(jī)從而驅(qū)動(dòng)入口壓縮機(jī)，然后在第二排氣期間，廢氣繞過(guò)渦輪機(jī)從而減少?gòu)U氣反壓并允許廢氣更易于從發(fā)動(dòng)機(jī)排出，因此減少了排氣泵動(dòng)損失。盡管相對(duì)常規(guī)的渦輪增壓裝置這被證明是一種改良，但是，由于來(lái)自渦輪機(jī)所用的初始廢氣放氣的能量損失和氣體惰性，相比于非渦輪增壓的排氣，仍舊具有顯著的與旁通流相關(guān)聯(lián)的排氣泵動(dòng)損失，這些損失甚至可能增加。另外，在一定程度上與渦輪增壓相反的提議是將泵或壓縮機(jī)放置在排氣裝置中從而主動(dòng)地抽吸來(lái)自內(nèi)燃機(jī)的廢氣，從而在廢氣排出過(guò)程中減少任何泵動(dòng)損失和通過(guò)活塞所作的功，極端地甚至在該活塞上提供正載荷。這種提議的例子被描述在W097^360以及 US4439983中，其中，在W09728360中，類似于增壓裝置，排氣泵由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)；在US4439983 中，排氣壓縮機(jī)由入口渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，該入口渦輪機(jī)由進(jìn)入到汽缸的新鮮空氣流或空氣燃料混合氣流驅(qū)動(dòng)，某種程度上類似于反向的渦輪增壓裝置。然而，在這兩個(gè)提議中，盡管均減少了排氣泵動(dòng)損失，要么從發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始做功，要么增加入口泵動(dòng)損失。因此，盡管所有的這些裝置均減少了泵動(dòng)損失和/或提高了效率，這些獲益在一定程度上被其他損失所抵消和減少。例如，在以渦輪增壓裝置來(lái)增加內(nèi)燃機(jī)功率并提高內(nèi)燃機(jī)效率的情況下，在排氣壓力和泵動(dòng)損失上卻有所增加。在由入口渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的排氣泵來(lái)替代常規(guī)的節(jié)流閥的情況下，內(nèi)燃機(jī)的反應(yīng)性卻有所損失。在由內(nèi)燃機(jī)所驅(qū)動(dòng)的增壓器或排氣泵中，部分內(nèi)燃機(jī)功率的使用伴隨有相關(guān)聯(lián)的性能和效率損失。因而這些提議不僅表現(xiàn)折中，而且還存在其他問(wèn)題。事實(shí)上，只有渦輪增壓裝置已經(jīng)廣泛地被采用。

發(fā)明內(nèi)容
因此，希望提供一種改進(jìn)的內(nèi)燃機(jī)排氣裝置，甚至內(nèi)燃機(jī)裝置，其旨在解決上述問(wèn)題，和/或大體上提供對(duì)現(xiàn)有裝置的改進(jìn)或替換。更具體地，具有對(duì)于改良的內(nèi)燃機(jī)排氣裝置的需求，該內(nèi)燃機(jī)排氣裝置減少了泵動(dòng)損失，尤其減少了排氣泵動(dòng)損失，并且/或者提高了排氣效率和/或內(nèi)燃機(jī)整體的效率。為此，根據(jù)本發(fā)明，提供一種用于內(nèi)燃機(jī)的排氣裝置以及一種具有這種排氣裝置的內(nèi)燃機(jī)，如所附的權(quán)利要求中所述。根據(jù)本發(fā)明第一個(gè)方面的一種實(shí)施方式中，提供一種用于內(nèi)燃機(jī)的排氣裝置，該排氣裝置包括第一排氣管道、第二排氣管道以及閥裝置，該第一排氣管道和第二排氣管道用于來(lái)自內(nèi)燃機(jī)的廢氣流，該閥裝置選擇性地在第一排氣期間引導(dǎo)廢氣從內(nèi)燃機(jī)到第一排氣管道，且在隨后的第二排氣期間引導(dǎo)廢氣從內(nèi)燃機(jī)到第二排氣管道。進(jìn)一步地，該排氣裝置包括渦輪機(jī)和壓縮機(jī)，該渦輪機(jī)具有連接到第一排氣管道的入口，該壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)連接到該渦輪機(jī)并由該渦輪機(jī)所驅(qū)動(dòng)，該壓縮機(jī)具有連接到第二管道的入口。通過(guò)這種裝置，在第一放氣、排氣期間，渦輪機(jī)從廢氣中吸取能量，通過(guò)渦輪機(jī)/ 壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，用于驅(qū)動(dòng)該壓縮機(jī)從汽缸主動(dòng)地吸取廢氣，并在第二排氣期間減少排氣系統(tǒng)反壓和排氣泵動(dòng)損失。在第二排氣期間也有效地旁通該渦輪機(jī)從而不會(huì)增加排氣反壓和排氣泵動(dòng)損失。實(shí)踐證明，這使得泵動(dòng)損失顯著減少，效率提升以及燃料經(jīng)濟(jì)性增加。尤其應(yīng)當(dāng)注意的是這是基于與常規(guī)應(yīng)用的方法以及先前的提議不同的方法。所有的現(xiàn)有裝置在內(nèi)燃機(jī)一側(cè)具有壓縮機(jī)/泵，在內(nèi)燃機(jī)另一側(cè)具有渦輪機(jī)，或者均由內(nèi)燃機(jī)自身所驅(qū)動(dòng)并伴隨有損失。而本裝置采用不同的、在某種程度上相反的方法，其中壓縮機(jī)和驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的渦輪機(jī)兩者均位于內(nèi)燃機(jī)的相同的排氣側(cè)，并且兩者從廢氣中獲取能量并供應(yīng)能量用以從排氣裝置抽吸廢氣，盡管在不同的排氣工作期間。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，第一期間和第二期間是被定時(shí)的以使得第一期間對(duì)應(yīng)于內(nèi)燃機(jī)的活塞接近最大位移(即，下死點(diǎn))之時(shí)，并且在此處沒(méi)有多少運(yùn)動(dòng)且活塞幾乎不做功，因而對(duì)于排氣泵動(dòng)損失幾乎沒(méi)有貢獻(xiàn)。優(yōu)選地，渦輪機(jī)具有連接到第二排氣管道和/或壓縮機(jī)入口的出口。優(yōu)選地，在第二排氣期間，閥裝置選擇性地引導(dǎo)廢氣從內(nèi)燃機(jī)到第二排氣管道和第一排氣管道兩者。供替換地，閥裝置可以在第一排氣期間將廢氣從內(nèi)燃機(jī)選擇性地僅引導(dǎo)到第一排氣管道，以及在隨后的第二排氣期間僅引導(dǎo)到第二排氣管道。而且，優(yōu)選地，閥裝置包括分離的第一排氣閥和第二排氣閥，并且更優(yōu)選地包括與內(nèi)燃機(jī)的每個(gè)汽缸相關(guān)聯(lián)的分離的第一排氣閥和第二排氣閥。
優(yōu)選地，第一排氣期間與活塞大體上處于靜止時(shí)的期間相應(yīng)。優(yōu)選地，第二排氣期間與在排氣沖程中活塞正處于移動(dòng)時(shí)的期間相應(yīng)。排氣裝置還可以包括連接到至少第二排氣管道的熱交換器或冷卻器，用于冷卻在使用時(shí)流經(jīng)第二排氣管道的廢氣。這樣進(jìn)一步降低了排氣反壓。優(yōu)選地，熱交換器的出口連接到壓縮機(jī)的入口。排氣裝置還可以更進(jìn)一步地包括第二渦輪機(jī)，該第二渦輪機(jī)具有連接到第二排氣管道的入口和連接到壓縮機(jī)入口的出口，該第二渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)連接到用于將進(jìn)氣流壓縮到內(nèi)燃機(jī)中的入口壓縮機(jī)。在本發(fā)明的第二方面的一種實(shí)施方式中，提供了一種具有上述這種排氣裝置的內(nèi)燃機(jī)。內(nèi)燃機(jī)還可以包括用于將進(jìn)氣流壓縮到內(nèi)燃機(jī)的入口壓縮機(jī)。該入口壓縮機(jī)可以驅(qū)動(dòng)連接到渦輪機(jī)并由渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)。供替換地，排氣裝置更優(yōu)選地還包括第二渦輪機(jī)，該第二渦輪機(jī)具有連接到第二排氣管道的入口和連接到壓縮機(jī)入口的出口，并且該第二渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)連接到內(nèi)燃機(jī)的入口壓縮機(jī)。


現(xiàn)在，將參考下面的附圖通過(guò)具體實(shí)施例來(lái)描述本發(fā)明，其中圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式應(yīng)用到三汽缸內(nèi)燃機(jī)的排氣和進(jìn)氣系統(tǒng)；圖2示出了與如圖1所示的排氣系統(tǒng)和內(nèi)燃機(jī)的其中一個(gè)汽缸相關(guān)的排氣閥的開(kāi)啟時(shí)間的曲線圖；以及圖3示意性地示出了與圖1類似但根據(jù)本發(fā)明的一種替代的實(shí)施方式應(yīng)用到三汽缸內(nèi)燃機(jī)的排氣和進(jìn)氣系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式參見(jiàn)圖1，往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)10包括至少一個(gè)往復(fù)活塞(未示出)，該往復(fù)活塞位于相應(yīng)汽缸12內(nèi)并以常規(guī)方式連接用以使曲柄軸(未示出)旋轉(zhuǎn)。活塞在汽缸12內(nèi)的運(yùn)動(dòng)形成了汽缸內(nèi)的排量。進(jìn)氣裝置14向每個(gè)汽缸12供給新鮮空氣、燃料-空氣混合氣或燃料-空氣-廢氣再循環(huán)(EGR，eXhauSt gas recirculation)混合氣，然后通過(guò)汽缸12內(nèi)的活塞的運(yùn)動(dòng)壓縮這些氣體。接著，在汽缸12內(nèi)發(fā)生燃燒然后膨脹氣體驅(qū)動(dòng)活塞和曲柄軸。 于是，燃燒氣體通過(guò)排氣系統(tǒng)16從汽缸12和內(nèi)燃機(jī)10排出。內(nèi)燃機(jī)10可以具有任何數(shù)量的汽缸12和相應(yīng)的活塞，在這個(gè)特定實(shí)施方式中，內(nèi)燃機(jī)10具有三個(gè)汽缸12。進(jìn)氣裝置14可以包括常規(guī)的汽化器或燃油噴射裝置或其他熟知的進(jìn)氣裝置。一般來(lái)說(shuō)，所述的內(nèi)燃機(jī)10迄今為止是常規(guī)的和眾所周知的內(nèi)燃機(jī)，并且本發(fā)明可應(yīng)用于所有類型的內(nèi)燃機(jī)， 包括例如柴油點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)、汽油火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)、煤氣發(fā)動(dòng)機(jī)、均質(zhì)充量壓縮點(diǎn)火(HCCI， Homogeneous Charge Compression Ignition)發(fā)動(dòng)機(jī)，以及二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)或四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。本發(fā)明也可以應(yīng)用到非往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)上，例如旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)。進(jìn)一步地，如圖1中所示，本發(fā)明的該實(shí)施方式中的該排氣系統(tǒng)16包括類似于 GB179926.US 6883319和GB 2185286中所述的分離式排氣裝置。排氣系統(tǒng)16具有第一排氣管道18和第二排氣管道20，在本實(shí)施方式中，第一排氣管道18和第二排氣管道20包括連接到各自的汽缸12上的分離的歧管。在本實(shí)施方式中，閥裝置包括在每個(gè)汽缸12內(nèi)的至少兩個(gè)單獨(dú)的排氣閥22、24， 該閥裝置選擇性地控制來(lái)自每個(gè)汽缸12并流到每個(gè)各自的歧管以及排氣管道18、20中的廢氣流，如下面將進(jìn)一步描述的。這種雙排氣閥的布置與GB179^6和US6883319中描述的布置相類似。此外，汽缸12內(nèi)的這種排氣閥22、24的細(xì)節(jié)，以及它們通常如何開(kāi)啟和工作是眾所周知的。也可以認(rèn)識(shí)到，在其他的實(shí)施方式中，其他的閥裝置可以被使用從而選擇性地控制來(lái)自汽缸12并進(jìn)入到各自的第一排氣管道18和第二排氣管道20中的廢氣流。例如，每個(gè)汽缸12可以包括單個(gè)的排氣閥用以控制來(lái)自汽缸的廢氣流，另外具有單獨(dú)的分配閥用以選擇來(lái)自第一排氣管道18或第二排氣管道20的廢氣流，盡管這種布置比所示出和描述的布置更復(fù)雜且不可取。也可以想到每個(gè)汽缸可以具有更多的排氣閥用于各個(gè)管道 18、20。例如在每個(gè)汽缸內(nèi)可以具有一個(gè)排氣閥，該排氣閥連接到第一管道18并將廢氣輸送到渦輪機(jī)，而且在每個(gè)汽缸內(nèi)可以具有連接到第二管道的兩個(gè)排氣閥用來(lái)在第二排氣階段改進(jìn)排氣。閥的其他布置和數(shù)目也是可行的。第一管道18連接到渦輪機(jī)28的入口 26，該渦輪機(jī)28通過(guò)傳動(dòng)軸30驅(qū)動(dòng)連接用以驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)32。通過(guò)可選擇的熱交換器36，第二管道20連接到壓縮機(jī)32的入口 34，其中，壓縮機(jī)32具有通到大氣的出口 38。另外的排氣元件諸如催化劑和微粒過(guò)濾器可以放置在這個(gè)排氣系統(tǒng)內(nèi)。相應(yīng)地，第二排氣管道20提供旁通渦輪機(jī)觀的手段。優(yōu)選地，渦輪機(jī)的出口 40連接到第二管道20，以使得來(lái)自渦輪機(jī)觀的氣體流經(jīng)可選擇的熱交換器36，如果該熱交換器36安裝到壓縮機(jī)32的入口 34。渦輪機(jī)觀和壓縮機(jī)泵32可以是本領(lǐng)域熟知的適于被優(yōu)化用于該特定應(yīng)用的任何常規(guī)渦輪機(jī)和壓縮機(jī)裝置。雖然在本實(shí)施方式中被描述為壓縮機(jī)，壓縮機(jī)32事實(shí)上可以包括換氣泵或者甚至任何泵裝置，并且主要適于通過(guò)該壓縮機(jī)從其入口 34抽出和吸入氣流到其出口 38。在各自的汽缸12的排氣沖程期間的操作中，閥裝置在第一排氣階段或期間工作用以通過(guò)第一管道18從汽缸12排出廢氣，并且隨后在第二排氣階段，閥裝置工作用以通過(guò)第二排氣管道20或者通過(guò)第一管道18和第二排氣管道20兩者排出廢氣。閥裝置可專門(mén)在僅通過(guò)第一管道18或第二管道20引導(dǎo)廢氣的情況下工作，或者可在第一期間通過(guò)第一管道18排出廢氣，而第二期間開(kāi)啟閥裝置以允許通過(guò)上述兩個(gè)管道排出廢氣相結(jié)合的情況下工作。通過(guò)管道18、20兩者通風(fēng)和排氣是首選的，以確保在第二排氣階段仍然具有通過(guò)第一管道18和渦輪機(jī)28的廢氣流，否則渦輪機(jī)28將使第一管道18失壓且渦輪機(jī)28將受到使其(并且，因此壓縮機(jī)3 停轉(zhuǎn)的強(qiáng)力。在一種優(yōu)選的布置中，在第二閥M開(kāi)啟時(shí)的第二排氣階段，渦輪機(jī)觀被旁通以使得渦輪機(jī)出口 40有效地連接到渦輪機(jī)入口沈并因此處于同樣的(或非常相似的)壓力下。照這樣，在渦輪機(jī)觀上將沒(méi)有壓降，并因此沒(méi)有能量被渦輪機(jī)觀吸取從而驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)，而且既沒(méi)有反向壓降也沒(méi)有載荷作用在渦輪機(jī)觀上用以使其顯著地減速。所以由于它的慣性，渦輪機(jī)觀將繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。還應(yīng)當(dāng)注意到第二排氣階段使用兩個(gè)管道18、20并且向它們供給廢氣，排氣出口面積是增加的，因此進(jìn)一步地減少了任何反壓。在該特定實(shí)施方式中，第一閥22被配置為先于各自的汽缸12的第二閥M開(kāi)啟。這被示出于圖2中，其中閥處于升程，并且相對(duì)于額定曲柄轉(zhuǎn)角，第一閥22的開(kāi)啟由線條 140所表示，第二閥M的開(kāi)啟由線條142示出。結(jié)果，在第一排氣階段，排氣沖程一開(kāi)始， 汽缸12中的相對(duì)較高壓力的初始廢氣作為放氣流通過(guò)第一排氣閥22初始地排出到第一管道18。在第一排氣階段，渦輪機(jī)觀從相對(duì)較高壓力的初始廢氣放氣流中吸取能量，并用它來(lái)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)32。特別地，還應(yīng)當(dāng)注意到雖然活塞處于下死點(diǎn)附近(如圖2中的閥開(kāi)啟的時(shí)間所示)，仍產(chǎn)生這種來(lái)自汽缸12的初始放氣流和廢氣流。在這點(diǎn)上，往復(fù)活塞具有相當(dāng)小的位移，因此，加上較高的初始?jí)毫?，活?以及內(nèi)燃機(jī))幾乎無(wú)需做功抵抗渦輪機(jī)觀的任何反壓來(lái)驅(qū)動(dòng)這種來(lái)自汽缸12的初始的廢氣排氣流。所以，由渦輪機(jī)觀和第一排氣管道18提供的反壓對(duì)于作用在活塞和發(fā)動(dòng)機(jī)上的任何反向負(fù)載或扭矩的影響微不足道。隨后，在排氣沖程中的第二排氣階段，當(dāng)活塞遠(yuǎn)離下死點(diǎn)移動(dòng)并開(kāi)始更顯著地移動(dòng)時(shí)，第二排氣閥M開(kāi)啟用以允許來(lái)自汽缸12的廢氣流入第二排氣管道20并旁通渦輪機(jī)觀，提供了在沒(méi)有渦輪機(jī)觀提供反壓的情況下以及在較低反壓時(shí)較少阻礙的氣流。結(jié)果，在第二排氣階段，來(lái)自汽缸12的在后廢氣流現(xiàn)在優(yōu)選馬上流入第二管道20。因此，當(dāng)活塞開(kāi)始更顯著地移動(dòng)時(shí)，活塞遭受由第二管道20提供的較低的廢氣反壓，該廢氣反壓比僅流經(jīng)第一管道和渦輪機(jī)觀的廢氣反壓低，結(jié)果，排氣泵動(dòng)損失降低。此外，在該實(shí)施方式中，且如上所述并示出的，第二排氣管道20連接到壓縮機(jī)32。 壓縮機(jī)32由渦輪機(jī)觀驅(qū)動(dòng)并且有利地從第一排氣中排氣流獲取的能量通過(guò)第二管道20 抽吸廢氣。壓縮機(jī)32起作用以使排氣系統(tǒng)16減壓。這降低了第二管道20內(nèi)的反壓，并且相應(yīng)地，為了抵消這個(gè)，活塞因此傾向于減少排氣壓力損失。甚至極端的情況下在第二排氣管道20中壓力和反壓可以被減少到次氣壓，并因此甚至在這個(gè)排氣沖程中還驅(qū)動(dòng)活塞。另外，通過(guò)從汽缸12抽吸廢氣，壓縮機(jī)32更好地從汽缸12排除廢氣。這樣增加了燃燒極限并允許更高的壓力和燃燒溫度，提高了內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行的效率。另外，在排氣沖程結(jié)束時(shí)，以及在下一次進(jìn)氣沖程/吸入沖程開(kāi)始時(shí)，反壓的降低也將降低汽缸12內(nèi)的壓力。結(jié)果，進(jìn)入汽缸12的氣流的吸入以及輸入也可以提高，并且這種布置對(duì)于入口泵動(dòng)損失以及進(jìn)入汽缸12的氣體的吸入改善可以具有有益的效果。雖然在第二排氣階段渦輪機(jī)觀沒(méi)有被通過(guò)第一排氣管道18的廢氣流驅(qū)動(dòng)，然而， 由于其自身的慣性以及傳動(dòng)軸30和壓縮機(jī)32的慣性，渦輪機(jī)繼續(xù)自旋和轉(zhuǎn)動(dòng)。另外，在具有共同的排氣歧管的多汽缸發(fā)動(dòng)機(jī)10中，渦輪機(jī)觀由隨后運(yùn)行的汽缸供應(yīng)初始廢氣流以便于持續(xù)對(duì)壓縮機(jī)32提供驅(qū)動(dòng)。優(yōu)選地，渦輪機(jī)觀的出口 40也連接到第二管道20并因此連接到壓縮機(jī)32，以使得壓縮機(jī)32另外也將通過(guò)渦輪機(jī)38抽出和吸取廢氣。這樣增加了在渦輪機(jī)觀上的壓降并因此增加了所提取的功率而沒(méi)有使損失增加以及效率降低。另外，在第二排氣階段，仍將持續(xù)有通過(guò)渦輪機(jī)觀的殘留的廢氣流。藉由本領(lǐng)域所熟知的對(duì)各排氣管道18和20的認(rèn)真調(diào)節(jié)，這些節(jié)流和壓降能夠被優(yōu)化用以確保最佳的操作并確保將泵動(dòng)損失最小化。優(yōu)選地，熱交換器或冷卻器36也可以置于壓縮機(jī)32的入口 34的上游并連接到第二排氣管道，用以冷卻來(lái)自第二排氣管道的廢氣。這種熱交換器36降低了來(lái)自第二管道20 的廢氣流的溫度，提高了壓縮機(jī)32的性能并因此還降低了在第二排氣管道20內(nèi)的反壓，還減少了排氣泵動(dòng)損失。熱交換器36可以通過(guò)主內(nèi)燃機(jī)10冷卻劑系統(tǒng)(未示出)冷卻并且該冷卻劑系統(tǒng)從廢氣流中吸取熱量?？蛇x擇地，并且更優(yōu)選地是來(lái)自廢氣流并由熱交換器 36所吸收的熱量可以用在其他已知的能量回收系統(tǒng)中，用以提供另外的能量從而進(jìn)一步提高了內(nèi)燃機(jī)10的能量效率。熱交換器36還會(huì)降低輸送到壓縮機(jī)32的入口 34的整體的廢氣溫度，從而降低了壓縮機(jī)32的熱規(guī)范，降低了成本以及提高可靠性也提高了整體性能。藉由這種排氣系統(tǒng)裝置16，整體排氣系統(tǒng)壓力以及泵動(dòng)損失均通過(guò)壓縮機(jī)32減少，同時(shí)，壓縮機(jī)有利地由渦輪機(jī)觀從廢氣中獲取的消耗功來(lái)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)，通過(guò)應(yīng)用分離的第一排氣管道18和第二排氣管道20，沒(méi)有帶來(lái)額外的泵動(dòng)損失或與具有這種渦輪機(jī)觀相關(guān)聯(lián)的損失。換言之，這種排氣系統(tǒng)16通過(guò)使用渦輪機(jī)觀實(shí)現(xiàn)從排氣中獲取有用功而且在排氣沖程中沒(méi)有增加排氣系統(tǒng)反壓，同時(shí)，另外利用這種獲取功通過(guò)使用壓縮機(jī)來(lái)降低排氣反壓并因而甚至降低泵動(dòng)損失。結(jié)果，在模型化這種裝置中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)燃料消耗減少超過(guò)2.5%，而且隨著壓縮機(jī)和渦輪機(jī)的工作特性以及閥定時(shí)的最優(yōu)化，可以預(yù)期在內(nèi)燃機(jī)的大的速度范圍上燃料效益超過(guò)4 %。圖3示出了第二種實(shí)施方式以及組合系統(tǒng)，其中，圖1的排氣系統(tǒng)裝置16與常規(guī)型的渦輪增壓裝置相結(jié)合。這是通過(guò)結(jié)合第二渦輪機(jī)44，并通過(guò)傳動(dòng)軸46將第二渦輪機(jī) 44可驅(qū)動(dòng)地連接到入口壓縮機(jī)48來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該入口壓縮機(jī)48以常規(guī)方式將吸入流壓縮到內(nèi)燃機(jī)的汽缸12內(nèi)。這一實(shí)施方式與圖1所示的實(shí)施方式大體上類似，且相同的附圖標(biāo)記用于相應(yīng)的元件。在這一供替換的裝置中，第二渦輪機(jī)44位于壓縮機(jī)32和可選擇的熱交換器36上游的第二排氣管道20處，但位于第一渦輪機(jī)觀的出口 40的下游。到第二渦輪機(jī)44的入口 50連接到第二管道20，且優(yōu)選地如圖所示，也連接到第一渦輪機(jī)觀的出口 40，用以接收來(lái)自渦輪機(jī)觀以及來(lái)自第二管道20的整體的廢氣流。然后，第二渦輪機(jī)44的出口 52在這種情況下通過(guò)熱交換器36連接到排氣壓縮機(jī)32的入口 34。因此，在第一排氣階段已經(jīng)流經(jīng)第一渦輪機(jī)觀的初始排氣流也被引導(dǎo)通過(guò)第二渦輪機(jī)44，用以進(jìn)一步地從中獲取任何能量，同時(shí)通過(guò)第二排氣管道20的主廢氣流也流經(jīng)第二渦輪機(jī)44。雖然在這種布置中， 第二渦輪機(jī)44會(huì)使第二管道20內(nèi)的反壓增加，而且該反壓在第二排氣階段和主排氣沖程期間作用在活塞上，該反壓被由壓縮機(jī)32提供的作為整體的排氣系統(tǒng)16內(nèi)降低的反壓所抵消。尤其是，壓縮機(jī)32降低了渦輪機(jī)44的出口壓力，并相應(yīng)地對(duì)于給定量的獲取能量， 降低了相應(yīng)的入口壓力，并因此降低了第二管道20中的壓力。另外，由入口壓縮機(jī)48所提供的在入口泵動(dòng)損失上的減少以及通過(guò)入口增壓所提供的整體改進(jìn)進(jìn)一步地抵消了在反壓以及入口泵動(dòng)損失上的任何增加。如果由第二渦輪機(jī)44所提供的反壓顯著時(shí)，這一實(shí)施方式的第二渦輪機(jī)44可以由其他配置甚至設(shè)置在第二渦輪機(jī)44附近的另一旁通管道和旁通裝置來(lái)替代。實(shí)際上在進(jìn)一步的供替換的實(shí)施方式中，第一渦輪機(jī)觀或許可能通過(guò)連接到整體排放的第一渦輪機(jī)28和第二渦輪機(jī)44的傳動(dòng)軸46來(lái)驅(qū)動(dòng)入口壓縮機(jī)48?？墒?，這需要調(diào)整渦輪機(jī)28的尺寸，然而這會(huì)使元件的數(shù)量減少，對(duì)于特定的不同的運(yùn)行條件和要求，提供兩個(gè)最佳化的單獨(dú)的渦輪機(jī)在熱力學(xué)上可能是更好和更容易的。關(guān)于類似的自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，相對(duì)之前的實(shí)施方式所提供的，這種裝置具有在燃料經(jīng)濟(jì)性上類似的預(yù)料的改進(jìn)和不同于常規(guī)渦輪增壓的內(nèi)燃機(jī)。可以想到，所述的特定實(shí)施方式可以具有許多其他的變型和變化。例如，渦輪機(jī)28的出口 40可以直接地開(kāi)口到大氣中，盡管在這種裝置中，優(yōu)勢(shì)有所減少。在細(xì)節(jié)上對(duì)裝置的其他改變，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)也是很明顯的。還可以理解，本發(fā)明可應(yīng)用到現(xiàn)在的和將來(lái)的渦輪燃機(jī)的廣泛的范圍中，同樣，可與其他的能源技術(shù)例如可變化的閥時(shí) (valve time)和廢氣循環(huán)以及入口節(jié)油渦輪機(jī)的使用結(jié)合應(yīng)用。本發(fā)明也可以應(yīng)用到所有類型的內(nèi)燃機(jī)10，并用于包括機(jī)動(dòng)車應(yīng)用以及靜態(tài)發(fā)電的廣泛的應(yīng)用范圍。
本發(fā)明的原理和運(yùn)行模式已經(jīng)以其優(yōu)選的實(shí)施方式進(jìn)行了解釋和說(shuō)明。然而，必須理解，本發(fā)明可以在不脫離其精神或范圍的情況下以不同于具體解釋和說(shuō)明的其他方法進(jìn)行。
權(quán)利要求
1.一種用于內(nèi)燃機(jī)(10)的排氣裝置(16)，包括第一排氣管道(18)，用于來(lái)自所述內(nèi)燃機(jī)(10)的排氣流；第二排氣管道(20)，用于來(lái)自所述內(nèi)燃機(jī)(10)的排氣流；閥裝置02、對(duì))，用以在第一排氣期間選擇性地將來(lái)自所述內(nèi)燃機(jī)的排氣引導(dǎo)到所述第一排氣管道(18)，并在隨后的第二排氣期間將排氣引導(dǎo)到所述第二排氣管道00)；渦輪機(jī)( )，其具有連接到所述第一排氣管道(18)的入口(34)；以及壓縮機(jī)(32)，其驅(qū)動(dòng)連接到所述渦輪機(jī)08)并由所述渦輪機(jī)08)驅(qū)動(dòng)，并且具有連接到所述第二管道OO)的入口(沈)。
2.如權(quán)利要求1所述的排氣裝置(16)，其中所述渦輪機(jī)08)具有連接到所述第二排氣管道OO)和/或所述壓縮機(jī)的入口(34)的出口 00)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的排氣裝置(16)，其中所述閥裝置(22、24)在所述第二排氣期間將來(lái)自所述內(nèi)燃機(jī)(10)的排氣選擇性地引導(dǎo)到所述第一排氣管道(18)和所述第二排氣管道(20)。
4.如權(quán)利要求1或2所述的排氣裝置(16)，其中所述閥裝置(22、24)在所述第一排氣期間將來(lái)自所述內(nèi)燃機(jī)(10)的排氣選擇性地僅引導(dǎo)到所述第一排氣管道(18)，且在隨后的所述第二排氣期間將排氣僅引導(dǎo)到所述第二排氣管道OO)。
5.如前面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的排氣裝置(16)，其中所述閥裝置(22、24)包括分離的第一排氣閥0 和第二排氣閥04)。
6.如權(quán)利要求5所述的排氣裝置(16)，具有與所述內(nèi)燃機(jī)(10)的每個(gè)汽缸(1 相關(guān)聯(lián)的分離的第一排氣閥0 和第二排氣閥04)。
7.如前面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的排氣裝置(16)，還包括熱交換器或冷卻器(36)，其連接到至少所述第二排氣管道OO)用于在使用時(shí)冷卻流經(jīng)所述第二排氣管道OO)的排氣。
8.如權(quán)利要求7所述的排氣裝置(16)，其中所述熱交換器或冷卻器(36)的出口連接到所述壓縮機(jī)(32)的所述入口(34)。
9.如前面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的排氣裝置(16)，其中所述第一排氣期間對(duì)應(yīng)于所述內(nèi)燃機(jī)(10)的燃燒室的容積沒(méi)有實(shí)質(zhì)變化時(shí)的期間。
10.如前面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的排氣裝置(16)，用于具有至少一個(gè)往復(fù)活塞的內(nèi)燃機(jī)(10)。
11.如權(quán)利要求10所述的排氣裝置(16)，其中所述第一排氣期間對(duì)應(yīng)于所述活塞大體上靜止時(shí)的期間。
12.如權(quán)利要求10或11所述的排氣裝置(16)，其中所述第二排氣期間對(duì)應(yīng)于在排氣沖程中所述活塞正在運(yùn)動(dòng)時(shí)的期間。
13.如前面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的排氣裝置(16)，還包括用于驅(qū)動(dòng)入口壓縮機(jī)(38)的第二渦輪機(jī)(44)，所述入口壓縮機(jī)(38)用于將吸入流壓縮到所述內(nèi)燃機(jī)(10)，所述第二渦輪機(jī)G4)具有連接到所述第二排氣管道OO)的入口和連接到所述壓縮機(jī)的入口(34)的出口(52)。
14.一種內(nèi)燃機(jī)(10)，其具有如權(quán)利要求1-12任一項(xiàng)所述的排氣裝置(16)。
15.如權(quán)利要求14所述的內(nèi)燃機(jī)(10)，還包括用于將吸入流壓縮到所述內(nèi)燃機(jī)(10) 的入口壓縮機(jī)(48)。
16.如權(quán)利要求15所述的內(nèi)燃機(jī)(10)，其中所述入口壓縮機(jī)08)驅(qū)動(dòng)連接到所述渦輪機(jī)08)并由所述渦輪機(jī)08)驅(qū)動(dòng)。
17.如權(quán)利要求15所述的內(nèi)燃機(jī)(10)，其中所述排氣裝置(16)還包括第二渦輪機(jī) (44)，所述第二渦輪機(jī)04)具有連接到所述第二排氣管道OO)的入口(50)和連接到所述壓縮機(jī)的入口(34)的出口(52)，并且驅(qū)動(dòng)連接到所述內(nèi)燃機(jī)(10)的所述入口壓縮機(jī) 08)。
全文摘要
一種用于內(nèi)燃機(jī)(10)的排氣裝置(16)，以及具有這種排氣裝置(16)的內(nèi)燃機(jī)(10)，排氣裝置包括用于來(lái)自內(nèi)燃機(jī)的廢氣流的第一排氣管道(18)和第二排氣管道(20)。優(yōu)選地，提供閥裝置，其包括與內(nèi)燃機(jī)(10)的每個(gè)汽缸(12)相關(guān)聯(lián)的分離的第一排氣閥和第二排氣閥(22、24)，用以在第一排氣期間將來(lái)自內(nèi)燃機(jī)(10)的廢氣選擇性地引導(dǎo)到第一排氣管道(18)，并在隨后的第二排氣期間將廢氣引導(dǎo)到第二排氣管道(20)。具有入口(26)的渦輪機(jī)(28)連接到第一排氣管道(18)；驅(qū)動(dòng)連接到渦輪機(jī)(28)并由渦輪機(jī)(28)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)(32)具有連接到第二管道(20)的入口(34)。壓縮機(jī)(32)有利地由渦輪機(jī)(28)驅(qū)動(dòng)，渦輪機(jī)從廢氣中吸取能量，這降低了在排氣系統(tǒng)(16)中的反壓因此減少泵動(dòng)損失，藉由在第二排氣期間第二管道(20)旁通渦輪機(jī)，使得渦輪機(jī)(28)至少在第二主排氣階段也不會(huì)增加廢氣反壓。結(jié)果，這樣整體上提高了排氣系統(tǒng)(16)和內(nèi)燃機(jī)(10)的效率。
文檔編號(hào)F02B37/02GK102257258SQ200980151895
公開(kāi)日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2009年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月17日
發(fā)明者安德魯·摩根·威廉斯 申請(qǐng)人:拉夫堡大學(xué)