本发明涉及一种内燃发动机系统，该内燃发动机系统包括燃烧室、被布置成压缩空气的压缩机、被布置成将压缩空气从压缩机引导到燃烧室的空气引导件、被布置成使来自燃烧室的排气膨胀并从膨胀的排气提取能量的膨胀器、以及被布置成将排气从燃烧室引导到膨胀器的排气引导件。本发明还涉及一种排气引导单元、排气处理单元和车辆。
本发明可应用于重型车辆，例如卡车、公交车和建筑设备(例如工程机械)。本发明也可适用于轿车。虽然将针对卡车来描述本发明，但本发明不限于这种特定的车辆类型。
背景技术：
已知的是，带有多级压缩和膨胀的内燃发动机可允许达到非常高的压力并从燃料提取更多的能量。us4783966a提供了这种发动机的示例。然而，这种发动机要求相对大量的空间，且可能使设有这种发动机的车辆重量增加。
技术实现要素：
本发明的一个目的是：对于车辆驱动应用，减少多级压缩和膨胀式内燃发动机的空间要求和/或重量。
上述目的通过一种内燃发动机系统来实现，包括如下的内燃发动机系统，其包括：
–至少一个燃烧室，
–被布置成压缩空气的压缩机，
–空气引导件，该空气引导件被布置成将压缩空气从压缩机引导到所述至少一个燃烧室中的至少一个，
–膨胀器，该膨胀器被布置成使来自所述至少一个燃烧室中的至少一个的排气膨胀并从膨胀的排气提取能量，以及
–排气引导件，该排气引导件被布置成将排气从所述至少一个燃烧室中的至少一个引导到膨胀器，
–其特征在于，该排气引导件至少部分地与所述空气引导件成一体。
应当理解，取决于用于该发动机的燃料系统的类型，所述压缩机可布置成仅压缩空气，或者压缩空气和燃料的预混合物。
通过使排气引导件与空气引导件成一体，允许两个部分的组合，所述两个部分在发动机运行期间具有升高的压力和温度。这又使得能够允许这些引导件共享由运行状况产生的负荷，从而可以减少用于这些部分的材料量。因此，可以减轻重量。而且，所述引导件的一体化允许减少发动机所占据的空间。因此，提供了重量减轻和空间节约，这在该发动机系统用在车辆中的情况下是有利的。
可以说，本发明允许排气引导件的全部或多个部分被空气引导件隔离。这降低了排气引导件的壁材料的温度，这使得能够使用较不耐热且因此更廉价的材料以用于排气引导件。而且，通过用空气引导件将排气引导件隔离，允许降低围绕排气引导件的热辐射，而无需提供围绕排气引导件的隔离材料。这在空间要求严格的车辆中是一个明显优点。由于能够减少或省去用于排气引导件的隔离材料，减小了发动机系统的体积且因此也降低了成本。
另外，排气引导件与空气引导件的一体化允许所述引导件内的气体传导空间共享一个或多个壁。这又减少了该气体在压缩机、燃烧室和膨胀器之间被输送时的能量损失。
另外，通过排气引导件与空气引导件的一体化，允许所述压缩空气在空气引导件内移动经过排气引导件，从而提供了从排气引导件到该空气的热交换。这种热交换通过空气引导件内的升高的绝对压力来增强。此热交换允许重新利用热量以用于动力生成，这在发动机的低负荷运行时可以是特别有益的。
因此，本发明提供了带有多级压缩和膨胀的发动机，该发动机具有降低的重量和空间要求，并且具有减少的损失或升高的效率。
优选地，排气引导件包括一体部分，该一体部分位于空气引导件内。因此，排气引导件被适当地布置成贯穿空气引导件的外壁。通过使排气引导件的该一体部分位于空气引导件内，提供了降低例如车辆中的发动机系统所需的体积的有利方式。而且，由于该一体部分的壁两端的压力差被降低，能够减少材料和重量，因此减小了结构负荷并允许更少的材料用于该一体部分。通过定位在空气引导件内侧，为排气引导件提供了一种将热量传递到空气引导件中的空气的、特别有利的方式。另外，由于空气引导件将为所述一体部分提供隔离，可以减少围绕发动机系统的多个部分的隔离材料的量。
优选地，所述一体部分具有限定了所述一体部分的壁，且所述一体部分包括位于该壁内侧的隔离层。因此，所述壁的材料内的温度可受到限制，以避免材料中的强度降低。这又允许将更少的材料用于所述壁。优选地，所述一体部分具有圆形横截面，这将进一步增加所述一体部分的结构强度，因此允许为其使用更少的材料。
所述一体部分可具有多个外部突出凸缘。因此，可增强与移动经过所述一体部分的压缩空气的、有益的热交换。
优选地，所述空气引导件包括空气缓冲容器，该空气缓冲容器被布置成提供用于所述压缩空气的空气缓冲空间。在所述系统包括多个燃烧室的情况下，该空气缓冲容器可布置成将压缩空气输送到多个燃烧室。在所述系统包括多个压缩机的情况下，该空气缓冲容器可布置成从多个压缩机接收压缩空气。在备选实施例中，可存在一个或多个空气缓冲容器，每个空气缓冲容器专用于相应的单个压缩机和/或燃烧室。
该空气缓冲容器降低或消除了多级压缩式发动机中的以下要求：即，用于在燃烧室和压缩机处吸入和排出空气的入口阀和出口阀的正时必须高度地关联，以避免由于脉动流动而导致的损失。由于该空气缓冲空间，可以放松这种阀正时关联的要求，而不会增加脉动流动的风险。因此，可采用更简单且更廉价的阀控制系统。
应当理解，空气缓冲容器的该空气缓冲空间合适地具有如下的横截面：该横截面大于与所述空气缓冲空间上游和下游的空气引导件部分的局部预期空气流动方向垂直的任何横截面。
优选地，排气引导件的所述至少一部分位于空气缓冲容器内。因此，有利地将该空气缓冲空间的一部分用于与排气引导件的至少一部分的一体化，从而进一步增强了本发明的空间节约的益处。
优选地，排气引导件包括排气缓冲容器。在所述系统包括多个燃烧室的情况下，该排气缓冲容器可布置成从多个燃烧室接收排气。在所述系统包括多个膨胀器的情况下，该排气缓冲容器可布置成将排气输送到多个膨胀器。在备选实施例中，可存在一个或多个排气缓冲容器，每个排气缓冲容器专用于相应的单个燃烧室和/或膨胀器。
排气缓冲容器降低或消除了排气引导件内的脉动流动的风险。因此，可采用更简单且更廉价的阀控制系统。
应当理解，排气缓冲容器合适地具有如下的横截面：该横截面大于与排气缓冲空间上游和下游的排气引导件部分的局部预期排气流动方向垂直的任何横截面。
优选地，排气缓冲容器位于空气引导件内。有利地，在空气引导件如上所述地具有空气缓冲容器的情况下，排气缓冲容器位于空气缓冲容器内。因此，可降低或消除脉动流动的所述风险，同时降低了排气缓冲容器和空气缓冲容器所具有的空间要求。
优选地，膨胀器前排气处理装置位于排气引导件内，所述膨胀器前排气处理装置被布置成向来自燃烧室的排气提供排气处理过程。因此，燃烧室和膨胀器之间的相对高的压力和温度可有利地用于支持排气处理装置内的过程。然而，应当注意，作为容纳排气处理装置的替代，排气引导件排气缓冲容器可仅是缓冲箱。
优选地，在排气引导件包括位于空气引导件内的一体部分的情况下，膨胀器前排气处理装置位于该一体部分内。因此，由排气处理装置内的所述过程产生的热量的一部分可有利地传递到空气引导件内的空气，从而具有如上所述的益处。
优选地，膨胀器前排气处理装置包括氧化催化剂和/或微粒过滤器。在除了氧化催化剂之外还提供了微粒过滤器的情况下，该微粒过滤器可位于氧化催化剂下游。由此，氧化催化剂的温度升高过程可用于有利地升高微粒过滤器内的热，从而提高微粒过滤器的效率。而且，特别是在柴油发动机和高压喷气式(hpgi)发动机中，通过氧化催化剂和微粒过滤器的所述空间布置，将显著降低碳烟和催化剂涂层到达膨胀器的风险。
在一些实施例中，所述系统包括膨胀器后排气处理装置，该膨胀器后排气处理装置被布置成从膨胀器接收排气并向所接收到的排气提供排气处理过程。该膨胀器后排气处理装置可以是选择性催化还原(scr)催化剂。这允许减少多级膨胀式发动机的氮氧化物(nox)。
优选地，膨胀器后排气处理装置和空气引导件彼此成一体。因此，膨胀器后排气处理装置可位于空气引导件内。由此，可以在所述压缩空气和膨胀器后排气处理装置之间提供有利的热交换。
优选地，在排气引导件包括位于空气引导件内的一体部分的情况下，膨胀器后排气处理装置位于该一体部分的外部且在空气引导件的外壁的内部。优选地，膨胀器前排气处理装置位于该一体部分内，所述膨胀器前排气处理装置被布置成向来自燃烧室的排气提供排气处理过程。由此，可以提供膨胀器前排气处理装置和膨胀器后排气处理装置的一体化，这可允许从膨胀器前排气处理装置到膨胀器后排气处理装置的有利的热传递。这是特别有利的，因为：第一膨胀器提取能量，即来自排气的热量，并且，通过从膨胀器前排气处理装置的热传递，膨胀器后排气处理装置内的温度可以保持足够高，以用于膨胀器后排气处理装置内的过程。此外，膨胀器后排气处理装置可提供对膨胀器前排气处理装置的隔离。
所述膨胀器可以是第一膨胀器，其中所述系统还包括第二膨胀器，该第二膨胀器被布置成接收来自膨胀器前排气处理装置的排气，并且使排气膨胀并从膨胀的排气提取能量。第二膨胀器可获取由膨胀器后排气处理装置内的所述过程的生热而提供的能量。第二膨胀器可以是活塞膨胀器，其被布置成利用所提取的能量来驱动发动机系统的曲轴。
所述系统优选被布置成使得：在所述系统的运行期间，膨胀器后排气处理装置具有在4-8巴的范围内的压力以及在250℃-400℃的范围内的温度。因此，为膨胀器后排气处理装置内的所述过程提供了有利条件。然而，在一些实施例中，膨胀器后排气处理装置可位于设有该发动机系统的车辆的尾管内。因此，在发动机系统的运行期间，膨胀器后排气处理装置可具有约1巴的压力以及在200℃-300℃的范围内的温度。
优选地，所述系统被布置成使得：在所述系统的运行期间，排气引导件具有10-25巴的范围内的压力。这样的高压使得能够为排气引导件提供具有小体积的氧化催化剂和/或微粒过滤器，这对于限制发动机系统的总尺寸而言是有利的。而且，这种高的绝对压力允许膨胀器后排气处理装置两端的非常小的压降。与车辆尾管内的传统排气后处理系统相比，膨胀器前排气处理装置的位置与所述温度范围及压力范围的组合允许发动机效率的非常小的降低。
优选地，所述系统被布置成使得：在所述系统的运行期间，排气引导件具有在300℃-950℃的范围内的温度，优选为500℃-900℃。应当理解，此范围内的温度可根据发动机系统的运行状况而变化。应当注意，这种温度范围为排气引导件内的微粒过滤器提供了将碳烟连续地氧化的非常有利的条件，使得膨胀器前排气处理装置可不设有任何催化剂。所述温度范围对于催化性甲烷氧化也可以是有利的，例如在高压喷气式(hpgi)发动机中。
所述系统可布置成使得：在所述系统的运行期间，空气引导件具有在8-12巴的范围内的压力，和/或在250℃-350℃的范围内的温度。由此，可提供具有有效燃烧的发动机的高功率输出。
在燃烧室包括被布置成在气缸内往复运动并驱动该系统的曲轴的活塞的情况下，本发明是特别有利的。应当理解，所述系统可包括多个燃烧室，每个燃烧室包括被布置成在相应气缸内往复运动的活塞，由此，这些活塞全部被布置成驱动曲轴。所述压缩机优选是被布置成由曲轴驱动的活塞压缩机。所述膨胀器优选是被布置成利用所提取的能量驱动曲轴的活塞膨胀器。因此，本发明可有利地实施在多级压缩和膨胀式发动机中，其中所述压缩机和膨胀器连接到曲轴。如下文所例示的，这种连接可以是直接或间接的。典型地，所述膨胀器可提供发动机的总功率的30％-50％，例如为40％，且所述压缩机可取用发动机的总功率的10％-20％。
上述目的也通过根据权利要求39至48中的任一项所述的排气引导单元以及根据权利要求49至50中的任一项所述的排气处理单元来实现。上述目的也通过根据权利要求51所述的车辆来实现。
在以下描述和从属权利要求中，公开了本发明的进一步的优点和有利特征。
附图说明
参考附图，下面是作为示例给出的本发明的实施例的更详细描述。在这些图中：
图1是卡车形式的车辆的局部剖面侧视图。
图2是图1中的车辆内的发动机系统的示意性透视图。
图3是图2中的发动机系统的示意性截面图。
图4示出了图3中的细节。
图5示出了如图4中的箭头v-v所指示地定向的横截面。
图6是根据本发明的一个备选实施例的发动机系统的示意性截面图。
图7示出了图6中的细节。
图8示出了如图7中的箭头viii-viii所指示地定向的横截面。
图9示出了如图8中的箭头ix-ix所指示地定向的横截面。
图10是根据本发明的另一个备选实施例的发动机系统的示意性截面图。
图11是根据本发明的又一个实施例的发动机系统的示意性透视图。
具体实施方式
图1示出了呈卡车或用于半挂车的牵引车形式的车辆。然而，应当注意，本发明适用于各种备选类型的车辆，例如轿车、公交车或诸如轮式装载机的工程机械。该车辆包括内燃发动机系统1。
图2是示意图，并且，为了这种表示的简单起见，没有示出某些部分，例如用于致动发动机系统的气缸内的入口阀和出口阀的装置。发动机系统1包括多级压缩和膨胀式内燃发动机。该发动机包括三个燃烧室3和三个活塞压缩机4，该燃烧室3呈带有活塞的气缸的形式。
所述系统还包括空气引导件5，该空气引导件5被布置成将压缩空气从压缩机4引导到燃烧室3。该空气引导件设置有空气缓冲容器51，该空气缓冲容器51被布置成从压缩机4接收压缩空气，提供用于所述压缩空气的空气缓冲空间511并将所述压缩空气输送到燃烧室3。
所述系统还包括三个活塞膨胀器6，该活塞膨胀器6被布置成使来自燃烧室3的排气膨胀并从膨胀的排气提取能量。排气引导件9被布置成将排气从燃烧室3引导到膨胀器6。排气引导件9包括下文稍后描述的排气缓冲容器91。
应当理解，所述发动机系统可包括任何数量的燃烧室3、压缩机4和膨胀器6。在本示例中，燃烧室3、压缩机4和膨胀器6共享单个空气缓冲器51和单个排气缓冲容器91。然而，空气引导件5、空气缓冲器51、排气引导件9、和排气缓冲容器91的数量也可以变化。例如，可以构思出：带有各自的空气缓冲器51的多个空气引导件5在各自的一对压缩机4和燃烧室3之间延伸。而且，在一些实施例中，可存在不止一个排气引导件9，其各自的排气缓冲容器91在各自的一对燃烧室3和膨胀器6之间延伸。也可构思出存在与各组燃烧室连接的两个或更多个空气引导件以及两个或更多个排气引导件。
参考图3，其中仅一个燃烧室3、仅一个压缩机4和仅一个膨胀器6被示出。每个燃烧室3的活塞301被布置成在相应的气缸302内往复运动，由此，这些活塞都被布置成驱动发动机的曲轴2。为简单起见，燃烧室3、压缩机4和膨胀器6被示出为都位于同一截平面内；在本实施例的实际实施中，燃烧室3、压缩机4和膨胀器6优选相对于彼此沿曲轴2偏移。
燃烧室3设置有各自的一组入口阀303和出口阀304，所述入口阀303和出口阀304被布置成以我们已知的方式被致动，例如，利用安装在凸轮轴(未示出)上的凸轮。也如我们已知的，阀303、304的正时和最大移动也可以是可变的。
另外，燃烧室3设置有各自的燃料喷射器305，用于将燃料喷射到气缸302内。在本示例中，燃烧室3被布置成提供迪塞尔循环，以从所提供的空气和燃料获取功。然而，本发明同样适用于其中燃烧室被布置成提供奥托循环的发动机，其中，该发动机系统可设置有用于空气质量流量控制的装置，例如压缩机4的可变入口阀403和可变出口阀404，用于控制向燃烧室3的空气供给。备选地或另外，所述用于空气质量流量控制的装置可包括一个或多个节气门，用于控制通向燃烧室3的空气供给。该发动机系统可在燃烧室内设置有火花塞。
膨胀器6的活塞601被布置成利用从来自燃烧室3的排气提取的能量来驱动曲轴2。此外，压缩机4的活塞401全部被布置成由曲轴2驱动。
排气缓冲容器91位于空气缓冲容器51内。由此，排气引导件9被布置成贯穿空气缓冲容器51的外壁。因此，排气缓冲容器91形成排气引导件9的一体部分91，由此，排气引导件9与空气引导件5部分地成一体。该一体部分91在此也被称为排气引导部分91。空气缓冲容器51在此也被称为空气引导部分51的形式。在排气引导部分91位于空气引导部分51内的情况下，排气引导部分91和空气引导部分51在此也被称为排气引导单元。
应当注意，在其中存在与各组燃烧室3连接的两个或更多个空气引导件5和两个或更多个排气引导件9的一些实施例中，可在连接到同一组燃烧室3或备选地连接到不同组的燃烧室3的空气引导件和排气引导件之间提供这种一体化。
参考图4和图5。膨胀器前排气处理装置7、8位于排气缓冲容器91内，且被布置成向来自燃烧室3的排气提供排气处理过程。膨胀器前排气处理装置7、8包括氧化催化剂7和位于氧化催化剂7下游的微粒过滤器8。
排气缓冲容器91具有圆形横截面。排气缓冲容器91具有限定了该排气缓冲容器91的壁901和位于所述壁内侧的隔离层902。排气缓冲容器91还具有多个外部突出凸缘903。
因此，在本示例中的多级压缩和膨胀式发动机中，压缩机4被布置成压缩空气，燃烧室被布置成进一步压缩此空气并使该气体在燃烧室3内膨胀，且所述膨胀器被布置成使该气体进一步膨胀。此外，排气缓冲容器91和空气缓冲容器51可适合于发动机系统1的运行，在该发动机系统1中，排气引导件9具有在10-25巴的范围内的压力和在300℃-950℃的范围内的温度，并且空气引导件5具有在8-12巴的范围内的压力和在250℃-350℃的范围内的温度。
因为排气缓冲容器91位于空气缓冲容器51内，所以与排气缓冲容器91与周围的大气直接接触的情况相比，排气缓冲容器91的壁901两端的压力差显著减小了。这减小了排气缓冲容器91上的结构负荷。
另外，经过排气缓冲容器91的所述压缩空气的移动允许从排气缓冲容器91到该空气的热交换。这种热交换通过排气缓冲容器91上的凸缘903来增强。而且，这种热交换也通过空气缓冲容器51内的升高的绝对压力来增强。此热交换允许重新利用热量以用于动力生成，这在发动机的低负荷运行时是特别有益的。而且，该热传递也降低了排气缓冲容器91的材料上的温度负荷。
参考图6，其示出了根据本发明的一个备选实施例的发动机系统。本实施例与参考图2至图5描述的实施例共享一些基本特征。然而，还提供了一些另外的有利特征。
类似于参考图2至图5描述的实施例中的一个实施例，图6中的系统包括具有排气处理装置7、8的排气缓冲容器91，所述排气处理装置7、8在此被称为膨胀器前排气处理装置7、8。图6中的系统还包括选择性催化还原(scr)催化剂形式的膨胀器后排气处理装置11。scr催化剂11被布置成接收来自膨胀器6的排气并向所接收的排气提供排气处理过程，如我们已知的，该过程减少了氮氧化物(nox)。所述系统还包括喷射器(未示出)，该喷射器(未示出)用于喷射用于scr催化剂11中的所述过程的还原剂。
也参考图7至图9。在此有利实施例中，膨胀器后排气处理装置11、空气引导件5和排气引导件9彼此成一体。更具体地，膨胀器后排气处理装置11位于排气缓冲容器9的外部且位于空气缓冲容器51的外壁的内部。膨胀器后排气处理装置11部分地邻近由排气缓冲容器91的壁分开的膨胀器前排气处理装置7、8布置，该排气缓冲容器91在本示例中具有带圆角的矩形横截面。这种一体化的膨胀器前排气处理装置7、8和膨胀器后排气处理装置11在此也被称为排气处理单元。
类似于图2至图5中的实施例，图6至图9的实施例包括膨胀器6，该膨胀器6在此被称为第一膨胀器6。另外，图6中的系统包括第二膨胀器12，该第二膨胀器12被布置成接收来自膨胀器后排气处理装置11的排气，并且使排气膨胀并从膨胀的排气提取能量。
这种一体化的膨胀器前排气处理装置7、8和膨胀器后排气处理装置11提供了从膨胀器前排气处理装置7、8到膨胀器后排气处理装置11的有利的热传递。这是特别有利的，因为：第一膨胀器6提取能量，即来自排气的热量，并且，通过从膨胀器前排气处理装置7、8的热传递，膨胀器后排气处理装置11内的温度可以保持足够高，以用于膨胀器后排气处理装置11内的过程。另外，第二膨胀器12可获取通过膨胀器后排气处理装置11内的所述过程的生热而提供的能量。所述系统被布置成使得：在所述系统的运行期间，膨胀器后排气处理装置11具有在4-8巴的范围内的压力和在250℃-400℃的范围内的温度。
在备选实施例中，第二膨胀器12可以是涡轮增压器的涡轮机，该涡轮增压器具有位于活塞压缩机4上游的压缩机。在这种实施例中，膨胀器后排气处理装置11可具有在1.5-2.0巴的范围内的压力。
参考图10。应当理解，本发明也适用于如下的发动机系统：其中，压缩机4的活塞和膨胀器6的活塞间接连接到曲轴2，例如经由另外的曲轴2b和链条或皮带连接件201，如图10所示。在图10中，压缩机4的活塞和膨胀器6的活塞直接连接到另外的曲轴2b，并且在曲轴2、2b之间提供有链条或皮带连接件201。可以提供曲轴2、2b之间的任何适当类型的连接件。例如，作为链条或皮带连接件201的替代，可提供在曲轴2、2b之间的齿轮连接件。
应当理解，本发明不限于上文描述和图中示出的实施例；而是，本领域技术人员将意识到，在所附权利要求书的范围内，可以做出许多修改和变型。
参考图11，其示出了根据本发明的又一个实施例的发动机系统。本实施例与参考图2至图5描述的实施例共享一些基本特征。然而，还提供了另外的有利特征。
在本实施例中，排气引导件9基本完全与空气引导件5成一体。更具体地，除了排气缓冲容器91位于空气缓冲容器51内之外，排气引导件9的在排气缓冲容器91上游和下游的其他部分位于空气引导件5内。因此，该空气引导件从燃烧室3附近到膨胀器6附近都包围了排气引导件9。在燃烧室3和膨胀器6处，排气引导件9贯穿空气引导件5的外壁。换言之，该排气引导件的被所述空气引导件包围的一体部分91从燃烧室3附近的排气引导件位置延伸到膨胀器6附近的排气引导件位置。
在图11中的实施例中，排气引导件9的大部分或几乎全部被空气引导件5隔离。这降低了排气引导件9的壁材料的温度，这使得能够使用较不耐热且因此更廉价的材料以用于排气引导件。而且，通过用空气引导件5将排气引导件9隔离，允许降低围绕排气引导件9的热辐射，而无需提供围绕排气引导件91的隔离材料。这在空间要求严格的车辆中是一个明显优点。由于能够省去用于排气引导件91的隔离材料，减小了发动机系统的体积且因此也降低了成本。