用于内燃发动机的排气管线以及包括这样的排气管线的内燃发动机的制作方法
【专利摘要】一种用于内燃发动机(4)的燃烧废气排气管线包括：一个涡轮压缩机(9)的涡轮机(11)；一个涡轮回收系统(1)的涡轮机(22)，该涡轮回收系统的涡轮机在该排气管线中被安排在该涡轮压缩机(9)的涡轮机(11)的下游侧；以及一个接合元件(24)，该接合元件用于连接一个燃烧废气再循环管线并且被安排在该涡轮压缩机(9)的涡轮机(11)与该涡轮回收系统(1)的涡轮机(22)之间，该排气管线还包括一个后处理设备(14)，该后处理设备被置于该涡轮压缩机(9)的涡轮机(11)与该接合元件(24)之间。还描述了一种包括这样的排气管线的内燃发动机。
【专利说明】
用于内燃发动机的排气管线以及包括这样的排气管线的内燃发动机
[0001]本发明的
技术领域
[0002]本发明总体上与减少例如用于机动车辆的内燃发动机的污染排放和改善其效率有关。
[0003]本发明更具体地涉及一种用于内燃发动机的燃烧废气排气管线，该燃烧废气排气管线包括:一个涡轮压缩机的涡轮机;一个涡轮回收系统的涡轮机，在该排气管线中该涡轮机被布置在该涡轮压缩机的涡轮机的下游侧；以及一个接合元件，该接合元件使得能够连接一个燃烧废气再循环管线并且被布置在该涡轮压缩机的涡轮机与该涡轮回收系统的涡轮机之间。
[0004]本发明还涉及一种内燃发动机，值得注意的是，该内燃发动机包括燃烧废气排气管线。
技术背景
[0005]文件JP2005 069 092描述了一种如上限定的排气管线。该文件进一步提出了放置一个后处理设备(在该实例中为氧化催化转换器)，该后处理设备直接在发动机的输出处并且因此在该涡轮压缩机的涡轮机的上游侧，以便在启动发动机时提高氧化效率。
[0006]然而，如该设计中所要求的，发动机的输出处存在的大部分能量因为后处理设备中的气体膨胀而损失，并且因此不适用于增压。
[0007]本发明的目的
[0008]在这种背景下，根据本发明提出了一种如引言中限定的排气管线，其中一个后处理设备被布置在该涡轮压缩机的涡轮机与该接合元件之间。
[0009]由于这些不同元件的这种布置，在涡轮压缩机的涡轮机中压力保持在高水平(正是因为该涡轮机位于该后处理设备的上游侧)；该后处理设备仍然保留在再循环管的上游侦U，这使得可以再循环更冷的(因为它们在该后处理设备中膨胀)并且浓度增大的气体，并且因此产生改进的再循环。
[0010]通过将该再循环管布置在该后处理设备的下游侧导致所需的背压本身是由该涡轮回收系统的涡轮机产生的，该涡轮回收系统使得能够回收例如电能形式的能量。
[0011]获得了较高的效率和减少的污染排放物。
[0012]根据本发明的排气管线的其他任选的(并且因此是非限制性的)特征和优点如下:
[0013]-该涡轮回收系统是一个涡轮发电机系统，这使得能够以电能的形式回收这些排出气体的一部分压力；
[0014]-该涡轮发电机系统被连接到存储装置，该存储装置被设计成存储由该涡轮发电机系统供应的电能；
[0015]-—个电动机器供应有由该涡轮发电机系统产生的电能，该电动机器被设计成在该电动机器的至少一种运行模式中有助于车辆的推进；
[0016]-—个电动压缩机供应有由该涡轮发电机系统产生的电能；
[0017]-—个分支回路与该涡轮回收系统的涡轮机并联地连接，该分支回路包括一个阀；
[0018]-该涡轮回收系统包括一个可逆电动机器。
[0019]本发明还提出了一种内燃发动机，该内燃发动机包括:
[0020]-—个发动机缸体，该发动机缸体界定了至少一个燃烧室，
[0021 ]-一个进气管线，该进气管线用于允许冷空气进入每个燃烧室，
[0022]-—个回路，该回路用于将燃料喷射到该进气管线或每个燃烧室中，
[0023]-—个如以上所提出的管线，该管线用于从每个燃烧室排出燃烧废气，以及
[0024]-一个再循环管线，该再循环管线在一侧连接到所述接合元件并且在另一侧连接到该进气管线。
[0025]该进气管线则可以包括该涡轮压缩机的一个压缩机。
[0026]此外，该发动机可以包括一个电气设备，该电气设备可以在其至少一种运行模式中供应有由该涡轮发电机系统产生的电能。
[0027]—个示例性实施方案的详细描述
[0028]通过非限制性举例的方式参照附图给出的以下描述将说明本发明所包括的内容以及可以如何实施本发明。
[0029]附图的单一图是包括符合本发明的传授内容的燃烧废气排气管线的内燃发动机的图解视图。
[0030]在本说明书中，如所要求的，术语“上游”和“下游”是依照始于从大气汲取冷空气的所在部位、终于燃烧废气排放到大气中的所在部位的气体流动方向来使用的。
[0031]在图1中，图解性地表示了机动车辆内燃发动机4，该内燃发动机包括发动机缸体，该发动机缸体包含一个曲轴和四个活塞(未示出)，这些活塞被容纳在形成燃烧室的四个汽缸(图解性地示出)内。在此，该发动机是压缩点火(柴油)发动机。该发动机同样可以是火花点火(汽油)发动机。
[0032]内燃发动机4在这些汽缸的上游侧包括进气管线，该进气管线从大气中汲取冷空气并且排放到空气分配器25，该空气分配器被适配成将空气分配到这四个汽缸的每一者中。
[0033]在此，在该冷空气的流动方向上，该进气管线包括对从大气汲取的冷空气进行过滤的空气过滤器20、测量进入冷空气流动速率的流量计21、涡轮压缩机9的对经该过滤器20过滤的冷空气进行压缩的压缩机13、冷却该经压缩的冷空气的增压空气冷却器6、以及通向空气分配器25使得可以调节冷空气的流动的进气阀5。
[0034]该进气管线在流量计21与压缩机13之间还包括低压排气再循环(EGR)阀19，该阀的目的是将一些燃烧废气重新引入到该进气管线中，如随后将解释的。
[0035]该内燃发动机在这些汽缸的出口处包括排气管线，该排气管线从排气歧管26(先前已在这些汽缸中燃烧过的气体被排放到该排气歧管中)延伸至排气消音器17，从而使得能够在将该燃烧废气排泄到大气之前使其膨胀。该排气管线总体上包括至少一个气体去污染设备(图中未示出)。
[0036]在燃烧废气的流动方向上，该排气管线包括涡轮压缩机9的涡轮机11、后处理设备
14、以及涡轮发电机系统I (也经常被称为电动“涡轮复合”系统)的涡轮机22。
[0037]后处理设备14被设计成将存在于燃烧废气中的各种污染物分解成是从健康角度中性的物质、和/或存储这些气体中包含的碳烟以便对其进行周期性燃烧。例如，后处理设备包括氧化催化转换器和/或颗粒过滤器和/或氮氧化物捕集器(或NOx捕集器)，和/或用于氮氧化物的选择性还原的催化转换器、也被称为SCR(选择性催化还原)催化转换器。
[0038]涡轮压缩机9的涡轮机11被离开排气歧管26的燃烧废气的流动驱动而旋转，并且由于诸如传动轴的机械联接装置使得可以驱动已经提到的压缩机13旋转。
[0039]类似地，涡轮发电机系统I的涡轮机22被燃烧废气的流动驱动而旋转并且驱动涡轮发电机系统I的电动机器23(在此为发电机)，该电动机器可能是可逆的。
[0040]通过电动机器23(由涡轮发电机系统I的涡轮机22驱动并且用作发电机)的旋转产生的电能被存储在电能存储系统16(例如电池或超级电容器设备)中。
[0041]根据一个可能的实施例，该涡轮发电机系统的涡轮机22可以具有可变的几何形状，例如位置可变(例如，根据从控制模块或计算器12接收到的命令而变化，该控制模块或计算器的操作随后将进行描述)的多个鳍片；因此，可以调整由涡轮机22产生的背压并且调制由电动机器23回收的电能的量。
[0042]根据一个可设想到的变体，该排气管线还可以进一步包括涡轮发电机系统I的分支回路2，该分支回路与涡轮发电机系统I的涡轮机22平行地延伸并且包括分支阀3，该分支阀使得可以调节进入涡轮发电机系统I的涡轮机22的燃烧废气的比例。
[0043]此外，提供了两个燃烧废气再循环回路:
[0044]-第一再循环回路从排气歧管26延伸到空气分配器25、并且在该方向上包括高压再循环空气冷却器8和高压排气再循环阀(或EGR阀)7;
[0045]-第二再循环回路从该排气管线的位于后处理设备14与涡轮发电机系统I的涡轮机22之间的接合元件24延伸至上述低压排气再循环阀19。
[0046]可以使用存储在存储系统16中的电能来驱动对传动系的运行有用的的电动设备(例如电动机器)，例如以便协助机动车辆的推进。
[0047]例如，如在该图中可看到的，在该传动系内，可逆电动机器30可以是与内燃发动机4相关联的。
[0048]电动机器30能够在计算机或控制模块12的监督下以“驱动”模式或以“发电机”模式运行，该电动机器例如是与内燃发动机4的飞轮分离开的交流发电机-起动电动机并且其旋转轴32经由传动装置34联接到内燃发动机4的旋转轴36(例如曲轴)。
[0049]在“发电机”模式中，电动机器30是交流发电机，阻力电动扭矩Ce通过该交流发电机产生旨在被存储在存储系统16中的电流;在“驱动”模式中，相反，电动机器30供应有预先存储在存储系统16中的电流并且产生驱动电动扭矩Ce3，该驱动电动扭矩被添加到由内燃发动机4产生的扭矩Ct并且被传送到车辆的车轮。
[0050]这种类型的传动系的运行模式如下:驾驶员对车辆的加速器踏板(未示出)的下压被计算机(未示出)转换成用于有待传送到车辆的车轮的扭矩的设定点C。扭矩C于是能够以热力扭矩Ct的形式或电动扭矩Ce3的形式、或这两者的组合的形式来获得。在所有情况下，扭矩C的值等于热力扭矩Ct和电动扭矩Ce3的值的代数和，该电动扭矩在“驱动”模式中采取正值并且在电动机器30的“发电机”中采取负值。根据该车辆和/或传动系的多个不同参数的分配受到控制模块12的影响，该控制模块在此用于控制电动机器30(而且还可以用于如随后描述的其他目的)。
[0051]控制模块12包括用于监测存储系统16的电荷Cb的装置。如果电荷水平Cb是不充足的、即低于最小电荷阈值阈CBmin(例如剩余存储系统电荷的15%)，则控制模块12阻止以“驱动”模式使用电动机器30。实际上，低于该最小电荷阈值CBmin，存储系统16不再处于在行使电动机器30的补足扭矩的功能的位置，并且存在过早磨损存储系统16的部件的风险。相反，如果电荷水平Cb最大、即等于最大电荷阈值CBmax，则控制模块12阻止以“发电机”模式使用电动机器30。
[0052]可替代地，可以不同地使用所存储的值得注意地由涡轮发电机系统I回收的电能来有助于推进。例如，可以使用存储在存储系统16中的电能来将能量供应给电动机，该电动机被旋转地联接到内燃发动机4的曲轴。
[0053]在刚才提到的在该传动系中使用电动机或电动机器(除了内燃发动机4)的情形中，该机动车辆一般被描述为混合动力车辆。
[0054]以上已经描述了将由涡轮发电机系统I的电动机器23产生的电能在使用之前先存储的解决方案。可替代地，由电动机器23产生的电能可以在其产生时使用，例如以便有助于如上所述机动车辆的推进。
[0055]还可以使用存储在存储系统16中的电能来将能量供应给用于向该内燃发动机供应增压空气的电动压缩机，优选是在重新启动增压的过渡阶段。该电动压缩机例如在该进气管线中被安装在空气过滤器20与发动机4的进气阀之间并且在启动涡轮机11的阶段被激活。
[0056]可替代地，并且为了同样的重新启动增压的目的，如果电动机器23是可逆地，则可以重新使用存储在存储系统16中的电能来将能量供应给电动机器23，以使其驱动涡轮发电机系统I的涡轮机22(这是与上述相反的操作)以使该涡轮机的旋转加速，这带来了朝向涡轮压缩机9的涡轮机11的下游侧的气体吸入。
[0057]这使得可以加速启动涡轮压缩机9的旋转，特别是在一些过渡阶段。在使用了涡轮发电机系统I的分支回路2的变体的背景下，在这些过渡阶段可以将分支阀3进一步放置在完全封堵分支回路2的位置，以便获得最大的加速效果。
[0058]内燃发动机4进一步包括用于将燃料喷射到这些汽缸中的管线。该喷射管线包括喷射栗，该喷射栗被适配成从燃料箱获取燃料以便在压力下将其供给到分配轨中，该分配轨通过四个喷射器将燃料排放到这些汽缸中。
[0059]如图1所示，使用上面提到的控制模块来控制内燃发动机4的这些不同构件。控制模块12包括处理器(CPU)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(R0M)、多个模拟数字(A/D)转换器以及输入和输出接口。
[0060]由于其多个输入接口，控制模块12被适配成从多个不同的传感器接收与该发动机的运行有关的多个输入信号。
[0061]这些传感器值得注意地包括用于分支回路2中分支阀3的下游侧的声压的传感器。
[0062]由于该声压传感器和多个不同的其他传感器，控制模块12将以下各项连续地存储在其随机存取存储器中:
[0063]-内燃发动机4的瞬时负荷C，
[0064]-内燃发动机4的瞬时速度R，
[0065]-排气管线层面的噪声。
[0066]负荷C(也称为“发动机负荷”)对应于由发动机提供的功与在给定速度下该发动机能够开发的最大功的比率。该负荷一般是借助于称作平均有效压力(MEP)的变量来近似的。该负荷的值特别地取决于驾驶员对加速器踏板的下压量。
[0067]速度R对应于用每分钟转数表示的曲轴的旋转速度。
[0068]由于在测试台上产生并存储在其只读存储器(ROM)中的预定图谱，控制模块12被适配成针对该发动机的每个运行状况(由上述传感器来确定)产生多个输出信号。
[0069]最后，由于其多个输出接口，控制模块12被适配成将这些输出信号传送到该发动机的这些不同构件，值得注意的是传送到分支阀3。
[0070]在第一运行模式中，例如，控制模块12可以因此控制分支阀3以控制在该排气管线中的噪声，在实践中，使得由该声压传感器测量的噪声符合存储在控制模块12中的设定点。分支阀3被关闭得越多，这些气体就致使涡轮机22转动得越快，并且管线17中的排气环路中这些排出气体的声脉动就衰减越多。可替代地，值得注意地在没有声压传感器的系统中，可以根据存储在控制模块12中的图谱来控制分支阀3的开口，该图谱例如限定了分支阀3的内部阀瓣根据该内燃发动机的不同运行参数(如以上提及的负荷C和速度R)的位置。
[0071]由于这样的使排气噪声能够得以控制的运行模式，可以减少在该排气管线中使用的膨胀罐的尺寸。
[0072]根据可设想的第二运行模式，控制模块12控制分支阀3在起动该发动机时处于封堵分支回路2的位置，例如直到达到预定的发动机温度阈值，以使得涡轮发电机系统I的涡轮机22在该排气管线中产生高背压，这迫使该内燃发动机以较高的负荷点运行，其中更多的热量放出到排气。
[0073]这加速了后处理系统的温度上升。应当注意的是，开始阶段小的过度消耗是必要的;但是，因为背压是由该涡轮发电机系统的涡轮机22产生的，这种过度消耗被以电能的形式回收。
[0074]一旦这个启动阶段结束后，例如在达到一个温度阈值时，该后处理系统正常运行，并且控制模块12命令分支阀3至少部分打开，以在该排气管线中获得较小的背压。然后，控制模块12可以此外选择提供更佳效率的燃油喷射设置。
[0075]应当注意的是，该第二运行模式可以与第一运行模式相结合。例如，在这种情况下，如果由声压传感器测量到的噪声不超过根据该第一运行模式固定的设定点，则根据该第二运行模式来控制分支阀3 ；如果超过该设定点，则根据该第一运行模式来控制分支阀3。
【主权项】
1.一种用于内燃发动机(4)的燃烧废气排气管线，包括: -一个涡轮压缩机(9)的涡轮机(11)， -一个涡轮回收系统(I)的涡轮机(2 2 )，该涡轮回收系统的涡轮机在该排气管线中被布置在该涡轮压缩机(9)的涡轮机(11)的下游侧，以及 -一个接合元件(24)，该接合元件使得能够连接一个燃烧废气再循环管线并且被布置在该涡轮压缩机(9)的涡轮机(11)与该涡轮回收系统(I)的涡轮机(22)之间， 其特征在于，该燃烧废气排气管线包括一个后处理设备(14)，该后处理设备被布置在该涡轮压缩机(9)的涡轮机(11)与该接合元件(24)之间。2.如权利要求1所述的排气管线，其中，该涡轮回收系统是一个涡轮发电机系统(I)。3.如权利要求2所述的排气管线，其中，该涡轮发电机系统(I)被连接到存储装置(16)，该存储装置被设计成存储由该涡轮发电机系统(I)供应的电能。4.如权利要求2或3所述的排气管线，其中，一个电动机器(30)供应有由该涡轮发电机系统(I)产生的电能，该电动机器被设计成在该电动机器(30)的至少一种运行模式中有助于车辆的推进。5.如权利要求2或3所述的排气管线，其中，一个电动压缩机供应有由该涡轮发电机系统产生的电能。6.如权利要求1至5中任一项所述的排气管线，其中，一个分支回路(2)与该涡轮回收系统(I)的涡轮机(22)并联地连接，该分支回路包括一个阀(3)。7.如权利要求1至6中任一项所述的排气管线，其中，该涡轮回收系统(I)包括一个可逆电动机器(23)。8.一种内燃发动机，包括: -一个发动机缸体(4 )，该发动机缸体界定了至少一个燃烧室， -一个进气管线，该进气管线用于允许冷空气进入每个燃烧室，以及 -一个回路，该回路用于将燃料喷射到该进气管线或每个燃烧室中， 其特征在于，该该内燃发动机进一步包括用于从每个燃烧室排出燃烧废气的一个如权利要求I至7中任一项所述的管线以及一个再循环管线，该再循环管线在一侧连接到所述接合元件并且在另一侧连接到该进气管线。9.如权利要求8所述的内燃发动机，其中，该进气管线包括该涡轮压缩机(9)的一个压缩机(13)。10.如权利要求8或9所述的内燃发动机，权利要求8从属于权利要求2，包括一个电气设备，该电气设备在至少一种运行模式中供应有由该涡轮发电机系统(I)产生的电能。
【文档编号】B60K6/20GK105829673SQ201480070146
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2014年11月14日
【发明人】P·埃梅里, J-Y·德尔-马泰奥西安
【申请人】雷诺股份公司