机械增压内燃发动机及其操作方法
技术领域
本发明涉及一种机械增压内燃发动机，其具有：
-液体冷却装置，其包括传导冷却剂的冷却剂回路，
-用于供应增压空气的进气系统，
-用于排出排气的排气排放系统，
-至少一个压缩机，其被布置以用于压缩进气系统中的增压空气的目的并且包括至少一个叶轮，叶轮安装在压缩机壳体中的可旋转轴上并配备有叶轮叶片，
-排气再循环装置，其包括再循环管路，该再循环管路通向至少一个压缩机叶轮上游的进气系统，形成第一接合点，以及
-热交换器，其布置在进气系统中的第一接合点的上游并且结合到冷却剂回路中并且用于在增压空气和冷却剂之间传递热量。
本发明还涉及一种操作这种类型的内燃发动机的方法。
所述类型的内燃发动机用作机动车辆的驱动器。在本发明的上下文中，表述“内燃发动机”包括柴油发动机和奥托循环发动机，还包括混合动力内燃发动机，即以混合动力燃烧过程运行的内燃发动机，以及混合动力驱动器，其除了内燃发动机之外，还包括至少一个用于驱动机动车辆的另一扭矩源，例如代替内燃发动机或与内燃发动机一起使用的通过驱动器可连接或通过驱动内燃发动机的驱动器连接的输出动力的电动机器。
背景技术
现代内燃发动机通常热负荷更高，因此对冷却装置的要求也更高，特别是在汽缸盖配备有集成排气歧管和/或内燃发动机是机械增压内燃发动机的情况下。
如果内燃发动机具有液体冷却装置，则通常在汽缸盖和/或汽缸体中形成多个冷却剂管道或至少一个冷却套，其中冷却剂管道或(一个或多个)冷却套传导冷却剂通过汽缸盖或汽缸体。
在内燃发动机的发展中，人们不断地寻求将燃料消耗降到最低。此外，还寻求减少污染物排放，以便能够符合未来污染物排放极限值。
内燃发动机越来越普遍地配备有机械增压装置，其中机械增压主要是一种增加功率的方法，在这种方法中，发动机燃烧过程所需的增压空气被压缩，从而在每个工作循环中向每个汽缸提供更大质量的增压空气。以此方式，可以增加燃料质量并由此增加平均压力。
机械增压是一种在保持扫掠体积(swept volume)不变的同时提高内燃发动机功率或在保持相同功率的同时减小扫掠体积的合适的手段。在所有的情况下，机械增压导致体积功率输出的增加和更有利的功率重量比。如果扫掠体积减小，则由此可以将总负荷向较高负荷移动，在较高负荷下燃料消耗率较低。通过机械增压与合适的变速器构造相结合，还可以实现所谓的降速，通过降速同样可以实现较低的燃料消耗率。
因此，机械增压有助于内燃发动机的不断开发以最小化燃料消耗，即提高内燃发动机的效率。
对于机械增压，通常使用排气涡轮增压器，其中压缩机和涡轮布置在同一轴上。热排气流被馈送到涡轮并在涡轮中随着能量的释放而膨胀，从而使轴处于旋转状态。排气流释放到涡轮并最终到达轴的能量用于驱动压缩机，该压缩机同样布置在轴上。压缩机输送并压缩馈送到该压缩机的增压空气，从而获得汽缸的机械增压。
增压空气冷却器有利地设置在压缩机下游的进气系统中，通过该增压空气冷却器，压缩的增压空气在进入至少一个汽缸之前被冷却。冷却器降低温度，从而增加增压空气的密度，使得冷却器也有助于改善汽缸的增压，也就是说，产生更大的空气质量。进行通过冷却的压缩。
排气涡轮增压器相对于机械增压器的优点包括排气涡轮增压器利用热排气的排气能量，而机械增压器直接或间接地从内燃发动机中获取驱动机械增压器所需的能量，并且因此产生不利影响，也就是说，至少在驱动能量不是源自能量回收源的情况下降低了效率。通常，在机械增压器与内燃发动机之间进行动力传输需要机械连接，例如牵引机构驱动器。
机械增压器相对于排气涡轮增压器的优点包括一般来说，机械增压器可以独立于内燃发动机的当前工作状态产生并提供所需的增压压力，特别是在曲轴的低转速下。机械增压器相对于排气涡轮增压器的优点包括机械增压器可以在全部时间里产生并提供所需的充气压力，特别是与内燃发动机的工作状态无关。这尤其适用于机械增压器，机械增压器可以通过电动机器被电驱动，并且因此独立于曲轴转速。
在现有技术中，特别是具有通过排气涡轮增压在全部发动机转速范围内实现功率增加时遇到困难的情况。如果低于(undershot)某个发动机转速，则会观察到相对严重的扭矩下降。如果考虑到增压压力比取决于涡轮压力比，那么上述扭矩下降是可以理解的。如果降低发动机转速，则导致较小的排气质量流量，并且因此导致涡轮压力比降低，其结果是，增压压力比同样朝着较低的发动机转速降低。这相当于扭矩下降。
本发明涉及的机械增压内燃发动机具有用于机械增压目的的至少一个压缩机，其可以是机械增压器、电动机械增压器或排气涡轮增压器的压缩机。
压缩机上游可能会出现问题，特别是如果内燃发动机配备有排气再循环装置，其中排气被引入压缩机上游的进气系统中。具体来说，可能形成冷凝物。在这种情况下，必须允许多个方案。
首先，如果再循环的热排气遇到冷的新鲜空气并与之混合，就会形成冷凝物。排气冷却下来，而新鲜空气的温度升高。新鲜空气和再循环排气的混合物的温度，即增压空气温度，低于再循环排气的排气温度。在排气的冷却过程中，如果气态增压空气流的成分的露点温度被降低，则先前仍以气态形式存在于排气中的液体特别是水可能冷凝。
冷凝物在自由的增压空气流中形成，其中增压空气中的杂质经常构成用于形成冷凝物液滴的起点。
其次，由于壁温通常低于相关气体成分的露点，当再循环的热排气和/或增压空气撞击进气系统的内壁或压缩机壳体的内壁时，可以形成冷凝物。
上述问题随着再循环率的增大而加剧，因为随着再循环排气流速的增大，增压空气中各个排气成分的分数，特别是排气中包含的水的分数不可避免地增加。因此，在现有技术中，为了防止或减少冷凝的发生，通常限制通过低压EGR装置再循环的排气流速。一方面，低压EGR的要求限制，另一方面，大幅度降低氮氧化物排放所需的高排气再循环率，导致再循环排气流速的尺寸设计目标的不同。减少氮氧化物排放的法律要求突出了这一问题在实践中的高度相关性。
此外，随着环境温度的降低，冷凝物的形成问题变得更加有意义。环境温度越低，冷凝物形成的可能性越大，从而形成更多的冷凝物。这在实际情况下非常重要，特别是考虑到立法机构提出的测试周期。
上述效果与热排气的再循环的同时发生类似地也适用于通风流，该通风流通常从曲轴箱中抽出并引入到压缩机上游的进气系统中。
冷凝物和冷凝物液滴是不被期望的，并且会导致进气系统中噪声排放的增加，可能损坏至少一个压缩机叶轮的叶片。这与压缩机的效率降低有关。
US 8297922B1描述了一种整流罩，其意图保护压缩机叶轮免受损坏和沉积。整流罩构成一个附加的重量，该附加的重量与压缩机的旋转叶轮一起旋转，其中相应的高力作用于轴承中的压缩机轴上。由于重型整流罩以及压缩机的旋转叶轮必须被加速和减速，因此压缩机的响应特性会受到很大的损害。
压缩机的叶轮也可以被涂覆或表面处理，特别是被硬化。
可替代地，根据现有技术的压缩机配备有加热装置，通过该加热装置可以提高压缩机壳体内壁的温度。这样可以防止或减少进气系统内壁或压缩机壳体内壁上形成冷凝物。这是一个繁琐而昂贵的概念。
现有技术的另一个概念提供了在进气系统中将热交换器布置在压缩机的上游。热交换器被结合到内燃发动机的冷却回路中，因此热量可以通过加热的冷却剂被吸收到较冷的增压空气中。该概念的缺点在于，在内燃发动机的冷起动之后不可能通过冷却剂加热增压空气，因为在冷起动之后，冷却剂本身通常不具有加热增压空气所需的较高温度，特别是在环境温度较低时。
发明内容
在此背景下，本发明的目的是提供一种根据权利要求1所述的机械增压内燃发动机，通过该机械增压内燃发动机，克服了现有技术已知的缺点，并且通过该机械增压内燃发动机可以抵消进气系统中形成的冷凝物。
本发明的另一个子目的是提出操作这种类型的内燃发动机的方法。
第一个子目的是通过具有以下特征的机械增压内燃发动机实现的：
-液体冷却装置，其包括传导冷却剂的冷却回路，
-用于提供增压空气的进气系统，
-用于排放排气的排气排放系统，
-至少一个压缩机，其被设置用于压缩进气系统中的增压空气并且包括至少一个叶轮，该叶轮安装在压缩机壳体中的可旋转轴上并且配备有叶轮叶片，
-排气再循环装置，其包括再循环管路，该再循环管路通向至少一个压缩机叶轮上游的进气系统，并且形成第一接合点，以及
-热交换器，其设置在进气系统中第一接合点的上游并被结合到冷却回路中，并且用于在增压空气和冷却剂之间传递热量，
该内燃发动机的特征在于：
-在热交换器上游的冷却回路中设置有电操作的加热装置。
根据本发明，内燃发动机的液体冷却装置配备有电操作的加热装置，该装置安装在热交换器上游的冷却回路中，并且当需要时，通过该电操作的加热装置，可在冷却剂进入热交换器之前提高冷却剂的温度；例如，在内燃发动机的冷起动期间或在较低的环境温度下。加热装置可用于将冷却剂温度升高到超过增压空气温度，即环境空气温度，并且因此，使用加热的冷却剂，当增压空气流经热交换器时，热量可进入增压空气。
这样可以防止或减少进气系统或压缩机壳体的内壁上的冷凝物的形成以及自由的增压空气流中冷凝物的形成。
通过防止进气系统中和压缩机的进气区域中形成冷凝物，由冷凝物液滴导致的增加的噪声排放不再适用。消除了至少一台压缩机的叶轮叶片损坏的风险。
根据本发明的内燃发动机实现了本发明所基于的第一个目的，即提供了根据权利要求1所述的内燃发动机，通过该内燃发动机，可以克服现有技术已知的缺点，并且通过该内燃发动机，可以抵消进气系统中形成的冷凝物。
在本发明的概念中，较低的环境温度特别与低于冰点的温度有关，例如-7℃。
可以在任意时间启用电加热装置以便通过提供热量来加热冷却剂。这种电加热装置可以例如通过车辆的车载电池供电，而不考虑内燃发动机的工作状态。
将结合从属权利要求讨论机械增压内燃发动机的进一步的有利实施例。
机械增压内燃发动机的实施例是有利的，其中再循环管路从排气排放系统分支，从而形成第二接合点。
在次情况中，排气再循环装置可以是高压EGR装置，其从排气涡轮增压器的涡轮上游的排气排放系统中提取排气并将所述排气引入进气系统中，或者排气再循环装置可以是低压EGR装置，通过该低压EGR装置，已经流过涡轮的排气被再循环到入口侧。低压EGR装置包括再循环管路，该再循环管路从涡轮下游的排气排放系统分支并通向压缩机上游的进气系统中。
低压EGR装置相对于高压EGR装置的主要优点是，在排气再循环期间引入涡轮的排气流不会因再循环排气流速而减少。整个排气流始终可在涡轮处获得以便生成足够高的升压压力。
通过低压EGR装置再循环到入口侧并在单独情况下冷却的排气与压缩机上游的新鲜空气混合。以这种方式产生的新鲜空气和再循环排气的混合物形成了供给到压缩机并被压缩的增压空气。
这里，排气在低压EGR过程中传输经过压缩机的事实并不有害，因为优选使用经历了排气后处理的排气，特别是在涡轮下游的微粒过滤器中。因此，压缩机中不存在沉积物的风险，这些沉积物会改变压缩机的几何形状，特别是流量横截面，从而降低压缩机的效率。
根据本发明可以避免或减少冷凝物的形成。在这方面，不必限制通过低压EGR再循环的排气流速，使得可以通过低压EGR实现高再循环率，从而大幅减少氮氧化物排放。
然而，除了低压EGR装置外，还可以使用高压EGR装置，在这种情况下，排气从排气涡轮增压器的涡轮上游的排气排放系统中抽出并被引入压缩机下游或上游的进气系统中。
机械增压式内燃发动机的实施例是有利的，其中在热交换器和电操作的加热装置之间的冷却回路中未设置消耗器。在本文的上下文中，消耗器是指为保持其功能(例如车辆内部加热或燃料加热)而需要热量进入的单元。在这方面，关闭元件(例如活门或阀)不是消耗器。
消耗器在进入热交换器之前会从冷却剂中提取热量，并会以这种方式减少从冷却剂到增压空气的热量传递。
机械增压内燃发动机的实施例是有利的，其中在第一接合点上游的进气系统中设置有空气净化装置。空气净化装置将微粒和异物从增压空气流中过滤出来，由此不仅可以防止杂质，而且还可以防止下游进气系统、至少一个压缩机和内燃发动机的损坏。
在这种情况下，机械增压内燃发动机的实施例是有利的，其中空气净化装置和热交换器被设计为联合集成部件。空气净化装置和热交换器都能从尽可能大的表面中获益。在空气净化装置的情况下，大的过滤器表面确保足够大的增压空气流量，并且几乎不损失压力。在热交换器的情况下，可以传递的热量增加，热传递表面更大。
包括空气净化装置和热交换器的集成部件可以作为预组装的组件使用，并且有助于更有效地包装在发动机舱中。
机械增压内燃发动机的实施例是有利的，其中至少一个压缩机具有相对于压缩机的轴同轴地延伸的入口区域，并且该入口区域被设计为使得接近压缩机的增压空气流基本沿轴向延伸。
在轴向流入压缩机的情况下，通常省略了进气系统中至少一个压缩机叶轮上游的增压空气流的转向或方向的改变，由此避免了由于流转向造成的增压空气流中不必要的压力损失，并且增加了排气涡轮增压器的压缩机的入口处的增压空气压力。不改变方向也减少了排气和/或增压空气与进气系统的内壁和/或压缩机壳体的内壁的接触，并且因此减少了热传递和冷凝物的形成。
机械增压的内燃发动机的实施例是有利的，其中布置在进气系统中的至少一个压缩机属于排气涡轮增压器，该排气涡轮增压器包括在排气排放系统中布置的涡轮和布置在进气系统中的压缩机。
具有可变的涡轮几何形状的涡轮允许通过调节涡轮几何形状或有效的涡轮横截面来更详细地适应内燃发动机的各个工作点，这可以用于在一定程度上进行涡轮几何形状的基于发动机转速或基于负载的调节。
可以使用多个涡轮增压器来改善机械增压内燃发动机的扭矩特性。除了排气涡轮增压器之外，基本上还可以设置机械或电动机械增压器。优点是上面已经说明的优点。
机械增压内燃发动机的实施例是有利的，其中再循环管路从排气排放系统分支，从而在排气涡轮增压器的涡轮下游形成第二接合点。优点是已经结合低压EGR装置的描述而陈述的优点。
在这种情况下，机械增压内燃发动机的实施例是有利的，其中在第二接合点下游的排气排放系统中设置有第一切断元件。
这里，再循环管路从涡轮和第一切断元件之间的排气排放系统分支。第一切断元件可用于增加排气排放系统中上游的排气压力，并且由此有利于并可用于增加排气排放系统和进气系统之间的压力梯度。这提供了优势，特别是在需要更大的压力梯度的高再循环率的情况下。
机械增压内燃发动机的实施例同样是有利的，其中第二切断元件布置在第一接合点上游的进气系统中。
第二切断元件在入口侧用于降低进气系统中的压力，并且因此与第一切断元件一样，有助于增加排气排放系统和进气系统之间的压力梯度。
机械增压内燃发动机的实施例是有利的，其中第一和/或第二切断元件是可枢转的襟翼。
机械增压内燃发动机的实施例也可以是有利的，其中EGR冷却器布置在再循环管路中。特别是在需要再循环或高再循环率的高排气流速下，建议对再循环排气进行冷却。
机械增压式内燃发动机的实施例也可以是有利的，其中EGR阀布置在再循环管路中。
EGR阀用于设置再循环的排气流速。特别地，实施例是有利的，其中EGR阀布置在第一接合点处。实施例是特别有利的，其特征在于，EGR阀是组合阀，使用该组合阀可以调整再循环排气的流速和新鲜空气流速。
本发明所基于的第二个子目的特别是提出用于操作上述类型的机械增压内燃发动机的方法，其是通过一种方法来实现的，该方法的特征在于，为了在冷却剂进入热交换器之前提高该冷却剂的温度，电操作的加热装置被启用，并且使用加热的冷却剂，以将热量引入增压空气中并以此方式提高增压空气温度。
已经对根据本发明的内燃发动机进行了说明的内容也适用于根据本发明的所述方法，为此，通常在此参考上面对机械增压内燃发动机进行的说明。不同的内燃发动机在某种程度上需要不同的方法变型。
如果预期进气系统中会形成冷凝物，则启用电操作的加热装置的方法变型是有利的。
在内燃发动机的冷起动后启用电操作的加热装置的方法变型是有利的。
如果环境温度低于预定的极限温度，则启用电操作的加热装置的方法变型是有利的。
附图说明
下面将在根据图1的示例性实施例的基础上更详细地描述本发明。在附图中：
图1示意性地示出了内燃发动机的第一实施例。
具体实施方式
图1示意性地示出了机械增压内燃发动机1的第一实施例，该机械增压内燃发动机1配备有排气涡轮增压器5，其包括布置在排气排放系统3中并且具有可变涡轮几何结构的涡轮5b和布置在进气系统2中的压缩机4、5a。热排气在涡轮5b中膨胀，并释放出能量。压缩机4、5a压缩通过进气系统2和下游提供的增压空气冷却器2a供给到汽缸的增压空气，从而实现内燃发动机1的机械增压。所述内燃发动机是四缸直列式发动机，其中四缸沿汽缸盖的纵轴排列，即成一条直线。
内燃发动机1具有液体冷却装置10，其包括传导冷却剂的冷却回路10a。
内燃发动机1配备有排气再循环装置6，在此是低压EGR装置6，其包括再循环管路6a，该再循环管路在涡轮5b的下游并从排气排放系统3分支，以形成第二接合点6”，并在压缩机5a的上游，引入进气系统2中，从而形成第一接合点6’。EGR阀6b和EGR冷却器6c被布置在低压EGR布置6的再循环管路6a中。
流过涡轮5b的排气在涡轮5b与第二接合点6”之间经历微粒过滤器9中的排气后处理，并且因此仅净化了碳烟微粒的排气流过压缩机4，5a。
第二切断元件2b设置在第一接合点6’上游的进气系统2中，并且可用于降低进气系统2下游的压力，从而增大排气排放系统3和进气系统2之间的压力梯度。这尤其在需要更高压力梯度的高再循环率的情况下提供了优点。
在第一接合点6’的上游和在此第二切断元件2b的上游提供组件，该组件包括过滤器形式的空气净化装置8和热交换器7，其中根据图1，热交换器7布置在空气净化装置8的上游。
热交换器7被并入液体冷却装置10的冷却回路10a中并用于在增压空气和冷却剂之间传递热量。经由进气系统2流过热交换器7的增压空气的温度因此可以增高，也就是说，利用冷却剂升温。
为此，内燃发动机1的液体冷却装置10配备有电操作的加热装置11，该加热装置设置在热交换器7上游的冷却回路10a中，并且在冷却剂进入热交换器7之前，可以利用该电操作的加热装置11提高冷却剂的温度。通过加热装置11，可以将冷却剂温度升高到超过增压空气的温度，并且因此，使用加热的冷却剂，可以在增压空气流经热交换器7时将热量引入增压空气中。
这样可以防止或减少进气系统2中冷凝物的形成。
参考名称
1机械增压内燃发动机
2进气系统
2a增压空气冷却器
2b第二切断元件
3排气排放系统
4压缩机
5排气涡轮增压器
5a排气涡轮增压器的压缩机
5b排气涡轮增压器的涡轮
6排气再循环装置
6’第一接合点
6”第二接合点
6a再循环管路
6b EGR阀
6c EGR冷却器
7热交换器
8空气净化装置
9微粒过滤器
10液体冷却装置
10a冷却回路
11加热装置
