專利名稱：具有汽缸蓋和渦輪機(jī)的內(nèi)燃機(jī)以及這種內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有至少一個(gè)汽缸蓋和至少一個(gè)渦輪機(jī)的內(nèi)燃機(jī)，在此內(nèi)燃機(jī)中-此至少一個(gè)汽缸蓋包含至少一個(gè)汽缸，其中每個(gè)汽缸都具有至少一個(gè)排氣孔，用來把排氣從汽缸中排出來，并且在每個(gè)排氣孔上均連接有排氣導(dǎo)管；并且-為了利用排氣熱焓，此至少一個(gè)包含渦輪機(jī)外殼的渦輪機(jī)與至少一個(gè)排氣導(dǎo)管相連，其中此渦輪機(jī)外殼為了形成冷卻器配備了與冷卻劑外罩類似的空腔。此外，本發(fā)明還涉及一種這種內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行方法。
背景技術(shù)：
上述類型的內(nèi)燃機(jī)被用作汽車的驅(qū)動(dòng)裝置。在本發(fā)明的范疇中，內(nèi)燃機(jī)這一概念包含柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，并且還包含混合_內(nèi)燃機(jī)，即借助混合-燃燒方法驅(qū)動(dòng)的內(nèi)燃機(jī)。內(nèi)燃機(jī)具有汽缸體和汽缸蓋，它們彼此相連以形成至少一個(gè)汽缸(即燃燒室)。為容納活塞或汽缸套，汽缸體具有相應(yīng)數(shù)量的汽缸孔。此活塞以能夠軸向活動(dòng)的方式約束在汽缸套中，并與汽缸套及汽缸蓋一起構(gòu)成內(nèi)燃機(jī)的燃燒室。汽缸蓋通常用來容納閥門傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。為了控制換氣，內(nèi)燃機(jī)需要控制機(jī)構(gòu)(即閥門)和用來操縱控制機(jī)構(gòu)的操縱裝置。在換氣的范疇中，燃燒氣體通過排氣孔實(shí)現(xiàn)排出，而燃燒室則通過進(jìn)氣孔進(jìn)氣(即吸氣)。閥門運(yùn)動(dòng)所需的閥門操縱機(jī)構(gòu)連同閥門自身被稱為閥門傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。按現(xiàn)有技術(shù)，通向進(jìn)氣孔的進(jìn)氣通道以及連接在排氣孔上的排氣通道或排氣導(dǎo)管至少局部地集成在汽缸蓋上。汽缸的排氣導(dǎo)管成組地聚集在一起，通常還聚集成唯一一個(gè)總排氣導(dǎo)管。由各排氣導(dǎo)管聚集成的共同的排氣導(dǎo)管，通常被稱為排氣彎管，在本發(fā)明的范疇內(nèi)也如此。在所述至少一個(gè)汽缸的下游，排氣通過排氣導(dǎo)管可能傳輸?shù)脚艢鉁u輪壓縮機(jī)的渦輪機(jī)中，和/或傳輸?shù)揭粋€(gè)或多個(gè)排氣再處理系統(tǒng)中。因此，一方面努力將排氣渦輪壓縮機(jī)的渦輪機(jī)盡量設(shè)置在內(nèi)燃機(jī)的排氣口附近， 以便能以這種方式最佳地利用熱排氣的排氣熱焓(排氣熱焓主要由排氣壓力和排氣溫度來決定)，并確保排氣渦輪壓縮機(jī)能夠快速響應(yīng)。另一方面，熱排氣通往不同排氣再處理系統(tǒng)的路徑也應(yīng)該盡量短，從而減少冷卻排氣的時(shí)間，并且使排氣再處理系統(tǒng)尺快地達(dá)到它的運(yùn)行溫度或反應(yīng)溫度，尤其在內(nèi)燃機(jī)冷啟動(dòng)之后。將渦輪機(jī)盡可能近地設(shè)置在發(fā)動(dòng)機(jī)附近，會(huì)由于燃燒氣體的高熱而使得渦輪機(jī)承受極高的熱負(fù)荷。在這種情況下還需注意，由于增壓，此熱負(fù)荷還會(huì)明顯增大。因此，制造渦輪機(jī)(尤其是渦輪機(jī)外殼)需要能夠承受高熱的材料。由于使用這種能夠承受高熱的材料(通常含鎳)，這種渦輪機(jī)的制造成本非常高， 尤其與采用原本優(yōu)選材料(即鋁)時(shí)產(chǎn)生的成本相比。不僅這些材料(即材料成本)會(huì)導(dǎo)致成本上升，而且對(duì)這種能夠承受高熱的材料進(jìn)行加工的成本(即加工成本)也很高，這也會(huì)導(dǎo)致成本上升。由此可知，如果可提供一種能夠由成本較低的材料(例如鋁)制成的渦輪機(jī)，則在成本方面是非常有利的。在渦輪機(jī)的重量方面，采用鋁材可能也是有利的。特別是在注意到以下情況時(shí)， 即，渦輪機(jī)設(shè)置在發(fā)動(dòng)機(jī)附近，這將使得外殼尺寸相對(duì)較大，而且體積龐大。由于空間狹小借助法蘭和螺釘實(shí)現(xiàn)的渦輪機(jī)與汽缸蓋的連接需要渦輪機(jī)具有較大的入口區(qū)域，而且，因?yàn)轫殲榘惭b工具設(shè)計(jì)足夠的空間，也需要渦輪機(jī)具有較大的入口區(qū)域。大體積的外殼相應(yīng)地具有較大的重量。當(dāng)渦輪機(jī)設(shè)置在發(fā)動(dòng)機(jī)附近時(shí)，由于投入的材料相對(duì)較多，鋁材與能夠承受高熱的材料相比所具有的重量?jī)?yōu)勢(shì)降低得尤為明顯。按現(xiàn)有技術(shù)，渦輪機(jī)配備了液體冷卻器，以便也能使用鋁來制造渦輪機(jī)外殼。 由于冷卻了承受高熱的渦輪機(jī)，因此可以省略用來保護(hù)鄰近部件免高溫影響的加熱片 (Hitzebleche) 0為構(gòu)造液體冷卻器，渦輪機(jī)外殼通常裝配有冷卻劑外罩，在這種情況下，此冷卻劑外罩可通過內(nèi)燃機(jī)的液體冷卻器來供應(yīng)冷卻劑，例如通過將集成在汽缸蓋上的冷卻劑外罩與渦輪機(jī)的冷卻劑外罩連接在一起的方式。例如在US 3，948，052中就描述了這種由液體來冷卻的渦輪機(jī)。EP 1 384 857 A2同樣公開了一種外殼裝配有冷卻劑外罩的渦輪機(jī)。由于液體(尤其是通常所用的水)特有的高熱容，利用液體冷卻器能夠從外殼上帶走大量的熱量。這些熱量在外殼內(nèi)部傳遞給冷卻劑，并借助冷卻劑排出。傳遞給冷卻劑的熱量在換熱器中再次從冷卻劑中去除。原則上存在這樣的可能性，即渦輪機(jī)的液體冷卻器配備有單獨(dú)的換熱器，或者，在由液體冷卻的內(nèi)燃機(jī)中，將發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻器的換熱器，也就是說將其它液體冷卻器的換熱器用于此種目的。在后一種情況中，只需要把兩個(gè)回路相應(yīng)地連接起來。但在這種情況中需注意，在渦輪機(jī)中被冷卻劑接收的熱量可能是40kW或更多。事實(shí)證明，在換熱器中要將這么多的熱量從冷卻劑中除去，并利用空氣流排到周圍環(huán)境中，是難以實(shí)現(xiàn)的?，F(xiàn)代的汽車驅(qū)動(dòng)裝置雖然配備了高效的風(fēng)扇馬達(dá)，以便在靜止?fàn)顟B(tài)(即在汽車停止時(shí))或者在汽車速度很低的情況下為冷卻系統(tǒng)的換熱器提供進(jìn)行充分熱交換所需的空氣質(zhì)量流量。原則上，這種風(fēng)扇也能夠加強(qiáng)換熱器中的熱交換。但是，對(duì)于熱交換起決定作用的另一參數(shù)，亦即為熱交換所提供的表面卻不能制成任意大或不能夠任意加大，因?yàn)槠嚽岸藚^(qū)域內(nèi)通常設(shè)置有不同的換熱器，因而可提供的位置有限。除了發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻器的換熱器以外，現(xiàn)代汽車通常還具有其它的換熱器，尤其是冷卻裝置。在內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣側(cè)通常設(shè)置有增壓空氣冷卻器，以便提高汽缸新鮮進(jìn)氣的密度， 并有利于更好地填充所述至少一個(gè)的汽缸。通常，增壓的內(nèi)燃機(jī)配備有增壓空氣冷卻器。為了保持最大允許的油溫，由于熱量傳導(dǎo)和自然對(duì)流，通過機(jī)油盤進(jìn)行散熱通常不再足夠，因此在個(gè)別情況下必須設(shè)置油冷卻器。此外，現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)越來越多地配備排氣再循環(huán)系統(tǒng)(AGR)。排氣再循環(huán)是一項(xiàng)用來防止氮氧化物形成(形成氮氧化物需要過量空氣及高溫)的措施，因?yàn)榕艢庠傺h(huán)是一項(xiàng)降低溫度的措施。為達(dá)到顯著降低氮氧化物排放的目的，需要很高的排氣循環(huán)率XAeK，由于Xact = mAGE/ (mAGE+mFrischluft)，其數(shù)量級(jí)可以是xAGR々50%至70 %，其中χΑ(;κ表示引回的排氣量，而 mFrischluft表示已輸入且可能已被壓縮的新鮮空氣或增壓空氣量。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)高循環(huán)率，需要強(qiáng)制地冷卻循環(huán)的排氣，即需要強(qiáng)制通過冷卻來壓縮排氣，以便增大循環(huán)的排氣的密度。因此，內(nèi)燃機(jī)需配備額外的冷卻裝置以冷卻待循環(huán)的排氣?？稍O(shè)置其它的冷卻器，以便例如在自動(dòng)變速箱中冷卻變速器油，和/或以便冷卻應(yīng)用在可液壓操縱的調(diào)節(jié)裝置中或用來協(xié)助轉(zhuǎn)向的冷卻液壓機(jī)液體(尤其是液壓油)?？照{(diào)設(shè)備的冷凝器同樣也是換熱器，它需在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中將熱量排到周圍環(huán)境中，因此需要有足夠大的空氣流，并因此被設(shè)置在前端區(qū)域中。由于前端區(qū)域內(nèi)的空間很狹窄，并且由于換熱器數(shù)量很多，所以只能有限制地考慮每個(gè)換熱器的實(shí)際冷卻需求。在現(xiàn)有技術(shù)中，換熱器在汽車前端部區(qū)域內(nèi)的尺寸與布局以及它們相互間的布局需要折衷考慮，因?yàn)樵跓峤粨Q方面，不可能將全部換熱器均設(shè)計(jì)成最佳的尺寸并以理想的方式來布置。這樣的方案，即在前端區(qū)域內(nèi)為渦輪機(jī)的液體冷卻器設(shè)置獨(dú)立的、足夠大的換熱器，或者，將液體冷卻的內(nèi)燃機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻器的換熱器設(shè)計(jì)成大尺寸，從而能夠通過它們額外地將得自渦輪機(jī)中的熱量排出去，是不存在的。因此，需要其它的能夠用以將在渦輪機(jī)的冷卻器范圍內(nèi)收集到冷卻劑中的熱量再次從冷卻劑中去除的措施，并且需要指明渦輪機(jī)的冷卻器的設(shè)計(jì)方案，以便處理如此多的熱量。

發(fā)明內(nèi)容
基于上述情況，本發(fā)明的目的是，提供一種根據(jù)本發(fā)明(即同類型)的、在渦輪機(jī)冷卻方面進(jìn)行了優(yōu)化的內(nèi)燃機(jī)。本發(fā)明的另一分目的是，指明一種這種內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行方法。上述第一分目的通過一種具有至少一個(gè)汽缸蓋和至少一個(gè)渦輪機(jī)的內(nèi)燃機(jī)得以實(shí)現(xiàn)，在此內(nèi)燃機(jī)中-至少一個(gè)汽缸蓋包含至少一個(gè)汽缸，其中，每個(gè)汽缸均具有至少一個(gè)排氣孔，用來把排氣從汽缸中排出來，并且，在每個(gè)排氣孔上均連接有排氣導(dǎo)管；并且-為了利用排氣熱焓，至少一個(gè)包含渦輪機(jī)外殼的渦輪機(jī)與至少一個(gè)排氣導(dǎo)管相連，其中，渦輪機(jī)外殼為了形成冷卻器配備有與冷卻劑外罩類似的空腔，其特征在于，_設(shè)置有配量裝置，它用來把液態(tài)的冷卻劑裝入空腔中，以便進(jìn)行蒸發(fā)，其中，為形成冷卻劑回路設(shè)置有排出導(dǎo)管和循環(huán)導(dǎo)管，所述排出導(dǎo)管用來把蒸發(fā)的冷卻劑從空腔中排出來，而所述循環(huán)導(dǎo)管則用來給配量裝置提供重新液化的冷卻劑。為了形成按本發(fā)明的冷卻器，渦輪機(jī)外殼配備有與冷卻劑外罩類似的空腔，也就是說配備有與用液體冷卻的渦輪機(jī)的冷卻劑外罩相似或一致的空腔。液態(tài)的冷卻劑是利用配量裝置裝入到此空腔中的。冷卻劑蒸發(fā)，并因此把熱量從渦輪機(jī)或渦輪機(jī)外殼中帶走。排出導(dǎo)管和循環(huán)導(dǎo)管的作用是，關(guān)閉冷卻劑回路。按照本發(fā)明，所述至少一個(gè)渦輪機(jī)沒有配備傳統(tǒng)意義上的液體冷卻器，而是配備了基于液態(tài)冷卻劑的蒸發(fā)原理的冷卻器。在渦輪機(jī)進(jìn)行冷卻時(shí)采取的這種方式在各種技術(shù)效果互相補(bǔ)充或者以有利的方式共同作用，即協(xié)同作用方面同時(shí)具有諸多優(yōu)點(diǎn)。一方面，在投入的冷卻劑量相對(duì)較少時(shí)， 渦輪機(jī)可通過冷卻劑的蒸發(fā)散去大量熱量。另一方面，存在于蒸氣狀冷卻劑中的熱焓(即借助于蒸發(fā)而聚集在冷卻劑中的熱量)可有多種不同用途?；诖嗽?，內(nèi)燃機(jī)的這種實(shí)施例特別有利，即在排出導(dǎo)管中設(shè)置能夠利用蒸發(fā)的冷卻劑的熱焓的裝置。與現(xiàn)有技術(shù)相反，那些在渦輪機(jī)中被冷卻劑接收的熱量不會(huì)未經(jīng)使用就在換熱器中排到周圍環(huán)境中去。相反，通過蒸發(fā)的冷卻劑的壓力下降和/或溫度下降，被帶入冷卻劑中的熱量變得有用并被再次利用，因此提高了內(nèi)燃機(jī)的整體效率。必然隨之發(fā)生的熱焓降能夠?qū)е禄騾f(xié)助蒸氣狀冷卻劑重新液化，這種液化正是為在封閉的冷卻劑回路中持續(xù)地給配量裝置供應(yīng)液態(tài)冷卻劑所期待或者說必需的。因此就實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的第一基本目的，S卩，提供一種根據(jù)本發(fā)明的對(duì)渦輪機(jī)的冷卻進(jìn)行了優(yōu)化的內(nèi)燃機(jī)。按本發(fā)明的內(nèi)燃機(jī)具有渦輪機(jī)，為利用排氣熱焓，該渦輪機(jī)與至少一個(gè)排氣導(dǎo)管相連。此渦輪機(jī)可以是排氣渦輪增壓機(jī)的組成部分，但不必非得是排氣渦輪增壓機(jī)的組成部分。雖然如此，但如下內(nèi)燃機(jī)實(shí)施方式是有利的，即與至少一個(gè)排氣導(dǎo)管相連的渦輪機(jī)是排氣渦輪增壓機(jī)的渦輪機(jī)。增壓首先有助于提高內(nèi)燃機(jī)的功率。燃燒過程所需的空氣被壓縮，因此在每個(gè)工作循環(huán)中均能有更多的空氣量被輸入到每個(gè)汽缸中。由此可增加燃料量，并因而提高平均壓力Pme0因此，對(duì)于在排量不變的情況下增大內(nèi)燃機(jī)的功率，或者在功率相同的情況下減小排量而言，增壓均是一種有用手段。在相同的汽車邊界條件下，綜合負(fù)載 (Lastkollektiv)可被推到更高的負(fù)載。內(nèi)燃機(jī)的燃料消耗降低，其效率得到改善。在排氣渦輪增壓機(jī)中，壓縮機(jī)和渦輪機(jī)設(shè)置在同一機(jī)軸上，其中，熱排氣流通過排氣導(dǎo)管輸入到渦輪機(jī)中，并在此渦輪機(jī)中釋出能量后降壓，從而使上述機(jī)軸開始旋轉(zhuǎn)。從排氣流傳達(dá)到渦輪機(jī)并最終傳遞到機(jī)軸上的能量被用于驅(qū)動(dòng)同樣設(shè)置在該機(jī)軸上的壓縮機(jī)。此壓縮機(jī)輸送并壓縮那些通過進(jìn)氣導(dǎo)管輸入其中的增壓空氣，由此實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)的增壓目的。與機(jī)械增壓機(jī)相比，排氣渦輪增壓機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于，在增壓機(jī)和內(nèi)燃機(jī)之間不存在或不需要用于傳遞功率的機(jī)械連接。機(jī)械增壓機(jī)從內(nèi)燃機(jī)中獲得其驅(qū)動(dòng)所需的能量，而排氣渦輪增壓機(jī)則利用由內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的熱排氣的能量，即排氣熱焓。內(nèi)燃機(jī)的其它有利實(shí)施例將結(jié)合各從屬權(quán)利要求進(jìn)行闡述。蒸發(fā)的冷卻劑的熱焓可有多種不同用途，也就是說，它是可利用的，其中，余熱的利用原則上是以蒸發(fā)的冷卻劑的壓力下降和/或溫度下降為基礎(chǔ)的。相應(yīng)地，為利用冷卻劑熱焓所用的裝置可能并不相同。
內(nèi)燃機(jī)如下實(shí)施例是有利的，即在排氣導(dǎo)管中設(shè)置活塞泵，以作為利用蒸發(fā)的冷卻劑的熱焓的裝置。特別是如下內(nèi)燃機(jī)實(shí)施例也是有利的，即，在排氣導(dǎo)管中設(shè)置流體機(jī)械，以作為利用蒸發(fā)的冷卻劑的熱焓的裝置。首先提到的活塞泵以及流體機(jī)械都是膨脹器，它們是在膨脹過程中通過壓力的下降而將熱量從被蒸發(fā)并通常過熱的冷卻劑中去除的。這兩種膨脹器適用于把從蒸氣狀的冷卻劑中獲得的能量用于其它用途，例如傳遞給內(nèi)燃機(jī)的曲柄軸，或者用來驅(qū)動(dòng)輔助機(jī)組。因此，改善了內(nèi)燃機(jī)的能量平衡或效率。在燃料投入相同的情況下，提高了內(nèi)燃機(jī)的功率輸出或能量輸出。因此，就利用結(jié)合在冷卻劑中的能量，以便提高內(nèi)燃機(jī)的功率輸出而言，膨脹器是有用的。活塞泵與內(nèi)燃機(jī)本身一樣是以間歇方式驅(qū)動(dòng)的，也就是說，是按節(jié)拍地工作，并且蒸氣狀的冷卻劑是一份一份地被輸入到此活塞泵中的，與之相反，流體機(jī)械的特征在于其連續(xù)的工作方式，在這種工作方式中，蒸氣狀冷卻劑以不中斷的方式輸入到流體機(jī)械中。由于持續(xù)的穿流，流體機(jī)械具有比活塞泵更高的效率。需注意的是，像活塞泵一樣具有一個(gè)或多個(gè)活塞，但卻被持續(xù)地穿流的膨脹器在本發(fā)明的范疇內(nèi)不屬于活塞泵，而是屬于流體機(jī)械。這種膨脹器的實(shí)例是魯茨鼓風(fēng)機(jī)，魯茨鼓風(fēng)機(jī)通常具有兩個(gè)活塞并被持續(xù)地穿流。如果利用冷卻劑熱焓的裝置是流體機(jī)械，則這樣的內(nèi)燃機(jī)實(shí)施例，即流體機(jī)械是蒸氣渦輪機(jī)的實(shí)施例特別有利。由于持續(xù)地穿流，渦輪機(jī)一方面具有相對(duì)較高的效率。另一方面，可應(yīng)用能單獨(dú)加裝的渦輪機(jī)，以用于以各種不同方式制成的汽車結(jié)構(gòu)。此外，對(duì)于這種膨脹器在內(nèi)燃機(jī)中的應(yīng)用已有足夠的認(rèn)知。此外，渦輪機(jī)的軸可以簡(jiǎn)單與內(nèi)燃機(jī)用于功率傳遞的的曲柄軸相連接或者與用來驅(qū)動(dòng)例如輔助機(jī)組的牽引工具相耦合，?；诖嗽?，如下內(nèi)燃機(jī)實(shí)施例是有利的，S卩，充當(dāng)利用冷卻劑熱焓的裝置的渦輪機(jī)與曲柄軸連接在或者能夠連接在一起(必要時(shí)在兩者中間連接耦合器)，以便傳遞功率。這樣的內(nèi)燃機(jī)實(shí)施例是有利的，S卩，在排出導(dǎo)管中設(shè)置換熱器，用以充當(dāng)利用蒸發(fā)的冷卻劑的熱焓的裝置。與膨脹器相反，換熱器是通過熱交換把熱量從蒸發(fā)的冷卻劑中帶走的，這首先在冷卻劑中引起溫度下降，然后才間接地導(dǎo)致壓力下降。從冷卻劑中帶走的熱量可被賦予其它作業(yè)液體，例如，在冷啟動(dòng)之后賦予發(fā)動(dòng)機(jī)油以用來縮短熱運(yùn)轉(zhuǎn)階段，或者也可以用來加熱空氣流。如下內(nèi)燃機(jī)實(shí)施例是有利的，S卩，冷卻劑回路配備有用于使冷卻劑液化的冷凝器。事實(shí)上，渦輪機(jī)的冷卻器是封閉的冷卻劑回路，并且由于配量裝置要提供液體狀的冷卻劑，因此必須在配量裝置的上游將蒸發(fā)的冷卻劑徹底液化，這就可能在個(gè)別情況下需要為冷卻劑回來裝配冷凝器。因此，如果在利用冷卻劑熱焓的裝置中，冷卻劑的壓力下降和/或溫度下降不夠大，不能使蒸氣狀的冷卻劑完全液化，或不能確保冷卻劑在進(jìn)入配量裝置之時(shí)處于液化狀， 則冷凝器總是必需的。
在這種情況下需要注意的是，在膨脹器中使蒸發(fā)的冷卻劑(即便只是部分地)液化，有可能是不利的。如果蒸氣狀的冷卻劑再次轉(zhuǎn)換成流體的物態(tài)，則它的體積會(huì)驟然縮小，從而可能會(huì)導(dǎo)致活塞泵或渦輪機(jī)承受過高的機(jī)械負(fù)荷，還有可能引起不可修復(fù)的損壞， 并損壞膨脹器。就此而言，如果被蒸發(fā)的過熱冷卻劑基本上仍以蒸氣狀態(tài)離開膨脹器，并且設(shè)置在循環(huán)導(dǎo)管下游的冷凝器在冷卻劑進(jìn)入配量裝置之前再次將其轉(zhuǎn)換成液體狀，則是有利的。如下內(nèi)燃機(jī)實(shí)施例是有利的，即，配量裝置具有噴射裝置。借助噴射將燃料裝入， 是極其有利的。液態(tài)的燃料在噴射過程中被噴成或細(xì)或粗(視噴射壓力而定)的霧狀，因此形成冷卻劑霧，而且明顯增大了冷卻劑表面。冷卻劑小液滴在與空腔的內(nèi)壁接觸時(shí)至少部分地蒸發(fā)。因而從渦輪機(jī)外殼中帶走蒸發(fā)熱量，從而降低外殼溫度。在這種情況下，如下內(nèi)燃機(jī)實(shí)施例是有利的，即，噴射裝置具有至少一個(gè)噴嘴。這樣的內(nèi)燃機(jī)實(shí)施例是有利的，S卩，渦輪機(jī)外殼至少局部由鋁制成。與采用平常材料相比，這會(huì)帶來成本優(yōu)勢(shì)。此外，使用鋁來制造渦輪機(jī)外殼還會(huì)使重量更輕。由于按本發(fā)明的冷卻器的冷卻功率較高，所以可完全或至少部分地不用能夠承受高熱的材料來制造渦輪機(jī)或渦輪機(jī)外殼。按本發(fā)明，并不需要使用(或者可明顯少用)高成本(通常含鎳)的材料。如下內(nèi)燃機(jī)實(shí)施例是有利的，即，渦輪機(jī)外殼是鑄造件，即外殼的坯件可能需要后續(xù)加工。外殼的這種制造方式能夠構(gòu)造出有利的空腔。這樣的內(nèi)燃機(jī)實(shí)施例是有利的，S卩，至少一個(gè)汽缸蓋具有至少一個(gè)集成的冷卻劑外罩，用來形成液體冷卻器。此液體冷卻器要求汽缸蓋配備有冷卻劑外罩，也就是用來將冷卻劑引導(dǎo)通過汽缸蓋的冷卻劑通道。熱量在汽缸蓋的內(nèi)部即已傳遞給冷卻劑。在這種情況下，冷卻劑是借助設(shè)置在冷卻劑回路中的泵進(jìn)行輸送的，因此它在冷卻劑外罩中循環(huán)。在換熱器中。傳遞給冷卻劑的熱量再次從冷卻劑中被帶走。與空氣冷卻器相比，借助液體冷卻器可排出明顯更多的熱量。通過對(duì)液體冷卻器以及冷卻功率進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)，汽缸蓋可以完全或至少局部地由鋁制成，這與使用耐高溫的奧氏體鋼相比具有成本優(yōu)勢(shì)。此外，用鋁來制造汽缸蓋還可使重量更輕。汽缸蓋的液體冷卻器尤其適用于增壓的內(nèi)燃機(jī)，這種內(nèi)燃機(jī)由于排氣溫度較高需要進(jìn)行有效且理想的冷卻。此外，有效的液體冷卻器還可避免內(nèi)燃機(jī)承受過多的熱負(fù)荷，而無需添加潤(rùn)滑脂 (λ < 1)來降低排氣溫度。添加潤(rùn)滑脂時(shí)，注入的燃料多于提供的空氣量實(shí)際所能燒盡的燃料。過量的燃料同樣會(huì)被加熱并蒸發(fā)，從而降低燃料氣體的溫度。這種做法在燃料消耗與有害物質(zhì)排放方面是不利的。此外，添加潤(rùn)滑脂還將使內(nèi)燃機(jī)不能總是以例如排氣再處理系統(tǒng)所需的方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。液體冷卻器還允許汽油發(fā)動(dòng)機(jī)即使在高負(fù)載時(shí)也能進(jìn)行化學(xué)計(jì)量的運(yùn)行(λ^Ι )。此外，在提到的實(shí)施例中，即以液體冷卻的內(nèi)燃機(jī)中，可以利用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻器來為渦輪機(jī)冷卻器供應(yīng)冷卻劑。這樣的內(nèi)燃機(jī)實(shí)施例是有利的，S卩，液體冷卻器與渦輪機(jī)外殼的冷卻劑回路相連。
集成在汽缸蓋上的冷卻劑外罩可例如與渦輪機(jī)的類似于冷卻劑外罩的空腔相連， 其中，來自空腔的排出導(dǎo)管引向汽缸蓋，而循環(huán)導(dǎo)管則從汽缸蓋的冷卻劑外罩中分岔出來并與配量裝置相連接，以便為該配量裝置供應(yīng)液態(tài)冷卻劑。其它的冷卻劑導(dǎo)管可省略。這樣的內(nèi)燃機(jī)實(shí)施例是有利的，即，每個(gè)汽缸蓋都具有至少兩個(gè)排氣孔，用來把排氣從汽缸中排出。在排氣在換氣過程中被推出時(shí)，首要的目的是盡可能快地開放盡可能大的流動(dòng)橫截面，以確保有效地排出排氣，因此設(shè)置多于一個(gè)的排氣孔是有利的?；谙嗨频脑颍瑑?yōu)選設(shè)置兩個(gè)或多個(gè)進(jìn)氣孔，以便在流入的氣體流中保持較小的節(jié)流損失，并確保盡可能好地用新鮮混保物填充燃燒室。但是這樣的汽缸蓋實(shí)施例也是有利的，S卩，每個(gè)汽缸只有一個(gè)用來把排氣從汽缸中排出的排氣孔。對(duì)于具有至少兩個(gè)汽缸的內(nèi)燃機(jī)而言，如下實(shí)施例是有利的，S卩，至少兩個(gè)汽缸的排氣導(dǎo)管在汽缸蓋內(nèi)部構(gòu)成至少一個(gè)集成排氣彎管并匯聚到總排氣導(dǎo)管中。尤其是在渦輪機(jī)被布置在發(fā)動(dòng)機(jī)附近時(shí)，會(huì)產(chǎn)生優(yōu)點(diǎn)。由于集成在汽缸蓋上，因而排氣導(dǎo)管的長(zhǎng)度減小。因此一方面使得渦輪機(jī)的上游的導(dǎo)管體積(即排氣導(dǎo)管的排氣容積)變小。另一方面，縮短的排氣導(dǎo)管也會(huì)使渦輪機(jī)上游的排氣系統(tǒng)的熱學(xué)惰性更小，從而使渦輪機(jī)入口處得排氣溫度更高，因此，在渦輪機(jī)入口處的排氣熱焓會(huì)更高，并可能會(huì)使設(shè)置在渦輪機(jī)下游的排氣再處理系統(tǒng)能夠更快地達(dá)到所需的運(yùn)轉(zhuǎn)溫度。此外，在汽缸內(nèi)將排氣導(dǎo)管匯集起來，使得傳動(dòng)單元能夠緊密地封裝。如果內(nèi)燃機(jī)的至少兩個(gè)汽缸具有兩個(gè)或多個(gè)排氣孔，則如下內(nèi)燃機(jī)實(shí)施例是有利的，即，在至少兩個(gè)汽缸的排氣分管匯集成一個(gè)總排氣導(dǎo)管之前，每個(gè)汽缸的至少兩個(gè)排氣孔的排氣導(dǎo)管首先匯聚成一個(gè)屬于汽缸的排氣分管。由此就縮短了全部排氣導(dǎo)管的總路徑。另外，排氣導(dǎo)管逐級(jí)地匯集成一個(gè)總排氣導(dǎo)管有利于使汽缸蓋實(shí)現(xiàn)更緊湊(即體積更小)的結(jié)構(gòu)方式，因此尤其有利于減輕重量，并在電機(jī)室內(nèi)實(shí)現(xiàn)更有效的封裝。渦輪機(jī)可配備有可變化的渦輪機(jī)幾何形狀，通過對(duì)渦輪機(jī)幾何形狀或有效的渦輪機(jī)橫截面進(jìn)行調(diào)整，能夠使其盡量適配內(nèi)燃機(jī)的相應(yīng)運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)。在這種情況下，渦輪機(jī)的入口區(qū)域設(shè)置有用來影響流動(dòng)方向的導(dǎo)向葉片。與環(huán)形工作輪的導(dǎo)向葉片相反，此導(dǎo)向葉片不會(huì)隨著渦輪機(jī)的機(jī)軸旋轉(zhuǎn)。如果渦輪機(jī)具有固定不變的幾何形狀，則導(dǎo)向葉片不僅是靜止的，而且還完全不能活動(dòng)地設(shè)置(即剛性地固定)在入口區(qū)域中。相反，如果渦輪機(jī)具有可變化的幾何形狀， 則導(dǎo)向葉片雖然是靜止的，但不是完全不能活動(dòng)，而是可圍繞著它的軸線旋轉(zhuǎn)，因此可影響導(dǎo)向葉片的環(huán)流。渦輪機(jī)為軸流式渦輪機(jī)或者徑流式渦輪機(jī)的實(shí)施例，都是有利的。渦輪機(jī)也可以是指叉流式渦輪機(jī)。叉流式渦輪機(jī)包含帶兩個(gè)進(jìn)入通道的入口區(qū)域，其中，兩個(gè)排氣導(dǎo)管與叉流式渦輪機(jī)以這樣的方式相連，即排氣導(dǎo)管分別通到進(jìn)入通道中。第二分目的，即上述類型之一的內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行方法是通過具有如下特征的方法得以實(shí)現(xiàn)的，
-液態(tài)的冷卻劑借助配量裝置裝入空腔中；-裝入的冷卻劑被蒸發(fā)，因此把熱量從渦輪機(jī)外殼中帶走；并且-蒸發(fā)的冷卻劑通過排出導(dǎo)管排出。對(duì)按本發(fā)明的內(nèi)燃機(jī)所作的說明也適用于按本發(fā)明的方法，因此，這里請(qǐng)參考以上就各內(nèi)燃機(jī)所作的詳細(xì)解釋。與內(nèi)燃機(jī)的不同實(shí)施例相應(yīng)地可有不同的方法變例。如下方法變例尤其有利，即借助設(shè)置在排出導(dǎo)管中的裝置來利用蒸發(fā)的冷卻劑的熱焓。在冷卻過程中帶走的熱量在一定程度上是以溫度上升和壓力上升的形式存儲(chǔ)在冷卻劑中的。上述裝置用來回收收集在冷卻劑中的能量。這樣的方法變例也特別有利，S卩，通過噴射的方式將液態(tài)冷卻劑裝入空腔中。如下方法變例尤其有利，即，采用那些蒸發(fā)熱焓高得出眾的冷卻劑。


下面通過三個(gè)由圖1至3所示的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)闡述。其中圖1示意性地示出了內(nèi)燃機(jī)的第一實(shí)施例；圖2示意性地示出了內(nèi)燃機(jī)的第二實(shí)施例；以及圖3示意性地示出了內(nèi)燃機(jī)的第三實(shí)施例。參考標(biāo)記清單1內(nèi)燃機(jī)2汽缸蓋3 汽缸4進(jìn)氣導(dǎo)管5排氣導(dǎo)管6排氣渦輪增壓機(jī)6a渦輪機(jī)6b壓縮機(jī)7增壓空氣冷卻器8渦輪機(jī)外殼9渦輪機(jī)冷卻器10冷卻劑回路11配量裝置12排出導(dǎo)管13循環(huán)導(dǎo)管14用來利用蒸發(fā)的冷卻劑的熱焓的裝置15膨脹器16活塞泵17蒸氣渦輪機(jī)18冷凝器19換熱器
kW 千瓦
具體實(shí)施例方式圖1示意性地示出了內(nèi)燃機(jī)1的第一實(shí)施例。圖1所示的實(shí)施例是三缸-直列發(fā)動(dòng)機(jī)1，其中，三個(gè)汽缸3沿著汽缸蓋2的縱軸，即以順序排列的方式布置。為排出熱的燃燒氣體設(shè)置有排氣導(dǎo)管5，并且為給汽缸3供應(yīng)新鮮空氣或新鮮混合物，設(shè)置有進(jìn)氣導(dǎo)管4。內(nèi)燃機(jī)1出于增壓目的配備有排氣渦輪增壓機(jī)6，其中，渦輪機(jī)6a設(shè)置在排氣導(dǎo)管5中，而壓縮機(jī)6b則設(shè)置在進(jìn)氣導(dǎo)管4中。輸入到汽缸3中的新鮮空氣在壓縮機(jī)6b中被壓縮，為此，渦輪機(jī)6a中的排氣流的熱焓得到利用。這種增壓提高了內(nèi)燃機(jī)1的熱負(fù)荷。在壓縮機(jī)6b的下游，一增壓空氣冷卻器7被布置在進(jìn)氣導(dǎo)管4中，用以降低壓縮的增壓空氣的溫度。這種方式提高了空氣了密度，因此實(shí)現(xiàn)了使汽缸3更好地充氣的目的。排氣渦輪壓縮機(jī)6的渦輪6a具有渦輪機(jī)外殼8，為了形成冷卻器9，渦輪機(jī)外殼8 配備有與冷卻劑外罩類似的空腔(通過波浪線表示)。此冷卻器9用來保護(hù)渦輪機(jī)6a以免其過熱，并且因此能夠盡可能省卻耐高溫的材料，盡管增壓的內(nèi)燃機(jī)1的排氣溫度很高。冷卻器9構(gòu)造成封閉的冷卻劑回路10。為了冷卻渦輪機(jī)6a，利用配量裝置11將液體狀冷卻劑引入到集成在外殼8內(nèi)的空腔中。冷卻劑蒸發(fā)，因而把熱量從外殼8中帶走。 蒸發(fā)的冷卻劑則通過排出導(dǎo)管12從空腔中排出。冷卻劑在液化后，通過循環(huán)導(dǎo)管13被提拱給配量裝置11，并被重新引入空腔中。為了利用蒸發(fā)的冷卻劑的熱焓，在排出導(dǎo)管12中設(shè)置有裝置14。在圖1所示的實(shí)施例中設(shè)置有蒸氣渦輪機(jī)17，即膨脹器15作為利用冷卻劑熱焓的裝置14。由于持續(xù)的穿流，渦輪機(jī)17具有很高的效率，并且，為了實(shí)現(xiàn)功率輸出，它可以簡(jiǎn)單的方式與曲柄軸相連，并與牽引工具傳動(dòng)裝置相耦合(未示出)。在渦輪機(jī)17的下游，冷凝器18設(shè)置在冷卻劑回路10中，以便使冷卻劑徹底液化。 使蒸發(fā)的冷卻劑離開渦輪機(jī)17時(shí)基本上仍然處于蒸氣狀態(tài)是有利的，這是因?yàn)檎魵鉅畹睦鋮s劑在過渡到液態(tài)時(shí)，其體積會(huì)驟然縮小，從而可能會(huì)損壞渦輪機(jī)17。圖2示意性地示出了內(nèi)燃機(jī)1的第二實(shí)施例。在此只討論與圖1所示實(shí)施例的不同之處，因此其它的請(qǐng)參照?qǐng)D1及相應(yīng)描述。相同的零件使用了相同的附圖標(biāo)記。與圖1所示的實(shí)施例不同的是，在圖2所示的內(nèi)燃機(jī)1中，在排出導(dǎo)管12中設(shè)置了活塞泵16以作為利用蒸發(fā)的冷卻劑的熱焓的裝置14。如同圖1所示實(shí)施例的蒸氣渦輪機(jī)一樣，活塞泵16也是膨脹器15，它通過在膨脹過程中的壓力下降而將能量從蒸發(fā)的冷卻劑中帶走。但是，與蒸氣渦輪機(jī)相反，活塞泵16 是利用活塞的振動(dòng)式往復(fù)運(yùn)動(dòng)(通過雙箭頭來表示)而以間歇方式工作的。圖3示意性地示出了內(nèi)燃機(jī)1的第三實(shí)施例。在此只討論與圖1所示實(shí)施例的不同之處，因此其它的請(qǐng)參照?qǐng)D1及相應(yīng)描述。相同的零件使用了相同的參考標(biāo)記。與圖1所示的實(shí)施例不同的是，在圖3所示的內(nèi)燃機(jī)1中，在排出導(dǎo)管12中設(shè)置有換熱器19以作為利用蒸發(fā)的冷卻劑的熱焓的裝置14。與膨脹器相反，換熱器19通過熱量抽離(warmeentzug)來利用結(jié)合在蒸發(fā)的冷卻劑中的熱量，這會(huì)使冷卻劑的溫度下降。從冷卻劑中抽離的熱量可有多種不同用途，例如在冷啟動(dòng)之后用來加熱機(jī)油。
用來液化的冷凝器不是必需的，因?yàn)槔鋮s劑能夠完全(即徹底地)在換熱器19中被液化。
權(quán)利要求
1.一種具有至少一個(gè)汽缸蓋( 和至少一個(gè)渦輪機(jī)(6a)的內(nèi)燃機(jī)(1)，在此內(nèi)燃機(jī)中-所述至少一個(gè)汽缸蓋( 包含至少一個(gè)汽缸(3)，其中每個(gè)汽缸C3)都具有至少一個(gè)排氣孔，用來把排氣從汽缸(3)中排出來，并且在每個(gè)排氣孔上均連接有排氣導(dǎo)管(5)；并且-為利用排氣熱焓，至少一個(gè)包含渦輪機(jī)外殼(8)的渦輪機(jī)(6a)與至少一個(gè)排氣導(dǎo)管 (5)相連，其中，為形成冷卻器(9)，此渦輪機(jī)外殼(8)配備有與冷卻劑外罩類似的空腔，其特征在于，-設(shè)置有配量裝置(11)，該配量裝置(11)用來把液態(tài)的冷卻劑裝入空腔中，以便進(jìn)行蒸發(fā)，其中，為了形成冷卻劑回路(10)設(shè)置有排出導(dǎo)管(12)和循環(huán)導(dǎo)管(13)，所述排出導(dǎo)管(1 用來把蒸發(fā)的冷卻劑從空腔中排出來，所述循環(huán)導(dǎo)管(1 則用來給配量裝置(11) 提供重新液化的冷卻劑。
2.按權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)(1)，其特征在于，在所述排出導(dǎo)管(1 中設(shè)置有用來利用蒸發(fā)的冷卻劑的熱焓的裝置(14)。
3.按權(quán)利要求2所述的內(nèi)燃機(jī)(1)，其特征在于，在所述排氣導(dǎo)管(1 中設(shè)置有活塞泵(16)作為利用蒸發(fā)的冷卻劑的熱焓的裝置(14)。
4.按權(quán)利要求2所述的內(nèi)燃機(jī)(1)，其特征在于，在所述排氣導(dǎo)管(1 中設(shè)置有流體機(jī)械作為利用蒸發(fā)的冷卻劑的熱焓的裝置(14)。
5.按權(quán)利要求4所述的內(nèi)燃機(jī)(1)，其特征在于，在所述排氣導(dǎo)管(1 中設(shè)置有蒸氣渦輪機(jī)(17)作為流體機(jī)械。
6.按權(quán)利要求2所述的內(nèi)燃機(jī)(1)，其特征在于，在所述排氣導(dǎo)管(1 中設(shè)置有換熱器(19)作為利用蒸發(fā)的冷卻劑的熱焓的裝置(14)。
7.按上述權(quán)利要求之任一項(xiàng)所述的內(nèi)燃機(jī)(1)，其特征在于，所述冷卻劑回路(10)配備有使冷卻劑液化的冷凝器(18)。
8.按上述權(quán)利要求之任一項(xiàng)所述的內(nèi)燃機(jī)(1)，其特征在于，所述配量裝置(11)具有噴射裝置。
9.按權(quán)利要求8所述的內(nèi)燃機(jī)(1)，其特征在于，所述噴射裝置具有至少一個(gè)噴嘴。
10.按上述權(quán)利要求之任一項(xiàng)所述的內(nèi)燃機(jī)(1)，其特征在于，所述渦輪機(jī)外殼(8)至少部分是由鋁制成的。
11.按上述權(quán)利要求之任一項(xiàng)所述的內(nèi)燃機(jī)(1)，其特征在于，所述至少一個(gè)汽缸蓋 (2)具有至少一個(gè)集成的冷卻劑外罩，以用于形成液體冷卻器。
12.按權(quán)利要求11所述的內(nèi)燃機(jī)(1)，其特征在于，所述液體冷卻器與所述渦輪機(jī)外殼 ⑶的冷卻劑回路(10)連接在一起。
13.一種使如上述權(quán)利要求之任一項(xiàng)所述的內(nèi)燃機(jī)(1)運(yùn)行的方法，其特征在于，-利用所述配量裝置(11)將液態(tài)的冷卻劑裝入空腔中；-裝入的冷卻劑被蒸發(fā)，從而把熱量從渦輪機(jī)外殼(8)中帶走；并且-通過排出導(dǎo)管(12)將蒸發(fā)的冷卻劑排出。
14.按權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，借助設(shè)置在排出導(dǎo)管(12)中的裝置(14) 來利用蒸發(fā)的冷卻劑的熱焓。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有至少一個(gè)汽缸蓋和至少一個(gè)渦輪機(jī)的內(nèi)燃機(jī)以及這種內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行方法。在此內(nèi)燃機(jī)中，至少一個(gè)汽缸蓋包含至少一個(gè)汽缸，其中，每個(gè)汽缸均具有至少一個(gè)排氣孔，并且在每個(gè)排氣孔上均連接有排氣導(dǎo)管；并且為了利用排氣熱焓，至少一個(gè)包含渦輪機(jī)外殼的渦輪機(jī)與至少一個(gè)排氣導(dǎo)管相連，其中為了形成冷卻器，此渦輪機(jī)外殼配備了與冷卻劑外罩類似的空腔；該內(nèi)燃機(jī)設(shè)置有配量裝置，用來把液態(tài)的冷卻劑裝入空腔中以進(jìn)行蒸發(fā)，其中為了形成冷卻劑回路設(shè)置有排出導(dǎo)管和循環(huán)導(dǎo)管，所述排出導(dǎo)管用來把蒸發(fā)的冷卻劑從空腔中排出，而所述循環(huán)導(dǎo)管則用來給配量裝置提供重新液化的冷卻劑。
文檔編號(hào)F01P9/02GK102297041SQ20111017637
公開日2011年12月28日 申請(qǐng)日期2011年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月24日
發(fā)明者R·弗萊德菲爾特 申請(qǐng)人:福特環(huán)球技術(shù)公司