[发明专利]具有排气再循环的增压内燃发动机及运行该类型内燃发动机的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种增压内燃发动机及运行上述类型的增压内燃发动 机的方法。

背景技术

在本发明中，表达方式“内燃发动机”特别包括柴油机，也包括 火花点火发动机和混合动力内燃发动机。

为了对内燃发动机增压，目前使用了将压缩机和涡轮设置在同一 轴杆上的至少一个排气涡轮增压机，其中热排气流供应至涡轮并在所 述涡轮中膨胀以释放能量，使得轴杆旋转。从排气流释放至涡轮并最 终至轴杆的能量被用于驱动同样设置在该轴杆上的压缩机。压缩机输 送并压缩对其供应的增压空气，从而使汽缸增压。

通常也提供增压空气冷却，通过增压空气冷却，燃烧空气在进入 汽缸前冷却。通过降低温度，增压空气的密度增加，使得增压空气冷 却也有助于改进汽缸的增压。一般使用液体冷却，即利用冷却剂的增 压空气冷却。

与例如机械增压器相比，排气涡轮增压机的优势在于增压器和内 燃发动机之间的动力传输无需提供或不需要机械连接。机械增压器完 全从内燃发动机获取驱动它所需的能量，因而减少了输出功率，并由 此降低了效率，而排气涡轮增压机利用了热排气的排气能量。

增压主要用于提高内燃发动机的功率。在这里，燃烧过程所需的 空气被压缩，使得每个工作循环可供应更大的空气质量至各汽缸。这 样增加了燃料质量并因而增大了平均有效压力p_me。

因此增压是在排量(swept volume)不变时提高内燃发动机功率或 在功率水平不变时减少排量的适当方式。在任一情况下，增压使得容 积功率输出增大，且功率重量比更佳。因此，对于给定的车辆边界条 件，可在燃料消耗率更低的情况下，使集合负载提升至更高负载。这 也被称为小型化。

因此，增压有助于持续努力改进内燃发动机以减少燃料消耗，即 提高内燃发动机的效率，因为化石燃料资源有限，尤其是作为用于生 产运行内燃发动机所需的燃料的原材料的矿物油沉积有限。

增压目标配置也有助于获得排气排放方面的优势。因而增压同样 适用于减少污染物排放。

在增压内燃发动机的发展过程中，努力的焦点在于改进内燃发动 机的动态运行中的响应性能，并改进低转速范围内的扭矩特性。

具体地，根据现有技术，未达特定转速时发现显著的扭矩降低。 这是不合要求的，也是排气涡轮增压最严重的缺点之一。

考虑到增压压力比取决于涡轮压力比，所述扭矩降低是可以理解 的。例如，在柴油发动机中，降低发动机转速会导致较低的排气质量 流，以及由此而来的较低的涡轮压力比。这使得趋向于较低转速时， 增压压力比同样降低，这相当于扭矩降低。

在这里，基本上可以通过减小涡轮横截面尺寸并相应增加涡轮压 力来消除增压压力的降低。随负载增加或转速增加，即随排气量增加， 必须引导不断增加的大量排气越过涡轮，即放出(blow off)。该涡轮 也被称为废气旁通阀(wastegate)涡轮。如果排气质量流超过临界值， 则在排气放出期间，部分排气流经旁通管路被引导越过涡轮。但所述 方法具有缺点，即在相对高转速下增压性能不能令人满意。

实践中，所述关系通常造成使用多个涡轮增压机或排气涡轮增压 机与机械增压器的组合来改进扭矩特性。

但是，为了遵守污染物排放的未来限制值，必须进一步采取措施。 在这里，焦点仍在于减少氧化氮的排放。因为氧化氮的形成不仅要求 过量空气，而且要求高温，所以减少氧化氮排放的原理之一在于发展 低燃烧温度的燃烧过程。

这里的对策是经再循环管路的排气再循环(EGR)，也就是说， 燃烧空气从排气管路再循环进入进气管路，从而通过增加排气再循环 率可以大幅减少氧化氮的排放。在这里，排气再循环率x_EGR通过以下 公式确定：

x_EGR＝m_EGR/(m_EGR+m_Fresh air)

其中m_EGR指再循环的排气的质量，m_Fresh air指所供应的且适当压缩的新 鲜空气或增压空气。

排气再循环也适用于减少在部分负载范围内未燃烧的碳氢化合物 的排放。

为大幅减少氧化氮的排放，高排气再循环率是必要的，其可以大 约为x_EGR≈60％-70％。