內燃發動機的制作方法與工藝

本發明涉及一種具有渦輪增壓和廢氣再循環的內燃發動機，尤其是柴油發動機且優選是雙沖程大型柴油發動機。

背景技術：
特別是在大型柴油發動機中，渦輪增壓器級是常見的，用于移除來自于發動機的廢氣能量，從而壓縮要向發動機供給的增壓空氣或壓縮要向發動機供給的增壓氣體并由此得到改善的燃燒。尤其是在多氣缸發動機中，為此也使用多個渦輪增壓器。在此，經壓縮的增壓空氣經常被冷卻，從而可以輸入更多的增壓空氣，例如參見德國專利申請DE2923852A1。除了有關從所排出的燃燒氣體或廢氣回收能量的措施以外，現今的焦點放在了盡可能潔凈的燃燒上。為此經常地，一部分廢氣再循環到發動機的進氣口側，從而以此方式降低發動機的NOx排放。具有廢氣或燃燒氣體再循環的雙沖程大型柴油發動機的一個例子由本申請人的德國專利文獻DE10331187B4已知。在此，在該再循環管路中設置有壓氣機，用以將回引的廢氣部分壓縮到所預期的、在進氣口側的增壓空氣收集器中主導的增壓空氣壓力。此外，在該再循環管路中設置有換熱器，回引的廢氣流在該換熱器處借助增壓空氣被冷卻。為了進一步冷卻泵浦回到發動機進氣口側的廢氣支流，此處還設置有噴水裝置。德國專利申請DE102010003864A1示出了另一種具有廢氣回引機構的渦輪增壓式發動機，其中在此設置有廢氣冷卻器和中和器，該中和器用于中和廢氣再循環管路中的腐蝕性廢氣組份。德國專利申請DE102008035747A1同樣示出了一種具有廢氣回引機構的渦輪增壓式小型柴油發動機，其中在廢氣再循環管路中安置有廢氣冷卻器，或者其中廢氣再循環管路被引導通過廢氣冷卻器。這里廢氣再循環管路具有與廢氣冷卻器并聯的旁通管路分支，以便當再循環廢氣中的溫度面臨降到露點以下的情況時將再循環廢氣帶過廢氣冷卻器，從而避免由于冷凝水而在廢氣再循環管路中產生臟污。為了清潔再循環的廢氣，根據德國專利DE102009010808B3和德國專利申請DE102007040934A1已經提出引導再循環管路通過氣體洗滌裝置。在通過廢氣再循環降低NOx排放的同時，另一方面發動機的效率整體因此顯著降低。這是因為一方面，回引的廢氣量不再提供對渦輪增壓器的驅動并由此不再提供增壓空氣的壓縮；另一方面，回引的廢氣量必須通過壓氣機、例如通到發動機進氣口側的抽氣機、即例如泵浦到增壓空氣收集器中，由此對于再循環壓氣機的驅動會產生額外的損耗。因此，根據歐洲專利申請EP2196660A1已經提出一種具有廢氣再循環的渦輪增壓式大型發動機，其中可以選擇性地將廢氣輸送給再循環管路或輸送給與第一渦輪增壓器并聯且與再循環管路并聯布置的第二渦輪增壓器。也就是說，發動機可以以兩種運轉模式運轉，即一方面是降低NOx排放的運轉模式，另一方面是高效率的運轉模式。在這種類型的大型發動機中，除了已知的再循環管路或除了回引到進氣口側的再循環管路以外，以及除了存在于這種內燃發動機中的渦輪增壓器級（下文稱為第一渦輪增壓器級）以外，還設置有與其并聯連接的第二渦輪增壓器級或輔助渦輪增壓器級，以及開關裝置，經由所述開關裝置選擇性地向第二渦輪增壓器級或再循環管路加載從燃燒室排出的廢氣的廢氣支流（下文稱為第二廢氣流）。通過此方式，例如由這種類型的呈雙沖程大型柴油發動機形式的內燃發動機所驅動的船舶或該內燃發動機本身一方面可以以環保模式進行驅動，在該環保模式下，例如在近岸區域中（或者在市區中的汽車內燃發動機的情況下），NOx排放借助接通的廢氣再循環管路得以降低。另一方面，還是同樣的例子，遠海中的船舶或長途行車的汽車以高效模式運行，在該高效模式下，盡管未實施廢氣再循環并且由此未減少NOx排放，但就此通過接通第二渦輪增壓器級獲得更大的整體增壓空氣流或更高的經壓縮的整體增壓空氣流，該整體增壓空氣流在進氣口側供給發動機并由此改善發動機效率。

技術實現要素：
由此出發，本發明的目的在于，在這種類型的可在高效模式下和低NOx排放模式下運行的內燃發動機中，提供節省空間且成本低廉地在兩種運行模式下有利的運行條件。所述目的通過一種內燃發動機實現，具有：至少一個由氣缸和與曲柄軸共同作用的活塞限界的燃燒室，所述燃燒室具有至少一個用于排出廢氣的排氣口以及至少一個用于供應增壓空氣的進氣口；第一渦輪增壓器級，所述第一渦輪增壓器級構成為用于通過第一廢氣流進行驅動以及用于壓縮第一增壓空氣流，所述第一渦輪增壓器級具有至少一個第一渦輪以及至少一個由相配設的第一渦輪驅動的第一壓氣機；廢氣再循環裝置，用于使第二廢氣流從排氣口向進氣口再循環，所述廢氣再循環裝置具有從排氣口側通到進氣口側的廢氣再循環管路，在所述廢氣再循環管路中安置有廢氣冷卻器；第二渦輪增壓器級，所述第二渦輪增壓器級構成為用于通過第二廢氣流進行驅動以及用于壓縮第二增壓空氣流，所述第二渦輪增壓器級具有至少一個第二渦輪以及至少一個在第二渦輪增壓器級的運行中由相配設的第二渦輪驅動的第二壓氣機；開關裝置，借助所述開關裝置第二廢氣流能夠選擇性地供應給第二渦輪增壓器級或被再循環，其中，該內燃發動機具有在壓氣機側引導通過第二渦輪增壓器級的第二增壓空氣管路，所述第二增壓空氣管路在中間的管路部段中被引導通過安置在廢氣再循環管路中的廢氣冷卻器。也就是，根據本發明，在廢氣再循環管路中設置有冷卻器，該冷卻器可同時用作第二增壓空氣流的冷卻器。另外，在壓氣機側引導通過第二渦輪增壓器級的用于第二增壓空氣流的管路（或管路裝置）（該管路在下文中稱為第二增壓空氣管路）有利地同樣被引導通過安置在廢氣再循環管路中的冷卻器。這里有利的是，第二渦輪增壓器級與第一渦輪增壓器級并聯地并列布置。第二增壓空氣管路在引導通過冷卻器的管路部段中可以與廢氣再循環管路的引導通過該冷卻器的管路部段合并成共用管路部段。有利地，在再循環管路中還設置有廢氣或燃燒氣體洗滌器或廢氣洗滌裝置。這是因為在廢氣中存在有煤煙和其他需要在回引之前盡可能分離的顆粒。廢氣或燃燒氣體洗滌器適用于此，正如本申請人的德國專利DE102009010808B3中以及本申請人的德國專利申請DE102007040934A1中所示的裝置，其中廢氣流經清潔液體池并且首先分成多條支流，清潔液體分別噴入到各支流中。在此，這些文獻在廢氣洗滌器方面完全合并。在緊湊構造和優化流動條件的意義上，所述共用管路部段優選地也被引導通過煤煙或廢氣洗滌器以及位于燃燒氣體或廢氣洗滌器下游的水蒸氣捕捉器。在這里有利的是，設置有用于排出來自燃燒氣體洗滌器的水或清潔液體的裝置，借助該裝置所述燃燒氣體洗滌器在接通輔助渦輪增壓之前被清空。優選地，該裝置可以通過開關裝置進行控制。另一方面，在燃燒氣體洗滌器中也可以在第二渦輪增壓器運行時進行液體噴入，以進一步冷卻第二增壓空氣流。在所述水蒸氣捕捉器中，存在于這樣形成的氣溶膠中的小水滴或由于冷凝而形成的小水滴得以分離。有利地，第二渦輪增壓器級在此被調整到總廢氣流的通常用于廢氣再循環的份額。所述總廢氣流包括：再循環的或用于驅動第二渦輪增壓器級的廢氣支流，即第二廢氣流；以及用于驅動第一渦輪增壓器級的且然后可排到周圍環境中的廢氣支流，即第一廢氣流，其應在減少NOx排放的同時有利地實現比第二廢氣流高的發動機效率。相應地，在前述的高效模式下（當再循環裝置關閉且第二渦輪增壓器級接通時，即在第二渦輪增壓器運行時）有利的是，第一增壓空氣流（即通過第一渦輪增壓器級壓縮的增壓空氣支流）有利地大于第二增壓空氣流（即通過第二渦輪增壓器級壓縮的增壓空氣支流）。因此，第二渦輪增壓器級的渦輪側與第一渦輪增壓器級的渦輪側相比優選較小或設計用于較小的流量或在尺寸上適于較小的流量。這同樣有利地適用于與第一渦輪增壓器級的壓氣機側的尺寸相比的第二渦輪增壓器級的壓縮機側或壓氣機側的尺寸。同樣地，再循環裝置與第一渦輪增壓器級的渦輪側相比優選較小或設計用于較小的流量或在尺寸上適于較小的流量。再循環裝置與第二渦輪增壓器級的渦輪側相比優選設計用于相同的流量或在尺寸上適于相同的流量。尤其是在雙沖程大型柴油發動機的情況下，在此已證實特別適合的是，第二渦輪增壓器級的渦輪側在尺寸上適于的（第二廢氣流）的流量與第一渦輪增壓器級的渦輪側在尺寸上適于的（第一廢氣流）的流量之比為約三分之一至三分之二。因此，相應地也有利地適用于再循環裝置的尺寸與第一渦輪增壓器級的渦輪側的尺寸的比例。這里，第一渦輪增壓器級可以具有一個或多個渦輪增壓器，下文稱為第一渦輪增壓器。這同樣適用于第二渦輪增壓器級，其可以具有一個或多個渦輪增壓器，下文稱為第二渦輪增壓器。但通常，第一渦輪增壓器級具有一個唯一的第一渦輪增壓器，其具有一個唯一的渦輪（下文稱為第一渦輪）以及一個唯一的由該渦輪驅動的壓氣機（下文稱為第一壓氣機）；并且，第二渦輪增壓器級具有一個唯一的第二渦輪增壓器，其具有一個唯一的渦輪（下文稱為第二渦輪）以及一個唯一的由該渦輪驅動的壓氣機（下文稱為第二壓氣機）。但不僅僅對于開頭部分所說明的第一渦輪增壓器級具有多個第一渦輪增壓器的發動機，第二渦輪增壓器級也可以具有多個第二渦輪增壓器。就此而言注意到，有利的是，第二渦輪增壓器級與第一渦輪增壓器級并聯地設置，也就是由第二渦輪增壓器級壓縮的輔助增壓空氣流或第二增壓空氣流是作為由第一渦輪增壓器級壓縮的主增壓空氣流或第一增壓空氣流的另一氣體流。然而還可想到的是，第二渦輪增壓器級以串聯方式與第一渦輪增壓器級相連接，從而借助第二渦輪增壓器級，第一增壓空氣流在整體上或其一個支流就可以得到與由第一渦輪增壓器級獨自進行壓縮相比更高的壓縮。這里還有利的是，開關裝置不僅構成為用于選擇性地接通燃燒氣體或廢氣再循環或者接通第二增壓空氣流的壓縮，而且還允許完全關閉所述兩者。通過此方式，可以在發動機啟動時更快地達到穩定的運行狀態，其中在選擇性地接通廢氣再循環或第二渦輪增壓器級之前，首先只開啟第一渦輪增壓器級。在發動機高負荷運轉時，這里也可以在接通第一渦輪增壓器級之前，先行接通（較小的）第二渦輪增壓器級。此外，還有利的是，開關裝置還允許在第二渦輪增壓器級或廢氣再循環的接通與優選上述二者的完全關閉狀態之間的中間位置，從而運行模式也可以得以開動，在該模式下實現部分的NOx排放減少以及部分的附加增壓。附圖說明各有利的實施方式是其他各從屬權利要求的內容，并且借助下列附圖進行詳細說明。附圖示出：圖1根據本發明的一個有利的實施例的內燃發動機在廢氣再循環接通且第二渦輪增壓器級斷開時的示意圖；圖2在第二渦輪增壓器級接通且廢氣再循環斷開時的與圖1相對應的示圖。具體實施方式這里可以看到以附圖標記5標示的燃燒氣體收集器，該燃燒氣體收集器在其進氣口側上與內燃發動機的一個或多個（未示出的）燃燒室的一個或多個排氣口相連接。此外，還可以看到以附圖標記4標示的增壓空氣收集器，該增壓空氣收集器在其排氣口側上與一個或多個燃燒室的一個或多個進氣口相連接。第一燃燒氣體管路或第一廢氣管路B1從廢氣收集器5出發被引導通過第一渦輪8，該第一渦輪8驅動第一壓氣機9，借助該第一壓氣機對通過第一增壓空氣管路L1、L1B2供應給增壓空氣收集器4的第一增壓空氣流進行壓縮。因此，第一渦輪8和第一壓氣機9共同構成在所示實施例中純示例性的唯一的第一渦輪增壓器，由此該第一渦輪增壓器本身構成所謂的以附圖標記1標示的第一渦輪增壓器級。與第一渦輪增壓器級1并聯地并列設置有在所示實施例中純示例性的唯一的、比第一渦輪增壓器小的渦輪增壓器，該較小的渦輪增壓器本身構成所謂的第二渦輪增壓器級2，該第二渦輪增壓器級由此在所示實施例中純示例性地比第一渦輪增壓器級1小。第二渦輪增壓器級2經由在下文中稱為第二廢氣管路的管路B2a與廢氣收集器5相連接。第二渦輪增壓器級2具有第二渦輪18，該第二渦輪在第二渦輪增壓器級2接通且廢氣再循環斷開（圖2）時由第二燃燒氣體流或第二廢氣流來驅動，該第二燃燒氣體流或第二廢氣流通過與廢氣收集器5相連接的第二燃燒氣體管路或第二廢氣管路B2a被引導通過第二渦輪18。在第二廢氣管路B2a開啟時（在第二渦輪增壓器級2接通且廢氣再循環斷開時），第二渦輪18又驅動第二壓氣機19，通過該第二壓氣機同樣對供應給增壓空氣收集器4的第二增壓空氣流進行壓縮。這里，第二廢氣流通過第二廢氣管路B2a的路徑在圖2中用細虛線標記出。這里，第二增壓空氣流通過第二增壓空氣管路L21、L2B2、L2到增壓空氣收集器4的路徑在圖2中同樣用細虛線標記出。這里，第二增壓空氣管路L21、L2B2、L2具有其中安置有第二壓氣機19的進料部段L21。與此相對地，圖1示出在廢氣再循環接通且第二渦輪增壓器級斷開時的內燃發動機。第二廢氣流通過整體用附圖標記3標示的廢氣再循環管路的路徑在此用粗虛線標記出。這里，廢氣再循環管路3具有進料部段B2b，該廢氣再循環管路3借助該進料部段B2b連接到廢氣收集器5上。在位于進料部段L21或B2b下游的區域中，廢氣再循環管路3（圖1中的粗虛線）和第二增壓空氣管路L21、L2B2、L2（圖2中的細虛線）合并為共用管路部段L2B2。在該共用管路部段L2B2的末端，廢氣再循環管路3和第二增壓空氣管路L21、L2B2、L2又分開成支路。廢氣再循環管路3繼續被引導到中間部段B22中，該中間部段將共用管路部段L2B2與第一增壓空氣管路L1、L1B2的通入部段L1B2相連接。通入部段L1B2又分開成廢氣再循環管路3和第一增壓空氣管路L1、L1B2。最后，第二增壓空氣管路L21、L2B2、L2和廢氣再循環管路3的共用管路部段L2B2經由通入部段L2與增壓空氣收集器4相連接。第二增壓空氣管路L21、L2B2、L2（圖2中的細虛線）的通入部段L2在共用管路部段L2B2的末端從廢氣再循環管路3（圖1中的粗虛線）中分支出來。在廢氣再循環管路3的進料部段B2b中安置有再循環關閉閥11，借助該再循環關閉閥可以開啟或斷開廢氣再循環管路3。在第二廢氣管路B2a中安置有相應的輔助增壓關閉閥12，借助該輔助增壓關閉閥可以開啟和切斷增壓空氣收集器4與第二渦輪增壓器級2的連接。在第二增壓空氣管路L21、L2B2、L2的進料部段L21中安置有再循環氣體回流防止閥13，借助該再循環氣體回流防止閥可以開啟和切斷第二渦輪增壓器級2的第二壓氣機19與廢氣再循環管路3的連接。閥11、12、13整體構成開關裝置11、12、13，用以選擇性地接通廢氣再循環（圖1）或接通第二渦輪增壓器級2（圖2）。如果需要使燃燒氣體或廢氣再循環，則關閉輔助增壓關閉閥12并打開再循環關閉閥11。此外還關閉再循環氣體回流防止閥13，從而使流入廢氣再循環管路3中的廢氣不能流到第二壓氣機19的進氣口側。與此相對地，如果需要接通第二渦輪增壓器級2，則關閉再循環關閉閥11并打開輔助增壓關閉閥12。在共用管路部段L2B2中可以安置有水冷器6和位于水冷器6下游的燃燒氣體洗滌器7。在燃燒氣體洗滌器7的下游又設置有位于第二增壓空氣管路L21、L2B2、L2和再循環管路3的共用管路部段L2B2中的水蒸氣捕捉器14。在此優點在于，冷卻和清潔再循環廢氣流所需的冷卻器6可以同時用作在第二渦輪增壓器級2處增壓的輔助增壓空氣的冷卻器。因為通過渦輪增壓器級中的壓縮，所述輔助增壓空氣經常加熱到相對較高的溫度，例如200℃。然而，增壓空氣流越冷，則越多的增壓空氣能夠由于相同壓力下更高的密度而進入到發動機的燃燒室內。出于同樣的原因，在第一增壓空氣管路L1、L1B2中、在沿流動方向位于第一壓氣機9下游的區域中也設置有包括兩個水冷器27、28的冷卻器組27、28，以便同樣冷卻因壓縮而加熱的第一增壓空氣流，例如冷卻到可容許的35℃。在再循環關閉閥11的下游且在冷卻器6的上游，還可以在再循環管路3的進料區域B2b中安置預噴水單元或噴嘴單元10，如果再循環接通則借助該單元向再循環廢氣流噴水，從而能夠以此方式使預先已有的煤煙顆粒積聚到所噴入的小水滴上并由此從廢氣流中濾除。再循環管路3的中間部段B22通入第一增壓空氣管路L1、L1B2中的通入部在此位于兩個水冷器27、28的下游、在通入共用通入部段L1B2的入口處。但也可以想到的是，使再循環管路和第二增壓空氣管路在冷卻器組的上游通入第一增壓空氣管路中，而不是將再循環管路和第二增壓空氣管路引導通過適當的冷卻器。然而在此情況下，必須預先在再循環管路（如果存在的話）中洗滌廢氣。抽氣機15位于再循環管路3的中間部段B22中，以將再循環氣體流提高到第一增壓空氣流的壓力水平上。此外，在抽氣機15的下游設置有調節閥14，借助該調節閥可以對再循環氣體管路3的開度進行調節。在中間部段B22通入主增壓空氣管路L1、L1B2中的通入部下游設置有另一個水蒸氣捕捉器16，既用以分離由于主增壓空氣的冷卻而存在于第一增壓空氣流中的冷凝水，又用以分離可能還存在于再循環氣體流中的未化合的水。在該水蒸氣捕捉器16的下游，通入部段L1B2分開成兩條以并聯方式通入增壓空氣收集器4的分支，一條具有安置于其中的輔助鼓風機20的管路分支以及一條繞開該輔助鼓風機20的旁通管路分支。經由止回閥25、26保證，不會有高壓縮的增壓空氣從增壓空氣收集器4回流到第一增壓空氣管路L1、L1B2的通入部段L1B2中。為了能夠開啟或關閉輔助鼓風機分支或選擇性地開啟或關閉旁通分支，在此可以設置附加的閥（未示出）。與第一增壓空氣管路L1、L1B2的通入部段L1B2一樣，第二增壓空氣管路L21、L2B2、L2的通入部段L2分開成兩條分支，一條具有安置在其中的輔助鼓風機21的管路分支以及一條用于輔助鼓風機21的旁通分支。為了防止位于增壓空氣收集器4中的增壓空氣回流到輔助增壓空氣管路L21、L2B2、L2中，又設置有止回閥23、24。這里也可以存在有其他的閥，用以選擇性地開啟輔助鼓風機分支或旁通分支。可以對所示實施例進行變更和修改，而不背離本發明的范圍。例如可以想到的是，再循環管路繼續與第二增壓空氣管路共同地引導通過第二增壓空氣管路的通入部段L2，而不是經由中間部段B22引導到第一增壓空氣管路L1、L1B2。因而，可以用輔助鼓風機21來替代抽氣機15，該輔助鼓風機21要設計成相應強的，其中借助適當的閥可以開啟旁通分支或具有輔助鼓風機的管路分支。此外還可以想到的是，在一個（或多個）其他旁通分支中設置一個或多個其他的輔助鼓風機來代替一個較大的輔助鼓風機，以便能夠在再循環模式下將其接通。也可以設置從第二增壓空氣管路側的輔助鼓風機到第一增壓空氣管路側的輔助鼓風機的管路連接來代替附加的第二輔助鼓風機。這里應說明的是，簡單地始終將供給燃燒室的氣體稱作“增壓空氣”。但在廢氣再循環或廢氣回引接通的情況下，供給燃燒室的混合氣體嚴格來講不僅僅包括空氣，而是還包括回引的廢氣。此外，供給燃燒室的混合氣體除了空氣或回引的廢氣以外還包含其他的氣體。因此，在本發明的范圍內，“增壓空氣”這一概念應理解為在進氣口側要供給燃燒室的氣體，也就是增壓氣體；在此意義上，“增壓空氣收集器”和“增壓空氣管路”這兩個概念應理解為用于增壓氣體的收集器和管路。