CN102777257B - 具有单独的排气歧管的涡轮增压发动机以及运行这种发动机的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种涡轮增压内燃发动机的系统和方法。一个示例性系统包括带有至少两个汽缸的汽缸盖，每个汽缸有至少两个排气开口，排气开口中至少有一个是可接合的。该系统进一步包括被整合到汽缸盖内并将可接合开口连接到第一涡轮增压器涡轮机的第一排气歧管，以及被整合到汽缸盖内并将非可接合开口连接到与第一涡轮机并行的第二涡轮增压器涡轮机的单独的第二排气歧管。

Description

具有单独的排气歧管的涡轮增压发动机以及运行这种发动机 的方法

相关申请

本申请要求于2011年5月12日提交的欧洲专利申请号 11165846.4的优先权，其所有内容包括于此仅供参考。

技术领域

本申请针对涡轮增压内燃发动机的系统和方法。

背景技术

内燃发动机具有汽缸体以及至少一个汽缸盖，它们相互连接形成汽缸，为了控制气体交换，内燃发动机需要控制元件（通常是阀门的形式）以及操作这些控制元件的操作装置。移动这些阀门所需的包括阀门自身的阀门操作机构指的是阀动装置。汽缸盖经常用于容纳该阀动装置。

在气体交换的过程中，通过汽缸的排气开口来实现燃烧气体的排出，而通过入口开口来实现燃烧空间的填充，即新鲜混合物的吸入或新鲜空气的吸入。在正确的时间打开或闭合入口开口和排气开口是阀动装置的任务，其中快速打开最大可能的流动横截面的目的是为了最小化进入气流或排出气流的节流损耗，并从而确保燃烧室最大可能地充有新鲜混合物和有效的（即完全的）排气排出。根据现有技术，汽缸因而通常装备有两个或更多入口开口或排气开口。

通到入口开口的入口端口以及连接排气开口的排气端口（即排气管）根据现有技术被至少部分地整合到汽缸盖内。汽缸的排气管通常汇合在一起以形成公共的总排气管或被分组从而形成两个或更多个总排气管。排气管汇合以形成总排气管通常大体被称为排气歧管，其中位于总排气管中涡轮机的上游的总排气管的一部分被看作是排气歧管的一部分。

为了内燃发动机增压目的，在歧管下游，排气被馈送给至少两个排气涡轮增压器的涡轮机，并且如果必要的话被馈送给一个系统或多个系统以用于排气后处理。

相对于机械增压器，排气涡轮增压器的优势举例来说，对于涡轮增压器和内燃发动机之间的动力传递，没有机械连接存在，或不必要有机械连接。尽管机械增压器由从内燃发动机接收的能量完全驱动，且因此减少可用动力且不利地影响发动机效率，但是排气涡轮增压器采用的是热排气的能量。

排气涡轮增压器包括被布置在相同轴上的压缩机和涡轮机，其中热排气流被馈送到涡轮机并在这个涡轮机内膨胀，伴随着能量输出，因此使得轴旋转。由于高的旋转速度n_T，抗摩擦轴承优选地用于支撑该轴。从排气流输送到涡轮机且最终到轴的能量被用于驱动也被布置在该轴上的压缩机。压缩机输送且压缩被馈送到该压缩机的增压空气，因此完成了汽缸的增压过程。若有必要，在进入汽缸前压缩的燃烧空气被冷却来提供对增压空气的冷却。

增压首要地用作增加内燃发动机的动力。在这种情况下，燃烧过程所需的空气被压缩，因此，在每个工作循环能够将更大质量的空气馈送到每个汽缸。因此，燃料质量且因而平均压力能得以增加。增压是在不改变扫气容积的情况下增加内燃发动机动力或在具有相同动力的情况下减少扫气容积的适当手段。在每种情况下，增压导致动力-体积比的增加并且导致更加令人满意的动力-质量比。在相同的车辆边界条件的情况下，因此总共的负载能够移向较高的负载，即比油耗较低的情况。

内燃发动机的涡轮增压器设计常常存在困难。理想情况下，涡轮增压器会在所有旋转速度范围内给发动机提供明显的动力增加。不过，当涡轮增压发动机没有达到特定旋转速度时，会观察到力矩的急剧下降。当考虑到增压压力比依赖于涡轮机压力比时，这种力矩下降是可理解的。发动机旋转速度的下降导致更小的排气质量流和因此导致更小的涡轮机压力比。因此，增压压力比也朝向更小的旋转速度减小，而这等同于等同于力矩的下降。

抵消涡轮增压发动机中增压压力下降的一个已知方法包括减少涡轮机横截面面积从而增加涡轮机压力比。不过，与消除力矩下降不同，该方法会导致力矩下降发生在较小的旋转速度处。而且，在这个过程中设置限制，即，对于涡轮机横截面面积的减小设置限制，这是因为期望的增压和动力增加要是尽可能不受限的，即使在高旋转速度，即具有大排气体积的情况下也如是。

提高涡轮增压发动机的力矩特性的另一个已知方法采用废气门涡轮机。当排气量超出临界值时，打开关断元件，以便借助于旁路管（一般是指“排气排出”）导引排气中的某些绕过涡轮机或涡轮机叶轮。这个过程在较高旋转速度或较大排气量的情况下有增压性能不足的缺点。

提高涡轮增压内燃发动机力矩特性的另一个已知方法采用多个并置的涡轮增压器，例如，具有小横截面面积的涡轮增压器，其中增加数量的涡轮机被与具有增加排气量接合（例如，通过启用连接涡轮机的汽缸排气阀门以使得排气从汽缸流过涡轮机）。不过，由于与每个涡轮机的单独外壳有关的成本的原因，这个方法会过于昂贵，特别是因为涡轮机外壳必须经受高温负载，而这通常需要由贵重的材料组成，例如，包含镍的材料。

发明内容

为了解决上述问题并且实现其他不同优势，本文的发明人已经指出了各种涡轮增压内燃发动机系统和方法的例子。在一个例子中，涡轮增压内燃发动机包括至少一个带有至少两个汽缸的汽缸盖，每个汽缸具有至少两个排气开口，所述排气开口包括至少一个可接合开口和至少一个不可接合开口，排气管邻接每个排气开口。而且，发动机包括：第一排气歧管，第一排气歧管包括邻接至少两个汽缸的可接合开口的排气管，第一排气歧管的排气管在汽缸盖内合并以形成连接到第一涡轮增压器的第一涡轮机的第一总排气管；以及第二排气歧管，第二排气歧管包括邻接至少两个汽缸的不可接合开口的排气管，第二排气歧管的排气管在汽缸盖内合并以形成连接到第二涡轮增压器的第二涡轮机的第二总排气管。从第一涡轮机上游的第一排气歧管分支出的第一旁路管、从第二涡轮机上游的第二排气歧管分支出的第二旁路管以及第一涡轮机和第二涡轮机共用一个公共的涡轮机外壳。

通过这种方式，通过利用两个单独的排气歧管（而不是涡轮机上游的单个连续管道系统），改善了发动机的操作行为。例如，通过其排气连续流过的第二涡轮机上游的管道体积被减少，这在低负载或低旋转速度（例如，小排气量）时是有优势的，尤其关于响应行为是有利的。进一步地，通过利用根据上述例子的两个单独的排气歧管，排气系统的管的长度和体积减少了，因此减少了发动机的重量，使得能有更加紧凑的结构。发动机重量的减少也有利于降低发动机的成本。

应当理解上述概述提供了以简单形式介绍了在下面详细描述中进一步阐述的概念选择。本概述并非为了鉴定所要求事项的关键特征或基本特征，本发明的范围由权利要求唯一定义。而且，所要求事项不限制解决任何上述所记录的缺点或本公开任何部分缺点的实施。

附图说明

图1示出示例涡轮增压内燃发动机的示意图。

图2示出第二示例涡轮增压内燃发动机的局部示意图。

图3提供了可包含在图1和图2所示涡轮增压内燃发动机内的连接通道和排气管的截面图。

图4示出涡轮增压内燃发动机的示例操作方法，其结合在图1和图2所示发动机例子使用。

图5示出涡轮增压内燃发动机的示例控制方法，其结合图4所示的方法使用。

具体实施方式

图1简要示意出示例涡轮增压内燃发动机1。在本发明范围内，术语“内燃发动机”包括具体地奥托发动机，不过也包括柴油发动机和混合动力内燃发动机。

发动机1是四缸直列发动机，其中汽缸3沿汽缸盖2的纵向轴线排列，即呈直线。每个汽缸3具有两个排气开口4a、4b，其中用于将排气从汽缸3排出的排气管5a、5b邻接每个排气开口4a、4b。虽然图1 描绘一个汽缸盖，但是在某些例子中，发动机1可以包括一个以上的汽缸盖。例如，若多个汽缸以分裂成两个汽缸组的形式排列，发动机可包括两个汽缸盖。类似地，当如图1所示的汽缸盖具有四个汽缸时，每个汽缸盖可包括两个或更多汽缸。

发动机1进一步配备有两个排气涡轮增压器8、9。每个排气涡轮增压器8、9均包括被布置在相同轴上的涡轮机8a、9a和压缩机8b、 9b。第一涡轮机8a和第二涡轮机9a具有公共涡轮机外壳15，在本案中，该外壳15被设置成距汽缸盖2一定距离。热的排气在涡轮机8a、8b内膨胀，且伴随有能量输出，并且压缩机8b、9b压缩经由进气管线 13a、13b和送气室14被馈送到汽缸3的充气，因此实现了内燃发动机 1的增压。

根据本发明，第一排气涡轮增压器的涡轮机，即，第一涡轮机，被设计为可接合涡轮机，并且通往且对应于该涡轮机的排气管的排气开口被构建成可接合的排气开口。仅在较大排气量的情况下在气体交换过程中打开可接合排气开口，并且因此，第一涡轮机被启用，即，吸入排气。例如，如图1所示，每个汽缸3的至少一个排气开口在各情况下被形成为可接合排气开口4a（虚线），其中在气体交换过程中仅当排气量超出第一预定的排气量的情况下打开该可接合排气开口4a。因此，被设置在下游的第一涡轮机8a被启用，即，吸入排气。

此外，每个汽缸的至少一个其他排气开口被形成为非可接合排气开口4b（连续线）。非可接合排气开口可以始终保持打开，例如，不管是否存在特定的排气量。

试图将涡轮机设置成尽可能靠近排气，即靠近汽缸的排气开口，以便最佳地利用热排气的排气焓，该排气焓基本上由排气压力和排气温度确定，以及以便确保涡轮增压器的快速响应行为。为此目的，尝试最小化热惯性和在汽缸上的排气开口和涡轮机之间的管道系统的体积，这可通过减少排气管的质量和长度来实现。

排气管在汽缸盖内被组合在一起，因此涡轮机上游的管道系统的长度或体积可以被显著缩短或减少。这个措施使得内燃发动机的紧凑型结构可行，其中除了发动机组件数量和重量减少之外，还减少了成本，特别是组装成本和备件成本。该紧凑型结构进一步允许发动机舱中的整个驱动单元的紧凑型封装。

因此，至少两个汽缸的排气管以成组方式组合在一起，以便从这些汽缸中的每个汽缸，至少一个排气管导向第一涡轮机并且至少一个排气管导向第二涡轮机。在如图1所示的例子中，所有汽缸3的可接合排气开口4a的排气管5a形成第一排气歧管6a并且汇合到一起以形成第一总排气管7a，该第一总排气管7a连接到第一排气涡轮增压器8的涡轮机8a（虚线）。所有汽缸3的其他排气开口4b的排气管5b形成第二排气歧管6b并且汇合到一起以形成第二总排气管7b，该第二总排气管7b连接到第二排气涡轮增压器9的涡轮机9a（连续线）。在其他例子中，汽缸盖的所有汽缸的排气管不必须汇合到一起以形成两个总排气管；而是，仅至少两个汽缸的排气管需要以上述的方式成组。在图1所示的例子中，排气管5a、5b在汽缸盖2内合并在一起以形成总排气管7a、7b。

与在涡轮机上游提供单个连续管道系统的实施例相比，由于前面描述的分组，即，由于利用了两个单独的排气歧管，内燃发动机的操作行为得到改进，特别是在小排气流情况下的操作行为得到改进。这尤其是有优势的，因为排气连续流过的第二涡轮机上游的管道体积被减少，这在低负载或低旋转速度时是有优势的，例如具有小排气量时，特别是就响应行为而论。

如图1再清楚不过的，涡轮机8a、9a被设计为废气门涡轮机8a， 9a，排气能够通过旁路管10a、10b、10c从中排出。第一涡轮机装备有第一旁路管10a，第一旁路管10a从第一涡轮机8a上游的第一排气歧管6a的总排气管7a分支出，第二涡轮机9a装备有第二旁路管10b，第二旁路管10b从第二涡轮机9a上游的第二排气歧管6b的总排气管 7b分支出。

第一和第二旁路管10a、10b被整合到汽缸盖2内，因此降低了排气泄漏的风险。第一和第二旁路管10a、10b进一步形成节点11并汇合到一起以形成公共旁路管10c。在这个例子中，公共旁路管10c被整合到公共涡轮机外壳15内并和两个总排气管7a、7b一起导向催化器 16，排气在催化器16中被后处理。在其他例子中，公共旁路管可导向到涡轮机下游的两个总排气管中的一个，而不是如图1所示与它们两个合并。

如上所述，第一旁路管在图1所示例子中从第一总排气分支出。因为与第一排气歧管关联的排气开口的总排气穿过第一总排气管，所以总排气理论上也可以通过第一旁路管被排出。这也适用于第二旁路管，其在图1所示例子中从第二总排气管分支出。

如图1所示，第一旁路管和/或第二旁路管至少部分地整合到汽缸盖内。此外在某些实施例中，如图2所示的例子中，第一旁路管和/或第二旁路管至少部分地整合到公共涡轮机外壳中。以这种方式整合各种部件会有利地减少部件数量及相关成本，并且进一步降低排气泄漏的风险。

在节点11，提供在打开位置和闭合位置之间可调节的关断元件12。关断元件12在闭合位置时，将两个旁路管10a、10b隔离于公共旁路管10c，并且关断元件12在打开位置时，将两个旁路管10a、10b连接于公共旁路管10c。通过这种方式，两个旁路管可仅由一个关断元件打开和闭合。无数个优势与仅由一个关断元件打开和闭合两个旁路管有关。例如，由于热排气的冲击，废气门涡轮机的关断元件是热高负荷的，因此废气门涡轮机的关断元件要使用能经受高温负载的昂贵材料来制造。这样，减少排气需要的关断元件的数量会实现成本节省。进一步地，关断元件的控制的费用比较大，并且当使用气压计单元来用于增压压力或排气压力控制时气压计单元和相关机构具有相应的空间需求。后者尤其妨碍了紧凑型结构或紧凑性封装。在这方面，仅用一个关断元件控制两个旁路管会是有优势的。

可替代地，在其他例子中，若在各情况下第一旁路管和第二旁路管均装配有一个关断元件且如果有必要的话，仅在涡轮机下游汇合到一起。

在某些例子中，在关断元件处于闭合位置时保留至少一个非可闭合连接通道。使得第一和第二排气歧管永久互连的非可闭合连接通道22 会在下面结合图2和图4讨论。在此，使得两个旁路管永久互连的非可闭合连接通道具体被称为“传输”通道。这种传输通道可提供可接合第一涡轮机的改良操作行为。如图1所示，发动机1包括使得第一和第二旁路管互连的传输通道17。

如图1所示，两个并置的涡轮机可共用一个公共涡轮机外壳15。一个公共外壳是更少集约材料的，即，比两个单独的涡轮机外壳需要更少的材料，这导致了重量节省。而且，用于高热负载的涡轮机外壳的通常含镍的材料是相当地成本集约的，尤其是相比于常用于汽缸盖的铝材料。除了可高热负载材料本身具有大成本之外，相对于其他材料在生产外壳的过程中，机械加工这种材料还是更耗时且导致更大成本。这样，关于材料和生成成本两方面，使用一个公共涡轮机外壳产生了成本优势。并且，除了上述优势外，在一个公共外壳内装纳两个并置的涡轮机还有利地允许整个驱动单元具有紧凑封装。

在某些例子中，公共涡轮机外壳包括至少一个铸造零件。通过铸造方法生成外壳或外壳的零件有利地有助于形成外壳的复杂形状。进一步地，铝可用于外壳，因此可以实现特别大的重量节约。外壳还可由灰铸铁或其他铸造材料生产。

在某些例子中，公共涡轮机外壳和至少一个汽缸盖构成了以摩擦接合、外形适配和/或材料粘接的方式互连的单独部件。其中涡轮机外壳和汽缸盖构成单独的部件并在装配过程中互连的模块化构造具有如下优点，根据模块化原则，一方面，涡轮机能和其他汽缸盖结合，并且另一方面汽缸盖能和其他涡轮机结合。作为规则，部件的多样化可用性增加了件数，因此单位成本降低。而且，在涡轮机或汽缸盖要调换，即，由于缺陷而要被更换时产生的成本会降低。模块化构造还允许改装内燃发动机或在市场上已存在的现有概念，即，根据本发明利用现有汽缸盖设计内燃发动机。

可替代地，至少部分公共涡轮机外壳可以与至少一个汽缸盖一体形成，以便汽缸盖和涡轮机外壳的至少一部分形成单体式部件。例如，图2绘出汽缸盖和整个涡轮机外壳被一体地形成单体式部件的例子。原则上，由于单体式（单件式）设计的原因，不必要气密地可高热负载地连接汽缸盖和涡轮机外壳，这可以节约成本。类似地，单体式设计减少了由于泄漏而导致的排气不良地逸散到环境中的危险。同样，单体式类型的构造导致部件数量的减少并导致更加紧凑型的构造。

通过单体式设计，因为不再需要提供用于安装工具的通路，因此能够特别靠近发动机来布置涡轮机，这简化了涡轮机外壳的结构布局并允许与涡轮机操作有关的优化。外壳可设计成具有相对较小的体积且涡轮机转轮能被设置在入口区域附近，当考虑到安装通路时这是不易实现的。

有利的是，在某些例子中，排气涡轮增压器的轴连同预组装的涡轮机转轮和压缩机转轮一同作为预组装的子组件（例如以盒的形式）被装配到涡轮机外壳中或在涡轮增压器外壳中。这相应缩短了安装时间。在这种情况下，外壳不仅容纳涡轮机部件还容纳压缩机零件。

虽然没有在图1中示出，但在某些例子中，涡轮机装配有冷却系统。涡轮增压内燃发动机（例如发动机1）可以比自然吸气发动机承受更高的热负载，在此情况下，涡轮增压内燃发动机相对于自然吸气发动机对冷却系统提出更高要求。冷却系统可以是例如空气冷却系统或液体冷却系统。由于与空气相比液体具有更高热容量，所以液体冷却系统比空气冷却系统可能耗散掉的热量相比能够耗散掉更大量的热量。液体冷却系统需要内燃发动机（即汽缸盖和汽缸体）装备有集成的冷却剂套，即，将引导冷却剂的冷却剂通道设置成通过汽缸盖或汽缸体。部件内已经产生的热量传递到可包含混合有添加剂的水的冷却剂。在本示例中冷却剂借助于被安装在冷却回路中的泵被传输，以使得冷却剂在冷却剂套内循环。被传递到冷却剂的热量以此方式从汽缸盖或汽缸体内释放并从热量交换器内的冷却剂被再一次提取出。

在装备有液体冷却系统的涡轮机例子中，因为仅一个外壳必须具有冷却剂套或冷却剂通道，所以使用一个公共涡轮机外壳具有进一步的优势。成本集约型/高成本材料的使用，例如含镍材料，则通常不再需要或大大减少。因为如上所述，可高热负载材料的机加工成本倾向于高于其他材料，所以这也降低了生产成本。若涡轮机外壳和汽缸盖被液体冷却并且被整合到涡轮机外壳内的冷却剂套将通过汽缸盖被供应冷却剂，则两个部件的一体设计是极其被推荐的，这是因为当连接两个冷却回路或冷却剂套时可以省去额外的管。在这种情况下，被整合到汽缸盖内的冷却剂套也能形成被提供在外壳内的冷却剂套，以使得两个原本独立的冷却剂套的连接不再存在或不再需要被设计。关于冷却剂回路或冷却剂套和冷却剂泄漏的连接，同样适用已经说过的关于排气流的说明。

虽然没有示出，也可实施油供应管，即，可通过被整合到汽缸盖和外壳内的管来实现向涡轮机供应油以用于润滑涡轮机轴。用于油供应的外部管以及因此在管和外壳之间或管和汽缸盖之间的连接点的设计和密封可以是不必要的。有优势的是，油可从汽缸盖提取出并被馈送到外壳或涡轮机而没有泄漏的风险。

发动机1可进一步包括控制系统18。示出的控制系统18从多个传感器20接收信息并发送控制信号给多个致动器21。传感器20可包括例如压力、温度、空气/燃油比以及成分传感器。致动器21可包括打开和闭合可接合排气开口的阀门。例如，发动机可装备有至少部分可变阀动装置，优选地完全可变阀动装置，以用于操作可接合排气开口。阀动装置可包括致动器21来操作可接合排气开口。控制系统18可包括控制器19。基于在其中对应一个或更多程序的程序化被编程的指令或代码，控制器可从各种传感器接收输入数据、处理输入数据以及响应经处理的输入数据来触发不同致动器。例如，控制器19可从相关传感器接收输入数据并处理数据以确定当前排气量，接着基于该排气量触发致动器，例如用于操作可接合排气开口的致动器。

图2是第二示例性涡轮增压内燃发动机1a的部分示意图。除了两个不同点外，发动机1a和图1的发动机是一致的。

发动机1和发动机1a之间的第一个不同在于，汽缸盖2和公共涡轮机外壳15被一体形成在发动机1a内。如上所述，这个整体型构造有优势地导致部件数量的减少以及更加紧凑的构造。在另一个例子中，公共涡轮机外壳15仅有部分和汽缸盖2一体形成，或公共涡轮机外壳 15和汽缸盖2可以是完全分离的。

发动机1和发动机1a之间的第二个不同是，发动机1a包括非可闭合连接通道22而不是传输通道17。在发动机1a内，连接通道22在第一和第二旁路管上游永久地互连第一和第二排气歧管。图2包括连接通道但没有传输通道，应当理解在某些例子中，连接通道和传输通道均可以被包括在发动机内。在另外的例子中，连接通道可在不同位置（例如，第一和第二旁路管的下游）永久地互连第一和第二排气歧管，或发动机可包括多个连接通道（它们中的一些可以是传输通道）或没有连接通道。

连接通道22履行如上所述的传输通道17相同的功能，尤其是将排气馈送到第一涡轮机，即使在停用状态仍如是，以确保最小旋转速度，如下面关于图4的描述。

关于所述两种类型通道的功能，例子中存在的优势是，每个通道构成节流点，其导致穿过该通道的排气流的压力下降。通过这种方式，确保仅有少量的排气量通过通道，特别是恰恰足够的排气，以便维持涡轮机轴具有特定最小旋转速度。

连接通道是根据其功能按比例确定尺寸，即，将被构建成小于例如邻接排气开口并用作给涡轮机供应尽可能少损失的足够排气的排气管。例如，当通道的最小横截面面积A_Quer，V或A_Quer，K小于排气管（例如，排气管5a、5b或总排气管7a、7b）的最小横截面面积A_Quer，Ex时是有优势的。管或通道的流动横截面面积是对吞吐量有显著影响的参数，即，对每单位时间穿过通道的排气量具有显著影响的参数。为了便于比较，根据本发明，提供垂直于气流中心线的流动横截面作为参考。

当A_Quer，K或A_Quer，V≤0.2A_Quer，Ex是可行的时是有优势的。例如，图3 示出通道横截面面积和排气管横截面面积之间的关系，其中在A_Quer，V≤ 0.2A_Quer，Ex。进一步地，在A_Quer，K或A_Quer，V≤0.1A_Quer，Ex,优选地A_Quer，K或A_Quer，V≤0.05A_Quer，Ex,是可行的例子中，是有优势的。

在提供连接通道的发动机的情形下，优势存在于有以下特征的例子中，即连接通道从第二排气歧管的排气管分支出并将该排气管连接到例如第一排气歧管的排气管或者连接到第一排气歧管的总排气管。因为仅有少量的排气量将通过连接通道被传输到第一歧管，如下面关于图4的描述，因此通过单个排气开口的排气管向连接通道供应排气基本是足够的。不过，可替代地，若至少一个连接通道互连第一和第二排气歧管的两个总排气管，则是有优势的。通过两个总排气管的这种彼此相邻的布置，这个实施例缩短了连接通道的长度。

若提供了连接通道，则进一步优势体现在连接通道被整合到汽缸盖内。因此，消除了排气泄漏的风险。而且，有助于内燃发动机的紧凑型结构设计。与具有外部通道的实施例相比，可以省去紧固装置和额外的密封元件。

图4简要示出可用于发动机1内示例性操作方法400。

在402，方法400包括使得排气通过被整合到汽缸盖内的第二排气歧管从汽缸盖的每个汽缸中的至少一个非可接合开口流动到第二涡轮机。

在404，方法400包括使得排气通过至少一个非可闭合的连接通道从第二排气歧管流动到第一排气歧管，其中该非可闭合的连接通道被整合到汽缸盖内并永久连接第一和第二排气歧管。连接通道可使得第二排气歧管的排气管和第一排气歧管的排气管互连，例如图2的连接通道22。可替代地，连接通道可互连第一和第二排气歧管的第一和第二旁路通道，如图1的传输通道17。

通过这种方式，方法400有优势地确保了甚至在低排气量的情况下，即当可接合排气开口例行地被停用（即，当排气没有通过第一排气歧管从可接合开口流动到第一涡轮机）时，连接通道允许排气中的一些排气从第二排气歧管传输到第一排气歧管内，以使得当可接合排气开口处于停用状态（即闭合状态）时，第一涡轮机通过第二排气歧管和连接通道也准许排气吸入。在某些例子中，恰好足够的排气将通过涡轮机轴的连接通道被馈送到第一涡轮机，使其不会下降到低于最小旋转速度n_T。维持特定的最小旋转速度可以防止或减少在第一涡轮增压器的轴的抗摩擦轴承中液力润滑膜的集结。照这样，甚至在可接合排气开口处于停用状态时少量排气被馈送到第一涡轮机的这种措施对第一涡轮增压器的耐磨和耐久性具有有利的效果。而且，因为第一涡轮机在被致动/启用时会从更高的旋转速度被加速，所以第一涡轮机的响应行为，或总体充气/增压的响应行为得以提高。相应地，驱动器所要求的力矩可以相对快速地被实现，即，仅有短暂的延迟。

连接通道将仅提供小排气量，也就是说足够的排气，以确保轴的最小旋转速度n_T，而且将相应地在几何形状上确定尺寸，如上面关于图3 的描述。在可接合排气开口处在停用状态时有助于增压压力的累积，这不是第一涡轮机的任务。当可接合排气开口被启用时，提供所需要的排气量，不是连接通道的任务，而是第一排气歧管的任务。

原则上，当可接合排气开口被停用时，例如，在小排气量情况下当根据规则被布置在节点处的关断元件也被停用（即闭合）时，连接通道是具有重要意义的。在某些例子中，当转变到闭合位置时，对于关断元件而言还形成连接通道是有优势的。在这种情况下，连接通道会是由第一和第二旁路管和节点组成的传输通道，而不是互连两个旁路管的单独的管，如图1所示的传输通道17。

若没有提供连接通道，则不利的是，内燃发动机装备有相互隔离的两个单独的排气歧管以及可接合排气开口。在可接合排气开口处于停用状态时，第一涡轮机则完全切断于排气流，即完全没有排气被馈送到被关断的第一涡轮机。这是由于在这种操作状态下使用了单独的排气歧管以及未打开的可接合排气开口。当被停用时，由于没有排气流入，所以第一涡轮机的旋转速度明显地减小。在轴的轴承中的液力润滑剂膜会分解或碎裂。这导致第一涡轮机在被启用时响应行为的受损。

图5简要示出可用于结合方法400的示例性控制方法500。

在502，方法500包括确定排气量是否超出第一阈值。

在非增压内燃发动机的情况下，排气量大致对应于内燃发动机的旋转速度和/或负载，实际上是所用的负载控制的函数。在具有质量控制的传统奥托发动机的情况下，排气量随着负载增加而增加，即使在恒定旋转速度的情况下也如是，而在具有质量控制的传统柴油发动机的情况下排气量仅依赖于旋转速度，因为随着负载改变并且在恒定旋转速度的情况下混合物的成分不改变混合物的体积。若根据本发明的内燃发动机基于品质控制，其中负载通过新鲜混合物的体积来控制，则如果内燃发动机的负载超出预定负载，则因为排气量与负载关联，其中排气量随着负载增加而增加并且随着负载减少而减少，所以排气量能够超过第一阈值（即相关预定排气量），即使在恒定旋转速度时也如是。不过若内燃发动机是基于品质控制的，其中负载通过新鲜混合物的成分被控制并且排气量几乎完全随着旋转速度改变而改变，即排气量与旋转速度成比例，则如果内燃发动机的旋转速度超出预定旋转速度，则排气量与负载无关地超出第一阈值。

根据本发明的内燃发动机是增压内燃发动机，以使得还额外地要考虑到在进口侧上的增压压力，其随着负载和/或旋转速度的改变而改变且对排气量有影响。因此前面解释的关于排气量和负载或排气量和旋转速度的关系仅在有限程度上适用于一般形式。因此，方法500是最一般情形的基于排气量而不是基于负载或旋转速度。

若在502的答案是“否”，则方法500继续到504。在504，方法 500包括当可接合开口被停用时，通过经由连接通道使得排气从第二排气歧管流到第一排气歧管且接着使得排气流过第一涡轮机，从而保持第一涡轮机的旋转速度处于或大于最小旋转速度。在504后，方法500 结束。

否则，若在502答案是“是”，则方法500继续到506。在506，方法500包括选择地启用每个汽缸中的至少一个可接合排气开口，以便经由被整合到汽缸盖内的第一排气歧管使得排气流到第一涡轮机，该第一涡轮机和第二涡轮机并行。可接合排气开口的启用等同于第一涡轮机的接合。经由连接通道对第一涡轮机的事先加速保持不受其影响，即可能与其无关。

在其他例子中，只要排气量超出第一阈值且针对预定时间间隔Δt₁大于第一阈值时则可接合排气开口就被启用的情况是有优势的。接合第一涡轮机的额外条件的引入是为了防止极端频繁的变换，具体是可接合排气开口的启用，如排气量超出第一阈值很短时间且之后再次回落，或在第一阈值周围波动时，不这样做则超出第一阈值就会认为或必须接合可接合排气开口且因此接合第一涡轮机。

由于上述原因，优势还体现在方法变种中，即只要排气量不足于第一阈值且预定时间间隔Δt₂小于第一阈值则可接合排气开口就被停用。

在506后，方法500继续到508。在508，方法500包括确定排气量是否超出第二较高阈值。第二较高阈值大于第一阈值（即，第二阈值代表了比第一阈值更大的排气量）。

若在508的答案是“否”，则方法500结束。否则，若在508的答案是“是”，则方法500继续到510。在510，方法500包括打开关断阀门以便将一些排气改道到公共旁路管内，从而绕过第一和第二涡轮机。如上面关于图1和图2 中 1a的描述，关断阀门可被安排在第一旁路道和第二旁路管的节点处，其中第一旁路管从第一涡轮机上游的第一排气歧管分支出，第二旁路管从第二涡轮机上游的第二排气歧管分支出。通过这种方式，只要排气量超出第二阈值，就会启动排气排出。

在另一个例子中，如下情况是有优势的，即只要排气量超出第二阈值且针对预定时间间隔Δt₃大于第二阈值时，就打开关断阀门以启动排气排出。

若第一和第二旁路管在涡轮机的上游互连，则使得存在方法变种：在通过（例如，经由关断阀门）打开旁路管启用可接合排气开口之前不久，第一涡轮机被加速，其中排气通过第二和第一旁路管从第二排气歧管流到（即传输到）第一排气歧管内。在这种情况下，第一和第二旁路管一起形成传输通道。

优势还体现在方法变种中：只要排气量不足于预定排气量（例如，降低到第二阈值执行）且针对预定时间间隔Δt₄小于这个预定排气量时，就闭合至少一个旁路管。

在510后，方法500结束。不过，应当理解方法500可重复执行，以使得若排气量再次不足于第一阈值，则可接合排气开口再次被停用，且伴之停用可接合第一涡轮机。

应当理解是以例子的方式来提供方法400和500，但这不意味是对该方法的限制。因此，应当理解方法400和500可在不偏离本公开范围的前提下，相应地包括相比于图4和图5所示步骤的添加的和/或可替代的步骤。进一步地，应当理解方法400和500不是为了限制图中所示步骤的顺序；可在不偏离本公开范围的前提下对图中所示一个或更多步骤重新安排或省略。

要注意的是，本文所述控制例子和估计例程可采用不同发动机和/ 或车辆系统的配置。本文所述具体例程可代表一个或更多数量的过程策略，例如事件驱动的、中断驱动的、多任务的、多线程的等等。照这样，所示的不同步骤、不同操作或不同功能可以所示的次序，并行的次序，或某些情况下省略的次序执行。同样，该处理顺序不是必然地要求实现这里描述的特性或优势，而是提供了图示和描述的方便。取决于正在使用的特殊策略，一个或更多所示步骤或所示功能可重复执行。进一步地，这些例子的例程可图形地表述程序化写入控制器中计算机可读存储介质的代码。

这里所指的不同导管和通道，可包含导管、通道、连接等的不同形式，不限于任何具体横截面的几何形状、材料、长度等。

应当理解这里公开的配置和例程实际上是示范性的，而且不应该认为这些具体实施例是限制性的，因为无穷的变化是可能的。例如，上述技术可应用于V-6、I-4、I-6、V-12、对置4和其他类型发动机。本发明所要求事项包括这里公开的不同系统和配置、不同系统和其他特性，不同系统和/或性能的所有新颖和非显而易见的组合以及子组合。

上述权利要求特别指出某些组合或子组合视为新颖的和非显而易见的。这些权利要求可指的是“一个”元件或“第一”元件或其等价物。应当理解这样的权利要求包括一个或更多这样元件的合并，既不需要也不排除两个或更多这样的元件。可通过对本申请权利要求的修正或通过相关申请提交新的权利要求，对这里所公开的特性、功能、元件和/或性能的其他组合和子组合提出要求。这样的要求，相对于原来的权利要求无论是更宽、更窄、等同或在范围方面不同，也应看作是包括在本公开所要求的事项内。

Claims (17)

1.一种涡轮增压内燃发动机，其包括：

汽缸盖，所述汽缸盖带有至少两个汽缸，每个汽缸具有至少两个排气开口，所述至少两个排气开口包括至少一个可接合开口和至少一个非可接合开口，所述至少一个非可接合排气开口始终保持打开，排气管邻接每个排气开口；

第一排气歧管，所述第一排气歧管包括邻接所述至少两个汽缸的所述可接合开口的排气管，所述第一排气歧管的排气管合并到所述汽缸盖内以形成连接第一涡轮增压器的第一涡轮机的第一总排气管；

第二排气歧管，所述第二排气歧管包括邻接所述至少两个汽缸的所述非可接合开口的排气管，所述第二排气歧管的排气管合并到所述汽缸盖内以形成连接第二涡轮增压器的第二涡轮机的第二总排气管；

在所述第一涡轮机上游从所述第一排气歧管分支出的第一旁路管；以及

在所述第二涡轮机上游从所述第二排气歧管分支出的第二旁路管；

其中所述第一涡轮机和所述第二涡轮机共用公共涡轮机外壳；以及

其中所述第一排气歧管和所述第二排气歧管通过被整合到所述汽缸盖内的至少一个非可闭合连接通道在所述第一涡轮机和所述第二涡轮机上游被永久地互连。

2.根据权利要求1所述的发动机，其中所述第一旁路管和所述第二旁路管在节点处汇合以形成被至少部分整合到所述公共涡轮机外壳内的公共旁路管，并且其中被设置在该节点处的关断元件在打开位置和闭合位置之间可调节，其中在所述打开位置时该关断元件将两个旁路管连接到所述公共旁路管，在所述闭合位置时该关断元件将两个旁路管隔离于所述公共旁路管。

3.根据权利要求2所述的发动机，其中所述公共涡轮机外壳包括至少一个铸造部件。

4.根据权利要求2所述的发动机，其中所述第一旁路管和所述第二旁路管至少部分地整合到所述公共涡轮机外壳和/或所述汽缸盖内。

5.根据权利要求1所述的发动机，其中所述连接通道的最小横截面面积A_Quer,V小于排气管的最小横截面面积A_Quer,Ex。

6.根据权利要求5所述的发动机，其中A_Quer,V小于或等于0.2A_Quer,Ex。

7.根据权利要求5所述的发动机，其中所述连接通道是连接所述第一旁路管和所述第二旁路管的传输通道。

8.一种用于涡轮增压发动机的方法，其包括：

使得排气通过被整合到汽缸盖内的第二排气歧管从所述汽缸盖的每个汽缸中的至少一个非可接合开口流动到第二涡轮机，所述至少一个非可接合排气开口始终保持打开；以及

选择地启用每个汽缸的至少一个可接合开口，以便使得排气通过被整合到所述汽缸盖内的第一排气歧管流动到第一涡轮机，该第一涡轮机和该第二涡轮机并联；以及

使得排气通过被整合到所述汽缸盖内的至少一个非可闭合连接通道从所述第二排气歧管流动到所述第一排气歧管，该连接通道永久地连接所述第一排气歧管和所述第二排气歧管。

9.根据权利要求8所述的方法，其中选择地启用每个汽缸的至少一个可接合开口包括当排气量超出第一阈值时启用每个汽缸的所述至少一个可接合开口。

10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括当所述排气量超出第二较大阈值时，打开被设置在第一旁路管和第二旁路管的节点处的关断阀门从而使一些排气改道到公共旁路管内以绕过所述第一涡轮机和所述第二涡轮机，其中所述第一旁路管在所述第一涡轮机上游从所述第一排气歧管分支出，所述第二旁路管在所述第二涡轮机上游从所述第二排气歧管分支出。

11.根据权利要求8所述的方法，其中所述连接通道的最小横截面面积小于排气管的最小横截面面积。

12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括当所述可接合开口被停用时，通过使得排气通过所述连接通道从所述第二排气歧管流动到所述第一排气歧管且之后使得所述排气流动穿过所述第一涡轮机，从而将所述第一涡轮机的旋转速度保持在处于或高于最小旋转速度。

13.一种用于发动机的系统，其包括：

带有至少两个汽缸的汽缸盖；

每个汽缸具有至少两个排气开口，所述至少两个排气开口中的至少一个是可接合的；

被整合到所述汽缸盖内并将所述可接合开口连接到第一涡轮增压器涡轮机的第一排气歧管；

被整合到所述汽缸盖内并将所述至少两个排气开口的非可接合开口连接于与所述第一涡轮机并联的第二涡轮增压器涡轮机的单独的第二排气歧管；

其中所述第一排气歧管和所述第二排气歧管通过被整合到所述汽缸盖内的至少一个非可闭合连接通道在所述第一涡轮机和所述第二涡轮机上游被永久地互连；以及

其中所述至少两个排气开口的非可接合开口始终保持打开。

14.根据权利要求13所述的系统，其中所述第一涡轮机和所述第二涡轮机共用公共涡轮机外壳。

15.根据权利要求14所述的系统，进一步包括从所述第一排气歧管分支出的第一旁路管和从所述第二排气歧管分支出的第二旁路管，其中所述第一旁路管和所述第二旁路管在节点处汇合以形成公共旁路管道，并且其中关断元件被设置在该节点处。

16.根据权利要求15所述的系统，其中所述连接通道的横截面面积小于排气管的横截面面积。

17.根据权利要求16所述的系统，其中所述连接通道永久地连接所述第一旁路管和所述第二旁路管，并且其中流过所述连接通道的排气将所述第一涡轮机的旋转速度保持在处于或高于最小旋转速度。