CN103184950A - 多汽缸内燃发动机和运行这样的多汽缸内燃发动机的方法 - Google Patents

Abstract

以1-3-4-2顺序运行的直列四缸内燃发动机系统，包括与汽缸体连接的汽缸盖，其中每个汽缸具有至少一个排气口以通过排气排出系统排出排气，为此在每个排气口连接排气管；其中汽缸的排气管分阶段合并到共同的排气管中，并且排气排出系统露出汽缸盖外部。因此来自相邻汽缸的连续点火的排气在汽缸盖中始终分开一段距离以减少连续点火的相邻汽缸的相互影响。

Description

多汽缸内燃发动机和运行这样的多汽缸内燃发动机的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求优先权为2012年1月2日提交的德国申请102012200014.3，其全部内容特此就所有目的纳入参考。

技术领域

背景技术

机动车辆的多汽缸内燃发动机通常包括连接到汽缸体安装面的至少一个汽缸盖和沿着汽缸盖纵轴直线布置的四个汽缸，其中每个汽缸配备点火装置来启动外部点火装置。每个汽缸通常包含至少一个排气口来从汽缸通过排气排出系统排出排气，其中每个排气管连接到每个排气口。在以下说明书的文本中词组“发动机”，特别是，包括配备外部点火装置的汽油发动机。发动机具有至少一个汽缸盖和一个汽缸体，其在它们的安装面连接到一起以形成被称为燃烧室的各个汽缸。

汽缸盖常常用来保持被称为气门装置的气门致动机构来控制充气变化。在充气变化中，燃烧气体通过排气口排出并且新鲜混合物或新鲜空气通过进气口吸入，填充燃烧室。往复式气门通常用作发动机运行期间的充气变化控制元件来打开和关闭进气和排气口，其中目的在于快速打开足够大的流动横截面来保持低阻风损失和汽缸填充最大化。因此，汽缸常常装配两个或多个进气或排气口。歧管下游排气可以随后送入排气涡轮增压器的涡轮和/或一个或更多个排气后处理系统。燃烧释放的能量通过改变燃烧室的填充调整，通过调整吸入空气压力和变化吸入空气量改变燃烧室的填充。低负荷依靠高阻风(choking)，那么低负荷区域充气变化损失增加。

汽油发动机的工作过程去阻风的一个手段在于可变气门装置的使用，借此可以或多或少地改变气门行程和/或控制时间。变化气门的控制时间通过使用凸轮轴调整装置实现，借此可以相对于曲轴以一定角度扭曲凸轮轴，允许控制时间提前或延后而不变化气门的开启时长。在这种可变气门控制方法中，气门重叠取决于曲轴转角范围，其中在进气保持开启时排气还没有关闭。在气门以高负载重叠期间，可以发生“冲刷损失”，其中部分吸入的新鲜空气流经汽缸而没有参与随后的燃烧。可变气门控制响应于提高旋转速度使气门重叠减少。对于通过排气涡轮增压器增压的发动机，在低旋转速度下大气门重叠适于提高最大力矩和改善不稳定运行特性。在进气端和排气端之间的低旋转速度下存在的压力下降，维持使用新鲜空气对汽缸的有效冲刷并且确保更大的汽缸填充和因此更高的能量。大的气门重叠，可能来自至少一个排气门的晚关闭，同样适于减少泵气并且减少由此导致的充气变化损失。

充气变化已经证明对汽缸的排气管是成问题的。从各个排气口到排气排出系统中排气管合并到共同的排气管和集合汽缸热排气的集合点发生劣化，在现在的发动机中这是由越来越短的排气管设计组成。越来越多的，排气排出系统是至少部分集成在汽缸盖中为了参与到汽缸盖中提供的冷却中并且减少对昂贵的热重型材料的需要。短排气管可以导致在充气变化作用上发动机汽缸的共同缺点，特别是，由剩余气体冲刷达到的作用可能减少。因此在以燃烧顺序运行的直列式发动机中，汽缸的充气变化由于不同机构争相排出排气而对相邻点火顺序的汽缸有不利影响。

例如，排气从一个汽缸逸出在其排气门关闭之前进入另一个汽缸导致两个不同机构争相从第四汽缸中排出燃烧气体。各种手段可以用于解决由短排气管引起的问题，这些手段包括通过稍晚打开气门或稍早关闭气门缩短排气门的打开持续时间。通常在低发动机转速下通过保持关闭时间的同时稍晚打开气门提高大气门重叠的使用，这种方法在低发动机旋转速度下保持发动机力矩；尽管如此，由在低负载范围下泵气减少来减少燃料消耗而造成的在高发动机转动速度下缩短的气门持续时间引起能量缺陷。

发明内容

发明人在此认识到该问题是缩短的排气管所固有的并且认识到上面提出的一些问题通过提供在点火顺序上相邻的汽缸的排气管一定程度的隔离解决。进一步，这种方法会缓和相邻汽缸在充气变化方面相互影响的问题，同时保持大气门重叠或长排气打开持续时间的优点，以最小化由高旋转速度和/或关于以低负载运行泵气的减少引起的能量缺陷。

附图说明

图1是在汽缸盖内排气排出系统的示范实施方式。

图2是排气排出系统的示范实施方式的图示。

图3是图2的实施方式在汽缸盖的纵向边缘的横截面图。

具体实施方式

在发动机中，汽缸盖时常用来保持气门装置。为了控制充气变化，发动机经常使用控制元件和致动装置使控制元件起作用。在充气变化的背景下，燃烧气体通过排气口排出并且新鲜混合物或新鲜空气通过进气口引入，填充燃烧室。为了控制充气变化，往复式气门被用作控制元件，几乎在所有四冲程发动机中。往复式气门在发动机运行期间进行震荡往复运动并且因此打开和关闭进气和排气口。气门装置是可以移动气门的气门致动机构。气门致动装置常常包括其上布置有多个凸轮的凸轮轴。

气门装置的功能是在恰当的时间打开和关闭汽缸的进气和排气口，其中目的是快速打开足够大的流动横横截面以保持气体流入和流出中的低阻风损失从而最大化汽缸使用新鲜混合物的可能填充和排气相应的排出。因此，汽缸常常适配有两个或多个进气或排气口。

作为本发明主旨的发动机的至少一个汽缸盖中直线布置四个汽缸，其具有至少一个排气口以通过排气排出系统来排出排气。汽缸的排气管分阶段合并到共同的排气管，形成排气排出系统。排气随后在歧管下游适当地送入排气涡轮增压器的涡轮和/或一个或更多个排气后处理系统。

燃烧释放的能量通过改变燃烧室的填充来调整，产生的量调节可导致在汽油发动机中比在相应的柴油发动机中具有较高燃油消耗和更低效率。负载控制通常通过经进气道中的节气门调整吸入空气的压力和改变吸入空气总量进行。较低负载使用较高阻风，因此在低负载区域充气变化损失增加。

在四缸直列发动机中，它的汽缸可以由具有以1-3-4-2顺序点火指令的控制系统运行，汽缸的充气变化可能对点火顺序中它前面的汽缸具有不利影响。例如，从第四个汽缸逸出的排气可能在其排气门关闭之前进入第三个汽缸，导致两个不同机构从第四汽缸中竞相排出燃烧气体。如果排气门，例如，在充气变化开始打开，朝向燃烧结束在汽缸中主导的高压力水平在燃烧室和排气系统之间制造高压力差，导致燃烧气体高速流经排气口进入排气管。第三汽缸中来自第四汽缸的排气的存在，再加上升高的排气提前脉冲(exhaust lead pulse)，可能导致排气管系统的劣化。以1-3-4-2的顺序点火汽缸是有利的，因为根据说明书的排气排出系统已经对这种点火顺序优化，据此达到特别是关于所述点火顺序的所期望的积极作用。

这种压力驱动流动过程越强，产生的力矩越高，并且伴随着高压力峰值-也称作排气提前脉冲-其沿排气管传送。进一步沿着充气变化的进程，汽缸内和排气管内的压力大部分平衡，以便燃烧气体由于活塞运动而在此刻排出。尽管如此，在第三汽缸中初始存在的来自第四汽缸的排气以及升高的排气提前脉冲可以导致排气管系统的劣化。

这个问题可以通过使用如图1所示的汽缸盖降低，其中汽缸的排气管分阶段合并到共同排气管，并且排气排出系统在汽缸盖的外部露出。在本文中纵轴是汽缸对准的轴(图1的114)并且横轴是垂直于纵轴平行于汽缸盖基体的轴(图1的144)。汽缸盖和排气排出系统在图2中进一步详述，此处排气排出系统单独示出。在图3中示出在汽缸盖边缘的排气排出系统的横截面。有利的是集成大部分排气排出系统到一个或更多个汽缸盖中，从而尽可能多地在汽缸盖自身中合并排气管，允许更紧凑的结构和密集的封装并且由此获得成本和重量效益。这些效益可以进一步帮助涡轮增压器和排气再循环系统。

图1的实施方式中，进入发动机的空气可以在进入进气系统之前通过涡轮增压器压缩机138压缩。这些空气可以随后通过空气冷却器136冷却并且在节气门134处一些空气可以允许经过进气管102进入进气歧管用于在点火室A、B、C、D内充气和燃烧。燃烧之后，排气可以经过排气排出系统100流出并且从排出管128排出，在某点一些排气可能再循环到进气歧管中或环境中。

发动机的实施方式可以具有至少一个增压装置。增压装置可以，例如，是排气涡轮增压器和/或压缩机。特别是，具有包括涡轮124的至少一个排气涡轮增压器的发动机的实施方式是有利的，其中涡轮布置在排气排出系统中并且包括进口区域用以供给排气。

涡轮增压器进一步实施方式可以包括压缩机和布置在相同转轴(未示出)上的涡轮。热排气流可以供给到涡轮中并且膨胀，释放能量到涡轮并且使轴旋转。由排气流在涡轮处和最终在转轴上释放的能量可以用来驱动可能同样布置在转轴上的压缩机。当压缩机输送和压缩供给到其的增压空气时发生汽缸增压。如果适用，则可以提供增压空气冷却，借此压缩的燃烧空气在进入汽缸之前被增压空气冷却器136冷却。这种增压主要用以提高发动机的性能。通过为燃烧过程压缩空气，在每一工作冲程更大的空气质量可以供给到每个汽缸。结果是，燃料质量和因此的平均压力可以被提高，从而增加发动机的动力而没有改变容量并且产生更多的有利性能测量。因此，负载集合可以移向更高负载，对于相同的车辆周边条件，在更高负载下特定的燃料消耗降低。实施方式也可以使用排气再循环系统。进一步的实施方式可能不具有涡轮增压器也不具有排气再循环系统。

排气排出系统100在安装面连接到包括沿着汽缸盖144的纵轴112直线布置四个汽缸的汽缸体(未示出)。每个汽缸具有至少一个排气口150来从汽缸通过排气排出系统排出排气，为此排气管110和106连接到每个排气口。

如下发动机的实施方式是有利的，其中每个汽缸具有至少两个排气口来从汽缸排出排气。充气变化期间需要尽可能大的流动横截面的快速排放，为了尽可能低的保持向外流动排气的阻风损失和保证排气的有效排放。因此有利的是汽缸配备两个或更多排气口。

目前情况中，每个汽缸(A，B，C，D)具有合并到4个单独排气管中的两个露出排气口150：最内侧排气管106分别从汽缸B和C露出，并且最外侧排气管110分别从汽缸A和D露出，它们本身是分阶段合并。用于各汽缸排气口的排气管在汽缸盖144内露出，其他实施方式可以每个汽缸具有单排气管或每个汽缸具有许多排气管。两个内部汽缸(B和C)的最内侧排气管106在第一结合点116合并到汽缸盖144内的局部排气管122中。局部排气管122随后与两个最外侧汽缸(A和D)的排气管在集合点120处合并到单个共同排气管126中。在图1中，这发生在汽缸盖144内部。以这种方式合并，两个相邻点火顺序的汽缸在排气端保持相互分离更长的时间，使得连接这些汽缸的排气管的长度(并且由此相应排气通过的长度)增长。排气排出系统在充气变化上减轻由更短的排气管导致的汽缸的相互影响。因此，三个单独排气管在会聚到单个排气管126之前从汽缸盖144露出。最外侧排气管110因此与最内侧排气管106隔离直至他们伸出汽缸盖。这种方法也可以用于不同排列或点火顺序，其中通过首先合并具有360°曲轴转角(CA)的点火间隔的排气管可以达到该效果。

在任一实施方式中，缩短打开时间来抑制汽缸在充气变化上的相互影响，该打开时间的缩短可以减少，因为来自点火顺序中相邻的汽缸的排气管合并，最小化从一个汽缸进入先前点火的汽缸的排气。进一步，可以利用大的气门重叠或长的排气打开时间的优点，而没有两个相邻点火顺序的汽缸在充气变化上相互阻碍。

从而，一个最外侧排气管110与两个最内侧排气管106通过外壁部分146分开。最外侧排气管110与两个最内侧排气管106通过外壁部分146分开。两个最内侧排气管106在汽缸盖和内壁部分148中分开一段距离，内壁部分148在第一结合点116处终结以形成局部排气管122。

一个实施方式还可以配置为容纳具有两个汽缸盖的发动机，例如，如果汽缸分为两个汽缸组。以本文描述的方法合并排气管同样导致充气变化的改进和力矩提供的改进。这种实施方式得益于在汽缸盖144内终结的内壁部分148与汽缸盖外壁118的距离Δd＞0。

发动机实施方式也可以使用突出到排气排出系统中的内壁部分，其具有从汽缸盖外部的横向距离，如图1所示的Δd。如果Δd≥15mm，这种配置是最有利的。发动机的如下其他实施方式是有利的，其中内壁部分距汽缸盖的外壁的距离Δd≥20mm，优选为距离Δd≥25mm。

增加距离Δd和减少内壁部分的长度可以允许更紧凑的汽缸盖设计。更短的内壁部分使两个最外侧排气管在局部排气管内急剧合并，并且因此产生集合点距汽缸更短的横向距离。

在发动机的一些实施方式中，有利的是外壁部分在汽缸盖外部的横向方向上超出内壁部分延伸距离Δs，其中Δs≥5mm。特别的实施方式可以使用值为Δs≥10mm。在发动机的特别实施方式中有利的是Δs≥10mm。

计算机支持模拟显示在个别情况下即使当外壁部分在至少一个汽缸盖外部的方向上超出内壁部分延伸5mm或更多时，也可以达到满意的力矩特性，其中距离Δs垂直于至少一个汽缸盖的纵轴测量并且作为参照点，选取壁部分上沿外部方向伸到排气排出系统中最远处的点。

外壁部分突出的长度超出内壁部分越多，将会具有更显著的排气管的行进距离分隔，和更可察觉的产生效果。也就是，连续点火的汽缸在充气变化上会产生更小的相互影响和阻力。

因此，如下发动机的实施方式可以是有利的，汽缸的排气管在汽缸盖内合并到共同的排气管以形成集成排气歧管(未示出)，并且会保留排气排出系统完全集成在汽缸盖内的所有优点。

然而，如下发动机的实施方式可以是有利的，其中两个最内侧汽缸的局部排气管和两个最外侧汽缸的排气管合并到汽缸盖外部共同的排气管，如图1，同样也在图2中阐述。图2示出发动机第一实施方式的一部分排气排出系统100的俯视图。绘图平面平行于安装面(未示出)。突出到排气排出系统的外壁部分伸出汽缸盖的外部，使得Δs＞Δd。排气流通过外壁部分146相互分开直到它们离开汽缸盖144，使得排气排出系统从汽缸盖144以三个出气口的形式露出。三个排气管合并到汽缸盖144下游并且因此在汽缸盖外部的共同排气管126中。

进一步，对于在汽缸盖144外部形成的共同排气管126，如下发动机的实施方式是有利的，其中突出到排气排出系统中的外壁部分146伸出汽缸盖144外部。根据这个实施方式，两个最外侧且部分的排气管122和110的排气流甚至在离开汽缸盖之后通过外壁部分146相互分开。在这个发动机的实施方式中，排气排出系统还以三个出气口的形式从汽缸盖露出(图3)。在其他实施方式中(未示出)，突出到排气排出系统中的外壁部分可以延伸到达汽缸盖的外部，其中Δs＝Δd。

上述两个实施方式的共同特征是排气排出系统设计模块化并且包括集成到汽缸盖中的歧管部分和外部歧管或歧管部分。外部歧管部分也可以通过布置在排气排出系统中的组件形成，例如涡轮或外部歧管的进口罩。

和图1中一样，图2的汽缸盖具有四个汽缸(A，B，C，D)，四个汽缸沿着汽缸盖的纵轴112布置。因此，汽缸盖具有两个最外侧汽缸(A和D)和两个最内侧汽缸(B和C)。每个汽缸具有两个排气口150，排气口150连接到排气排出系统的排气管106和110，用以排出排气。汽缸(A，B，C，D)的排气管106和110分阶段合并到共同的排气管126中，其中首先两个最内侧汽缸(B和C)的最内侧排气管106合并到局部排气管122中并且这个局部排气管122与两个最外侧汽缸(A和D)的最外侧排气管110一起合并到共同排气管126中。

为此，两个外壁部分146比内壁部分146在汽缸盖的外部108方向上延伸得更远，其中每个外壁部分146使最外侧汽缸(A和D)的两个最外侧排气管110与相邻最内侧汽缸(B和C)的两个最内侧排气管106部分地相互分离，并伸到排气排出系统100中，而且内壁部分146使两个最内侧汽缸(B和C)的最内侧排气管106部分地相互分离并伸到排气排出系统中。

在这个实施方式中，两个最内侧汽缸(B和C)的最内侧排气管106在汽缸盖内合并到局部排气管122中，其中突出到排气排出系统中的内壁部分148距汽缸盖外壁118的横向距离为Δd。然而，突出到排气排出系统100中的外壁部分146，延伸超出汽缸盖的汽缸盖外壁118，使得两个最内侧汽缸(B和C)的局部排气管122和两个最外侧汽缸(A和D)的最外侧排气管110在汽缸盖外部合并到共同排气管126中以形成集合点120。

在图2所示的实施方式中，排气排出系统100从汽缸盖以三个出气口的形式露出(图3)。最外侧排气管110和局部排气管122的排气流，甚至在离开汽缸盖之后，通过外壁部分146相互分开。因此外壁部分146模块化形成，其中在每个情况下汽缸盖144形成一个局部部分，且布置在共同排气管126中的涡轮124的进口罩140形成另一个局部部分147。

在一定程度上，排气排出系统100部分集成到汽缸盖中，其中位于汽缸盖内的歧管部分162通过位于汽缸盖144外的歧管部分160补充，包括外部歧管部分160。

考虑到例如图1和图2中的实施方式，其中排气管的合并发生在汽缸盖外部，排气排出系统的出口是三个出气口的形式，如图3所示。如下发动机的实施方式是有利的，其中两个最内侧汽缸的局部排气管和两个最外侧汽缸(A和D)的排气管，在从汽缸盖到外部的出口上，形成位于与汽缸盖外壁118重合的线上的管横截面，使得线性横截面具有距安装面相等的距离。

图3示出图1所示实施方式中排气排出系统100从汽缸盖的出口。给出的说明仅仅是附加于图1和图2说明部分之外的，另外部分请参考图1和相关描述。相同附图标记用于相同组件。图2是组件从多个平面示出的投影。

两个最内侧汽缸的中心局部排气管122和横向临近的两个最外侧汽缸的排气管106和110，在从汽缸盖到外部的出口上，形成位于一条线并且具有距安装面166的相等距离的线性横截面。

汽缸盖可以配备冷却套用于液体冷却，并且可以包括配置在排气管和汽缸盖安装面166之间的下冷却套168，和可以布置到排气管一侧上相对下冷却套168的上冷却套170。设置在下冷却套168和上冷却套170之间的连接通道172可以间隔于排气管之间，用作冷却剂通道。

上述线路路径使汽缸盖的结构紧凑，特别是低高度汽缸盖的形成，其中汽缸盖的高度垂直于安装面测量。这会导致减少盖体积，并因此减少重量和成本。

对于外壁部分伸出到汽缸盖外部，外壁部分可以由具有至少一个汽缸盖的单件形成，其中不在发动机安装状态的壁部分从汽缸盖突出并且向外伸出。可替代地，外壁部分也可以模块化构建。实施方式也可以具有模块化构建的外壁部分，其中汽缸盖形成一个局部部分而外部歧管或歧管部分形成另一个局部部分。

如果外壁部分模块化构建，并且在每种情况下汽缸盖形成一个局部部分而涡轮的入口区域形成另一个局部部分，则发动机的实施方式可以是进一步有利的。

Claims (19)

1.一种内燃发动机系统，包括

在安装面与汽缸体连接的汽缸盖；

沿着所述汽缸盖的纵轴直线布置的四个汽缸，其中每个汽缸具有至少一个排气口以通过排气排出系统排出排气，为此在每个排气口连接排气管；

其中所述汽缸的排气管分阶段合并到共同的排气管中；

其中所述排气排出系统从所述汽缸盖外部露出；

和

具有指令为以1-3-4-2的顺序启动汽缸外部点火的控制系统，其中始于最外侧汽缸的汽缸沿着所述汽缸盖的纵轴计数和编号。

2.如权利要求1的系统，其中所述汽缸的排气管包括在第一结合点合并的两个最内侧排气管以形成局部排气管，该局部排气管在集合点与两个最外侧排气管合并，其中：

所述最外侧排气管通过外壁部分与所述局部排气管分开；且

所述两个最内侧排气管通过内壁部分相互分开；且

所述第一结合点产生在所述汽缸盖内；且

所述集合点沿横向方向距所述汽缸位于比所述第一结合点更远的位置。

3.如权利要求2的系统，其中所述最内侧排气管在所述汽缸盖内合并到所述局部排气管中。

4.如权利要求2的系统，其中伸到所述排气排出系统中的所述内壁部分距所述汽缸盖外部的横向距离大于0。

5.如权利要求4的系统，其中所述内壁部分的横向距离大于15mm。

6.如权利要求2的系统，其中所述外壁部分比所述内壁部分在横向方向上伸出所述汽缸盖更远的距离，该更远的距离大于5mm。

7.如权利要求2的系统，其中所述两个最内侧和两个最外侧排气管合并到所述汽缸盖内的共同排气管中，形成集成排气排出系统。

8.如权利要求2的系统，其中所述两个最内侧汽缸的所述局部排气管和所述两个最外侧汽缸的排气管合并到所述汽缸盖外部的单个共同排气管中。

9.如权利要求8的系统，其中伸到排气排出系统中的所述外壁部分延伸到所述汽缸盖外壁。

10.如权利要求8的系统，其中伸到排气排出系统中的所述外壁部分在横向方向上延伸超过所述汽缸盖外壁。

11.如权利要求2的系统，其中所述两个最内侧汽缸的所述局部排气管和所述最外侧汽缸的排气管，在从所述汽缸盖到外部的出口上，形成位于一条直线上的管横截面，使得线性横截面具有距安装面相等的距离。

12.如权利要求2的系统，其中所述外壁部分被模块化构造，其中在每种情况下，所述汽缸盖形成一个局部部分且外部歧管部分形成另一局部部分。

13.如权利要求2的系统，其中所述外壁部分被模块化构造，其中在每种情况下，所述汽缸盖形成一个局部部分且涡轮的进口罩形成另一个局部部分。

14.如权利要求2的系统，其进一步包括至少一个增压装置。

15.一种方法，其中：

以1-3-4-2的顺序对四汽缸内燃发动机的汽缸进行点火；和

排气通过汽缸盖排出发生；和

将来自第二和第三汽缸的排气在汽缸盖内的第一结合点处分离发生；和

将排气集合到共同管在第一结合点之后发生。

16.如权利要求15的方法，其中排气的集合发生在汽缸盖外壁内。

17.如权利要求15的方法，其中排气的集合发生在汽缸盖外壁处。

18.如权利要求15的方法，其中排气的集合发生在汽缸盖外壁外。

19.如权利要求15的方法，其中排气的集合由涡轮的局部部分进行。

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