CN104047702B - 具有涡轮增压器的分层装载的发动机及其增压方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有涡轮增压器的分层装载的发动机及其增压方法，其中包括：基于发动机具有大于阈值负载的负载以及发动机运行在发动机速度的第一范围内，来使排出气体从发动机以涡轮增压模式流动到涡轮增压器中，所述阈值负载包括对于使用稀薄的空气‑燃料混合物的自然吸气模式中发动机运行的峰值负载，以及基于涡轮增压器接纳排出气体，在所述涡轮增压模式时由涡轮增压器提供增加量的空气到发动机中的燃烧腔室。所述方法还包括基于下述各项中的至少一项来以自然吸气模式限制排出气体流动到涡轮增压器中：发动机具有小于阈值负载的负载或者发动机以发动机速度的第二范围运行，所述第二范围大于所述第一范围。

Description

具有涡轮增压器的分层装载的发动机及其增压方法
技术领域
本主旨发明涉及分层（Stratified ）装载的发动机，并且更具体地涉及用于分层装载的发动机的强制导入系统。
背景技术
在分层装载的发动机中，燃料只在其被火花塞点火之前喷射到燃烧腔室中。通常，分层装载的发动机具有喷射器，所述喷射器定位在燃烧腔室中以便紧邻火花塞喷射燃料。与常规内燃发动机相比，这允许更高的压缩比而没有预燃或“震动”（knock），并允许更稀薄的空气/燃料混合物。
因为在燃烧开始点之前燃烧腔室中不存在燃料，所以降低了预燃或发动机震动的风险。发动机还能够以在非常稀薄的总的空气/燃料的比率下运行，因为分层装载在紧邻火花塞处提供较浓的空气/燃料混合物并且在所述腔室中其他地方提供较稀薄的空气/燃料混合物。相应地，与典型的火花点火发动的空气/燃料混合物相反，分层装载是非均质的。为了得到更好的热力学效率，较高的机械压缩比也可用于分层装载的发动机。
在某些情形中，由于较稀薄的空气/燃料混合物并且由于降低的泵送损失，分层装载的发动机经历了改进的效率。泵送损失是由使空气移入和移出气缸所需要的功导致的，其中所述损失随着发动机速度而增加。当节气时，泵送损失随着负载降低而显著增加。当由于燃烧过程中需要的空气和排出气体的量增加，发动机在较低负载水平下达到空气进气极限时，分层装载的发动机可仅在受限的负载范围内具有改进的效率。
发明内容
在本发明的一个示例性实施方式中，一种分层装载的发动机系统，包括：在发动机的气缸盖中的燃烧腔室；与所述燃烧腔室流体连通的排出气体导管；与所述燃烧腔室流体连通的涡轮增压器；流动控制装置，其中所述流动控制装置的位置控制排出气体从所述燃烧腔室到所述涡轮增压器和到所述排出气体导管的流动；以及联接到所述流动控制装置的控制器，所述控制器具有第一模式和第二模式，所述第一模式基于发动机的负载大于阈值负载以及所述分层装载的发动机以发动机速度的第一范围运行，而引起所述流动控制装置将排出气体的流动导向到所述涡轮增压器，所述阈值负载包括对于使用稀薄的空气-燃料混合物的自然吸气模式中发动机运行的峰值负载，所述第二模式基于：发动机负载小于所述阈值负载、或发动机以比发动机速度的所述第一范围更大的发动机速度的第二范围运行中的一个，而引起所述流动控制装置将排出气体的流动导向到所述排出气体导管，其中，对于增加的燃料进气，所述涡轮增压器提供增加量的空气到所述燃烧腔室以便当运行在发动机速度的第一范围时高于阈值负载而维持稀薄的空气-燃料混合物。
在本发明的另一个示例性实施方式中，一种用于对分层装载的发动机涡轮增压的方法包括：基于所述分层装载的发动机具有大于阈值负载的负载，以及所述分层装载的发动机运行在发动机速度的所述第一范围，而以涡轮增压模式使排出气体从所述分层装载的发动机流动到涡轮增压器，所述阈值负载包括对于使用稀薄的空气-燃料混合物的在自然吸气模式中的发动机运行的峰值负载；以及基于所述涡轮增压器接纳排出气体，在处于涡轮增压模式时由涡轮增压器提供增加量的空气到在所述分层装载的发动机中的燃烧腔室，所述增加量的空气对于提供到所述燃烧腔室的增加量的燃料而实际上维持了稀薄的空气-燃料混合物。所述方法还包括基于下列项中的至少一个来在自然吸气模式中限制排出气体流动到涡轮增压器中：所述分层装载的发动机具有小于阈值负载的负载，或者所述分层装载的发动机运行在发动机速度的第二范围中，所述第二范围大于所述第一范围。
本发明还提供如下方案：
1.一种分层装载的发动机系统，包括：
在发动机的气缸盖中的燃烧腔室；
与所述燃烧腔室流体连通的排出气体导管；
与所述燃烧腔室流体连通的涡轮增压器；
流动控制装置，其中所述流动控制装置的位置控制排出气体从所述燃烧腔室到所述涡轮增压器和到所述排出气体导管的流动；以及
联接到所述流动控制装置的控制器，所述控制器具有第一模式和第二模式，所述第一模式基于发动机的负载大于阈值负载以及所述分层装载的发动机以发动机速度的第一范围运行，而引起所述流动控制装置将排出气体的流动导向到所述涡轮增压器，所述阈值负载包括对于使用稀薄的空气-燃料混合物的自然吸气模式中发动机运行的峰值负载，所述第二模式基于：发动机负载小于所述阈值负载、或发动机以比发动机速度的所述第一范围更大的发动机速度的第二范围运行中的一个，而引起所述流动控制装置将排出气体的流动导向到所述排出气体导管，其中，对于增加的燃料进气，所述涡轮增压器提供增加量的空气到所述燃烧腔室以便当运行在发动机速度的第一范围时高于阈值负载而维持稀薄的空气-燃料混合物。
2.如方案1所述的系统，其中，所述排出气体导管联接到排气歧管，而流动控制装置定位在所述排气歧管或排出气体导管中的至少一个内。
3.如方案1所述的系统，包括所述气缸盖中的多个燃烧腔室，所述多个燃烧腔室与所述排出气体导管和所述涡轮增压器流体连通。
4.如方案1所述的系统，其中，所述分层装载的发动机系统基于所述控制器将排出气体的流动导向到所述排出气体导管以及将减少量的排出气体导向到所述涡轮增压器，而在所述第二模式中自然吸气地运行。
5.如方案1所述的系统，包括与下述项中的每项流体连通的排出气体再循环装置：用于所述燃烧腔室的排出气体导管流动控制装置以及空气进气装载导管。
6.如方案1所述的系统，其中，具有基于发动机的负载大于阈值负载以及所述分层装载的发动机以发动机速度的第一范围运行，而引起所述流动控制装置将排出气体的流动导向到所述涡轮增压器的所述第一模式的所述控制器，还包括基于发动机的负载大于阈值负载并且小于峰值升压负载阈值、以及所述分层装载的发动机运行在发动机速度的第一范围的第一模式。
7. 一种用于对分层装载的发动机涡轮增压的方法，所述方法包括：
基于所述分层装载的发动机具有大于阈值负载的负载，以及所述分层装载的发动机运行在发动机速度的所述第一范围，而以涡轮增压模式使排出气体从所述分层装载的发动机流动到涡轮增压器，所述阈值负载包括对于使用稀薄的空气-燃料混合物的在自然吸气模式中的发动机运行的峰值负载；
基于所述涡轮增压器接纳排出气体，在处于涡轮增压模式时由涡轮增压器提供增加量的空气到在所述分层装载的发动机中的燃烧腔室，所述增加量的空气对于提供到所述燃烧腔室的增加量的燃料而实际上维持了稀薄的空气-燃料混合物；以及
基于下列项中的至少一个来在自然吸气模式中限制排出气体流动到涡轮增压器中：所述分层装载的发动机具有小于阈值负载的负载，或者所述分层装载的发动机运行在发动机速度的第二范围中，所述第二范围大于所述第一范围。
8.如方案7所述的方法，其中，限制排出气体的流动包括通过流动控制装置限制排出气体的流动，所述流动控制装置定位在与燃烧腔室流体连通的排气歧管或排出气体导管中的至少一个之中。
9.如方案7所述的方法，其中，提供增加量的空气到燃烧腔室包括：提供增加量的空气到所述分层装载的发动机中的多个燃烧腔室。
10.如方案7所述的方法，其中，限制排出气体流动到涡轮增压器包括：使所述分层装载的发动机系统以自然吸气模式运行。
11.如方案10所述的方法，其中，限制排出气体的流动还包括：将排出气体的流动导向到与燃烧腔室流体连通的排出气体导管。
12.如方案11所述的方法，还包括使排出气体的一部分流动通过排出气体再循环装置，所述排出气体再循环装置与用于燃烧腔室的排出气体导管和空气进气装载导管中的每个流体连通。
13.如方案7所述的方法，还包括：在所述分层装载的发动机以涡轮增压模式运行时，将基本上全部的空气进气流导向到涡轮增压器的压缩机中以便使增加量的空气的压力增加。
14. 一种分层装载的发动机系统，包括在分层装载的发动机中的燃烧腔室、与所述燃烧腔室流体连通的涡轮增压器、以及配置成执行涡轮增压方法的控制器，所述涡轮增压方法包括：
基于所述分层装载的发动机具有大于阈值负载的负载，以及所述分层装载的发动机运行在发动机速度的所述第一范围，而使排出气体从所述分层装载的发动机流动到涡轮增压器，所述阈值负载包括对于使用稀薄的空气-燃料混合物的在自然吸气模式中的发动机运行的峰值负载；
基于所述涡轮增压器接纳排出气体，由涡轮增压器提供增加量的空气到在所述分层装载的发动机中的燃烧腔室，所述增加量的空气对于提供到所述燃烧腔室的增加量的燃料而实际上维持了稀薄的空气-燃料混合物；以及
基于下列项中的至少一个来限制排出气体流动到涡轮增压器中：所述分层装载的发动机具有小于阈值负载的负载，或者所述分层装载的发动机运行在发动机速度的第二范围中，所述第二范围大于所述第一范围。
15.如方案14所述的系统，其中，限制排出气体的流动包括通过流动控制装置限制排出气体的流动，所述流动控制装置定位在与燃烧腔室流体连通的排气歧管或排出气体导管中的至少一个之中。
16.如方案14所述的系统，其中，提供增加量的空气到所述燃烧腔室包括：提供增加量的空气到所述分层装载的发动机中的多个燃烧腔室，所述多个燃烧腔室与所述排出气体导管和涡轮增压器流体连通。
17.如方案14所述的系统，其中，限制排出气体流动到所述涡轮增压器中包括：使所述分层装载的发动机系统运行在自然吸气模式中。
18.如方案17所述的系统，其中，限制排出气体的流动还包括：将排出气体的流动导向到与所述燃烧腔室流体连通的排出气体导管。
19.如方案18所述的系统，所述方法还包括使排出气体的一部分流动通过排出气体再循环装置，所述排出气体再循环装置与用于燃烧腔室的所述排出气体导管以及空气进气装载导管中的每个流体连通。
20.如方案19所述的系统，所述方法还包括：在所述分层装载的发动机以涡轮增压模式运行时，通过闭合压缩机旁通阀将基本上全部的空气进气流导向到涡轮增压器的压缩机中以便使增加量的空气的压力增加。
本发明的上述特征和优点以及其他特征和优点将通过下面结合附图对本发明的详细描述而变得显而易见。
附图说明
在下面对实施方式的详细描述中，仅通过示例呈现其他特征、优点和细节，所述详细描述参阅附图进行，其中：
图1示出了具有分层装载的发动机的示例性系统，包括涡轮增压器、排出系统和空气进气系统；
图2是示例性分层装载的发动机在各种发动机速度下运行的图表；以及
图3是用于对分层装载的发动机涡轮增压的示例性方法和系统的流程图。
具体实施方式
下面的描述本质上仅是示例性的，并非旨在限制本公开、其应用或用途。应当理解的是，相应的附图标记在所有附图中指代相同或相应的部件和特征。如在此使用的，术语控制器和模块涉及专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件程序或固件程序的处理器(共享的、专用的或成组的)和存储器、组合逻辑电路和／或提供所述功能的其他适当部件。在某些实施方式中，控制器或模块可包括一个或多个子控制器或子模块。
参阅图1，示出了分层装载的发动机系统的示例性实施方式，所述系统包括分层装载的发动机10。示例性分层装载的发动机是直列四缸内燃发动机，其具有进气系统12和排出系统14。分层装载的发动机10包括多个气缸16，燃烧空气和燃料的组合被引入所述多个气缸16。气缸16包括燃烧腔室，所述燃烧腔室定位在分层装载的发动机10的气缸盖中。空气/燃料混合物的燃烧被引燃，从而导致活塞(未示出)在气缸中往复运动。活塞的往复运动使曲轴(未示出)旋转以输送发动功率至车辆动力系(未示出)或至发电机，或者在分层装载的发动机10的固定情况下输送至这种动力的其他固定接受者(未示出)。
分层装载的发动机10包括与气缸16流体连通的进气歧管18，所述进气歧管18从进气系统12的压缩机接纳压缩进气装载物并且输送所述装载物至多个气缸16。排出系统14包括也与气缸16(还被称为“燃烧腔室”)流体连通的排气歧管22，其构造成去除燃烧空气和燃料的被燃烧组分(即，排出气体24)并且输送所述燃烧组分至定位成与此流体连通的排气驱动的涡轮增压器26。涡轮增压器26包括容纳在涡轮壳体内的排出气体涡轮(未示出)。涡轮壳体包括入口30和出口32。出口32与排出系统14的剩余部分流体连通并且输送排出气体24至排出气体导管34。排出气体导管34可包括各种排出气体后处理装置，例如催化转换器50、谐振器(未示出)或消音器(未示出)。如所描绘的那样，催化转换器50构造成将排出气体24的各种被控制的组分在其被释放至大气之前处理。
涡轮增压器26还包括容纳在压缩机壳体内的进气装载压缩机的轮。压缩机的轮(未示出)由轴联接到涡轮叶片。压缩机壳体包括入口38和出口40。出口40与进气系统12流体连通，并且通过空气进气装载导管42输送压缩进气装载物20至进气歧管18。进气装载物20由进气歧管18分送至分层装载的发动机10的气缸16，以便与燃料混合并且在气缸16内燃烧。在示例性实施方式中，压缩进气装载冷却器44共线地设置在压缩机壳体出口40与进气歧管18之间。压缩进气装载冷却器44从进气装载导管42接纳加热的(由于压缩)压缩进气装载物20，并且在此随后冷却压缩进气装载物20，将空气(空气-排出物混合物或其他混合物)通过进气装载导管42的后续部分输送至进气歧管18。
定位成与排出系统14流体连通并且在图1所示的示例性实施方式中的是排出气体再循环(“EGR”)系统80。所述EGR系统80包括EGR供应导管82、EGR入口导管84和EGR阀85。在一个实施方式中，EGR供应导管82与涡轮壳体流体连通并且联接到所述涡轮壳体。另外，EGR入口导管84与压缩机壳体流体连通并且联接到所述压缩机壳体。EGR供应导管82构造成将排出气体24的一部分从导管34转移并且通过涡轮增压器26或导管42将其导向至或使其再循环至进气系统12，其中压缩机旁通阀90控制排出气体24的所述一部分的流动方向。如所描绘的那样，EGR阀85与控制模块(例如发动机控制器60)信号连通。EGR阀85在任何给定时间基于特定的发动机运行条件来调节所接纳排出气体24的体积量，其作为再循环排出气体81被转移到进气系统12。发动机控制器60从各种传感器(未示出)收集有关于内燃发动机10的运行的信息，例如温度(进气系统、排出系统、发动机冷却剂、环境等)、压力、排出系统条件、驾驶员需求，并且因此可以通过EGR阀85调节将与新鲜空气混合来形成压缩进气装载物20的排出气体24的流动。因此，压缩进气装载物20可包括新鲜空气和排出气体的连续可变组合(这取决于由控制器60控制的EGR的量)。
在一个实施方式中，控制器60联接到流动控制装置92(例如阀)，所述流动控制装置92控制排出气体24到导管34和涡轮增压器26中的流动。例如，当流动控制装置92处于闭合位置时，大体上限制了排出气体24到导管34中的流动并且排出气体24的流动被导向到涡轮增压器中。在流动控制装置92处于打开位置的实施方式中，排出气体24被导向成流过导管34，并且限制了排出气体24的流动以使其不会流过涡轮增压器26。在一个实施方式中，打开的流动控制装置24提供通过导管34的流动路径，所述流动路径与涡轮增压器(含有通过排出流旋转的涡轮叶片)相比具有较小流动阻力，因此将排出气体24导向成在导管34中流动。
某些实施方式包括用于对分层装载的发动机10涡轮增压的方法，其中排出气体24基于具有大于阈值负载之负载的分层装载的发动机10以及以发动机速度的第一范围运行的分层装载的发动机10，而流动到涡轮增压器26中。在一个实施方式中，当在使用稀薄空气-燃料混合物以自然吸气模式运行时，所述阈值负载是在选定发动机速度的峰值或最大负载。在不添加燃料到空气-燃料混合物(因此不使混合物更浓并且使发动机运行效率不高)的情况下，发动机负载可能不会超过在选定速度下以自然吸气模式运行的阈值负载。因此，基于流动到涡轮增压器26中的排出气体24，涡轮增压器26通过进气系统12提供增加量的进气空气到气缸16，从而在维持稀薄空气-燃料混合物的同时允许燃烧腔室中增加量的燃料发生燃烧。空气的这种增加量相对于当发动机以自然吸气模式运行时在阈值负载下提供的空气的量是一种增加量。与自然吸气模式相比，当以涡轮增压模式运行时提供的增加量的空气和燃料，在稀薄空气-燃料混合物条件下提供了增加范围的发动机负载。在某些实施方式中，维持稀薄空气-燃料混合物对改进效率和改进燃料经济性是重要的。在一个实施方式中，分层装载的发动机10当流动控制装置92大体上打开时以自然吸气模式运行并且当流动控制装置92大体上闭合时以涡轮增压模式运行。
在实施方式中，当满足两个条件时分层装载的发动机10以涡轮增压模式运行。第一个条件是，发动机运行在速度的第一范围，例如发动机速度的低范围(例如，0-3000转每分钟或“RPM”)。第二个条件是，发动机遭受或经历大于阈值负载的负载，例如在加速期间或当车辆行驶上斜坡时。相应地，分层装载的发动机当在发动机速度的第一范围之外(例如，大于3000RPM)运行时或者当发动机遭受小于阈值负载的负载时，将通过限制或降低排出气体24流动到涡轮增压器26中而以自然吸气模式运行。
在某些实施方式中，涡轮增压器26可以是固定几何形状的涡轮增压器或可变几何形状的涡轮增压器。流动控制装置92可以定位在任何适当位置，以便控制排出气体24流过导管34和涡轮增压器26。在一个实施方式中，流动控制装置92定位在排气歧管22与导管34之间的接口处。在一个实施方式中，流动控制装置92是阀，例如蝶阀或其他主动阀。进气系统12可包括节气门本体94以便控制空气流入进气歧管18。在某些实施方式中，压缩机旁通阀90在打开位置时允许进气空气流绕过涡轮增压器26，其中压缩机旁通阀90可以是被动类型的止回阀或主动控制的阀(即，通过控制器60)。在一个实施方式中，压缩机旁通阀90的运行与流动控制阀92(还被称为“涡轮旁通阀”)同步，以便确保提供适当的进气装载物20的流动。取决于应用，EGR系统80可以是低压系统或高压系统。
描绘的系统提供了分层装载的发动机10在较低速度运行时的改进的效率(即，燃料经济性和降低的微粒排放)。因此，在一个实施方式中，涡轮增压器26大小设置成以较低速度运行。在一个实施方式中，在相对较低的发动机负载(例如，35%或更少)下，不需要涡轮增压器26升压，并且打开流动控制装置92。当高于在较低速度运行范围中的阈值负载时，流动控制装置92闭合来使涡轮增压器26起作用。另外，压缩机旁通阀90闭合，以便将大体上所有空气进气流21导向到涡轮增压器26的压缩机中。闭合的压缩机旁通阀90允许对于提供到燃烧腔室的增加的空气建立升压的压力，因此允许分层装载的发动机10高效地运行。
图2示出了分层装载的发动机(例如分层装载的发动机10)的实施方式的运行的图表。所述图表将发动机速度标绘在x轴线200上且将发动机的%负载标绘在y轴线202上。所述%负载是发动机可经历和提供的最大负载的百分比。所述%负载还可被称为发动机负载。发动机速度的第一范围204低于发动机速度的第二范围206，其中，无论发动机负载大小，分层装载的发动机在发动机速度的第二范围206内以自然吸气模式运行。定位在大约3000RPM处的线222将发动机速度的第一范围204与发动机速度206的第二范围划分开。第一区域208由线222和阈值负载210限定。因此，对于在第二区域220中的任何发动机%负载值，分层装载的发动机以自然吸气模式运行。在一个实施方式中，当以处于发动机速度的第一范围204内的发动机速度运行时，具有小于阈值负载210的a%负载值的分层装载的发动机处于自然吸气或“不升压”模式。在一个实施方式中，当发动机使用稀薄的空气-燃料混合物伴随期望的量的再循环排出气体以自然吸气模式运行时，阈值负载210是在选定发动机速度(即，在第一发动机速度范围204内)的峰值或最大负载。在对于分层装载的发动机启用了EGR的实施方式中，由于由过量空气以及由再循环排出气体的添加而稀释的装载物(稀薄)，阈值负载210的线具有大约为40%的低负载水平。在分层装载的发动机禁用了EGR的实施方式中，由于代替排出气体的空气导致了更完全的燃烧，阈值负载的线将在与图2所描绘的不同的%负载处。在没有EGR的分层稀薄运行的实施方式中，可以实现高达50%的阈值负载。在阈值负载210处提供的稀薄空气-燃料混合物是这样一种空气-燃料混合物：其具有大体上最佳的空气和燃料比率以便通过空气和燃料的高效燃烧提供峰值发动机负载，因此在增加的负载下提供高效性能。
第三区域212(还被称为“升压最佳区域”)限定在第一发动机速度范围204内，具有在阈值负载210与峰值负载或峰值升压负载阈值214之间的%负载值。峰值升压负载阈值214代表峰值%负载，所述峰值%负载是当分层装载的发动机在维持稀薄空气-燃料混合物时以升压或涡轮增压模式运行时提供的。在某些实施方式中，对于峰值升压负载阈值214和阈值负载210的稀薄空气-燃料混合物(或比率)是大体上相同的。空气燃料比率还可取决于发动机负载。在一个实施方式中，相对于稀薄性（即，燃料量是处于或低于稀薄空气-燃料比率），空气-燃料混合物维持处于或低于对所有%负载值都低于峰值升压负载阈值214的稀薄比率。对于具有涡轮增压器的分层装载的发动机可用的运行范围包括升压最佳区域和不升压区域，其中当两个流动之间的比率维持在稀薄比率时，流入的燃料和空气体积改变。因此，由于来自涡轮增压器的升压空气进气所提供的第三区域212的扩大运行区域，稀薄空气-燃料混合物被维持以便在更高的负载提供改进的效率。区域216和218代表可提供高于峰值升压214的%负载的运行区域，所述区域216和218没有维持稀薄空气-燃料混合物(例如，比稀薄空气-燃料混合物更浓)，因此提供了降低的效率和燃料经济性。进一步，区域216和218可代表超出涡轮增压器流动体积或速度限制的运行区域，其中，在这种范围中发动机转换成自然吸气模式。
如图2所示，升压最佳区域(第三区域212)的形状和大小可取决于涡轮增压器的性质。超出升压最佳区域，例如在区域216和218中，如果燃烧系统可以持续以足够高的热效率和低排放运行，发动机就能够以分层装载状态继续运行。备选地，发动机可以切换成均质运行(即，非分层运行)。在一个实施方式中，涡轮增压器匹配低速度而不支持高速度发动机空气流需求。在这种情形中，需要通过在高速度条件(即，发动机速度的第二范围206)打开涡轮旁通阀并且允许分层装载的发动机以自然吸气模式运行来使涡轮增压器停止运行。当在较高的%负载下的改进的效率被应用到具有减小尺寸的涡轮增压发动机时，可能期望具有联接到分层装载的发动机的至少两个涡轮增压器。在具有两个涡轮增压器的实施方式中，第一涡轮增压器匹配分层装载运行(例如，发动机速度的第一范围204)并且第二涡轮增压器匹配剩余的发动机运行范围(例如，发动机速度的第二范围206)。
在一个实施方式中，所述图表示出了当在较低速度以涡轮增压模式运行时与在较低速度以自然吸气模式运行时相比的发动机的效率的差值。具体地，当在发动机速度的第一范围204内并且处于自然吸气模式时，发动机可以仅在区域208内以高效空气-燃料混合物高效地运行，所述高效空气-燃料混合物处于或低于在阈值负载210下稀薄空气-燃料混合物中提供的燃料。在高于阈值负载210的负载以自然吸气模式运行将比在阈值负载210处的期望的稀薄的空气-燃料混合更浓，并且因此效率不高。与此相反，当在发动机速度的第一范围204内并且涡轮增压模式可用时，发动机可以在区域208内(在自然吸气模式中)和区域212内(在涡轮增压模式中)以高效空气-燃料混合物高效地运行，所述高效空气-燃料混合物处于或低于稀薄空气-燃料混合物中提供的燃料。因此，涡轮增压模式在区域212内提供改善的运行范围，所述区域212具有改进的效率和燃料经济性。
图3是根据一个实施方式用于为分层装载的发动机涡轮增压来在较高发动机负载下提供改进的燃料经济性的示例性方法和系统的流程图300。所述方法300可以通过控制器以及联接到所述控制器和/或由所述控制器控制的装置(例如，流动控制装置、传感器、喷射器、额外的控制器等)来执行。由示例性流程图300代表的方法在方框302处开始。在一个实施方式中，所述方法随着发动机的起动而启动。在方框304处，确定了分层装载的发动机的发动机速度，其中，如果发动机速度处于第一范围(“低速范围”)，过程推进至方框306。如果发动机速度范围处于第二范围(“高速度范围”)，过程前进至方框308。在一个实施方式中，第一发动机速度范围是低发动机速度范围并且第二发动机速度范围相对于所述第一范围是高发动机速度范围，其中，所述第一和第二范围构成发动机的整个速度范围。
在方框306处，确定分层装载的发动机的负载，在该处，将所述负载与阈值负载相比较。如果所述负载小于阈值负载，过程前进至方框308。在方框308处，分层装载的发动机以自然吸气模式运行,在该处，由于排出气体到涡轮增压器的流动降低或停止，联接到发动机的涡轮增压器大体上不运行。返回到示图，在方框314处，流动控制装置移动到打开位置，以便基于自然吸气模式的运行大体上限制排出气体流动到涡轮增压器中。进入涡轮增压器中的排出气体的流动降低或受限导致发动机用稀薄的空气-燃料混合物运行高达阈值负载值，以便当在第一较低发动机速度范围内运行时为发动机提供在较低负载(相对于阈值负载)的期望的燃料经济性。如上面所述的，与涡轮增压器中移动涡轮叶片的流动路径相比较，进入涡轮增压器中的排出气体的流量降低是由于由通过流动控制装置到排出导管的流所提供的较小阻力的路径所导致。如果方框306处确定的负载大于阈值负载，过程前进至方框310。在方框310处，分层装载的发动机以涡轮增压模式运行，以便当在第二、较高发动机速度范围运行内时为发动机提供在较高负载(相对于阈值负载)的改进的燃料经济性。相应地，在方框312处，流动控制装置移动到闭合位置以便基于涡轮增压模式的运行将排出气体的流动导向到涡轮增压器中。进入排出导管中的排出气体的流动以及进入涡轮增压器中的排出气体的流动受限或停止，导致从涡轮增压器压缩机提供到发动机的燃烧腔室的空气量增加。空气进气的增加量（其也可在增加的压力(相对于自然吸气模式)下提供）允许提供到燃烧腔室的燃料量增加，而同时维持稀薄的空气-燃料混合物，其中增加量的空气和燃料允许发动机高于阈值负载值运行，因此为分层装载的发动机在增加的负载范围下提供改进的燃料经济性。
虽然已经参照示例性实施方式描述了本发明，但是所属领域技术人员将会理解的是，在不偏离本发明的范围的情况下，可对本发明做出各种改变并且可用等同元件来代替本发明的元件。另外，在不偏离本发明的实质范围的情况下，可做出多种更改以使本发明的教导适应特定情况或材料。因此，本发明将不局限于所公开的特定实施方式，相反，本发明将包括落入本申请的范围内的所有实施方式。

Claims (20)

1.一种分层装载的发动机系统，包括：
在发动机的气缸盖中的燃烧腔室；
与所述燃烧腔室流体连通的排出气体导管；
与所述燃烧腔室流体连通的涡轮增压器；
流动控制装置，其中所述流动控制装置的位置控制排出气体从所述燃烧腔室到所述涡轮增压器和到所述排出气体导管的流动；以及
联接到所述流动控制装置的控制器，所述控制器具有第一模式和第二模式，所述第一模式基于发动机的负载大于阈值负载以及所述分层装载的发动机以发动机速度的第一范围运行，而引起所述流动控制装置将排出气体的流动导向到所述涡轮增压器，所述阈值负载包括对于使用稀薄的空气-燃料混合物的自然吸气模式中发动机运行的峰值负载，所述第二模式基于：发动机负载小于所述阈值负载、或发动机以比发动机速度的所述第一范围更大的发动机速度的第二范围运行中的一个，而引起所述流动控制装置将排出气体的流动导向到所述排出气体导管，其中，对于增加的燃料进气，所述涡轮增压器提供增加量的空气到所述燃烧腔室以便当运行在发动机速度的第一范围时高于阈值负载而维持稀薄的空气-燃料混合物。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述排出气体导管联接到排气歧管，而流动控制装置定位在所述排气歧管或排出气体导管中的至少一个内。
3.如权利要求1所述的系统，包括所述气缸盖中的多个燃烧腔室，所述多个燃烧腔室与所述排出气体导管和所述涡轮增压器流体连通。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述分层装载的发动机系统基于所述控制器将排出气体的流动导向到所述排出气体导管以及将减少量的排出气体导向到所述涡轮增压器，而在所述第二模式中自然吸气地运行。
5.如权利要求1所述的系统，包括与下述项中的每项流体连通的排出气体再循环装置：用于所述燃烧腔室的排出气体导管流动控制装置以及空气进气装载导管。
6.如权利要求1所述的系统，其中，具有基于发动机的负载大于阈值负载以及所述分层装载的发动机以发动机速度的第一范围运行，而引起所述流动控制装置将排出气体的流动导向到所述涡轮增压器的所述第一模式的所述控制器，还包括基于发动机的负载大于阈值负载并且小于峰值升压负载阈值、以及所述分层装载的发动机运行在发动机速度的第一范围的第一模式。
7.一种用于对分层装载的发动机涡轮增压的方法，所述方法包括：
基于所述分层装载的发动机具有大于阈值负载的负载，以及所述分层装载的发动机运行在发动机速度的第一范围，而以涡轮增压模式使排出气体从所述分层装载的发动机流动到涡轮增压器，所述阈值负载包括对于使用稀薄的空气-燃料混合物的在自然吸气模式中的发动机运行的峰值负载；
基于所述涡轮增压器接纳排出气体，在处于涡轮增压模式时由涡轮增压器提供增加量的空气到在所述分层装载的发动机中的燃烧腔室，所述增加量的空气对于提供到所述燃烧腔室的增加量的燃料而实际上维持了稀薄的空气-燃料混合物；以及
基于下列项中的至少一个来在自然吸气模式中限制排出气体流动到涡轮增压器中：所述分层装载的发动机具有小于阈值负载的负载，或者所述分层装载的发动机运行在发动机速度的第二范围中，所述第二范围大于所述第一范围。
8.如权利要求7所述的方法，其中，限制排出气体的流动包括通过流动控制装置限制排出气体的流动，所述流动控制装置定位在与燃烧腔室流体连通的排气歧管或排出气体导管中的至少一个之中。
9.如权利要求7所述的方法，其中，提供增加量的空气到燃烧腔室包括：提供增加量的空气到所述分层装载的发动机中的多个燃烧腔室。
10.如权利要求7所述的方法，其中，限制排出气体流动到涡轮增压器包括：使所述分层装载的发动机系统以自然吸气模式运行。
11.如权利要求10所述的方法，其中，限制排出气体的流动还包括：将排出气体的流动导向到与燃烧腔室流体连通的排出气体导管。
12.如权利要求11所述的方法，还包括使排出气体的一部分流动通过排出气体再循环装置，所述排出气体再循环装置与用于燃烧腔室的排出气体导管和空气进气装载导管中的每个流体连通。
13.如权利要求7所述的方法，还包括：在所述分层装载的发动机以涡轮增压模式运行时，将基本上全部的空气进气流导向到涡轮增压器的压缩机中以便使增加量的空气的压力增加。
14.一种分层装载的发动机系统，包括在分层装载的发动机中的燃烧腔室、与所述燃烧腔室流体连通的涡轮增压器、以及配置成执行涡轮增压方法的控制器，所述涡轮增压方法包括：
基于所述分层装载的发动机具有大于阈值负载的负载，以及所述分层装载的发动机运行在发动机速度的第一范围，而使排出气体从所述分层装载的发动机流动到涡轮增压器，所述阈值负载包括对于使用稀薄的空气-燃料混合物的在自然吸气模式中的发动机运行的峰值负载；
基于所述涡轮增压器接纳排出气体，由涡轮增压器提供增加量的空气到在所述分层装载的发动机中的燃烧腔室，所述增加量的空气对于提供到所述燃烧腔室的增加量的燃料而实际上维持了稀薄的空气-燃料混合物；以及
基于下列项中的至少一个来限制排出气体流动到涡轮增压器中：所述分层装载的发动机具有小于阈值负载的负载，或者所述分层装载的发动机运行在发动机速度的第二范围中，所述第二范围大于所述第一范围。
15.如权利要求14所述的系统，其中，限制排出气体的流动包括通过流动控制装置限制排出气体的流动，所述流动控制装置定位在与燃烧腔室流体连通的排气歧管或排出气体导管中的至少一个之中。
16.如权利要求14所述的系统，其中，提供增加量的空气到所述燃烧腔室包括：提供增加量的空气到所述分层装载的发动机中的多个燃烧腔室，所述多个燃烧腔室与所述排出气体导管和涡轮增压器流体连通。
17.如权利要求14所述的系统，其中，限制排出气体流动到所述涡轮增压器中包括：使所述分层装载的发动机系统运行在自然吸气模式中。
18.如权利要求17所述的系统，其中，限制排出气体的流动还包括：将排出气体的流动导向到与所述燃烧腔室流体连通的排出气体导管。
19.如权利要求18所述的系统，所述方法还包括使排出气体的一部分流动通过排出气体再循环装置，所述排出气体再循环装置与用于燃烧腔室的所述排出气体导管以及空气进气装载导管中的每个流体连通。
20.如权利要求19所述的系统，所述方法还包括：在所述分层装载的发动机以涡轮增压模式运行时，通过闭合压缩机旁通阀将基本上全部的空气进气流导向到涡轮增压器的压缩机中以便使增加量的空气的压力增加。
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