CN104879208A - 用于带有停缸特征的涡轮增压内燃机的可变双涡管涡轮机 - Google Patents

用于带有停缸特征的涡轮增压内燃机的可变双涡管涡轮机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于带有停缸特征的涡轮增压内燃机的可变双涡管涡轮机。内燃机限定了多个气缸，该气缸包括全时工作气缸和能够被停缸的气缸。具有双涡管涡轮机的涡轮增压器包括与来自全时工作气缸的排气通道连通的第一涡轮机涡管和与来自能够被停缸的气缸的排气通道连通的第二涡轮机涡管。涡管控制阀设置为与来自能够被停缸的气缸的排气通道连通，且可在打开的位置中运行以允许来自能够被停缸的气缸的排气通过第二涡轮机涡管，且可在关闭的位置中运行以引导来自多个能够被停缸的第二气缸的排气通过第一涡轮机涡管。

Description

用于带有停缸特征的涡轮增压内燃机的可变双涡管涡轮机
技术领域
本发明涉及用于带有停缸特征的涡轮增压内燃机的可变双涡管涡轮机(twin-scroll turbine）。
背景技术
此部分提供了未必为现有技术的与本公开相关的背景信息。
在汽车市场上的当前的法规条件导致在当前车辆中改进燃料经济性和降低排放的增加的需求。这些法规条件必须与消费者的对于车辆的高性能且快速响应的需求相平衡。停缸是经常应用于自然吸气内燃机的技术，以通过关闭选择的数量的气缸来改进发动机在部分负荷条件下的效率，因此剩余气缸以降低的泵气损失运行[见“Active Fuel Management Technology: Hardware Development on a 2007 GM 3.9L V-6 OHV SI Engine,” SAE Paper 2007-01-1292, 2007]。
停缸可应用于涡轮增压的发动机，如在美国专利No. 6,715,289和No. 6,786,190中公开。然而，当发动机装配有单独的涡轮增压器时，发动机在停缸模式中的运行范围可能受到涡轮增压器压缩机的流动和增压能力的限制[见“The 1.4-L TSI Gasoline Engine with Cylinder Deactivation,” MTZ, 73卷, 2012年3月]。
减轻此限制的一个方式是使用多个分开的涡轮增压器，如在前述美国专利申请No. 6,715,289中所公开，因而它们的运行可满足发动机在其速度和负荷范围内的要求。然而，由于系统简单性、包装复杂性和成本限制的原因，希望使用单个涡轮增压器，即使有损涡轮增压器的效率。
将涡轮增压器压缩机定尺寸为有利于主要在较低发动机转速下的发动机的停缸运行是可能的。这将通过损害高发动机速度下的发动机性能而要求使用更小的压缩机。压缩机的尺寸可能使得单个固定几何形状的涡轮机不能驱动压缩机以满足性能要求。如所期望，希望较小的涡轮机满足低发动机速度目标，而希望较大的涡轮机满足高发动机速度目标。
发明内容
此部分提供了对于本公开的总体概述，且不是本公开的全部范围或其全部特征的全面公开。
内燃机包括限定了多个气缸的发动机，所述气缸包括全时工作气缸和能够被停缸的气缸。具有双涡管涡轮机的涡轮增压器包括与来自全时工作气缸的排气通道连通的第一涡轮机涡管和与来自能够被停缸的气缸的排气通道连通的第二涡轮机涡管。涡轮增压器包括通过双涡管涡轮机驱动的单个压缩机，以将压缩空气供给到气缸的进气口。涡管控制阀提供为与来自能够被停缸的气缸的排气通道连通，且可操作在打开的位置以允许来自能够被停缸的气缸的排气通过第二涡轮机涡管，且可操作在关闭的位置以引导排气从多个能够被停缸的第二气缸通过第一涡轮机涡管。
另外的应用领域将从在此提供的描述中显见。在此发明内容中的描述和特定的示例意图于仅用于说明目的且不意图于限制本公开的范围。
附图说明
在此描述的附图仅为说明所选择的实施例而并非所有可能的实施的目的，且不意图于限制本公开的范围。
图1是带有气缸停缸特征的发动机上的可变双涡管涡轮机涡轮增压器系统的示意图；
图2是如在图1中所示的带有气缸停缸特征的发动机上的可变双涡管涡轮机涡轮增压器系统的示意图，带有对于低速和低负荷下的运行被停缸的气缸；
图3是如在图1中所示的带有气缸停缸特征的发动机上的可变双涡管涡轮机涡轮增压器系统的示意图，其中对于低速和高负荷下的运行所有气缸可运行且将排气引导到一个涡轮机涡管；和
图4是根据本公开的原理的涡管控制阀的示意图。
在所有数个附图中，相应的附图标号指示了相应的零件。
具体实施方式
现在将参考附图更完整地描述示例实施例。
示例实施例提供为使得此公开将是全面的且将完全地将范围传达给本领域一般技术人员。多个特定的细节被阐述，例如具体部件、装置和方法的示例，以提供对于本公开的实施例的透彻的理解。对于本领域一般技术人员将显见的是具体的细节不需要被使用，示例实施例可以多种不同形式实施，且也不应解释为限制公开的范围。在一些示例实施例中，已熟知的过程、已熟知的装置结构和已熟知的技术不详细描述。
在此使用的术语仅用于描述特定的示例实施例的目的且不意图于是限制性的。如在此所使用，单数形式“一个”和“该”可意图于也包括复数形式，除非上下文另外清楚地指明。术语“含有”、“包含”、“包括”、“具有”是包含性的且因此指定了所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或添加。在此描述的方法步骤、过程和操作不解释为必需地要求它们以所论述或图示的特定次序的执行，除非特别地指示为一个执行的次序。应理解的是也可使用另外的或替代的步骤。
当一个元件或层称为“处在另一个元件或层上”、“接合到”、“连接到”或“联接到”另一个元件或层时，所述元件或层可直接地处在另一个元件或层上或接合到、连接到或联接到另一个元件或层，或可存在中间的元件或层。相比之下，当一个元件称为“直接在另一个元件或层上”、“直接接合到”、“直接连接到”或“直接联接到”另一个元件或层时，可不存在中间的元件或层。其他用于描述元件之间的关系的词语应以类似的方式解释（例如，“在……之间”相对于“直接在……之间”、“相邻”相对于“直接相邻”等）。如在此所使用，术语“和/或”包括一个或多个相关地所列的项中的任何项和所有组合。
虽然术语第一、第二、第三等可在此用于描述不同的元件、部件、区域、层和/或部分，但这些元件、部件、区域、层和/或部分不应通过这些术语限制。这些术语可仅用于将一个元件、部件、区域、层或部分与另一个区域、层或部分进行区分。例如“第一”、“第二”的术语和其他数字术语当在此使用时不意味着序列或次序，除非通过上下文清楚地指明。因此，在下文中论述的第一元件、部件、区域、层或部分可以称为第二元件、部件、区域、层或部分，而不偏离示例实施例的教示。
空间上相关的术语，例如“内部”、“外部”、“下方”、“下面”、“低于”、“上方”、“上面”等可在此用于描述的方便，以便描述一个元件或特征与附图中所图示的另外的元件（多个元件）或特征（多个特征）的关系。空间上相关的术语可意图于包含装置在使用或运行中的除了在附图中描绘的定向之外的不同的定向。例如，如果附图中的装置翻转，则描述为在其他元件或特征“下面”或“下方”的元件将定向为在其他元件或特征“上方”。因此，示例术语“下面”可包括上方和下方的定向。装置可以另外的方式定向（旋转90度或处于其他的定向），且在此使用的空间上相关的描述词相应地被解释。
发动机组件10在图1中图示且包括发动机结构12。发动机结构12可包括气缸体14和气缸盖16。发动机结构12可限定第一、第二、第三和第四气缸18、20、22、24。描述为简单起见包括第一、第二、第三和第四气缸18、20、22、24，且理解为本教示应用于许多活塞-气缸布置和多种往复式发动机构造，包括但不限制于V型发动机、直列发动机和水平对置发动机，以及顶置凸轮轴构造和气缸体内置凸轮轴构造。发动机结构支承了曲轴和多个活塞，所述活塞布置在各气缸18、20、22、24内，如在现有技术中已知的。
发动机10的特征是气缸停缸，使得例如控制器26可将气缸18、20、22、24中的一个或多个停缸。在所示的示例中，气缸20和22可被控制器26停缸。气缸停缸作为车辆所需求的负荷或转矩要求的函数发生，该负荷或转矩要求由例如歧管压力的变量来确定。如果内燃机处于能以部分排量输出希望的转矩以改进效率的条件，则控制器26将使运行所选择的气缸的气门的机构停止工作，且也切断对所选择的气缸的燃料供给和点火。被停缸的气缸将作为空气弹簧起作用。
发动机结构12可在与气缸18、20、22、24的每个相关的气缸盖16内限定多个进气口30（仅标记了一个）和多个排气口32（仅标记了一个）。
发动机组件10包括进气歧管34，所述进气歧管34具有多个与进气口30的每个连通的支管36（仅标记了一个）。多个排气支管40、42、44、46与排气口32的每个连通。排气支管分支为使得来自全时工作的气缸18、24的排气支管40和46在第一排气道48处相互连接且来自可被停缸的气缸20、22的排气支管42和44在第二排气道50处相互连接。
涡轮增压器52包括具有两个涡轮机涡管54A和54B的可变双涡管涡轮机54。第一涡轮机涡管54A接收来自第一排气道48的排气且第二涡轮机涡管54B接收来自第二排气道50的排气。第一和第二涡轮机涡管54A、54B的每个可将来自第一和第二排气道48、50的排气供给到涡轮机（未示出），所述涡轮机连接到驱动压缩机55的轴。排气通过双涡管涡轮机54且通过排气系统58。压缩机55与进气系统66连通且将压缩的空气提供到进气歧管34。涡管控制阀56通过控制器26控制以选择地阻断排气从第二排气道50到达第二涡轮机涡管54B且将排气改变方向到第一涡轮机涡管54A。
图4示出了示例的涡管控制阀56的示意图，所述涡管控制阀56可打开以允许从第二排气道50到第二涡轮机涡管54B的流动，或可关闭（如所示）以将排气流从第二排气道50引导到第一涡轮机涡管54A。涡管控制阀可通过已知的装置致动，例如伺服电马达或其他气动或液压促动器。控制器26将涡管控制阀56和发动机停缸的运行与任何需要的传感器协调。另外，控制器26控制了通过调节流入流速来调节发动机负荷的节气门体60和排气门阀62。如在图1中所示，旁通阀64可提供为与进气系统66连通以将涡轮增压器54旁通。另外，换热器68可提供为冷却节气门体60上游的进气。
在运行中，图1图示了在高速（高于预先确定的速度）下的可运行模式，其中当被增压时流速高且所有气缸工作且涡管控制阀56打开以利用完全的涡轮机容量。在图1至图3中，发动机10的可运行部分以阴影表示以用于图示目的。图2图示了在低速（低于预先确定的速度）和低负荷下的可运行的模式，其中一些气缸（20、22）被停缸且涡管控制阀56可打开但无排气从被停缸的气缸20和22生成，使得来自气缸18和24的排气流处于一个涡轮机涡管54A内。图3图示了在低速和高负荷（低于预先确定的速度但高于预先确定的负荷水平）下的可运行的模式，其中所有气缸工作且涡管控制阀关闭以将所有排气流导入到一个涡轮机涡管54A内。
本公开提供了在低发动机速度下的改进的涡轮增压器响应以及带有停缸的气缸的发动机10的扩展的运行范围且因此提供了更好的燃料经济性。系统提供了改进的总全负荷性能，这可导致更好的燃料经济性。
实施例的前述描述已提供为图示和描述的目的。所述描述不意图于是穷尽的或限制本公开。特定实施例的独立的元件或特征一般地不限制于此特定的实施例，而是在可应用时是可互换的且可使用在选择的实施例中，即使不特别地示出或描述。独立的元件或特征也可通过多种方式变化。这样的变化不视作偏离本公开，且所有这样的修改意图于被包括在本公开的范围内。

Claims (10)

1. 一种内燃发动机，包括：
限定多个气缸的气缸体，所述多个气缸包括至少一个全时工作气缸和至少一个能够被停缸的气缸；
附接到气缸体且包括与多个气缸连通的多个进气口和多个排气口的气缸盖；
与多个进气口连通的进气歧管；
连接到多个排气口的多个排气道；
具有双涡管涡轮机的涡轮增压器，所述双涡管涡轮机包括与来自至少一个全时工作气缸的排气通道连通的第一涡轮机涡管和与来自至少一个能够被停缸的气缸的排气通道连通的第二涡轮机涡管，所述涡轮增压器包括由双涡管涡轮机驱动的压缩机，用以将压缩空气供给到节气门体；和
涡管控制阀，所述涡管控制阀设置为与来自至少一个能够被停缸的气缸的排气通道连通，且可在打开位置中运行以允许来自至少一个能够被停缸的气缸的排气通过第二涡轮机涡管，且可在关闭位置中运行以将来自至少一个能够被停缸的气缸的排气引导通过第一涡轮机涡管。
2. 根据权利要求1所述的内燃发动机，进一步包括控制单元以控制涡管控制阀的运行且控制至少一个能够被停缸的气缸的工作或停缸。
3. 根据权利要求2所述的内燃发动机，进一步包括布置在进气歧管的上游的节气门体，其中所述控制单元控制节气门的运行。
4. 根据权利要求2所述的内燃发动机，其中在多个气缸中的全部气缸工作且高于预先确定的速度的发动机运行期间，控制单元将涡管控制阀维持在打开位置，且在多个气缸中的全部气缸工作且低于预先确定的速度的发动机运行期间，控制单元将涡管控制阀维持在关闭位置。
5. 根据权利要求2所述的内燃发动机，其中在低于预先确定的速度且低于预先确定的负荷的发动机运行期间，控制单元将至少一个能够被停缸的气缸停缸且将涡管控制阀维持在打开位置。
6. 一种内燃发动机，包括：
限定多个气缸的气缸体，所述多个气缸包括多个第一全时工作气缸和多个第二能够被停缸的气缸；
附接到气缸体且包括与多个气缸连通的多个进气口和多个排气口的气缸盖；
与多个进气口连通的进气歧管；
连接到多个排气口的多个排气道；
具有双涡管涡轮机的涡轮增压器，所述双涡管涡轮机包括与来自多个第一全时工作气缸的排气通道连通的第一涡轮机涡管和与来自多个第二能够被停缸的气缸的排气通道连通的第二涡轮机涡管，所述涡轮增压器包括由双涡管涡轮机驱动的压缩机，用以将压缩空气供给到节气门体；和
涡管控制阀，所述涡管控制阀设置为与来自多个第二能够被停缸的气缸的排气通道连通，且可在打开位置中运行以允许来自多个第二能够被停缸的气缸的排气通过第二涡轮机涡管，且可在关闭位置中运行以将来自多个第二能够被停缸的气缸的排气引导通过第一涡轮机涡管。
7. 根据权利要求6所述的内燃发动机，进一步包括控制单元以控制涡管控制阀的运行且控制多个第二能够被停缸的气缸的工作或停缸。
8. 根据权利要求7所述的内燃发动机，进一步包括布置在进气歧管的上游的节气门体，其中所述控制单元控制节气门的运行。
9. 根据权利要求7所述的内燃发动机，其中在全部多个气缸工作且高于预先确定的速度的发动机运行期间，控制单元将涡管控制阀维持在打开位置，且在全部多个气缸工作且低于预先确定的速度的发动机运行期间，控制单元将涡管控制阀维持在关闭位置。
10. 根据权利要求7所述的内燃发动机，其中在低于预先确定的速度且低于预先确定的负荷的发动机运行期间，控制单元将多个第二能够被停缸的气缸停缸且将涡管控制阀维持在打开位置。
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