CN105484854A - 具有二级涡轮增压的内燃机的控制 - Google Patents

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Abstract

一种内燃机，包括限定汽缸的汽缸体，汽缸盖，进气阀，排气阀和可变排气阀正时机构。发动机还包括构造为给环境气流加压用于输送到汽缸的涡轮增压系统。涡轮增压系统包括低流量的涡轮增压器，高流量的涡轮增压器和用于选择性地导引燃烧后气体到低流量和高流量的涡轮增压器的流量控制装置。当发动机以低于预定速度且高于预定负荷操作时，控制器导引燃烧后气体到低流量的涡轮增压器并选择第一预定排气阀正时。替代地，在预定发动机转速处或以上，控制器导引燃烧后气体到高流量的涡轮增压器并选择第二预定排气阀正时。与第二预定排气阀正时相比，第一预定排气阀正时俘获更少的燃烧后气体在汽缸中。

Description

具有二级涡轮增压的内燃机的控制
技术领域
本公开内容涉及具有二级涡轮增压系统的内燃机的控制操作。
背景技术
内燃机(ICE)经常需要在长期的时段可靠地产生相当大的水平的动力。许多这样的ICE组件使用增压装置，例如废气涡轮机驱动的涡轮增压器，以在气流进入发动机的进气歧管之前压缩该气流以便增加动力和效率。
具体地说，涡轮增压器是一种离心式气体压缩机，其迫使比在环境大气压力下以其他方式可实现的更多的空气以及由此更多的氧气进入到ICE的燃烧室中。被压入ICE中的附加质量的含氧空气改进了发动机的容积效率，允许它在给定的循环中燃烧更多燃料，从而产生更多动力。
在增加整个发动机效率和响应的努力中，一些ICE使用二级涡轮增压系统，其包括由较低排气流驱动的较小的涡轮增压器和由较高排气流驱动的较大的涡轮增压器。在这样的二级系统中的两个涡轮增压器之间的过渡典型地基于特定的发动机构造和操作要求进行控制。
发明内容
本公开内容的一个实施例致力于一种包括汽缸体的内燃机。汽缸体限定汽缸和安装到汽缸体的汽缸盖。往复运动活塞被布置在汽缸内并且曲轴被布置在汽缸体中并由活塞旋转。进气阀操作地连接到汽缸盖并被构造为控制空气到汽缸的供给，用于在其中燃烧。排气阀操作地连接到汽缸盖并被构造为控制燃烧后气体从汽缸的移除。发动机还包括第一机构，其被构造为提供可变排气阀正时，即，变化排气阀的打开和/或关闭正时。发动机还包括涡轮增压系统，其构造为给来源于环境的气流加压用于输送到汽缸。涡轮增压系统包括低流量的涡轮增压器和高流量的涡轮增压器。每个涡轮增压器被构造为由燃烧后气体驱动。涡轮增压系统还包括流量控制装置，其被构造为选择性地导引燃烧后气体到低流量和高流量的涡轮增压器。
发动机另外包括控制器，其被构造为当发动机在低于预定转速且高于预定负荷的第一模式下操作时经由流量控制装置引导燃烧后气体到低流量的涡轮增压器并且经由第一机构选择用于打开排气阀的第一预定正时。控制器另外被构造为当发动机在预定转速处或以上的第二模式下操作时经由流量控制装置导引燃烧后气体到高流量的涡轮增压器并且经由第一机构选择用于打开排气阀的第二预定正时。与用于打开排气阀的第二预定正时相比，用于打开排气阀的第一预定正时用来俘获更少的燃烧后气体并在汽缸中产生更少的火花敲击(sparkknock)。
发动机可包括排气凸轮轴，其被构造为调节排气阀的打开和关闭。另外，第一机构可被构造为经由变化用于排气阀的打开定相和打开持续时间中的至少一个来提供可变排气阀正时。
第一机构还可包括排气凸轮轴移相器，用于通过经由排气凸轮轴移相器改变排气凸轮轴相对于曲轴的位置的位置来调节用于排气阀的打开定相。
排气凸轮轴可包括第一凸轮凸部和第二凸轮凸部.在这种情况下，第一凸轮凸部可经由第一排气阀打开持续时间提供用于打开排气阀的第一预定正时，第二凸轮凸部可经由第二排气阀打开持续时间提供用于打开排气阀的第二预定正时。
第一机构另外可包括摇臂，该摇臂具有构造为经由第一凸轮凸部促动排气阀的第一表面和构造为经由第二凸轮凸部促动排气阀的第二表面。
控制器还可被构造为当发动机在低于预定转速和低于预定负荷的第三模式下操作时经由流量控制装置导引燃烧后气体到高流量的涡轮增压器并且经由第一机构选择用于打开排气阀的第二预定正时。
发动机可另外包括第二机构，其被构造为提供可变的进气阀正时，即，变化进气阀的打开和/或关闭正时。在这种情况下，控制器另外被构造为当发动机在第一和第二模式的每个下操作时经由第二机构选择用于打开进气阀的第一预定正时。另外，在这种情况下，控制器被构造为当发动机在第三模式下操作时经由第二机构选择用于打开进气阀的第二预定正时。用于打开进气阀的第一预定正时用来在第一模式下俘获更少空气在汽缸中并在第二模式下产生增强的发动机功率输出，与用于打开进气阀的第二预定正时相比。进气阀正时的这样的控制还用来在第一模式下产生和以上所述的单独控制排气阀正时相比更少的敲击。
第二机构可被构造为经由变化用于进气阀的打开定相和打开持续时间的至少一个来提供可变进气阀正时。
发动机可包括进气凸轮轴，其被构造为调节进气阀的打开和关闭。另外，第二机构可包括具有进气凸轮轴移相器的进气凸轮轴，以便通过经由进气凸轮轴移相器改变进气凸轮轴相对于曲轴的位置的位置来调节用于进气阀的打开定相。
第二机构可以是具有第一凸轮凸部和第二凸轮凸部的进气凸轮轴。在这种情况下，第一凸轮凸部被构造为经由第一进气阀打开持续时间来提供用于打开进气阀的第一预定正时，第二凸轮凸部被构造为经由第二进气阀打开持续时间来提供用于打开进气阀的第二预定正时。
本公开内容的另一实施例致力于一种通过使用如上所述的控制器来控制内燃机的操作的方法。
一种控制内燃机的操作的方法，所述内燃机具有：
限定汽缸的汽缸体；
安装到汽缸体的汽缸盖；
布置在所述汽缸内的往复运动的活塞；
布置在所述汽缸体中并由所述活塞旋转的曲轴；
进气阀，该进气阀操作地连接到汽缸盖并被构造为控制空气到汽缸的输送，用于在其中燃烧；
排气阀，该排气阀操作地连接到汽缸盖并被构造为控制燃烧后气体从汽缸的移除；
第一机构，该第一机构被构造为提供用于排气阀的可变正时；以及
涡轮增压系统，该涡轮增压系统被构造为给从环境接收到的空气加压，用于输送到汽缸，所述涡轮增压系统包括低流量的涡轮增压器和高流量的涡轮增压器以及流量控制装置，每个涡轮增压器被构造为由燃烧后气体驱动，且流量控制装置被构造为选择性地导引所述燃烧后气体到低流量和高流量的涡轮增压器；
所述方法包括：
当发动机在低于预定转速且高于预定负荷的第一模式下操作时通过被构造为调节发动机的操作的控制器经由所述流量控制装置的控制来导引所述燃烧后气体到低流量的涡轮增压器并且经由第一机构的控制选择用于打开排气阀的第一预定正时；以及
当所述发动机在预定转速处或以上的第二模式下操作时通过所述控制器经由所述流量控制装置的控制导引所述燃烧后气体到高流量的涡轮增压器，并且经由所述控制器经由第一机构的控制选择用于打开排气阀的第二预定正时；
其中用于打开排气阀的第一预定正时与用于打开排气阀的第二预定正时相比俘获更少的燃烧后气体在汽缸中。
且其中所述第一机构包括构造为调节排气阀的打开和关闭的排气凸轮轴并且被构造为经由变化用于排气阀的打开定相和打开持续时间的至少一个提供可变正时。
且其中所述第一机构还包括排气凸轮轴移相器，所述方法进一步包括通过经由所述排气凸轮轴移相器改变所述排气凸轮轴相对于曲轴的位置的位置而经由第一机构的控制来调节用于排气阀的打开定相。
且其中所述排气凸轮轴包括第一凸轮凸部和第二凸轮凸部，其中第一凸轮凸部构造为经由第一排气阀打开持续时间提供用于打开排气阀的第一预定正时，第二凸轮凸部构造为经由第二排气阀打开持续时间提供用于打开排气阀的第二预定正时，所述方法进一步包括调节第一机构以选择性地提供所述第一和第二排气阀打开持续时间。
且其中第一机构另外包括具有第一表面和第二表面的摇臂，其中所述第一表面构造为经由第一凸轮凸部促动所述排气阀，第二表面构造为经由第二凸轮凸部促动所述排气阀。
该方法进一步包括当所述发动机在低于预定转速且低于预定负荷的第三模式下操作时通过控制器经由所述流量控制装置的控制导引所述燃烧后气体到高流量的涡轮增压器并且经由第一机构的控制选择用于打开排气阀的第二预定正时。
其中发动机另外包括构造为提供用于进气阀的可变正时的第二机构，进一步包括当所述发动机在第一和第二模式的每个下操作时通过控制器经由第二机构的控制来选择用于打开进气阀的第一预定正时，以及当所述发动机在第三模式下操作时经由第二机构的控制选择用于打开进气阀的第二预定正时，其中与用于打开进气阀的第二预定正时相比，用于打开进气阀的第一预定正时在第一模式下俘获更少的空气在汽缸中并且在第二模式下产生增强的发动机功率输出。
其中所述第二机构被构造为经由变化用于进气阀的打开定相和打开持续时间的至少一个来提供可变正时。
其中发动机包括构造为调节进气阀的打开和关闭的进气凸轮轴，以及第二机构包括具有进气凸轮轴移相器的进气凸轮轴，并被构造为通过经由所述进气凸轮轴移相器改变所述进气凸轮轴相对于曲轴的位置的位置来调节用于进气阀的打开定相，所述方法进一步包括通过经由所述进气凸轮轴移相器改变所述进气凸轮轴相对于曲轴的位置的位置而经由第二机构的控制来调节用于进气阀的打开定相。
其中第二机构是具有第一凸轮凸部和第二凸轮凸部的进气凸轮轴，其中第一凸轮凸部构造为经由第一进气阀打开持续时间提供用于打开进气阀的第一预定正时，第二凸轮凸部构造为经由第二进气阀打开持续时间提供用于打开进气阀的第二预定正时，所述方法进一步包括调节第二机构以选择性地提供所述第一和第二进气阀打开持续时间
本公开内容的以上特征和优点以及其他的特征和优点将从以下当与附图和所附权利要求结合考虑时的用于实施所述的公开内容的最佳模式和实施例的详细描述是容易显而易见的。
附图说明
图1是根据本公开内容的具有带二级涡轮增压系统和可变阀正时的发动机的车辆的示意图；
图2是具有构造为提供用于发动机的进气和排气阀的可变阀正时和升程的机构的发动机的示意图；
图3是根据本公开内容的一个实施例的具有图1中所示的二级涡轮增压系统和可变阀正时的发动机的示意性部分横截面的俯视图；
图4是根据本公开内容的另一实施例的具有图1中所示的二级涡轮增压系统的发动机的示意性部分横截面的俯视图；
图5以流程图形式示意性地示出图1-3中所示的内燃机的控制操作的方法。
具体实施方式
参照附图，其中在若干附图中，相同的附图标记对应于相同或相似的部件，图1示出车辆10，该车辆使用动力传动系12经由驱动轮14用于它的推进。如所示的，动力传动系12包括内燃机16，例如火花-或压缩点火类型的，以及与其操作连接的变速器总成18。动力传动系12还可包括一个或更多个电机/发电机，都没有被示出，但是本领域内的技术人员可想象到它们的存在。
如图3-4所示的，发动机16包括汽缸体20，该汽缸体具有布置在其中的多个汽缸22和安装在该汽缸体上的汽缸盖23。如在图3-4中另外示出的，汽缸盖23可集成到汽缸体20中或者与该汽缸体20铸造在一起。汽缸盖23接收空气和燃料作为燃烧前加注物以在汽缸22内用于随后的燃烧。如在图2中可看到的，每个汽缸22包括构造为在其中往复运动的相应的活塞22-1。另外地，燃烧室22-2形成在汽缸22内位于汽缸盖23的底部表面和活塞22-1的顶部之间。如本领域内的技术人员知道的，燃烧室22-2中的每个接收被结合成燃料-空气混合物的燃料和空气用于随后在所述燃烧室内的燃烧。典型地，发动机16包括油门19(示于图1中)，其可被构造为传统的可动的油门片或另一类型的定量从环境中进入到发动机的空气的体积的设备。虽然直列的四缸发动机被示出在图1-4中，但是并不排除本发明被用于具有不同数目和/或布置的汽缸的发动机。
如图2所示的，发动机16还包括多个进气阀24，该多个进气阀操作地连接到汽缸盖23并构造为控制空气到每个汽缸22的供给用于与其中的燃料燃烧。进气凸轮轴25被构造为调节各个进气阀24在发动机16的操作期间的打开和关闭。发动机16另外包括多个排气阀26，该多个排气阀操作地连接到汽缸盖23并构造为控制燃烧后的气体从每个汽缸22的移除。排气凸轮轴27被构造为调节相应的排气阀26在发动机16的操作期间的打开和关闭。
继续参照图2，发动机16还包括第一机构28，其被构造为提供可变排气阀正时，即，在发动机16中的排气阀26的打开和关闭的正时的控制。第一机构28可被构造为经由变化用于排气阀26的打开定相和打开持续时间的至少一个提供可变排气阀正时。发动机16还可包括第二机构29，其被构造为提供可变进气阀正时，即，用于发动机16中的进气阀24的打开和关闭的正时的控制。类似于第一机构28，第二机构29可被构造为经由变化用于进气阀24的打开定相和打开持续时间的至少一个提供可变进气阀正时。相应的第一和第二机构28，29的具体的实施例和操作将在下面被更详细地论述。
发动机10还包括曲轴30，其被构造为在汽缸体20内旋转。如本领域内的技术人员已知的，曲轴30由于适当比例量的燃料和空气经由一个或更多个进气阀24选择性地进入燃烧室22-2并且在燃烧室中燃烧而由活塞22-1旋转。在空气-燃料混合物在指定的燃烧室22-2内燃烧之后，特定的活塞的往复运动用来将燃烧后气体32经由一个或更多个排气阀26从相应的汽缸22排出。汽缸盖23也被构造为将燃烧后气体32例如经由排气歧管34从燃烧室22-2排出。如图3所示的，这样的排气歧管34可在汽缸盖23中内部被铸造，即集成到其中，或者被构造为分离的、可附连的部件，用于将排气燃烧后气体32从汽缸22清除。根据一个实施例，来自于不同汽缸22的排气流道(runner)也可在排气歧管34中被集合成两个单独的出口，第一出口34-1和第二出口34-2。在不同的实施例中，来自于不同的汽缸22的排气流道可在排气歧管34中汇合成单个出口(未示出)。
第一机构28的实施例可包括与排气凸轮轴移相器28-1(示于图2中)结合的排气凸轮轴27。第一机构28的这样的实施例是用来通过在发动机16的操作期间经由排气凸轮轴移相器28-l改变排气凸轮轴27相对于曲轴30的位置的位置来调节用于排气阀26的打开定相。第一机构28的替代实施例可包括具有第一组凸轮凸部27-1和第二组凸轮凸部27-2(也示出在图2中)的排气凸轮轴27。第一组凸轮凸部27-1被构造为经由第一排气阀打开持续时间提供用于打开排气阀26的第一预定正时，而第二组凸轮凸部27-2被构造为经由第二排气阀打开持续时间提供用于打开排气阀26的第二预定正时。如所示的，第一机构28的替代实施例另外可包括多个或一组摇臂35。
每个摇臂35具有被构造为经由相应的第一凸轮凸部27-1促动一个排气阀26的第一表面35-1和被构造为经由相应的第二凸轮凸部27-2促动所述排气阀的第二表面35-2。每个摇臂35的第一表面35-1被构造为经由第一凸轮凸部27-1促动单独的排气阀26并产生第一阀升程轮廓。每个摇臂35还具有第二表面35-2，该第二表面被构造为经由第二凸轮凸部27-2促动相应的排气阀26并产生第二阀升程轮廓。因此，第一机构28的替代实施例采用选择性地起动排气阀26的可切换的凸轮凸部27-1和27-2，由此变化相关排气阀的升程。
为了产生每个排气阀26的可变阀升程，第一表面35-1相对于排气凸轮轴27被固定而第二表面35-2相对于排气凸轮轴是可动的或者可调节的。与由第二表面35-2产生的第二升程轮廓和阀打开持续时间相比，具有减小的阀打开持续时间的由第一表面35-1产生的第一升程轮廓更低。第一机构28还包括多个装置，例如由油压促动的单独的销(未示出)，被构造为选择通过其促动排气阀26的摇臂35的第一表面35-1和第二表面35-2中的一个。通过在摇臂35的第一表面35-1和第二表面35-2之间的切换，相关装置选择用于排气阀26的希望的升程轮廓和伴随的打开正时。因此，排气阀26经由单独的摇臂35通过单独的第一和第二凸轮凸部27-1，27-2被选择性地促动，以控制燃烧后的气体32从相应的燃烧室22-2的移除。包括排气凸轮轴移相器28-1与第一和第二组凸轮凸部27-1，27-2二者的第一机构28的实施例也可被构想到。
类似于第一机构28，第二机构29的实施例可包括与进气凸轮轴移相器29-1(示出在图2中)结合的进气凸轮轴25。第二机构29的这样的实施例是用来通过在发动机16的操作期间经由进气凸轮轴移相器29改变进气凸轮轴25相对于曲轴30的位置的位置来调节用于进气阀24的打开定相。第二机构29的实施例可包括具有第一组凸轮凸部25-1和第二组凸轮凸部25-2(也示出在图2中)的进气凸轮轴25。第一组凸轮凸部25-1被构造为经由第一进气阀打开持续时间提供用于打开进气阀24的第一预定正时，而第二组凸轮凸部25-2被构造为经由第二进气阀打开持续时间提供用于打开进气阀24的第二预定正时。
类似于第一机构28，第二机构29的替代实施例可另外包括多个摇臂35。这样的摇臂35可具有第一表面35-1和第二表面35-2，其中第一表面35-1被构造为经由相应的第一凸轮凸部25-1促动一个进气阀24以产生第一阀升程轮廓，第二表面35-2被构造为经由相应的第二凸轮凸部25-2促动进气阀以产生第二阀升程轮廓。因此，类似于第一机构28，第二机构29的替代实施例可采用选择性地起动进气阀24的可切换的凸轮凸部25-1和25-2，由此变化相关进气阀的升程。包括进气凸轮轴移相器29-1与第一和第二组凸轮凸部25-1，25-2二者的第二机构29的实施例也可被构想到。
如图1和3-4所示的，发动机10还包括涡轮增压系统36，该涡轮增压系统被构造为产生增压压力，即给来源于环境的气流38增压，用于传送到汽缸22。涡轮增压系统36被构造为用于发动机10的二级压力吸入设备。涡轮增压系统36包括低流量的涡轮增压器40和高流量的涡轮增压器42。低流量和高流量涡轮增压器40，42中的每个与排气歧管34流体连通并被构造为由来自其的燃烧后的气体32驱动。低流量的涡轮增压器40可由来自于第一出口34-1的燃烧后的气体32驱动，而高流量的涡轮增压器42可由来自于第二出口34-2的燃烧后的气体驱动。在替代的选择中，在采用单个的排气歧管的实施例中，低流量的涡轮增压器40和高流量的涡轮增压器42每个可由来自于相关单个出口的燃烧后的气体32驱动。
低流量的涡轮增压器40给气流38加压并且以发动机10的燃烧后气体32的较低流动速率将气流38排出到汽缸22，所述较低的流动速率典型地是在发动机的较低的旋转速度下产生的，例如大约3,000RPM以下。高流量的涡轮增压器42给气流38加压并且以发动机10的燃烧后气体32的较高流动速率将气流38排出到汽缸22，所述较高流动速率典型地是在发动机的中间和较高的旋转速度下产生的，例如大约3,000RPM及以上。为了支持这样不同的发动机转速范围和气流38的速率，低流量的涡轮增压器40的尺寸典型的相对较小，由此具有比高流量的涡轮增压器42小的旋转惯量。这样，排气歧管34操作地连接到汽缸盖23，并且在排气歧管34具有两个单独的出口34-1，34-2的情况下，两个涡轮增压器40，42可大致分开地安装。在低流量和高流量的涡轮增压器40，42二者都从排气歧管34的单个出口被驱动的情况下，两个涡轮增压器采用共享的排气进口，如将在下面详细描述的，以及从而，被布置成相对于彼此更靠近。
通常，在二级压力吸入设备中，多个涡轮增压器的出口压力大于可由单个涡轮增压器所提供的。这样的二级压力吸入设备可被构造为作为连续的系统操作，其中，至少在某一发动机转速范围内，典型地较高的发动机转速范围内，低和高流量的涡轮增压器二者同时操作，即，具有操作重叠。二级压力吸入设备还可构造为作为分级系统产生增压压力，即其中低和高流量的涡轮增压器顺序产生增压压力，没有任何操作重叠。在这样的二级压力吸入设备中，第一、较大流量的涡轮增压器尽可能多地增压进气压力，例如到三倍的进气压力，随后的较小的涡轮增压器(一个或多个)从此前的级获得进气并且将它进一步压缩，例如到另外的三倍的进气压力，用于九倍于大气压力的总增压。
如图3-4所示的，涡轮增压器40和42中的每个都包括旋转组件，分别是旋转组件40-1和转子组件42-1。旋转组件40-1和42-1包括分别安装在轴40-3和42-3上的相应的涡轮机叶轮40-2和42-2。涡轮机叶轮40-2和42-2被构造为通过从汽缸22发出的燃烧后气体32与相应的轴40-3，42-3一起旋转。旋转组件42-1物理地大于旋转组件40-1，以使得高流量的涡轮增压器42可产生相对较高的由其要求的空气流动速率。涡轮机叶轮40-2和42-2典型地由耐高温且抗氧化的材料，例如镍-铬基“inconel”超级合金，构造而成，以可靠地经受燃烧后气体32的温度。
涡轮机叶轮40-2和42-2设置在相应的第一或低流量的涡轮机壳体40-4和第二或高流量的涡轮机壳体42-4内部，所述涡轮机壳体典型地由铸铁或钢构造而成。涡轮机壳体40-4，42-4包括适当构造的，即适当设计和尺寸的、相应的涡轮机蜗壳(volutes)或涡壳(scrolls)。涡轮机壳体40-4和42-4的涡轮机涡壳接收燃烧后气体32并且将该气体引导到相应的涡轮机叶轮40-2和42-2。涡轮机涡壳被构造为实现相应的涡轮增压器40和42的特定性能特征，例如效率和响应。因为低流量的涡轮增压器40接收较低发动机转速和负荷下的燃烧后气体32，进入涡轮机壳体40-4的燃烧后气体的温度典型地低于1,560华氏度。另一方面，在较高转速和负荷下，进入涡轮机壳体42-4的燃烧后气体32的温度可接近甚至超过2,000华氏度。第一涡轮机壳体40-4和第二涡轮机壳体42-4中的每个包括相应的进口40-5，42-5和相应的出口40-6，42-6。第一和第二涡轮机壳体40-4，42-4中的每个还可包括集成的废气-闸阀(未示出)，以促进对由涡轮增压系统36产生的增压压力以及低流量的涡轮增压器40和高流量的涡轮增压器42的操作之间的过渡和重叠的更精确的控制。然而，在下面详细描述的流量控制装置44可用作用于低流量的涡轮增压器40的废气闸。
每个旋转组件40-1，42-1还包括安装在相应的轴40-3，42-3上的压缩机叶轮40-7和42-7。压缩机叶轮40-7和42-7被构造为给来源于环境的气流38加压用于最后传送到汽缸22。压缩机叶轮40-7和42-7设置在相应的压缩机盖40-8和42-8内。每个压缩机盖40-8，42-8典型地由铝构造而成并包括相应的压缩机蜗壳或涡壳。如由本领域内的技术人员所理解到的，燃烧后气体32的可变流动和力影响在发动机16的整个操作范围内可由相应的涡轮增压器40和42的每个压缩机叶轮40-7和42-7产生的增压压力的量。每个压缩机叶轮40-7，42-7典型地由高强度铝合金形成，所述高强度铝合金给压缩机叶轮提供了降低的旋转惯量和更快的自旋加快响应。
发动机16另外包括吸气系统，其可包括在涡轮增压器40，42上游的空气管道和空气过滤器，其被构造为将来自于环境的气流38分引导到涡轮增压系统36。虽然吸气系统没有被示出，但是这样的存在会被本领域内的技术人员认识到。涡轮增压器40，42中的每个还可流体地连接到进气歧管(未示出)，该进气歧管被构造为将加压的气流38分配到每个汽缸22，用于与适当量的燃料混合和合成的燃料-空气混合物的随后的燃烧。
如图3-4所示的，涡轮增压系统36还包括流量控制装置44。流量控制装置44被构造为选择性地引导燃烧后气体32到低流量的涡轮增压器40和高流量的涡轮增压器42。在采用具有第一出口34-1和第二出口34-2的排气歧管34的实施例中，流量控制装置44可被直接安装到第二出口34-2并与该第二出口34-2流体连通。高流量的涡轮增压器42然后被安装到流量控制装置44并且与低流量的涡轮增压器40分开，以使得燃烧后气体32可仅通过首先穿过流量控制装置而进入到高流量的涡轮增压器。在第一歧管出口34-1之外的流体流动路径被维持没有被阻碍以便供给燃烧后气体32到低流量的涡轮增压器40，而来自于第二歧管出口34-2的另一个流体流动路径被连接到流量控制装置44。在排气歧管34在单个出口汇合的替代实施例中，歧管出口与第一涡轮机壳体40-4的进口40-5流体连通，第一涡轮机壳体的出口40-6与第二涡轮机壳体42-4的进口42-5流体连通。采用具有单个出口的排气歧管34的涡轮增压系统36的实施例也可包括旁路(未示出)，其由流量控制装置44控制且构造为选择性地将燃烧后气体32引导到第一涡轮机壳体40-4的进口40-5和第二涡轮机壳体42-4的进口42-5。
流量控制装置44包括阀46和腔室48，并用来选择性地打开和关闭从第二歧管出口34-2进入高流量的涡轮增压器42的流体流动路径。流量控制装置44还可是开口的，即，与第一涡轮机壳体40-4流体连接。如所示的，阀46可构造为设计成围绕轴枢转的门，以便选择性地打开和关闭流量控制装置44。当流量控制装置44关闭且阀46阻挡第二歧管出口34-2时，燃烧后气体32自然地流入低流量的涡轮增压器40。在低流量的涡轮增压器40之后，燃烧后气体32从第一涡轮机壳体40-4退出进入到阀46下游的第二涡轮机壳体42-4中。另一方面，因为腔室48流体地连接到低流量的涡轮增压器40，当阀46完全地打开第二歧管出口34-2时，跨第一涡轮机壳体40-4两侧的压力相等，燃烧后气体32将自然地流入第二涡轮机壳体42-4。
阀46可被设定尺寸，以便选择低流量的涡轮机叶轮40-2和高流量的涡轮机叶轮42-2之间的操作过渡点。而且，到流量控制装置44的开口可经由阀46调整以调节或变化燃烧后气体32穿过第一涡轮机壳体40-4的流量，由此变化低和高流量的涡轮增压器40，42的操作之间的重叠量。而且，第一和第二涡轮机壳体40-4，42-4的相对尺寸被选择为变化低流量的涡轮机叶轮40-2和高流量的涡轮机叶轮42-2之间的操作过渡点。因此，到阀46的腔室48中的开口也可被控制，以产生两个涡轮增压器40，42的顺序操作。通过这样的设备，流量控制装置44被构造为选择性地引导燃烧后气体32到低流量的涡轮增压器40和高流量的涡轮增压器42，由此在发动机16的操作期间在低流量的涡轮增压器和高流量的涡轮增压器之间有效地过渡。
车辆10另外可包括可编程控制器50，其被构造为调节发动机16的操作，例如通过控制注入到汽缸22中的用于与加压的气流38混合和后来的燃烧的燃料量。控制器50可以是用于发动机16的专用的控制器，用于动力传动系12的控制器，或用于整个车辆10的中央处理单元。控制器50包括存储器，至少其一些是有形的且非暂态的。存储器可以是任何可记录媒介，其参与提供计算机可读的数据或工艺指令。这样的介质可采用许多形式，包括但不限于，非易失性媒介和易失性媒介。非易失性媒介可包括，例如，光盘或磁盘以及其他持久存储器。易失性媒介可包括，例如，动态随机存取存储器(DRAM)，其可构成主存储器。这样的指令可通过一个或更多传输媒介传输，包括同轴电缆，铜线和光纤，包括包含耦接到计算机的处理器的系统总线的电线。控制器50的存储器也可包括软盘，软磁盘，硬盘，磁带，任何其他的磁媒介，CD-ROM，DVD，任何其他的光学媒介等。控制器50可构造为或装备有其他需要的计算机硬件，例如高速时钟，必要的模拟-数字(A/D)和/或数字-模拟(D/A)电路，任何必需的输入/输出电路和器件(I/O)，以及适当的信号调节和/或缓冲电路。由控制器50需要的或可访问的任何算法从而可存储在所述存储器中并且自动执行以提供需要的功能性。
控制器50还构造为调节流量控制装置44。更特别地，控制器50被编程为根据操作参数，例如发动机16的负荷、温度和旋转速度关闭流量控制装置44(如图3所示的)，以导引燃烧后气体32到低流量的涡轮增压器40，以及打开流量控制装置(如图4所示的)，以导引燃烧后气体到高流量的涡轮增压器42。因此，控制器50可被编程以低于燃烧后气体32的预定流动速率52关闭流量控制装置44以及以预定流动速率或以上打开所述流量控制装置。燃烧后气体32的预定流动速率52可以是流动速率比值，低于该流动速率比值，所述发动机16的燃烧后气体具有足够的能量以使低流量的涡轮增压器40以希望的速率自旋加快以便提供在希望的一段时间内的希望的增压压力，但是不足以使更高惯性的高流量的涡轮增压器42类似地自旋加快。燃烧后气体32的所述预定的流动速率52可在实际发动机16的测试期间在测试站上和在车辆10中二者通过计算被识别然后通过实验方法被检验。
控制器50还被构造为协调流量控制装置44的操作和第一机构28的操作，以在特定发动机操作模式期间另外地改进发动机16的操作效率。具体地说，控制器50选择第一预定正时54用于经由第一机构28打开排气阀26，并且当发动机16在“第一模式”操作时经由流量控制装置44引导燃烧后气体32到低流量的涡轮增压器40。所述的第一模式在此被限定为低于预定发动机转速56且高于预定发动机负荷58的发动机操作。在发动机操作的第一模式下，低的每分钟转数处的高发动机负荷产生在燃烧室22-2内的升高的压力，与在排气冲程完成之后俘获在燃烧室内的剩余废气一起，增加了由于不受控制的燃烧引起的敲击或爆燃的可能性。发动机操作的第一模式例如会是当发动机16在低的发动机转速下(例如大约且低于2,000转/每分钟)接收完全打开的，即全开的油门19时所遇到的。第一预定正时54包括排气阀26相对于整个排气循环保持打开的减少的持续时间，如由曲轴30的旋转所限定的。这样的排气阀26保持打开的减少的持续时间导致在每个相应的汽缸22中在排气冲程完成之后俘获在燃烧室22-2内的剩余废气更少，由此减小了敲击的可能性。第一预定发动机转速56可被设定在大约3,000RPM，而第一预定发动机负荷58可通过油门19的指定的打开，例如30-80％的打开被识别，作为发动机转速的函数。
另外，控制器50经由第一机构28选择用于打开排气阀26的第二预定正时60，并且当发动机16在“第二模式”操作时经由流量控制装置44引导燃烧后气体32到高流量的涡轮增压器42。所述第二模式在此被限定为处在预定发动机转速56或以上的发动机操作。在发动机操作的第二模式下，增加的发动机转速，不管发动机负荷如何，降低了在排气冲程完成之后俘获在燃烧室22-2内的剩余废气的量，因此降低了敲击的可能性。与第二预定正时60相比，用于打开排气阀26的第一预定正时54会在较低的发动机转速下在汽缸22中俘获减少量的燃烧后气体32。然而，第二预定正时60趋向于改进在较高发动机转速下的发动机呼吸，由此改进了发动机效率和动力输出。因此，第二预定正时60在第二模式的较高发动机转速下被使用。发动机操作的所述第二模式会是当例如发动机16在较高发动机转速下(例如3,000RPM以上)部分的或完全地给油门时所遇到的。
控制器50还可被构造为当发动机16在“第三模式”操作时经由流量控制装置44导引燃烧后气体32到高流量的涡轮增压器42并且经由第一机构28选择用于打开排气阀26的第二预定正时60。所述第三模式在此被限定为低于预定转速56且低于预定负荷58的发动机操作。在发动机操作的第三模式下，较低的发动机负荷在燃烧室22-2内产生相当较低的燃烧压力，与第一模式相比，因此尽管发动机转速降低，但是敲击的可能性降低了。因此，打开的排气阀26的增加的持续时间没有引起发动机16发出撞击声，而由较长的排气持续时间引起的降低的排气背压将趋向于增加发动机操作效率。
控制器50可另外被构造为当发动机16在第一和第二模式的每个中操作时经由第二机构29选择用于打开进气阀24的第一预定正时62。第一预定正时62包括，相对于在压缩冲程的早期部分中保持进气阀打开的通常作法，进气阀24保持进一步打开到压缩循环的增加的持续时间，如曲轴30的旋转所限定的。进气阀26在第一模式下保持打开的这样的增加的持续时间导致由相应的活塞22-1俘获在燃烧室22-2内的空气的压缩程度降低以及俘获在每个相应的汽缸22中的燃烧室内的空气的体积较小，由此降低了燃烧压力和敲击的可能性。因此，在第一模式下，预定正时62进一步降低了在燃烧室22-2中敲击的可能性，与采用用于单独打开排气阀26的第一预定正时54相比。另外值得注意的，由于进气阀26保持打开的增加的持续时间导致被俘获在每个相应的汽缸22中的燃烧室内的空气的减小的体积可通过低流量的涡轮增压器40的受控制的操作被抵消。
在第二模式下，即，在高发动机转速和负荷下，第一预定正时62允许发动机16俘获更多的空气在燃烧室22-2中，从而产生增强的动力输出。此外，当发动机16在第三模式下操作时，控制器50可经由第二机构29选择用于打开进气阀24的第二预定正时64。第二预定正时64包括进气阀24保持打开的降低的持续时间，以便增加燃烧室22-2中的压缩，其趋向于在发动机在低于预定转速56且低于预定负荷58下操作期间改进燃烧稳定性。因此，第一预定正时62在第一模式下俘获更少量的燃烧后气体32在汽缸22中并且在第二模式下产生增加的功率输出，与在相应的操作模式下使用第二预定正时64相比。
图5描述了控制如上所述的相对于图1-4的内燃机16的操作的方法70。方法70开始于方框72，其中发动机16操作并产生动力。所述方法从方框72前进到方框74。在方框74中，所述方法包括经由控制器50经由流量控制装置44导引燃烧后气体32到低流量的涡轮增压器40。在方框74中，所述方法还包括当发动机16在第一模式下操作时经由第一机构28选择用于打开排气阀26的第一预定正时54。在方框74中，所述方法可另外包括当发动机16在第一和第二模式的每个下操作时通过控制器50经由第二机构29选择用于打开进气阀24的第一预定正时62。
替代地，所述方法从方框72开始前进到方框76。在方框76中，所述方法包括经由流量控制装置44导引燃烧后气体32到高流量的涡轮增压器42，并且当发动机16在第二模式下操作时经由控制器50经由第一机构28选择用于打开排气阀26的第二预定正时60。另外，在方框76中，所述方法可包括通过控制器50选择用于打开进气阀24的第一预定正时62。
所述方法还可从方框72进行到方框78。在方框78中，所述方法可包括通过控制器50经由流量控制装置44导引燃烧后气体32到高流量的涡轮增压器42并且当发动机16在第三模式下操作时经由第一机构28选择用于打开排气阀26的第二预定正时60。另外，在方框78中，所述方法可包括通过控制器50经由第二机构29选择用于打开进气阀24的第二预定正时64。在方框74，76或78之后，所述方法可回到方框72，用于当发动机正在操作且产生动力时的内燃机16的连续控制。
详细的说明书和附图是支持性的和公开内容的描述，但是本公开内容的范围单独由权利要求限定。而用于实施本公开内容的一些最佳模式和其他实施例已经被详细描述，替代设计和实施例存在用于实施在所附权利要求中限定的公开内容。此外，在附图中示出的实施例或在本说明书中提到的各个实施例的特征不需被理解为彼此独立的实施例。而是，可能的是，在实施例的每个例子中描述的每个特征可与其他实施例的一个或多个其他希望的特征结合，导致其他实施例没有用文字或参照附图进行描述。因此，这样的其他实施例落入所附的权利要求的范围的框架内。

Claims (10)

1.一种内燃机，包括：
限定汽缸的汽缸体；
安装到所述汽缸体的汽缸盖；
布置在汽缸内的往复运动的活塞；
布置在汽缸体中并由所述活塞旋转的曲轴；
进气阀，该进气阀操作地连接到所述汽缸盖并被构造为控制空气到汽缸的输送，用于在其中燃烧；
排气阀，该排气阀操作地连接到所述汽缸盖并被构造为控制燃烧后气体从汽缸的移除；
第一机构，该第一机构被构造为提供用于排气阀的可变正时；
涡轮增压系统，该涡轮增压系统被构造为给从环境接收到的空气加压以用于输送到所述汽缸，所述涡轮增压系统包括低流量的涡轮增压器和高流量的涡流增压器以及流量控制装置，该低流量的涡轮增压器和高流量的涡流增压器的每个都被构造为由燃烧后气体驱动，而该流量控制装置构造为选择性地导引所述燃烧后气体到低流量和高流量的涡流增压器；以及
控制器，该控制器被构造为，当所述发动机在低于预定转速且高于预定负荷的第一模式下操作时，经由流量控制装置的控制将所述燃烧后气体导引到低流量的涡轮增压器，并且经由第一机构的控制来选择用于打开排气阀的第一预定正时，以及当所述发动机在预定转速处或以上的第二模式下操作时，经由流量控制装置的控制将燃烧后气体导引到高流量的涡轮增压器，并且经由第一机构的控制来选择用于打开排气阀的第二预定正时，其中与用于打开排气阀的第二预定正时相比，所述用于打开排气阀的第一预定正时在汽缸中俘获更少的燃烧后气体。
2.根据权利要求1所述的发动机，其中所述第一机构包括构造为调节排气阀的打开和关闭的排气凸轮轴，并被构造为经由改变用于排气阀的打开定相和打开持续时间中的至少一种操作来提供可变正时。
3.根据权利要求2所述的发动机，其中第一机构还包括排气凸轮轴移相器，其中第一机构被构造为通过经由所述排气凸轮轴移相器改变所述排气凸轮轴相对于曲轴位置的位置来调节用于排气阀的打开定相。
4.根据权利要求2所述的发动机，其中所述排气凸轮轴包括第一凸轮凸部和第二凸轮凸部，所述第一凸轮凸部被构造为经由第一排气阀打开持续时间提供用于打开所述排气阀的第一预定正时，所述第二凸轮凸部被构造为经由第二排气阀打开持续时间提供用于打开排气阀的第二预定正时。
5.根据权利要求4所述的发动机，其中第一机构另外包括具有第一表面和第二表面的摇臂，所述第一表面被构造为经由第一凸轮凸部促动所述排气阀，所述第二表面被构造为经由第二凸轮凸部促动所述排气阀。
6.根据权利要求1所述的发动机，其中所述控制器另外被构造为，当所述发动机在低于预定转速且低于预定负荷的第三模式下操作时，经由所述流量控制装置的控制将所述燃烧后气体导引到高流量的涡轮增压器并且经由第一机构选择用于打开排气阀第二预定正时。
7.根据权利要求6所述的发动机，其中所述发动机另外包括被构造为提供用于所述进气阀的可变正时的第二机构，以及所述控制器另外被构造为，当所述发动机在所述第一和第二模式的每个下操作时，经由第二机构的控制选择用于打开进气阀的第一预定正时，以及当所述发动机在所述第三模式下操作时，经由第二机构选择用于打开所述进气阀的第二预定正时，其中与用于打开进气阀的第二预定正时相比，用于打开进气阀的第一预定正时在所述第一模式下在所述汽缸中俘获更少的空气并且在第二模式下产生增强的发动机功率输出。
8.根据权利要求7所述的发动机，其中所述第二机构被构造为经由变化用于进气阀的打开定相和打开持续时间的至少一个来提供可变正时。
9.根据权利要求8所述的发动机，进一步包括构造为调节进气阀的打开和关闭的进气凸轮轴，其中所述第二机构包括具有进气凸轮轴移相器的进气凸轮轴，并且被构造为通过经由所述进气凸轮轴移相器改变所述进气凸轮轴相对于曲轴位置的位置来调节用于进气阀的打开定相。
10.根据权利要求8所述的发动机，其中所述第二机构是具有第一凸轮凸部和第二凸轮凸部的进气凸轮轴，所述第一凸轮凸部被构造为经由第一进气阀打开持续时间提供用于打开所述进气阀的第一预定正时以及第二凸轮凸部被构造为经由第二进气阀打开持续时间提供用于打开所述进气阀的第二预定正时。
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