CN1910355A - 涡轮增压内燃机 - Google Patents

Abstract

一种涡轮增压内燃机，包括：涡轮增压器(15)的致动器，用于打开和关闭排气门(a、b)；以及电子控制器，其控制所述致动器的操作，从而对排气门(a、b)的打开和关闭进行控制。所述排气门包括连接至第一排气管(14)的第一排气门(a)，以及连接至第二排气管(16)的第二排气门(b)。第一排气管(14)连接至涡轮增压器(15)，从而使通过第一排气管(14)的排气驱动涡轮增压器(15)。第二排气管(16)绕过涡轮增压器(15)，从而流动通过第二排气管的废气不经过涡轮增压器(15)而被排放。所述电子控制器通过控制第一排气门(a)和第二排气门(b)的打开和关闭，对离开燃烧室的废气中多大比例的废气分别流动通过第一排气管(14)和第二排气管(16)进行控制。

Description

涡轮增压内燃机

技术领域

本发明涉及一种涡轮增压内燃机。

背景技术

涡轮增压内燃机是公知的。然而，有效控制发动机中涡轮增压器的转速从而对施加给进气的升压进行控制一直是个问题。需要废气门或者复杂的气门装置。而且，由于必须满足针对所有发动机的严格排放标准，因此使用高压涡轮增压器是成问题的，这是因为这种涡轮增压器对流动强加的限制以及从而对排气的冷却趋于导致催化转化器点火的不可接受的延迟。传统上，在具有两级涡轮增压的发动机中，精细地控制由每个涡轮增压器相对另一个涡轮增压器提供的升压是个问题。

发明内容

本发明提供了一种涡轮增压内燃机，包括：

可变容积的燃烧室；

进气门装置，其对进入所述燃烧室的空气的流动进行控制；

燃料输送装置，用于将燃料输送至空气中并与空气混合；

排气门装置，用于控制来自所述燃烧室的废气(combusted gas)的流动；

压缩机装置，用于在允许空气进入所述燃烧室之前压缩空气；

致动器装置，用于打开和关闭所述排气门装置；以及

电子控制器，其控制所述致动器装置的操作，从而控制所述排气门装置的打开和关闭，其中：

所述排气门装置包括：连接至第一排气管的至少一个第一排气门；以及至少一个第二排气门，连接至与所述第一排气管分开并独立的第二排气管；

所述压缩机装置包括第一涡轮增压器，且所述第一排气管连接至该第一涡轮增压器，从而使通过所述第一排气管的排气驱动所述第一涡轮增压器转动；

所述第二排气管绕过所述第一涡轮增压器，从而流动通过所述第二排气管的废气不通过所述第一涡轮增压器而被排放；并且

所述电子控制器通过控制所述致动器装置的操作从而控制所述第一排气门和第二排气门的打开和关闭，其可进行操作以控制离开所述燃烧室的废气中分别有多大比例的废气流动通过所述第一排气管和所述第二排气管。

通过使用由电子控制器控制的致动器，可以以这样的方式控制排气门的操作，即，使得控制器能控制通过第一涡轮增压器的废气的体积和流量，从而精细地控制第一涡轮增压器的操作。

附图说明

现在将参考附图描述本发明的优选实施例，其中：

图1示意性地表示根据本发明的内燃机的第一实施例，该内燃机具有单级增压系统；而且

图2表示根据本发明的涡轮增压内燃机的第二实施例，该内燃机具有两级增压系统；

图3表示根据本发明的涡轮增压内燃机的第三实施例，该内燃机具有涡轮增压器和机械增压器(supercharger)；

图4表示根据本发明的涡轮增压内燃机的第四实施例，该内燃机具有电动压缩机和涡轮增压器；

图5表示根据本发明的涡轮增压内燃机的第五实施例，该内燃机具有允许改进起动操作的起动阀；以及

图6表示根据本发明的涡轮增压内燃机的第六实施例，该内燃机具有用于压缩气体的贮罐。

具体实施方式

在图1中可看到具有四个气缸10、11、12和13的四缸发动机。每个气缸都具有进气门“i”和两个排气门“a”和“b”。排气门“a”和“b”至少分别由连接至所述气门的液压致动器操作。每个液压致动器都由电子控制器(未示出)控制，该电子控制器通常是发动机管理系统的一部分。在同一气缸中，各排气门“a”独立于排气门“b”打开和关闭。

流自气缸10、11、12和13的废气流动通过排气门“a”而至第一排气管14。该排气管14将废气继续输送到涡轮增压器15的涡轮15a级。

排气门“b”都连接至第二排气管16，废气可通过该第二排气管从气缸10、11、12和13经过排气门“b”流到起动器催化转化器17。

在涡轮15a中膨胀的废气通过排气管18从涡轮增压器15输出，该排气管18在接头19处接合至排气管16。在接头19处，流自涡轮增压器15的废气与流动通过排气管16的废气混合，然后混合流经过第二催化转化器21而后进入大气。

新鲜的充入空气(charge air)被吸入到涡轮增压器15的压缩机部分15b中，然后通过进气通道19被继续输送到气缸10、11、12和13的进气门“i”，充入空气在向气缸运动的过程中通过中间冷却器。

电子控制器可利用其对致动器的控制来控制排气门“a”和“b”的打开和关闭，从而控制流自各个气缸的全部废气中多大比例的废气流向排气管14，多大比例的废气流动通过排气管16。这样，控制器可控制涡轮增压器15的操作。在需要较大的升压时，将从气缸10、11、12和13排出的全部废气中较大比例的废气输送通过涡轮增压器15，反之亦然。在发动机起动时，从气缸10、11、12和13排出的废气中的大部分(如果不是排出全部废气)将通过排气管16，以确保起动器催化转化器17较早点火，并因此减少发动机起动时的排放。

在图2中示出了根据本发明的发动机的第二变型。该发动机具有四个气缸100、101、102和103，每个气缸都具有进气门“i”、排气门“a”和排气门“b”。排气门“a”和“b”至少都由在电子控制器(未示出)控制下的液压致动器操作。在同一气缸中，各排气门“a”可以独立于排气门“b”进行操作。

气缸100、101、102和103的排气门“a”都连接至第一排气管104，该第一排气管将废气引向高压涡轮增压器105的涡轮部分105a。气缸100、101、102和103的排气门“b”都连接至排气管106，废气通过该排气管绕过高压涡轮增压器105向低压涡轮增压器107的涡轮部分107a流动。

排出涡轮增压器105的涡轮部分105a的膨胀废气通过排气管108流向接头109，在该接头109处，膨胀废气被输入到沿排气管106通过的废气流中。直接从排气门“b”通过的废气和从涡轮增压器105排出的废气的混合流于是被输入低压涡轮增压器107的涡轮107a。

从涡轮增压器107的涡轮107a排出的废气通过排气通道110，经过催化转化器111而进入大气。

被吸入到涡轮增压器107的压缩机部分107b中的充入空气通过进气管112被排出，以经过中间冷却器113。压缩空气一旦在中间冷却器113中被冷却就可然后通过高压涡轮增压器105的压缩机部分105b，或者可完全绕过涡轮增压器105沿旁路通道114通过。

被供应至涡轮增压器105的压缩空气在第一压力下被供应，然后被涡轮增压器105加压到较高的第二压力。离开压缩机105b的加压空气通过管道115，从而与流动通过旁路通道114的空气重新混合。混合后的空气流然后通过中间冷却器116和进气管117而至进气门“i”。

在旁路通道114中设置有旁路阀118。旁路阀118由所述电子控制器控制。旁路阀118的操作将使电子控制器对使多少进气通过高压涡轮增压器105进行控制。

电子控制器控制排气门“a”和“b”的打开与关闭(通过对连接至排气门的致动器的控制)，从而控制来自气缸100、101、102和103中的全部废气流中多大比例的废气流动通过排气管104，以及多大比例的废气流动通过排气管106。这样，电子控制器可控制涡轮增压器105和107的操作。

在某些情况下，优选地使所有或至少大部分的废气流完全绕过涡轮增压器105。在这种情况下，排气门“a”保持完全(或几乎)关闭，而排气门“b”在每个循环中单独地打开和关闭。在该情况下，电子控制器还将完全打开旁路阀118，从而充入空气不会通过涡轮增压器105。例如，在发动机的起动时期望完全绕过涡轮增压器105。因为涡轮增压器105为高压涡轮增压器，所以将对来自气缸的废气流形成较大的限制。该限制以及因之产生对废气的冷却将增加催化剂111的点火时间。另一方面，低压涡轮增压器107将对废气施加小得多的限制，因此在起动状态下，废气优选地只流过涡轮增压器107。

图2中描述的系统无需就其本质而言不经济的废气门。在图2的布置中，所有的废气都通过涡轮增压器107。

通过改变排气门“a”和“b”的气门正时从而控制通过排气管104的气流，可容易地通过电子控制器对供应至进气门“i”的进气的升压水平进行控制。而且，控制器可通过控制旁路阀118来控制升压。

低压涡轮增压器107可以是具有较大涡轮的涡轮增压器，其对废气流的限制远小于具有较小涡轮的高压涡轮增压器105。然而，低压涡轮增压器107的较大涡轮尺寸可导致油门响应问题，在使用汽车中的发动机时这一问题尤为突出。本发明中，电子控制器辨识发动机的加速时间，而且在这样的时间使大部分废气流转向会在打开发动机油门时快速反应的高压涡轮增压器105，由此改善了所述问题。显然，在这种情况下，旁路阀118关闭，从而进气门“i”接收到的进气被升压到最大。

在发动机转速较高时，如果对通过排气管104的废气流以及通过旁路通道114的进气流进行控制的电子控制器没有进行适当的控制，则涡轮增压器105可能会提供过量的升压。通常在稳定状态下的全负荷和高发动机转速的情况下，高压涡轮增压器105会基本被绕过，以使得大部分进气将在旁路通道114中流动，而大部分废气流将通过排气管106。

图3示意性地表示根据本发明的三缸压缩点火内燃机300，其具有强制进气系统，该强制进气系统包括具有涡轮增压器301的低压级和具有机械增压器302的高压级。图中示出了三个气缸303、304和305，其中每个气缸都具有排气门“a”，该排气门对经由通道309至低压涡轮增压器301的涡轮的排气流进行控制。每个气缸还具有对至旁路通道303的排气流进行控制的排气门“b”。旁路通道303允许排气绕过低压涡轮增压器301直接流入大气。

图3的发动机采用经由空气过滤器304吸入到低压涡轮增压器301的压缩机部分中的充入空气进行工作。加压过的空气然后经由通道305流向旁路阀306，或者流向高压机械增压器302的压缩机部分。然后，在高压机械增压器302中加压过的充入空气通过通道307流出。旁路阀306可由发动机管理系统进行控制，从而对流入机械增压器302的压缩机的加压过的充入空气量进行控制。可选地，可采用简单预加载机械阀，其在限定压力下打开以限制作为对机械增压器302的压缩机的输入而流动的换气(scavenge air)的压力。旁路换气以及排出机械增压器302的加压空气在它们流动通过中间冷却器308之前混合，然后通过进气门“i”输送进入气缸303、304、305。

发动机管理系统对每个气缸中的排气门“a”和“b”的打开进行控制，从而控制流向低压涡轮增压器301的涡轮的加压排气的量。一部分排气能够流向涡轮增压器301的涡轮，而一部分能够经由旁路通道303直接流入大气。

可设想到机械增压器302通常是罗茨鼓风式机械增压器。它可以是离合机械增压器，从而在电子控制器的控制下，只在某些发动机运转状态下运转。

图4中示出了发动机的第四变型。示出的发动机400具有三个气缸，每个气缸都为图1所示的类型。而且，每个气缸都具有四个气缸盖阀。每个气缸都具有连接至第一排气管401的排气门“a”，而且每个气缸都具有连接至与第一排气管401分开的第二排气管402的排气门“b”。

在图4的发动机中，经由过滤器404吸入新鲜空气并通过电动压缩机405对其压缩。由电子控制器控制电动压缩机405以在低发动机转速下和/或在起动期间运转，而在其它情况下不运转。在其它状况下，旁路阀406打开，以允许充入空气绕过低压电动压缩机405。

排出低压压缩机405或通过旁路阀406的空气然后继续流向高压涡轮增压器407，从而在该涡轮增压器中被压缩，之后通过管道408输出到中间冷却器409，然后经由进气门“i”至发动机的气缸。

废气可经由排气门“a”或通过排气门“b”从气缸410、411、412排出。这些气门受到由发动机管理系统控制的致动器的控制。该发动机管理系统控制气门“a”和“b”的操作，从而控制多大比例的排气流动通过排气管401，多大比例的排气流动通过排气管402。流动通过排气管401的排气流向高压涡轮增压器407的涡轮，而流动通过排气管402的排气绕过涡轮增压器407而直接流入大气。

图5表示图2的发动机的涡轮增压系统的变型，有利地改进了该涡轮增压系统以辅助发动机的起动(除起动期间以外，发动机将如上所述那样运转)。所述发动机的附加特征为起动阀520。该阀由发动机管理系统控制。在发动机起动期间，起动阀520关闭。而且控制器会改变排气门的操作。通过关闭阀520并改变排气门的操作，控制器可使发动机这样运转，即，使得气体在每个燃烧室中被压缩，然后经由排气门“a”排出。被排出的气体为高压涡轮增压器502提供动力，并使其开始旋转。从涡轮增压器502的涡轮排出的气体然后经由排气门“b”而被输送回燃烧室中。被输送回的气体然后再次被加压，由排气门“a”排放，从而再次进行循环。这使得发动机如气压泵一样工作，从而在将燃料注入燃烧室并起动发动机之前起动高压涡轮增压器502，以使其快速旋转。这是非常有利的，特别是因为再循环的空气会比新鲜的充入空气温度高。提供了这样的设备就无需机械增压器或电动压缩机，所述机械增压器或电动压缩机通常选择用来辅助不具有图5所示的快速起动操作模式的压缩点火发动机的起动。

尽管图5的用于快速起动操作系统的布置示出为应用于图2所示的发动机，但可通过使离开涡轮增压器的气体经由排气门“b”再循环进入燃烧室以用于进一步压缩，从而可将其它附图的发动机布置成提供快速起动模式。

图6示出了根据本发明的发动机的另一示例。在该变型中，每个气缸都具有一种附加排气门“c”。除了在发动机制动和发动机起动期间(这期间可利用气门“c”)之外，排气门“a”和“b”按上述方式操作。附加排气门“c”通过通道601、602、603连接至用于存储压缩气体的贮罐604。在发动机制动期间，气门“c”被控制成允许压缩气体从气缸流向贮罐604。这样，在需要时(例如在发动机起动时)就可打开气门“c”，以将先前存储的压缩气体供应给气缸，从而例如使其在气缸中膨胀并驱动活塞往复运动。

只有当贮罐还没有被加压到其极限时，才操作气门“c”以允许压缩气体向贮罐604流动。只有当贮罐604中的压力足够时，气门“c”才允许气体从贮罐604向气缸流动。

在图2和图5所示的实施例中，可以由电动助力涡轮增压器替代低压涡轮增压器，该电动助力涡轮增压器在低发动机转速时或在起动时由电力辅助，但在其它情况下，由来自发动机的排气提供动力。电动助力涡轮增压器可用于在高发动机转速时输出电力。

可通过火花点火或压缩点火来操作上述发动机。本发明可适用于具有任何数量气缸的往复活塞式发动机，而且还可适用于除了往复活塞式发动机之外的内燃机(例如，旋转式发动机)。

上述排气门“a”和“b”可以是通过液压致动器操作的提升气门。然而，可通过任何其它合适形式的致动器(例如，电磁致动器)来操作提升气门。实际上，可由套筒气门或任何其它可由致动器控制的合适气门装置来替代提升气门。

上述进气门“i”本身可优选地由在电子控制器控制下的致动器控制，但这不是必须的，而是可采用任何形式的气门操作，例如传统的凸轮和挺杆操作。

上述涡轮增压器可以为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。

Claims (24)

1、一种涡轮增压内燃机，包括：

可变容积的燃烧室；

进气门装置，其对进入所述燃烧室的空气的流动进行控制；

燃料输送装置，用于将燃料输送至空气中并与空气混合；

排气门装置，用于控制来自所述燃烧室的废气的流动；

压缩机装置，用于在允许空气进入所述燃烧室之前压缩空气；

致动器装置，用于打开和关闭所述排气门装置；以及

电子控制器，其控制所述致动器装置的操作，从而控制所述排气门装置的打开和关闭，其中：

所述排气门装置包括：连接至第一排气管的至少一个第一排气门；以及至少一个第二排气门，连接至与所述第一排气管分开并独立的第二排气管；

所述压缩机装置包括第一涡轮增压器，且所述第一排气管连接至该第一涡轮增压器，从而使通过所述第一排气管的排气驱动所述第一涡轮增压器转动；

所述第二排气管绕过所述第一涡轮增压器，从而流动通过所述第二排气管的废气不通过所述第一涡轮增压器而被排放；并且

所述电子控制器通过控制所述致动器装置的操作从而控制所述第一排气门和第二排气门的打开和关闭，其可进行操作以控制离开所述燃烧室的废气中分别有多大比例的废气流动通过所述第一排气管和所述第二排气管。

2、根据权利要求1所述的涡轮增压内燃机，其特征在于，在所述第一涡轮增压器的涡轮中膨胀之后离开该第一涡轮增压器的废气，在一接头处与在所述第二排气管中流动的废气混合，然后混合后的废气流流动通过第一催化转化器而后进入大气。

3、根据权利要求2所述的涡轮增压内燃机，其特征在于，还包括第二催化转化器，其设置在所述第二排气管中，位于在所述第二排气管中的废气与离开所述第一涡轮增压器的废气混合处的所述接头的上游。

4、根据权利要求3所述的涡轮增压内燃机，其特征在于，在发动机起动时，所述控制器控制所述第一排气门和第二排气门的打开和关闭，以使离开所述气缸的废气中的全部或至少大部分通过所述第二排气管，从而通过所述第二催化转化器。

5、根据权利要求1至4中任一项所述的涡轮增压内燃机，其特征在于，还包括中间冷却器，用于冷却从所述涡轮增压器流向所述气缸的压缩空气。

6、根据权利要求1所述的涡轮增压内燃机，其特征在于：

所述压缩机装置还包括第二涡轮增压器；

所述第一涡轮增压器为高压涡轮增压器，其可以从所述第二涡轮增压器接收处于第一压力的压缩空气，该第二涡轮增压器为低压涡轮增压器，而且所述第一涡轮增压器将空气压缩到较高的第二压力；并且

在所述第一涡轮增压器的涡轮中膨胀之后离开该第一涡轮增压器的废气与在所述第二排气管中流动的废气混合，然后混合后的废气流驱动所述第二涡轮增压器转动。

7、根据权利要求6所述的涡轮增压内燃机，其特征在于，离开所述第二涡轮增压器的废气流动通过催化转化器，然后流入大气。

8、根据权利要求6或7所述的涡轮增压内燃机，其特征在于，还包括第一中间冷却器，在所述第二低压涡轮增压器中压缩的空气在到达所述第一高压涡轮增压器之前通过该第一中间冷却器。

9、根据权利要求6至8中任一项所述的涡轮增压内燃机，其特征在于，还包括：进气旁路通道，被所述第二涡轮增压器压缩的空气可通过该旁路通道从而绕过所述第一涡轮增压器流向所述进气门装置；以及旁路阀装置，用于对通过所述旁路通道的压缩空气的流动进行控制。

10、根据权利要求1所述的涡轮增压内燃机，其特征在于，所述压缩机装置还包括机械增压器；所述第一涡轮增压器为低压涡轮增压器，其将进气压缩到第一压力；并且所述机械增压器为高压机械增压器，其将所述第一涡轮增压器输出的压缩空气压缩到比所述第一压力高的第二压力。

11、根据权利要求10所述的涡轮增压内燃机，其特征在于，所述压缩机装置还包括：旁路通道，被所述第一涡轮增压器压缩的压缩空气可通过该旁路通道而绕过所述机械增压器；以及旁路阀装置，其对通过所述旁路通道的压缩空气的流动进行控制。

12、根据权利要求11所述的涡轮增压内燃机，其特征在于，所述旁路阀为由所述电子控制器控制的电控阀。

13、根据权利要求1所述的涡轮增压内燃机，其特征在于，所述压缩机装置还包括电动压缩机，并且所述第一涡轮增压器为高压涡轮增压器，其接收被所述电动压缩机压缩的空气并将所述空气加压到较高水平。

14、根据权利要求13所述的涡轮增压内燃机，其特征在于，所述压缩机装置还包括：旁路通道，空气可通过该旁路通道绕过所述电动压缩机，从而直接流向所述涡轮增压器；以及旁路阀，其对通过所述旁路通道的空气的流动进行控制。

15、根据权利要求14所述的涡轮增压内燃机，其特征在于，所述控制器对所述旁路阀以及所述电动压缩机的操作进行控制，从而使所述电动压缩机仅在发动机起动和/或低发动机转速下运转，而在其它情况下，进气完全绕过所述电动压缩机而仅由所述涡轮增压器压缩。

16、根据权利要求1所述的涡轮增压内燃机，其特征在于：

所述压缩机装置包括第二低压涡轮增压器，其将空气压缩至第一压力，并且所述第一涡轮增压器为高压涡轮增压器，其将所述低压涡轮增压器压缩的空气压缩到比所述第一压力高的第二压力；

所述第一排气管将排气继续输送到所述第一高压涡轮增压器，以驱动所述高压涡轮增压器转动，并且所述第二排气管将排气继续输送到所述第二低压涡轮增压器，而绕过所述第一高压涡轮增压器，从而驱动所述第二低压涡轮增压器转动；并且

所述控制器控制所述致动器装置的操作，从而控制在流自所述燃烧室的废气中多大比例的废气流动通过所述第一排气管，多大比例的废气流动通过所述第二排气管，所述控制器从而对所述第一高压涡轮增压器和所述第二低压涡轮增压器的操作进行控制。

17、根据权利要求16所述的涡轮增压内燃机，其特征在于，离开所述第一高压涡轮增压器的膨胀排气被输送至所述第二排气管中，以被继续输送到所述第二低压涡轮增压器。

18、根据权利要求16或17所述的涡轮增压内燃机，其特征在于，所述压缩机装置还包括：旁路通道，空气可通过该旁路通道而绕过所述第一高压涡轮增压器；以及旁路阀，其对通过所述旁路通道的空气的流动进行控制。

19、根据权利要求18所述的涡轮增压内燃机，其特征在于，所述旁路阀由所述电子控制器控制。

20、根据权利要求10至19中任一项所述的涡轮增压内燃机，其特征在于，所述压缩机装置还包括中间冷却器，用于在将压缩机进气输送到所述燃烧室之前冷却该进气。

21、根据权利要求6至20中任一项所述的涡轮增压内燃机，其特征在于，还包括由所述电子控制器控制的起动阀，其能防止排气在发动机起动期间流动通过所述第二排气管，并且其中：

由所述第一排气管供应的离开所述涡轮增压器的排气被输送到所述起动阀上游的所述第二排气管中；并且

在发动机的起动期间操作所述电子控制器，以关闭所述起动阀，并打开和关闭所述排气门装置，使得离开所述燃烧室的压缩气体经由所述第一排气管而被继续输送到连接至该第一排气管的所述第一涡轮增压器，以驱动所述第一涡轮增压器，然后使压缩气体经由所述第二排气管返回至所述燃烧室，以在该燃烧室中再次被压缩。

22、根据权利要求6至20中任一项所述的涡轮增压内燃机，其特征在于，还包括：贮罐；贮罐通道，其从所述燃烧室通向所述贮罐；以及气缸盖贮罐气门装置，用于控制废气从所述燃烧室向所述贮罐的流动，并且还控制所存储废气从所述贮罐向所述燃烧室的流动，从而可将在所述燃烧室中压缩的废气继续输送到所述贮罐以存储在其内，并用于以后返回到所述气缸以在该气缸内膨胀。

23、根据上述权利要求中任一项所述的涡轮增压内燃机，其特征在于，注入装置可在上冲程中足够早地将燃料注入所述燃烧室中，从而使燃料与空气混合以产生均匀的混合物，然后通过均匀的增压压缩点火点燃该混合物，并且其中可选地，所述注入装置可在所述上冲程中稍后注入燃料以在所述燃烧室中压缩点火。

24、根据权利要求23所述的涡轮增压内燃机，其特征在于，在发动机的部分负载运转情况下，所述控制器在活塞的上冲程期间操作以关闭所述排气门装置，从而将废气捕获在所述燃烧室中，被捕获的废气与燃料和空气形成混合物，从而在以均匀的增压压缩点火操作发动机时，起到延迟点燃燃料和空气混合物的作用。

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