CN104879207A - 用于带有停缸特征的内燃机的双级涡轮增压器系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于带有停缸特征的内燃机的双级涡轮增压器系统。一种内燃机包括限定了多个气缸的发动机，该气缸包括全时工作气缸和能够被停缸的气缸。涡轮增压器系统具有与来自全时工作的气缸的排气道连通的高压涡轮增压器和与来自能够被停缸的气缸的排气道连通的低压涡轮增压器。控制阀设置为与来自全时工作的气缸的排气道连通，且可在打开位置运行以允许来自全时工作的气缸的排气与来自能够被停缸的气缸的排气一起通过第二涡轮增压器，且可在关闭位置运行以将来自全时工作的气缸的排气引导通过第一涡轮增压器。

Description

用于带有停缸特征的内燃机的双级涡轮增压器系统

技术领域

本发明涉及用于带有停缸特征的内燃机的双级涡轮增压器系统。

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和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，当发动机装配有单个涡轮增压器时，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]。

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。

当不关心封装和复杂性时，可采用双级涡轮增压器系统，其具有与使用单个涡轮增压器所实现的情况相比更大的灵活性。随着添加另一个涡轮增压器，所谓的高压涡轮增压器可定尺寸为用于停缸运行。

本公开提供了构造为用于带有停缸特征的发动机及其运行模式的增强的双级涡轮增压器系统。

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。涡轮增压器系统具有与来自全时工作的气缸的排气道连通的高压涡轮增压器和与来自能够被停缸的气缸的排气道连通的低压涡轮增压器。控制阀设置为与来自全时工作的气缸的排气道连通，且可在打开位置运行以允许来自全时工作的气缸的排气与来自能够被停缸的气缸的排气一起通过第二涡轮增压器，且可在关闭位置运行以将来自全时工作的气缸的排气引导通过第一涡轮增压器。

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是根据本公开的原理的带有停缸特征的发动机和双级涡轮增压器系统的示意图；

图2是如在图1中所示的带有停缸特征的发动机和双级涡轮增压器系统的示意图，其中气缸被停缸以在低速和低负荷下运行且高压涡轮增压器运行；

图3是如在图1中所示的带有停缸特征的发动机和双级涡轮增压器系统的示意图，其中所有气缸可运行且将排气引导到低压涡轮增压器；

图4是根据本公开的原理的带有停缸特征的发动机和双级涡轮增压器系统的示意图，其中排气歧管是气缸盖的整体部分。

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，且应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，所述活塞布置在各自气缸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送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。对于其他发动机结构，像直列六缸、V6、V8等，合适的停缸的气缸可基于相同的发火次序考虑因素而选择。对于这些发动机构造的每个，合适的排气歧管（多个排气歧管）可构造为实现相同的气缸分组方法。图4图示了类似于发动机组件10的系统的替代的发动机组件10’，其中包括排气支管40、42、44和46的排气歧管以及第一和第二排气道48、50整体形成到气缸盖16内。

双级涡轮增压器系统52包括第一涡轮增压器54和第二涡轮增压器56。第一涡轮增压器54接收来自第一排气道48的排气且第二涡轮增压器56接收来自第二排气道50的排气。第一和第二涡轮增压器54、56的每个包括连接到驱动压缩机60的轴上的涡轮机58。第一和第二涡轮增压器54、56的涡轮机58通过来自第一和第二排气道48、50的排气驱动。通过涡轮机58的排气通过排气系统62被排放。压缩机60与进气系统64连通且将压缩的空气提供到进气歧管34。控制阀66通过控制器26控制，以选择地将来自第一排气道48的排气引导到第二排气道，使得所有排气被引导到第二涡轮增压器56的涡轮机58。废气门68通过控制器控制，以允许来自第一涡轮增压器54的涡轮机58的排气旁通第二涡轮增压器56且直接通向排气系统62。旁通阀70通过控制器26控制以允许来自第二涡轮增压器56的压缩机60的压缩的进气旁通第一涡轮增压器以输送到进气歧管34。放泄阀72与进气系统64连通。来自涡轮增压器54、56的进气通过换热器74以在进气通过节气门76之前冷却进气，该节气门76由控制器26控制。发动机组件10可设置有低压排气再循环（EGR）通道78，所述通道78通过EGR控制阀80控制以将排气从排气系统引导为与来自进气系统64的进气混合。EGR通道78可设置有换热器82以在将再循环的排气引入进气系统64内之前冷却再循环的排气。

当气缸20和22被控制器26停缸时发动机10的运行在图2中图示。在此运行模式中，涡轮机控制阀66、高压压缩机旁通件70和放泄阀72关闭，而废气门68优选地打开以最小化排气背压。来自气缸18和24的排气流可被完全地利用以驱动第一（高压）涡轮增压器54的涡轮机，所述涡轮机又驱动第一涡轮增压器的压缩机60以生成希望的增压。

图3图示了当所有气缸工作时的发动机运行模式。在此运行模式中，涡轮机控制阀66打开，以允许来自气缸18和24的排气流与来自气缸20和22的排气流在进入第二（低压）涡轮增压器56的低压涡轮机58之前汇合。类似于常规的实践，废气门68可被调节以允许涡轮机58驱动低压涡轮增压器的压缩机60以生成希望的增压。高压压缩机旁通件70打开，以允许来自低压涡轮增压器56的压缩机的空气流到达发动机10的进气歧管34。

本公开的发动机10意图于以最小的复杂性，即通过具有单个涡轮机控制阀66，实现希望的功能性。可构思的是可添加可选的控制阀，以完全地隔离两个涡轮机。

EGR系统78已显示有助于减轻在高负荷条件下的燃烧限制，例如对于汽油发动机的预点燃和敲缸，以及对于柴油发动机的NOx和碳烟排放。因为在车辆中发动机在停缸模式中相对于完全发动机模式而言将在较高的单位负荷范围内更频繁地运行，通过具有专用的高压涡轮增压器除空气外允许EGR流的最大流量和增压容量。

控制器26将涡轮增压器旁通阀的运行和发动机的停缸与任何需要的传感器相协调。另外，控制器控制节气门体76，所述节气门体76通过调节进气流量来调节发动机的负荷。如果装配有EGR阀，则控制器也控制EGR阀。

通过双级系统的高压涡轮增压器54专用于具有选择数量的气缸被停缸的发动机运行，涡轮增压器54可定尺寸为生成希望的增压，以扩展在停缸模式中以较高的可利用效率的发动机运行范围，即使带有EGR，因此增强了发动机的效率特征。

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 (5)

1. 一种涡轮增压的内燃发动机，包括：

发动机结构，所述发动机结构包括限定多个气缸的气缸体和安装到气缸体的气缸盖，气缸盖限定与所述多个气缸的每个连通的进气口和排气口；

与进气口的每个连通的进气歧管；

分叉的排气系统，所述排气系统包括连接到多个气缸的至少一个气缸的至少一个排气口的第一排气道和连接到剩下的多个气缸的至少一个气缸的至少一个排气口的第二排气道；

第一涡轮增压器，所述第一涡轮增压器具有与第一排气道连通的第一涡轮机和与进气歧管连通的第一压缩机；

第二涡轮增压器，所述第二涡轮增压器具有与第二排气道连通的第二涡轮机和与进气歧管连通的第二压缩机；

连接在第一排气道和第二排气道之间的控制阀，所述控制阀可控制到打开状态以允许排气从第一排气道通向第二排气道；和

控制器，所述控制器可运行以控制控制阀且使与第二排气道连通的气缸工作或停缸。

2. 根据权利要求1所述的涡轮增压的内燃发动机，进一步包括布置在进气歧管上游的节气门体，其中所述控制器控制节气门体的运行。

3. 根据权利要求1所述的涡轮增压的内燃发动机，其中在所有多个气缸工作的发动机运行期间，控制器打开控制阀以将第一排气道连接到第二排气道，使得所有排气被引导到第二涡轮增压器的第二涡轮机。

4. 根据权利要求1所述的涡轮增压的内燃发动机，其中在低于预先确定的速度和低于预先确定的负荷的发动机运行期间，控制器将能够被停缸的至少一个气缸停缸且将控制阀维持在关闭位置以将第一排气道与第二排气道隔离。

5. 根据权利要求1所述的涡轮增压的内燃发动机，其中第一涡轮增压器的第一涡轮机的出口连接到第二涡轮增压器的第二涡轮机的入口。