专利名称：分离串联顺序涡轮增压发动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及涡轮增压内燃发动机，尤其涉及这样一种发动机，其中涡轮增压器系 统包括与两个低压级串联的单个高压级，这两个低压级彼此并联设置。
背景技术：
对内燃发动机应用涡轮增压的好处是众所周知的。这些好处包括改善的每个单位 发动机排量的最大单位功率、改善的容积效率以及降低的发动机排放。在涡轮增压系 统中利用多级是已知的。在一些汽车应用中， 一个工程的挑战为使系统安装进车辆发 动机舱内的可用封装空间，同时最小化发动机和涡轮增压器部件之间的管道长度。已 经利用多种不同的涡轮增压器部件的物理布局以满足这些设计要求。
发明内容
依照本发明，内燃发动机具有以V形布置的第一汽缸组和第二汽缸组，该V形在 所述两个汽缸组之间形成了谷部。分离串联涡轮增压器系统包括设置在所述谷部内的 高压涡轮增压器、邻近所述第一汽缸组的外侧相对于所述谷部设置的第一低压涡轮增 圧器和邻近所述第二汽缸组的外侧相对于所述谷部设置的第二低压涡轮增压器。排气 系统包括连接所述第一汽缸组与所述高压涡轮增压器的第一高压流动路径、连接所述 第二汽缸组与所述高压涡轮增压器的第二高压流动路径、连接所述高压涡轮增压器与 所述第一低压涡轮增加器的第一低压流动路径、连接所述高压涡轮增压器与所述第二 低压涡轮增压器的第二低压流动路径、连接所述第一汽缸组与所述第一低压涡轮增压 器的第一涡轮旁通流动路径和连接所述第二汽缸组与所述第二低压涡轮增压器的第 二涡轮旁通流动路径。该系统进一步包括排气控制系统，其包括至少一个定位在排气 系统中并响应至少一个发动机工况运转以可变量导引来自第一和第二汽缸组的排气 至第一低压涡轮增压器、第二低压涡轮增压器和高压涡轮增压器中至少一个的阀门。
图l为处于第一工况的发动机和涡轮增压器系统的示意图。 图2为处于第二工况的发动机和涡轮增压器系统的示意图。
图3为发动机和涡轮增压器系统的端视图，其显示了涡轮增压器部件相对于发动 机汽缸体的物理布置。
图4为与图3相似的视图，但为清楚起见切除了进气道和排气道。
具体实施例方式
图l和图2以示意形式显示了依照本发明实施例的发动机和涡轮增压器系统。发 动机包括均可具有任意数目汽缸的左汽缸组和右汽缸组2、 4。分别通过进气歧管6， 8将预燃空气供应至汽缸组并分别通过排气歧管10、 12将燃烧后排气排出汽缸组。 高压涡轮进给道14、 16从排气歧管10、 12延伸至高压涡轮增压器18。如本领域所 知，高压涡轮增压器18包括涡轮部分18a和压缩机部分18b。两个高压涡轮进给道 14、 16显示为在供给入高压涡轮增压器18之前的某点处连接在一起成为单个涡轮进 气道20,然而两个高压涡轮进给道可分别供给入高压涡轮增压器18。高压涡轮进给 道14、 16和涡轮进气道20作用为连接汽缸组2、 4和高压涡轮增压器18的第一和第 二高压流动路径。
低压道22从高压涡轮增压器18延伸并分叉成为左低压道22a和右低压道22b。 左低压道22a和右低压道22b分别延伸至左低压涡轮增压器24和右低压涡轮增压器 26。低压道22、 22a和22b组成低压流动路径。如本领域所知，低压涡轮增压器24、 26分别包括涡轮部分24a、 26a以及压缩机部分24b、 26b。排气管28、 30分别从低 压涡轮增压器24、 26延伸并可包括排气后处理装置32例如催化转化器或柴油氧化催 化剂。
左空气进气管38和右空气进气管40分别连接低压压缩机部分24b、 26b。左低 压进气道42和右低压进气道44在低压压缩机部分24b、 26b和高压压缩机部分18b 之间延伸。两个低压进气道42、 44显示为在供给入高压压缩机部分18b之前的某点 处连接在一起成为单个压缩机进气道46,然而如果需要两个进气道可分别供给至高 压压縮机部分。
增压空气冷却器进气道48从高压压縮机部分18b的出口侧延伸至增压空气冷却 器50。如在涡轮增压领域中已知，增压空气冷却器50优选为空气-空气热交换器或 液体-空气热交换器。压缩机旁通道34从压缩机进气道46延伸至增压空气冷却器进 气道48。旁通阀36合并入压缩机旁通道34。至少一个增压空气冷却器出气道64从 增压空气冷却器50延伸并供给入进气歧管6、 8中。进气歧管6、 8从增压空气冷却 器50延伸至汽缸组2、 4。在一些车辆应用中， 一个或多个节气门体(未显示)可定 位在增压空气冷却器50和进气歧管6、 8之间。
左涡轮旁通道52在左排气歧管10和左低压涡轮部分24a之间延伸。左涡轮旁通 阀54合并入左涡轮旁通道52。旁通道52和旁通阀54构成连接排气歧管10和低压 涡轮增压器24的涡轮旁通流动路径。在图1和图2中，左涡轮旁通阀54被描绘为位 于排气歧管10与左高压涡轮进给道14之间的接合点的下游。然而，应该明白的是左 祸轮旁通阀54可能直接位于接合点处或在该接合点下游沿左涡轮旁通道52的任一点 处。类似地，右涡轮旁通道56在右排气歧管12和右低压涡轮部分26a之间延伸。右 涡轮旁通阀58合并入右涡轮旁通道56。旁通道56和旁通阀58构成连接排气歧管12 和低压涡轮增压器26的涡轮旁通流动路径。
如图1和图2中所示意性显示，动力传动系统控制模块(PCM) 62与和高压涡轮 增压器18,低压涡轮增压器24、 26以及旁通阀36、 54、 58相关的传感器和/或控制 驱动器电连接。如内燃发动机控制领域中所知，PCM 62为基于微处理器的装置并且 也与多个位于发动机和/或其他动力传动系统部件和/或车辆操作控制内或上的传感 器(70和72处指示了他们的例子)连接，这样PCM 62接收指示动力传动系统的工 况和/或车辆驾驶员的指令的输入信号。响应这些输入信号并根据编程的控制逻辑， PCM 62确定所需增压量以实现所需的发动机工况并控制高压涡轮增压器18,低压涡 轮增压器24、 26和旁通闽36、 54、 58以便于实现所述增压量。涡轮旁通阀54、 58
一起构成排气控制系统。
如图3和图4中所见，如本领域所知，汽缸组2、 4 一起形成发动机汽缸体70, 其具有V形结构并且其在汽缸组之间形成总体上V形谷部60。高压涡轮增压器18在 谷部60的底部定位得尽可能深，这样其在汽缸组2、4的上端之上伸出很少一部分(即 使伸出的话)。同样在本发明描述的实施例中，低压涡轮增压器24、 26紧邻于各自汽 缸组2, 4的外侧定位。涡轮增压器系统的这种结构非常节省空间，导致了紧凑的发 动机/涡轮单元。
涡轮增压器系统的运转
图1和图2中描述的发动机/涡轮增压器结构通过控制引导向高压涡轮增压器18 和低压涡轮增压器24、 26的发动机排气量允许发动机在大范围的发动机转速和负载 状况下有效率地运转。例如，在相对低的发动机旋转速度下，其总体上需要利用高压 涡轮增压器18和低压涡轮增压器24、 26 —起串联以实现所需的增压水准。图1显示 了该种工况。然而，在相对高的发动机旋转速度下，仅使用或主要使用低压涡轮增压 器24、 26而大部分的排气绕过高压涡轮增压器18总体上更加有利。图2中显示了这 种工况。
图1显示了处于第一可能工况下的本发明描述的实施例，其中高压压缩机旁通阀 36和涡轮旁通阀54、 58有效地关闭。因为左涡轮旁通阀54和右涡轮旁通阀58关闭， 基本上所有经由排气歧管10、 12离开汽缸组的排气被引导穿过高压涡轮进给道H、 16和涡轮进气道20流至高压涡轮部分18a，在该处排气的一部分动能由涡轮部分吸 取。在通过高压涡轮部分18a后，排气进入低压道22并且随后分流以穿过左低压道 22a和右低压道22b到达低压涡轮增压器24、 26。留在排气中的 一部分动能由低压涡 轮部分24a、 26a吸取。如果需要，通过低压道22a、 22b的一部分排气可在穿过低压 涡轮24a、 26a之前穿过废气门(未显示)排出。废气门运转由PCM 62以涡轮增压领 域中所熟知的方式控制。在离开低压涡轮部分24a、 26a之后，排气穿过排气管28、30并随后可穿过一个或多个后处理装置32。
在图1的运转模式中，进气穿过进气管38、40进入系统并流过低压压缩机级24b、 26b,在该处其被压缩。随后压缩空气穿过低压进气道42、 44行进至压缩机进气道 46中。由于高压压缩机旁通阀36为关闭，基本上所有的进气都流进高压压缩机部分 18b,在该处其被进一步压缩。在一些发动机工况下，可能需要高压压缩机旁通阀36 部分开启以使得一小部分的进气不通过高压压縮机部分18b。离开高压压缩机部分 18b的压缩进气随后穿过进气道48并进入增压空气冷却器50,如本领域所知，压缩 进气在通过增压空气冷却器出气道64和进气歧管6、 8供应至汽缸组2、 4之前在该 处被冷却。
图2显示了处于第二可能工况下的本发明描述的实施例，其中高压压缩机旁通阔 36和涡轮旁通阀54、 58有效地完全开启。在图2中，进气和排气沿着的流动路径显 示为粗线，而被绕过的流动路径部分显示为细线。因为左涡轮旁通阀54和右涡轮旁 通阀58为开启，基本上所有经由排气歧管10、 12离开汽缸组2、 4的排气直接穿过 旁通道52、 56流至低压涡轮部分24a、 26a。即大部分的排气不流过高压涡轮进给管 14、 16而是绕过高压涡轮部分18a。在离开低压涡轮部分24a、 26a之后，排气通过 排气管28、 30并随后可在排出车辆之前穿过一个或多个后处理装置32。
在图2的运转模式中，进气通过进气管38、40进入系统并流过低压压缩机级24b、 26b，在该处其被压缩。随后压缩空气穿过低压进气道42、 44行进至压缩机进气道 46中。由于高压压缩机旁通阀36为开启，相当一部分的进气绕过高压压缩机部分18b 而流过压缩机旁通道34。进气随后穿过增压空气冷却器50,如本领域所知，进气在 穿过进气歧管6、 8供应至汽缸组之前在该处被冷却。
应该明白的是在本文描述的本发明实施例中，PCM 62可独立地控制旁通阀36、 54、 58和涡轮废气门中的任意一些和全部至完全打开和完全关闭之间位置范围的任 一处，PCM 62控制这些阀门位置以实现所需发动机工况所需要的变化比例将排气引 导至高压涡轮增压器18和低压涡轮增压器24、 26。这些阀门位置由PCM 62基于从 多个传感器接收的信号和PCM的编程的控制逻辑控制并且可在车辆运转期间被连续 改变。
尽管已经描述了实施本发明的最佳实施例子，本领域技术人员应了解的是多种可 替代设计和实施例可用于实施由权利要求所界定的本发明。
权利要求
1.一种具有以在第一汽缸组和第二汽缸组之间形成谷部的V形布置的第一汽缸组和第二汽缸组以及涡轮增压器系统的内燃发动机，所述涡轮增压器系统包括布置在所述谷部内的高压涡轮增压器；邻近所述第一汽缸组的外侧相对于所述谷部设置的第一低压涡轮增压器；邻近所述第二汽缸组的外侧相对于所述谷部设置的第二低压涡轮增压器；包括连接所述第一汽缸组与所述高压涡轮增压器的第一高压流动路径、连接所述第二汽缸组与所述高压涡轮增压器的第二高压流动路径、连接所述高压涡轮增压器与所述第一低压涡轮增加器的第一低压流动路径、连接所述高压涡轮增压器与所述第二低压涡轮增压器的第二低压流动路径、连接所述第一汽缸组与所述第一低压涡轮增压器并包括第一涡轮旁通阀的第一涡轮旁通流动路径和连接所述第二汽缸组与所述第二低压涡轮增压器并包括第二涡轮旁通阀的第二涡轮旁通流动路径的排气系统；包括连接所述第一低压涡轮增压器与所述高压涡轮增压器的第一进气流动路径、连接所述第二低压涡轮增压器与所述高压涡轮增压器的第二进气流动路径和包括压缩机旁通阀的压缩机旁通流动路径的进气系统；以及可运转以响应至少一个发动机工况控制所述第一涡轮旁通阀、所述第二涡轮旁通阀和所述压缩机旁通阀中至少一个的位置的控制器。
2. 依照权利要求l所述的发动机，其特征在于所述第一涡轮旁通阀具有关闭位 置和开启位置，在所述关闭位置中所述第一涡轮旁通流动路径被阻挡，来自所述第一 汽缸组的排气流被引导穿过所述第一高压流动路径，在所述开启位置中至少一部分来 自所述第一汽缸组的所述排气流被引导穿过所述第一涡轮旁通流动路径。
3. 依照权利要求l所述的发动机，其特征在于所述第二涡轮旁通阀具有关闭位 置和开启位置，在所述关闭位置中所述第二涡轮旁通流动路径被阻挡，来自所述第二 汽缸组的排气流被引导穿过所述第二高压流动路径，在所述开启位置中至少一部分来 自所述第二汽缸组的所述排气流被引导穿过所述第二涡轮旁通流动路径。
4. 依照权利要求l所述的发动机，其特征在于所述至少一个发动机工况为发动 机旋转速度。
5. 依照权利要求l所述的发动机，其特征在于所述第一高压流动路径和所述第 二高压流动路径在进给入所述高压涡轮增压器之前的某点处会聚成共用压缩机进气 道。
6. 依照权利要求l所述的发动机，其特征在于所述控制器包括动力传动系统控制模块。
7. 依照权利要求l所述的发动机，其特征在于所述动力传动系统控制模块与至 少一个传感器电连通并从其接收输入信号。
8. 依照权利要求1所述的发动机，其特征在于进一步包括可运转以在进气已 经通过至少一个所述涡轮增压器之后冷却所述进气的增压空气冷却器。
全文摘要
本发明涉及分离串联顺序涡轮增压发动机，公开了一种具有形成V形汽缸体的两个汽缸组和涡轮增压器系统的内燃发动机，其中涡轮增压器系统包括布置在汽缸组之间的谷部内的高压涡轮增压器、邻近一个汽缸组的外侧布置的第一低压涡轮增压器和邻近第二汽缸组的外侧布置的第二低压涡轮增压器。进气道和排气道连接发动机和涡轮增压器系统的部件并且与这些进气道和排气道相关联的电控阀允许系统运转在分离串联模式或仅低压模式。
文档编号F02B37/00GK101493028SQ200910003649
公开日2009年7月29日 申请日期2009年1月13日 优先权日2008年1月22日
发明者丹尼尔·约瑟夫·斯泰尔斯, 克里斯托弗·伯纳德·特朗贝塔, 诺伯特·安德里亚斯·肖恩, 迈克尔·利昂·布里格斯 申请人:福特环球技术公司