一种具有两个可停用汽缸的四缸发动的制造方法

一种具有两个可停用汽缸的四缸发动的制造方法
【专利摘要】本发明涉及直列式四缸行程活塞式发动机(5)，其中四个汽缸(11、12、13)和(14)中的两个汽缸(13、14)可以被选择性地停用以便改善燃料消耗或者以便支持发动机加热过程。发动机(5)具有带有四个曲柄(11T、12T、13T、14T)的平面曲轴(40)。用于两个相邻汽缸(11、12)的曲柄(11T、12T)同相，而用于其他汽缸(13、14)的曲柄(13T、14T)异相180°。停用汽缸(13、14)，其中供应至汽缸(13、14)的燃料被中断。
【专利说明】—种具有两个可停用汽缸的四缸发动机

【技术领域】
[0001]本发明涉及一种内燃发动机，并且尤其涉及一种四缸直列活塞式发动机，其中能够停用两个汽缸以便改善燃料消耗。

【背景技术】
[0002]众所周知，发动机常常在远低于能够产生的动力输出水平下运转。这种部分负载运转常常导致发动机在远低于发动机能够实现的热效率水平下运转，从而损害了燃料效率。
[0003]因此，需要使可从发动机获得的动力更好地适应于施加在发动机上的负荷，从而使发动机始终尽可能地非常接近其最大运转效率运转。本发明的发明人已经认识到，如果发动机运转在部分负载下通过选择性地停用四缸发动机的两个汽缸能够更好地实现这样适应。
[0004]如果为了减少发动机的排放而将排气处理装置(例如，催化转化器、NOx捕集器或碳烟捕集器)耦接至发动机，那么通常就需要将排气处理装置加热至能使其充分有效来执行其指定功能的温度之上，这种温度通常称为“启动温度”。然而，与发动机在满负载运转的情况下产生的排气温度相比，发动机在低负载或部分负载(其中所有汽缸都正在运转)的情况下的排气温度相对较低。本发明的发明人因此已经认识到，选择性的汽缸停用的另一优点在于，通过停用两个汽缸中的一个能够增加其余工作汽缸的排气温度，从而减少任何排气处理装置需要在从冷态启动后实现其各自启动温度的时间。


【发明内容】

[0005]本发明的目标是提供一种具有改善的燃料效率的四缸发动机。
[0006]根据本发明的第一方面，提供了一种四缸直列往复活塞式内燃发动机，其中外汽缸和相邻的内汽缸运转(一起被称为主汽缸)，而与其串联的另外两个相邻汽缸可停用地运转(副汽缸)。汽缸中的每一个都容纳各自的活塞使得活塞能够滑动，活塞被各自的连杆可运转地连接到各自的具有四个曲柄的曲轴的曲柄。
[0007]根据本发明的第二方面，显著减小排气歧管的体积。排气系统中的动态波过程或压力波动是多缸内燃发动机的热力学偏移的工作汽缸在气体交换期间相互影响的原因，并且尤其还可以彼此损害。可以导致更差的扭矩特性或减小的动力范围。如果各个汽缸的排气管相互分开地行进更长的距离，则可以抵消汽缸在气体交换期间的相互影响。
[0008]然而，后者引起涡轮增压器的退化的响应特性。燃烧气体在气体交换期间自内燃发动机的汽缸的排出本质上基于两种不同机制。如果在气体交换开始的时候排气门靠近下止点打开，由于接近汽缸中的燃烧结束时发生的高压以及相关的燃烧室与排气管道之间的高压差，燃烧气体以高速流过出气口进入排气系统。所述压力驱动的流动过程伴有高压峰值，其也被称为排气前的震动，并沿排气管以声速传播，其中随着距离的增加并且取决于由于摩擦而导致的管道路由选择，压力几乎猛烈地下降(即减小)。
[0009]另外，在气体交换的过程中，汽缸中的压力与排气管中的压力基本相等，因此由于活塞的往复运转而在很大程度上排出燃烧气体。
[0010]取决于排气排放系统的具体实施例，自汽缸传出的压力波不仅经过所述汽缸的至少一个排气管，而且还经过其他汽缸的排气管，并且甚至可能向上到达在各个管的末端处提供的打开的排气开口。
[0011]在气体交换期间，已经被排入或被引入排气管的排气因此能够再次进入汽缸，并且由于自另一汽缸传出的压力波甚至还有其他可能。
[0012]为了避免各个汽缸的排气管相互分开地行进更长的距离，四个汽缸的排气管被合并以形成排气歧管。汽缸的排气管由此被分级合并，并且甚至以如下方式进行合并，即在每个实例中，夕卜汽缸的至少一个排气管和相邻内汽缸的至少一个排气管被合并以形成部分排气管，以及以此方式形成的两组汽缸的部分排气管被合并以形成总排气管。通过这种措施，可以减小所有排气管的总距离和排气管的体积。此外，具有针对各组汽缸优化的增压的空气供给的涡轮增压器可以被布置为用于各组汽缸中的每一个。可以通过利用两个相互并联布置的具有合适的小涡轮横截面的涡轮增压器来改善涡轮增压器的响应特性。如果多组汽缸包含不同的排量，这是特别有利的。优选地，涡轮包含可变几何形状，因此不管是低与高旋转速率还是低与高负荷，涡轮几何形状的调节都能够发生。
[0013]排气管由此可以被部分地或全部地被集成在至少一个汽缸盖内。排气管或部分排气管有时在一起被称为排气歧管。
[0014]之前描述的涉及汽缸在气体交换期间的相互影响的问题与内燃发动机的结构设计具有增加的相关性，因为在设计排气歧管时，会注意到趋于短排气管的趋势。
[0015]由于多个原因，因此有利的是，从各自的排气开口开始一直到排气歧管中的聚集点(其中排气管在聚集点处被合并为共用的总排气管，并且汽缸的热排气在聚集点处聚集)尽可能短地实施汽缸的排气管，例如以便基本上将排气歧管集成在至少一个汽缸盖内，并且以便尽可能在汽缸盖内进行排气管到总排气管的合并。
[0016]一方面，这导致内燃发动机的更紧凑的结构和发动机舱中的整个驱动单元的更密集的封装。另一方面，在制造与组装以及重量减小(特别是通过汽缸盖内排气歧管的充分集成)期间，出现成本优势。
[0017]此外，短排气管可以对被提供在汽缸下游的排气处理系统的布置与运转具有有利影响。热排气到排气处理系统的路径应当尽可能短，使得几乎没有给排气冷却的时间，并且排气处理系统尽可能快地达到其工作温度或启动温度，尤其是在内燃发动机的冷启动之后。
[0018]在这方面，正在努力最小化汽缸处的排气开口与排气处理系统之间的排气管的区段的热惯性，这可以通过减小所述区段的质量和长度(即通过缩短相应的排气管)来实现。
[0019]在通过排气涡轮增压器增压的内燃发动机的情况下，目的是尽可能靠近排气(即尽可能靠近汽缸的排气开口)布置涡轮，以便以此方式能够最佳地利用由排气压力和排气温度大体确定的热排气的排气焓，并且以便保证涡轮增压器的快速响应特性。由此还应当最小化汽缸的排气开口与涡轮之间的管系统的热惯性和体积，由于此原因，进而所述管系统的管的缩短(例如通过排气歧管在汽缸盖内的至少部分集成)是有目的的。
[0020]排气歧管越来越经常地被集成在汽缸盖内，以便参与提供在汽缸盖中的冷却，并且以便不必由成本高昂的耐高热材料制成。
[0021]如上所述，例如通过在汽缸盖中的集成来缩短排气歧管的排气管具有多种优势，而且此外，所有排气管的总距离的缩短还会导致各个排气管的缩短，因为这些已经在排气开口下游被立即合并，从而激化了汽缸在气体交换期间的相互干涉问题。
[0022]例如，在其汽缸以点火顺序1-3-4 - 2运转的四缸直列式发动机的情况下，短排气管还会导致在气体交换期间第四汽缸不利地影响在点火顺序方面先于它的第三汽缸(即之前被点火的汽缸)，并且导致自第四汽缸排出的排气在第三汽缸排气门关闭之前进入第三汽缸。
[0023]在上述背景下，根据本发明的第三方面，使用曲轴，通过曲轴，一组汽缸中的汽缸完全相同地机械运行，即在相同的时间点经过上止点(TDC)和下止点(BDC)。为了这个目的，两个汽缸的相关联的曲柄可以不包含围绕曲轴的纵向轴线在周向方向上的偏移。那么通过点火顺序来实现360° Kff的热力学偏移。
[0024]为了实现关于所有四个汽缸的各自的180° KW的点火分开，一组汽缸的曲柄相对于另一组汽缸的曲柄在周向方向上旋转(即偏移)180°。角度在质量平衡方面优选是180°，而且可以很容易地在例如175°与185°之间。
[0025]根据本发明的内燃发动机是具有带有短排气管的紧凑排气歧管并且同时消除汽缸在气体交换期间的相互干涉问题的内燃发动机。
[0026]根据本发明的内燃发动机还可以包含分配在两组汽缸上的两个汽缸盖(例如，如果布置八个汽缸)。两个汽缸盖中的排气管的根据本发明的合并还可以被用来改善气体交换和用来改善扭矩的范围。
[0027]汽缸组(主汽缸或副汽缸)的排气管由此优选在汽缸盖内被合并为各自的部分排气管。那么排气歧管是模块化结构，并且包含被集成在汽缸盖内的歧管区段，即两个部分排气歧管和外部歧管或歧管区段。
[0028]主汽缸的部分排气管的排气流保持与副汽缸的部分排气管的排气流分开至少直至离开汽缸盖为止，因此排气系统以两个排气开口的形式离开汽缸盖。部分排气管在汽缸盖下游被合并为总排气管，并且因此只能在汽缸盖外部。这可以在排气处理或排气涡轮增压的上游或下游发生。
[0029]副汽缸尤其可以被停用，以便增加自发动机排出的气体、流过发动机的润滑油和/或流过发动机的冷却液的温度。
[0030]可以通过流量控制阀(例如，具有膨胀元件的恒温器)来调节冷却液向主汽缸的供应，其中可以在停用期间通过另一流量控制阀来调整冷却液向副汽缸的供应。
[0031]可以通过另一流量控制阀来调整(尤其是切断)冷却液向停用的副汽缸的供应，以适应于发动机和排气处理装置的工况。
[0032]曲轴每旋转一次，做功行程就会在两个主汽缸中的一个中发生，并且副汽缸的做功行程可以与主汽缸的做功行程异相。
[0033]副汽缸的停用可以包括切断到副汽缸的燃料馈送。
[0034]副汽缸可以包含至少一个进气门和至少一个排气门，并且副汽缸的停用可以包括使所有进气门和所有排气门保持在其各自的关闭位置。
[0035]可以基于发动机扭矩需求与发动机扭矩需求限制的比较停用副汽缸。
[0036]可以基于发动机扭矩需求的变化速率与发动机扭矩需求的变化速率限制的比较停用副汽缸。
[0037]根据本发明的另一方面，提供了一种发动机系统，其包含以下:根据本发明的第一方面制造的四缸发动机、确定要求的发动机扭矩的输入和可以被运转为接收经确定的要求的发动机扭矩的电子控制器，其中电子控制器可以被运转以便基于至少经确定的要求的发动机扭矩，确定是否应当使用所有四个汽缸运转发动机，或确定是否停用副汽缸以便仅使用两个主汽缸运转发动机。
[0038]可以通过速度控制系统产生经确定的要求的发动机扭矩的输入。
[0039]发动机系统还可以包含以下:可以被发动机的操作者运转的油门踏板和用于监测油门踏板的位置并提供表示要求的发动机扭矩的输入的油门踏板位置传感器，并且电子控制器可以被运转为接收来自油门踏板位置传感器的输入，以及至少基于自油门踏板位置传感器接收的输入确定是否应当使用所有四个汽缸运转发动机，或确定是否应当停用副汽缸以便仅使用两个主汽缸运转发动机。
[0040]如果要求的发动机扭矩超过第一预定的扭矩需求限制，发动机可以是使用所有四个汽缸运转，而如果要求的扭矩低于第一预定的扭矩需求限制，发动机可以作为双缸发动机运转，其中副汽缸被停用。
[0041]发动机系统还可以包含以下:用于向电子控制器提供输入的、指示与发动机有关的温度的温度指示器装置，并且如果与发动机有关的温度低于预定的温度限制，电子控制器可以被运转为停用副汽缸。
[0042]发动机系统还可以包含排气处理装置，与发动机有关的温度可以是排气温度，温度指示器装置则是用于向电子控制器提供输入的、指示进入排气处理装置的排气的温度的排气温度传感器，并且预定的温度限制则是排气处理装置需要的的工作温度。在此实例中，词语“温度指示器装置”是指通过使用传感器的直接温度测量或通过使用推测温度的温度确定。
[0043]可替代地，与发动机有关的温度可以是循环通过发动机的冷却液的温度，温度传感器可以是用于向电子控制器提供输入的、指示冷却液温度的冷却液温度传感器，并且预定的温度限制可以是冷却液需要的工作温度。
[0044]与发动机有关的温度可以是流过主汽缸的冷却液的温度。温度指示器装置则是用于向电子控制器提供输入的、指示流过主汽缸的冷却液的冷却液温度的温度传感器，并且预定的温度限制可以是流过主汽缸的冷却液必要的工作温度。
[0045]与发动机有关的温度可以是流过副汽缸的冷却液的温度。温度指示器装置则是用于向电子控制器提供输入的、指示流过副汽缸的冷却液的冷却液温度的温度传感器，并且预定的温度限制可以是流过副汽缸的冷却液必要的工作温度。
[0046]可替代地，与发动机有关的温度可以是循环通过发动机的机油的温度，温度指示器装置是用于向电子控制器提供输入的、指示机油温度的机油温度传感器，并且预定的温度限制是机油必要的工作温度。
[0047]根据本发明的另一方面，提供了一种用于使根据本发明的第一方面制造的发动机运转的方法，其中该方法包含以下:确定副汽缸是否可以被停用，并且如果副汽缸可以被停用，则终止到副汽缸的燃料馈送，以便停用它们。
[0048]如果通过使发动机仅以两个汽缸运转可以实现发动机所需求的扭矩输出，则可以停用发动机的副汽缸。
[0049]如果发动机扭矩需求超过预定限制，则可以使发动机使用四个汽缸运转。
[0050]副汽缸可以包括至少一个进气门和至少一个排气门，并且该方法还可以包括通过使所有进气门和所有排气门保持在其各自的关闭位置来停用副汽缸。

【专利附图】

【附图说明】
[0051]现在参照附图以示例的方式描述本发明。在附图中:
[0052]图1示出了根据本发明的第二方面示出发动机系统的方框图；
[0053]图1a示出了汽缸盖冷却套和汽缸体冷却套的示意图；
[0054]图1b示出了曲轴曲柄的示意图；
[0055]图2示出了根据本发明的第一方面的通过四缸直列式发动机的截面示意图；
[0056]图3示出了两个排气涡轮增压器在发动机上的布置的平面示意图；
[0057]图4示出了根据本发明的第三方面的用于运转发动机的方法的第一个实施例的流程图；
[0058]图5A和5B示出了根据本发明的第三方面的用于运转发动机的方法的第二个实施例的流程图；以及
[0059]图6A和6B示出了用于图1到图3所示的发动机的可替代正时图。

【具体实施方式】
[0060]具体参照图1至图3，示出了具有发动机系统I的机动车辆50，发动机系统I包含四行程、四缸、往复活塞式内燃发动机5、用于发动机5的排气处理装置20、电子控制器30、以油门踏板16和相关联的油门踏板位置传感器32形式的操作者需求输入装置。
[0061]电子控制器30可以包含多个相互连接的电子控制器、控制单元或电子处理器，而为了说明目的仅被示为单个单元。
[0062]发动机系统I还包括用来提供指示进入排气处理装置20的排气的温度的输出的排气温度传感器33、电子控制的燃料喷射单元10、电子控制的可变气门运转机构14以及与发动机5的飞轮9上的齿圈相关联的发动机旋转速率传感器31。用于测量发动机旋转速率的其他装置可以被使用，并且本发明并不限于使用齿圈和发动机旋转速率传感器。
[0063]为了维持设定的车辆速度，发动机系统I还可以包括速度控制系统(未显示)以便为电子控制器30提供必需的发动机扭矩需求的输入。用于速度控制系统的逻辑可以被设计为电子控制器30的一部分或可以是一个单独的单元。
[0064]发动机5包含串联地布置的四个汽缸11、12、13和14，其中有两个主汽缸11、12和两个副汽缸13、14。优选地，主和副汽缸具有大致相同的排量。可替代地，主和副汽缸具有不同的排量。具体地，主汽缸的排量可以大于副汽缸的排量。
[0065]当发动机5运转时，主汽缸11、12始终都运转，而副汽缸13、14可以如在下文中详细地描述的那样被选择性地停用。可替代地，结合改变的点火控制，汽缸13、14可以作为主汽缸运转，而汽缸11、12可以作为副汽缸运转。通过所述可替代布置(不同于图1中的示意图所示的)，连续运转的主汽缸13、14被有利地布置为靠近飞轮。这更适于质量平衡，尤其是在主汽缸的排量大于副汽缸的排量的情况下。结合排气处理装置20靠近发动机的飞轮侧的布置，因此导致主汽缸与排气处理装置20之间的特别短的距离。此外，通过所述实施方式，降低了排气进入大气(箭头“E”)的流动阻力。
[0066]冷却液泵2通过冷却液分配管路3提供汽缸11、12，13、14中以及汽缸盖(未示出)中的冷却液循环。冷却液分配管路3可以在汽缸体和/或汽缸盖中进行。流量控制阀4a以调节方式实现冷却液到冷却液分配管路3内的进入。另一可控流量控制阀4b被布置在冷却液分配管路3中，用于冷却副汽缸13、14。所述阀中的一个被实施为具有膨胀元件的恒温器。通过电子控制器30，利用发送到电子控制的可变气门运转机构的命令，所述阀可以改变通过汽缸的冷却液的流量。如果副汽缸13、14被停用，则通过流量控制阀4b减少或例如偶尔可代替地中断它们的冷却。由此阻止所停用汽缸的冷却，或副汽缸的温度被保持在有利于连续润滑的温度范围内。由此也降低了燃料消耗。例如，在此期间通过温度传感器4c(温度指示器装置)来确定副汽缸的温度。在此实例中，词语“温度指示器装置”是指通过利用传感器(4c)的直接温度测量或通过利用例如从负荷需求与发动机旋转速率的特性场推测的温度来确定温度。在示例性实施例中，冷却液分配管路3被基本集成在发动机内。可替代地，冷却液分配管路3可以被部分地布置在发动机外部。
[0067]排气歧管6将离开发动机5的排气引导至排气管道7并引导至排气处理装置20，而尾管8将排气从排气处理装置20引导至大气，如箭头“E”所示。排气管6 (排气歧管)优选由两个相互分开的区段(部分排气管)6a、6b组成。区段6a中聚集的来自主汽缸11、12的排气由此流向排气管道7。区段6b中聚集的来自副汽缸13、14排气流向排气管道7。汽缸的排气管由此被分级合并。
[0068]排气处理装置20可以是适于减少发动机5的排放的任何已知类型，并且不只一种类型的排气处理装置可以被串联地连接到排气管道7。例如但不限于，催化转化器、碳烟和NOx捕集器或NOx催化转化器可以被串联地布置。此外，一个或更多个用于减少尾管8中的排气噪声的装置可以安装在(一个或多个)排气处理装置之后。
[0069]排气温度传感器33可以直接附接到排气处理装置20的入口端，或可以被布置在排气处理装置20之前，以便在靠近排气处理装置20入口的位置处测量流过排气管道7的排气的温度。应理解，温度可以根据其他运转参数进行推测，而非使用温度传感器进行直接测量。
[0070]油门踏板16的位置通过油门踏板位置传感器32来进行检测，而传感器32的输出作为输入提供给电子控制器30，在电子控制器30中处理该输入以提供操作者的发动机扭矩需求的指示。
[0071]发动机旋转速率传感器31的输出被电子控制器30用作当前发动机旋转速率的指
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[0072]如图1a所示，冷却液从水泵2 (未示出)到发动机5的输送通过汽缸体冷却套52中的冷却液分配管路3到主汽缸11、12的馈送道40而发生。馈送道40通过流量控制阀4a中的管道41被连接到通向汽缸盖冷却套51的管道42。在附图中，仅提及了一个管道42,但冷却液的馈送可以通过多个管道而发生。流量控制阀4a调节从水泵2进入汽缸盖冷却套51并且经由管道47到达汽缸体冷却套的冷却液的流量。可替代地，流量控制阀4a可以全部地或部分地调节从水泵2经由冷却液分配管路3到达汽缸体冷却套52并且经由管道47到达汽缸盖冷却套51的冷却液的流量。汽缸盖冷却套51包住排气歧管区段6a。区段6a中聚集的来自主汽缸11、12的排气由此流过排气开口 53到达排气管道7。
[0073]此外，冷却液从水泵2 (未示出)到发动机5的馈送通过在副汽缸13、14的汽缸体冷却套52’中的冷却液分配管路3的馈送道40而发生。馈送道40通过流量控制阀4b中的管道41’被连接到通向汽缸盖冷却套51’的管道42’。在附图中，仅示出了一个管道42’，但冷却液的馈送可以经由多个管道而发生。流量控制阀4b调节从水泵2进入汽缸盖冷却套51’并且经由管道47’到达汽缸体冷却套的冷却液的流量。
[0074]可替代地，流量控制阀4b可以全部地或部分地调节从水泵2经由冷却液分配管路3到达汽缸体冷却套52’并且经由管道47’到达汽缸盖冷却套51’的冷却液的流量40。汽缸盖冷却套51’包住排气歧管区段6b。
[0075]区段6b中聚集的来自副汽缸13、14的排气流过排气开口 53’到达排气管道7。排气开口被近似水平地彼此相邻的布置在安装位置。这能实现发动机的紧凑结构。
[0076]在图1a中，流量控制阀4a、4b被示为集成在汽缸体冷却套51、51’内。可替代地，流量控制阀4a、4b可以被布置在汽缸体上的壳体中，或被布置在形成汽缸体冷却套52、52’的汽缸体上或汽缸盖上的共用壳体中。冷却液分配管路3由此也可以被布置在发动机的外部，以便将冷却液泵2连接到流量控制阀。
[0077]优选地，流量控制阀4a是具有膨胀元件的恒温器。
[0078]现在特别参照图2，第一主汽缸11支撑活塞llp，使得活塞Ilp能够滑动，该活塞被连杆Ilc连接到四曲柄平面曲轴40的第一曲柄11T。连杆Ilc通过小端轴承lie和活塞销Ilg被可旋转地连接到活塞llp，并且通过大端轴承IlD被可旋转地连接到曲轴40的第一曲柄(端轴承)ιιτ。
[0079]第二主汽缸12支撑活塞12ρ，使得活塞12ρ能够滑动，该活塞被连杆12c连接到四曲柄平面曲轴40的第三曲柄12T。连杆12c通过小端轴承12e和活塞销12g被可旋转地连接到活塞12p，并且通过大端轴承12D被可旋转地连接到曲轴40的第一曲柄(曲柄销)12T。
[0080]第一副汽缸13支撑活塞13p，使得活塞13p能够滑动，该活塞被连杆13c连接到四曲柄平面曲轴40的第二曲柄13T。连杆13c通过小端轴承13e和活塞销13g被可旋转地连接到活塞13p，并且通过大端轴承13D被可旋转地连接到曲轴40的第一曲柄(曲柄销)13T。
[0081]第二副汽缸14支撑活塞14p，使得活塞14p能够滑动，该活塞被连杆14c连接到四曲柄平面曲轴40的第二曲柄14T。连杆14c通过小端轴承14e和活塞销14g被可旋转地连接到活塞14p，并且通过大端轴承14D被可旋转地连接到曲轴40的第一曲柄(曲柄销)14T。
[0082]副汽缸13、14被布置为与主汽缸11、12相邻地串联。副汽缸13、14具有与两个主汽缸11、12相同的容量，或者可以由于不同孔径或不同行程或其组合而具有不同的容量，但在所描述的示例中，所有四个汽缸11、12、13和14都具有相同的容量，并且孔径和行程对于所有四个汽缸11、12、13和14都是相同的。
[0083]汽缸11、12、13和14中的每一个均包含各自的进气门和排气门IlaUlb ;12a、12b ; 13a、13b ; 14a、14b，但应理解，实际上，进气门和排气门的数量可以是不同的，例如，两个进气门和两个排气门或三个进气门和两个排气门。
[0084]副汽缸13、14包含与主汽缸11、12不同数量的进气门和排气门也是可能的。
[0085]在所示的示例性实施例中，通过电子控制的可变气门运转机构15操作使进气门和排气门运转，因此气门IlaUlb ;12a、12b ;13a、13b ;14a、14b的打开与关闭可以被控制，并且可以被具体地控制以便停用副汽缸13、14的进气门和排气门13a、13b、14a、14b，使得进气门和排气门13a、13b、14a、14b在副汽缸13、14被停用的情况下保持关闭。
[0086]曲轴40可以围绕中心轴线42旋转，并在这种情况下由五个主轴承43支撑。如在图2中可以最佳地看出的，用于两个主汽缸11、12的曲柄11T、12T被彼此同相地布置，而用于副汽缸13、14的曲柄13T、14T被布置或被定向为使得它们相对于用于两个主汽缸11、12的曲柄11T、12T异相角度Θ。角度Θ (参见图1b)优选为180°的角度，因此用于主汽缸
11、12的曲柄IlT和12T可以相对于用于副汽缸13、14的曲柄13T和14T异相180°。其效果是，只要主汽缸11、12的活塞llp、12p处于上止点，副汽缸13、14的活塞13P、14P就处于下止点，并且反之亦然。180°的角度在质量平衡方面是优选的，而且它可以很容易在例如175°与185°之间。
[0087]发动机5可以是四行程柴油发动机或奥托发动机。用于停用副汽缸13、14的方式优选是切断或终止到副汽缸13、14的燃料馈送。而且，优选地，当停用时，电子控制器30通过发送到电子控制的可变气门门运转机构14的命令停用进气门和排气门13a、13b、14a、14b。进气门和排气门13a、13b、14a、14b的关闭具有这样的优点，在副汽缸13、14停用时降低泵损失。然而，应理解，在其他实施例中可能没有提供用于停用进气门和排气门13a、13b和/或14a、14b的方式，因此在停用期间它们正常运转。提供其他气门运转安排，以便例如在副汽缸13、14的停用期间仅进气门保持关闭或仅排气门保持关闭。
[0088]在停用期间禁止到副汽缸13、14的点火和燃料供给，或点火可以被保持在正常运转状态，其中仅中断燃料馈送。
[0089]如图3示所示，排气歧管6优选由两个相互分开的区段6a、6b组成。在此实例中，区段6a中聚集的来自主汽缸11、12的排气流向排气管道7。区段6b中聚集的来自副汽缸13,14的排气流向排气管道7。涡轮增压器由此可以被优选布置在区段6a、6b中的每一个与排气管道7之间。
[0090]同样如图3所示，四个汽缸11、12、13、14形成两组，一组具有两个汽缸11、12，而另一组具有两个汽缸13、14。排气歧管区段6a或6b被合并以形成排气管道(总排气管)7。在每一个实例中，排气涡轮增压器17的涡轮17a都被布置在排气管道7与排气歧管区段6a和6b之间，其中该涡轮驱动被布置在进气系统中的相关联的压缩机17b。在图1所示的实施例中，两个排气歧管7被集成在汽缸盖10内，即每一组的排气管5被合并在汽缸盖10内，以形成总排气管8。两个涡轮增压器的压缩机优选均被连接到进气门的增加室18a或18b。压缩机中的一个通过增加室18a被连接到主汽缸的进气门lla、12a。第二压缩机通过副汽缸的增加室18b被连接到进气门13a、14a。在图3中，在每一个实例中，仅示意地示出了一个进气门，但每一个汽缸可以优选布置多个进气门。这也适用于排气门。空气流量传感器被布置在每一个增加室18a和18b中(示意图中未示出)。代替两个用于增加室18a和18b的两个分开的部件，一个增加室可以被布置为具有分隔壁，用于使主汽缸的空气供应与副汽缸的空气供应分开。分隔壁可以由调节的释放装置形成(例如挡板)。这使增加室的谐振特性和向进气门供给的空气流量得以改善。
[0091]发动机系统I的运转如下:当需要来发动机5的高扭矩输出时，电子控制器30可以被编程为使发动机5以所有四个汽缸11、12、13和14都工作的四汽缸运转模式运转。在这种情况下，什么表示高扭矩输出的确定是发动机5的操作者基于由电子控制器30接收来自踏板位置传感器32的输入所要求的发动机扭的输入。发动机扭矩需求可以来自速度控制系统。
[0092]在一个示例中，油门踏板位置传感器32的输出在0.0V和4.2V之间变化，并且在信号调节后，0.0V输出对应于表示操作者没有踩下油门踏板16的0%油门踏板位置，而
4.2V输出对应于表示油门踏板16已经被操作者完全踩下的100%油门踏板位置。油门踏板位置可以与要求的发动机扭矩具有直接关系，或在油门踏板位置与要求的发动机扭矩之间可以存在非线性关系。
[0093]如果在这种配置下油门踏板位置传感器32的输出指示操作者已经踩下油门踏板16超过对应于预定的发动机扭矩需求限制的预定程度，那么选择使用所有四个汽缸11、12,13和14的运转。如果油门踏板16踩下小于预定程度，那么选择仅使用两个主汽缸11、12的运转，而副汽缸13、14则被停用。在停用的情况中，引起电子控制器30采取动作以便切断到副汽缸13、14的燃料馈送，并且控制气门运转单元14，使得停用进气门和排气门13a、13b、14a、14b。
[0094]为所述预定的发动机扭矩需求限制选择的精确值取决于发动机5的精确配置，并且被选择为使得，如果当在这种情况下时发动机5被安装在机动车辆50中，机动车辆50的加速性能不受以两个汽缸11、12运转的严重影响，并且也不需要使所有四个汽缸11、12、13和14尽可能接近最佳效率的运转。这意味着，运转被控制，使得通过以两个汽缸运转而实现的整体效率超过在发动机5以四个汽缸运转的情况下可实现的效率。
[0095]通过副汽缸13、14的选择性停用，因此使发动机5更靠近其最大效率地运转是可能的，从而减少燃料消耗。
[0096]之前已经将停用描述为仅基于要求的发动机扭矩而工作，在这种情况下要求的发动机扭矩根据油门踏板位置来进行推测，但并不一定如此。
[0097]例如，通过油门踏板位置指示的要求的发动机扭矩的变化速率可以与预定的扭矩需求限制结合使用。如果在这种情况下油门踏板踩下的速率超过预定限制，那么即使实际发动机扭矩需求低于发动机扭矩需求限制，发动机本身也能够以所有四个汽缸11、12、13和14运转。
[0098]这可以利用以下逻辑来实现，例如但不限于:
[0099]如果dTd>dTdiimit或Td>Tdnmit，那么使用四个汽缸；
[0100]否则使用两个汽缸
[0101]其中:
[0102]dTd是当前的油门踏板位置的变化速率；
[0103]dTdumit是油门踏板位置的变化速率的限制；
[0104]Td是基于油门踏板位置的当前扭矩需求，以及
[0105]Tdnmit是预定的扭矩需求限制。
[0106]可替换地，速度控制系统可以根据发动机扭矩需求的变化速率来推测发动机扭矩需求的变化速率。
[0107]使用这种结合的一个优点在于，油门踏板位置的突然变化表示发动机操作者诸(如机动车辆50的驾驶员)要求迅速增加扭矩生成，并且因此需要这以所有四个汽缸11、12、13和14被用来工作的方式来表现，即使当前发动机扭矩所要求的水平低于预定的扭矩需求限制(Tdnmit)。例如，可能在超车调遣期间，油门踏板16从例如15%迅速踩下到90%，但不使用变化速率逻辑，副汽缸13、14将会保持停用直至油门踏板16物理地越过预定的发动机扭矩需求限制为止。然而，通过使用变化速率逻辑，油门踏板位置的变化速率一旦超过油门踏板变化速率限制(dTdilmit)，就会再次使用副汽缸13、14，从而减少发动机响应时间，并且对四个汽缸运转的需要是期望的。
[0108]尽管上述对油门踏板位置做了参考使得它是百分比要求，但应理解，并不一定如此，并且操作者的扭矩需求可以基于油门踏板位置传感器32的输出电压的变化或在使用数字位置传感器的情况下的输出值的变化而获得。
[0109]应理解，停用与启用状态之间的转变不会在产生这种转变发生的条件时立即发生。例如但不限于，副汽缸13、14可以在一个副汽缸进入其进气行程时被重新启用，并且可以仅在排气行程结束时被停用。
[0110]现在参照图4，示出了用于使上述类型和结构的四缸发动机5运转的方法的第一实施例。
[0111]该方法在方框100中开始，在机动车辆的情况下方框100可以是钥匙插入(key-1n)事件。该方法然后继续到方框110，在方框110中检查使发动机5作为双缸发动机运转的条件是否存在。所述检测可以是以其最简单的形式:
[0112]Td<Tdumit ?
[0113]其中:
[0114]Td在此实例中是基于油门踏板位置的当前扭矩需求，以及
[0115]Tdnmit是预定的发动机扭矩需求限制。
[0116]可替代地，发动机扭矩需求可以来自速度控制系统。
[0117]如果当前发动机扭矩需求低于预定的发动机扭矩需求限制，则该方法继续到方框120，在方框120中发动机5作为双缸发动机运转，其中在这种情况下，通过电子控制器30切断到副汽缸13、14的柴油燃料馈送来停用副汽缸13、14，并利用电子控制的可变气门运转机构15来停用副汽缸13、14的进气门和排气门13a、13b、14a、14b。该方法然后从方框120继续到方框140，在方框140中确定钥匙拔出(key-out)事件是否已经发生，如果钥匙拔出事件已经发生，则该方法在方框150中结束，但如果钥匙拔出事件没有发生，则该方法返回到方框110。当双缸运转的条件继续并且钥匙拔出事件没有发生时，该方法将继续通过方框 110,120 和 140。
[0118]再次参照方框110，如果当前发动机扭矩需求超过预定的发动机扭矩需求限制，则该方法继续到方框130，在方框130中发动机5作为所有四个气缸11、12、13和14都工作的四缸发动机5运转。该方法然后从方框130继续到方框140，在方框140中确定钥匙拔出事件是否已经发生，如果钥匙拔出事件已经发生，则该方法在方框150中结束，但如果钥匙拔出事件没有发生，则该方法返回到方框110。当四缸运转的条件继续并且没有钥匙拔出事件发生时，该方法将继续通过方框110、130和140。
[0119]作为关于方框110所描述的上述简单检测的替代，检测可以可替代地采取以下这种形式:
[0120]如果dTd>dTdiimit或Td>Tdiimit，那么使用四个汽缸；
[0121]否则使用两个汽缸
[0122]其中:
[0123]dTd在此实例中是当前的油门踏板位置的变化速率；
[0124]dTdumit是油门踏板位置的变化速率的限制；
[0125]Td在此实例中是基于油门踏板位置的当前发动机扭矩需求，以及
[0126]Tdiimit是预定的扭矩需求限制。
[0127]可替代地，扭矩需求的变化速率可以来自速度控制系统。
[0128]如果使用了这样的检测，那么当前油门踏板位置的变化速率低于用于油门踏板位置的变化速率的限制并且当前基于油门踏板位置的扭矩需求低于预定的扭矩需求限制，则方框110的结果将会是继续到方框120，但如果当前油门踏板位置的变化速率超过用于油门踏板位置的变化速率的限制或当前基于油门踏板位置的扭矩需求超过预定的发动机扭矩需求限制，则方框110的结果将会是继续到方框130。否则，该方法不受方框110中的所述检测的变化的影响。
[0129]应理解，预定的发动机扭矩需求限制可以基于发动机5的其他工况而改变，因此未必是固定值。例如但不限于，预定的扭矩需求限制的值可以随着发动机旋转速率而改变，以便该限制随着发动机旋转速率而增加。
[0130]现在参照图5A和图5B，示出了根据本发明的方法的第二实施例。
[0131]该方法在方框200中开始，在机动车辆的情况下方框200可以是钥匙插入(key-1n)事件。该方法然后继续到方框205，在方框205中该方法确定是否需要加热。所述检测例如可以是，排气的温度是否必须增加以便加速一个或更多个排气处理装置的启动，或流过发动机5的润滑油的温度是否必须增加以便减少其粘度从而减少摩擦损失，或为了冷却发动机5而流过发动机5的冷却液的温度是否必须例如在冷启动之后增加，或其组合。优选地，由于副汽缸13、14的停用，通过利用到电子控制的可变气门运转机构4b的电子控制器30的控制信号而减小冷却液流量来减少副汽缸13、14的冷却。
[0132]在每一个实例中，检测都采取使用电子控制器30比较当前温度(诸如通过冷却液温度传感器4b探测的当前温度)与预定的温度限制(诸如用于最小化摩擦损失的最小温度)的形式。如果流过副汽缸的冷却液的冷却液温度超过最小温度，那么检测将为不通过，并且该方法继续到方框210，而如果检测为通过，这表示当前冷却液温度低于预定的温度限制，因而需要加热，则该方法继续到方框207。
[0133]起初在处理在方框205中为不通过的检测之后，该方法随之继续到方框210，在方框210中检查使发动机作为双缸发动机运转的条件是否存在。所述检测是与在图4中的方框110中使用检测相同，因此不再详述。
[0134]如果当前发动机扭矩需求低于预定的发动机扭矩需求限制，则该方法继续到方框220，在方框220中发动机5作为双缸发动机运转，其中副汽缸13、14被停用。该方法然后从方框220继续到方框240，在方框240中确定钥匙拔出事件是否已经发生，如果已经发生，那么该方法在方框250中结束，但如果钥匙拔出事件没有发生，该方法返回到方框205。当不需要加热、双缸运转的条件继续并且钥匙拔出事件没有发生时，该方法将继续通过方框205,210,220 和 240。
[0135]再次参照方框210，如果当前发动机扭矩需求超过预定的发动机扭矩需求限制，则该方法继续到方框230，在方框230中发动机5作为所有四个气缸11、12、13和14都工作的四缸发动机5运转。该方法然后从方框230继续到方框240，在方框240中确定钥匙拔出事件是否已经发生。如果钥匙拔出事件已经发生，则该方法在方框250中结束，但如果钥匙拔出事件没有发生，则该方法返回到方框205。当不需要加热、四缸运转的条件继续并且钥匙拔出事件没有发生时，该方法将继续通过方框205、210、230和240。
[0136]如在上文中参照图4中方框110所描述的，方框210中的检测可以包括对利用油门位置的变化速率推测的发动机扭矩需求的变化速率的检测。
[0137]现在再次参照方框205，如果通过方框205中的检测，这表示需要加热，则该方法经由方框207继续到方框215。
[0138]在方框215中，检查使发动机5作为双缸发动机运转的条件是否存在。所述检测类似于方框210中所使用的检测，但预定的发动机扭矩限制的值可以不同。这意味着，可以暂时不利地影响发动机5的燃料效率，以便减少加热冷却水所需的时间。
[0139]在具有完全相同容量的汽缸的四缸发动机的情况下，当以两个汽缸运行时，为了相同的动力输出，冷却液流量减少大约一半，但冷却液的温度增加。因此散热也应增加。
[0140]如果当前发动机扭矩需求低于第二预定的发动机扭矩需求限制，则该方法从方框215继续到方框225，在方框225中发动机5作为双缸发动机运转，其中副汽缸13、14被停用。该方法然后从方框225继续到方框238，然后继续到方框240，在方框240中确定钥匙拔出事件是否已经发生。如果钥匙拔出事件已经发生，则该方法在方框250中结束，但如果钥匙拔出事件没有发生，则该方法返回到方框205。当不需要加热、双缸运转的条件继续并且钥匙拔出事件没有发生时，该方法然后继续通过方框205、207、215、225、238和240。
[0141]再次参照方框215，如果当前发动机扭矩需求超过第二预定的发动机扭矩需求限制，则该方法继续到方框235，在方框235中发动机5作为所有四个气缸11、12、13和14都工作的四缸发动机5运转。该方法然后从方框235继续到方框238并且从方框238继续到方框240，在方框240中确定钥匙拔出事件是否已经发生。如果钥匙拔出事件已经发生，则该方法在方框250中结束，但如果钥匙拔出事件没有发生，则该方法返回到方框205。当不需要加热、四缸运转的条件继续并且钥匙拔出事件没有发生时，该方法然后继续通过方框205、207、215、235、238 和 240。
[0142]图6A和图6B示出了用于发动机5的两个可能的正时图，其中所述正时图之间的主要区别在于，图6A中的副汽缸13、14的正时控制与图6B中的副汽缸13、14的正时控制相差360度。在图6A和图6B中针对副汽缸13、14所执行的动作是，在副汽缸13、14工作并且发动机5使用所有四个汽缸11、12、13和14产生动力的情况下发生的那些。
[0143]6A:
[0144]

【权利要求】
1.一种四缸直列往复活塞式内燃发动机(5)，其包含以下:两个相邻的主汽缸(11、12)和两个被布置为与所述主汽缸相邻的副汽缸(13、14)，其中所述汽缸中每一个都容纳各自的活塞(IIP、12P，13P、14P)使得它能够滑动，所述活塞被各自的连杆可运转地连接到各自的四曲柄曲轴的曲柄，其中用于所述两个主汽缸的所述曲柄被同相布置，而用于所述副汽缸的所述曲柄相对于所述两个主汽缸异相180° (±5° )布置，以及所述副汽缸能够被选择性地停用，并且其中所述发动机(5)的排气管(6)包括用于所述主汽缸(11、12)的排气歧管区段(6a)和用于所述副汽缸(6b)的另一排气歧管区段(6b)，其中所述曲轴(40)每旋转一次，做功行程在所述两个主汽缸(11、12)中的一个中发生，并且所述两个副汽缸中的一个的所述做功行程与所述主汽缸的所述做功行程异相，从而停用所述副汽缸(13、14)，以便增加自所述发动机排出的排气、流过所述发动机的润滑油和/或流过所述发动机的冷却液的温度。
2.根据权利要求3所述的发动机， 其中所述分开的排气歧管区段(6a、6b)被汽缸盖冷却套(51、51’ )包住。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的发动机，其中主汽缸(11、12)副汽缸(13、14)包含可流体地分开的汽缸体冷却套(52、52’)，并且各自的流量控制阀(4a、4b)被布置为用于向汽缸体冷却套(52、52’ )供给冷却液。
4.根据权利要求1至3中一项或多项所述的发动机， 其中所述汽缸体冷却套(52、52’ )中的每一个均被连接到汽缸盖冷却套(51、51’)。
5.根据权利要求1至4中一项或多项所述的发动机， 其中冷却液分配管路⑶将水泵⑵连接到所述汽缸盖冷却套(51、51’)、连接到所述汽缸体冷却套(52、52’)。
6.根据权利要求5所述的发动机， 其中所述冷却液分配管路(3)被设计为所述汽缸体冷却套(52、52’ )的一部分。
7.根据权利要求3至6中一项或多项所述的发动机， 其中所述流量控制阀(4a、4b)被布置在形成所述汽缸体冷却套(52、52’ )的所述汽缸体壳体上的共用壳体中。
8.一种发动机系统，其包含以下:根据权利要求1至7中任一项所述的四缸发动机、指示要求的发动机扭矩的输入和可以被运转为接收指示所述要求的发动机扭矩的所述输入的电子控制器， 其中所述电子控制器可以被运转以便至少基于指示所述要求的发动机扭矩的所述输入，确定是否应当使用所有四个汽缸运转所述发动机，或确定是否停用所述副汽缸以便仅使用所述两个主汽缸运转所述发动机。
【文档编号】F02B75/20GK104081022SQ201280066641
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2012年11月8日 优先权日:2011年11月10日
【发明者】C·韦博, M·威尔斯, R·弗莱德菲尔特, G·巴奇 申请人:福特环球技术公司