专利名称：具有平行布置的涡轮的气缸盖以及运行具有所述类型气缸盖的内燃发动机的方法
技术领域：
本发明涉及具有平行布置的涡轮的气缸盖，该气缸盖具有至少两个气缸，而每个 气缸具有至少一个将排气排出气缸的排气口以及连接每个排气口的排气管路，并且在该气 缸盖中至少两个气缸的排气管路在该气缸盖内合并形成总排气管路，从而形成整体的排放 歧管，而平行布置的两个涡轮被提供在排放歧管下游。本发明还涉及运行具有所述类型气缸盖的内燃发动机的方法。
背景技术：
内燃发动机具有为了形成单独的气缸，即燃烧室，而相互连接的气缸体和气缸盖。 为了保持活塞或气缸衬套，气缸体具有相应的许多气缸孔。活塞以轴向移动方式在气缸衬 套中被导向并连同气缸衬套和气缸盖以形成内燃发动机的燃烧室。气缸盖通常用来保持阀门驱动机构。为了控制充气交换，内燃发动机需要有控制 元件例如提升阀门和用于致动该控制元件的致动装置。在充气交换过程中，燃烧气体经由 排气口被排放并且经由进气口燃烧室发生充气，即吸入新鲜混合气或新鲜空气。移动阀门 所需的阀门致动机构，包括阀门本身，被称为阀门驱动机构。阀门驱动机构的目的是在正确的时间打开并关闭燃烧室的进气口和排气口，要求 快速打开最大可能的流体横截面以便保持较低的进气和出气的气流的节流损失并确保最 大可能地用新鲜的混合气充满燃烧室，以及有效的，也即是完全地，排放排气。因此燃烧室 还通常可增加地装配有两个或多个进气口和排气口。根据现有技术，通向进气口的进气管和连接排气口的排气管或排气管路被至少部 分地整合到气缸盖中。本文，至少两个气缸的排气管路在气缸盖内通常被合并为总排气管 路。将排气管路合并为总排气管路通常，且在本发明范围内，被称为排气歧管。于是在涡轮下游，如果适当，排气可提供给另一个装置，例如提供给涡轮，特别是 排气涡轮增压器的涡轮和/或排气处理系统。当使用排气涡轮增压器时，根本上寻求将增压器的涡轮尽可能靠近内燃发动机或 气缸盖的排气口布置，以便能最优地利用热排气的排气焓，其中热排气的排气焓通过排气 压力和排气温度而显著确定，并能确保涡轮增压器的快速反应性能。此外，热排气进入不同 的排气处理系统的路径还应尽可能短，以便提供给该排气尽可能短时间冷却，并且该排气 处理系统能尽可能快地达到它们的运行温度或启动温度，特别是在内燃发动机冷启动后。因此在气缸的排气口和排气处理系统之间或在气缸的排气口和涡轮之间的排气 管路的部分的热惯性也应该尽可能地低，其可通过减小相应部分的质量和长度来实现。为了实现所述目标，如在根据本发明的气缸盖中，在气缸盖内合并排气管路以便 形成整体的排气歧管是有利的。由于排气歧管的整合，排气管路的长度减小，因此不仅在 总排气管路中提供的涡轮上游的排气系统的热惯性减小，而且涡轮上游排气管路的管路体 积，即排气体积也被减小。这提高了涡轮的响应性能并且进入涡轮的进气口处的排气焓被增加。虽然单个涡轮可轻松地紧密联接，即紧靠气缸盖设置时，然而由于歧管的整合，已 经证明的现有技术的问题是多个涡轮同时紧密联接布置，例如如果在是本发明的主题的气 缸盖中，平行布置的两个涡轮被提供在排气歧管下游。然而，增压式内燃发动机通常装配有多个排气涡轮增压器以便提高内燃发动机的 扭矩特性。这个方法的背景原因是当使用单个涡轮增压器时，当未达到一定的转速时会出 现显著的扭矩下降。如果考虑到充气压力比是依赖于涡轮压力比，所述的扭矩下降是可以理解的。如 果例如在柴油发动机中，发动机速度减小，或在火花点燃式发动机中，负载减小，这引起了 较小的排气质量流，这将产生较低的涡轮压力比并且因此产生相当于扭矩下降的较低的充 气压力比。在本文，对于利用涡轮横截面尺寸的减小抵消的充气压力的下降，从而使涡轮压 力比的相应的增加是基本上可能的。因此，为了改善涡轮增压式内燃发动机的扭矩特性，由 平行布置的较小涡轮横截面的两个涡轮替代的单个涡轮是有利的。例如，这种涡轮配置使两个涡轮中的一个在相对低排气量时被停用并且所有的排 气被供给小横截面的单个涡轮以由此仅以低排气量产生足够高的充气压力。如果排气量超 过了预先可限定的排气量，第二个涡轮被启用，即被开启。为了启用和停用，必须提供用于 在两个涡轮之间分隔排气质量流的控制元件。在具有两个排气涡轮增压器的传统构型中，排气质量流在气缸盖外部被分成部分 流体，该部分流体被分别供给两个涡轮。为了此目的，总排气管路分支为两个单独的排气管 路。在形成的分支的下游，于是单个的涡轮被设置在各个排气管路中。由于将总排气管路 分成两个相互分离的排气管路需要一定的距离，并且这两个排气管路也必须彼此有足够的 空间以便提供涡轮或涡轮壳体所需的安装空间，根据现有技术不可能同时平行且紧密联接 地布置两个涡轮。
发明内容
以上面所述内容为背景，本发明的目的是依照本发明背景技术提供了具有平行布 置的涡轮的气缸盖，在该气缸盖中两个涡轮同时被紧密联接。本发明另一部分目的是详细说明运行具有所述类型气缸盖的内燃发动机的方法。第一个目的利用具有平行布置的涡轮的气缸盖来实现，该气缸盖有至少两个气 缸，其中每个气缸有将排气排出气缸的至少一个排气口以及连接每个排气口的排气管路， 并且在该气缸盖中，至少两个气缸的排气管路在该气缸盖内合并形成总的排气管路，从而 形成整体的排气歧管，而同时平行布置的两个涡轮被提供在排气歧管的下游。并且该气缸 盖其特征是两个涡轮具有提供在进气区内用于供给排气的共同的涡轮壳体，而用来在两个 涡轮之间分隔排气流的控制元件被提供在壳体中。根据本发明，平行布置的两个涡轮有共同的涡轮壳体。本文，两个涡轮的排气供给 经由共同的进气区产生。经由歧管排放的排气流在其涡轮壳体自身中的涡轮之间被分隔，如果内燃发动机 的现有操作状态需要或提供了这些，因此两个涡轮能以紧密联接的方式设置在气缸盖上。为了这个目的，控制元件被提供在壳体中。除了上面已经陈述的涡轮的紧密联接布置的优点外，根据发明的平行布置在一个 共同的壳体内的两个涡轮的设计允许全部驱动装置的紧凑封装。因此根据发明的气缸盖实现了本发明所基于的第一个目的，特别是提供了具有平 行布置的涡轮的气缸盖，在该气缸盖中两个涡轮同时被紧密联接。气缸盖的进一步的优选实施例结合进一步的实施方式说明。气缸盖的实施例是有利的，在该实施例中涡轮壳体和气缸盖是以非强制锁定方 式、强制锁定方式或粘着方式相互连接的分离的部件。在模块化设计中，涡轮或壳体和气缸盖是分离的部件并且在装配过程中相互连 接，这种模块化设计有以下优点，首先涡轮可与其他气缸盖结合，以及其次，气缸盖可与根 据模块化设计原理的其他涡轮结合。一个部件的通用性应用通常增加了生产数量，因此降 低了装置的成本。可以减少因缺陷使涡轮或气缸盖必须被替换(即代替)而造成的成本上 升。模块化设计也允许市场上已有的或已有概念的内燃发动机的改进，即根据本发明的气 缸盖的构造采用现有的气缸盖和在共同的壳体中布置的两个涡轮。然而，实施例的优势同样在于，在该实施例中涡轮壳体至少部分地被整合在气缸 盖中从而气缸盖和至少部分涡轮壳体形成单一部件。在该原则上，由于单件设计，气缸盖与涡轮之间的气密的、高热负荷和高成本的连 接的需要可省掉，这提供了成本优势。也没有由于裂缝原因使排气窜漏到环境中的风险。实现涡轮的特殊紧密联接布置是可能的，这是因为不必提供装配工具的通道，这 简化了涡轮壳体的结构设计并且允许对涡轮操作的优化。壳体可是相对小体积设计并且涡 轮的转子可紧靠进气区设置，这在必须考虑装配通道的情况下是不可能的。如果涡轮壳体和气缸盖是液体冷却的并且整合到涡轮壳体中的冷却剂套经由气 缸盖被提供冷却剂，那么将涡轮壳体至少部分地整合到气缸盖中消除了两个冷却回路或冷 却剂套之间的连接需要。在本文中，整合到气缸盖中的冷却剂套也可同时用于形成在壳体中提供的冷却剂 套，从而实际意义中两个原来独立的冷却剂套的连接不再存在，或不再需要形成。对于冷却 剂回路或冷却剂套的连接和冷却剂的泄漏，其已参照近似应用的排气流而被论述。油供给管路同样可被实现，即为了润滑涡轮轴将油供给到涡轮可经由整合到气缸 盖和壳体的管路实现。供给油的外部管路被消除，并且避免了因此在管路与壳体之间、或在 管路与气缸盖之间的连接点的形成和密封。该油可从气缸盖中抽出并且在没有泄漏风险的 情况下供给到壳体或涡轮。此外，管路的整合导致了部件数目的进一步减少以及更加紧凑 的设计。单一部件可作为铸造部件有利地构成，最好由相对于钢铁的使用能引起尤为明显 的减轻重量的铝构成。制造铝壳体的成本是同样较低的。单一部件仍然还可由铸铁、或其他铸造材料构成。这是因为不管使用何种材料，根 据实施例所讨论的整体式设计的优点，例如由于省略了不必要的连接和连接元件，造成的 紧凑设计、重量减轻及安装空间节省，以及由于极其紧密联接布置，提高的涡轮响应性能可 被保持。如果涡轮是排气涡轮增压器的涡轮，于是在该连接中，实施例也是有利的，在该实
5施例中排气涡轮增压器的轴可连同预先固定的涡轮和作为分离的、预先制造装置的压缩机 转子，例如以盒子的形式，被插入到整合到气缸盖中的涡轮壳体或涡轮增压器壳体中。这显 著地缩短了装配时间。在本文中，壳体不但保持涡轮部件而且还保持压缩机的组件，如果使用排气涡轮 增压器，即如果至少一个涡轮是排气涡轮增压器的部分，那么在根据本发明的所有实施例 中基本上可能是这种情况。在这方面，壳体也用作压缩机壳体。气缸盖的实施例是有利的，在该实施例气缸盖具有至少部分地整合到气缸盖中的 冷却剂套。根据本发明的气缸盖有整体的排放歧管并且因此比具有外部歧管的传统气缸盖 有更高的热负载，因此对冷却布置有更高的要求。这对于以空气冷却或液体冷却形式提供的冷却系是十分可能的。由于相对于空气 液体显著的高热性能，因此用液体冷却可能比空气冷却能消散更大热量。液体冷却需要装有冷却套的气缸盖，即引导冷却剂通过气缸盖的冷却导管的布 置。热量已经被排放到气缸盖内部的冷却剂，该冷却剂一般为水混合添加剂的冷却剂。在 本文中，冷却剂利用设置在冷却回路的泵馈送，从而所述冷却剂在冷却剂套中循环。以这种 方式消散的热量从气缸盖的内部被排放并且在热交换器中再次从冷却剂散发出来。冷却能力应该优选为足够高以使得用于降低排气温度的加浓(enrichment)(入 < 1)可以被免除，该加浓相对于内燃发动机燃料的燃烧和相对于污染物排放被认为是不 利的。这是因为在加浓过程中，投入的燃料多于实际与空气燃烧的量，而同样多余的燃料被 加热且蒸发从而燃烧气体的温度下降。特别地，加浓不允许内燃发动机总是以，例如，需要 提供的排气后处理系统的方式运行。即，在内燃发动机的运行中产生了约束。如果一个涡轮是排气涡轮增压器的部分，气缸盖的液体冷却也是有利的，这是因 为增压式内燃发动机的气缸盖比传统的自然进气式发动机的气缸盖有更高的热负荷。气缸盖的实施例是有利的，在该实施例中涡轮壳体装配有至少一个冷却剂套以便 形成液体冷却布置。于是用于生产涡轮或涡轮壳体的高热负荷材料可能全部，或至少部分地被免除。 于是不再需要或显著地减少了昂贵材料，通常为含镍材料，的使用。这种壳体的冷却相对于根据发明的控制元件也有优点，该控制元件设置在壳体 中，例如在进气区。与现有技术对比，在其中分隔排气流的控制元件被设置在总排放管路或 排放管路的非冷却部分，根据本发明整合到气缸盖或涡轮壳体中的冷却剂套可能被用来冷 却控制元件。因此控制元件的热负荷被减小。由于冷却，可能消除对构成控制元件的昂贵耐热 材料的使用。如果气缸盖具有至少部分地整合的冷却剂套，那么如上文所述，实施例是有利的， 在该实施例中涡轮壳体装配有至少一个冷却剂套以便形成液体冷却布置，该冷却剂套被连 接到整合在气缸盖中的冷却剂套。这适用于涡轮壳体和气缸盖是分离的部件的实施例中以及壳体和气缸盖形成单 一部件的实施例中。两个冷却剂套回路的连接使具有共同的泵和共同的热交换器的两个回路成为可
6能，并且以这种方式，部件数量和成本的减少也成为可能。实施例是有利的，在该实施例中控制元件是阀门、滑板或活板等等。实施例是有利的，在该实施例中控制元件能例如利用内燃发动机的发动机控制器 被电力控制、液压控制、气动控制、机械控制或电磁控制。实施例是有利的，在该实施例中控制元件能以两阶方式开关，这简化了控制并且 特别地提供了成本优势。在本文中，两个涡轮中的一个在低排气量时以第一种开关状态关 闭以便防止排气流入，或在相对高排气量时以第二种开关状态打开以便排气作用于所述涡 轮。于是涡轮实现利用控制元件启用和停用的可开关的涡轮的功能。然而，根据另一个实施例，控制元件还可以连续可变方式开关以便防止在致动控 制元件过程中突然的扭矩下降或扭矩升高。因此气缸盖的实施例也是有利的，在该实施例中控制元件能以连续可变的方式被 调节。气缸盖的实施例是有利的，在该实施例中每个气缸有将排气排出气缸的至少两个 排气口。如上文所述，在充气交换中排气的排出过程中，主要目的是尽快打开最大可能的流 量横截面以便确保排气的有效排出，因此提供超过一个的排气口是有利的。在本文中，实施例是有利的，在该实施例中首先在至少两个气缸的部分排气管路 合并成总排气管路之前，每个气缸的至少两个排气口的排气管路合并形成与气缸相连的部 分排气管路。所有排气管路的总长度以这种方式缩短。分级合并排气管路以形成总排气管路也 有助于更加紧凑的气缸盖，即气缸盖的更小体积设计，因而尤其有助于发动机机舱重量的 减小和更加有效的封装。然而气缸盖的实施例也可是有利的，在该实施例中每个气缸具有将排气排放出气 缸的排气口。所使用的两个涡轮都可具有通过调节涡轮几何结构或有效的涡轮横截面允许较 广范围适应内燃发动机的各个工作点的变涡轮几何结构。在本文中，影响流向的导向叶片 被布置在涡轮转子的上游。与旋转转子的导向叶片相比，导向叶片不能与涡轮的轴一起旋 转，即与转子一起旋转。适当布置导向叶片使其静止，但并不是使其完全不动，而是使导向 叶片可围绕它们的轴旋转从而能影响接近导向叶片的流体。相反，如果涡轮具有固定的、不变的几何结构，导向叶片被刚性地固定从而不仅仅 使其是静止的，而且还完全不动的被布置。如果两个涡轮中的一个具有变几何涡轮，所述涡轮可用作控制元件来分隔排气 流。这是因为如果通过调节导向叶片使所述涡轮的流体横截面尺寸减小，所述涡轮的流动 阻力增加，并且更多的排气被弓I入或被转向另一个涡轮。本发明所基于的第二部分目的，特别是详细说明运行具有以上所述实施例的至少 一个气缸盖的内燃发动机的方法的目的，通过一种方法实现，在该方法中两个涡轮中的一个被设计为可开关涡轮，在低排气量时，由于流入到所述涡轮的排气被控制元件阻塞，所述可开关涡轮被 停用，以及在具有增加的排气量时，当排气量超过了预先可限定的排气量，通过致动控制元
7件所述可开关涡轮被启用，并且作用于排气。与根据本发明的气缸盖有关的论述同样适用于根据本发明的方法。如果根据本发明的气缸盖被用于具有量调节的内燃发动机，在该内燃发动机中负 载通过新鲜混合气物的量来控制，根据本发明的该方法，在所述内燃发动机的运行中，假定 有固定转速，如果内燃发动机的负载超过预先可限定的负载意味着可开关涡轮被启用，这 是因为在所述类型的内燃发动机中，排气量相当于负载，同时排气量随着增加的负载而增 加并且随着减小的负载而减小。相反，如果内燃发动机是基于质量调节，在该内燃发动机中负载通过新鲜混合气 的成分来控制并且排气量实质上仅因转速而不同，于是在根据本发明运行所述内燃发动机 的方法中，如果内燃发动机的转速超过预先可限定转速，可开关涡轮被启用，这是因为在该 情况下，排气量随着增加的转速而增加并且随着减小的转速而减小。如果内燃发动机是增压式的，尤其是利用排气涡轮增压，必须另外考虑在进导入 侧的充气压力可随负载和/或转速而不同，并且进导入侧的充气压力对排气量有影响。因 此在排气量与负载或转速之间以上述简化形式表示的关系于是不再适用与所述一般形式。 因此根据发明的方法非常适合于排气流但不适合于负载或转速。如果仅内燃发动机的排气量超过预先可限定的排气量并且在预先可限定的时间 段Atl中远大于预先可限定的排气量时，方法变型是有利的，在该方法变型中可开关涡轮 被启用。介绍可开关涡轮的额外启用条件旨在防止当排气量仅短暂地超过预先可限定的 排气量并且然后再次下降，或在没有超过证明启用第二个涡轮的情况下围绕排气量的预先 可限定的值波动的情况下，过度频繁的模式改变。相似的方法被用来启用可开关涡轮。即当排气量下降到预先可限定的排气量以下 时可开关涡轮再次被停用。于是有利的方法变型是，如果排气量下降到预先可限定的排气量以下并且在预先 可限定的时间段中小于所述的预先可限定的排气量时，实现停用。
基于根据图1的示例性实施例，本发明将在下文被详细描述，其中图1表示具有两个平行布置的涡轮的气缸盖的第一个实施例的截面图。参考符号1.气缸盖2a.第一个涡轮2b.第二个涡轮，可开关涡轮3.气缸4.排气口5.排气管路6.排气歧管7.总排气管路8.涡轮壳体
9.进气区10.控制元件11.活板12a.转子12b.转子13.进气口14.进气管路15.燃烧室16.阀门盖
具体实施例方式图1表示具有两个平行布置的涡轮2a、2b的气缸盖1的第一个实施例的截面图。涡轮2a、2b，即所述两个涡轮2a、2b的转子12a、12b平行布置并且布置在具有用来 供给排气的进气区9的共同的涡轮壳体8中。以活板11的形式用来在两个涡轮2a、2b之 间分隔排气流的控制元件10被提供在壳体8中或进气区9中，其中一个涡轮2b被设计为 可开关涡轮2b。在图1所述的控制元件10的开关状态，可开关涡轮2b被停用，即流入所述 涡轮2b的排气在现有运行状态被阻塞，并且全部排气通过另一个、第一个涡轮2a引入。涡 轮壳体8被部分地整合到气缸盖1中，从而气缸盖1和部分涡轮壳体8形成了单一部件。气缸盖1在装置端侧能被连接到气缸体从而形成燃烧室15。气缸3有进气口 13， 经由该进气口 13燃烧室15在充气交换过程中经由进气管路14供给新鲜混合气。燃烧气 体的排放经由通过排气管路5连接的排气口 4实现。排气管路5在气缸盖1内合并为总的排气管路7从而形成整体的排气歧管6，而总 排气管路7打开或合并为壳体8的进气区9。从这里，热排气利用控制元件10在两个涡轮 2a、2b之间被分隔，因此转子12a、12b被旋转设置。气缸盖1装配有与整合到涡轮壳体8中的冷却剂套(未示出)连接的整体冷却剂 套。阀门驱动机构被阀门盖16遮盖。可开关涡轮2b通过致动控制元件10被启用，即利用可转动的固定活板11的枢转运动。
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权利要求
一种具有平行布置的涡轮(2a、2b)的气缸盖(1)，该气缸盖(1)具有至少两个气缸(3)，其中每个气缸(3)具有将排气排出所述气缸(3)的至少一个排气口(4)以及连接每个所述排气口的排放管路(5)，并且在所述气缸盖(1)中，至少两个气缸(3)的所述排放管路(5)在所述气缸盖(1)内合并成总排气管路(7)从而形成整体的排气歧管(6)，其中所述平行布置的两个涡轮(2a、2b)被提供在所述排气歧管(6)的下游。其中所述两个涡轮(2a、2b)具有提供在进气区(9)内的用于供给排气的共同的涡轮壳体(8)，并且在所述两个涡轮(2a、2b)之间分隔所述排气流的控制元件(10)被提供在所述涡轮壳体(8)中。
2.根据权利要求1所述的气缸盖(1)，其中所述涡轮壳体(8)和所述气缸盖(1)是分 离的部件，所述分离的部件以非强制锁定方式、强制锁定方式和/或粘着方式相互连接。
3.根据权利要求1所述的气缸盖(1)，其中所述涡轮壳体(8)至少部分地整合到所述 气缸盖(1)中，从而所述气缸盖(1)和至少部分所述涡轮壳体(8)形成单一部件。
4.根据上述权利要求中的任一个权利要求所述的气缸盖(1)，其中所述气缸盖(1)装 配有至少部分地整合到所述气缸盖(1)中的冷却剂套。
5.根据上述权利要求中的任一个权利要求所述的气缸盖(1)，其中所述涡轮壳体(8) 装配有至少一个冷却剂套以便形成液体冷却布置。
6.根据权利要求4或5所述的气缸盖(1)，其中所述涡轮壳体(1)装配有至少一个冷 却剂套以便形成液体冷却布置，所述冷却剂套被连接到整合到所述气缸盖(1)中的冷却剂 套。
7.根据上述权利要求中的任一个权利要求所述的气缸盖(1)，其中所述的控制元件 (10)被设计为能以两阶方式开关。
8.根据上述权利要求1到6中的任一个权利要求所述的气缸盖(1)，其中所述的控制 元件(10)能以连续可变方式被调节。
9.根据上述权利要求中的任一个权利要求所述的气缸盖(1)，其中每个气缸(3)有将 所述排气排出所述气缸(3)的至少两个排气口(4)。
10.一种运行根据上述权利要求中的任一个权利要求所述的具有气缸盖(1)的内燃发 动机的方法，其中所述两个涡轮(2a、2b)中的一个被设计为可开关的涡轮(2b)，在低排气量时，由于流入到所述涡轮(2b)的述排气被所述控制元件阻塞，所述可开关 涡轮(2b)被停用，以及随着排气量的增加，当所述排气量超过了可预先限定的排气量，通过致动所述控制元 件，所述可开关涡轮(2b)被启用，并且作用于所述排气。
全文摘要
本发明涉及具有平行布置的涡轮(2a、2b)的气缸盖(1)，该气缸盖有至少两个气缸(3)，其中每个气缸(3)具有将排气排出气缸(3)的至少一个排气口(4)以及连接每个排气口的排放管路(5)，并且在所述气缸盖(1)中，至少两个气缸(3)的排放管路(5)在所述气缸盖(1)内合并成总排气管路(7)从而形成整体的排气歧管(6)，其中平行布置的两个涡轮(2a、2b)被提供在所述排气歧管(6)的下游。在该气缸盖(1)中两个涡轮(2a、2b)被同时紧密联接。该气缸盖的特征是在于两个涡轮(2a、2b)，其具有提供在进气区(9)内的用于供给排气的共同涡轮壳体(8)，其中用来在两个涡轮(2a、2b)之间分隔排气流的控制元件(10)被提供在壳体中(8)。本发明同样涉及运行具有所述类型气缸盖(1)的内燃发动机的方法。
文档编号F02F1/24GK101858273SQ20101013559
公开日2010年10月13日 申请日期2010年3月15日 优先权日2009年4月3日
发明者D·博姆曼, K·库尔贝奇, R·弗里德菲尔特 申请人:福特环球技术公司