专利名称：具有两个涡轮的增压内燃发动机和用于运行所述类型内燃发动机的方法
技术领域：
本发明涉及具有至少一个汽缸盖和至少两个串联设置的涡轮的增压内燃发动机。本发明还涉及用于运行所述类型的内燃发动机的方法。
背景技术：
在本发明的范围内，术语“内燃发动机”具体包括火花点火发动机，但是也包括柴油发动机并且也包括混合内燃发动机。所述类型的内燃发动机具有在装配表面相互连接的汽缸体和至少一个汽缸盖，以形成至少两个汽缸。为了保持活塞或汽缸套，该汽缸体具有相应数目的汽缸孔。活塞在汽缸套内以轴向运动的方式被引导，并且与汽缸套和汽缸盖一起形成该内燃发动机的至少两个汽缸。该至少一个汽缸盖常规上用来保持阀驱动装置。为了控制进气交换，内燃发动机需要例如提升阀的控制元件，和用于致动该控制元件的致动装置。在进气交换期间，燃烧过的气体经由排气口排出，并且燃烧室进气，也就是说，新鲜混合物或进气空气经由进气口引进。阀运动所需要阀致动机构包括阀本身叫做阀驱动装置。阀驱动装置的目的是在正确的时间打开和关闭汽缸的进气口和排气口，追求最大可能的流动截面的快速打开，以便确保流入和流出气体流的节气损失小，并且确保汽缸用新鲜混合物最好可能的进气，以及排气的有效(也就是说完全)释放。因此汽缸也经常并逐渐地并日益增加地装设有两个或两个以上的进气口和排气口。汽缸的排气口通向排气道，在排气道中排气在到达大气之前被引导通过一个或更多个后处理装置。此外，一个或更多个涡轮增压器可以设置在排气道中，以便利用来自排气的能量来驱动用于压缩进气的压缩机。增压内燃发动机经常装有多个排气涡轮增压器，以便改进内燃发动机的转矩特性。这种措施后面的理由是，在利用单个涡轮增压器时，当某旋转速度不足时能够观察到明显的转矩下降。如果考虑到进气压力比取决于涡轮的压力比，所述转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，或在火花点火的发动机中，载荷或发动机速度减小，这导致较低的排气质量流量，较低的排气质量流量又产生较低的涡轮机压力比，因此产生较低的进气压力比。这等同于转矩下降。进气压力下降通过减小涡轮截面的尺寸能够被基本抵消。如果排气质量流量超过预定的阈值，在所谓的排气排出的过程内，至少一部分排气流经由旁通管路引导绕过涡轮。但是所述方法具有缺点，即在比较高的旋转速度下增压方式不能令人满意。因此，提供多个涡轮可以是有利。通过以串联方式连接两个排气涡轮增压器，其中一个排气涡轮增压器用作高压级，一个排气涡轮用作低压级，该压缩机的特性映射图能够有利地扩大，特别是在较小的压缩机流的方向和较大的压缩机流的方向上。具体说，在使用用作高压级的排气涡轮增压器的情况下，喘振限制可能沿着较小的压缩机流的方向移动，结果即使用小压缩机流也能够获得高进气压力比，这大大改进较低部分载荷范围中的转矩特性。这是通过设计用于小排气质量流量的高压涡轮并且通过提供引导排气绕过高压涡轮的旁通管路实现的。为此，旁通管路从高压涡轮(下文中也叫做小涡轮)上游的总排气管分支，并且再接入在所述小涡轮下游和低压涡轮(下文中叫做大涡轮)上游的总排气管中，其中优选设置控制元件以便控制引导绕过高压涡轮的排气流。两个串联连接的排气涡轮增压器还具有其他优点。能够进一步增加通过增压的助力。还有，相对于具有单级增压的类似内燃发动机，以这种方式增压内燃发动机尤其在部分 载荷范围内的响应行为大大改进。其原因是较小尺寸的排气涡轮增压器的转子能够被更快地加速，并且因此较小的高压级比单级增压所用的较大的排气涡轮机具有较小的惯性。在从前面的具有两个排气涡轮增压器的系统已知的方案中，排气流在汽缸盖的外面供给小的高压涡轮，并且接着供给设置在排气系统中更下游的低压涡轮。到所述第二涡轮的总排气管路的长度比较长。而且，可以提供用于涡轮和涡轮外壳以及管路的安装空间。在前面的系统中，不能够设置串联的两个涡轮机并且同时靠近发动机。另一个问题是涡轮的高生产成本，在多个涡轮的情况下这是由于增加的材料费用附加引起的。通常用于高热载荷的涡轮外壳的含镍材料比较昂贵，特别是与优选用于汽缸盖的材料(例如铝)相比。不仅材料成本本身比较高，而且加工用于涡轮外壳的所述材料的成本也比较高。关于成本，利用不太昂贵的材料，例如铝是有利的。关于涡轮的重量，铝的利用也是有利的。根据前面的系统，为了能够利用比较廉价的材料制造涡轮，该涡轮具有冷却装置，例如，具有液体冷却装置，该液体冷却装置显著减少由热排气引起的涡轮和涡轮外壳的热载荷，因而允许利用不太耐闻热的材料。一般而言，为了形成冷却装置，涡轮外壳具有冷却剂套。前面的系统包括外壳是铸造部件并且在铸造过程中形成冷却剂套作为整体式外壳的一体构成部件的方案，并且还包括外壳是预制成标准组件结构并且在装配期间形成用作冷却剂套的空腔的方案。按照后一种方案构造的涡轮例如公开在德国特许公开说明书DE 102008 011 257Al中。涡轮的冷却装置借助于具有壳体的实际的涡轮外壳而形成，使得冷却剂能够引进到其中的空腔形成在外壳和设置成与其间隔开的至少一个壳体元件之间。于是被该壳体装置扩张的外壳包含冷却剂套。EP I 384 857 A2同样公开一种其外壳具有冷却剂套的涡轮。DE 10 2007017 973Al描述了用于形成蒸发冷却的涡轮壳体的结构工具。由于液体的高比热容量，尤其是通常所用的水，通过液体冷却能够从外壳汲取大量的热。热扩散到外壳内部的冷却剂中并且用冷却剂排出。扩散到冷却剂中的热再一次从换热器中的冷却剂汲取。
基本可能的是，涡轮的液体冷却装置具有单独的换热器，或者在液体冷却的内燃发动机的情况下的发动机冷却装置的换热器(也就是说，不同液体冷却装置的换热器)用于该目的。后一种情况仅仅需要在两个回路之间相应的连接。但是在本文中会考虑到如果诸如铝的不太耐热的材料用来制造外壳，则被涡轮中的冷却剂所吸收的热量可以达到40kW或以上。已经证明，从冷却剂中汲取如此大量的热， 并且借助于换热器中空气流排放到环境中是有问题的，并且在一些情况下是不实际的。内燃发动机的冷却回路必需构造为了大大增加的散热要求，也就是说，换热器必需具有相当大的尺寸。这与在车辆的前端区能够得到的有限的空间相矛盾，在这个空间通常设置有各种换热器。而且，必需提供更大功率的风扇以便增加换热器的热传输。正如所说明的，利用不太耐热的并且因此比较廉价的材料需要多种改变，这反过来又增加成本。在这方面，所述的方法产生矛盾，即通过改变涡轮的材料得到的成本节省被功率更大的冷却装置增加的成本所消耗。
发明内容
根据上面所述的技术背景，提供增压发动机的实施例。在一个示范性的实施例中，增压内燃发动机包括具有两个汽缸的至少一个汽缸盖，其中每个汽缸具有用于排出排气的至少一个排气口，并且每个排气口被排气管路邻接，并且其中该至少两个汽缸的排气管路汇合在该汽缸盖内形成总排气管路，以便形成集成排气歧管；串联设置的至少两个涡轮，该两个涡轮具有不同的尺寸并且在总排气管路中设置在排气歧管的下游；分配器外壳，其中歧管下游的总排气管路进入并且通过所述分配器外壳且到两个涡轮的小涡轮中；以及容纳小涡轮的第一涡轮外壳，该第一涡轮外壳包括至少一个冷却剂套以便形成液体冷却装置。以这种方式，可以提供多级涡轮增压器设置，与前面的系统相比这种设置成本低并且其中两个涡轮能够设置成靠近发动机。当单独或结合附图阅读具体实施方式
时，将容易明白本发明的上述优点和其他优点以及特征。应当明白，提供上面的发明内容是为了以简单的形式引进选择的构思，这种构思在详细描述中进一步描述。这并不意味着指出所主张主题的关键或基本的特征，所主张主题的范围由权利要求唯一地限定。而且，所主张的主题不限于解决上面或本发明的任何部分指出的任何缺点的实施方式。
图I以剖视图的方式示出控制元件处于关闭位置的内燃发动机的第一实施例的排气系统的一部分图2以剖视图的方式示出图I所示的内燃发动机的实施例，其中控制元件处于打开位置图3示意地示出包括图I和图2所示的涡轮增压器结构的多汽缸发动机的单个汽缸。图4是示出用于控制通过根据本发明实施例的多级涡轮增压器系统的气流的方法的流程图。CN 102913317 A
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具体实施例方式为了在发动机速度-载荷映射图的所有区获得涡轮增压器的有效运行，多个涡轮增压器可以串联设置。但是，附加的涡轮增加到达后处理装置之前的排气行进路径的长度， 潜在地冷却排气并且降低后处理装置的效率。根据本文公开的实施例，至少两个涡轮增压器可以串联设置并且连接于集成在发动机的汽缸盖中的排气歧管。因此，涡轮增压器可以接近发动机设置。根据典型的系统，邻接发动机汽缸排气口的排气管路至少部分地集成在汽缸盖中。在本情况下，该至少两个汽缸的排气管路汇合，在汽缸盖内形成总排气管路，以便形成至少一个集成排气歧管。排气管路的汇合形成总排气管路，在本发明的范围内，一般叫做排气歧管。集成排气歧管允许非常紧凑的内燃发动机结构。歧管的排气管路的总长度被显著缩短，这产生另外的优点，特别是关于增压方面。在排气歧管的下游，排气供给排气涡轮增压器的至少一个涡轮。当利用排气涡轮增压器时，从根本上追求设置增压器的涡轮尽可能靠近发动机，也就是说，尽可能靠近汽缸的排气口，以便因而能够最佳利用由排气压力和排气温度有影响地确定的热排气的排气焓，并且确保涡轮增压器的快速响应行为。而且，到不同排气后处理装置的热排气的路径也应当尽可能短，使得给予排气很少的凉下来的时间，并且排气后处理系统尽快达到其运行温度或起燃温度，特别是在内燃发动机的冷起动之后。因此位于汽缸的排气口和涡轮之间的，或在汽缸的排气口和排气后处理系统之间的排气管路部分的热惯性也应当尽可能低，这能够通过减少相应部件的质量和长度得到。为了实现所述目标，正如在根据本发明的内燃发动机中，排气管路在汽缸盖内汇合以便形成至少一个集成排气歧管是有利的。由于集成的结果排气管路的长度减少，结果不仅设置在总排气管路中涡轮上游的排气系统的热惯性减小，而且管路体积减小，也就是说涡轮上游的排气管路的排气体积也减小。这改进涡轮的响应行为并且增加在到涡轮的进气口处的排气的焓。虽然作为歧管集成的结果单个涡轮容易设置成靠近发动机，但是例如如果串联设置的两个涡轮在总排气管路中设置在集成排气歧管的下游，正如在作为本发明主题的内燃发动机中，则已经证明前面的系统中的一个问题是同时设置多个涡轮靠近发动机。在本发明涉及串联连接的两个涡轮增压器的情况下，这意味着两个相关的涡轮串联连接。优选压缩机也串联连接，但也可以并联设置。在涡轮串联设置的情况下，正如前面已经提到的，已经证明设置两个涡轮靠近发动机是成问题的。为了设置两个涡轮靠近发动机，分配器外壳可以连接于排气歧管和两个涡轮。这样的实施例是有利的，其中分配器外壳包括控制元件，在打开位置该控制元件打开旁通管路，旁通小涡轮，并且在关闭位置该控制元件封闭所述旁通管路，其中该旁通管路开口进入大涡轮上游的总排气管路中。根据本发明，在至少一个汽缸盖的外面，排气不直接供给小的高压涡轮而是供给分配器外壳，从分配器外壳排气能够直接供给小的高压涡轮，并且如果小涡轮通过打开控制元件被停用，则经由旁通该高压涡轮的旁通管路还直接供给大的低压涡轮。分配器外壳的使用使两个涡轮能够设置成靠近发动机。
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在本发明的背景下，将一直使用术语“高压涡轮”和“低压涡轮”，尤其是即便小的高压涡轮通过打开控制元件被停用并且排气直接供给低压涡轮，也就是说只有一级排气涡轮增压器起作用的情况下。在这里，这样的实施例是有利的，其中两个涡轮的涡轮外壳设置在分配器外壳的相对两侧，例如，大涡轮的外壳设置在分配器面朝汽缸体的一侧，而小涡轮，也就是说第一涡轮外壳设置在分配器外壳的远离该汽缸体的相对侧上。根据本发明的内燃发动机在如下运行状态已经证明在运行状态是特别有利的，其中小涡轮通过打开控制元件被停用，也就是说关闭，并且排气经由旁通小涡轮的旁通管路直接供给大涡轮。由于利用分配器外壳，当高压涡轮被停用时到大的低压涡轮的总排气管路的长度比较短。具体说这是通过旁通管路被集成在压缩机外壳中实现的。通过打开旁通管路，小涡轮被停用并且歧管被短路到进入低压涡轮的进气口区域。在低排气量的情况下，也就是说，在低旋转速度或低载荷的情况下，排气优选通过两个涡轮，也就是说，在旁通管路被关闭的情况下，也就是说在控制元件位于关闭位置的情况下，所有的排气首先供给小涡轮以便产生希望的进气压力。在小涡轮的下游，然后排气被引导通过大的低压涡轮。在这里，焦点不在大的低压涡轮参与产生进气压力。而是旨在保持大涡轮的转子的旋转运动。以这种方式，改进排气涡轮增压设施的响应行为，因为当在朝着比较高排气量变化的情况下低压涡轮用来增加产生进气压力的程度并且转子将要被加速时，大涡轮的转子已经处在旋转运动中。随着增加排气量，也就是说，在增加旋转速度和载荷的情况下，通过打开旁通管路小涡轮被停用。在旁通管路打开的情况下，也就是说在控制元件处于打开位置的情况下，优选排气仅仅流过大涡轮。在所述的切换状态，在一些情况下或在没有进一步的措施的情况下，其余的排气流也能够流过小涡轮并且保持转子旋转。然而，在本发明的范围内，即使在停用的情况下也涉及到小涡轮。但是，这样的实施例也是有利的，其中当处于打开位置时控制元件封闭或关闭小涡轮下游的总排气管路。但是控制元件也可以用来在两个涡轮之间实现希望的排气流分配。为此，优选可以以连续可变的方式调节控制元件，其中它允许供给两个涡轮的局部排气流的变化。将控制元件设置在分配器外壳中是有利的，因为控制元件不占用发动机舱的另外的安装空间。控制元件集成在外壳中允许利用控制元件而不需要另外的空间。用于制造涡轮外壳的材料的选择或用于涡轮的冷却装置的提供或冷却装置的省略根据本发明以对应于上面描述的内燃发动机的运行并且关于要实现的目的以合适的方式进行。根据本发明，容纳小涡轮的第一涡轮外壳具有至少一个冷却剂套以便形成液体冷却装置。该液体冷却装置显著减少由热排气造成的涡轮或涡轮外壳的热载荷，使得不昂贵的材料能够用来制造第一涡轮外壳。在这里，借助于冷却剂从外壳消散的热量通常能够利用内燃发动机的现有的液体冷却装置来处理，因为仅小量排气通过这使得相关外壳经受小强度的热载荷，或小涡轮被仅被小量热排气作用。对应于低排气量的要被消散的热量很低。小涡轮的液体冷却允许自由的材料选择，并且因此允许利用重量轻的不昂贵的材料。CN 102913317 A
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6/12 页正如所说明的，通过根据本发明的内燃发动机，实现了本发明所基于的第一目的，具体说该目的是提供一种相对于以前的系统而言较便宜并且两个涡轮能够设置成靠近发动机的增压内燃发动机。根据本发明该内燃发动机的至少一个汽缸具有至少一个集成排气歧管，也就是说，如果合适也可以是两个或三个集成歧管。·具有例如直线排列的四个汽缸的汽缸盖的实施例，其中外侧汽缸的排气管路和内侧汽缸的排气管路在每种情况下汇合以形成一个总排气管路，同样是根据本发明的汽缸盖。如下也是真实实施例，其中内侧汽缸的排气管路汇合在汽缸盖内形成总排气管以便形成集成排气歧管，并且外侧汽缸在每种情况下具有单个分开的排气管路。如下也是真实实施例，其中在每种情况下外侧汽缸的排气管路和相邻内侧汽缸的排气管路汇合以在汽缸盖内形成总排气管路，以便形成集成排气歧管，其中以这样的方式形成的两个集成排气歧管通过两个排气口离开该汽缸盖。这样的实施例也是有利的，其中该汽缸盖的所有汽缸的排气管路在汽缸盖内汇合以形成单个的，也就是说共用的总排气管路。这样的内燃发动机的实施例是有利的，其中容纳大涡轮的第二涡轮外壳不具有液体冷却装置。利用液体冷却装置消散在高排气量的情况下在低压涡轮内引起的热量需要相应的冷却系统，也就是说相对于传统内燃发动机进行修改的冷却系统，为了该原因，省去第二涡轮中的液体冷却装置是有利的。于是，由于没有冷却装置，利用更耐热的材料制造大润轮的外壳。这样的内燃发动机的实施例是有利的，其中至少部分分配器外壳和部分第一涡轮外壳一体地构造并且形成整体式部件。这样的内燃发动机的实施例是有利的，具体说是其中分配器外壳和第一涡轮外壳一体地构造以形成整体式部件。原则上，由于单件结构的结果，在分配器外壳和涡轮外壳之间不需要气密的、耐高热的并且昂贵的连接，这带来成本优势，而且没有由于渗漏排气逃逸到环境中的危险。能够实现第一涡轮的特别封闭的连接布置，因为它不再需要提供装配工具的通道，这简化了涡轮外壳和分配器外壳两者的构造结构，并且关于涡轮的运行能够最佳化。这两个外壳可以具有比较小的容积结构并且小涡轮的转子可以设置成靠近进气口区域或靠近歧管，如果允许装配通道这不是完全可能的。如果涡轮外壳和分配器外壳是液体冷却的，并且如果集成在涡轮外壳中的冷却剂套连接于分配器外壳的冷却剂套，并且如果经由分配器外壳合适地供给冷却剂，则由于至少部分地集成的外壳结构不再需要借助于外部管路连接两个冷却回路或冷却套。在这里，集成在分配器外壳中的冷却剂套也可以用来共同形成设置在该外壳中的冷却剂套，使得在两个原来独立的冷却剂套实际意义上的连接不再存在，或不再形成。关于排气流已经进行的说明类似地应用于冷却回路或冷却剂套的连接和冷却剂的渗漏。而且，管路的集成导致部件数目减少和更加紧凑的结构。装配时间也大大缩短。整体式部件有利地形成为铸造部件，优选用铝形成，与用钢材相比结果产生明显的重量节省。铝外壳的制造成本同样也比较低。然而，该整体式部件也可以用铸铁或其他铸造材料制造。这是因为根据所述实施例的整体结构的优点，例如，由于省去多余的连接和连接元件，保持紧凑的结构和重量以及
9安装空间的节省而与所用的材料无关。这样的内燃发动机的例子是有利，其中分配器外壳和第一润轮外壳是以以非锁紧联接(non-positively locking)、锁紧联接(positively locking)和/或粘接方式相互连接的单独的部件。第一涡轮或第一涡轮外壳和分配器外壳是单独的部件并且在装配期间相互连接的模块化设计具有以下优点按照模块化设计的原则首先涡轮可以与其他分配器外壳组合，其次分配器外壳可以与其他涡轮组合。部件的通用性通常增加生产量，结果单位成本降低。如果涡轮和分配器外壳以可以互换，也就是说可以代替，由于缺陷造成的成本也减少。而且，模块化设计允许两个外壳使用不同的材料，结果外壳的热载荷的不同水平被允许。如果只有两个外壳中的一个装有液体冷却装置，则这是特别适当的。如果，借助于涡轮外壳的液体冷却装置，容纳小涡轮的第一外壳部件不被冷却到使它能够免去利用耐高热的材料制造所述外壳部件的情况下，由于模块化设计，至少能够用不太耐热的并且因此不太昂贵的材料制造第二、大外壳部件。这样的内燃发动机的实施例是有利，其中分配器外壳具有至少一个冷却剂套以便形成液体冷却装置。该液体冷却装置减少分配器外壳的热载荷，因此比较廉价的材料能够用来制造分配器外壳。而且，控制元件的热载荷通过分配器外壳的液体冷却装置减小，因此同样能够免去利用昂贵的耐热材料用于形成控制元件。热载荷的减小还减少控制元件的灵敏度的下降，例如用作控制元件的活门(flap)的卡住。在这方面，这样的内燃发动机的实施例是有利的，其中分配器外壳的至少一个冷却剂套连接于第一涡轮外壳的至少一个冷却剂套。两个冷却剂回路或冷却剂套的连接使得两个回路能够装有共用的泵和共用的换热器，并且以这种方式，部件的数量和成本可以减少。关于分配外壳和第一涡轮外壳的互作用参考上面已经进行的描述。这样的内燃发动机的实施例是有利的，其中小涡轮下游的总排气管路再一次进入分配器外壳，并且通过所述分配器外壳并且通向大涡轮。所述措施有助于实现紧凑的结构并且尤其是按照下面的实施例旁通管路集成在分配器外壳中。具体地，这样的内燃发动机的实施例是有利的，其中旁通管路完全集成在分配器外壳中。这种措施也有助于实现紧凑的结构并确保短的管路，这进一步缩短包括旁通管路的排气管路的总长度。由于旁通管路的集成，在旁通管路和总排气管路之间不需要气密的耐高热的并且昂贵的连接。这带来成本优势，而且消除了由于渗漏排气不希望地逃逸到环境中的危险。这样的内燃发动机的实施例是有利的，其中控制元件是阀、滑片、活门等。这样的内燃发动机的实施例是特别有利的，其中控制元件是可枢转的活门。关于控制元件，这样的实施例是有利的，其中控制元件是可用电、用液压、用气动、用机械或用磁控制的，例如借助于内燃发动机的发动机控制器，或者借助于进气压力调节。这样的内燃发动机的实施例是有利的，其中控制元件能够以两级方式切换，这简化了控制并且特别是提供成本优势。在这里，控制元件从封闭旁通管路的关闭位置运动到打开位置，以便通过打开旁通管路使小涡轮停用。
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当控制元件致动时为了防止意外的转矩下降或转矩增加，连续可变的切换或换向动作是优选的。因此这样的实施例也是有利的，其中控制元件能够以连续可变的方式调节。这样的内燃发动机的实施例是有利的，其中提供从大涡轮上游的总排气管路分支的第二旁通管路。借助于第二旁通管路，排气能够被引导绕过大涡轮。这使得涡轮能够配 置成用于中等的排气量，从而，改进高载荷范围中的转矩特性。在发生最大排气量的运行状态，部分排气被放出。在这方面，这样的内燃发动机的实施例是有利的，第二旁通管路从分配器外壳中的总排气管路分支。这允许关闭元件设置在分配器外壳中或分配器外壳上。特别地，这样的内燃发动机的实施例是有利的，关闭元件设置成在打开位置打开该第二旁通阀，并且在关闭位置封闭所述第二旁通管路。这样的内燃发动机的实施例是有利的，其中该第一涡轮外壳和第二涡轮外壳用不同的材料制造。所述实施例允许根据本发明的第一涡轮外壳具有至少一个冷却剂套，而大涡轮优选不具有液体冷却装置。这样的内燃发动机的实施例是有利的，其中至少一个汽缸盖具有冷却剂套。根据本发明的汽缸盖具有集成排气歧管，并且因此比具有外部歧管的常规汽缸盖具有更高的热载荷，结果对冷却装置赋予更高的要求。而且，汽缸盖的液体冷却也是有利的，因为增压内燃发动机的汽缸盖比常规的自然吸气的发动机的汽缸盖具有更高的热载荷。冷却装置采用空气冷却装置或液体冷却装置在根本上是可能的。由于液体与空气相比具有显著较高的热容量，通过液体冷却能够消散比空气冷却显著多的热量。液体冷却需要汽缸盖具有冷却剂套，也就是说，需要提供引导冷却剂通过汽缸盖的冷却剂导管。热消散给已经在汽缸盖里面的冷却剂，通常是具有添加剂的水。在这里，冷却剂通过设置在冷却回路中的泵被供给，使得所述冷却剂在冷却剂套中循环。消散到冷却剂中的热以这种方式从汽缸盖内部排出，并且在换热器中再一次从冷却剂汲取。如果至少一个汽缸盖具有冷却剂套，这样的实施例是有利的，其中该涡轮外壳中的至少一个冷却剂套和/或分配器外壳中的至少一个冷却剂套连接于该汽缸盖中的冷却剂套。这样的内燃发动机的实施例是有利的，其中每个汽缸具有用于将排气排放到汽缸外面的至少两个排气口。正如已经提到过的，在进气交换的背景下进行排气排放的期间，一个目的在于尽快地打开最大可能的流动截面以便确保排气的有效排出，为此，提供多于一个的排气口是有利的。在这里，这样的实施例是有利的，其中在该至少两个汽缸的部分排气管路汇合以形成总排气管路之前，每个汽缸的至少两个排气口的排气管路首先汇合以形成与该汽缸有关的部分排气管路。所有排气管路的总的长度以这种方式被缩短。排气管路的阶梯式汇合以形成总排气管路也有助于更加紧凑，也就是说，汽缸盖的小体积结构，并且因此具体减少重量和在发动机舱中更有效的封装。但是这样的实施例也是有利的，其中每个汽缸具有用于将排气排出到该汽缸外面的一个排气口。所用的两个涡轮的每个可以具有可变涡轮几何形状，这通过调节涡轮几何形状或有效的涡轮截面，允许宽范围适应相应内燃发动机的工作点。在这里，用于影响流动方向的导向叶片设置在涡轮转子的上游。与旋转转子的导向叶片相反，该导向叶片不与涡轮的轴一起旋转，也就是说不与转子一起旋转。导向叶片适当地设置以便是静止的但是不是完全不可运动的，而是绕其轴线可以旋转，使得到达叶片的流能够被影响。相反，如果涡轮具有固定的不可变的几何形状，则导向叶片设置成以便不仅仅是静止的而是完全不可运动的，也就是说是严格固定的。图I以剖视的形式示出具有位于关闭位置的控制元件7的内燃发动机的第一实施例的排气系统的一部分。汽缸的排气管路汇合，以在汽缸盖内形成总排气管路5,以便形成集成排气歧管4。从汽缸盖伸出的总排气管路5在歧管4的下游进入分配器3外壳3a中，从分配器3外壳3a，从此处排气能够在不同尺寸的两个涡轮1、2之间进行分配，其中涡轮1、2是或能够是串联设置的。总排气管路5通过分配器外壳3a通向小涡轮I。为此，总排气管路5从分配器外壳3a进入到容纳小涡轮I的转子Ib的第一涡轮外壳la。在小涡轮I的下游总排气管路5再一次进入分配器外壳3a。排气经由总排气管路5通过分配器外壳3a进入容纳大涡轮2的转子2b的第二涡轮外壳2a。在这种情况下，三个外壳la、2a、3a形成相互连接的单独的部件。为了示出这种情况，外壳la、2a、3a被示出成在它们的装配表面稍稍分开。用作控制元件7的活门(flap) 7a设置在分配器外壳3a中，这个活门是可枢转的并且打开并关闭旁通该小涡轮I的旁通管路。图I示出具有位于关闭位置的活门7a的内燃发动机。在所示的活门7a的切换状态，排气流过小的高压涡轮I并且流过大的低压涡轮2。第二旁通管路8用来放出或排出(blow off)朝向大第二涡轮2的排气，为此，第二旁通管路8从大涡轮2上游的总排气管路5分支。第二旁通管路8从分配器外壳3a内的总排气管路5分支。设置关闭元件9以便在打开位置打开第二旁通管路8，在关闭位置封闭第二旁通管路8。第一涡轮外壳Ia和分配器外壳3a两者都具有至少一个冷却剂套lc、3b，以便形成液体冷却装置。该液体冷却装置减少由于热排气产生的外壳la、3a的热载荷，使得廉价材料能够用于制造所述外壳。图2以剖面图的形式示出图I中所示的内燃发动机的实施例，其中控制元件7位于打开位置。仅仅为了说明关于图I的额外的特征，为此参考图I和相关的描述。相同的参考符号用于相同的部件。如果排气量超过可预定的排气量，旁通管路6由枢转的活门7a打开，并且小涡轮I被停用。在图2所示的实施例中，在打开位置的活门7a不完全封闭小涡轮I下游的总排气管路5。旁通管路6开口进入大涡轮2上游的总排气管路5中，使得绕过小涡轮的排气能够被引导通过大涡轮2。图3是多汽缸发动机110的一个汽缸116的示意图，其可以包括在汽车的推进系统中。发动机110包括在其装配端侧彼此连接以便形成燃烧室的汽缸盖112和汽缸体114。发动机110包括具有在图3中示出涡轮172和174的多级涡轮增压器。涡轮172是涡轮I的一个非限制性的例子，而涡轮174是涡轮2的一个非限制性的例子。发动机110的燃烧室(即，汽缸)116可以包括活塞120设置在其中的燃烧室壁118。活塞120可以连接于曲轴122，使得活塞122的往复运动转变成曲轴的旋转运动。曲轴122可以经由中间传动装置连接于车辆的至少一个驱动轮。而且，起动机可以经由飞轮连接于曲轴122,以实现发动机的启动操作。燃烧室116可以经由进气管路或进气道124接收来自进气歧管(未示出)的进气，并且可以经由排气管路或排气道126排出燃烧过的气体。排气道126可以连接于排气歧管170，在所示的实施例这个该排气歧管170集成在汽缸盖112中。进气道124和排气道126能够经由进气口 128和排气口 130和相应的进气门132和排气门134选择地与燃烧室116连通。在一些实施例中，燃烧室116可以包括两个或两个以上的进气门和/或两个或两个以上的排气门。在运行期间，发动机110内的每个汽缸通常经历四个冲程循环该循环包括进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程。在进气冲程期间，一般而言，排气门134关闭而进气门132打开。空气经由进气道124进入燃烧室116，并且活塞120运动到汽缸底部以便增大燃烧室116内的容积。在活塞120接近汽缸底部并且在其冲程的末尾(例如，当燃烧室116在其最大容积时)的位置通常被本领域的技术人员叫做发动机下止点(BDC)。在压缩冲程期间，进气门132和排气门134都关闭。活塞120朝着汽缸盖运动以便压缩燃烧室116内的空气。在活塞120处在其冲程末尾并且最接近汽缸盖(例如，当燃烧室116处在最小容积时)的位置通常被本领域的技术人员叫做发动机上止点(TDC)。在其后叫做喷射的过程中，燃料进入燃烧室中。在其后叫做点火的过程中，喷射的燃料通过诸如火花塞(未示出)的已知的点火装置被点火，产生燃烧。在膨胀冲程期间，膨胀的气体将活塞向后推到BDC。曲轴122将活塞移动转换成旋转轴的旋转转矩。最后，在排气冲程期间，排气门134打开以释放燃烧过的空气燃料混合物到排气道126并且活塞返回到TDC。应当指出，上面仅仅作为一个例子示出，并且进气和排气门的打开和/或关闭正时可以变化，例如，提供正的或负的气门重叠、延迟的进气门关闭或各种其他例子。图3所示的气门致动装置包括多个凸轮140和142设置在其上的两个凸轮轴136和138。在底置式凸轮轴和顶置式凸轮轴之间具有基本区别。这涉及分开平面，也就是说，汽缸盖和汽缸体之间的装配表面。如果凸轮轴设置在所述装配表面上面，这个凸轮轴是顶置式凸轮轴，否则的话是底置式凸轮轴。顶置式凸轮轴优选安装在汽缸盖中并且在图3中示出。汽缸盖112在装配端侧连接于用作曲轴箱144的上半部的汽缸体114，用于将曲轴保持在至少两个轴承中，其中一个轴承示出为曲轴轴承146。在离开汽缸盖112的一侧，汽缸体114连接于用作下半部曲轴箱并且设置成用于收集并储存发动机油的机油盘148。在由燃料的放热化学反应引起燃烧期间释放的热经由限定燃烧室116的壁部分地消散在汽缸盖112和汽缸体114中并且经由排气流部分地消散在相邻部件和环境中。为了减少汽缸盖上112的热应力，一些弓I进汽缸盖112的热流可以再一次从汽缸盖112除去。因此，汽缸盖112可以包括一个或更多个冷却剂套160、162。如图3所示，下部是套160设置在排气管路126和汽缸盖112的装配端侧之间，而上部冷却剂套162设置在排气道126的与冷却剂套160相对的一侧上。正如所示的，冷却剂套160经由流通道连接于冷却剂套162，该流通道又连接于涡轮增压器涡轮172，以便对涡轮增压器提供冷却剂流。涡轮172可以包括容纳该涡轮的外壳。该外壳可以包括至少一个冷却剂套以便形成液体冷却装置。因此，冷却剂可以通过设置在汽缸盖112的排气道侧的至少一个冷却剂套160流到涡轮172的冷却剂导管。因此，涡轮172可以是水冷涡轮。由于涡轮174不经由发动机冷却系统接收冷却剂，涡轮174可以叫做非水冷却涡轮。如图3所示，涡轮172在汽缸盖112的外侧上连接于汽缸盖112。但是，在一些实施例中涡轮172可以集成在汽缸盖112中。虽然图3没有示出，但是通过涡轮172和174的气流可以通过设置在涡轮之间的旁通管路中的控制元件调节，正如在上面关于在图2中说明的。控制系统22可以调节发动机110的各方面。该控制系统22具体包括处理器24、存储器26和控制单元28，该处理器设置成执行本文描述的方法。此外，控制系统22包括合适的输入器30，用于收集输入变量，例如内燃发动机旋转速度和载荷，和/或涡轮172、174的旋转速度。而且，控制系统22包括输出32，用于致动各种致动元件，例如两个涡轮之间的控制元件(例如元件7)。控制系统22还可以具体包括电子发动机控制系统的一部分。因此，上面提出的系统提供一种发动机系统，包括集成在汽缸盖中的排气歧管，流体地连接于该排气歧管并且通向较小的第一涡轮和较大的第二涡轮的分配器外壳，该第一和第二涡轮串联地设置，以及设置在分配器外壳中的控制元件。该第一涡轮是水冷涡轮而第二涡轮是非水冷涡轮。该系统还包括控制器，其包括用于在高发动机载荷期间打开控制元件并且在低发动机载荷期间关闭控制元件的指令。当控制元件被关闭时，排气通过第一涡轮，而当控制元件打开时，排气通过第二涡轮。现在参考图4，图4示出用于控制多级涡轮增压器中的气流的方法200。方法200可以根据储存在系统中的指令由诸如控制系统22的控制系统执行。方法200可以调节通过多级涡轮增压器的第一较小的涡轮(例如图I中的涡轮I)的气流，和多级涡轮增压器的第二较大的涡轮(例如图I中的涡轮2)的气流。方法200包括在202确定发动机的运行参数。该运行参数可以包括发动机速度、发动机载荷、排气质量气流量和其他参数。在204，判断排气量是否低于阈值。该排气量可以是上面确定的排气质量气流量。在其他例子中，该排气量可以根据发动机速度和发动机载荷近似。该阈值排气量可以根据涡轮增压器的技术规格变化，但是可以这样的量，高于这个量则第一涡轮损失效率。在一个例子中该阈值可以是在中等发动机载荷产生的排气量。如果排气量低于阈值，则方法进行到206，关闭旁通管路中的控制元件以便致动第一涡轮。正如上面所说明并且在下面更详细地说明的，第一涡轮可以小于第二涡轮，并且可以用较少的排气流有效地运转。因此控制元件(可以是图I中的控制元件7)可以被关闭以便使排气通过第一涡轮。如个排气量不低于阈值量，则方法200进行到208，打开旁通管路中的控制元件以旁通第一涡轮。通过打开控制元件，排气将通过第二涡轮而不通过第一涡轮。因此，在高排气量的状态下，第二涡轮可以被致动。因此，提供上面描述的方法，在低排气流量的情况下控制元件处于关闭位置，当排气量超过预定排气量或可预定排气量时，借助于控制元件被打开，打开旁通管路。集成根据本发明的内燃发动机进行的描述同样可以应用于根据本发明的方法。CN 102913317 A
书
明
说
12/12 页如果根据本发明的内燃发动机利用量调节，其中载荷借助于新鲜混合物的量受到控制，根据本发明的运行内燃发动机的方法意味着如果，假设恒定的旋转速度，内燃发动机的载荷超过预定的载荷，旁通管路借助于控制元件被打开而打开，这是因为所述类型内燃发动机的中的排气量对应于载荷，其中排气量随着载荷的增加而升高并且由于减少载荷而降低。原则上，在恒定载荷的情况下，排气量随着旋转速度的增加而增加 相反，如果内燃发动机基于质调节，其中载荷借助于新鲜混合物的成分来控制并且排气量基本随着旋转速度变化，那么在根据本发明的用于运行所述内燃发动机的方法中，如果内燃发动机的旋转速度超过预定的旋转速度，旁通管路借助于控制元件的打开而打开，因为在这种情况下，排气量随着旋转速度增加而升高并且随着旋转速度减小而降低。根据本发明的内燃发动机是利用排气涡轮增压内燃发动机，其中可以附加地考虑在进气侧的进气压力可以随着载荷和/或旋转速度变化并且同样对排气量具有影响。在排气量和载荷或旋转速度之间存在上面简化形式的关系，于是因此不应用于所述一般形式。因此根据本发明的方法非常普遍地适合于排气量而与非载荷或旋转速度。实践中，优选控制元件的致动作为燃烧空气质量和进气压力的函数发生，因为这两个操作变量都能够容易确定或已经获得，并且燃烧空气质量不同于排气量的仅仅在于引入的燃料量，其同样是已知的。在这方面，如下方法变型是有利的，其中从控制元件在低排气流量情况下处于关闭位置开始进行，当燃烧空气质量超过预定的燃烧空气质量和/或进气压力超过预定的进气压力时，借助于打开控制元件而打开旁通管路。如下方法变型是有利的，其中如果只有内燃发动机的排气量超过预定的排气量并且在预定的时间段At1大于所述预定的排气量时，借助于打开控制元件而打开旁通管路。引入用于打开旁通管路的附加条件的目的在于如果排气量仅仅短暂地超过预定的排气量并且然后再次下降或围绕排气量的预定值波动，而没有超出量来证明打开旁通管路的正当性，则防止过分频繁的模式变化。接下来用于关闭旁通管路的类似过程是有利的。也就是说，当排气量降低到可预定的值以下时再一次关闭旁通管路。在这里，如下方法变型是有利的，其中当排气量降到预定排气量以下且低于预定排气量持续预定的时间段At2时进行关闭。应当明白，本文所公开的结构和方法在性质上是示范性的，并且这些具体的实施例不被认为是限制性的，因为许多变化是可能的。例如，上述技术可以用于V-6、1-4、1-6、V-12、对置4缸以及其他发动机类型。本发明的主题包括本文所公开的各种系统和结构、以及其他特征、功能和/或性质的所有新颖的和非显而易见的组合和子组合。权利要求具体指出被认为是新颖且并非显而易见的一些组合和子组合。这些权利要求提到“一”元件或“第一”元件或其等同用语。这些权利要求应当理解为包括一个或一个以上的这种元件的集成，既不要求也不排除两个或两个以上的这种元件。所公开的特征、功能、元件和/或性质的其他组合或子组合可以通过修改这些权利要求或通过在这个或相关申请中提出新的权利要求来主张。这些权利要求，无论比原权利要求的范围更宽、更窄、相等或不同都认为包含在本发明的主题内。
1权利要求
1.一种增压内燃发动机,包括 具有至少两个汽缸的至少一个汽缸盖，每个汽缸具有用于排出排气的至少一个排气口，并且每个排气口邻接排气管路，并且其中至少两个汽缸的排气管路汇合以在所述汽缸盖内形成总排气管路，以便形成集成排气歧管； 串联设置的至少两个涡轮，所述两个涡轮具有不同的尺寸并且在所述总排气管路中设置在所述排气歧管的下游； 分配器外壳，其中所述歧管下游的总排气管路进入并通过所述分配器外壳并且通向所述两个涡轮中的小涡轮；以及 容纳所述小涡轮的第一涡轮外壳，所述第一涡轮外壳包括至少一个冷却剂套以便形成液体冷却装置。
2.根据权利要求I所述的增压内燃发动机，其中所述分配器外壳包括控制元件，所述控制元件在打开位置时打开旁通所述小涡轮的旁通管路，并且在关闭位置时封闭所述旁通管路，其中所述旁通管路接入所述两个排气涡轮中的大涡轮上游的所述总排气管路中。
3.根据权利要求2所述的增压内燃发动机，其中所述旁通管路完全集成在所述分配器外壳中。
4.根据权利要求2所述的增压内燃发动机，其中所述控制元件是可枢转的活门。
5.根据权利要求2所述的增压内燃发动机，其中设置有在所述大涡轮下游从所述总排气管路分支的第二旁通管路。
6.根据权利要求5所述的增压内燃发动机，其中所述第二旁通管路从所述分配器外壳内的所述总排气管路分支。
7.根据权利要求6所述的增压内燃发动机，其中设置有关闭元件，所述关闭元件在打开位置打开所述第二旁通管路，并且在关闭位置封闭所述第二旁通管路。
8.根据权利要求2所述的增压内燃发动机，其中容纳所述大涡轮的第二涡轮外壳没有配设液体冷却装置。
9.根据权利要求8所述的增压内燃发动机，其中所述第一涡轮外壳和所述第二涡轮外壳用不同的材料制造。
10.根据权利要求I所述的增压内燃发动机，其中至少部分所述分配器外壳和至少部分所述第一涡轮外壳集成构造并且形成整体式部件。
11.根据权利要求I所述的增压内燃发动机，其中所述分配器外壳和所述第一涡轮外壳集成构造并且形成整体式部件。
12.根据权利要求I所述的增压内燃发动机，其中所述分配器外壳和所述第一涡轮外壳是单独的部件，它们以非锁紧联接、锁紧联接和/或粘接方式相互连接。
13.根据权利要求I所述的增压内燃发动机，其中所述分配器外壳配设有至少一个冷却剂套以便形成液体冷却装置。
14.根据权利要求13所述的增压内燃发动机，其中所述分配器外壳的所述至少一个冷却剂套连接于所述第一涡轮外壳的所述至少一个冷却剂套。
15.根据权利要求I所述的增压内燃发动机，其中所述小涡轮下游的所述总排气管路再一次进入所述分配器外壳中并且通过所述分配器外壳并通向所述两个涡轮的大涡轮。
16.—种用于运行内燃发动机的方法,包括当排气量低于可预定排气量时关闭位于两个涡轮之间的旁通管路中的控制元件，以便使排气通过所述两个涡轮中的第一较小涡轮；和 当排气量超过可预定排气量时打开所述控制元件，以便旁通所述小涡轮。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述控制元件被移动到打开位置以便停用所述小涡轮。
18.—种发动机系统,包括 集成在汽缸盖中的排气歧管； 流体地连接于所述排气歧管并且通向较小的第一涡轮和较大的第二涡轮的分配器外壳，所述第一涡轮和第二涡轮串联地设置；以及设置在所述分配器外壳中的控制元件， 其中所述第一涡轮是水冷涡轮而所述第二涡轮是非水冷涡轮。
19.根据权利要求18所述的发动机系统，还包括控制器，所述控制器包括在高发动机载荷期间打开所述控制元件并且在低发动机载荷期间关闭所述控制元件的指令。
20.根据权利要求19所述的发动机系统，其中当所述控制元件关闭时，排气通向所述第一涡轮，而当所述控制元件打开时，排气通向所述第二涡轮。
全文摘要
本发明公开了增压发动机的实施例。在一个示例中，增压发动机包括具有至少两个汽缸的汽缸盖，每个汽缸具有用于排出排气的至少一个排气口，并且每个排气口与排气管路邻接，其中至少两个汽缸的排气管路汇合以在该汽缸盖内形成总排气管路，以便形成集成排气歧管；串联设置的至少两个涡轮，该两个涡轮具有不同的尺寸并且在总排气管路中设置在排气歧管的下游；分配器外壳，其中歧管下游的总排气管路进入并通过分配器外壳通向两个涡轮中的小涡轮；以及容纳小涡轮的第一涡轮外壳，第一涡轮外壳包括至少一个冷却剂套以便形成液体冷却装置。
文档编号F02B37/18GK102913317SQ20121027441
公开日2013年2月6日 申请日期2012年8月3日 优先权日2011年8月3日
发明者K·S·库尔贝奇, N·A·斯科恩, C·韦伯 申请人:福特环球技术公司