用于增压内燃发动机多通道涡轮可变舌间距的系统和方法
【专利摘要】本申请公开一种具有双流涡轮增压器的内燃发动机，其包含具有至少一个舌状端的圆形支架，其中所述圆形支架可沿着涡轮转动轴以平移的方式调整。移动该圆形支架通过改变至转子的舌间距来影响涡轮通道的分离行为的程度。
【专利说明】
用于增压内燃发动机多通道涡轮可变舌间距的系统和方法[0001 ] 互相参考相关申请
[0002]本申请要求2013年7月9日提交的德国专利申请第102013213450.9号的优先权，该申请的全部内容通过引用合并于此以用于所有目的。
【背景技术】
[0003]具有多通道涡轮的涡轮增压发动机包含壁件，该壁件将通道分开直到转子的范围，以便改变两个通道之间的相互作用。双通道涡轮能够分离两个气缸排气组的两股气流，这有助于提高低端扭矩。双流涡轮的效率和分离特征受到涡轮壳体壁的舌状物于涡轮机叶轮之间的间距的影响。发动机可以考虑涡轮在不同工况下的不同间距特征以增加效率。
[0004]一种方案是提供壁件，该壁件将通道彼此分开直到转子，在低发动机转速/负荷下，这有助于脉冲机械增压。另一种方案是提供壁件，该壁件与转子有一段间距，因而在两个通道之间提供一定程度的相互作用，在高发动机转速/负荷下，这有助于冲压机械增压。
[0005]本发明人注意到，关于上述方案的一个潜在问题是提供具有固定位置的壁件仅能够在某些工况下优化发动机。
【发明内容】
[0006]至少部分地解决若干上述问题的一种潜在方案包含增压内燃发动机，该内燃发动机包含具有至少两个气缸的至少一个气缸盖以及具有至少一个涡轮的至少一个排气涡轮增压机。增压内燃发动机的每个汽缸包含用于将排气排出汽缸的至少一个排气口，每个排气口由排气管相连。至少两个汽缸被配置为使得形成至少两个汽缸组，每个汽缸组具有至少一个汽缸，每个汽缸组的汽缸的排气管合并以形成相应的总排气管，由此形成排气歧管。所述至少两个总排气管被连接到多通道分段涡轮，所述多通道分段涡轮包含安装在涡轮壳体内的可转动轴上的至少一个转子。在垂直于转子的轴的截面上看来，至少两个通道至少沿着一段弧形部分被布置成一个通道在另一个通道之上并且以不同的半径用螺旋的方式包围至少一个转子，并且每个通道沿着一段圆弧形部分朝向至少一个转子打开，以使得在每种情况下一个总排气管被连接到涡轮的至少两个通道之一。在每种情况下，两个相邻通道至少在涡轮壳体内的总排气管的部分和连续体上借助壳体壁彼此分离。在转子一侧，分开两个相邻通道的至少一个壳体壁具有自由舌状端并且其末端与至少一个转子具有一间距，由此形成舌间距。在此，多通道分段涡轮是至少一个排气涡轮增压器的涡轮，其中提供可移动圆形支架，其具有至少一个舌状元件并且可沿着转动轴以平移的方式移动，以便改变舌间距。当支架处于第一工作位置时，至少一个舌状元件延长了将两个相邻通道分开的壳体壁的自由舌状端，以便减小到至少一个转子的舌间距。当支架处于停歇位置时，至少一个舌状元件被定位成与至少一个转子横向相邻。
[0007]以这种方式，具有可调舌间距的多通道涡轮增压器可以通过舌间距来改变多个通道之间的相互作用程度。因此，流动转移管道可以基于发动机工作参数来打开或关闭，以改变通向转子的多个通道的分离程度并且更好地使能在不同的条件下运行。例如，在高发动机负荷和/或转速下，当在排气歧管中存在大量的排气时，通过调整圆形支架以打开流动转移管道，多个通道之间的相互作用程度可能较高。在另一种示例中，在低发动机负荷下，当存在少量排气时，通过调整圆形支架以关闭流动转移管道，舌间距可以被延长并增加多个通道的分离程度。
[0008]在另一个示例中，一种用于操作增压发动机的方法包含沿着涡轮的转动轴以平移方式将具有至少一个舌状元件的圆形支架从停歇位置移动到第一工作位置，以便通过减少舌间距来增加涡轮的至少两个通道的分离程度。以这种方式，通过减少舌间距，有可能在两个通道内的排气流量存在差异的发动机工况下减少两个通道与涡轮内的相互作用程度。因此，可以极大地降低排气流的压力脉冲的相互影响并且提高涡轮效率。
[0009]应理解提供上述
【发明内容】
是为了以简化形式介绍在【具体实施方式】中进一步描述的概念的选择。它并非旨在识别要求保护的主题的关键或基本特征，要求保护的主题的范围唯一地由随附于【具体实施方式】的权利要求来界定。此外，要求保护的主题并不限于解决上文或在本实用新型的任何部分中所提到的任何缺点的实施方案。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1示出多汽缸涡轮增压发动机的示例性实施例。
[0011]图2示意性示出机械增压内燃发动机的第一实施例的双通道涡轮，其在垂直于转动轴的方向被横截并具有圆形支架。
[0012]图3a示意性示出机械增压内燃发动机的第一实施例的双通道涡轮，其在垂直于涡轮转动轴的方向被横截并具有位于停歇位置的支架。
[0013]图3b示意性示出在相对于图3a转动90度的截面中的图3a所示的涡轮。
[0014]图3c示意性示出机械增压内燃发动机的第一实施例的双通道涡轮，其在垂直于涡轮转动轴的方向被横截并具有位于第一工作位置的支架。
[0015]图3d示意性示出在相对于图3c转动90度的截面中的图3c所示的涡轮。
[0016]图4a示意性示出作为单件式结构的圆形支架。
[0017]图4b示意性示出作为多件式结构的圆形支架。
[0018]图5示出响应于发动机转速和负荷来转移圆形支架的示例性方法。
【具体实施方式】
[0019]本申请涉及一种增压内燃发动机，该内燃发动机包含具有至少两个气缸的至少一个气缸盖以及具有至少一个涡轮的至少一个排气涡轮增压机，其中每个汽缸具有用于将排气排出汽缸的至少一个排气口，每个排气口由排气管相连。至少两个汽缸被配置为使得形成至少两个汽缸组，每个汽缸组具有至少一个汽缸。每个汽缸组的汽缸的排气管合并以形成相应的总排气管，由此形成具有连接到多通道分段涡轮的至少两个总排气管的排气歧管。该涡轮包含安装在涡轮壳体内的可转动轴上的至少一个转子和该涡轮的至少两个通道，在垂直于转子的轴的截面上看来，所述至少两个通道至少沿着一段弧形部分被布置成一个通道在另一个通道之上并且以不同的半径用螺旋的方式包围至少一个转子，并且每个通道沿着一段圆弧形部分朝向至少一个转子打开，以使得在每种情况下一个总排气管被连接到涡轮的至少两个通道之一。两个相邻通道至少在涡轮壳体内的总排气管的部分和连续体上借助壳体壁彼此分离，其中在转子一侧，分开两个相邻通道的至少一个壳体壁具有自由舌状端并且其末端与至少一个转子具有一间距，由此形成舌间距。所述多通道分段涡轮是至少一个排气涡轮增压器的涡轮。
[0020]本申请也涉及一种用于操作所述类型的内燃发动机的方法。
[0021]在引言中提到的内燃发动机类型被用作机动车辆驱动单元。在本申请的背景下，表述“内燃发动机”涵盖柴油发动机、应用点火的发动机以及混合动力内燃发动机。所述混合动力内燃发动机使用混合燃烧过程和混合驱动器，所述混合驱动器不仅包含内燃发动机也包含电机，该电机作为驱动器被连接到内燃发动机并且从内燃发动机接收电力，或者作为可切换辅助驱动器输出额外的电力。
[0022]内燃发动机具有汽缸体和汽缸盖，二者彼此连接起来形成汽缸。汽缸盖通常用于固定阀门驱动器。为了控制充气交换，内燃发动机需要控制元件(通常表现为阀门形式)和用于致动这些控制元件的致动设备。用于阀门运动的阀门致动机构(包含阀门本身)被称为阀门驱动器。在充气交换期间，经由至少两个汽缸的排气口排出燃烧气体，并且经由进气口来进行燃烧室的充气(亦即吸入新鲜的混合气或增压空气)。
[0023]在一些方案中，与排气口相连的排气管至少部分集成在汽缸盖中并且合并以形成常见的总排气管或者合并成多组以形成两个或更多总排气管。在本申请中，合并排气管以形成总排气管通常被称为排气歧管。
[0024]在特定情形中汽缸的排气管合并的方式(亦即排气排放系统的设计结构)基本依赖于优化内燃发动机的运行性能所针对的特征映射区域。
[0025]对于机械增压内燃发动机，其中在排气排放系统中提供排气涡轮增压器的至少一个涡轮，并且其旨在表现出较低发动机转速和/或负荷范围内令人满意的运行性能，即在相对低的排气流量下，所谓的脉冲机械增压被选择。
[0026]在此，出于机械增压的目的并且为了提高内燃发动机的运行性能，特别在充气交换期间，应该利用发生在排气排放系统中的动态波现象。
[0027]在充气交换期间，燃烧气体被驱离内燃发动机的汽缸是大体上基于两种不同的机制。在充气交换开始时，出口阀打开至接近下止点，由于燃烧结束后汽缸内普遍的高压力以及燃烧室和排气管之间的相关高压差，燃烧气体以高速度穿过排气孔进入排气排放系统。所述压力驱动的流动过程是在高压峰值的协助下进行的，所述高压峰值被称为前置出口冲击(pre-outlet shock)并且沿着排气管以音速传播,其中由于摩擦的结果,该压力随着传播距离的增加而或多或少被耗散即减小。
[0028]在进一步的充气交换过程中，汽缸内和排气管内的压力相等，以使得燃烧气体不再主要以压力驱动的方式被驱离，而是由于活塞的往复运动被排出。
[0029]在低发动机转速下，前置出口冲击可以被有利地用作脉冲机械增压，其中较短时间的高压脉冲可以在涡轮中作为能量来利用。以这种方式，即使在低排气流量(特别是低发动机转速)下，也有可能借助于排气涡轮增压来产生高充气-压力比，即在入口侧形成高充气压力。
[0030]脉冲机械增压被证明尤其有利于加速涡轮转子，即增加涡轮转速，该涡轮转速可能在内燃发动机怠速运行期间或低负荷期间下降到明显的程度，并且在需要增加负荷的情况下应该借助于排气流以尽可能小的延迟频繁地反复增加涡轮转速。转子的惯性和转动轴轴承布置的摩擦通常减慢转子向更高转速加速，因而阻碍充气压力的即时升高。
[0031]为了能够利用在排气排放系统中发生的动态波现象(特别是前置出口冲击)来进行脉冲机械增压以提高内燃发动机的运行性能，必须保持排气排放系统中的压力峰值或前置出口冲击。如果压力脉冲在排气管中被增强但至少不彼此衰减或相互抵消，则这是特别有利的。
[0032]因此，有利的是将汽缸划分成组或者将排气管合并，以使得保持排气排放系统中的高压，特别是各个汽缸的前置出口冲击，并且可以充分降低相互的影响。
[0033]本申请的主题也涵盖一种内燃发动机，其中汽缸被划分成组。根据本申请,至少两个汽缸被配置成使得形成至少两个汽缸组，每个汽缸组具有至少一个汽缸。每个汽缸组的汽缸的排气管合并以形成相应的总排气管，因而形成排气歧管。在此，汽缸被配置成使得一个汽缸组中的汽缸的排气管的动态波现象彼此具有尽可能小的不利影响。
[0034]在具有直列式的四个汽缸的汽缸盖中，分别将点火间隔为360° CA的两个汽缸合并形成一个汽缸组，就此而言是非常有利的。例如，如果按照点火顺序1-2-4-3或1-3-4-2来启动汽缸的点火，则有利的是将外侧汽缸合并成第一组，而将内侧汽缸合并成第二组。
[0035]但是，脉冲机械增压也有缺点。例如，排气排放系统中的压力脉冲通常破坏充气交换。一个汽缸组中的汽缸可能在充气交换期间彼此具有干扰作用，即不利影响。源自一个汽缸的压力波沿着该汽缸的至少一个排气管传播，也沿着该汽缸组中的其他汽缸的排气管传播，尤其可能到达远在各个管线末端的排出口。因此在充气交换期间已经被驱逐或排放到排气管中的排气可能再次回流到该汽缸中，特别是由于源自另一个汽缸的压力波。特别地，在充气交换将要结束时，如果在汽缸的排气口处正压占主导地位，或者另一个汽缸的压力波向着排气口的方向沿着排气管传播，则这已被证明是有害的，因为这阻碍了燃烧气体排出所述汽缸。在所述充气交换阶段中，主要由于活塞的往复运动而排出燃烧气体。在个别情况下，源自一个汽缸的排气甚至可能在另一汽缸的排气口关闭前进入所述另一汽缸。位于该汽缸内的排气(即仍然在该汽缸内的残留排气部分)对应用点火的内燃发动机的爆震行为有显著影响，其中爆震燃烧的风险随着排气部分的增加而升高。
[0036]本申请也考虑到涡轮在没有震动并且不受到波动的局部负荷影响的情况下可以最有效地运行。为了使处于排气排放系统中的汽缸下游的涡轮能够以相对高的发动机转速最优地运行，该涡轮应该在排气压力尽可能恒定的情况下运行，为此在涡轮转子的上游变化尽可能小的压力是优选的，以便实现所谓的冲压机械增压(ram supercharging)。
[0037]借助于转子上游的相应大量的排气，排气管内的压力脉冲可以被缓和。在这方面，将汽缸划分成组(由此将排气管合并成组)而导致涡轮转子上游的排气排放系统的体积被划分成多个局部体积已被证明是产生相反效果的。
[0038]关于冲压机械增压，相当有利的是将所有汽缸的排气管合并成单一的总排气管，以便使得布置在所述总排气管内的涡轮上游的排气排放系统的排气体积尽可能大，即最大化所述排气体积并最小化压力波动。
[0039]因而，当配置排气排放系统以便针对低发动机转速和高发动机转速两者优化排气排放系统时，存在最终的目标冲突。将汽缸划分成组以实现脉冲机械增压可导致低发动机转速下的良好运行性能，但是必须接受相对高发动机转速下的缺点。反之，如果在涡轮上游实现尽可能大的排气体积以便能够利用冲压机械增压的优点，则会损坏低发动机转速下的运行性能。
[0040]能够从将两个汽缸组的两个排气歧管彼此连接和彼此分离的一些方案中获知某些概念。然后排气排放系统被配置成发动机转速的函数，以使得可以通过分离排气歧管来用脉冲机械增压实现发动机的机械增压，并且通过连接排气歧管来用冲压机械增压实现发动机的机械增压。
[0041]上述概念的缺点在于，由于歧管被连接，接近汽缸的排气口实现了连接由此助长了上述残留气体问题和相关的爆震问题。
[0042]同样获知以下概念，即多通道涡轮的通道可以在涡轮壳体内彼此连接或彼此分离，其中多个通道根据发动机转速来彼此连接和彼此分离，以使内燃发动机分别通过脉冲机械增压和冲压机械增压的方式来运行和机械增压。
[0043]除了歧管或通道的严格分离和完全连接，可以改变涡轮通道之间的相互作用程度以及涡轮通道之间的分离情况的涡轮概念也可能是令人感兴趣的。
[0044]然后在内燃发动机的几乎整个特性图上，有可能将涡轮调适到一系列极其广泛的运行点或运行状态，以便以关于燃料消耗的最大可能优化水平和尽可能低的排放来更好地使能内燃发动机的操作。
[0045]在上述背景下，本申请的目的是提供如权利要求1的前序部分所述的机械增压内燃发动机，其中可以改变涡轮通道之间的相互作用程度以及通道之间的分离情况(即分离的程度)。
[0046]本申请进一步的子目标是详细说明一种用于操作所述类型的内燃发动机的方法。
[0047]第一个子目标通过机械增压内燃发动机来实现。所述机械增压内燃发动机包含具有至少两个汽缸的至少一个汽缸盖和具有至少一个涡轮的至少一个排气涡轮增压器。每个汽缸具有用于将排气排出该汽缸的至少一个排气口，并且每个排气口由排气管相连，其中所述至少两个汽缸被配置成使得形成至少两个汽缸组，每个汽缸组具有至少一个汽缸。每个汽缸组的汽缸的排气管合并形成相应的总排气管，由此形成排气歧管。所述至少两个总排气管与多通道分段涡轮连接，该涡轮包含安装在涡轮壳体的转动轴上的至少一个转子以及至少两个通道，在垂直于转子的轴的截面上看来，所述至少两个通道至少沿着一段弧形部分被布置成一个通道在另一个通道之上并且以不同的半径用螺旋的方式包围至少一个转子，并且每个通道沿着一段圆弧形部分朝向至少一个转子打开，以使得在每种情况下一个总排气管被连接到涡轮的至少两个通道之一，其中在每种情况下两个相邻通道至少在涡轮壳体内的总排气管的部分体和连续体中通过壳体壁彼此分开，其中在转子一侧，分开两个相邻通道的至少一个壳体壁具有自由舌状端并且其末端与至少一个转子具有一低定间距，由此形成舌间距。该多通道分段涡轮是至少一个排气涡轮增压器的涡轮，其中提供可移动的圆形支架，该圆形支架具有至少一个舌状元件并且可沿着转动轴以平移的方式移动以便改变舌间距，其中当该支架处于第一工作位置时，至少一个舌状元件延长了分开两个相邻通道的壳体壁的自由舌状端，而当该支架处于停歇位置时，至少一个舌状元件被定位成与至少一个转子横向相邻。
[0048]在根据本申请的内燃发动机中，涡轮的两个相邻通道在它们的转子侧端通过流动转移管道彼此连接或彼此可连接，其中可以通过舌间距的变化来影响流动转移管道的流截面和通道之间的相互作用程度。在此，舌间距被定义为将相邻通道彼此分开的壳体壁的自由舌状端与至少一个转子之间的距离，或者舌间距被定义为圆形支架的舌状元件末端与至少一个转子之间的距离，当支架在第一工作位置时，圆形支架的舌状元件延长了将两个相邻通道分开的壳体壁的自由舌状端。
[0049]本申请关注于通道之间的相互作用或者所述相互作用的影响以及所述相互作用的程度变化，而不关注从冲压机械增压到脉冲机械增压或相反的转换。
[0050]因此实现了本申请所基于的第一目标，即提供了根据权利要求1的前序部分所述的机械增压内燃发动机，其中涡轮的通道之间的相互作用程度可以被影响/改变。
[0051]然而，可以实现以下实施例，其中当圆形支架处于第一工作位置时，涡轮的相邻通道和相关汽缸组的排气系统彼此分离，以使得每个通道只与最初对其供气的那个汽缸组的排气管连通。这有助于脉冲增压利用传播到排气歧管中的压力峰。当支架处于停歇位置时，则可以通过流动转移管道在相邻通道之间交换排气。随着通道之间的相互作用程度变化，有可能缓和涡轮通道中的压力波动，或者有可能校正转子上游的通道中的压力。对于个别情况，特定的目标应该具体分析。
[0052]多通道涡轮适用于机械增压内燃发动机，在该内燃发动机中，汽缸的排气管合并成组，以实现通道分离并且减少通道之间的相互作用；多通道涡轮也适用于具有部分停用能力的内燃发动机，在该内燃发动机中，一个汽缸组被配置为可切换汽缸组，并且根据需要，被停用汽缸组的通道应该同样可以被停用(即关闭)。
[0053]涡轮可以基本上装配有可变涡轮几何形状，该可变涡轮几何形状可以被调整以适用于内燃发动机的各个工作点。
[0054]在根据本申请所述的内燃发动机中，至少两个汽缸的排气管被合并以形成至少两个总排气管，由此形成至少两个排气歧管。在这方面，具有三个、四个、五个或更多汽缸的实施例(其中多于两个汽缸的排气管被合并以形成两个或更多个总排气管)类似于根据本申请所述的内燃发动机，其中可以使用三通道、四通道或五通道涡轮。
[0055]根据本申请所述的内燃发动机的进一步有利实施例将结合从属权利要求进行说明。
[0056]机械增压内燃发动机的实施例的优点在于，支架是以两阶段方式可调整的，并且位于第一工作位置或者停歇位置。
[0057]如果支架被配置成是以两阶段方式可切换的，以使得分开两个相邻通道的壳体壁通过至少一个舌状元件在其自由舌状端处被延长，或者所述至少一个舌状元件被定位成横向邻近至少一个转子，则所述支架的控制被简化。这尤其提供了成本优势。
[0058]然而，支架也可以是以连续可变方式可切换的，以使得至少一个舌状元件沿着壳体壁的一段自由舌状端延长该壳体壁，且剩余的部分没有被延长(即维持不被延长并保持其原始范围)。影响涡轮的通道之间的相互作用的自由度数量明显增加。
[0059]因此，机械增压内燃发动机的实施例的优点也在于，能够以连续可变方式在第一工作位置和停歇位置之间调整支架。亦即，在第一工作位置和停歇位置之间的所有位置都构成进一步的工作位置。
[0060]这些实施例的优点在于,所述支架可以是电动、液压、气动、机械或磁控制的,优选借助于内燃发动机的发动机控制器。
[0061]机械增压内燃发动机的实施例的优点在于，至少一个舌状元件与支架形成一体，并且支架和至少一个舌状元件形成单片组件。
[0062]在支架和至少一个舌状元件之间提供(即产生)连接。所述连接或者可以通过将两个组件制造为一个单件(即如上面的实施例所述成为一体)来实现，或者可替换地通过两个组件的粘接、非正锁定或正锁定连接的方式来实现。
[0063]作为单片组件的实施例消除了对连接手段如螺钉、铆钉或用于连接的类似物的需求。因此也省略了为该连接手段提供安装空间的设计要求。
[0064]此外，如果支架和至少一个舌状元件形成为单片组件，则组件的数量被显著地减少。由于要制造和连接较少的组件，因此就有较少的组装和/或生产错误发生。这有利于功能和使用寿命。
[0065]然而，如上所述，机械增压内燃发动机的实施例也可能是有利的，其中支架和至少一个舌状元件构成彼此连接的独立组件。
[0066]机械增压内燃发动机的实施例的优点在于，多通道分段涡轮是具有两个通道的双流涡轮。
[0067]在双流涡轮的情况下，在垂直于至少一个转子的转动轴线的截面上看来，两个通道被布置成一个通道在另一个之上，其中两个通道至少沿着一段弧形部分以不同的半径按螺旋线的方式包围至少一个转子。
[0068]在双流涡轮的情况下，机械增压内燃发动机的实施例的优点在于，两个通道分别沿着一段180度的圆弧形部分朝向至少一个转子打开。然后，这两个通道沿着转子周围在大小相等的圆弧上向至少一个转子提供排气。
[0069]结合双流涡轮，机械增压内燃发动机的实施例的优点在于，支架具有两个舌状元件，当支架处于第一工作位置时，每个舌状元件都可以延长将两个相邻通道分开的总共两个壳体壁之一的自由舌状端。
[0070]在双流涡轮的情况下，定位成一个通道位于另一个之上的两个通道彼此被壳体壁分开，该壳体壁在涡轮壳体内延伸，其中将壳体与外界划分开的壳体壁通常在涡轮的进口处将通道分开，这同样构成将两个相邻通道分开的壳体壁。当支架处于第一工作位置时，有必要提供两个舌状元件以延长两个壳体壁。
[0071]然而，在该连接中，机械增压内燃发动机的实施例也可能是有利的，其中支架具有一个舌状元件，当支架处于第一工作位置时，该舌状元件延长了将两个相邻通道彼此分开的一个壳体壁板的自由舌状端。在个别情况下，将壳体与外界划分开的壳体壁并不用于分开通道，从而在涡轮壳体内部延伸的壳体壁构成了将相邻通道分开的唯一壳体壁。
[0072]支架的舌状元件数目与涡轮包含的通道数目相同的机械增压内燃发动机的实施例，或者支架的舌状元件数目少于涡轮包含的通道数目的实施例，也基本上具有优势。
[0073]机械增压内燃发动机的实施例的优点在于，至少一个壳体壁是固定连接到壳体的不可移动壁。壳体壁的所述实施例能更好地将由热排气引进壳体壁的热量以有利的方式排入和通过壳体，且达到合适的程度。
[0074]机械增压内燃发动机的实施例的优点在于，在汽缸盖内每个汽缸组的汽缸的排气管合并形成各自的总排气管，因而形成排气歧管。
[0075]在排气排放系统中提供的多通道涡轮可以被布置成非常接近内燃发动机的出口，即接近于汽缸的排气口。这有几个优点，特别是因为汽缸和涡轮之间的排气管被缩短。
[0076]不仅热排气流向涡轮的路径被缩短，而且各个排气歧管的体积以及涡轮下游的排气排放系统的体积也被减小。由于排气管的质量和长度被减小，毫无疑问排气排放系统的热惯性也被减小。
[0077]以此方式，可以最好地利用热排气的排气热含量，该热含量主要由排气压力和排气温度确定，并且能够使涡轮更好地实现快速响应性能。
[0078]所提出的措施也导致根据本申请所述的内燃发动机和汽缸盖的紧凑设计，并且使密集封装的驱动装置成为一个整体。
[0079]排气管长度的缩短和转子上游的排气体积大小的相应减小提高了涡轮的响应性能，并且有助于在低负荷和发动机转速范围内进行脉冲机械增压。
[0080]本申请所基于的第二子目标(具体而言，即阐明一种运行上述类型的机械增压内燃发动机的方法)通过以下方法来实现，其中将支架转移到第一工作位置以通过减少舌间距来增加至少两个通道之间的分离程度。
[0081]结合根据本申请所述的内燃发动机所阐述的内容同样适用于根据本申请所述的方法。
[0082]方法变体的优点在于将支架转移到第一工作位置以辅助脉冲机械增压。
[0083]方法变体的优点在于以特性图控制的方式执行支架的位移。
[0084]方法变体的优点在于在高负荷和/或高发动机转速下将支架转移到停歇位置。
[0085]图1中示出具有涡轮增压器的示例性发动机。图2-3中更详细地示出示例性涡轮增压器，以便可以检查通过涡轮影响空气动力流的支架。图4中概述了响应于发动机转速和负荷来调整支架的示例性方法。关于该涡轮增压器配置，有可能扩展该涡轮增压器的工作范围。
[0086]图1示出具有涡轮增压器的多汽缸发动机100的示例。作为非限制性的示例，发动机系统100可以作为客车的推进系统的一部分。内燃发动机100可以包含多个汽缸，其中的一个汽缸如图所示并且由控制器12控制。发动机100包含具有汽缸壁32的燃烧室30，活塞36位于汽缸壁中并且连接到曲轴40。控制器12被显示为微型计算机，其包含微处理器单元(CPU) 102、输入/输出端口(I/O) 104、用于可执行程序和校准值的电子存储介质(在该特定示例中显示为只读存储器芯片(ROM) 106)、随机存取存储器(RAM) 108以及保活存储器(KAM)110。
[0087]控制器12从耦合到发动机100的传感器接收各种信号，这些信号包括但不限于:来自质量空气流量传感器120的引入质量空气流量(MAF)的测量值；来自耦连到冷却套筒114的温度传感器112的发动机冷却液温度(ECT);来自歧管压力传感器122的歧管压力(MAP)测量值；来自节气门位置传感器58的节气门位置(TP);以及来自耦连到曲轴40的霍尔效应传感器118的表明发动机转速的表面点火感测信号(PIP)。发动机转速信号RPM可以由控制器12根据PIP信号生成。来自歧管压力传感器的歧管压力信号MAP可以被用来提供进气歧管内的真空指示或压力值。应该注意，可以使用上述传感器的各种组合，例如没有MAP传感器的MAF传感器，反之亦然。
[0088]可以用计算机可读数据对存储介质只读存储器芯片106进行编程，所述计算机可读数据代表可以被处理器102执行以实施下述方法和可预期但没有具体列出的其他变体的指令。控制器12可以从各种传感器接收输入数据，处理输入数据，并且基于在其中编程的对应于一个或多个程序的指令或代码来响应于已处理的输入数据触发致动器。在图4中描述了示例性控制程序。
[0089]燃烧室30通过相应的进气门52和排气门54与进气歧管44和排气歧管48连通。在图示的示例中，进气门52由进气凸轮51操作，而排气门54由排气凸轮53操作。进气门52和排气门54的位置可以分别由气门位置传感器55和57来确定。在可替代的实施例中，进气门和/或排气门可以由电动阀致动控制。例如，汽缸30可以可替换地包含由电动阀致动控制的进气门和由包括CPS和/或VCT系统的凸轮致动控制的排气门。在其他实施例中，进气门和排气门可由常规气门致动器或致动系统或者可变气门正时致动器或致动系统控制。
[0090]发动机100的每个汽缸30可以包含用于启动燃烧的火花塞92。响应于在选择操作模式下来自控制器12的火花提前信号，点火系统88可以通过火花塞92向燃烧室30提供点火火花。但是，在一些实施例中，火花塞92可以被省略，例如发动机100可以通过自动点火或燃料喷射开始燃烧，在一些柴油发动机中可能是这样。
[0091]发动机100的每个汽缸可以被配置为具有向其提供燃料的一个或多个燃料喷射器。作为非限制性不例，汽缸30被显不为包括一个燃料喷射器66。燃料喷射器66被显不为直接耦接到汽缸30，以便与通过电子驱动器68从控制器12接收的信号脉冲宽度FPW成比例地直接向汽缸30中喷射燃料。以这种方式，燃料喷射器66向燃烧室30提供所谓的燃料直接喷射。在图1中，燃料喷射器66被图示为侧面喷射器，但是它可能位于活塞的顶端，例如接近火花塞92的位置。作为替代，该喷射器可以位于顶端并且靠近进气门以提高混合程度。在可替代实施例中，喷射器66可以是进气道喷射器，其向汽缸30上游的进气道中提供燃料。在又一实施例中，可以提供进气道喷射器和直接喷射器。可以从燃料系统(未图示)向燃料喷射器66输送燃料，所述燃料系统包含燃料箱、燃料泵以及燃料轨。
[0092]汽缸30可以通过一系列进气道42、46和44接收进气。除了汽缸30，进气道44还可以与发动机100的其他汽缸连通。可以沿着该发动机的进气道提供包含节流板64的节气门62，以便改变提供给该汽缸的进气的流量和/或压力。例如，节气门62可以如图1所示被设置在压缩机162的下游，或者可以被设置在压缩机162的上游。
[0093]除了汽缸30，排气道48还可以从发动机100的其他气缸接收排气。排气传感器126被显示为耦接到排放控制设备70和涡轮I的上游的排气道48。传感器126可以是用于提供排气空燃比的任何合适的传感器，例如线性氧传感器或UEG0(通用或宽域排气氧传感器)、双态氧传感器或EG0、HEG0(加热型EGO)、N0x、HC或CO传感器。排放控制设备70可以是三元催化剂(TWC)，NOx捕集器、各种其他排放控制设备或其组合。
[0094]图1示出被配置为具有涡轮增压器的发动机100，该涡轮增压器包含布置在进气道42和46之间的压缩机162以及沿着排气道48布置的排气涡轮I。压缩机162可以至少部分地由排气涡轮I通过转动轴161提供动力。提供给发动机100的汽缸的新鲜空气在压缩机162中被压缩，该压缩机162由涡轮I驱动。涡轮I是多通道涡轮并且在图2-3中进一步说明。
[0095]图2示意性示出双通道涡轮I，其在垂直于转子3的转动轴线4的方向被横截并具有圆形支架5b。双通道涡轮I是双通道分段涡轮11，也被称为双流涡轮11。双流涡轮11具有涡轮壳体2，转子3在该壳体内安装在转动轴161上。双流涡轮11的特征在于两个通道8、9被布置成一个通道在另一个之上，且至少沿着一段弧形部分以不同的半径按螺旋的方式包围转子3，这些通道中的每个通道沿着一段圆弧形部分通向转子3。双流涡轮11的两个进气口 6、7被布置在壳体2的凸缘10内，其中每个进气口 6、7与涡轮I的一个通道8、9相连。涡轮I的每个通道8、9被连接到内燃发动机的一个总排气管(未图示)。两个相邻通道8、9在涡轮壳体2中的总排气管的连续体上通过壳体壁5彼此分开，其中在转子一侧，壳体壁5具有自由舌状端5a。除了在涡轮壳体2内延伸的所述壳体壁5外，涡轮I具有附加壳体壁5，该附加壳体壁在涡轮I的入口区域将通道8、9彼此分离并且在转子一侧同样具有自由舌状端5a。
[0096]圆形支架5b具有至少一个舌状元件5c ;图2中所示的圆形支架5b包含两个舌状元件5c。支架5b并定位成与转子横向相邻并且可以沿着转动轴161以平移的方式移动。在图3中阐述的支架在第一工作位置和停歇位置之间的移动使得舌状元件抵靠自由舌状端5a或者隐藏在壳体内。因此，支架5b的移动通过改变舌间距影响了涡轮通道之间的分离程度性能。提供以平移的方式移动支架5b的转换器15。转换器15可以是电动的、液压的、气动的、机械的等，并且由控制器12控制。
[0097]自由舌状端5a在壳体壁5的末端形成时处于固定位置。如图所示，在双流涡轮中存在两个自由舌状端5a。在其他示例中，具有更多或更少通道的涡轮可以具有更多或更少的自由舌状端。圆形支架5b包含舌状元件5c,这些舌状元件能够与壳体壁5的自由舌状端5a对齐。在停歇位置，这些舌状元件通过沿着转动轴以平移的方式移动圆形支架而缩回到涡轮壳体2内。因此，当圆形支架5b处于停歇位置时，这两个通道具有一定程度的相互作用。在第一工作位置，舌状元件5c与自由舌状端5a对齐，由此延长了壳体壁的自由舌状端。因而，与在停歇位置相比，这两个通道具有较低程度的相互作用。
[0098]图3a示意性示出机械增压内燃发动机的第一实施例的双通道涡轮1，其在垂直于转子3的转动轴线4的方向被横截并具有位于停歇位置的支架5b。涡轮I是如图2所描述的双流涡轮。
[0099]在涡轮壳体2内的总排气管的连续体上，两个相邻通道8、9通过壳体壁5彼此分开，其中在转子一侧，壳体壁5具有自由舌状端5a并且其末端与转子3之间具有一定间距，使得形成了舌间距Ar，其结果是在通道8、9之间形成流动转移管道。
[0100]在图3a所示的停歇位置，支架5b被定位成横向邻近转子3。这在图3b中示出，该图在相对于图3a旋转90度的截面中示意性示出图3a所示的涡轮I。转动轴161沿着轴线4与涡轮增压器的涡轮I压缩机162连接。
[0101]支架5b是圆形的并且具有两个舌状元件5c，而且可以沿着转动轴161以平移的方式移动位置以便改变舌间距Ar。在图示的停歇位置，两个舌状元件5c (类似于支架5a本身)也被定位成与转子3横向相邻。圆形支架5b的停歇位置导致壳体壁5的自由舌状端5a处的流动转移管道处于打开状态。
[0102]在停歇位置，支架5b和舌状元件5c被定位成使得它们位于壳体内。因此，自由舌状端5a有舌间距Ar，该舌间距Λr比图3c所示的第一工作位置舌间距Arl大。停歇位置相对于第一工作位置降低了涡轮通道之间的分离程度性能，如图3c和图3d进一步所示。处于停歇位置的支架增加了涡轮通道之间的相互作用程度。换句话说，该停歇位置打开了流动转移管道。
[0103]图3c和图3d示意性示出图3a所示的涡轮，其中支架5b处于第一工作位置，其中图3c示出垂直于转子3的转动轴线4的截面，而图3d示出相对于图3转动90度的截面。
[0104]寻求仅解释图3a和图3b之间的差异，为此参考图3a和图3b以及相关的描述。同样的附图标记被用于同样的组件。
[0105]已经通过平移运动转移到第一工作位置以便改变舌间距的支架5b在自由舌状端延长了将通道8、9彼此分开的两个壳体壁5，因此在每种情况减少了舌间距Arl。寻求支架5b在第一工作位置时以尽可能气密的方式进行整合。通过使舌状元件5c抵靠壳体壁5的自由舌状端5a来延长该自由舌状端5a，以此方式，第一工作位置增加了涡轮通道的分离性能的程度。两个通道的相互作用程度减弱，并且当支架5b处于停歇位置时打开的流动转移管道现在在第一工作位置被关闭。
[0106]图示的双通道涡轮11具有将两个通道8、9分开并且可以被延长的两个壳体壁5，具体来说是在涡轮壳体2内延伸的壳体壁5以及将壳体2与外部划分开并且在涡轮I的入口区将通道8、9分开的壳体壁5。就此而言，支架5b具有两个舌状元件5c，以便当支架5b处于第一工作位置时在其自由舌状端5a处延长两个壳体壁5。
[0107]图4a和图4b示出具有至少一个舌状元件5c的圆形支架5b。在该示例中，图示了两个舌状元件5c。在另一个示例中，圆形支架5b可以具有一个舌状元件。在又一示例中，圆形支架5b可以具有与涡轮中的通道一样多的舌状元件。圆形支架5b是环形的并且沿着转动轴线4以平移方式(双箭头)移动。圆形支架5b和舌状元件5c可以被构造成如图4a所示的一个单件或者如图4b所示的多件结构。
[0108]图4a所示的单件式结构可以通过整体形成所有零件来实现。这使得不需要任何连接手段如螺钉、铆钉、焊接等来在圆形支架5b和舌状元件5c之间形成连接。
[0109]相反，图4b所示的多件式结构可以通过将零件形成为两个或更多个工件并且然后通过连接手段14将这些工件连结在一起来实现。连接手段14可以包含螺钉、铆钉、焊接等，其用于在圆形支架5b和舌状元件5c之间形成连接。
[0110]图5示出用于调整圆形支架以影响涡轮通道之间的相互作用程度和涡轮通道的分离行为的示例性方法。示例性方法500响应于发动机转速和发动机负荷在阈值之上来调整圆形支架以打开或关闭流动转移管道。该示例性方法显示出可以如何使用图2和图3中描述的圆形支架来延伸涡轮增压器的工作范围。在另一个示例中，可以响应于排气流量来调整圆形支架。
[0111]在502处，该方法可以确定发动机工况。所述工况可以包含发动机转速、发动机负荷、发动机温度、排气流量等。
[0112]在504处，该方法可以确定发动机转速是否低于某一阈值。在发动机转速高于该阈值时，更好地使恒定排气压力作用在涡轮上可以增加发动机效率。因此，如果发动机转速不低于该阈值，则该方法可以在506处通过移动支架使舌状端隐藏在壳体内来将支架调整到停歇位置，以增加流动转移管道的流截面。在此，舌间距是基于壳体壁的固定自由舌状端，例如，如图3a所示从自由舌状端到转子的距离。因此，当移动圆形支架的舌状元件到壳体内以打开流动转移管道时，两个涡轮通道之间的相互作用程度被增加。
[0113]但是，如果在504处发动机转速低于该阈值，则该方法进行到508，并且确定发动机负荷是否低于某个阈值。在一个示例中，该负载阈值可以基于发动机转速来设定。在高发动机负荷下，增加涡轮通道之间的相互作用程度可以增加发动机效率。如果在508处发动机负荷不低于该阈值，则该方法可以在506处如上所述将支架调整到停歇位置。因此，当支架的舌状元件被隐藏在壳体中时，两个通道之间的分离程度被减弱。
[0114]如果在508处发动机负载低于该阈值，则在510处该方法可以将支架调整到第一工作位置，以减小流动转移管道的流截面。通过将圆形支架以平移方式沿着转动轴从停歇位置移动到第一工作位置，这种将圆形支架调整到第一工作位置使得舌状元件紧靠自由舌状端。通过使舌状元件5c紧靠自由舌状端，由此延长壳体壁的自由舌状端并减小到至少一个转子的舌间距(例如图3c所示的从自由舌状端到转子的距离)，处于第一工作位置的支架延长了分开两个相邻通道的壳体壁的自由舌状端。支架沿着转动轴从停歇位置到第一工作位置的平移运动使得位于壳体内的某一位置处的舌状元件与自由舌状端接触，由此延长该自由舌状端并减小至转子的舌间距。将圆形支架的舌状元件移进壳体壁的自由舌状端处的排气流中减小了至第一工作位置处的转子的舌间距。
[0115]方法500示出响应于发动机转速和负荷以两阶段方式调整圆形支架的示例。在其他示例中，其他运行参数可以用来确定圆形支架的调整。此外，可以以连续可变的方式调整圆形支架，从而通过有针对性地减小舌间距来实现对两个通道的分离程度进行更大的控制。
[0116]应注意，在本文中包含的示例性控制和估计程序可以与多种发动机和/或车辆系统配置一起使用。本文中所描述的特定程序可以表示任意数目的处理策略中的一个或多个，诸如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等。因此，可以按所说明的顺序同时执行所说明的各种动作、操作或功能，或者在一些情况下可以将它们省略。同样，为了获得本文中所描述的示例实施例的特征和优势，该处理顺序并不是必需的，而是被提供为了便于说明和描述。取决于所使用的特定策略，可以重复地执行一个或多个所说明的动作或功能。此外，所描述的动作可以以图形方式表示将要编程到发动机控制系统中的计算机可读存储介质的非临时性存储器中的代码。
[0117]应了解，本文中所公开的配置和程序在本质上是示例性的，并且这些具体实施例不应被视为具有限制含义，这是因为可能存在众多的变化形式。例如，上述技术可应用于V-6、1-4、1-6、V-12、对置4和其他发动机类型中。本发明的主题包括本文中所公开的各种系统和配置以及其他特征、功能和/或属性的所有新颖的和非显而易见的组合以及子组八口 ο
[0118]所附权利要求书具体指出被视为新颖的和非显而易见的某些组合和子组合。这些权利要求可能提及“一个”元件或“第一”元件或其等效物。此类权利要求应被理解为包括一个或多个此类元件的并入，既不必需也不排除两个或两个以上此类元件。所公开的特征、功能、元件和/或属性的其他组合和子组合可以通过本发明的权利要求的修正或通过在此申请或相关申请中的新权利要求的呈现来主张。此类权利要求，无论在范围上与原始权利要求相比是更宽广的、更狭窄的、相同的还是不同的，都被视为包括在本发明的主题内。
【权利要求】
1.一种增压内燃发动机，其包含: 至少一个汽缸盖，其具有至少两个汽缸； 至少一个排气涡轮增压器，其具有至少一个涡轮； 每个汽缸具有将排气排出所述气缸的至少一个排气口，且每个排气口由排气管相连； 至少两个汽缸被配置为使得形成至少两个汽缸组，每个汽缸组具有至少一个汽缸； 每个汽缸组的所述汽缸的所述排气管合并以形成相应的总排气管，由此形成排气歧管； 所述至少两个总排气管被连接到多通道分段涡轮，所述多通道分段涡轮包含安装在涡轮壳体内的可转动轴上的至少一个转子和至少两个通道，在垂直于所述转子的所述轴的截面上看来，所述至少两个通道至少沿着一段弧形部分被布置成一个通道在另一个通道之上并且以不同的半径用螺旋的方式包围所述至少一个转子，并且每个通道沿着一段圆弧形部分朝向所述至少一个转子打开，以使得在每种情况下一个总排气管被连接到所述涡轮的所述至少两个通道之一； 在每种情况下，两个相邻通道至少在所述涡轮壳体内的所述总排气管的部分和连续体上借助壳体壁彼此分离，其中在所述转子一侧，分开两个相邻通道的所述至少一个壳体壁具有自由舌状端并且其末端与所述至少一个转子具有一间距，由此形成舌间距； 所述多通道分段涡轮是所述至少一个排气涡轮增压器的涡轮；以及其中提供可移动圆形支架，其具有至少一个舌状元件并且可沿着所述转动轴以平移的方式移动，以便改变舌间距，其中当所述支架处于第一工作位置时，所述至少一个舌状元件延长了将两个相邻通道分开的壳体壁的所述自由舌状端，因此舌间距减小，而当所述支架处于停歇位置时，所述至少一个舌状元件被定位成与所述至少一个转子横向相邻。
2.根据权利要求1所述的增压内燃发动机，其中所述支架可用两阶段方式调整，并且位于所述第一工作位置或所述停歇位置上。
3.根据权利要求1所述的增压内燃发动机，其中所述支架能够以连续可变的方式在所述第一工作位置和所述停歇位置之间调整。
4.根据权利要求1所述的增压内燃发动机，其中所述至少一个舌状元件与所述支架整体形成，并且所述支架和所述至少一个舌状元件形成整块组件。
5.根据权利要求1所述的增压内燃发动机，其中所述支架和所述至少一个舌状元件构成彼此连接的单独组件。
6.根据权利要求1所述的增压内燃发动机，其中所述多通道分段涡轮是具有两个通道的双流涡轮，其中所述两个通道中的每一个沿着一段180度的圆弧形部分通向所述至少一个转子。
7.根据权利要求6所述的增压内燃发动机，其中所述支架具有两个舌状元件，当所述支架处于所述第一工作位置时，每个舌状元件延长了将所述两个相邻通道彼此分开的总共两个壳体壁之一的所述自由舌状端。
8.根据权利要求6所述的增压内燃发动机，其中所述支架具有一个舌状元件，当所述支架处于所述第一工作位置时，所述舌状元件延长了将所述两个相邻通道彼此分开的一个壳体壁的所述自由舌状端。
9.根据权利要求1所述的增压内燃发动机，其中所述支架具有的舌状元件的数量与所述涡轮包含的通道的数量相同。
10.根据权利要求1所述的增压内燃发动机，其中所述至少一个壳体壁是与所述壳体固定连接的不可移动壁。
11.一种用于操作增压内燃发动机的方法，其包含沿着涡轮的转动轴以平移方式将具有至少一个舌状元件的圆形支架从停歇位置移动到第一工作位置，以便通过减少舌间距来增加所述涡轮的至少两个通道之间的分离程度。
12.根据权利要求11所述的方法，其中响应于发动机转速小于阈值转速，所述支架被转移到所述第一工作位置。
13.根据权利要求12所述的方法，其进一步包含响应于发动机负荷小于阈值负荷，将所述支架转移到所述第一工作位置。
14.根据权利要求11中所述的方法，其中响应于发动机转速大于阈值转速，所述支架被转移到所述停歇位置。
15.根据权利要求14所述的方法,其进一步包含响应于发动机负荷大于阈值负荷,将所述支架转移到所述停歇位置。
16.—种方法,其包含: 响应于发动机转速小于阈值，调整具有至少一个舌状元件的圆形支架，以关闭涡轮的自由舌状端处的流动转移管道；以及 响应于发动机转速大于所述阈值，调整所述圆形支架，以打开流动转移管道。
17.根据权利要求16所述的方法，其中通过耦接到所述发动机的电子发动机控制器以连续可变的方式调整所述圆形支架。
18.根据权利要求16所述的方法，其中调整所述圆形支架以关闭所述流动转移管道包含将所述圆形支架的舌状元件移进所述涡轮的壳体壁的所述自由舌状端处的排气流中。
19.根据权利要求16所述的方法，其中调整所述圆形支架以打开所述流动转移管道包含将所述圆形支架的舌状元件移进所述壳体内，其中所述舌状元件被定位成横向邻近所述涡轮的转子。
20.根据权利要求16所述的方法，其中沿着所述涡轮的转动轴以平移的方式调整所述圆形支架。
【文档编号】F02B37/22GK104279052SQ201410324044
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年7月9日 优先权日:2013年7月9日
【发明者】H·M·金德尔, N·A·斯科恩, V·斯米利亚诺夫斯基, F·A·萨默候夫, A·库斯克, J·克默林 申请人:福特环球技术公司