采用汽缸停缸的涡轮增压发动机

摘要

一种发动机组件包括进气组件、火花塞点火式内燃发动机、排气组件和涡轮增压器。内燃发动机与进气组件联接且限定配置为燃烧燃料的多个汽缸。汽缸子组配置为选择性地停缸，以停止燃料燃烧，而其他的继续燃烧。涡轮增压器包括与进气组件流体连通的双入口压缩机和与排气组件流体连通的双涡道涡轮机。双入口压缩机和双涡道涡轮机操作性地通过轴连接。

说明书

技术领域

本发明通常涉及采用汽缸停缸的涡轮增压发动机。

背景技术

内燃发动机(ICE)可以在一个或多个燃烧室中燃烧空气和燃料的混合物， 以生产机械输出。在燃烧期间，各种排出气体被产生且排出到大气。在一些 情况下，一个或多个汽缸可以被停用，以在请求小量扭矩时消除对燃烧不必 要量燃料的需要(即“汽缸停缸”)。汽缸停缸通常涉及迫使到汽缸的阀保持 在关闭状态，这使得陷落的(燃料少)的空气变为气体弹簧。如此做允许以减 小的油门调节损失来产生所需的功率。

内燃发动机通常被用于以可靠的基础产生长时间的大水平的动力。许多 这样的ICE组件使用增压装置，例如排气涡轮驱动的涡轮增压器，以让气流 在进入发动机的进气歧管之前压缩气流，以便增加功率和效率。

具体说，涡轮增压器是离心的气体压缩机，其与通过周围大气压力可以 获得的相比使得更多空气和更多氧气进入ICE的燃烧室。被迫进入ICE的额 外质量的含有氧气的空气改善发动机的容积效率，允许在给定循环中燃烧更 多燃料，且由此产生更多功率。

典型的涡轮增压器包括中心轴，其被一个或多个轴承支撑且在排气驱动 的涡轮和空气压缩机轮之间传递旋转运动。涡轮和压缩机轮被固定到轴，上 述轴与各种轴承部件组合构成涡轮增压器的旋转组件。

发明内容

发动机组件包括进气组件、火花塞点火式、内燃发动机、排气组件和涡 轮增压器。内燃发动机联接到进气组件且限定第一多个汽缸和第二多个汽 缸。排气组件包括与第一多个汽缸流体连通的第一排气歧管和与第二多个汽 缸流体连通的第二排气歧管。

涡轮增压器包括与进气组件流体连通的双入口压缩机和与排气组件流 体连通的双涡道涡轮机。双入口压缩机和双涡道涡轮机操作性地通过轴连 接，且火花塞点火式内燃发动机配置为选择性地运行在汽缸停缸模式，在该 模式中燃料仅在第一多个汽缸中燃烧。

双涡道涡轮机包括壳体和设置在壳体中的涡轮。壳体限定第一涡道和第 二涡道，其中第一涡道和第二涡道两者周向地绕涡轮的一部分设置且与涡轮 流体连通。第一涡道与第一排气歧管流体连通，且第二涡道与第二排气歧管 流体连通。

双入口压缩机包括压缩机壳体和设置在压缩机壳体中的双侧进口叶轮。 压缩机壳体限定第一入口、第二入口、和出口，出口与进气组件直接连通。 双侧进口叶轮包括在叶轮第一侧上的第一叶片结构，和设置在叶轮第二侧上 的第二叶片结构。压缩机壳体限定第一入口和叶轮的第一叶片结构之间的第 一流动路径，且限定第二入口和叶轮的第二叶片结构之间的第二流动路径。

双入口压缩机配置为通过进气组件提供压缩空气源且在火花塞点火式 内燃发动机运行在汽缸停缸模式下时仅提供到第一多个汽缸。供应的压缩空 气可以具有大于大气压力的压力。

在下文结合附图进行的对实施本发明的较佳模式做出的详尽描述中能 容易地理解上述的本发明的特征和优点以及其他的特征和优点。

附图说明

图1是涡轮增压内燃发动机组件的示意图。

图2是双涡道涡轮机的示意性截面图，所述双涡道涡轮机可以用于图1 的内燃发动机组件。

图3是双入口压缩机的示意性截面图，其可以用于图1的内燃发动机组 件

图4是汽缸停缸模式下的涡轮增压内燃发动机组件的示意图。

具体实施方式

参见附图，其中在各种附图中相同的附图标记用于表示相同的部件，图 1示意性地示出了发动机组件10，其包括内燃发动机12、空气进入系统14 和排气系统16。空气进入系统14和排气系统16每一个可以分别与发动机 12流体连通，且可以通过涡轮增压器18彼此机械相连。

内燃发动机12(即发动机12)可以是火花塞点火式内燃发动机且可以限 定多个汽缸20(称为汽缸1-4)。相应汽缸20每一个可以包括一个或多个燃料 喷射器22，其可以选择性地将液体燃料(如气雾)引入每一个汽缸中，以用 于燃烧。每一个汽缸20可以选择性地与空气进入系统14流体连通，以接收 新鲜/含氧空气，且几个汽缸20可以选择性地与排气系统16流体连通，以排 出燃烧副产物。尽管示出的发动机12显示了4缸发动机，但是本发明的技 术同样适用于直列式三缸和六缸发动机、V-8、V-10、V-12构造的发动机。

空气进入系统14可以通常包括新鲜空气入口24、增压空气冷却器28、 节流阀30和进气歧管32。如可以理解的，发动机12操作期间，新鲜空气 34可以从大气(或从相关的空气清洁组件)经由新鲜空气入口24通过空气进 入系统14引入。节流阀30可以包括可控制的导流板，其配置为选择性地调 节经过进气系统14且最终进入汽缸20(经由进气歧管32)的总空气流。

在典型的4缸发动机中，各发动机汽缸20中的燃烧会以连续的方式发 生。例如，点火顺序可以顺序地是:汽缸1；汽缸3；汽缸4；汽缸2。如可以理解 的，发动机12可以随后将气体从汽缸以同一连续顺序排出；和由此，排气流 动会更类似于一系列脉冲，而非连续流动。

已经发现，发动机效率在排气脉冲被分离而不彼此干涉时能最大化。除 了减少脉冲之间的干涉，分离可以减少爆震和/或不正常燃烧的发生。为了实 现充分的脉冲分离，排气流动可以被分为不同流动，其可以经由多个排气歧 管被分别引导到涡轮增压器18。因此，在一个构造中，排气系统16可以包 括第一排气歧管36和第二排气歧管38，它们可以将流动的排出气体40引导 离开发动机12。排出气体40可以最后经过后处理装置42，以在经由尾管44 离开排气系统16之前催化和/或除去某些副产物。

如上所述，空气进入系统14和排气系统16可以通过涡轮增压器18而 机械相连。涡轮增压器18可以包括与排气系统16流体连通的涡轮机50和 与进气系统14流体连通的压缩机52。涡轮机50和压缩机52可以经由旋转 轴54机械地联接。涡轮增压器18可以利用从发动机12流动的排出气体40 的能量来使得涡轮机50和压缩机52转动。压缩机52的旋转可以随后从入 口24提取新鲜的空气34且将其压缩到进气系统14的其余部分中。

图2示出了涡轮机50的一个实施例。如所示的，涡轮机50包括壳体60 和可旋转涡轮62，所述可旋转涡轮62操作性地连接到旋转轴54。壳体可以 限定涡螺部分(volute portion)64，所述涡螺部分基本围绕涡轮62，且其与 排气系统16直接流体连通。如所示的，涡螺部分64可以包括通过分隔部70 分开的第一涡道(scroll)66和第二涡道68(由此壳体60可以被称为“双涡 道壳体60”)。在具有两个排气歧管36、38的排气系统中，每一个涡道66、 68可以从相应歧管中的一个接收排出气体40。例如，第一涡道66可以与第 一排气歧管36流体连通，且第二涡道68可以与第二排气歧管38流体连通。 每一个涡道可以朝向涡轮62引导流动的排出气体，在该处它们可以在经由 出口72离开涡轮机50之前促动轮62以进行旋转。

图3示出了压缩机52的一个实施例，其可以用于本发明的系统。示出 的压缩机52是顺序式压缩机(sequential compressor)的例子，其被包含在 单个壳体80中(简要地称为“单一顺序式压缩机(single-sequential compressor) 52”)。壳体可以限定第一入口82、第二入口84和出口86，每一个入口82、 84被操作性地联接到进气系统14的新鲜空气入口24，且出口86被操作性 地联接到增压空气冷却器(charge air cooler)28。每一个入口82、84可以接 收相应的进入流88、90，所述进入流可以是被摄取的新鲜空气34的子部分， 且出口86可以将被压缩的空气流92排出到增压空气冷却器28。

双侧进口叶轮(dual-sided impeller)94可以设置在壳体80中且流体地 定位在每一个相应入口82、84和出口86之间。双侧进口叶轮94可以包括 与第一进入流88流体连通的第一叶片结构96和与第二进入流90流体连通 的相对的第二叶片结构98。在叶轮94被旋转轴54旋转时(所述旋转轴被涡 轮机50驱动)，其可以将来自第一和第二进入流88、90的空气压缩到涡螺 通道100，所述涡螺通道设置在叶轮94周围且打开到出口86。

双侧进口叶轮94可以使得压缩机52实现所需的低流动压缩/提高压力水 平，所述压力水平会造成更传统的(单进口)压缩机停机和/或冲击。这种特性 对采用汽缸停缸的发动机来说是有益的，因为在一个或多个汽缸停止引入空 气时保持相似的总的发动机气流需求，但是提高压力的要求增加，以通过减 小数量的启用汽缸生产这种所需的气流。以这种方式，压缩机可以通过进气 组件提供压缩空气源，且在火花塞点火式内燃发动机运行在汽缸停缸模式下 时仅提供到启用的汽缸(active cylinder)。该压缩空气源通常具有的压力大 于新鲜空气进气34，其可以基本上等于大气压力。

图4示出了图1的发动机组件10，其中发动机12的汽缸2和3已经停 缸(“X”代表气流的缺乏)。如上所述，在汽缸停用时，用于汽缸的进气和 排气阀在整个发动机循环期间保持关闭。以这种方式，陷入/包含在汽缸中的 空气尽管无法产生净功输出(net work output)但会用作气体弹簧。在图4 中提供的例子中，在汽缸2和3停缸时，通过发动机12的总空气流动会减 小大约50％。

汽缸可以在控制器110的命令下停缸，所述控制器可以使用一个或多个 数字处理装置、存储器和控制程序。在一种构造中，控制器110可以使得在 其让不同歧管上的那些汽缸停缸之前使得共享共同排气歧管的汽缸停缸。从 而其余的启用汽缸中发生的燃烧/排气脉冲可以继续尽量远地分开，同时可以 确保经过运行中歧管(即第一歧管36)的最小流量。

上述涡轮增压器18的设计在与使用选择性汽缸停缸的发动机组合时是 尤其有益的。使用双涡道涡轮机50同时试图使得通过涡道66、68中至少一 个的流动最大化(即通过仅使得共同歧管上的汽缸20停缸)可以使得可从排 气流40获得的功率最大化，甚至在低流动条件下也可以。而且，涡轮62的 几何构造可以被调节，以计入低流动情况，在这种情况下排出气体40仅流 动通过涡道66、68中的一个。另外，如上所述，具有双侧进口叶轮94的双 入口压缩机52能提供所需的增加量的压缩/增压压力，以生产所需的发动机 空气流量(如在汽缸停缸期间发生的)。

因此，在图4示出的设计中，发动机组件10包括发动机12，其被配置 为使得燃料燃烧且生产副产物排出气体40。发动机汽缸的第一子组(例如汽 缸1和4)可以与第一排气歧管36流体连通，且发动机汽缸的第二子组(例如 汽缸2和3)可以与第二排气歧管38流体连通。尽管针对4缸发动机示出了 本发明的设计，但是其可以同样地适用于具有不同构造的更大的发动机，如 上所述。

与发动机12通信的控制器110配置为使得共享共同排气歧管的一个或 多个汽缸停缸。控制器110可以通过限制进入或离开已停缸汽缸的燃料和空 气而实现这种停缸。在所示的例子中，汽缸2和3(共享第二排气歧管38)已 经停缸。从而仅产生的排出气体流动通过第一排气歧管36。

发动机12可以与涡轮增压器18通信，所述涡轮增压器18包括双涡道 涡轮机50和单一顺序式压缩机52。双涡道涡轮机50可以操作为尽管有减小 的排气流动40但仍维持最小的功率输出。这可部分地通过将通过总是启用 的汽缸提供的排出气体40和通过可选择性地停缸的汽缸提供的排出气体40 分别导通而实现。在汽缸停缸时，仅实现通过两个涡道66、68中一个的流 动40。而且，通过采取接近总是启用涡道的不太急剧的节距(less aggressive  pitch)，涡轮62的几何构造可以计入减小的总流动的情况。

通过采用两个平行入口的流动路径88、90(其导向单个双侧进口叶轮 94)单一顺序式压缩机52可以提供所需的增加增压压力，以实现所需的发 动机进入流动。从而压缩机52的停机点相对于单流动压缩机的停机点移位 (即冲击线(surge line)移动，以实现更低流量下的更高压缩比)。这允许压 缩机52在汽缸停缸的状态下继续为发动机12提供所需的增加的增压压力。 如此做可以在功率被最终请求且停缸的汽缸被重新启用时减少涡轮转动次 数(turbine spool times)。

尽管已经对执行本发明的较佳模式进行了详尽的描述，但是本领域技术 人员可得知在所附的权利要求的范围内的用来实施本发明的许多替换设计 和实施例。目的是上述和在附图中所示的所有内容应被理解为仅是示例性的 而不是限制性的。