渦輪增壓系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】內(nèi)燃機(jī)包括限定了氣缸的氣缸體和安裝至所述氣缸體的氣缸蓋。氣缸蓋向氣缸提供空氣和燃料以是它們在氣缸中燃燒。發(fā)動機(jī)還包括排氣歧管，其可操作地連接至氣缸蓋，并且具有構(gòu)造為排出來自氣缸的燃燒后氣體的第一排氣口和第二排氣口。發(fā)動機(jī)還包括渦輪增壓系統(tǒng)，其構(gòu)造為壓縮傳遞至氣缸的氣流。所述渦輪增壓系統(tǒng)包括由來自于第一排氣口的燃燒后氣體驅(qū)動以壓縮氣流的低流速渦輪增壓器和由來自于第二排氣口的燃燒后氣體驅(qū)動以壓縮氣流的高流速渦輪增壓。渦輪增壓系統(tǒng)額外地包括流速控制裝置，其用于將燃燒后氣體選擇性地引至低流速渦輪增壓器和高流速渦輪增壓器。還公開了一種使用這種發(fā)動機(jī)的車輛。
【專利說明】渦輪增壓系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及一種用于內(nèi)燃機(jī)的渦輪增壓系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]通常使用內(nèi)燃機(jī)(ICE)以在延長的時間周期內(nèi)可靠地產(chǎn)生相當(dāng)水平的動力。很多這樣的ICE組件使用渦輪增壓裝置，諸如排氣渦輪驅(qū)動渦輪增壓器，以在氣流進(jìn)入發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣歧管之前壓縮氣流，以提高功率和效率。
[0003]具體地，渦輪增壓器是離心氣體壓縮機(jī)，其相比于其他地使用環(huán)境大氣壓力可達(dá)到的裝置來說迫使更多的空氣進(jìn)入ICE的燃燒室，從而有更多的氧氣進(jìn)入ICE的燃燒室。迫使進(jìn)入ICE的含氧空氣的額外量改善了發(fā)動機(jī)的體積效率，允許其在給定的循環(huán)中燃燒更多的燃料，并且從而產(chǎn)生更大的功率。
[0004]典型的渦輪增壓器包括中心軸，其由一個或多個軸承支撐，并且在排氣驅(qū)動的渦輪葉輪和空氣壓縮機(jī)葉輪之間傳遞旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。渦輪葉輪和壓縮機(jī)葉輪都固定至軸，其與多個軸承部件組合，構(gòu)成了渦輪增壓器的旋轉(zhuǎn)組件。
[0005]這樣的旋轉(zhuǎn)組件的慣性一般影響渦輪增壓器的響應(yīng)，其中渦輪葉輪的直徑是主要因素之一。另一方面，由于渦輪增壓器通常在氣流和旋轉(zhuǎn)速度的特定范圍中是高效的，因此渦輪葉輪的直徑也是用于產(chǎn)生提升的發(fā)動機(jī)功率所需的氣流的一個主要的因素。這些考慮經(jīng)常地需要在最大發(fā)動機(jī)功率輸出和響應(yīng)之間的折衷。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本公開的一個實施例針對包括氣缸體的內(nèi)燃機(jī)。氣缸體限定了氣缸和安裝到氣缸體氣缸蓋。氣缸蓋構(gòu)造為向公開的氣缸提供空氣和燃料以在其中燃燒。發(fā)動機(jī)還包括可操作地連接到氣缸蓋的排氣歧管。排氣歧管包括第一排氣口和第二排氣口，其中每個排氣口構(gòu)造為排出來自氣缸的燃燒后氣體。發(fā)動機(jī)還包括渦輪增壓系統(tǒng)，其構(gòu)造為壓縮從環(huán)境接收的氣流以傳遞至氣缸。渦輪增壓系統(tǒng)包括低流速渦輪增壓器，其構(gòu)造為由來自于第一排氣口的燃燒后氣體驅(qū)動，以壓縮氣流并且將壓縮的氣流排向氣缸。渦輪增壓系統(tǒng)還包括高流速渦輪增壓器，其構(gòu)造為由來自于第二排氣口的燃燒后氣體驅(qū)動，以壓縮氣流并且將壓縮的氣流排向氣缸。渦輪增壓系統(tǒng)額外地包括流速控制裝置，其構(gòu)造為選擇性地將燃燒后氣體引至低流速渦輪增壓器和高流速渦輪增壓器。
[0007]排氣歧管可整合到氣缸蓋中。此外，氣缸蓋可被整合到氣缸體中或與氣缸體一起鑄造。
[0008]流速控制裝置可被直接附接到第二排氣口并且與第二排氣口流體連通。
[0009]低流速渦輪增壓器可包括第一雙渦道渦輪殼體。此外，氣缸可包括第一組氣缸和第二組氣缸。排氣歧管可被分叉，以將來自于第一組氣缸的燃燒后氣體單獨地引導(dǎo)至第一雙渦道渦輪殼體的一個渦道，并且將來自于第二組氣缸的燃燒后氣體單獨地引導(dǎo)至第一雙渦道渦輪殼體的另一個渦道。
[0010]高流速渦輪增壓器可包括第二雙渦道渦輪殼體。此外，氣缸可包括第一組氣缸和第二組氣缸。此外，整合的排氣歧管可被分叉，以單獨地引導(dǎo)來自于第一組氣缸的燃燒后氣體和來自于第二氣缸的燃燒后氣體。此外，流速控制裝置可包括分叉的腔室，其構(gòu)造為在分叉的排氣歧管之后，將第一組氣缸的燃燒后氣體單獨地引導(dǎo)通過其至第二雙渦道渦輪殼體的一個渦道，并且將第二組氣缸的燃燒后氣體單獨地引導(dǎo)通過其至第二雙渦道渦輪殼體的另一個潤道。
[0011]發(fā)動機(jī)可額外地包括可編程的控制器，其構(gòu)造為調(diào)節(jié)流速控制裝置的操作。
[0012]該控制器可被編程以關(guān)閉流速控制裝置以將燃燒后氣體引至低流速渦輪增壓器，并且打開控制閥以將燃燒后氣體引至高流速渦輪增壓器。
[0013]控制器還可被編程以在燃燒后氣體的預(yù)定流率之下關(guān)閉流速控制裝置，并且在預(yù)定的流率或高于預(yù)定的流率時打開流速控制裝置。
[0014]本公開的另一個實施例針對使用如上所述的發(fā)動機(jī)的車輛。
[0015]還公開了一種車輛，包括
[0016]驅(qū)動輪；以及
[0017]動力總成，其包括內(nèi)燃機(jī)和變速器組件，所述變速器組件可操作地連接至所述發(fā)動機(jī)并且構(gòu)造為將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩傳遞至驅(qū)動輪，所述發(fā)動機(jī)包括:
[0018]限定氣缸的氣缸體；
[0019]氣缸蓋，其安裝至所述氣缸體，并且構(gòu)造為向氣缸供給空氣和燃料以使得空氣和燃料在氣缸中燃燒；
[0020]排氣歧管，其可操作地連接至氣缸蓋，并且具有第一排氣口和第二排氣口，其中所述第一和第二排氣口的每一個構(gòu)造為排出來自氣缸的燃燒后氣體；以及
[0021]渦輪增壓系統(tǒng)，其構(gòu)造為壓縮從環(huán)境接收的氣流以傳遞至所述氣缸，所述渦輪增壓系統(tǒng)包括:
[0022]低流速渦輪增壓器，其構(gòu)造為由來自于所述第一排氣口的燃燒后氣體驅(qū)動，以壓縮氣流并且將壓縮的氣流排向所述氣缸；
[0023]高流速渦輪增壓器，其構(gòu)造為由來自于所述第二排氣口的燃燒后氣體驅(qū)動，以壓縮氣流并且將壓縮的氣流排向所述氣缸；以及
[0024]流速控制裝置，其構(gòu)造為將燃燒后氣體選擇性地引至所述低流速渦輪增壓器和所述高流速渦輪增壓器。
[0025]其中，所述排氣歧管整合到氣缸蓋中和/或所述氣缸蓋與所述氣缸體整合。
[0026]其中，所述流速控制裝置被直接附接到所述第二排氣口并且與所述第二排氣口流體連通。
[0027]其中，所述低流速渦輪增壓器包括第一雙渦道渦輪殼體。
[0028]其中，所述氣缸包括第一組氣缸和第二組氣缸，并且
[0029]排氣歧管可被分叉，以將來自于第一組氣缸的燃燒后氣體單獨地引導(dǎo)至第一雙渦道渦輪殼體的一個渦道，并且將來自于第二組氣缸的燃燒后氣體單獨地引導(dǎo)至第二雙渦道渦輪殼體的另一個渦道。
[0030]其中，所述高流速渦輪增壓器包括第二雙渦道渦輪殼體。
[0031]其中，所述氣缸包括第一組氣缸和第二組氣缸，整合的排氣歧管被分叉以分別地引導(dǎo)來自所述第一組氣缸的燃燒后氣體和來自所述第二組氣缸的燃燒后氣體；并且
[0032]所述流速控制裝置包括分叉的腔室，其構(gòu)造為在所述分叉的排氣歧管之后，將所述第一組氣缸的燃燒后氣體單獨地引導(dǎo)通過其至所述第二雙渦道渦輪殼體的一個渦道，并且將來自于所述第二組氣缸的燃燒后氣體單獨地引導(dǎo)通過其至所述第二雙渦道渦輪殼體的另一個潤道。
[0033]上述的車輛進(jìn)一步包括可操作地連接至所述發(fā)動機(jī)的可編程的控制器，其構(gòu)造為調(diào)節(jié)所述流速控制裝置的操作。
[0034]其中，所述控制器可被編程以關(guān)閉所述流速控制裝置以將燃燒后氣體弓I至所述低流速渦輪增壓器，并且打開所述流速控制裝置以將燃燒后氣體引至所述高流速渦輪增壓器。
[0035]其中，所述控制器被編程以在燃燒后氣體的預(yù)定流率以下關(guān)閉流速控制裝置，并且在預(yù)定的流率或高于預(yù)定的流率時打開所述流速控制裝置。
[0036]當(dāng)結(jié)合附圖和附加權(quán)利要求，以及下列用于實施所描述的發(fā)明的最優(yōu)模式和實施例的詳細(xì)描述時，本發(fā)明的上述特征和優(yōu)勢，以及其他特征和優(yōu)勢將變得顯而易見。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0037]圖1是具有帶有根據(jù)本公開的兩級式渦輪增壓系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)的車輛的示意性圖
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[0038]圖2是具有圖1中示出的根據(jù)本公開的一個實施例的兩級式渦輪增壓系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)的示意性部分橫截面俯視圖。
[0039]圖3是具有圖1中示出的根據(jù)本公開的另一個實施例的兩級式渦輪增壓系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)的示意性部分橫截面俯視圖。
[0040]圖4是具有圖1中示出的根據(jù)本公開的又一個實施例的兩級式渦輪增壓系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)的示意性部分橫截面俯視圖。

【具體實施方式】
[0041]參考附圖，在附圖中，相似的附圖標(biāo)記對應(yīng)于相似或類似的部件，圖1例示了使用了動力總成12以用于車輛10的經(jīng)由驅(qū)動輪14的推進(jìn)的車輛10。如圖所示，動力總成12包括諸如火花點火式或壓縮點火式的內(nèi)燃機(jī)16，以及可操作地連接至該內(nèi)燃機(jī)的變速器組件18。動力總成12還可包括一個或多個電機(jī)/發(fā)電機(jī)，兩者都沒有示出，但是兩者的存在可由本領(lǐng)域的技術(shù)人員想象得到。
[0042]如圖2所示，發(fā)電機(jī)16包括具有多個氣缸22布置在其中的氣缸體20和安裝在氣缸體上的氣缸蓋24。如圖2-4所示，氣缸蓋24可整合到氣缸體20中或與氣缸體20—起鑄造。氣缸蓋24接收將用于在氣缸22中后續(xù)的燃燒的空氣和燃料。每個氣缸22包括活塞，活塞沒有具體地示出，但是對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說在活塞在其中的往復(fù)運(yùn)動是已知的。燃燒室28形成在氣缸22中，在氣缸蓋24的底面和活塞的頂部之間。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所知的，每個燃燒室28從氣缸蓋24接收形成了燃料空氣混合物，以用于在燃燒室中進(jìn)行后續(xù)的燃燒的燃料和空氣。雖然示出了直列四缸發(fā)動機(jī)，但是并沒有排除本公開被應(yīng)用到具有不同數(shù)量和/或不同布置的氣缸的發(fā)動機(jī)。
[0043]發(fā)動機(jī)10包括構(gòu)造為在氣缸體20中旋轉(zhuǎn)的曲軸(未示出)。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所知的，由于在燃燒室28中合適比例的燃料空氣混合物燃燒的結(jié)果，曲軸通過活塞旋轉(zhuǎn)。在空氣燃料混合物在特定的燃燒室28中燃燒后，特定的活塞的往復(fù)運(yùn)動用于從排出來自各氣缸22的燃燒后氣體32。氣缸蓋24還構(gòu)造為經(jīng)由排氣歧管34排出來自燃燒室28的燃燒后氣體32。如圖2所示，排氣歧管34可與氣缸蓋24內(nèi)部地鑄造，即，一體地整合到氣缸蓋24中。來自于不同氣缸22的排氣道在排氣歧管34中結(jié)合到一起，從而允許形成兩個單獨的排氣口，第一排氣口 34-1和第二排氣口 34-2，用于從所有的氣缸22排除燃燒后氣體32。
[0044]發(fā)動機(jī)10還包括渦輪增壓系統(tǒng)36，其構(gòu)造為發(fā)展增壓，即，壓縮從環(huán)境接收的氣流38以傳遞至氣缸22。渦輪增壓系統(tǒng)36構(gòu)造為用于發(fā)動機(jī)10的兩級式強(qiáng)制引導(dǎo)布置。渦輪增壓系統(tǒng)36包括低流速渦輪增壓器40，其與排氣歧管34流體連通，并且構(gòu)造為由來自于第一排氣口 34-1的燃燒后氣體32驅(qū)動。低流速渦輪增壓器40壓縮氣流38并且將氣流38以燃燒后氣體32的較低流率排向氣缸22，其中燃燒后氣體32的較低流率一般在較低的發(fā)動機(jī)10轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生，諸如低于約3000RPM。
[0045]渦輪增壓系統(tǒng)36還包括高流速渦輪增壓器42，其與排氣歧管34流體連通，并且構(gòu)造為由來自于第二排氣口 34-2的燃燒后氣體32驅(qū)動。高流速渦輪增壓器42壓縮氣流38并且將氣流38在燃燒后氣體32的較高流率下排向氣缸22，其中燃燒后氣體32的較高流速一般在發(fā)動機(jī)10的中速或較高速的轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生，諸如在3000RPM周圍或高于3000RPM。為了支持這樣不同的發(fā)動機(jī)速度范圍和氣流38的流率，低流速渦輪增壓器40的尺寸一般相對較小，并且從而具有相比于高流速渦輪增壓器42更小的旋轉(zhuǎn)慣性。這樣，排氣歧管34可操作地連接至氣缸蓋24，而兩個單獨的排氣口 34-1和34-2允許兩個渦輪增壓器40、42充分分開地安裝。
[0046]通常，在兩級式強(qiáng)制引導(dǎo)布置中，來自多個渦輪增壓器的輸出壓力大于由單個渦輪增壓器提供的輸出壓力。這樣的兩級式強(qiáng)制引導(dǎo)布置可被構(gòu)造為操作作為連續(xù)系統(tǒng)操作，在連續(xù)系統(tǒng)中至少在一些，典型地更高的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，低流速和高流速渦輪增壓器兩者同時地操作，也就是具有操作重疊。兩級式強(qiáng)制引導(dǎo)布置還可被構(gòu)造為產(chǎn)生增壓的分級的系統(tǒng)，即，低流速和高流速的渦輪增壓器依次產(chǎn)生增壓，兩者沒有操作重疊。在這樣的兩級式強(qiáng)制引導(dǎo)布置中，大流速渦輪增壓器盡可能多地增大進(jìn)氣壓力，例如至三倍的進(jìn)氣壓力，并且隨后的較小流速的渦輪增壓器從前一階段接收進(jìn)氣并且進(jìn)一步壓縮，例如額外增加三倍進(jìn)氣壓力，總共增壓至九倍大氣壓力。
[0047]如圖2-4所示，渦輪增壓器40和42的每一個分別包括旋轉(zhuǎn)組件，旋轉(zhuǎn)組件40_1和旋轉(zhuǎn)組件42-1。旋轉(zhuǎn)組件40-1和42-1包括分別安裝在軸40_3和42_3上的各自的渦輪葉輪40-2和42-2。渦輪葉輪40-2和42_2構(gòu)造為通過從氣缸22中排出的燃燒后氣體32沿各自的軸40-2和42-3旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)組件42-1物理上比旋轉(zhuǎn)組件40_1大，使得高流速渦輪增壓器42可產(chǎn)生從其所需的相對較高的空氣流率。渦輪葉輪40-2和42-2典型地由耐熱并抗氧化的材料構(gòu)建，諸如基于鎳鉻的“鎳鉻鐵合金”的超級合金，以可靠地抵抗燃燒后的溫度，這些溫度在一些發(fā)動機(jī)中可達(dá)到2000華氏度。
[0048]渦輪葉輪40-2和42-2分別設(shè)置在渦輪殼體40_4和42_4中，其典型地由鑄鐵或鋼構(gòu)建，包括合適的構(gòu)造(即設(shè)計和尺寸)的各自的渦輪渦形或渦道。渦輪殼體40-4和42-4的渦輪渦道接收燃燒后氣體32并且將氣體引導(dǎo)至各自的渦輪葉輪40-2和42_2。渦輪渦道構(gòu)造為達(dá)到各自的渦輪增壓器40和42的特定性能特征，諸如效率和響應(yīng)。渦輪殼體40-4和42-4的每一個還可包括整合的廢氣門閥(未示出)以有助于更精確地控制由渦輪增壓系統(tǒng)36產(chǎn)生的增壓壓力，以及低流速渦輪增壓器40和高流速渦輪增壓器42的操作之間的轉(zhuǎn)換和重疊。然而，下文中將詳細(xì)描述的流速控制裝置44可用作用于低流速渦輪增壓器40的廢氣門。
[0049]每個旋轉(zhuǎn)組件40-1、42_1還包括安裝在各自的軸40_3和42_3上的壓縮機(jī)葉輪40-6和40-6。壓縮機(jī)葉輪40-6和42_6構(gòu)造為壓縮從環(huán)境接收的氣流38用于最終傳遞至氣缸22。壓縮機(jī)葉輪40-6和42-6設(shè)置在各自的壓縮機(jī)蓋40_7和42_7中。每個壓縮機(jī)蓋40-7和42-7典型地由鋁構(gòu)建，并且包括各自的壓縮機(jī)渦形或渦道。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的，燃燒后氣體32的可變的流動和力影響可由各自的渦輪增壓器40和42的每個壓縮機(jī)葉輪40-6和42-6在發(fā)動機(jī)16的整個操作范圍內(nèi)產(chǎn)生的增壓壓力。每個壓縮機(jī)葉輪40_6、42-6典型地由高強(qiáng)度鋁合金形成，所述高強(qiáng)度鋁合金為壓縮機(jī)葉輪提供了降低的旋轉(zhuǎn)慣性和更快的上旋響應(yīng)。
[0050]發(fā)動機(jī)16額外地包括引導(dǎo)系統(tǒng),其可包括空氣導(dǎo)管和構(gòu)造為將氣流38從環(huán)境通至渦輪增壓系統(tǒng)36的渦輪增壓器40、42的空氣過濾器上游。雖然引導(dǎo)系統(tǒng)未示出，它的存在將由本領(lǐng)域的技術(shù)人員所意識到。渦輪增壓器40、42的每一個還可流體地連接至進(jìn)氣歧管(未示出)，所述進(jìn)氣歧管構(gòu)造為將壓縮的氣流38分配至每個氣缸22，用于與合適量的燃料混合和合成的燃料空氣混合物的隨后的燃燒。
[0051]如圖2-4所示，渦輪增壓系統(tǒng)36還包括流速控制裝置44。流速控制裝置44安裝至氣缸蓋24，并且直接附接到排氣歧管34的第二排氣口 34-2并與其流體連通。高流速渦輪增壓器42安裝到流速控制裝置44，使得燃燒后氣體32僅可首先通過流速控制裝置而到達(dá)高流速渦輪增壓器。離開第一歧管排氣口 34-1的流體流動路徑保持無阻礙，以將燃燒后氣體32提供至低流速渦輪增壓器40，而從第二歧管排氣口 34-2的另一個流體流動路徑連接至流速控制裝置44。
[0052]流速控制裝置44包括閥46和腔室48，并且用于選擇性地打開和關(guān)閉從第二歧管排氣口 34-2進(jìn)入高流速渦輪增壓器42的流體流動路徑。流速控制裝置44也是打開的，即與低流速渦輪殼體40-4流體連接。如圖所示，閥46可構(gòu)造為門，其設(shè)計為繞軸X樞轉(zhuǎn)以選擇性地打開和關(guān)閉所述流速控制裝置44。當(dāng)流速控制裝置44關(guān)閉并且閥46阻擋第二歧管排氣口 34-2時，燃燒后氣體32自然地流進(jìn)低流速渦輪增壓器40中。跟隨低流速渦輪增壓器40，燃燒后氣體32從低流速渦輪殼體40-4離開進(jìn)入閥46的下游的高流速渦輪殼體42-4。在另一方面，由于腔室48流體連接至低流速渦輪，當(dāng)閥46完全打開第二歧管排氣口34-2時，橫跨低流速渦輪殼體40-4兩側(cè)的壓力相等，燃燒后氣體32將自然地流進(jìn)高流速渦輪殼體42-4中。
[0053]可指定閥46的尺寸以選擇低流速渦輪葉輪40-2葉輪和高流速渦輪葉輪42_2之間的操作轉(zhuǎn)換點。并且，進(jìn)入流速控制裝置44的開口可經(jīng)由閥46而被調(diào)節(jié)，以調(diào)節(jié)或改變經(jīng)過低流速渦輪殼體40-4的燃燒后氣體32的流速，從而改變低流速和高流速渦輪增壓器40,42的操作之間的重疊的量。并且低流速和高流速渦輪殼體40-4和42-4的相對尺寸被選擇以改變在低流速渦輪葉輪40-2和高流速渦輪葉輪42-2之間的操作轉(zhuǎn)換點。因此，進(jìn)入閥46的腔室48的開口還能夠被控制以影響兩個渦輪增壓器40、42的連續(xù)的操作。通過這樣的布置，流速控制裝置44構(gòu)造為選擇性地引導(dǎo)燃燒后氣體32至低流速渦輪增壓器40和高流速渦輪增壓器42，從而在發(fā)動機(jī)16的操作期間在低流速渦輪增壓和高流速渦輪增壓器之間有效地轉(zhuǎn)換。
[0054]車輛10可額外地包括可編程控制器50，其構(gòu)造為調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)的操作，諸如通過控制注射進(jìn)氣缸22用于與壓縮氣流38混合并隨后燃燒的燃料的量?？刂破?0也構(gòu)造為調(diào)節(jié)流速控制裝置44。更具體地，控制器50被編程以根據(jù)操作參數(shù)，諸如發(fā)動機(jī)16的負(fù)載、溫度和轉(zhuǎn)速，以關(guān)閉流速控制裝置44(如圖2所示)以將燃燒后氣體32引導(dǎo)至低流速渦輪增壓器40，和打開流速控制閥(如圖3所示)以將燃燒后氣體引導(dǎo)至高流速渦輪增壓器42。因此，控制器50可被編程以在低于燃燒后氣體32的預(yù)定流率時關(guān)閉流速控制裝置44，并且在預(yù)定的流率或高于預(yù)定的流率時打開控制閥。
[0055]燃燒后氣體32的預(yù)定流率52可為特定流率值，在該流率值以下，所述發(fā)動機(jī)16的燃燒后氣體具有足夠的能量以使低流速渦輪增壓器40以預(yù)期的轉(zhuǎn)速上旋以在預(yù)期的時間段中提供預(yù)期的增壓，但是不足以類似地使更高慣性的高流速渦輪增壓器42上旋。燃燒后氣體32的所述預(yù)定流率可通過計算識別并且然后通過實際發(fā)動機(jī)16的測試期間通過實驗步驟驗證，它們都是從測試的角度出發(fā)并且在車輛10中進(jìn)行。
[0056]如圖2所示，高流速渦輪增壓器42的渦輪殼體42-4和低流速渦輪增壓器40的渦輪殼體40-4的每一個可具有標(biāo)準(zhǔn)的或基線單渦道構(gòu)造?？蛇x地，如圖3所示，低流速渦輪增壓器40的渦輪殼體40-4能夠具有第一雙渦道構(gòu)造。類似地，也如圖4所示，高流速渦輪增壓器42的渦輪殼體42-4能夠具有第二雙渦道構(gòu)造。具有第一雙渦道構(gòu)造的低流速渦輪增壓器40可與具有單渦道構(gòu)造的高流速渦輪增壓器42組合使用。
[0057]發(fā)動機(jī)的配氣相位可被構(gòu)造為使得不同氣缸中的排氣門能夠同時打開，在一個氣缸的做功沖程的結(jié)束和在另一個氣缸的排氣沖程的結(jié)束重疊。因此，重疊來自于發(fā)動機(jī)氣缸的燃燒后氣體脈沖可干涉并減少可用于驅(qū)動渦輪增壓器渦輪葉輪的脈沖能量。為了處理這些考慮，如通常可應(yīng)用至渦輪增壓器40和42的每一個的，雙渦道或分開的渦輪殼體包括兩個進(jìn)入渦輪殼體的排出氣體排氣口和兩個噴嘴。典型地，雙渦道渦輪殼體具有用于快速響應(yīng)的較小的、更小角度的噴嘴和用于峰值性能的較大的、更大角度的噴嘴。
[0058]雙渦道渦輪殼體典型地與特定設(shè)計的、設(shè)計以適當(dāng)?shù)鼐酆习l(fā)動機(jī)的氣缸的分叉的排氣歧管成對，使得最大的脈沖能量能夠被施加到渦輪葉輪，以用于改進(jìn)的發(fā)動機(jī)操作效率。這樣的排氣歧管將氣缸的排氣通道物理地分隔，這些氣缸在發(fā)動機(jī)的操作過程中可能彼此干涉，使得脈沖的燃燒后氣體流動至雙渦道渦輪殼體的分隔的渦道。當(dāng)以這種方式配對，雙渦道渦輪殼體和分叉的排氣歧管允許發(fā)動機(jī)高效地使用排氣排除技術(shù)。這樣高效的排氣排除的一些優(yōu)勢可包括降低了渦輪增壓器響應(yīng)的延遲的改進(jìn)的渦輪效率和排氣溫度降低和NOx排放的減少。
[0059]根據(jù)上述的實踐，如圖3-4所示，在氣缸蓋24的排氣側(cè)，氣缸22可被分為第一組氣缸22-1和第二組氣缸22-2，使得在燃燒循環(huán)的排氣部分期間單個氣缸不會彼此干擾。為了額外地利用渦輪渦道40-4和42-4的雙渦道構(gòu)造，排氣歧管34可分叉以在第一排氣口 34-1處分別地將燃燃燒后氣體32從第一組氣缸22-1引導(dǎo)至第一雙渦道渦輪殼體40_4的一個渦道并且將燃燒后氣體從第二組氣缸22-2引導(dǎo)至第一雙渦道渦輪殼體的另一個渦道。
[0060]類似于上述，并且如圖4所示，排氣歧管34可分叉以在第二排氣口 34-2處分別地將燃燃燒后氣體32從第一組氣缸22-1引導(dǎo)至第二雙渦道渦輪殼體42-4的一個渦道并且將燃燒后氣體從第二組氣缸22-2引導(dǎo)至第二雙渦道渦輪殼體的另一個渦道。此外，由于流速控制裝置44安裝至氣缸蓋24并且直接附接至第二排氣口 34-2，腔室48可分叉為子腔室48-1和48-2，并且分別包括單獨的閥46-1和46_2，以分別地引導(dǎo)燃燒后氣體32通過其并前往雙渦道渦輪殼體42-4。因此，隨著排氣歧管34的分叉的第二排氣口 34-2，第一組氣缸22-1的燃燒后氣體可經(jīng)由分叉的腔室48分別地引導(dǎo)至雙渦道渦輪殼體42-4的一個渦道，并且引導(dǎo)第二組氣缸22-2的燃燒后氣體至雙渦道渦輪殼體的另一個渦道。
[0061]圖2-4示出了具有1-3-4-2的點火順序的典型的直列四缸發(fā)動機(jī)。如圖所示，來自于連續(xù)點火氣缸的燃燒后氣體32被分開進(jìn)入分開的流動分支并且在同一分支中的流動在時間上分開，以達(dá)到獲得高排氣壓力脈沖的目的。對于具有點火順序1-3-4-2的直列四缸發(fā)動機(jī)來說，來自于氣缸#1和#4的排氣管組成一個分支，來自于氣缸#2和#3的排氣管組成另一個分支。每個分支具有兩個出口，一個在第一排氣口 34-1處，一個在第二排氣口34-2處，引導(dǎo)至兩個單獨的渦輪增壓器40、42。一個分支的每個出口與來自于另一分支的一個出口成對，以在每個排氣口 34-1和34-2處形成單個的凸緣面。進(jìn)入渦輪增壓器40和流速控制裝置44的端口需要成形為與在排氣口 34-1、34-2處的對應(yīng)的凸緣面匹配，以實現(xiàn)燃燒后氣體32的高效地流動。
[0062]總的來說，排氣歧管34的兩個單獨的排氣口 34-1和34_2允許兩級式渦輪增壓系統(tǒng)36的低流速渦輪增壓器40和高流速渦輪增壓器42充分地分開安裝，并且允許雙渦道技術(shù)的結(jié)合。這樣，低流速渦輪增壓器40的雙渦道渦輪殼體40-4，無論是單獨地或者與高流速渦輪增壓器42的雙渦道渦輪殼體42-4 —起，可被利用以提高燃燒后氣體32的流動管理，從而改善發(fā)動機(jī)16的操作效率。此外，兩級式渦輪增壓系統(tǒng)36意在由于系統(tǒng)能在更寬的流動范圍內(nèi)產(chǎn)生更高的增壓而使得能夠減小發(fā)動機(jī)尺寸。此外，對于火花點火式發(fā)動機(jī)，能夠在兩級式渦輪增壓系統(tǒng)中使用雙渦道技術(shù)，以控制壓縮氣流的進(jìn)氣溫度，從而允許在更高水平的發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)更高的增壓壓力。
[0063]圖或附圖的詳細(xì)的描述是對本發(fā)明的支撐和描述，但是本發(fā)明的范圍僅僅由權(quán)利要求限定的。雖然用于實施要求保護(hù)的本發(fā)明的最優(yōu)模式和其他實施例的一些已經(jīng)被詳細(xì)地描述，但是還存在有用于實踐在附加的權(quán)利要求中限定的多種替代的設(shè)計和實施例。此夕卜，示出于圖中的實施例或在本說明書中提到的多個實施例的特征不需被理解為彼此獨立的實施例。相反，將一個實施例中的示例中的一個種描述的特征與其他實施例描述的一個或多個特征組合，產(chǎn)生了未用文字描述或參考附圖的其他實施例是可能的。因此，這些其他的實施例落在了所附權(quán)利要求的范圍的框架內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種內(nèi)燃機(jī)，包括 限定氣缸的氣缸體； 氣缸蓋，其安裝至所述氣缸蓋，并且構(gòu)造為向氣缸供給空氣和燃料以使它們在氣缸中燃燒； 排氣歧管，其可操作地連接至所述氣缸蓋，并且具有第一排氣口和第二排氣口，其中所述第一和第二排氣口的每一個構(gòu)造為排出來自所述氣缸的燃燒后氣體；以及 渦輪增壓系統(tǒng)，其構(gòu)造為壓縮從環(huán)境接收的氣流以傳遞至所述氣缸，所述渦輪增壓系統(tǒng)包括: 低流速渦輪增壓器，其構(gòu)造為由來自于所述第一排氣口的燃燒后氣體驅(qū)動，以壓縮氣流并且將壓縮的氣流排向所述氣缸； 高流速渦輪增壓器，其構(gòu)造為由來自于所述第二排氣口的燃燒后氣體驅(qū)動，以壓縮氣流并且將壓縮的氣流排向所述氣缸；以及 流速控制裝置，其構(gòu)造為將燃燒后氣體選擇性地引至所述低流速渦輪增壓器和所述高流速渦輪增壓器。
2.如權(quán)利要求1所述的發(fā)動機(jī)，其中所述排氣歧管整合到氣缸蓋中和/或所述氣缸蓋與所述氣缸體整合。
3.如權(quán)利要求1所述的發(fā)動機(jī)，其中所述流速控制裝置被直接附接到所述第二排氣口并且與所述第二排氣口流體連通。
4.如權(quán)利要求1所述的發(fā)動機(jī)，其中所述低流速渦輪增壓器包括第一雙渦道渦輪殼體。
5.如權(quán)利要求4所述的發(fā)動機(jī)，其中 所述氣缸包括第一組氣缸和第二組氣缸，并且 排氣歧管被分叉，以分別將來自于所述第一組氣缸的燃燒后氣體引導(dǎo)至所述第一雙渦道渦輪殼體的一個渦道，并且將來自于所述第二組氣缸的燃燒后氣體引導(dǎo)至所述第一雙渦道渦輪殼體的另一個渦道。
6.如權(quán)利要求1所述的發(fā)動機(jī)，其中所述高流速渦輪增壓器包括第二雙渦道渦輪殼體。
7.如權(quán)利要求6所述的發(fā)動機(jī)，其中 所述氣缸包括第一組氣缸和第二組氣缸，整合整合的排氣歧管分叉以分別地引導(dǎo)來自所述第一組氣缸的燃燒后氣體和來自所述第二組氣缸的燃燒后氣體；并且 流速控制裝置包括分叉的腔室，所述分叉的腔室構(gòu)造為在所述分叉的排氣歧管之后，分別將所述第一組氣缸的燃燒后氣體引導(dǎo)通過該腔室并引導(dǎo)至所述第二雙渦道渦輪殼體的一個渦道，并且將來自于所述第二組氣缸的燃燒后氣體引導(dǎo)通過該腔室并引導(dǎo)至所述第二雙渦道渦輪殼體的另一個渦道。
8.如權(quán)利要求1所述的發(fā)動機(jī)，進(jìn)一步包括可編程的控制器，其構(gòu)造為調(diào)節(jié)所述流速控制裝置的操作。
9.如權(quán)利要求8所述的發(fā)動機(jī)，其中所述控制器被編程以關(guān)閉所述流速控制裝置以將燃燒后氣體引至所述低流速渦輪增壓器，并且打開所述流速控制裝置以將燃燒后氣體引至所述高流速渦輪增壓器。
10.如權(quán)利要求9所述的發(fā)動機(jī)，其中所述控制器被編程以在低于燃燒后氣體的預(yù)定流率時關(guān)閉所述流速控制裝置，并且在預(yù)定的流率或高于預(yù)定的流率時打開所述流速控制>j-U ρ?α裝直。
【文檔編號】F02B37/007GK104343528SQ201410384433
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年8月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月5日
【發(fā)明者】K-J.吳, D.洛夫蘭 申請人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司