采用汽缸停缸的渦輪增壓發(fā)動的制造方法
【專利摘要】一種發(fā)動機組件包括進(jìn)氣組件、火花塞點火式內(nèi)燃發(fā)動機、排氣組件和渦輪增壓器。內(nèi)燃發(fā)動機與進(jìn)氣組件聯(lián)接且限定配置為燃燒燃料的多個汽缸。汽缸子組配置為選擇性地停缸，以停止燃料燃燒，而其他的繼續(xù)燃燒。渦輪增壓器包括與進(jìn)氣組件流體連通的雙入口壓縮機和與排氣組件流體連通的雙渦道渦輪機。雙入口壓縮機和雙渦道渦輪機操作性地通過軸連接。
【專利說明】采用汽缸停缸的渦輪增壓發(fā)動機

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明通常涉及采用汽缸停缸的渦輪增壓發(fā)動機。

【背景技術(shù)】
[0002]內(nèi)燃發(fā)動機(ICE)可以在一個或多個燃燒室中燃燒空氣和燃料的混合物，以生產(chǎn)機械輸出。在燃燒期間，各種排出氣體被產(chǎn)生且排出到大氣。在一些情況下，一個或多個汽缸可以被停用，以在請求小量扭矩時消除對燃燒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閥保持在關(guān)閉狀態(tài)，這使得陷落的(燃料少)的空氣變?yōu)闅怏w彈簧。如此做允許以減小的油門調(diào)節(jié)損失來產(chǎn)生所需的功率。
[0003]內(nèi)燃發(fā)動機通常被用于以可靠的基礎(chǔ)產(chǎn)生長時間的大水平的動力。許多這樣的ICE組件使用增壓裝置，例如排氣渦輪驅(qū)動的渦輪增壓器，以讓氣流在進(jìn)入發(fā)動機的進(jìn)氣歧管之前壓縮氣流，以便增加功率和效率。
[0004]具體說，渦輪增壓器是離心的氣體壓縮機，其與通過周圍大氣壓力可以獲得的相比使得更多空氣和更多氧氣進(jìn)入ICE的燃燒室。被迫進(jìn)入ICE的額外質(zhì)量的含有氧氣的空氣改善發(fā)動機的容積效率，允許在給定循環(huán)中燃燒更多燃料，且由此產(chǎn)生更多功率。
[0005]典型的渦輪增壓器包括中心軸，其被一個或多個軸承支撐且在排氣驅(qū)動的渦輪和空氣壓縮機輪之間傳遞旋轉(zhuǎn)運動。渦輪和壓縮機輪被固定到軸，上述軸與各種軸承部件組合構(gòu)成渦輪增壓器的旋轉(zhuǎn)組件。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]發(fā)動機組件包括進(jìn)氣組件、火花塞點火式、內(nèi)燃發(fā)動機、排氣組件和渦輪增壓器。內(nèi)燃發(fā)動機聯(lián)接到進(jìn)氣組件且限定第一多個汽缸和第二多個汽缸。排氣組件包括與第一多個汽缸流體連通的第一排氣歧管和與第二多個汽缸流體連通的第二排氣歧管。
[0007]渦輪增壓器包括與進(jìn)氣組件流體連通的雙入口壓縮機和與排氣組件流體連通的雙渦道渦輪機。雙入口壓縮機和雙渦道渦輪機操作性地通過軸連接，且火花塞點火式內(nèi)燃發(fā)動機配置為選擇性地運行在汽缸停缸模式，在該模式中燃料僅在第一多個汽缸中燃燒。
[0008]雙渦道渦輪機包括殼體和設(shè)置在殼體中的渦輪。殼體限定第一渦道和第二渦道，其中第一渦道和第二渦道兩者周向地繞渦輪的一部分設(shè)置且與渦輪流體連通。第一渦道與第一排氣歧管流體連通，且第二渦道與第二排氣歧管流體連通。
[0009]雙入口壓縮機包括壓縮機殼體和設(shè)置在壓縮機殼體中的雙側(cè)進(jìn)口葉輪。壓縮機殼體限定第一入口、第二入口、和出口，出口與進(jìn)氣組件直接連通。雙側(cè)進(jìn)口葉輪包括在葉輪第一側(cè)上的第一葉片結(jié)構(gòu)，和設(shè)置在葉輪第二側(cè)上的第二葉片結(jié)構(gòu)。壓縮機殼體限定第一入口和葉輪的第一葉片結(jié)構(gòu)之間的第一流動路徑,且限定第二入口和葉輪的第二葉片結(jié)構(gòu)之間的第二流動路徑。
[0010]雙入口壓縮機配置為通過進(jìn)氣組件提供壓縮空氣源且在火花塞點火式內(nèi)燃發(fā)動機運行在汽缸停缸模式下時僅提供到第一多個汽缸。供應(yīng)的壓縮空氣可以具有大于大氣壓力的壓力。
[0011]在下文結(jié)合附圖進(jìn)行的對實施本發(fā)明的較佳模式做出的詳盡描述中能容易地理解上述的本發(fā)明的特征和優(yōu)點以及其他的特征和優(yōu)點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動機組件的示意圖。
[0013]圖2是雙渦道渦輪機的示意性截面圖，所述雙渦道渦輪機可以用于圖1的內(nèi)燃發(fā)動機組件。
[0014]圖3是雙入口壓縮機的示意性截面圖，其可以用于圖1的內(nèi)燃發(fā)動機組件
[0015]圖4是汽缸停缸模式下的渦輪增壓內(nèi)燃發(fā)動機組件的示意圖。

【具體實施方式】
[0016]參見附圖，其中在各種附圖中相同的附圖標(biāo)記用于表示相同的部件，圖1示意性地示出了發(fā)動機組件10，其包括內(nèi)燃發(fā)動機12、空氣進(jìn)入系統(tǒng)14和排氣系統(tǒng)16?？諝膺M(jìn)入系統(tǒng)14和排氣系統(tǒng)16每一個可以分別與發(fā)動機12流體連通，且可以通過渦輪增壓器18彼此機械相連。
[0017]內(nèi)燃發(fā)動機12 (即發(fā)動機12)可以是火花塞點火式內(nèi)燃發(fā)動機且可以限定多個汽缸20 (稱為汽缸1-4)。相應(yīng)汽缸20每一個可以包括一個或多個燃料噴射器22，其可以選擇性地將液體燃料(如氣霧)引入每一個汽缸中，以用于燃燒。每一個汽缸20可以選擇性地與空氣進(jìn)入系統(tǒng)14流體連通，以接收新鮮/含氧空氣，且?guī)讉€汽缸20可以選擇性地與排氣系統(tǒng)16流體連通，以排出燃燒副產(chǎn)物。盡管示出的發(fā)動機12顯示了 4缸發(fā)動機，但是本發(fā)明的技術(shù)同樣適用于直列式三缸和六缸發(fā)動機、V-8、V-10、V-12構(gòu)造的發(fā)動機。
[0018]空氣進(jìn)入系統(tǒng)14可以通常包括新鮮空氣入口 24、增壓空氣冷卻器28、節(jié)流閥30和進(jìn)氣歧管32。如可以理解的，發(fā)動機12操作期間，新鮮空氣34可以從大氣(或從相關(guān)的空氣清潔組件)經(jīng)由新鮮空氣入口 24通過空氣進(jìn)入系統(tǒng)14引入。節(jié)流閥30可以包括可控制的導(dǎo)流板，其配置為選擇性地調(diào)節(jié)經(jīng)過進(jìn)氣系統(tǒng)14且最終進(jìn)入汽缸20 (經(jīng)由進(jìn)氣歧管32)的總空氣流。
[0019]在典型的4缸發(fā)動機中，各發(fā)動機汽缸20中的燃燒會以連續(xù)的方式發(fā)生。例如，點火順序可以順序地是:汽缸I ;汽缸3 ;汽缸4 ;汽缸2。如可以理解的，發(fā)動機12可以隨后將氣體從汽缸以同一連續(xù)順序排出；和由此，排氣流動會更類似于一系列脈沖，而非連續(xù)流動。
[0020]已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機效率在排氣脈沖被分離而不彼此干涉時能最大化。除了減少脈沖之間的干涉，分離可以減少爆震和/或不正常燃燒的發(fā)生。為了實現(xiàn)充分的脈沖分離，排氣流動可以被分為不同流動，其可以經(jīng)由多個排氣歧管被分別引導(dǎo)到渦輪增壓器18。因此，在一個構(gòu)造中，排氣系統(tǒng)16可以包括第一排氣歧管36和第二排氣歧管38，它們可以將流動的排出氣體40引導(dǎo)離開發(fā)動機12。排出氣體40可以最后經(jīng)過后處理裝置42，以在經(jīng)由尾管44離開排氣系統(tǒng)16之前催化和/或除去某些副產(chǎn)物。
[0021]如上所述，空氣進(jìn)入系統(tǒng)14和排氣系統(tǒng)16可以通過渦輪增壓器18而機械相連。渦輪增壓器18可以包括與排氣系統(tǒng)16流體連通的渦輪機50和與進(jìn)氣系統(tǒng)14流體連通的壓縮機52。渦輪機50和壓縮機52可以經(jīng)由旋轉(zhuǎn)軸54機械地聯(lián)接。渦輪增壓器18可以利用從發(fā)動機12流動的排出氣體40的能量來使得渦輪機50和壓縮機52轉(zhuǎn)動。壓縮機52的旋轉(zhuǎn)可以隨后從入口 24提取新鮮的空氣34且將其壓縮到進(jìn)氣系統(tǒng)14的其余部分中。
[0022]圖2示出了渦輪機50的一個實施例。如所示的，渦輪機50包括殼體60和可旋轉(zhuǎn)渦輪62，所述可旋轉(zhuǎn)渦輪62操作性地連接到旋轉(zhuǎn)軸54。殼體可以限定渦螺部分(voluteport1n) 64，所述渦螺部分基本圍繞渦輪62，且其與排氣系統(tǒng)16直接流體連通。如所示的，渦螺部分64可以包括通過分隔部70分開的第一渦道(scroll) 66和第二渦道68 (由此殼體60可以被稱為“雙渦道殼體60”)。在具有兩個排氣歧管36、38的排氣系統(tǒng)中，每一個渦道66、68可以從相應(yīng)歧管中的一個接收排出氣體40。例如，第一渦道66可以與第一排氣歧管36流體連通，且第二渦道68可以與第二排氣歧管38流體連通。每一個渦道可以朝向渦輪62引導(dǎo)流動的排出氣體，在該處它們可以在經(jīng)由出口 72離開渦輪機50之前促動輪62以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。
[0023]圖3示出了壓縮機52的一個實施例，其可以用于本發(fā)明的系統(tǒng)。示出的壓縮機52是順序式壓縮機(sequential compressor)的例子,其被包含在單個殼體80中(簡要地稱為“單一順序式壓縮機(single-sequential compressor) 52”)。殼體可以限定第一入口82、第二入口 84和出口 86，每一個入口 82、84被操作性地聯(lián)接到進(jìn)氣系統(tǒng)14的新鮮空氣入口 24，且出口 86被操作性地聯(lián)接到增壓空氣冷卻器(charge air cooler) 28。每一個入口82、84可以接收相應(yīng)的進(jìn)入流88、90，所述進(jìn)入流可以是被攝取的新鮮空氣34的子部分，且出口 86可以將被壓縮的空氣流92排出到增壓空氣冷卻器28。
[0024]雙側(cè)進(jìn)口葉輪(dual-sided impeller) 94可以設(shè)置在殼體80中且流體地定位在每一個相應(yīng)入口 82、84和出口 86之間。雙側(cè)進(jìn)口葉輪94可以包括與第一進(jìn)入流88流體連通的第一葉片結(jié)構(gòu)96和與第二進(jìn)入流90流體連通的相對的第二葉片結(jié)構(gòu)98。在葉輪94被旋轉(zhuǎn)軸54旋轉(zhuǎn)時(所述旋轉(zhuǎn)軸被渦輪機50驅(qū)動)，其可以將來自第一和第二進(jìn)入流88、90的空氣壓縮到渦螺通道100，所述渦螺通道設(shè)置在葉輪94周圍且打開到出口 86。
[0025]雙側(cè)進(jìn)口葉輪94可以使得壓縮機52實現(xiàn)所需的低流動壓縮/提高壓力水平，所述壓力水平會造成更傳統(tǒng)的(單進(jìn)口)壓縮機停機和/或沖擊。這種特性對采用汽缸停缸的發(fā)動機來說是有益的，因為在一個或多個汽缸停止引入空氣時保持相似的總的發(fā)動機氣流需求，但是提高壓力的要求增加，以通過減小數(shù)量的啟用汽缸生產(chǎn)這種所需的氣流。以這種方式，壓縮機可以通過進(jìn)氣組件提供壓縮空氣源，且在火花塞點火式內(nèi)燃發(fā)動機運行在汽缸停缸模式下時僅提供到啟用的汽缸(active cylinder)。該壓縮空氣源通常具有的壓力大于新鮮空氣進(jìn)氣34，其可以基本上等于大氣壓力。
[0026]圖4示出了圖1的發(fā)動機組件10，其中發(fā)動機12的汽缸2和3已經(jīng)停缸(“X”代表氣流的缺乏)。如上所述，在汽缸停用時，用于汽缸的進(jìn)氣和排氣閥在整個發(fā)動機循環(huán)期間保持關(guān)閉。以這種方式，陷入/包含在汽缸中的空氣盡管無法產(chǎn)生凈功輸出(networkoutput)但會用作氣體彈簧。在圖4中提供的例子中，在汽缸2和3停缸時，通過發(fā)動機12的總空氣流動會減小大約50%。
[0027]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個或多個數(shù)字處理裝置、存儲器和控制程序。在一種構(gòu)造中，控制器110可以使得在其讓不同歧管上的那些汽缸停缸之前使得共享共同排氣歧管的汽缸停缸。從而其余的啟用汽缸中發(fā)生的燃燒/排氣脈沖可以繼續(xù)盡量遠(yuǎn)地分開，同時可以確保經(jīng)過運行中歧管(即第一歧管36)的最小流量。
[0028]上述渦輪增壓器18的設(shè)計在與使用選擇性汽缸停缸的發(fā)動機組合時是尤其有益的。使用雙渦道渦輪機50同時試圖使得通過渦道66、68中至少一個的流動最大化(即通過僅使得共同歧管上的汽缸20停缸)可以使得可從排氣流40獲得的功率最大化，甚至在低流動條件下也可以。而且，渦輪62的幾何構(gòu)造可以被調(diào)節(jié)，以計入低流動情況，在這種情況下排出氣體40僅流動通過渦道66、68中的一個。另外，如上所述，具有雙側(cè)進(jìn)口葉輪94的雙入口壓縮機52能提供所需的增加量的壓縮/增壓壓力，以生產(chǎn)所需的發(fā)動機空氣流量(如在汽缸停缸期間發(fā)生的)。
[0029]因此，在圖4示出的設(shè)計中，發(fā)動機組件10包括發(fā)動機12，其被配置為使得燃料燃燒且生產(chǎn)副產(chǎn)物排出氣體40。發(fā)動機汽缸的第一子組(例如汽缸I和4)可以與第一排氣歧管36流體連通，且發(fā)動機汽缸的第二子組(例如汽缸2和3)可以與第二排氣歧管38流體連通。盡管針對4缸發(fā)動機示出了本發(fā)明的設(shè)計，但是其可以同樣地適用于具有不同構(gòu)造的更大的發(fā)動機，如上所述。
[0030]與發(fā)動機12通信的控制器110配置為使得共享共同排氣歧管的一個或多個汽缸停缸?？刂破?10可以通過限制進(jìn)入或離開已停缸汽缸的燃料和空氣而實現(xiàn)這種停缸。在所示的例子中，汽缸2和3(共享第二排氣歧管38)已經(jīng)停缸。從而僅產(chǎn)生的排出氣體流動通過第一排氣歧管36。
[0031]發(fā)動機12可以與渦輪增壓器18通信，所述渦輪增壓器18包括雙渦道渦輪機50和單一順序式壓縮機52。雙渦道渦輪機50可以操作為盡管有減小的排氣流動40但仍維持最小的功率輸出。這可部分地通過將通過總是啟用的汽缸提供的排出氣體40和通過可選擇性地停缸的汽缸提供的排出氣體40分別導(dǎo)通而實現(xiàn)。在汽缸停缸時，僅實現(xiàn)通過兩個渦道66、68中一個的流動40。而且，通過采取接近總是啟用渦道的不太急劇的節(jié)距(lessaggressive pitch),潤輪62的幾何構(gòu)造可以計入減小的總流動的情況。
[0032]通過采用兩個平行入口的流動路徑88、90 (其導(dǎo)向單個雙側(cè)進(jìn)口葉輪94)單一順序式壓縮機52可以提供所需的增加增壓壓力，以實現(xiàn)所需的發(fā)動機進(jìn)入流動。從而壓縮機52的停機點相對于單流動壓縮機的停機點移位(即沖擊線(surge line)移動，以實現(xiàn)更低流量下的更高壓縮比)。這允許壓縮機52在汽缸停缸的狀態(tài)下繼續(xù)為發(fā)動機12提供所需的增加的增壓壓力。如此做可以在功率被最終請求且停缸的汽缸被重新啟用時減少渦輪轉(zhuǎn)動次數(shù)(turbine spool times)。
[0033]盡管已經(jīng)對執(zhí)行本發(fā)明的較佳模式進(jìn)行了詳盡的描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可得知在所附的權(quán)利要求的范圍內(nèi)的用來實施本發(fā)明的許多替換設(shè)計和實施例。目的是上述和在附圖中所示的所有內(nèi)容應(yīng)被理解為僅是示例性的而不是限制性的。
【權(quán)利要求】
1.一種發(fā)動機組件，包括: 進(jìn)氣組件； 火花塞點火式內(nèi)燃發(fā)動機，聯(lián)接進(jìn)氣組件且限定配置為燃燒燃料的多個汽缸； 排氣組件，與多個汽缸流體連通； 渦輪增壓器，包括: 雙入口壓縮機，與進(jìn)氣組件流體連通； 雙渦道渦輪機，與排氣組件流體連通；和 其中雙入口壓縮機和雙渦道渦輪機操作性地通過軸連接。
2.如權(quán)利要求1所述的發(fā)動機組件，其中多個汽缸包括第一汽缸子組和第二汽缸子組； 其中第二汽缸子組配置為被選擇性地停缸，以使得燃料的燃燒停止，而第一汽缸子組繼續(xù)燃燒燃料。
3.如權(quán)利要求2所述的發(fā)動機組件，其中排氣組件包括與第一汽缸子組流體連通的第一排氣歧管；和 其中，排氣組件包括與第二汽缸子組流體連通的第二排氣歧管。
4.如權(quán)利要求3所述的發(fā)動機組件，其中，雙渦道渦輪機包括殼體和設(shè)置在殼體中的渦輪，其中殼體限定第一渦道和第二渦道； 其中，第一渦道和第二渦道兩者周向地繞渦輪的一部分設(shè)置且與渦輪流體連通；和 其中，第一渦道與第一排氣歧管流體連通，且第二渦道與第二排氣歧管流體連通。
5.如權(quán)利要求2所述的發(fā)動機組件，其中，雙入口壓縮機配置為通過進(jìn)氣組件提供壓縮空氣源，并在第二汽缸子組停缸時將壓縮空氣源提供到第一汽缸子組。
6.如權(quán)利要求5所述的發(fā)動機組件，其中，壓縮空氣源具有大于大氣壓力的壓力。
7.如權(quán)利要求1所述的發(fā)動機組件，其中，雙入口壓縮機包括壓縮機殼體和設(shè)置在壓縮機殼體中的雙側(cè)進(jìn)口葉輪； 其中，壓縮機殼體限定第一入口、第二入口、和出口，出口與進(jìn)氣組件直接連通；和其中，雙側(cè)進(jìn)口葉輪包括在葉輪第一側(cè)上的第一葉片結(jié)構(gòu)，和設(shè)置在葉輪第二側(cè)上的第二葉片結(jié)構(gòu)。
8.如權(quán)利要求7所述的發(fā)動機組件，其中，壓縮機殼體限定第一入口和葉輪的第一葉片結(jié)構(gòu)之間的第一流動路徑，且限定第二入口和葉輪的第二葉片結(jié)構(gòu)之間的第二流動路徑。
9.一種發(fā)動機組件，包括: 進(jìn)氣組件； 火花塞點火式內(nèi)燃發(fā)動機，聯(lián)接到進(jìn)氣組件且限定第一多個汽缸和第二多個汽缸； 排氣組件，包括與第一多個汽缸流體連通的第一排氣歧管和與第二多個汽缸流體連通的第二排氣歧管； 渦輪增壓器，包括: 雙入口壓縮機，與進(jìn)氣組件流體連通； 雙渦道渦輪機，與排氣組件流體連通； 其中，雙入口壓縮機和雙渦道渦輪機操作性地通過軸連接；和 其中，火花塞點火式內(nèi)燃發(fā)動機配置為選擇性地運行在汽缸停缸模式，在此模式中燃料僅在第一多個汽缸中燃燒。
10.如權(quán)利要求9所述的發(fā)動機組件，其中雙渦道渦輪機包括殼體和設(shè)置在殼體中的渦輪，其中殼體限定第一渦道和第二渦道； 其中，第一渦道和第二渦道兩者周向地繞渦輪的一部分設(shè)置且與渦輪流體連通；和 其中，第一渦道與第一排氣歧管流體連通，且第二渦道與第二排氣歧管流體連通。
【文檔編號】F02B37/00GK104213973SQ201410226997
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年5月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月30日
【發(fā)明者】E.J.凱廷 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作有限責(zé)任公司