CN107642410B - 具有排气涡轮增压装置的内燃发动机 - Google Patents

Abstract

本申请描述了用于使在涡轮增压发动机的排气歧管中包括腔室的发动机运转的系统和方法。所述系统和方法可以改善发动机效率并且提供控制发动机排气部件的温度的方式。所述腔室位于排气歧管的外壁与排气歧管的内壁之间。

Description

具有排气涡轮增压装置的内燃发动机

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年7月21日提交的德国专利申请号102016213386.1的优先权。为了所有目的，上面提及的申请的整个内容以引用方式被并入本文。

技术领域

本发明涉及用于使涡轮增压发动机运转的方法和系统。所述方法和系统可以具体地用于减少发动机冷起动排放并且在较高发动机负荷下减小发动机排气背压。

背景技术

前述提到的类型的内燃发动机例如被用作机动车辆驱动单元。在本发明的背景下，词语“内燃发动机”包含奥托循环发动机、柴油发动机、以及利用混合燃烧过程的混合动力内燃发动机、以及不仅包含内燃发动机而且包含能够在驱动方面连接到内燃发动机并从内燃发动机吸收动力或作为可切换辅助驱动装置输出额外动力的电机的混合动力驱动装置。

内燃发动机的增压主要用于增加功率。燃烧过程所需的空气被压缩，因此较大的空气质量可以在每个工作循环提供给各汽缸。以此方式，能够增加燃料质量且因而增加平均压力。

增压是用于增加内燃发动机功率且同时保持扫气容积不变的适当手段，或者是用于减小扫气容积且同时保持功率相同的适当手段。在任意情况下，增压均导致体积功率输出的增加并且导致更有利的功率-重量比。如果扫气容积减小，则可以将负荷集中地朝向较高负荷移位，在较高的负荷下比燃料消耗率较低。通过增压结合合适的变速器构造，可以实现所谓的自动降速(downspeeding)，借此也可以实现较低的比燃烧消耗。

因此，在内燃发动机的研发过程中，增压一直致力于使燃料消耗最小化，即改善内燃发动机的效率。

对于增压，一般使用排气涡轮增压器，其中压缩机和涡轮被布置在同一轴上。热排气流被供应到涡轮，并且随着能量的释放而在所述涡轮中膨胀，因此使得轴旋转。通过排气流向涡轮并且最终向轴供应的能量被用于驱动同样被布置在该轴上的压缩机。压缩机传送并且压缩向其供给的充气空气，因此获得汽缸的增压。增压空气冷却装置可以被额外地提供，在被压缩的充气空气进入汽缸之前，通过该增压空气冷却装置对被压缩的充气空气进行冷却。

例如相比于机械增压器，排气涡轮增压器的优点是，在增压器与内燃发动机之间不存在或不需要用于传递动力的机械连接；这样的机械连接占据发动机舱中的额外的结构空间，并且对组件的布置有不可忽视的影响。机械增压器完全从内燃发动机提取用于驱动它所需的能量并且由此减少输出动力并且因此不利地影响效率，而排气涡轮增压器利用热排气的排气能量。

在排气涡轮增压的构造中遇到问题，其中基本上试图在所有发动机转速范围内都获得显著的性能增加。在通过排气涡轮增压器进行增压的内燃发动机的情况下，当未达到某一发动机转速时，观察到显著的扭矩下降。所述影响是不期望的，并且是排气涡轮增压的最严重的缺点中一种。

如果考虑充气压力比依赖于涡轮压力比，那么所述扭矩下降是可以理解的。如果例如发动机转速被降低，这导致较小的排气流并且因此导致较低的涡轮压力比。这具有以下效果：随着发动机转速降低，充气压力比同样减小，这相当于扭矩下降。

在现有技术中，试图使用各种各样的措施来改善排气涡轮增压内燃发动机的扭矩特性。

一种这样的措施例如是涡轮横截面的小型化设计并且同时提供排气放气设备。这样的涡轮也被称为废气门涡轮。如果排气质量流量超过临界值，那么一部分排气流在所谓的排气放气的过程中经由旁通管路被引导经过涡轮。所述方法具有这样的缺点，在相对高的发动机转速下增压行为是不足的。

此外，增压式内燃发动机的扭矩特性可以借助于并联布置的多个涡轮增压器(即借助于并联布置的相对小的涡轮横截面的多个涡轮)来进一步改善，涡轮随着增加的排气流率而被连续地激活，类似于顺序增压。

扭矩特性还可以借助于串联连接的多个排气涡轮增压器来有利地影响。通过串联地连接两个排气涡轮增压器，其中一个排气涡轮增压器充当高压级并且一个排气涡轮增压器充当低压级，压缩机特性映射图可以具体沿更小的压缩机流量的方向以及沿更大的压缩机流量的方向都被有利地扩展。

具体地，借助于充当高压级的排气涡轮增压器，喘振极限可以沿更小的压缩机流量的方向改变，因此即使在较小的压缩机流量的情况下也能获得高充气压力比，并且相当大地改善了较低发动机转速范围内的扭矩特性。这通过设计用于小排气流量的高压涡轮并且通过提供旁通管路(借助旁通管路，随着排气流增加，更多量的排气被引导经过高压涡轮)来实现。为此目的，旁通管路在高压涡轮的上游从排气排出系统分出来，并在低压涡轮的上游再次通向排气排出系统。在旁通管路中布置有用于控制被引导经过高压涡轮的排气流的切断元件。

本发明涉及的内燃发动机具有至少一个排气涡轮增压器，所述至少一个排气涡轮增压器的包含涡轮外壳的涡轮是废气门涡轮。根据现有技术，毗连至少两个汽缸的出气口的排气管路被至少部分地集成在汽缸盖中，并且被合并以形成共同的排气总管或被分组合并以形成两个或更多个排气总管。用于形成排气总管的排气管路的合并在本发明的背景下一般被称为排气歧管。

关于排气涡轮增压的构造，试图尽可能靠近内燃发动机的出口(即靠近汽缸的出气口)布置一个或多个涡轮，以便由此能够最佳地使用热排气的排气焓(主要由排气压力和排气温度确定)，并且确保涡轮增压器的快速响应行为。紧密耦接的布置不仅缩短了热排气到涡轮的路径，而且减小了涡轮上游的排气排出系统的体积。排气排出系统的热惯性同样降低，具体地由于排气排出系统的通向涡轮的部分的质量和长度的减小了。

由于上面陈述的原因，涡轮一般被布置在汽缸盖上的出口侧处，并且排气歧管通常被集成在汽缸盖中。排气歧管的集成额外地允许驱动单元的紧密封装。此外，排气歧管能够受益于可以被提供在汽缸盖中液体类型的冷却装置，使得歧管不必由能够经受高热负荷的昂贵的材料制造。

涡轮的紧密耦接的布置也使得排气后处理装置能够靠近内燃发动机的出口布置。这提供了特别是在冷起动之后或在内燃发动机的暖机阶段中的优点，因为热排气到排气后处理系统的路径变短或被缩短。以此方式，排气后处理系统在冷起动之后或在暖机阶段中更快地到达其起燃温度或运转温度。

现有技术还公开了用于向被布置在排气排出系统中的涡轮或向被提供在排气排出系统中的排气后处理系统供应具有尽可能高的温度的排气的其他或额外的措施。

涡轮上游的排气排出系统(即排气歧管或排气总管)可以装备有热隔绝件，当排气沿到涡轮的路径流过歧管或排气总管时，该热隔绝件抵消排气的冷却。该隔绝件充当阻止或阻碍从排气的提取热量的屏障。

永久地充当热隔绝件的缺点是被提供在排气排出系统中的部件和排气排出系统本身其自身通过热排气经受高热负荷。这特别是在高负荷下以及在全负荷下可以导致热过载。

为了防止内燃发动机的个别部件的热过载，根据现有技术，如果将预期到高排气温度，在一些情况下进行加浓(enrichment)(λ<1)。在这里，喷射比在提供的空气量的情况下实际上能够被燃烧的更多的燃料，其中过多燃料同样被加热并且被蒸发，使得燃烧气体的温度下降。从能量相关的方面，特别是关于内燃发动机的燃料消耗以及关于污染物排放，所述方法当然被认为是不利的，但是对于实现目标来说被认为是可容许的并且有用的。

排气温度基本上也可以通过燃料/空气混合气的变稀(λ>1)来降低。效果类似于加浓期间的效果。在加浓期间喷射过多燃料，但是在变稀期间的情况是：喷射比在提供的空气量的情况下可以被燃烧的更少的燃料，即提供比燃料的燃烧所需的更多的空气，其中过多空气参与燃烧过程，即被共同加热。燃烧气体的温度以此方式被降低。由于变稀产生的温度降低比在加浓期间的温度降低相当大地更不显著，因为相比于过多燃料，过多空气不需要被蒸发。

发明内容

在此背景下，本发明的目的是提供根据权利要求1的前序部分所述的增压式内燃发动机，通过所述增压式内燃发动机消除了从现有技术知晓的缺点并且改善了其运转行为。

发明人在此已经认识到上面提到的问题，并且已经研发了一种增压式内燃发动机，所述增压式内燃发动机具有至少两个汽缸，具有用于供应充气空气的进气系统，并且具有用于排出排气的排气排出系统，并且具有至少一个排气涡轮增压器，所述排气涡轮增压器包含被布置在排气排出系统中的涡轮和被布置在进气系统中的压缩机，其中内燃发动机的每个汽缸具有用于经由排气排出系统排出排气的至少一个出气口，并且每个出气口毗连排气管路，至少两个汽缸的排气管路合并以形成排气总管，因此形成排气歧管，并且至少一个排气涡轮增压器的包含涡轮外壳的涡轮是废气门涡轮，并且该内燃发动机的特征在于以下事实：排气排出系统被至少装备在具有能够被用作热隔绝的至少一个腔室的区域内，所述至少一个腔室形成旁路，所述旁路至少可在废气门涡轮的上游和下游连接至排气排出系统，并且该旁路装备有至少一个切断元件(如，旁通阀)。

通过使排气选择性地流过排气歧管中的腔室，可以提供以下技术效果：在发动机起动期间减少发动机排放并且在较高的发动机温度下旁通涡轮增压器涡轮以减小发动机部件的温度增加。例如，在发动机起动期间将排气保持在排气歧管的外腔室中可以改善发动机排气系统中的热保留，使得排气系统中的排放装置较快地到达运转温度。另外，通过允许排气进入腔室并且流过腔室，排气能量可以旁通涡轮增压器，以相比于在所有发动机的排气都流过涡轮的情况下降低涡轮温度。

本发明可以提供若干优点。具体地，该系统可以减少发动机起动排放物。此外，该系统可以降低使热敏感性发动机部件退化的可能性。另外，该系统可以根据车辆状况而被运转以改善系统运转。

当单独参照以下具体实施方式或连同结合附图参照以下具体实施方式时，本发明的上述优点和其他优点以及特征将是显而易见的。

应当理解，提供以上发明内容是为了以简化的形式介绍一些概念，这些概念在具体实施方式中被进一步描述。这并不意味着确定所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被与具体实施方式随附的权利要求唯一地限定。此外，要求保护的主题不限于解决在上面或在本公开的任何部分中提及的任何缺点的实施方式。

附图说明

当单独考虑具体实施方式或参照附图考虑时，通过阅读实施例的示例(在本文中也被称为具体实施方式)，将会更充分地理解本文中所描述的优点，其中：

图1示出了发动机的示意图；

图2示出了包括图1的发动机的发动机系统的示意图；

图3示出了示例车辆运转顺序；以及

图4示出了用于使车辆传动系运转的示例方法。

具体实施方式

本发明涉及改善涡轮增压发动机的运转。发动机可以如在图1中示出的那样进行配置。发动机可以被包括在如在图2中示出的系统中。发动机和发动机系统可以如在图3中示出的那样运转。该系统可以根据图4的方法经由控制器来运转。

连同已经陈述的目的，本发明的进一步子目的是详述了一种用于使所陈述的类型的增压式内燃发动机运转的方法。根据本发明的内燃发动机的排气排出系统装备有至少一个腔室，所述至少一个腔室能够选择性地并且根据需要被使用为(即，用作)热隔绝或被用作废气门涡轮的旁路或旁通管路。为了能够充当用于废气门涡轮的旁路，至少一个腔室至少可连接至在废气门涡轮的上游和下游的排气排出系统，即可根据需要而在有限时间内连接或被永久地连接至排气排出系统。充当用于废气门涡轮的旁通管路的至少一个腔室优选在腔室的嘴部区域中的涡轮的下游装备有至少一个切断元件(例如，旁通阀)，以便为了放出排气的目的，旁路借助于切断元件被打开而被打开，并且借助于切断元件被关闭而被切断。

根据本发明的废气门涡轮被设计用于可预定的排气流率。如果排气流率超过所述可预定的排气流率，排气流的一部分在排气放气的过程中经由旁通管路(即经由至少一个腔室)被引导经过涡轮。

以下事实导致特别有利的协同效果：根据本发明的至少一个腔室不仅能够被用作用于涡轮的旁路，而且如果需要的话，可以被用作用于排气排出系统的热隔绝。

在存在低和中等排气流率的情况下，即在没有排气放气被需要并且被执行的低和中等发动机转速和/或负荷下，排气温度是中等的或相对低的，使得对于热隔绝的需要基本上存在或将会存在。由于因为后者不是必要的而不存在排气放气，省掉用于涡轮的旁路并且至少一个腔室能够根据存在的需要而被用作用于排气排出系统的热隔绝是可能的。被引入到至少一个腔室内的排气或气体混合物能够被用作热隔绝。至少一个气垫充当热屏障，其中腔室可以在一侧关闭或要不然打开。

然后，当排气在到涡轮的路径上流过排气排出系统时，从排气提取较少热量，由此提供具有较多能量的排气(即较高排气焓的排气)，并且在涡轮下游的排气排出系统中提供的排气后处理系统更快地到达其运转温度或更高的运转温度。

然后如果期望的话，由于被引导经过涡轮的排气的排气流率增加，例如在高负荷下或在全负荷下，至少一个腔室根据存在的需要而被用作用于排气放气的旁通管路。此时有利地不存在对于热隔绝的需要。相反，由于高排气流率和高排气温度，存在被提供在排气排出系统中的部件和排气排出系统本身过热的风险。热隔绝将会不利地增加这种风险。在一些情况下，可以根据本发明完全省掉用于冷却排气的加浓(例如，λ<1，其中λ是发动机空气-燃料当量比)。

根据本发明的至少一个腔室用于改善增压式内燃发动机的扭矩特性以及加速在冷起动之后和在暖机阶段中内燃发动机和排气后处理系统的升温。在这方面，腔室还用于减少燃料消耗并且减少污染物排放。

借助于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，即提供了根据权利要求1的前序部分所述的增压式内燃发动机，通过所述增压式内燃发动机消除了从现有技术知晓的缺点并且改善了其运转行为。

这样的增压式内燃发动机的实施例有利于在废气门涡轮的下游的排气排出系统布置至少一个排气后处理系统。

涡轮下游的至少一个排气后处理系统可以是氧化催化转化器、三元催化转化器、存储催化转化器、选择性催化转化器和/或微粒过滤器。也可以使用上面提到的排气后处理系统中的两个或多个的组合。

这样的增压式内燃发动机的实施例是有利的，其中涡轮下游的至少一个排气后处理系统是组合的排气后处理系统，所述组合的排气后处理系统包含选择性催化转化器和微粒过滤器。

在选择性催化转化器中，为了选择性地还原氮氧化物，还原剂以有针对性的方式被引入到排气内。作为还原剂，除了氨和尿素外，也可以使用未燃烧的碳氢化合物。

为了减少碳烟颗粒的排放，可以使用从排气中虑除碳烟颗粒并且存储它们的可再生式颗粒过滤器，其中碳烟颗粒在过滤器的再生的过程期间被间歇地烧掉。为了颗粒过滤器的再生，需要高温(在没有催化剂的帮助下大约550℃)，在运转期间一般仅在高负荷并且高发动机转速下到达这样的高温。为了确保过滤器在所有工况下的再生，额外的措施会是必需的。

将会结合从属权利要求讨论根据本发明的内燃发动机的进一步有利的实施例。这样的增压式内燃发动机的实施例是有利的，其中旁路可在排气歧管的区域中的废气门涡轮的上游经由至少一个进气口连接至排气排出系统，每个进气口装备有切断元件。在本实例中，至少一个腔室延伸直到排气歧管的区域内，并且根据需要可连接至歧管的区域中的排气排出系统。提供的进气口中的每一个装备有切断元件，所述切断元件在打开位置中打开相关联的进气口，并且所述切断元件在关闭位置中切断或关闭所述进气口。

这样的增压式内燃发动机的实施例也可以是有利的，其中旁路可在排气总管的区域中的废气门涡轮的上游经由至少一个进气口连接至排气排出系统，每个进气口装备有切断元件。在以上实施例中，至少一个腔室能够根据需要而被连接至排气总管的区域中的排气排出系统。如在之前的实施例中，每个进气口装备有切断元件。如果至少一个腔室延伸直到排气歧管的区域内，所述腔室一般具有相对大的面积以及相对大的容积，由此作为热隔绝的功能被有利地增强。

这样的增压式内燃发动机的实施例也可以是有利的，其中旁路在排气歧管的区域中的废气门涡轮的上游经由至少一个进气口被连接至排气排出系统。这样的增压式内燃发动机的实施例同样可以是有利的，其中旁路在排气总管的区域中的废气门涡轮的上游经由至少一个进气口被连接至排气排出系统。

内燃发动机的两个以上实施例的区别在于以下事实：至少一个腔室不是根据需要而在有限时间内被连接排气排出系统，而是被永久地连接至排气排出系统。因此，被提供的进气口不需要装备有切断元件(例如，旁通阀)。切断元件被省略。这样的增压式内燃发动机的实施例是有利的，其中旁路具有多个进气口。多个进气口的提供促进了至少一个腔室的充气。此外，至少一个腔室可同样容易地得到来自所有汽缸的排气。此外，还可以实现腔室中的更均匀的温度分布和更大的排气吞吐量(throughput)。在此背景下，这样的增压式内燃发动机的实施例是有利的，其中旁路的多个进气口以均匀分布的方式被布置在排气歧管的区域中。这有助于上面提到的积极效果。

这样的增压式内燃发动机的实施例是有利的，其中至少一个腔室至少尤其使用互相间隔开布置的壳体元件来形成，内壳体元件形成永久地引导排气的系统，并且外壳体元件与内壳体元件间隔开布置以用来形成至少一个腔室。排气排出系统或歧管优选不是至少一个腔室在铸造工艺的过程期间作为一体组成部分被形成在其内的铸造零件。相反，排气排出系统优选是例如由金属板材组成的组装系统，在此情况下至少一个腔室在组装过程期间使用彼此间隔开布置的壳体元件来形成。铸造零件可能被附接到所述排气排出系统，例如铸造凸缘用于将歧管紧固到汽缸盖等。至少一个腔室能够充当热隔绝或充当旁路，其中腔室可以在一侧关闭或要不然打开。

这样的增压式内燃发动机的实施例是有利的，其中排气排出系统在废气门涡轮的上游超过其范围的至少35％装备有能够被用作热隔绝的至少一个腔室。这样的增压式内燃发动机的实施例是有利的，其中排气排出系统在废气门涡轮的上游超过其范围的至少50％装备有能够被用作热隔绝的至少一个腔室。这样的增压式内燃发动机的实施例也可以是有利的，其中排气排出系统在废气门涡轮的上游超过其范围的至少65％装备有能够被用作热隔绝的至少一个腔室。这样的增压式内燃发动机的实施例也可以是有利的，其中排气排出系统在废气门涡轮的上游超过其范围的至少75％装备有能够被用作热隔绝的至少一个腔室。这样的增压式内燃发动机的实施例也可以是有利的，其中排气排出系统在废气门涡轮的上游超过其范围的至少85％装备有能够被用作热隔绝的至少一个腔室。

能够被用作热隔绝的至少一个腔室围绕排气排出系统本身(即排气排出系统)延伸的面积越大，至少一个腔室能够越好或越有效地执行热隔绝的功能。关于作为旁路或旁通管路的使用，至少一个腔室的范围不是极其相关，或并没有什么相关性。这样的增压式内燃发动机的实施例是有利的，其中废气门涡轮的涡轮外壳至少在区域中装备有能够被用作热隔绝的至少一个腔室。

为了能够充当用于废气门涡轮的旁路，至少一个腔室必须延伸跨过废气门涡轮，即必须从涡轮的上游延伸直到涡轮的下游。在以上实施例中，所述至少一个腔室有利地并部分地是涡轮外壳的一部分。此外，涡轮外壳可以具有能够被用作热隔绝并且用于隔绝作为排气排出系统的一部分的外壳的进一步的腔室。这样的增压式内燃发动机的实施例是有利的，其中旁路至少可在废气门涡轮的下游经由至少一个出气口连接至排气排出系统。这样的增压式内燃发动机的实施例也可以是有利的，其中旁路至少可在废气门涡轮的下游经由多个出气口连接至排气排出系统。

在此背景下，这样的增压式内燃发动机的实施例是有利的，其中每个出气口装备有切断元件。这样的增压式内燃发动机的实施例是有利的，其中切断元件能够优选通过发动机控制器而被电子地、液压地、气动地、机械地或磁性地控制。这样的增压式内燃发动机的实施例是有利的，其中旁路通向排气后处理系统上游的排气排出系统，所述排气后处理系统被提供在涡轮下游的排气排出系统中。这样的增压式内燃发动机的实施例是有利的，其中增压空气冷却器被提供在压缩机下游的进气系统中。这样的增压式内燃发动机的实施例是有利的，其中废气门涡轮具有可变涡轮几何形状。

可变涡轮几何形状增加了增压的灵活性。它允许涡轮几何形状连续地适应内燃发动机的相应运转点和目前的排气质量流量。相比于具有固定几何形状的涡轮，可以在宽泛的发动机转速与负荷范围内实现差不多满意的增压。具体地，具有可变涡轮几何形状的涡轮与旁通所述涡轮的旁路的组合使涡轮也被设计用于非常小的排气流并且因此用于较低的部分负荷范围成为可能。因此即使在低发动机转速并且即使在非常低的排气流率的情况下也可实现高涡轮压力比。这样的增压式内燃发动机的实施例是有利的，其中所有汽缸的排气管路合并，因此形成排气歧管。排气管路的合并产生具有紧凑结构的排气排出系统，其中排气管路的总体长度被缩短，并且体积被减少。这减少了直到涡轮的排气排出系统的热惯性，使得具有较多能量的排气在入口处可以进入到涡轮内。内燃发动机的总体效率在这里同样增加。

这样的增压式内燃发动机的实施例是有利的，其中涡轮的涡轮外壳与排气歧管至少部分地一体形成。涡轮外壳与歧管一体形成的那部分可以用于安装或紧固排气涡轮增压器，其中包含压缩机、轴承外壳和涡轮转子的预先组装的单元能够被插入到涡轮外壳的与歧管一体形成的那部分内。在这方面，涡轮的涡轮外壳也可以是与排气歧管部分地一体形成并且被部分地铸造的外壳，其中外壳的零件在组装过程期间被连接至彼此。

通过区别特征在于至少一个腔室被用作旁路以便引导排气经过废气门涡轮的事实的方法实现了本发明所基于的第二子目的，具体地详述了一种用于使上述类型的增压式内燃发动机运转的方法。已经根据本发明结合内燃发动机陈述的内容同样应用于根据本发明的方法。这样的方法变体是有利的，其中如果排气流率超过可预定的排气流率，至少一个腔室被用作旁路。这样的方法变体是有利的，其中如果排气能量超过可预定水平的排气能量，至少一个腔室被用作旁路。这样的方法变体是有利的，其中如果负荷超过可预定负荷，至少一个腔室被用作旁路。这样的方法变体是有利的，其中如果不存在对于经由旁路旁通废气门涡轮的需要，至少一个腔室被用作热隔绝。

本发明将会在下面基于根据图1的示例性实施例更详细地进行描述。图1示意地示出了增压式内燃发动机以及废气门涡轮的第一实施例的排气排出系统的一部分。图1示意地示出了增压式内燃发动机10以及废气门涡轮6的第一实施例的排气排出系统4的一部分。

排气排出系统4是四缸直列式发动机10的一部分，并且用于从汽缸30排出排气。内燃发动机11的四个汽缸30沿着汽缸盖的纵向轴线被布置在直线内并且被编号为1-4。汽缸30的排气管路48b合并以形成排气总管4b，因此形成排气歧管4a，由此所有排气管路都被连接至彼此，并且相同的排气压力在所有排气管路中是普遍的。排气歧管4a可以用螺栓连接至汽缸体33或被铸造在汽缸体33内。

内燃发动机10具有用于向汽缸30供应增压空气的进气系统42(在图2中示出)，并且为了增压的目的而装备有排气涡轮增压器，如在图2中示出的，所述排气涡轮增压器包含被布置在排气总管4b中的涡轮6和被布置在进气系统42中的压缩机6d，其中所述涡轮6包含在涡轮外壳6a中被安装在可旋转轴6c上的叶轮6b并且呈以废气门涡轮6的形式，即为了旁通叶轮6b的目的而装备有旁路7。

排气排出系统4装备有腔室5。在图1中图示的实施例中，所述腔室5使用彼此间隔开布置的壳体元件8a、8b来形成，内壳体元件8a(或壁)形成永久地引导排气的系统，而与内壳体元件8a间隔开布置的外壳体元件8b(或壁)用来形成腔室5。废气门涡轮6和涡轮外壳6a上游的排气排出系统4由被用作热隔绝的所述腔室5大面积围绕，该腔室也形成用于废气门涡轮6的旁路7。

为了能够充当用于废气门涡轮6的旁路7，腔室5延伸跨过涡轮6。旁路7或腔室5在排气歧管4a的区域中的废气门涡轮6的上游经由多个进气口5a、7a被连接至排气排出系统4，其中所述进气口5a、7a以均匀分布的方式被布置在排气歧管4a的区域中。旁路7或腔室5经由出气口5b、7b通向废气门涡轮6下游的排气排出系统4，并且可借助于正被打开的切断元件7c经由出气口5b、7b连接至排气排出系统4。图示的废气门涡轮6被设计用于可预定的排气流率。如果排气流率超过所述可预定的排气流率，排气流的一部分在排气放气的过程中经由旁路7(即经由腔室5)被引导经过涡轮6。替代地或额外地，可选的入口切断装置(或入口控制阀)3可以被选择性地且独立地打开和关闭以允许排气流入腔室5。在一个示例中，第一入口切断阀可以在第一排气流率下被打开，并且然后第二入口切断阀可以在第二排气流率被打开，等等，以缓解涡轮6上游的排气压力。

腔室5不仅充当用于涡轮6的旁路7，而且根据需要而被用作用于排气排出系统4的热隔绝。如果排气放气不是必要的，则不需要将腔室5用作旁路7。然后，腔室5能够被用作用于排气排出系统4的热隔绝。经由进气口5a被引入到腔室5内的排气充当热屏障，其中，在这种情况下，腔室5在一侧打开或保持打开。然后是这样的情况：当排气在到涡轮6的路径上流过排气排出系统4时，排出的排气从所述排气提取较少的热，所述路径由内壳体元件8a形成并且永久地引导排气。

参照图2，内燃发动机10由电子发动机控制器12控制，其中发动机10包含多个汽缸，在图2中示出了多个汽缸中的一个汽缸。发动机10由汽缸盖35和汽缸体33组成，所述发动机10包括燃烧室30和汽缸壁32。活塞36被设置在其中并且经由到曲轴40的连接而往复运动。燃烧室30被显示为经由各自的进气门52和排气门54与进气歧管44和排气歧管4a连通。每个进气和排气门可以通过进气凸轮51和排气凸轮53运转。进气凸轮51的位置可以由进气凸轮传感器55确定。排气凸轮53的位置可以由排气凸轮传感器57确定。进气门52可以通过气门激活装置59被选择性地激活和停用。排气门54可以通过气门激活装置58被选择性地激活和停用。气门激活装置58和59可以是电子机械装置。排气经由排气系统13从汽缸盖35流至后处理装置70，所述排气系统13可以包括排气歧管4a、涡轮6、阀7c、后处理装置70和相关联的管道。

燃料喷射器66被示为设置为将燃料直接喷射到汽缸30内，本领域技术人员称之为直接喷射。燃料喷射器66与来自控制器12的脉冲宽度成比例地递送液体燃料。燃料通过包括燃料箱、燃料泵和燃料轨(未示出)的燃料系统(未示出)递送至燃料喷射器66。在一个示例中，高压、双级燃料系统可以用于产生较高的燃料压力。

此外，进气歧管44被示为与涡轮增压器压缩机6d和发动机进气装置42连通。在其他示例中，压缩机6d可以是机械增压器压缩机。轴6c将涡轮增压器涡轮6机械地耦接至涡轮增压器压缩机6d。可选的电子节气门62调整节流板64的位置，以控制从压缩机6d到进气歧管44的空气流量。升压室45中的压力可以被称为节气门入口压力，因为节气门62的入口在升压室45内。节气门出口在进气歧管44中。在一些示例中，节气门62和节流板64可以被设置在进气门52与进气歧管44之间，使得节气门62是进气道节气门。压缩机再循环阀47可以被选择性地调整到完全打开与完全关闭之间的多个位置。旁通阀7c可以经由控制器12来调整，以允许排气选择性地绕过涡轮6，从而控制压缩机6d的速度。空气过滤器43清洁进入发动机进气装置42的空气。

响应于控制器12，无分电器点火系统88经由火花塞92向燃烧室30提供点火火花。通用排气氧(UEGO)传感器126被显示为耦接至催化转化器或后处理装置70上游的排气歧管48。可替代地，双态排气氧传感器可以替代UEGO传感器126。

如之前提到的，在一个示例中，后处理装置或转化器70可以包括多块催化剂砖。在另一示例中，可以使用每个均具有多块砖的多个排放控制装置。在一个示例中，转化器70可以是三元型催化剂、微粒过滤器、选择性催化转化器、或氧化催化剂。

控制器12在图2中被示为传统的微型计算机，其包括：微处理单元102、输入/输出端口104、只读存储器106(例如，非临时性存储器)、随机存取存储器108、不失效存储器110和传统的数据总线。控制器12被示出为接收来自耦接至发动机10的传感器的各种信号，除了之前所讨论的那些信号外，还包括：来自耦接至冷却套筒114的温度传感器112的发动机冷却液温度(ECT)；耦接至加速器踏板130用于感测由人132施加的力的位置传感器134；耦接至加速器踏板150用于感测由人132施加的力的位置传感器154；来自耦接至进气歧管44的压力传感器122的发动机歧管压力(MAP)的测量；来自感测曲轴40位置的霍尔效应传感器118的发动机位置传感器；来自传感器120的进入发动机的空气质量的测量；以及来自传感器68的节气门位置的测量。大气压也可以被感测(传感器未示出)，由控制器12进行处理。在本发明的优选方面，发动机位置传感器118在曲轴的每次旋转产生预定数量的等间距脉冲，根据其可以确定发动机转速(RPM)。

在运转期间，发动机10内的每个汽缸通常经历四个冲程循环：循环包括进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程。一般来说，在进气冲程期间，排气门54关闭，而进气门52打开。空气经由进气歧管44引入燃烧室30，并且活塞36移动至汽缸的底部，以便增加燃烧室30内的容积。活塞36靠近汽缸的底部并在其冲程结束的位置(例如，当燃烧室30处于其最大容积时)通常被本领域技术人员称为下止点(BDC)。

在压缩冲程期间，进气门52和排气门54关闭。活塞36朝向汽缸盖移动，以便压缩燃烧室30内空气。活塞36在其冲程结束并最靠近汽缸盖的位置(例如，当燃烧室30处于其最小容积时)通常被本领域技术人员称为上止点(TDC)。在下文中被称为喷射的过程中，燃料被引入燃烧室。在下文中被称为点火的过程中，被喷射的燃料通过已知的点火手段如火花塞92点燃，从而导致燃烧。

在膨胀冲程期间，膨胀的气体将活塞36推回至BDC。曲轴40将活塞运动转换为旋转轴的旋转扭矩。最后，在排气冲程期间，排气门54打开，以便将已燃烧的空气-燃料混合气释放至排气歧管48，并且活塞返回至TDC。注意，上述内容仅作为示例示出，并且进气门和排气门打开和/或关闭正时可以改变，诸如以提供正或负气门重叠、进气门延迟关闭或各种其他示例。

现在参照图3，示出了示例运转顺序。图3的顺序可以由图1和2的系统根据图4的方法来提供。在图3中示出的曲线在时间上对齐。竖直标记T0-T4表示顺序中的特别关注的时间。

自图3顶部的第一曲线是发动机负荷随着时间变化的曲线。竖直轴表示发动机负荷，并且发动机负荷沿竖直轴箭头的方向增加。轨迹302表示发动机负荷，并且发动机负荷值可以在零与一之间改变。水平轴表示时间，并且时间从曲线的左侧向曲线的右侧增加。水平线350表示阈值发动机负荷，在所述阈值发动机负荷之上涡轮增压器旁通阀打开并允许排气从排气歧管中的腔室流到排气系统中的涡轮增压器涡轮下游的位置。

自图3顶部的第二曲线是发动机排气流率随着时间变化的曲线。竖直轴表示发动机排气流率，并且发动机排气流率沿竖直轴箭头的方向增加。轨迹304表示发动机排气流率。水平轴表示时间，并且时间从曲线的左侧向曲线的右侧增加。水平线352表示阈值发动机排气流率，在所述阈值发动机排气流率之上涡轮增压器旁通阀打开并允许排气从排气歧管中的腔室流到排气系统中的涡轮增压器涡轮下游的位置。

自图3顶部的第三曲线是发动机转速随着时间变化的曲线。竖直轴表示发动机转速，并且发动机转速沿竖直轴箭头的方向增加。水平轴表示时间，并且时间从曲线的左侧向曲线的右侧增加。轨迹306表示发动机转速。

自图3顶部的第四曲线是旁通阀状态随着时间变化的曲线。竖直轴表示在图1和2中示出的旁通阀7c的运转状态。当轨迹308处于接近竖直轴箭头的较高水平时，旁通阀打开。当轨迹308处于接近水平轴的较低水平时，旁通阀关闭。水平轴表示时间，并且时间从曲线的左侧向曲线的右侧增加。

在时间T0处，发动机负荷低，并且发动机转速也低。发动机排气流率低，并且旁通阀关闭。旁通阀在低发动机负荷和低排气流率下关闭，以允许发动机排气能量旋转涡轮增压器涡轮。

在时间T0与时间T1之间，发动机负荷和发动机转速增加。发动机负荷和发动机转速可以响应于车辆驾驶员作用于加速器踏板(未示出)而增加。发动机排气流率随着发动机负荷和发动机转速增加而增加。旁通阀保持处于关闭状态。

在时间T1处，发动机排气流率超过阈值304，并且旁通阀响应于发动机排气流率超过阈值304而被打开。在该具体实例中，发动机转速处于促成较高排气流率的较高水平。因此，在发动机负荷超过阈值302之前，旁通阀响应于排气流率而切换状态。通过打开旁通阀，过多排气流被引导绕过涡轮增压器涡轮以降低涡轮温度高于期望的可能性。

在时间T1与时间T2之间，发动机排气流率保持处于较高水平，因为发动机转速相对高。发动机负荷保持在阈值302之下，并且旁通阀保持打开。

在时间T2处，通过降低发动机负荷与转速，发动机排气流率被降至小于阈值304。发动机负荷与转速可以经由车辆操作者释放加速器踏板(未示出)而被降低。旁通阀响应于排气流率小于阈值304而被关闭。

在时间T2与时间T3之间，发动机负荷被降至低水平，并且发动机转速被降至怠速转速。排气流率随着发动机负荷与转速被降低而被降低。当发动机负荷与转速被降低时，旁通阀保持被关闭。接近时间T3，发动机负荷与转速响应于驾驶员作用于加速器踏板(未示出)而开始增加。

在时间T3处，发动机负荷超过阈值302而发动机排气流率未超过阈值304。当车辆的变速器在较高的档位中运转并且驾驶员作用于加速器踏板时，此类状况可以存在。旁通阀响应于发动机负荷超过阈值302而被打开。发动机转速处于中等水平。

在时间T3与时间T4之间，发动机负荷稳定至刚好在阈值302之上的水平，并且发动机转速也呈平稳状态。排气流率增加并且然后稳定至在阈值304之下的水平。发动机转速增加并且然后呈平稳状态。旁通阀保持处于打开状态。

在时间T4处，驾驶员释放加速器踏板(未示出)，并且发动机负荷响应于加速器踏板被释放而被降低。旁通阀响应于发动机负荷被降至小于阈值302而被关闭。响应于降低的发动机负荷，发动机排气流减少并且发动机转速降低。

以此方式，旁通阀状态可以响应于发动机负荷超过或小于阈值而打开和关闭。另外，旁通阀状态可以响应于发动机排气流率超过或小于阈值而打开和关闭。

现在参照图4，示出了用于使如在图1和2中示出的旁通阀(例如，7c)运转的方法。方法400的至少一些部分可以被实施为存储在非临时性存储器中的可执行控制器指令。此外，方法400的某些部分可以是在物理世界中转变致动器或装置的运转状态所采取的动作。

在402处，方法400判断发动机是否正在运转并且燃烧空气和燃料。在一个示例中，如果发动机转速大于阈值转速(例如，发动机起动转动转速)，方法400可以判断发动机正在运转并且燃烧空气和燃料。如果这样的话，回答为是，并且方法400进入到404。否则，回答为否，并且方法400进入到440。

在440处，方法400调整旁通阀(例如，图1和2中的7c)的状态以为发动机起动作准备。在一些示例中，旁通阀可以被关闭，使得排气保持在排气歧管中的腔室中，使得当排气流过排气歧管时排气中的热能可以被维持，使得后处理装置可以更快地变暖以改善其效率。方法400退出。

在404处，方法400判断排气系统部件(例如，后处理装置)温度是否大于阈值。在一个示例中，阈值可以是后处理装置效率大于50％的后处理装置温度。如果方法400判断后处理装置温度超过阈值，回答为是，并且方法400进入到406。否则，回答为否，并且方法400进入到412。因此，对于小于阈值的后处理装置温度，旁通阀可以被保持关闭以保留腔室中的排气，由此减少发动机冷起动期间的后处理装置升温时间。另一方面，在暖发动机起动期间，如果诸如发动机负荷超过阈值的条件满足，旁通阀可以被打开。

在406处，方法400判断发动机负荷是否大于阈值。在一个示例中，阈值可以是汽缸中的温度超过阈值时的发动机负荷。在其他示例中，阈值可以基于发动机负荷下的汽缸中的质量(例如，空气和燃料质量)的量。如果方法400判断发动机负荷超过阈值，回答为是，并且方法400进入到414。否则，回答为否，并且方法400进入到408。

在408处，方法400判断发动机排气流率是否大于阈值。在一个示例中，阈值可以是通过涡轮增压器涡轮的气流跨过涡轮产生超过预定值(例如，2.2)的压力比的发动机排气流率。如果方法400判断发动机排气流率超过阈值，回答为是，并且方法400进入到414。否则，回答为否，并且方法400进入到410。

在410处，方法400判断发动机排气能量是否大于阈值。在一个示例中，发动机排气能量阈值可以是开始引起排气部件(例如，涡轮叶轮)的退化的发动机排气能量的量。在其他示例中，阈值可以是引起涡轮增压器涡轮转速到达额定涡轮转速的排气能量的量。如果方法400判断发动机排气能量超过阈值，回答为是，并且方法400进入到414。否则，回答为否，并且方法400进入到412。

在412处，方法400关闭旁通阀，使得除了排气歧管腔室中的排气之外的所有排气都被引导到涡轮增压器涡轮。通过关闭旁通阀，排气中的能量可以被保持，并且涡轮增压器效率可以被改善。排气能量可以通过正在被保持在腔室内的排气而被保持。方法400退出。

在414处，方法400打开旁通阀，使得发动机排气的至少一部分被引导通过排气歧管腔室并且绕过涡轮而不流过涡轮。打开旁通阀降低沿从发动机到涡轮增压器涡轮的排气流动方向的涡轮上游的排气压力。方法400退出。

以此方式，发动机排气可以在较高的发动机转速与负荷期间被引导通过排气歧管中的腔室，以降低发动机排气压力和涡轮转速。发动机排气可以在较低的发动机转速下被引导到涡轮增压器涡轮，以保持发动机排气中的能量并且改善涡轮增压器效率。旁通阀状态可以被调整，以允许排气流过腔室或保持在腔室中。

附图标记

1 增压式内燃发动机、四缸直列式发动机

30 汽缸

4 排气排出系统

4a 排气歧管

4b 排气总管

2 腔室

5a 进气口

5b 出气口

6 涡轮，废气门涡轮

6a 涡轮外壳

6b 涡轮叶轮

6c 涡轮轴

7 旁路，旁通管路

7a 进气口，分支点

7b 出气口，开口中的点

7c 切断元件

8a 内壳体元件

8b 外壳体元件

注意，本文中包括的示例控制和估计程序能够与各种发动机和/或车辆系统构造一起使用。在本文中所公开的控制方法和程序可以作为可执行指令存储在非临时性存储器中，并且可以由包括与各种传感器、致动器和其他发动机硬件相结合的控制器的控制系统执行。在本文中所描述的具体程序可以代表任意数量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，所描述的各种动作、操作和/或功能可以所示顺序、并行地被执行，或者在一些情况下被省略。同样，实现在本文中所描述的示例实施例的特征和优点不一定需要所述处理顺序，但是为了便于图释和说明而提供了所述处理顺序。取决于所使用的特定策略，所图示的动作、操作和/或功能中的一个或多个可以被重复执行。另外，所描述的动作、操作和/或功能的至少一部分可以图形地表示被编入控制系统中的计算机可读存储介质的非临时性存储器的代码。当所描述的动作通过配合一个或更多个控制器执行包括各种发动机硬件部件的系统中的指令而被执行时，控制动作也可以转变物理世界中的一个或更多个传感器或致动器的运转状态。

在此结束本说明书。本领域技术人员阅读本说明书将会想到不违背本发明的精神实质和范围的许多变化和修改。例如，包括以天然气、汽油、柴油或可替代的燃料配置运转的发动机的混合动力电动车辆可以利用本说明书以受益。

Claims (19)

1.一种增压式内燃发动机，其包括：

至少两个汽缸；

用于供应充气空气的进气系统；

用于排出排气的排气排出系统；以及

至少一个排气涡轮增压器，所述排气涡轮增压器包含被布置在所述排气排出系统中的涡轮和被布置在所述进气系统中的压缩机，

其中所述至少两个汽缸中的每个汽缸具有用于经由所述排气排出系统排出所述排气的至少一个出气口，并且所述至少一个出气口毗连排气管路；

其中所述至少两个汽缸中的所述每个汽缸的所述排气管路合并以形成排气总管，因此形成排气歧管；并且

其中所述至少一个排气涡轮增压器的涡轮是被定位在涡轮外壳内的废气门涡轮；

其中所述排气排出系统装备有能够被用作热隔绝的至少一个腔室；

其中所述至少一个腔室形成旁路，所述旁路至少可连接到在所述废气门涡轮的上游和所述废气门涡轮的下游的所述排气排出系统；并且

其中所述旁路装备有至少一个旁通阀。

2.根据权利要求1所述的增压式内燃发动机，其中所述旁路在所述排气歧管的区域中的所述废气门涡轮的上游经由至少一个进气口连接至所述排气排出系统，所述至少一个进气口装备有入口控制阀。

3.根据权利要求2所述的增压式内燃发动机，其中所述旁路在所述排气总管的区域中的所述废气门涡轮的上游经由至少一个进气口连接至所述排气排出系统，所述至少一个进气口装备有入口控制阀。

4.根据权利要求1所述的增压式内燃发动机，其中所述旁路在所述排气歧管的区域中的所述废气门涡轮的上游经由至少一个进气口连接至所述排气排出系统。

5.根据权利要求1所述的增压式内燃发动机，其中所述旁路在所述排气总管的区域中的所述废气门涡轮的上游经由至少一个进气口连接至所述排气排出系统。

6.根据权利要求1所述的增压式内燃发动机，其中所述旁路具有多个进气口。

7.根据权利要求6所述的增压式内燃发动机，其中所述旁路的多个进气口以均匀分布的方式被布置在所述排气歧管的区域中。

8.根据权利要求1所述的增压式内燃发动机，其中所述至少一个腔室至少尤其使用互相间隔开布置的壳体元件形成，内壳体元件形成永久地引导排气的系统，并且与所述内壳体元件间隔开布置的外壳体元件用来形成所述至少一个腔室。

9.根据权利要求1所述的增压式内燃发动机，其中所述排气排出系统被设置在所述废气门涡轮的上游的排气系统中，并且超过其范围的至少50％装备有能够被用作热隔绝的至少一个腔室。

10.根据权利要求1所述的增压式内燃发动机，其中所述排气排出系统被设置在所述废气门涡轮的上游的排气系统中，并且超过其范围的至少65％装备有能够被用作热隔绝的至少一个腔室。

11.根据前述权利要求中的一项所述的增压式内燃发动机，其中所述排气排出系统在所述废气门涡轮的上游超过其范围的至少75％装备有能够被用作热隔绝的至少一个腔室。

12.一种内燃发动机，其包含：

汽缸体；

排气歧管，所述排气歧管包括位于所述排气歧管的外壁与所述排气歧管的内壁之间的第一腔室；以及

涡轮增压器，所述涡轮增压器被耦接至所述排气歧管，并且包括绕过所述涡轮增压器的涡轮的第二腔室，所述第二腔室包括旁通阀，其中所述旁通阀能够被打开和关闭以启用和禁用排气流通过所述第一腔室和所述第二腔室并且绕过所述涡轮。

13.根据权利要求12所述的内燃发动机，其进一步包含控制器和被存储在非临时性存储器中打开和关闭所述旁通阀的可执行指令。

14.一种发动机运转方法，其包含：

响应于发动机的工况而经由控制器调整在绕过涡轮的旁路中的旁通阀的状态以关闭或打开发动机排气歧管中的腔室，从而禁用和启用排气流通过所述腔室绕过所述涡轮，所述腔室位于排气歧管外壁与排气歧管内壁之间。

15.根据权利要求14所述的方法，其中腔室包括多个入口和一个出口。

16.根据权利要求14所述的方法，其中所述旁通阀响应于发动机负荷超过阈值负荷而被打开。

17.根据权利要求14所述的方法，其中所述旁通阀响应于发动机排气质量流率超过阈值流率而被打开。

18.根据权利要求14所述的方法，其中所述旁通阀响应于发动机排气能量超过能量的阈值量而被打开。

19.根据权利要求14所述的方法，其中所述旁通阀响应于发动机负荷小于阈值负荷而被关闭。

Images