[0002] 本申请要求2014年9月24日提交的、名称为“涡轮增压发动机及制造涡轮增压发动机的方法”的大不列颠
专利申请号No.1416813.2的优先权，出于所有的目的，该申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
[0003] 本文所公开的主题的
实施例涉及涡轮增压的往复
活塞式内燃发动机，并且具体涉及
涡轮增压器在发动机上
位置的改善。
背景技术
[0004] 众所周知，为内燃发动机提供
涡轮增压器来为进入发动机的空气增压以便提高发动机在输出转矩、排放以及燃烧效率方面的性能。
[0005] 常规的涡轮增压器包括壳体，该壳体具有旋转的
压缩机和
涡轮机，该压缩机可旋转地
支撑在处于该壳体一端的室内，该涡轮机可旋转地支撑在处于该壳体相对端的室内。该涡轮机和压缩机通过由该壳体的中央
轴承部分所支撑的
驱动轴可驱动地连接。
[0006] 该涡轮机被布置接收来自发动机的排气并且将排出的排气的
动能转换成供应给该压缩机的旋转驱动转矩。该压缩机接收空气供给，将所供应的空气压缩并且将所压缩的空气供应给发动机，该空气可以是周围空气或是周围空气与循环排气的结合物。
[0007] 当将涡轮增压器封装在
机动车辆的发动
机舱内时这种布置产生多种问题。首先，用于将该涡轮增压器连接到发动机的这些管道的长度以及这些管道的复杂度需要作出让步。例如，当一种传统涡轮增压器组件位于
发动机舱时，它将优先考虑进气或排气管道的长度。
[0008] 涡轮增压器通常被布置在发动机排气侧附近，在这种构型中，长的进气管道通常需要将压缩机的入口附接到气箱并且将压缩机的出口附接到入口
歧管，空气通过该气箱进入并且在‘横流式’发动机的情况下该入口歧管位于发动机的相对侧上。这些长管道长度具有若干缺点，包括：额外的材料成本、额外的
质量、额外的复杂度、减小的封装空间、减小的碰撞性能、增加的压
力下降由此产生的减小的效率以及增加对力矩的响应时间(通常称为“
涡轮迟滞”)。
[0009] 其次，常规的涡轮增压器代表必须支撑相对大的质量。应理解的是，一个完整的涡轮增压器组件必须由主要的发动机结构利用
支架或者通过直接安装到发动机来刚性地支撑。
[0010] 第三，在涡轮增压器封装方面的困难会导致差的碰撞性能，因为该相对实心的涡轮增压器单元会占据‘空间’，该空间在碰撞过程中会被其他部件所侵犯。该刚性涡轮增压器在这个‘空间’的存在因此可能使来自该车辆前部的碰撞
能量向乘客环境传输。
[0011] 第四，由于该涡轮增压器的热的涡轮机部分邻近并且被紧密地附接到该涡轮增压器的冷的压缩机部分而导致热量从涡轮机传输到压缩机，从发动机到这些冷的压缩机侧部件的
辐射热的传输产生多个缺点，包括：需要使用材料以用于该压缩机侧部件，该材料与其他情况相比具有更高热阻，从而产生增加的材料成本；由于这个热效应而产生的压缩机出口更高增压
温度，从而导致由于更高的增压空气入口温度而减小的发动机效率；由于需要增加的后压缩机冷却(中间冷却)而产生的减小的效率以及由于该涡轮增压器的热侧与冷侧之间的温差而产生的热疲劳。
发明内容
[0012] 在一个实例中，可能提供一种涡轮增压发动机，该发动机最小化与使用常规的涡轮增压器相关联的问题。
[0013] 根据第一实施例，提供了一种涡轮增压发动机，该发动机具有
曲轴和涡轮增压器，该涡轮增压器包括压缩机、涡轮机和驱动轴，该压缩机将增压空气供应给该发动机的至少一个进气装置，该涡轮机被连接到该发动机的至少一个排气装置，该驱动轴可驱动地将该压缩机连接到该涡轮机，该压缩机远离涡轮机位于该发动机的主要结构部件的相对纵向侧并且该驱动轴在各端处由相应轴承可旋转地支撑并且这些轴承中至少一个被该发动机的主要结构部件所承载。
[0014] 该发动机的主要结构部件可以包括汽缸体、曲
轴箱、
汽缸盖以及汽缸组中的一者。
[0015] 该压缩机可以包括压缩机壳体以及压缩机
转子，该压缩机壳体限定工作室，该压缩机转子位于该工作室内并且该压缩机壳体被安装在该发动机的主要结构部件的纵向侧上。
[0016] 该涡轮机可以包括涡轮机壳体以及涡轮机转子，该涡轮机壳体限定工作室，该涡轮机转子位于该工作室内并且该涡轮机壳体被安装在该发动机的主要结构部件的纵向侧上。
[0017] 该压缩机转子可以被紧固至该驱动轴的一端以用于随其旋转并且该涡轮机转子可以被紧固至该驱动轴的相对端以用于随其旋转。该驱动轴可以被布置与该发动机的曲轴的旋
转轴线大体上呈九十度。
[0018] 该发动机的主要结构部件可以是汽缸体，该汽缸体限定至少一个汽缸并且该涡轮增压器的驱动轴可以从该汽缸体的一个纵向侧延伸到该汽缸体的相对纵向侧。
[0019] 该涡轮增压器的驱动轴可以在该发动机的、位于该曲轴与该至少一个汽缸的下端之间的区域内穿过该汽缸体。
[0020] 该发动机可以具有汽缸盖，该汽缸盖具有在其一个纵向侧上的一个或多个空气进气口以及在其相对纵向侧上的一个或多个排气口，并且该压缩机可以与发动机的该一个或多个空气进气口一样位于该发动机的相同侧并且该涡轮机可以与发动机的该一个或多个排气口一样位于发动机的相同侧。
[0021] 根据第二实施例，提供了一种将涡轮增压器装配到发动机的方法，该涡轮增压器具有压缩机壳体、压缩机转子、涡轮机壳体、涡轮机转子以及驱动轴，并且该发动机具有曲轴，其中该方法包括：提供至少两个在该发动机上对准的轴承以用于支撑该驱动轴，这些轴承中至少一个轴承由该发动机的主要结构部件承载；将该涡轮机转子和压缩机转子中的一个附接到该驱动轴的一端；将该驱动轴的另一端与至少两个轴承接合以便该驱动轴与该曲轴的
旋转轴线大体上呈九十度
定位；将该涡轮机转子和该压缩机转子中的另一个附接到该驱动轴并且将压缩机壳体和涡轮机壳体紧固到该发动机的主要结构部件的相对纵向侧。
[0022] 该发动机的主要结构部件可以包括汽缸体、
曲轴箱、汽缸盖以及汽缸组中的一者。
[0023] 该方法可以进一步包括将该压缩机连接到该发动机的至少一个进气装置并且将该涡轮机连接到该发动机的至少一个排气装置。
[0024] 该方法可以进一步包括将该作为子组件的压缩机转子、驱动轴和涡轮机转子装配到发动机之前，平衡该子组件。
[0025] 应理解的是，提供以上概述是为了以一种简单形式引出将进一步详细说明的若干概念。这并不意味着确定要求保护的主题的关键或本质特征，该主题的范围由紧随具体实施方式的
权利要求书唯一地限定。此外，要求保护的主题并不限于解决上述的或在本公开的任何部分中指出的任何缺点的实施方式。
附图说明
[0026] 图1是示出根据第一实施例所构造的涡轮增压发动机的示意
框图；
[0027] 图2是在图1中所示出的涡轮增压发动机的图解平面图，其中该发动机的汽缸盖被移除；
[0028] 图3是图1和图2所示出的涡轮增压发动机的在图2的箭头III方向上的图解端视图；
[0029] 图4是图1至图3所示出的涡轮增压发动机的在图2的箭头IV方向上的图解侧视图；以及
[0030] 图5是根据实施例的第二方面将涡轮增压器装配到发动机的方法。
具体实施方式
[0031] 参照图1至图4，示出了一个四缸发动机，该四缸发动机是直列式四缸涡轮增压的横流式发动机，在此称为发动机1。
[0032] 发动机1包括发动
机体2，汽缸盖3被附接到该发动机体。该发动机体2可以包括形成为单一部件的汽缸体和曲轴或者可以具有分离的汽缸体和紧固在一起的曲轴部件。在任一情况下，该汽缸体限定一个或多个汽缸并且在这种情况下存在四个汽缸2a、2b、2c、2d，这四个汽缸中的每个可滑动地支撑活塞(未示出)。
[0033] 增压空气通过入口管道4进入发动机1，如箭头‘AI’所指示的。应理解的是，入口增压空气可以是周围空气或周围空气与再循环排气的混合物。引导的增压空气被吸入压缩机10中，被该压缩机10压缩并且通过管道5而流动到入口歧管6，该入口歧管被连接到在该汽缸盖3中形成的多个入口端口(未示出)，这些入口端口构成发动机的进气口。增压的空气然后被吸入发动机1的汽缸中并且同
燃料一起燃烧，从而引起位于该发动机1的汽缸2a至2d中的这些活塞以往复方式移动以便在通过排气通道以排气形式离开该汽缸盖3进入
排气歧管7之前来驱动曲轴12。排气通过管道8流动到排气涡轮机20中(此处称为涡轮机20)，排气与该涡轮机相互作用以便提供驱动力矩给驱动轴15，该驱动轴在一端处可驱动地连接到该涡轮机20并且在相对端处可驱动地连接到该压缩机10。排气然后流出该涡轮机20进入排气系统9，该排气系统可以包括各种后处理装置用于减少噪音或排放物并且回到大气中，如箭头‘EO’所指示的。因此，不像传统的涡轮增压器布置，该压缩机10和涡轮机20彼此互相间隔布置在该发动机的主要结构部件的相对纵向侧上，以便热的排气不会中危害该压缩机10的性能并且允许使用更低成本的材料用于增压空气入口侧部件。该发动机的主要结构部件在这种情况下是汽缸体2Z，但是能够替代地是曲轴箱、汽缸盖或V型发动机的汽缸体(此处称为‘汽缸组’)。通过以此方式将该压缩机10和涡轮机20安装在横流式发动机，该压缩机10与该发动机1的入口端口之间的距离与安装在发动机的排气侧的传统涡轮增压器相比大大减小，因为该压缩机10位于入口歧管6附近并且任何管道5的长度被大大减小。在传统涡轮增压器的情况下，从该压缩机到发动机的入口侧的管道必须围绕发动机的一端或者发动机的顶部上方走向。在任一情况下，宝贵的封装空间被占据并且产生的长管道趋向导致增加的摩擦损失和减小的压缩机效率。
[0034] 该驱动轴15在这种情况下运转穿过该发动机1的汽缸体2Z并且借助该压缩机轴承16和涡轮机轴承17由该汽缸体2Z的结构来支撑。用于该压缩机10和涡轮机20的工作室是通过壳体10h、20h形成的，这些壳体通过
紧固件被直接固定到该汽缸体2Z的纵向侧，无需支架或任何其他支撑结构。因此，该驱动轴15从处于该汽缸体一侧上的压缩机穿过该汽缸体延伸到处于该汽缸体相对侧的涡轮机。
[0035] 该驱动轴15位于该曲轴12的位置之上而位于该发动机体2的汽缸体2Z中的汽缸2a至2d的下端之下。
[0036] 该驱动轴15的长度和其在该发动机体2内的位置显著减少从该涡轮机20到该压缩机10的热量传输。
[0037] 然而，应理解的是，该驱动轴可以位于其他位置，例如在两个汽缸之间的发动机1的曲轴箱区域或在发动机的汽缸盖3中。
[0038] 具体参考图2至图4，示出了四个汽缸2a至2d，其是以直列式形式布置在该发动机体2(被称为该发动机1的汽缸体2Z)的上部中。尽管没有在图中确切地示出，该汽缸体2Z包括多个一体式冷却通道和油路以便冷却该发动机1并且将油供应给该发动机1的移动零部件。
[0039] 该汽缸体2Z除了两个纵向侧以外在上端处还具有大体上平坦的面，如在本领域众所周知的，在使用过程中，该汽缸盖3被紧固到该平坦面。在该汽缸体2Z的下端处，形成了多个支撑
鞍座(未示出)以用于在这种情况下支撑用于可旋转地支撑曲轴12的五个
主轴承。应理解的是，该曲轴12可以替代地被三个主轴承所支撑。例如，US 2014/0041618示出了四缸发动机，该发动机仅具有三个主轴承。
[0040] 该曲轴12具有对应于汽缸2a至2d的四个偏心
曲柄12t。这些偏心曲柄12t中每个包括大的末端支承表面或
曲柄销12b，用于可旋转地将
连接杆(未示出)连接到该曲轴12，如本领域所周知的。
[0041] 该曲轴12绕纵向旋转轴线X-X旋转，该旋转轴线由主轴承所限定，在该曲轴12上形成的轴承轴颈12m形成这些主轴承的一部分。该曲轴12的纵向旋转轴线X-X垂直地位于该发动机体2的横向平面P-P上并且该曲轴12在该发动机体2的长度或纵向方向上延伸。
[0042] 该增压空气压缩机10包括壳体10h，该壳体被安装在该汽缸体2Z的第一纵向侧上。该压缩机壳体10h限定了压缩机转子10r可旋转地安装在其中的工作室。
[0043] 该涡轮机20包括壳体20h，该壳体被安装在该汽缸体2Z的第二纵向侧上，该第二纵向侧与该压缩机壳体10h安装的第一侧相对。该涡轮机壳体20h限定了涡轮机转子20r被可旋转地安装在其中的工作室。
[0044] 该压缩机转子10r被可驱动地附接到该驱动轴15的一端并且该涡轮机转子20r被可驱动地附接到该驱动轴15的另一端。在某些情况下，该驱动轴15与该涡轮机转子20r被形成为单一部件。
[0045] 该驱动轴15被压缩机轴承16支撑在所述一端处并且被涡轮机轴承17支撑在所述另一端处。根据需要，可以提供针对驱动轴15的另一个中间轴承。
[0046] 该压缩机轴承16靠近该压缩机转子10r可旋转地支撑该驱动轴15并且该涡轮机轴承17靠近该涡轮机转子20r可旋转地支撑该驱动轴15。压缩机轴承16和涡轮机轴承17分别被形成该汽缸体2Z的结构的一部分所支撑，并且在这种情况下被压配合到在该汽缸体2Z中形成的横向孔内。安装压缩机轴承16和涡轮机轴承17因此分别形成为该汽缸体2Z的结构的一部分。
[0047] 该驱动轴15在这种情况下被竖直地布置在下端由平面P-P(在图3中可见平面P-P)并且在上端由平面C-C(在图4中可见平面C-C)所限定的区域中，该区域位于汽缸2a至2d的下端(汽缸2a至2d在图4中可见)。
[0048] 有利地，该驱动轴15靠近平面C-C布置以便最小化从该涡轮机20到该发动机1的排气端口的距离。确切的定位将取决于若干因素，包括但不限于该涡轮机20的尺寸以及该发动机舱内的可用空间。
[0049] 该驱动轴15位于该发动机1的纵向方向，以便它可以在这种情况下对准该发动机1的主轴承12m的中央一个主轴承。在所有情况下，该驱动轴15的纵向定位应该使其偏离该曲轴12的偏心曲柄12t，以便与用于将该曲轴12连接到该发动机1的活塞的连接杆(未示出)不会发生干涉。
[0050] 应理解的是，尽管在该实例中示出的驱动轴15位于汽缸2b与2c之间，但是该驱动轴15可以替代地位于汽缸2a与2b之间、汽缸2c与2d之间或者位于该发动机1的纵向末端处。然而，中央安装对于横流式发动机而言是有利的，因为这通常提供该压缩机10与入口歧管6之间最短的距离以及该排气歧管7与该涡轮机20之间最短的距离。
[0051] 该驱动轴15的旋转轴线R-R(见图2)被布置成相对于该曲轴12的纵向旋转轴线X-X大体上呈九十度，以便它从该汽缸体2Z的一侧横向延伸穿过该发动机体2到该汽缸体2Z的相对侧。该驱动轴15的旋转轴线R-R还被布置成与竖直平面V-V(见图3)大体上呈九十度，该竖直平面从该曲轴12的旋转轴线X-X向上延伸。应理解的是，该汽缸体2Z在使用过程中不需要被竖直地布置并且如果从竖直旋转的话该平面V-V的取向将不再是竖直的。
[0052] 因此上述系统提供了一种分离式涡轮增压器，该涡轮增压器具有分离的压缩机单元和涡轮机单元，该压缩机单元和涡轮机单元被驱动轴可驱动地连接，该驱动轴横向地延伸穿过该发动机以便被布置成与该发动机的曲轴的纵向轴线大体上呈九十度。这种涡轮增压器布置对横流式发动机而言尤其有利，但也可以用在在发动机的其他类型上，该发动机在其相同侧上具有入口端口和排气端口。
[0053] 在具有汽缸体、曲轴箱和汽缸盖的单缸发动机的情况下，该压缩机和涡轮机被布置在该发动机的汽缸体、汽缸盖和曲轴箱中一者的相对侧上，而在所有情况下将该发动机的该压缩机连接到该涡轮机的驱动轴横向地延伸以便被布置成与该曲轴的旋转轴线大体上呈九十度。
[0054] 在具有汽缸体、曲轴箱和汽缸盖的多缸直列式发动机的情况下，该压缩机和涡轮机被布置在该发动机的汽缸体、汽缸盖和曲轴箱中一者的相对侧上，而在所有情况下将该该发动机的压缩机连接到该涡轮机的驱动轴横向地延伸以便被布置成与该曲轴的旋转轴线大体上呈九十度。
[0055] 在具有不止一组汽缸、共用曲轴箱以及用于每组汽缸的汽缸盖的多缸发动机的情况下，该压缩机和涡轮机被布置在该发动机的每组汽缸、每个汽缸盖和曲轴箱中一者的相对侧上，而在所有情况下将该发动机的该压缩机连接到该涡轮机的驱动轴横向地延伸以便被布置成与该曲轴的旋转轴线大体上呈九十度。
[0056] 应理解的是，可以有不止一个被装配到发动机的分离式涡轮增压器。
[0057] 具体参照图5，示出了用于将分离式涡轮增压器装配到在图1至图4中所示出的发动机1的方法的多个基本步骤。
[0058] 该方法始于方框100，在方框100中，生产准备用于装配的所有必要零部件。在步骤110中，该压缩机转子10r、驱动轴15和涡轮机转子20r被装配以形成子组件。
[0059] 该驱动轴和转子子组件然后被放置在平衡机器中并且以某个速度旋转以便平衡该子组件。然后，在该子组件平衡后，该压缩机转子10r从该驱动轴15上移除，如在方框120中所指示的。
[0060] 在方框130中，指示压缩机轴承16和涡轮机轴承17分别被装配到该汽缸体2Z。这通过将压缩机轴承16和涡轮机轴承17分别压配合到已形成在该汽缸体2Z中的对准孔内来完成。应理解的是，如果愿意的话，这个步骤可以在步骤110和120之前或同时实施。
[0061] 然后在步骤140中，首先将该驱动轴15的压缩机末端插入到涡轮机轴承17中，并且然后插入压缩机轴承16中以便将该驱动轴15定位到其在该汽缸体2Z中的正确位置处。
[0062] 该涡轮机壳体20h然后被紧固到该汽缸体2Z的纵向侧，如在方框150中所指示的。紧跟这一步骤，在方框160中，该压缩机转子10r在对应于当子组件被平衡时压缩机转子10r被定位的位置的位置中重新附接到该驱动轴15。
[0063] 该压缩机壳体10h然后被定位到汽缸体2Z与该涡轮机20的位置相对的纵向侧上并且被紧固在位，如在方框170中所指示的。
[0064] 该装配方法的最后一步是将该压缩机10与该涡轮机20连接到该发动机1的入口歧管6和排气歧管7，如在方框180中所指示的，从而完成该分离式涡轮增压器到该发动机1的装配，如在方框190中所指示的。
[0065] 应理解的是，在该驱动轴延伸穿过该发动机的汽缸体的情况下，以上所参考的方法涉及分离式涡轮增压器到直列式发动机的装配。如果该驱动轴位于该发动机的其他地方，则应理解的是，考虑到这个方面，该方法需要被修正，例如，通过将本公开方法中的词语‘汽缸体’替换成对应于该驱动轴的位置的词语，诸如例如‘汽缸盖’或‘曲轴箱’。
[0066] 同样，在步骤120和140中，该方法描述了将该压缩机转子10r从该驱动轴15上移除以及该驱动轴的压缩机末端插入到该压缩机轴承16和涡轮机轴承17中，然而应理解的是，该涡轮机转子20r可以被移除并且该驱动轴15的涡轮机末端被分别插入到该压缩机轴承16和涡轮机轴承17中。在这种情况下，在方框150到170中所指示的步骤也可以是不一样的，在于该压缩机壳体10h可以随后被首先紧固在位，该涡轮机转子20r可以随后被重新装配并且最后该涡轮机壳体20h可以被紧固在位。然而，在图5中所示的方法可以被用于某些实例中，因为通过例如但不限于
焊接将该涡轮机转子20r永久地固定到该驱动轴15可能是希望的。同样该涡轮机转子20r可以被制成具有该驱动轴15的一个。
[0067] 术语‘横流式发动机’在此意思是一种如下的发动机，其中该发动机的入口和排气口是处于该发动机的相对侧上或者如果该发动机具有不止一组汽缸时处于每个汽缸组的相对侧上。由于此类‘横流式’布置，气体是从该发动机或汽缸组的一侧通过该发动机或汽缸组流动到发动机或汽缸组的另一侧。在具有布置成以‘V’形式的两组汽缸的横流式发动机的情况下，例如但不限于，V4、V6、V8、V10或V12发动机，常见的是两组汽缸的入口都在该‘V’形内位于形成该‘V’型的两组汽缸的内侧上并且排气口位于形成‘V’型的两组汽缸的外侧上。因此，利用此类布置，该发动机可以与两个分离式涡轮增压器装配在一起，一个涡轮增压器用于具有压缩机和两个涡轮机两者的每组汽缸，其中压缩机位于该发动机的“V”型内，而两个涡轮机位于该发动机的外纵向侧上。
[0068] 应注意，包括在本文中的示例控制和估计例程能够与各种发动机和/或车辆系统配置一起使用。本文公开的控制方法和例程可以作为可执行的指令被存储在非暂时性
存储器中并且可以通过包括
控制器的控制系统结合各种
传感器、
致动器和其他发动机
硬件来实施。本文所述的具体例程可以表示任何数量的处理策略中的一种或多种，如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等。因此，所示的各种动作、操作和/或功能可以按所示的顺序执行、并行执行，或在一些情况下被省略。类似地，处理的顺序不是实现本文中所述的示例实施例的特征和优点所必需的，而是为便于演示和说明而提供。取决于所使用的具体策略，可以重复执行所示动作、操作和/或功能中的一个或多个。此外，所述的动作、操作和/或功能可以图形化地表示有待编程到该发动机控制系统中的计算机可读存储介质的非暂时性存储器中的代码，其中所述动作通过执行系统中的指令而被实施，该系统包括各种发动机硬件部件以及
电子控制器。
[0069] 应理解，在本文中公开的配置和例程本质上是示例性的，且这些具体实施例不应被视为具有限制意义，因为大量的变体是可能的。例如，上述技术能够应用于V-6、I-4、I-6、V-12、对置4缸及其他的发动机类型。本公开的主题包括在本文中公开的各种系统和配置，及其他特征、功能和/或属性的所有新颖和非显而易见的组合及子组合。
[0070] 以下权利要求特别指出被认为是新颖但非显而易见的某些组合和子组合。这些权利要求可以被称为“一个”元件或“第一”元件或其等效物。这些权利要求应当被理解成包括一个或多个此类元件的结合，既不需要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权利要求书的
修改或在本申请或相关申请中提交新的权利要求来要求保护。此类权利要求，不管是否相对原始权利要求在范围上更宽、更窄、相同或不同，也被认为是包括在本公开的主题内。
