CN101310098A - 超动力柴油发动机 - Google Patents

Abstract

一种柴油发动机包括多个汽缸(2)、进口管(4)、出口管(6)、涡轮增压器(8，10)和增压器(14)，所述涡轮增压器为可变输出型且包括位于出口管(6)中的涡轮(8)，所述增压器(14)为可变输出型且位于压缩机叶轮(10)和汽缸之间的进口管(4)中且由所述发动机电驱动或机械驱动。所述发动机还包括被配置为产生表示所述发动机转速的信号的第一传感器(25)、被配置为产生表示所述发动机所承受的负载的信号的第二传感器(27)以及被配置为产生表示增压器(14)的下游进口管(4)中的压力的信号的第三传感器(26)。传感器(25，27，26)与控制器(29)相连，所述控制器(29)也与涡轮增压器和增压器相连并被配置为独立地改变所述涡轮增压器和所述增压器的输出。所述控制器(29)被编程以确定增压器(14)的下游进口管(4)中的压力期望值并将该压力期望值与压力实际值相比较，如果所述压力期望值与所述压力实际值之间存在差值，所述控制器(29)则调节增压器和/或涡轮增压器的输出直至所述压力期望值与所述压力实际值之间基本不存在差值为止。所述控制器(29)还被编程，如果在进口管(4)中需要较高压力，所述控制器(29)优先地增加涡轮增压器的输出，如果进口管(4)中需要较低压力，所述控制器(29)则优先地减小所述增压器的输出。

Description

超动力柴油发动机

技术领域

本发明涉及超动力柴油发动机。

背景技术

公知的是通过向柴油发动机提供涡轮增压器来增加柴油发动机的功率输出，该涡轮增压器包括位于出口管内且与压缩机叶轮或位于进口管内的叶轮相连接的涡轮。涡轮借助废气的旋转使压缩机叶轮旋转，该压缩机叶轮的旋转提升了发动机进口压力并由此导致更大量的空气被引入到发动机内。同样公知的是向所述发动机提供增压器，即为了提升进口管压力而由电机驱动的或由发动机的曲柄轴机械地驱动的多种类型的泵中的任意一种。

上述两种装置的缺点也是公知的。因而涡轮增压器涡轮的速度与废气的速度的立方有关，且这意味着在实际中涡轮增压器在发动机低速运转时不能产生任何非常显著的升压。此外，涡轮增压器允许所谓的“涡轮滞后”，这意味着在汽车发动机的加速器踏板被压下后，在发动机速度加速到足以使涡轮增压器开始产生显著的升压前会有几秒钟的延迟。提供给涡轮增压器的压缩机叶轮的机械输入功率因取自高速废气而明显为“自由的(free)”。然而，如果试图驱动涡轮增压器以大于预定速度的速度运转(以产生更高级别的升压)，所述预定速度取决于废气的速度，例如，通过关闭废气门或可变涡轮叶片，则出口管中的回压会上升到无法接受且这将通过增加发动机的燃料消耗而使得发动机的效率降低。另一方面，涡轮增压器的功率输入直接或间接地从曲柄轴获取或通过交流发电机而电力地获取，并因此在该发动机上表现出显著的耗用功率。此外，大容量涡轮增压器非常昂贵。

公知的发动机具有两个串联的涡轮增压器，一个明显大于另一个。较小的涡轮增压器能在相对较低的发动机转速下产生显著的升压，但在较高的发动机转速下会因废气的高流速而阻塞，并会导致发动机排气装置的阻塞。因此，该较小的涡轮增压器配备有旁路管道，由此通过处于较低的发动机转速的较小的涡轮增压器和处于较高的发动机转速的较大的涡轮增压器来实施涡轮增压。然而，这样成对的增压系统在一定程度上由于有效的升压仍是自然地与出口管里的压力有关的事实而具有许多缺点。

因此，本发明的目的是提供成对增压型柴油发动机，也就是说具有两个增压装置，所述增压装置结合了涡轮增压器和增压器已知的优点但却不具有它们的缺点。

公知的是在柴油和汽油发动机中使一定量的废气在一定的发动机条件下从出口管再循环回进口管，因为发现将该再循环的废气与进入的空气混合可减小燃烧使用的有效氧气量，并因此降低燃烧的最高温度。由此，这限制了氮氧化物的产生。废气通常通过在出口管和进口管之间延伸的废气再循环(EGR)管道来进行再循环。该EGR管道通常由EGR阀控制以调节气流。然而，决定废气通过EGR管道流动的速度的最重要的因素之一是该EGR管道端部之间的压力差，且该压力差在不影响发动机的其它被控参数，例如升压或燃料消耗的情况下，通常不能得到控制。因此，再循环废气的流动有时因需要同时最优化升压性能和维持最低的燃料消耗而受到约束，且本发明的另一个目的是提供一种柴油发动机，该柴油发动机具有允许迅速调节废气通过EGR管道流动的速度的装置，该调节在一定程度上独立于升压系统性能以及燃料消耗。

发明内容

根据本发明，提供一种柴油发动机，该柴油发动机包括一个或多个汽缸、进口管、出口管、涡轮增压器和增压器，所述涡轮增压器为可变输出型且包括涡轮，该涡轮位于出口管中且耦合至位于进口管的压缩机叶轮，所述增压器为可变输出型且位于压缩机叶轮和汽缸之间的进口管中，所述增压器由发动机电驱动或机械驱动。所述发动机还包括：第一传感器，该第一传感器被配置为产生表示发动机转速的信号；第二传感器，该第二传感器被配置为产生表示发动机所承受的负载的信号；以及第三传感器，该第三传感器被配置为产生表示增压器下游的进口管中的压力的信号。所述传感器与控制器相连，该控制器也与涡轮增压器和增压器相连，且该控制器被配置为独立地改变涡轮增压器和增压器的输出，该控制器被编程以确定在增压器下游的进口管中的压力期望值并将该压力期望值与压力实际值相比较，且如果所述压力期望值与所述压力实际值之间存在差值，所述控制器调节增压器和/或涡轮增压器的输出直至所述压力期望值与所述压力实际值之间基本不存在差值为止。该控制器还可被进一步编程，以便在进口管需要更高压力时，优先增加涡轮增压器的输出以使出口管中的压力不超过预定值，且在进口管需要更低压力时，优先减小增压器的输出。

由此，根据本发明的发动机包括可变输出型的涡轮增压器，例如该涡轮增压器包括废气门和/或可调节斜度叶片；以及增压器，该增压器优选为具有比涡轮增压器明显小的容量且同样为可变输出型。许多不同类型的增压器均是公知的，因此不需再进行描述。所述发动机如通常的发动机一样包括被配置为产生分别表示发动机速度和发动机负载的信号的第一和第二传感器。所述发动机还包括第三传感器，该第三传感器被配置为产生表示增压器下游的进口管中的压力的信号。这些传感器与电控制器相连，该电控制器在实践中组成目前大多数汽车发动机具备的发动机管理系统的至少一部分。该控制器还与涡轮增压器和增压器相连且能够独立地改变涡轮增压器和增压器的输出。进口管中的期望升压值由控制器考虑一些因素而确定，在这些因素中包括发动机速度和发动机负载。该期望升压值与进口管中的实际压力值相比较，且如果期望升压值与实际压力值存在差值，则增压器和/或涡轮增压器的速度会改变以消除该差值。由于涡轮增压器的输入功率明显为“自由的”(即，所使用的能量则将被浪费)，控制器被编程以在需要更高升压的情况下优先地增加涡轮增压器的输出。这意味着，如果可行，则涡轮增压器的速度将增加。然而，如果发动机速度非常低，则涡轮增压器可能不能在一段可接受的时间段内产生期望的升压，且控制器接着增加增压器的速度。由于发动机将变得低效率，也就是说将消耗更多的燃料。如果出口管中的回压上升到预定水平以上，则控制器还可被编程以确保涡轮增压器不再运转，从而出口管中的压力不会上升到超过预定值。一旦出口管中的压力达到预定值，控制器将不允许涡轮增压器速度的任何更进一步的增长，并由此若需要增长的升压，则控制器被编程以通过增加增压器的速度来实现升压的增长。类似的，如果控制器确定所述升压应当被减小，则该控制器被编程以优先减小增压器的增长趋势(outlook)从而减小发动机上的机械消耗。然而，在较高的发动机速度下，增压器可能不能运转，且在此情况下，控制器自然会减小涡轮增压器的速度，例如，通过打开废气门和/或通过调节涡轮的叶片的角度。

因此，必要的是使控制器始终能够获知出口管中的废气压力。这可以通过绘制运行参数在全部可能区域的废气管压力映射图并将该映射图存储在控制器中来实现。所述控制器将获知入口的速度和负载、升压、以及涡轮增压器和增压器的速度，且这些值将唯一地确定出口管压力。可替换地，所述发动机可以包括第四传感器，该第四传感器被配置为产生表示涡轮上游的出口管中的压力的信号。所述控制器接着将对出口管压力的实际值和预定的最大压力值进行比较并基于该比较对涡轮增压器和/或增压器的速度进行调节。

在本发明的一种实施方式中，所述发动机还包括废气再循环(EGR)管道，该废气再循环管道与出口管在微粒过滤器和涡轮之间的位置上相通，该废气再循环管道还与进口管以及废气净化装置相通，该废气净化装置位于汽缸和EGR管道与进口管相通的位置之间的废气路径中，且该发动机还包括传感器装置，所述传感器装置被配置为产生表示通过EGR管道的废气的流速的信号，该传感器装置连接至控制器，所述控制器被编程以确定废气流入所述进口管的期望流速并将该期望流速与流速实际值相比较，如果所述期望流速与所述流速实际值之间存在差值，所述控制器调节增压器和/或涡轮增压器的输出直至所述期望流速与所述流速实际值之间基本不存在差值为止。

实际上，确信的是该实施方式和以下涉及的相关方法在本质上是新颖的，并存在不具有上述一些特征的应用。

因此，根据本发明的另一方面，柴油发动机包括一个或多个汽缸、进口管、出口管、涡轮增压器和增压器。所述涡轮增压器为可变输出型且包括涡轮，该涡轮位于出口管内且与位于进口管中的压缩机叶耦合。所述增压器为可变输出型且压缩机叶轮和汽缸之间的进口管中，并由发动机电驱动或机械驱动。所述发动机包括与出口管相通的废气再循环(EGR)管道，该出口管位于净化装置和涡轮之间，所述发动机还包括如微粒过滤器的废气净化装置，该废气净化装置位于汽缸和EGR管道与进口管相通的位置之间的废气路径中，且该发动机还包括第一传感器，该第一传感器被配置为产生表示发动机的速度的信号；第二传感器，该第二传感器被配置为产生表示发动机所加负载的信号；以及传感器装置，该传感器装置被配置为产生表示通过EGR管道的废气的流速的信号，所述两个传感器和所述传感器装置连接到控制器，该控制器还连接到涡轮增压器和增压器并被配置为独立地改变所述涡轮增压器和增压器的输出。该控制器被编程以确定废气流入进口管的期望流速并将该期望流速与流速实际值相比较，在期望流速与流速实际值存在差值的情况下，调节增压器和/或涡轮增压器的输出直至期望流速与实际流速之间基本无差值为止。

因此，本发明此方面取决于影响通过EGR管道的废气的流速的主要因素之一是在EGR管道端部之间的压力差值的事实。通过改变该压力差值可以改变所述流速，且重要的是增加涡轮增压器的输出将增加出口管中的压力，也就是说在EGR管道的输入端的压力，且实际上，如果在EGR管道的下游端优选地与位于压缩机叶轮和增压器之间的进口管相通，则在EGR管道的下游端的压力可以通过增加增压器的输出速度而被减小。因此，向发动机提供再循环废气的速度可以通过控制涡轮增压器和增压器的输出而被非常精确地控制，且该控制不妨碍上述关于发动机的升压的控制。因此，如果EGR管道优选地在位于涡轮增压器和增压器之间的点上与进口管相通，则在EGR管道的下游端、即增压器的上游的压力，将通过适当地控制涡轮增压器和增压器而独立于升压、即增压器的下游压力而被控制。如果EGR管道与涡轮增压器的上游的进口管相通，则应用类似的措施。然而，如果EGR管道与位于增压器的下游的进口管相通，则升压的改变将是固有的且同样会导致EGR传输速度的改变。为了制造升压和实现EGR供给真正的独立，在此情况下可能会期望在EGR管道中提供由所述控制器控制的泵。所述再循环废气也为基本纯净的，因为它流经微粒过滤器并因此不会污染涡轮增压器或增压器。所述微粒过滤器将被置于EGR管道中或出口管中的EGR管道与出口管相通的下游的位置。

附图说明

本发明的其他特征和细节将在以下本发明的两个具体实施方式的描述中显而易见，所述两个具体实施方式是以参考附图中的图1和图2的实施例的方式给出的，所述附图是双增压柴油发动机的两种略有不同的结构的高度示意性的图示。

具体实施方式

所述发动机包括一个或多个汽缸2，在此例中该发动机包括四个汽缸、进口管4和出口管6。所述发动机包括具有相对大的容量的涡轮增压器，该涡轮增压器包括位于出口管中的涡轮叶轮8以及与之耦合的位于进口管中的压缩机叶轮10。所述涡轮增压器为可调节输出型，并且为了该目的，涡轮喷嘴的叶片是可调节斜度的和/或提供废气门12以组成环绕涡轮叶轮的可控旁路。所述发动机还包括具有相对小容量的增压器14，该增压器14位于压缩机叶轮10和汽缸2之间的进口管4中。所述增压器可以被电驱动，但是优选为被机械驱动，例如，由耦合到发动机机轴的皮带传动器驱动。所述增压器也是可变输出型，并且为了该目的，该增压器包括速度控制器16。位于增压器14和汽缸2之间的是增压空气冷却器C，该增压空气冷却器C的结构和作用是公知的。

位于涡轮叶轮8的上游的出口管6中的是任意合适类型的柴油微粒过滤器18，该柴油微粒过滤器18的作用是从发动机废气中移除微粒。EGR管道20在出口管6和进口管4之间延伸，所述出口管6位于过滤器18和涡轮叶轮8之间，所述进口管4位于压缩机叶轮10和增压器14之间。该EGR管道20的作用是允许废气反复循环，并允许该废气与入口空气混合进入汽缸。EGR管道20包括可控阀22和EGR气体冷却器24(可选择为冷却器旁路阀)，该EGR气体冷却器24的结构和作用也是公知的。

在增压器14的下游与进口管4相通的是压力传感器，该压力传感器示意性地以26表示。在涡轮8的上游与出口管6相通的还是压力传感器，该压力传感器示意性地以28表示。位于进口管4在涡轮10和增压器14之间的还是压力传感器，该压力传感器示意性地以30表示。所有这些压力传感器均与控制器29相连接，该控制器29在实际中可能为目前绝大多数车辆发动机均配备的发动机管理系统的一部分。也与所述控制器相连的是涡轮增压器的输出控制器29以及增压器14的输出控制器16，所述涡轮增压器的输出控制器29也就是废气门12和/或用于叶片的斜度控制。所述发动机还包括负载传感器25和速度传感器27，该负载传感器25和速度传感器27也与控制器29相连，并被配置为产生表示发动机的负载和速度的信号。

在使用中，控制器29由发动机负载和速度信号来计算期望的升压值，即，进口管压力，并将该升压值与由传感器26所表示的实际升压值相比较。如果升压值与目前主要所需的升压值不同，则控制器适当地调节涡轮增压器和/或增压器的输出。如果发动机速度很低且期望增加升压，则涡轮增压器自然地不能为升压作出明显的贡献，且控制器用以增加增压器的速度。如果发动机的速度相对较高，则控制器用以增加涡轮增压器的速度。然而，为了避免废气回流压力达到超正常水平，也就是说处于该水平发动机的效率将被显著削弱，出口管压力被监控并与预定最大期望水平相比较，且如果排气压力应该达到该水平而升压值没有达到期望值，则增压器的输出被增加，且在涡轮增压器的输出中不再有进一步的增加。

设想，通常在轻微的发动机负载的条件下，期望将废气注入汽缸，所述控制系统从包括表示发动机的速度和负载的多种信号来计算废气流过EGR管道20的期望流速。所述发动机还包括传感器装置，该传感器装置表示废气流过管道20的实际流速。该传感器装置可以在连向涡轮增压器压缩机的新鲜空气进气口中或在EGR管道中构成已知类型的流速传感器，但在所述情况下，由于在管道20两端的压力差值可被用于传递表示流过该管道20的流速的信号，因此该传感器装置由传感器28和30组成。如果在期望值和实际值之间存在任何显著的不同，则控制器改变涡轮增压器和/或增压器的速度以调节EGR管道两端的压力差值至某一值，该值与流速的实际值一致，流速的实际值等于期望值。

图2中所示的修改后的实施方式与图1中所示的基本相同，但微粒过滤器已被从出口管移至EGR管道中的位置。由此，该微粒过滤器将执行相同的功能，即确保再循环至进口管的废气是基本纯净的且由此不会引起污染问题。然而，在此情况下，大量的废气不流经过滤器且由此基本消除了大量的废气流经过滤器所导致的低效。

Claims (10)

1.一种柴油发动机，该柴油发动机包括一个或多个汽缸、进口管、出口管、涡轮增压器和增压器，所述涡轮增压器为可变输出型并且包括涡轮，该涡轮位于所述出口管中并且与位于所述进口管中的压缩机叶轮耦合，所述增压器为可变输出型并且位于所述压缩机叶轮和所述汽缸之间的所述进口管中，所述增压器由所述发动机电驱动或机械驱动，所述发动机还包括被配置为产生表示所述发动机转速的信号的第一传感器、被配置为产生表示所述发动机所承受的负载的信号的第二传感器、以及被配置为产生表示所述增压器的下游进口管中的压力的信号的第三传感器，所述传感器与控制器相连，该控制器也与所述涡轮增压器和所述增压器相连，并且该控制器被配置为独立地改变所述涡轮增压器和所述增压器的输出，该控制器被编程以确定所述增压器的下游进口管中的压力期望值并将该压力期望值与压力实际值相比较，如果所述压力期望值与所述压力实际值之间存在差值，则所述控制器调节所述增压器和/或所述涡轮增压器的输出直至所述压力期望值与所述压力实际值之间基本不存在差值为止，所述控制器还被编程，如果在所述进口管中需要较高压力，所述控制器优先地增加所述涡轮增压器的输出以使所述出口管中的压力不超过预定值，并且如果在所述进口管中需要较低压力，所述控制器则优先地减小所述增压器的输出。

2.根据权利要求1所述的发动机，该发动机包括废气再循环管道，该废气再循环管道与所述出口管在所述汽缸和所述涡轮之间的位置上相通，该废气再循环管道还与所述进口管以及气体净化装置相通，所述气体净化装置位于所述汽缸和所述废气再循环管道与所述进口管相通的位置之间的废气路径中，所述发动机还包括传感器装置，该传感器装置被配置为产生表示通过所述废气再循环管道的废气的流速的信号，该传感器装置与所述控制器相连，所述控制器被编程以确定所述废气流入所述进口管的期望流速并将该期望流速与流速实际值相比较，如果所述期望流速与所述流速实际值之间存在差值，则所述控制器调节所述增压器和/或所述涡轮增压器的输出直至所述期望流速与所述流速实际值之间基本不存在差值为止。

3.根据权利要求2所述的发动机，其中所述气体净化装置位于所述涡轮的上游出口管中。

4.根据权利要求2所述的发动机，其中所述气体净化装置位于所述废气再循环管道中。

5.根据权利要求2-4中任一项权利要求所述的发动机，其中所述废气再循环管道与所述进口管在所述压缩机叶轮和所述增压器之间的位置上相通。

6.根据权利要求1-5中任一项权利要求所述的发动机，所述发动机包括第四传感器，该第四传感器与所述控制器相连，并且该第四传感器被配置为产生表示所述涡轮的上游出口管中的压力的信号。

7.根据权利要求5或6所述的发动机，其中所述传感器装置由所述第四传感器和第五传感器组成，所述第五传感器被配置为产生表示所述废气再循环管道的下游末端处的压力的信号，并且所述第五传感器与所述控制器相连。

8.一种控制柴油发动机运行的方法，所述柴油发动机包括一个或多个汽缸、进口管、出口管、涡轮增压器和增压器，所述涡轮增压器为可变输出型并且包括涡轮，该涡轮位于所述出口管中并且与位于所述进口管中的压缩机叶轮耦合，所述增压器为可变输出型并且位于所述压缩机叶轮和所述汽缸之间的所述进口管中，所述增压器由所述发动机电驱动或机械驱动，所述方法包括产生表示所述发动机转速的第一信号、表示所述发动机所承受的负载的第二信号、以及表示所述增压器的下游进口管中的压力的第三信号，对所述第一和第二信号进行处理以产生表示所述增压器的下游进口管中的压力的期望值的另一信号，并将该期望值与通过第三传感器测得的实际值相比较，如果所述期望值与所述实际值之间存在差值，则调节所述增压器和/或所述涡轮增压器的速度直至所述期望值和所述实际值之间基本不存在差值为止，由此，如果在所述进口管中需要较高压力，则优先地增加所述涡轮增压器的输出以使所述出口管中的压力不超过预定值，并且如果在所述进口管中需要较低压力，则优先地减小所述增压器的输出。

9.根据权利要求8所述的方法，该方法还包括产生表示所述涡轮的上游出口管中的压力的第四信号。

10.一种控制根据权利要求5所述的柴油发动机运行的方法，其中所述发动机还包括废气再循环管道，该废气再循环管道与所述出口管在所述气体净化装置和所述涡轮之间的位置上相通，该废气再循环管道还与所述进口管以及所述气体净化装置相通，所述气体净化装置位于所述汽缸和所述废气再循环管道与所述进口管相通的位置之间的废气路径中，所述方法包括对所述第一和第二信号进行处理以产生表示通过所述废气再循环管道的废气的期望流速的信号，产生表示通过所述废气再循环管道的废气的实际流速的信号，将所述表示期望流速的信号与所述表示实际流速的信号相比较，并且如果所述表示期望流速的信号与所述表示实际流速的信号之间存在差值，则调节所述增压器和/或所述涡轮增压器的输出直至所述表示期望流速的信号与所述表示实际流速的信号之间基本不存在差值为止。

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