CN101910603A

CN101910603A - 具有再循环回路的进气系统

Info

Publication number: CN101910603A
Application number: CN2009801019074A
Authority: CN
Inventors: W·C·伯雷; S·R·尼塞
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2008-01-10
Filing date: 2009-01-07
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2029-01-07
Also published as: DE112009000075B4; US8302402B2; WO2009089013A1; US20090178655A1; DE112009000075T5; CN101910603B

Abstract

本发明公开一种具有再循环回路的进气系统。具体地，提供一种用于动力系统(5)的进气系统(18)，其具有可被操作来压缩被引入发动机(10)的空气的压缩机(22)。另外，该进气系统具有布置在压缩机和发动机之间的节流阀(28)，该节流阀能够选择性地限制流入发动机的压缩空气的流量。该进气系统还具有布置在压缩机和节流阀之间的再循环阀(38)，该再循环阀能够选择性地使一部分压缩空气流量转向离开发动机。此外，该进气系统具有能够响应于节流阀上游的空气和节流阀下游的空气之间的压力差而致动再循环阀的控制器(48)。

Description

具有再循环回路的进气系统

技术领域

本发明涉及一种进气系统，更具体地涉及一种具有再循环回路的进气系统。

背景技术

涡轮增压器系统通过为发动机提供高于大气压力的进口流体来增加内燃机的动力和效率。传统的涡轮增压器系统包括由来自发动机的废气能量驱动的涡轮和由该涡轮驱动的压缩机。以前，压缩机使流体加压到大气压力或接近大气压力，以便经过节流阀和后冷却器并进入发动机进气歧管。

以前已知的涡轮增压器结构已经经历了一些问题。例如，当系统的动力需求增加时，涡轮增压器通常要花费一些时间来获得速度并提供增加的压力。这通常是由涡轮增压器的转动惯性造成的。因此，当发动机运行在要求动力快速增加的瞬变工况下时，涡轮增压器加速的同时会发生延迟期，从而阻止了动力如期望的那样瞬时增加。在发动机运行在要求动力和压力快速减小的状态下时也是如此。

用来减小这种时间延迟的一种方案是保持节流阀上游的加压空气(“增压”)储备。这种加压空气储备可以在增加的动力需求要求入口空气压力迅速增加时被释放。通常利用上面提到的方案实施压缩空气再循环回路来防止储备空气的压力超过期望阈值，在该期望阈值以上，储备压力将不利地影响发动机的性能或者甚至造成发动机损坏。

压缩空气再循环回路的一个例子可以在2001年11月20日授予Torna等人的美国专利No.6318085(′085专利)中找到。′085专利中公开的压缩空气再循环回路流体连接到压缩机的进气口。另外，该再循环回路流体连接到压缩机下游的发动机入口通道。发动机入口通道包括用于控制流进发动机的空气流量的节流阀。而且，位于再循环回路内的再循环阀调节回到压缩机进气口的加压空气的流量。位于节流阀下游的传感器感测进入发动机的空气压力，而与节流阀相联的另一传感器感测节流阀的位置。再循环阀根据进入发动机的空气压力和节流阀的位置致动，以使进入发动机的空气压力保持在期望压力。

尽管′085专利公开的系统利用压缩空气再循环回路，但其对涡轮增压器瞬时响应的作用仍是有限的。特别是，′085专利并不感测节流阀上游的增压压力。这会使得实际增压压力变得小于期望增压压力。如果压力变得太低，则可能没有足够的加压空气储备来满足作用在发动机上的增加的负载的需求。

本发明旨在克服上述的一个或多个问题。

发明内容

在一个方面，本发明涉及一种用于动力系统的进气系统。该进气系统包括可被操作来压缩被引入发动机的空气的压缩机。另外，该进气系统包括布置在压缩机和发动机之间的节流阀，该节流阀能够选择性地限制流入发动机的压缩空气的流量。该进气系统还包括布置在压缩机和节流阀之间的再循环阀，该再循环阀能够选择性地使一部分压缩空气流量转向。此外，该进气系统包括能够响应于节流阀上游的空气和节流阀下游的空气之间的压力差而致动再循环阀的控制器。

与本发明的另一方面一致，提供一种用于保持节流阀上游和下游空气之间的压力差的方法。该方法包括压缩一定流量的空气。另外，该方法包括感测表示节流阀上游空气的压力的第一参数。该方法还包括感测表示节流阀下游空气的压力的第二参数。该方法进一步包括响应于节流阀上游的空气压力和节流阀下游的空气压力之间的压力差而选择性地使至少一部分压缩空气转向。

附图说明

图1是一种示例性公开的动力系统的示意图；

图2是描述用于操作图1的动力系统的再循环系统的一种示例性公开的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了一种示例性公开的动力系统5，其具有相互协作以产生动力输出的多个部件。动力系统5可包括发动机10，发动机10具有限定多个气缸14的发动机缸体12、可滑动地布置在每个气缸14内的活塞(未示出)以及与每个气缸14相关联的气缸盖(未示出)。可以设想，发动机10可包括另外或不同的部件，例如与每个气缸盖相关联的阀机构、一个或多个燃料喷射器以及本领域已知的其他部件。出于本公开的目的，发动机10被描绘和描述为气体燃料动力的发动机。然而，本领域技术人员将会认识到发动机10可体现为任何其他类型的内燃机，例如汽油机或柴油机。

活塞、气缸盖和气缸14可形成燃烧室16。在所示的实施方式中，发动机10包括六个燃烧室16。然而，可以想到发动机10可包括更多或更少数量的燃烧室16，且燃烧室16可以布置成“直线”构型、“V”构型或者任何其它合适的构型。

还如图1所示，动力系统5可包括便于产生动力输出的多个系统。特别地，动力系统5可包括进气系统18和废气系统20。可以想到，发动机10可包括另外的系统，例如燃料系统、润滑系统、传动系统、冷却系统和本领域已知的任何其它这样的发动机系统。

进气系统18可将给气引入到发动机10的燃烧室16中。另外，进气系统18可包括与每个气缸盖的一个或多个入口端口24流体连通的压缩机22、再循环系统26、节流阀28、空气冷却器30和控制系统32。可以想到进气系统18内可包括另外和/或不同的部件，例如空气滤清器和本领域已知的用于将给气引入到燃烧室16中的其他部件。

压缩机22可经入口34接收大气空气并将接收到的空气压缩到预定压力水平。另外，压缩机22可将压缩的空气经流体管道36引导到入口端口24。此外，压缩机22可体现为固定几何形状压缩机、可变几何形状压缩机或者本领域已知的任何其它类型的压缩机。可以想到，如果需要，多个压缩机22可替代地包括在进气系统18内并以串联或并联关系布置。

再循环系统26可通过将一些压缩空气再循环回到入口34而将位于压缩机22下游、节流阀28上游的空气保持在期望压力。再循环系统26可包括在压缩机22下游且在节流阀28上游的某位置处经流体管道40流体连接到流体管道36的再循环阀38。另外，再循环阀38可经流体管道42流体连接到入口34。再循环阀38是可调节的以控制输送到燃烧室16的压缩空气的量。特别地，再循环阀38能够自阻流位置朝通流位置调节。阻流位置可引导基本全部的压缩空气自压缩机22流向发动机10，并可抵抗弹簧朝通流位置偏置。通流位置可引起来自压缩机22的一部分压缩空气在压缩机22下游的某位置处经流体管道40和42从发动机10转向到压缩机22上游的位置。再循环阀38可包括蝶阀元件、滑阀元件、截止阀元件、单向阀元件、隔膜阀元件、闸阀元件、梭阀元件、球形阀元件、球心阀元件或者本领域已知的任何其它类型的阀元件。另外，再循环阀38可以是电致动的、液压致动的或者气动的。

节流阀28可位于流体管道36内压缩机22和入口端口24之间来控制输送至燃烧室16的空气量。节流阀28的位置可以是流体管道36内的任意合适位置，例如在空气冷却器30之前或之后。另外，节流阀28可以从通流位置抵抗弹簧偏置朝着限流位置调节。当处于通流位置时，空气可以基本不受限制地被导入发动机10中。出于本公开的目的，术语“受限制”意在被解释为至少部分阻止流体流过。还可以想到，当处于限流位置时，节流阀28可完全阻止流体流过。节流阀28可包括蝶阀元件、滑阀元件、截止阀元件、单向阀元件、隔膜阀元件、闸阀元件、梭阀元件、球形阀元件、球心阀元件或者本领域已知的任何其它类型的阀元件。另外，节流阀28可以是电致动的、液压致动的或者气动的。

空气冷却器30可体现为与流体管道36流体连通的空气-空气换热器或者空气-液体换热器。空气冷却器30能够在压缩机22压缩的空气进入发动机10的燃烧室16之前向或者从该压缩空气传递热量。另外，空气冷却器30可包括管壳式换热器、板式换热器或者本领域已知的任何其它类型的换热器。可以想到，如果需要，可以省略空气冷却器30。

控制系统32可被构造为响应于一个或多个输入影响再循环阀38的操作。特别地，控制系统32可包括设置在节流阀28上游的压力传感器44、设置在节流阀28下游的压力传感器46以及用于响应从压力传感器44和46接收的信号致动再循环阀38的控制器48。

压力传感器44可体现为能够感测表示位于节流阀28上游的空气压力的参数的感测装置。另外，传感器44可生成表示空气压力的信号并将该信号经通信线50传输至控制器48。可以想到，压力传感器44可以在压缩机22和节流阀28之间的任意位置处与流体管道36流体连通。还可以想到，压力传感器44可以是能够感测表示位于节流阀28上游的空气压力的参数的任何类型的感测装置。

压力传感器46可体现为能够感测表示位于节流阀28下游的空气压力的参数的感测装置。另外，传感器46可生成指示空气压力的信号并将该信号经通信线52传输至控制器48。可以想到，压力传感器46可以在节流阀28和燃烧室16之间的任意位置处与流体管道36流体连通。还可以想到，压力传感器46可以是能够感测表示位于节流阀28下游的空气压力的参数的任何类型的感测装置。

控制器48可响应于从压力传感器44和46接收的信号借助通信线54致动再循环阀38。再循环阀38的致动可引起节流阀28上游和下游的空气之间的压力差保持在期望压力或者在期望范围内。例如，可能期望将节流阀28上游的空气保持在比节流阀28下游的空气大大约15％的压力。如果压力差升高到期望的15％以上，则控制器48可致动再循环阀38来增加被引导经过再循环系统26的空气量，由此降低节流阀28上游的空气压力并最终降低压力差。控制器48还可致动再循环阀38来增加被引导经过再循环系统26的空气量，以在节流阀28下游的空气压力降低时将压力差保持在期望水平。反之，如果压力差落到期望的15％以下，则控制器48可致动再循环阀38来减小被引导经过再循环系统26的空气量，由此增加节流阀28上游的空气压力并最终增加压力差。控制器48还可致动再循环阀38来减小被引导经过再循环系统26的空气量，以在节流阀28下游的空气压力增加时将压力差保持在期望水平。可以想到，如果需要，可以省略压力传感器44和46。在这种实施方式中，控制器48可从能够感测与发动机10的运行有关的各种参数的其他传感器(未示出)接收信号并将这种信号比照各种映射、运算、图表和/或曲线图，以确定节流阀28上游和下游的空气压力。

控制器48可采取任何形式，例如基于计算机的系统、基于微处理器的系统、微控制器或者任何其它合适的控制型线路或系统。另外，控制器48可包括用于运行设计用来调节再循环阀38的软件程序的各种部件。例如，控制器48可包括中央处理单元(CPU)、随机存储器(RAM)、输入/输出(I/O)元件等。可以想到，如果需要，控制器48可以是与发动机10相关联的任何其它控制系统的一部分。

废气系统20可将废气流导出发动机10。例如，废气系统20可包括连接成从发动机10接收废气的涡轮58。可以想到，废气系统20可包括另外和/或不同的部件，例如排放物控制装置，诸如颗粒捕集器、NOx吸收器或者其他催化装置、衰减装置以及本领域已知的用于将废气流导出发动机10的其他部件。

涡轮58可连接成驱动压缩机22。特别地，随着离开发动机10的热废气向着涡轮58的叶片(未示出)膨胀，涡轮58转动并驱动压缩机22。可以想到，如果需要，多于一个涡轮58可替代地包括在废气系统20中并且串联或并联布置。还可以想到，如果需要，可省略涡轮58且压缩机22可以通过发动机10以机械、液压、电或本领域已知的任何其它方式驱动。

以下部分对图2进行讨论，其示出了再循环系统26的操作。特别地，图2示出了一种用于将节流阀28上游和下游的空气之间的压力差保持在期望水平或在期望范围内的示例性方法。

工业实用性

本发明的再循环系统可用于期望改进涡轮增压器的瞬变负载响应的任何动力系统。特别地，本发明的系统提供一种简单可靠的方法来将给气储备保持在期望压力以对瞬变负载进行快速涡轮增压器响应。现在解释再循环系统26的操作。

大气空气经压缩机22被吸入到进气系统18中，在进入发动机10的燃烧室16之前，大气空气在压缩机22处被加压至预定水平。在进入燃烧室16之前或之后，燃料可与加压空气混合。然后，这种燃料-空气混合物由发动机10燃烧以产生机械功和废气流。废气流可自发动机10引导至涡轮58，热废气在此处的膨胀可引起涡轮58转动，由此使连接的压缩机22转动以压缩入口空气。在离开涡轮58之后，废气流可被导向大气。

如图2的流程图所示，控制器48可从压力传感器44接收表示节流阀28上游的空气压力的信号，并可从压力传感器46接收表示节流阀28下游的空气压力的信号(步骤100)。可以想到，压力传感器44和46可以从进气系统18省略且控制器48可从与发动机10的运行有关的各种传感器(未示出)接收信号。在这种实施方式中，控制器48可将接收到的信号比照算法、映射、图表和/或曲线图以确定节流阀上游和下游空气的压力。在接收压力信号后，控制器48可比较压力信号并计算节流阀28上游空气和下游空气之间的压力差(步骤102)。

在计算压力差后，控制器48可确定计算的压力差是否在第一阈值压力差以上(步骤104)。该第一阈值压力差可以是预设压力差，例如大约15.5％。替代地，可以想到如果需要，压力差阈值可以是动态的且可取决于发动机10的操作。

如果控制器48确定计算的压力差在第一阈值压力差以上(步骤104：是)，则控制器48可致动再循环阀38来增加经再循环系统26转向回到压缩机22的空气量(步骤106)。在增加转向回到压缩机22的空气量后，可以重复步骤100(即，控制器48可从压力传感器44接收表示节流阀28上游的空气压力的信号，并可从压力传感器46接收表示节流阀28下游的空气压力的信号)。

如果控制器48确定计算的压力差不在第一阈值压力差以上(步骤104：否)，则控制器48可确定计算的压力差是否在第二阈值压力差以下(步骤108)。该第二阈值压力差可以是预设压力差，例如大约15％。替代地，可以想到如果需要，压力差阈值可以是动态的且可取决于发动机10的操作。还可以想到，第一和第二阈值可以基本上相同。

如果控制器48确定计算的压力差在第二阈值压力差以下(步骤108：是)，则控制器48可致动再循环阀38来减小经再循环系统26转向回到压缩机22的空气量(步骤110)。在减小转向回到压缩机22的空气量后或者如果控制器48确定计算的压力差不在第二阈值压力差以下(步骤108：否)，可重复步骤100(即，控制器48可从压力传感器44接收表示节流阀28上游的空气压力的信号，并可从压力传感器46接收表示节流阀28下游的空气压力的信号)。

通过调节节流阀上游和下游的空气之间的压力差，可以提高涡轮增压器对瞬变负载的响应。特别地，因为节流阀上游和下游空气的压力可以直接测量，给气储备可保持在允许对瞬变负载进行迅速响应的压力。

本领域技术人员可认识到，在不脱离本发明范围的情况下可对本发明的系统进行各种修改和变型。通过考虑这里公开的说明书，本领域技术人员可清楚其他实施方式。说明书和实施例仅意在被认为是示例性的，真正的范围由权利要求书及其等同范围指明。

Claims

1.一种用于动力系统(5)的进气系统(18)，包括：

压缩机(22)，其能够被操作来压缩被引入发动机(10)的空气；

节流阀(28)，其布置在所述压缩机和所述发动机之间，所述节流阀能够选择性地限制流入所述发动机的压缩空气的流量；

再循环阀(38)，其布置在所述压缩机和所述节流阀之间，所述再循环阀能够选择性地使一部分压缩空气流量转向离开所述发动机；和

控制器(48)，其能够响应于所述节流阀上游的空气和所述节流阀下游的空气之间的压力差而致动所述再循环阀。

2.如权利要求1所述的进气系统，还包括第一传感器(44)，其布置在所述节流阀和所述发动机之间并能够感测表示所述节流阀下游空气的压力的参数。

3.如权利要求2所述的进气系统，还包括第二传感器(46)，其布置在所述压缩机和所述节流阀之间并能够感测表示所述节流阀上游空气的压力的参数。

4.如权利要求3所述的进气系统，其中，所述控制器能够响应于从所述第一传感器和第二传感器接收的信号而致动所述再循环阀。

5.如权利要求4所述的进气系统，其中，所述控制器能够致动所述再循环阀以在所述节流阀上游和下游的空气压力之间的压力差在第一阈值以上时增加离开所述发动机的压缩空气的流量。

6.如权利要求5所述的进气系统，其中，所述控制器能够致动所述再循环阀以在所述节流阀上游和下游的空气压力之间的压力差在第二阈值以下时减小离开所述发动机的压缩空气的流量。

7.一种用于保持节流阀(28)上游和下游空气之间的压力差的方法，该方法包括：

压缩一定流量的空气；

感测表示所述节流阀上游空气的压力的第一参数；

感测表示所述节流阀下游空气的压力的第二参数；

响应于所述节流阀上游的空气压力和所述节流阀下游的空气压力之间的压力差而选择性地使至少一部分压缩空气转向离开所述发动机。

8.如权利要求7所述的方法，还包括在所述节流阀上游和下游的空气压力之间的压力差在第一阈值以上时增加离开所述发动机的压缩空气的流量。

9.如权利要求8所述的方法，还包括在所述节流阀上游和下游的空气压力之间的压力差在第二阈值以下时减小离开所述发动机的压缩空气的流量。

10.一种动力系统(5)，包括：

能够产生动力输出的发动机(10)；和

如权利要求1-6中任一项所述的进气系统(18)。