CN102628396B - 再生辅助涡轮增压系统 - Google Patents

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Abstract

涡轮增压内燃发动机包括发动机控制单元和与涡轮增压器相连的装置，其响应于来自发动机控制系统的加速信号辅助涡轮增压器的加速并响应于来自发动机控制单元的减速信号减速涡轮增压器。装置响应于来自发动机控制单元的减速信号从涡轮增压器吸收能量以减速涡轮增压器。该装置包括位于涡轮增压器的涡轮和压缩器的相同轴上并位于涡轮增压器的涡轮和压缩器之间的一个或者多个液压轮，该一个或多个液压轮响应于加速信号被驱动以辅助涡轮增压器的加速或者响应于减速信号被驱动以从涡轮增压器轴吸收能量。

Description

再生辅助涡轮增压系统
技术领域
本发明总体上涉及到涡轮增压系统，更具体涉及到再生辅助涡轮增压系统。
背景技术
如本领域所公知，由于涡轮增压的、小型化发动机成为改善车辆燃油经济性的主要策略，对它们的瞬时响应的改进是非常重要的。当涡轮增压器为快速瞬时反应而尺寸较小时，其在高功率时可能耗尽流量从而限制其额定功率；另一方面，当涡轮增压器尺寸足够大能传输有竞争力的功率时，其可能在瞬时期间执行非常迟缓。已经提出几种技术来解决这个矛盾，例如串联序列涡轮增压系统，机械驱动增压器，或者电驱动增压器或者涡轮增压器的使用等。
众所周知，在常规涡轮增压发动机中，发动机和涡轮增压器彼此独立工作。“缺乏同步”使得压缩器在瞬时运行期间进入低效率运行区间并且使得涡轮以低速度比(U/C)工作(其中U/C为叶片-速度比)即在低效率运行区间运行(即，液压控制的涡轮增压器会允许设计高效率的压缩器与涡轮，因为其不需要为了运行范围而妥协效率)。
发明内容
根据本发明，提供一种涡轮增压内燃发动机，包括控制单元和与涡轮相连的装置，该装置响应于来自控制单元的加速信号辅助涡轮增压器的加速以及响应于来自控制单元的减速信号减速涡轮增压器。
在一个实施例中，该装置响应于来自控制单元的减速信号从涡轮增压器吸收能量以减速涡轮增压器。
在一个实施例中，该装置包括与涡轮增压器的涡轮和压缩器同轴并且位于涡轮增压器的涡轮和压缩器上的一个或多个液压轮，该一个或多个轮响应于加速信号被驱动以辅助涡轮增压器的加速或者响应于减速信号被驱动从涡轮增压器轴吸收能量。
在一个实施例中，该一个或多个轮为液压运转轮。
在一个实施例中，该装置包括用以加速涡轮增压器的液压运转涡轮和用以吸收能量而减速涡轮增压器的液压运转泵。
在一个实施例中，该装置包括可逆液压运转涡轮泵。
在一个实施例中，提供一种系统，包括：内燃发动机；与该发动机相连的涡轮增压器。涡轮增压器包括：压缩器；涡轮；连接在该压缩器和涡轮之间的轴；位于该轴上的一个或多个轮；用于产生加速信号或者减速信号的控制单元；响应于该加速信号运转一个或者多个轮以加速涡轮增压器转动或者响应于该减速信号运转一个或者多个轮以减速涡轮增压器转动的驱动系统。
在一个实施例中，其中一个或者多个轮为设置于该轴上的一对轮，其中驱动系统响应于该加速信号促使这一对轮的第一轮产生第一角度方向的扭矩分量以加速涡轮增压器的转动，或者响应于来自发动机控制单元的减速信号控制这一对轮的第二轮上的液压负荷以产生第二相反角度方向的扭矩分量。
在一个实施例中，其中一个或者多个轮为设置于该轴上的一个轮，其中驱动系统响应于该控制信号促使该轮产生扭矩分量以加速涡轮增压器的转动或者响应于来自控制单元的减速信号控制在轮上的液压负荷以产生第二相反角度方向的扭矩分量。
在一个实施例中，提供一种系统，包括：内燃发动机，以及与发动机相连的涡轮增压器。涡轮增压器包括：压缩器，涡轮，连接在压缩器和涡轮之间的轴；设置于轴上的一个或者多个液压驱动轮；以及用于响应于来自控制单元的加速信号驱动一个或者多个液压驱动轮以辅助涡轮增压器的加速或者响应于来自控制单元的减速信号以使得一个或多个液压驱动轮吸收能量以辅助涡轮增压器的减速的驱动系统。
在一个实施例中，该系统使用位于轴上的一对液压轮和使用驱动系统，并且促使这一对液压轮的第一轮响应于控制信号产生扭矩分量以加速涡轮增压器的旋转或者促使这一对液压轮的第二轮响应于来自控制信号的减速控制信号以产生扭矩分量。
在一个实施例中，该系统利用位于轴上的一对液压轮和利用驱动系统，促使这一对液压轮的第一轮响应于控制信号产生第一角度方向的扭矩分量以加速涡轮增压器的旋转以及促使这一对液压轮的第二轮响应于来自控制信号的减速控制信号产生第二相反角度方向的扭矩分量。
吸收的能量可以被转换为电力或者液力/气力的形式并以电力或者液力/气力的形式存储。
在一个实施例中，该一个或者多个轮由流体驱动。
在一个实施例中，该流体为液体。
在一个实施例中，该流体为发动机使用的发动机机油或者为其它流体。
在一个实施例中，该流体由气力能量源提供能量。
在一个实施例中，该流体由电力能量源提供能量。
在一个实施例中，该系统包括在减速期间驱动的液压发电机，以产生用作电力能量源的电能。
在一个实施例中，该流体存储在与发动机分离的存储箱中。
在一个实施例中，其中流体由气力能量源提供的能量驱动。
在一个实施例中，其中流体由电力能量源提供的能量驱动。
在一个实施例中，液压涡轮泵设置于相同的压缩器/涡轮上以回收部分排气能量，从而得到相比使用电机/电能存储系统的系统更紧凑耐久的布置。以液压涡轮-泵布置的轮还可以帮助控制涡轮速度，即在发动机加速期间加速旋转以及在减速、节气/怠速工况期间降速以回收排气能量。
在一个实施例中，当需要额外的加速以加速涡轮增压器时，该液压轮可以由发动机机油或者燃料或者处于高压下的其它液体驱动。
在一个实施例中，提供一种用于涡轮增压的内燃发动机的操作方法。该方法包括响应于来自控制单元的加速信号辅助涡轮增压器的加速，以及响应于来自控制单元的减速信号减速涡轮增压器。
在一个实施例中，方法包括在涡轮增压器的涡轮和压缩器之间设置在涡轮增压器的轴上的一个或多个轮，并响应于加速信号驱动该一个或多个轮以辅助涡轮增压器加速或者响应于减速信号从涡轮增压器轴吸收能量。
在一个实施例中，提供一种操作涡轮增压内燃发动机的方法，包括，运转控制单元以产生加速信号与减速信号，以响应来自控制单元的加速信号辅助涡轮增压器的加速和响应来自控制单元的减速信号来减速涡轮增压器。
本发明的一个或者多个实施方式的细节在附图和下面的说明书中进行了描述。本发明的其他特征，目的以及优势参考说明和附图以及权利要求书将变得显而易见。
附图说明
图1为根据本发明一个实施例的具有根据控制信号选择性地辅助涡轮增压器的加速和减速的装置的涡轮增压内燃发动机系统。
图2为根据本发明的另一个实施例的涡轮增压内燃发动机系统。
图3为根据本发明的另一个实施例的涡轮增压内燃发动机系统。
图4为根据本发明的另一个实施例的涡轮增压内燃发动机系统。
不同的附图中相同的附图标记指示相同的部件。
具体实施方式
现在参考图1，提供系统10，包括：内燃发动机12，和通过箭头15a，15b指示的气流表示的常规方式与发动机12相连的涡轮增压器14。涡轮增压器14包括：压缩器16，涡轮18，连接在压缩器16和涡轮18之间的轴20，以及安装在轴20上的一个或多个液压驱动轮(在此为一对轮22a，22b)。电子控制单元24(可以与发动机12的发动机控制单元分离或者整合)用作为控制系统，当操作者(未显示)需求来自发动机12的扭矩时响应于来自电子控制系统的加速信号驱动(例如在里为控制)轮22b中的流体以辅助涡轮增压器的加速(即，加速轴20的角旋转速率)并且响应于来自控制单元24的信号驱动(例如在这里为控制)轮22a上的负荷以辅助涡轮增压器的减速(即减小轴20的角旋转速率)。应注意运载电信号的线路由图1中的虚线显示，而运载液压流体(将描述)的线路由实线显示。
如下即将更详细地描述的，该一个或多个液压驱动轮提供了装置22的一个示例，装置22与涡轮增压器相连以响应于来自控制单元24的加速信号辅助涡轮增压器14的加速，以及响应于来自控制单元24的减速信号利用装置22响应于来自控制单元24的减速信号吸收来自涡轮增压器的能量从而减速涡轮增压器14。
更具体地，轮22a，22b可以为佩尔顿水轮机或者具有位于其外圆周线周围的多个叶片(未显示)的冲击式汽轮。轮22a在此为液压运转泵而轮22b为液压运转涡轮。因此，包含液压喷嘴环和涡轮的常规的涡轮增压器具有一个或多个轮22，该一个或多个轮22安装在汽轮18和压缩器轮16的相同轴20上并且安装在汽轮18和压缩器轮16之间。
能量源26，在此为在一个区域内存储压缩空气或者其他气体以及液压流体(在此为发动机机油)的腔体提供高压液压/气动蓄力器。可以利用电机或者机械传动驱动保持液压箱加压的液压泵。如可替换的，可以在涡轮增压器中心壳体内涡轮和压缩器轮之间的相同的轴上设置高速液压泵，从而在发动机制动模式或者减速或者甚至正常驱动模式期间(例如在建立液压压力的发动机暖机期间以及由于额外的附加负载而在暖机处理后加速期间)，液压泵可以由来自涡轮的过多的排气能量驱动以回收部分排气能量。操纵液压泵和涡轮提供了“同步”涡轮增压器和发动机工况的措施以确保压缩器和涡轮在更窄但是更有效率的区域工作，即液压控制的涡轮增压器将允许设计更高效率的压缩器和涡轮，因为它们不需要为了运行范围而妥协效率。
还提供了由控制单元24提供的电信号控制的电动阀28a，28b。
在运行时，响应于来自控制单元24的加速信号，阀28a关闭而阀28b打开以允许液压流体(在此为发动机机油)以高压从蓄力器26流至水轮机(hydro-turbinewheel)22b的叶片(未显示)。叶片上的来自冲击流体的力增加了轴20的角旋转速率。液压流体随后从水轮机22b传输至发动机12的曲轴箱(未示出)。更具体地，如一个示例，考虑当沿着从压缩器16至涡轮18的方向看时，轴20以顺时针方向(由于以常规方式穿过涡轮增压器的气流在涡轮增压器中提供的主导扭矩而导致的结果)转动。响应于加速信号，叶片上的来自冲击流体的力产生了顺时针方向的较小的额外的扭矩(即扭矩分量)从而增加了轴20的角度旋转速率。
响应于来自控制单元24的减速信号，阀28a打开而阀28b关闭以允许液压流体(在此为发动机机油)在低压下从发动机12的曲轴箱传输至涡轮泵22a的叶片(未显示)，而旋转的轮22a有效地对发动机机油加压。轮22a的叶片上的流体流减小了轴20的角度旋转速率。更具体地，如一个示例，考虑当沿着从压缩器16至涡轮18的方向上看时，轴20以顺时针方向(由于以常规方式穿过涡轮增压器的气流在涡轮增压器中提供的主导扭矩而导致的结果)旋转。响应于减速信号，来自流入流体的在轮22a上的扭矩产生了逆时针方向的小的扭矩(即小扭矩分量)，从而减小了轴20的角度旋转速率而同时增加了涡轮泵出口处的流体压力。由轮22a加压的液压流体随后从涡轮泵轮22a传输至蓄力器26。
现在参考图2，示出了另一个实施方式。在此，替代使用发动机机油作为用于轮22a，22b的液压流体，提供了低压存储箱30用于存储除了发动机机油之外的合适液压流体；例如动力转向或者其他低黏度的流体。
现在参考图3，示出了另外一个实施例。在此，使用了单个轮22。在此，轮22为也具有沿其外圆周线周围的叶片的可逆液压运转涡轮22。响应于来自控制单元24的加速信号，28a和28b两个都打开且止回阀28c关闭以允许流体从高压蓄力器26流经可逆液压运转涡轮22流至发动机12，从而提供辅助扭矩以加速涡轮增压器14。
响应于减速信号，阀28a维持打开而阀28b关闭且止回阀28c打开使得流体从发动机12流出，经可逆液压运转涡轮，流经止回阀28c进入高压蓄力器26。在此，在此实施方式中，开动提升泵31以辅助流体的流动。在此泵的模式中，阀28a打开(28b关闭)，提升泵31加压来自发动机12的流体(例如至大约2-4巴(bar))以填充涡轮泵22；涡轮泵22涡轮轴(未显示)由涡轮18驱动。一旦压力高于大约60-100巴，压力推开止回阀28c且流体流进蓄力器26。因此，在加速期间流体沿着一个方向流经可逆液压运转涡轮，且在减速期间沿着相反方向流经可逆液压运转涡轮。在稳态状况期间(即当发动机12未响应加速信号或者减速信号时)，控制单元24供给信号至阀28a以关闭阀28a。
尽管在图3所示的实施例中发动机机油用作液压流体，但是可以如上结合图2所述的，以分离的低压液压流体存储箱使用另外的流体。进一步的，存储箱可以包括提升泵。
现在参考图4，示出了另一个实施方式。在此，能量源包括逆变器/电池26′、用于提供能量给逆变器/电池26′充电的液压驱动的发电机26b、以及由逆变器/电池26′驱动的液压流体泵26a。在加速期间，阀28b打开且阀28a关闭。泵26a以封闭循环29a方式从泵26a泵送液压流体(在此为发动机机油)经由水轮机22b至发动机12曲轴箱，再返回泵26a。在轮22b叶片上的流体流动方向增加了轴20的角度旋转速率。
在减速期间，阀28b关闭且阀28a打开。现在，发动机机油从发动机的曲轴箱流至涡轮泵轮实现从发动机曲轴箱汲取发动机流体。离开涡轮泵22a的流体以封闭循环29b方式传输至发电并给电池26′再充电的水力马达发电机26b。轮22a的叶片上的流体流动方向减小了轴20的角度旋转速率。应当理解，可以使用如上结合图2描述的分离的低压液压流体存储箱替代使用发动机机油。进一步的，存储箱可以包括提升泵。
如上所述的液压泵可以由电机(单独的或者与发动机启动电机共享)驱动，或者由通过与或者不与变速器耦合的发动机机械地驱动。一旦发动机启动可以驱动液压泵以在液压箱中建立高压并且增加发动机的附件负荷以加速发动机和后处理暖机。
可替代的，液压泵可以装配在涡轮增压器中心壳体内安装在汽轮和压缩器的相同轴上并且由来自汽轮的过多的排气能量驱动。在此情况下，涡轮液压泵将是涡轮增压器轴20中的另外的轮。
涡轮液压泵可以用于回收部分过剩排气能量，回收的该部分过剩排气能量接着被用于在发动机加速期间驱动液压涡轮以减少发动机泵送损耗因此改善了车辆燃油经济性。液压泵和液压涡轮的开动可以由流体控制从而避免了机械连接。液压能量存储可以进一步包括液体和气体。这种情况下可以利用来自液压泵的流体加压气体，从而改善能量存储的效率。
应当指出，在常规涡轮增压发动机中，发动机和涡轮增压器相互独立地工作。“缺乏同步”引起了压缩器在瞬时运行期间以较低效率运行并且推动涡轮以低速比(U/C)工作(即低效率区间)。操纵液压泵和涡轮提供了与发动机运行工况“同步”的措施，以保证压缩器和涡轮工作在更窄但是更有效率的区间。液压控制的涡轮增压器可以独立于发动机工况控制气流，因此排除了对涡轮增压汽油和柴油发动机的进气节流的需求。任何过多的液压能量(例如在节流模式，电机或者制动模式期间)可以与发动机能量结合并经由液压、电动或者机械变速器输出为涡轮复合能量，以进一步改善燃油经济性。
已经说明了本发明的多个实施方式，例如，替代使用流体驱动轮，人们可以使用电机驱动轮以产生加速和减速的扭矩分量。然而，应当理解可以在不脱离本发明的精神以及范围的情况下作出多种变形。相应地，其他实施方式在权利要求的范围之内。

Claims (5)

1.一种涡轮增压内燃发动机，包括：
控制单元；以及
连接至涡轮增压器的第一和第二液压运转轮，液压流体经由所述第一液压运转轮从蓄力器流至所述发动机以响应于来自所述控制单元的加速信号辅助所述涡轮增压器的加速，以及液压流体经由所述第二液压运转轮从所述发动机泵送至所述蓄力器以响应于来自所述控制单元的减速信号辅助减速所述涡轮增压器。
2.如权利要求1所述的涡轮增压内燃发动机，其中所述第二液压运转轮响应于来自所述发动机控制单元的减速信号吸收来自所述涡轮增压器的能量以减速所述涡轮增压器。
3.如权利要求1所述的涡轮增压内燃发动机，其中所述涡轮增压器包括通过轴连接的涡轮和压缩器，其中所述第一液压运转轮和所述第二液压运转轮被包括在所述涡轮增压器的所述涡轮和所述压缩器的同轴上并且位于所述涡轮增压器的所述涡轮和所述压缩器之间，所述第一液压运转轮和所述第二液压运转轮响应于所述加速信号被驱动以辅助涡轮增压器加速，或者响应于所述减速信号被驱动以吸收来自所述涡轮增压器轴的能量。
4.如权利要求2所述的涡轮增压内燃发动机，其中所述涡轮增压器包括通过轴连接的涡轮和压缩器，其中所述第一液压运转轮和所述第二液压运转轮包括与所述涡轮增压器的所述涡轮和所述压缩器同轴并位于所述涡轮增压器的所述涡轮和所述压缩器之间的两个轮，所述两个轮响应于所述加速信号被驱动以辅助所述涡轮增压器加速，或者响应于所述减速信号被驱动以吸收来自所述涡轮增压器轴的能量。
5.一种涡轮增压内燃发动机系统，包括：
内燃发动机；
与所述发动机相连的涡轮增压器，包括：
压缩器；
涡轮；
连接在所述压缩器和所述涡轮之间的轴；
位于所述轴上的一个或多个轮；
用于产生加速信号或者减速信号的控制单元；以及
响应于所述加速信号运转所述一个或者多个轮以通过使流体从蓄力器流至所述发动机来加速所述涡轮增压器转动，并且响应于所述减速信号运转所述一个或者多个轮以通过使流体从所述发动机泵送至所述蓄力器来减速所述涡轮增压器转动的驱动系统。
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