CN102966426A - 内燃发动机及用于操纵内燃发动机的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及内燃发动机及用于操纵内燃发动机的方法，具体地，在本发明的一个示例性实施例中，一种内燃发动机包括涡轮增压器和在该涡轮增压器下游的机械增压器；所述涡轮增压器被配置成接收空气流和来自内燃发动机的第一排气流，所述机械增压器被配置成接收来自涡轮增压器的压缩空气充量。所述发动机还包括排气再循环回路，该排气再循环回路是用于接收来自内燃发动机的第二排气流并且在机械增压器的上游将第二排气流提供给压缩空气充量，其中第二排气流和压缩空气充量构成被内燃发动机接收的排气-空气混合流。

Description

内燃发动机及用于操纵内燃发动机的方法
技术领域
本发明涉及内燃发动机，更具体地涉及用于内燃发动机的涡轮增压器（turbocharger）、机械增压器（supercharger）和空气进气系统。
背景技术
对排气再循环（EGR）的有效利用对于包括汽油发动机和柴油发动机的内燃发动机而言是重要的。对EGR的有效利用通常支持如下目的：实现来自这些发动机的高功率输出同时也获得高燃料效率并且满足日益严格的发动机排放要求。在这些发动机中，常常采用强制进气装置（尤其包括涡轮增压器和机械增压器）来增加发动机进气的质量空气流量以及具有较低排量的发动机的功率输出。
涡轮增压器由排气提供动力，因此对EGR的有效利用以及来自涡轮增压器的强制进气使这些系统必须采用协同设计。使涡轮增压器的转速增加到可以为空气进气提供增加的空气压力或者说增压的速度所需的时间称之为涡轮迟滞（turbo lag）。涡轮迟滞是由于排气系统驱动涡轮达到较高压力以及涡轮转子克服其转动惯量而达到提供增压压力所必需速度所用的时间所造成。机械增压器包括直接驱动的压缩机，该压缩机不经历影响涡轮增压器的迟滞。然而，机械增压器被发动机自身机械驱动，由此消耗功率以产生功率，在一些工作状况期间机械增压器的效率会低于涡轮增压器的效率。
另外，当把EGR系统与强制进气系统集成在一起时，由于限制，诸如涡轮增压器压缩机低负荷喘振极限（或者“喘振线”），因而在发动机较低负荷状态下发动机的最优性能可能利用比该系统所能提供的更多的再循环排气，其中在所述喘振极限处到发动机中的空气流发生失速由此降低在较低负荷下的性能和效率。在各实施例中，利用喘振极限来限制涡轮增压器增压以避免在较低负荷下涡轮增压器的损坏。
发明内容
在本发明的一个示例性实施例中，一种内燃发动机包括：涡轮增压器，该涡轮增压器被配置成接收空气流和来自内燃发动机的第一排气流；以及在涡轮增压器下游的机械增压器，该机械增压器被配置成接收来自涡轮增压器的压缩空气充量。所述发动机还包括排气再循环回路，该排气再循环回路接收来自内燃发动机的第二排气流并且在机械增压器的上游将第二排气流提供给压缩空气充量，其中第二排气流和压缩空气充量构成被内燃发动机所接收的排气-空气混合流。
在本发明的另一个示例性实施例中，一种用于操纵内燃发动机的方法包括：在涡轮增压器中接收空气流；在涡轮增压器中接收来自内燃发动机的第一排气流，并且在位于涡轮增压器下游的机械增压器中接收来自涡轮增压器的压缩空气充量。该方法还包括：引导来自内燃发动机的第二排气流在机械增压器的上游与压缩空气充量混合，其中第二排气流和压缩空气充量构成被内燃发动机所接收的排气-空气混合流。
本发明还涉及以下技术方案。
方案1. 一种内燃发动机，包括：
涡轮增压器，所述涡轮增压器被配置成接收空气流和来自所述内燃发动机的第一排气流；
机械增压器，所述机械增压器在所述涡轮增压器的下游并且被配置成接收来自所述涡轮增压器的压缩空气充量；以及
排气再循环回路，所述排气再循环回路接收来自所述内燃发动机的第二排气流并且在所述机械增压器的上游将所述第二排气流提供给所述压缩空气充量，其中，所述第二排气流和所述压缩空气充量构成由所述内燃发动机接收的排气-空气混合流。
方案2. 如方案1所述的内燃发动机，包括机械增压器旁通阀，所述机械增压器旁通阀使所述排气-空气混合流能够绕过所述机械增压器并直接流到所述内燃发动机。
方案3. 如方案2所述的内燃发动机，包括控制器，所述控制器联接到所述机械增压器旁通阀以控制所述排气-空气混合流的流量。
方案4. 如方案1所述的内燃发动机，其中，所述机械增压器将所述排气-空气混合流加以混合以改善所述内燃发动机的燃烧性能。
方案5. 如方案1所述的内燃发动机，其中，所述排气再循环回路包括过滤器，所述过滤器用于去除与所述压缩空气充量混合的所述第二排气流中的颗粒。
方案6. 如方案1所述的内燃发动机，其中，所述机械增压器将所述第二排气流吸入所述压缩空气充量。
方案7. 如方案1所述的内燃发动机，其中，所述排气再循环回路包括排气再循环冷却器、冷却器旁通阀和排气再循环流量阀。
方案8. 一种内燃发动机，包括：
涡轮增压器，所述涡轮增压器被配置成接收新鲜空气流及来自所述内燃发动机的第一排气流；
机械增压器，所述机械增压器位于所述涡轮增压器的下游并且被配置成接收来自所述涡轮增压器的压缩空气充量；以及
机械增压器旁路通道和机械增压器旁通阀，所述机械增压器旁路通道和机械增压器旁通阀使所述压缩空气充量能够绕过所述机械增压器并流入所述内燃发动机。
方案9. 如方案8所述的内燃发动机，包括用于控制流经所述机械增压器的压缩空气充量的流量的阀。
方案10. 如方案8所述的内燃发动机，包括排气再循环回路，所述排气再循环回路被配置成在所述机械增压器的上游将排气流输送给所述压缩空气充量，其中，所述排气流和所述压缩空气充量构成输送给所述内燃发动机的排气-空气混合流。
方案11. 如方案8所述的内燃发动机，包括排气再循环回路，所述排气再循环回路被配置成在所述涡轮增压器的下游接收排气，其中，所述排气再循环回路提供用于在所述涡轮增压器的上游与新鲜空气流混合的再循环排气。
方案12. 如方案8所述的内燃发动机，包括排气再循环回路，所述排气再循环回路被配置成在所述涡轮增压器的下游接收排气，其中，所述排气再循环回路提供用于在所述机械增压器的上游与压缩空气充量混合的再循环排气，其中，所述再循环排气流和压缩空气充量构成用于输送给所述内燃发动机的排气-空气混合流。
方案13. 一种用于操纵内燃发动机的方法，所述方法包括：
在涡轮增压器中接收空气流；
在所述涡轮增压器中接收来自所述内燃发动机的第一排气流；
在位于所述涡轮增压器下游的机械增压器中接收来自所述涡轮增压器的压缩空气充量；以及
引导来自所述内燃发动机的第二排气流在所述机械增压器的上游与所述压缩空气充量混合，其中，所述第二排气流和压缩空气充量构成被所述内燃发动机接收的排气-空气混合流。
方案14. 如方案14所述的方法，包括：利用机械增压器旁通阀来绕过所述机械增压器从而使所述压缩空气充量直接流到所述内燃发动机。
方案15. 如方案15所述的方法，包括：利用控制器来控制经过所述机械增压器阀的流量。
方案16. 如方案16所述的方法，其中，所述控制器联接到所述涡轮增压器和内燃发动机，用以确定所述机械增压器旁通阀的位置。
方案17. 如方案14所述的方法，其中，引导所述第二排气流包括：引导所述第二排气流经过过滤器以去除与所述压缩空气充量混合的所述第二排气流中的颗粒。
方案18. 如方案14所述的方法，其中，在工作中的所述机械增压器将所述第二排气流吸入所述压缩空气充量。
方案19. 如方案14所述的方法，其中，引导所述第二排气流包括：引导所述第二排气流经过排气再循环流量阀以及排气再循环冷却器和冷却器旁通阀中的一个。
基于以下的详细说明并结合附图，将容易地理解本发明的上述特征和优点及其它特征和优点。
附图说明
在以下对各实施例的详细说明中，仅通过举例可了解其它目的、特征、优点和细节，该详细说明参照附图进行。
附图是内燃发动机的一个实施例的示意图。
具体实施方式
下面的描述在性质上只是示例性的，并非意图限制本公开及其应用或使用。应当理解的是，在全部的附图中相应的附图标记表示类似或相应的部件和特征。
根据本发明的一个示例性实施例，附图是说明一个示例性内燃发动机100的示意图，该内燃发动机100包括发动机缸体102、排气系统104、涡轮增压器106、机械增压器108和控制器110。内燃发动机100可以是任何合适的柴油发动机或汽油发动机。发动机缸体102包括接收燃烧空气与燃料的混合物的气缸103。燃烧空气/燃料混合物的燃烧导致位于气缸中的活塞（未图示）的往复运动。活塞的往复运动使曲轴（未图示）旋转从而向车辆动力系统（未图示）或发电机输送动力，或者在内燃发动机100的固定应用的情况下向这种动力的其它固定接收者（未图示）输送动力。空气/燃料混合物的燃烧导致排气流120经过涡轮增压器106流进排气系统104。在一个实施例中，涡轮增压器106包括被可旋转地设置在涡轮增压器106中的轴（未图示）所联接的涡轮114以及压缩机112。排气流120从发动机缸体102被传送经过通道146而驱动涡轮114。
排气系统104可以包括氧化催化剂116和颗粒过滤器118以及其它排气处理系统部件。排气120流经排气系统104，以在释放到大气中之前去除和/或减少污染物。在一个示例性内燃发动机100中，控制器110与涡轮增压器106、机械增压器旁路122、空气进气装置124、和排气再循环（EGR）系统126进行信号通信。所述控制器也可联接到各传感器，例如一个或多个歧管压力传感器（未图示）。控制器110被配置成利用各种信号输入来控制各种过程，诸如再循环排气130流入由机械增压器108所接收的压缩空气充量132。在一个实施例中，控制器110联接到并控制机械增压器旁路122和涡轮增压器106，从而给从低发动机负荷到高发动机负荷下的发动机提供增压和功率。本文中使用的术语“控制器”是指专用集成电路（ASIC）、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器（共享处理器、专用处理器或组处理器）和存储器、组合逻辑电路、和/或提供所述功能的其它合适部件。
空气进气装置124接收新鲜空气流154，该新鲜空气流154经由通道134被压缩机112接收，其中压缩机112形成压缩空气充量132，该压缩空气充量132沿通道136传送到机械增压器108。如图所示，机械增压器旁路122包括阀和通道，其选择性地使压缩空气充量132能够经过通道140和142再经由通道144直接传送到发动机缸体102。另外，EGR系统126提供再循环排气130，该再循环排气130流经通道145。在通道136中将再循环排气130加到压缩空气充量132中从而形成排气-空气混合流133。
如图所示，一部分的排气120作为再循环排气130被转移，该部分的排气120经过通道147流到EGR系统126。在各实施例中，EGR系统126还包括用于处理并控制再循环排气130的流量的合适部件。EGR系统126的示例性部件可以包括冷却器148、旁路150和阀152。冷却器148可以是用于交换热量的任何合适装置，诸如基于流体的换热器。在一个实施例中，旁路150包括阀和通道，其使再循环排气130能够在不被冷却器148冷却的情况下直接流到阀152。可替代地，冷却器148从再循环排气130中除去热量从而提供要与压缩空气充量132混合的经冷却排气以改善燃烧性能。EGR系统126的各实施例可以包括以提供适合于与空气混合以改善发动机燃烧的再循环排气的方式而布置的任何合适部件。在一个实施例中，阀152可以是包括过滤器的组件，所述过滤器是用于从再循环排气130中去除颗粒从而减小颗粒物对新鲜空气154的污染由此改善燃烧。
在一个实施例中，排气120从涡轮114流入氧化催化剂116和颗粒过滤器118。管制成分的量减少的经处理排气156从颗粒过滤器118流入大气中。在一个实施例中，经处理排气156是用于经由通道158向EGR系统126提供再循环排气130。由于与压缩空气充量132混合的再循环排气130中颗粒及其它排气成分的减少，因而该实施例改善了燃烧。当由经处理排气156提供再循环排气130时，与直接来自发动机缸体102的排气流相比再循环排气130是压力相对较低的流体流。因此，经由通道158所提供的再循环排气130的实施例的压力低于由通道146所提供的再循环排气130的实施例的压力。如图所示，涡轮增压器106、EGR系统126和机械增压器108的布置使机械增压器108能够起到将再循环排气130吸入压缩空气充量132的泵的作用。此外，机械增压器108起到将再循环排气130与压缩空气充量130混合从而进一步改善燃烧过程并减少排放的混合器的作用。
在一个实施例中，可以在新鲜空气154进入涡轮增压器106之前引导再循环排气130经过通道160与新鲜空气154混合。本实施例将再循环排气130引导入新鲜空气154，其中然后在涡轮增压器106中对该混合物进行压缩并将其引导入通道136。在一个实施例中，利用由通道158所提供EGR的构造可与通道160共同地用于与新鲜空气混合。在另一个实施例中，通道158与通道145结合使用来引导再循环排气130与压缩空气充量132混合。在机械增压器108并不布置成起到用于再循环排气流130的泵的作用的实施例中，可以利用阀产生压力差从而控制EGR排气的流量。在所描述的实施例中，EGR系统126和机械增压器108的布置能够改善内燃发动机100的排放减少。
通过使机械增压器108定位在压缩机112的下游（相对于空气流而言）可以显著地减小机械增压器108的尺寸，由此改善发动机封装。机械增压器108接收经预加压的压缩空气充量132，该压缩空气充量132也比未经压缩的新鲜空气154稠密。在一个实施例中，机械增压器108可以在较低负荷期间操作，诸如刚好在发动机起动后，当排气流120未充分驱动涡轮114时。因此，在较低负荷期间，机械增压器108向发动机缸体102提供压缩空气以补偿来自涡轮增压器106的减少的压缩空气。机械增压器108的增压减小“涡轮迟滞”的影响，诸如当在排气动力太低不足以充分加速涡轮114的短暂或低负荷状态期间涡轮114未被充分驱动时。在增大的负荷下，涡轮增压器106提供充分的增压，并且机械增压器旁路122可使压缩空气充量能够绕过机械增压器108。该布置给内燃发动机100提供平稳或一致的动力输送，同时利用EGR系统126与机械增压器108和涡轮增压器106集成的构造提高了效率。在一个实施例中，取决于系统内的压力，机械增压器旁路122可以起到再循环阀的作用，其中该旁路使压缩空气能够再循环回到机械增压器进口从而使压力上升最小化。
虽然已参照各示例性实施例描述了本发明，但本领域技术人员将理解的是，在不背离本发明范围的情况下可以做出各种变化并且各要素可被其等同物代替。另外，在不背离本发明的实质范围的情况下，可以做出许多修改从而使特定情况或材料适应于本发明教导。因此，意图是本发明不局限于所公开的具体实施例，而是本发明将包括落在本申请范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种内燃发动机，包括：
涡轮增压器，所述涡轮增压器被配置成接收空气流和来自所述内燃发动机的第一排气流；
机械增压器，所述机械增压器在所述涡轮增压器的下游并且被配置成接收来自所述涡轮增压器的压缩空气充量；以及
排气再循环回路，所述排气再循环回路接收来自所述内燃发动机的第二排气流并且在所述机械增压器的上游将所述第二排气流提供给所述压缩空气充量，其中，所述第二排气流和所述压缩空气充量构成由所述内燃发动机接收的排气-空气混合流。
2.如权利要求1所述的内燃发动机，包括机械增压器旁通阀，所述机械增压器旁通阀使所述排气-空气混合流能够绕过所述机械增压器并直接流到所述内燃发动机。
3.如权利要求2所述的内燃发动机，包括控制器，所述控制器联接到所述机械增压器旁通阀以控制所述排气-空气混合流的流量。
4.如权利要求1所述的内燃发动机，其中，所述机械增压器将所述排气-空气混合流加以混合以改善所述内燃发动机的燃烧性能。
5.如权利要求1所述的内燃发动机，其中，所述排气再循环回路包括过滤器，所述过滤器用于去除与所述压缩空气充量混合的所述第二排气流中的颗粒。
6.如权利要求1所述的内燃发动机，其中，所述机械增压器将所述第二排气流吸入所述压缩空气充量。
7.如权利要求1所述的内燃发动机，其中，所述排气再循环回路包括排气再循环冷却器、冷却器旁通阀和排气再循环流量阀。
8.一种内燃发动机，包括：
涡轮增压器，所述涡轮增压器被配置成接收新鲜空气流及来自所述内燃发动机的第一排气流；
机械增压器，所述机械增压器位于所述涡轮增压器的下游并且被配置成接收来自所述涡轮增压器的压缩空气充量；以及
机械增压器旁路通道和机械增压器旁通阀，所述机械增压器旁路通道和机械增压器旁通阀使所述压缩空气充量能够绕过所述机械增压器并流入所述内燃发动机。
9.如权利要求8所述的内燃发动机，包括用于控制流经所述机械增压器的压缩空气充量的流量的阀。
10.一种用于操纵内燃发动机的方法，所述方法包括：
在涡轮增压器中接收空气流；
在所述涡轮增压器中接收来自所述内燃发动机的第一排气流；
在位于所述涡轮增压器下游的机械增压器中接收来自所述涡轮增压器的压缩空气充量；以及
引导来自所述内燃发动机的第二排气流在所述机械增压器的上游与所述压缩空气充量混合，其中，所述第二排气流和压缩空气充量构成被所述内燃发动机接收的排气-空气混合流。
CN2012103119418A 2011-08-29 2012-08-29 内燃发动机及用于操纵内燃发动机的方法 Pending CN102966426A (zh)

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