CN103649510B - 具有涡轮机旁路的动力系统以及操作动力系统的方法 - Google Patents

具有涡轮机旁路的动力系统以及操作动力系统的方法 Download PDF

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Abstract

一种动力系统，该动力系统包括：发动机，该发动机包括排气管线；涡轮机，该涡轮机位于排气管线中；旁通管线，该旁通管线在涡轮机上游连接到排气管线，并且包括可控的旁通阀；以及控制器，例如，该控制器被布置成：当发动机运行而使得动力从曲轴传递到涡轮机轴时，和/或当发动机负荷、发动机转速和排气管线压力中的至少一个低于预定水平时，该控制器控制所述旁通阀打开，以旁通所述涡轮机。还公开了一种操作动力系统的方法。

Description

具有涡轮机旁路的动力系统以及操作动力系统的方法
技术领域
本发明总体上涉及动力系统，更具体地，涉及包括具有动力涡轮机的内燃机的动力系统。
背景技术
在内燃机上的机械式涡轮复合系统的运行期间，存在动力流动反向的多个时段。即，来自发动机的动力实际上传递到涡轮复合动力涡轮机的轴。在该系统的正常操作期间，排气的能量用于驱动动力涡轮机。标准的能量流动是从动力涡轮机的输出轴到发动机曲轴。这种动力反向发生在发动机转速较低和如下载荷状态期间：即，排气流变得太低而无法以向曲轴提供驱动力所需的水平以上的动力水平来驱动涡轮复合涡轮机。在能量反向的这些时段内，动力实际上从发动机移动到涡轮复合单元的动力涡轮机。这种动力反向导致涡轮增压器的涡轮机出口中的背压增大，从而导致更高的发动机燃料消耗。
发明内容
根据本发明的一个方面，一种动力系统包括：发动机，该发动机包括排气管线；涡轮机，该涡轮机位于排气管线中；旁通管线，该旁通管线在涡轮机上游连接到排气管线，并且包括可控的旁通阀；以及控制器，该控制器被布置成：当发动机负荷、发动机转速和排气管线压力中的至少一个低于预定水平时，该控制器控制所述旁通阀打开，以旁通所述涡轮机。
根据本发明的另一方面，一种动力系统包括：发动机，该发动机包括排气管线；涡轮机，该涡轮机位于排气管线中，该涡轮机的涡轮机轴联接到发动机的曲轴，以允许该涡轮机轴与曲轴之间的动力传递；旁通管线，该旁通管线在涡轮机上游连接到排气管线，并且包括可控的旁通阀；以及控制器，该控制器被布置成：当发动机运行而使得动力从曲轴传递到涡轮机轴时，该控制器控制所述旁通阀打开，以旁通所述涡轮机。
根据本发明的又一方面，一种操作动力系统的方法包括：将排气从发动机排放到排气管线中；以及，当发动机运行而使得动力将要从曲轴传递到涡轮机轴时，控制旁通阀以打开旁通管线，该旁通管线被布置为旁通所述排气管线中的涡轮机。
附图说明
通过结合附图来阅读以下详细描述，将能很好地理解本发明的特征和优点，在这些附图中，相同的附图标记表示相同的元件，其中：
图1是根据本发明一个方面的动力系统的示意图；并且
图2是根据本发明一个方面的涡轮复合内燃机动力系统的、发动机扭矩与发动机转速的关系曲线，示出了动力涡轮机将被旁通时的发动机运行状况。
具体实施方式
图1中示出了根据本发明一个方面的动力系统21。该动力系统21可以用在诸如卡车、轮船、大客车或其他车辆等的车辆23(以虚线示意性地示出)中，或者用在固定式应用中。动力系统21包括发动机25，该发动机25包括排气管线27。发动机25是内燃机，例如是柴油机，但该发动机也可以是火花点火式发动机。在发动机25下游的该排气管线中设置有涡轮机29。
通常，涡轮机29是涡轮复合系统的动力涡轮机，该涡轮复合系统包括压缩机31，该压缩机31在发动机上游并连接到涡轮增压器涡轮机33；该涡轮增压器涡轮机33在发动机下游，但在所述动力涡轮机上游。动力涡轮机29的涡轮机轴35可通过任何适当的方式（例如齿轮传动系或辅助装置皮带轮36）联接到发动机25的曲轴37，以允许该涡轮机轴与曲轴之间的动力传递。当排气管线27中的压力足够高时，动力涡轮机29将动力传递到曲轴37。然而，当排气管线27中的压力降低到低于特定水平时（例如在发动机低转速/低负荷操作时），来自发动机25的动力被传递到动力涡轮机29的涡轮机轴35。动力会传递到涡轮机轴35时的运行状况将因发动机型号而不同，然而，对于发动机缸径在100mm至160mm之间的六缸重型柴油机而言，在如下的发动机运行状况时已经观察到上述这种现象，该运行状况即：发动机25的平均有效制动压力(BMEP)为0.5MPa或更低，和/或发动机扭矩低于750Nm，和/或发动机转速为大约1400rpm或更低。
旁通管线39在涡轮机29上游连接到排气管线27，并且包括可控的旁通阀45。控制器43被布置为：当发动机21在其动力预计将会传递给涡轮机轴35的状况下运行时，控制器43控制该旁通阀45打开，以旁通涡轮机29。例如，控制器43可以响应于判定所述发动机负荷、发动机转速、和排气管线压力中的至少一个低于预定水平而控制该旁通阀45打开，然而，应当理解，阀45也可以因为其它原因而打开。图2所示的曲线图示出了对于发动机缸径在100mm至160mm之间的六缸重型柴油机而言、该旁通管线(也称为废气门)可以被打开时的运行状况。
旁通阀45可以是简单的通/断阀，但通常来说，有利的是提供一种可控的阀，以移动到处于完全打开和完全关闭之间的各种位置。例如，在因系统而不同的某些运行状况下，旁通阀45可以部分打开以减少可能倾向于使涡轮机轴35从曲轴37吸取动力的背压，从而涡轮机29利用经过该涡轮机的较少量的排气流来向曲轴37提供动力。可控阀41可以在该涡轮机的上游设置在该涡轮机和所述旁通管线之间，以确保排气流趋向于流经旁通管线39而不流经涡轮机29。
在根据本发明一个方面的操作该动力系统21的方法中，排气从发动机25排放到排气管线27中。例如，当发动机25运行而使得动力从曲轴37传递到涡轮机轴35和/或使得发动机负荷、发动机转速和排气管线压力中的至少一个低于预定水平时，可以控制该旁通阀45完全或部分地打开，由此打开旁通管线39以完全或部分地旁通所述排气管线中的涡轮机29。同时，可以控制涡轮机29上游的阀41，以便于确保排气流流过旁通管线39。应当理解，此处列出的、可能导致阀41和阀45打开或关闭的情形仅是说明性的，而非限制性的。
在本发明的另一方面中，控制器43应广义地被认为是计算机，该计算机被编程以允许所述动力系统执行上述方法。可以提供诸如硬盘的永久性计算机可读介质，该计算机可读介质包括用于执行所述方法的计算机代码。
相信本发明的动力系统、方法及其它方面与防止一个机械系统驱动另一个机械系统（例如超越离合器）的已知方法相比是有利的。例如，如果该超越离合器将与重型柴油机或固定式发动机上的动力涡轮机相结合使用，则必须在齿轮传动系中提供物理中断或飞轮。加入该超越离合器所需的部件数目和所增加的复杂性将很大，而所述旁通管线和阀则相对简单。而且，该超越离合器不同于所述旁通管线和阀，可能涉及大量的额外成本和重量。而且，本发明的系统和方法能够使动力涡轮机在高转速低负荷的状况下被旁通以避免该动力涡轮机成为系统的拖累，并且使动力涡轮机在低转速高负荷的状况下被接合以利用排气中的可用动力。相比之下，上述超越离合器通常将不被布置为处理扭矩。仅当从动轴的转速小于驱动轴的转速时，上述超越离合器才脱离。
此外，该超越离合器预计会有耐用性问题，而所述旁通管线和阀则不会有耐用性问题。
此外，所述废气门的故障、完全打开、完全关闭或者在完全打开和完全关闭之间的任何位置处预计均不会对发动机或涡轮机造成损害，而与上述超越离合器相关的物理齿轮装置的故障会导致损害发动机的油路系统或齿轮传动系。
最后，根据本发明的旁通阀和旁通管线仅需要(完全地或部分地)卸除涡轮机的载荷。涡轮机轴可以继续随着曲轴一起旋转。扭矩仅受到打开所述旁通阀和旁通管线的影响。相比之下，上述超越离合器将使转速与扭矩分开，即，涡轮机轴将不会继续随曲轴一起旋转。
在本申请中，所使用的诸如“包括”等的用语是开放性的，旨在与诸如“包含”等的用语具有相同的含义，并不排除其它结构、材料或行为的存在。类似地，虽然所使用的诸如“能够”或“可以”的用语旨在是开放性的，并旨在反映某个结构、材料或行为是非必要的，但是，不使用这种用语也不表明该结构、材料或行为是必要的。在这个意义上，如果该结构、材料或行为目前被认为是必要的，则它们被标明是必要的。
虽然已经根据其优选实施例图示和描述了本发明，但应该意识到，在不脱离权利要求书中阐述的本发明的情况下，可以对本发明进行各种变型和修改。

Claims (20)

1.一种动力系统，包括：
发动机，所述发动机包括排气管线；
动力涡轮机，所述动力涡轮机位于所述排气管线中；
用于旁通所述动力涡轮机的旁通管线，所述旁通管线在所述动力涡轮机的上游和所述动力涡轮机的下游连接到所述排气管线，并且包括可控的旁通阀；以及
控制器，所述控制器被布置成：当从所述发动机向所述动力涡轮机传递动力并且发动机负荷、发动机转速和排气管线压力中的至少一个低于预定水平时，所述控制器控制所述旁通阀打开，以旁通所述动力涡轮机。
2.根据权利要求1所述的动力系统，其中，所述旁通阀是通/断阀。
3.根据权利要求1所述的动力系统，其中，所述旁通阀是可控的，以移动到处于完全打开和完全关闭之间的位置。
4.根据权利要求1所述的动力系统，其中，所述动力涡轮机是涡轮复合系统的动力涡轮机。
5.根据权利要求1所述的动力系统，其中，所述动力涡轮机具有涡轮机轴，所述涡轮机轴联接到所述发动机的曲轴。
6.根据权利要求1所述的动力系统，其中，当所述旁通阀被打开时，所述动力涡轮机联接到所述发动机的曲轴。
7.根据权利要求1所述的动力系统，包括在所述旁通管线和所述动力涡轮机之间的可控阀。
8.一种车辆，其包括根据权利要求1所述的动力系统。
9.一种动力系统，包括：
发动机，所述发动机包括排气管线；
动力涡轮机，所述动力涡轮机位于所述排气管线中，所述动力涡轮机的涡轮机轴联接到所述发动机的曲轴，以允许所述涡轮机轴与所述曲轴之间的动力传递；
旁通管线，所述旁通管线在所述动力涡轮机上游连接到所述排气管线，并且包括可控的旁通阀；以及
控制器，所述控制器被布置成：当所述发动机运行而使得从所述发动机传递动力并且所述动力从所述曲轴传递到所述涡轮机轴时，所述控制器控制所述旁通阀打开，以旁通所述动力涡轮机。
10.根据权利要求9所述的动力系统，其中，所述旁通阀是通/断阀。
11.根据权利要求9所述的动力系统，其中，所述旁通阀是可控的，以移动到处于完全打开和完全关闭之间的位置。
12.根据权利要求9所述的动力系统，包括在所述旁通管线和所述动力涡轮机之间的可控阀。
13.一种车辆，其包括根据权利要求9所述的动力系统。
14.一种操作动力系统的方法，包括：
将排气从发动机排放到排气管线中；和
当所述发动机运行而使得从所述发动机传递动力并且动力将要从所述发动机的曲轴传递到涡轮机轴时，控制旁通阀以打开旁通管线，所述旁通管线被布置为旁通所述排气管线中的动力涡轮机。
15.根据权利要求14所述的方法，包括：将所述旁通阀控制为处于完全打开或完全关闭。
16.根据权利要求14所述的方法，包括：将所述旁通阀控制为处于多个位置中的任一个位置，所述多个位置包括但不限于完全打开和完全关闭位置。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，所述动力涡轮机的涡轮机轴联接到所述发动机的曲轴，所述方法包括：在所述曲轴和所述涡轮机轴之间传递动力。
18.根据权利要求14所述的方法，包括：当发动机负荷、发动机转速和排气管线压力中的至少一个低于预定水平时，控制所述旁通阀打开。
19.一种计算机，所述计算机被编程以执行权利要求14所述的方法。
20.一种永久性计算机可读介质，所述计算机可读介质包含用于执行权利要求14所述的方法的计算机代码。
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