CN103912369A - 改进的涡轮增压器 - Google Patents

Abstract

用于车辆的涡轮增压系统（1）包括涡轮增压器（2）、用于压缩气体的罐（3）和与所述涡轮增压器（2）的进口（5）流体连通的排气歧管管道（4）。所述罐（3）与所述歧管管道（4）流体连通并且被设置为在预定脉冲持续时间段期间将压缩气体推入所述歧管管道（4）以便初始压缩机在所述涡轮增压器（2）内快速旋转。

Description

改进的涡轮增压器

技术领域

本发明涉及用于车辆的涡轮增压系统。所述系统包括涡轮增压器和与涡轮增压器的进口流体连通的排气歧管管道。

背景技术

在现代的车辆中，使用排气驱动的涡轮增压器将空气压至发动机的进气歧管是很常见的。涡轮增压器根据排气流加快转速，所述排气流又取决于发动机转速和发动机转矩。因此，涡轮增压器响应（response）问题是发动机低转速下涡轮增压器式发动机所具有的众所周知的问题。因为需要更多能量来建立更高的增压压力这个事实，利用增加的增压压力减少二氧化碳、降速和缩小尺寸的新技术使得该问题变得更糟。响应问题是减少二氧化碳的限制因素，特别是在现实驾驶中，因为可接受的车辆驾驶能力需要适量的功率余量来处理瞬间功率需求而不需换挡。所述瞬间功率需求可能源自道路倾角、少量加速、附件等等。

已知使用连接于进气歧管的各种压缩机，其通过在涡轮增压器已加快转速之前将空气进给至进口侧用于响应协助。机械压缩机是复杂的、昂贵的、具有低耐用性、NVH（噪音、振动、粗糙）问题、难以控制和有噪声的。

因而需要找到经济的、耐用的、产生低噪声和改进响应的技术方案。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中的上述问题，通过根据权利要求1将压缩气体从罐推入排气歧管或推入连接于所述排气歧管和涡轮增压器进口的歧管管道从而令初始压缩机快速旋转以改进涡轮增压器的响应。排气歧管可连接于歧管管道，或者歧管管道可以是排气歧管的一部分。根据若干因素例如涡轮增压器尺寸、脉冲的压力、气体导管发动机尺寸及下面将例示的其它因素，在大约0.1-0.2秒的时间段期间气体作为脉冲被推动。脉冲的功率和时间间隔均可根据期望的发动机和涡轮增压器特性而变化。因此，时间段可以短于0.1秒和长于0.2秒。

脉冲的功率而非能量对于响应来说是重要的。根据本发明的一个示例，在0.1秒的时间内对排气歧管增加12kW。这典型地在0.1秒的时间期间使涡轮快速旋转并且在0.2秒后发动机产生所有的涡轮能量。罐的再充填时间是充分发挥作用所需要的，但是即使罐不完全加载也始终可得到改进的响应。原因是如果罐压力高至足以生成在排气歧管内产生增压的脉冲，则涡轮始终快速旋转。

本发明的主要优点是通过简单地将罐系统添加于排气歧管或管道使得可能在任何现有的涡轮增压系统上实施。

通过利用可被电力或任何其它适宜方式驱动的小型压缩机，所述罐可被再充填。所述罐的其它替代再充填是可能的，例如使用排出气体（exhaust gas，也称废气）。排出气体可用来驱动压缩机或它自身可以是在罐中应用的气体。排出气体用于加载的应用可被分配至排放峰值（blowdown peaks）期间的多个时间段。一个选择是使用阀、优选簧片阀，其被控制为在排放峰值期间打开以至少部分地充填罐。这个技术方案可用高于平均排气歧管背压大约1巴的压力装满罐。阀也可被控制为当罐内的压力超过来自发动机的典型地位于大约1-3巴区域的排出气体负压力（counter pressure）时关闭。

通过在预定时间（典型地为0.5-2秒）期间重新进行初始排气歧管背压积累（build up）根据排气背压积累可实现罐的再充填。

罐阀的开启时间也可在若干参数上被优化，例如：

-减少阀和罐的排气污染。

-当背压高于罐压力时分配可能的开口。

-增加系统电压以改进再充填时间。

-通过部分地排空所述罐来控制涡轮的加速量。

-检测不稳定状态的历史记录，例如由最近加速引起的更高涡轮速度。

此外，可选地使用源自二级涡轮增压器的加载压力以至少部分地再充填罐。

当将压缩气体导入排气歧管或排气管道时，在四汽缸发动机上始终有至少一个排气门对一个汽缸开启。压缩气体的导入影响了与开启气门相关联的汽缸，使得发动机与如果没有导入气体相比加快了转速。同时气体导入加快了根据本发明的涡轮增压器的转速。如果压缩气体是冷空气，那么导入汽缸的冷气会由于发动机的热而膨胀，这会进一步增加排气歧管和排气管道中的压力以使涡轮增压器甚至比气体已经为热气的情况更加快了转速。

系统包括连接于罐的罐阀，用于控制从罐流出的气体。可通过电动、液压或机械的调节方式操作罐阀以便打开和关闭所述阀。罐阀还可被设置为控制气体至罐的流动，但是作为可选方案，第二阀或开口可连接于罐用于控制气体至罐的流动。系统还包括用于控制罐阀的控制单元。控制单元可连接于脉冲调节单元，用于调节脉冲持续时间段。

可控制罐阀的参数：

例如，节气门移动和/或节气门位置。

例如，涡轮增压器的每分钟转数（Rotation Per Minute，简称RPM），其中当涡轮增压器具有超过预定阈值的RPM时阀开口关闭。不是必须测量RPM，而是可使用能够评价旋转速度的任何替代物。环境条件、道路磨擦、车辆速度、所选定的实际档位或变速模式可用来控制罐阀。

其还可在停车操作和换挡时抑制或延迟所述脉冲。

在开始起步（take off）期间，即当车辆原地不动或在低发动机转速下移动并且驾驶员快速踩下加速器踏板以表示希望快速加速，以及涡轮增压器还未加快转速至足以提供发动机至进口必要的空气量以产生涡轮增压时，这是特别有利的。

本发明以下述方式改进了起步，即，其可与熄火启动（stalling start）即当汽车原地不动而驾驶员休息和同时踩油门时的方案相比，使得在起步之前发动机和涡轮增压器加快转速。

所述系统包括连接于罐阀与排气歧管或排气管道之间的罐管路。罐的体积和压力相对所述管路的直径和长度是基本的设计参数，因为体积和压力提供了能量并且管径作为增加或减少用于给定体积和压力的脉冲期间可能施加的气体量的阻风门（choke）。

当缩小发动机尺寸时由于大的涡轮增压器能产生更多气流并且藉此提供发动机更高的峰值功率，大涡轮增压器是基本的设计参数。但是，大涡轮增压器与较小的涡轮增压器相比在响应方面的问题更多，不过本发明的大涡轮增压器在发动机热焓加快增压涡轮的转速之前就很好地加快了转速。因此，本发明提供了这样的优点：消除了带有高负载压力的大涡轮增压器的响应问题，又允许发动机缩小尺寸——即将发动机制造的更小，其又使得燃料消耗更少。

本发明在周围空气具有低压的高海拔是极为有利的，其提供少量排出气体热焓，其又抑制了涡轮增压器增加转速的可能性。由于本发明，压缩空气导入排气歧管或排气管道就加快了涡轮增压器的转速，这又将周围空气压入发动机，发动机相应地被以下述方式加快转速，即，使它产生排出气体以驱动涡轮增压器，带来的好处是加快转速可与低海拔时的相比。

此外，由于涡轮增压器的迅速反应，可能改变用于降速的换挡进度，即可得到更低的发动机RPM但更高的瞬间动量，这是更迅速地加快转速至高负载压力的结果。优点是更少的零部件（ware）和摩擦力并且由此消耗更少的燃料。更低的发动机转速还发出更少的噪音，这就增加了内部和外部的舒适度。

本发明的另一个优点在于启动和停止期间的迅速响应，其中由于启动阶段期间更低的发动机转速和更冷的排气系统所致的更低热焓，关闭的发动机需要额外长的时间才能加快转速，本发明将类似于发动机处于怠速模式时加快增压涡轮的转速。

由于罐有时需要再充填，如果在再充填时间内执行重复加速则将有加快转速的不同结果。在利用本发明加速后，当罐被完全地或部分地清空时涡轮增压器加快转速，并且由于涡轮增压器内旋转压缩机的动量（mass momentum），在若干秒内压缩机将继续以高RPM旋转。涡轮增压器的高RPM在下一次启动期间是有利的，并且如果涡轮增压器以超过预定阈值的速度旋转，根据设定的阀门罐参数，可抑制罐阀的打开。作为测量涡轮增压器旋转速度的替代，可在初始脉冲减速后计算涡轮增压器旋转速度以确定脉冲持续时间。

冷启动：一旦发动机或发动机的零件已点火，可在起动（cranking）期间使用本发明。通过将压缩气体导入排气歧管或排气管道，涡轮增压器加快转速并且将压缩空气燃料推入汽缸，这样就避免了低温天气时带有低RPM的低转矩的已知问题。

与燃料选择无关，本发明可在所有车辆上使用，但是当汽油驱动并将空气导入排气歧管或排气管道时，在脉冲之前、期间和之后的短时间段中驱动低于λ1的发动机是有利的。理由是弥补下面这个事实：氧气可经由排气歧管或排气管道进入催化剂，如果过多的氧气被导入催化剂则这可能损坏催化剂的功能。

根据本发明的一个示例，可使用压缩机和空气悬浮系统中的罐作为气罐。在当今中等尺寸的正常小汽车中，当今的罐可容纳6升和13巴。罐阀然后直接地或经由管道连接于罐。

如果压缩机和罐是用于将空气导入排气歧管或排气管道的独立单元，则其它单元可在设计中被去除或排除，例如轮胎压缩机可被去除以便节省空间。

再充填产生较少的燃料消耗损失。作为示例，如果额外负载被增加至发动机，如果每2.5千米发生一次再充填，则损失约为0.3%。

罐可为优选由耐蚀钢（stain resistive steel）或铝制成的灭火器类型。罐排水口优选定位在罐底部处以便排水。

通过典型地为300W的小型压缩机来充填罐：

压缩机可被放置在发动机舱的“冷区”内或进气系统中以便冷却。典型的再充填时间可以在10秒后为50%，在25秒后为90%。通过利用来自用于干净空气的空气过滤器或内舱的空气来再充填罐。

罐阀可为被电力控制的快速开/关类型，或串联或并联以控制脉冲的快速和慢速类型，或带有气动底盘悬架、压缩机和充填罐的组合，或用于制动系统的气压。

系统可包括连接于罐的单向阀以确保高于设定值的压力作为预防措施被释放。

罐阀利用典型地15毫米直径的管路连接于排气歧管或排气管道，所述管路相对于排出气体的流向定位在涡轮增压器的上游。排出气体的流向是从发动机至涡轮增压器的方向。

通过控制单元控制调节设备，典型的罐释放时间是0.1-0.2秒。通过压力脉冲实现发动机功率的控制，其典型地以50毫秒节距（steps）开/关的阀开启延续时间的函数。

罐阀开启延续时间可为踏板位置、导数、发动机负载和速度、冷却剂温度、车辆速度、档位、环境温度、海拔高度、换挡、开/关附件、压力罐状态的其中一个或多个的函数。

此外，控制函数也可为GPS位置、驾驶员行为等的函数。

可通过利用传感器例如压力、温度传感器直接或间接地检测罐内的状态，例如加热、冷/热启动、充填状态等的变化。可用软件功能代替压力表、温度传感器和安全阀。

如果需要排放控制，可将脉冲期间供应的氧与催化剂氧缓冲剂进行比较,在脉冲之前和期间富集空气/燃料混合物以再生催化剂缓冲剂。

还可富集空气/燃料混合物以处理在汽油发动机上的初始爆震（initial knock）和为提高对柴油发动机的转矩/排放控制的限烟器控制。

通过添加或利用现有的传感器例如进口压力、温度和λ（lambda）传感器，可完成检测错误或泄露I脉冲系统的诊断。

安全性：在15巴条件下1L大约含有2kJ的能量，其对应于0.7g火药（3kJ/g）的能量，可与小型的烟花爆竹相比。

根据本发明的一个示例，以下参数是有效的：

罐内的压缩空气压力6-10巴，

罐体积：1-2L

200-400W左右的12V压缩机

脉冲持续时间：0.1-0.2秒

放泄阀（dump valve）/管径10-15mm

放泄阀控制：通过控制单元控制电动阀

典型的响应是0.4秒内0.4巴的增压压力

通过利用增加的背压进行再充填控制以初始填充典型的10-20秒的再充填时间

根据旨在更强响应但更长再充填时间的另一示例，以下参数是有效的：

罐内的压缩空气压力10-15巴，

罐体积：4-6L

400-600W左右的12V压缩机

脉冲持续时间：0.1-0.3秒

放泄阀/管径：15-25mm

放泄阀控制：通过控制单元控制电动阀

典型的响应是0.4秒内1.4巴的增压压力

通过利用增加的背压进行再充填控制以初始填补典型的30-60秒的再充填时间

又一示例：

2.0L的5汽缸柴油机，带有7.5巴气压的2.3L罐和400W的电动空气压缩机。

在0.1秒内释放80%的空气罐，涡轮速度在0.2秒内增加100000rpm。

0.3秒之后增压压力为0.5巴，并且在0.5秒后车辆加速度超过5m/s²。0.6秒之后发生车轮转动。

本发明与变矩器很好地结合，允许发动机能够达到可用最大转矩的速度。

罐阀可被设置为以下述方式被控制，即，使得在一个或多个脉冲期间仅从罐释放一部分压力。好处是可用脉冲控制发动机的响应。在释放期间，罐阀被设置为执行一个或多个开启事件，即一个或多个脉冲。脉冲对应于罐阀开启时间并且已经证明至少一个开启时间长于50毫秒以保护开/关控制是优选的。

罐阀还可以下述方式被控制，即，使得仅一部分压力被释放。罐阀可被设置为仅开启一部分最大开启区域以便用阀开启区域控制发动机的响应。

附图说明

下面将结合若干附图描述本发明，其中：

图1示意性地示出带有根据本发明的涡轮增压系统的发动机，并且其中：

图2示出在预定时间段期间针对不同罐体积、罐压力、管径和压差的曲线图。

具体实施方式

图1示意性地示出用于根据本发明的车辆的涡轮增压系统1。所述系统包括涡轮增压器2、用于压缩气体的罐3和与涡轮增压器2的进口5流体连通的排气歧管管道4。罐3与歧管管道4流体连通。罐3被设置为在预定脉冲持续时间段期间将压缩气体推入歧管6并且由此推入管道4以便初始涡轮机和压缩机在涡轮增压器2内快速旋转（spinup）。

图1示出系统包括与排气管道4流体连通的排气歧管6。在图1中，罐3经由管7连接于排气歧管6并与排气歧管6流体连通。但是罐可经由管7直接连接于排气管道4或连接于排气歧管路统的与涡轮增压器2流体连通的任何其它部分。在图1中，罐3被设置为在预定脉冲持续时间段期间将压缩气体推入排气歧管6以便初始压缩机在涡轮增压器中快速旋转。

图1示出罐3，通过利用用于将空气压入罐3的压缩机8，罐3是可再充填的。所述压缩气体可为空气、排出气体或任何其它适宜的气体。

图1示出所述系统包括控制单元9，控制单元9连接于用于调节脉冲持续时间段的脉冲调节单元。

图1示出所述系统包括连接于罐3的罐阀10，其中罐阀10被脉冲调节单元9控制。

图1示出涡轮增压器2的基本原理，其中涡轮增压器2被来自发动机11的排气驱动并且涡轮增压器将来自进气口12的空气经由进口13和发动机11的进气歧管14压入发动机11。

图2示出在预定时间段期间针对不同罐体积、罐压力、管径和增压压力的曲线图。图2示出示例的曲线图，其中对于不同的罐体积（X-轴）、罐压力（Y-轴）和不同尺寸的管来说罐阀已被打开0.4秒。虚线表示直径为12.7mm的管并且实线表示直径为19.05mm的管。在所述曲线图中，连接于不同线条的数字表示用于给定参数的增压压力。增压压力是触发脉冲后0.4秒后压缩机前后的压差。

Claims (18)

1.一种用于车辆的涡轮增压系统（1），所述系统（1）包括涡轮增压器（2）、用于压缩气体的罐（3）和与涡轮增压器（2）的进口（5）流体连通的排气歧管管道（4），其特征在于：所述罐（3）与所述歧管管道（4）流体连通，其中所述罐（3）被设置为在预定脉冲持续时间段期间将压缩气体推入所述歧管管道（4）中以便初始压缩机在所述涡轮增压器（2）中快速旋转。

2.根据权利要求1所述的系统（1），其中所述系统（1）包括与歧管管道（4）流体连通的排气歧管（6），其中所述罐（3）与所述排气歧管（6）流体连通，其中所述罐（3）被设置为在预定脉冲持续时间段期间将压缩气体推入所述排气歧管（6）中以便初始压缩机在涡轮增压器（2）中快速旋转。

3.根据权利要求1或2所述的系统（1），其中所述罐（3）是可再充填的。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的系统（1），其中所述系统（1）包括用于将空气压入所述罐（3）的压缩机（8）。

5.根据权利要求4所述的系统（1），其中所述压缩机（8）是电动压缩机。

6.根据权利要求4或5所述的系统（1），其中所述压缩机（8）和罐（3）是气动底盘悬架和/或气压制动系统的一部分。

7.根据权利要求4-6任意一项所述的系统（1），其中所述压缩机（8）定位在发动机舱的冷区或进气系统中用于冷却和清洁空气。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的系统（1），其中所述压缩气体是空气。

9.根据权利要求1-7任意一项所述的系统（1），其中所述压缩气体是排出气体。

10.根据权利要求9所述的系统（1），其中在排出气体排放峰值期间所述排出气体被进给至所述罐（3）。

11.根据前述权利要求任意一项所述的系统（1），其中所述系统（1）包括控制单元（9），所述控制单元（9）连接于用于调节脉冲持续时间段的脉冲调节单元。

12.根据权利要求11所述的系统（1），其中所述系统（1）包括连接于罐（3）的罐阀（10），其中所述罐阀（10）由脉冲调节单元控制。

13.根据权利要求12所述的系统（1），其中所述罐阀（10）被控制为当所述罐（3）中的压力超过排气背压时关闭。

14.根据权利要求12或13所述的系统（1），其中根据节气门移动和/或油门位置控制所述罐阀（10）。

15.根据权利要求10-14任意一项所述的系统（1），其中所述罐阀（10）被控制为当所述涡轮增压器（2）具有高于预定阈值的每分钟转数时关闭。

16.根据权利要求12-15任意一项所述的系统（1），其中所述罐阀（10）被设置为以下述方式被控制，即，使得仅一部分压力从所述罐（3）释放，其中在所述释放期间所述罐阀（10）被设置为执行一个或多个开启事件。

17.根据权利要求16所述的系统（1），其中所述罐阀（10）被设置为被以下述方式控制，即，使得至少一个开启时间长于50ms。

18.根据前述权利要求任意一项所述的系统（1），其中所述罐阀（10）被设置为被控制为在0.1-0.2秒期间释放脉冲。