CN103946512A - 压缩机旁路 - Google Patents
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Abstract
一种动力系统(10)，包括：天然气发动机；第一涡轮(24)，其接收来自所述发动机的排气；第二涡轮(28)，其具有流体地连接至第一涡轮(24)的出口(52)的进口(50)。动力系统(10)还包括由所述第一涡轮(24)驱动的压缩机(20)。所述压缩机(20)具有流体地连接至所述发动机的出口(52)。动力系统(10)还包括将流体从所述压缩机(20)的出口(52)引导至第二涡轮(28)的进口(50)的旁路系统(44)。
Description
技术领域
本发明涉及动力系统，更具体地涉及具有压缩机旁路的动力系统。
背景技术
内燃发动机可以运转以产生动力。为了使由内燃发动机产生的动力最大化，发动机可配备有涡轮增压引入系统。涡轮增压引入系统可包括涡轮增压器，该涡轮增压器具有压缩流动到发动机中的空气的压缩机。涡轮增压器通常还包括连接至压缩机且由发动机的排气驱动的涡轮。由于进入空气被压缩机压缩，所以与自然吸气发动机的可能的每单位体积空气相比，可以迫使更多的每单位体积空气进入到涡轮增压发动机的燃烧室中。因此，与具有相同尺寸的自然吸气发动机相比，通过涡轮增压发动机可以产生更大的动力。
在诸如天然气发动机的发动机中，通过调节进入到发动机燃烧室中的空气和燃料混合物的流量来控制发动机转速或负荷。当需要增加转速或负荷时，利用节流阀或其它类似的流量控制装置来增大进入天然气发动机的空气/燃料混合物的流量。另一方面，如果需要降低发动机的转速或负荷，则降低进入发动机的空气/燃料混合物的流量。
虽然减小进入天然气发动机的空气/燃料混合物的流量可以用于减小发动机转速或负荷，但是这样的流量减小可能在某些运转条件下具有不利影响。例如，如果需要相对快速地降低发动机速度或负荷，则可能要通过流量控制装置相对突然地减慢空气/燃料混合物进入到发动机中的流动。在设定压缩机压力比下降低通过压缩机的质量流率，导致振荡流逆转到压缩机内，这被称为“压缩机喘振”。这种压缩机喘振对于构件寿命是有害的，是不希望的。
另一方面，在诸如柴油发动机的发动机中，控制发动机负荷或速度的方式显著不同。天然气发动机的负荷或速度是通过操纵供给至发动机的空气/燃料混合物的流量来控制，而柴油发动机的负荷或速度是通过调节喷射到发动机的各燃烧室中的燃料的量来控制。由于在柴油发动机中不是经由例如空气流量控制阀——诸如节流阀——来操纵空气流，所以压缩机不会经受在给定的压力比下降低质量流量的过程，进而压缩机不会被迫进入压缩机喘振状态。因此，尽管压缩机喘振会对天然气发动机的功能和效率产生深远影响，但是柴油发动机并不会以触发压缩机喘振状态的方式运转。
避免天然气发动机中的压缩机喘振的一个方法是提供旁路系统，由此可以选择性地自压缩机的下游释放过量的经压缩的空气/燃料混合物。一个这样的旁路系统在美国专利申请公开号2009/0139230(“'230公开”)中示出。在'230公开中教导的系统包括天然气发动机和接收来自发动机的排气流的涡轮增压器。排气被引导至涡轮增压器的涡轮，涡轮连接至压缩机，压缩机帮助在发动机进气歧管的上游压缩空气和燃料的混合物。该系统还包括流体地连接至压缩机出口的旁路管路。旁路管路构造成将经压缩的空气/燃料混合物的一部分从压缩机出口引导至压缩机的进口。
尽管在'230公开中教导的系统可以用于避免压缩机喘振，但是所公开的系统可能会在某些发动机运转条件下引起能量损失。特别是，由于引导经压缩的空气/燃料混合物的一部分返回到位于压缩机进口处的相对低压的区域，而浪费了系统为压缩混合物的这部分所消耗的能量。
本发明的动力系统解决了上述问题中的一个或多个。
发明内容
在本发明一示例性实施例中，动力系统包括：天然气发动机；第一涡轮，其接收来自所述发动机的排气；和第二涡轮，其具有流体地连接至所述第一涡轮的出口的进口。该动力系统还包括由所述第一涡轮驱动的压缩机。该压缩机具有流体地连接至所述发动机的出口。所述动力系统还包括将流体从所述压缩机的出口引导至所述第二涡轮的进口的旁路系统。
在本发明的另一示例性实施例中，动力系统包括天然气发动机和空气引入系统，该空气引入系统包括具有流体地连接至所述发动机的出口的压缩机。所述动力系统还包括排气系统，该排气系统包括：连接至所述压缩机的第一涡轮，和位于所述第一涡轮的下游并且连接至所述发动机的输出部件的第二涡轮。所述动力系统还包括旁路系统，该旁路系统包括配置成调节经压缩的空气从所述压缩机到所述第二涡轮的流量的阀组件。所述动力系统还包括具有控制器和至少一个传感器的控制系统。所述控制器配置成响应于从所述至少一个传感器接收到的信号来操作所述阀组件。
在本发明的又一示例性实施例中，运转动力系统的方法包括：产生经压缩的进入空气流，将天然气喷射到所述经压缩的进入空气流中用以形成空气/燃料混合物，并在天然气发动机中燃烧所述空气/燃料混合物。该方法还包括：将燃烧排气从所述发动机引导到位于该发动机下游的涡轮，和选择性地将所述经压缩的进入空气流的一部分引导至所述涡轮。所述经压缩的进入空气流的所述一部分不包含天然气，并且帮助涡轮转动。
附图说明
图1是示例性的动力系统的示意图。
具体实施方式
图1示出了示例性的动力系统10，动力系统10可以包括动力源12。动力源12可以是发动机——诸如天然气发动机。动力源12可以接收来自空气引入系统14的进入空气(进气)，并将燃烧副产物排放到排气系统16中。动力系统10还可以包括将空气引入系统14连接至排气系统16的旁路系统44。动力系统10还可以包括与动力源12、旁路系统44、空气引入系统14和/或排气系统16通信的控制系统18。
空气引入系统14可以包括压缩机20，该压缩机流体地连接至动力源12的进气歧管22，用以引导经压缩的空气进入动力源12的燃烧室中。压缩机20可包括固定几何形状型压缩机、可变几何形状型压缩机或本领域已知的任何其它类型的压缩机。可以设想的是，空气引入系统14中可以包括不只一个压缩机20，并且这样的压缩机可以并联或串联关系设置。进入空气可以自压缩机20经由通路42被引导至动力源12的进气歧管22。可以设想的是，空气引入系统14内可以包括附加的构件，诸如空气冷却器、节流阀、空气清洁器以及本领域已知的其它构件。如将在下面更详细地讨论的，燃料可以在压缩机的下游与通过压缩机20压缩的进入空气混合。
空气引入系统14还可以包括连接至燃料供给源66的一个或多个喷射器64。喷射器64可包括本领域已知的任何燃料输入装置，喷射器64可以设置在旁路系统44下游的任意位置。在一个示例性实施例中，一个或多个喷射器64可设置在通路42内和/或以其它方式流体地连接至通路42。在另一示例性实施例中，一个或多个喷射器64可设置在进气歧管22内和/或以其它方式流体地连接至进气歧管22。在又一示例性实施例中——其中动力源12包括共轨型端口喷射发动机，一个或多个喷射器64可设置在动力源12的端口(未示出)内和/或以其它方式流体地连接至动力源12的端口。在再一示例性实施例中——其中动力源12包括直接喷射发动机，一个或多个喷射器64可设置在动力源12的燃烧室(未示出)内和/或以其它方式流体地连接至动力源12的燃烧室。喷射器64可以构造成将加压或未加压的燃料喷射到经压缩的进入空气流中，从而形成空气和燃料的混合物。喷射器64可以构造成喷射液态和/或气态形式的这类燃料。喷射器64可受控用以选择性地喷射任意所需量的燃料，并且喷射器是可操作的，用以改变混合物的燃料浓度(即，稀或浓)。在示例性实施例中，空气引入系统14还可以包括构造成帮助调节混合物的燃料浓度的一个或多个化油器、节流阀和/或其它空气/燃料比计量装置(未示出)。一个或多个这类装置也可以帮助调节和/或以其它方式控制进入到动力源12中的空气/燃料混合物的流量。空气引入系统14还可以在喷射器64的下游包括一个或多个混合器、文丘里管、预混合室和/或其它类似的混合装置(未示出)，用以帮助在动力源12的上游形成基本上均匀的空气/燃料混合物。
燃料供给源66可以包括构造成储存和释放可燃燃料的任意贮槽、箱、罐或其它装置。燃料供给源66可以是加压的或未加压的，并且储存在该燃料供给源中的燃料可以是液态或气态形式的。在示例性实施例中，燃料供给源66可以包括一个或多个泵和/或其它类似的加压装置，所述泵/加压装置构造成帮助增大所述燃料供给源中的燃料的压力并且将加压的燃料流输送至一个或多个喷射器64。燃料供给源66，和/或将燃料供给源66流体地连接至一个或多个喷射器64的通路，可以包括构造成帮助向喷射器64提供加压的燃料流的一个或多个阀、限制器和/或其它类似的流量计量装置(未示出)。储存在燃料供给源66中的燃料的类型可以取决于所使用的动力源12的类型，在示例性实施例中，这种燃料可以是天然气或其它类似的燃料。燃料供给源66可以是可移动的，可以构造成用于在例如公路用卡车、非公路用卡车、挖掘机和/或其它类似的交通工具上运输。喷射器64、与喷射器64和/或燃料供给源66相关的空气/燃料比计量装置、混合装置、加压装置、流量计量装置和/或其它构件，可以经由通信线路68可控地连接至控制系统18。
排气系统16可包括涡轮增压器23，该涡轮增压器具有借助于轴25而固定地连接至压缩机20的涡轮24。可以导引热的排放气体经由流体地连接至涡轮24的排气岐管26离开动力源12的燃烧室。来自动力源12的热的排放气体可以膨胀顶着涡轮24的叶片(未示出)，并且可以驱动涡轮24转动，引起压缩机20相应地转动。可以设想的是，在排气系统16内可以包括不只一个涡轮24，并且这种附加的涡轮可以并联或串联关系设置。例如，排气系统16可以在第一涡轮24下游包括第二涡轮28。第二涡轮28的进口36可以流体地连接至第一涡轮24的出口34，使得涡轮24、28以串联关系设置。可以将来自动力源12的燃烧室的排放气体从排气歧管26经由通路38引导至第一涡轮24，并从第一涡轮24经由通路40引导至第二涡轮28。
此外，第二涡轮28可以藉由一个或多个齿轮、离合器、轴、皮带、接合件和/或其它类似的联接装置32连接至动力源12的输出部件30。在示例性实施例中，涡轮28的转动可以帮助输出部件30转动和/或以其它方式向动力源12提供转矩和/或动力。还可以设想的是，排气系统16可以包括附加的构件，诸如，排气过滤装置、排气处理装置、排放气体再循环构件，以及本领域已知的其它构件。
旁路系统44可包括将压缩机20的出口54与第二涡轮28的进口36流体地连接的通路46。在示例性实施例中，通路46的进口50可流体地连接至位于压缩机出口54下游的通路42，通路46的出口52可流体地连接至位于进口36上游的通路40。
旁路系统44还可以包括设置在通路46内和/或以其它方式流体地连接至通路46的阀组件48。阀组件48可以构造成选择性地将空气引入系统14和排气系统16流体地连接。例如，阀组件48可以是可操作的，用以选择性地将压缩机20的出口54和第二涡轮28的进口36流体地连接。在示例性实施例中，阀组件48可包括共同作用以选择性地改变通路46内的流体的流量的多个构件(未示出)。例如，阀组件48可包括壳体、阀元件、致动器，和/或流体地和/或以其它方式连接至通路46的其它类似的流体控制构件。阀组件48也可以包括一个或多个紧固件(未示出)，用以将上述构件中的一个或多个可操作地连接至通路46。
在示例性实施例中，阀组件48的致动器可以气动地操作用以促使阀元件运动。替代地，致动器可以包括一个或多个螺线管、压电致动器和/或其它已知的致动装置。阀组件48的致动器和/或其它构件可以经由通信线路56受控地连接至控制系统18。
控制系统18可包括配置成控制动力系统10的运转的控制构件。在示例性实施例中，控制系统18的控制构件可以用于调节从空气引入系统14到排气系统16的流体的——诸如经压缩的进入空气——流量。特别是，控制系统18可以响应于动力系统10的一个或多个运转参数来调节、选择性地改变、和/或以其它方式控制经压缩的进入空气通过旁路系统44的流量。控制系统18可包括一个或多个传感器60和控制器62。控制器62可以经由通信线路58与一个或多个传感器60进行通信。
一个或多个传感器60可以与动力源12关联，用以感测动力源12的运转参数和用于生成指示所述参数的信号。这些运转参数可以包括例如动力源12的负荷和/或速度。可以通过监测动力源12的燃料设定、通过感测动力源12的转矩和速度输出、通过监测动力源12的正时、通过感测动力源12的温度、或通过本领域已知的任何其它方式来感测动力源12的负荷。可以通过设置在动力源12的输出部件30上和/或靠近该输出部件的磁性传感器(magnetic pick-up type sensor)来直接感测动力源12的速度，或以任何其它合适的方式感测动力源12的速度。可以设想的是，可以替代地或附加地通过一个或多个传感器60来感测其它的运转参数——诸如，增压压力，涡轮速度，进气歧管压力，压缩机20下游的、例如通路42中的流体压力，和/或本领域已知的其它参数，并且传输至控制器62。除了动力源12之外，这类参数还可以与动力系统10的多种其它构件相关联。
控制器62可以配置成接收来自一个或多个传感器60的信号，并响应于该信号而选择性地激励、去激励、和/或以其它方式控制阀组件48的致动器。这样选择性地控制致动器可以改变阀元件的位置，从而以闭环和/或开环方式调节通过通路46的流量。例如，来自一个或多个传感器60的信号可以表明动力源12正在低负荷和速度条件下运转，此时压缩机旁路未显示出优势。控制器62可以引起致动器运动到第一位置，从而使所述阀元件抑制通过通路46内的流动。反之，如果来自传感器60的信号表明动力源12正在高负荷和速度条件下运转，则这种情况下压缩机旁路有益于避免压缩机喘振，控制器62可以引起致动器运动到第二位置，从而使所述阀元件允许通路46内的流动。
控制器62可以是单个微处理器或多个微处理器，所述微处理器包括配置成帮助运行涡轮增压器23的多种构件。多种市售的微处理器可以配置成执行控制器62的功能。控制器62也可以是能够控制多个动力系统功能的总动力系统微处理器。控制器62可以包括存储器、辅助存储装置、处理器和用于运行应用程序和/或处理一个或多个控制算法的任何其它构件。多种其它线路——诸如，动力供应线路系统、信号调节线路系统、螺线管驱动器线路系统以及其它类型的线路系统——可以与控制器62关联。
工业适用性
本发明的系统和方法可以适用于任何在全部运转条件范围内要求涡轮增压器效率和功能的动力系统10。例如，旁路系统44可配置成将经压缩的进入空气从位于压缩机20下游的位置引导至位于第二涡轮28上游的位置。所述经压缩的进入空气可以帮助驱动第二涡轮28转动。这样，由空气引入系统14压缩进入空气所消耗的能量可以通过第二涡轮28恢复。涡轮28的转动可以帮助输出部件30转动，和/或以其它方式向动力源12提供转矩和/或动力。
作为另一优势，本发明旁路系统44是可操作的，用以帮助避免压缩机喘振。例如，在经压缩机20压缩的进入空气的体积比动力源12能处理的进入空气的体积更大的运转条件下，进入空气可能积聚在通路42中和/或积聚在进气歧管22中。为了避免进入空气积聚，阀组件48可以受控用以选择性地将受到压缩机20压缩作用的进入空气的一部分引导到位于第二涡轮28的上游的位置。控制器62可以控制阀组件48的运行，用以基于如上所述地自传感器60接收到的一个或多个信号来改变经压缩的进入空气的所述一部分的方向，并且这样的控制可以基于开环和/或闭环控制策略。通过这种方式来控制阀组件48，可以避免压缩机喘振。
作为又一优势，本发明的旁路系统44可配置成在燃料喷射到进入空气中之前使经压缩的进入空气的方向改变至排气系统16。例如，通路46的进口50可以在喷射器64的上游、与该喷射器相距所需距离地流体地连接至通路42。由于这种构型，阀组件48的操作可以将经压缩的相对高压的进入空气引导至排气系统16，并且由喷射器64喷射的基本上全部燃料可以传送到动力源12。虽然许多已知的天然气发动机包括配置成改变压缩机输出的方向的旁路系统，但是这类发动机通常在压缩机的上游喷射燃料。结果，相关的旁路系统必须使压缩机输出改变方向至压缩机上游的一位置，否则所喷射的燃料将不会到达发动机用于燃烧。然而，使压缩机输出改变方向至压缩机上游的位置不允许这类已知的天然气发动机系统恢复因压缩进入空气/燃料混合物所消耗的能量和/或功。本发明的系统避免了这种已知天然气发动机的低效率。
在一示例性的使用方法中，来自动力源12的排气可经由通路38传递至第一涡轮24。所述排气会膨胀顶着第一涡轮24的叶片，并且可以驱动涡轮24转动，这引起压缩机20的相应转动。压缩机20的转动可以将进入空气吸入到压缩机20内。经压缩的进入空气可以经由通路42离开压缩机20，可以通过喷射器64将燃料喷射到进入空气流中。然后，经压缩的空气/燃料混合物可以传递到动力源12用于燃烧。
在动力源12的运转过程中，一个或多个传感器60可以感测例如动力源12的速度、负荷和/或转矩。这样的传感器60还可以感测例如进气和排气歧管温度、进气和排气歧管压力、和/或压缩机20下游的通路42的压力。传感器60可以向控制器62发送指示这类运转参数的信号，并且控制器62可以利用这类信号作为对一个或多个查找表、算法和/或其它已知的控制装置/标准的输入，用以帮助对动力源12、空气引入系统14、排气系统16、旁路系统44和/或其单独构件的运行进行控制。
在示例性实施例中，一个或多个传感器60可以感测压缩机20下游的流体压力——诸如，通路42内和/或进气歧管22内的流体压力。传感器60可以向控制器62发送指示这类进气压力的信号，控制器62可以闭环方式对所感测到的进气压力与阈值压力进行比较。所述阈值压力可以与进气歧管22的最大允许压力相关联，并且所感测到的进气压力高于所述阈值可以与压缩机喘振联系起来。
例如，当传感器60感测到进气压力高于阈值压力时，控制器62可以响应地控制阀组件48的致动器打开，和/或以其它方式改变与所述致动器相连接的阀元件的位置。所述阀元件的位置可以选择性地在打开位置与关闭位置之间改变，所述打开位置允许在压缩机20与第二涡轮28之间发生流动，所述关闭位置阻断在压缩机20与第二涡轮28之间的流动。例如，改变阀元件的位置可以将经压缩的进入空气从靠近压缩机20的出口54的、相对高压的位置引导至位于第二涡轮28上游的、相对低压的位置。在示例性实施例中，在通路40内的、介于第一和第二涡轮24、28之间的流体压力可以比靠近压缩机20的出口54的流体压力小，这种压差可以促进通过旁路系统44的流动。
如上所述地控制阀元件的位置和/或运动，可以调节通过通路46的流量，并且可以帮助降低进气压力，用以避免压缩机喘振。此外，将相对高压的进入空气从压缩机20的出口54引导至第二涡轮28的进口36可以帮助驱动第二涡轮28转动。第二涡轮28的转动可以帮助输出部件30转动，和/或可以其它方式向动力源12提供转矩和/或动力。由于是通过收集经压缩的进入空气和/或以其它方式从经压缩的进入空气中恢复能量来提供所述转矩和/或动力，所以本发明的旁路系统44有助于增加动力系统10的总效率。
对本领域技术人员显而易见的是，可以对本发明的动力系统10做出各种修改和变型而不脱离本发明的范围。通过考虑本发明所公开的说明书和实施，本发明的其它实施例将对本领域技术人员显而易见。说明书和示例旨在仅被视为示例性的，而本发明的真实范围由所附权利要求及其等同方案表明。
Claims (10)
1.一种动力系统(10)，包括：
天然气发动机；
第一涡轮(24)，其接收来自所述发动机的排气；
第二涡轮(28)，其具有流体地连接至所述第一涡轮(24)的出口(34)的进口(36)；
由所述第一涡轮(24)驱动的压缩机(20)，所述压缩机(20)具有流体地连接至所述发动机的出口(34)；和
旁路系统(44)，该旁路系统将流体从所述压缩机(20)的出口(34)引导至所述第二涡轮(28)的进口(36)。
2.根据权利要求1所述的动力系统(10)，其特征在于，所述旁路系统(44)包括阀组件(48)，所述阀组件配置成选择性地将所述压缩机(20)与所述第二涡轮(28)流体地连接。
3.根据权利要求2所述的动力系统(10)，其特征在于，所述阀组件(48)包括：能在打开位置与关闭位置之间移动的阀元件，所述打开位置允许在所述压缩机(20)与所述第二涡轮(28)之间发生流动，所述关闭位置阻断在所述压缩机(20)与所述第二涡轮(28)之间的流动；以及，可操作地连接至所述阀元件的致动器。
4.根据权利要求2所述的动力系统(10)，其特征在于，所述动力系统还包括可操作地连接至所述阀组件(48)的控制器(62)，其中，所述控制器(62)配置成响应于所述动力系统(10)的一个或多个运转参数、利用所述阀组件(48)来控制通过所述旁路系统(44)的流体的流量。
5.根据权利要求4所述的动力系统(10)，其特征在于，所述动力系统还包括至少一个传感器(60)，该至少一个传感器配置成生成指示所述一个或多个运转参数的信号；其中，所述控制器(62)与所述至少一个传感器(60)通信，并且配置成响应于所述信号来操作所述阀组件(48)。
6.根据权利要求5所述的动力系统(10)，其特征在于，所述一个或多个运转参数包括与所述发动机相关联的进气压力。
7.根据权利要求2所述的动力系统(10)，其特征在于，所述阀组件(48)流体地连接至自所述压缩机(20)延伸至所述第二涡轮(28)的第一通路(38)。
8.一种运转动力系统(10)的方法，包括：
产生经压缩的进入空气流；
将天然气喷射到所述经压缩的进入空气流中，以形成空气/燃料混合物；
在天然气发动机中燃烧所述空气/燃料混合物；
将燃烧排气从所述发动机引导至位于该发动机下游的涡轮；和
选择性地将所述经压缩的进入空气流的一部分引导至所述涡轮；其中，所述经压缩的进入空气流的所述一部分不包含天然气，并且帮助所述涡轮转动。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：感测与所述发动机相关联的进气压力；将所感测到的进气压力与阈值压力进行比较，以及如果所感测到的进气压力比所述阈值压力大则选择性地将所述经压缩的进入空气流的所述一部分引导至所述涡轮。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将所述流的所述一部分从具有第一流体压力的第一位置引导至具有比所述第一流体压力小的第二流体压力的第二位置。
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