CN104653279B - 改进的涡轮增压器系统 - Google Patents

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Abstract

用于车辆的涡轮增压器系统(2)和方法，系统(2)包括高压涡轮增压器(3)和低压涡轮增压器(4)。高压和低压涡轮增压器(3，4)被涡轮增压器(3，4)的排气侧(5)上的排气所驱动。所述系统包括在设定事件期间绕过所述低压涡轮增压器(4)的第一旁通管(14)。

Description

改进的涡轮增压器系统
技术领域
所述装置和/或方法涉及用于车辆的涡轮增压器系统和方法。涡轮增压器系统包括高压涡轮增压器和低压涡轮增压器。高压和低压涡轮增压器均被涡轮增压器的排气侧上的排气所驱动。高压和低压涡轮增压器都被配置为当排气驱动所述涡轮增压器时压缩所述涡轮增压器的空气进入口侧上的空气。所述高压涡轮增压器相对于排气气流定位在所述低压涡轮增压器上游并且相对于所述空气流定位在所述低压涡轮增压器的下游。所述系统包括将低压涡轮增压器连接于高压涡轮增压器以便它们之间在空气进入侧上流体连通的第一管路系统和将高压涡轮增压器连接于低压涡轮增压器以便它们之间在排气侧上流体连通的第二管路系统。第一管路系统包括第一管道，第一管道连接于低压涡轮增压器的入口和入口空气。第一管路系统包括第二管道，第二管道将低压涡轮增压器的出口连接于高压涡轮增压器的入口。
背景技术
在当今的车辆中，使用排气驱动的涡轮增压器将空气压缩至发动机的进气歧管是常见的。涡轮增压器依赖于排气气流加速旋转，排气气流又取决于发动机转速和发动机转矩。因此，涡轮增压器式发动机处于低发动机转速时的涡轮增压器反应是众所周知的问题。由于减少CO2、降速和带有更高增压的小型化的新技术，该问题更为恶化，因为它需要更多的能量来形成更高的增压压力。特别是在现实世界的驾驶中，反应问题是CO2减少的限制因素，因为车辆的合格驾驶性能需要剩余功率量能够处理瞬间需用功率而不需换挡，瞬间需用功率可为道路倾斜、小加速度、辅助设备等等。为了尽可能多地使用来自排气的能量，已知使用两个串联的涡轮增压器，在进气歧管之前压缩入口空气的高压涡轮增压器以及在进入高压涡轮增压器之前压缩空气的低压涡轮增压器。上述反应问题在双级系统中也是已知的，但额外的问题是两个涡轮增压器同步从而根据发动机载荷以最佳方式利用它们。
已知使用连接于进气歧管的各种压缩机通过在涡轮增压器已加速旋转之前将空气进给至入口侧来作为反应辅助。机械压缩机复杂、昂贵，具有较低的耐用性、NVH(噪音、振动、刺耳)问题，难以控制并且有噪声。
因此需要找到一种经济的、耐用的、产生低噪声和更好反应的方案。
发明内容
待解决的问题是找到用于车辆的双级涡轮增压器系统的最优化利用。
涡轮增压器系统包括高压涡轮增压器和低压涡轮增压器。高压和低压涡轮增压器均由涡轮增压器的排气侧上的排气所驱动。高压和低压涡轮增压器都被配置为当排气驱动所述涡轮增压器时压缩所述涡轮增压器的空气进入口侧上的空气。所述高压涡轮增压器相对于排气气流定位在所述低压涡轮增压器上游并且相对于所述气流定位在所述低压涡轮增压器的下游。所述系统包括将低压涡轮增压器连接于高压涡轮增压器以便它们之间在空气进入侧上流体连通的第一管路系统和将高压涡轮增压器连接于低压涡轮增压器以便它们之间在排气侧上流体连通的第二管路系统。第一管路系统包括连接于低压涡轮增压器的入口和入口空气的第一管道。第一管路系统包括将低压涡轮增压器的出口连接于高压涡轮增压器的入口的第二管道。第一管路系统包括在一个末端上连接于第二管道并且在另一末端上基本上直接连接于外界空气的第一旁通管。第一管路系统还包括第一旁通管内的第一阀位置以便控制气流从外界空气至所述第二管道从而与第一管道相比消除第二管道内的低压。
应当注意“基本上直接至外界空气”意味着在连接于外界空气的管道内没有或几乎不经历压力损失。
此处的“低压(underpressure)”意味着第二管道中的压力低于第一管道中的压力。
第一管路系统可包括连接于第一管道或包括第一管道的进入管系统。进入管系统可具有极小的损耗，即可基本上直接连接于外界空气，或第一管道可连接于旁通绕过进入管系统的通气管，使得第一管道基本上直接连接于外界空气以使第一管道内的空气流最多。空气流可被第一管道或进入管系统或通气管内的阀所控制。
所述配置和方法的一个优点是第二管道连接于空气源、外界空气，消除了在某个发动机驱动模式期间可能阻碍高压涡轮增压器加速旋转的任何低压。如果第一旁通管连接第一管道与第二管道，则第一阀的打开平衡了第一管道和第二管道中的压力从而最大化了第二管道内的空气流。
当发动机从低发动机载荷运行至高发动机载荷并且排气气流增加时，高压涡轮增压器加速旋转并且相应地入口空气压缩。排气离开高压涡轮增压器随后进入低压涡轮增压器，但有时，例如在发动机的旋转期间，低压涡轮增压器不像高压涡轮增压器那么快速地反应。具有旁通绕过低压涡轮增压器的可能性的一个好处发生在这种事件期间，因为与高压涡轮增压器相比低压涡轮增压器的迟来反应会在第二管道中产生与外界空气和/或第一管道相比的低压即更低压力，这也意味着高压涡轮增压器由于抽吸而在入口空气侧上实际驱动涡轮增压器的加速旋转。这也对高压涡轮增压器的反应具有不良效果。通过旁通绕过低压涡轮增压器可消除第二管道与外界空气和/或第一管道之间的低压，使得至高压涡轮增压器的入口直接连接于外界空气或提供空气至入口的系统而无对供应空气的所述限制。然而，管尺寸等等也产生了损耗，因此始终有供应空气的限制，但相同的管尺寸下，当产生或预期低压时旁通绕过低压涡轮增压器将降低第一管路系统中的总损耗并且由此赋予高压涡轮增压器乃至发动机更好的反应。
第一旁通管可在一个末端上连接于第二管道并且在另一末端上基本上直接连接于外界空气。作为可选方案，第一旁通管可在一个末端上连接于第二管道并且在另一末端上连接于基本上直接连接于外界空气的不同管或管路系统。作为可选方案，第一旁通管可在一个末端上连接于第二管道并且在另一末端上连接于第一管道。通常，用于入口空气的管路系统包括过滤器和可调节空气的其它装置例如加热器和/或冷却器。应当注意，用于入口空气至低压涡轮增压器的管路系统通常基本上直接连接于外界空气并且第一管道中的压力基本上与外界空气的压力相同。然而，由于对取决于例如管尺寸、过滤器、弯头等等的已知物理限制，管路系统由此第一管道可具有略微低于外界空气的压力。出于其它原因(例如管路系统内空气的加热)，第一管道内的空气可具有与外界空气相比轻微的超压。如果第一管道中的压力基本上类似于外界空气，则第一旁通管基本上直接连接于外界空气的示例是可能的，因为它缓和了第二管道与第一管道之间的压差。然而，如果第一管道中的压力实质不同于外界空气，则第一管道可经由如上所述旁通绕过进入管系统的旁路系统基本上直接连接于外界空气。
根据一个示例，第一阀是当第二管道内存在低压时打开的被动阀。当低压涡轮增压器与高压涡轮增压器同步即已经加速旋转至消除低压的速度时第一阀随后关闭第一旁通管，因此为高压涡轮增压器提供了足量的空气。例如，当发动机已经到达新的现状时，第二涡轮增压器在第二管道内提供超压并且随后帮助高压涡轮增压器填充入口空气。有很多其中低压涡轮增压器产生超压的发动机模式并且有一些其中低压涡轮增压器不如高压涡轮增压器反应迅速并且随后产生低压的发动机模式。所有情形不会存在于说明书中，但应当指出使用第一被动阀的优点是当有低压时这种阀将自动地产生低压涡轮增压器的旁路。
根据一个示例，涡轮增压器系统包括控制单元并且第一阀是通过控制单元控制的主动阀。控制单元被配置为当在第二管道内存在或预期低压时打开阀。此时，控制单元可包括有关特定发动机模式的信息，其中在第二管道内存在或预期低压。所述信息可能基于与某个发动机参数有关的经验信息。所述信息可能基于由某个发动机参数进行的计算。所述信息可能基于来自发动机或连接于发动机的装置内的一个或多个传感器的信息，例如节流阀、油门位置、一个或两个涡轮增压器的旋转速度等等。使用主动阀的一个优点是反应变得更敏捷了，因为由于阀不必像被动阀那样被低压所触发因此可完全避免第二管道内的低压。第一管路系统可包括用于感应低压的传感器，并且所述传感器可连接于控制单元以便提供信息。
第一阀可被设定为在第二管道中的压力低于第一管道中的压力时的预定值处打开。预定值可以是第二管道与第一管道相比至少低1kPa、至少3kPa和至少5kPa。
根据一个示例，第一管路系统包括空气进入管管道，空气进入管管道连接高压涡轮增压器的出口和发动机的空气进入口侧上的进气歧管。第一管路系统包括将第二管道连接于空气进入口歧管的第二旁通管。第一管路系统包括定位在第二旁通管内用于控制从第二管道至空气进入管的空气流的第二阀。第二阀可为耦连于旋转速度传感器且被配置为当高压涡轮增压器已经到达传感器测量的旋转速度的上限时打开的主动阀。第二阀还可被配置为当第二管道中的压力高于高压涡轮增压器后面的空气进入管管道中的压力时打开。可通过传感器测量压力。第二阀还可为被配置为当第二管道中的压力高于高压涡轮增压器后面的空气进入管管道中的压力时自动打开的被动阀。
根据一个示例，第二管路系统包括连接发动机的排气歧管与高压涡轮增压器的入口的排气歧管管道。第二管路系统包括连接高压涡轮增压器的出口与低压涡轮增压器的入口的第三管道。第二管路系统包括连接排气歧管管道与第三管道的第三旁通管。第二管路系统包括用于控制排气歧管管道与第三管道之间的排气气流的第三阀。第三阀被配置为当高压涡轮增压器已经到达旋转速度的上限或每当要提高涡轮增压器系统的效率时打开。
如果第二和第三阀都是主动阀，则它们可通过公共控制单元或每个均由独立的控制单元来控制。因为第二和第三阀都影响了高压涡轮增压器，因此控制单元可出于不同目的来控制阀。例如，空气进入口侧和排气侧上旋转速度的上限可能是不同的。此外，打开空气进入口侧上的第二阀但保持排气侧上第三阀关闭就使得高压涡轮增压器加速旋转而不在空气进入管管道内形成任何压力。然而，如果第一阀随后被关闭，则将在第二管道内产生低压并且低压涡轮增压器会更快地加速旋转。打开第三阀和打开第二阀导致低压涡轮增压器快速地加速旋转，因为高压涡轮增压器将在排气侧和空气进入口侧上被旁通绕过。如果第二阀关闭，则低压涡轮增压器将在第二管道内产生超压，这将从入口空气侧驱动高压涡轮增压器。如果第一阀随后打开，那么第二管道内的空气将改为再循环至低压涡轮增压器的入口或从系统被排出。在加速旋转发动机由此增加排气气流期间令第二和第三阀关闭并且第一阀打开会导致高压涡轮增压器上的快速反应，因为低压涡轮增压器将被旁通绕过并且在低压涡轮增压器上不产生低压。如果空气进入管管道内具有比第二管道内更高的压力，则第二阀可被打开并且第一和/或第三阀可被打开从而不阻碍气流。示例示出了可使用三个阀——不论是无控制单元的被动阀还是主动阀来改变涡轮增压器系统的特性，并且所述示例的组合以及打开和关闭阀的其它组合给出了许多控制涡轮增压器系统、最终控制发动机特性的时机。
此外，对于所有示例来说，涡轮增压器系统还可包括旁通绕过排气侧上低压涡轮增压器的第四旁通管。额外的阀可连接于第四旁通阀并且阀可为连接于控制单元的类似于第一、第二或第三阀的被动或主动阀。第四阀可与另一阀组合地被打开和关闭，以便找到取决于发动机模式的系统的最优化使用。
根据一个示例，通过将压缩气体从罐推入排气歧管或连接于排气歧管和高压涡轮增压器的排气歧管管道，可增加高压涡轮增压器随着初始压缩机加速旋转的反应。排气歧管可连接于排气歧管管道或排气歧管管道可为排气歧管的一部分。在大约0.1-0.2秒的时间周期内，根据若干因素例如涡轮增压器尺寸、脉冲压力、气体管道的发动机尺寸或下面将例示的其它因素，气体被推进作为一次脉冲。脉冲的功率和时间间隔可根据所需的发动机和涡轮增压器特性而变化。因此，时间周期可能短于0.1秒或长于0.2秒。
脉冲功率而非能量对于反应是决定性的。根据一个示例，在0.1秒内向排气歧管添加12kW。这就典型地在0.1秒内加速了增压涡轮的旋转并且在0.2秒后发动机产生了所有的增压涡轮能量。实现完全效果需要罐的再填充时间，但即使罐没有完全加载也总是可得到改进的反应。理由是如果罐压力高到足以产生导致排气歧管内压力增加的脉冲则增压涡轮始终加快旋转。
将脉冲与第一阀的打开组合以避免第二管道内的低压对反应有好处。
本示例的其它优点在于可能在任何现有的涡轮增压器系统上实施，仅通过将罐系统添加于排气歧管或管道即可。
罐可通过使用可被电力或任意其它适宜方式驱动的小型压缩机再充填。例如使用排气可能实现罐的可选再充填。排气可用于驱动压缩机或本身可为用于罐内的气体。在排气峰值(blowdown peaks)期间用于加载的排气的使用可被分配给各时间段。一个选择是使用阀，优选是被控制为在排气峰值期间打开从而至少部分地充填罐的簧片阀。这种方案可为罐填充高于平均排气歧管背压大约1巴的压力。阀也可被控制为当罐中的压力超过来自发动机的排气反压力、典型地在大约1-3巴的范围内时关闭。
通过再收集在预定时间(取决于集结的排气背压)、典型地为0.5-2秒内集结的初始排气歧管背压，可进行罐的再填充。
罐阀的打开时间也可在若干参数方面被优化，例如：
-减少阀和罐的排气污染。
-当背压高于罐压时分配可能的开口
-增加系统电压以改善再填充时间。
-通过部分地清空罐来控制增压涡轮的加速量
-检测不稳定状态例如最近加速所致的更高增压涡轮速度的历史记载
此外，可选地使用进入系统或排气歧管内的高压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内时，在四汽缸发动机上始终有至少一个排气阀朝一个汽缸打开。压缩气体的导入影响了与打开阀有关的气缸，因此与不导入气体相比发动机加速旋转得慢了。同时，气体的导入加速了高压涡轮增压器的旋转。如果压缩气体是冷空气，则冷气导入汽缸会由于发动机内的热量而膨胀，这进一步增加排气歧管和排气管道中的压力，因此与气体已被加热相比高压涡轮增压器更加加速旋转。
所述系统包括连接于罐用于控制来自罐的气流的罐阀。罐阀可通过电气、液压或机械调节工具被操作以便打开和关闭阀。罐阀也可被配置为控制至罐的气流，但作为可选方案第二阀或开口可能连接于罐以便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。控制单元可连接于用于调节脉冲持续时间周期的脉冲调节单元。
可控制罐阀的参数：
例如节流阀移动和/或节流阀位置。
例如涡轮增压器RPM，其中当高压涡轮增压器具有超过预定阈值的RPM(每分钟转数)时关闭罐阀开口。不一定要测量转数/分，但可使用任何评价旋转速度的替代物。环境条件、道路摩擦力、车辆速度、选定的实际档位或换挡模式可用于控制罐阀。
也可能在泊车动作和换挡时阻止或延迟脉冲，
在开始起步期间即当车辆静止不动或以低发动机转速移动并且驾驶员快踩油门踏板表明希望快速加速且高压涡轮增压器没有加速旋转至足以为发动机提供必要的空气动力载荷至入口以产生涡轮增压的程度时，所述装置和/或方法是特别有益的。
所述装置和/或方法以下述方式改进了起步，即，使得其可能比得上带有失速起步(stalling start)的情况，即当汽车静止不动并且驾驶员刹车且同时加油，使得在起步前发动机和高压涡轮增压器加速旋转。
所述系统包括连接在罐阀与排气歧管或排气管道之间的罐管。罐的容积和压力相对管的直径和长度是必要的设计参数，因为容积和压力提供能量并且管径作为在给定容积和压力的脉冲期间增加或减少施加气体的可能量的扼流器。
当小型化发动机时大涡轮增压器是必要的设计参数，因为大涡轮增压器能够产生更多气流由此赋予了发动机更高的峰值功率。然而，大涡轮增压器相比小涡轮增压器具有更严重的反应问题，但由于所述装置和/或方法，更大的涡轮增压器在发动机热焓已经加速增压涡轮旋转之前就很好地加速旋转了。因此，所述装置和/或方法提供了消除带有高载荷压力的大涡轮增压器的反应问题的优点，因此能够小型化发动机即将发动机制造的更小并且随后燃料消费更少。
所述装置和/或方法在高空是极其有利的，其中外界空气具有低压、提供了少量排气热焓，其阻止了涡轮增压器加速旋转的可能性。由于本发明的装置和/或方法，压缩空气导入排气歧管或排气管道就加速了高压涡轮增压器的旋转，这又将外界空气压缩至发动机，其又以下述方式加速旋转，即制造排气以驱动高压涡轮增压器，这样的好处是加速旋转比得上在低空的情形。
此外，由于高压涡轮增压器的快速反应，有可能改变换挡进度以便降速，即可得到更低的发动机转速但更高的瞬间冲量，这是更快地加速旋转至高载荷压力的结果。优点是更少费心和更低摩擦力由此更少的燃料消耗。更低的发动机转速还发出更低的噪音，增加了内部和外部的舒适度。
所述装置和/或方法的另一个优点是在起停期间的快速反应，其中关闭的发动机需要额外长时间来加速旋转，因为更低的发动机转速导致热焓更低并且在启动阶段排气系统更冷。所述装置和/或方法将类似于发动机处于怠速模式下加速增压涡轮的旋转。
因为罐有时需要被再填充，如果在再填充时间内完成重复加速则会有不同的加速旋转效果。在使用所述装置和/或方法加速后，当罐完全或部分排空时，高压涡轮增压器加速旋转，并且由于高压涡轮增压器内旋转压缩机的动量，在若干秒内压缩机将继续以高RPM旋转。高压涡轮增压器的高RPM在下一启动期间是有益的，并且取决于设定的罐阀参数，如果高压涡轮增压器已经以高于预定阈值的速度旋转则可能阻止罐阀打开。作为测量高压涡轮增压器的旋转速度的可选方案，有可能在起始脉冲减速度之后计算高压涡轮增压器的旋转速度从而确定脉冲持续时间。
冷启动：一旦发动机或发动机零件已经点火在曲轴转动期间可使用所述装置和/或方法。通过将压缩气体导入排气歧管或排气管道，高压涡轮增压器加速旋转并且将压缩空气燃料推动至汽缸，因此在低温天气期间避免了低RPM的低转矩所致的已知问题。
所述装置和/或方法可用于所有车辆，与燃料的选择无关，但当以汽油驱动并且将空气导入排气歧管或排气管道时，在脉冲之前、期间和之后的短时期内在λ1下面驱动发动机是有利的。理由是补偿氧可能经由排气歧管或排气管道进入催化剂这个事实，如果过多的氧被导入催化剂则可能破坏催化剂的功能。
根据一个示例，有可能使用空气悬架系统中的压缩机和罐作为汽罐。在当今中等尺寸的普通小汽车中，当今的罐可容纳6升和13巴。罐阀随后直接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内的独立单元，则设计中可去除或去掉其它单元，例如为了节省可去掉轮胎压缩机。
微小的燃料消耗损失存在于再填充。作为示例，如果每2.5km发生一次再填充，若额外的载荷被添加于发动机则损失约为0.3％。
罐可为优选由抗污(stain resistive)钢或铝制成的灭火器型。罐排出口有利地定位在罐底部以便排水。
通过典型地为300W的小型压缩机填充罐：
所述压缩机可被放置在发动机舱的“冷区(cold zone)”或在用于冷却的空气进入系统内。典型的再填充时间可为10秒后50％或25秒后90％。罐可通过利用来自空气过滤器或用于清洁空气的内部机舱的空气再填充。
罐阀可为电力控制的快速打开/关闭类型，或串联或并联以控制脉冲的快速和慢速，或与气动底盘悬架、压缩机和填充罐的组合，或用于制动系统的气压。
系统可包括连接于罐的止回阀以便确保作为预防措施释放高于设定值的压力。
罐阀通过典型地15mm直径且相对于排气气流动方向定位在高压涡轮增压器上游的管连接于排气歧管或排气管道。排气流动方向是从发动机至高压涡轮增压器的方向。
调节工具被控制单元所控制，典型的罐释放时间是0.1-0.2秒。通过压力脉冲进行发动机功率的控制，所述脉冲是典型地以50微秒步级打开/关闭的阀打开持续时间的函数。
罐阀打开持续时间可为踏板-位置、踏板-位置-导数、发动机载荷和速度、冷却液温度、车速、档位、环境温度、高度、换挡、辅助设备打开/关闭、压力罐状态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。
罐内的状态例如由于加热、冷/热起动、填充状态等等的变化可通过使用传感器例如压力、温度传感器直接或间接地检测。可能用软件功能替换压力计、温度传感器和安全阀。
如果需要排放控制，则可能在脉冲之前或期间将脉冲期间供应的氧与催化剂氧缓冲剂、富集空气/燃料混合进行比较从而复原催化剂缓冲剂。
也可能富集空气/燃料混合物从而处理汽油发动机上的初始撞击并且进行限烟器控制以改进柴油发动机上的转矩/排放控制。
通过添加或使用现有的传感器例如入口压力、温度和λ传感器可完成检测错误或泄露脉冲系统的诊断。
安全性：15巴1L含有大约2kJ能量，对应于0.7g火药(3kJ/g)，可与小型烟花爆竹相比。
根据一个示例，以下参数是有效的：
罐内压缩空气的压力6-10巴，
罐体积:1-2L
12V的压缩机大约200-400W
脉冲持续时间:0.1-0.2秒
放泄阀/管径10-15mm
放泄阀控制：由控制单元控制的电动阀
典型的反应是0.4秒内0.4巴的增压压力
通过使用增加至初始充填的背压进行填充控制从而再填充时间典型地10-20秒
根据旨在更强大反应但更长填充时间的另一示例，以下参数是有效的：
罐内压缩空气的压力10-15巴，
罐体积:4-6L
12V的压缩机大约400-600W
脉冲持续时间：0.1-0.3秒
放泄阀/管径15-25mm
放泄阀控制：由控制单元控制的电动阀
典型的反应是0.4秒内1.4巴的增压压力
通过使用增加至初始充填的背压进行填充控制从而再填充时间典型地30-60秒
又一个示例中：
2.0L的五汽缸柴油发动机，7.5巴气压的2.3L罐，以及400W的电动压缩机。
在0.1秒内释放气罐的80％，在0.2秒内增压涡轮增速100000rpm。
增压压力是0.3秒后0.5巴并且0.5秒后车辆加速度超过5m/s2。
在0.6秒后发生车轮旋转。
所述装置和/或方法可与变矩器(torque converter)很好地组合，以使发动机能够达到最大转矩的速度。
罐阀可被配置为以下述方式被控制，即，使在一次或多次脉冲期间仅从罐释放一部分压力。好处是能够用脉冲控制发动机反应。在释放期间，罐阀被配置为完成一次或多次打开过程即一次或多次脉冲。脉冲对应于罐阀打开时间，并且已经证明至少一次打开时间长于50微妙是有利的从而保护打开/关闭控制。
罐阀还可被配置为以下述方式被控制，即，使仅释放一部分压力。罐阀可被配置为仅打开最大开放区域的一部分以便用所述阀打开区域控制发动机反应。
附图说明
下面结合若干附图描述装置和/或方法，其中：
图1示意性地示出带有根据第一示例的涡轮增压器系统的发动机；
图2示意性地示出带有根据第二示例的涡轮增压器系统的发动机，并且其中：
图3示意性地示出带有根据第三示例的涡轮增压器系统的发动机。
具体实施方式
图1示意性地示出带有根据第一示例的涡轮增压器系统2的发动机1。涡轮增压器系统2包括高压涡轮增压器3和低压涡轮增压器4。高压和低压涡轮增压器3，4均由涡轮增压器3，4的排气侧5上的排气驱动。排气的流向如实线箭头所示。高压和低压涡轮增压器3，4都被配置为当排气驱动涡轮增压器3，4时压缩涡轮增压器3，4的空气进入口侧6上的空气。入口空气流向如点状箭头所示。高压涡轮增压器3相对于排气气流定位在低压涡轮增压器4上游并且相对于空气流定位在低压涡轮增压器4的下游。涡轮增压器系统2包括将低压涡轮增压器4连接于高压涡轮增压器3以便它们之间在空气进入侧6上流体连通的第一管路系统7和将高压涡轮增压器3连接于低压涡轮增压器4以便它们之间在排气侧5上流体连通的第二管路系统8。第一管路系统7包括第一管道9，第一管道9连接于低压涡轮增压器4的入口10和入口空气。第一管路系统7包括第二管道11，第二管道11将低压涡轮增压器4的出口12连接于高压涡轮增压器3的入口13。第一管路系统7包括在一个末端上连接于第二管道11并且在另一末端上连接于入口空气的第一旁通管14以及定位在第一旁通管14中用于控制至第二管道11的空气流的第一阀15。
第一旁通管14被配置为在第二管道11中的压力低于第一管道9中的压力时的预定事件期间旁通绕过低压涡轮增压器4。
在图1中，第一旁通管14在一个末端上连接于第二管道11并且在另一末端上连接于第一管道9。然而，第一旁通管14可在一个末端上连接于第二管道11并且在另一末端上连接于基本上直接连接于外界空气的不同的管或管系统。通常地，用于空气进入的管系统包括过滤器和能调节空气的其它装置例如加热器和/或冷却器。
根据一个示例，第一阀15是当第二管道11内相对第一管道9存在更低压力时——即与第一管道9相比第二管道11内为低压时的被动阀。当低压涡轮增压器4与高压涡轮增压器同步即已经增加转速至消除低压的速度时第一阀15随后关闭第一旁通管14，因此为高压涡轮增压器3提供了足量的空气。例如当发动机1已经到达新的状态时，低压涡轮增压器4在第二管道11内提供超压，于是帮助高压涡轮增压器3填充入口空气。有很多其中低压涡轮增压器4产生超压的发动机模式，并且有一些其中低压涡轮增压器4反应不如高压涡轮增压器3迅速于是在第二管道11内产生低压的发动机模式。说明书中未体现所有的情形，但应当指出使用第一被动阀15的优点是当存在低压时即当相对第一管道9来说更低的压力存在于第二管道11中时这种阀将自动地产生低压涡轮增压器的旁路。
在图1中，第一管路系统7包括空气进入管管道17，空气进入管管道17连接高压涡轮增压器3的出口18与空气进入侧6上发动机1的进气歧管19。第一管路系统7包括将第二管道11连接于空气进入管管道17的第二旁通管20。第一管路系统7包括定位在第二旁通管20中用于控制从第二管道11至进气歧管19的气流的第二阀21。第二阀21被配置为当第二管道11中的压力高于高压涡轮增压器3后面的空气进入管管道17中的压力时打开，使得高压涡轮增压器不阻碍空气流。
在图1中，第二管路系统8包括排气歧管管道22，排气歧管管道22连接发动机1的排气歧管23与高压涡轮增压器3的入口24。第二管路系统8包括第三管道25，第三管道25连接高压涡轮增压器3的出口26与低压涡轮增压器4的入口27。第二管路系统8包括将排气歧管管道22连接于第三管道25的第三旁通管28。第二管路系统8包括用于控制排气歧管管道22与第三管道25之间排气气流的第三阀29。第三阀29被配置为当高压涡轮增压器3已经到达旋转速度的上限时或每当要提高涡轮增压器系统2的效率时打开。
参照上述示例，如果第二阀打开，那么第一和/或第三阀也可被打开从而不阻碍空气流。此外，对于图1-3中的所有示例来说，涡轮增压器系统可包括在排气侧上旁通绕过低压涡轮增压器的第四旁通管(未示出)。额外的阀可连接于第四旁通阀并且所述阀可为连接于控制单元的类似于第一、第二或第三阀的被动或主动阀。第四阀可与其它阀组合地被打开和关闭，以便根据发动机模式找到系统的最优化使用。
在图1中，第一旁通管14包括将第二管道11连接于第一阀15的第一部分14a和将第一阀连接于第一管路系统7的第二部分14b。
图2示意性地示出带有根据第二示例的涡轮增压器系统2的发动机1。图2示出与图1相同的元件，但不同的是第一旁通管14在一个末端上连接于第二管道11并且在另一末端上基本上直接连接于外界空气。此时，基本上直接连接于外界空气可意味着管路系统包括装置例如过滤器、加热器、冷却器等，或可意味着直接连接于外界空气。在图2中，第一旁通管14包括将第二管道11连接于第一阀15的第一部分14a和将第一阀基本上直接连接于外界空气的第二部分14b。
图3示意性地示出带有根据第三示例的涡轮增压器系统2的发动机1。图3示出与图1相同的元件，但第一旁通管可选地如图2所述配置。
除了图1或2外，图3示意性地示出涡轮增压器系统2包括控制单元16并且第一阀15是由控制单元控制的主动阀。控制单元16被配置为当第二管道11内存在或预期相对于第一管道9的更低压力或低压时打开第一阀15。此时，控制单元16可包括在第二管道内存在或预期低压的有关特定发动机模式的信息。所述信息可能基于与某个发动机参数有关的经验信息。所述信息可能基于由某个发动机参数进行的计算。所述信息可基于来自发动机或连接于发动机的装置内的一个或多个传感器的信息，例如节流阀、油门位置、一个或两个涡轮增压器的旋转速度等。使用主动阀的一个优点是反应变得更敏捷了，因为由于所述阀不必像被动阀那样由于低压而触发，因此可完全避免第二管道内的低压。第一管路系统7可包括用于感应低压的传感器(未示出)并且所述传感器可有利地连接于控制单元16以便提供信息。
除了图1或2外，图3示意性地示出涡轮增压器系统2包括用于压缩气体的罐30。罐30与排气歧管管道22流体连通。罐30被配置为在用于初始涡轮机和压缩机在高压涡轮增压器3内加速旋转的预定脉冲持续时间周期内将压缩气体推入排气歧管23由此推入排气歧管管道22。
在图3中，罐30经由管31连接于排气歧管23并与其流体连通。然而罐30可经由管31直接连接于排气歧管管道或排气歧管系统的与高压涡轮增压器3流体连通的任何其它部分。在图3中，罐30被配置为在用于初始压缩机在高压涡轮增压器3内加速旋转的预定脉冲持续时间周期内将压缩气体推入排气歧管23。罐30可通过使用压缩机32被再填充以便将空气压缩进入罐30。压缩气体可为空气、排气或任意其它适宜的气体。
图3示出系统包括连接于用于调节脉冲持续时间周期的脉冲调节单元的控制单元16。
图3示出系统包括连接于罐30的罐阀33，其中罐阀33被脉冲调节单元所控制。
参照图1-3，第一管路系统7可包括经由过滤器和/或其它空气调节装置将低压涡轮增压器3连接于外界空气的进入管系统7a。在图1-3中，第一管道9连接于进入管系统7a，但进入管系统7a可包括第一管道9。在某些发动机状态例如高发动机载荷或发动机旋转期间需要大量进入空气，并于是进入管系统7a可能由于例如直径、长度、弯头、过滤器36、连接设备37受到供应空气限制，因此当涡轮增压器加速旋转时第一管道9内存在低压。涡轮增压器系统2可包括连接于第一管道9与基本上直接至外界空气之间的第四阀34。第四阀34被配置为基本上直接朝至外界空气打开以便旁通绕过进入管系统7a，从而确保外界空气充分流入涡轮增压器并且由此消除第一管道内的低压。第四阀34可定位在第一管道9与第一管路系统7a之间，如图1-3所示。第四阀34于是还例如经由空气管35基本上直接连接于外界空气并且第四阀34可在外界空气35与进入管系统7a之间切换。作为可选方案，第四阀34可基本上直接朝外界空气打开而不关闭进入管系统7a，即同时容许空气流从进入管系统7a至第一管道9。作为另一可选方案，(未示出)进入管系统7a和/或第一管道9可连接于基本上直接连接于外界的空气管35从而避免在所述发动机状态期间第一管道9内的低压。第四阀可于是配置在所述空气管内，作为打开和关闭空气管内空气流的接通和切断阀。在所有示例中，第四阀可被均具有发动机状态信息的控制单元16或独立控制单元所控制。第四阀也可为当第一管道内有低压时打开的被动阀。在通过第二旁通管绕过低压涡轮增压器期间可旁通绕过空气进入管系统，否则第一管道内具有低压。可与基本上直接连接于外界空气而不连接于第一管道的第一旁通管组合地制作根据以上所述的空气进入管的旁路，如图2所示。此时，优点是第一管道和第二管道随后均连接于基本上具有相同压力的空气源、外界空气。如前所述，如果第一旁通管根据图1和3连接于第一管道则也存在该优点。所述配置在根据图3将罐内的压缩气体推入排气歧管期间也是有利的，因为系统内没有低压阻碍高压涡轮增压器的加速旋转。
应当注意“基本上直接至外界空气”意味着在连接于外界空气的管道内没有或几乎不经历压力损失。

Claims (11)

1.一种用于车辆的涡轮增压器系统(2)，所述系统(2)包括高压涡轮增压器(3)和低压涡轮增压器(4)，所述高压和低压涡轮增压器(3，4)二者均由所述涡轮增压器(3，4)的排气侧(5)上的排气驱动，所述高压和低压涡轮增压器(3，4)都被配置为当排气驱动所述涡轮增压器(3，4)时压缩所述涡轮增压器(3，4)的空气进入口侧(6)上的空气，所述高压涡轮增压器(3)相对于排气气流定位在所述低压涡轮增压器(4)的上游并且相对于空气流定位在所述低压涡轮增压器(4)的下游，所述涡轮增压器系统(2)包括将所述低压涡轮增压器(4)连接于所述高压涡轮增压器(3)以便它们之间在空气进入口侧(6)上流体连通的第一管路系统(7)以及将所述高压涡轮增压器(3)连接于所述低压涡轮增压器(4)以便它们之间在排气侧(5)上流体连通的第二管路系统(8)，所述第一管路系统(7)包括第一管道(9)，所述第一管道(9)连接于所述低压涡轮增压器(4)的入口(10)以及连接于入口空气，所述第一管路系统(7)包括第二管道(11)，所述第二管道(11)将所述低压涡轮增压器(4)的出口(12)连接于所述高压涡轮增压器(3)的入口(13)，其特征在于：
所述涡轮增压器系统(2)包括与排气歧管管道(22)流体连通的排气歧管(23)，其中，所述涡轮增压器系统包括与所述排气歧管(23)流体连通的罐(30)，其中，所述罐(30)被配置为在压缩机在所述高压涡轮增压器(3)内初始加速旋转的预定脉冲持续时间周期内将压缩气体作为脉冲推入所述排气歧管(23)，并且
其中，一控制单元(16)连接于脉冲调节单元，用于调节脉冲持续时间周期，并且
其中，一罐阀(33)连接于所述罐(30)，其中，所述罐阀(33)由所述脉冲调节单元控制，并且
其中，所述第一管路系统(7)包括在一个末端上连接于所述第二管道(11)和在另一末端上基本上直接连接于外界空气的第一旁通管(14)以及定位在所述第一旁通管(14)中的第一阀(15)，所述第一阀(15)被配置为打开以容许空气流基本上直接从外界空气到达所述第二管道(11)，并且其中，将脉冲与第一阀(15)的打开组合以避免第二管道(11)内的低压。
2.根据权利要求1所述的涡轮增压器系统(2)，其中所述第一旁通管(14)在一个末端上连接于所述第二管道(11)并且在另一末端上基本上直接连接于外界空气，或其中所述第一旁通管(14)在一个末端上连接于所述第二管道(11)并且在另一末端上连接于所述第一管道(9)并且其中所述第一管道(9)基本上直接连接于外界空气。
3.根据权利要求1或2所述的涡轮增压器系统(2)，其中所述第一阀(15)是当所述第二管道(11)中的压力低于所述第一管道(9)中的压力时打开的被动阀。
4.根据权利要求1或2所述的涡轮增压器系统(2)，其中所述第一阀(15)是被所述控制单元(16)控制的主动阀，其中所述控制单元(16)被配置为当所述第二管道(11)内存在或预期相对于所述第一管道(9)的更低压力时打开所述第一阀(15)。
5.根据权利要求1或2所述的涡轮增压器系统(2)，其中所述第一管路系统(7)包括空气进入管管道(17)，所述空气进入管管道(17)连接所述高压涡轮增压器(3)的出口(18)与发动机(1)在所述空气进入侧(6)上的进气歧管(19)，其中所述系统包括将所述第二管道连接于所述空气进气歧管(19)的第二旁通管(20)，其中所述第一管路系统(7)包括定位在所述第二旁通管(20)中的第二阀(21)，用于控制从所述第二管道(11)至所述空气进气歧管(19)的空气流，其中所述第二阀(21)被配置为当所述第二管道(11)中的压力高于所述高压涡轮增压器(3)后面的所述进入管管道(17)中的压力时打开。
6.根据权利要求1或2所述的涡轮增压器系统(2)，其中所述第二管路系统(8)包括排气歧管管道(22)，所述排气歧管管道(22)将发动机(1)的排气歧管(23)与所述高压涡轮增压器(3)的入口相连接，其中所述第二管路系统(8)包括第三管道(25)，所述第三管道(25)将所述高压涡轮增压器(3)的出口与所述低压涡轮增压器(4)的入口相连接，所述第二管路系统(8)包括将所述排气歧管管道(22)连接于所述第三管道(25)的第三旁通管(28)，其中所述第二管路系统(8)包括用于控制所述排气歧管管道(22)与所述第三管道(25)之间排气气流的第三阀(29)，其中所述第三阀(29)被配置为当所述高压涡轮增压器(3)已经到达旋转速度的上限时或每当要提高所述涡轮增压器系统(2)的效率时打开。
7.一种控制用于车辆的涡轮增压器系统(2)的方法，所述系统(2)包括高压涡轮增压器(3)和低压涡轮增压器(4)，所述高压和低压涡轮增压器(3，4)均由所述涡轮增压器(3，4)的排气侧(5)上的排气驱动，所述高压和低压涡轮增压器(3，4)都被配置为当排气驱动所述涡轮增压器(3，4)时压缩所述涡轮增压器(3，4)的空气进入口侧(6)上的空气，所述高压涡轮增压器(3)相对于所述排气气流定位在所述低压涡轮增压器(4)的上游并且相对于空气流定位在所述低压涡轮增压器(4)的下游，所述涡轮增压器系统(2)包括将所述低压涡轮增压器(4)连接于所述高压涡轮增压器(3)用于它们之间在所述空气进入口侧(6)上流体连通的第一管路系统(7)以及将所述高压涡轮增压器(3)连接于所述低压涡轮增压器(4)用于它们之间在所述排气侧(5)上流体连通的第二管路系统(8)，所述第一管路系统(7)包括第一管道(9)，所述第一管道(9)连接于所述低压涡轮增压器(4)的入口(10)以及连接于入口空气，所述第一管路系统(7)包括第二管道(11)，所述第二管道(11)将所述低压涡轮增压器(4)的出口(12)连接于所述高压涡轮增压器(3)的入口(13)，并且，所述系统(2)包括与排气歧管管道(22)流体连通的排气歧管(23)，其中，所述涡轮增压器系统包括与所述排气歧管(23)流体连通的罐(30)，其中，所述罐(30)在压缩机在所述高压涡轮增压器(3)内初始加速旋转的预定脉冲持续时间周期内将压缩气体作为脉冲推入所述排气歧管(23)，并且，一控制单元(16)连接于脉冲调节单元，用于调节脉冲持续时间周期，并且其中，一罐阀(33)连接于所述罐(30)，该方法包括由所述脉冲调节单元控制所述罐阀(33)的步骤，并且所述第一管路系统(7)包括在一个末端上连接于所述第二管道(11)和在另一末端上基本上直接连接于外界空气的第一旁通管(14)和定位在所述第一旁通管(14)中的第一阀(15)，其中，该方法包括将脉冲与第一阀(15)的打开组合以避免第二管道(11)内的低压的步骤。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述第一旁通管(14)在一个末端上连接于所述第二管道(11)并且在另一末端上基本上直接连接于外界空气，或其中所述第一旁通管(14)在一个末端上连接于所述第二管道(11)并且在另一末端上连接于所述第一管道(9)并且其中所述第一管道(9)基本上直接连接于外界空气。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其中所述第一阀(15)是当所述第二管道(11)中的压力低于所述第一管道(9)中的压力时打开的被动阀。
10.根据权利要求7或8所述的方法，其中所述第一阀(15)是被所述控制单元(16)控制的主动阀，其中当所述第二管道(11)中存在或预期相对于所述第一管道(9)的更低压力时所述控制单元(16)打开所述阀。
11.根据权利要求7或8所述的方法，其中所述第一旁通管(14)在一个末端上连接于所述第二管道(11)并且在另一末端上基本上直接连接于外界空气，或其中所述第一旁通管(14)在一个末端上连接于所述第二管道(11)并且在另一末端上连接于所述第一管道(9)并且其中所述第一管道(9)基本上直接连接于外界空气。
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