CN105840296A - 具有改进涡轮响应的双涡道涡轮增压器设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适于具有至少一个燃烧室的内燃发动机的双涡道涡轮增压器设备。双涡道涡轮增压器设备包括包含涡轮叶轮的涡轮部；第一涡轮涡道和第二涡轮涡道；允许控制通过第一涡轮涡道的排气流的第一涡轮涡道阀；包含压缩机入口的压缩机部；压缩机出口；适于将从压缩机入口接收的空气增压并通过压缩机出口给至少一个燃烧室提供增压空气的压缩机叶轮。双涡道涡轮增压器设备还包括适于存储增压气体的容器；与容器和涡轮部流体连通从而将来自容器的增压空气可控地提供至第一涡轮涡道阀和涡轮叶轮之间的第一容器入口的容器管道。

Description

具有改进涡轮响应的双涡道涡轮增压器设备

技术领域

本发明涉及双涡道涡轮增压器设备以及包括这种涡轮增压器设备的内燃发动机。

背景技术

使用涡轮增压器通过利用排气压力驱动涡轮机进而驱动压缩机使进气空气增压能提高内燃发动机效率是已知的。

但是，早期的涡轮增压器通常只在低RPM下提供不充分的进气空气增压，并且明显表现出所谓的“增压滞后”(响应于节流阀改变所需要的用于改变功率输出的时间)。

一种扩大提供明显增压的运行范围(以RPM为单位)的方案是使用所谓的双涡道涡轮增压器，其中排气通过两个独立的涡道被引到涡轮增压器的涡轮叶轮。该方案能缩小燃烧室和涡轮叶轮之间的流道的最小横截面积，从而在低RPM下提供到涡轮叶轮的相对高的排气流动速度。

为了改善涡轮响应(减少增压滞后)，已经建议给涡轮增压器的涡轮机提供增压空气。例如，DE 10210053057公开了一种涡轮增压器设备，其中增压空气被从存储容器提供至涡轮机，从而快速地提高涡轮叶轮的转速。

尽管根据DE 10210053057的涡轮机看上去能够减少增压滞后，但是提供进一步减少的增压滞后和/或更能量有效地减少增压滞后是期望的。

发明内容

鉴于现有技术的前述和其他缺点，本发明的一个目标是提供改进的内燃发动机涡轮增压，特别是提供涡轮增压器中减少的增压滞后和/或增压滞后的更能量有效的减少。

根据本发明的第一方面，提供一种用于具有至少一个燃烧室的内燃发动机的双涡道涡轮增压器设备，该双涡道涡轮增压器设备包括：涡轮部，其包含：涡轮叶轮；适于从至少一个燃烧室接收排气并朝着涡轮叶轮引导排气以使涡轮叶轮旋转的第一涡轮涡道和第二涡轮涡道；以及适于控制排气经第一涡轮涡道的流动的第一涡轮涡道阀；压缩机部，其包含：压缩机入口；压缩机出口；以及适于将从压缩机入口接收的空气增压并通过压缩机出口给至少一个燃烧室提供增压空气的压缩机叶轮，压缩机叶轮被耦接到涡轮叶轮以响应于涡轮叶轮的旋转而旋转；适于存储增压空气的容器；与容器和涡轮部流体连通以便将来自容器的增压空气提供至第一涡轮涡道的第一容器入口的容器管道，第一容器入口位于第一涡轮涡道阀和涡轮叶轮之间；允许控制通过容器管道的增压气体流的容器管道阀。

朝涡轮叶轮独立地引导排气的第一和第二涡轮涡道可例如并排地布置，或沿径向被分开。

第一和第二涡轮涡道可以具有不同的最小流动横截面，从而针对给定的排气质量流提供不同的流速(flow speeds)。

通过第一涡轮涡道阀，能阻止来自燃烧室的排气的流经过第一涡轮涡道到达涡轮叶轮。

涡轮叶轮通常可被涡轮壳体包围，第一和第二涡轮涡道可形成在涡轮壳体中。

本发明基于以下认识：通过在涡轮叶轮的上游临时形成相对小的“压力腔”，并将来自容器的空气喷入该“压力腔”内，能快速高效地实现涡轮叶轮两侧的期望压力差。本发明人还认识到：通过提供第一涡轮涡道阀和位于第一涡轮涡道阀与涡轮叶轮之间的容器入口，该相对小的压力腔能通过关闭该第一涡轮涡道阀而临时地形成。

在DE 10210053057中所公开的涡轮增压器设备中，通过两个涡轮涡道以及内燃发动机的排气歧管形成了相当大的压力腔，在实现涡轮增压器的涡轮叶轮的转速的期望提高之前，要求相当大的增压空气体积被喷入。

因此，根据本发明的双涡道涡轮增压器设备的实施例利用相对少量的增压空气提供了涡轮叶轮转速的快速增加。这又允许使用较小的增压气体容器和/或允许花费较少的能量给容器供应增压气体。因此，本发明的实施例提供涡轮增压器的更快和/或更能量有效的操作。

根据本发明的多个实施例，双涡道涡轮增压器设备还可包括与压缩机部和涡轮机部流体连通的旁通管道，以将来自压缩机部的增压空气提供给第一涡轮涡道中的位于第一涡轮涡道阀和涡轮叶轮之间的第一旁通入口；以及允许控制通过旁通管道的增压空气流的旁通管道阀。

通过旁通管道，来自压缩机部的增压空气能被用于提高通过涡轮机的质量流，这可特别有利于在相对低的RPM下提高由涡轮增压器提供的功率增大。另外，允许由压缩机提供的一部分增压空气旁通进入涡轮部使得能提高流过压缩机部的质量流，这又减少了所谓的压缩机喘振的风险。同时，被旁通的增压空气所携带的能量在涡轮部中被回收，提供根据本发明的涡轮增压器的进一步改善的能量效率。

在实施例中，第一容器入口和第一旁通入口可以作为第一公共入口被提供，这可以节省第一涡轮涡道中的空间和/或有利于第一涡轮涡道的设计。

另外，根据多个实施例，涡轮部还可包括允许控制排气经第二涡轮涡道的流动的第二涡轮涡道阀。

设置第二涡轮涡道阀还允许对经第二涡轮涡道的流进行控制，这在控制涡轮增压器设备的运行方面提供更多自由。

在实施例中，上述旁通管道可以提供从压缩机部到第二涡轮涡道，到布置在第二涡轮涡道阀和涡轮叶轮之间的第二涡轮涡道入口的可控的增压空气的流体流。

在其他实施例中，可以在压缩机部和第二涡轮涡道之间设置又一旁通管道，使得增压空气可以从压缩机部被提供至第一和第二涡轮涡道中被选定的一个或两个。

另外，根据本发明多个实施例的双涡道涡轮增压器设备可以被包含在内燃发动机中，所述内燃发动机还包含：至少一个排气室；将至少一个排气室与双涡道涡轮增压器设备的第一和第二涡轮涡道相连接的第一流动装置(first flow arrangement)，用于提供从至少一个排气室到双涡道涡轮增压器设备的涡轮叶轮的排气；将双涡道涡轮增压器设备的压缩机出口与至少一个排气室相连接的第二流动装置，用于给至少一个排气室提供增压空气；用于致动第一涡轮涡道阀的第一涡道阀致动器；用于致动容器管道阀的容器阀致动器；以及发动机控制单元，其具有：用于获取指示内燃发动机期望运行的信号的输入；分别被连接到第一涡道阀致动器和容器阀致动器的第一和第二输出，用于根据内燃发动机的期望运行控制第一涡轮涡道阀和容器管道阀的流体流设置(fluid flow settings)。

当所获取的信号指示期望来自内燃发动机的增大的输出功率时，发动机控制单元可以有利地控制第一涡道阀致动器以限制经过第一涡轮涡道阀的流；且控制容器阀致动器以允许从容器流入第一涡轮涡道阀内的气体流。

在预定的时间段内，其有利地可以短于一秒，发动机控制单元可再次关闭容器阀。

为了高效的运行，提供相对小的容器的使用，发动机控制单元可以被配置以控制容器阀保持第一涡轮涡道内的压力低于大约6巴(600kPa)。甚至更有利地，发动机控制单元可以被配置以控制容器阀保持第一涡轮涡道内的压力低于大约4巴(400kPa)。因此，涡轮的操作能关于能量效率被优化。这能依据容器阀的配置以多种方式被实现。例如，容器阀能被部分地打开，或者容器阀能被控制以指定的占空比在全关和全开之间切换，从而实现第一涡轮涡道内的期望压力。

根据本发明的第二方面，提供一种控制根据本发明的内燃发动机的运行的方法，包括步骤：由发动机控制单元获取指示内燃发动机的期望运行的信号；由发动机控制单元评估所获取的信号；由发动机控制单元基于所述评估控制第一涡道阀致动器和容器阀致动器，从而实现支持期望运行的第一涡道阀和容器管道阀的流体流设定。

根据本发明的方法的实施例，各种管道阀的控制顺序可例如如下：

-关闭第一涡道管道阀(除非它已经被关闭)；

-关闭旁通管道阀(除非它已经被关闭)；

-打开容器管道阀；

-关闭容器管道阀；

-打开旁通管道阀；

-关闭旁通管道阀(除非ECU确定第一涡道管道阀应当保持关闭)；

-打开第一涡道管道阀(除非ECU确定第一涡道管道阀应当保持关闭)。

例如由ECU进行的以上控制顺序在以下情况是有利的，即，确定为了实现最大转矩需要通过(经由旁通管道)持续供应增压气体的容器管道阀的操作提供来自容器的增压气体的“脉冲”之后，发动机的RPM仍然很低的情况。例如，这可能是在使用手动变速箱以及驾驶员在低发动机速度下松开加速器的情形。

本发明的第二方面的实施例和变型很大程度对应于本发明第一方面的上述的实施例和变型。

总之，根据本发明的各个实施例涉及具有至少一个燃烧室的内燃发动机的双涡道涡轮增压器设备。双涡道涡轮增压器设备包括涡轮部，其包含：涡轮叶轮；第一涡轮涡道和第二涡轮涡道；以及用于控制通过第一涡轮涡道的排气流的第一涡轮涡道阀；压缩机部，其包含：压缩机入口；压缩机出口；以及用于将从压缩机入口接收的空气增压并通过压缩机出口给至少一个燃烧室提供增压空气的压缩机叶轮。双涡道涡轮增压器设备还包括用于存储增压气体的容器；将容器与涡轮部流体连通的容器管道，用于将来自容器的增压空气可控地提供至位于第一涡轮涡道阀和涡轮叶轮之间的第一容器入口。

本文中的关闭和打开位置被认为也包含基本关闭或基本打开位置。在涡轮增压器系统和使用阀的类似物中，例如由于制造容差和热效应，各个阀气密地关闭各个管道、入口、出口或类似物通常不是必须的或者是不可能的。

附图说明

本发明的这些和其他方面将参考示出了本发明示例实施例的附图被更详细地描述，其中：

图1示意地示出了包含根据本发明示例实施例的双涡道涡轮增压器设备的内燃发动机(ICE)；

图2是示意地显示了根据本发明示例实施例的方法的流程图。

具体实施方式

在目前的详细描述中，根据本发明的涡轮增压器、内燃发动机(ICE)以及方法的多个实施例主要参考具有并排布置的第一和第二涡轮涡道的双涡道涡轮增压器设备被描述，其中从燃烧室经第一涡轮涡道的流动藉由第一涡轮涡道阀是可控的。另外，单个排气歧管被示出将所有的燃烧室与第一和第二涡轮涡道二者耦接。

应当明白这不是限制本发明的范围，例如本发明还包括具有以不同的彼此关系被布置的第一和第二涡轮涡道的双涡道涡轮增压器设备，比如相对于涡轮叶轮沿径向偏置布置。另外，第二涡轮涡道也可以被设置有涡道阀，并且从燃烧室经第二涡轮涡道的流动也可以是可控的。另外，ICE可以具有两个独立的排气歧管，可分别连接到第一和第二涡轮涡道中的相应一个上。在所述实施例中，第一涡轮涡道阀可以被有利地配置为当关闭第一涡轮涡道时(基本上防止排气流过第一涡轮涡道阀)将两个排气歧管连接到第二涡轮涡道。

图1示意地画出了包含双涡道涡轮增压器设备(涡轮设备)2、若干个燃烧室3、进气歧管4、排气歧管5以及用于控制ICE的运行的发动机控制单元(ECU)20。

涡轮设备2包括涡轮部7、压缩机部8、用于存储增压气体的容器9。涡轮部7包括涡轮叶轮10、第一涡轮涡道11a、第二涡轮涡道11b、以及第一涡轮涡道阀12。压缩机部包括压缩机入口14、压缩机出口15、以及压缩机叶轮16。在图1中的示例实施例中，涡轮设备2包括包围涡轮叶轮10和压缩机叶轮16并在涡轮设备2中形成不同的流体流动路径的涡轮壳体18。另外，涡轮叶轮10和压缩机叶轮16通过轴19连接，从而使得涡轮叶轮10的旋转引起压缩机叶轮16的旋转。

如图1中所示，容器9通过容器管道21流体连通到第一涡轮涡道11a。沿着容器管道21设置容器管道阀22，用于控制增压气体经容器管道的流动。在图1中所示的容器管道21上的示意框(以及图1中其他管道上的示意框等等)应当被理解为表示能利用电信号被控制的阀，且可包括机械阀和用于致动该阀的致动器。应当注意：合适的可控制阀的设计和配置也落入发动机设计领域的技术人员可实现的范围内。

另外，涡轮设备2包括与压缩机部8和涡轮部7流体连通的旁通管道24，用于从压缩机部8给涡轮涡道11a提供增压空气。沿着旁通管道24设置旁通管道阀25，用于控制增压空气通过旁通管道24的流动。

在目前所示的示例实施例中，容器管道21和旁通管道24经被布置在第一涡轮涡道阀12和涡轮叶轮10之间的第一公共入口26被流体连通到第一涡轮涡道11a。

如图1中示意地所示，ECU 20包括用于获取指示ICE 1的期望运行的信号的输入28、被连接到第一涡轮涡道阀12的第一输出29、被连接到容器阀22的第二输出30、以及被连接到旁通阀25的第三输出31。虽然在图1中没有示出，但是应当明白ECU通常包括处理电路，比如一个或若干个微处理器，以及存储器。

在运行中，来自燃烧室3的排气经排气歧管5被提供至涡轮设备2的涡轮部7。具体地，排气通过第一涡轮涡道11a和第二涡轮涡道11b的至少一个朝着涡轮叶轮10引导。排气使得涡轮叶轮旋转，然后朝着排气系统离开涡轮设备2，如图1中实心箭头所示。

因为涡轮叶轮10和压缩机叶轮16通过轴19连接，因此涡轮叶轮10的旋转将引起压缩机叶轮16的旋转，从而使从压缩机入口15接收的空气被增压，并且增压空气经进气歧管4被提供至燃烧室3，如图1中所示。

根据ICE的期望运行，可能期望修改涡轮设备2中的流动路径以响应于ICE的期望运行的变化影响从压缩机部8到燃烧室的空气质量流和/或空气质量流的变化。

为此，ECU可以被配置为，例如通过在ECU的存储器中存储的一组指令，根据通过ECU的输入28所接收到的指示期望运行的信号控制第一涡轮涡道阀12、容器阀22和旁通阀25的一个或若干个。

例如，当输入28处的信号指示ICE在低RPM下的稳态运行时，ECU可以控制第一涡轮涡道阀12处于其关闭状态以提高经过第二涡轮涡道的流体速度，并使旁通阀25处于其打开状态以允许压缩机部8中的部分增压空气被转移到在已关闭的第一涡轮涡道阀12和涡轮叶轮10之间的第一涡轮涡道内。这将提供用于经过涡轮部7的增大的质量流，并抵消压缩机喘振(surge)。这些措施在低RPM稳态运行期间提供了被改善的ICE效率。

当输入28处的信号指示RPM相对缓慢地提高到ICE在高RPM下的稳态运行时，ECU可以，根据前述的被存贮的指令组，控制第一涡轮涡道阀12打开第一涡轮涡道11a，并控制旁通管道阀25关闭旁通管道24。

用于响应输入28处指示期望的高加速的信号控制图1中ICE的方法的示例实施例将额外地参考图2中的流程被描述。

在第一步骤100中，指示ICE的期望运行的信号由ECU20通过输入28获取。根据一个例子，该信号可以从一个或更多个感测加速器位置的传感器发出。在后续步骤101中，确定所获取的信号是否指示期望高的加速度。

如果不是这种情形，即如果期望加速度例如被确定是低于预定阈值，则该方法返回第一步骤100并继续获取输入信号。

另一方面，如果在步骤101中确定高于预定阈值的加速度是期望的，则该方法在步骤102中执行确定第一涡道阀12是否打开。

如果确定第一涡道阀12打开，该方法执行到步骤103，其中通过提供从ECU的第一输出29至第一涡道阀12的信号关闭第一涡道阀。

在第一涡道阀12已经在步骤103中被关闭之后，在步骤104中通过提供从ECU的第二输出30至容器阀22的信号打开容器阀22。

作为关闭第一涡道阀12且打开容器阀22的结果，来自容器9的增压空气将流入第一涡道阀12和涡轮叶轮10之间的相对小的空间内，并快速地提高涡轮叶轮10的转速，从而产生非常快的涡轮响应。因为第一涡道阀12和涡轮叶轮10之间的空间是如此小(例如比第一和第二涡轮涡道和排气歧管5一起要小得多)，因此相对少量的增压空气需要从容器9被供应以实现涡轮叶轮10的转速上的期望的快速增加。因此，可使用相对小的容器9，且用增压气体比如空气重新填充容器9所需要的能量较少。

在排气歧管5中的排气压力积聚从而使得不再需要来自容器9的额外增压来维持涡轮叶轮旋转的必要时间之后，在步骤105中容器阀22被再次关闭，第一涡道阀12在步骤106中被打开。然后，该方法返回步骤100。

其中第一涡道阀12被控制关闭且容器阀22被控制打开的时间段可以取决于ICE的配置以及其他因素，比如ICE的运行点。典型的时间段可以少于一秒，比如大约半秒。

如果在步骤102中确定第一涡道阀12已经被关闭，该方法则执行到步骤107和108，从而像关于步骤104和105所描述那样打开和关闭容器阀22。

本领域技术人员意识到本发明绝不被限制为上述的优选实施例。相反，在后附权利要求的范围内很多修改和变化是可能的。

在权利要求中，词语“包括”不排除其他元素或步骤，不定冠词“a”或“an，，不排除复数。单个处理器或其他单元可能满足权利要求中所述多项功能。不同的从属权利要求中被相互提及的某些手段不表示这些手段的组合不能被有利地使用。权利要求中的任何附图标记应当不被理解为限制其范围。

Claims (15)

1.一种用于具有至少一个燃烧室的内燃发动机的双涡道涡轮增压器设备，所述双涡道涡轮增压器设备包括：

涡轮部，其包含：涡轮叶轮；适于从所述至少一个燃烧室接收排气并朝着所述涡轮叶轮引导所述排气以使所述涡轮叶轮旋转的第一涡轮涡道和第二涡轮涡道；适于允许控制通过第一涡轮涡道的所述排气的流的第一涡轮涡道阀；

压缩机部，其包含：压缩机入口；压缩机出口；适于对从所述压缩机入口接收的空气增压并通过所述压缩机出口给所述至少一个燃烧室提供增压空气的压缩机叶轮，所述压缩机叶轮被耦接到所述涡轮叶轮以响应于所述涡轮叶轮的旋转而旋转；

适于存储增压气体的容器；

与所述容器和所述涡轮部流体连通的容器管道，适于将来自所述容器的增压空气提供至所述第一涡轮涡道中的第一容器入口，所述第一容器入口位于所述第一涡轮涡道阀和所述涡轮叶轮之间；

容器管道阀，适于允许控制通过所述容器管道的所述增压气体的流。

2.根据权利要求1的双涡道涡轮增压器设备，还包括与所述压缩机部和所述涡轮机部流体连通的旁通管道，适于将来自所述压缩机部的增压空气提供至所述第一涡轮涡道中的位于所述第一涡轮涡道阀和所述涡轮叶轮之间的第一旁通入口；以及

旁通管道阀，适于允许控制通过所述旁通管道的所述增压空气的流。

3.根据权利要求2的双涡道涡轮增压器设备，其中，所述第一容器入口和所述第一旁通入口被提供作为第一公共入口。

4.根据前述权利要求任何一项的双涡道涡轮增压器设备，其中，所述涡轮部还包括第二涡轮涡道阀，所述第二涡轮涡道阀适于允许控制通过第二涡轮涡道的所述排气的流。

5.根据权利要求4的双涡道涡轮增压器设备，包括：

流体连接所述压缩机部和所述涡轮部的旁通管道，适于将来自所述压缩机部的增压空气提供至所述第二涡轮涡道中的位于所述第二涡轮涡道阀和所述涡轮叶轮之间的第二旁通入口；以及

旁通管道阀，适于允许控制通过所述旁通管道的所述增压空气的流。

6.一种内燃发动机，包括：

至少一个排气室；

根据前述权利要求任何一项的双涡道涡轮增压器设备；

将至少一个排气室与双涡道涡轮增压器设备的第一和第二涡轮涡道相连接的第一流动装置，适于将来自所述至少一个排气室的排气提供至所述双涡道涡轮增压器设备的涡轮叶轮；

将双涡道涡轮增压器设备的压缩机出口与所述至少一个排气室相连接的第二流动装置，适于给所述至少一个排气室提供增压空气；

适于致动所述第一涡轮涡道阀的第一涡道阀致动器；

适于致动所述容器管道阀的容器阀致动器；以及

发动机控制单元，其具有：

适于获取指示所述内燃发动机期望运行的信号的输入；

分别连接到所述第一涡道阀致动器和所述容器阀致动器的第一和第二输出，适于基于内燃发动机的期望运行控制所述第一涡轮涡道阀和所述容器管道阀的流体流设置。

7.根据权利要求6所述的内燃发动机，其中，当所获取的信号指示来自所述内燃发动机的增大的输出功率被期望时，则所述发动机控制单元：

控制所述第一涡道阀致动器以限制经过所述第一涡轮涡道阀的流；且

控制所述容器阀致动器以允许气体从所述容器流入所述第一涡轮涡道内。

8.根据权利要求7所述的内燃发动机，其中，在允许气体从所述容器流入所述第一涡轮涡道内的预定时间段后，所述发动机控制单元：

控制所述容器阀致动器以阻止气体从所述容器流入所述第一涡轮涡道内；且

控制所述第一涡道阀致动器以允许流经过所述第一涡轮涡道阀。

9.根据前述权利要求6-8任何一项的内燃发动机，其中，所述发动机控制单元被配置为控制所述容器阀制动器以允许流以在所述第一涡轮涡道内建立低于6巴的压力的流率经过所述容器阀。

10.一种控制根据权利要求6的内燃发动机的运行的方法，包括步骤：

由所述发动机控制单元获取指示所述内燃发动机的期望运行的信号；

由所述发动机控制单元评估所述获取的信号；

由所述发动机控制单元基于所述评估控制至少所述第一涡道阀致动器和所述容器阀致动器以实现支持所述期望运行的所述第一涡道阀和所述容器管道阀的流体流设定。

11.根据权利要求10的方法，其中：

所述获取信号指示所述内燃发动机的功率输出的期望增加；以及

所述控制步骤包括以下步骤：

控制所述第一涡道阀致动器以关闭所述第一涡轮涡道阀；和

控制所述容器阀致动器以打开所述容器管道阀。

12.根据权利要求11的方法，还包括以下步骤：

在控制所述容器阀致动器以打开所述容器管道阀的预定时间段之后，控制所述容器阀致动器以关闭所述容器管道阀；以及

在已经关闭所述容器管道阀之后，控制所述第一涡道阀致动器以打开所述第一涡轮涡道阀。

13.根据权利要求12的方法，还包括以下步骤：

在已经关闭所述容器管道阀之后且在打开所述第一涡轮涡道阀之前，控制打开所述旁通管道阀。

14.根据权利要求13的方法，还包括以下步骤：

在打开所述第一涡轮涡道阀之前，控制关闭所述旁通管道阀。

15.根据权利要求12-14任何一项的方法，其中，所述预定时间段短于一秒。