CN106574578A - 用于排气再循环发动机中的涡轮增压器的四层通道可变几何形状涡轮机 - Google Patents

用于排气再循环发动机中的涡轮增压器的四层通道可变几何形状涡轮机 Download PDF

Info

Publication number
CN106574578A
CN106574578A CN201580043508.2A CN201580043508A CN106574578A CN 106574578 A CN106574578 A CN 106574578A CN 201580043508 A CN201580043508 A CN 201580043508A CN 106574578 A CN106574578 A CN 106574578A
Authority
CN
China
Prior art keywords
egr
passage
control valve
turbine
exhaust
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201580043508.2A
Other languages
English (en)
Inventor
王航
史蒂文·顿·阿诺德
袁道军
李延昭
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kangyue Technology Co Ltd
Original Assignee
Kangyue Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kangyue Technology Co Ltd filed Critical Kangyue Technology Co Ltd
Publication of CN106574578A publication Critical patent/CN106574578A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/02—EGR systems specially adapted for supercharged engines
    • F02M26/09—Constructional details, e.g. structural combinations of EGR systems and supercharger systems; Arrangement of the EGR and supercharger systems with respect to the engine
    • F02M26/10—Constructional details, e.g. structural combinations of EGR systems and supercharger systems; Arrangement of the EGR and supercharger systems with respect to the engine having means to increase the pressure difference between the exhaust and intake system, e.g. venturis, variable geometry turbines, check valves using pressure pulsations or throttles in the air intake or exhaust system
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10—Final actuators
    • F01D17/105—Final actuators by passing part of the fluid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D9/00—Stators
    • F01D9/02—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles
    • F01D9/026—Scrolls for radial machines or engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/02—Gas passages between engine outlet and pump drive, e.g. reservoirs
    • F02B37/025—Multiple scrolls or multiple gas passages guiding the gas to the pump drive
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/12—Control of the pumps
    • F02B37/22—Control of the pumps by varying cross-section of exhaust passages or air passages, e.g. by throttling turbine inlets or outlets or by varying effective number of guide conduits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/0002—Controlling intake air
    • F02D41/0007—Controlling intake air for control of turbo-charged or super-charged engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/0025—Controlling engines characterised by use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures
    • F02D41/0047—Controlling exhaust gas recirculation [EGR]
    • F02D41/0065—Specific aspects of external EGR control
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/13—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories
    • F02M26/42—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories having two or more EGR passages; EGR systems specially adapted for engines having two or more cylinders
    • F02M26/43—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories having two or more EGR passages; EGR systems specially adapted for engines having two or more cylinders in which exhaust from only one cylinder or only a group of cylinders is directed to the intake of the engine
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B29/00—Engines characterised by provision for charging or scavenging not provided for in groups F02B25/00, F02B27/00 or F02B33/00 - F02B39/00; Details thereof
    • F02B29/04—Cooling of air intake supply
    • F02B29/0406—Layout of the intake air cooling or coolant circuit
    • F02B29/0437—Liquid cooled heat exchangers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/02—EGR systems specially adapted for supercharged engines
    • F02M26/04—EGR systems specially adapted for supercharged engines with a single turbocharger
    • F02M26/05—High pressure loops, i.e. wherein recirculated exhaust gas is taken out from the exhaust system upstream of the turbine and reintroduced into the intake system downstream of the compressor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/40—Application in turbochargers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40—Engine management systems

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Exhaust-Gas Circulating Devices (AREA)
  • Supercharger (AREA)
  • Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)

Abstract

一种用于排气再循环发动机中的涡轮增压器的可变几何形状涡轮机结合了涡轮机壳体(300)，该涡轮机壳体具有排气入口(302)，该排气入口带有从具有排气再循环(EGR)的汽缸接收排气的第一侧(304)和从非EGR汽缸接收排气的第二侧(310)。该第一侧具有一个第一EGR驱动通道(306)和一个第二EGR驱动通道(308)并且该第二侧具有一个第一非EGR驱动通道(312)和一个第二非EGR驱动通道(314)。第一控制阀(5020)与该第二EGR驱动通道相关联，并且第二控制阀(504)与该第二非EGR驱动通道相关联。控制器(802)被适配成用于控制该第一和第二控制阀。

Description

用于排气再循环发动机中的涡轮增压器的四层通道可变几何 形状涡轮机
技术领域
本发明总体上涉及利用排气再循环来减少排放物的内燃机的充气升压，并且更具体地涉及采用四通道分离蜗壳的可变几何形状涡轮机，其中，两个成对的通道提供必要的压差来驱动EGR，并且另外两个成对的通道不受制于EGR驱动压差要求。
背景技术
在具有严格的NOx排放指标的国家，排气再循环(EGR)已经是柴油发动机中用于减少NOx的主要技术。随着选择性催化还原(SCR)技术效率提高，其正取代EGR作为主要的减少NOx的技术。然而，SCR要求大量的和广泛的基础设施来支持SCR发动机的尿素补充，以及用于车载诊断系统(OBD)的复杂的传感器和控制系统以防止操作人员使排放净化系统受到干扰或失灵。
遗憾的是，大量EGR的实施导致附加的燃油消耗(和CO2排放)。这种附加燃油消耗是由从进气歧管到排气歧管的逆压梯度以及所导致的到发动机的泵送损失引起的。因此，发动机制造商已经努力创新出能够驱动EGR同时减小与逆压梯度相关联的附加燃油消耗的升压系统新技术。
已被用于创造逆压梯度同时还维持合适的空/燃比的主要技术是多种不同类型的可变几何形状涡轮增压器(VGT)。VGT提供了创造合适的逆压梯度同时增加升压以使得额外气体流动通过发动机的方法。该额外气体是稀释剂-经冷却的EGR。EGR被添加至适当燃烧所需的新鲜空气，从而通过发动机的总流量增大。为了增大通过发动机的总流量，进气歧管中的充气的密度必须增大，从而导致升压系统的较高的升压要求。
因为VGT昂贵并且给发动机系统添加了更多的故障模式，所以一些制造商选择了使用有废气门的涡轮增压器，但是带有在被分开的涡轮机壳体上的不规则的蜗壳；用于从没有结合EGR的发动机汽缸接收排气的第一蜗壳102以及从结合有EGR的发动机汽缸接收排气的第二蜗壳104，如图1所示。这通常被称作“非对称蜗壳涡轮增压器”，并且针对驱动EGR而言要比VGT便宜它还提供了一些燃油经济性益处，因为不需要提供EGR的发动机的汽缸可以在低得多的逆压梯度下或者甚至在正压梯度下运行。然而，EGR和空燃比的控制不如VGT系统精确。此类型系统的示意图被示出在图2中，其中，柴油发动机202(例如，具有六个汽缸204a-204f)配备有具有压缩机208和涡轮机210的涡轮增压器206，其中该涡轮机通过轴212驱动该压缩机。充气冷却器214从压缩机部分208接收充气，并且向发动机进气歧管216提供充气。来自发动机的排气从三个非EGR汽缸204a-204c被提供至第一排气歧管218。第一排气歧管218连接至第一蜗壳102。来自三个EGR汽缸204d-204f的排气被提供至第二排气歧管220。该第二排气歧管将EGR通过EGR冷却器222和控制阀224提供到进气歧管216中。该第二排气歧管还提供到第二蜗壳104中的流。该第一和第二蜗壳102和104提供排气流来驱动带有提供升压压力调节的废气门226的涡轮机210。现有技术不规则蜗壳系统需要用于升压控制的废气门并且不提供任何用于修改EGR的辅助控制能力。
因此，希望提供不需要废气门的与EGR一起使用的可变几何形状涡轮机。此外，还希望分开地控制EGR流动和升压。
发明内容
本申请的实施例描述了一种用于排气再循环发动机中的涡轮增压器的可变几何形状涡轮机结合了涡轮机壳体，该涡轮机壳体具有排气入口，该排气入口带有从具有排气再循环的汽缸接收排气的第一侧和从非EGR汽缸接收排气的第二侧。该第一侧具有一个第一EGR驱动通道和一个第二EGR驱动通道并且该第二侧具有一个第一非EGR驱动通道和一个第二非EGR驱动通道。第一控制阀与该第二EGR驱动通道相关联，并且第二控制阀与该第二非EGR驱动通道相关联。控制器被适配成用于控制该第一和第二控制阀。
这些实施例提供了用于排气再循环控制的方法，其中，排气通过第一排气歧管从发动机中的多个非EGR汽缸被抽出，并且排气通过第二排气歧管从发动机中的多个EGR汽缸被抽出。排气从该第一排气歧管通过第一侧被接收到涡轮机排气入口中，该第一侧具有连接至该第一排气歧管的第一EGR驱动通道和第二EGR驱动通道。通过与该第二EGR驱动通道相关联的第一控制阀来在该第一EGR驱动通道与该第二EGR驱动通道之间控制排气以便控制用于EGR流动的背压。从该第二排气歧管接收排气到该涡轮机排气入口的一个第二侧中，该第二侧具有连接至该第二歧管的一个第一非EGR驱动通道和一个第二非EGR驱动通道。通过与该第二非EGR驱动通道相关联的一个第二控制阀来在该第一非EGR驱动通道与该第二非EGR驱动通道之间控制排气流动以便控制升压。
附图说明
在结合附图考虑时，本发明的这些以及其他的特征和优点将通过参考以下详细描述而得到更好的理解，在附图中：
图1是用于涡轮增压器排气歧管的现有技术不规则蜗壳的截面视图；
图2是带有使用不规则蜗壳排气歧管和废气门的现有技术柴油发动机系统的示意性图示；
图3是歧管入口和涡轮机壳体的端视图
图4是该涡轮机壳体的等距截面视图，示出了该多通道蜗壳；
图5是该涡轮机壳体的等距视图，示出了用于该EGR和非EGR大A/r蜗壳的控制阀结构；
图6是示出了控制阀的内部特点的部分截面视图；
图7是柴油发动机系统的示意框图表示，该柴油发电机系统使用了所披露的QLP蜗壳可变几何形状涡轮机的实施例；
图8是用于该QLP蜗壳可变几何形状涡轮机的控制元件的示意框图；
图9是多种不同工作条件下EGR驱动通道和蜗壳中的流动特性的图像描绘；
图10是多种不同工作条件下非EGR驱动通道和蜗壳中的流动特性的图像描绘；并且，
图11是控制阀的相互作用的图像描绘，这些控制阀被移动用于展示发动机在固定负荷和速度下运转时它们对空燃比、升压、和EGR比率的影响。
具体实施方式
在此说明的实施例提供了低成本的VGT，该VGT使用了多个蜗壳和用于控制到不同蜗壳的流动的阀。这些蜗壳大小被设计成用于提供不同的流动特性，从而提供真正的可变几何形状涡轮机功能。这些实施例从发动机的一部分汽缸或一个汽缸组接收100％的排气用于EGR，同时允许剩余的汽缸没有EGR所必要的逆压梯度约束地工作。出于说明性的目的，连接至提供EGR驱动压差的汽缸的通道、蜗壳、或歧管将被定义为“EGR驱动通道”、“EGR驱动蜗壳”、和“EGR驱动歧管”，而连接至不提供EGR驱动压差的汽缸的通道、蜗壳、或歧管将被定义为“非EGR驱动通道”、“非EGR驱动蜗壳”、和“非EGR驱动歧管”。被描述为四层通道(QLP)蜗壳的该实施例，通过独立地提供EGR和升压级别的附加控制可以改善EGR排放控制系统。为了使QLP蜗壳最大化用于不对称升压，在划分式排气入口中提供了四个通道，该排气入口通到涡轮增压器的涡轮机壳体300中，该壳体带有四通道划分式排气入口302的入口法兰301，被划分的在图3中示出。图4中示出了多通道蜗壳402的等距截面视图。在排气入口302的第一侧304上，第一EGR驱动通道306和相关联的第一EGR驱动蜗壳406大小被确定成用于在最大的所需速率下驱动EGR，并且第二EGR驱动通道308和第二EGR驱动蜗壳408被连接至同一组汽缸，但是带有控制阀(如随后将更加详细说明)，以用于到该第二EGR驱动通道中的受控的流动。第二EGR驱动通道308和第二EGR驱动蜗壳408具有较大的A/r(被定义为该蜗壳的喉部截面的面积除以该面积的形心的半径)，其是决定该蜗壳的流动特性的关键参数。当不要求最大EGR时较大的A/r EGR驱动通道308通过该控制阀打开，从而减少发动机的背压。
排气入口302的第二侧310还具有A/r不同的两个通道。较小的非EGR驱动通道312和相关联的蜗壳412被设计成用于向该涡轮机提供必要的动力以便在要求最大EGR时提供所需要的空气流。在现有技术装置中，会提供废气门以便在要求较少的空气流时降低升压，但是正如这名字所表明的，这是一种浪费的控制方法。在本实施例中，第二非EGR驱动通道314和相关联的蜗壳414具有较大的A/r和相关联的控制阀，随后将更详细地说明。当需要较小的升压时，气流被允许流动到较大A/r第二非EGR驱动通道314以及较小的通道312中，从而减小涡轮机404的动力产出，同时还在不需要废气门的情况下减小了背压。
图5示出了完整的涡轮机壳体300与第二EGR驱动通道308的进气流中的第一控制阀502和第二非EGR驱动通道314的进气流中的第二控制阀504。对于示例性实施例，这些控制阀是如图6中所示的简单的非密封旋转圆柱形阀，其中该涡轮机壳体以虚线示出以便看到这些阀。每个阀本质上是无接触的，除了在阀502和504对应的支承座602、604和606、608处。对于该示例性实施例，阀片610和612提供离阀筒内表面614、616的间隙(对于示例性实施例该间隙约0.5mm)形式的泄漏，从而允许阀周围的泄漏以填充第二EGR驱动通道308和第二非EGR驱动通道314，如果不考虑该泄漏流，这两个通道会被来自较小的第一EGR驱动蜗壳406和非EGR驱动蜗壳412的回流填充。在替代性实施例中，可以采用密封阀。
图7中示出了采用所披露的实施例的柴油发动机系统700的示意图。在充气冷却器704的出口702处，该气流仅是由涡轮增压器708的压缩机706提供的充气并且可以被表示为：
在EGR冷却器712的出口710处，该气流是被返回至该发动机的EGR流。阀714控制到该发动机中的EGR。出口710处的气流可以被表示为：
进气歧管716通过EGR混合器717从充气冷却器704和EGR冷却器712接收充气流，并且该气流是充气和EGR的组合并且可以被表示为：
对于该示例发动机，采用了具有汽缸718a-718f的6缸结构。非EGR排气歧管720从第一组三个汽缸718a-718c接收排气。EGR排气歧管722从第二组剩下的三个汽缸718d-718f接收排气。该EGR排气歧管722还被连接至EGR冷却器712的入口724。所有的EGR由EGR汽缸718d-718f提供。在非EGR排气歧管和EGR排气歧管与对应的到涡轮机壳体的入口304和310的连接处的流动特性对于一维(1D)分析来说基本上是相同的。实际上，在两个不同的排气歧管组上的背压会有差别，这导致了发动机容积效率的细微差别。这种作用对于匹配和1D系统分析可以忽略不计。来自各组的总质量流量可以被表示为：
第一EGR驱动通道306和第二EGR驱动通道308的结合的出口将具有该发动机气流(该发动机气流由空气、燃油和EGR组成)的二分之一，但是使总EGR流在进入涡轮机之前分解。
蜗壳412和414的从第一非EGR驱动通道312和第二非EGR驱动通道314的结合出口将具有该发动机气流的二分之一，但是其将被较小与较大通道之间的控制阀504分解。该总流量是
考虑到由控制阀502通过调节EGR驱动通道306与308之间的流量改变背压来控制的EGR流量要求，来自非EGR驱动歧管720的流量将被控制阀504分解到非EGR驱动通道312和314中以针对涡轮机724的准确总动力实现蜗壳412和414中的流量，准确的总动力生成从压缩机706到发动机的所需的总气流。所披露的实施例使得EGR对发动机泵送回路的影响最小化。该升压系统在构型中使用四层通道可变几何形状涡轮机和非对称蜗壳升压系统的组合，该构型驱动所有来自第二组汽缸718d-718f的EGR，留下第一组汽缸718a-718c在节省泵送功的较低膨胀比率下工作。每组汽缸连接至一对不规则的蜗壳。较小的蜗壳与较大的蜗壳相比提供更多的背压和更多的涡轮机动力。控制阀502被用于通过调节背压来控制EGR速率，而控制阀504被用于控制该涡轮增压器的总体升压级别。
QLP蜗壳可变几何形状涡轮机的控制由控制器802完成，如图8中所示。控制器802从主发动机控制器(未示出)接收EGR设定信号804。EGR设定信号被与和EGR冷却器710相关联的流量传感器806的输出、或提供实际EGR流量的指示的响应于EGR流量的其他信号作比较。EGR处理元件808响应于比较器810的输出来控制阀门502，以生成使EGR流量满足EGR设定信号所要求的EGR排气歧管722的背压。总体的发动机升压则是通过控制器802从该主发动机控制器接收到的空气设定信号812来控制。该空气设定信号与EGR混合器717处的实际空气流量做比较，这是利用流量传感器814的输出或响应于该空气流量并且与该实际空气流量成比例的其他传感器的输出。升压处理元件816响应于比较器818的输出来控制阀504以提供使空气流量满足空气设定信号所需的升压。该EGR处理元件808和升压处理元件816可以被实施为可能需要的微处理器中的软件子程序、专用的逻辑门阵列或模拟部件。
用于控制发动机中EGR流量和由涡轮增压器提供给发动机的总体升压的背压是使用第一和第二控制阀502、504来控制。图9展现了第一控制阀502的工作效果。阀502关闭时，流动基本上被引导穿过该第一或小EGR驱动通道306和相关联的蜗壳406生成最大背压并因此生成最大EGR流量。在图9的实例中，20％EGR流量是预定的最大流量并且被示出在点902处，该点提供膨胀比率903。最大流量下通过小蜗壳的物质流量以描记线904示出，同时小蜗壳的修正质量流量被示出在描记线906上。第一控制阀502全开以生成最小背压和基本上零EGR流量时，结合蜗壳的流量被示出在具有膨胀比率909的点908处，代表了通过由点910代表的大蜗壳的流量和通过由点912代表的小蜗壳的流量之和。组合的蜗壳的物质流量被示出在描记线914上，同时修正质量流量被示出在描记线916上。小蜗壳的修正物质流量被再次示出在描记线906上，同时修正质量流量被示出在描记线918上。在第一控制阀502被调整至部分打开位置的中间状态下，例如10％EGR流量，该小蜗壳运输在描记线922所代表的物质流量下由点920所代表的总体流量的一部分。该大蜗壳运输在描记线926上所示出的物质流量下由点924所代表的流量的一部分，该物质流量由通过该阀的流量所创造的压差dP控制。导致的总流量由点928示出，这导致描记线930所代表的物质流量和如描记线932所示的修正质量流量，该修正质量流量导致提供背压以驱动所需EGR级别的膨胀比率934。
图10展示了用于升压控制的第二控制阀504的工作效果。阀504关闭时，气流基本上被引导穿过该第一或小非EGR驱动通道312和相关联的蜗壳412生成最大升压。在图10的实例中，预定的最大流量示出在点1002处，该点提供膨胀比率1003。用于小蜗壳的修正质量流量示出在描记线1006上。第一控制阀502全开以生成最小升压时，组合蜗壳的流量被示出在具有膨胀比率1009的点1008处，代表了通过大蜗壳和小蜗壳的流量之和。组合的蜗壳的物质流量被示出在描记线1014上，同时修正质量流量被示出在描记线1016上。在第二控制阀504被调整至部分打开位置以减小升压的中间状态下，该小蜗壳运输在描记线1022所代表的物质流量下由点1020所代表的总体流量的一部分。该大蜗壳运输在描记线1026上所示出的物质流量下由点1024所代表的流量的一部分。导致的总流量由点1028示出，这导致膨胀比率1028以提供所需的升压。
在图11中针对在固定负荷和速度下运转的发动机展示了这些控制阀提供EGR比率控制和升压控制的共同运作。以基于时间的绘图示出了开启/关闭EGR以及随后升压的控制以获得目标AF的效果。EGR比率由描记线1102示出并且最初在20％EGR比率下运行，如区段1104所示。控制阀502的位置被描记线1106示出。如果EGR阀、第一控制阀502被关闭(如区段1108所示)以便减小EGR比率(该减小的发生如区段1110所示)，则空/燃比增大，如描记线1112的区段1111所示。升压压力被示出为描记线1113，并且区段1110所示的EGR减小和区段1111所示的空/燃比增加导致如区段1114所代表的升压压力的增加。作为响应，其位置由描记线1116示出的第二控制阀504打开，如区段1118所示，这引起区段1120所指示的升压压力的减小，伴随区段1122所示的空/燃比的相应减小。相反的效果随后在如区段1124所示的EGR阀关闭时出现，空燃比减小，如区段1126所示。区段1128所示的EGR增加和区段1126所示的空/燃比减小导致如区段1130所代表的升压压力的减小。作为响应，升压控制阀、第二控制阀504关闭，如区段1132所示，这引起区段1134所指示的升压压力的相应增加，伴随区段1136所示的空/燃比的相应增加。
对于EGR和非EGR驱动通道以及蜗壳对的大小设计，为四个蜗壳各自计算不同的修正流量和膨胀比率。对于基于发动机需求的涡轮增压器的每个工作点，压缩机被首先匹配。针对压缩机的修正流量、压力比、和效率计算压缩机功率。此总功率必须由涡轮机级产生。
在计算涡轮机要求前，EGR流率所要求的压力梯度从EGR冷却器和管道流动特性计算出。此压力梯度被增加至压缩机的升压压力，以获得图7中所示的排气歧管722中所要求的EGR驱动压力。
EGR小通道的所有的膨胀比率/修正流量工作点被标绘出。要求最低修正流量的点/排气循环(ER)点被选为该设计点。该EGR组上的小蜗壳大小被确定成用于生成此流量。EGR组上的组合的大蜗壳和小蜗壳的大小被选择成与最大修正流量/ER点匹配。已知EGR驱动通道和相关联的蜗壳的流量和膨胀比率后，可以计算由该部分的涡轮机流量引起的涡轮机功率。非EGR驱动通道和相关联的蜗壳必须提供所要求的压缩机功率加上轴承损耗与由EGR组流量生成的功率之间的差。该小非EGR驱动通道和相关联的蜗壳大小被设计成用于为伴随最大所需发动机升压的最大EGR提供涡轮机动力。该大非EGR驱动通道和相关联的蜗壳大小被确定成用于为最小升压条件提供膨胀比率的适当减小。
现在已经按专利法规的要求详细说明了本发明，本领域技术人员将认识到本文披露的这些具体实施例的改变和替代。这样的改变是在如以下权利要求所限定的本发明的范围和意图之内的。

Claims (20)

1.一种用于排气再循环发动机中的涡轮增压器的可变几何形状涡轮机，包括：
一个涡轮机壳体(300)，该涡轮机壳体具有一个排气入口(302)，该排气入口带有从具有排气再循环(EGR)的汽缸接收排气的一个第一侧(304)和从非EGR汽缸接收排气的一个第二侧(310)，所述第一侧具有一个第一EGR驱动通道(306)和一个第二EGR驱动通道(308)并且所述第二侧具有一个第一非EGR驱动通道(312)和一个第二非EGR驱动通道(314)；
与该第二EGR驱动通道相关联的一个第一控制阀(502)；
与该第二非EGR驱动通道相关联的一个第二控制阀(504)；以及，
被适配成用于控制该第一和第二控制阀的一个控制器(802)。
2.如权利要求1所述的用于排气再循环发动机中的涡轮增压器的可变几何形状涡轮机，其中，该第一EGR驱动通道大小被确定成用于提供驱动预定最大EGR比率的背压。
3.如权利要求2所述的用于排气再循环发动机中的涡轮增压器的可变几何形状涡轮机，其中，该第一控制阀在一个全开位置中，该第二EGR驱动通道大小被确定成与该第一EGR驱动通道相组合地提供驱动预定的最小EGR比率的一个第二背压。
4.如权利要求2所述的用于排气再循环发动机中的涡轮增压器的可变几何形状涡轮机，其中，该第一非EGR驱动通道大小被确定成用于提供一个预定的最大升压。
5.如权利要求4所述的用于排气再循环发动机中的涡轮增压器的可变几何形状涡轮机，其中，该第二控制阀在一个全开位置中，该第二非EGR驱动通道大小被确定成用于提供一个预定的最小升压。
6.如权利要求1所述的用于排气再循环发动机中的涡轮增压器的可变几何形状涡轮机，其中，该控制器响应于一个EGR设定信号与一个响应EGR流量的信号的比较来控制该第一控制阀。
7.如权利要求1所述的用于排气再循环发动机中的涡轮增压器的可变几何形状涡轮机，其中，该控制器响应于一个空气设定信号与一个响应空气流量的信号的比较来控制该第二控制阀。
8.如权利要求1所述的用于排气再循环发动机中的涡轮增压器的可变几何形状涡轮机，其中，该第二EGR驱动通道和一个第一相关联的蜗壳的A/r超过该第一EGR驱动通道和一个第二相关联的蜗壳的A/r。
9.如权利要求1所述的用于排气再循环发动机中的涡轮增压器的可变几何形状涡轮机，其中，该第二非EGR驱动通道和一个第一相关联的蜗壳的A/r超过该第一非EGR驱动通道和一个第二相关联的蜗壳的A/r。
10.一种带有排气再循环(EGR)的发动机，包括：
带有一个第一排气歧管(720)的多个非EGR汽缸(718a，718b，718c)；
带有一个第二排气歧管(722)的多个非EGR汽缸(718d，718e，718f)；
一个涡轮增压器(708)，该涡轮增压器具有
一个压缩机(706)；
一个涡轮机(724)，该涡轮机被连接来驱动该压缩机并且带有一个涡轮机壳体(300)，该涡轮机壳体具有一个排气入口(302)，该排气入口具有连接至该第一排气歧管的一个第一侧(310)和连接至该第二歧管的一个第二侧(304)，所述第一侧具有一个第一非EGR驱动通道(312)和一个第二非EGR驱动通道(314)并且所述第二侧具有一个第一EGR驱动通道(306)和一个第二EGR驱动通道(308)；
与该第二EGR驱动通道相关联的一个第一控制阀(502)；
与该第二非EGR驱动通道相关联的一个第二控制阀(504)；以及，
被适配成用于控制该第一和第二控制阀的一个控制器(802)。
11.如权利要求10所述的发动机，其中，该压缩机被连接至一个EGR混合器(717)，该EGR混合器向一个进气歧管(716)提供充气，该进气歧管连接至该多个非EGR汽缸和该多个EGR汽缸，所述第二排气歧管连接至该EGR混合器。
12.如权利要求11所述的发动机，进一步包括：
在该压缩机与该EGR混合器中间的一个充气冷却器(704)；以及，
在该第二排气歧管与该EGR混合器中间的一个EGR冷却器(712)。
13.如权利要求10所述的发动机，其中，该第一EGR驱动通道大小被确定成用于提供驱动预定最大EGR比率的背压。
14.如权利要求13所述的发动机，其中，该第一控制阀在一个全开位置中，该第二EGR驱动通道大小被确定成提供驱动预定的最小EGR比率的一个第二背压。
15.如权利要求13所述的发动机，其中，该第一非EGR驱动通道大小被确定成用于提供一个预定的最大升压。
16.如权利要求15所述的发动机，其中，该第二控制阀在一个全开位置中，该第二非EGR驱动通道大小被确定成用于提供一个预定的最小升压。
17.如权利要求10所述的发动机，其中，该控制器响应于一个EGR设定信号与一个实际EGR流量信号的比较来控制该第一控制阀。
18.如权利要求10所述的发动机，其中，该控制器响应于一个空气设定信号(812)与一个实际空气流量信号的比较来控制该第二控制阀。
19.如权利要求10所述的发动机，其中，该第二EGR驱动通道和一个第一相关联的蜗壳的A/r超过该第一EGR驱动通道和一个第二相关联的蜗壳的A/r。
20.一种用于排气再循环控制的方法，包括：
通过一个第一排气歧管从一个发动机中的多个非EGR汽缸抽出排气；
通过一个第二排气歧管从该发动机中的多个EGR汽缸抽出排气；
通过一个第一侧从该第一排气歧管接收排气到一个涡轮机排气入口中，该第一侧具有连接至该第一排气歧管的一个第一EGR驱动通道和一个第二EGR驱动通道；
通过与该第二EGR驱动通道相关联的一个第一控制阀来控制在该第一EGR驱动通道与该第二EGR驱动通道之间的排气流动以便控制用于EGR流动的背压；
从该第二排气歧管接收排气到该涡轮机排气入口的一个第二侧中，该第二侧具有连接至该第二歧管的一个第一非EGR驱动通道和一个第二非EGR驱动通道；
通过与该第二非EGR驱动通道相关联的一个第二控制阀来控制在该第一非EGR驱动通道与该第二非EGR驱动通道之间的排气流动以便控制升压。
CN201580043508.2A 2014-07-02 2015-06-30 用于排气再循环发动机中的涡轮增压器的四层通道可变几何形状涡轮机 Pending CN106574578A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/322,039 US9494111B2 (en) 2014-07-02 2014-07-02 Quad layer passage variable geometry turbine for turbochargers in exhaust gas recirculation engines
US14/322,039 2014-07-02
PCT/IB2015/001262 WO2016001751A1 (en) 2014-07-02 2015-06-30 Quad layer passage variable geometry turbine for turbochargers in exhaust gas recirculation engines

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN106574578A true CN106574578A (zh) 2017-04-19

Family

ID=55016692

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201580043508.2A Pending CN106574578A (zh) 2014-07-02 2015-06-30 用于排气再循环发动机中的涡轮增压器的四层通道可变几何形状涡轮机

Country Status (3)

Country Link
US (1) US9494111B2 (zh)
CN (1) CN106574578A (zh)
WO (1) WO2016001751A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110344967A (zh) * 2019-08-20 2019-10-18 中国重汽集团济南动力有限公司 一种直列五缸柴油发动机的单通道取egr废气系统

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB201322206D0 (en) * 2013-12-16 2014-01-29 Cummins Ltd Turbine housing
GB201719581D0 (en) 2017-11-24 2018-01-10 Cummins Ltd Method of designing and producing a turbine
US11073076B2 (en) 2018-03-30 2021-07-27 Deere & Company Exhaust manifold
US10662904B2 (en) 2018-03-30 2020-05-26 Deere & Company Exhaust manifold
DE112019003298B4 (de) * 2018-06-29 2022-12-01 Ihi Corporation Turbine und Turbolader
US11187176B2 (en) * 2019-09-03 2021-11-30 Ford Global Technologies, Llc Systems and methods for increasing engine power output under globally stoichiometric operation
US11187168B2 (en) * 2019-09-03 2021-11-30 Ford Global Technologies, Llc Systems and methods for increasing engine power output under globally stoichiometric operation
US11248554B2 (en) * 2019-09-03 2022-02-15 Ford Global Technologies, Llc Systems and methods for increasing engine power output under globally stoichiometric operation
US11098673B2 (en) * 2019-11-27 2021-08-24 Cummins Inc. Cylinder head with integrated exhaust manifold

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2861774A (en) * 1950-02-16 1958-11-25 Alfred J Buchi Inlet control for radial flow turbines
DE10152803A1 (de) * 2001-10-25 2003-05-15 Daimler Chrysler Ag Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader und einer Abgasrückführungsvorrichtung
US7287378B2 (en) * 2002-10-21 2007-10-30 International Engine Intellectual Property Company, Llc Divided exhaust manifold system and method
WO2005010330A1 (ja) * 2003-07-29 2005-02-03 Hino Motors, Ltd. ターボチャージャ
US7377270B2 (en) * 2006-10-23 2008-05-27 Caterpillar Inc. Exhaust gas recirculation in a homogeneous charge compression ignition engine
JP4862623B2 (ja) * 2006-11-17 2012-01-25 トヨタ自動車株式会社 内燃機関の制御装置
US8161747B2 (en) * 2008-07-31 2012-04-24 Caterpillar Inc. Exhaust system having series turbochargers and EGR
EP2295769A1 (en) * 2009-08-14 2011-03-16 International Engine Intellectual Property Company, LLC. Exhaust system for engine braking
CN103180569B (zh) * 2010-11-05 2015-09-23 博格华纳公司 具有增加的流量范围的简化型可变几何形状涡轮增压器
WO2012176887A1 (ja) * 2011-06-22 2012-12-27 株式会社Ihi 多段過給システム

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110344967A (zh) * 2019-08-20 2019-10-18 中国重汽集团济南动力有限公司 一种直列五缸柴油发动机的单通道取egr废气系统

Also Published As

Publication number Publication date
US9494111B2 (en) 2016-11-15
WO2016001751A1 (en) 2016-01-07
US20160003196A1 (en) 2016-01-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106574578A (zh) 用于排气再循环发动机中的涡轮增压器的四层通道可变几何形状涡轮机
CN104114836B (zh) 柴油发动机
EP2971637B1 (en) Intercooling and aftercooling multi-stage turbocharger system
EP1770270A2 (en) EGR system having reverse flow, internal combustion engine and method
US10513976B2 (en) Engine system
US6401699B1 (en) Combustion engine arrangement
US11022055B2 (en) Internal combustion engine system for exhaust gas recovery
DE112008001787T5 (de) Abgasturbolader mit zwei durch ein Ventil verbundenen Einlasskanälen
DE102014223891A1 (de) Aufladeeinrichtung für einen Verbrennungsmotor und Betriebsverfahren für die Aufladeeinrichtung
CN101994605B (zh) 使用用于egr的补充压缩机的系统
CN106460641A (zh) 用于发动机的控制装置
US20150121851A1 (en) Transient control of exhaust gas recirculation systems through mixer control valves
CN109563766A (zh) 用于控制在增压内燃机的进气处空气和废气的组合喷射的装置和方法
CN107461262A (zh) 用于发动机控制的装置和方法
CN104564377A (zh) 控制排气再循环气体系统的方法
CN108691696A (zh) 用于内燃机的气体导引装置
US10907497B2 (en) Method and systems for a variable geometry turbocharger for an engine
CN106762241A (zh) 一种发动机废气再循环系统
CN110344920A (zh) 具有二次空气喷射设备的发动机系统
CN103890367B (zh) 内燃发动机和操作内燃发动机的方法
EP3578775A1 (en) Engine system and method using the same
CN105089863B (zh) 一种多缸四冲程内燃机排气再循环装置
CN107816399A (zh) 发动机系统和使用该发动机系统的控制方法
DE10352712A1 (de) Mehrstufige Luftversorgungseinrichtung mit Zweistrom-Maschine
DE112018004444B4 (de) Verbrennungsmotor mit schnell ansprechendem sekundärem Auslassventil und zugehöriges Verfahren

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20170419