CN107407222B - 防止机油逸出的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在涡轮增压发动机运行期间防止机油逸出到排气中的方法。该方法包括以下步骤：将加压流体提供到预定区域以使轴向涡轮机单元的轴承壳体相对于该轴向涡轮机单元下游的相邻的排气管道密封；以及，检测加压流体的所述提供中的故障。此外，该方法包括以下步骤：响应于此故障检测，控制在轴向涡轮机单元下游布置的排气压力升高装置，以升高该排气压力升高装置上游的排气管道内的压力。

Description

防止机油逸出的方法和系统

技术领域

本发明涉及用于防止在涡轮增压发动机运行期间机油逸出到排气中的方法和系统。

本发明可应用于重型车辆，例如卡车、大客车和建筑设备。虽然将参考卡车描述本发明，但本发明不限于这种特定的车辆，而是也可用在利用涡轮增压器单元的其它应用中，例如航空系统或航海系统。

背景技术

涡轮增压器单元是与相关的内燃机(典型地为柴油机)一起使用的车辆部件。涡轮增压器单元被构造为回收排气能量的一部分并利用使用该能量来压缩流入内燃机的燃烧室内的进气。涡轮增压器单元通常用于提高内燃机的效率和功率。

涡轮增压器单元具有三个主要部件：用于将排气流的能量转化为涡轮机的旋转运动的涡轮机、旋转连接到涡轮机以压缩进气的压缩机、以及包围该涡轮机和压缩机及旋转轴、轴承等的壳体。

支撑该涡轮机的涡轮机轴被支撑在轴承壳体内，以允许涡轮机相对于所述壳体旋转。为了使从气体路径到支撑涡轮机轴的轴承壳体的热气流入最少以及为了防止机油在相反方向上泄漏，使用了密封环以在静态的轴承壳体和旋转的涡轮机轴之间进行密封。由于在一些运行模式中涡轮机轮下游的静态压力水平可能低于轴承壳体内的压力，所以需要有缓冲空气压力来防止机油泄漏。

US2013291828描述了一种密封件，所述密封件被设计为有助于在发动机以正常点火模式运行期间维持轴承壳体的相对低压环境与涡轮机壳体内的涡轮机的背面处的潜在低压之间的压力差。这防止了轴承油(或其它润滑剂)沿着涡轮增压器轴越过密封件泄漏并进入涡轮机壳体内。空气被供给到涡轮机端部密封件，以防止机油泄漏到涡轮机壳体内。

这同样适用于布置在涡轮增压器单元下游的涡轮复合单元。涡轮复合单元是用于回收排气流的能量的一部分并将该能量转化为轴的旋转运动的车辆部件。轴的旋转运动作为扭矩增加量传递到车辆发动机的曲轴。通常，涡轮复合单元具有轴，其中涡轮机轮布置在一个远端处。当内燃机运行时，排气将流入到涡轮复合单元内并使涡轮机轮旋转。因此，涡轮复合单元的轴将相应地旋转。该轴的相反端设有齿轮，该齿轮与另外的齿轮啮合，以导致该轴和曲轴之间的旋转连接。当该轴由于流过涡轮复合单元的排气而旋转时，轴的旋转能量将作为扭矩增加量传递到曲轴。

涡轮复合单元的使用已被证明在推动经济以及环境方面具有明显优点；从排气流回收能量将实际上减少车辆的燃料消耗。

涡轮机轴被支撑在轴承壳体内，以允许涡轮机轴相对于该壳体旋转。为了使从气体路径到支撑涡轮机轴的轴承壳体内的热气流入最少并防止在相反方向上的机油泄漏，使用了密封环以在静态的轴承壳体和旋转的涡轮机轴之间进行密封。由于在一些运行模式中涡轮机轮下游的静态压力水平可能低于轴承壳体内的压力，所以需要有缓冲空气压力以防止机油泄漏。

如果由于一些原因导致空气供给发生故障，则立即会有含有机油的曲轴箱气体泄漏到排气流内的风险。机油泄漏到排气中将导致环境污染或排气后处理系统的严重故障。因此，这种故障导致车辆在道路上的意外停止，或以其它方式导致对后处理系统的可能损坏。

发明内容

本发明的目的是提供一种克服了现有技术单元的上述缺点的方法和系统。

根据第一方面，该目的通过根据权利要求1的方法来实现。根据第二方面，该目的通过根据权利要求15所述的车辆系统来实现。根据第三方面，该目的通过根据权利要求22所述的车辆来实现。

通过检测加压流体的供给故障且然后增加涡轮机下游的排气管道内的压力，实现了所谓的跛行回位模式(limp home mode)，从而避免了车辆的意外停车。

因此,提供了一种用于在涡轮增压发动机的运行期间防止机油逸出到排气中的方法。该方法包括以下步骤：将加压流体提供到预定区域以使轴向涡轮机单元的轴承壳体相对于轴向涡轮机单元下游的相邻的排气管道密封；以及，检测加压流体的所述提供中的故障。响应于该故障检测，该方法还包括以下步骤：控制在轴向涡轮机单元下游布置的排气压力升高装置，以升高排气压力升高装置上游的排气管道内的压力。

在一个实施例中，通过测量所述加压流体的压力并将所测量到的压力值与参考值进行比较来执行上述检测故障的步骤。在另一个实施例中，通过测量所述加压流体的流量并将所测量到的流量值与参考值进行比较来执行上述检测故障的步骤。因此，可以使用压力传感器或流量传感器，从而实现简单而稳定的构造。

在一个实施例中，该方法还包括以下步骤：确定排气压力升高装置的期望的运行状态。然后，可控制该排气压力升高装置以使其根据所述期望的运行状态运行。由于通过升高该排气压力升高装置上游的排气管道内的压力来影响发动机的性能，这是有利的，因为可充分地补偿任何程度的故障。

可通过估算轴承壳体和所述相邻的排气管道之间的压力差并基于所估算的压力差计算排气压力升高装置的所述期望的运行状态来执行确定所述期望的运行状态的步骤。因此，避免了对故障的过度补偿。

可基于当前的发动机扭矩和当前的发动机转速来估算该压力差，这是有利的，因为不需要专用的压力传感器。

在一个实施例中，通过从存储器中取出所存储的压力差的值来执行估算轴承壳体和所述相邻的排气管道之间的压力差的步骤。因为压力差的估算值是预先存储的，所以便于估算此值，而不需要有计算能力。

可通过控制闭环蝶阀的运行或通过控制排气压力管理器的运行来执行控制所述排气压力升高装置的步骤。因为这些类型的装置可提供为允许发动机在发动机制动模式下运行，所以不需要额外部件或定制的部件。

在一些实施例中，执行所述控制排气压力升高装置的步骤，以提供从涡轮增压器的轴承壳体到所述排气管道的正压力梯度(positive pressure gradient)，即，涡轮机后方的压力高于轴承壳体内的压力。由此，防止了机油泄漏，因为气流被从排气管道引开而进入到轴承壳体内。

根据另一方面，提供了一种计算机程序，所述计算机程序包括程序代码，当所述程序在计算机上运行时，所述程序代码执行根据第一方面的方法中的步骤。

根据又一方面，提供了一种携载有计算机程序的计算机可读介质，所述计算机程序包括程序代码，当所述程序产品在计算机上运行时，所述程序代码执行根据第一方面的方法中的步骤。

根据另一方面，提供了一种用于控制排气压力升高装置的控制单元，所述控制单元被构造为执行根据第一方面的方法中的步骤。

根据再一方面，提供了一种车辆系统，所述车辆系统包括排气压力升高装置和布置在所述排气压力升高装置上游的轴向涡轮机单元，所述轴向涡轮机单元包括流体供给路径，用于将加压流体提供到预定区域以使轴向涡轮机单元的轴承壳体相对于相邻的排气管道密封。车辆系统还包括控制单元，所述控制单元被构造为监测所述流体供给路径的运行，其中所述控制单元进一步被构造为：响应于所检测到的加压流体的所述提供中的故障来控制所述排气压力升高装置的运行。

在一个实施例中，所述排气压力升高装置是闭环蝶阀或排气压力管理器。

所述车辆系统还可包括用于检测来自所述流体供给路径的流体流量和/或流体压力的传感器。

在一些实施例中，所述轴向涡轮机单元是涡轮增压器单元或涡轮复合单元。

所述控制单元可包括比较单元，所述比较单元被构造为将参考值与代表所述流体供给路径的运行的测量值进行比较。此外，所述控制单元可包括计算单元，所述计算单元被构造为确定代表排气压力升高装置的期望的运行状态的值，并且其中，所述控制单元进一步被构造为基于所确定的值来控制排气压力升高装置。

根据再一个实施例，提供了一种包括根据上述方面的车辆系统的车辆。

本发明的另外优点和有利特征在以下说明和所附权利要求中被公开。

附图说明

参考附图，下面是作为示例给出的本发明实施例的更详细描述。

在各图中：

图1是根据实施例的车辆的侧视图，

图2是根据实施例的包括车辆系统的内燃机的示意图，

图3是形成根据实施例的车辆系统的多个部分的、涡轮增压器单元和涡轮复合单元的等距截面图，

图4是图3所示的车辆系统的部分的截面图，

图5是示出内燃机的扭矩与内燃机的转速之间的关系的曲线图，

图6是根据实施例的车辆系统的示意图，并且

图7是根据实施例的方法的示意图。

具体实施方式

从示出了车辆1的图1开始。被图示为卡车的车辆1具有用于驱动车辆1的内燃机10。如下文中将进一步解释的，车辆1的内燃机10设有根据多种实施例的车辆系统100。车辆1可具有另外的推进单元，例如电驱动器等，只要该车辆具有至少一个提供与车辆系统100相互作用的排气流的发动机即可。因此，车辆1并非排它地是卡车，而是也可以表示诸如大客车、建筑设备等的重型车辆。

图2中示出了内燃机10的示例。内燃机10包括多个气缸20，所述气缸20运行以燃烧诸如柴油或汽油的燃料，从而将在气缸20内往复运动的活塞的运动转换为曲轴30的旋转运动。曲轴30进一步联接到变速器(未示出)以将扭矩提供到驱动元件(未示出)。在重型车辆(例如，卡车)的情况中，该驱动元件是车轮；然而，内燃机10也可用于其它设备，例如建筑设备、航海应用等。

内燃机10还包括排气系统40，所述排气系统40用于回收排气流中的至少一些能量，以提高内燃机10的性能。在所示的示例中，排气离开气缸20并进入歧管42，歧管42进一步连接到涡轮增压器单元120的入口121。该排气流使涡轮机轮122旋转，此旋转被转换为压缩机轮123的相应旋转，用于在入流空气被引入到气缸20内之前压缩该入流空气。涡轮增压器单元120的结构及功能规格在现有技术中已为人熟知，在下文中将不再进一步详细描述。

排气离开涡轮增压器120并向下游流动，可选地流到涡轮复合单元220。来流排气中的一些能量已被用于驱动涡轮增压器单元120的涡轮机轮122，该来流排气被引导通过涡轮复合单元220的涡轮机轮222，因此使涡轮机轮222和相关的涡轮机轴223旋转。涡轮机轴223的旋转被转换为齿轮230的相应旋转。齿轮230与另外的齿轮机构232啮合，以将涡轮复合单元220的涡轮机轴223联接到曲轴30。因此，在涡轮机轮222被促动旋转时，涡轮机轴223将附加的扭矩提供给曲轴30。

在所示的实施例中，涡轮增压器单元120具有径向涡轮机轮122，而涡轮复合单元220具有轴向涡轮机轮222。然而，在其它实施例中，涡轮增压器单元120可具有轴向涡轮机轮122，而涡轮复合单元220可具有径向或轴向涡轮机轮222。

车辆系统100包括轴向涡轮机单元，即涡轮增压器单元120、涡轮复合单元220或二者。此外，车辆系统100包括控制单元170，该控制单元170连接到布置在轴向涡轮机单元120、220下游的排气压力升高装置110。加压流体供给路径130也形成车辆系统100的一部分，该加压流体供给路径130被构造为将加压流体提供到预定区域以使轴向涡轮机单元120、220的轴承壳体相对于相邻的排气管道密封。控制单元170进一步被构造为监测流体供给路径130的运行，且响应于所检测到的加压流体供给路径130的故障来控制排气压力升高装置110的运行。例如，可通过提供差压计来检测流体供给路径130的故障，该差压计布置在连接到控制单元170的流体供给路径130处。

排气压力升高装置110优选是闭环蝶阀或排气压力管理器。压力升高装置110布置在排气管道内，从轴向涡轮机单元120、220延伸到更下游的后处理部件。闭环蝶阀和排气压力管理器在现有技术中已为人熟知，因此这里将再详细描述。

现在转到图3和图4，将在下文中进一步详细描述车辆系统100。涡轮复合单元形式的轴向涡轮机单元220被布置为与涡轮增压器单元形式的径向涡轮机单元120串联。

离开涡轮增压器单元120的出口124的排气被引导到涡轮复合单元220的轴流式涡轮机轮222。该排气在涡轮复合单元220的入口221和出口224之间呈现压降，该压降被涡轮机轮222转化为动能，此动能被供应到发动机曲轴30(见图2)。

涡轮复合单元220包括涡轮机壳体150和轴223，所述轴223刚性地连接到涡轮机轮222且通过轴承226以可旋转方式支撑在壳体150内。

加压流体供给路径130被布置成一个通道132，该通道132从入口134延伸穿过轴承壳体150至区域140，该区域140位于涡轮机轴223与轴承壳体150的界面处，非常靠近涡轮机轮222。因此，因为该区域140由于加压流体供给路径130而受到过压从而将迫使此机油泄漏远离涡轮机轮222和排气通道160，即使在轴承壳体150的涡轮机轮侧存在吸力，也将阻止机油沿着涡轮机轴223泄漏出。

如上所述，提供了加压流体供给路径130以克服在轴向涡轮机轮222的后侧处欠压的缺点，这种欠压可能导致机油逸出到排气通道160内。

当发动机10在高速低扭矩下运行时，这种欠压的风险升高。图5示出了轴向涡轮机轮222后方的压力作为发动机扭矩和转速的函数的曲线图。对应于相对低的发动机扭矩下的高发动机转速的单线虚线区域对于图3所示的涡轮复合单元220的涡轮机轮222后方的压力是关键的。因此，机油泄漏更可能在对应于此区域的运行条件下发生。

现在转到图6，将描述车辆系统100，特别是关于控制单元170以及其如何连接到加压流体供给路径130和排气压力升高装置110。传感器180被提供为感测加压流体供给路径130的运行。例如，传感器180可通过与用于将加压流体引导到区域140的通道132(见图4)连接的或与诸如泵等的压力源(未示出)连接的压力传感器或流量传感器来实现。传感器180因此检测加压流体供给路径130的运行，且将对应于供给130的运行状态的输出信号提供给控制单元170。为此，控制单元170包括接收传感器数据的数据输入单元172。数据输入单元172将传感器数据传递到比较单元174，所述比较单元174被构造为将参考值与代表流体供给路径130的运行的传感器数据进行比较。在压力传感器的情况中，该参考值可以是对应于所需的最小压力的值，而在流量传感器的情况下，参考值可以是对应于所需的最小流体流量的值。比较单元174将提供代表加压流体供给路径130的运行状态的输出值，即，所述加压流体供给路径130运行正常还是故障。在比较单元174实际上确定加压流体供给路径130故障的情况中，向驾驶员给出警告或警示。比较单元174将在此故障时将故障信号传递到计算单元176。计算单元176因此接收代表加压流体供给路径130的故障模式的信息。此外，计算单元176确定排气压力升高装置110的期望的运行状态，且基于所确定的运行状态，经由连接到排气压力升高装置110的数据输出单元178控制排气压力升高装置110。优选地，计算单元176因此也构造为确定机油泄漏的风险，例如通过取出对应于图5所示的曲线图的数据来确定。此数据例如可预先存储在形成控制单元170的一部分的存储器内，所述存储器位于车辆上，或不位于车辆上而是被制成可通过无线数据传输访问。该数据可以3D表格存储，例如，对于给定的发动机转速和发动机扭矩可获得的特定风险水平。在运行期间，计算单元176因此接收实际的发动机转速和实际的发动机扭矩，并因此通过访问所述表格来断定实际的风险水平。基于该风险水平，计算单元176可构造为确定排气压力升高装置110的期望的运行状态，使其在对应于降低的机油逸出风险的程度上封闭。例如，计算单元176可计算该机油逸出的风险为50％，并且，将排气压力升高装置110关闭70％将使得机油逸出的风险降低到低于5％，这可能是一个足够低的概率。相应地，数据输出单元178将对应于70％的关闭动作的指令传递到排气压力升高装置110。

现在转到图7，将描述根据多种实施例的方法300。方法300被执行以在涡轮增压发动机10运行期间防止机油逸出到排气中。在第一步骤302中，将加压流体提供到预定区域以使轴向涡轮机单元的轴承壳体相对于轴向涡轮机单元下游的相邻的排气管道密封。在优选与步骤302并行地提供的步骤304中，检测加压流体的所述提供中的故障。响应于此故障检测，该方法执行步骤306，即，控制该轴向涡轮机单元下游布置的排气压力升高装置，以升高该排气压力升高装置上游的排气管道内的压力。优选地，步骤306被执行到如下程度，即：提供从涡轮增压器的轴承壳体到所述排气管道的正压力梯度。

步骤304可优选以两步序列执行，包括测量所述加压流体的压力的第一子步骤304a和将所测量到的压力值与参考值进行比较的第二子步骤304b。可选地，通过测量所述加压流体的流量来执行子步骤304a，其中，通过将所测量到的流量值与参考值进行比较来执行子步骤304b。

步骤306可优选地也分为数个子步骤306a至306c。在第一子步骤306a中，通过估算轴承壳体和相邻的排气管道之间的压力差来确定排气压力升高装置的期望的运行状态。可基于当前的发动机扭矩和当前的发动机转速来确定该压力差，例如通过从存储器中取出预存储的压力差的值来确定。在子步骤306b中，基于所估算的压力差，计算排气压力升高装置的期望的运行状态。然后可进行最终步骤306c，其中，控制该排气压力升高装置，以使其根据所述期望的运行状态运行。

应理解的是，本发明不限于以上所述的且在附图中示出的实施例；而是，本领域普通技术人员将认识到，在所附权利要求的范围内，可进行许多修改和变型。

Claims (21)

1.一种用于在涡轮增压发动机的运行期间防止机油逸出到排气中的方法，所述方法包括以下步骤：

将加压空气提供到预定区域以使轴向涡轮机单元的轴承壳体相对于所述轴向涡轮机单元下游的相邻的排气管道密封；以及

检测加压空气的所述提供中的故障；

其特征在于以下步骤：

响应于该故障检测，控制在所述轴向涡轮机单元下游布置的排气压力升高装置，以升高在所述排气压力升高装置上游的所述排气管道内的压力。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过测量所述加压空气的压力并将所测量到的压力值与参考值进行比较来执行故障检测的步骤。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，通过测量所述加压空气的流量并将所测量到的流量值与参考值进行比较来执行故障检测的步骤。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，还包括以下步骤：确定所述排气压力升高装置的期望的运行状态。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述排气压力升高装置被控制成根据所述期望的运行状态来运行。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，通过估算所述轴承壳体和所述相邻的排气管道之间的压力差并基于所估算的压力差计算所述排气压力升高装置的所述期望的运行状态，来执行确定所述期望的运行状态的步骤。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，基于当前的发动机扭矩和当前的发动机转速来估算所述压力差。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，通过从存储器中取出所存储的压力差的值来执行估算所述压力差的步骤。

9.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，通过控制闭环蝶阀的运行来执行控制所述排气压力升高装置的步骤。

10.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，通过控制排气压力管理器的运行来执行控制所述排气压力升高装置的步骤。

11.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，执行控制所述排气压力升高装置的步骤到以下程度：提供从涡轮增压器的所述轴承壳体到所述排气管道的正压力梯度。

12.一种携载有计算机程序的计算机可读介质，所述计算机程序包括程序代码，当所述计算机程序在计算机上运行时，所述程序代码执行根据权利要求1至11中的任一项所述的方法。

13.一种用于控制排气压力升高装置的控制单元，所述控制单元被构造为执行根据权利要求1至11中的任一项所述的方法。

14.一种车辆系统（100），所述车辆系统（100）包括排气压力升高装置（110）和布置在所述排气压力升高装置（110）上游的轴向涡轮机单元（120），所述轴向涡轮机单元（120）包括空气供给路径（130），用于将加压空气提供到预定区域以使所述轴向涡轮机单元（120）的轴承壳体（150）相对于相邻的排气管道（160）密封，其中，所述车辆系统还包括控制单元（170），所述控制单元（170）被构造为监测所述空气供给路径（130）的运行，

其特征在于，所述控制单元（170）进一步被构造为：响应于所检测到的加压空气的所述提供中的故障来控制所述排气压力升高装置（110）的运行。

15.根据权利要求14所述的车辆系统，其中，所述排气压力升高装置（110）是闭环蝶阀。

16.根据权利要求14所述的车辆系统，其中，所述排气压力升高装置（110）是排气压力管理器。

17.根据权利要求14至16中的任一项所述的车辆系统，还包括用于检测来自所述空气供给路径（130）的空气流量和/或空气压力的传感器（180）。

18.根据权利要求14至16中的任一项所述的车辆系统，其中，所述轴向涡轮机单元（120）是涡轮增压器单元或涡轮复合单元。

19.根据权利要求14至16中的任一项所述的车辆系统，其中，所述控制单元（170）包括比较单元（174），所述比较单元（174）被构造为将参考值与代表所述空气供给路径（130）的运行的测量值进行比较。

20.根据权利要求19所述的车辆系统，其中，所述控制单元（170）还包括计算单元（176），所述计算单元（176）被构造为确定代表所述排气压力升高装置（110）的期望的运行状态的值，并且其中，所述控制单元（170）进一步被构造为基于所确定的值来控制所述排气压力升高装置（110）。

21.一种车辆，所述车辆包括根据权利要求14至20中的任一项所述的车辆系统。

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