CN107916985A - 发动机系统 - Google Patents

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韩东熙
朴�钟
朴钟一
洪承祐
李炯馥
李周沅
秋东昊
林贤俊
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Abstract

一种发动机系统，可以包括：发动机，包括通过燃料的燃烧产生驱动扭矩的多个气缸；第一排气歧管，连接至多个气缸中的一些气缸；第二排气歧管，连接至多个气缸中的剩余气缸；涡轮增压器，包括通过从第一排气歧管排出的废气旋转的涡轮机，和与涡轮机一起旋转并且压缩向气缸供应的空气的压缩机；以及增压机，包括电动机和通过电动机操作以将压缩空气供应至气缸的压缩机。

Description

发动机系统
相关申请的引用
本申请要求于2016年10月6日提交至韩国知识产权局的韩国专利申请第10-2016-0129257号的优先权和权益，其全部内容通过引用方式结合在此。
技术领域
本公开内容涉及一种发动机系统，且更具体地，涉及这样一种发动机系统，其通过减小排气干扰可以实现高压缩比，并且可以改善中负荷和高负荷操作区域或参数下的燃料消耗。
背景技术
发动机混合空气和燃料并且通过燃烧空气燃料混合物产生驱动力。
为了获得需要的输出功率和燃烧效率，应向发动机供应充足的空气。为了供应空气，涡轮增压器(turbocharger)常常用于增加燃烧效率并且向发动机供应充足的空气。
涡轮增压器的涡轮机通过从发动机排出的废气的压力而旋转。涡轮增压器的压缩机压缩从外部流入的新鲜空气。压缩空气供应至发动机的气缸。涡轮增压器已经应用于大多数柴油发动机，并且最近已经应用于汽油发动机。
涡轮增压器包括调节从发动机供应至涡轮机的废气量的废气门阀(waste gatevalve)。然而，涡轮增压器上使用的废气门阀非常昂贵。
已经开发了使用由电动机操作的压缩机压缩外界或外部空气的电动增压机(Electric supercharger，电动增压器)。因为电动增压机通过电动机操作，所以存在很小的涡轮延迟。电动增压机主要在低速和低负载操作参数或区域中向发动机的气缸提供压缩空气。
由废气压力操作的涡轮增压器(在下文中称为‘机械涡轮增压器’)具有低响应性。此外，使用机械涡轮增压器在实现具有高压缩比的发动机中由于高背压而导致问题。
此外，因为根据在车辆中提供的电池的输出而限制电动机的输出功率，所以电动增压机的使用局限于低速和中速操作参数或者区域。
此外，在典型的多缸发动机中，产生排气干扰，其中从气缸之一排出的废气影响另一个气缸。因此，由于排气干扰，气缸中的残余废气量增加，使得难以实现具有高压缩比的发动机。
在该背景部分中公开的上述信息仅是为了增强对本公开内容的背景的了解。因此，背景部分可以包含对于本领域普通技术人员来说不被视为现有技术的信息。
发明内容
本公开内容提供一种可以最小化排气干扰的发动机系统。
此外，本公开内容提供这样一种新的发动机系统：其具有通过废气操作的机械涡轮增压器和通过电动机操作的电动增压机。
根据本公开内容的实施方式，发动机系统可以包括：发动机，包括通过燃料的燃烧产生驱动扭矩的多个气缸；第一排气歧管，连接至多个气缸中的一部分气缸；第二排气歧管，连接至多个气缸中的剩余的气缸；涡轮增压器，包括通过从第一排气歧管排出的废气旋转的涡轮机，和与涡轮机一起旋转并且压缩向气缸供应的空气的压缩机；以及增压机，包括电动机和压缩机，该压缩机通过电动机操作将压缩空气供应至气缸。
涡轮机可以布置在第一排气管线处、在第一排气管线中、或者沿着第一排气管线，已经从第一排气歧管排放的废气通过第一排气管线流动。废气净化装置可以布置在第一排气管线和第二排气管线接合的部分处。废气通过第二排气管线流动，废气已经从第二排气歧管排放。
气缸可以是位于四缸发动机中，在该四缸发动机中依次布置第一气缸、第二气缸、第三气缸、及第四气缸。第二气缸和第三气缸可以连接至第一排气歧管，并且第一气缸和第四气缸可以连接至第二排气歧管。
气缸可以是位于四缸发动机中，在该四缸发动机中依次布置第一气缸、第二气缸、第三气缸、及第四气缸。第二气缸和第三气缸可以连接至第二排气歧管，并且第一气缸和第四气缸可以连接至第一排气歧管。
涡轮增压器的压缩机和电动增压机可以布置在进气管线处、在进气管线中或者沿着进气管线，新鲜空气流入进气管线。用于冷却新鲜空气的中间冷却器可以布置在进气管线处、在进气管线中、或者沿着进气管线。
旁通管线可以布置在进气管线处、在进气管线中、或者沿着进气管线，用于旁路(bypassing)向电动增压机供应的空气的一部分。旁通阀可以布置在旁通管线处、在旁通管线中、或者沿着旁通管线。
在低速和中速操作参数或区域中，发动机扭矩可以通过旁通阀打开的量、来自电动增压机的增压空气的量、以及节流阀打开的量来调节。
在高速操作参数或者区域中，发动机扭矩还可以通过节流阀打开的量调节。
发动机系统可以进一步包括低压废气再循环(EGR)系统。低压EGR系统可以包括低压EGR管线，该低压EGR管线在涡轮机的后端处从排气管线分出并且在压缩机的前端处接合至进气管线。低压EGR系统还可以具有布置在低压EGR管线中的低压EGR冷却器和布置在低压EGR管线中的低压EGR阀。
发动机系统可以进一步包括高压EGR系统。高压EGR系统可以包括高压EGR管线，该高压EGR管线在涡轮机的后端处从排气管线分出并且在电动增压机的后端处接合至进气管线。高压EGR系统还可以具有布置在高压EGR管线中的高压EGR冷却器和布置在高压EGR管线中的高压EGR阀。
根据本公开内容的实施方式，从一些气缸排放的废气操作涡轮增压器。从剩余气缸排放的废气直接排放至废气净化装置。因此，可以减小背压并且可以实现高压缩比。
此外，从一些气缸排放的废气操作涡轮增压器。从剩余气缸排放的废气直接排出至废气净化装置。因此，可以消除对非常昂贵的废气门阀的需要。
附图说明
提供附图以用于在描述本公开内容的实施方式时作为参考。本公开内容的精神不应仅由附图所解释。
图1是示出了根据本公开内容的实施方式的发动机系统的示意性视图。
图2是示出了根据本公开内容的实施方式的发动机系统的操作区域的曲线图。
图3是根据本公开内容的实施方式的帮助解释减少排气干扰的原理的示意图。
图4是示出了根据本公开内容的另一实施方式的发动机系统的示意图。
具体实施方式
在下文中，参照附图更全面地描述本公开内容，在附图中示出了本公开内容的实施方式。正如本领域的普通技术人员将认识到的，所描述的实施方式可以各种不同的方式进行修改，所有这些都不脱离本公开内容的精神或范围。
在公开的发动机系统的描述中，将省去与描述无关的部分。在说明书中，类似参考标号通常指类似元件。附图中的参考标号如下使用：
10-发动机
11-第一气缸
12-第二气缸
13-第三气缸
14-第四气缸
20-控制器
30-主排气管线
31-第一排气歧管
33-第一排气管线
35-第二排气歧管
37-第二排气管线
40-涡轮增压器
41-涡轮机
43-压缩机
50-电动增压机
51-电动机
53-电压缩机
60-进气管线
62-旁通管线
64-节流阀
66-旁通阀
67-中间冷却器
68-空气滤清器
70-进气歧管
80-废气净化装置
90-低压EGR系统
92-EGR管线
94-EGR冷却器
96-EGR阀
100-高压EGR系统
102-EGR管线
104-EGR冷却器
106-EGR阀
此外，附图中示出的每种构造的尺寸和厚度为了更好的理解和方便描述是任意示出的。然而，本公开内容不限于此。在附图中，为了清楚起见，放大了层、膜、面板、区域等的厚度。
在下文中，将参考附图更详细地描述根据本公开内容的实施方式的发动机系统。
图1是示出了根据本公开内容的实施方式的发动机系统的示意性视图。如本文中使用的，短语“布置在……处(disposed at)”是指通常表示一个部件相对于另一部件定位并且放置使得该部件可以如预期地起作用和操作。一个部件可以在另一个部件内，与另一个部件相邻，与另一个部件并排，与另一个部件对齐，或者与另一个部件连通。短语的使用不旨在限制部件相对于彼此组装或交互的方式。
如在图1中所示，发动机系统包括：发动机10，具有多个通过燃料的燃烧产生驱动扭矩的气缸；涡轮增压器40，供应压缩空气至气缸；电动增压机50，供应压缩空气至气缸，电动增压机50由电动机51操作；以及排气歧管，连接至气缸。
发动机10可以是具有四个气缸的四缸发动机。多个气缸，即，第一气缸11、第二气缸12、第三气缸13、及第四气缸14依次布置。
排气歧管包括连接至多个气缸的一部分或者一些的第一排气歧管31和连接至多个气缸的剩余的气缸的第二排气歧管35。
在一个实施方式中，第一排气歧管31可以连接至第二气缸12和第三气缸13。第二排气歧管35可以连接至第一气缸11和第四气缸14。
在另一实施方式中，第二排气歧管35反而可以连接至第二气缸12和第三气缸13。第一排气歧管31反而可以连接至第一气缸11和第四气缸14。
第一排气歧管31连接至第一排气管线33，并且第二排气歧管35连接至第二排气管线37。第一排气管线33和第二排气管线37在主排气管线30处接合。用于净化废气的废气净化装置80布置在主排气管线30的第一排气管线33和第二排气管线37接合处。
涡轮增压器40供应压缩空气至气缸。涡轮增压器40包括涡轮机41，该涡轮机通过已经从气缸排放的废气旋转。涡轮增压器40还具有压缩机43，该压缩机通过涡轮机的旋转力旋转并且压缩吸入空气。涡轮机41布置在第一排气管线33处、在第一排气管线33中，或者沿着第一排气管线33，并且由通过第一排气歧管31排出的废气操作。
用于向气缸供应压缩空气的电动增压机50包括电动机51和电压缩机53。电压缩机53由电动机51操作并且压缩吸入空气。受压缩的吸入空气供应至气缸。
涡轮增压器40的压缩机43和电动增压机50布置在进气管线60处、在进气管线60中、或者沿着进气管线60，外界或外部空气流入进气管线60中。空气滤清器68布置在进气管线60的入口处用于过滤外界空气。中间冷却器67布置在进气管线60处、在进气管线60中、或者沿着进气管线60，用于冷却由涡轮增压器40压缩的空气。
涡轮增压器40的压缩机43布置在进气管线60的上游侧处、在进气管线60的上游侧中、或者沿着进气管线60的上游侧，并且电动增压机50布置在进气管线60的下游侧处、在进气管线60的下游侧中、或者沿着进气管线60的下游侧。通过进气管线60流动的外界空气通过进气歧管70供应至气缸。节流阀64安装在进气歧管70处。供应至气缸的空气量通过节流阀64的开口调节。
旁通管线62布置在进气管线60处、在进气管线60中、或者沿着进气管线60。旁通管线62旁路向电动增压机50供应的外界空气的一部分。旁通阀66布置在旁通管线62处、在旁通管线62中、或者沿着旁通管线62。通过旁通阀66打开的量调节通过电动增压机50供应的空气的量。
根据本公开内容的实施方式的发动机系统可以进一步包括EGR系统。EGR系统是安装在车辆上以减少有毒废气的系统。
参考图4，作为代表的废气再循环或者EGR系统，发动机系统包括低压EGR系统90和高压EGR系统100。
低压EGR系统90可以包括低压EGR管线92，该低压EGR管线在涡轮机41的后端处从排气管线30分出并且在压缩机43的前端处接合至进气管线60。低压EGR系统90还可以包括布置在低压EGR管线92中的低压EGR冷却器94和布置在低压EGR管线92中的低压EGR阀96。
高压EGR系统100可以包括高压EGR管线102，该高压EGR管线在涡轮机41的后端处从第一排气管线33分出并且在电动增压机50的后端处接合至进气管线60。高压EGR系统100还可以包括布置在高压EGR管线102中的高压EGR冷却器104和布置在高压EGR管线102中的高压EGR阀106。
在下文中，参考附图详细地描述根据本公开内容的实施方式的发动机系统的操作。
图2是示出了根据本公开内容的实施方式的发动机系统的操作区域或者参数的曲线图。在图2中，水平轴线表示发动机转速，而竖直轴线表示发动机扭矩。
在图2中，实线表示当四缸发动机操作为自然吸气发动机时的发动机扭矩。虚线表示当四缸发动机通过电动增压机50升压时的发动机扭矩。单点划线表示当四缸发动机通过涡轮增压器40升压时的发动机扭矩。双点划线表示当四缸发动机通过电动增压机50和涡轮增压器40升压时的发动机扭矩。
参考图2，因为当发动机转速相对低(低速区域)时，从第二气缸12和第三气缸13排出的废气量不大，所以涡轮增压器40的升压受限制。
因此，通过电动增压机50压缩的空气供应至气缸。当驱动区域处于低速区域时，根据发动机转速的发动机扭矩通过旁通阀66打开的量、由电动增压机50提供的压缩空气的量、以及节流阀64打开的量来调节。旁通阀66、节流阀64、及电动增压机50可以通过车辆中提供的控制器20(例如，发动机控制单元(ECU))控制。
控制器20是或者具有执行预定程序的至少一个微处理器，和/或具有包括微处理器的硬件。预定程序可以由执行下面描述的根据本公开内容的实施方式的用于控制发动机的方法的一系列命令形成。
此外，由于从第一气缸11和第四气缸14排出的废气通过第二排气歧管35和第二排气管线37排出到主排气管线30，而不经过涡轮增压器40，因此可以降低背压。因此，可以增加第一气缸11和第四气缸14的压缩比，使得可以改善燃料消耗。
涡轮增压器40通过从第一气缸11和第四气缸14排出的废气操作。由涡轮增压器40压缩的空气在中速区域中供应到气缸，在该中速区域中，发动机的转速与低速区域相比相对较快。并且，通过电动增压机50压缩的空气供应至气缸。
通过涡轮增压器40和电动增压机50压缩的压缩空气供应至气缸。在中速区域中，通过旁通阀66打开的量、由电动增压机50提供的压缩空气的量、以及节流阀64打开的量来调节发动机扭矩。
涡轮增压器40通过从第一气缸11和第四气缸14排出的废气操作。由涡轮增压器40压缩的压缩空气在高速区域中供应到气缸，在该高速区域中，发动机的转速与中速区域相比相对较快。
在高速区域中，压缩空气由涡轮增压器40供应到气缸，但是由电动增压机50压缩的空气不供应的气缸。在高速区域中，通过节流阀64打开的量调节发动机扭矩。
根据传统的涡轮增压器，因为在高速区域中废气的供应量增加并且涡轮机41的涡轮机叶轮42的转速偏离预定的公差极限，因此出现涡轮机叶轮过载的问题。为了解决传统涡轮增压器中的上述问题，使用废气门阀旁路从气缸排放的废气。从四个气缸排放的废气的大约一半从涡轮机41转向或改道。
然而，根据本公开内容的实施方式，由于两个气缸(第二气缸12和第三气缸13)连接到涡轮增压器40的涡轮机41，因此不需要在高速区域中旁路供应至涡轮增压器40的涡轮机41的废气。因此，可以去除用于传统的涡轮增压器40中的废气门阀。因此可以降低车辆的制造成本。
此外，虽然去除废气门阀，但是在高速区域中可以获取发动机输出。发动机扭矩通过电动增压机调节。废气门阀不需要在低速和中速区域中被控制，因此可以确保稳定性。
在下文中，详细描述用于通过根据本公开内容的实施方式的发动机系统减小排气干扰的方法。
图3是说明根据本公开内容的实施方式的减小排气干扰的原理的示意图。
参考图3，排气歧管被分成第一排气歧管31和第二排气歧管35。
从第二气缸12和第三气缸13排出的废气(以下称为‘第一废气’)在通过第一排气歧管31和第一排气管线33之后排出到主排气管线30。从第一气缸11和第四气缸14排出的废气(以下称为‘第二废气’)在通过第二排气歧管35和第二排气管线37之后排出到排气管线30。
由于第一废气的流道(第二排气管线)和第二废气的流道(第一排气管线)通过涡轮机41的涡轮机叶轮42物理地分离，因此能够防止第一废气和第二废气的干扰。
换言之，由于涡轮机叶轮42，第二废气不会向后流至第二气缸和第三气缸。因此，可以防止第二废气对第二气缸12和第三气缸13的干扰。
此外，第一废气的流道(第二排气管线)和第二废气的流道(第一排气管线)可能没有通过涡轮机叶轮42完全分离。然而，当第一废气通过废气净化装置80和涡轮机叶轮42流入第一气缸11和第四气缸14时，或者当第二废气通过废气净化装置80和涡轮机叶轮42流入第二气缸12和第三气缸13时，废气净化装置80用作一种谐振器。
第一废气和第二废气作为一种脉动排出。然而，当第一废气在通过废气净化装置80和涡轮机叶轮42之后流入第一气缸11和第四气缸14时，或者当第二废气在通过废气净化装置80和涡轮机叶轮42之后流入第二气缸12和第三气缸13时，第一废气和第二废气的脉动的幅度通过废气净化装置80减小。因此，可以最小化第一气缸11和第四气缸14中的第一废气的干扰和/或第二气缸12和第三气缸13中的第二废气的干扰。
虽然已结合目前被认为是实用的实施方式描述了公开的实施方式，但应当理解的是，本公开内容不限于所公开的实施方式，而是，相反地，本公开内容旨在涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等同布置。

Claims (10)

1.一种发动机系统，包括：
发动机，包括用于通过燃料的燃烧产生驱动扭矩的多个气缸；
第一排气歧管，连接至多个所述气缸中的一些气缸；
第二排气歧管，连接至多个所述气缸中的剩余气缸；
涡轮增压器，包括通过从所述第一排气歧管排出的废气旋转的涡轮机，和与所述涡轮机一起旋转并且压缩向所述气缸供应的空气的压缩机；以及
增压机，包括电动机和通过所述电动机操作以将压缩空气供应至所述气缸的压缩机。
2.根据权利要求1所述的发动机系统，其中，
所述涡轮机被布置在第一排气管线处，已经从所述第一排气歧管排放的废气通过所述第一排气管线流动，并且
在所述第一排气管线和第二排气管线接合的部分处布置有废气净化装置，其中，已经从所述第二排气歧管排放的废气通过所述第二排气管线流动。
3.根据权利要求1所述的发动机系统，其中，
所述气缸是位于四缸发动机中，在所述四缸发动机中依次布置第一气缸、第二气缸、第三气缸以及第四气缸，并且
所述第二气缸和所述第三气缸连接至所述第一排气歧管，并且所述第一气缸和所述第四气缸连接至所述第二排气歧管。
4.根据权利要求1所述的发动机系统，其中，
所述气缸是位于四缸发动机中，在所述四缸发动机中依次布置第一气缸、第二气缸、第三气缸以及第四气缸，并且
所述第二气缸和所述第三气缸连接至所述第二排气歧管，并且所述第一气缸和所述第四气缸连接至所述第一排气歧管。
5.根据权利要求1所述的发动机系统，进一步包括：
进气管线，新鲜空气流入所述进气管线，所述涡轮增压器的所述压缩机和所述增压机布置在所述进气管线处；以及
中间冷却器，布置在所述进气管线处以用于冷却所述新鲜空气。
6.根据权利要求5所述的发动机系统，进一步包括：
旁通管线，布置在所述进气管线处以用于旁路向所述增压机供应的空气流的一部分；以及
旁通阀，设置在所述旁通管线处，
其中，通过所述进气管线流动的新鲜空气通过进气歧管供应至所述气缸，在所述进气歧管处安装有节流阀。
7.根据权利要求6所述的发动机系统，其中，
在低速区域和中速区域中，发动机扭矩是通过所述旁通阀打开的量、来自所述增压机的增压空气的量、以及所述节流阀打开的量来调节。
8.根据权利要求6所述的发动机系统，其中，
在高速区域中，发动机扭矩是通过所述节流阀打开的量来调节。
9.根据权利要求1所述的发动机系统，进一步包括：
低压EGR系统，包括i)低压EGR管线，在所述涡轮机的后端处从排气管线分出并且在所述涡轮增压器的所述压缩机的前端处接合至进气管线，ii)低压EGR冷却器，布置在所述低压EGR管线中，以及iii)低压EGR阀，布置在所述低压EGR管线中。
10.根据权利要求1所述的发动机系统，进一步包括：
高压EGR系统，包括i)高压EGR管线，在所述涡轮机的后端处从排气管线分出并且在所述增压机的后端处接合至进气管线，ii)高压EGR冷却器，布置在所述高压EGR管线中，以及iii)高压EGR阀，布置在所述高压EGR管线中。
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