CN110799737A - 车辆系统和用于这种车辆系统的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于车辆系统(100)的方法，该车辆系统包括：内燃发动机(10)，该内燃发动机具有连接到该内燃发动机的涡轮增压器单元(110)；涡轮复合单元(120)，该涡轮复合单元被布置成接收从涡轮增压器单元(110)流出的排气；以及排气再循环系统(130)。该方法包括：通过确定压力差来控制流过排气再循环系统(130)的排气，并且，如果所确定的压力差高于预定阈值，则将再循环的排气引导到增压空气冷却器(170)下游的进气管线(160)，而如果所确定的压力差不高于预定阈值，则将再循环的排气引导到涡轮增压器单元(110)的压缩机(114)。

Description

车辆系统和用于这种车辆系统的方法
技术领域
本发明涉及一种用于车辆系统的方法，该车辆系统包括内燃发动机和连接到该内燃发动机的涡轮复合单元，该内燃发动机具有涡轮增压器单元，并且本发明还涉及这样的车辆系统。
本发明可以应用于重型车辆，例如卡车、公共汽车和建筑设备。虽然将针对卡车来描述本发明，但本发明不限于这种特定车辆，而是还可用在其它应用中。
背景技术
涡轮复合单元是一种车辆部件，它用于回收内燃发动机的排气流的一部分能量，并将该能量转换为轴的旋转运动。随着扭矩增大，该轴的旋转运动被传递到车辆的曲轴。通常，涡轮复合单元被定位在涡轮增压器单元下游。
内燃发动机还可以构造成允许排气回收(EGR)，以减少氮氧化物(NOx)的排放。由于在较高温度下NOx的形成量增多，将进入的空气与排气混合将以给定的当量比而增大燃料气体混合物的热容量，从而降低燃烧期间的温度。结果，NOx的量将减少。
US2008127645描述了一种车辆系统，该车辆系统具有与涡轮增压器单元串联地布置的涡轮复合单元。该车辆系统设置有EGR系统，该EGR系统允许将排气引导到进气中。EGR的量由混合阀控制。
由于涡轮复合单元的涡轮机中的额外膨胀，上述车辆系统很可能在大多数操作点上具有良好的EGR驱动压力。然而，并非对于所有操作点都是如此。特别是在低负载和低发动机速度下，配备有涡轮复合单元以及燃料优化的高效涡轮增压器的车辆系统将遭受不足的EGR驱动压力。这不仅在涡轮复合/涡轮增压器系统的匹配方面，而且在整个车辆系统的优化方面都会造成限制和较低的自由度，从而导致非最佳的燃料消耗。
因此，希望有一种改进的车辆系统以及用于这种车辆系统的方法。
发明内容
根据本发明的第一方面，通过根据权利要求1所述的方法来实现所述目的。根据本发明的第二方面，通过根据权利要求5所述的计算机程序来实现所述目的。根据本发明的第三方面，通过根据权利要求6所述的计算机可读介质来实现所述目的。根据本发明的第四方面，通过根据权利要求7所述的车辆系统来实现所述目的。根据本发明的第五方面，通过根据权利要求19所述的车辆来实现所述目的。
因此，本发明的目的是提供一种方法，该方法包括以下步骤：确定排气歧管与在增压空气冷却器下游的进气管线之间的压力差。该压力差通常表示用于排气再循环的正常驱动压力。如果所确定的压力差高于预定阈值，则将再循环的排气引导到增压空气冷却器下游的进气管线，而如果所确定的压力差不高于预定阈值，则将再循环的排气引导到涡轮增压器单元的压缩机。
可以例如通过实时测量或预测性假设或发动机特性曲线测试(mapping)、或者任何适当合适的方式(开环和/或闭环)来确定所述压力差。
通过根据所述压力差来引导被再循环的排气，可以为车辆系统的所有操作点实现足够的EGR水平。
在一个实施例中，将再循环的排气引导到涡轮增压器单元的压缩机是通过将再循环的排气引导到压缩机上游的位置而执行的。替代地，将再循环的排气引导到涡轮增压器单元的压缩机是通过将再循环的排气引导到压缩机的扩压器部分中而执行的，在该扩压器部分中，空气的速度产生较低的静压力，且由此提高了排气的驱动压力。
在一个实施例中，该方法包括：通过将进气以及先前被引导到压缩机的排气引导到增压空气冷却器下游的位置来旁通所述增压空气冷却器。因此，排气温度被保持尽可能高。另外，减少了增压空气冷却器的劣化。
根据第二方面，提供了一种计算机程序。该计算机程序包括程序代码组件，该程序代码组件用于当所述程序在计算机上运行时执行根据第一方面的方法的步骤。
根据第三方面，提供了一种携载计算机程序的计算机可读介质。该计算机程序包括程序代码组件，该程序代码组件用于当所述程序产品在计算机上运行时执行根据第一方面的方法的步骤。
根据第四方面，提供了一种车辆系统。该车辆系统包括内燃发动机和涡轮复合单元，该内燃发动机具有连接到该内燃发动机的涡轮增压器单元，该涡轮复合单元被布置成接收从涡轮增压器单元流出的排气。该车辆系统还包括排气再循环系统，该排气再循环系统包括排气再循环管线，该排气再循环管线具有冷却器并且与增压空气冷却器下游的进气管线连接。该排气再循环管线还包括阀，该阀布置在所述冷却器下游并且被构造成将流过排气再循环管线的排气的至少一部分引导到涡轮增压器单元的压缩机。
在一个实施例中，该车辆系统包括控制单元，该控制单元连接到所述阀并且被配置成基于排气歧管与在增压空气冷却器下游的进气管线之间的压力差来控制所述阀。由此，实现了对排气的有效且稳健的方向控制。
该阀可以构造成将流过排气再循环管线的排气的至少一部分引导到涡轮增压器单元的压缩机上游的位置。替代地，该阀被构造成将流过排气再循环管线的排气的至少一部分引导到涡轮增压器单元的压缩机的扩压器。由此，提高了排气的EGR驱动压力。
在一个实施例中，该进气管线设置有旁通阀，该旁通阀布置在增压空气冷却器上游并且被构造成将进气以及排气引导到增压空气冷却器下游的位置。因此，对于下游的后处理系统，排气温度变得尽可能高。另外，减少了增压空气冷却器的劣化。
在一个实施例中，所述控制单元还被配置成控制所述旁通阀。由此，实现了该控制单元的有效使用。
在一个实施例中，该阀是三通阀，该三通阀能够在关闭位置、第一位置和第二位置之间移动，在该关闭位置，排气被阻止流过所述阀，在该第一位置，排气被引导到增压空气冷却器下游的进气管线，在该第二位置，排气被引导到涡轮增压器单元的压缩机。因此，使用单个部件来控制排气被再循环的方式。
该阀能够在多个中间位置之间移动，所述多个中间位置布置在所述关闭位置、第一位置和第二位置之间。因此，允许对排气再循环的持续控制。
该排气再循环管线可以包括主支路和辅助支路，该主支路连接到增压空气冷却器下游的进气管线，该辅助支路将再循环的排气引导到压缩机。在这种实施例中，该阀是二通阀，该二通阀能够在关闭位置和打开位置之间移动，在该关闭位置，排气被阻止流过所述阀，在该打开位置，排气被引导到辅助支路。由此，提供了简单的构造和控制。
在一个实施例中，该车辆系统还包括再循环阀，该再循环阀布置在EGR冷却器上游，由此，能够控制再循环的排气的量。
在一个实施例中，该二通阀能够在多个中间位置之间移动，所述多个中间位置布置在关闭位置和打开位置之间。因此，允许对排气再循环的持续控制。
根据第五方面，提供了一种车辆。该车辆包括根据第四方面的车辆系统。
在以下描述和从属权利要求中公开了本发明的其他优点和有利特征。
附图说明
参照附图，下面是作为示例引用的本发明的实施例的更详细描述。
在这些图中：
图1是根据一个实施例的车辆的侧视图；
图2是根据一个实施例的车辆系统的示意图；
图3是根据另一个实施例的车辆系统的示意图；
图4是根据又一个实施例的车辆系统的示意图；并且
图5是根据一个实施例的方法的示意图。
具体实施方式
从图1开始，示出了车辆1。被示出为卡车的车辆1具有用于驱动车辆1的内燃发动机10。如下文中将进一步说明的，车辆1的内燃发动机10形成根据各个实施例的车辆系统100的一部分。车辆1可以具有额外的推进单元、例如电驱动器等，只要该车辆具有至少一个提供排气流的发动机即可。因此，车辆1并非只能是卡车，它还可以代表各种重型车辆，例如公共汽车、建筑设备等。
在图2中，更详细地示出了这种车辆系统100的实施例。该车辆系统包括发动机10，该发动机10具有多个气缸12，这些气缸10运行以燃烧诸如柴油或汽油的燃料，由此，在气缸12内往复运动的活塞的运动被转换为曲轴14的旋转移动。曲轴14还联接到变速器(未示出)，用于向驱动元件(未示出)提供扭矩。在诸如卡车之类的重型车辆的情况下，所述驱动元件是车轮；然而，该车辆系统也可以用于其它设备，例如建筑设备、船舶的应用等。
该车辆系统还包括涡轮增压器单元110。涡轮增压器单元110接收来自内燃发动机10的排气，其中，排气流用于驱动涡轮增压器110的涡轮机112。压缩机114将与涡轮机112一起旋转，用于对进气进行压缩，并且该进气通过进气管线160被供给到内燃发动机10。进气管线160从压缩机114的出口延伸到内燃发动机10的进气口，优选从压缩机114的出口经由增压空气冷却器170延伸到内燃发动机10的进气口。
涡轮复合单元120布置在涡轮增压器单元110下游，即，排气在通过涡轮复合单元120之前先通过涡轮增压器单元110。因此，排气离开涡轮增压器单元110并且流到涡轮复合单元120，可选地，经由排气调节器(未示出)流到涡轮复合单元120。所进入的排气(来自该排气中的一些能量已经用于驱动涡轮增压器单元110的涡轮机112)被引导通过涡轮复合单元120的涡轮机叶轮122，从而使涡轮机叶轮122和相关联的涡轮机轴124旋转。一个或多个齿轮将涡轮机轴124连接到曲轴14。因此，当驱使涡轮机叶轮122旋转时，涡轮机轴124将向曲轴14提供额外的扭矩。
离开涡轮复合单元120的排气流入到后处理系统36中，该后处理系统36在排气经由排气管离开内燃发动机10之前从排气中过滤并去除有毒物质(例如NOx)。
车辆系统100还包括排气再循环系统130，该排气再循环系统130将进气管线160与排气管线30连接。排气管线30从形成气缸12的出口的排气歧管16、穿过涡轮增压器单元110、涡轮复合单元12和后处理系统36而延伸到环境中。后处理系统36例如可以包括本领域中众所周知的柴油颗粒过滤器和选择性催化还原系统。
如图2中所示，排气再循环系统130包括排气再循环管线140，该排气再循环管线140在气缸12与涡轮增压器单元110之间的位置处、优选在歧管16处与排气管线30连接。排气再循环系统130还包括沿着排气再循环管线140布置的冷却器150和阀180。排气再循环管线140在增压空气冷却器170和内燃发动机10的气缸12之间的位置处与进气管线160连接。
在图2所示的实施例中，阀180是三通阀，该三通阀连接到控制单元190。由此，控制单元190被配置成控制三通阀180的操作。
三通阀180可以在以下三个位置中的任一个上运行：关闭位置，在该关闭位置，不允许排气流过排气再循环系统130；第一打开位置，在该第一打开位置，排气被引导到增压空气冷却器170下游的进气管线160；以及第二打开位置，在该第二打开位置，排气被引导到涡轮增压器单元110的压缩机114。
如图2中可见，当阀180被布置在第二打开位置时，排气被引导到压缩机114的扩压器116。这种构造要求压缩机114具有所谓的“EGR压缩机”壳体，其中，该壳体的扩压器部分被设计成利用由高空气速度引起的低静压来引入再循环的排气。从JP5071427中已知这种压缩机壳体，因此这里将不进一步描述该压缩机壳体。
因此，控制单元190被配置成将三通阀180的位置设定在所述关闭位置、第一打开位置和第二打开位置的任一个上。在一些实施例中，控制单元190被配置成将三通阀180的位置设定在所述关闭位置、第一打开位置和第二打开位置之间的任一个中间位置上。
通过控制该阀180，能够在两种不同的EGR模式之间切换。根据本文中描述的实施例，基于排气歧管16与在增压空气冷却器170下游的进气管线160之间的压力差(即，EGR驱动压力)来控制该阀180。在正常EGR模式中，即，当EGR驱动压力足够时，排气被引导到增压空气冷却器170下游的进气管线160。在低压力EGR模式中，即，在EGR驱动压力对于最佳的EGR水平而言不够高的操作点中，排气被引导到压缩机114。首选低压力EGR模式的操作点还可以包括一些正常操作点以及热模式操作点、以及有益处的任何其它操作点。
控制单元190可以通过将所确定的压力差与预定阈值进行比较来执行当前驱动模式的确定。如果所确定的压力差高于阈值，则存在正常EGR模式，并且阀180将被设定到第一打开位置。如果所确定的压力差等于或低于阈值，则存在低压力EGR模式，并且阀180将被设定到第二打开位置。该阈值例如可以通过发动机测试或通过可用于确定EGR水平不足的其它方法来预先确定。
为了通过提高排气的温度来获得额外的效率，控制单元190可以连接到旁通阀142，该旁通阀紧接在增压空气冷却器170的上游布置在进气管线160中。在这种实施例中，控制单元190被配置成在热模式和冷起动期间控制旁通阀142。
在图3中，示出了车辆系统100的另一实施例。如能够看到的，图3的车辆系统100与图2中所示的车辆系统100呈现很大的相似性。因此，在这些图中使用的附图标记都是相同的。图3的实施例与图2中的实施例的不同之处在于：当阀180布置在第二打开位置时，排气从三通阀180被再循环到压缩机114的上游的位置。在这种情况下，该压缩机的扩压器具有标准设计。
在图4中示出了车辆系统100的另一实施例。在本实施例中，三通阀180被两个分开的阀180’、195代替。第一阀195是布置在冷却器150上游的二通阀。因此，该阀195形成标准的EGR阀。控制单元190连接到EGR阀195；通过打开EGR阀195，允许排气的再循环。当排气流过EGR阀195和下游的冷却器150时，该排气将被引导到增压空气冷却器170下游的进气管线160。然而，第二阀180’是二通阀，它被构造成打开通向压缩机114的辅助支路144。因此，由控制单元190控制的阀180能够在关闭位置和打开位置之间移动，在该关闭位置，排气被阻止流过所述阀180’，在该打开位置，排气被引导到辅助支路144。
控制单元190优选被配置成使得阀180’能够在多个中间位置之间移动，所述多个中间位置被布置在该关闭位置和打开位置之间。
如图4中可见，阀180’允许将再循环的排气引导到涡轮增压器单元110的压缩机114。在第一实施例中，如先前参照图2所解释的，排气被引导到压缩机壳体116；这样的实施例要求压缩机壳体116具有特定的EGR压缩机类型。在另一实施例中，如先前参照图3所解释的，排气从阀180’被再循环到压缩机114上游的位置。在这种情况下，压缩机扩压器具有标准设计。
与已经关于阀180(参见图2和图3)所描述的方式类似地执行对阀180’的控制，即，该控制基于排气歧管16与在增压空气冷却器170下游的进气管线160之间的压力差。
热模式和热管理也是减少燃料消耗要考虑的重要因素。挑战通常是将后处理系统36处的温度升高到一定温度，该温度足够高，以便能够在低负载下进行碳烟和NOx的减少而不影响燃料消耗。
特别是对于包括具有小型高效涡轮增压器122的涡轮复合单元120以及涡轮增压器单元110的高效动力涡轮机112的车辆系统100，排气温度在低负载时变低。
一种已经证明在可接受的燃料损失的情况下提高排气温度的方式是引入EGR。例如上文已经描述的，在某些操作点处，EGR驱动压力并不总是足够的，特别是对于包括涡轮复合单元120的车辆系统100而言。因此，所描述的实施例能够用于切换，以将EGR引入到压缩机。
现在转到图5，示出了方法200的示意图。使用车辆系统100来执行方法200，该车辆系统100包括内燃发动机10和涡轮复合单元120，该内燃发动机10具有连接到该内燃发动机的涡轮增压器单元110，该涡轮复合单元120被布置成接收从涡轮增压器单元110流出的排气。车辆系统100还包括排气再循环系统130。执行方法200以控制流过排气再循环系统130的排气，并且该方法200包括第一步骤202：即，确定排气歧管与在增压空气冷却器下游的进气管线之间的压力差。可以例如通过实时测量或预测性假设或发动机特性曲线测试、或者任何其它适当的方式(开环和/或闭环)来获得这种压力差的确定。如果所确定的压力差高于预定阈值，则方法200执行步骤204：即，将再循环的排气引导到增压空气冷却器170下游的进气管线160。如果所确定的压力差不高于预定阈值，则方法200执行步骤206：即，将再循环的排气引导到涡轮增压器单元110的压缩机114。
如上文已参照图2到图4描述的，将再循环的排气引导到涡轮增压器单元110的压缩机114的步骤206是通过将再循环的排气引导到压缩机114上游的位置而执行的。
可选地，通过将再循环的排气引导到压缩机114的扩压器部分116中来执行步骤206，在该扩压器部分中，空气的速度产生较低的静压力，且因此提高了排气的驱动压力。
应该理解，本发明不限于上文描述和附图中示出的实施例；而是，本领域技术人员将认识到，在所附权利要求书的范围内可以做出许多修改和变型。

Claims (19)

1.一种用于车辆系统(100)的方法，所述车辆系统(100)包括：内燃发动机(10)，所述内燃发动机(10)具有连接到所述内燃发动机的涡轮增压器单元(110)；涡轮复合单元(120)，所述涡轮复合单元(120)布置成接收从所述涡轮增压器单元(110)流出的排气；以及排气再循环系统(130)，其中，所述方法包括：通过确定排气歧管(16)与在增压空气冷却器(170)下游的进气管线(160)之间的压力差来控制流过所述排气再循环系统(130)的排气；以及，如果所确定的压力差高于预定阈值，则将再循环的排气引导到所述增压空气冷却器(170)下游的所述进气管线(160)，而如果所确定的压力差不高于所述预定阈值，则将所述再循环的排气引导到所述涡轮增压器单元(110)的压缩机(114)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述再循环的排气引导到所述涡轮增压器单元(110)的压缩机(114)是通过将所述再循环的排气引导到所述压缩机(114)上游的位置而执行的。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述再循环的排气引导到所述涡轮增压器单元(110)的压缩机(114)是通过将所述再循环的排气引导到所述压缩机(114)的扩压器部分(116)中而执行的。
4.根据权利要求1到3中的任一项所述的方法，还包括：通过将进气以及先前被引导到所述压缩机(114)的排气引导到所述增压空气冷却器(170)下游的位置来旁通所述增压空气冷却器(170)。
5.一种计算机程序，所述计算机程序包括程序代码组件，所述程序代码组件用于当所述程序在计算机上运行时执行权利要求1到4中的任一项所述的步骤。
6.一种计算机可读介质，所述计算机可读介质携载计算机程序，所述计算机程序包括程序代码组件，所述程序代码组件用于当所述程序产品在计算机上运行时执行权利要求1到4中的任一项所述的步骤。
7.一种车辆系统(100)，所述车辆系统(100)包括：内燃发动机(10)，所述内燃发动机(10)具有连接到所述内燃发动机的涡轮增压器单元(110)；和涡轮复合单元(120)，所述涡轮复合单元(120)被布置成接收从所述涡轮增压器单元(110)流出的排气，其中，所述车辆系统(100)还包括排气再循环系统(130)，所述排气再循环系统(130)包括排气再循环管线(140)，所述排气再循环管线(140)具有冷却器(150)并且与增压空气冷却器(170)下游的进气管线(160)连接，其特征在于，所述排气再循环管线(140)还包括阀(180、180’)，所述阀(180、180’)布置在所述冷却器(150)下游并且被构造成将流过所述排气再循环管线(140)的排气的至少一部分引导到所述涡轮增压器单元(110)的压缩机(114)。
8.根据权利要求7所述的车辆系统(100)，还包括控制单元(190)，所述控制单元(190)连接到所述阀(180、180’)并且被配置成基于所述排气歧管(16)与在所述增压空气冷却器(170)下游的所述进气管线(160)之间的压力差来控制所述阀(180)。
9.根据权利要求7或8所述的车辆系统(100)，其中，所述阀(180、180’)被构造成将流过所述排气再循环管线(140)的排气的至少一部分引导到所述涡轮增压器单元(110)的所述压缩机(114)上游的位置。
10.根据权利要求7或8所述的车辆系统(100)，其中，所述阀(180、180’)被构造成将流过所述排气再循环管线(140)的排气引导到所述涡轮增压器单元(110)的所述压缩机(114)的扩压器(116)。
11.根据权利要求7到10中的任一项所述的车辆系统(100)，其中，所述进气管线(160)设置有旁通阀(142)，所述旁通阀(142)布置在所述增压空气冷却器(170)上游并且被构造成将进气以及所述排气引导到所述增压空气冷却器(170)下游的位置。
12.根据权利要求8和11所述的车辆系统，其中，所述控制单元(190)还被配置成控制所述旁通阀(142)。
13.根据权利要求7到12中的任一项所述的车辆系统(100)，其中，所述阀(180)是三通阀，所述三通阀能够在关闭位置、第一位置和第二位置之间移动，在所述关闭位置，排气被阻止流过所述阀(180)，在所述第一位置，排气被引导到所述增压空气冷却器(170)下游的所述进气管线(160)，在所述第二位置，排气被引导到所述涡轮增压器单元(110)的所述压缩机(114)。
14.根据权利要求13所述的车辆系统(100)，其中，所述阀(180)能够在多个中间位置之间移动，所述多个中间位置被布置在所述关闭位置、所述第一位置和所述第二位置之间。
15.根据权利要求7到12中的任一项所述的车辆系统(100)，其中，所述排气再循环管线(140)包括主支路(141)和辅助支路(144)，所述主支路(141)连接到所述增压空气冷却器(170)下游的所述进气管线(160)，所述辅助支路(144)将再循环的排气引导到所述压缩机(114)，其中，所述阀(180’)是能够在关闭位置和打开位置之间移动的二通阀，在所述关闭位置，排气被阻止流过所述阀(180’)，在所述打开位置，排气被引导到所述辅助支路(144)。
16.根据权利要求15所述的车辆系统，还包括布置在所述冷却器(150)上游的再循环阀(195)。
17.根据权利要求15或16所述的车辆系统(100)，其中，所述阀(180’)能够在多个中间位置之间移动，所述多个中间位置被布置在所述关闭位置和所述打开位置之间。
18.根据权利要求8所述的车辆系统，其中，所述控制单元(190)被配置成执行根据权利要求1到4中的任一项所述的方法的步骤。
19.一种车辆(1)，其包括根据权利要求7到18中的任一项所述的车辆系统(100)。
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