CN111350582A - 多级涡轮增压发动机系统 - Google Patents

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Abstract

一种发动机系统，包括内燃发动机以及第一和第二充气系统。该内燃发动机包括进气系统和排放歧管。第一充气系统包括第一压缩机、涡轮和发电机/电动机模块。第一压缩机具有第一空气入口、第一空气出口和第一输入轴。第一出口连接到进气系统，涡轮具有排气入口，并且排气入口连接到排放歧管的出口。第二充气系统包括第二压缩机和电动机。第二压缩机具有第二空气入口、第二空气出口和第二输入轴。电动机具有出口轴，该出口轴与第二压缩机的第一输入轴直接连接以便共同旋转。

Description

多级涡轮增压发动机系统
技术领域
本公开总体上涉及内燃发动机，更具体地说，涉及具有多级充气的涡轮增压发动机。
背景技术
内燃发动机(ICE)的效率，就每排量的功率单位而言，可以通过在内燃发动机中增加一个装置来大大提高，该装置被设计成增大内燃发动机汽缸中的空气量。这种装置包括但不限于涡轮增压器、超级增压器，设计用于增大“冲压空气”效果的自然吸气式进气系统。虽然每个装置都有不同的优点，但是由于各装置固有的缺点，期望提高功率和扭矩的结果的实现的程度不同。通常，选择使用哪种装置取决于内燃发动机的计划应用。因此，对于特定的应用，可能存在一种或多种最适合其目的的充气解决方案。
因此，本领域需要一种具有消除了先前充气系统的缺点的充气系统的改进内燃发动机。更具体地说，一种新的设计将提高整个内燃发动机工作范围和可变发动机负载下的可用功率和扭矩。
发明内容
本公开包括用于车辆的发动机系统的示例。该发动机系统包括内燃发动机、第一充气系统、第二充气系统和发动机控制模块。内燃发动机包括进气系统和排放歧管。第一充气系统包括第一压缩机、涡轮和发电机/电动机模块。第一压缩机具有第一空气入口、第一空气出口和第一输入轴。第一出口连接到进气系统，涡轮具有排气入口，并且排气入口连接到排放歧管的出口。
第二充气系统包括第二压缩机和电动机。第二压缩机具有第二空气入口、第二空气出口和第二输入轴。第二出口连接到第一压缩机的第一入口。电动机具有出口轴，该出口轴与第二压缩机的第一输入轴直接连接以便共同旋转。
发动机控制模块包括与第一充气系统的发电机/电动机模块的第一电连接和与第二充气系统的电动机的第二电连接。发动机控制模块进一步包括用于在至少第一和第二控制模式下操作发动机系统的控制逻辑。
在本公开的一个示例中，第二充气系统进一步包括旁通阀，该旁通阀具有第三空气入口和第三空气出口。第三空气出口与第二压缩机的第二空气出口和第一压缩机的第一空气入口连通。
在本公开的另一个示例中，第一充气系统的发电机/电动机模块电连接到第二充气系统的电动机。
在本公开的又一示例中，第一充气系统的涡轮进一步包括驱动地连接到发电机/电动机模块的第一输入轴和第一压缩机的第二输入轴中的每一个的输出轴。
在本公开的又一示例中，第一控制模式包括从第一充气系统的发电机/电动机模块向第二充气系统的电动机提供电力。
在本公开的又一示例中，第二控制模式包括从第一充气系统的发电机/电动机模块和车辆电气系统之一向第二充气系统的电动机提供电力。
在本公开的又一示例中，第一控制模式包括只从第一充气系统的发电机/电动机模块向第二充气系统的电动机提供电力。
在本公开的又一示例中，第一充气系统的涡轮是可变几何涡轮，其能够在给定来自排放歧管的恒定排气流量的情况下通过第二输出轴提供多个输出扭矩。
在本公开的又一示例中，发动机系统进一步包括具有第四空气入口和第四空气出口的增压空气冷却器。第四空气入口与第一压缩机的第一空气出口连通，并且第四空气出口与内燃发动机的进气系统连通。
本公开包括用于车辆的发动机系统的另一示例。发动机系统包括内燃发动机、第一充气系统、第二充气系统、旁通阀和发动机控制模块。内燃发动机包括进气系统和排放歧管。
第一充气系统包括第一压缩机、涡轮和发电机/电动机模块。第一压缩机具有第一空气入口、第一空气出口和第一输入轴。第一出口连接到进气系统。涡轮具有连接到排放歧管出口的排气入口。第一涡轮是可变几何涡轮。
第二充气系统包括第二压缩机和电动机。第二压缩机具有第二空气入口、第二空气出口和第二输入轴。第二出口连接到第一压缩机的第一入口，并且电动机具有出口轴，该出口轴与第二压缩机的第一输入轴直接连接以便共同旋转。
旁通阀具有第三空气入口和第三空气出口。第三空气出口与第二压缩机的第二空气出口和第一压缩机的第一空气入口连通。
发动机控制模块具有与第一充气系统的发电机/电动机模块和第二充气系统的电动机的电连接。发动机控制模块进一步包括用于在至少第一和第二控制模式下操作发动机系统的控制逻辑。
在本公开的一个示例中，第一充气系统的发电机/电动机模块电连接到第二充气系统的电动机。
在本公开的另一示例中，第一充气系统的涡轮进一步包括驱动地连接到发电机/电动机模块的第一输入轴和第一压缩机的第二输入轴中的每一个的输出轴。
在本公开的又一示例中，第一控制模式包括从第一充气系统的发电机/电动机模块向第二充气系统的电动机提供电力。
在本公开的又一示例中，第二控制模式包括从第一充气系统的发电机/电动机模块和车辆电气系统之一向第二充气系统的电动机提供电力。
在本公开的又一示例中，第一控制模式包括只从第一充气系统的发电机/电动机模块向第二充气系统的电动机提供电力。
在本公开的又一示例中，第一充气系统的涡轮是能够在给定来自排放歧管的恒定排气流量的情况下通过第二输出轴提供多个输出扭矩。
在本公开的又一示例中，发动机系统进一步包括具有第四空气入口和第四空气出口的增压空气冷却器。第四空气入口与第一压缩机的第一空气出口连通，并且第四空气出口与内燃发动机的进气系统连通。
本公开包括用于车辆的发动机系统的另一示例。发动机系统包括内燃发动机、第一充气系统、第二充气系统、旁通阀、增压空气冷却器，以及发动机控制模块。内燃发动机包括进气系统和排放歧管。
第一充气系统包括第一压缩机、涡轮和发电机/电动机模块。第一压缩机具有第一空气入口、第一空气出口和第一输入轴。第一出口连接到进气系统。涡轮具有排气入口和输出轴。排气入口连接到排放歧管的出口。输出轴驱动地连接到第一压缩机的第一输入轴和发电机/电动机模块的第二输入轴中的每一个。涡轮是一种可变几何涡轮。
第二充气系统包括第二压缩机和电动机。第二压缩机具有第二空气入口、第二空气出口和第二输入轴。第二出口连接到第一压缩机的第一入口。电动机具有出口轴，该出口轴与第二压缩机的第一输入轴直接连接以便共同旋转。第一充气系统的发电机/电动机模块电连接到第二充气系统的电动机。
旁通阀包括第三空气入口和第三空气出口，并且其中，第三空气出口与第二压缩机的第二空气出口和第一压缩机的第一空气入口连通。增压空气冷却器具有第四空气入口和第四空气出口，并且其中，第四空气入口与第一压缩机的第一空气出口连通，并且第四空气出口与内燃发动机的进气系统连通。
发动机控制模块包括与第一充气系统的发电机/电动机模块和第二充气系统的电动机的电连接。发动机控制模块进一步包括用于在至少第一和第二控制模式下操作发动机系统的控制逻辑。
在本公开的一个示例中，第一控制模式包括只从第一充气系统的发电机/电动机模块向第二充气系统的电动机提供电力。
在本公开的另一示例中，第二控制模式包括从第一充气系统的发电机/电动机模块和车辆电气系统之一向第二充气系统的电动机提供电力。
结合附图，从下面的详细描述中，本公开的上述特征和优点以及其他特征和优点将变得显而易见。
附图说明
在这里描述的附图是仅用于说明的目的，且不意在以任意方式限制本发明的范围。
图1是根据本公开的原理的多级涡轮增压内燃发动机的示意图。
具体实施方式
本公开的示例有利地提供了一种用于车辆的内燃发动机系统10。参考附图，其中相同的附图标记指代相同的部件，图1示出了现在将描述的发动机系统10。发动机系统10包括内燃发动机(ICE)12、第一充气系统14、第二充气系统16和发动机控制模块18。示出的内燃发动机12是直列式四汽缸示例，除了四个汽缸24之外，还具有进气系统20和排放歧管22。尽管显示为直列式四缸发动机，但是本公开考虑了汽缸数量和汽缸布置的其他变型，而不超出本公开的范围。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，2个、6个、8个、10个或更多个汽缸可以布置成直列式、“V”、平的或“W”布置。
进气系统20在第一和第二充气系统14、16和四个汽缸24之间传送进入的空气。排放歧管22将排气从四个汽缸24联通到第一充气系统14。发动机系统10进一步包括增压空气冷却器模块26，该增压空气冷却器模块26设置成与第一和第二充气系统14、16以及进气系统20连通。增压空气冷却器模块26在进入的增压空气中提供温度降低，这提高了内燃发动机12的容积效率。
第一充气系统14包括涡轮28、发电机/电动机模块30和第一压缩机32。涡轮28包括排气输入口28A和输出轴或构件28B。输出轴28B机械连接到发电机/电动机模块30并对其进行驱动。发电机/电动机模块30机械连接到第一压缩机32并对其进行驱动。涡轮28与排放歧管22下游连通，并且由经由排放歧管22从内燃发动机12提供给涡轮28的排气输入28A的膨胀排气驱动。涡轮28因此驱动发电机/电动机模块30和第一压缩机32。第一压缩机32包括第一空气入口32A、第一空气出口32B和输入轴或构件32C。第一压缩机32的第一空气出口32B与增压空气冷却器26和进气系统20连通。第一空气入口32A与第二充气系统16下游连通。此外，第一压缩机32是可变几何压缩机，其可根据特定输入和操作参数进行调节。
第二充气系统16包括电动机34、第二压缩机36和旁通阀38。电动机34包括机械连接到第二压缩机36并对其进行驱动的输出轴或构件34A。第二压缩机36包括第二空气入口36A、第二空气出口36B和输入轴或构件36C。第二压缩机36的第二空气出口36B与第一压缩机32的第一空气入口32A连通。旁通阀38包括第三空气入口38A和第三空气出口38B，并且与第二压缩机36平行设置。在第二压缩机36不运行的情况下，旁通阀38允许空气流到第一压缩机32的第一空气入口32A。然而，当第二压缩机36没有被供能时，允许第一压缩机32运行的其它布置也是可能的。例如，单向离合器可以放置在电动机34和第二压缩机36之间，使得当第一压缩机32带动增压空气通过第二压缩机36时，第二压缩机36可以自由旋转。根据内燃发动机10的应用，第二充气系统16可以被指定为低压充气系统或高压充气系统。
第一充气系统14的发电机/电动机模块30电连接到第二充气系统16的电动机34。以这种方式，第二充气系统16的电动机34能够接收由第一充气系统14的发电机/电动机30产生的动力并驱动第二压缩机36。发电机/电动机模块30和电动机34中的每一个进一步通过发动机控制模块18连接到车辆电气系统40。车辆电气系统40可能会耗尽电池电力42和交流发电机电力44，并且因此第一和第二充气系统14、16可能会耗尽电池和交流发电机电力42、44。此外，如果来自车辆电气系统40的可用电力不足以运行第二充气系统16的电动机34，则电动机34可能会耗尽由第一充气系统14的发电机/电动机模块30产生的电力。
发动机控制模块18具有与第一充气系统14的发电机/电动机模块30和第二充气系统16的电动机34的电连接。发动机控制模块18优选地是电子控制装置，该电子控制装置具有预编程的数字计算机或处理器、控制逻辑、用于存储数据的存储器、以及至少一个I/O外围设备。控制逻辑包括用于监测、操纵和产生数据的多个逻辑例程。发动机控制模块18控制发动机系统10的操作。控制逻辑可以用硬件、软件或硬件和软件的组合来实现。例如，控制逻辑可以是存储在电子存储器上并可由处理器执行的程序代码的形式。发动机控制模块18接收遍布变速器和发动机上的几个传感器的输出信号，执行控制逻辑并将命令信号发送到发动机系统10。发动机系统10从发动机控制模块18接收命令信号，并将命令信号转换成可在发动机系统10中操作的控制动作。一些控制动作包括但不限于提高内燃发动机12的速度、改变空燃比、改变变速器14的齿轮比等，以及许多其他控制动作。
例如，可以由发动机控制模块18的处理器执行的软件程序代码实现的控制逻辑包括用于实现操作发动机系统10的方法的控制逻辑，该发动机系统10包括如前所述的第一和第二充气系统14、16。本公开能够实现多种控制策略。例如，涡轮28的可变几何形状可通过设定可变几何形状在焓提取和泵送损失或排气背压之间实现最佳折衷的位置来控制。由第一压缩机32提供的增压可以通过使用发电机/电动机模块30以及可用的涡轮28扭矩来辅助或补充第一压缩机32来控制。另外，由第一和第二充气系统14、16提供的总增压由第一充气系统14提供的可用增压控制，并由第二充气系统16提供的可用增压补充。
在实践中，用于控制发动机系统10的一种策略包括第一或低负载控制和第二或高负载控制。在低负载时，第二压缩机36被禁用并通过旁通阀38绕过，并且第一充气系统14作为涡轮驱动压缩机运行。另外，如果有来自车辆电气系统40的电力，第一压缩机32和第二压缩机36中的每一个都可以最佳地运行，以实现最理想的增压。
在高负载下，涡轮28的可变几何位置以最大焓提取为目标，并且发电机/电动机模块30产生动力以通过电动机34驱动第二压缩机36。第二压缩机36充当低压(LP)压缩机，并且总增压由第一和第二压缩机32、36的组合来调节。在该区域操作时，第一和第二充气系统14、16在无需从车辆电气系统40汲取任何电力便可运行。以这种方式，第二充气系统16可以从第一充气系统14的发电机/电动机模块30连续运行。
在平衡发动机系统10时，必须考虑第一和第二压缩机32、36的尺寸，使得期望的结果可以在各种负载条件下得到实现。例如，第一充气系统14的尺寸必须足够小以提供良好的部分负载和瞬态性能，优选仅使用涡轮28作为驱动。需要确定第一压缩机32的最小尺寸，以产生最大反压，从而避免相关问题的风险。第二压缩机36的尺寸必须足够大以提供为取得最大功率所需的气流，同时仍然提供合适的增压压力，以允许第一压缩机32处理最大功率的气流。第二压缩机36必须足够高效以提供所需的气流，同时仅使用由第一充气系统14的发电机/电动机模块30提供的电力。
虽然已经详细描述了示例，但是熟悉本公开所涉及的领域的人员将会认识到在所附权利要求的范围内用于实践所公开的结构的各种替代设计和示例。

Claims (9)

1.一种用于车辆的发动机系统，所述发动机系统包括：
内燃发动机，包括进气系统和排气歧管；
第一充气系统，包括第一压缩机、涡轮和发电机/电动机模块，并且其中，所述第一压缩机具有第一空气入口、第一空气出口和第一输入轴，所述第一空气出口连接到所述进气系统，所述涡轮包括连接到所述排气歧管的排气入口；
第二充气系统，包括第二压缩机和电动机，并且其中，所述第二压缩机具有第二空气入口、第二空气出口和第二输入轴，所述第二空气出口连接到所述第一压缩机的第一空气入口，并且电动机具有第一输出轴，所述第一输出轴与所述第二压缩机的所述第二输入轴直接联接以便共同旋转，以及
发动机控制模块，包括与所述第一充气系统的发电机/电动机模块和所述第二充气系统的电动机中的每一个的电连接，并且其中，所述发动机控制模块进一步包括用于在至少第一控制模式和第二控制模式下操作所述发动机系统的控制逻辑。
2.根据权利要求1所述的发动机系统，其中，所述第二充气系统进一步包括旁通阀，所述旁通阀具有第三空气入口和第三空气出口，并且所述第三空气出口与所述第二压缩机的第二空气出口和所述第一压缩机的第一空气入口连通。
3.根据权利要求1所述的发动机系统，其中，所述第一充气系统的所述发电机/电动机模块电连接到所述第二充气系统的所述电动机。
4.根据权利要求1所述的发动机系统，其中，所述第一充气系统的涡轮进一步包括第二输出轴，所述第二输出轴驱动地连接到所述发电机/电动机模块的第三输入轴和所述第一压缩机的第一输入轴中的每一个。
5.根据权利要求1所述的发动机系统，其中，所述第一控制模式包括从所述第一充气系统的发电机/电动机模块向所述第二充气系统的电动机提供电力。
6.根据权利要求5所述的发动机系统，其中，所述第二控制模式包括从所述第一充气系统的发电机/电动机模块和车辆电气系统之一向所述第二充气系统的电动机提供电力。
7.根据权利要求1所述的发动机系统，其中，所述第一控制模式包括仅从所述第一充气系统的发电机/电动机模块向所述第二充气系统的电动机提供电力。
8.根据权利要求4所述的发动机系统，其中，所述第一充气系统的第一涡轮是可变几何涡轮，能够在给定来自所述排气歧管的恒定排气流量的情况下通过所述第二输出轴提供多个输出扭矩。
9.根据权利要求1所述的发动机系统，进一步包括增压空气冷却器，所述增压空气冷却器具有第四空气入口和第四空气出口，并且其中，所述第四空气入口与所述第一压缩机的第一空气出口连通，并且所述第四空气出口与所述内燃发动机的进气系统连通。
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