CN115638046A - 电动涡轮增压系统、进排气系统、相应的方法和程序产品 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于车辆的发动机(2)的电动涡轮增压系统(1),包括:与发动机(2)的进气歧管(21)流体连通地设置的电动压气机(11);与发动机(2)的排气歧管(22)流体连通地设置的涡轮发电机(12);电储存装置(13);及电能分配系统(14),其中,电能分配系统(14)被配置成至少能够管理电动压气机(11)、涡轮发电机(12)、电储存装置(13)三者之间的电能分配,且电动涡轮增压系统(1)被配置成能够使电动压气机(11)与涡轮发电机(12)彼此独立地操作。还公开了一种相应的进排气系统(100)、一种相应的方法以及一种相应的计算机程序产品。可以解耦地控制电动压气机和涡轮发电机,从而可以以更灵活的方式实现更宽范围的控制目标。

Description

电动涡轮增压系统、进排气系统、相应的方法和程序产品
技术领域
本发明涉及一种用于车辆的发动机的电动涡轮增压系统、一种用于车辆的发动机的进排气系统、一种用于操作电动涡轮增压系统或用于操作进排气系统的方法以及一种计算机程序产品。
背景技术
油电混合动力车辆是由传统内燃机和电机共同提供动力来源的新一代新能源车辆,具有低排放、低油耗、高动力输出等优点。根据电机与传统内燃机的功率比例,可分为强混、中混和弱混。
目前48V的助力回收系统(BRS)作为弱混技术的一种,得到了越来越多的新能源车辆开发者的重视。采用了48V助力回收系统的车辆相比传统内燃机车辆主要新增了48V助力回收电机(BRM)、48V/12V直流功率转换器(DC/DC)和48V锂电池三个核心零部件,具有起停、能量回收、加速助力、电动爬行等功能。这种回收系统并不涉及尾气能量的回收。
相对于燃料热效率,尾气排放造成的能量损失在发动机工作时占较大的部分,为了提高发动机的输出功率、优化相应车辆的驾驶性能、改善尾气排放、提高燃油经济性以及降低油耗等,目前有些发动机利用涡轮增压技术,涡轮增压正是利用尾气排放增大发动机的进气量。发动机排放的尾气驱动涡轮转动得越快,带动压气机也相应地转动得越快,从而发动机的进气量也越大。然而,涡轮与压气机工作时各自的影响不同、特别是在发动机的不同工况下,这种相互约束使得涡轮与压气机无法很好地协调实现期望的控制目标。此外,这种约束也使得废气中的能量无法很好地回收和再利用。
因此,目前的涡轮增压技术还存在进一步改进的空间,特别是对于油电混合动力车辆来说。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的用于车辆的发动机的电动涡轮增压系统、一种改进的用于车辆的发动机的进排气系统、一种改进的用于操作电动涡轮增压系统或用于操作进排气系统的方法以及一种相应的计算机程序产品。
根据本发明的第一方面,提供了一种用于车辆的发动机的电动涡轮增压系统,其包括:与所述发动机的进气歧管流体连通地设置的电动压气机;与所述发动机的排气歧管流体连通地设置的涡轮发电机;电储存装置;以及电能分配系统,其中,所述电能分配系统被配置成至少能够管理所述电动压气机、所述涡轮发电机、所述电储存装置三者之间的电能分配,且所述电动涡轮增压系统被配置成能够使所述电动压气机与所述涡轮发电机彼此独立地操作。
根据本发明的第二方面,提供了一种用于车辆的发动机的进排气系统,所述进排气系统包括所述电动涡轮增压系统。
根据本发明的第三方面,提供了一种用于操作所述电动涡轮增压系统或用于操作所述进排气系统的方法,其中,以彼此独立的方式操作所述电动压气机和所述涡轮发电机。
根据本发明的第四方面,提供了一种计算机程序产品、例如计算机可读存储介质,其包括计算器程序指令,其中,当所述计算机程序指令被一个或多个处理器执行时,所述处理器能够实施所述方法。
本发明通过将电动压气机与涡轮发电机构造成能够彼此独立地操作,允许以解耦的方式控制电动压气机和涡轮发电机,从而可以以更灵活的方式实现更宽范围的控制目标,解决加速过程涡轮迟滞现象和排气背压及热管理控制问题,大大改善发动机的工作特性。
附图说明
下面,通过参看附图更详细地描述本发明,可以更好地理解本发明的原理、特点和优点。附图包括:
图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于发动机的电动涡轮增压系统的原理框图。
图2示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于发动机的进排气系统的原理框图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案以及有益的技术效果更加清楚明白,以下将结合附图以及多个示例性实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明,而不是用于限制本发明的保护范围。
图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于发动机的电动涡轮增压系统的原理框图。此外,为了更好地进行说明,还示出了其它相关装置或部件。
如图1所示,电动涡轮增压系统1包括:与发动机2的进气歧管21流体连通地设置的电动压气机11、与发动机2的排气歧管22流体连通地设置的涡轮发电机12、电储存装置13以及电能分配系统14,其中,电能分配系统14被配置成:可接收涡轮发电机12在被尾气驱动时产生的电能,并且可以以受控的方式向电动压气机11供送驱动电能,而且可根据需要从电储存装置13取用电能或根据情况向电储存装置13储存多余电能。换言之,可以将涡轮发电机12产生的多余电能储存在电储存装置13中或将电储存装置13作为电源例如经由电能分配系统14向电动压气机11供电。当然,并不排除将涡轮发电机12产生的电能不经过储存直接供送给电动压气机11使用。
由此可见,电能分配系统14控制电动压气机11、涡轮发电机12与电储存装置13之间的电能流向和分配。该电能分配系统14可以被配置为车辆的控制系统、例如电子控制单元(ECU)的一部分或作为一个单独的控制器。当为一个单独的控制器时,其可以与车辆的控制系统通信。
在此,可以看出,电动压气机11与涡轮发电机12能彼此独立地操作。换言之,可以根据实际需要控制电动压气机11的操作,而不需要考虑涡轮发电机12的工作状态,反之亦然。
根据本发明的一个示例性实施例,电储存装置13为可充电电池、例如锂电池。电储存装置13可以是一个单独的电储存装置,或者是车辆的助力回收系统的电储存装置。当为一个单独的电储存装置时,其可以与助力回收系统的电储存装置电连接,以更好地分配能量来提高整个车辆的能量利用效率和可靠性。
根据本发明的一个示例性实施例,电动涡轮增压系统1被配置为48V电动涡轮增压系统,即,电动压气机11的工作电压、涡轮发电机12输出的电压、电储存装置13的工作电压均为48V。此时,可以方便地接入车辆的48V的助力回收系统。
通过将电动压气机11与涡轮发电机12配置成能够彼此独立地操作,从而,一方面可以允许单独地以任何可能有利的方式控制电动压气机11,例如,可直接根据车辆需求对进气进行增压,以提高车辆的加速响应时间。此时,可以以闭环方式控制进气压力,而且还可以大大降低涡轮迟滞,这是因为电动压气机11的工作状态与涡轮发电机12的工作状态无关,在需要电动压气机11工作时不再受涡轮的工作状态的制约。另一方面,涡轮发电机12的发电操作也不需要考虑电动压气机11的工作状态,可以在发动机2工作时专心地从尾气中收集能量并转换为电能,而不管发动机2处于何种运行状态,即使在倒拖状态下。
根据本发明的一个示例性实施例,涡轮发电机12被进一步配置成可受控地调节其工作特性,以调节发动机2的排气背压。
排气背压对发动机经济性、动力性以及声音品质等有着重要影响。排气背压过大,会导致发动机的燃烧效率下降,功率输出降低,燃油经济性恶化;但排气背压过小也会使排气系统开发成本增大,声品质变差,而且在低转速工况下,如果排气背压很低,由于排气门的提前开启,在活塞达到下止点前,仍具有一定压力的燃气就通过过于通畅的排气门排掉了,损失了一部分功,扭矩自然会变弱,因此低转速时保持一定的排气背压可以提高低速时的扭矩。
由此可以看出,发动机的排气背压在发动机工作过程中允许进行双向调节是有利的。因此,根据本发明的一个示例性实施例,涡轮发电机12被配置成例如根据发动机的工况以闭环方式控制发动机的排气背压,这是因为如上所述,涡轮发电机12的操作与电动压气机11的操作可彼此独立。在这种情况下,根据需要,既可以增大发动机的排气背压,也可以降低发动机的排气背压。在图1中,电能分配系统14与涡轮发电机12之间以两个反向箭头示意性地表示涡轮发电机12既可以将产生的电能(此时充当发电机)输送给电能分配系统14供其分配,也可从电能分配系统14接收相应的控制或激励来降低或增大涡轮发电机12的转速(此时可能充当电动机)。
图2示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于发动机2的进排气系统的原理框图。
如图2所示,进排气系统100除了图1所示的电动涡轮增压系统1还包括尾气后处理装置101和废气再循环装置102,其中,所述尾气后处理装置101设置在涡轮发电机12的下游,以便对尾气进行处理后再排放到环境中,所述废气再循环装置102连接在发动机2的进气歧管21与排气歧管22之间,以将发动机2排出的部分废气回送到进气歧管21,并与经电动压气机11加压的气体(新鲜混合气)一起进入发动机2的气缸。由于废气中含有大量的CO2等多原子气体,而CO2等气体不能燃烧却由于其比热容高而吸收大量的热,同时废气的加入也稀释了原来混合气中的氧浓度,从而使燃烧速度变缓,使燃烧过程中的最高温度和平均温度都有所下降,破坏了氮氧化物生成的有利环境,从而大大降低NOX排放。
尾气后处理装置101通常包括上下游依次布置的氧化催化转换器(DOC)、柴油颗粒捕集器(DPF)以及选择性催化还原转化器(SCR)(图中未单独示出)。为了确保尾气后处理装置101可靠、高效地工作,通常也需要对进入尾气后处理装置101的尾气的物理特性(例如温度)和/或化学特性(成分)进行调节以适配尾气后处理装置101。例如,柴油颗粒捕集器随着其捕集的颗粒的量的增加会引起发动机的排气背压升高,导致发动机性能下降,需要进行清除来再生柴油颗粒捕集器。一种方式是利用外加能源(例如电加热器、燃烧器或发动机操作条件的改变导致废气成分的变化)来提高柴油颗粒捕集器内的温度,使颗粒物氧化燃烧。
可以理解,尾气后处理装置101本身的工况和/或相应的工作特性与涡轮发电机12的工作特性,甚至与电动压气机11的工作特性、废气再循环装置102的工作特性都有关系。因此,可以看作一个整体进行彼此协调控制,以使发动机以期望是方式操作。这种协调的基础是电动压气机11与涡轮发电机12能够彼此独立地操作。
例如,根据本发明的一个示例性实施例,可以至少基于尾气后处理装置101的柴油颗粒捕集器捕集的颗粒量的情况,调整涡轮发电机12的工作特性,以将发动机的排气背压调整到期望目标。可以理解,柴油颗粒捕集器捕集的颗粒量的情况与涡轮发电机12的工作特性位于废气的排放路径上而共同影响发动机的排气背压。
类似地,也可以通过控制电动压气机11的工作特性和/或废气再循环装置102的工作特性和/或涡轮发电机12的工作特性等来影响发动机2排放的废气的化学特性和/或热特性,以改善尾气后处理装置101的操作,例如再生柴油颗粒捕集器。
为了实施控制,需要采集一些参数作为控制的依据,因此需要配备一些相应的传感器(图中未示出)。例如,可以在涡轮发电机12的上游通过相应的传感器测量废气的温度和/或压力。
如图2所示,进排气系统100还包括控制器103,所述控制器103与电能分配系统14、尾气后处理装置101、废气再循环装置102通信连接,图2中示意性地通过虚线表示这些连接。
类似地,控制器103可以是车辆的电子控制单元或其一部分或是一个单独的控制器。
本领域的技术人员可以理解,本发明通过将电动压气机11与涡轮发电机12构造成能够彼此独立地操作,允许以解耦的方式控制电动压气机11和涡轮发电机12,从而可以以更灵活的方式实现更宽范围的控制目标,大大改善发动机的工作特性。本发明的重点并不是针对这些具体的控制方法,因此对这些具体的控制方法不进行任何限制,实际中,这些控制方法会因控制目标的不同而有所不同。
本发明还提出了一种相应的用于操作电动涡轮增压系统1的方法和一种相应的用于操作发动机2的进排气系统100的方法,其中,以彼此独立的方式操作电动压气机11与涡轮发电机12。
相应地,也提出了一种计算机程序产品、例如计算机可读存储介质,其包括计算器程序指令,其中,当所述计算机程序指令被一个或多个处理器执行时,所述处理器能够实施所述方法。
尽管这里详细描述了本发明的特定实施方式,但它们仅仅是为了解释的目的而给出的,而不应认为它们对本发明的范围构成限制。在不脱离本发明精神和范围的前提下,各种替换、变更和改造可被构想出来。
附图标记列表:
1 电动涡轮增压系统
2 发动机
11 电动压气机
12 涡轮发电机
13 电储存装置
14 电能分配系统
21 进气歧管
22 排气歧管
100 进排气系统
101 尾气后处理装置
102 废气再循环装置
103 控制器

Claims (10)

1.一种用于车辆的发动机(2)的电动涡轮增压系统(1),包括:
与所述发动机(2)的进气歧管(21)流体连通地设置的电动压气机(11);
与所述发动机(2)的排气歧管(22)流体连通地设置的涡轮发电机(12);
电储存装置(13);以及
电能分配系统(14),
其中,所述电能分配系统(14)被配置成至少能够管理所述电动压气机(11)、所述涡轮发电机(12)、所述电储存装置(13)三者之间的电能分配,且所述电动涡轮增压系统(1)被配置成能够使所述电动压气机(11)与所述涡轮发电机(12)彼此独立地操作。
2.根据权利要求1所述的电动涡轮增压系统(1),其中,
所述电储存装置(13)被配置为可充电电池,以便能够存储所述涡轮发电机(12)产生的多余电能;和/或
所述电动涡轮增压系统(1)被配置成能够调节所述涡轮发电机(12)的工作特性而对经过所述涡轮发电机(12)的废气的流动特性产生影响。
3.根据权利要求1或2所述的电动涡轮增压系统(1),其中,
所述电动涡轮增压系统(1)被配置成能够以闭环调节所述发动机(2)的进气压力的方式控制所述电动压气机(11);和/或
所述电动涡轮增压系统(1)被配置成能够以闭环调节所述发动机(2)的排气背压的方式控制所述涡轮发电机(12)。
4.根据权利要求1-3中任一所述的电动涡轮增压系统(1),其中,
所述电动涡轮增压系统(1)被配置成能够用于增大所述涡轮发电机(12)上游的废气温度;和/或
所述电动涡轮增压系统(1)被配置成能够在所述发动机(2)的倒拖工况下从废气流中收集能量并转换为电能。
5.根据权利要求1-4中任一所述的电动涡轮增压系统(1),其中,
所述电动涡轮增压系统(1)被配置为48V的电动涡轮增压系统;和/或
所述电储存装置(13)被配置为所述车辆的助力回收系统的电储存装置或与所述车辆的助力回收系统的电储存装置连接;和/或
所述电能分配系统(14)被配置为一个单独的控制器或所述车辆的电子控制单元的一部分或与所述车辆的电子控制单元通信连接。
6.一种用于车辆的发动机(2)的进排气系统(100),所述进排气系统(100)包括根据权利要求1-5中任一所述的电动涡轮增压系统(1)。
7.根据权利要求6所述的进排气系统(100),其中,
所述进排气系统(100)包括尾气后处理装置(101)和/或废气再循环装置(102),其中,所述尾气后处理装置(101)设置在所述涡轮发电机(12)的下游,所述废气再循环装置(102)连接在所述发动机(2)的所述进气歧管(21)与所述排气歧管(22)之间。
8.根据权利要求7所述的进排气系统(100),其中,
所述进排气系统(100)被配置成能够通过控制所述电动压气机(11)、所述废气再循环装置(102)和所述涡轮发电机(12)中的至少一个的工作特性来调节所述发动机(2)排放的要进入所述尾气后处理装置(101)中的废气的化学特性和/或物理特性;和/或
所述进排气系统(100)包括控制器(103),所述控制器(103)与所述电能分配系统(14)、所述尾气后处理装置(101)和所述废气再循环装置(102)通信连接。
9.一种用于操作根据权利要求1-5中任一所述的电动涡轮增压系统(1)或用于操作根据权利要求6-8中任一所述的进排气系统(100)的方法,其中,以彼此独立的方式操作所述电动压气机(11)和所述涡轮发电机(12)。
10.一种计算机程序产品、例如计算机可读存储介质,其包括计算器程序指令,其中,当所述计算机程序指令被一个或多个处理器执行时,所述处理器能够实施根据权利要求9所述的方法。
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