用于控制发动机进气温度的系统的制作方法

用于控制发动机进气温度的系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种用于控制发动机进气温度的系统(200)，可包括配置为增加在发动机进气口(225)处的空气的压力的压缩机(212)、和配置为降低发动机进气温度的至少一个后冷却机。系统(200)还可包括配置为提供指示环境空气温度的信号的温度传感器(260)、和配置为提供指示环境空气压力的信号的压力传感器(250)。系统(200)可以包括配置为接收指示环境空气温度和环境空气压力的信号并基于指示环境空气温度和环境空气压力的信号确定期望的发动机进气温度的控制器(270)。控制器(270)可配置为基于期望的发动机进气温度控制至少一个后冷却机的操作。
【专利说明】用于控制发动机进气温度的系统

【技术领域】
[0001]本发明总体涉及一种用于控制发动机进气温度的系统和方法，并且更具体地，涉及一种用于控制在包括压缩机的发动机中的发动机进气温度的系统和方法。

【背景技术】
[0002]重型卡车和柴油-电力机车通常包括具有涡轮增压器和后冷却机的发动机，以提高燃料效率并且减少单氮氧化物(“NOx”)的排放量。涡轮增压器的压缩机提高了发动机进气压力和密度，这增加了可燃烧的燃料的量。然而，压缩机还升高了发动机进气温度，这降低了空气密度。为了抵消这种温度升高，后冷却机可用于降低离开压缩机的空气的温度。通过降低温度，后冷却机能够降低发动机制动燃料消耗率(“BSFC”)以及发动机NOx排放量(制动NOx排放，或“BSNOx”)。因此，期望尽实际可能最大程度地冷却发动机的空气。对于大多数实际应用，可使用环境空气来冷却发动机进气的后冷却机可以最好地被期望将发动机空气温度降低到高于环境空气温度的20-30° Fo
[0003]然而，当这些车辆在低环境空气温度条件下运行时，后冷却机可能过度降低发动机进气温度，从而导致在后冷却机出口冷凝或结霜，这可导致诸如汽缸套、进气歧管以及阀门或端口的发动机部件过早劣化。当发动机进气变得过凉，可在空气-空气后冷却机的出口中或在此处发生水冷凝或甚至结霜。然而，如果在不引起冷凝或结霜的情况下不使发动机进气尽可能冷却，则可能无法实现BSFC和/或BSNOx的可能的改进。
[0004]对于内燃机冷凝控制的一个解决方案在美国专利N0.6，681，171 ( “’ 171专利”)中进行说明。所述’ 171专利涉及一种用于减少或消除排气再循环(“EGR”)冷凝物的形成的方法，该方法监测当前的环境和操作条件以确定条件是否有利于EGR气体的冷凝，并相应地控制发动机，以通过升高进气歧管的温度来避免冷凝。进气歧管温度可通过重新导向EGR流的一些或全部以避开EGR冷却机而升高。增压空气的一些或全部可被重新导向以绕过增压空气冷却机和/或从涡轮增压器压缩机的出口重新导向到入口，从而导致进气歧管温度的相应升高。
[0005]尽管在所述’ 171专利中公开的系统和方法可减少或消除EGR气体的冷凝，所公开的系统和方法仍可能存在许多可能的缺点。例如，由所述’ 171专利提供的解决方案受限于并入EGR的发动机。另外，所述’ 171专利的系统和方法不会将发动机进气温度保持在接近露点温度，以最大化通过后冷却机实现的可能的BSFC和/或BSNOx的改进。此外，在所述’ 171专利中提出的解决方案不存在调节后冷却机的操作以减少冷凝或结霜的方法。
[0006]目前所公开的系统和方法可减轻或克服一个或多个上述缺点和/或本领域中的其他问题。


【发明内容】

[0007]本发明涉及一种用于控制发动机进气温度的系统。该系统可包括配置为增加在发动机进气口处的空气的压力的压缩机、和配置为降低发动机进气温度的至少一个后冷却机。该系统还可包括配置为提供指示环境空气温度的信号的温度传感器、和配置为提供指示环境空气压力的信号的压力传感器。该系统可包括配置为接收指示环境空气温度和环境空气压力的信号并且基于指示环境空气温度和环境空气压力的信号确定期望的发动机进气温度的控制器。该控制器可配置为基于期望的发动机进气温度控制至少一个后冷却机的操作。
[0008]根据另一方面，本发明涉及一种用于控制发动机进气温度的方法。该方法可包括从传感器接收指示环境空气压力和环境温度中的至少一个的信号并且基于从传感器接收到的该信号确定期望的发动机进气温度。该方法还可以包括基于期望的发动机进气温度控制发动机进气温度。
[0009]在又一方面，本发明涉及一种机车。该机车可包括多个车轮和配置为将电力供应多个车轮的至少一个牵引马达。该机车还可包括配置为将电力供应至少一个牵引马达的发动机。该机车还可包括用于控制发动机进气温度的系统。该系统可包括配置为增加在发动机进气口的空气的压力的压缩机、和配置为降低发动机进气温度的至少一个后冷却机。该系统还可以包括配置为提供指示环境空气温度的信号的温度传感器、和配置为提供指示环境空气压力的信号的压力传感器。该系统可以包括配置为接收指示环境空气温度和环境空气压力的信号并且基于指示环境空气温度和环境空气压力的信号确定期望的发动机进气温度的控制器。该控制器可配置为基于期望的发动机进气温度控制至少一个后冷却机的操作。

【专利附图】

【附图说明】
[0010]图1示出机车的示例性实施例的透视图。
[0011]图2是用于控制发动机进气温度的系统的框图。
[0012]图3是描绘用于控制发动机进气温度的方法的示例性实施例的流程图。

【具体实施方式】
[0013]图1示出的示例性车辆100，例如，机车，其中用于发动机进气温度控制的系统和方法可符合所公开的示例性实施例而实现。车辆100可以是具有发动机110的任何车辆，诸如，举例而言，火花点火发动机、压缩点火发动机或它们的组合。例如，车辆100可以是任何采用用于推进的DC牵引马达的电力驱动的轨道车辆。根据图1所示的示例性实施例，车辆100可包括多对车轮120，每对车轮120连接到可旋转地联接到牵引马达140的轴130。在示例性车辆100的驱动期间，牵引马达140可以操作以推进车辆100。发动机110可运行，以为包括牵引马达140的车辆100提供动力。车辆100可以包括为燃烧所用的用于控制发动机进气温度的系统200。
[0014]图2是用于控制进气温度的系统200的示例性实施例的框图。系统200可以包括具有压缩机212和为压缩机212提供动力的涡轮机214的涡轮增压器210。涡轮增压器210可通过压缩和增加供应到发动机110的用于燃烧的空气的量来增加发动机110的功率密度。例如，涡轮增压器210可从大气中吸入环境空气，这些空气可在到达涡轮增压器210之前由过滤器220过滤。涡轮增压器210可使用压缩机212压缩过滤的空气，以增加在发动机进气口 225处输送到发动机110的空气的量。增加到发动机110的空气的量可增加发动机I1可燃烧的燃料的量。
[0015]在涡轮增压器210的压缩机212增加了在发动机进气口 225处的发动机空气压力的同时，它还可增加在发动机进气口 225处的进气温度。进气温度的增加可降低在发动机进气口 225处的空气密度，这可对发动机效率具有负面影响。因此，包括涡轮增压器210的发动机110可包括一个或多个后冷却机以冷却已由涡轮增压器210压缩的发动机空气的至少一部分至选定的温度。由于后冷却可降低BSFC和发动机NOx排放量，期望尽实际可能最大程度地降低在发动机进气口 225处的空气温度。
[0016]在图2中所示的示例性实施例中，系统200包括空气-水后冷却机232，空气-水后冷却机232使用诸如水的冷却剂，以降低在发动机进气口 225处的空气温度。来自进气的热量可被转移到在空气-水后冷却机232处的冷却剂。水回路控制器233可控制冷却剂至空气-水后冷却机232的供应。例如，冷却剂可从与发动机110相关联的水回路231供应，并且水回路控制器233可控制冷却剂从水回路至空气-水后冷却机232的供应。根据一些实施例，水回路231可包括调节至空气-水后冷却机232的冷却剂供应的附加装置。例如，水回路231可包括水回路控制器233可控制的阀229和/或水泵230。
[0017]在图2中所示的示例性系统200还包括空气-空气后冷却机234。例如，离开空气-水后冷却机232的空气可流经空气-空气后冷却机234，在空气-空气后冷却机处由环境空气进一步冷却。例如，环境空气可由一个或多个风扇236推动穿过节流门(风门，shutter) 238ο在正常操作期间风扇236的速度可与发动机速度有关，和/或被风扇速度致动器240控制，诸如，例如，一个或多个风扇马达。风扇速度致动器240可以配置为控制空气至空气-空气后冷却机234的流速。根据一些实施例，系统200可以包括配置为控制环境空气至空气-空气后冷却机234的流动的节流门控制器242。例如，节流门控制器242可配置为控制节流门238的开闭，以基于例如发动机操作条件和/或环境空气温度调节热传递(例如，以减少在低环境温度下的不期望的热损失)。空气在离开空气-空气后冷却机234之后，可流动到发动机进气口 225用于在燃烧中使用。在发动机进气口 225供应的空气可以被称为发动机进气。
[0018]示例性系统200可以可选地包括排气再循环(EGR)系统243。EGR系统243可将来自发动机I1的排气歧管244的排气的一部分再循环，并且将该部分气体与来自空气-水后冷却机232和/或空气-空气后冷却机234的空气混合。该混合物可随后被输送到发动机进气口 225。
[0019]根据一些实施例，排气的仅一部分被再循环并且与供应到发动机进气口 225的空气混合，以选择性地减少包括NOx的污染物排放量，同时实现了期望燃料效率。另外，将再循环的排气的百分比可取决于期望用于为涡轮增压器210的压缩机212提供动力的排气流的量。例如，期望有足够的排气被供应到涡轮增压器210的涡轮机214，使得最佳量的空气被供应到发动机110的发动机进气口 225，用于燃烧目的。例如，对于机车柴油机应用，由EGR系统243输送到发动机110的发动机进气口 225的排气的百分比可比约35%小。该百分比可使污染物排放量降低而不降低期望的燃料效率。为了控制供应到发动机进气的排气的量，示例性EGR系统243包括配置为控制供应到发动机进气的排气的量的EGR阀247。
[0020]根据一些实施例，EGR系统243可包括配置为在再循环排气与发动机进气混合之前降低再循环排气的温度的EGR冷却机245，从而提供了到发动机110的更密集的进气。优选地，由于易于输送并且与下游EGR系统和发动机部件兼容，在EGR系统243中在该点具有冷却的排气而不是较热的排气。根据一些实施例，EGR系统243可包括正流装置246。例如，如图2中所示，来自EGR冷却机246的再循环的排气可以流动到正流装置246，这增加了排气的压力，以克服EGR系统243本身内的压力损失。正流装置246可以是罗茨鼓风机、文丘里管、离心式压缩机、推进器或者配置为增加排气的压力的任何其他装置的形式。根据一些实施例，正流装置246可内部密封，使得油不污染再循环的排气。
[0021]在示出的示例性实施例中，系统200可包括用来监测在系统200内的各个点的空气条件的传感器。例如，系统200可包括配置为提供指示在压缩机212的上游在某一点处的空气压力的信号的压力传感器250。在一些实施例中，压力传感器250可发送指示在过滤器220的入口和/或压缩机212的入口处的环境空气压力的信号。系统200还可包括配置为提供指示在压缩机212的上游某一点处的空气温度的信号的温度传感器260。在一些实施例中，温度传感器260可发送指示在过滤器220的入口和/或压缩机212的入口处的环境空气温度的信号。附加地或另选地，系统200可以包括配置为发送指示在过滤器220的入口处的空气温度和空气压力中的至少一个的信号到控制器270的传感器265。
[0022]系统200可包括配置为接收来自压力传感器250和温度传感器260的指示环境空气压力和环境空气温度的信号的控制器270。基于这些信号，控制器270可配置为控制在发动机进气口 225处的发动机进气的温度。例如，控制器270可控制发动机进气的温度，以通过防止发动机进气的温度低于在发动机进气压力之下的露点温度而防止冷凝或结霜。
[0023]在一些实施例中，控制器270可基于从压力传感器250和温度传感器260接收的分别指示在过滤器220处和/或压缩机212的上游的环境空气压力和环境温度的信号或者从传感器265接收的信号，确定用于发动机进气的露点温度。从这些值中，控制器270可计算发动机进气的露点温度。例如，在进入过滤器220和/或压缩机212的上游的空气中的水蒸气和干燥的空气的量可与在空气-空气后冷却机234的出口处的水蒸气和干燥的空气的量相同。因此，例如在空气-空气后冷却机234的出口处的发动机进气的露点温度可根据已知方法基于在过滤器220和/或压缩机21处的空气的压力和温度以及在空气-空气后冷却机234的下游(例如，在发动机进气口 225处)的空气的压力和/或温度确定。根据一些实施例，系统200可包括用于在空气-空气后冷却机234和发动机进气口 225之间测量发动机进气的湿度和/或发动机进气的压力和温度的湿度传感器295。
[0024]根据一些实施例，控制器270可考虑发动机110的附加特性，以确定在发动机进气口 225处的露点。例如，控制器270可考虑在发动机进气口 225处的空气特性。系统200可包括用于发送指示在发动机进气口 225处的空气的压力的信号的第二压力传感器280。系统200可包括用于发送指示在发动机进气口 225处的空气温度的信号的第二温度传感器290。根据一些实施例，控制器270可通过考虑在过滤器220处的空气温度和压力确定在发动机进气口 225处的空气的湿度。附加地或可选地，控制器270可基于来自湿度传感器295的信号确定湿度。基于在发动机进气口 225处的温度和压力以及在发动机进气口 225处的湿度，控制器270可使用已知的工程方法，用于基于温度、压力和/或湿度确定露点温度。
[0025]根据一些实施例，控制器270可配置为基于从压力传感器250和温度传感器260接收的信号计算期望的发动机进气温度。例如，期望的发动机进气温度可等于或稍高于空气-空气后冷却机234和发动机进气口 225之间的露点温度。在一些实施例中，期望的发动机进气温度可基于与发动机110的操作相关联的参数。例如，发动机参数可包括发动机速度和/或凹口位置。凹口位置可指示发动机110正被供应的功率值。例如，除了空转，发动机I1可在节气门上具有八个独立凹口。在一些实施例中，发动机参数可包括压缩机212和/或空气-水后冷却机232和空气-空气后冷却机234中的一个或多个的特性。发动机参数可包括发动机110或其部件的其他特性。
[0026]在一些实施例中，控制器270可使用计算机发动机模型，以确定期望的发动机进气温度。发动机模型可以是用于发动机110的几何、操作和/或边界信息的集合，使得当环境空气条件(例如，环境温度和/或环境压力)可用时，发动机模型可确定发动机参数的值，诸如功率输出、BSFC、BSNOx、发动机110的涡轮增压器速度、和/或与相关部件的操作相关联的参数。当发动机110操作时，控制器270可连续地或周期性地使用发动机模型，因为期望的发动机进气温度可随着变化的环境和/或操作变量的结果改变。例如，发动机模型可考虑环境空气温度、压力和/或湿度；发动机凹口位置、速度和/或燃料率；和/或进气流速。对于能够EGR的发动机110的实施例，发动机模型也可考虑EGR气体压力、温度、湿度和/或流速，例如，在到发动机进气口 225的连接点的上游测量的。
[0027]根据一些实施例，基于由传感器测量的性能和期望的发动机进气温度，控制器270可确定期望的风扇速度，并发送指令信号到风扇236和/或风扇速度致动器240，以实现期望的风扇速度。风扇236和/或风扇速度致动器240可配置为响应于来自控制器270的信号改变风扇速度。根据一些实施例，期望的风扇速度可被选择，以调节发动机进气温度至期望的发动机进气温度的预定范围内。例如，预定范围可说明与传感器250和260和/或控制器270相关联的误差幅度。
[0028]根据系统200的一些实施例，控制器270可控制EGR阀247，以调节通过系统200再循环的排气的量。例如，这种控制可基于由传感器测量的性能和期望的发动机进气温度。控制器可发送命令信号到EGR阀247，以实现期望百分比的再循环排气，从而与来自空气-空气后冷却机234的下游的空气混合。根据一些实施例，再循环排气的百分比可被选择，以调节发动机进气温度至期望的发动机进气温度的预定范围内。例如，预定范围可以说明与EGR阀247的精度相关联的误差幅度，以控制排气流。
[0029]根据一些实施例，基于期望的发动机进气温度和/或所感测的发动机进气的温度和压力，控制器270可控制风扇236和/或节流门238，以将发动机进气温度保持高于期望的发动机进气温度。附加地或可选地，控制器270可控制EGR系统243和/或水回路控制器233的操作。根据一些实施例，系统200可包括监测发动机进气的附加传感器。第二压力传感器280配置为测量发动机进气压力，并发送指示发动机进气压力的信号到控制器270。第二温度传感器290可将指示发动机进气温度的信号发送到控制器270。控制器270可基于从第二压力传感器280和/或第二温度传感器290接收到的一个或多个信号调节风扇236的速度。例如，如果由第二温度传感器290测得的温度低于露点温度或低于期望的发动机进气温度，则控制器270可降低风扇236的速度，以降低空气-空气后冷却机234对发动机进气的冷却效果。相反，如果发动机进气温度高于期望的发动机进气温度，则控制器270可增加风扇236的速度，以增加空气-空气后冷却机234的冷却能力，这对发动机110的效率具有积极的效果。
[0030]图3是控制发动机进气温度的方法的示例性实施例的流程图。在步骤310处，控制器270可从一个或多个传感器接收指示在例如过滤器220处的环境空气进入系统200的压力和/或温度值的信号。在一些实施例中，控制器270可从压力传感器250和温度传感器260接收这些信号。
[0031]在步骤315处，控制器270可接收指示发动机进气压力和发动机进气温度的信号。如上所解释的，控制器270可使用这些信号，以基于指示环境空气压力和温度的信号使用已知方法确定在发动机进气口 225处的露点温度。在步骤320处，控制器270可基于从一个或多个传感器250和260接收的信号确定期望的发动机进气温度。步骤320可包括确定与发动机进气相关联的露点温度。根据一些实施例，步骤320包括基于与发动机110的操作相关联的参数计算期望的发动机进气温度。例如，期望的发动机进气温度可基于发动机速度和凹口位置中的至少一个。
[0032]在步骤330处，控制器270可控制供应到发动机进气口 225的发动机进气的温度。例如，控制器270可基于期望的发动机进气温度确定风扇速度。根据一些实施例，控制器270确定风扇速度，这将提供发动机进气温度至期望的发动机进气温度的预定范围内。例如，基于步骤330，控制器270可发送调节风扇的命令，以实现期望的风扇速度。
[0033]控制器270可调节系统200的其他元件，以实现期望的发动机进气温度。例如，在步骤340中，控制器270可通过例如发送打开和/或关闭节流门238的命令信号到节流门控制器242来调节节流门238的位置，以控制环境空气至空气-空气后冷却机234的流动。附加地或可选地，调节供应到空气-水后冷却机232的来自水回路的冷却剂的流动也可影响发动机进气温度。在步骤340中，控制器270可发送调节供应到空气-水后冷却机232的冷却剂的量的命令信号到水回路控制器233，以获得期望的发动机进气温度。附加地或可选地，控制器270可控制EGR阀247，以调节通过系统200再循环的排气的量，以实现发动机进气温度。
[0034]根据一些实施例，该方法可进一步包括接收指示发动机进气温度和/或压力的第二信号。例如，第二温度传感器290可将信号发送到控制器270。可选地或附加地，该方法可包括接收指示发动机进气压力的信号。例如，第二压力传感器280可将信号发送到控制器270。控制器270可基于从第二温度传感器290和/或第二压力传感器280接收的信号控制发动机进气温度。例如，如果来自第二信号温度传感器290的信号指示发动机进气温度低于期望的发动机进气温度，则控制器270可减小风扇速度。同样地，如果发动机进气温度高于期望的发动机进气温度，则控制器270可增加风扇速度，以将发动机进气温度降低为接近期望的发动机进气温度而无需降至低于该温度。
[0035]工业适用性
[0036]所公开的系统和方法可提供用于降低存在于发动机进气的水蒸气的冷凝或结霜的可靠的解决方案。例如，所公开的系统和方法可提高发动机的燃料效率(例如，用于机车)，同时减少发动机进气的过度冷却引起的冷凝或结霜。
[0037]目前公开的系统和方法可提供若干优点。例如，可增加结合所公开的系统和/或方法的发动机的燃料效率。对于BSFC和BSNOx两者的降低，发动机应当尽实际可能最大程度地冷却发动机进气而不引起在发动机进气口处的冷凝或结霜。例如，所公开的系统和方法可通过允许发动机进气尽可能多的冷却而不使发动机进气温度降至低于期望的发动机进气温度极限来使防止当发动机进气降至或低于露点温度时发生的过度冷凝和/或结霜的期望与减少发动机进气温度的期望平衡。此外，目前公开的系统和方法可被并入发动机系统，不论发动机冷却系统是否使用EGR。
[0038]对于本领域技术人员将明显的是，可对用于控制发动机进气温度的系统及其相关联的操作方法进行各种修改和变型。本发明的其他实施例对于考虑本发明的说明书和实践的本领域技术人员将是显而易见的。其旨在被视为仅是示例性的，本发明的真实范围由随附的权利要求书及其等同物指出。
【权利要求】
1.一种用于控制发动机进气温度的系统(200)，所述系统(200)包括: 压缩机(212)，其配置为增加在发动机进气口(225)处的空气的压力； 至少一个后冷却机，其配置为降低所述发动机进气温度； 温度传感器(260)，其配置为提供指示环境空气温度的信号； 压力传感器(250)，其配置为提供指示环境空气压力的信号；以及 控制器(270)，其配置为: 接收指示所述环境空气温度和所述环境空气压力的信号； 基于指示所述环境空气温度和所述环境空气压力的所述信号确定期望的发动机进气温度；并且 基于所述期望的发动机进气温度控制所述至少一个后冷却机的操作。
2.根据权利要求1所述的系统(200)，进一步包括: 第二温度传感器(290)，其配置为提供指示在所述发动机进气口(225)处的温度的信号；以及 第二压力传感器(280)，其配置为提供指示在所述发动机进气口(225)处的压力的信号，其中所述控制器(270)进一步配置成:基于在所述发动机进气口(225)处的空气的基于指示环境空气温度和压力的所述信号以及指示在所述发动机进气口(225)处的温度和压力的所述信号的露点温度确定所述期望的发动机进气温度；并且 基于由所述第二温度传感器(290)和所述第二压力传感器(280)提供的所述信号进一步控制所述至少一个后冷却机的操作。
3.根据权利要求1所述的系统(200)，其中，所述控制器(270)配置为控制所述至少一个后冷却机的操作，使得所述发动机进气温度在所述期望的发动机进气温度的预定范围内。
4.根据权利要求1所述的系统(200)，其中，所述至少一个后冷却机包括空气-水后冷却机(232)，并且其中所述控制器(270)配置为基于所述期望的发动机进气温度控制冷却剂向空气-水后冷却机(232)的流动。
5.根据权利要求1所述的系统(200)，进一步包括排气再循环系统(243)，所述排气再循环系统(243)配置为将排气供应到所述发动机进气口(225)，其中所述控制器(270)配置为基于所述期望的发动机进气温度控制排气向所述发动机进气口(225)的流动。
6.一种用于控制发动机进气温度的方法，所述方法包括: 从传感器接收指示环境空气压力和环境温度中的至少一个的信号； 基于从所述传感器接收到的所述信号确定期望的发动机进气温度；以及 基于所述期望的发动机进气温度控制所述发动机进气温度。
7.根据权利要求6所述的方法，进一步包括: 从至少第二传感器接收指示在发动机入口处的温度和压力的信号； 基于指示环境空气压力、环境温度、在所述发动机入口处的温度和在所述发动机入口处的压力的信号中的至少一个信号确定在发动机进气口(225)处的空气的露点温度；以及基于在所述发动机进气口(225)处的空气的所述露点温度确定所述期望的发动机进气温度。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，控制所述发动机进气温度包括基于所述期望的发动机进气温度控制环境空气向空气-空气后冷却机(234)的流动。
9.根据权利要求6所述的方法，其中，控制所述发动机进气温度包括基于所述期望的发动机进气温度控制冷却剂向空气-水后冷却机(232)的流动。
【文档编号】F02M31/20GK104520572SQ201380041412
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2013年8月2日 优先权日:2012年8月8日
【发明者】T·伍兹坎, T·G·加拉格尔 申请人:易安迪机车公司