用于具有分离排气的发电机的系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明总的来说涉及用于通过调节排气气门正时和持续时间来控制发动机的系统和方法，该发动机包括分离排气歧管以调节与该分离排气歧管连接的涡轮机-发电机的转速。
【背景技术】
[0002]在带有分离的排气歧管的发动机系统中，可首先打开汽缸的排污排气气门(blowdown exhaust valve)以将来自排气阶段的最初部分的排气质量流量输送至祸轮增压器或涡轮机驱动的发电机的涡轮机，然后可打开清除气门(scavenging valve)以将来自排气阶段的后面部分的排气质量流量绕过涡轮机直接地输送至排气催化剂。以这种方式，通过在排气阶段的后面部分期间引导排气气体离开涡轮机，可减小与高涡轮机背压相关的栗送损失(pumping penalty)。
[0003]这种分离的排气发动机系统的一个实例由Robel在US8，091，357中例示。其中，排气系统包括位于第一排气支路中的祸轮混合装置(turbo compounding device)，以及位于第二排气支路中的排气气体处理装置。涡轮混合装置通过第一排气气门接收排气气体，并且排气气体处理装置通过第二排气气门接收排气气体。用于控制第一排气气门和第二排气气门的正时策略基于用于检测排气背压的压力传感器。
[0004]然而，本文的发明者已经意识到这种系统存在的潜在问题。如一个实例，Robel并未提供任何用于控制涡轮机转速和/或涡轮混合装置的输出的方法。例如，在发动机运行期间，涡轮机转速可增加到阈值以上，此时如果任其发展，可能导致系统的次佳和不安全的性會K。
【发明内容】
[0005]因此在一个实例中，这些问题中的一些可至少部分地通过一种用于发动机的方法解决，该方法包括:响应于涡轮机转速高于第一阈值涡轮机转速，延迟将排气气体输送至涡轮机-发电机的涡轮机的汽缸的第一排气气门的打开时间。以这种方式，通过调节排气气门的正时，流动至涡轮机的排气质量流量的量可减小。
[0006]例如，分离排气发动机系统可包括第一排气气门(在本文中被称为排污气门)，用于将排气能量的第一部分(在本文中被称为排污能量)输送至位于第一排气通道中的涡轮机-发电机的涡轮机。该发动机系统还可包括第二排气气门(在本文中被称为清除气门)，用于将后面部分的排气能量(在本文中被称为清除能量)输送至位于第二、不同的排气通道中的排气催化剂。该催化剂可位于涡轮机-发电机的下游，以使涡轮机-发电机的输出通过该催化剂。当处在祸轮机-发电机的祸轮机转速高于阈值转速或发电机输出大于阈值输出的发动机运行情况期间，发动机控制器可通过延迟排污气门的打开正时，和/或提前清除气门的打开正时和清除气门的关闭正时来减少输送至涡轮机的排气气体(即，排污气体)的量。在一些实例中，可通过提前清除气门的打开正时而稍微提前或不提前清除气门的关闭正时来增加清除气门的持续时间。进一步地，排污气门和清除气门的延迟的角度和提前的角度可基于涡轮机转速、期望涡轮机转速和实际涡轮机转速之间的差值、期望发电机输出和实际发电机输出之间的差值以及发动机转速/负载条件中的一个或多个而被调节。
[0007]在一些其他的实例中，除了调节排污气门和清除气门的正时和持续时间，也可调节废气旁通阀的打开的量以改变绕过涡轮机的排气气体的量。
[0008]以这种方式，通过基于涡轮机转速和/或发电机输出来调节排污气门和排气气门的相位和持续时间以减少输送至涡轮机-发电机的涡轮机的排气能量的量，可降低发动机系统的效率和/或耐久性的涡轮机超速和多余发电机输出情况的发生可减少。
[0009]应当理解，提供以上概要是为了以简化的形式介绍一组将在详细的说明书中被进一步描述的概念。并不意在确定所声明的主题的必要或关键特征，所声明的主题的范围由跟随详细的说明书之后的权利要求唯一地限定。此外，所声明的主题并不限制于以上所述的或本公开中任意部分中的解决任意缺点的实施方式。
【附图说明】
[0010]图1示出了带有分离的排气歧管和涡轮机-发电机的自然吸气发动机系统的示意图描述。
[0011]图2示出了图1的发动机系统的燃烧室的示意图描述。
[0012]图3为例示了用于减少提供至涡轮机-发电机的涡轮机的能量以控制涡轮机-发电机输出和/或涡轮机-发电机转速的示例性程序的高级流程图。
[0013]图4为例示了与图3共同使用的确定期望的涡轮机-发电机转速的示例性程序的高级流程图。
[0014]图5为例示了与图3共同使用的用于调节在发动机的每个汽缸中的排污排气气门和清除排气气门的气门相位和持续时间从而减少提供至涡轮机-发电机的涡轮机的能量的示例性程序的高级流程图。
[0015]图6示出了根据本公开的示例性的正常进气气门和排气气门正时和持续时间。
[0016]图7示出了根据本公开的调节进气气门和排气气门正时和持续时间以减少至涡轮机的能量的一个实例。
[0017]图8示出了描述基于涡轮机转速和/或发电机输出排污排气气门和清除排气气门正时和持续时间的示例性的调节的图表。
【具体实施方式】
[0018]以下描述涉及用于在分离排气发动机系统(例如，图1至图2的发动机系统10)中减少输送至驱动涡轮机-发电机的涡轮机的排气能量以防止涡轮机超速情况和/或减小涡轮机-发电机输出的系统和方法。具体而言，该分离排气发动机系统可包括用于将来自发动机汽缸的排污(blowdown)部分的排气气体经由第一排气歧管输送至位于第一排气通道中的祸轮机-发电机的第一排气气门(在本文中也称为排污气门)，以及用于将来自发动机汽缸的清除(scavenging)部分的排气气体经由第二排气歧管和第二通道输送至排气催化剂的第二排气气门(在本文中也称为清除气门或扫气气门)。响应于涡轮机转速高于阈值转速和/或涡轮机-发电机输出大于阈值输出，包含在发动机系统中的发动机控制器可被构造成执行控制程序，例如图3的程序，来调节排污气门和/或清除气门的正时和/或持续时间以减少输送至涡轮机的排气能量的量。图4示出了用来确定期望的发电机转速的示例性程序，以确定涡轮机转速阈值，高于此涡轮机转速阈值时输送至涡轮机的排气能量减少。排污排气气门和清除排气气门的正时和持续时间的调节可根据图5的示例性程序确定。图6示出了在正常发动机操作期间(即，当涡轮机转速低于阈值转速并且发电机输出小于阈值输出时)的气门正时和持续时间(包括排污气门和清除气门的气门正时和持续时间)的实例。图7示出了在发动机运行期间，响应于涡轮机转速高于阈值转速和/或发电机输出小于阈值输出的气门正时和持续时间(包括排污气门和清除气门的气门正时和持续时间)的实例。图8示出了响应于涡轮机转速和/或发电机输出调节排污气门和清除气门的正时和持续时间的实例。
[0019]通过利用本文描述的系统和方法，可实现以下技术效果:通过调节在该分离排气发动机系统(例如，在图1中的发动机系统10)中的排污气门和/或清除气门的正时和/或持续时间，减少了输送至涡轮机-发电机的涡轮机的排气能量。
[0020]图1示出了自然吸气发动机多汽缸内燃发动机10的示意图，其可包括在汽车的推进系统中。发动机1可包括多个燃烧室(即，汽缸)20。在示出的实例中，发动机1包括以直列构造布置的四个汽缸。然而，在可替代的实例中，发动机10可包括一个或更多个汽缸，例如2个、3个、4个、5个、6个、8个、10个或更多个汽缸，并且这些汽缸可以可替代的构造布置，例如V-6、1-6、V-12、对置4、水平对置等。
[0021]发动机10的每个汽缸20可被构造成经由进气通道28接收来自进气歧管27的进气空气。进气通道28可包括空气过滤器60下游的进气节气门62。节气门62的位置可经由与控制器12通信连接的节气门致动器(未示出)通过控制系统15调节。通过调节节气门62，可从大气中将一定量新鲜空气引导至发动机10中并且经由进气通道28以气压(或大气)压力或低于气压压力输送至发动机汽缸。可经由进气道(未示出)将进气歧管27连接至燃烧室。每个进气道可为与其连接的汽缸供应空气和/或燃料，用于燃烧。每个汽缸进气道能够经由一个或多个进气气门选择性地与汽缸连通。在示出的实例中，每个汽缸20被示出为带有两个进气气门Il和12。在一个实例中，进气通道可由选择性地与每个进气气门连通的进气歧管27而形成。在其他的实施例中，用于单个汽缸的进气通道可在汽缸附近被分离成其间设置有壁的两个邻近的路径，该通道的每个分离路径都与单个的进气气门连通。在另一个实例中，该两个进气气门中的每一个都可被控制以在特定的发动机转速打开，并且因此可通过共同的进气道与进气歧管连通。
[0022]每个燃烧室可经由与之连接的两个排气道排出燃烧气体。在示出的实例中，每个汽缸20都经由第一排气气门El连接至第一排气道31，以及经由第二排气气门E2连接至第二排气道33。每个汽缸的每个排气道可导致不同的排气歧管以分别地用于引导第一初始部分的排气气体(在本文中也称为排污部分)和第二后面部分的排气气体(在本文中也称为清除部分)。例如，来自每个汽缸20的每个第一排气道31可结合到第一排气歧管59中。类似地，来自每个汽缸20的每个第二排气道33可结合到第二排气歧管57中。以这种方式，每个燃烧室20可将排污部分的燃烧气体经由第一排气气门El排放到第一排气歧管59中，以及将清除部分的燃烧气体经由第二排气气门E2排放到第二排气歧管57中。这样的排气系统包括两个排气歧管，其中一个歧管用于引导排污部分的排气，另一个歧管用于引导清除部分的排气，这种系统在本文中也称为“分离排气系统”。
[0023]发动机10可包括位于连接至第一排气歧管59的第一排气通道55中的涡轮机驱动发电机190。涡轮机驱动发电机190可包括连接在共同的轴上的排气涡轮机92和发电机94。进一步地，废气旁通阀127可被包括在连接于排气涡轮机的入口和出口之间的旁路166中，以控制输送至涡轮机的排气气体。在一些实例中，可不包括废气旁通阀。在没有废气旁通阀的系统中，输送至涡轮机的排气气体的量可主要通过调节一个或多个汽缸中的排污气门和/或清除气门的相位和/或持续时间而控制。
[0024]如上所讨论的，可将排气歧管设计成分别地引导排气的排污部分和清除部分。排气歧管59可将排气的排污脉冲经由第一排气通道55引导至涡轮机-发电机190的涡轮机，而排气歧管57可将清除部分的排气经由第二排气通道162引导至涡轮机92的下游以及排放物控制装置72的上游。例如，排气气门El引导排污部分的排气气体通过排气歧管59和第一排气通道55至涡轮机，而排气气门E2引导清除部分的排气气体通过排气歧管57经由第二排气通道162至排放物控制装置72。因此，第一排气气门可以早于第二排气气门的正时打开，并且可以早于第二排气气门的正时关闭。
[0025]离开涡轮机92的排气气体也可通过排放物控制装置72。在一个实例中，排放物控制装置72可包括多个催化剂砖。在另一个实例中，可使用每个都带有多个砖的多个排放物控制装置。在一些实施例中，排放物控制装置72可以是三元型催化剂。在其他的实例中，排放物控制装置72可包括一个或多个柴油机氧化催化剂(DOC)，以及选择性的催化还原催化剂(SCR)。在通过排放物控制装置72之后，排气气体可被引导出至排气管58。
[0026]以这种方式，离开汽缸的燃烧的气体可经由由分离的排气歧管形成的两个不同的排气通道而被分离成两个部分。例如，在一个燃烧循环中，汽缸20的第一排气气门El可将第一部分的排气(即排污部分)经由第一排气通道55引