专利名称：用于发动机的有效涡轮增压的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及柴油发动机，更加具体地说，涉及涡轮增压的柴油发动机。
背景技术：
现代的发动机从指定的气缸位移产生更大功率的能力由于工程技术的革新和发展一直在稳步地增长。现代发动机使用由涡轮增压器提供的较高增压的空气压力来产生比它们的前一代的同类发动机更大的功率。在一个发动机内从气缸中获得的功率量取决于在其中燃烧了多少燃料，并且取决于在气缸中可利用的空气量。因此，通过在气缸内提供更多的空气，就能提高所产生的功率。涡轮增压是一项用于增加引入每个气缸中的空气量的技术，在一般情况下是通过超过在气缸中当时的主要(reigning)压力的一个正向压力实现的。从发动机排出的气体通常用于驱动所说的涡轮增压器。这种气体驱动涡轮机，涡轮机又驱动一个压缩机，从而驱动附加的空气进入气缸。
用在运载工具例如柴油电动火车机车中的常规的柴油发动机在低环境温度下启动是很困难的。在某些发动机中，压缩比和起动速度不足以提供用于自动点火柴油燃料的足够的气缸内温度和压力。已经解决了这个问题的方法之一是使用辅助的功率单元来循环热的流体，使其流过发动机以提高冷起动能力。
某种瞬时的或非设计的操作可能导致涡轮增压器喘振，这将损坏涡轮机的机构和相关的硬件。火车机车在当前几乎没有什么控制器或硬件来避免出现这样的损坏。
为了解决喘振问题，涡轮增压的载重汽车和汽车通常都配备废气门系统以限制涡轮增压器速度。按照另一种方式，还可使用“安全门”或在压缩机排气上的放气阀来防止喘振。在一般情况下，通过对于压缩机和扩压器进行空气动力学改进，可以改善压缩机的喘振裕度，但这样做通常引起压缩机效率的损失。
因此，需要一种用于柴油发动机的冷起动性能的改进技术来防止涡轮增压器喘振并且可以与发动机操作无关地控制涡轮增压器速度。还需要一种技术来提高发动机性能来解决在此之前已知系统的缺点。
发明内容
按照本发明技术的一个方面，提供一种用于调节柴油发动机的操作条件的设备。这个设备包括一个控制器，对于控制器进行配置，使其可以接收其中包括柴油发动机的至少一个操作参数的信号。控制器还产生一个控制信号以便操作涡轮增压器，所说的涡轮增压器配置成可由来自发动机的排放气体驱动。所说设备还包括一个涡轮增压器辅助装置，涡轮增压器辅助装置耦合到控制器，并且配置成可以根据控制信号向涡轮增压器增加功或者从涡轮增压器上减小功。
在本发明的另一个实施例中，提供一种用于响应柴油发动机的操作条件产生多个控制信号的方法。控制信号用于控制涡轮增压器辅助装置以维持柴油发动机的期望的操作条件。操作条件例如可以包括限制气缸内压力、避免压缩机喘振和限制最大的涡轮增压器速度。
当参照附图阅读下面的详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点都将变得显而易见，在附图中，相同的符号代表整个附图中相同的部件，其中图1是一个简图，说明按照本发明技术的各个方面的涡轮增压器的典型功能部件；图2是用于操作柴油发动机的涡轮增压器的一个控制电路的示意图，其中加入了按照本发明技术的各个方面的涡轮增压器辅助装置；图3是按照本发明技术的各个方面的一个典型的压缩机特性线图的曲线图；图4是流程图，说明按照本发明技术的各个方面操作涡轮增压器的一种典型方法；图5是流程图，说明按照本发明技术的各个方面根据在控制器中接收的信号操作涡轮增压器辅助装置的典型方法。
具体实施例方式
现在描述附图，首先参照图1，其中表示包括涡轮增压器12的一个涡轮增压系统10的典型功能部件的简图。图1中所示的设备包括一个柴油发动机14，柴油发动机14具有耦合到发电机或交流发电机18上的驱动轴16。交流发电机18向一个或多个牵引电动机(为清楚起见在图中未示出)提供电功率，用于推动其中配置了发动机和电动机的运载工具，如机车、载重汽车(work vehicle)等。交流发电机18耦合到驱动系统20，驱动系统20驱动机车或者运载工具的车轮22。应当指出的是，虽然在本说明书中提到的是运载工具驱动系统，更加具体地说是机车的驱动系统，但是本发明的技术可以应用到这个环境之外的场合，其中包括静止的发动机驱动系统，例如发电机(generator)组等等。
涡轮增压器12包括一个压缩机24和一个涡轮机26。压缩机可操作以向进气岐管28提供压缩空气源，以便在柴油发动机14中燃烧。涡轮机26连接到排气岐管30，以便从发动机的排放气体中提取能量，使连接到压缩机24的涡轮增压器的轴32旋转。发动机14的废气作为排放气体34从发动机流出。压缩机24通过一个过滤器(为清楚起见图中未示出)抽吸环境空气36，并且通过与热交换器38相连接的一个出口提供压缩空气。空气通过压缩加热到一个升高的温度，并且经过热交换器38传送，从而在将空气传递到发动机14内之前使空气的温度降低。
涡轮增压器12是一种压缩空气使空气流入发动机14的强迫式进气系统类型。有利地，压缩空气使发动机14能够迫使附加的空气进入发动机14的气缸。这样获得的附加空气使更多的燃料加到发动机14中，附加的空气与用于燃烧的空气组合在一起。于是，涡轮增压器系统就能够有效地提高了来自发动机14的气缸中的每个燃烧循环的功率。
如以前所述的，涡轮增压器12使用柴油发动机14的排放气体流来旋转涡轮机26以实现入口空气的压缩。涡轮增压器12连接到发动机14的排放气体，由于发动机14的排放气体的温度高，使涡轮机26的温度升高。涡轮增压器12例如通过螺栓机械地耦合到柴油发动机14的排气岐管。柴油发动机14的气缸的排放气体使涡轮机旋转。涡轮增压器的轴将压缩机24和涡轮机26连接。压缩机定位在空气过滤器(图中未示出)和发动机14的进气岐管28之间。由压缩机24增压的空气经过进气岐管连通到发动机14的气缸。从气缸通过排气岐管30的排放穿过涡轮机，使涡轮机26旋转。在涡轮增压器的轴32的另一端，压缩机24驱动空气进入发动机14的气缸。
涡轮增压系统10还包括一个控制器40。在典型实施例中，控制器40是一个电子逻辑控制器，它可以由厂家编程，并可以允许由用户进行附加的编程。控制器40经过如图2所示的一系列传感器42-50接收来自柴油发动机14和涡轮增压器12的各种不同的信号。在一般情况下，传感器42-50包括压力传感器42、温度传感器44、速度传感器46、环境温度传感器48和质量流速传感器50。然而，在本发明技术的另外的实施例中，还可以使用各种不同的其它传感器来监视柴油发动机14和涡轮增压器12的不同的操作参数。在一般情况下，控制器包括电路，例如专用的或多用的处理器，所说的处理器可以操作以便响应表示压缩机操作条件的接收信号52产生控制信号51。在所示的实施例中，控制器40还要耦合到一个存储装置上，或者控制器40本身包括一个存储装置，用于存储压缩机特性线图54、查找表56或者存储这两者，控制器40根据控制信号从所说存储装置获得期望的涡轮增压器12的操作条件和操作模式，与柴油发动机14的速度无关。由控制器产生的控制信号加到下面将要描述的涡轮增压器辅助装置60上，以便对向发动机14应用功或者从发动机14提取功进行调节。控制电路由此可以控制涡轮增压器12和柴油发动机14的操作。
涡轮增压器的驱动轴58耦合到涡轮增压器辅助装置60，涡轮增压器辅助装置60进一步耦合到电能源，例如交流发电机输出、电池62或者多个电池组，用于初始起动涡轮增压器辅助装置60。涡轮增压器辅助装置60是一个电动机-发电机，用于便于对涡轮增压器操作的独立控制。然而，其它类型的装置也可以作为涡轮增压器辅助装置60使用，例如液压装置。涡轮增压器辅助装置60机械地耦合到涡轮增压器驱动轴58，并且，涡轮增压器辅助装置接收来自控制器40的电控制信号。涡轮增压器辅助装置60可以操作，以便向涡轮增压器驱动轴58提供功(即，向所说的轴提供扭矩以便驱动它)或者从涡轮增压器驱动轴58上减少功(即，要由所说的轴驱动)。涡轮增压器辅助装置或者给涡轮增压器增加功或者从这里提取功的操作在本说明书的上下文中定义了两个截然不同的操作模式。
例如在寒冷天气条件下发动机14的起动期间，涡轮增压器辅助装置60是作为电动机进行操作的(即，电动机模式)。在这种模式中，除了涡轮机26提供的扭矩以外，还向涡轮增压器的驱动轴58提供一个扭矩，由此增加了涡轮增压器12的输入功率，允许进行附加的空气压缩，和/或在较高的压力下将空气引入柴油发动机14的气缸内。相反，在高速操作期间，涡轮增压器辅助装置60可以作为一个发电机进行操作(即，发电机模式)。当在发电机模式时，涡轮增压器辅助装置60在涡轮增压器的驱动轴32上形成一个附加的负载，这减少了涡轮增压器轴32上的速率，因此减小了传递到压缩机上的功率，并且减小了引入柴油发动机14的气缸内以便燃烧的可利用的空气量和/或空气压力。
在本发明的一个实施例中，按照发电机模式操作的涡轮增压器辅助装置60的主要作用是避免压缩机24超速和/或喘振。喘振是下面要讨论的压缩机的一种现象，并且通常是要避免的以便进行正常的操作。通过减小提供给柴油发动机14的压缩空气的压力，涡轮增压器辅助装置60就能起到减小柴油发动机14的气缸中的最大压力的作用。通过在发电机模式操作，就可减小涡轮增压器12的速度以控制最大速度使其低于安全的设计限制值，同时在这个过程中回收有用的能量。
现在参照附图2，其中说明了一个控制电路64，用于操作柴油发动机14的涡轮增压器12，其中加入了涡轮增压器辅助装置60。如以上所述，控制器40经过一系列传感器42-50接收来自柴油发动机14和涡轮增压器12的各种不同的信号52。来自这些传感器的信号传递到控制接口66，并且在处理器68中对这些信号做进一步的处理。处理器68可以根据接收的信号52进行滤波操作并且进行某些计算，比较经过处理的信号或数值与在存储电路70中存储的信号或数值。如以上所述，存储电路70可以存储一个查找表56，其中包含的数值代表涡轮增压器辅助装置60的期望的操作、气缸的压力或者随处理的信号或计算的数值而变的其它的期望操作条件。根据比较结果，处理器68产生控制信号51，用于操作涡轮增压器辅助装置60以便维持或达到期望的操作条件72，其中包括借助于存储电路70和查找表56的涡轮增压器系统的操作模式。将最终得到的来自处理器68的控制信号51加到控制信号接口74以便加到涡轮增压器辅助装置60上，由此调节这个系统的操作，或者驱动涡轮增压器的驱动轴58，从而驱动涡轮增压器12，或者从涡轮增压器的驱动轴58提取功，这取决于期望的操作模式。
现在参照附图3，是一个典型的压缩机特性线图76的曲线表示图。特性线图76在一个坐标系内是作为一系列轨迹或曲线表示的，所说的坐标系是由一个经过校正的质量流速率轴78和一个压缩机阶段压力比轴80所确定的。压缩机阶段压力比定义为压缩机出口压力与压缩器进口压力之比。图中的中心线表示在恒定发动机速度下的发动机的呼吸线(breathing line)82，以及延伸到呼吸线附过的这个曲线表示喘振线84。当以下各项的任何组合发生时，都将压缩机驱动到较高的压力比环境温度下降、环境压力下降、发动机燃料增加或燃料注入时间延迟。然而，在压缩机中可能产生不稳定的流动，这称之为喘振。最终，如果不进行遏制，这样的喘振可能损坏涡轮增压器系统，其结果是明显增加了停机时间和修理费用。
正如本领域的普通技术人员所理解的，这样的喘振是压缩机中气流分离的结果。喘振线84就代表这个状态，而呼吸线82表示的是在恒定速度下的四冲程发动机的流动特征，在一般情况下它是沿着喘振线84延伸的。还可以使用两冲程发动机的对应的发动机呼吸特征曲线。在这个呼吸线82的右边，压缩机在工作时没有喘振。
在涡轮增压器辅助装置60按照发电机模式操作期间，涡轮增压器辅助装置60的附加负载减小了涡轮增压器的速度，由此可以避免喘振(即，保持涡轮增压器系统的操作在喘振线的右边)。相反，当涡轮增压器辅助装置60按照电动机模式操作期间，增加了涡轮增压器的速度，因而产生了较大的气流、较高的压缩机出口温度和压力，这有利于提高冷起动能力。
现在参照附图4，其中表示一个流程图，说明按照本发明技术的实施例操作涡轮增压器的一个典型的方法。这个过程从监视代表压缩机操作条件的至少一个操作参数开始(步骤88)。所说的操作参数可以包括以下参数中的至少一个压缩机压力比、岐管温度、岐管压力、涡轮增压器速度、周围环境温度和进入发动机的空气的质量流速率。正如本领域的普通技术人员所理解的，压缩机压力比是可以根据压缩机的入口和出口压力的测量值计算出来的，例如经过常规的压力传感器进行测量。岐管温度可以经过设置在岐管上或其附近的常规热电偶或电阻性温度检测器进行测量。岐管中的常规的压力传感器可以检测出岐管的压力。发动机和涡轮增压器的速度可以通过合适的测速仪或其它旋转式频率测量装置检测，而环境温度可由合适的热电偶或电阻性装置检测。最后，质量流速率可以从由流量传感器产生的信号中导出。这些信号中的某一些或者所有这样信号都是从传感器上得到的，这些传感器或者存在于发动机上，或者在制造期间附加到发动机上，或者是经过翻新改进的。况且，可以通过专用的导线将这些信号发送到涡轮增压器系统的控制电路，或者通过合适的网络介质和协议进行这样的发送，例如经过基于控制局域网(CAN)的网络。
在步骤90，通过处理电路相对于发动机的目标操作条件来分析为控制涡轮增压器系统所选择的操作参数。在本发明的一个实施例中，发动机的操作条件包括发动机速度、流入发动机气缸中的空气量、进气岐管的温度和压力。可以以查找表的形式存储目标的或者期望的操作条件。查找表包括期望操作参数的数值、这些参数的组合以及涡轮增压器辅助装置的设定值。在步骤92，所说过程对涡轮增压器辅助装置进行控制，以维持期望的操作条件，尤其是压缩机的操作条件。如以上所述，涡轮增压器辅助装置接收来自控制电路的信号，或者作为电动机操作，或者作为发电机操作，这取决于操作模式。
图5是一个流程图，说明按照本发明技术的各个方面根据控制器中接收的信号操作涡轮增压器辅助装置的一种典型的方法。如以上所述，并且如步骤94所示的，所说的过程是从经过适当的传感器检测柴油发动机的压力、温度以及其它的期望操作参数开始的。通过定位在发动机内的传感器来检测这些信号，如以上所述。在步骤96，计算在压缩机两端的压力比，然后检测柴油发动机的速度，以便根据由步骤98表示的发动机的操作参数确定涡轮增压器的期望操作条件。在步骤100，估算流入柴油发动机内的空气的质量流速率。在步骤102，处理器响应接收的信号并根据实际的操作条件与查找表或压缩机特性线图的数值(其数值符合(tracing)上述的喘振关系)的比较结果产生一个控制信号。在步骤104，处理器确定期望的柴油发动机操作条件和操作模式。在这一点，作出决定以确定是否已经超过最大的期望操作压力，即，为发动机的平稳操作设定的压力限制值(步骤106)，并且确定操作压力是否超过期望状态的压力(步骤108)。于是，可以减小涡轮增压器的速度以避免出现压缩机的喘振，如步骤110所示。在另一方面，如果操作压力在期望值内或者需要增加(步骤112)，则要增加涡轮增压器的速度以便在发动机内产生较大的燃烧空气流和较高的压缩机出口压力，如步骤114所示。
正如本领域的普通技术人员所理解的，由本发明技术提供的整个系统与常规的系统相比具有许多优点。可以对耦合到控制器的涡轮增压器辅助装置进行配置，以便可以根据从设置在柴油发动机中的传感器获得的控制信号给涡轮增压器增加功或者从涡轮增压器上减小功，由此可以提供改进的冷起动能力，通过调节涡轮增压器速度对喘振进行有效的控制，并且可以消除涡轮增压器的超速运行。
虽然在这里只说明和描述了本发明的某些特征，但是对于本领域的普通技术人员可以做许多改进和变化。因此，应该理解，所附的权利要求书旨在覆盖落在本发明的真正构思内的所有这样的改进和变化。
各部分列表10说明涡轮增压器的典型功能元件的简图12涡轮增压器14柴油发动机16驱动轴18交流发电机20驱动系统22轮24压缩机26涡轮28进气岐管30排气岐管32涡轮增压器轴34排放气体36环境空气38热交换器40控制器42压力传感器44温度传感器
46速度传感器48环境温度传感器50空气流51控制信号52接收的信号54压缩机特性线图56查找表58涡轮增压器驱动轴60涡轮增压器辅助装置62电池64示意说明了一个控制电路，用于操作柴油发动机的涡轮增压器，其中加入了涡轮增压器辅助装置66控制接口68处理器70存储电路72操作条件74控制信号接口76一个典型的压缩机特性线图的曲线表示图78经过校正的质量流速率80压缩机阶段压力比82呼吸线84喘振线88监视代表压缩机的操作条件的至少一个操作参数90相对于发动机的操作条件分析至少一个操作参数92控制涡轮增压器辅助装置以维持压缩机的期望的操作条件94经过控制器检测柴油发动机的压力和温度96计算压缩机的压力比98检测柴油发动机的速度100估算流入柴油发动机内的空气的质量流速率102响应代表压缩机操作条件的接收信号产生控制信号104根据控制信号和柴油发动机的速度确定涡轮增压器的期望的操作条件和操作模式
106是否超过最大期望的操作压力？108是110减小涡轮增压器速度以避免喘振112否114增加涡轮增压器速度以产生较高的压缩机出口压力
权利要求
1.一种用于调节柴油发动机(14)的操作条件的设备，所说设备包括控制器(40)，对控制器进行配置，使其可以接收代表柴油发动机(14)的至少一个操作参数的信号，并且响应所接收的信号(52)产生一个控制信号(51)；涡轮增压器(12)，所说的涡轮增压器包括一个涡轮机(26)和一个压缩机(24)，涡轮机(26)配置成可由来自发动机(14)的排放气体驱动，压缩机(24)耦合到涡轮机(26)并由涡轮机(26)驱动以便将空气引入发动机(14)内；和涡轮增压器辅助装置(60)，涡轮增压器辅助装置(60)耦合到控制器(40)、压缩机(24)和涡轮机(26)，并且配置成可与发动机(14)的速度无关地根据控制信号(51)向涡轮增压器的驱动轴(58)增加功或者从涡轮增压器的驱动轴(58)上减小功。
2.权利要求1的设备，其中涡轮增压器(12)配置成可以调节发动机(14)的入口空气压力。
3.权利要求1的设备，其中涡轮增压器辅助装置(60)是电动机-发电机。
4.权利要求1的设备，其中涡轮增压器辅助装置(60)适合于作为一个发电机操作，由此减小涡轮增压器(12)的速度以避免发动机(14)的喘振。
5.权利要求1的设备，其中涡轮增压器辅助装置(60)适合于作为一个电动机操作，由此增加涡轮增压器(12)的速度，以便产生较高的空气流到发动机(14)内。
6.权利要求1的设备，进一步还包括多个传感器(42-50)，多个传感器(42-50)适合于检测柴油发动机(14)的至少一个操作参数。
7.权利要求6的设备，多个传感器包括压力传感器(42)、温度传感器(44)和速度传感器(46)。
8.权利要求1的设备，其中控制器(40)在最小压缩机出口压力和最大压缩机出口压力之间向涡轮增压器辅助装置(60)提供能量，从而给涡轮增压器的驱动轴(58)增加功。
9.权利要求1的设备，其中控制器(40)控制涡轮增压器辅助装置(60)，以当在发动机(14)的排放气体中存在过大的能量时产生电功率以便从涡轮增压器的驱动轴(58)上减小功。
10.权利要求1的设备，其中将控制器(40)配置成在发动机(14)的冷起动和加速期间提供增加的压缩机出口压力和温度。
全文摘要
一种技术包括一种设备，该设备用于监视代表柴油发动机(14)的操作条件的至少一个操作参数和用于控制一个涡轮增压器辅助装置(60)，以维持装配有涡轮增压器(12)的柴油发动机(14)的期望的操作条件。
文档编号B60K6/48GK1749539SQ200510104139
公开日2006年3月22日 申请日期2005年9月16日 优先权日2004年9月16日
发明者A·H·福尔曼, R·J·普里穆斯 申请人:通用电气公司