专利名称：用于控制涡轮机效率的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于对设置在内燃发动机上的涡轮单元的涡轮机效率进行控制的方法和设备。
背景技术：
涡轮增压器已为人熟知且广泛用于内燃发动机，其目的是增加功率输出，降低燃料消耗和排放，并且对高海拔处的空气密度不足进行补偿。一般地，涡轮增压器通过利用排气能量驱动空气压缩机来为燃烧过程提供额外的增压空气供给，这比通过自然吸气所能提供的空气供给更高。这种增加的空气供给允许更多燃料燃烧，因此增加了具有给定气缸排量的发动机的功率和输出，这是该发动机在自然吸气情况下不能实现的。可变几何涡轮增压器(VGT)允许进气空气流在一定的发动机转速范围内被优化。这可以通过改变涡轮机定子上的入口引导叶片的角度来实现。可根据所期望的扭矩响应、燃料经济性和排放要求的组合来确定该入口引导叶片的最佳位置。EGR系统用于通过增加进气歧管内的稀释比例来降低NOx排放。典型地，利用将进气歧管与排气歧管连接的EGR阀来实现EGR。在气缸内，被再循环的排气用作惰性气体，因此降低了火焰和缸内气体的温度，并因此减少了 NOx的形成。另一方面，被再循环的排气置换出了新鲜空气并降低了缸内混合物的空燃比。在具有可变几何涡轮机(VGT)的EGR发动机上，空气流量和EGR流量由VGT位置和EGR阀来控制。EGR驱动压力取决于涡轮机效率和排气温度。在涡轮机效率高和/或排气温度高的情况下，EGR驱动压力将不足，必须将大的EGR阀面积与小的VGT位置结合使用来升高增压压力，由此降低排气温度并最终驱动足够的EGR量。通常，升高增压压力也降低了涡轮机效率，这也有助于提供EGR驱动压力。这意味着如果涡轮机效率过高，则当VGT位置降低以实现足够的EGR驱动压力时，发动机上的增压压力和其他极限值例如涡轮机速度、最大气缸压力、压缩机温度也将过高。为了产生足够的EGR驱动压力，涡轮机和/或发动机目前以如下方式匹配或修改为用于更低的有效涡轮机效率即，在任一发动机运行点上，上述极限值都不会被超过。其结果是由于在未达到上述极限值的区域内的增加的换气损失和低的lambda值而导致的、 燃料和排放方面的不利影响，这可能是一个问题。EGR控制范围也将受到限制，且对发动机可实现的最大功率/扭矩也设定了限制，这也是一个问题。
发明内容
因此，本发明的目的是克服上述问题S卩，涡轮单元的换气损失和EGR范围受限的问题。此目的通过独立权利要求的特征来实现。其他权利要求和描述公开了本发明的有利实施例。根据本发明的第一方面，提供了一种控制内燃发动机的涡轮单元内的涡轮机效率的方法，该方法包括如下步骤在涡轮机转子上游的区域内、在与该同一区域内的排气流不同的方向上提供气体流；通过阀来调节所述气体流；利用控制单元来控制所述阀，该控制单元至少以增压压力和/或EGR流量作为输入参数。本发明的一个优点是实现了在宽运行范围内的涡轮机效率的最佳使用。本发明的另一个优点是提高了发动机的可控性，例如对涡轮速度、压缩机温度、 峰值气缸压力的可控性，降低了燃料消耗并增加了可从发动机获得的最大功率/扭矩。在根据本发明的另一个示例性实施例中，本发明还包括如下步骤在所述区域内提供用于所述气体流的多个出口。此实施例的优点是它可进一步提高发动机的可控性。在根据本发明的再一个示例性实施例中，本发明还包括如下步骤在每个所述出口内提供开关阀。此实施例的优点是布置在多个出口内的简单的多个开关阀使得可以对提供到所述区域内的所述气体流进行精细调节，即，通过打开这些阀中的一个或多个，能够以小的增量调节所述气体流。在本发明的再一个示例性实施例中，本发明还包括如下步骤在每个所述出口内提供可变阀。此实施例的优点是不仅可以通过打开另一个出口来添加另外的气体流，而且也可调节来自一个单独出口的气体流，即，能够进一步精细地调节流入所述区域内的气体流， 这又可以进一步提高发动机的可控性。在本发明的再一个示例性实施例中，本发明还包括如下步骤将所述阀设置在涡轮单元壳体的外部。此实施例的优点是它是适用于现有涡轮单元的、廉价而简单的解决方案。在本发明的再一个示例性实施例中，本发明还包括如下步骤将所述阀一体形成在涡轮单元壳体内。此实施例的优点是它给出了一种紧凑的涡轮单元，该涡轮单元可在空间有限的情况下使用。在本发明的再一个示例性实施例中，本发明还包括如下步骤从涡轮单元的涡旋室(volute)提供所述气体流。此实施例的优点是它是一种紧凑的解决方案。在本发明的再一个示例性实施例中，本发明还包括如下步骤从排气歧管提供所述气体流。此实施例的优点是从排气歧管到该涡轮单元的管线可以是短且简单。在根据本发明的再一个示例性实施例中，本发明还包括如下步骤从所述涡轮单元的压缩机下游的出口或者从外部压缩机气箱提供所述气体流。此实施例的优点是可以在冷却所述涡轮单元的同时提供足够的气体流，因为这种气体流具有比排气明显更低的温度。根据本发明的第二方面，提供了一种用于控制内燃发动机的涡轮单元内的涡轮机效率的系统，所述系统包括至少一个出口，该至少一个出口布置在涡轮机涡室出口 (turbine scroll outlet)内，用于在与所述涡轮机涡室出口内的排气的方向不同的方向上提供气体流；阀，该阀布置在用于提供气体流的源与所述涡轮机涡室出口内的所述出口之间，用于调节所述气体流；以及控制单元，该控制单元用于控制所述阀，其中，所述控制单元至少以增压压力和/或EGR流量作为输入参数。根据本发明的第三方面，提供了一种车辆，该车辆包括用于控制内燃发动机的涡轮单元内的涡轮机效率的系统，所述系统包括至少一个出口，该至少一个出口布置在涡轮机涡室出口内，用于在与所述涡轮机涡室出口内的排气的方向不同的方向上提供气体流； 阀，该阀布置在用于提供气体流的源与所述涡轮机涡室出口内的所述出口之间，用于调节所述气体流；以及控制单元，该控制单元用于控制所述阀，其中，所述控制单元至少以增压压力和/或EGR流量作为输入参数。
从以下对实施例的详细描述中，可以最好地理解本发明以及上述及其它目的和优点，但本发明不限于这些实施例，其中图1至图5示意性地描绘了根据本发明的不同示例性实施例的、涡轮单元的一部分的横截面，图6示意性地描绘了根据本发明的涡轮单元内的涡轮机和叶片的侧视截面图，图7示意性地描绘了设置在内燃发动机上的本发明的示例性实施例，图8示意性地描绘了根据本发明的方法的示例性实施例的示意性流程图，图9示意性地描绘了现有技术实施例及本发明中的阀面积的曲线图，该阀面积是 EGR需求的函数。
具体实施例方式图1至图5描绘了根据本发明的不同示例性实施例的涡轮单元的一部分的横截面。图1描绘了涡旋室壳体102、叶片104、涡轮机转子106、阀108、管线110、气体流入口 114、气体流出口 116、涡旋室118。涡旋室壳体102是整个涡轮单元壳体的一部分，该涡轮单元壳体尤其还包括轴承壳体和压缩机壳体等，在图1至图5中未示出该轴承壳体和压缩机壳体。在此上下文中，涡轮单元壳体被定义为构成整个涡轮单元的任何部分。来自内燃发动机的排气在由图1至图5中的箭头A表示的方向上流入涡旋室118 中。当排气经过涡轮机106时，所述涡轮机开始旋转。图1中的实施例也设置有可调叶片 104，以增加或减少经过该涡轮机的排气流量。布置在涡轮机涡室区域内的出口 116提供了气体流。该涡轮机涡室区域可定义为在排气的下游方向上由涡轮机106限制且在排气的上游方向上由线112限制的区域。在图1中，由出口 116提供到涡轮机涡室区域内的气体流的源是从涡旋室118获取的排气。气体流入口 114设置在涡旋室壳体102内的适当位置。 在所述气体流入口 114和所述气体流出口之间布置有阀108，以调节经过该出口 116的气体流。在图1中，所述阀108布置在管线110内。管线110和涡旋室壳体102内的气体流方向由B表示。提供到入口 114内且通过出口 116释放的排气可称为小量喷嘴或叶片旁通流，因
6为排气实际绕过了叶片104。旁通的排气的量最多可以占总排气流的大约30%，更优选低于总排气流的15%，最优选低于总排气流的10%。提供到涡轮机涡室区域内的所述气体流在与所述涡轮机涡室区域内的排气的方向不同的方向上流动，即，应当与主气流成横向地供应所述旁通气体流B。与主气流成横向的此气体流可能会破坏主气流的推进。减少主气流的原因是来自出口 116的横向流形成反向涡漩或空气屏障。此反向涡漩或空气屏障将降低涡轮机性能，这可以视为等同于涡轮机效率的受控降低。气流在喷嘴内的加速降低了涡轮机涡室出口区域内的静压并提供了对于所需的旁通流率来说足够的驱动压力。开关式或可变式的阀108可用于控制流入涡轮机涡室出口内的旁通流。阀108与 VGT(可变几何涡轮机)相组合、即与可调叶片或喷嘴104相组合地提供了一种控制措施，以将涡轮机效率、并因此将EGR驱动压力、涡轮机速度等控制为最佳水平。图2描绘了本发明的另一个示例性实施例。图1和图2之间的不同之处在于出口 116的位置，且可能还涉及阀108的位置，因为管线110稍不同于图1中的管线。图1和图 2之间的另一个不同之处在于图2示出了不具有VGT的涡轮机，即不具有如图1所示的叶片或喷嘴。在图2中，涡轮机涡室出口区域由105表示，并且，与图1中一样，该涡轮机涡室出口区域由线112和涡轮机106限定。图3描绘了本发明的再一个示例性实施例。图1和图3之间的不同之处仅在于 在图3中，所述阀一体形成在涡旋室壳体102中。该阀能够以电动方式、气动方式或液压方式受到控制。该阀可以是可获得的任何类型的阀，例如滑阀、蝶阀、活塞阀等。图4描绘了本发明的再一个示例性实施例。图2和图4之间的不同之处仅在于 在图4中，所述阀一体形成在涡旋室壳体102中。该阀能够以电动方式、气动方式或液压方式受到控制。该阀可以是可获得的任何类型的阀，例如滑阀、蝶阀、活塞阀等。该涡旋室壳体可以由多个单独的单元组成，例如，分离的喷嘴环可以构成该涡旋室壳体的一部分。在分离的喷嘴环是该涡旋室壳体的一部分的情况中，所述阀108可以一体形成在所述喷嘴环内。图5描绘了本发明的再一个示例性实施例。此实施例与图1至图4所示的实施例的不同之处在于气体流B来自与涡旋室118不同的另一个源10。源10可以是外部空气压力箱，例如与用来辅助制动器、用来辅助变速箱和/或用来辅助悬架的空气压力箱相同的空气压力箱。另一个源10可以是从涡轮增压器和进气歧管之间的任一点处获取的空气压力。再一个源10可以是从排气歧管中获取的排气。在图1至图5描绘的实施例中，仅图示了通向无叶片区域(vane less area)(即至少部分位于叶片下游)或通向涡轮机涡室出口区域105的一个出口 116。然而，也可以使用一个或多个出口来将气体流提供到该无叶片区域或涡轮机涡室出口区域105内。还可以将如图1至图5所示的一个或多个实施例相组合，S卩，例如将图1和图2相组合将能够得出如下实施例其中，气体流从两个不同的方向同时进入所述无叶片区域或涡轮机涡室出口区域105。进入该无叶片区域或涡轮机涡室出口区域105内的气体流B的方向应当是与由A表示的排气流不同的方向。在一个实施例中，所述气体流B在与排气流A垂直的方向上进入所述无叶片区域或涡轮机涡室出口区域105。通过在所述喷嘴和转子之间引入所述横向流，将使涡轮机下游的气流更稳定、更均勻，因为所有气流都在该转子内膨胀，由此能够降低可能对下游部件(例如，低压涡轮机或排气后处理系统)具有负面影响的流动及温度分层的可能性。通过引入具有反向涡漩的横向流(在与主气流相反的方向上的切向分量)，该反向流的有效性可以增加，由此可减小该横向流并因此限制了阀和管道的尺寸。合适的反向涡漩应当在与主气流相反的方向上，且该反向涡漩与半径方向的夹角应当在30°至70°的范围内。在使用时，与旁通式方法相比，该横向流可以维持涡轮机上的更高的压力比，因为所需的横向流可以更少且所有气流都将经过涡轮机转子。对于EGR系统来说，这种更高的压力比将是有利的。在可变几何涡轮机中，由于上述相同的原因，喷嘴不需要关闭到像旁通式解决方案中的那种程度，而且可以降低机械故障(例如，高周疲劳)的风险。图6描绘了根据本发明的涡轮单元内的涡轮机106和叶片125的侧视截面图。在此图中，示出了由A表示的排气流如何在第一方向上流动以及由B表示的气体流如何在另一个方向上流动。从图6中可清楚看到，气体流B可以引入到无叶片区域内，S卩，引入到该涡轮机和叶片之间的区域内。图7描绘了出入于内燃发动机702的空气流和排气流的示意图700。发动机702 设置有EGR阀704、涡轮单元708和旁通阀706。排气从内燃发动机702在通向EGR阀或通向所述涡轮单元708内的涡轮机转子的方向上流动。如图1至图5所示，根据本发明，提供给涡轮机转子的排气的一部分可通过旁通阀706进行旁通。空气经由压缩机提供给发动机。提供给发动机的空气可包含经过所述EGR阀704的排气。涡轮单元708可以是任何类型的，例如是具有恒定临界流量(固定几何尺寸)的类型或者具有可变临界流量的类型、单级VGT或具有高压VGT的两级系统。该涡轮机转子可以为径流式、混合流动式或轴流式。叶片在VGT内与半径方向的角度范围可以为50°至 86°，但更优选在60°至84°之间。图8描绘了根据本发明的方法的示例性实施例的流程图。在图8中，控制单元802 接收来自不同传感器、尤其是来自空气流量传感器和EGR传感器的信息。ECU 802控制VGT 内的叶片位置和EGR需求。该EGR需求作为输入被进一步提供给阀控制单元804，该阀控制单元804控制EGR阀704和旁通阀706的位置。用于空气流的传感器可以是空气流量传感器、增压压力传感器或者是可用于获取空气流量或lambda值的其他传感器。EGR流量传感器可以是任何类型的传感器，能呈现EGR 流量的、模拟或真实的传感器。通常，可以增加用于发动机运行策略的其他传感器及限制参数例如涡轮机速度。该E⑶可包括任何适当的开环、闭环、前馈式控制算法或其他方法，包括多变量控制和优化手段。EGR需求信号的分割可通过电气或机械的方式来进行。图9描绘了现有技术实施例及本发明中的阀面积的曲线图，该阀面积是EGR需求的函数。Y轴代表阀面积，而X轴代表EGR需求。第一曲线902代表EGR阀，而第二曲线904 代表旁通阀。当利用未完全打开的EGR阀能够实现最佳的EGR流量时，认为不需要旁通流， 因为EGR驱动压力足够了。如果EGR需求高于利用完全打开的EGR阀能够实现的EGR流量，则旁通阀使得能够进一步提高EGR驱动压力。该旁通阀(与VGT相结合)将涡轮机效率控制到EGR阀完全打开的水平，其结果是可能的压力损失及换气做功最低，且燃料消耗更低。上述方法也可用于额外的功能，例如在热模式运行中，S卩，当排气温度没有高到足以使排气后处理系统(EATS)工作时，可以升高排气温度。这可以通过减小空气量(lambda 值)并降低发动机效率来实现，这增加了给定的功率输出所需的燃烧燃料量。然而，空燃比必须保持在一定值以上，以维持对碳烟生成的控制。可通过改变EGR阀、VGT位置和旁通流来控制涡轮机效率和增压压力，从而实现足够的排气温度。这样的运行需要将旁通阀与EGR 阀的运行分离。本发明可适用于任意内燃发动机，例如具有单气缸或多气缸的柴油发动机、汽油发动机、双燃料/混合燃料发动机。这些发动机可布置在诸如轿车、卡车、装载机等的车辆内。发动机也可以是静止的或布置在船舶内。不应认为本发明局限于上述实施例的示例，在不偏离所附权利要求的范围的情况下，可以实现若干种进一步的变型和修改。
权利要求
1.一种用于控制内燃发动机的涡轮单元内的涡轮机效率的方法，所述方法包括如下步骤在涡轮机转子上游的区域内、在与该同一区域内的排气流不同的方向上提供气体流； 通过阀来调节所述气体流；利用控制单元来控制所述阀，所述控制单元至少以增压压力和/或EGR流量作为输入参数。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括如下步骤在所述区域内提供用于所述气体流的多个出口。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括如下步骤在每个所述出口内提供开关阀。
4.根据权利要求2所述的方法，还包括如下步骤在每个所述出口内提供可变阀。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，还包括如下步骤将所述阀设置在涡轮单元壳体的外部。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的方法，还包括如下步骤将所述阀一体形成在涡轮单元壳体内。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法，还包括如下步骤 从所述涡轮单元的涡旋室中提供所述气体流。
8.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法，还包括如下步骤 从排气歧管提供所述气体流。
9.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法，还包括如下步骤从所述涡轮单元的压缩机下游的出口或者从外部压缩机气箱提供所述气体流。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的方法，还包括如下步骤 为所述涡轮单元提供可调叶片；以及将所述气体流提供到至少部分位于所述叶片下游和所述涡轮机上游的无叶片空间内。
11.一种用于控制内燃发动机的涡轮单元内的涡轮机效率的系统，所述系统包括至少一个出口，所述至少一个出口布置在涡轮机涡室出口内，用于在与所述涡轮机涡室出口内的排气的方向不同的方向上提供气体流；阀，所述阀布置在用于提供气体流的源与所述涡轮机涡室出口内的所述出口之间，用于调节所述气体流；以及控制单元，所述控制单元用于控制所述阀，其中，所述控制单元至少以增压压力和/或EGR流量作为输入参数。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，在每个所述出口的上游设置有一个所述阀，并且，所述阀能够是开关式阀或连续可变阀。
13.根据权利要求11或12所述的系统，其中，所述阀中的至少一个被设置在所述涡轮单元的壳体外部。
14.根据权利要求11或12所述的系统，其中，所述阀中的至少一个被一体形成在所述涡轮单元的壳体内。
15.根据权利要求11至14中的任一项所述的系统，其中，所述用于提供气体流的源是由如下项组成的组中的一个来自内燃发动机的排气，来自所述涡轮单元的压缩机的增压压力，空气压力箱。
16.根权利要求11至15中的任一项所述的系统，其中，所述涡轮单元包括可调叶片，并且其中，用于将所述气体流提供到所述涡轮机涡室出口内的所述至少一个出口设置在至少部分位于所述叶片下游和所述涡轮机上游的无叶片空间内。
17. 一种车辆，其包括根据权利要求11至16中的任一项所述的系统。
全文摘要
本发明涉及一种用于对设置在内燃发动机上的涡轮单元内的涡轮机效率进行控制的方法，该方法包括如下步骤在涡轮机上游的区域内、在与该同一区域内的排气流不同的方向上提供气体流；通过阀来调节所述气体流；利用控制单元来控制所述阀，该控制单元至少以增压压力和/或EGR流量作为输入参数。
文档编号F02D23/00GK102301105SQ200980156038
公开日2011年12月28日 申请日期2009年2月19日 优先权日2009年2月19日
发明者佩尔·安德松, 马丁·保尔 申请人:沃尔沃拉斯特瓦格纳公司