具有电动压缩机增压及专用排气再循环系统的发动机的制作方法

本公开涉及具有带有增压供气和排气再循环系统的发动机的车辆。

背景技术：

具有涡轮增压发动机的车辆面临着延迟的扭矩响应和冷启动催化剂加热等挑战。这导致控制策略对优化燃油效率的局限性。涡轮增压器还会造成发动机泵送损失，机油劣化和热管理等挑战。可以通过使用低功率，即小于8kw的电动增压器(ebooster)来避免由于涡轮旋转至全速运行所需的时间而导致的涡轮增压器的延迟扭矩响应，该电动增压器可以由可用的电动发电机驱动，并更快地达到所需的增压压力。

低功率电动增压器已经被用于当前的车辆设计，以补充涡轮增压器，但是低功率电动增压器的空气流通能力无法完全依靠低功率电动增压器，并且无法通过完全消除涡轮增压器获得最大的燃油效率收益。

传统的排气再循环(egr)系统在与电动增压供气装置一起使用时会带来特殊的挑战。称为高压(hp)egr系统的传统egr系统仅在排气压力大于进气压力时再循环排气，从而在歧管压力超过排气压力时防止排气再循环。称为低压(lp)egr系统的传统egr系统可以在整个发动机工作范围内供应egr，但需要在增压供气装置之前引入egr。所述增压供气装置提供空气和排气再循环的要求增加了装置的功率要求，来满足给定的发动机功率输出。此外，通过增压空气装置引导egr会引起耐久性问题，包括与热和冷凝有关的问题。与传统涡轮增压器相比，当增压空气装置通电时，这些问题更加严重。

因此，在当前的车辆egr和涡轮增压系统达到其预期目的的同时，需要一种新的改进的系统和方法，以改善具有增压供气的发动机的燃料消耗。

技术实现要素：

根据多个方面，具有独立增压器的排气再循环(egr)系统包括发动机，其具有至少一个与气缸排气通道连通的气缸。当选择性地对准在第一位置时，位于气缸排气通道中的egr旁通阀将所有排气从至少一个气缸引导至排气歧管，并且当选择性地对准在第二位置时，其将所有排气从至少一个气缸引导至egr专用通道。进气歧管与所述egr专用通道连通。电动增压(eboost)压缩机，在中负荷发动机运行区段和高负荷发动机运行区段期间，其启动接收大气并产生总的增压空气流，以便独立于所述egr专用通道而喷射到所述进气歧管中。

在本公开的另一方面中，进气口接收大气；并且控制阀与所述进气口连通。

在本公开的另一方面中，所述控制阀打开以将大气引导到所述入口通道，并关闭以在进入入口通道之前将大气引导到所述电动增压压缩机。

在本公开的另一方面中，增压空气冷却器连接到入口集管并且与进气歧管连通。

在本公开的另一方面中，位于所述egr旁通阀和所述进气歧管之间的egr冷却器接收并冷却通过所述egr旁通阀排出的排气。

在本公开的另一方面中，egr混合器位于所述进气歧管的上游，并且与所述egr冷却器和所述增压空气冷却器直接连通。

在本公开的另一方面中，当所述控制阀关闭且所述电动增压压缩机启动时，通向所述电动增压压缩机的旁通管路会接收大气；以及增压压力管路接收来自所述电动增压压缩机的增压空气压力流。所述增压压力管路绕过所述控制阀，将增压空气压力流导入所述增压空气冷却器。

在本公开的另一方面中，所述电动增压压缩机直接由电动发电机运行，而无需从电池接收电能。

在本公开的另一方面中，催化转化器直接连接到所述排气集管。

在本公开的另一方面中，在低负荷发动机运行区段期间，所述电动增压压缩机被停用。

根据多个方面，具有独立增压器的排气再循环(egr)系统包括发动机，其具有至少一个与气缸排气通道连通的气缸。旁通阀位于所述气缸排气通道中，当选择性地对准在第一位置时，所述旁通阀将所有排气从所述至少一个气缸引导至排气通道，并且当选择性地对准在第二位置时，其将所有排气从所述至少一个气缸引导至egr专用通道。进气歧管与所述egr专用通道连通。电动增压压缩机，在中负荷发动机运行区段和高负荷发动机运行区段期间，在启动时接收大气并产生所需的增压空气流，以便独立于所述egr专用通道而引入到所述进气歧管中。在低负荷发动机运行区段期间，所述电动增压压缩机被停用。电动发电机可以产生用于运行所述电动增压压缩机的全部功率，或者可以在电动发电机由诸如电池之类的储能装置辅助的情况下为所述电动增压压缩机产生至少一部分功率。

在本公开的另一方面中，当不使用增压性能时，所述低负荷发动机运行区段出现在车辆行驶状态下。

在本公开的另一方面中，所述中负荷发动机运行区段出现在使用至少部分增压性能的车辆驾驶状态下，所述中负荷发动机运行区段定义了大于排气歧管压力的进气歧管压力变化的函数。

在本公开的另一方面中，所述高负荷发动机运行区段出现在车辆行驶状态下，直至达到完全增压性能，并控制进气歧管压力以达到发动机功率需求。

在本公开的另一方面中，与所述气缸排气通道连通的至少一个气缸限定了专用egr气缸，来自所述专用egr气缸的排气被完全引导至所述egr专用通道中，并且所述进气歧管限定了egr系统的运行。

在本公开的另一方面中，所述发动机包括四个气缸，其中所述至少一个气缸限定了与所述气缸排气通道连通的单个气缸。

在本公开的另一方面中，所述发动机包括八个气缸，其中所述至少一个气缸限定了与所述气缸排气通道连通的多达两个气缸。

根据多个方面，具有独立增压器的排气再循环(egr)系统包括发动机，其具有至少一个与气缸排气通道连通的气缸。egr旁通阀位于所述气缸排气通道中，当选择性地对准在第一位置时，所述旁通阀将所有排气从所述至少一个气缸引导至排气通道，并且当选择性地对准在第二位置时，其将所有排气从所述至少一个气缸引导至egr专用通道。进气歧管与所述egr专用通道连通。电动增压(eboost)压缩机，在中负荷发动机运行区段和高负荷发动机运行区段期间，在启动时接收大气并独立于所述egr专用通道，产生总增压空气压力流至所述进气歧管。在低负荷发动机运行区段期间，所述电动增压压缩机被停用。增压空气冷却器位于所述电动增压压缩机和所述进气歧管之间，在注入进气歧管之前先冷却增压空气压力流。位于所述egr旁通阀和所述进气歧管之间的egr冷却器冷却所述egr专用通道中接收的排气。

在本公开的另一方面中，egr混合器位于所述进气歧管的上游，并与所述egr冷却器和所述增压空气冷却器直接连通，以接收增压的空气压力流和排气。

在本公开的另一方面中，增压空气压力流和排气作为混合流离开所述egr混合器进入连接到所述进气歧管的入口管路，并通过位于所述进气歧管上游的节流阀并由其控制，在进入进气歧管并分配到发动机的至少一个气缸中之前，所述节流阀将增压空气压力流和排气作为混合流进行节流。

根据本文提供的描述，其他适用领域将变得显而易见。应该理解的是，描述和具体示例仅用于说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。

附图说明

本文描述的附图仅用于说明目的，并不旨在以任何方式限制本公开的范围。

图1是根据示例性方面的具有独立增压器的egr系统的图；及

图2是控制具有图1的独立增压器的所述egr系统决策的算法流程图。

具体实施方式

下面的描述本质上仅是示例性的并且决不是要限制本公开、应用或用途。

参考图1，具有电动压缩机增压和专用排气再循环(egr)系统的四缸发动机定义了具有独立增压器10的egr系统，该独立增压器10具有发动机12，例如表示为四缸发动机，其包括第一缸14、第二缸16，第三缸18和第四缸20。以所述四缸发动机12为例进行说明。还可以提供六缸和八缸发动机，其也受益于具有本公开的独立增压器10的所述egr系统。发动机12可以设置有直接喷射燃料喷射器22。燃烧空气通过进气歧管24提供给发动机12，并且发动机排气被排放到总排气歧管26中。排气集管28直接连接到排气歧管26，并直接通向排气排放后处理装置30，其可能包括催化转化器。带有独立增压器10的egr系统中没有涡轮增压器，因此从排气歧管26排出的排气直接通过排气集管28排放到排气排放后处理装置30中，而不会在发动机12上产生通常与涡轮增压器相关的排气背压。

在发动机12的非增压进气压力运行期间，大气空气通过进气口32进入并通过控制阀34，该控制阀例如可以是蝶阀。控制阀34通常是打开的，其将来自控制阀34的空气流通过连接管路35直接引导到入口通道36中。连接管路35旁通增压空气冷却器38周围的大气。入口通道36连接到排气再循环(egr)混合器40。离开egr混合器40的空气和气体进入连接到进气歧管24的入口管路42，并通过位于进气歧管24上游的节流阀44并由其控制，在进入进气歧管24并分配到发动机12的每个气缸中之前，节流阀44节流空气和气体的流动。

当车辆操作员快速地将节流阀44打开到一个大的打开位置时，例如大于50％，表示请求高发动机功率操作，例如在超车操作、爬坡操作、高速公路入口操作等过程中，额外的进气增压压力用于快速地满足发动机功率输出要求。在这种情况下，控制阀34关闭，迫使进气口32中的进气进入旁通管路46并进入电动进气压缩机或电动增压压缩机48，当启动时，其产生所需的增压空气压力，并通过增压压力通道50排出增压空气压力流，该增压压力通道绕过控制阀34并直接进入增压空气冷却器38。根据几个方面，增压空气冷却器38冷却从电动增压压缩机48接收的增压空气流。从增压空气冷却器38排出的冷却空气被引导至入口通道36并通过排气再循环(egr)混合器40。

根据多个方面，电动增压压缩机48是大功率压缩机，其被定义为额定功率大于或等于8kw的压缩机，并且根据多个方面，大于或等于12kw的压缩机。使用发动机旋转功率运行的电动发电机52向电动增压压缩机48提供至少8kw，并且根据多个方面，大于或等于12kw的功率。电动发电机52为诸如电池或电池组的储能系统54提供充电功率。电动增压压缩机48可直接由电动发电机52操作，而无需从储能系统54获取任何功率，或可从储能系统54获取部分功率。由额定功率大于8kw的电动增压压缩机提供的增压压力足以消除某些配备小排量发动机的车辆应用对涡轮增压器的需求。由高达12kw额定功率的电动增压压缩机提供的增压压力足以消除其它配备大排量发动机的车辆应用对涡轮增压器的需求。

利用排气再循环(egr)功能进一步提高燃油经济性。至少有一个气缸预先设计为专用的egr气缸，根据几个方面，其可能是第四个气缸20。从第四气缸20输出的排气不是直接排放到排气歧管26中，而是流经专用的气缸排气通道56。双位egr旁通阀58连接到专用气缸排气通道56。对于非egr发动机运行，egr旁通阀58位于第一个位置，将从第四气缸20输出的所有排气引导至连接管路60，然后直接排放至排气歧管26。

当需要egr流时，egr旁通阀58位于第二位置，其将所有排气流从egr专用气缸，根据多个方面为第四气缸20，引导至专用气缸排气通道56中，并通过egr回路。egr回路包括连接到egr旁通阀58的egr专用通道62。egr专用通道62连接并引导排气流到egr冷却器64，该egr冷却器64冷却从egr专用气缸输出的排气。egr专用气缸(如第四气缸20)的活塞充当正排量泵，以在所有可能的运行状态下将从egr专用气缸输出的排气循环至进气歧管24，而无需电动增压压缩机48的帮助。来自egr专用气缸(如第四气缸20)的冷却排气从egr冷却器64流过混合输入通道66。混合输入管路66将冷却的排气供给到egr混合器40中，该egr混合器40将冷却的排气与从入口通道36接收的空气混合，然后引入到进气歧管24中。

当需要提高发动机功率时，egr流也可以与来自电动增压压缩机48的增压压力流结合使用。如前所述，控制阀34关闭，电动增压压缩机48通电。来自进气口32的空气流流入电动增压压缩机48，并且从电动增压压缩机48排放到入口通道36，并通过增压空气冷却器38进入egr混合器40。

电动增压压缩机48的一个优点是，电动增压压缩机48可以使用来自电动发电机52的全部可用功率运行，而无需从诸如电池或电池组之类的车辆能量存储设备中提取功率来为电动增压压缩机48供电。电动增压压缩机48的第二个优点是其能够在不到半秒的时间内旋转至全功率转速的能力，在此作为对比的涡轮增压器可能需要大约两秒到两秒半的时间才能达到全增压速度，从而引起涡轮增压器延迟扭矩响应。电动增压压缩机48的另一个优点是，当来自第四缸20的加压排气流也进入egr混合器40时，来自大于8kw额定功率的电动增压压缩机的增压压力不会妨碍egr的运行。

参考图2及再次参考图1，算法68控制结合了具有独立增压器10的特定egr系统的发动机的决策，例如何时通过改变egr旁通阀58的位置来操作egr回路，以及何时运行电动增压压缩机48并关闭控制阀34。具有独立增压器10的egr系统可将算法68划分为三个车辆负荷发动机运行区段，包括低负荷发动机运行区段70，中负荷发动机运行区段72和高负荷发动机运行区段74。

低负荷发动机运行区段70发生在不需要增强性能的车辆行驶状态期间，因此，电动增压压缩机48被停用(关闭)。在算法区段76中的低负荷发动机运行区段70期间，发动机负荷作为节流阀位置78、进气凸轮轴位置80、排气凸轮轴位置82以及系统的egr回路部分激活或停用的函数来实现最佳效率。当最佳效率出现时，在低负荷发动机运行区段70和中负荷发动机运行区段72之间出现过渡阶段84。

当需要至少部分增压性能并且因此电动增压压缩机48被激活时，出现中负荷发动机运行区段72。当节流阀44接近完全打开位置以满足所需功率时，中负荷发动机运行区段72被启用。可以使用电动增压压缩机指定进气歧管压力，该压力略高于排气歧管压力。当与进气门和排气门重叠相结合时，该压力差使进气压力更充分地排出前一发动机循环中燃烧的排气，从而提高效率。在算法区段86中的中负荷发动机运行区段72期间，发动机负荷作为进气凸轮轴位置80、排气凸轮轴位置82以及系统的egr回路部分激活或停用的函数来实现最佳效率。当最佳效率出现时，在中负荷发动机运行区段72和高负荷发动机运行区段74之间出现过渡阶段88。

高负荷发动机运行区段74发生在需要高增压性能的车辆行驶状态下，因此电动增压压缩机48被激活。控制进气歧管压力以实现发动机功率需求。在算法区段90中的高负荷发动机运行区段74期间，发动机负荷作为进气歧管压力92、进气凸轮轴位置80、排气凸轮轴位置82以及系统的egr回路部分激活或停用的函数来实现最佳效率。

本公开的具有独立增压器10的egr系统具有多个优点。本系统用大功率(>＝8kw)电动增压器代替了涡轮增压器，并使用了冷却的专用egr和增强的控制策略，从而在应用于适当的车辆时能够提高燃油经济性。大功率(>＝8kw，根据几个方面>＝12kw)电动压缩机(电动增压压缩机48)可用于配备适当尺寸电动发电机的发动机。本公开的系统提供快速的发动机扭矩响应、改进的冷启动催化剂加热以及减少的泵送损失，从而提高燃油经济性并降低排气排放。冷却的专用egr装置进一步提高了燃油消耗效益，而又不会对电动增压压缩机48的性能或耐用性造成负面影响。

本公开的描述本质上仅是示例性的，并且不脱离本公开的主旨的变型旨在落入本公开的范围内。不应将这些变型视为脱离本公开的精神和范围。