專利名稱：電動(dòng)增壓器和發(fā)電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
在這里披露的主題總的涉及用于通過使用電驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)和/或渦輪發(fā)電機(jī)來提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的方法、設(shè)備和/或系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
提高進(jìn)氣壓(例如，定義為每單位面積的壓力或者每單位體積的能量)的方法、設(shè)備和/或系統(tǒng)通常從由燃燒產(chǎn)生動(dòng)力的轉(zhuǎn)軸機(jī)械地提取能量。例如，渦輪增壓器通常包括壓縮機(jī)和接附到單獨(dú)的軸的渦輪，其中，渦輪從排氣提取能量，其導(dǎo)致軸旋轉(zhuǎn)，并且從而通過壓縮機(jī)提高進(jìn)氣壓。在另一個(gè)例子中，考慮增壓器，其使用由驅(qū)動(dòng)軸或者類似物機(jī)械地驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)來提高進(jìn)氣壓。
最近，已經(jīng)提出電氣輔助的設(shè)備。例如，電驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)包括由車輛的電池系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)馬達(dá)，其中電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)增壓器以提高進(jìn)氣壓。還考慮電氣輔助渦輪增壓器，其包括電動(dòng)馬達(dá)和發(fā)電機(jī)設(shè)備，能夠加速或減速渦輪增壓器的軸。
下面描述具有上述的電驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，及之前描述的電氣輔助渦輪增壓器的功能和/或其它功能的方法、設(shè)備和/或系統(tǒng)。


對在這里描述的不同的方法、設(shè)備和/或系統(tǒng)及其等價(jià)物的更加全面的理解，可以通過參考接下來連同附圖進(jìn)行的詳細(xì)描述來獲得，其中圖1為示出了渦輪增壓器和內(nèi)燃機(jī)的簡化的概略圖。
圖2為示出了示例性的增壓系統(tǒng)和內(nèi)燃機(jī)的簡化的概略圖。
圖3為示出了圖1中的渦輪增壓器和內(nèi)燃機(jī)和圖2中的示例性的增壓系統(tǒng)和內(nèi)燃機(jī)的示例性性能的簡化的概略圖形圖。
圖4為示出了示例性的增壓系統(tǒng)的方塊圖。
圖5為示出了具有一個(gè)或多個(gè)壓縮機(jī)和/或一個(gè)或多個(gè)渦輪的示例性的增壓系統(tǒng)的方塊圖。
圖6為示出了圖4中的示例性的增壓系統(tǒng)的方塊圖，進(jìn)一步包括一個(gè)或多個(gè)電氣系統(tǒng)。
圖7為示出了用于提高進(jìn)氣壓的示例性的方法的方塊圖。
圖8為示出了用于做出調(diào)節(jié)以改進(jìn)排放的示例性的方法的方塊圖。
圖9為示出了用于提高進(jìn)氣壓和從排氣提取能量的示例性的方法的方塊圖。
圖10為示出了用于部分地使用幾何形狀可變的渦輪來提高內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣壓的示例性的方法的方塊圖。
具體實(shí)施例方式
參考附圖，其中相同的參考數(shù)字指的是相同的部件，不同的方法示出為在適合的控制和/或計(jì)算環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。盡管不是必需的，不同的方法通常以計(jì)算機(jī)可執(zhí)行的指令來描述，諸如程序模塊，其由計(jì)算機(jī)和/或其它計(jì)算設(shè)備執(zhí)行。通常，程序模塊包括子程序、程序、對象、組件、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等等，其執(zhí)行特定的任務(wù)或者實(shí)現(xiàn)特定的抽象數(shù)據(jù)類型。
在這里的一些圖表中，不同算法的動(dòng)作以單獨(dú)的“塊”概括。這樣的塊描述當(dāng)過程進(jìn)行時(shí)作出或執(zhí)行的特定的動(dòng)作或判定。在使用微控制器(或等價(jià)物)時(shí)，在這里呈現(xiàn)的流程圖為“控制程序”或軟件/固件提供了基礎(chǔ)，其可以被這樣的微控制器(或等價(jià)物)使用，以控制設(shè)備和/或系統(tǒng)。同樣地，該過程實(shí)現(xiàn)為可存儲在存儲器中的機(jī)器可讀的指令，當(dāng)由處理器執(zhí)行時(shí)，執(zhí)行不同的以塊示出的動(dòng)作。另外，不同的圖表包括單獨(dú)的“塊”，其為設(shè)備和/或系統(tǒng)的可選擇的結(jié)構(gòu)部件。例如，“控制器塊”可選擇地包括控制器作為結(jié)構(gòu)部件，“檢測器塊”可選擇地包括檢測器作為結(jié)構(gòu)部件，“渦輪增壓器塊”可選擇地包括渦輪增壓器作為結(jié)構(gòu)部件，等等。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以容易地基于這里呈現(xiàn)的流程圖和其它描述寫出這樣的控制程序。應(yīng)該理解和意識到，在這里描述的主題不僅包括編程序以執(zhí)行下面描述的動(dòng)作的設(shè)備和/或系統(tǒng)，還包括配置為給微控制器編程序的軟件，另外還包括任何和全部可以包含這樣的軟件的計(jì)算機(jī)可讀取的存儲介質(zhì)。這樣的計(jì)算機(jī)可讀取的存儲介質(zhì)的例子包括，但不局限于，軟盤、硬盤、光盤、隨機(jī)存儲器、只讀存儲器、快速存儲器和類似物。
渦輪增壓器常常用于增加內(nèi)燃機(jī)的輸出。參考圖1，示出了示例性的系統(tǒng)100，其包括示例性的渦輪增壓器120和示例性的內(nèi)燃機(jī)110。內(nèi)燃機(jī)110包括發(fā)動(dòng)機(jī)塊118，其容納一個(gè)或多個(gè)可運(yùn)轉(zhuǎn)地驅(qū)動(dòng)軸112的燃燒室。如圖1中所示，進(jìn)氣口114為燃燒氣體(例如，空氣)或進(jìn)氣到發(fā)動(dòng)機(jī)塊提供流動(dòng)通道，而排氣口116提供用于從發(fā)動(dòng)機(jī)塊118排氣的流動(dòng)通道。
示例性的渦輪增壓器120作用為從排氣提取能量并且為進(jìn)氣提供能量。如圖1所示，渦輪增壓器120包括進(jìn)氣入口130、具有壓縮機(jī)124的軸122、渦輪126和排氣出口134。從發(fā)動(dòng)機(jī)110轉(zhuǎn)向渦輪126的排氣導(dǎo)致軸122旋轉(zhuǎn)，這又使得壓縮機(jī)124旋轉(zhuǎn)。壓縮機(jī)124在旋轉(zhuǎn)時(shí)向燃燒氣體(例如，環(huán)境空氣)供給能量，以在進(jìn)氣壓(例如，每單位面積的壓力或者每單位體積的能量)中產(chǎn)生“增壓”，這通常稱作“增壓壓力”。如此，渦輪增壓器可以有助于向發(fā)動(dòng)機(jī)提供更大量的進(jìn)氣質(zhì)量(通常與碳基和/或氫基的燃料混合)，其在燃燒中轉(zhuǎn)化為更大的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出。
參考圖2，示出了示例性的系統(tǒng)200，其包括示例性的增壓/發(fā)電系統(tǒng)220和圖1中所示的示例性的內(nèi)燃機(jī)110。該示例性的增壓/發(fā)電系統(tǒng)220作用為從排氣提取能量并且為進(jìn)氣提供能量。如圖2所示，該增壓/發(fā)電系統(tǒng)220包括進(jìn)氣入口230、壓縮機(jī)224、渦輪226和排氣出口234。示例性的增壓/發(fā)電系統(tǒng)220還包括電動(dòng)壓縮機(jī)單元240，發(fā)電渦輪單元250和電控制單元260。通過連接物246連接到電控制單元260的電動(dòng)壓縮機(jī)單元240，包括馬達(dá)和可運(yùn)轉(zhuǎn)地連接到壓縮機(jī)224的第一可旋轉(zhuǎn)的軸242。連接物246充當(dāng)用于電動(dòng)壓縮機(jī)單元240的功率輸入和/或控制輸入。通過另一個(gè)連接物256連接到電控制單元260的發(fā)電渦輪單元250，包括發(fā)電機(jī)和可運(yùn)轉(zhuǎn)地連接到渦輪226的第二可旋轉(zhuǎn)的軸252。
從發(fā)動(dòng)機(jī)110轉(zhuǎn)向渦輪226的排氣導(dǎo)致軸252旋轉(zhuǎn)，其又導(dǎo)致發(fā)電渦輪單元250產(chǎn)生功率。當(dāng)然，發(fā)電渦輪單元250可以可選擇地運(yùn)轉(zhuǎn)以使渦輪226減速，例如，通過通常通過軸252施加的電的、磁的和/或機(jī)械的負(fù)載。發(fā)電渦輪單元250通常將產(chǎn)生的功率傳送到電控制單元260(例如，通過連接物256)。電控制單元260可選擇地存儲傳送的產(chǎn)生的功率和/或?qū)⒐β室龑?dǎo)到電動(dòng)壓縮機(jī)單元240(例如，通過連接物246)。電動(dòng)壓縮機(jī)單元240可以使用從電控制單元260提供的功率來旋轉(zhuǎn)軸242(例如，通過馬達(dá))并且從而驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)224。
當(dāng)然，電動(dòng)壓縮機(jī)單元240、電控制單元260和發(fā)電渦輪單元250可以集成到一個(gè)單元，其具有可運(yùn)轉(zhuǎn)地連接到壓縮機(jī)224的軸(例如，軸242)和可運(yùn)轉(zhuǎn)地連接到渦輪226的另一個(gè)軸(例如，軸252)?？商鎿Q地，電動(dòng)壓縮機(jī)單元240或者發(fā)電渦輪單元250和電控制單元260集成到一個(gè)單元，其具有可運(yùn)轉(zhuǎn)地連接到壓縮機(jī)224的軸(例如，軸242)或可運(yùn)轉(zhuǎn)地連接到渦輪226的軸(例如，軸252)。在另一個(gè)替換中，電動(dòng)壓縮機(jī)單元240和發(fā)電渦輪單元250集成到一個(gè)單元，其具有可運(yùn)轉(zhuǎn)地連接到壓縮機(jī)224的軸(例如，軸242)和可運(yùn)轉(zhuǎn)地連接到渦輪226的另一個(gè)軸(例如，軸252)。
示例性的電動(dòng)壓縮機(jī)單元(例如，壓縮機(jī)單元240)包括能夠輸出級別足夠旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)(例如，壓縮機(jī)242)的功率的馬達(dá)。例如，示例性的壓縮機(jī)包括能夠輸出級別等于大約20馬力到大約30馬力和/或能夠以等于大約每分鐘250000轉(zhuǎn)或更高的速率旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)(例如，壓縮機(jī)242)的功率的馬達(dá)。示例性的壓縮機(jī)單元(例如，壓縮機(jī)單元240)可選擇地運(yùn)轉(zhuǎn)在大約12伏特到300伏特或更高的電壓下。例如，示例性的壓縮機(jī)單元可以運(yùn)轉(zhuǎn)在大于大約24伏特的電壓下。前述的功率級別和速度通常取決于壓縮機(jī)的尺寸，另外，較大尺寸的發(fā)動(dòng)機(jī)一般需要較高的功率級別和較低的轉(zhuǎn)速。當(dāng)然，能夠達(dá)到其它功率級別和/或其它速度的壓縮機(jī)單元也是可能的。
在這里披露的不同的示例性的方法、設(shè)備和/或系統(tǒng)通常作用為增強(qiáng)內(nèi)燃機(jī)的性能。性能包括，例如，功率、扭矩、效率、排放等等。參考圖3，示出了對應(yīng)圖1的渦輪增壓器120和對應(yīng)圖2的示例性的增壓和/或發(fā)電系統(tǒng)220的示例性的簡化的概略圖300。一組標(biāo)記為120的圖表與圖1的渦輪增壓器120相聯(lián)系，另一組標(biāo)記為220的圖表與圖2的示例性的增壓/發(fā)電系統(tǒng)220相聯(lián)系。
參考圖表組120，示出了功率需求和/或燃料流量關(guān)于時(shí)間、空氣流關(guān)于時(shí)間、發(fā)動(dòng)機(jī)功率關(guān)于時(shí)間和排放關(guān)于時(shí)間的圖表。參考需求和/或燃料流量(D/F)關(guān)于時(shí)間的圖表，在大約t_0時(shí)間，需求和/或燃料流量增加。響應(yīng)需求和/或燃料流量的增加，空氣流(例如， 或質(zhì)量空氣流)增加，在大約t_1時(shí)間穩(wěn)定。在此例子中，在時(shí)間t_0和時(shí)間t_1之間存在空氣流時(shí)間延遲(ΔtA)。類似的，在發(fā)動(dòng)機(jī)功率(ΔtP)中和潛在地在排放(ΔtE)中存在時(shí)間延遲。在渦輪增壓的發(fā)動(dòng)機(jī)中，這樣的延遲通常被稱作″渦輪延遲″。這里描述的不同的示例性的方法、設(shè)備和/或系統(tǒng)，和/或它們的等價(jià)物，運(yùn)轉(zhuǎn)以減小這樣的時(shí)間延遲。
參考圖表組220，需求和/或燃料流量的增加發(fā)生在大約t_0時(shí)間。響應(yīng)需求和/或燃料流量的增加，控制器(例如，圖2中的電控制單元260)為電動(dòng)壓縮機(jī)單元(例如，圖2中的電動(dòng)壓縮機(jī)單元240)提供功率。依次，電動(dòng)壓縮機(jī)單元驅(qū)動(dòng)可運(yùn)轉(zhuǎn)地連接到壓縮機(jī)(例如，圖2中的壓縮機(jī)224)的軸(例如，圖2中的軸242)，以從而提高空氣壓力并且因此提高空氣流入內(nèi)燃機(jī)(例如，圖2中的內(nèi)燃機(jī)110)。注意在空氣流( )關(guān)于時(shí)間的圖表中，在大約t_0時(shí)間空氣流幾乎瞬時(shí)增加。因此，該示例性的系統(tǒng)減小和/或充分地消除與渦輪增壓器120有關(guān)的延遲時(shí)間。另外，注意在功率(P)對于時(shí)間的圖表中示出了類似的狀態(tài)。另外，相應(yīng)的排放(E)響應(yīng)于需求和/或燃料流量(D/F)的增加可能減小。
參考圖4，示出了圖2中的示例性的系統(tǒng)220的各個(gè)的部件的方塊圖。該示例性的系統(tǒng)220包括電動(dòng)壓縮機(jī)單元240、發(fā)電渦輪單元250和電控制單元260。電控制單元260包括控制器262、功率電子設(shè)備264和電功率存儲裝置266。通常，控制器262具有一個(gè)或多個(gè)與功率電子設(shè)備264和/或電功率存儲裝置266的通信連接物。這樣的連接物可選擇地允許通過控制器262控制功率電子設(shè)備264和/或功率存儲裝置266。此外，控制器262可以控制功率通過連接物252從發(fā)電渦輪單元250輸入，和/或功率通過連接物242從電控制單元260輸出到電動(dòng)壓縮機(jī)單元240。示例性的控制器還可以包括轉(zhuǎn)換開關(guān)，用于將電動(dòng)馬達(dá)的運(yùn)轉(zhuǎn)從功率存儲裝置(例如，功率存儲裝置266)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)電源。開關(guān)可以替代地，或者附加地，允許對功率存儲裝置充電。例如，在功率存儲裝置耗盡到預(yù)定的功率存儲等級后，開關(guān)可以轉(zhuǎn)換到另一個(gè)電源，以為電動(dòng)馬達(dá)供電和/或?qū)β蚀鎯ρb置充電。當(dāng)然，發(fā)電渦輪單元250可以作為另一個(gè)電源。考慮到預(yù)先確定的功率存儲等級，此等級可選擇地取決于諸如周期時(shí)間、總周期數(shù)、使用壽命、充電/放電特性等等因素。這樣的等級通過控制器和/或其它設(shè)備可選擇地編程和/或確定。
示例性的控制器(例如，控制器262)還可以包括用于接收和內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)有關(guān)的信息。此外，這樣的控制器還包括控制邏輯和/或其它用于至少部分地基于該信息確定是否提高供應(yīng)到內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣壓的確定裝置。在確定為需要增壓時(shí)，附加的控制邏輯和/或控制裝置可以隨后從功率存儲裝置引導(dǎo)電功率到電動(dòng)壓縮機(jī)，和/或在確定為需要增壓后且在功率存儲裝置耗盡到預(yù)定的功率存儲等級時(shí)，引導(dǎo)由發(fā)電渦輪產(chǎn)生的電功率到電動(dòng)壓縮機(jī)。
如已經(jīng)提到的，示例性的壓縮機(jī)單元(例如，壓縮機(jī)單元240)可選擇地運(yùn)轉(zhuǎn)在大約12伏特到大約300伏特或更高的電壓下。通常，壓縮機(jī)單元運(yùn)轉(zhuǎn)的電壓超出那些在車輛電氣系統(tǒng)中通常使用的電壓。此外，在通常的車輛電氣系統(tǒng)中可利用的功率可能不足以滿足一些示例性的電動(dòng)壓縮機(jī)單元的功率需求。
示例性的功率存儲裝置(例如，功率存儲裝置266)包括一個(gè)或多個(gè)電容器和/或電池。通常，這樣的電容器和/或電池可以為電動(dòng)壓縮機(jī)單元(例如，壓縮機(jī)單元240)提供足夠提高進(jìn)氣壓的功率。通常，當(dāng)與電容器比較時(shí)，電池傾向于具有更長的充電時(shí)間。一種類型的電容器，有時(shí)稱作″超級電容器″，包括高能量電容器和高功率電容器。高能量電容器通常具有數(shù)百秒數(shù)量級的充電時(shí)間，高功率電容器通常具有大約10秒數(shù)量級的充電時(shí)間；其它電容器的充電時(shí)間可以更長或者更短。單獨(dú)的或組合的適合的超級電容器，能夠產(chǎn)生從幾伏特到300伏特以上的電壓，能夠超過100000次循環(huán)，并且具有超過大約1千焦耳的額定功率。在這里描述的各種示例性的系統(tǒng)可選擇地包括超級電容器以用于功率存儲。另外，各種示例性的系統(tǒng)包括與車輛的主電氣系統(tǒng)隔離的功率存儲裝置和/或運(yùn)轉(zhuǎn)在比車輛的主電氣系統(tǒng)等級高的電壓等級下的功率存儲裝置。
示例性的功率存儲裝置、控制器或者功率電子設(shè)備還可以包括電路，諸如，但不局限于，整流器電路和倍壓器電路，以分別整流和增加電壓。例如，整流器電路可以運(yùn)轉(zhuǎn)以將交流電整流為直流電，倍壓器電路可以通過并聯(lián)地給電容器充電和串聯(lián)地讓電容器放電來運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)然，示例性的壓縮機(jī)單元和/或示例性的渦輪單元可以包括功率存儲裝置和/或電路。此外，示例性的渦輪單元可以產(chǎn)生足夠的在線功率，以直接運(yùn)轉(zhuǎn)壓縮機(jī)單元(例如，可選擇地通過整流器電路)，并且從而允許旁路功率存儲裝置。
再次參考圖3，示例性的進(jìn)氣增壓系統(tǒng)可以僅僅需要等于大約幾秒鐘的壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)以減小延遲。因此，功率存儲裝置、控制器和/或功率電子設(shè)備可選擇地設(shè)計(jì)為間歇地運(yùn)轉(zhuǎn)，以為壓縮機(jī)提供功率脈沖，例如，其中每個(gè)脈沖不超過大約10秒鐘。當(dāng)然，功率存儲裝置、控制器和/或功率電子設(shè)備也可能用于更長的脈沖(例如，大于大約10秒鐘)和/或更短的脈沖(例如，小于大約10秒鐘)。示例性的方法可以包括通過使用存儲的功率(例如，電容器和/或電池)來啟動(dòng)，接下來使用來自渦輪發(fā)電機(jī)的在線功率。在這樣的示例性的方法中，存儲的功率僅僅使用幾秒鐘(例如，大約2秒鐘到大約3秒鐘)?？紤]示例性的方法，其包括放電一個(gè)或多個(gè)電容器以為電動(dòng)壓縮機(jī)單元供電大約3秒鐘，隨后切換到來自作為發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)電渦輪單元的在線功率，或者替代地，切換到另一個(gè)電容器或電容器組。在后面的例子中，作為發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的在線發(fā)電渦輪單元可選擇地充電一個(gè)或多個(gè)電容器，同時(shí)一個(gè)或多個(gè)其它電容器放電。
參考圖5，示出了圖4中的示例性的系統(tǒng)220的方塊圖，其中該示例性的系統(tǒng)包括多于一個(gè)電動(dòng)壓縮機(jī)單元240、240′和/或多于一個(gè)發(fā)電渦輪單元250、250′。使用多于一個(gè)渦輪和/或多于一個(gè)壓縮機(jī)可以使得性能提高。例如，多個(gè)壓縮機(jī)可以根據(jù)性能需要分階段運(yùn)轉(zhuǎn)?？紤]到需求增加小時(shí)一個(gè)壓縮機(jī)足夠提供增壓，需求增加大時(shí)使用兩個(gè)或更多個(gè)壓縮機(jī)來提供增壓。另外，一個(gè)渦輪可以提供足夠的電功率以驅(qū)動(dòng)多于一個(gè)壓縮機(jī)或者多于一個(gè)渦輪可以提供電功率來驅(qū)動(dòng)一個(gè)壓縮機(jī)。當(dāng)然，通過使用一個(gè)或多個(gè)壓縮機(jī)和/或一個(gè)或多個(gè)渦輪的不同的其它配置也是可能的。
再次參考圖5，在示例性的系統(tǒng)220中，各種示例性的單元具有到電控制單元260的連接物，用于傳送功率和/或通信和控制有關(guān)的信息(例如，控制參數(shù)，等等)。在圖4和/或圖5中示出的示例性的系統(tǒng)220可選擇地包括隔離和/或分開的電氣系統(tǒng)，其與車輛的主電氣系統(tǒng)隔離和/或分開。
參考圖6，示出了圖4中的示例性的系統(tǒng)220的方塊圖，連同一個(gè)或多個(gè)電氣系統(tǒng)塊610、620。如圖6所示，電氣系統(tǒng)塊610可選擇地對應(yīng)運(yùn)轉(zhuǎn)在足夠運(yùn)轉(zhuǎn)一個(gè)或多個(gè)電動(dòng)壓縮機(jī)單元(例如，圖5中的壓縮機(jī)單元250、250′)的電壓和功率下的電氣系統(tǒng)；而電氣系統(tǒng)塊620可選擇地對應(yīng)運(yùn)轉(zhuǎn)在足夠運(yùn)轉(zhuǎn)車輛的其它電氣需求(例如，電熱塞、點(diǎn)火裝置、起動(dòng)器馬達(dá)、燈、計(jì)算機(jī)，等等)的電壓和功率下的電氣系統(tǒng)。
如圖6所示，在電控制單元260和電氣系統(tǒng)塊610之間存在連接物612，并且在電控制單元260和電氣系統(tǒng)塊620之間存在另一個(gè)連接物622。連接物612和/或連接物622通常運(yùn)轉(zhuǎn)以傳送關(guān)于電動(dòng)壓縮機(jī)單元和/或發(fā)電渦輪單元的運(yùn)轉(zhuǎn)的信息和/或功率。例如，車輛的主電氣系統(tǒng)(例如，涉及一個(gè)或多個(gè)用于電氣需求的電池)可選擇地通過連接物622提供功率以運(yùn)轉(zhuǎn)控制器(例如，控制器262)或類似物，其又控制與運(yùn)轉(zhuǎn)在比車輛的主電氣系統(tǒng)高的電壓下的電氣系統(tǒng)有關(guān)的功率。當(dāng)然，由發(fā)電渦輪單元(例如，發(fā)電渦輪單元250)產(chǎn)生的功率可選擇地產(chǎn)生功率，用于控制和用于為一個(gè)或多個(gè)電動(dòng)壓縮機(jī)單元(例如，壓縮機(jī)單元240)供電。在這樣的示例性的系統(tǒng)中，整流器或類似物可選擇地將時(shí)變電壓轉(zhuǎn)換成一個(gè)或多個(gè)直流電壓，其中一個(gè)電壓可以為控制供電，同時(shí)另一個(gè)電壓為與電動(dòng)壓縮機(jī)單元(例如，壓縮機(jī)單元240)有關(guān)的馬達(dá)供電。
再次參考圖3中的圖組120，在通常的渦輪增壓器和內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)中，對功率增加的需求通常導(dǎo)致對到發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料流量的增加；然而，當(dāng)燃料流量增加時(shí)，燃燒效率可能受到空氣流不足的限制。然而，響應(yīng)燃料流量的增加，排熱也增加了，其又通常增加排氣溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)背壓。相應(yīng)地，渦輪能夠從排氣中提取額外的能量，其又增加了到壓縮機(jī)的功率。在這樣的系統(tǒng)中，當(dāng)渦輪增壓器的軸的速度增加時(shí)，速度部分地由渦輪和/或壓縮機(jī)慣性來抵抗(即，渦輪和壓縮機(jī)通常接附到相同的軸)。盡管存在這樣的抵抗，軸的速度的增加通常會發(fā)生，其導(dǎo)致壓縮機(jī)增加到發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流，從而為給定的燃料流量提供更加充分的空氣流。同樣，此過程經(jīng)常導(dǎo)致已知為″渦輪延遲″的情況。如已經(jīng)提到的，這里描述的各種示例性的方法、設(shè)備和/或系統(tǒng)可選擇地運(yùn)轉(zhuǎn)以減小和/或消除諸如，但不限于，渦輪延遲的情況。
示例性的增壓和/或發(fā)電系統(tǒng)，諸如圖2或圖6中的系統(tǒng)220，電動(dòng)壓縮機(jī)單元和發(fā)電渦輪單元分別包括軸，這些軸可以以相同或不同的速度旋轉(zhuǎn)。這樣的系統(tǒng)使得每個(gè)軸可以以與其它軸不同的速度旋轉(zhuǎn)。實(shí)際上，軸旋轉(zhuǎn)的速度可以彼此無關(guān)。另外，渦輪和壓縮機(jī)慣性實(shí)質(zhì)上是脫開聯(lián)系的。因此，壓縮機(jī)尺寸、重量等等可選擇地確定，而與渦輪的尺寸、重量等等無關(guān)，反之亦然。例如，比起與軸和渦輪組件有關(guān)的壓縮機(jī)(例如，與圖1的渦輪增壓器單元120有關(guān)的壓縮機(jī))，與電動(dòng)壓縮機(jī)單元有關(guān)的壓縮機(jī)可以選擇為更大和更有效率。
參考圖7，示出了示例性的方法700的方塊圖。根據(jù)示例性的方法700，在一個(gè)或多個(gè)檢測塊704、704′、704″中，電控制單元(例如，圖2的電控制單元260)和/或其它部件檢測到需要或接收到增加空氣流的要求704、需要或增加燃料流量的要求704′和/或需要或增加功率的要求704″(例如，檢測到增加功率的需求)。控制塊708(例如，圖2的電控制單元260)從一個(gè)或多個(gè)檢測塊704、704′、704″(直接地和/或間接地)接收信息并且，作為響應(yīng)，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)到一個(gè)或多個(gè)電動(dòng)壓縮機(jī)單元的功率。
參考圖8，示出了另一個(gè)示例性的方法800。在檢測塊804中，檢測器檢測排放。當(dāng)然，排放可以基于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)和/或其它信息確定。然后，確定塊808(例如，圖2的電控制單元260)確定一個(gè)或多個(gè)響應(yīng)檢測到的排放的控制參數(shù)，其中該一個(gè)或多個(gè)控制參數(shù)作為控制信號可傳送。如適當(dāng)?shù)模酉聛硎歉鞣N的調(diào)節(jié)塊812、812′、812″。例如，調(diào)節(jié)塊812接收到控制信號，以調(diào)節(jié)到壓縮機(jī)的功率，調(diào)節(jié)塊812′接收到控制信號以調(diào)節(jié)渦輪發(fā)電機(jī)，調(diào)節(jié)塊812″接收到控制信號，以調(diào)節(jié)燃料流量。因此，對壓縮機(jī)、渦輪發(fā)電機(jī)和/或燃料流量的調(diào)節(jié)允許改良排放。更進(jìn)一步的，這樣的調(diào)節(jié)可以允許改良對排氣的后處理。例如，一個(gè)或多個(gè)調(diào)節(jié)可以使得催化式排氣凈化器或其它后處理工藝運(yùn)轉(zhuǎn)得更有效率?？紤]到催化式排氣凈化器具有最適合的運(yùn)轉(zhuǎn)溫度、排氣流速和/或排氣負(fù)載(例如，一種或多種化學(xué)物質(zhì)的濃度)。對壓縮機(jī)、渦輪發(fā)電機(jī)和/或燃料流量的調(diào)節(jié)可以，例如，導(dǎo)致排氣溫度增加、排氣負(fù)載減小，等等。
參考圖9，示出了示例性的方法900的方塊圖。在接收塊904中，電控制單元(例如，圖2的電控制單元260)接收到關(guān)于需求增加(例如，圖3中所示的需求″D/F″)的信息。通常，這樣的需求的增加與增加燃料流量的需求或者燃料流量的實(shí)際增加有關(guān)和/或是其結(jié)果。如圖9中所示，在″增加燃料流量″塊908中，到發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料流量增加。通常，燃料包括通常與燃燒氣體混合的氫基和/或碳基的燃料。在″增加到壓縮機(jī)的功率″塊912中，電控制單元為一個(gè)或多個(gè)電動(dòng)壓縮機(jī)單元提供增加的功率。例如，電控制單元可以從功率存儲裝置(例如，電容器、電池等等)提供功率，替代地，電控制單元可以從發(fā)電機(jī)提供在線功率。塊908和912中執(zhí)行的功能可選擇為同時(shí)發(fā)生。在″增加到渦輪的功率″塊916中，至少部分地，到一個(gè)或多個(gè)電動(dòng)壓縮機(jī)單元的功率的增加導(dǎo)致從燃燒產(chǎn)生的功率增加，這又導(dǎo)致排氣能量增加。如塊916示出的，排氣能量的增加轉(zhuǎn)化為到渦輪的功率增加。所得到的到渦輪的功率增加使得發(fā)電渦輪單元可以產(chǎn)生電功率，如發(fā)電塊920所示出的。如圖9中所示，電功率的產(chǎn)生使得到一個(gè)或多個(gè)電動(dòng)壓縮機(jī)單元的功率進(jìn)一步增加。例如，發(fā)電塊920可以允許在功率存儲裝置耗盡的情況下延長電動(dòng)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，或者其可以允許向功率存儲裝置重新充電。此外，通過增加燃料流量塊908可以另外增加燃料流量。
能夠執(zhí)行該示例性的方法900的示例性的系統(tǒng)使得壓縮機(jī)和渦輪可以以不同的速度旋轉(zhuǎn)，使用與車輛的主電氣系統(tǒng)隔離的電源系統(tǒng)，其中該電源系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)在比主系統(tǒng)高的電壓下，包括一個(gè)或多個(gè)能夠存儲足夠用于壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)大約3秒鐘的功率的電容，和/或使用比通常與渦輪增壓器有關(guān)的渦輪更大和效率更高的渦輪，因?yàn)樵陔妱?dòng)壓縮機(jī)單元的加速中，渦輪慣性不是重要的因素。示例性的系統(tǒng)還可以包括用于將電動(dòng)馬達(dá)的運(yùn)轉(zhuǎn)從功率存儲裝置切換到另一個(gè)電源的開關(guān)。另外，該開關(guān)可以允許對功率存儲裝置重新充電。例如，在功率存儲裝置耗盡后，開關(guān)可以轉(zhuǎn)換到另一個(gè)電源，以為電動(dòng)馬達(dá)供電和/或?yàn)楣β蚀鎯ρb置重新充電。
如已經(jīng)提到過的，在通常的渦輪增壓器和內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)中，對增加功率的需求通常導(dǎo)致到發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料流量的增加；然而，在這一點(diǎn)上，燃燒效率通常受到空氣流不足的限制。可變幾何形狀渦輪增壓器(VGT)，諸如，但不限于，GARRETT VNTTM和AVNTTM(Garrett公司)渦輪增壓器，其使用多個(gè)可調(diào)節(jié)的葉片來控制穿過渦輪的排氣流量，可以處理這樣的空氣流問題。定位在到渦輪的入口的可調(diào)節(jié)的葉片運(yùn)轉(zhuǎn)以控制到渦輪的排氣的流量。例如，GARRETT VNTTM渦輪增壓器調(diào)節(jié)在渦輪的入口的排氣流量，以優(yōu)化對要求的負(fù)載的渦輪功率。葉片朝向關(guān)閉位置的運(yùn)動(dòng)通常引導(dǎo)排氣流量更加沿切線方向到達(dá)渦輪，其隨后將更多的能量傳遞到渦輪，并且從而增加有關(guān)的渦輪增壓器壓縮機(jī)的壓縮機(jī)增壓。相反地，葉片朝向打開位置的運(yùn)動(dòng)通常引導(dǎo)排氣流量更加沿徑向方向到達(dá)渦輪，其隨后減小了到達(dá)渦輪的能量，并且從而減小了壓縮機(jī)增壓。因此，在低發(fā)動(dòng)機(jī)速度和小排氣流量下，VGT渦輪增壓器可以增加渦輪功率和增壓壓力；而在發(fā)動(dòng)機(jī)全速/滿負(fù)荷和高空氣流下，VGT渦輪增壓器可以有助于避免渦輪增壓器超速和有助于保持適合的或要求的增壓壓力。存在用于控制幾何形狀的多種控制方案，例如，依靠壓縮機(jī)壓力的促動(dòng)器可以控制幾何形狀和/或發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)可以使用真空促動(dòng)器來控制幾何形狀?？傊琕GT可以允許增壓調(diào)節(jié)，這可以有效地優(yōu)化功率輸出、燃料效率、排放、響應(yīng)和/或磨損。當(dāng)然，渦輪增壓器可以使用廢氣門技術(shù)，作為對之前提到的可變幾何形狀技術(shù)的替換或附加。
在VGT渦輪增壓器中，響應(yīng)燃料流量的增加，調(diào)節(jié)幾何形狀以增加排氣背壓(通常溫度)超過與通常的渦輪增壓器有關(guān)的值。相應(yīng)的，渦輪能夠從該排氣中提取一些額外的能量，其又增加了到壓縮機(jī)的功率。在這樣的系統(tǒng)中，當(dāng)渦輪增壓器的軸的速度增加時(shí)，速度的增加部分地被渦輪和/或壓縮機(jī)慣性抵抗；然而，通常，軸速度的增加導(dǎo)致壓縮機(jī)增加到發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流，其又為給定的燃料流量提供了更加充足的空氣流。盡管可變幾何形狀的渦輪增壓器可以提供對通常的渦輪增壓器的改進(jìn)，這種方法仍然可能導(dǎo)致″渦輪延遲″。
參考圖10，示出了示例性的方法1000的方塊圖。該示例性的方發(fā)1000依靠可變幾何形狀渦輪的使用。在接受塊1004中，電控制單元(例如，圖2的電控制單元260)接收關(guān)于需求(例如，圖3中示出的需求″D/F″)增加的信息。通常，這樣的需求的增加與燃料流量增加的需求或燃料流量的增加有關(guān)和/或是其結(jié)果。如圖10中所示，在″增加燃料流量″塊1008中，到發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料流量增加。通常，燃料包括通常與燃燒氣體混合的氫基和/或碳基的燃料。在″增加到壓縮機(jī)的功率″塊1012中，電控制單元為一個(gè)或多個(gè)電動(dòng)壓縮機(jī)單元提供增加的功率。例如，電控制單元可以從功率存儲裝置(例如，電容器、電池，等等)提供功率，替代地，電控制單元可以從發(fā)電機(jī)提供在線功率。在塊1008和1012中執(zhí)行的功能可選擇為同時(shí)發(fā)生。在″增加到渦輪的功率″塊1016中，到一個(gè)或多個(gè)電動(dòng)壓縮機(jī)單元的功率的增加導(dǎo)致來自燃燒的功率增加，其又導(dǎo)致排氣能量增加。如由塊1016示出的，排氣能量的增加通常轉(zhuǎn)化為到渦輪的功率增加。在增加到渦輪的功率的塊1016同時(shí)、之前和/或之后，調(diào)節(jié)塊1018可選擇地調(diào)節(jié)該可變幾何形狀渦輪的渦輪幾何形狀，以增加到渦輪的排氣能量。調(diào)節(jié)塊1018可選擇地響應(yīng)接收到的由控制單元傳送的命令和/或控制參數(shù)。在特定的例子中，在渦輪幾何形狀調(diào)節(jié)之前出現(xiàn)延遲，從而該調(diào)節(jié)增加了排氣背壓。
所得到的到渦輪的功率增加(例如，通過增加的燃燒能量和/或幾何形狀調(diào)節(jié))允許發(fā)電渦輪單元產(chǎn)生電功率，如由發(fā)電塊1020所示出的。如圖10中所示，電功率的產(chǎn)生允許進(jìn)一步增加到一個(gè)或多個(gè)電動(dòng)壓縮機(jī)單元的功率。例如，發(fā)電塊1020可以允許在功率存儲裝置耗盡的情況下延長電動(dòng)壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，或者其可以允許對功率存儲裝置重新充電。此外，通過增加燃料流量塊1008，可以附加地增加燃料流量。當(dāng)然，這樣的電動(dòng)壓縮機(jī)單元可選擇地與通常的渦輪增壓器或者VGT渦輪增壓器一起運(yùn)轉(zhuǎn)。此外，電動(dòng)壓縮機(jī)單元的數(shù)量和渦輪的數(shù)量可以不同。例如，參考圖5，一個(gè)發(fā)電渦輪單元(例如，渦輪單元250)可以為兩個(gè)電動(dòng)壓縮機(jī)單元供電(例如，壓縮機(jī)單元240、240′)。另外，任意數(shù)量的渦輪可選擇地包括可變幾何形狀的能力。
雖然一些示例性的方法、設(shè)備和系統(tǒng)已經(jīng)在附圖中示出并且在之前的具體實(shí)施方式
中描述，應(yīng)該理解該方法和系統(tǒng)不限于披露的示例性的實(shí)施例，而是能夠在不偏離接下來的權(quán)利要求書闡明和限定的精神的情況進(jìn)行許多重置、修改和替換。
權(quán)利要求
1.一種方法，其包括接收增加內(nèi)燃機(jī)的輸出的需求；響應(yīng)該需求，向電動(dòng)壓縮機(jī)單元提供存儲的功率，從而增加到內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣壓；調(diào)節(jié)配置為從內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的排氣中提取能量的發(fā)電渦輪單元的可變幾何形狀的渦輪的幾何形狀；使用該發(fā)電渦輪單元產(chǎn)生電功率；和提供產(chǎn)生的電功率到一個(gè)或多個(gè)從包括電動(dòng)壓縮機(jī)單元和功率存儲裝置的組中選擇的部件。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，該調(diào)節(jié)增加內(nèi)燃機(jī)的排氣背壓。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括增加到內(nèi)燃機(jī)的燃料流量。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中，增加燃料流量和向電動(dòng)壓縮機(jī)單元提供存儲的功率同時(shí)發(fā)生。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，提供存儲的功率包括使一個(gè)或多個(gè)從包括電容器和電池的組中選擇的部件放電，和可選擇地，其中向電動(dòng)壓縮機(jī)單元提供存儲的功率發(fā)生大約3秒鐘或者更少。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，可運(yùn)轉(zhuǎn)地連接到電動(dòng)壓縮機(jī)單元的壓縮機(jī)的第一可旋轉(zhuǎn)的軸可選擇地以與可運(yùn)轉(zhuǎn)地連接到發(fā)電渦輪單元的渦輪的第二可旋轉(zhuǎn)的軸不同的速度旋轉(zhuǎn)。
7.一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)可讀取的介質(zhì)，其上具有計(jì)算機(jī)可讀取的指令，當(dāng)其由可編程的設(shè)備執(zhí)行時(shí)，這些指令允許該設(shè)備接收增加內(nèi)燃機(jī)的輸出的需求；響應(yīng)該需求，要求向電動(dòng)壓縮機(jī)單元提供存儲的功率，從而增加到內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣壓；調(diào)節(jié)配置為從內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的排氣中提取能量的發(fā)電渦輪單元的可變幾何形狀的渦輪的幾何形狀；要求使用發(fā)電渦輪單元產(chǎn)生電功率；以及要求提供產(chǎn)生的電功率到一個(gè)或多個(gè)從包括電動(dòng)壓縮機(jī)單元和功率存儲裝置的組中選擇的部件。
8.一種方法，其包括接收增加內(nèi)燃機(jī)的輸出的需求；響應(yīng)該需求，向電動(dòng)壓縮機(jī)單元提供存儲的功率，從而增加到內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣壓；增加到內(nèi)燃機(jī)的燃料流量；使用配置為從內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的排氣中提取能量的發(fā)電渦輪單元來產(chǎn)生電功率；和提供產(chǎn)生的電功率到一個(gè)或多個(gè)從包括電動(dòng)壓縮機(jī)單元和功率存儲裝置的組中選擇的部件。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，進(jìn)一步包括調(diào)節(jié)發(fā)電渦輪單元的可變幾何形狀的渦輪的幾何形狀，以及，可選擇地，其中該調(diào)節(jié)增加了內(nèi)燃機(jī)的排氣背壓。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，增加燃料流量和向電動(dòng)壓縮機(jī)單元提供存儲的功率同時(shí)發(fā)生。
11.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，提供存儲的功率包括使一個(gè)或多個(gè)從包括電容器和電池的組中選擇的部件放電，和可選擇地，其中向電動(dòng)壓縮機(jī)單元提供存儲的功率發(fā)生大約3秒鐘或者更少。
12.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，可運(yùn)轉(zhuǎn)地連接到電動(dòng)壓縮機(jī)單元的壓縮機(jī)的第一可旋轉(zhuǎn)的軸可選擇地以與可運(yùn)轉(zhuǎn)地連接到發(fā)電渦輪單元的渦輪的第二可旋轉(zhuǎn)的軸不同的速度旋轉(zhuǎn)。
13.一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)可讀取的介質(zhì)，其上具有計(jì)算機(jī)可讀取的指令，當(dāng)其由可編程的設(shè)備執(zhí)行時(shí)，這些指令允許該設(shè)備接收增加內(nèi)燃機(jī)的輸出的需求；響應(yīng)該需求，要求向電動(dòng)壓縮機(jī)單元提供存儲的功率，從而增加到內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣壓；要求增加到內(nèi)燃機(jī)的燃料流量；要求使用配置為從內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的排氣中提取能量的發(fā)電渦輪單元來產(chǎn)生電功率；以及要求提供產(chǎn)生的電功率到一個(gè)或多個(gè)從包括電動(dòng)壓縮機(jī)單元和功率存儲裝置的組中選擇的部件。
14.一種用于提高提供給內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣壓的電動(dòng)壓縮機(jī)，該電動(dòng)壓縮機(jī)包括可運(yùn)轉(zhuǎn)地連接到可旋轉(zhuǎn)的軸的壓縮機(jī)；可運(yùn)轉(zhuǎn)地連接到可旋轉(zhuǎn)的軸的電動(dòng)馬達(dá)；配置為向電動(dòng)馬達(dá)提供存儲的電功率的功率存儲裝置，其中該功率存儲裝置包括一個(gè)或多個(gè)電容器；和配置為從電源接收電功率以完成一個(gè)或多個(gè)從包括為一個(gè)或多個(gè)電容器充電和向電動(dòng)馬達(dá)提供電功率的組中選擇的任務(wù)的功率輸入裝置，其中，該電源和電動(dòng)馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)在高于大約24伏特的電壓下，并且可選擇地，其中該電動(dòng)壓縮機(jī)和電源與任何其它與內(nèi)燃機(jī)有關(guān)的電氣系統(tǒng)隔離。
15.如權(quán)利要求14所述的電動(dòng)壓縮機(jī)，其中，該一個(gè)或多個(gè)電容器包括超級電容器。
全文摘要
示例性的系統(tǒng)(200)包括電動(dòng)壓縮機(jī)(240)，以提高提供到內(nèi)燃機(jī)(110)的進(jìn)氣壓；發(fā)電渦輪(250)，以從接收到的來自內(nèi)燃機(jī)(10)的排氣中產(chǎn)生電功率；和電功率控制(260)，以在增壓需求時(shí)從功率存儲裝置(266)向電動(dòng)壓縮機(jī)(240)提供電功率，并且在增壓要求后和在功率存儲裝置(266)耗盡到預(yù)定的功率存儲等級時(shí)將發(fā)電渦輪(250)產(chǎn)生的電功率提供給電動(dòng)壓縮機(jī)(240)。還披露了其它各種示例性的方法、設(shè)備和/或系統(tǒng)。
文檔編號F02D23/00GK1685138SQ03823408
公開日2005年10月19日 申請日期2003年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月30日
發(fā)明者S·D·阿諾, S·M·沙赫德 申請人:霍尼韋爾國際公司