具有渦輪機旁路的動力系統(tǒng)以及操作動力系統(tǒng)的方法
【專利摘要】一種動力系統(tǒng)，該動力系統(tǒng)包括：發(fā)動機，該發(fā)動機包括排氣管線；渦輪機，該渦輪機位于排氣管線中；旁通管線，該旁通管線在渦輪機上游連接到排氣管線，并且包括可控的旁通閥；以及控制器，例如，該控制器被布置成：當發(fā)動機運行而使得動力從曲軸傳遞到渦輪機軸時，和/或當發(fā)動機負荷、發(fā)動機轉(zhuǎn)速和排氣管線壓力中的至少一個低于預定水平時，該控制器控制所述旁通閥打開，以旁通所述渦輪機。還公開了一種操作動力系統(tǒng)的方法。
【專利說明】具有渦輪機旁路的動力系統(tǒng)以及操作動力系統(tǒng)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體上涉及動力系統(tǒng)，更具體地，涉及包括具有動力渦輪機的內(nèi)燃機的動力系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在內(nèi)燃機上的機械式渦輪復合系統(tǒng)的運行期間，存在動力流動反向的多個時段。即，來自發(fā)動機的動力實際上傳遞到渦輪復合動力渦輪機的軸。在該系統(tǒng)的正常操作期間，排氣的能量用于驅(qū)動動力渦輪機。標準的能量流動是從動力渦輪機的輸出軸到發(fā)動機曲軸。這種動力反向發(fā)生在發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低和如下載荷狀態(tài)期間:即，排氣流變得太低而無法以向曲軸提供驅(qū)動力所需的水平以上的動力水平來驅(qū)動渦輪復合渦輪機。在能量反向的這些時段內(nèi)，動力實際上從發(fā)動機移動到渦輪復合單元的動力渦輪機。這種動力反向?qū)е聹u輪增壓器的渦輪機出口中的背壓增大，從而導致更高的發(fā)動機燃料消耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，一種動力系統(tǒng)包括:發(fā)動機，該發(fā)動機包括排氣管線；渦輪機，該渦輪機位于排氣管線中；旁通管線，該旁通管線在渦輪機上游連接到排氣管線，并且包括可控的旁通閥；以及控制器，該控制器被布置成:當發(fā)動機負荷、發(fā)動機轉(zhuǎn)速和排氣管線壓力中的至少一個低于預定水平時，該控制器控制所述旁通閥打開，以旁通所述渦輪機。
[0004]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種動力系統(tǒng)包括:發(fā)動機，該發(fā)動機包括排氣管線；渦輪機，該渦輪機位于排氣管線中，該渦輪機的渦輪機軸聯(lián)接到發(fā)動機的曲軸，以允許該渦輪機軸與曲軸之間的動力傳遞；旁通管線，該旁通管線在渦輪機上游連接到排氣管線，并且包括可控的旁通閥；以及控制器，該控制器被布置成:當發(fā)動機運行而使得動力從曲軸傳遞到渦輪機軸時，該控制器控制所述旁通閥打開，以旁通所述渦輪機。
[0005]根據(jù)本發(fā)明的又一方面，一種操作動力系統(tǒng)的方法包括:將排氣從發(fā)動機排放到排氣管線中；以及，當發(fā)動機運行而使得動力將要從曲軸傳遞到渦輪機軸時，控制旁通閥以打開旁通管線，該旁通管線被布置為旁通所述排氣管線中的渦輪機。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]通過結(jié)合附圖來閱讀以下詳細描述，將能很好地理解本發(fā)明的特征和優(yōu)點，在這些附圖中，相同的附圖標記表示相同的元件，其中:
[0007]圖1是根據(jù)本發(fā)明一個方面的動力系統(tǒng)的示意圖；并且
[0008]圖2是根據(jù)本發(fā)明一個方面的渦輪復合內(nèi)燃機動力系統(tǒng)的、發(fā)動機扭矩與發(fā)動機轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線，示出了動力渦輪機將被旁通時的發(fā)動機運行狀況。
【具體實施方式】[0009]圖1中示出了根據(jù)本發(fā)明一個方面的動力系統(tǒng)21。該動力系統(tǒng)21可以用在諸如卡車、輪船、大客車或其他車輛等的車輛23 (以虛線示意性地示出)中，或者用在固定式應用中。動力系統(tǒng)21包括發(fā)動機25，該發(fā)動機25包括排氣管線27。發(fā)動機25是內(nèi)燃機，例如是柴油機，但該發(fā)動機也可以是火花點火式發(fā)動機。在發(fā)動機25下游的該排氣管線中設(shè)置有渦輪機29。
[0010]通常，渦輪機29是渦輪復合系統(tǒng)的動力渦輪機，該渦輪復合系統(tǒng)包括壓縮機31，該壓縮機31在發(fā)動機上游并連接到渦輪增壓器渦輪機33 ;該渦輪增壓器渦輪機33在發(fā)動機下游，但在所述動力渦輪機上游。動力渦輪機29的渦輪機軸35可通過任何適當?shù)姆绞?例如齒輪傳動系或輔助裝置皮帶輪36)聯(lián)接到發(fā)動機25的曲軸37，以允許該渦輪機軸與曲軸之間的動力傳遞。當排氣管線27中的壓力足夠高時，動力渦輪機29將動力傳遞到曲軸37。然而，當排氣管線27中的壓力降低到低于特定水平時(例如在發(fā)動機低轉(zhuǎn)速/低負荷操作時)，來自發(fā)動機25的動力被傳遞到動力渦輪機29的渦輪機軸35。動力會傳遞到渦輪機軸35時的運行狀況將因發(fā)動機型號而不同，然而，對于發(fā)動機缸徑在IOOmm至160mm之間的六缸重型柴油機而言，在如下的發(fā)動機運行狀況時已經(jīng)觀察到上述這種現(xiàn)象，該運行狀況即:發(fā)動機25的平均有效制動壓力(BMEP)為0.5MPa或更低，和/或發(fā)動機扭矩低于750Nm，和/或發(fā)動機轉(zhuǎn)速為大約1400rpm或更低。
[0011]旁通管線39在渦輪機29上游連接到排氣管線27，并且包括可控的旁通閥45。控制器43被布置為:當發(fā)動機21在其動力預計將會傳遞給渦輪機軸35的狀況下運行時，控制器43控制該旁通閥45打開，以旁通渦輪機29。例如，控制器43可以響應于判定所述發(fā)動機負荷、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、和排氣管線壓力中的至少一個低于預定水平而控制該旁通閥45打開，然而，應當理解，閥45也可以因為其它原因而打開。圖2所示的曲線圖示出了對于發(fā)動機缸徑在IOOmm至160_之間的六缸重型柴油機而言、該旁通管線(也稱為廢氣門)可以被打開時的運行狀況。
[0012]旁通閥45可以是簡單的通/斷閥，但通常來說，有利的是提供一種可控的閥，以移動到處于完全打開和完全關(guān)閉之間的各種位置。例如，在因系統(tǒng)而不同的某些運行狀況下，旁通閥45可以部分打開以減少可能傾向于使渦輪機軸35從曲軸37吸取動力的背壓，從而渦輪機29利用經(jīng)過該渦輪機的較少量的排氣流來向曲軸37提供動力。可控閥41可以在該渦輪機的上游設(shè)置在該渦輪機和所述旁通管線之間，以確保排氣流趨向于流經(jīng)旁通管線39而不流經(jīng)渦輪機29。
[0013]在根據(jù)本發(fā)明一個方面的操作該動力系統(tǒng)21的方法中，排氣從發(fā)動機25排放到排氣管線27中。例如，當發(fā)動機25運行而使得動力從曲軸37傳遞到渦輪機軸35和/或使得發(fā)動機負荷、發(fā)動機轉(zhuǎn)速和排氣管線壓力中的至少一個低于預定水平時，可以控制該旁通閥45完全或部分地打開，由此打開旁通管線39以完全或部分地旁通所述排氣管線中的渦輪機29。同時，可以控制渦輪機29上游的閥41，以便于確保排氣流流過旁通管線39。應當理解，此處列出的、可能導致閥41和閥45打開或關(guān)閉的情形僅是說明性的，而非限制性的。
[0014]在本發(fā)明的另一方面中，控制器43應廣義地被認為是計算機，該計算機被編程以允許所述動力系統(tǒng)執(zhí)行上述方法?？梢蕴峁┲T如硬盤的永久性計算機可讀介質(zhì)，該計算機可讀介質(zhì)包括用于執(zhí)行所述方法的計算機代碼。[0015]相信本發(fā)明的動力系統(tǒng)、方法及其它方面與防止一個機械系統(tǒng)驅(qū)動另一個機械系統(tǒng)(例如超越離合器)的已知方法相比是有利的。例如，如果該超越離合器將與重型柴油機或固定式發(fā)動機上的動力渦輪機相結(jié)合使用，則必須在齒輪傳動系中提供物理中斷或飛輪。加入該超越離合器所需的部件數(shù)目和所增加的復雜性將很大，而所述旁通管線和閥則相對簡單。而且，該超越離合器不同于所述旁通管線和閥，可能涉及大量的額外成本和重量。而且，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法能夠使動力渦輪機在高轉(zhuǎn)速低負荷的狀況下被旁通以避免該動力渦輪機成為系統(tǒng)的拖累，并且使動力渦輪機在低轉(zhuǎn)速高負荷的狀況下被接合以利用排氣中的可用動力。相比之下，上述超越離合器通常將不被布置為處理扭矩。僅當從動軸的轉(zhuǎn)速小于驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)速時，上述超越離合器才脫離。
[0016]此外，該超越離合器預計會有耐用性問題，而所述旁通管線和閥則不會有耐用性問題。
[0017]此外，所述廢氣門的故障、完全打開、完全關(guān)閉或者在完全打開和完全關(guān)閉之間的任何位置處預計均不會對發(fā)動機或渦輪機造成損害，而與上述超越離合器相關(guān)的物理齒輪裝置的故障會導致?lián)p害發(fā)動機的油路系統(tǒng)或齒輪傳動系。
[0018]最后，根據(jù)本發(fā)明的旁通閥和旁通管線僅需要(完全地或部分地)卸除渦輪機的載荷。渦輪機軸可以繼續(xù)隨著曲軸一起旋轉(zhuǎn)。扭矩僅受到打開所述旁通閥和旁通管線的影響。相比之下，上述超越離合器將使轉(zhuǎn)速與扭矩分開，即，渦輪機軸將不會繼續(xù)隨曲軸一起旋轉(zhuǎn)。
[0019]在本申請中，所使用的諸如“包括”等的用語是開放性的，旨在與諸如“包含”等的用語具有相同的含義，并不排除其它結(jié)構(gòu)、材料或行為的存在。類似地，雖然所使用的諸如“能夠”或“可以”的用語旨在是開放性的，并旨在反映某個結(jié)構(gòu)、材料或行為是非必要的，但是，不使用這種用語也不表明該結(jié)構(gòu)、材料或行為是必要的。在這個意義上，如果該結(jié)構(gòu)、材料或行為目前被認為是必要的，則它們被標明是必要的。
[0020]雖然已經(jīng)根據(jù)其優(yōu)選實施例圖示和描述了本發(fā)明，但應該意識到，在不脫離權(quán)利要求書中闡述的本發(fā)明的情況下，可以對本發(fā)明進行各種變型和修改。
【權(quán)利要求】
1.一種動力系統(tǒng)，包括: 發(fā)動機，所述發(fā)動機包括排氣管線； 渦輪機，所述渦輪機位于所述排氣管線中； 旁通管線，所述旁通管線在所述渦輪機上游連接到所述排氣管線，并且包括可控的旁通閥；以及 控制器，所述控制器被布置成:當發(fā)動機負荷、發(fā)動機轉(zhuǎn)速和排氣管線壓力中的至少一個低于預定水平時，所述控制器控制所述旁通閥打開，以旁通所述渦輪機。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動力系統(tǒng)，其中，所述旁通閥是通/斷閥。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動力系統(tǒng)，其中，所述旁通閥是可控的，以移動到處于完全打開和完全關(guān)閉之間的位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動力系統(tǒng)，其中，所述渦輪機是渦輪復合系統(tǒng)的動力渦輪機。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動力系統(tǒng)，其中，所述動力渦輪機具有渦輪機軸，所述渦輪機軸聯(lián)接到所述發(fā)動機的曲軸。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動力系統(tǒng)，其中，當所述旁通閥被打開時，所述動力渦輪機聯(lián)接到所述發(fā)動機的曲軸。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動力系統(tǒng)，包括在所述旁通管線和所述渦輪機之間的可控閥。
8.—種車輛，其包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的動力系統(tǒng)。
9.一種動力系統(tǒng)，包括: 發(fā)動機，所述發(fā)動機包括排氣管線； 渦輪機，所述渦輪機位于所述排氣管線中，所述渦輪機的渦輪機軸聯(lián)接到所述發(fā)動機的曲軸，以允許所述渦輪機軸與所述曲軸之間的動力傳遞； 旁通管線，所述旁通管線在所述渦輪機上游連接到所述排氣管線，并且包括可控的旁通閥；以及 控制器，所述控制器被布置成:當所述發(fā)動機運行而使得動力從所述曲軸傳遞到所述渦輪機軸時，所述控制器控制所述旁通閥打開，以旁通所述渦輪機。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的動力系統(tǒng)，其中，所述旁通閥是通/斷閥。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的動力系統(tǒng)，其中，所述旁通閥是可控的，以移動到處于完全打開和完全關(guān)閉之間的位置。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的動力系統(tǒng)，包括在所述旁通管線和所述渦輪機之間的可控閥。
13.—種車輛，其包括根據(jù)權(quán)利要求9所述的動力系統(tǒng)。
14.一種操作動力系統(tǒng)的方法，包括: 將排氣從發(fā)動機排放到排氣管線中；和 當所述發(fā)動機運行而使得動力將要從曲軸傳遞到渦輪機軸時，控制旁通閥以打開旁通管線，所述旁通管線被布置為旁通所述排氣管線中的渦輪機。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，包括:將所述旁通閥控制為處于完全打開或完全關(guān)閉。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，包括:將所述旁通閥控制為處于多個位置中的任一個位置，所述多個位置包括但不限于完全打開和完全關(guān)閉位置。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述渦輪機的渦輪機軸聯(lián)接到所述發(fā)動機的曲軸，所述方法包括:在所述曲軸和所述渦輪機軸之間傳遞動力。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，包括:當發(fā)動機負荷、發(fā)動機轉(zhuǎn)速和排氣管線壓力中的至少一個低于預定水平時，控制所述旁通閥打開。
19.一種計算機，所述計算機被編程以執(zhí)行權(quán)利要求14所述的方法。
20.一種永久性計算機可讀介質(zhì)，所述計算機可讀介質(zhì)包含用于執(zhí)行權(quán)利要求14所述的方法的計算機代碼。
【文檔編號】F02G5/02GK103649510SQ201180070320
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2011年4月21日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月21日
【發(fā)明者】托馬斯·艾倫·霍恩 申請人:馬克卡車公司