專利名稱：再生輔助渦輪增壓系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總體上涉及到渦輪增壓系統(tǒng)，更具體涉及到再生輔助渦輪增壓系統(tǒng)。
背景技術：
如本領域所公知，由于渦輪增壓的、小型化發(fā)動機成為改善車輛燃油經濟性的主要策略，對它們的瞬時響應的改進是非常重要的。當渦輪增壓器為快速瞬時反應而尺寸較小時，其在高功率時可能耗盡流量從而限制其額定功率；另一方面，當渦輪增壓器尺寸足夠大能傳輸有競爭力的功率時，其可能在瞬時期間執(zhí)行非常遲緩。已經提出幾種技術來解決這個矛盾，例如串聯(lián)序列渦輪增壓系統(tǒng)，機械驅動增壓器，或者電驅動增壓器或者渦輪增壓器的使用等。眾所周知，在常規(guī)渦輪增壓發(fā)動機中，發(fā)動機和渦輪增壓器彼此獨立工作?！叭狈ν瑲i”使得壓縮器在瞬時運行期間進入低效率運行區(qū)間并且使得渦輪以低速度比(U/C)エ作(其中υ/c為葉片-速度比)即在低效率運行區(qū)間運行(即，液壓控制的渦輪增壓器會允許設計高效率的壓縮器與渦輪，因為其不需要為了運行范圍而妥協(xié)效率)。

發(fā)明內容
根據(jù)本發(fā)明，提供一種渦輪增壓內燃發(fā)動機，包括控制單元和與渦輪相連的裝置，該裝置響應于來自控制單元的加速信號輔助渦輪增壓器的加速以及響應于來自控制單元的減速信號減速渦輪增壓器。在一個實施例中，該裝置響應于來自控制單元的減速信號從渦輪增壓器吸收能量以減速渦輪增壓器。在一個實施例中，該裝置包括與渦輪增壓器的渦輪和壓縮器同軸并且位于渦輪增壓器的渦輪和壓縮器上的ー個或多個液壓輪，該ー個或多個輪響應于加速信號被驅動以輔助渦輪增壓器的加速或者響應于減速信號被驅動從渦輪增壓器軸吸收能量。在一個實施例中，該ー個或多個輪為液壓運轉輪。在一個實施例中，該裝置包括用以加速渦輪增壓器的液壓運轉渦輪和用以吸收能量而減速渦輪增壓器的液壓運轉泵。在一個實施例中，該裝置包括可逆液壓運轉渦輪泵。在一個實施例中，提供一種系統(tǒng)，包括內燃發(fā)動機；與該發(fā)動機相連的潤輪增壓器。渦輪增壓器包括壓縮器；渦輪；連接在該壓縮器和渦輪之間的軸；位于該軸上的ー個或多個輪；用于產生加速信號或者減速信號的控制單元；響應于該加速信號運轉ー個或者多個輪以加速渦輪增壓器轉動或者響應于該減速信號運轉ー個或者多個輪以減速渦輪增壓器轉動的驅動系統(tǒng)。在一個實施例中，其中一個或者多個輪為設置于該軸上的ー對輪，其中驅動系統(tǒng)響應于該加速信號促使這ー對輪的第一輪產生第一角度方向的扭矩分量以加速渦輪增壓器的轉動，或者響應于來自發(fā)動機控制單元的減速信號控制這一對輪的第二輪上的液壓負荷以產生第二相反角度方向的扭矩分量。在一個實施例中，其中一個或者多個輪為設置于該軸上的一個輪，其中驅動系統(tǒng)響應于該控制信號促使該輪產生扭矩分量以加速渦輪增壓器的轉動或者響應于來自控制單元的減速信號控制在輪上的液壓負荷以產生第二相反角度方向的扭矩分量。在一個實施例中，提供一種系統(tǒng)，包括內燃發(fā)動機，以及與發(fā)動機相連的渦輪增壓器。渦輪增壓器包括壓縮器，渦輪，連接在壓縮器和渦輪之間的軸；設置于軸上的一個或者多個液壓驅動輪；以及用于響應于來自控制單元的加速信號驅動一個或者多個液壓驅動輪以輔助渦輪增壓器的加速或者響應于來自控制單元的減速信號以使得一個或多個液壓驅動輪吸收能量以輔助渦輪增壓器的減速的驅動系統(tǒng)。在一個實施例中，該系統(tǒng)使用位于軸上的一對液壓輪和使用驅動系統(tǒng),并且促使這一對液壓輪的第一輪響應于控制信號產生扭矩分量以加速渦輪增壓器的旋轉或者促使這一對液壓輪的第二輪響應于來自控制信號的減速控制信號以產生扭矩分量。在一個實施例中，該系統(tǒng)利用位于軸上的一對液壓輪和利用驅動系統(tǒng),促使這一對液壓輪的第一輪響應于控制信號產生第一角度方向的扭矩分量以加速渦輪增壓器的旋轉以及促使這一對液壓輪的第二輪響應于來自控制信號的減速控制信號產生第二相反角度方向的扭矩分量。吸收的能量可以被轉換為電力或者液力/氣力的形式并以電力或者液力/氣力的形式存儲。在一個實施例中，該一個或者多個輪由流體驅動。在一個實施例中，該流體為液體。在一個實施例中，該流體為發(fā)動機使用的發(fā)動機機油或者為其它流體。在一個實施例中，該流體由氣力能量源提供能量。 在一個實施例中，該流體由電力能量源提供能量。在一個實施例中，該系統(tǒng)包括在減速期間驅動的液壓發(fā)電機，以產生用作電力能量源的電能。在一個實施例中，該流體存儲在與發(fā)動機分離的存儲箱中。在一個實施例中，其中流體由氣力能量源提供的能量驅動。在一個實施例中，其中流體由電力能量源提供的能量驅動。在一個實施例中，液壓渦輪泵設置于相同的壓縮器/渦輪上以回收部分排氣能量，從而得到相比使用電機/電能存儲系統(tǒng)的系統(tǒng)更緊湊耐久的布置。以液壓渦輪-泵布置的輪還可以幫助控制渦輪速度，即在發(fā)動機加速期間加速旋轉以及在減速、節(jié)氣/怠速工況期間降速以回收排氣能量。在一個實施例中，當需要額外的加速以加速渦輪增壓器時，該液壓輪可以由發(fā)動機機油或者燃料或者處于高壓下的其它液體驅動。在一個實施例中，提供一種用于渦輪增壓的內燃發(fā)動機的操作方法。該方法包括響應于來自控制單元的加速信號輔助渦輪增壓器的加速，以及響應于來自控制單元的減速信號減速渦輪增壓器。 在一個實施例中，方法包括在渦輪增壓器的渦輪和壓縮器之間設置在渦輪增壓器的軸上的一個或多個輪，并響應于加速信號驅動該一個或多個輪以輔助渦輪增壓器加速或者響應于減速信號從渦輪增壓器軸吸收能量。在一個實施例中，提供一種操作渦輪增壓內燃發(fā)動機的方法，包括，運轉控制單元以產生加速信號與減速信號，以響應來自控制單元的加速信號輔助渦輪增壓器的加速和響應來自控制單元的減速信號來減速渦輪增壓器。本發(fā)明的一個或者多個實施方式的細節(jié)在附圖和下面的說明書中進行了描述。本發(fā)明的其他特征，目的以及優(yōu)勢參考說明和附圖以及權利要求書將變得顯而易見。


圖I為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的具有根據(jù)控制信號選擇性地輔助渦輪增壓器的加速和減速的裝置的渦輪增壓內燃發(fā)動機系統(tǒng)。圖2為根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的渦輪增壓內燃發(fā)動機系統(tǒng)。
圖3為根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的渦輪增壓內燃發(fā)動機系統(tǒng)。圖4為根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的渦輪增壓內燃發(fā)動機系統(tǒng)。不同的附圖中相同的附圖標記指示相同的部件。
具體實施例方式現(xiàn)在參考圖1，提供系統(tǒng)10，包括內燃發(fā)動機12，和通過箭頭15a，15b指示的氣流表示的常規(guī)方式與發(fā)動機12相連的渦輪增壓器14。渦輪增壓器14包括壓縮器16，渦輪18，連接在壓縮器16和渦輪18之間的軸20，以及安裝在軸20上的一個或多個液壓驅動輪(在此為一對輪22a，22b)。電子控制單元24 (可以與發(fā)動機12的發(fā)動機控制單元分離或者整合)用作為控制系統(tǒng)，當操作者(未顯示)需求來自發(fā)動機12的扭矩時響應于來自電子控制系統(tǒng)的加速信號驅動(例如在里為控制)輪22b中的流體以輔助渦輪增壓器的加速(即，加速軸20的角旋轉速率)并且響應于來自控制單元24的信號驅動(例如在這里為控制)輪22a上的負荷以輔助渦輪增壓器的減速(即減小軸20的角旋轉速率)。應注意運載電信號的線路由圖I中的虛線顯示，而運載液壓流體(將描述)的線路由實線顯示。如下即將更詳細地描述的，該一個或多個液壓驅動輪提供了裝置22的一個示例，裝置22與渦輪增壓器相連以響應于來自控制單元24的加速信號輔助渦輪增壓器14的加速，以及響應于來自控制單元24的減速信號利用裝置22響應于來自控制單元24的減速信號吸收來自渦輪增壓器的能量從而減速渦輪增壓器14。更具體地，輪22a，22b可以為佩爾頓水輪機或者具有位于其外圓周線周圍的多個葉片(未顯示)的沖擊式汽輪。輪22a在此為液壓運轉泵而輪22b為液壓運轉渦輪。因此，包含液壓噴嘴環(huán)和渦輪的常規(guī)的渦輪增壓器具有一個或多個輪22，該一個或多個輪22安裝在汽輪18和壓縮器輪16的相同軸20上并且安裝在汽輪18和壓縮器輪16之間。能量源26，在此為在一個區(qū)域內存儲壓縮空氣或者其他氣體以及液壓流體(在此為發(fā)動機機油)的腔體提供高壓液壓/氣動蓄力器?？梢岳秒姍C或者機械傳動驅動保持液壓箱加壓的液壓泵。如可替換的，可以在渦輪增壓器中心殼體內渦輪和壓縮器輪之間的相同的軸上設置高速液壓泵，從而在發(fā)動機制動模式或者減速或者甚至正常驅動模式期間(例如在建立液壓壓力的發(fā)動機暖機期間以及由于額外的附加負載而在暖機處理后加速期間)，液壓泵可以由來自渦輪的過多的排氣能量驅動以回收部分排氣能量。操縱液壓泵和渦輪提供了“同步”渦輪增壓器和發(fā)動機工況的措施以確保壓縮器和渦輪在更窄但是更有效率的區(qū)域工作，即液壓控制的渦輪增壓器將允許設計更高效率的壓縮器和渦輪，因為它們不需要為了運行范圍而妥協(xié)效率。還提供了由控制單元24提供的電信號控制的電動閥28a，28b。在運行時，響應于來自控制單元24的加速信號，閥28a關閉而閥28b打開以允許液壓流體(在此為發(fā)動機機油)以高壓從蓄力器26流至水輪機(hydro-turbinewheel) 22b的葉片(未顯示)。葉片上的來自沖擊流體的力增加了軸20的角旋轉速率。液壓流體隨后從水輪機22b傳輸至發(fā)動機12的曲軸箱(未示出)。更具體地，如一個示例，考慮當沿著從壓縮器16至渦輪18的方向看時，軸20以順時針方向(由于以常規(guī)方式穿過渦輪增壓器的氣流在渦輪增壓器中提供的主導扭矩而導致的結果)轉動。響應于加速信號， 葉片上的來自沖擊流體的力產生了順時針方向的較小的額外的扭矩(即扭矩分量)從而增加了軸20的角度旋轉速率。響應于來自控制單元24的減速信號，閥28a打開而閥28b關閉以允許液壓流體(在此為發(fā)動機機油)在低壓下從發(fā)動機12的曲軸箱傳輸至渦輪泵22a的葉片(未顯示)，而旋轉的輪22a有效地對發(fā)動機機油加壓。輪22a的葉片上的流體流減小了軸20的角度旋轉速率。更具體地，如一個示例，考慮當沿著從壓縮器16至渦輪18的方向上看時，軸20以順時針方向(由于以常規(guī)方式穿過渦輪增壓器的氣流在渦輪增壓器中提供的主導扭矩而導致的結果)旋轉。響應于減速信號，來自流入流體的在輪22a上的扭矩產生了逆時針方向的小的扭矩(即小扭矩分量)，從而減小了軸20的角度旋轉速率而同時增加了渦輪泵出口處的流體壓力。由輪22a加壓的液壓流體隨后從渦輪泵輪22a傳輸至蓄力器26?，F(xiàn)在參考圖2，示出了另一個實施方式。在此，替代使用發(fā)動機機油作為用于輪22a, 22b的液壓流體，提供了低壓存儲箱30用于存儲除了發(fā)動機機油之外的合適液壓流體；例如動力轉向或者其他低黏度的流體?，F(xiàn)在參考圖3，示出了另外一個實施例。在此，使用了單個輪22。在此，輪22為也具有沿其外圓周線周圍的葉片的可逆液壓運轉渦輪22。響應于來自控制單元24的加速信號，28a和28b兩個都打開且止回閥28c關閉以允許流體從高壓蓄力器26流經可逆液壓運轉渦輪22流至發(fā)動機12，從而提供輔助扭矩以加速渦輪增壓器14。響應于減速信號，閥28a維持打開而閥28b關閉且止回閥28c打開使得流體從發(fā)動機12流出，經可逆液壓運轉渦輪，流經止回閥28c進入高壓蓄力器26。在此，在此實施方式中，開動提升泵31以輔助流體的流動。在此泵的模式中，閥28a打開(28b關閉)，提升泵31加壓來自發(fā)動機12的流體(例如至大約2-4巴(bar))以填充渦輪泵22 ;渦輪泵22渦輪軸(未顯示)由渦輪18驅動。一旦壓力高于大約60-100巴，壓力推開止回閥28c且流體流進蓄力器26。因此，在加速期間流體沿著一個方向流經可逆液壓運轉渦輪，且在減速期間沿著相反方向流經可逆液壓運轉渦輪。在穩(wěn)態(tài)狀況期間(即當發(fā)動機12未響應加速信號或者減速信號時)，控制單元24供給信號至閥28a以關閉閥28a。盡管在圖3所示的實施例中發(fā)動機機油用作液壓流體，但是可以如上結合圖2所述的，以分離的低壓液壓流體存儲箱使用另外的流體。進一步的，存儲箱可以包括提升泵?，F(xiàn)在參考圖4，示出了另一個實施方式。在此，能量源包括逆變器/電池26'、用于提供能量給逆變器/電池26'充電的液壓驅動的發(fā)電機26b、以及由逆變器/電池26'驅動的液壓流體泵26a。在加速期間，閥28b打開且閥28a關閉。泵26a以封閉循環(huán)29a方式從泵26a泵送液壓流體(在此為發(fā)動機機油)經由水輪機22b至發(fā)動機12曲軸箱，再返回泵26a。在輪22b葉片上的流體流動方向增加了軸20的角度旋轉速率。在減速期間，閥28b關閉且閥28a打開?，F(xiàn)在，發(fā)動機機油從發(fā)動機的曲軸箱流至渦輪泵輪實現(xiàn)從發(fā)動機曲軸箱汲取發(fā)動機流體。離開渦輪泵22a的流體以封閉循環(huán)29b方式傳輸至發(fā)電并給電池26'再充電的水力馬達發(fā)電機26b。輪22a的葉片上的流體流動方向減小了軸20的角度旋轉速率。應當理解，可以使用如上結合圖2描述的分離的低壓液壓流體存儲箱替代使用發(fā)動機機油。進一步的，存儲箱可以包括提升泵。如上所述的液壓泵可以由電機(單獨的或者與發(fā)動機啟動電機共享)驅動，或者由通過與或者不與變速器耦合的發(fā)動機機械地驅動。一旦發(fā)動機啟動可以驅動液壓泵以在液壓箱中建立高壓并且增加發(fā)動機的附件負荷以加速發(fā)動機和后處理暖機。可替代的，液壓泵可以裝配在渦輪增壓器中心殼體內安裝在汽輪和壓縮器的相同軸上并且由來自汽輪的過多的排氣能量驅動。在此情況下，渦輪液壓泵將是渦輪增壓器軸20中的另外的輪。渦輪液壓泵可以用于回收部分過剩排氣能量，回收的該部分過剩排氣能量接著被用于在發(fā)動機加速期間驅動液壓渦輪以減少發(fā)動機泵送損耗因此改善了車輛燃油經濟性。液壓泵和液壓渦輪的開動可以由流體控制從而避免了機械連接。液壓能量存儲可以進一步包括液體和氣體。這種情況下可以利用來自液壓泵的流體加壓氣體，從而改善能量存儲的效率。應當指出，在常規(guī)渦輪增壓發(fā)動機中，發(fā)動機和渦輪增壓器相互獨立地工作。“缺乏同步”引起了壓縮器在瞬時運行期間以較低效率運行并且推動渦輪以低速比(U/C)工作(即低效率區(qū)間)。操縱液壓泵和渦輪提供了與發(fā)動機運行工況“同步”的措施，以保證壓縮器和渦輪工作在更窄但是更有效率的區(qū)間。液壓控制的渦輪增壓器可以獨立于發(fā)動機工況控制氣流，因此排除了對渦輪增壓汽油和柴油發(fā)動機的進氣節(jié)流的需求。任何過多的液壓能量(例如在節(jié)流模式，電機或者制動模式期間)可以與發(fā)動機能量結合并經由液壓、電動或者機械變速器輸出為渦輪復合能量，以進一步改善燃油經濟性。已經說明了本發(fā)明的多個實施方式，例如，替代使用流體驅動輪，人們可以使用電機驅動輪以產生加速和減速的扭矩分量。然而，應當理解可以在不脫離本發(fā)明的精神以及范圍的情況下作出多種變形。相應地，其他實施方式在權利要求的范圍之內。
權利要求
1.一種渦輪增壓內燃發(fā)動機，包括 控制單兀； 與所述渦輪增壓器相連的裝置，其響應于來自所述控制單元的加速信號輔助所述渦輪增壓器的加速，以及響應于來自所述控制單元的減速信號輔助減速所述渦輪增壓器。
2.如權利要求I所述的渦輪增壓內燃發(fā)動機，其中所述裝置響應于來自所述發(fā)動機控制單元的減速信號吸收來自所述渦輪增壓器的能量以減速所述渦輪增壓器。
3.如權利要求I所述的渦輪增壓內燃發(fā)動機，其中所述裝置包括與所述渦輪增壓器的渦輪和壓縮器同軸并且位于所述渦輪增壓器的渦輪和壓縮器之間的一個或者多個輪，所述一個或多個輪響應于所述加速信號被驅動以輔助渦輪增壓器加速，或者響應于所述減速信號被驅動以吸收來自所述渦輪增壓器軸的能量。
4.如權利要求2所述的渦輪增壓內燃發(fā)動機，其中所述裝置包括與所述渦輪增壓器的渦輪和壓縮器同軸并位于所述渦輪增壓器的渦輪和壓縮器之間的一個或者多個輪，所述一個或者多個輪響應于所述加速信號被驅動以輔助所述渦輪增壓器加速，或者響應于所述減速信號被驅動以吸收來自所述渦輪增壓器軸的能量。
5.如權利要求3所述的渦輪增壓內燃發(fā)動機，其中所述一個或者多個輪為液壓運轉輪。
6.如權利要求4所述的渦輪增壓內燃發(fā)動機，其中所述一個或者多個輪為液壓運轉輪。
7.如權利要求I所述的渦輪增壓內燃發(fā)動機，其中所述裝置包括用于加速所述渦輪增壓器的液壓運轉渦輪以及用于吸收能量而減速所述渦輪增壓器的液壓運轉泵。
8.如權利要求I所述的渦輪增壓內燃發(fā)動機，其中所述裝置包括可逆液壓運轉渦輪栗。
9.一種系統(tǒng),包括 內燃發(fā)動機； 與所述發(fā)動機相連的渦輪增壓器，包括 壓縮器； 渦輪； 連接在所述壓縮器和所述渦輪之間的軸； 位于所述軸上的一個或多個輪； 用于產生加速信號或者減速信號的控制單元； 響應于所述加速信號運轉所述一個或者多個輪以加速所述渦輪增壓器轉動或者響于所述減速信號運轉所述一個或者多個輪以減速所述渦輪增壓器轉動的驅動系統(tǒng)。
全文摘要
渦輪增壓內燃發(fā)動機包括發(fā)動機控制單元和與渦輪增壓器相連的裝置，其響應于來自發(fā)動機控制系統(tǒng)的加速信號輔助渦輪增壓器的加速并響應于來自發(fā)動機控制單元的減速信號減速渦輪增壓器。裝置響應于來自發(fā)動機控制單元的減速信號從渦輪增壓器吸收能量以減速渦輪增壓器。該裝置包括位于渦輪增壓器的渦輪和壓縮器的相同軸上并位于渦輪增壓器的渦輪和壓縮器之間的一個或者多個液壓輪，該一個或多個液壓輪響應于加速信號被驅動以輔助渦輪增壓器的加速或者響應于減速信號被驅動以從渦輪增壓器軸吸收能量。
文檔編號F02B37/04GK102628396SQ20121002340
公開日2012年8月8日 申請日期2012年2月2日 優(yōu)先權日2011年2月3日
發(fā)明者F·扎法爾·謝赫, 大衛(wèi)·R·漢納, 孫惠民, 艾瑞克·沃倫·柯蒂斯, 邁克爾·萊文 申請人:福特環(huán)球技術公司