Система регенерации энергии для двигателя внутреннего сгорания

Авторы патента:


 

Предложены варианты осуществления для расположения турбогенератора в перепускном протоке компрессора. В одном из примеров, способ для двигателя, содержащего компрессор, включает в себя этап, на котором производят энергию посредством турбогенератора, расположенного в перепускном протоке компрессора. Таким образом, энергия подвергнутого рециркуляции всасываемого воздуха может регенерироваться турбогенератором.

(Фиг.1)

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ПОЛЕЗНАЯ МОДЕЛЬ

Настоящая полезная модель относится к двигателю внутреннего сгорания.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Турбонаддув двигателя предоставляет двигателю возможность выдавать мощность, подобную мощности двигателя с большим рабочим объемом. Таким образом, турбонаддув может расширять рабочую зону двигателя. Турбонагнетатели действуют посредством сжатия всасываемого воздуха в компрессоре посредством турбины, приводимой в действие потоком выхлопных газов. В определенных условиях, скорость потока и коэффициент давления на компрессоре могут флуктуировать до уровней, которые могут иметь следствием шумовые возмущения, а в более серьезных случаях, проблемы неисправной работы и ухудшение характеристик компрессора.

Такой всплеск колебаний (помпаж) компрессора может ослабляться посредством одного или более перепускных клапанов компрессора (CBV), расположенных на впуске (см. например, US 7,529,614, опубликована 05.05.2009). CBV могут осуществлять рециркуляцию сжатого воздуха с выпуска компрессора на впуск компрессора. Однако, авторы в материалах настоящего описания выявили, что рециркуляция сжатого воздуха может тратить впустую энергию, используемую для сжатия воздуха, приводя к ухудшенной экономии топлива в некоторых условиях.

СУЩНОСТЬ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ

Соответственно, для преодоления обозначенных проблем была предложена система регенерации энергии для двигателя внутреннего сгорания, содержащая:

перепускной канал компрессора для рециркуляции сжатого всасываемого воздуха с выпуска компрессора турбонагнетателя на впуск компрессора турбонагнетателя;

турбину, расположенную в протоке подвергнутого рециркуляции сжатого всасываемого воздуха; и

устройство преобразования энергии, присоединенное к турбине.

В одном из вариантов предложена система, дополнительно содержащая клапан, расположенный в перепускном канале компрессора.

В одном из вариантов предложена система, в которой турбина расположена в канале турбины, присоединенном к перепускному каналу компрессора.

В одном из вариантов предложена система, дополнительно содержащая контроллер, выполненный с возможностью регулирования клапана в первое положение, чтобы направлять по меньшей мере часть подвергнутого рециркуляции сжатого всасываемого воздуха через турбину и на впуск компрессора.

В одном из вариантов предложена система, в которой контроллер выполнен с возможностью регулирования клапана во второе положение, чтобы направлять подвергнутый рециркуляции сжатый всасываемый воздух через перепускной канал компрессора и блокировать подвергнутый рециркуляции сжатый всасываемый воздух от достижения турбины.

В одном из вариантов предложена система, в которой контроллер выполнен с возможностью закрывания клапана, чтобы блокировать рециркуляцию сжатого всасываемого воздуха и направлять сжатый всасываемый воздух в двигатель.

В одном из вариантов предложена система, в которой контроллер выполнен с возможностью регулирования клапана на основании коэффициента давления и массового расхода воздуха компрессора.

В одном из вариантов предложена система, в которой турбина является первой турбиной, и дополнительно содержащая вторую турбину, расположенную в выпускном тракте двигателя и присоединенную к компрессору через вал.

В одном из вариантов предложена система, в которой устройство преобразования энергии присоединено к аккумуляторной батарее.

Кроме того, предложен способ принятия мер в ответ на потерю энергии, связанную с рециркуляцией сжатого всасываемого воздуха. В одном из примеров, способ двигателя, содержащего компрессор, включает в себя этап, на котором производят энергию посредством турбогенератора, расположенного в перепускном протоке компрессора.

Таким образом, энергия подвергнутого рециркуляции всасываемого воздуха может регенерироваться турбогенератором, расположенным в перепускном протоке компрессора. Поток воздуха через турбогенератор может регулироваться перепускным клапаном компрессора. Типично, перепускной клапан компрессора управляется, чтобы подвергать рециркуляции сжатый воздух, чтобы избегать помпажа. В условиях низкого потока через перепускной клапан компрессора, клапан может управляться, чтобы подвергать рециркуляции воздух через турбогенератор до достижения впуска компрессора. Положение клапана может регулировать массовый расход, которому предоставлена возможность подвергаться рециркуляции вокруг компрессора. Это предоставляет возможность подвергать рециркуляции дозированное количество воздуха, обеспечивая работу компрессора в более благоприятной точке на многомерной характеристике компрессора. В переходных условиях, когда требуются большие количества подвергнутого рециркуляции воздуха, таких как когда впускной дроссель закрывается, клапан может управляться в положение, которое предоставляет воздуху возможность обходить турбину и протекать со стороны высокого давления на сторону низкого давления компрессора через перепускной канал компрессора. Перепускной канал компрессора может быть относительно большим и/или допускать неограниченный поток вокруг компрессора. При действии таким образом, помпаж компрессора может ослабляться в большинстве условий работы наряду с выработкой дополнительной энергии посредством турбогенератора.

Вышеприведенные преимущества и другие преимущества и признаки настоящего описания будут без труда очевидны из последующего подробного описания, когда воспринимаются по отдельности или в связи с прилагаемыми чертежами.

Следует понимать, что сущность полезной модели, приведенная выше, представлена для ознакомления с упрощенной формой подборки концепций, которые дополнительно описаны в подробном описании. Не предполагается идентифицировать ключевые или существенные признаки заявленного предмета полезной модели, объем которой однозначно определен формулой полезной модели, которая сопровождает подробное описание. Более того, заявленный предмет полезной модели не ограничен вариантами осуществления, которые исключают какие-либо недостатки, отмеченные выше или в любой части этого описания.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 показывает схематичное изображение примерного двигателя, включающего в себя турбогенератор, управляемый перепускным клапаном компрессора.

Фиг.2-4 показывают перепускной клапан компрессора по фиг.1 в множестве рабочих положений.

Фиг.5-7 показывают альтернативный вариант осуществления перепускного клапана компрессора в множестве рабочих положений.

Фиг.8 - блок-схема последовательности операций способа, иллюстрирующая процедуру управления для снижения помпажа компрессора согласно варианту осуществления настоящего раскрытия.

Фиг.9 - примерная многомерная характеристика потока компрессора.

фиг.10 - схема, иллюстрирующая примерные интересующие рабочие параметры.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ

Помпаж компрессора может возникать, когда коэффициент давления на компрессоре возрастает относительно массового расхода через компрессор. Помпаж компрессора может приводить к шумовым возмущениям, колебаниям мощности двигателя, а в некоторых условиях, ухудшению работы двигателя. Для борьбы с помпажом компрессора, перепускной клапан компрессора может открываться, чтобы подвергать рециркуляции часть сжатого всасываемого воздуха в выше по потоку от компрессора, таким образом, увеличивая поток через компрессор. Турбина может быть расположена в тракте перепускного потока компрессора. Турбина может быть присоединена к устройству преобразования энергии, такому как генератор. Таким образом, когда перепускной клапан компрессора открыт, подвергнутый рециркуляции воздух может пропускаться через турбину, чтобы вырабатывать энергию в устройстве преобразования энергии.

Система двигателя, включающая в себя компрессор, перепускной клапан компрессора и турбогенератор, проиллюстрирована на фиг.1. Перепускной клапан компрессора может регулироваться в многочисленные положения, проиллюстрированные на фиг.2-7. Система двигателя по фиг.1 также включает в себя контроллер, который может выполнять процедуру, проиллюстрированную на фиг.8, согласно многомерной характеристике, проиллюстрированной на фиг.9. Различные рабочие параметры, наблюдаемые при выполнении процедуры по фиг.8, проиллюстрированы на фиг.10.

Прежде всего, фиг.1 - схематичное изображение, показывающее примерный двигатель 10, который может быть включен в силовую установку автомобиля. Двигатель 10 показан с четырьмя цилиндрами 30. Однако другие количества цилиндров могут использоваться в соответствии с данным раскрытием. Двигатель 10 может управляться, по меньшей мере частично, системой управления, включающей в себя контроллер 12, и входными сигналами от водителя 132 транспортного средства через устройство 130 ввода. В этом примере, устройство 130 ввода включает в себя педаль акселератора и датчик 134 положения педали для формирования пропорционального сигнала PP положения педали. Каждая камера 30 сгорания (например, цилиндр) двигателя 10 может включать в себя стенки камеры сгорания с поршнем (не показан), расположенными в них. Поршни могут быть присоединены к коленчатому валу 40 так, чтобы возвратно-поступательное движение поршня преобразовывалось во вращательное движение коленчатого вала. Коленчатый вал 40 может быть присоединен к по меньшей мере одному ведущему колесу транспортного средства через промежуточную систему трансмиссии (не показана). Кроме того, стартерный электродвигатель может быть присоединен к коленчатому валу 40 через маховик, чтобы давать возможность операции запуска двигателя 10.

Камеры 30 сгорания могут принимать всасываемый воздух из впускного коллектора 44 через впускной канал 42 и могут выпускать газообразные продукты сгорания выхлопных газов через выпускной коллектор 46 в выпускной канал 48. Впускной коллектор 44 и выпускной коллектор 46 могут избирательно сообщаться с камерой 30 сгорания через соответствующие впускные клапаны и выпускные клапаны (не показаны). В некоторых вариантах осуществления, камера 30 сгорания может включать в себя два или более впускных клапанов и/или два или более выпускных клапанов.

Топливные форсунки 50 показаны присоединенными непосредственно к камере 30 сгорания для впрыска топлива непосредственно в нее пропорционально длительности импульса сигнала FPW, принятого из контроллера 12. Таким образом, топливная форсунка 50 обеспечивает то, что известно в качестве непосредственного впрыска топлива в камеру 30 сгорания; однако, следует принимать во внимание, что впрыск во впускной канал также возможен. Топливо может подаваться в топливную форсунку 50 топливной системой (не показана), включающей в себя топливный бак, топливный насос и направляющую-распределитель для топлива.

Впускной канал 42 может включать в себя дроссель 21, имеющий дроссельную заслонку 22 для регулирования потока воздуха во впускной коллектор. В этом конкретном примере, положение дроссельной заслонки 22 может меняться контроллером 12, чтобы давать возможность электронного управления дросселем (ETC). Таким образом, дроссель 21 может приводиться в действие для изменения всасываемого воздуха, подаваемого в камеру 30 сгорания, среди других цилиндров двигателя. В некоторых вариантах осуществления, дополнительные дроссели могут присутствовать во впускном канале 42. Например, как изображено на фиг.1, дополнительный дроссель 23, имеющий дроссельную заслонку 24, расположен выше по потоку от компрессора 60.

Кроме того, в раскрытых вариантах осуществления, система рециркуляции выхлопных газов (EGR) может направлять требуемую порцию выхлопных газов из выпускного канала 48 во впускной канал 42 через канал 140 EGR. Количество EGR, выдаваемой во впускной канал 42, может регулироваться контроллером 12 посредством клапана 142 EGR. В некоторых условиях, система EGR может использоваться для регулирования температуры смеси воздуха и топлива в пределах камеры сгорания. Фиг.1 показывает систему EGR высокого давления, где EGR направляется из выше по потоку от турбины турбонагнетателя в ниже по потоку от компрессора турбонагнетателя. В других вариантах осуществления, двигатель, дополнительно или в качестве альтернативы, может включать в себя систему EGR низкого давления, где EGR направляется из ниже по потоку от турбины турбонагнетателя в выше по потоку от компрессора турбонагнетателя.

Двигатель 10 дополнительно может включать в себя компрессионное устройство, такое как турбонагнетатель или нагнетатель, включающий в себя по меньшей мере компрессор 60, расположенный вдоль впускного коллектора 44. Что касается турбонагнетателя, компрессор 60 может по меньшей мере частично приводиться в действие турбиной 62, например, через вал или другое соединительное устройство. Турбина 62 может быть расположена вдоль выпускного канала 48. Различные компоновки могут быть предусмотрены для приведения в движение компрессора. Что касается нагнетателя, компрессор 60 может по меньшей мере частично приводиться в движение двигателем и/или электрической машиной и может не включать в себя турбину. Таким образом, величина сжатия, обеспечиваемого для одного или более цилиндров двигателя через турбонагнетатель или нагнетатель, может регулироваться контроллером 12.

Кроме того, выпускной канал 48 может включать в себя регулятор 26 давления наддува для отведения выхлопных газов из турбины 62. Дополнительно, перепускной клапан 27 компрессора (CBV), выполненный с возможностью отведения всасываемого воздуха вокруг компрессора 60, может быть расположен в перепускном канале 64 компрессора вокруг компрессора 60. Регулятор 26 давления наддува и/или CBV 27 может управляться контроллером 12, чтобы открываться, например, когда требуется более низкое давление наддува.

Впускной канал 42 может дополнительно включать в себя охладитель 80 наддувочного воздуха (CAC) (например, промежуточный охладитель) для понижения температуры нагнетаемых турбонагнетателем или нагнетателем всасываемых газов. В некоторых вариантах осуществления, охладитель 80 наддувочного воздуха может быть воздушно-воздушным теплообменником. В других вариантах осуществления охладитель 80 наддувочного воздуха может быть воздушно-жидкостным теплообменником. В варианте осуществления, изображенном на фиг.1, CAC 80 расположен вдоль впускного канала 42 между компрессором 60 и впускным коллектором 44, а после компрессора, перепускной канал 64 отделяется от впускного канала 42. Это может обеспечивать, чтобы относительно холодный сжатый всасываемый воздух направлялся в двигатель, наряду с тем, что сжатый всасываемый воздух подвергается рециркуляции обратно на впуск компрессора. Более теплый сжатый воздух может предоставлять возможность для большего распространения воздуха через турбогенератор 63 (подробнее описано ниже), расположенный в протоке рециркуляции компрессора. Однако, в других вариантах осуществления, CAC 80 может быть расположен во впускном канале 42 между компрессором 60 и впускным коллектором 44, но выше по потоку от того места, где перепускной канал 64 компрессора отделяется от впускного канала 42. Таким образом, сжатый всасываемый воздух может охлаждаться до рециркуляции обратно на впуск компрессора, снижая избыточные температуры на выпуске компрессора.

Турбогенератор 63 включает в себя турбину 66, которая приводит в движение вспомогательный генератор 68. Вспомогательный генератор может выдавать заряд в аккумуляторную батарею двигателя в качестве дополнения к зарядке основным генератором с механическим приводом и/или в качестве основного источника зарядки, например, когда основной генератор ухудшает характеристики или становится неисправным.

Турбогенератор 63 использует энергию, которая типично тратится впустую, посредством рециркуляции всасываемого воздуха вокруг компрессора 60. Например, изменение давления на компрессоре 60 может использоваться для направления потока воздуха через турбину 66. Турбина 66 приводит в движение вспомогательный генератор 68, который выдает ток в аккумуляторную батарею 150. В такой конфигурации, общий коэффициент полезного действия системы двигателя может улучшаться, например, так как зарядка аккумуляторной батареи 150 посредством основного генератора с механическим приводом (не показанным) может уменьшаться, а зарядка посредством вспомогательного генератора 68 может увеличиваться в некоторых условиях работы. В других примерах, использование энергии, вырабатываемой в турбогенераторе, вместе с энергией, вырабатываемой основным генератором (например, генератором переменного тока), для зарядки аккумуляторной батареи может снижать нагрузку двигателя и давать выигрыш экономии топлива.

Как изображено, всасываемый воздух протекает через впускной канал 42 и через компрессор 60 до достижения двигателя. Положение CBV может меняться контроллером 12, чтобы менялось количество всасываемого воздуха, подвергнутого рециркуляции вокруг компрессора 60. Перепускной канал 64 компрессора направляет всасываемый воздух из положения ниже по потоку от и вокруг компрессора 60 в положение выше по потоку от компрессора 60. Всасываемый воздух, например, может направляться через перепускной канал 64 компрессора перепадом давления на CBV. CBV 27 может подвергаться модуляции, чтобы регулировать поток сжатого подвергнутого рециркуляции всасываемого воздуха через канал рециркуляции, как описано ниже со ссылкой на фиг.2-4. В некоторых примерах, CBV 27 может быть двухпозиционным клапаном, который открывает и закрывает перепускной канал 64 компрессора. В других примерах, CBV 27 может быть клапаном модуляции потока, который управляет переменной величиной потока воздуха через перепускной канал 64 компрессора. CBV 27 может быть дроссельным клапаном, трехходовым шаровым клапаном, плунжерным или золотниковым клапаном, шиберным клапаном, поворотным клапаном или другим пригодным устройством управления потоком. Кроме того, CBV 27 может приводиться в действие соленоидом, соленоидом с широтно-импульсной модуляцией, электродвигателем DC (постоянного тока), шаговым электродвигателем, вакуумной диафрагмой или тому подобным.

В некоторых условиях, по меньшей мере часть потока воздуха, направленная через перепускной канал 64 компрессора, может проходить через турбину 66. Турбина 66 вращает вспомогательный генератор 68 посредством энергии, извлекаемой из потока воздуха. Вспомогательный генератор 68 вырабатывает ток, который подается в аккумуляторную батарею 150. Аккумуляторная батарея 150 может обеспечивать электропитание для различных компонентов электрической системы транспортного средства, в котором расположен двигатель 10, таких как фары, насосы, вентиляторы, впрыск топлива, зажигание, кондиционирование воздуха, и тому подобное. Аккумуляторная батарея 150, кроме того, может заряжаться основным генератором, который механически приводится в движение двигателем 10. Несмотря на то, что фиг.1 иллюстрировала турбину 66, присоединенную к генератору, возможны другие конфигурации. Например, турбина 66 может быть присоединена к другому устройству преобразования энергии, такому как генератор переменного тока.

CBV 27 может направлять часть, всю полноту или никакую часть потока воздуха, выходящего из компрессора 60, через перепускной канал 64 компрессора. Например, когда CBV 27 закрыт, весь поток воздуха, выходящий из компрессора 60, может направляться в двигатель. Когда открыт, по меньшей мере часть потока воздуха, выходящего из компрессора 60, может направляться через перепускной канал 64 компрессора.

CBV 27 дополнительно может регулировать поток воздуха через турбину 66. Как показано на фиг.1, канал 70 турбины может быть присоединен к перепускному каналу 64 компрессора. В условиях низкого потока в перепускной канал 64 компрессора, воздух, выходящий из компрессора 60, может направляться через канал 70 турбины и турбину 66, вырабатывая электричество посредством генератора 88, которое должно накапливаться в аккумуляторной батарее 150. В условиях высокого потока в перепускной канал 64 компрессора, воздух, выходящий из компрессора 60, может направляться через перепускной канал 64 компрессора без пропускания через канал 70 турбины. Чтобы направлять воздух через канал 70 турбины в некоторых условиях и блокировать воздух от канала 70 турбины в других условиях, CBV 27 может быть выполнен в виде трехходового клапана. В полностью открытом положении, сжатый всасываемый воздух может блокироваться от прохождения через перепускной канал 64 компрессора и может направляться в двигатель. В первом открытом положении, часть сжатого всасываемого воздуха может направляться через канал 70 турбины. Во втором открытом положении, часть сжатого всасываемого воздуха может направляться через перепускной канал 64 компрессора.

Контроллер 12 показан на фиг.1 в качестве микрокомпьютера, включающего в себя микропроцессорный блок 102, порты 104 ввода/вывода, электронный запоминающий носитель для исполняемых программ и калибровочных значений, показанный в качестве микросхемы 106 постоянного запоминающего устройства в этом конкретном примере, оперативное запоминающее устройство 108, энергонезависимую память 110 и шину данных. Контроллер 12 может принимать различные сигналы с датчиков, присоединенных к двигателю 10, для выполнения различных функций для работы двигателя 10, в дополнение к тем сигналам, которые обсуждены ранее, в том числе, измерение вводимого массового расхода воздуха (MAF) с датчика 120 массового расхода воздуха; температуру хладагента двигателя (ECT) с датчика 112 температуры, схематично показанного в одном месте в пределах двигателя 10; сигнал профильного считывания зажигания (PIP) с датчика 118 на эффекте Холла (или другого типа), присоединенного к коленчатому валу 40; положение дросселя (TP) с датчика положения дросселя, как обсуждено; и сигнал абсолютного давления в коллекторе, MAP, с датчика 122, как обсуждено. Сигнал скорости вращения двигателя, RPM, может формироваться контроллером 12 из сигнала PIP. Сигнал давления в коллекторе, MAP, с датчика давления в коллекторе может использоваться для выдачи указания разряжения или давления во впускном коллекторе 44. Отметим, что могут использоваться различные комбинации вышеприведенных датчиков, такие как датчик MAF без датчика MAP, или наоборот. Во время стехиометрической работы, датчик MAP может давать показание крутящего момента двигателя. Кроме того, этот датчик, наряду с выявленной скоростью вращения двигателя, может давать оценку заряда (включающего в себя воздух), введенного в цилиндр. В одном из примеров, датчик 118, который также используется в качестве датчика скорости вращения двигателя, может вырабатывать заданное количество равноразнесенных импульсов каждый оборот коленчатого вала 40.

Другие датчики, которые могут отправлять сигналы в контроллер 12, включают в себя датчик 124 температуры на выпуске охладителя 80 наддувочного воздуха и датчик 126 давления наддува. Датчик 126 давления наддува может быть расположен выше по потоку от CAC 80, как изображено, или может быть расположен ниже по потоку от CAC 80, и может быть комбинированным датчиком давления/температуры в некоторых вариантах осуществления. Другие не изображенные датчики также могут присутствовать, такие как датчик для определения скорости всасываемого воздуха на впуске охладителя наддувочного воздуха, и другие датчики. В некоторых примерах, постоянное запоминающее устройство 106 запоминающего носителя может быть запрограммировано машиночитаемыми данными, представляющими команды, исполняемые процессором 102 для выполнения способов, описанных ниже, а также вариантов, которые предвосхищены, но специально не перечислены.

Несмотря на то, что фиг.1 изображает одиночный компрессор, в некоторых вариантах осуществления, могут присутствовать два или более компрессоров. Например, два компрессора могут работать параллельно. В таких случаях, только один из компрессоров может иметь перепускной проток компрессора, который включает в себя турбогенератор. Однако, в других вариантах осуществления, оба компрессора могут включать в себя турбогенераторы в своих соответствующих перепускных протоках.

Фиг.2-4 иллюстрируют CBV 27 по фиг.1 в многообразии рабочих положений. Как изображено на фиг.1 и 2-4, CBV 27 может быть клапаном дроссельного типа. CBV может быть расположен на пересечении перепускного канала 64 компрессора и канала 70 турбины. Таким образом, положение CBV может диктовать, сколько сжатого всасываемого воздуха, если это имеет место, протекает через турбину 66. Фиг.2 иллюстрирует CBV 27 в полностью закрытом положении. В этом положении, по существу весь сжатый воздух блокируется от перепускного канала 64 компрессора и взамен направляется в двигатель. CBV 27 может закрываться, например, когда компрессор не является работающим в области помпажа, или когда требуются высокие величины наддува.

Фиг.3 иллюстрирует CBV 27 в первом открытом положении. В первом открытом положении, край CBV может сопрягаться с дальним краем канала 70 турбины, где он пересекается с перепускным каналом 64 компрессора. Это открывает канал 70 турбины, предоставляя возможность подвергать рециркуляции сжатый воздух с выпуска компрессора на впуск компрессора через турбину 66. Однако перепускной канал 64 компрессора может оставаться заблокированным, чтобы по существу весь подвергнутый рециркуляции воздух направлялся через турбину.

Фиг.4 иллюстрирует CBV 27 во втором открытом положении. Во втором открытом положении CBV может быть по ту сторону от сопряжения с каналом 70 турбины. Например, как проиллюстрировано на фиг.4, CBV может полностью открываться. Как результат, подвергнутый рециркуляции воздух может проходить через перепускной канал 64 компрессора на своем пути с выпуска компрессора на впуск компрессора. В зависимости от положения CBV, по существу весь подвергнутый рециркуляции воздух может проходить через перепускной канал 64 компрессора, не проходя через турбину 66. Однако некоторое количество подвергнутого рециркуляции воздуха может проходить через турбину 66, даже когда CBV находится во втором положении.

Несмотря на то, что фиг.2-4 иллюстрируют CBV 27 в закрытом положении, либо в первом или втором открытом положении, следует понимать, что CBV может регулироваться на многообразие положений. Например, CBV может быть непрерывно регулируемым клапаном, который является регулируемым на почти бесконечное количество уровней ограничения. По существу, CBV может считаться находящимся в первом открытом положении, когда клапан открыт за пределы полностью закрытого положения, проиллюстрированного на фиг.2, но все еще не открыт за положение, проиллюстрированное на фиг.3. CBV может быть во втором открытом положении, когда открывается за положение, проиллюстрированное на фиг.3. Кроме того, положение CBV может регулировать количество воздуха, который подвергается рециркуляции через турбину. Таким образом, дозированное количество всасываемого воздуха может направляться через турбину на основании положения CBV.

Фиг.5-7 иллюстрируют еще один пример перепускного клапана компрессора. CBV 127 может быть трехходовым клапаном, который является регулируемым только в три положения. В закрытом положении, проиллюстрированном на фиг.5, CBV 127 может блокировать рециркуляцию сжатого всасываемого воздуха, чтобы сжатый всасываемый воздух направлялся в двигатель. В первом положении, проиллюстрированном на фиг.6, по существу весь подвергнутый рециркуляции всасываемый воздух может направляться через турбину 66. Во втором положении, проиллюстрированном на фиг.7, по существу весь подвергнутый рециркуляции всасываемый воздух может направляться через перепускной канал 64 компрессора, и воздух может блокироваться от достижения турбины 66.

Системы, проиллюстрированные в материалах настоящего описания, предусматривают систему, содержащую перепускной канал компрессора для рециркуляции сжатого всасываемого воздуха с выпуска компрессора турбонагнетателя на впуск компрессора турбонагнетателя; турбину, расположенную в протоке подвергнутого рециркуляции сжатого всасываемого воздуха; и устройство преобразования энергии, присоединенное к турбине.

Система может включать в себя клапан, расположенный в перепускном канале компрессора. Турбина может быть расположена в канале турбины, присоединенном к перепускному каналу компрессора. Система дополнительно может включать в себя контроллер, выполненный с возможностью регулировать клапан в первое положение, чтобы направлять по меньшей мере часть подвергнутого рециркуляции сжатого всасываемого воздуха через турбину и на впуск компрессора.

Контроллер может быть выполнен с возможностью регулирования клапана во второе положение, чтобы направлять подвергнутый рециркуляции сжатый всасываемый воздух через перепускной канал компрессора и блокировать подвергнутый рециркуляции сжатый всасываемый воздух от достижения турбины. Контроллер может быть выполнен с возможностью закрывания клапана, чтобы блокировать рециркуляцию сжатого всасываемого воздуха и направлять сжатый всасываемый воздух в двигатель. Контроллер может быть выполнен с возможностью регулирования клапана на основании коэффициента давления и массового расхода воздуха компрессора.

Турбина может быть первой турбиной, а система дополнительно может содержать вторую турбину, расположенную в выпускном тракте двигателя и присоединенную к компрессору через вал. Устройство преобразования энергии может быть присоединено к аккумуляторной батарее. В одном из примеров, устройство преобразования энергии может быть генератором.

Фиг.8 иллюстрирует примерную процедуру 400 управления для регулировки перепускного клапана компрессора, такого как CBV 27, чтобы предотвращать помпаж на компрессоре (например, компрессоре 60). Процедура 400 может выполняться контроллером 12. На этапе 401, процедура 400 направляет сжатый всасываемый воздух в двигатель. В зависимости от текущего положения CBV, весь сжатый всасываемый воздух может направляться в двигатель (когда клапан закрыт), или часть сжатого всасываемого воздуха может направляться в двигатель (если клапан открыт, часть сжатого всасываемого воздуха подвергается рециркуляции обратно на впуск компрессора). На этапе 402, определяют массовый расход воздуха через компрессор, требуемый для избежания помпажа. Расход для избежания помпажа может оцениваться на основании определенного расхода на впускном воздушном дросселе двигателя (таком как дроссель 21). Массовый расход через дроссель, который может определяться датчиком, таким как датчик 122, может использоваться для определения потока через каждый компрессор, в условиях установившегося состояния. Массовый расход воздуха через компрессор для избежания помпажа, , может определяться на основании уравнения:

где - массовый расход через компрессор, а - массовый расход через компрессор на линии помпажа. Массовый расход через компрессор на линии помпажа может определяться по многомерной регулировочной характеристике, хранимой в контроллере, и может быть основан на коэффициенте давления на компрессоре.

Примерная многомерная регулировочная характеристика 500 изображена на фиг.9. Скорость потока через компрессор изображена по оси x наряду с тем, что коэффициент давления компрессора изображен по оси y. Примерная линия помпажа указана линией 502. Координаты давления-расхода слева от линии 502 помпажа находятся в области 504 помпажа, где условия имеют достаточно низкий поток и достаточно высокое давление, чтобы вызывать помпаж компрессора. Несмотря на то, что одна линия помпажа изображена на фиг.9, могут использоваться многочисленные линии помпажа. Например, линия мягкого помпажа может быть расположена справа от линии 502 помпажа, которая может указываться ссылкой как линия жесткого помпажа. Координаты давления-расхода между линией мягкого помпажа и линией жесткого помпажа могут не вызывать помпажа, но могут быть достаточно близкими к линии жесткого помпажа, на которой изменения рабочих параметров (например, событие нажатия педали акселератора) могут вызывать помпаж компрессора, а таким образом, различные рабочие параметры (такие как регулировка для CBV) могут регулироваться, когда компрессор является работающим в этой области. Кроме того, в некоторых примерах, местоположение одной или более линий помпажа может быть зависящим от рабочих параметров. Например, линия мягкого помпажа может быть расположена относительно близко к линии жесткого помпажа при более низких коэффициентах давления, но расположена существенно правее линии жесткого помпажа при более высоких коэффициентах давления.

В одном из примеров, при коэффициенте давления 2,5 и расходе 5 фунтов массы/минуту, указанных точкой 506, может возникать помпаж. Для избежания помпажа, скорость потока через компрессор может увеличиваться для достижения линии помпажа, например, она может увеличиваться на приблизительно с 4 фунтов массы/минуту до 9 фунтов массы/минуту, чтобы избегать помпажа. Для увеличения потока через компрессор, CBV может открываться, как пояснено ниже.

Возвращаясь на этап 402 по фиг.8, если расход на дросселе меньше, чем расход на линии помпажа, компрессор является работающим в области помпажа. Для снижения помпажа, расход через компрессор может повышаться посредством открывания CBV. Кроме того, если компрессор является работающим возле линии помпажа, и спрогнозировано, что должен входить в область помпажа в будущем рабочем состоянии (таком как кратковременное отпускание педали акселератора), расход через компрессор может проактивно увеличиваться, чтобы избегать будущего события помпажа.

На этапе 404 определяют, равен ли нулю . Если равен нулю, никакие регулировки в отношении положения CBV не нужны для избежания помпажа, и таким образом, процедура 400 управления переходит на этап 406, чтобы поддерживать CBV в его текущем положении, и процедура 400 осуществляет возврат.

Если не равен нулю, процедура 400 переходит на этап 408, на котором определяют поток через компрессор, который необходим, чтобы избегать помпажа (), и на основании этой величины потока, определяют положение CBV, чтобы обеспечивать требуемый поток для избежания помпажа. Положение CBV и, таким образом, величина открывания или поперечное сечение отверстия, А, могут определяться уравнением течения через эталонное отверстие:

где - поток через CBV для избежания помпажа (который может быть равным в некоторых вариантах осуществления), C = коэффициент постоянной потока через отверстие, A = площадь поперечного сечения отверстия, = плотность текучей среды, P1 = давление выше по потоку от CBV, и P2 = давление ниже по потоку от CBV.

На этапе 410, CBV регулируют для обеспечения указанной величины потока. В некоторых вариантах осуществления, это может включать в себя увеличение открывания CBV, наряду с тем, что, в других вариантах осуществления, оно может включать в себя уменьшение открывания CBV. Если меньше, чем первое пороговое значение, например, если равен нулю вследствие CBV, предварительно открываемого для уменьшения помпажа, но массовый расход через компрессор является изменяющимся, а компрессор больше не является работающим около линии помпажа, CBV может закрываться, как указано на этапе 412. Когда CBV закрыт, по существу весь сжатый всасываемый воздух направляется в двигатель, и блокируется от рециркуляции вокруг компрессора.

Если больше, чем первое пороговое значение, но меньше, чем второе пороговое значение, энергия может вырабатываться посредством перепускного потока компрессора посредством турбогенератора, как указано на этапе 414. Как пояснено ранее, в условиях более низкого перепускного потока компрессора, таких как когда компрессор является работающим около линии помпажа, перепускной поток компрессора может направляться через турбогенератор. Энергия, вырабатываемая турбогенератором, например, может накапливаться в аккумуляторной батарее транспортного средства или использоваться для питания одного или более электрических компонентов транспортного средства. Чтобы осуществлять поток по меньшей мере части сжатого всасываемого воздуха через турбину, CBV может регулироваться в первое положение. Первое положение может открывать канал турбины, присоединенный к перепускному каналу компрессора, предоставляя сжатому воздуху возможность протекать через турбину. Первое положение может быть положением CBV, проиллюстрированным на фиг.3 или 6. Первое положение может быть дискретным положением CBV, например, если CBV является трехходовым клапаном, как проиллюстрировано на фиг.6. Однако, в других примерах, первое положение может включать в себя диапазон положений клапана CBV, в котором всасываемому воздуху предоставлена возможность протекать через турбину, как проиллюстрировано на фиг.3.

При более высоких перепускных расходах компрессора, поток через турбину может повышать давление воздуха в перепускном канале компрессора, и таким образом, может препятствовать эффективному подавлению помпажа. Таким образом, как указано на этапе 416, если больше, чем второе пороговое значение, сжатый всасываемый воздух может подвергаться рециркуляции в выше по потоку от компрессора через перепускной канал компрессора без пропускания через турбину. CBV может регулироваться во второе положение, что присоединяет выпуск компрессора к впуску компрессора через перепускной канал компрессора. Это положение по-прежнему может предоставлять возможность небольшой величины потока через турбину (как, например, проиллюстрировано на фиг.4) или может по существу блокировать поток через турбину (как проиллюстрировано на фиг.7). Второе положение может быть дискретным положением, которое направляет воздух через перепускной канал, но не в турбину, или оно может включать в себя диапазон положений.

Первое и второе пороговые значения могут быть пригодными пороговыми значениями, основанными на потоке воздуха, требуемом для снижения помпажа компрессора. Первое пороговое значение может быть нулевым или другим пригодным низким потоком через перепускной канал компрессора. Второе пороговое значение может быть большим расходом, чем первый расход, и может быть основано на коэффициенте давления на турбине турбогенератора, а также тех случаях, когда компрессор является работающим на многомерной характеристике помпажа. Например, если падение давления на турбине достаточно велико, чтобы поддерживать или выталкивать компрессор в область помпажа, то CBV может регулироваться так, чтобы сжатый воздух проходил через перепускной канал компрессора вместо турбины. При переходном событии, таком как при переходном закрытии дросселя, высокая величина рециркуляции компрессора может быть показана, чтобы избежать помпажа. Таким образом, CBV может регулироваться, чтобы осуществлять поток сжатого воздуха через перепускной канал вместо турбины, когда закрывается дроссель.

Фиг.10 - схема 600, показывающая примерные рабочие параметры, например, которые могут возникать при выполнении процедуры 400. Схема 600 иллюстрирует примерные отношение коэффициента давления к расходу компрессора, положение перепускного клапана компрессора и поток турбогенератора в многообразии условий работы. Для каждого проиллюстрированного рабочего параметра, время проиллюстрировано на горизонтальной оси, а значения соответствующих рабочих параметров проиллюстрированы на вертикальной оси.

Кривая 602 иллюстрирует отношение коэффициента давления к массовому расходу компрессора, указываемое ссылкой на фиг.10 как коэффициент расхода компрессора. Коэффициент расхода компрессора, как проиллюстрировано на вертикальной оси, начинается с нуля и возрастает в направлении максимального коэффициента. Проиллюстрированы два пороговых уровня коэффициента расхода, первое пороговое значение (T1 ) и второе пороговое значение (Т2). Ниже первого порогового значения, коэффициент находится ниже линии помпажа компрессора. Например, возвращаясь к многомерной характеристике расхода компрессора, проиллюстрированной на фиг.9, приблизительно все точки на многомерной характеристике расхода ниже отношения 1:4 коэффициента давления к массовому расходу воздуха, не находятся в пределах проиллюстрированной области помпажа.

При работе вне области помпажа, смягчение помпажа не нужно, и таким образом, перепускной клапан компрессора, проиллюстрированный кривой 604, закрывается. Однако в момент t1 времени, коэффициент давления компрессора возрастает относительно массового расхода воздуха, и коэффициент расхода возрастает выше первого порогового значения. Это может происходить вследствие события переходной работы двигателя, например, такой как нажатие или отпускание педали акселератора. Когда коэффициент расхода находится выше первого порогового значения, компрессор может быть работающим в области помпажа, и таким образом, перепускной клапан компрессора может открываться для уменьшения или избегания помпажа.

Когда коэффициент расхода находится выше первого порогового значения, но ниже второго порогового значения, как проиллюстрировано в момент t1 времени по кривой 602, часть сжатого всасываемого воздуха может подвергаться рециркуляции обратно на впуск компрессора через турбогенератор. Чтобы добиваться этого, перепускной клапан компрессора может открываться в момент t1 времени (и проиллюстрированный на кривой 604) в первое положение, которое предоставляет подвергнутому рециркуляции воздуху возможность протекать через турбогенератор до достижения впуска компрессора. Как результат, поток через турбину возрастает, как проиллюстрировано кривой 606. Поток через турбину вызывает выработку энергии в генераторе, присоединенном к турбине, которая например, может накапливаться в аккумуляторной батарее.

После того, как перепускной клапан компрессора открывается в первое положение, коэффициент расхода компрессора возвращается ниже первого порогового значения. Как результат, клапан закрывается, и поток через турбогенератор блокируется. Однако в момент t2 времени, дроссель может закрываться, или может происходить другое большое переходное событие, вызывая большое увеличение коэффициента расхода компрессора. По существу, после момента t2 времени, коэффициент расхода компрессора находится выше второго порогового значения. На этом уровне, большие величины рециркуляции могут быть необходимы для снижения или избегания помпажа. Перепускной клапан компрессора, таким образом, открывается во второе положение, которое рециркулирует часть сжатого всасываемого воздуха обратно на впуск компрессора. Второе положение может подвергать рециркуляции воздух по существу без пропускания через турбогенератор. Однако небольшое количество воздуха может по-прежнему проходить через генератор, вызывая небольшое увеличение потока через турбогенератор, как проиллюстрировано на кривой 606.

Таким образом, в одном из примеров, способ для двигателя, содержащего компрессор, включает в себя этап, на котором производят энергию посредством турбогенератора, расположенного в перепускном протоке компрессора. Выработка энергии посредством турбогенератора дополнительно может содержать направление по меньшей мере части подвергнутого рециркуляции сжатого всасываемого воздуха через турбогенератор.

Способ может включать в себя этап, на котором осуществляют регулировку перепускного клапана компрессора для рециркуляции сжатого всасываемого воздуха с выпуска компрессора на впуск компрессора. Направление по меньшей мере части подвергнутого рециркуляции сжатого всасываемого воздуха через турбогенератор дополнительно может содержать регулировку перепускного клапана компрессора на первое положение. Первое положение может быть дискретным положением или оно может быть диапазоном положений. В первом положении, подвергнутый рециркуляции сжатый всасываемый воздух может направляться через турбогенератор.

Способ может включать в себя этап, на котором осуществляют регулировку перепускного клапана компрессора во второе положение, чтобы подвергать рециркуляции сжатый всасываемый воздух с выпуска компрессора на впуск компрессора, не направляя сжатый всасываемый воздух через турбогенератор. Второе положение может быть дискретным положением или оно может быть диапазоном положений. Во втором положении, подвергнутый рециркуляции сжатый всасываемый воздух может направляться через перепускной канал компрессора, а не турбогенератор. Способ дополнительно может включать в себя закрывание перепускного клапана компрессора, чтобы блокировать рециркуляцию сжатого всасываемого воздуха.

В еще одном примере, способ для двигателя, содержащего компрессор, включает в себя этапы, на которых направляют всасываемый воздух через компрессор и в двигатель; и в выбранных условиях, осуществляют рециркуляцию по меньшей мере части всасываемого воздуха из ниже по потоку от компрессора в выше по потоку от компрессора через турбогенератор, расположенный в перепускном протоке компрессора.

Рециркуляция по меньшей мере части всасываемого воздуха из ниже по потоку от компрессора в выше по потоку от компрессора через турбогенератор дополнительно может содержать открывание перепускного клапана компрессора в первое положение. Выбранные условия содержат отношение коэффициента давления компрессора к массовому расходу воздуха, находящееся выше первого порогового значения и ниже второго порогового значения.

Способ может включать в себя, когда отношение находится выше второго порогового значения, открывание перепускного клапана компрессора во второе положение, чтобы подвергать рециркуляции по меньшей мере часть всасываемого воздуха из ниже по потоку от компрессора в выше по потоку от компрессора, не пропуская через турбогенератор. Способ может включать в себя, когда отношение находится ниже первого порогового значения, закрывание перепускного клапана компрессора, чтобы направлять всасываемый воздух из ниже по потоку от компрессора в двигатель.

Следует принимать во внимание, что конфигурации и способы, раскрытые в материалах настоящего описания, являются примерными по сути, и что эти специфичные варианты осуществления не должны рассматриваться в ограничительном смысле, так как возможны многочисленные варианты. Например, вышеприведенная технология может быть применена к типам двигателя V6, I-4, I-6, V-12, оппозитному 4-цилиндровому и другим типам двигателя. Предмет настоящего раскрытия включает в себя все новейшие и неочевидные комбинации и подкомбинации различных систем и конфигураций, и другие признаки, функции и/или свойства, раскрытые в материалах настоящего описания.

Последующая формула полезной модели подробно указывает некоторые комбинации и подкомбинации, рассматриваемые в качестве новейших и неочевидных. Эти пункты формулы полезной модели могут указывать ссылкой на элемент в единственном числе либо «первый» элемент или его эквивалент. Следует понимать, что такие пункты формулы полезной модели включают в себя объединение одного или более таких элементов, не требуя и не исключая двух или более таких элементов. Другие комбинации и подкомбинации раскрытых признаков, функций, элементов и/или свойств могут быть заявлены формулой полезной модели посредством изменения настоящей формулы полезной модели или представления новой формулы полезной модели в этой или родственной заявке. Такая формула полезной модели, более широкая, более узкая, равная или отличная по объему по отношению к исходной формуле полезной модели, также рассматривается в качестве включенной в предмет полезной модели настоящего раскрытия.

1. Система регенерации энергии для двигателя внутреннего сгорания, содержащая:

перепускной канал компрессора для рециркуляции сжатого всасываемого воздуха с выпуска компрессора турбонагнетателя на впуск компрессора турбонагнетателя;

турбину, расположенную в протоке подвергнутого рециркуляции сжатого всасываемого воздуха; и

устройство преобразования энергии, присоединенное к турбине.

2. Система по п.1, дополнительно содержащая клапан, расположенный в перепускном канале компрессора.

3. Система по п.2, в которой турбина расположена в канале турбины, присоединенном к перепускному каналу компрессора.

4. Система по п.2, дополнительно содержащая контроллер, выполненный с возможностью регулирования клапана в первое положение, чтобы направлять по меньшей мере часть подвергнутого рециркуляции сжатого всасываемого воздуха через турбину и на впуск компрессора.

5. Система по п.4, в которой контроллер выполнен с возможностью регулирования клапана во второе положение, чтобы направлять подвергнутый рециркуляции сжатый всасываемый воздух через перепускной канал компрессора и блокировать подвергнутый рециркуляции сжатый всасываемый воздух от достижения турбины.

6. Система по п.4, в которой контроллер выполнен с возможностью закрывания клапана, чтобы блокировать рециркуляцию сжатого всасываемого воздуха и направлять сжатый всасываемый воздух в двигатель.

7. Система по п.4, в которой контроллер выполнен с возможностью регулирования клапана на основании коэффициента давления и массового расхода воздуха компрессора.

8. Система по п.1, в которой турбина является первой турбиной, дополнительно содержащая вторую турбину, расположенную в выпускном тракте двигателя и присоединенную к компрессору через вал.

9. Система по п.1, в которой устройство преобразования энергии присоединено к аккумуляторной батарее.

РИСУНКИ



 

Похожие патенты:
Наверх