發動機組件的製作方法
2023-04-24 14:04:31 1
發動機組件的製作方法
【專利摘要】本發明提供一種發動機組件，包括：發動機控制單元；具有排氣的內燃機；由所述排氣驅動使用的渦輪機；用於存儲由所述渦輪機從所述排氣回收的能量的能量存儲機構；其中，所述發動機控制單元是可操作的以改變所述能量存儲機構中的儲能率。還提供一種混合動力車輛，其包括本發明的發動機組件。本發明在幾乎所有發動機運行狀況下更有效回收能量。
【專利說明】發動機組件
【技術領域】
[0001]本發明涉及採用渦輪複合機的用於混合動力車輛的發動機組件。
【背景技術】
[0002]隨著對全球變暖的日益關注、排放物法規和燃料成本的增加，普遍迫切要求提高內燃機的效率。
[0003]因此引入了混合動力車輛以在車輛減速期間回收能量並用以加速/驅動車輛或通過提供電力需求來對該能量加以利用。然而這會導致成本和重量的大幅增加，同時本發明人注意到這無法回收以其他形式浪費的能量，諸如伴隨著排氣的廢熱。
[0004]W02006/117701公開了一種用於混合動力車輛的發動機單元，其包括安裝在發動機排氣管中的機械連接至發電機的燃氣輪機。例如，被回收的能量可用於驅動電機或壓縮空氣來對發動機增壓。
[0005]US2007/0151241公開了一種內燃機，其包括連接至發電機的排氣輪機以及將產生的電流引導至電動機或儲能器的控制器。因此，相較於引導渦輪機的能量返回曲軸的直接機械聯軸器，要求更有效地利用由渦輪機驅動的發電機產生的電能。
【發明內容】
[0006]根據本發明，提供了一種發動機組件，包括:
[0007]發動機控制單元；
[0008]具有排氣的內燃機；
[0009]在使用中，由所述排氣驅動的渦輪機；
[0010]用於存儲通過所述渦輪機從所述排氣回收的能量的能量存儲機構；
[0011]其中，發動機控制單元是可操作的以改變在能量存儲機構中的儲能率。
[0012]優選地，發動機組件包括將來自所述渦輪機的機械能轉換成電能的發電機。
[0013]優選地,所述發動機控制單元通過改變所述能量存儲機構中的儲能率來控制所述發動機的背壓以控制排氣再循環迴路中排氣的再循環。
[0014]本發明還提供了 一種包括該發動機組件的混合動力車輛。
[0015]優選地，所述車輛用以回收制動時損失的部分能量。
[0016]優選地，通過增加所述能量存儲機構中的儲能率，並將所述發動機移至更高效率的操作點然後至少部分地由所述能量存儲機構運行所述車輛，所述發動機控制單元是可操作的以增加所述發動機上的負載。
[0017]因此，當能量存儲機構中的儲能率是可變的，在渦輪機上遊產生的背壓量也是可變的。通過這種方式，發動機控制單元可控制發動機的多個方面。另外，下遊壓力同樣會受到影響並且可用於控制發動機的其他方面。
[0018]在第一實施例中，可選地替代進氣節氣門，通過經由渦輪機控制發動機的背壓，發動機控制單元如此控制發動機的輸出功率。通過以這種方式減少氣流，而非經由進氣節氣門對氣流進行不可逆地節流，能夠經由渦輪機回收能量。
[0019]在第二實施例中，發動機控制單元如此控制排氣在排氣再循環迴路中的再循環。通常，可變截面渦輪增壓器(VGT)可被操作來產生足夠的壓力以使排氣再循環，或者如果排氣再循環在渦輪增壓器下遊發生，則通常為實現上述目的而使用排氣節氣門。無論怎樣，這樣做都是低效的，本發明的實施例可提供這種壓力增加並回收一些這樣做所需能量(這些能量目前都是被浪費掉的)。使用渦輪複合機來提升整個EGR (排氣再循環)系統的壓力差的方法可在低壓系統和高壓系統中使用。
[0020]高壓EGR迴路通常為這樣一種迴路:氣體再循環從渦輪增壓器渦輪機的上遊開始並且再循環回到渦輪增壓器壓縮機的下遊位置。
[0021]低壓EGR迴路通常為這樣一種迴路:氣體再循環從渦輪增壓器渦輪機(或引起氣體壓力降低的其他裝置)的下遊開始並且再循環回到渦輪增壓器壓縮機(或其他所述裝置)的上遊位置。
[0022]改變能量存儲機構中的儲能率可包括改變渦輪機上的負載。
[0023]能量存儲機構通常為電池，但也可包括諸如電容器或飛輪的任何適當的裝置。
[0024]通常，發電機包括在發動機組件中。對於發動機組件包括發電機的實施例而言，發動機控制單元是可操作的以改變發電機所需電壓，發動機控制單元可改變儲能率並因此改變渦輪機的負載和產生的背壓。US7，812，467中描述了一種改變負載的發電機的實例(其全文結合在本文中作為參考)，其描述的是IC發動機上的電負載控制方法。
[0025]本發明的實施例允許在幾乎所有發動機運行狀況下回收能量。實際上，本發明的發明人已經注意到接近三分之一的發動機能量通常隨著排氣浪費。如上所述，對於本發明的實施例而言，這些能量中的很大比例可以被回收。
[0026]本發明的確定性實施例的優勢在於，它們並非像很多常規混合動力車輛那樣僅在車輛制動時回收廢能，而是當發動機在任何負載下運行時都可以回收廢能。這種能量可用於向車輛提供動力。
[0027]確定性實施例的另一優勢在於，還可能在能量生成的同時經由電動機使用該能量推動車輛(與在制動時生成能量而不能此時使用該能量的傳統混合動力車輛不同)。
[0028]本發明的確定性實施例的一個優勢在於，可減小混合動力車輛中能量存儲裝置的尺寸，因為相較於某些已知的混合動力車輛，能量存儲裝置使用起來更加簡便。
[0029]例如，通過增加能量存儲機構中的儲能率並將發動機移至更高效的操作點，發動機控制單元可被操作以增加發動機上的負載。當經由本發明的渦輪機存儲足夠的能量時，發動機斷開並且由能量存儲機構運行車輛。然後，發動機再次嚙合，並且相同的程序無限地重複。這種「脈衝巡航(pulse and cruise)」系統可以特別有效地利用燃料。
[0030]本發明的確定性實施例的優勢在於，儘管這種系統可增大發動機外殼，但其可避免對於在發動機和變速箱之間放置大型電機的需求。另外，發動機和變速箱/離合器系統的整體長度通常是車輛設計中的決定性因素。
[0031]本發明的確定性實施例的又一優勢在於，其可提供更好的封裝自由性。
[0032]僅通過該系統或者結合傳動系系統(包括所安裝的發動機)中的第二發電機還能夠回收動能。第二發電機可包括交流發電機。因此，車輛可從能量存儲機構獲取電能用於車載電子設備。因此，本發明的確定性實施例的又一優勢在於，可連同交流發電機一起移除同時不具備前端附件驅動(FEAD)。這能夠再次提高燃料經濟性並改善成本效益方程，這尤其是因為本發明可捕獲動能而非另外用以驅動車輛的能量。
[0033]本發明的確定性實施例的優勢在於，電機與渦輪機能夠設計成在相同速度範圍內運行而無需任一方作出重大妥協。這意味著兩單元之間無需減速齒輪。
[0034]該車輛還可用以回收制動時損失的部分能量。
[0035]發動機控制單元可配置成在減速時將發動機用作空氣泵。經由發動機泵送的空氣能夠轉而為渦輪機提供動力並在減速(或下坡行駛)時回收更多的能量。相反，傳統發動機會關閉節氣門從而浪費車輛的動能。
[0036]發動機控制單元可控制儲能率，以便提高適於微粒捕集器再生的條件。
[0037]發動機控制單元可控制儲能率，以便提高適用於NOx捕集器的條件。
[0038]混合動力車輛可以是乘用車，但是其還可以是諸如避難卡車(refuge truck)的公路商用車或者諸如礦山自卸卡車的非公路用車。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0039]現在參照附圖描述本發明的實施例，其中:
[0040]圖1是根據本發明的發動機布局的示意圖；
[0041 ] 圖2是根據本發明的發動機布局的可選示意圖，其示出了高壓和低壓EGR迴路；以及
[0042]圖3是發動機布局的另一個示意圖，其示出了稀燃NOx捕集器。
【具體實施方式】
[0043]圖1示出了混合動力車輛發動機組件10，其包括發動機12、排氣歧管14、下遊排氣渦輪機16、發電機18和發動機控制單元(E⑶)19。示出的其他發動機組件的部件還包括可變截面渦輪增壓器(VGT) 20、中冷器22和空氣濾清器24。
[0044]除了從渦輪機16回收能量並供給至發電機18之外，發動機組件10正常運行。然後，被回收的能量根據普通混合動力車輛來使用。
[0045]E⑶19可以改變發電機18所需的負載，因此改變了由渦輪機16產生的背壓量。相應地，這會影響發動機的運行。由於背壓的改變減少了穿過發動機的氣流，因此安裝有進氣節氣門的發動機可能會降低進氣節流的水平。如果渦輪機16是可變截面單元，還可以設定葉片位置來優化整體效率。整體效率可被優化來獲得特定的發動機運行狀態，或者被更加全局地優化以使得「脈衝巡航」運行模式的益處最大化。
[0046]在特別優選的實施例中，這種「脈衝巡航」模式為發動機12以比平時更高的負載(但更高效)運行並且排氣能量由渦輪機回收的模式，然後車輛在輕車輛負載並且發動機關閉條件下由發電機(或其他儲能裝置)供能。本發明的發明人已經注意到儘管發動機在高負載下必然需要更多燃料，但發動機最大效率時的負載經常會比用戶通常運行的負載高。因此本發明的實施例益處在於，提高負載以更有效地使用發動機，然後通過渦輪機16和發電機18回收進入排氣的能量。
[0047]為了使能量回收最大化或者調整可存儲的能量比率，VGT在渦輪機16和/或VGT20位置處可以與速度相匹配。如此，針對規定電輸出可設定最大效率工作點。通過這種方式，可以在發動機效率、渦輪機效率和電機效率之間獲得最適宜的性能。
[0048]在優選的實施例中，為了使在車輛減速期間可供回收的排氣能量最大化，最好禁用任何形式的進口節流。這包括優化閥控制以及打開節氣門(如果安裝了節氣門)。對於氣缸斷缸的發動機來說，應使用所有氣缸。
[0049]圖2中示出本發明的發動機系統110的另一個實施例，其包括高壓排氣再循環迴路130和低壓排氣再循環迴路140。替代實施例可包括低壓排氣再循環迴路140或高壓排氣再循環迴路130。相似部分以在相同標號前增加「I」示出。
[0050]系統110包括發動機112、具有冷卻器132和比例控制閥133的高壓排氣再循環迴路130、以及渦輪增壓器120。在渦輪增壓器120下遊的排氣線路中，具有柴油機氧化催化劑126和柴油微粒過濾器128。包括渦輪機116和電池118的渦輪複合機設置在柴油微粒過濾器128的下遊。旁通迴路144圍繞渦輪複合機設置並且由比例閥142控制。低壓EGR迴路140設置在渦輪複合機116，118的下遊並且由EGR閥146控制。與常規系統相同，同樣存在空氣濾清器124和中冷器122。
[0051]與所有發動機一樣，有時再循環排氣的壓力沒有高到足以返回發動機的進氣側。可以設置排氣節氣門以增加該壓力從而實現排氣再循環。可選地，也可使用可變截面渦輪增壓器120起到相同的效果。然而在任一情況下，對該壓力進行增壓均會損失能量。相反地，對於本發明的該實施例來說，部分能量可以從渦輪機116回收。為此，ECU119可增加渦輪機116上的負載，這可以進而增加發動機112出口處的壓力並因此對高壓EGR迴路130的進口處的排氣流進行增壓，以在排氣歧管和進氣歧管之間的產生壓力差，從而使排氣返回發動機的進氣側並實現再循環。因此，與採用可變截面渦輪增壓器或節氣門來實現再循環的傳統技術(其會損失能量)相比，在增壓過程中的部分能量損失可以上述方式通過渦輪機116和發電機118回收。
[0052]如果低壓EGR迴路140需要增壓，則渦輪機116可類似地按所需增壓，因此可回收通常會由例如節氣門損失的部分能量。
[0053]如此，EGR較少使用或無需使用EGR排氣節氣門。
[0054]旁通迴路144用於在極低負載時避免任何負損失。如果排氣很冷，儘管在進行後處理裝置(諸如柴油機微粒捕集器)的再生操作，仍能夠使用旁通迴路144。
[0055]本發明實施例的益處在於，如圖2所示，裝置可以安置在微粒捕集器的下遊。然後其可以通過增加發動機上的背壓以增加負載(從而需要更多燃料和產生更熱的排氣)以及通過降低穿過發動機的氣流(從而由於更多的內部EGR導致更熱的排氣和較低的NOx)，來輔助微粒捕集器的再生。
[0056]通過對由傳感器獲得的信息作出反應和/或採用預測模塊，E⑶119可確定需要這種增壓的適當時機。
[0057]通常在使用中，E⑶119計算燃料需求和諸如噴油正時、AFR (空氣-燃料比)需求等的其他設定，以獲得變速箱的期望功率。因此ECU119可確定渦輪複合機的最適宜位置以及其所需負載，從而操縱EGR迴路和/或控制來自發動機的進氣。
[0058]可操縱對圍繞渦輪複合機116的旁路進行控制的比例旁通閥142、可變截面渦輪增壓器120和比例EGR閥133，從而加強由渦輪複合機的變化負載產生的不同控制影響。例如，當操縱情形位於渦輪機複合機下遊時，可使用圍繞渦輪複合機116的旁通閥142以使渦輪複合機變化負載的背壓影響最小化。(這是一種可能的解決方案。其還可以通過ECU經由發電機118上的電負載來控制)。
[0059]圖3示出了一個可選的實施例，結合有旁路244的渦輪複合裝置216、218還可以設置在發動機210的下遊，但是在稀燃NOx捕集器(LNT)250的上遊。在短時濃排氣(shortrich exhaust)運行周期期間，存在用於吸收NOx和減少存儲的NOx的狹窄的峰值效率溫度窗口。同時還存在某一溫度，如果超過該溫度則上述裝置會釋放N0X。因此，該裝置還可用於輔助LNT250的理想性能。LNT通常比選擇性催化還原(SCR)系統更加便宜。另外，可以改變LNT的位置從而獲得最佳操作溫度。
[0060]因此，通過使用渦輪複合單元而非過度關閉主發動機VGT或替換排氣節氣門，這些實施例可獲得期望的壓力差。
[0061]在替代實施例中，能量的轉化/存儲無需發電機，而可以是電容器、飛輪或者除發電機之外的這些部件的任意結合。然後，混合動力汽車中的各種部件可以由飛輪、電容器等運行。然而，優選實施例容許快速充電以使能夠被回收的能量最大化。
[0062]在不偏離本發明範圍的情況下，可以做出各種改進和修改。
【權利要求】
1.一種發動機組件，包括: 發動機控制單元； 具有排氣的內燃機； 在使用中，由所述排氣驅動的渦輪機； 用於存儲由所述渦輪機從所述排氣回收的能量的能量存儲機構； 其中，所述發動機控制單元是可操作的，以改變所述能量存儲機構中的儲能率。
2.根據權利要求1所述的發動機組件，其中，所述發動機組件包括將來自所述渦輪機的機械能轉換成電能的發電機。
3.根據權利要求2所述的發動機組件，其中，所述發動機控制單元是可操作的以改變所述發電機所需電壓，所述發動機控制單元可改變所述儲能率並因此改變所述渦輪機的負載和產生的背壓。
4.根據上述權利要求中任一項所述的發動機組件，其中，所述發動機控制單元通過經由所述渦輪機控制所述發動機的背壓來控制所述發動機的輸出功率。
5.根據上述權利要求中任一項所述的發動機組件，其中，所述發動機控制單元通過改變所述能量存儲機構中的儲能率來控制所述發動機的背壓以控制排氣再循環迴路中排氣的再循環。
6.根據權利要求5所述的發動機組件，其中，所述排氣再循環迴路包括低壓排氣再循環迴路。
7.根據權利要求5或6所述的發動機組件，其中，所述排氣再循環迴路包括高壓排氣再循環迴路。
8.根據上述權利要求中任一項所述的發動機組件，其中，所述發動機控制單元配置成將所述發動機用作空氣泵。
9.根據上述權利要求中任一項所述的發動機組件，其中，所述發動機控制單元控制所述儲能率以提高適於微粒捕集器再生的條件。
10.根據上述權利要求中任一項所述的發動機組件，其中，所述發動機控制單元控制所述儲能率以提高適於NOx捕集器的條件。
11.一種混合動力車輛，包括前述任一權利要求所述的發動機組件。
12.根據權利要求11所述的混合動力車輛，其中，所述車輛從所述能量存儲機構中獲取電能用於車載電子設備。
13.根據權利要求11或12所述的混合動力車輛，其中，所述車輛用以回收制動時損失的部分能量。
14.根據權利要求11至13中任一項所述的混合動力車輛，其中，通過增加所述能量存儲機構中的儲能率，並將所述發動機移至更高效率的操作點然後至少部分地由所述能量存儲機構運行所述車輛，所述發動機控制單元是可操作的以增加所述發動機上的負載。
【文檔編號】B60K6/30GK103527292SQ201310275043
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年7月2日 優先權日:2012年7月5日
【發明者】伊恩·格雷厄姆·佩格, 羅伯特·赫勒-洛倫岑 申請人:福特環球技術公司