Способ управления потоком на впуске компрессора компрессионной системы в двигателе внутреннего сгорания (варианты)
Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Способ управления потоком на впуске компрессора (174) компрессионной системы в двигателе (10) внутреннего сгорания заключается в том, что при работающем двигателе регулируют количество протекающего воздуха от выпуска источника высокого давления на впуск выше по потоку от компрессора (174) через дозирующее устройство (179), расположенное в трубопроводе (175), соединенном с впуском и источником высокого давления. Трубопровод (175) наклонно соединен с впуском и радиально смещен от центральной оси трубопровода. Раскрыт вариант способа управления потоком на впуске компрессора компрессионной системы в двигателе внутреннего сгорания. Технический результат заключается в управлении скоростным потоком на впуске компрессора с увеличением запаса до срыва потока. 2 н. и 8 з.п. ф-лы 7 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к управлению потоком в турбонагнетателе двигателя и, в частности, к способам и устройствам управления потоком на впуске компрессора компрессионной системы.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Двигатели могут использовать турбонагнетатель для увеличения плотности выходного крутящего момента/мощности двигателя. В одном из примеров турбонагнетатель может включать в себя компрессор и турбину, соединенные приводным валом, где турбина соединена со стороной выпускного коллектора, а компрессор соединен со стороной впускного коллектора. Таким образом, турбина, с приводом от выхлопной системы, подает энергию на компрессор, чтобы увеличивать давление во впускном коллекторе (например, наддув или давление наддува) и увеличивать поток воздуха в двигатель. Наддув может управляться регулировкой количества газа, достигающего турбины, к примеру, с помощью перепускной заслонки для выхлопных газов.
Однако при подборе турбонагнетателя для двигателя существует постоянный компромисс между предельными значениями мощности по крутящему моменту нижней границы от срыва потока и производительностью верхней границы, ограниченной потерями потока и размером турбины. Для того чтобы преодолеть эти проблемы устройства, такие как входной направляющий аппарат (IGV), канавки корпуса компрессора и обработка кожуха, могут быть реализованы в конструкции турбонагнетателя. Однако авторы в материалах настоящего описания выявили, что такие устройства могут оказывать неблагоприятное влияние на потери производительности потока верхней границы, поскольку такие подходы являются вторгающимися в поле потока или приграничный слой и могут приводить к ограничениям пропускной способности компрессора по верхней границе, пониженным пиковым рабочим характеристикам двигателя и проблемам шума, вибрации, неплавности движения (NVH). Кроме того, авторы в материалах настоящего описания выявили, что попытки улучшить пропускную способность верхней границы компрессора посредством регулировки диаметра рабочего колеса, соотношения геометрических размеров и отношения объем воздуха/радиус (A/R) также могут оказывать неблагоприятное влияние на производительность нижней границы и переходную характеристику двигателя.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В качестве одного из примеров вышеприведенные проблемы могут быть преодолены способом управления потоком на впуске компрессора компрессионной системы в двигателе внутреннего сгорания, включающий этап, на котором при двигателе в работающем состоянии регулируют количество протекающего воздуха от выпуска источника высокого давления на впуск выше по потоку от компрессора через дозирующее устройство, расположенное в трубопроводе, соединенном с впуском и источником высокого давления, причем трубопровод наклонно соединен с впуском и радиально смещен от центральной оси трубопровода.
В одном из вариантов осуществления способа он дополнительно включает направление количества протекающего воздуха через компрессионную систему, являющуюся системой турбонагнетателя или нагнетателя двигателя.
В одном из вариантов осуществления способа регулирование количества протекающего воздуха через трубопровод дополнительно включает направление количества протекающего воздуха через трубопровод, соединенный с впуском по касательной к окружности впускного канала, соединенного с компрессором.
В одном из вариантов осуществления способа регулирование количества протекающего воздуха через трубопровод дополнительно включает направление количества протекающего воздуха через трубопровод, соединенный с впуском под заданным углом от центральной оси компрессора.
В одном из вариантов осуществления способа регулирование количества протекающего воздуха через трубопровод дополнительно включает направление количества протекающего воздуха через трубопровод, соединенный с впуском под заданным углом, большим, чем угол лопатки компрессора рабочего колеса компрессора от центральной оси рабочего колеса компрессора.
В одном из вариантов осуществления способа регулирование количества протекающего воздуха включает направление свежего воздуха без выхлопных газов.
В одном из вариантов осуществления способа он дополнительно включает этап, на котором регулируют количество протекающего воздуха, направляемого от источника высокого давления к впуску через дозирующее устройство, при этом дозирующее устройство содержит отверстие, расположенное в трубопроводе между источником высокого давления и впуском.
В другом варианте способ управления потоком на впуске компрессора компрессионной системы в двигателе внутреннего сгорания включает этап, на котором при работе двигателя и в ответ на условие работы двигателя регулируют количество воздуха, протекающего от источника высокого давления на впуск выше по потоку от рабочего колеса компрессора, посредством перепускного клапана компрессора, расположенного в трубопроводе, соединенном с источником высокого давления и впуском, причем трубопровод наклонно соединен с впуском, при этом трубопровод соединен с впуском под углом от центральной оси рабочего колеса компрессора, большим, чем угол лопатки компрессора рабочего колеса компрессора от центральной оси рабочего колеса компрессора.
В одном из вариантов осуществления способа управление потоком на впуске компрессора компрессионной системы дополнительно включает регулирование потока на впуске компрессора системы турбонагнетателя или нагнетателя двигателя, причем источник высокого давления является выпуском ниже по потоку от рабочего колеса компрессора.
В одном из вариантов осуществления способа направление воздуха включает направление свежего воздуха без выхлопных газов, причем способ дополнительно включает регулирование количества воздуха посредством перепускного клапана компрессора, расположенного в трубопроводе между источником высокого давления и впуском.
Таким образом, поле скоростного потока на впуске компрессора может приспосабливаться и управляться для повышения эффективности ротора компрессора с увеличением запаса до срыва потока компрессора, уменьшением эффектов NVH нижней границы, таких как свист при нагружении и разгружении, улучшением параметров переходных характеристик, таких как время выхода на требуемый крутящий момент, и минимизацией эффектов потери потока верхней границы, связанных, например, с дополнительными устройствами.
Следует понимать, что раскрытие изобретения, приведенное выше, предоставлено для ознакомления с упрощенной формой подборки концепций, которые дополнительно описаны в подробном описании. Не предполагается идентифицировать ключевые или существенные признаки заявленного предмета изобретения, объем которого однозначно определен формулой изобретения, которая сопровождает подробное описание. Более того, заявленный предмет изобретения не ограничен вариантами осуществления, которые решают какие-либо недостатки, отмеченные выше или в любой части этого описания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 показывает структурную схему двигателя с турбонаддувом.
Фиг. 2-3 показывают примерные системы управления потоком на впуске компрессора в соответствии с раскрытием.
Фиг. 4 показывает перепускные впуски выше по потоку от компрессора.
Фиг. 5 показывает примерные треугольники скоростей на впуске компрессора.
Фиг. 6 показывает примерную конфигурацию соединения перепускного трубопровода с компрессором.
Фиг. 7 показывает примерный способ управления потоком на впуске компрессора в системе турбонагнетателя двигателя.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Последующее описание относится к системам и способам управления потоком на впуске компрессора в турбонагнетателе двигателя, такого как двигатель, показанный на фиг. 1. В качестве одного из примеров может использоваться перепускной трубопровод компрессора, такой как показанный на фиг. 2, чтобы направлять сжатый воздух ниже по потоку от компрессора к впуску компрессора. В качестве еще одного примера трубопровод может использоваться для направления сжатого воздуха от источника высокого давления к впуску компрессора, как показано на фиг. 3. Конструкция перепускного трубопровода компрессора может быть основана на различных компонентах компрессора, таких как показанные на фиг. 3, так что поле скоростного потока на впуске компрессора может настраиваться и управляться для повышения эффективности ротора компрессора с увеличением запаса до срыва потока компрессора, уменьшением эффектов NVH нижней границы, таких как свист при нагружении и разгружении, улучшением параметров переходных характеристик, таких как время выхода на требуемый крутящий момент, и минимизацией эффектов потери потока верхней границы, связанных, например, с дополнительными устройствами.
Фиг. 1 показывает пример двигателя с турбонаддувом. Двигатель 10 внутреннего сгорания содержит множество цилиндров, один цилиндр которого показан на фиг. 1. Двигатель 10 может принимать параметры управления от системы управления, включающей в себя контроллер 12, и входные данные от водителя 130 транспортного средства через устройство 132 ввода. В этом примере, устройство 132 ввода включает в себя педаль акселератора и датчик 134 положения педали для генерирования пропорционального сигнала РР положения педали. Цилиндр 14 (в материалах настоящего описания также «камера сгорания») двигателя 10 может включать в себя стенки 136 камеры сгорания с поршнем 138, расположенным в них. Поршень 138 может быть соединен с коленчатым валом 140, так чтобы возвратно-поступательное движение поршня преобразовывалось во вращательное движение коленчатого вала. Коленчатый вал 140 может быть соединен с по меньшей мере одним ведущим колесом пассажирского транспортного средства посредством системы трансмиссии. Кроме того, электродвигатель стартера может быть соединен с коленчатым валом 140 посредством маховика, чтобы делать возможной операцию запуска двигателя 10.
Цилиндр 14 может принимать всасываемый воздух через последовательность впускных воздушных каналов 142, 144 и 146. Впускной воздушный канал 146 может сообщаться с другими цилиндрами двигателями 10 в дополнение к цилиндру 14. В некоторых вариантах осуществления один или более впускных каналов могут включать в себя устройство наддува турбонагнетателя. Например, двигатель 10 сконфигурирован с турбонагнетателем, включающим в себя компрессор 174, скомпонованный между впускными каналами 142 и 144, и выпускную турбину 176, скомпонованную между выпускными каналами 148 и 149. Более точно воздушный канал 142 соединен с впуском компрессора, воздушный канал 144 соединен с впуском компрессора, выпускной канал 148 соединен с впуском турбины и выпускной канал 149 соединен с выпуском турбины.
Как подробнее описано ниже, в некоторых примерах перепускной трубопровод 175 компрессора может быть включен во впускные воздушные каналы 142 и 144 и выполнен с возможностью извлечения потока воздуха ниже по потоку от компрессора 174 и направления перепускного воздуха компрессора к впуску, расположенному выше по потоку от компрессора 174. В некоторых примерах перепускной трубопровод 175 компрессора может включать в себя дозирующее устройство 179, расположенное в нем, например, перепускной клапан компрессора, отверстие и т.д. В других примерах, как показано на фиг. 3, описанной ниже, трубопровод 175 может быть соединен с источником воздуха высокого давления, например, внешним насосным резервуаром, приложениями сдвоенного турбонагнетателя и т.д., так что воздух высокого давления может направляться во впускной канал 142 выше по потоку от компрессора 174.
Компрессор 174 может быть по меньшей мере частично механизирован выпускной турбиной 176 через вал 180. Регулятор 177 давления наддува включает в себя тракт для протекания выхлопных газов из выпускного канала 148 в сторону от турбины 176 в выпускной канал 149. Энергия, подводимая турбиной 176, может управляться посредством управления количеством выхлопных газов, достигающих турбины 176, от выпускного канала 148. Более точно давление наддува может регулироваться сигналом WGC, принимаемым от контроллера 12, посредством модуляции степени открывания и/или длительности открывания клапана регулятора давления наддува.
В примерном варианте осуществления регулятор 177 давления наддува приводится в действие пневматически для управления клапаном регулятора давления наддува, а отсюда - давлением наддува. В том, что известно как «основанная на наддуве» конфигурация регулятора давления наддува, регулятор 177 давления наддува содержит электромагнитный клапан, включающий в себя первый проход (не показан), соединенный с впускным каналом 146, и второй проход (не показан), соединенный с впускным каналом под атмосферным давлением, таким как впускной канал 142. Давление первого прохода находится под атмосферным давлением и может измеряться датчиком 125. Измерение может отправляться в контроллер 12 посредством сигнала TIP. Атмосферное давление может измеряться датчиком 123, и измерение может передаваться в контроллер 12 посредством сигнала РА. В примерном варианте осуществления клапан регулятора давления наддува является нормально закрытым, но сила, питаемая давлением наддува, может использоваться для открывания клапана регулятора давления наддува.
Дроссель 162, включающий в себя дроссельную заслонку 164, может быть установлен вдоль впускного канала двигателя для изменения скорости потока и/или давления всасываемого воздуха, подаваемого в цилиндры двигателя. Например, дроссель 162 может быть расположен ниже по потоку от компрессора 174, как показано на фиг. 1, или в качестве альтернативы может быть предусмотрен выше по потоку от компрессора 174.
Выпускной канал 148 может принимать выхлопные газы из других цилиндров двигателя 10 в дополнение к цилиндру 14. Датчик 128 выхлопных газов показан соединенным с выпускным каналом 148 выше по потоку от турбины 176 и устройства 178 контроля выброса. Датчик 128 может быть выбран из числа различных пригодных датчиков для предоставления показания топливо/воздушного соотношения в выхлопных газах, например, таких как линейный кислородный датчик или UEGO (универсальный или широкодиапазонный датчик кислорода в выхлопных газах), двухрежимный кислородный датчик или EGO, датчик NOx, НС или СО. Устройство 178 контроля выброса может быть трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором (TWC), уловителем NOx, различными другими устройствами контроля выброса или их комбинациями.
Температура выхлопа может измеряться одним или более датчиком температуры (не показаны), расположенным в выпускных каналах 148 и 149. В качестве альтернативы температура выхлопных газов может логически выводиться на основании условий эксплуатации двигателя, таких как число оборотов, нагрузка, отношение количества воздуха к количеству топлива (AFR), задержка искры, и т.д. Дополнительно, температура выхлопных газов может вычисляться одним или более датчиком 128 выхлопных газов. Может быть принято во внимание, что температура выхлопных газов в качестве альтернативы может оцениваться любой комбинацией способов оценки температуры, перечисленных в материалах настоящего описания.
Каждый цилиндр двигателя 10 может включать в себя один или более впускных клапанов и один или более выпускных клапанов. Например, цилиндр 14 показан включающим в себя по меньшей мере один впускной тарельчатый клапан 150 и по меньшей мере один выпускной тарельчатый клапан 156, расположенные в верней области цилиндра 14. В некоторых вариантах осуществления каждый цилиндр двигателя 10, в том числе цилиндр 14, может включать в себя по меньшей мере два впускных тарельчатых клапана и по меньшей мере два выпускных тарельчатых клапана, расположенных в верхней области цилиндра. Открытие и закрытие клапанов может управляться гидравлическими подъемными механизмами, соединенными со штоками толкателя клапана, или посредством механизма переключения профиля кулачков. Например, впускной клапан 150 и выпускной клапан 156 могут управляться посредством приведения в действие кулачков через соответственные системы 151 и 153 кулачкового привода. Каждая из систем 151 и 153 кулачкового привода может включать в себя один или более кулачков и может использовать одну или более из систем переключения профиля кулачков (CPS), изменяемой синхронизации кулачков (VCT), изменяемой синхронизации клапанов (VVT) и/или изменяемого подъема клапана (VVL), которые могут эксплуатироваться контроллером 12 для изменения работы клапанов. Положение впускного клапана 150 и выпускного клапана 156 может определяться датчиками 155 и 157 положения клапана соответственно. В альтернативных вариантах осуществления впускной и/или выпускной клапан могут управляться электрическим приводом клапана. Например, цилиндр 14 в качестве альтернативы может включать в себя впускной клапан, управляемый электрическим приводом клапана, и выпускной клапан, управляемый кулачковым приводом, включающий в себя системы CPS и/или VCT. В одном из конкретных примеров может использоваться сдвоенная независимая изменяемая синхронизация кулачков, где каждый впускной кулачок и выпускной кулачок может независимо регулироваться системой управления.
В некоторых вариантах осуществления каждый цилиндр двигателя 10 может включать в себя свечу 192 зажигания для инициирования сгорания. Система 190 зажигания может выдавать искру зажигания в камеру 14 сгорания через свечу 192 зажигания в ответ на сигнал SA опережения зажигания от контроллера 12 при выбранных рабочих режимах. Однако в некоторых вариантах осуществления свеча 192 зажигания может быть не включена в состав, таких как, когда двигатель 10 может инициировать сгорание самовоспламенением или впрыском топлива, как может иметь место у некоторых дизельных двигателей.
В некоторых вариантах осуществления каждый цилиндр двигателя 10 может быть сконфигурирован одной или более топливных форсунок для обеспечения топлива в него. В качестве неограничивающего примера показан цилиндр 14, включающий в себя одну топливную форсунку 166. Топливная форсунка 166 показана соединенной непосредственно с цилиндром 14 для впрыска топлива непосредственно в него пропорционально ширине импульса сигнала FPW-1, принятого из контроллера 12 через электронный формирователь 168. Таким образом, топливная форсунка 166 обеспечивает то, что известно в качестве непосредственного впрыска (в дальнейшем также указываемого ссылкой как «DI») топлива в цилиндр 14 сгорания. Несмотря на то, что фиг. 1 показывает форсунку 166 в качестве боковой форсунки, она также может быть расположена выше поршня, к примеру, возле положения свечи 192 зажигания. Такое положение может улучшать смешивание и сгорание при работе двигателя со спиртосодержащим топливом вследствие низкой летучести некоторых спиртосодержащих видов топлива. В качестве альтернативы форсунка может быть расположена выше и возле впускного клапана для улучшения смешивания. Топливо может доставляться в топливную форсунку 166 из топливной системы 8 высокого давления, включающей в себя топливные баки, топливные насосы и направляющую-распределитель для топлива. В качестве альтернативы топливо может доставляться однокаскадным топливным насосом на низком давлении, в случае которого время непосредственного впрыска топлива может ограничиваться в большей степени во время такта сжатия, чем если используется топливная система высокого давления. Кроме того, несмотря на то, что не показано, топливные баки могут иметь преобразователь давления, предоставляющий сигнал в контроллер 12. Будет приниматься во внимание, что в альтернативном варианте осуществления форсунка 166 может быть канальной форсункой, выдающей топливо во впускной канал выше по потоку от цилиндра 14.
Контроллер 12 показан на фиг. 1 в качестве микрокомпьютера, включающего в себя микропроцессорный блок 106, порты 108 ввода/вывода, электронный запоминающий носитель для исполняемых программ и калибровочных значений, показанный в качестве микросхемы 110 постоянного запоминающего устройства (ПЗУ, ROM) в этом конкретном примере, оперативное запоминающее устройство 112 (ОЗУ, RAM), энергонезависимую память 114 (ЭНП, КАМ) и шину данных. Постоянное запоминающее устройство 110 запоминающего носителя может быть запрограммировано машинно-читаемыми данными, представляющими команды, исполняемые процессором 102 для выполнения способов, описанных ниже, а также вариантов, которые предполагаются, но специально не перечислены. Контроллер 12 может принимать различные сигналы от датчиков, соединенных с двигателем 10, в дополнение к тем сигналам, которые обсуждены ранее, в том числе измерение вводимого массового воздушного потока (MAF) с датчика 122 массового воздушного потока; температуру охладителя двигателя (ЕСТ) с датчика 116 температуры, соединенного с охлаждающим патрубком 118; сигнал считывания профиля зажигания (PIP) с датчика 120 на эффекте Холла (или другого типа), соединенного с коленчатым валом 140; положение дросселя (TP) с датчика положения дросселя; давление на впуске дросселя (TIP) с датчика 125 и сигнал абсолютного давления воздуха в коллекторе (MAP) с датчика 124. Сигнал числа оборотов двигателя, RPM, может генерироваться контроллером 12 из сигнала PIP. Кроме того, положение коленчатого вала, а также ускорение коленчатого вала и колебания коленчатого вала также могут идентифицироваться на основании сигнала PIP. Сигнал MAP давления воздуха в коллекторе с датчика 124 давления в коллекторе может использоваться для предоставления указания вакуума или давления во впускном коллекторе. Дополнительно давление в коллекторе может оцениваться на основании других рабочих параметров, например, таких как основанные на MAF и RPM.
Далее, с обращением к фиг. 2, показано схематичное изображение перепускной системы 175 компрессора. Перепускная система 175 компрессора включает в себя перепускной трубопровод 202, соединенный с впускным каналом 142 выше по потоку от компрессора 174 и соединенный с впускным каналом 144 ниже по потоку от компрессора. В частности, перепускной трубопровод 202 соединен с впускным каналом 142 в местоположении 204 ввода управления потоком на впуске выше по потоку от компрессора 174 и соединен с местоположением 206 вывода управления потоком на выпуске ниже по потоку от компрессора 174. Однако в других примерах перепускной трубопровод 206 может быть соединен с различными другими компонентами ниже по потоку от компрессора. Например, перепускной трубопровод 206 может быть соединен с впускным коллектором в двигателе, охладителем форсированного воздуха, соединенным на впуске, и т.д.
Перепускной трубопровод компрессора направляет воздух на выпуске высокого давления ниже по потоку от компрессора в трубопровод 142, так что воздух высокого давления смешивается с воздухом на впуске низкого давления, протекая через впускной трубопровод 142. Таким образом, может достигаться увеличение потока воздуха, приводящего в движение компрессор 174.
Дополнительно в некоторых примерах перепускной трубопровод 202 может включать в себя дозирующее устройство 179, расположенное в нем между выпуском ниже по потоку от компрессора и впуском выше по потоку от компрессора, так что может регулироваться количество перепускного воздуха. Дозирующее устройство 179 может быть любым пригодным устройством управления потоком воздуха, пассивно или активно, через перепускной трубопровод, например, перепускным клапаном или отверстием компрессора. Дозирующее устройство 179 может управляться контроллером 12 и может регулироваться в ответ на различные условия эксплуатации двигателя, например, требования наддува, переключения дросселя, нагрузку двигателя, нагружение или разгружение. Например, дозирующее устройство 179 может регулироваться в ответ на условие раскрутки турбонагнетателя для увеличения количества воздуха, протекающего через перепускной трубопровод 202, и, в свою очередь, увеличения времени реакции компрессора 174.
Далее, с обращением к фиг. 3, показано схематичное изображение еще одного варианта осуществления системы 175 управления потоком на впуске компрессора. Система 175 управления потоком на впуске компрессора включает в себя трубопровод 202, соединенный с впускным каналом 142 выше потоку от компрессора 174 и соединенный с источником 181 высокого давления. Источник 181 воздуха высокого давления может быть любым источником воздуха высокого давления, например, внешним насосным резервуаром, приложением сдвоенного турбонагнетателя и т.д., так что воздух высокого давления может направляться во впускной канал 142 выше по потоку от компрессора 174.
В частности, трубопровод 202 соединен с впускным каналом 142 в местоположении 204 ввода управления потоком на впуске выше по потоку от компрессора 174 и соединен с местоположением вывода управления потоком на выпуске в источнике 181 высокого давления.
Перепускной трубопровод компрессора направляет воздух на выпуске высокого давления от источника 181 давления в трубопровод 142, так что воздух высокого давления смешивается с воздухом на впуске низкого давления, протекая через впускной трубопровод 142. Таким образом, может достигаться увеличение потока воздуха, приводящего в движение компрессор 174.
Дополнительно, как описано выше, в некоторых примерах трубопровод 202 может включать в себя дозирующее устройство 179, расположенное в нем между источником 181 высокого давления и впуском выше по потоку от компрессора, так что может регулироваться количество воздуха высокого давления, доставляемого выше по потоку от компрессора 174.
Как отмечено выше, конструкция системы управления потоком на впуске компрессора может быть основана на различных компонентах компрессора, так что поле скоростного потока на впуске компрессора может преимущественно настраиваться и управляться для увеличения эффективности работы компрессора. Таким образом, фиг. 4 показывает примерные конфигурации соединения перепускного трубопровода 202 и перепускного впуска 204 выше по потоку от компрессора 174. В частности, перепускной трубопровод 202 может быть соединен с перепускным впуском 204 многообразием способов, для того чтобы увеличивать и/или ускорять поток воздуха, поступающий в компрессор 174, и, таким образом, может быть основан на различных компонентах компрессора 174, например, основан на угле падения лопатки компрессора, как описано ниже.
Например, угол 302 впуска между центральной осью 303 перепускного трубопровода 202 и центральной осью 318 компрессора 174 может быть выбран для того, чтобы настраивать количество и/или направление перепускных газов, поступающих в компрессор. В качестве одного из примеров угол 302 впуска может иметь значение по существу 90°, так что перепускной трубопровод 202 соединен с впуском 204 по существу перпендикулярно наружной поверхности впускного трубопровода 142. В качестве еще одного примера угол 302 впуска может быть заданным ненулевым углом меньшим чем 90°, так чтобы перепускной воздух, поступающий во впускной канал 142 выше по потоку от компрессора 174, направлялся ниже по потоку к компрессору 174. В качестве еще одного другого примера угол 302 впуска может быть заданным ненулевым углом большим чем 90°, так чтобы перепускной воздух, поступающий во впускной канал 142 выше по потоку от компрессора 174, направлялся выше по потоку от компрессора 174.
Примерные конфигурации поперечного сечения соединения между перепускным трубопроводом 202 и впуском 204 показаны на 304 и 306. В частности, примерные конфигурации, показанные на 304 и 306, являются поперечными разрезами А-А впускного трубопровода 142. Поперечные разрезы А-А перпендикулярны центральной оси 318 компрессора 174. В качестве первого примера, как показано на 304, перепускной трубопровод 202 может быть соединен с впуском 204 по касательной к окружности 305 впускного канала 142, так что перепускной воздух, поступающий во впускной трубопровод 142 выше по потоку от компрессора 174, может создавать завихрение или другой градиент давления воздуха в воздухе, поступающем в компрессор 174 вокруг центральной оси 318. Например, поле 308 течения воздуха выше по потоку от впуска 204 во впускном трубопроводе 142 может быть по существу равномерным и может не иметь значительных градиентов давления, таких как завихрение. Однако с конфигурацией, показанной на 304, поле 310 течения воздуха ниже по потоку от впуска 204 во впускном трубопроводе может не быть равномерным и может включать в себя градиенты давления, такие как создающий завихрение градиент. В качестве еще одного примера, как показано на 306, перепускной трубопровод 202 может быть соединен с впуском 204 перпендикулярно окружности 305 впускного канала 142, так чтобы перепускной воздух, поступающий во впускной трубопровод 142 выше по потоку от компрессора 174, мог создавать повышенный градиент давления воздуха поблизости от впуска 204.
Как отмечено выше, конфигурация соединения между перепускным трубопроводом 202 и впуском 204 может быть заданной на основании различных компонентов компрессора 174. Например, компрессор 174 включает в себя корпус 312 ротора, который включает в себя ротор или лопатки 314 компрессора. Каждая лопатка компрессора может формировать угол 316 лопатки относительно центральной оси 318 компрессора 174. Таким образом, в некоторых примерах перепускной трубопровод 202 может быть наклонно соединен с впуском 204 под заданным углом 302 от центральной оси 318 компрессора. Кроме того, как показано на фиг. 6, описанной ниже, соединение перепускного трубопровода 202 с впуском 204 может быть радиально смещено от центральной оси 318, так чтобы перепускной трубопровод 202 не вторгался в поток воздуха, поступающий в компрессор 174. Кроме того, в некоторых примерах, в дополнение к определению на основании угла 316 падения лопатки компрессора у компрессора 174, заданный угол 302 также может определяться на основании требуемой скорости потока на впуске компрессора.
Например, угол 302 может выбираться так, чтобы перепускной трубопровод 202 находился по существу под таким же углом, как лопатки 314 компрессора, так что почти постоянный поток воздуха направляется в направлении лопаток компрессора. В качестве еще одного примера угол 302 может выбираться, так чтобы перепускной трубопровод 202 формировал меньший угол, чем лопатки 314 компрессора, так что меньший поток воздуха является падающим на лопатки компрессора. В качестве еще одного другого примера угол 302 может выбираться, так чтобы перепускной трубопровод 202 формировал больший угол, чем лопатки 314 компрессора, так что больший или в большей степени разогнанный поток воздуха является падающим на лопатки компрессора.
Подобным образом в некоторых примерах конфигурации соединения перепускного трубопровода 202 и перепускного выпуска 206 ниже по потоку от компрессора 174 могут выбираться на основании различных факторов. Например, угол, который перепускной трубопровод 202 образует с перепускным выпуском 206, может быть основан на требуемой скорости потока перепускного воздуха.
Фиг. 5 показывает примерные треугольники скоростей на впуске компрессора, сравнивающие примерную конфигурацию без системы управления потоком на впуске компрессора, показанную на 501, с примерными конфигурациями с системами управления потоком на впуске компрессора, показанными на 503 и 505. На фиг. 5 ω - число оборотов в минуту компрессора 174 вокруг центральной оси 318, U - окружная скорость компрессора, V - вектор скорости потока на впуске, W - вектор относительного потока на впуске у лопатки компрессора, и Ф - угол входа соединения трубопровода 202 с впускным трубопроводом 142 выше по потоку от компрессора.
Конфигурация, показанная на 501, не включает в себя систему управления потоком на впуске компрессора и включена в состав для сравнения. Треугольник 507 скоростей соответствует конфигурации 501. Конфигурация, показанная на 503, включает в себя систему управления потоком на впуске компрессора, включающую в себя трубопровод 202, соединенный с впуском 204 выше по потоку от компрессора 174. В конфигурации 503 трубопровод 202 соединен с впуском 204 перпендикулярно впускному трубопроводу 142, например, как показано на 306 на фиг. 4, описанной выше. Как показано в треугольнике 509 скоростей, соответствующем конфигурации 503, вектор V скорости потока на впуске и вектор относительного потока на впуске у лопаток компрессора, W, увеличены по отношению к вектору V скорости потока на впуске и вектору относительного потока на впуске у лопаток компрессора, W, в треугольнике 507, соответствующем конфигурации 501. Однако в обеих конфигурациях окружная скорость U компрессора остается по существу неизменной. Это увеличение вектора V скорости потока на впуске и вектора относительного потока на впуске у лопатки компрессора, W, например, может давать в результате увеличенную переходную характеристику или пониженное время раскрутки компрессора 174 в условиях нагружения или разгружения.
Конфигурация, показанная на 505, включает в себя систему управления потоком на впуске компрессора, включающую в себя трубопровод 202, соединенный с впуском 204 выше по потоку от компрессора 174. В конфигурации 505 трубопровод 202 соединен с впуском 204 под углом Ф, который может быть определен, чтобы оптимизировать угол падения лопатки компрессора, как описано выше со ссылкой на фиг. 4.
Как показано в треугольнике 511 скоростей, соответствующем конфигурации 505, вектор V скорости потока на впуске и вектор относительного потока на впуске у лопаток компрессора, W, увеличены по отношению к вектору V скорости потока на впуске и вектору относительного потока на впуске у лопаток компрессора, W, в треугольнике 509, соответствующем конфигурации 503. Треугольник 511 скоростей, соответствующий конфигурации 505, может давать в результате более эффективный поток воздуха, подаваемый в компрессор 174, поскольку Ф определено так, что воздух высокого давления, поступающий к впуску 204, является инцидентным с лопатками компрессора. Это увеличение вектора V скорости потока на впуске и вектора относительного потока на впуске у лопатки компрессора, W, например, может давать в результате увеличенную переходную характеристику или пониженное время раскрутки компрессора 174 в условиях нагружения или разгружения.
Фиг. 6 показывает примерную конфигурацию 400 соединения перепускного трубопровода 202 с впуском 204, расположенным на впуске 142 выше по потоку от компрессора 174. Примерная конфигурация 400 показана приблизительно в масштабе. Как показано на фиг. 6, перепускной трубопровод 202 соединен наклонно с впуском 204, так что перепускной трубопровод не является ни параллельным, ни перпендикулярным центральной оси 318 компрессора 174. Кроме того, в некоторых примерах, как показано на фиг. 6, перепускной трубопровод 202 может быть изогнут по меньшей мере частично вокруг окружности 205 впускного трубопровода 142, для того чтобы снижать компоновочные ограничения и увеличивать круговые градиенты давления воздуха в воздухе, поступающем в компрессор 174.
В частности, перепускной трубопровод 202 соединен с трубопроводом 144 на выпуске 206 ниже по потоку от компрессора 174. В некоторых примерах, как показано на фиг. 6, центральная ось 303 перепускного трубопровода 202, примыкающего к выпуску 206, может быть по существу перпендикулярной центральной оси 404 трубопровода 144. Трубопровод 144 изгибается вокруг компрессора 179 и в некоторых примерах, как показано на фиг. 6, кривизна центральной оси 303 перепускного трубопровода 202 может быть по существу такой же, как кривизна участка центральной оси 404 трубопровода 406, например, в области трубопровода 144, прилегающей к корпусу компрессора у 406.
Перепускной трубопровод соединен с впускным трубопроводом 142 на впуске 204 выше по потоку от компрессора 174 и радиально смещен от центральной оси 318 трубопровода 142, так что перепускной трубопровод не вторгается в поток воздуха, поступающий в компрессор 174 через трубопровод 142. Кроме того, перепускной трубопровод 202 соединен с трубопроводом 142 под углом 302, так что расстояние соединения перепускного трубопровода 202 с впуском 204 от корпуса компрессора 174 является меньшим, чем расстояние соединения перепускного трубопровода 202 с выпуском 206 в трубопроводе 144.
Кроме того, как отмечено выше, центральная ось 404 трубопровода 144 может получать кривизну по мере того, как он оборачивается вокруг корпуса компрессора 174. В некоторых примерах центральная ось 303 или перепускной трубопровод 202 могут иметь кривизну, подобную кривизне трубопровода 144, у корпуса компрессора, например, возле 406. Таким образом, поток воздуха, поступающий во впускной трубопровод 142 через перепускной трубопровод 202, может направляться вдоль изогнутого протока вокруг центральной оси 318 впускного трубопровода 142 через компрессор.
Такие невторгающиеся конфигурации перепускного трубопровода могут снижать стоимости компонентов наряду с повышением эффективности работы турбонагнетателя во время выбранных условий эксплуатации двигателя, таких как нагружение, разгружение, раскрутка турбонагнетателя, изменения нагрузки двигателя и т.д. Например, фиг. 7 показывает примерный способ 700 управления потоком на впуске компрессора в системе турбонагнетателя двигателя.
На этапе 702 способ 700 включает в себя этап, на котором направляют воздух из выпуска ниже по потоку от компрессора, например, выпуска 206, к впуску выше по потоку от компрессора, например, впуск 204. Поскольку выпуск и впуск расположены во впускном трубопроводе со свежим воздухом, может не быть выхлопных газов, подвергаемых циркуляции через перепускной трубопровод.
На этапе 704 способ 700 включает в себя этап, на котором регулируют количество воздуха, направляемого от выпуска к впуску. Например, количество воздуха, направляемого от выпуска к впуску, может регулироваться перепускным клапаном компрессора, расположенным в перепускном трубопроводе между выпуском и впуском, или отверстием, расположенным в перепускном трубопроводе между выпуском и впуском. Кроме того, в некоторых примерах количество воздуха, направляемого от выпуска к впуску, может регулироваться на основании условия работы двигателя, например, на основании нагрузки двигателя, числа оборотов в минуту двигателя, запроса нагружения или разгружения и т.д. Например, дозирующее устройство 179 может регулироваться для уменьшения количества перепускного газа, протекающего через перепускной трубопровод 202, во время первого условия работы двигателя, например, во время условия работы на крутящем моменте нижней границы, и может регулироваться для увеличения количества перепускного газа, протекающего через перепускной трубопровод 202, во время второго условия работы двигателя, например, во время условий работы при крутящем моменте верхней границы. Таким образом, компромисс между предельными значениями мощности по крутящему моменту нижней границы от срыва потока и производительностью верхней границы, ограниченной потерями потока и размером турбины, может компенсироваться регулировкой дозирующего устройства 179, приводя к повышенной эффективности турбонагнетателя.
Следует отметить, что примерные процедуры управления и оценки, включенные в материалы настоящего изобретения, могут использоваться с различными конфигурациями систем двигателя и/или транспортного средства. Конкретные процедуры, описанные в материалах настоящего изобретения, могут представлять собой одну или более из любого количества стратегий обработки, таких как управляемая событиями, управляемая прерыванием, многозадачная, многопоточная и тому подобная. По существу, проиллюстрированные различные действия, операции или функции могут выполняться в проиллюстрированной последовательности, параллельно или в некоторых случаях пропускаться. Подобным образом порядок обработки не обязательно требуется для достижения признаков и преимуществ примерных вариантов осуществления, описанных в материалах настоящего изобретения, но приведен для облегчения иллюстрации и описания. Одно или более из проиллюстрированных действий или функций могут выполняться неоднократно, в зависимости от конкретной используемой стратегии. Кроме того, описанные действия могут графически представлять код, который должен быть запрограммирован в качестве команд микропроцессора и сохранен на машинно-читаемый запоминающий носитель в системе управления двигателем.
Следует понимать, что конфигурации и процедуры, раскрытые в материалах настоящего изобретения, являются примерными по сути, и что эти конкретные варианты осуществления не должны рассматриваться в ограничительном смысле, так как возможны многочисленные варианты. Например, вышеприведенная технология может быть применена к типам двигателя V-6, I-4, I-6, V-12, оппозитному 4-цилиндровому, бензиновому, дизельному и другим типам двигателя, типам топлива и приложениям турбонагнетателя, например, турбонагнетателю, используемому в качестве электрического генератора для гибридного транспортного средства (HEV), или другим приложениям.
Предмет настоящего изобретения 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 изобретения.
Последующая формула изобретения подробно указывает некоторые комбинации и подкомбинации, рассматриваемые в качестве новейших и неочевидных. Эти пункты формулы изобретения могут указывать ссылкой на элемент в единственном числе либо «первый» элемент или его эквивалент. Следует понимать, что такие пункты формулы изобретения 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 изобретения посредством изменения настоящей формулы изобретения или представления новой формулы изобретения в этой или родственной заявке.
Такая формула изобретения, более широкая, более узкая, равная или отличная по объему по отношению к исходной формуле изобретения, также рассматривается в качестве включенной в предмет изобретения настоящего изобретения.
1. Способ управления потоком на впуске компрессора компрессионной системы в двигателе внутреннего сгорания, включающий этап, на котором:
при двигателе в работающем состоянии регулируют количество протекающего воздуха от выпуска источника высокого давления на впуск выше по потоку от компрессора через дозирующее устройство, расположенное в трубопроводе, соединенном с впуском и источником высокого давления, причем трубопровод наклонно соединен с впуском и радиально смещен от центральной оси трубопровода.
2. Способ по п. 1, дополнительно включающий направление количества протекающего воздуха через компрессионную систему, являющуюся системой турбонагнетателя или нагнетателя двигателя.
3. Способ по п. 1, в котором регулирование количества протекающего воздуха через трубопровод дополнительно включает направление количества протекающего воздуха через трубопровод, соединенный с впуском по касательной к окружности впускного канала, соединенного с компрессором.
4. Способ по п. 1, в котором регулирование количества протекающего воздуха через трубопровод дополнительно включает направление количества протекающего воздуха через трубопровод, соединенный с впуском под заданным углом от центральной оси компрессора.
5. Способ по п. 4, в котором регулирование количества протекающего воздуха через трубопровод дополнительно включает направление количества протекающего воздуха через трубопровод, соединенный с впуском под заданным углом, большим, чем угол лопатки компрессора рабочего колеса компрессора от центральной оси рабочего колеса компрессора.
6. Способ по п. 1, в котором регулирование количества протекающего воздуха включает направление свежего воздуха без выхлопных газов.
7. Способ по п. 1, дополнительно включающий этап, на котором регулируют количество протекающего воздуха, направляемого от источника высокого давления к впуску через дозирующее устройство, при этом дозирующее устройство содержит отверстие, расположенное в трубопроводе между источником высокого давления и впуском.
8. Способ управления потоком на впуске компрессора компрессионной системы в двигателе внутреннего сгорания, включающий этап, на котором:
при работе двигателя и в ответ на условие работы двигателя регулируют количество воздуха, протекающего от источника высокого давления на впуск выше по потоку от рабочего колеса компрессора, посредством перепускного клапана компрессора, расположенного в трубопроводе, соединенном с источником высокого давления и впуском, причем трубопровод наклонно соединен с впуском, при этом трубопровод соединен с впуском под углом от центральной оси рабочего колеса компрессора, большим, чем угол лопатки компрессора рабочего колеса компрессора от центральной оси рабочего колеса компрессора.
9. Способ по п. 8, в котором управление потоком на впуске компрессора компрессионной системы дополнительно включает регулирование потока на впуске компрессора системы турбонагнетателя или нагнетателя двигателя, причем источник высокого давления является выпуском ниже по потоку от рабочего колеса компрессора.
10. Способ по п. 8, в котором направление воздуха включает направление свежего воздуха без выхлопных газов, причем способ дополнительно включает регулирование количества воздуха посредством перепускного клапана компрессора, расположенного в трубопроводе между источником высокого давления и впуском.
