Гибридная турбокомпаундная двигательная установка с наддувом
Изобретение может быть использовано в турбокомпаундных двигательных установках. Двигательная установка содержит двигатель (1) внутреннего сгорания, включающий в себя впускную и выпускную линии (2) и (20), компрессор (11) низкого давления, компрессор (5) высокого давления, турбину (6) высокого давления, турбину (7) низкого давления и первый байпасный механизм (3, 4). Компрессор (11) низкого давления и компрессор (5) высокого давления установлены во впускной линии (2) последовательно по потоку воздуха. Турбина (6) высокого давления и турбина (7) низкого давления установлены в выпускной линии последовательно по потоку газов. Первый байпасный механизм (3, 4) предназначен для обхода компрессора (5) высокого давления. Турбина (6) высокого давления соединена с валом компрессора (11) низкого давления. Двигательная установка содержит электрический преобразователь (55) крутящего момента. Электрический преобразователь (55) крутящего момента включает в себя электрический генератор (30), установленный с возможностью привода от турбины (7) низкого давления, первый электродвигатель (32), установленный с возможностью привода компрессора (5) высокого давления, и инвертор (31). Инвертор (31) предназначен для преобразования электрической энергии, вырабатываемой электрическим генератором (30), и для питания, и управления первым электродвигателем (32). Раскрыты транспортное средство, содержащее двигательную установку, и способ управления двигательной установкой. Технический результат заключается в повышении удельной мощности и в уменьшении дымности отработавших газов. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 6 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к гибридной турбокомпаундной двигательной установке с наддувом прежде всего для промышленных транспортных средств и к способу управления такой установкой. Изобретение находит применение также в области судовых двигателей, транспортных средств и в сельском хозяйстве независимо от типа используемого топлива, будь то бензин, дизельное топливо, газ или водород.
Уровень техники
Двухступенчатый наддув с помощью турбокомпрессора был предложен в качестве средства обеспечения высокого кпд двигателей, прежде всего дизельных двигателей, работающих при больших нагрузках, таких как двигатели промышленных транспортных средств или судовые двигатели. Два турбокомпрессора, установленных последовательно во впускной линии двигателя, приводятся в действие турбинами, установленными также последовательно или в иной конфигурации в выпускной линии двигателя.
Турбокомпаундное решение предусматривает две турбины, установленные последовательно в выпускной линии, причем турбина низкого давления (ТНД) соединена с коленчатым валом дизельного двигателя посредством понижающей передачи. Вследствие этого такая вторая турбина обеспечивает дополнительный крутящий момент двигателя.
Двойная турбокомпаундная схема раскрыта в патенте EP 2042705. В нем описаны турбина высокого давления (ТВД) и ТНД, установленные в выпускной линии. Такие турбины могут быть соединены параллельно или последовательно друг с другом посредством соответствующих соединений и редукционных клапанов, особенно необходимых при параллельной конфигурации турбин из-за различия в их характеристиках.
ТВД механически соединена с компрессором высокого давления (КВД).
ТНД соединена с коленчатым валом посредством механической передачи. Передача содержит средство уменьшения изменений скорости вращения, расположенное между второй турбиной и коленчатым валом, как и в случае обычных турбокомпаундных двигателей. Кроме того, такая механическая передача также соединяет компрессор низкого давления (КНД), расположенный во впускной линии выше КВД по потоку, причем последний непосредственно соединен с отверстием для впуска воздуха двигателя внутреннего сгорания (ДВС).
Ведомый компрессор и силовая турбина соединены с двигателем посредством гидродинамической муфты и редуктора. Функцией гидродинамической муфты является уменьшение передачи колебаний крутящего момента от коленчатого вала к приводам турбин. Дополнительной функцией муфты согласно публикации EP 042705 является подключение и отключение от двигателя ведомого компрессора и силовой турбины. Эта функция позволяет системе работать в режиме свободно вращающегося КНД с некоторыми дополнительными потерями на трение в приводе.
В публикации WO 2010066452 описан процесс регулировки скольжения гидродинамической муфты наддува с целью управления противодавлением отработавших газов (ОГ) и их рециркуляцией.
Посредством такой линии КНД получает механическую энергию от двигателя или также от ТНД.
В публикации DE 102005003714 описана двухступенчатая компаундная система. В силу такой схемы ведомый КНД нуждается в большом количестве энергии для осуществления наддува. Однако при механическим приводе трудно добиться управляемости КНД.
Классическая турбокомпаундная схема может обеспечить снижение расхода топлива в пределах от 5 до 10% и повышенную удельную мощность в пределах от 100 до 110% по сравнению с ДВС с изменяемой геометрией турбины (VTG).
Удельная мощность или так называемый удельный выход определяется как мощность в [кВт], деленная на объем двигателя в литрах [л]. Такой удельный выход у современных дизельных систем с электронным управлением VTG, работающих под большой нагрузкой, составляет от 30 до 34 кВт/л. В двухступенчатых и двухступенчатых компаундных системах выход может достигать 50 кВт/л.
В отличие от этого классическая схема с двухступенчатым с турбонаддувом по сравнению с VTG схемой способна обеспечить меньшее снижение расхода топлива, составляющее от 0% до 5%, но большую удельную мощность, составляющую от 115 до 130%.
В данном документе термин турбонагнетатель является синонимом нагнетателя или компрессора.
Известна также так называемая «электрическая турбокомпаундная схема», содержащая КВД, аксиально соединенный с ТВД, и ТНД, аксиально соединенную с электрическим генератором, вырабатывающим электроэнергию. Имеющийся электродвигатель также соединен с коленчатым валом ДВС. Первый инвертор преобразует энергию, вырабатываемую электрогенератором, в постоянный ток, подаваемый в шину постоянного тока, а второй инвертор, соединенный с указанной шиной постоянного тока, обеспечивает питание электродвигателя. Последний создает дополнительный крутящий момент ДВС.
По сравнению с механической турбокомпаундной схемой, в электрической схеме ТНД таким образом отсоединена от коленчатого вала ДВС, и это означает, что на нее не оказывают влияние изменение скорости вращения двигателя. В то же время передача дополнительного крутящего момента коленчатому валу ДВС может быть выполнена также независимым способом посредством электродвигателя, соединенного с коленчатым валом.
Несмотря на такие несомненные преимущества по сравнению с механической схемой, в любом случае известные электрические турбокомпаундные схемы также не обеспечивают сколь-нибудь заметного устранения некоторых недостатков, таких как низкая удельная мощность и большой расход топлива. Кроме того, известные электрические схемы и известные механические схемы не позволяют реализовать ощутимую стратегию рекуперации, а также заметно повысить качество переходного процесса.
Существо изобретения
Исходя из этого в основу настоящего изобретения была положена задача предложить турбокомпаундную двигательную установку с наддувом, которая позволяет преодолеть упомянутые выше недостатки. В рамках этого первой задачей является предложить двигательную установку с наддувом, которая позволяет уменьшить расход топлива и увеличить удельную мощность. Другой задачей настоящего изобретения является предложить двигательную установку, которая обладает меньшим дымлением как в переходном, так и стационарном режимах. Еще одна задача - предложить двигательную установку, которая обеспечивает наилучшую переходную характеристику в сравнении с известными решениями. Кроме того, еще одной задачей является предложить двигательную установку, у которой температура выхлопа может быть заметно снижена, чтобы оставаться ниже предела, установленного для используемого вида топлива. Немаловажной подзадачей настоящего изобретения является предложить надежную и простую двигательную установку, чтобы можно было изготавливать ее по конкурентоспособным ценам.
Эта главная задача и подзадачи решаются с помощью двигательной установки согласно п.1 формулы изобретения. Как указано ниже, посредством настоящего изобретения могут быть достигнуты многие преимущества. Во-первых, двигательная установка обладает преимуществами одиночной и двойной турбокомпаундных систем с двухступенчатым турбонаддувом. С учетом соединений между турбинами и компрессорами двигательной установки, схему, предлагаемую в настоящем изобретении, по-другому называют «турбокомпаундный двигатель с инверсным двухступенчатым турбонаддувом ».
В частности, схема включает в себя:
а) КНД, приводимый в действие ТВД посредством вала,
б) ТВД и ТНД, установленные последовательно в выпускной линии,
в) КНД и КВД, установленные последовательно во впускной воздушной линии.
Предлагаемая в изобретении двигательная установка позволяет обеспечить непрерывное регулирование скорости вращения КВД и точное управление ТНД. Благодаря электрическому приводу, ТНД и КВД не подвержены влиянию осцилляции двигателя и не зависят от скорости вращения двигателя и его нагрузки. Кроме того, в предлагаемой в изобретении двигательной установке КВД и ТНД могут работать независимо друг от друга с различными скоростями. Этот аспект позволяет достичь оптимального кпд.
Предлагаемая в изобретении двигательная установка также позволяет обеспечить улучшенный переходный процесс. Действительно, согласно изобретению КВД может подключаться (с помощью электродвигателя) только тогда, когда это необходимо. В связи с этим согласно предлагаемой в изобретении стратегии управления, КВД приводится в действие только тогда, когда выполняется по меньшей мере одно из следующих условий:
- температура ОГ превышает заданное значение,
- величина лямбда превышает заданное значение;
- перепад давления во впускной линии превышает по меньшей мере границу помпажа КНД,
- средство торможения двигателя активировано,
- скорость вращения двигателя ниже заданного значения.
Вследствие этого в предлагаемой в изобретении двигательной установке в течение приблизительно 80% времени цикла движения ведомый КВД может быть преимущественно отключен. Этот аспект позволяет осуществлять оптимальную рекуперацию с более высокой удельной мощностью по сравнению с традиционными двигательными установками.
В зависимых пунктах формулы изобретения, являющихся неотъемлемой составной частью настоящего описания, раскрываются предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения.
Формула изобретения раскрывает предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения, являясь неотъемлемой частью настоящего описания.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение становится полностью понятным из последующего детального описания предпочтительных вариантов его осуществления, приведенных в качестве иллюстративного, но не ограничивающего примера, со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи, на которых показано:
на Фиг.1 - первый вариант выполнения предлагаемой в изобретении гибридной двигательной установки,
на Фиг.2 - второй вариант выполнения предлагаемой в изобретении гибридной двигательной установки,
на Фиг.3 - сравнительная диаграмма характеристик известных из уровня техники установок и предлагаемой в настоящем изобретении установки,
на Фиг.4-6 - сравнительные диаграммы характеристик нескольких систем наддува применительно к одному и тому же граничному условию двигателя.
Одинаковые ссылочные позиции (номера и буквы) на чертежах обозначают одинаковые или функционально эквивалентные элементы.
Осуществление изобретения
На Фиг.1 представлен схематичный вид предлагаемой в изобретении гибридной двигательной установки. Как описано ниже, двигательная установка содержит механическую часть и электрическую часть. По этой причине далее двигательную установку 1 также называют «гибридной установкой». Двигательная установка, используемая, например, на промышленных транспортных средствах, на судах или для других целей, содержит ДВС 1, который предпочтительно является дизельным двигателем. Установка также содержит впускную линию 2 и выпускную линию 20. Начиная от входа поступающего воздуха в указанной впускной линии 2 последовательно по ходу установлены:
- компрессор 11 низкого давления (КНД 11),
- промежуточный охладитель 12 наддувочного воздуха низкого давления (ПОНД
- компрессор 5 высокого давления (КВД 5),
- охладитель 13 наддувочного воздуха высокого давления (ОНВВД 13).
Впускная линия 2 содержит первый перепускной механизм 3, 4 для обхода КВД
5. Более подробно, такой перепускной механизм представляет собой перепускную линию 3 и клапан 4. Первый конец перепускной линии 3 подсоединен по потоку выше ПОНД 12, в то время как второй конец перепускной линии 3 подсоединен по потоку ниже ОНВВД 13. Такое решение позволяет значительно уменьшить потери давления вдоль впускной линии, когда первый перепускной механизм 3, 4 активирован, то есть, когда клапан 4 открыт, и воздух проходит через перепускную линию 3. Однако следует отметить, что упомянутые охладители 12, 13 на самом деле не являются обязательными элементами.
Что касается выпускной линии 20, то начиная от ДВС 1 в ней по ходу потока ОГ последовательно установлены ТВД 6 и ТНД 7.
Специалисту в данной области понятно, что означают термины турбина «низкого давления» или турбина «высокого давления», равно как и нагнетатель «низкого давления» и нагнетатель «высокого давления» с точки зрения массового расхода, давления и энтальпии с учетом последовательного соединения таких компонентов. Таким образом, также понятно, что «высокий» или «низкий» четко определяют особенности нагнетателя или турбины в данном контексте. В связи с этим в последующем описании под терминами «компрессор» и «нагнетатель» понимается одно и то же.
Согласно изобретению КНД 11 непосредственно функционально соединен с ТВД 6. Точнее, КНД 11 приводится в действие ТВД 6 посредством вала 61. Кроме того, ТВД 6 предпочтительно связан с ДВС 1 двойной связью (сдвоенным вводом). Такое решение позволяет обеспечить лучшую переходную характеристику при низкой скорости, улучшая пульсации давления в выпускном коллекторе рядного двигателя. В этом отношении прямое соединение с двигателем редко находится под постоянным давлением ОГ. В дизельных двигателях с импульсным турбонаддувом сдвоенный ввод в турбину позволяет оптимизировать пульсации ОГ, так как более высокий перепад давления в турбине достигается за более короткое время. Таким образом, посредством увеличения перепада давления принудительно нагнетается поток при уменьшении крайне важного временного интервала, когда массовый расход с высокой плотностью проходит через турбины. В результате такого условия улучшается использование энергии ОГ, увеличивается перепад давления наддува двигателя и, следовательно, динамика крутящего момента, особенно при низких оборотах двигателя.
Как показано на Фиг.1, в целях предотвращения взаимных помех от различных цилиндров во время циклов их перезарядки, половина цилиндров соединена с одним коллектором 20 ОГ, который формирует «выход» указанного ДВС 1. Таким образом, сдвоенный ввод в ТВД 6 позволяет раздельно подавать поток ОГ через турбину.
Согласно настоящему изобретению двигательная установка содержит электрический преобразователь 55 крутящего момента для приведения в действие НРС 5 и для обеспечения передачи крутящего момента коленчатому валу ДВС 1. Более подробно, электрический преобразователь 55 крутящего момента содержит электрический генератор 30, предпочтительно генератор переменного тока, ротор которого связан с валом 8 ТНД 7. Электрический преобразователь 55 крутящего момента содержит первый электродвигатель 32, который соединен с КВД 5 для приведения его в действие. Кроме того, преобразователь 55 также включает в себя электронные средства 31, 34, 39 преобразования, предназначенные для преобразования электрической энергии, вырабатываемой генератором 30, и для управления и питания по меньшей мере указанного первого электрического электродвигателя 32.
Электронные средства преобразования содержат инвертор 31, с которым электрически соединен электрический генератор 30. Такой инвертор 31 также электрически соединен с первым электродвигателем 32. В соответствии с показанным на Фиг.1 вариантом осуществления изобретения, преобразователь 55 крутящего момента содержит также второй электродвигатель 33, электрически соединенный с инвертором 31 и механически соединенный с коленчатым валом ДВС 1 для создания дополнительного крутящего момента.
В любом случае, преобразователь 55 крутящего момента также включает в себя аккумулятор 34, который может быть батареей или шиной постоянного тока. Такой аккумулятор 34 электрически соединен с генератором 30 через инвертор 31.
Согласно схеме, приведенной на Фиг.1, электрическая энергия, вырабатываемая генератором 30, может быть посредством инвертора 31 использована для управления первым электродвигателем 32 с целью приведения в действие КВД 5, или вторым электродвигателем 33 с целью создания крутящего момента на коленчатом валу ДВС 1. Однако, в зависимости от текущих потребностей установки, энергия, вырабатываемая генератором, может также аккумулироваться через инвертор 31 в аккумуляторной батарее/шине постоянного тока. Отсюда следует, что благодаря наличию аккумулятора 34 (например, батареи/шины постоянного тока) мгновенный крутящий момент, передаваемый первому электродвигателю 32, может не зависеть от количества электрической энергии, вырабатываемой генератором 30.
Согласно второму варианту осуществления изобретения, показанному на Фиг.2, электронные средства преобразования электрического преобразователя 55 крутящего момента предпочтительно включают в себя также конденсатор 39, который функционально управляется инвертором 31. Первый электродвигатель 32 может получать энергию от конденсатора 39 при кратковременной потребности в мощности и от аккумулятора (батареи/шины 34 постоянного тока) при долговременной потребности в мощности. Это позволяет улучшить переходную характеристику КВД 5. Электрическая энергия, аккумулированная в конденсаторе 39, контролируется и направляется соединенным с ним инвертором 31 первому электродвигателю 32.
В рамках настоящего изобретения термин «кратковременная потребность» означает потребность мощности в течение времени менее минуты. «Кратковременной потребностью» может быть, например, необходимость для водителя завершить обгон, преодолеть небольшой подъем на местности или проехать по каменистой местности в нагруженном состоянии. Напротив, выражение «долговременная потребность» означает потребность в энергии в течение более двух минут. Долговременная потребность в мощности может возникать при преодолении транспортным средством затяжного подъема или при движении судна против ветра и (или) против волн или также при движении транспортного средства по глинистой местности, оказывающей большое сопротивление движению.
Из сравнения, показанного на Фиг.2 варианта осуществления изобретения с показанным на Фиг.1 вариантом, видно, что электрический преобразователь 55 крутящего момента также содержит асинхронную электрическую машину 33b, соединенную с коленчатым валом ДВС 1. Как более подробно изложено ниже, асинхронная машина 33b может использоваться в трех основных режимах работы:
- в качестве «генератора», осуществляя торможение таким образом, чтобы можно было рекуперировать энергию торможения путем ее преобразования в электрическую энергию, запасаемую через инвертор 31 в аккумуляторе 34 и (или) в конденсаторе 39, что позволяет уменьшить нагрузку на тормоза транспортного средства и таким образом уменьшить их износ и обеспечить больший срок службы,
- в качестве «электродвигателя» с целью создания на коленчатом валу ДВС 1 дополнительного крутящего момента, используемого при кратковременной потребности в мощности (форсаже),
- в качестве «электродвигателя» с целью оказания поддержки ДВС при долговременной потребности в мощности, с тем чтобы иметь возможность уменьшить мощность двигателя путем последовательного снижения расхода топлива и увеличения рекуперации энергии.
Из этого следует, что в соответствии с первым возможным режимом работы асинхронная машина 33b может преимущественно оказывать поддержку двигательной установке во время торможения или замедления путем создания отрицательного крутящего момента. В таком режиме посредством инвертора 31 асинхронная машина работает в качестве «генератора», вырабатывая электрическую энергию, которая в основном запасается в конденсаторе 39. Если электрический конденсатор уже заряжен, то генерируемая электрическая энергия запасается в аккумуляторе 34. Управление мощностью, вырабатываемой асинхронной машиной 33b, осуществляется инвертором 31 и электронным управляющим блоком ECU (от англ. electronic control unit), который управляет инвертором 31.
Напротив, когда двигательная установка ускоряется, инвертор 31 изменяет рабочую конфигурацию асинхронной машины 33b, которая может работать в качестве второго электродвигателя электрического преобразователя 55 крутящего момента. В частности, в этом режиме удовлетворение кратковременной потребности асинхронной машины 33b в электрической энергии осуществляется через инвертор 31 с помощью конденсатора 39, а в случае долговременной потребности - также через инвертор 31, но с помощью аккумулятора 34. В случае долговременной потребности электрическая энергия может быть предоставлена асинхронной машине также непосредственно от генератора 30.
Таким образом, на основе вышеизложенного управление КВД 5 осуществляется посредством первого электродвигателя 32, питание на который может подаваться через инвертор 31 непосредственно с генератора 30 или от аккумуляторной батареи/шины 34 постоянного тока. Первый электродвигатель 32 запускается, если первый перепускной механизм 3, 4 был до этого деактивирован или деактивируется одновременно с запуском электродвигателя 32. Другими словами, когда первый перепускной механизм 3, 4 активирован/работает (то есть, когда клапан 4 открыт), воздух, поступающий из КНД 11, проходит через перепускную линию 3. В таком режиме КВД 5, как правило, не приводится в действие первым электродвигателем 32. И наоборот, когда первый перепускной механизм 3, 4 деактивирован (то есть, когда клапан 4 закрыт), весь поток воздуха проходит через КВД 5. В таком режиме КВД 5 может приводиться в действие первым электродвигателем 32, чтобы увеличить перепад давления воздушного потока для целей, указанных ниже.
Предлагаемая в настоящем изобретении двигательная установка 1, описанная выше со ссылкой, в частности, на Фиг.2, может преимущественно эксплуатироваться по меньшей мере в следующих рабочих конфигурациях:
1) в первой конфигурации, называемой «одноступенчатой конфигурацией», когда КНД 11 и ТВД 6 активированы, а КВД 5 деактивирован. В такой конфигурации асинхронная машина 33b работает в качестве «электродвигателя», чтобы создавать крутящий момент на коленчатом валу ДВС 1; в частности, асинхронная машина 33b может работать, получая через инвертор 31 электрическую энергию, аккумулированную в батарее/шине 34 постоянного тока; альтернативно асинхронная машина 33b может работать в качестве «электродвигателя», получая как всегда через инвертор 31 электрическую энергию, мгновенно вырабатываемую подключенным к ТНД 7 генератором 30;
2) во второй конфигурации, называемой «двухступенчатой конфигурацией», когда КНД 11 и ТВД 6 активированы, а КВД 5 также приводится в действие первым электродвигателем 32; в данной второй конфигурации первый электродвигатель 32 получает электрическую энергию через инвертор 31 сразу после ее выработки генератором 30, соединенным с ТНД 7. В этом состоянии двигательная установка работает в качестве «двухступенчатой компаундной установки», в которой КНД 11 приводится в действие ТВД 6, и в котором КВД 5 по существу приводится в действие непосредственно ТНД 7;
3) в третьей конфигурации, когда КНД 11 и ТВД 6 активированы, а КВД 5 приводится в действие первым электродвигателем 32, который, в свою очередь, через инвертор 31 получает электрическую энергию от аккумулятора (батареи/шины постоянного тока) 34; другими словами, в отличие от второй конфигурации, в данной третьей конфигурации мгновенно вырабатываемая генератором 30 электрическая энергия аккумулируется в аккумуляторе 34.
Все, что сказано выше об этих трех рабочих конфигурациях справедливо и для варианта осуществления изобретения, показанного на Фиг.1, в котором обычный электродвигатель (второй электродвигатель 33), не имеющий функции генератора, соединен с коленчатым валом двигательной установки.
Возможны и другие конфигурации, отличающиеся от перечисленных выше конфигураций 1)-3), в которых КНД 11 и ТВД 6 все время находятся в работе. В частности, со ссылкой снова на вариант осуществления изобретения, показанный на фиг.2, двигательная установка может работать в следующих конфигурациях:
4) в четвертой конфигурации, в которой КНД 11 и ТВД 6 активированы, а ТНД 7 рекуперирует энергию с помощью генератора 30; в данной четвертой конфигурации КВД 5 деактивирован и асинхронная машина 33b не работает; вырабатываемая генератором 30 электрическая энергия аккумулируется в аккумуляторе 34 и (или) запасается в конденсаторе 39;
5) в пятой конфигурации, в которой КНД 11, ТВД 6, КВД 5 и ТНД 7 находятся в том же состоянии, что и в четвертой конфигурации, но асинхронная машина работает в качестве «генератора» и вырабатывает электрическую энергию, аккумулируемую в аккумуляторе 34 и (или) в конденсаторе 39;
6) в шестой конфигураций, в которой КНД 11, ТВД 6, КВД 5 и ТНД 7 находятся в том же состоянии, что и в третьей конфигурации 3), но асинхронная машина 33b работает в качестве «генератора» и вырабатывает электрическую энергию, аккумулируемую в аккумуляторе 34 и (или) в конденсаторе 39;
7) в седьмой конфигурации, в которой КНД 11, ТВД 6 и КВД 5 находятся в том же состоянии, что и в шестой конфигурации, но ТНД 7 и асинхронная машина 33b отключены ввиду того, что аккумулятор 34 и (или) конденсатор 39 полностью заряжены;
8) в восьмой конфигурации, в которой КНД 11, ТВД 6 и КВД 5 находятся в том же состоянии, что и в шестой конфигурации, но асинхронная машина 33b отключена.
Предлагаемая в изобретении двигательная установка содержит средство управления, например, электронный управляющий блок ECU, который управляет инвертором 31 и, следовательно, активацией/деактивацией КВД 5 и первого перепускного механизма 3, 4. Электронный управляющий блок ECU по сути контролирует и управляет как механической частью, так и электрической частью (электрическим преобразователем 55 крутящего момента) двигательной установки с целью смены рабочих конфигураций с одной на другую.
Упомянутая двигательная установка также содержит первый измерительный преобразователь, функционально соединенный с электронным управляющий блоком ECU, и предназначенный для измерения температуры ОТ. В частности, такая температура измеряется в выпускной линии 20 перед ТВД 6. Двигательная установка также содержит второй измерительный преобразователь упомянутой величины лямбда, функционально связанный с электронным управляющий блоком ECU. Упомянутый второй измерительный преобразователь предпочтительно содержит по меньшей мере один датчик давления и по меньшей мере один датчик температуры, установленные во впускной линии 2 и подсоединенные к вышеупомянутому электронному управляющему блоку ECU для вычисления значения лямбда. Более подробно, электронный управляющий блок ECU вычисляет потребность в топливе и массовый расход воздуха исходя из давления наддува и температуры, измеренных соответственно упомянутым по меньшей мере одним датчиком давления и упомянутым одним датчиком температуры упомянутого второго измерительного преобразователя.
Согласно альтернативному решению, второй измерительный преобразователь может содержать выделенный лямбда зонд, функционально соединенный с вышеупомянутым электронным управляющий блоком ECU.
Упомянутая двигательная установка предпочтительно содержит также средство торможения двигателя и датчик частоты вращения двигателя, который может быть, например, датчиком, обычно устанавливаемом на маховике ДВС. Кроме того, двигательная установка предпочтительно содержит также по меньшей мере датчик крутящего момента для определения крутящего момента. Датчик крутящего момента также функционально соединен с электронным управляющий блоком ECU. Более того, в электронном управляющем блоке ECU предпочтительно хранится «график расхода топлива». На основе этого графика и данных, поступающих от датчика крутящего момента, электронный управляющий блок ECU активирует средство торможения двигателя. При этом если выявлено впрыскивание топлива, то средство торможения двигателя не может быть активировано. С другой стороны, если впрыскивание топлива не осуществляется и если частота вращения двигателя выше предварительно заданного значения (например, 1000 об/мин), то тормозное средство двигателя может быть активировано.
Следует заметить, что в известных решениях электронный управляющий блок не имеет связи с датчиком крутящего момента. В частности, в известных решениях при работе крутящий момент берется из «графика расхода топлива», который содержит данные, относящиеся к частоте вращения двигателя, крутящему моменту и расходу топлива. Обычно «график расхода топлива» составляется и проверяется на испытательных стендах. В традиционных решениях, следуя требованиям водителя, электронный управляющий блок обеспечивает массовый расход топлива на основе графика расхода топлива, но при этом отсутствует какая-либо обратная связь от двигателя в виде крутящего момента. Более того, в традиционных решениях в режиме торможения электронный управляющий блок не получает обратной связи о расходе топлива, и величина тормозного момента также берется из «графика торможения», содержащего данные о частоте вращения двигателя и тормозном моменте. «График торможения» также определяется и калибруется на испытательных стендах.
В отличие от этого в настоящем изобретении наличие датчика крутящего момента, взаимодействующего с электронным управляющим блоком ECU, позволяет контролировать отклонения двигателя и прежде всего само возникновение таких отклонений. Это позволяет поддерживать отклонения двигателя в очень узком диапазоне и компенсировать старение и износ двигателя в процессе эксплуатации.
Предлагаемая в изобретении стратегия управления двигательной установкой 1 содержит этап деактивации упомянутого первого перепускного механизма 3, 4 и этап активации упомянутого КВД 5 посредством первого электродвигателя 32, если выполняется по меньшей мере одно из следующих условий:
а) температура ОГ превышает заданное значение (например, 760°C),
б) величина лямбда ниже заданного значения,
в) перепад давления во впускной линии (2) превышает по меньшей мере значение помпажа КНД 11,
г) средство торможения двигателя активировано,
д) частота вращения двигателя ниже заданного значения.
Другими словами, согласно изобретению, начиная по существу с упомянутой выше первой рабочей конфигурации, если выполняются перечисленные выше условия а)-д), то первый перепускной механизм 3, 4 в основном закрыт, так что массовый расход воздуха проходит через КВД 5, где подвергается сжатию. В таком случае КВД 5 приводится в действие первым электродвигателем 32, чтобы активно воздействовать на массовый расход воздуха. Напротив, если первый перепускной механизм активирован (т.е. массовый расход воздуха проходит через перепускную линию 3 и клапан 4), то первый электродвигатель 32 деактивирован, так что КВД 5 не производит сжатия воздушного потока. Деактивация первого перепускного механизма 3, 4 предпочтительно осуществляется перед или одновременно с активацией КВД 5 электродвигателем 32.
Вышеупомянутые условия а)-д) проверяются электронным управляющим блоком ECU, который затем воздействует на первый перепускной механизм 3, 4 двигательной установки. Электронный управляющий блок ECU может проверить все условия а)-д), прежде чем воздействовать на первый перепускной механизм 3, 4. Альтернативно электронный управляющий блок ECU может воздействовать на перепускной механизм сразу, как только будет выявлено одно из условий а)-д), независимо от выполнения других условий.
В частности, при выполнении условия, указанного в пункте а), КВД 5 приводится в действие первым электродвигателем (32) для дополнительного наддув воздуха, чтобы увеличить значение лямбда и понизить температуру сгорания топлива. Со ссылкой на условие, указанное в п.б), значение лямбда вычисляется из соотношения количеств воздуха и топлива в соответствии со следующей формулой:
Лямбда = AFR/AFRстехиометрическое
где AFR определяется как масса воздуха, деленная на массу топлива, а AFRстехиометрическое равно 14,545 для дизельных двигателей. Установлено, что наибольший кпд при наименьшем дымлении достигается, когда лямбда имеет значение в диапазоне от 1,4 до 1,8. Когда значение лямбда, измеряемое лямбда зондом, выходит из этого диапазона, то первый перепускной механизм 3, 4 активируется/деактивируется и в зависимости от этого активируется/деактивируется КВД 5. В частности, если значение лямбда ниже 1,4, то первый перепускной механизм 3, 4, деактивирован (клапан 4 закрыт) и КВД 5 приводится в действие первым электродвигателем 32. Напротив, когда значение лямбда становится выше 1,8, то первый перепускной механизм 3, 4 активируется (клапан 4 открывается), а первый электродвигатель 32 останавливается, чтобы остановить КВД 5.
При выполнении условия, указанного в пункте в), когда двигательная установка находится, например, в упомянутой выше «одноступенчатой конфигурации», при малых оборотах двигателя (т.е. при низком массовом расходе воздуха) перепад давления, создаваемый КНД 11 (т.е. отношение между давлениями на входе и выходе КНД 11) должен быть увеличен с целью повышения крутящего момента двигателя. Это достигается путем деактивации первого перепускного механизма 3, 4 и активации КВД 5 посредством первого электродвигателя 32.
Рабочая карта КНД 11 четко ограничена границей помпажа при повышении давления. При работе компрессора КНД 11 выше границы помпажа нестационарные импульсы будут разрушать рабочее колесо. Положение границы помпажа на рабочей карте КНД 11 зависит от конструкции компрессора и производителя. Согласно изобретению, для увеличения перепада давления при низком массовом расходе воздуха используется КВД 5. Путем распределения перепада давления с одного (КНД) на два компрессора (КНД и КВД) можно добиться более высокого перепада давления, не выходя за границу помпажа КНД 11. Очевидно, что при большем массовом расходе воздуха один компрессор (КНД) может обеспечить заявленный перепад давления без помпажа, так что может быть активирован первый перепускной механизм 3, 4, а КВД 5 деактивирован.
При выполнении условия, указанного в пункте г), во время фазы торможения двигателя транспортного средства первый перепускной механизм 3, 4 деактивирован, а КВД 5 (посредством первого электродвигателя 32) активно работает на увеличение массового расхода воздуха, чтобы увеличить мощность торможения двигателя. Режим торможения двигателя является результатом требования водителя транспортного средства, который с помощью, например, переключателя или педали тормоза посылает сигнал в электронный управляющий блок, который проверяет рабочие параметры двигателя и активирует режим торможения. В частности, электронный управляющий блок деактивирует первый перепускной механизм 3, 4 и активирует первый электродвигатель 32 (т.е. КВД 5), как это описано выше.
Двигательная установка 1 предпочтительно содержит также систему рециркуляции ОГ (в дальнейшем EGR) для уменьшения образования оксидов азота при сгорании топлива. Система EGR управляется разностью давления на впуске 27 ДВС, то есть давления, измеренного в непосредственной близости от конца впускной линии 2, и давления на выходе 20b ДВС 1, т.е. давления в начале выпускной линии 20 перед ТВД 6. Если давление на впуске 27 выше, чем давление на выходе 20b (отрицательный наддув), рециркуляция ОГ возможна, и наоборот. Поэтому в соответствии с настоящим изобретением массовый расход системы EGR регулируется путем активации/деактивации первого перепускного механизма 3, 4, и путем приведения в действие КВД 5 посредством первого электродвигателя 32. В таких условиях КВД 5 воздействует на всасываемый массовый расход воздуха, увеличивая давления на впуске 27 и, следовательно, восстанавливая условия для рециркуляции ОГ.
Обобщая вышеизложенное, предлагаемая в изобретении двигательная установка 1 переходит в «двухступенчатую конфигурацию» путем деактивации первого перепускного механизма 3, 4 и активации КВД 5 (посредством первого электродвигателя 32) с целью:
- увеличения давления наддува и снижения температуры ОГ и улучшения переходной характеристики при малых оборотах двигателя и малом массовом расходе и
- смещения рабочей линии двигателя из области помпажа КНД 11 на рабочей карте, когда требуется большой перепад давления при низком массовом расходе и
- увеличения эффективной мощности двигателя.
Вследствие этого при использовании настоящего изобретения обеспечивается ряд преимуществ:
- объединение в одной схеме двигательной установки полезных свойств одинарных и сдвоенных турбокомпаундных систем с двухступенчатым турбонаддувом и механических компрессоров высокого давления,
- улучшение переходной характеристики двигателя,
- увеличения эффективной мощности двигателя,
- улучшение стратегии рекуперации.
Для того чтобы лучше объяснить преимущества, достижимые с помощью настоящего изобретения, здесь определены некоторые полезные параметры:
- индикаторное среднее эффективное давление IMEP (от англ. indicated mean effective pressure) - это «среднее давление» в цилиндре двигателя во время рабочего цикла, определяемое по индикаторной диаграмме. «Средним давлением» является давление, создающееся в камере сгорания во время рабочего цикла. Это выражение теоретической, без учета сил трения мощности, известной как номинальная мощность в лошадиных силах. В дополнение к тому, что в этом параметре совершенно не учитываются потери мощности на трение, номинальная мощность в лошадиных силах не содержит никакой информации о том, какая фактическая мощность подается на карданный вал для совершения полезной работы. Тем не менее, этот параметр связан с фактическими давлениями, которые возникают в цилиндре, и может быть использован в качестве меры такого давления. IMEP равно сумме «среднего эффективного давления при испытании на тормозной установке» (далее BMEP, от англ. brake mean effective pressure) и «среднего эффективного давления трения» (далее FMEP, от англ. friction mean effective pressure);
- Pвыхода = давление после двигателя (на выходе 20);
- Pвпуска = давление перед двигателем (на впуске 27);
- Pдвигателя = мощность на коленчатом валу;
- Pрекуперации = рекуперированная мощность.
Любой технический процесс производства энергии сопровождается потерями энергии и ростом энтропии. Потери энергии происходят во время транспортировки, преобразования, получения, применение, и это неизбежно. В дополнение к природному закону роста энтропии большое количество энергии в виде тепла теряется впустую. «Системы рекуперации тепла ОГ» утилизируют часть некоторых потерь и тем самым повышают кпд термодинамических циклов;
- энергетический потенциал газообмена EPGE (от англ. energy potential gas exchange) является переданной во время обмена энергией. Если работа на наддув положительна, то двигатель не выполняет никакой работы по заполнению и опорожнению цилиндра рабочей текучей средой. Таким образом, если работа на наддув положительна, то кпд двигателя увеличивается (EPGE+).
Если работа на наддув отрицательна, то двигателю необходимо затратить некоторую энергию на газообмен (EPGE-), следовательно, кпд снижается;
- рекуперированная часть энергии PFRC (от англ. power fraction recuperation) является энергией. Системы с рекуперацией тепловых потерь могут вторично использовать часть некоторых потерь и тем самым повышать кпд термодинамических циклов. PFRC - это процентное отношение мощности двигателя к рекуперированной мощности (от ОГ на коленчатом валу);
- потенциал экономии топлива POFS (от англ. potential of fuel saving) (безразмерный коэффициент); этот параметр может быть описан также с помощью следующих уравнений:
POFS=EPGE+PFRC
POFS=(IMEP/Pвыхода-Pвпуска)+(Pдвигателя/Pрекуперации)
Таким образом, EPGE и PFRC влияют на кпд двигателя.
Системы с рекуперацией ОГ, как правило, имеют более высокое противодавление (давление газов на выходе) и отрицательную работу на наддув.
Стандартные двухступенчатые системы турбонаддува не могут рекуперировать энергию, но они могут обеспечить положительную работу на наддув. Негативные воздействие EPGE может быть компенсировано путем увеличения PFRC.
На Фиг.4, 5 и 6 сравниваются несколько схем наддува применительно к одному и тому же ДВС (Курсор™):
1) с изменяемой геометрией турбины [VTG] (на диаграммах обозначена пустыми ромбами);
2) с двухступенчатым турбонаддувом [2Stage] (на диаграммах обозначена пустыми кружками);
3) одиночная турбокомпаундная [TCD] схема с одноступенчатым турбонаддувом (на диаграммах обозначена короткими штрихами);
4) двойная турбокомпаундная [ТС2] схема, а именно схема двухступенчатого турбонаддува, описанная в публикации EP 2042705 (на диаграммах обозначена пустыми треугольниками);
5) первый вариант осуществления настоящего изобретения (iTC) (на диаграммах обозначен пустыми квадратиками).
В частности, диаграммы на Фиг.4-6 приведены для сравнения соответствующих указанных величин: POFS, EPGE, PFRC.
С 800-1500 оборотов в минуту предлагаемая в настоящем изобретении двигательная установка работает как двухступенчатая турбокомпаундная система (КВД и ТНД соединены с коленчатым валом). Начиная с 1500-2200 оборотов в минуту КВД 5 отключается (первый электродвигатель 32 останавливается), в то время как ТНД 7 по-прежнему остается активированной. Из диаграммы, приведенной на Фиг.4, видно, что предлагаемая в настоящем изобретении схема показывает по сравнению с известными схемами удивительное снижение экономии топлива, начиная примерно с 1500 оборотов в минуту коленчатого вала двигателя. В соответствии с этим результатом также диаграмма на Фиг.6 демонстрирует рост PFRC при увеличении частоты вращения двигателя выше 1500 оборотов в минуту. Также диаграмма на Фиг.5 показывает более низкий EPGE, начиная примерно с 1500 оборотов в минуту коленчатого вала двигателя.
Похоже, что общий POFC ниже по сравнению со турбокомпаундной схемой TCD, однако удельная мощность в предлагаемой в настоящем изобретении схеме увеличена с 34 кВт/л в TCD до 38 кВт/л в iTC.
Правильно сравнивать предлагаемую в настоящем изобретении схему iTC с предлагаемой в патенте EP 2042705 схемой ТС2, в которых обе системы имеют одинаковую удельную мощность. Отсюда следует, что потенциал экономии топлива POFC явно улучшился.
Согласно настоящему изобретению холостой ход в двухступенчатом режиме, т.е. когда КВД 5 и ТНД 7 деактивированы, может быть использован для получения более положительной работы на надув в зоне рабочей карты ниже 50% от номинальной мощности. Этот режим работы не показан на Фиг.2-5.
Точка переключения КВД и ТНД не является фиксированной и зависит от характеристик двигателя, целевой мощности, свойств турбин и т.п.
Кроме того, достигается лучшая переходная характеристика по сравнению со схемой, описанной в публикации EP 2042705, а также схемой, описанной в публикации DE 102005003714, из-за меньшего объема воздуха на стороне высокого давления схемы высокого давления. Отсюда и более низкие уровни дымления на переходных режимах работы.
Кроме того, по сравнению со стандартной одноступенчатой турбокомпаундной схемой настоящее изобретение характеризуется:
- более низкой эмиссией дыма и более низкой рабочей температурой при низкой частоте вращения двигателя,
- повышенной удельной мощностью, особенно при низкой частоте вращения двигателя.
Следует отметить, что в режиме торможения предлагаемая в настоящем изобретении двигательная установка 1 создает более высокий крутящий момент при торможении при более низкой частоте вращения двигателя по причине меньшей турбины высокого давления, т.е. большего наддува по сравнению со схемой, описанной как в публикации EP 2042705, так и в публикации DE 102005003714. Оба варианта позволяют снизить потребность в мощности соединенного с двигателем нагнетателя при высокой частоте вращения двигателя, когда целевое значение лямбда достигнуто. Таким образом, расход топлива сильно снижается.
Различные изменения, модификации, вариации и другие варианты использования и применения настоящего изобретения очевидны для специалистов в данной области техники после рассмотрения описания и прилагаемых к нему чертежей, которые раскрывают предпочтительные варианты осуществления изобретения. Все такие изменения, модификации, вариации и другие варианты использования и применения изобретения, не выходящие за пределы сущности и объема изобретения, считаются, охваченными настоящим изобретением.
Дальнейшие подробности реализации изобретения здесь не описываются, так как специалист в данной области техники может осуществить изобретение на основании приведенного выше описания.
1. Двигательная установка, содержащая
- двигатель (1) внутреннего сгорания, включающий в себя впускную (2) и выпускную (20) линии,
- компрессор (11) низкого давления, компрессор (5) высокого давления, установленные в упомянутой впускной линии (2) последовательно по потоку воздуха,
- турбину (6) высокого давления и турбину (7) низкого давления, установленные в упомянутой выпускной линии по потоку газов,
- первый байпасный механизм (3, 4), предназначенный для обхода упомянутого компрессора (5) высокого давления,
отличающаяся тем, что упомянутая турбина (6) высокого давления соединена с валом упомянутого компрессора (11) низкого давления, при этом двигательная установка содержит электрический преобразователь (55) крутящего момента, включающий в себя, по меньшей мере:
- электрический генератор (30), установленный с возможностью привода от турбины (7) низкого давления,
- первый электродвигатель (32), установленный с возможностью привода упомянутого компрессора (5) высокого давления,
- инвертор (31), предназначенный для преобразования электрической энергии, вырабатываемой упомянутым электрическим генератором (30), и для питания ,и управления по меньшей мере упомянутым первым электродвигателем (32).
2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что упомянутый компрессор (5) высокого давления выполнен с возможностью привода в действие упомянутым электродвигателем (32) при соблюдении по меньшей мере одного из условий:
а) температура отработавших газов (ОГ) превышает заданное значение;
б) величина лямбда ниже заданного значения, при этом
лямбда вычисляется в соответствии со следующей формулой:
Лямбда=AFR/AFRстехиометрическое,
где AFR определяется как масса воздуха, деленная на массу топлива, а AFRстехиометрическое равно 14,545 для дизельных двигателей;
в) упомянутый перепад давления во впускной линии (2) превышает, по меньшей мере, значение помпажа упомянутого компрессора (11) низкого давления;
г) активировано средство торможения двигателя упомянутой установки;
д) частота вращения двигателя ниже заданного значения.
3. Установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что содержит систему (EGR) рециркуляции отработанных газов, причем упомянутый компрессор (5) высокого давления выполнен с возможностью привода в действие упомянутым первым электродвигателем (32) при условии, что давление на впуске (27) упомянутого двигателя ниже, чем давление на выпускной линии (20).
4. Установка по любому из пп. 1 или 2, отличающаяся тем, что упомянутый первый перепускной механизм (3, 4) выполнен с возможностью деактивации, когда первый электродвигатель (32) приведен в действие упомянутым инвертором (31) преобразования.
5. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что указанный электрический преобразователь (55) крутящего момента содержит аккумулятор (34), а инвертор (31) электрически соединен с упомянутым аккумулятором (34), с упомянутым генератором (30) и с упомянутым первым электродвигателем (32).
6. Установка по п. 5, отличающаяся тем, что электрический преобразователь (55) крутящего момента содержит второй электродвигатель, выполненный с возможностью питания и управления упомянутым инвертором (31).
7. Установка по п. 5, отличающаяся тем, что упомянутый электрический преобразователь (55) крутящего момента содержит конденсатор (39), электрически соединенный с упомянутым инвертором (31), предназначенный для питания в случае кратковременной потребности в мощности первого электродвигателя (32) от упомянутого инвертора (31) электроэнергией, поступающей от упомянутого конденсатора (39).
8. Установка по п. 5, отличающаяся тем, что в случае долговременной потребности в мощности первый электродвигатель (32) запитан через упомянутый инвертор (31) электрической энергией, поступающей от упомянутого аккумулятора (34).
9. Установка по п. 7, отличающаяся тем, что упомянутый электрический преобразователь (55) крутящего момента содержит асинхронную машину (33b), механически соединенную с коленчатым валом упомянутого ДВС (1) и электрически соединенную с упомянутым инвертором (31).
10. Установка по п. 9, отличающаяся тем, что указанная асинхронная машина (33b) используется посредством указанного инвертора (31) в качестве электрического генератора во время торможения/замедления упомянутого ДВС (1).
11. Установка по п. 9, отличающаяся тем, что упомянутый асинхронный двигатель (33b) используется посредством указанного инвертора (31) в качестве электродвигателя в случае потребности в мощности.
12. Транспортное средство, содержащее установку согласно одному из пп. 1-7.
13. Способ управления двигательной установкой по п. 1, включающей в себя также
- первый измерительный преобразователь для измерения температуры ОГ,
- второй измерительный преобразователь для определения значения лямбда, при этом лямбда вычисляется в соответствии со следующей формулой:
Лямбда=AFR/AFRстехиометрическое,
где AFR определяется как масса воздуха, деленная на массу топлива, а AFRстехиометрическое равно 14,545 для дизельных двигателей,
- средство для измерения давления ниже и выше по потоку упомянутого компрессора низкого давления;
- средство торможения двигателя,
- датчик частоты вращения двигателя,
отличающийся тем, что
включает в себя этап деактивации первого перепускного механизма (3, 4) и активации упомянутого компрессора (5) высокого давления при выполнении по меньшей мере одного из следующих условий:
а) температура ОГ превышает заданное значение;
б) упомянутая величина лямбда ниже заданного значения;
в) упомянутый перепад давления во впускной линии (2) превышает, по меньшей мере, значение помпажа упомянутого компрессора (11) низкого давления;
г) активировано средство торможения двигателя упомянутой установки;
д) частота вращения двигателя ниже заданного значения.
14. Способ управления по п. 13, отличающийся тем, что двигательная установка содержит систему рециркуляции ОГ (EGR), при этом способ включает в себя этапы деактивации первого перепускного механизма (3, 4) и активации упомянутого компрессора (5) высокого давления, когда давление на впуске (27) упомянутого двигателя ниже, чем давление на выпускной линии (20b).
15. Способ управления по п. 14, отличающийся тем, что упомянутую температуру ОГ измеряют в выпускной линии (20) перед упомянутой турбиной (6) высокого давления.
16. Способ управления по любому из пп. 13-15, отличающийся тем, что упомянутое условие б) выполняется, если упомянутая величина лямбда имеет значение ниже приблизительно 1,4, при этом способ включает в себя этап активации упомянутого первого перепускного механизма, если величина лямбда превышает значение, приблизительно равное 1,8.
