【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开的实施例涉及涡轮增压发动机系统。本公开的进一步实施例涉及对涡轮增压发动机系统进行增压和排放控制的方法。
技术介绍
1、内燃机最重要的污染物之一是nox(氮氧化物)。这种污染物在高温和o2过量时形成，这通常与良好的发动机效率有关。因此，减少nox通常会导致效率降低。换言之，nox排放量越低，效率就越低。传统的降低发动机出气口后nox的措施(被称为废气后处理(eat))复杂、庞大且昂贵。
2、在可选的eat系统之前，已经存在几种降低原始nox排放(例如在发动机出口处)的解决方案。示例性的解决方案是废气再循环(egr)，其包括将一部分废气再循环到进气口。目的是允许惰性气体(co2)和空气一起进入气缸，以降低燃烧过程中的最大循环温度(较慢的燃烧和热容量效应)。这项技术会导致老化问题，并会大大降低发动机效率。对于贫燃气体发动机，egr还可以减少给定负荷下的空气量，从而降低o2的过量，并因此减少可能的nox排放量。
3、另一种解决方案是在进气口注水或直接在气缸中注水(与egr的构思基本相同，但使用h2o代替co2)。这项技术需要额外的储罐、泵和电路，并且通常会减少[nox；效率]的权衡。
4、另一种解决方案是采用米勒(miller)或阿特金森(atkinson)阀正时(timing)与高性能超级增压或涡轮增压系统相结合。在这里，该构思是通过在活塞仍在进行吸气动作时关闭进气阀来人为地缩短进气阶段(米勒)，或者通过在活塞已经开始向上移动时关闭进气阀来人为地缩短压缩冲程(阿特金森)，并且同时通过进一步增加
5、目前，为了在减少nox排放的情况下提高效率，部分内燃机配备了能够以米勒正时运行的系统。使用这种系统，进气阀在进气冲程期间很早就关闭，从而大大降低了气缸的空气吸入量(容积效率)。为了保持发动机所需的空气质量流率，采用涡轮增压器来提供更高的压力比(更高的进气接收器密度)，从而补偿吸气量的不足。通常，必须再增加一个或更多个压缩级，从而从一级涡轮增压架构切换到两级涡轮增压架构。
6、然而，涡轮增压系统对上述发动机吸气量不足的补偿只有在涡轮增压器涡轮机的进气口处的废气能量足够时才有效，这在发动机低速和/或低负荷时几乎总是无法实现。换言之，在发动机低速和/或低负荷时，几乎不可能保持米勒正时，因为涡轮增压系统无法像在发动机满功率时那样补偿容积效率的不足。在发动机低速时保持米勒正时也可能是启动发动机的一个问题。采用恒定的阿特金森正时也会遇到完全相同的问题。
7、为了解决这个问题，现有技术教导采用可变进气阀机构，其被配置为从高速和/或高负荷下的米勒正时切换到低速和/或低负荷下的非米勒正时。然而，可变进气阀机构系统的缺点是它们相当复杂和昂贵。这种说法也适用于阿特金森正时。
8、因此，鉴于上述情况，需要改进的涡轮增压发动机系统和改进的对涡轮增压发动机系统增压和排放控制的方法，其至少部分克服了现有技术的一些问题。
技术实现思路
1、鉴于上述内容，提供了根据独立权利要求的涡轮增压发动机系统以及对涡轮增压发动机系统进行增压和排放控制的方法。此外，描述了根据本文所述实施例的控制涡轮增压组件的操作和使用的方法。根据从属权利要求、说明书和附图，进一步的方面、优点和特征是显而易见的。
2、根据本公开的一个方面，提供了一种涡轮增压发动机系统。涡轮增压发动机系统包括具有至少一个气缸的内燃机。此外，涡轮增压发动机系统包括被配置为向所述至少一个气缸供应进气或空气-燃料混合物的至少一个进气阀，和被配置为从所述至少一个气缸中排出废气的至少一个出气阀。至少一个进气阀被配置为在所述至少一个进气阀的打开状态和关闭状态之间提供恒定的循环阀正时。恒定的循环阀正时是米勒正时或阿特金森正时。此外，涡轮增压发动机系统包括至少一个涡轮增压器，该涡轮增压器具有涡轮机和用于对进气或空气-燃料混合物加压的压缩机。此外，涡轮增压发动机系统包括与压缩机和涡轮机中的至少一个耦合的至少一个电功率转换器。此外，涡轮增压发动机系统包括控制装置，其被配置用于控制所述至少一个电功率转换器向压缩机和涡轮机中的至少一个提供功率或从压缩机和涡轮机中的至少一个获取功率，从而实现所述内燃机的至少一种运行参数的目标值。涡轮机具有有效截面sres,t，其尺寸设定使得在内燃机的非加速运行期间，涡轮机产生的功率至少提供压缩机达到至少一个运行参数的目标值所需的功率，而无需使用所述至少一个电功率转换器作为马达。
3、根据本公开的另一个方面，提供了一种对涡轮增压发动机系统进行增压和排放控制的方法。涡轮增压发动机系统包括具有至少一个气缸的内燃机；被配置为向所述至少一个气缸供应进气或空气-燃料混合物的至少一个进气阀；被配置为从所述至少一个气缸中排出废气的至少一个出气阀；至少一个涡轮增压器，其具有涡轮机和用于对进气或空气-燃料混合物加压的压缩机；与压缩机和涡轮机中的至少一个耦合的至少一个电功率转换器；以及被配置用于控制电功率转换器的控制装置。涡轮机具有有效截面sres,t，其尺寸设定使得在内燃机的非加速运行期间，涡轮机产生的功率至少提供压缩机达到所述至少一个运行参数的目标值所需的功率，而无需使用所述至少一个电功率转换器作为马达。该方法包括在所述至少一个进气阀的打开状态和关闭状态之间提供恒定的循环阀正时。恒定的循环阀正时是米勒正时或阿特金森正时。此外，该方法包括通过控制装置控制所述至少一个电功率转换器，用于仅在内燃机的加速模式期间向压缩机和涡轮机中的至少一个提供功率。替代地或附加地，方法包括通过控制装置控制至少一个电功率转换器，用于仅在非加速模式期间从压缩机和涡轮机中的至少一个获取功率，以实现内燃机的至少一个运行参数的目标值。
4、因此，与现有技术相比，提供了一种改进的涡轮增压发动机系统以及一种改进的对涡轮增压发动机系统进行增压和排放控制的方法。特别地，本文所述的实施例有利地提供了在降低的系统复杂性和更低成本的情况下，降低nox排放的同时提高了效率。此外，根据本公开的涡轮增压发动机系统的概念还有利于方便地改装现有发动机系统，即通过提供恒定的米勒正时或阿特金森正时，并结合用于控制与本文所述涡轮增压器耦合的电功率转换器的控制装置来实现，该控制装置能够容易地在外部且能够容易地被添加(例如在升级过程中)。此外，由于电功率转换器被耦合到涡轮增压器，涡轮增压发动机系统的性能，例如加速度和负荷提取能力甚至能够得到改善。
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1.一种涡轮增压发动机系统(1)，包括：
2.根据权利要求1所述的涡轮增压发动机系统(1)，其中，所述控制装置(18)被配置为将所述至少一个运行参数的实际值与所述至少一个运行参数的目标值进行比较，并且其中，当所述实际值与目标值之间存在偏差时，所述控制装置(18)控制所述至少一个电功率转换器(17)。
3.根据权利要求2所述的涡轮增压发动机系统(1)，其中，所述至少一个运行参数的实际值是所述至少一个运行参数的测量值，或者其中，所述实际值是根据所述至少一个运行参数的测量值计算得到的值。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的涡轮增压发动机系统(1)，还包括至少一个传感器(19)，用于测量所述至少一个运行参数。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的涡轮增压发动机系统(1)，其中，所述至少一个运行参数选自由以下组成的组：空气质量流率Qin、空燃比λ、进入压力pin，特别是进气压力或进气-燃料混合物压力、废气温度Tex和NOx排放率Qout。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的涡轮增压发动机系统(1)，其中，所述至少一个电功率转换
7.根据权利要求1至5中任一项所述的涡轮增压发动机系统(1)，其中，所述有效截面Sres,T是Sres＝(SRt×SSt)/(SRt2+SSt2)1/2，其中，SSt是以cm2为单位的涡轮机的定子的喉部面积，特别是以cm2为单位的涡轮机的喷嘴环的喉部面积，并且其中，SRt是以cm2为单位的涡轮机的转子的喉部面积。
8.一种对涡轮增压发动机系统(1)进行增压和排放控制的方法(20)，所述涡轮增压发动机系统(1)包括：
9.根据权利要求8所述的方法(20)，还包括将所述至少一个运行参数的实际值与所述至少一个运行参数的目标值进行比较(25)，以及当所述实际值与所述目标值之间存在偏差时，由所述控制装置(18)控制(22)所述至少一个电功率转换器(17)。
10.根据权利要求9所述的方法(20)，其中，所述至少一个运行参数的实际值是所述至少一个运行参数的测量值，或者其中，所述实际值是根据所述至少一个运行参数的测量值计算得到的值。
11.根据权利要求9或10所述的方法(20)，还包括由传感器(19)测量(26)所述至少一个运行参数的实际值。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法(20)，还包括根据所述至少一个运行参数的测量值来计算(27)所述至少一个运行参数的实际值。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法(20)，其中，所述至少一个运行参数选自由以下组成的组：空气质量流率Qin、空燃比λ、进入压力pin，特别是进气压力或进气-燃料混合物压力、废气温度Tex和NOx排放率Qout。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的方法(20)，其中，向所述压缩机(16)和所述涡轮机(15)中的至少一个提供功率(23)包括将电功率转换为机械功率。
15.根据权利要求9至14中任一项所述的方法(20)，其中，从所述压缩机(16)和所述涡轮机(15)中的至少一个获取功率(24)包括将机械功率转换成电功率。
...【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种涡轮增压发动机系统(1)，包括：
2.根据权利要求1所述的涡轮增压发动机系统(1)，其中，所述控制装置(18)被配置为将所述至少一个运行参数的实际值与所述至少一个运行参数的目标值进行比较，并且其中，当所述实际值与目标值之间存在偏差时，所述控制装置(18)控制所述至少一个电功率转换器(17)。
3.根据权利要求2所述的涡轮增压发动机系统(1)，其中，所述至少一个运行参数的实际值是所述至少一个运行参数的测量值，或者其中，所述实际值是根据所述至少一个运行参数的测量值计算得到的值。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的涡轮增压发动机系统(1)，还包括至少一个传感器(19)，用于测量所述至少一个运行参数。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的涡轮增压发动机系统(1)，其中，所述至少一个运行参数选自由以下组成的组：空气质量流率qin、空燃比λ、进入压力pin，特别是进气压力或进气-燃料混合物压力、废气温度tex和nox排放率qout。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的涡轮增压发动机系统(1)，其中，所述至少一个电功率转换器(17)被配置为在所述内燃机(10)的加速模式期间用作马达和/或仅在非加速模式期间用作发电机。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的涡轮增压发动机系统(1)，其中，所述有效截面sres,t是sres＝(srt×sst)/(srt2+sst2)1/2，其中，sst是以cm2为单位的涡轮机的定子的喉部面积，特别是以cm2为单位的涡轮机的喷嘴环的喉部面积，并且其中，srt是以cm2为单位的涡轮机的转子的喉...
【专利技术属性】
技术研发人员：珍弗朗索瓦·蒂索，西里尔·贝索纳德，
申请(专利权)人：涡轮增压系统瑞士有限公司，
类型：发明
国别省市：
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