用于具有分離排氣的發電機的系統和方法
【技術領域】
[0001]本發明總的來說涉及用于通過調節排氣氣門正時和持續時間來控制發動機的系統和方法，該發動機包括分離排氣歧管以調節與該分離排氣歧管連接的渦輪機-發電機的轉速。
【背景技術】
[0002]在帶有分離的排氣歧管的發動機系統中，可首先打開汽缸的排污排氣氣門(blowdown exhaust valve)以將來自排氣階段的最初部分的排氣質量流量輸送至禍輪增壓器或渦輪機驅動的發電機的渦輪機，然后可打開清除氣門(scavenging valve)以將來自排氣階段的后面部分的排氣質量流量繞過渦輪機直接地輸送至排氣催化劑。以這種方式，通過在排氣階段的后面部分期間引導排氣氣體離開渦輪機，可減小與高渦輪機背壓相關的栗送損失(pumping penalty)。
[0003]這種分離的排氣發動機系統的一個實例由Robel在US8，091，357中例示。其中，排氣系統包括位于第一排氣支路中的禍輪混合裝置(turbo compounding device)，以及位于第二排氣支路中的排氣氣體處理裝置。渦輪混合裝置通過第一排氣氣門接收排氣氣體，并且排氣氣體處理裝置通過第二排氣氣門接收排氣氣體。用于控制第一排氣氣門和第二排氣氣門的正時策略基于用于檢測排氣背壓的壓力傳感器。
[0004]然而，本文的發明者已經意識到這種系統存在的潛在問題。如一個實例，Robel并未提供任何用于控制渦輪機轉速和/或渦輪混合裝置的輸出的方法。例如，在發動機運行期間，渦輪機轉速可增加到閾值以上，此時如果任其發展，可能導致系統的次佳和不安全的性會K。

【發明內容】

[0005]因此在一個實例中，這些問題中的一些可至少部分地通過一種用于發動機的方法解決，該方法包括:響應于渦輪機轉速高于第一閾值渦輪機轉速，延遲將排氣氣體輸送至渦輪機-發電機的渦輪機的汽缸的第一排氣氣門的打開時間。以這種方式，通過調節排氣氣門的正時，流動至渦輪機的排氣質量流量的量可減小。
[0006]例如，分離排氣發動機系統可包括第一排氣氣門(在本文中被稱為排污氣門)，用于將排氣能量的第一部分(在本文中被稱為排污能量)輸送至位于第一排氣通道中的渦輪機-發電機的渦輪機。該發動機系統還可包括第二排氣氣門(在本文中被稱為清除氣門)，用于將后面部分的排氣能量(在本文中被稱為清除能量)輸送至位于第二、不同的排氣通道中的排氣催化劑。該催化劑可位于渦輪機-發電機的下游，以使渦輪機-發電機的輸出通過該催化劑。當處在禍輪機-發電機的禍輪機轉速高于閾值轉速或發電機輸出大于閾值輸出的發動機運行情況期間，發動機控制器可通過延遲排污氣門的打開正時，和/或提前清除氣門的打開正時和清除氣門的關閉正時來減少輸送至渦輪機的排氣氣體(即，排污氣體)的量。在一些實例中，可通過提前清除氣門的打開正時而稍微提前或不提前清除氣門的關閉正時來增加清除氣門的持續時間。進一步地，排污氣門和清除氣門的延遲的角度和提前的角度可基于渦輪機轉速、期望渦輪機轉速和實際渦輪機轉速之間的差值、期望發電機輸出和實際發電機輸出之間的差值以及發動機轉速/負載條件中的一個或多個而被調節。
[0007]在一些其他的實例中，除了調節排污氣門和清除氣門的正時和持續時間，也可調節廢氣旁通閥的打開的量以改變繞過渦輪機的排氣氣體的量。
[0008]以這種方式，通過基于渦輪機轉速和/或發電機輸出來調節排污氣門和排氣氣門的相位和持續時間以減少輸送至渦輪機-發電機的渦輪機的排氣能量的量，可降低發動機系統的效率和/或耐久性的渦輪機超速和多余發電機輸出情況的發生可減少。
[0009]應當理解，提供以上概要是為了以簡化的形式介紹一組將在詳細的說明書中被進一步描述的概念。并不意在確定所聲明的主題的必要或關鍵特征，所聲明的主題的范圍由跟隨詳細的說明書之后的權利要求唯一地限定。此外，所聲明的主題并不限制于以上所述的或本公開中任意部分中的解決任意缺點的實施方式。
【附圖說明】
[0010]圖1示出了帶有分離的排氣歧管和渦輪機-發電機的自然吸氣發動機系統的示意圖描述。
[0011]圖2示出了圖1的發動機系統的燃燒室的示意圖描述。
[0012]圖3為例示了用于減少提供至渦輪機-發電機的渦輪機的能量以控制渦輪機-發電機輸出和/或渦輪機-發電機轉速的示例性程序的高級流程圖。
[0013]圖4為例示了與圖3共同使用的確定期望的渦輪機-發電機轉速的示例性程序的高級流程圖。
[0014]圖5為例示了與圖3共同使用的用于調節在發動機的每個汽缸中的排污排氣氣門和清除排氣氣門的氣門相位和持續時間從而減少提供至渦輪機-發電機的渦輪機的能量的示例性程序的高級流程圖。
[0015]圖6示出了根據本公開的示例性的正常進氣氣門和排氣氣門正時和持續時間。
[0016]圖7示出了根據本公開的調節進氣氣門和排氣氣門正時和持續時間以減少至渦輪機的能量的一個實例。
[0017]圖8示出了描述基于渦輪機轉速和/或發電機輸出排污排氣氣門和清除排氣氣門正時和持續時間的示例性的調節的圖表。
【具體實施方式】
[0018]以下描述涉及用于在分離排氣發動機系統(例如，圖1至圖2的發動機系統10)中減少輸送至驅動渦輪機-發電機的渦輪機的排氣能量以防止渦輪機超速情況和/或減小渦輪機-發電機輸出的系統和方法。具體而言，該分離排氣發動機系統可包括用于將來自發動機汽缸的排污(blowdown)部分的排氣氣體經由第一排氣歧管輸送至位于第一排氣通道中的禍輪機-發電機的第一排氣氣門(在本文中也稱為排污氣門)，以及用于將來自發動機汽缸的清除(scavenging)部分的排氣氣體經由第二排氣歧管和第二通道輸送至排氣催化劑的第二排氣氣門(在本文中也稱為清除氣門或掃氣氣門)。響應于渦輪機轉速高于閾值轉速和/或渦輪機-發電機輸出大于閾值輸出，包含在發動機系統中的發動機控制器可被構造成執行控制程序，例如圖3的程序，來調節排污氣門和/或清除氣門的正時和/或持續時間以減少輸送至渦輪機的排氣能量的量。圖4示出了用來確定期望的發電機轉速的示例性程序，以確定渦輪機轉速閾值，高于此渦輪機轉速閾值時輸送至渦輪機的排氣能量減少。排污排氣氣門和清除排氣氣門的正時和持續時間的調節可根據圖5的示例性程序確定。圖6示出了在正常發動機操作期間(即，當渦輪機轉速低于閾值轉速并且發電機輸出小于閾值輸出時)的氣門正時和持續時間(包括排污氣門和清除氣門的氣門正時和持續時間)的實例。圖7示出了在發動機運行期間，響應于渦輪機轉速高于閾值轉速和/或發電機輸出小于閾值輸出的氣門正時和持續時間(包括排污氣門和清除氣門的氣門正時和持續時間)的實例。圖8示出了響應于渦輪機轉速和/或發電機輸出調節排污氣門和清除氣門的正時和持續時間的實例。
[0019]通過利用本文描述的系統和方法，可實現以下技術效果:通過調節在該分離排氣發動機系統(例如，在圖1中的發動機系統10)中的排污氣門和/或清除氣門的正時和/或持續時間，減少了輸送至渦輪機-發電機的渦輪機的排氣能量。
[0020]圖1示出了自然吸氣發動機多汽缸內燃發動機10的示意圖，其可包括在汽車的推進系統中。發動機1可包括多個燃燒室(即，汽缸)20。在示出的實例中，發動機1包括以直列構造布置的四個汽缸。然而，在可替代的實例中，發動機10可包括一個或更多個汽缸，例如2個、3個、4個、5個、6個、8個、10個或更多個汽缸，并且這些汽缸可以可替代的構造布置，例如V-6、1-6、V-12、對置4、水平對置等。
[0021]發動機10的每個汽缸20可被構造成經由進氣通道28接收來自進氣歧管27的進氣空氣。進氣通道28可包括空氣過濾器60下游的進氣節氣門62。節氣門62的位置可經由與控制器12通信連接的節氣門致動器(未示出)通過控制系統15調節。通過調節節氣門62，可從大氣中將一定量新鮮空氣引導至發動機10中并且經由進氣通道28以氣壓(或大氣)壓力或低于氣壓壓力輸送至發動機汽缸。可經由進氣道(未示出)將進氣歧管27連接至燃燒室。每個進氣道可為與其連接的汽缸供應空氣和/或燃料，用于燃燒。每個汽缸進氣道能夠經由一個或多個進氣氣門選擇性地與汽缸連通。在示出的實例中，每個汽缸20被示出為帶有兩個進氣氣門Il和12。在一個實例中，進氣通道可由選擇性地與每個進氣氣門連通的進氣歧管27而形成。在其他的實施例中，用于單個汽缸的進氣通道可在汽缸附近被分離成其間設置有壁的兩個鄰近的路徑，該通道的每個分離路徑都與單個的進氣氣門連通。在另一個實例中，該兩個進氣氣門中的每一個都可被控制以在特定的發動機轉速打開，并且因此可通過共同的進氣道與進氣歧管連通。
[0022]每個燃燒室可經由與之連接的兩個排氣道排出燃燒氣體。在示出的實例中，每個汽缸20都經由第一排氣氣門El連接至第一排氣道31，以及經由第二排氣氣門E2連接至第二排氣道33。每個汽缸的每個排氣道可導致不同的排氣歧管以分別地用于引導第一初始部分的排氣氣體(在本文中也稱為排污部分)和第二后面部分的排氣氣體(在本文中也稱為清除部分)。例如，來自每個汽缸20的每個第一排氣道31可結合到第一排氣歧管59中。類似地，來自每個汽缸20的每個第二排氣道33可結合到第二排氣歧管57中。以這種方式，每個燃燒室20可將排污部分的燃燒氣體經由第一排氣氣門El排放到第一排氣歧管59中，以及將清除部分的燃燒氣體經由第二排氣氣門E2排放到第二排氣歧管57中。這樣的排氣系統包括兩個排氣歧管，其中一個歧管用于引導排污部分的排氣，另一個歧管用于引導清除部分的排氣，這種系統在本文中也稱為“分離排氣系統”。
[0023]發動機10可包括位于連接至第一排氣歧管59的第一排氣通道55中的渦輪機驅動發電機190。渦輪機驅動發電機190可包括連接在共同的軸上的排氣渦輪機92和發電機94。進一步地，廢氣旁通閥127可被包括在連接于排氣渦輪機的入口和出口之間的旁路166中，以控制輸送至渦輪機的排氣氣體。在一些實例中，可不包括廢氣旁通閥。在沒有廢氣旁通閥的系統中，輸送至渦輪機的排氣氣體的量可主要通過調節一個或多個汽缸中的排污氣門和/或清除氣門的相位和/或持續時間而控制。
[0024]如上所討論的，可將排氣歧管設計成分別地引導排氣的排污部分和清除部分。排氣歧管59可將排氣的排污脈沖經由第一排氣通道55引導至渦輪機-發電機190的渦輪機，而排氣歧管57可將清除部分的排氣經由第二排氣通道162引導至渦輪機92的下游以及排放物控制裝置72的上游。例如，排氣氣門El引導排污部分的排氣氣體通過排氣歧管59和第一排氣通道55至渦輪機，而排氣氣門E2引導清除部分的排氣氣體通過排氣歧管57經由第二排氣通道162至排放物控制裝置72。因此，第一排氣氣門可以早于第二排氣氣門的正時打開，并且可以早于第二排氣氣門的正時關閉。
[0025]離開渦輪機92的排氣氣體也可通過排放物控制裝置72。在一個實例中，排放物控制裝置72可包括多個催化劑磚。在另一個實例中，可使用每個都帶有多個磚的多個排放物控制裝置。在一些實施例中，排放物控制裝置72可以是三元型催化劑。在其他的實例中，排放物控制裝置72可包括一個或多個柴油機氧化催化劑(DOC)，以及選擇性的催化還原催化劑(SCR)。在通過排放物控制裝置72之后，排氣氣體可被引導出至排氣管58。
[0026]以這種方式，離開汽缸的燃燒的氣體可經由由分離的排氣歧管形成的兩個不同的排氣通道而被分離成兩個部分。例如，在一個燃燒循環中，汽缸20的第一排氣氣門El可將第一部分的排氣(即排污部分)經由第一排氣通道55引