CN102549248A - 提高使用超级涡轮增压器的活塞式发动机的燃料效率 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高从超级涡轮增压器中可获得的功率以及发动机的燃料效率的系统和方法。该系统使用催化转化器为涡轮提供热缓冲以防止其热瞬变。由于催化转化器是放热的，由压缩机产生的压缩空气的一部分经由反馈阀返回至涡轮，这降低排气温度并增加提供至涡轮的质量流。在所述发动机的低转速、高负载状态期间，反馈阀能够被用于减少压缩机喘振。压缩机反馈空气的量受限于过量热能的量，从而能够维持发动机排气和压缩空气的组合物的最佳涡轮运行温度。于是由涡轮产生的过量动力被用于驱动发动机的曲轴。

Description

提高使用超级涡轮增压器的活塞式发动机的燃料效率

背景技术

对于客运车辆及商用车辆而言，提高功率和燃料效率是极为重要的。一种用于提高从发动机中可获得功率的方法是使用涡轮增压器来增加能够供应至发动机汽缸的空气量。随着空气量的增加，在每个燃烧冲程期间，能够应用增加的燃料量来由此提高由发动机所产生的功率。

发明内容

本发明的实施方式因此可包括一种具有高效率的发动机系统，该发动机系统包括：发动机；超级涡轮增压器，该超级涡轮增压器耦接至发动机，以便在推进系(propulsion train)与超级涡轮增压器之间传递转动机械能；阀，该阀调节来自超级涡轮增压器的压缩空气的气流，该气流在来自发动机的排气进入超级涡轮增压器之前与排气混合，从而压缩空气将排气冷却至低于预定最高温度以防止损坏超级涡轮增压器。

本发明的实施方式因此可进一步包括一种提高发动机系统的效率的方法，该方法包括：将超级涡轮增压器耦接至发动机；在来自发动机的排气进入超级涡轮增压器之前，将来自超级涡轮增压器的压缩空气的气流提供至排气，从而压缩空气将排气冷却至低于预定最高温度的温度以防止损坏超级涡轮增压器并且为进入超级涡轮增压器的排气提供附件质量。

本发明的实施方式因此可进一步包括一种具有高效率的超级涡轮增压发动机系统，该发动机系统包括：发动机；超级涡轮增压器，其中该超级涡轮增压器包括：涡轮，该涡轮由流过涡轮的气体混合物产生转动机械能；压缩机，机械地耦接至涡轮，该压缩机压缩空气源并且将压缩空气提供至发动机的进气歧管；传动装置，机械地耦接至涡轮和压缩机，该传动装置将来自涡轮的涡轮转动机械能传递至推进系以提高发动机输出功率并且防止损坏超级涡轮增压器，并且将来自推进系的推进系转动机械能传递至压缩机以减少发动机的涡轮迟滞；反馈阀，该反馈阀调节与排气相混合以形成气体混合物的压缩空气的一部分，压缩空气的该部分足以将排气冷却至低于预定最高温度以防止损坏涡轮，并且为排气提供空气的附加质量，附加质量为涡轮增加附加转动能。

本发明的实施方式因此可进一步包括一种提高超级涡轮增压发动机系统的效率的方法，该方法包括：从超级涡轮增压器的压缩机提供压缩空气；将压缩空气的一部分与来自发动机的排气相混合以形成气体混合物，该气体混合物的温度不超过预定最高温度以防止损坏涡轮增压器的涡轮；由气体混合物驱动涡轮；将过量的涡轮转动机械能从涡轮传递至推进系，否则过量的涡轮转动机械能将促使涡轮以会对压缩机造成损坏的速度转动。

本发明的实施方式因此可进一步包括一种提高超级涡轮增压发动机系统的效率的方法，该方法包括：提供发动机；提供催化转化器，该催化转化器连接至接近发动机的接收来自发动机的发动机排气的排气出口，发动机排气激活催化转化器中的放热反应，该放热反应将附加能量增加至发动机排气并且在催化转化器的输出端处产生比发动机排气更热的催化转化器排气；利用压缩机将压缩空气的气流提供至发动机的进口；在位于催化转化器下游的混合腔中将压缩空气的一部分与催化转化器排气相混合，以产生催化转化器排气与压缩空气的气体混合物；利用控制阀调节进入混合腔中的压缩空气的气流，以便维持气体混合物低于最高温度，并且以便在发动机的运行阶段期间维持压缩空气的气流穿过压缩机，否则此时在压缩机中将出现喘振；将气体混合物供应至涡轮，该涡轮响应于气体混合物的气流而产生转动机械能；将来自涡轮的涡轮转动机械能传递至压缩机，当穿过涡轮的气体混合物的气流足以驱动压缩机时，压缩机利用转动能来压缩空气源以产生压缩空气；提取来自涡轮的涡轮转动机械能中的至少一部分，并且当不需要来自涡轮的涡轮转动机械能的该部分来运行压缩机时，将涡轮转动机械能的该部分施加至推进系；当穿过涡轮的气体混合物的气流不足以驱动压缩机时，将来自推进系的推进系转动机械能提供至压缩机以防止涡轮迟滞。

本发明的实施方式因此可进一步包括一种超级涡轮增压发动机，其包括：发动机；催化转化器，该催化转化器连接至靠近发动机的排气出口的排气管道，从而来自发动机的热排气激活催化转化器中的放热反应，该放热反应将能量增加至热排气并且产生更热的排气；压缩机，连接至空气源，压缩机提供压力高于排气的压力水平的压缩空气；管道，该管道将压缩空气供应至更热的排气，从而压缩空气的至少一部分与更热的排气混合以产生气体混合物；阀，该阀调节通过管道的压缩空气的部分，以便维持气体混合物低于预定最高温度，并且以便在发动机的运行阶段期间，维持来自空气源的空气流穿过压缩机，否则此时压缩机中将出现喘振；传动装置，在穿过涡轮的排气的气流不足以驱动压缩机达到期望的升压水平时，传动装置将来自推进系的推进系转动机械能提供至压缩机以减少涡轮迟滞，并且传动装置从涡轮提取过量的涡轮转动机械能以维持压缩机的转速低于会对压缩机造成损坏的预定最高转速。

附图说明

图1为根据本发明所教导的超级涡轮增压器发动机的一个实施方式的简化单线系统图。

图2为图1的实施方式的实施的示意图。

具体实施方式

图1为根据本发明教导构造的高效率超级涡轮增压发动机系统100的一个实施方式的简化单线形式的视图。通过以下描述，对本领域的技术人员而言将显而易见的是，这样的超级涡轮增压发动机系统100尤其适用于火花点火式汽油发动机，该发动机应用于客运车辆和商用车辆中，因此这里讨论的这些示例性实例利用这一环境来帮助理解本发明。然而，应认识到，本发明的系统100的实施方式也适用于其他操作环境，例如陆基发电发动机和其他陆基发动机，这些实例应采取示例性的方式，而不是限制方式。

如从图1可看到的，系统100包括发动机102，其使用超级涡轮增压器104来提高发动机102的性能。通常，超级涡轮增压器包括通过涡轮轴相耦接的压缩机和涡轮。也已经使用其他将压缩机和涡轮耦接在一起的方法。进一步地，超级涡轮增压器包括用于在车辆的动力系或驱动系(推进系)与涡轮轴之间传递动力的传动装置。例如，传动装置可机械地耦接至发动机的曲轴或耦接至车辆的传动装置、或驱动系或动力系的其他部分。这些统称为车辆的推进系。传动装置可以是使用齿轮装置的机械传动装置、液压传动装置、气压传动装置、牵引驱动传动装置或电力传动装置。电动机/发电机能够耦接至涡轮轴且用于驱动涡轮轴或由涡轮轴驱动并产生电能。由电动机/发电机产生的电能能够为电池充电、驱动用于驱动车辆的电动机/发电机、或帮助为混合动力车中的车辆提供动力。在这方面，超级涡轮增压发动机系统100可按尺寸制造并用于电车系统中发电的目的，或可用于产生能量且通过机械能帮助车辆提供动力，诸如在混合动力车辆系统中。

如图1所示，超级涡轮增压器104包括涡轮106、压缩机108、及一传动装置110，该传动装置耦接至发动机102的曲轴112或推进系的其他部分。尽管不是所有实施方式都要求，但是图1所示的实施方式还包括一中间冷却器114，该中间冷却器用于提高从压缩机108供应至发动机102的空气的密度，以便进一步提高从发动机102中可获得的功率。

超级涡轮增压器具有涡轮增压器的某些优点。涡轮增压器使用由发动机的排气驱动的涡轮。该涡轮耦接至压缩机，该压缩机压缩供应至发动机的汽缸的进入空气。涡轮增压器中的涡轮由来自发动机的排气驱动。因此，当第一次增速时，发动机经历升压迟滞直到有足够的热排气来加速旋转涡轮，从而为压缩机提供动力，压缩机机械地耦接至涡轮，以产生充足的升压。为使迟滞减到最小，典型地使用更小和/或更轻的涡轮增压器。轻型涡轮增压器的低惯性使其非常快速地加速旋转，由此最小化执行中的迟滞。

不幸的是，在发动机高速运行期间，当产生大量排气流和温度时，这种更小和/或更轻的涡轮增压器可能很容易超速。为防止发生这样的超速，典型的涡轮增压器包括安装在涡轮上游排气管中的废气门阀。该废气门阀是一个压力操纵阀，当压缩机的输出压力超出预定界限时，压力操纵阀将转移涡轮周围的一些排气。该界限被设定为指示涡轮增压器即将超速的压力。不幸的是，这导致会浪费从发动机的排气中可获得的能量中的一部分。

应认识到，传统涡轮增压器牺牲低端性能来获取高端动力，所以开发出通常所说的超级涡轮增压器这种装置。在美国专利No.7,490,594中描述一种这样的超级涡轮增压器，该专利标题为“Super-Turbocharger(超级涡轮增压器)”，出版于2009年2月17日，并且转让给即时申请的受让人。特别地，该申请所公开和教导的所有内容通过引证结合于此。

如以上所引证申请中所讨论的，在超级涡轮增压器中，由发动机曲轴经由传动装置驱动压缩机，在发动机的低速运转期间，当没有充足的发动机热排气可用来驱动涡轮时，该传动装置耦接至发动机。由发动机供应至压缩机的机械能减少了传统涡轮增压器所遭遇的涡轮迟滞问题，并且允许使用更大或更高效率的涡轮和压缩机。

图1中所示的超级涡轮增压器104运行以将来自压缩机108的压缩空气供应至发动机102，而在低端下不会遭遇传统涡轮增压器的涡轮迟滞问题，且在高端下不浪费从发动机排气中可获得的供应至涡轮106的能量。通过包含传动装置110而实现这些优点，该传动装置既能从发动机曲轴112提取动力，又能为其提供动力，以便在发动机102的各种运行模式期间，相应地驱动压缩机108和负载涡轮106。

在启动期间，当传统涡轮增压器由于缺乏来自发动机排气热的足够动力来驱动涡轮而遭遇迟滞时，超级涡轮增压器104提供增压作用，由此通过传动装置110从曲轴112获取动力来驱动压缩机108，从而为发动机102提供足够的升压。当发动机达到一定速度时，且从发动机排气热中可获得的动力量足以驱动涡轮106时，降低由传动装置110从曲轴112获取的动力量。此后，涡轮106继续为压缩机108提供动力以压缩进入空气而用于发动机102。

当发动机速度提高时，从发动机排气热中可获得的动力量提高到使涡轮106在传统涡轮增压器中将超速的点。然而，对于超级涡轮增压器104，由发动机排气热为涡轮106提供的过量能量由传动装置110引导至发动机曲轴112，同时将压缩机108维持在合适的速度以便为发动机102提供理想的升压。从发动机102的排气热中可获得的输出动力越大，由涡轮106产生的更多动力由传动装置110引导至曲轴112，同时维持从压缩机108中可获得的最佳升压。涡轮106通过传动装置110的负载防止涡轮106超速，且最大化从发动机排气中提取的动力的效率。因此，不再需要传统的废气门(waste gate)。

尽管在传统的超级涡轮增压应用中用于驱动涡轮106的可用动力量受到可从发动机排气中获得的动力量的严格限制，如果能充分利用和/或提高供应至涡轮叶片的热能和质量流，那么涡轮106能产生相当数量的更多动力。然而，涡轮106不能在高于特定温度下运行而不损坏，并且质量流通常被限制于从发动机102出来的排气。

认识到这一点，系统100的实施方式通过将催化转化器116重新定位至涡轮106的上游以保护涡轮106免受高温瞬变。在一个实施方式中，催化转化器定位在靠近排气歧管的涡轮上游，排气歧管实现放热反应，放热反应导致在发动机持久的高速或负载运行期间排气温度的提高。为了冷却排气，在到达涡轮之前，由压缩机产生的部分压缩空气通过一可控阀直接送入涡轮的排气上游且添加到离开催化转化器的发动机排气中。冷却器进入空气膨胀并且冷却排气，并且添加附加质量至排气流，这将增加附加动力至超级涡轮增压器的涡轮，如以下将更加详细描述的。由于更多的冷却器空气提供至热排气，以便将到达涡轮的混合流的温度维持在最佳温度，从而也增加了输送至涡轮叶片的能量和质量流。同时，这显著地提高了由涡轮提供的用于驱动发动机曲轴的动力。

为避免干扰催化转化器内的化学计量反应，将压缩机反馈空气添加到催化转化器的下游。在此实施方式中，发动机排气穿过催化转化器，并且放热反应提高了排气温度。接着，压缩机反馈空气被添加且膨胀，以便增加供应至涡轮的总质量流。本发明的实施方式控制被供应用于冷却排气并驱动涡轮的压缩反馈空气量，以确保将冷却器压缩机反馈空气和发动机排气的组合物以最佳温度输送给涡轮以便涡轮叶片运行。

由于图1中所示催化转化器116具有大的热质量，因此，其最初用作热阻尼器，热阻尼器防止高温热峰到达涡轮106。然而，由于催化转化器116中的反应实际是放热的，因此离开催化转化器116的排气的温度最终将高于进入催化转化器116的排气的温度。只要进入涡轮的排气的温度维持低于涡轮106的最大运行温度，就是没有问题的。

然而，在发动机102的持续高速和高负载运行期间，来自催化转化器116的转变排气的离开温度可能超过涡轮106的最大运行温度。如上所述，通过从压缩机108经由反馈阀118提供一部分压缩空气并与离开催化转化器116的排气混合，使得离开催化转化器116的排气的温度被降低。通过在这些管道中不将燃料用作冷却剂(如传统系统中完成的)，实现了显著提高的燃料经济性。此外，控制传动装置的运行以允许压缩机108提供充足的压缩空气量，以便为发动机102提供最优升压，并且压缩反馈空气经由反馈阀118到达涡轮106。由压缩空气的增加质量流所导致的涡轮106产生的过量动力经由传动装置110被引导至曲轴112，也进一步提高燃料效率。

来自压缩机108的压缩空气的输出温度通常在约200℃至300℃之间。传统涡轮可以从大致950℃下的气体中获取动力而不会变形或可能失败，但不能更高。由于涡轮叶片的材料限制，在大致950℃下实现最优动力。由于材料将排气温度限制为约950℃，在此温度限制下，如950℃，提供更多空气以增加穿过涡轮的质量流，这提高了涡轮的性能。

尽管在200℃至300℃下，这样的压缩反馈空气流在降低从催化转化器116出来的排气温度方面是有益的，人们已经认识到，当在涡轮106的热限制范围内使温度和质量流最大化时，可以获得来自涡轮106的最大动力。因此，在一个实施方式中，控制反馈空气量以使排气和反馈空气的组合物维持在或接近于涡轮的最高运行温度，以使输送至涡轮的动力量最大化或显著提高。由于压缩机108通常不需要所有这些过量动力来为发动机102提供最佳升压以及经由反馈阀118提供压缩机反馈空气，所以过量动力可以由传动装置110传递至发动机102的曲轴112，以便由此提高发动机102的总体效率或功率。

如以上所讨论的，在一个实施方式中，经由反馈阀118的压缩机反馈空气的连接采用了一个催化转化器116作为发动机102与涡轮106之间的热缓冲器。因此，来自压缩机的空气供应被提供至催化转化器116的下游，以便不干扰催化转化器116内的化学计量反应。因此，在使用催化转化器116的这些实施方式中，在催化转化器116上游供应压缩机反馈空气将导致过量的氧气被供应至催化转化器116，由此防止催化转化器116产生化学计量反应，这对于适当运行是需要的。

由于当使得涡轮叶片上的压缩机反馈空气和排气的气体混合物的温度最大化时(处于涡轮本身材料限制的范围内)，实现涡轮106所产生功率的最佳效率，因此限制反馈阀118所允许的压缩机反馈空气量，从而使温度不降低到显著地低于最佳温度。由于催化转化器116通过放热反应产生更多热能，且来自催化转化器116的转变排气的温度升高为高于涡轮106的最高运行温度，则可经由反馈阀118供应更多的压缩机反馈空气，上述反馈阀提高供应至涡轮106的质量流和能量。由于催化转化器116产生的热能量减少，反馈阀118所供应的压缩机反馈空气量也会减少，以避免提供超过需要的过多空气，这使得将气体混合物的温度维持在最优运行状态下。

在另一实施方式中，在低速、高负载运行状态下，该系统通过反馈阀118将冷却器压缩机空气返回至涡轮前面的排气内，以避免使压缩机喘振。当由于发动机以低转速转动且不需要更多进入空气流而导致压缩机压力升高但允许进入发动机内的质量流低时，会出现压缩机喘振。由穿过压缩机叶片的低气流而导致的压缩机喘振(或气动失速)导致了压缩机效率快速地降低。在正常涡轮增压器的情况下，足够的喘振能停止涡轮自转。在超级涡轮增压器的情况下，可以使用来自发动机曲轴的动力推动压缩机进入喘振。打开反馈阀118，使部分压缩空气返回至发动机周围。返回流使压缩机脱离喘振，并且使更高的升压力到达发动机102，从而使发动机102产生比在发动机低速下通常可能产生的动力更大的动力。将压缩空气注入涡轮前面的排气内，这保存了通过压缩机的总质量流，从而所有的气流到达涡轮，这使得用于增压至高升压压力级所需的来自发动机功率最小化。

在另一实施方式中，可以包括一附加的冷启动控制阀120，该控制阀用于在富发动机冷启动期间操作。在这样的发动机冷启动期间，来自发动机102的排气典型地包括过量未燃烧的燃料。由于此富混合物不是化学计量的，因此催化转化器116不能充分地降低排气中的未燃烧碳氢化合物(UHC)。在此期间，可以打开冷启动控制阀120以便提供压缩机反馈空气至催化转化器116的输入端，以便供应将富混合物降低至化学计量级所必需的附加氧气。这使催化转化器116更快地且更高效地点燃，以便在冷启动期间减少排放。如果发动机处于空转，正常涡轮增压器则没有升压压力以使得能够供应反馈空气。然而，传动装置110的传动比可调节成赋予压缩机足够的速度以产生空气穿过阀120所需的压力。在这方面，能够利用控制信号124来调节传动装置110的传动比，从而在空转期间，尤其是在冷启动期间，能够将足够的转动速度从发动机驱动轴112提供至压缩机108，以压缩足够空气流过冷启动阀120，并且利用足够量的氧气点燃催化转化器116。

对附加氧气的需求典型地限制于冷启动事件中，且通常只持续30至40秒。目前，一些车辆具有单独的空气泵，以便在冷启动事件期间供应氧气，相对于这种空气泵所需运行的有限时间而言，这是相当高的成本和重量。通过用简单的冷启动空气阀120取代单独的空气泵，可实现节约相当高的成本、降低重量和复杂度。由于超级涡轮增压器104可通过传动装置110控制压缩机108的速度，冷启动空气阀120可包括一简单的开关阀。在控制信号124的运行下，通过传动装置110来控制压缩机108的速度，则能够控制在冷启动事件期间所供应的空气量。

在极度高温运行期间，如果燃料用作发动机内的和/或催化转化器116的冷却剂，尽管对燃料效率有负面影响，也可使用冷启动空气阀120。在这些情况下，冷启动空气阀120将能够供应将富排气降低至化学计量级所必需的附加氧气，以使催化转化器116适当地减少排气中的未燃烧碳氢化合物排放。这一点对环境比对现有系统有更重要的益处。

在该冷启动控制阀120为开关阀的实施方式中，系统能够调节冷启动控制阀120以改变所供应的用于将排气降低至化学计量级的压缩空气量。其他类型的可变流量控制阀也可用于实现这一相同功能。

图1还公开了控制器140。控制器140控制反馈阀118和冷启动阀120的运行。控制器140运行以优化在不同状态下穿过反馈阀118的空气流的量。穿过反馈阀118的空气量是为了获取特殊期望状态所必需的最小空气流量，如上所述。控制器140在两种特殊状态下操作反馈阀118，这两种特殊状况是：1)在发动机的低转速、高负载下，接近对于给定升压要求的压缩机喘振极限；和2)在高转速、高负载状态下，气体混合物的温度接近进入涡轮106的温度。

如图1所示，控制器140接收来自温度传感器138的气体混合物温度信号130，该温度传感器检测从压缩机108供应的冷却空气与催化转化器116所产生的热排气相混合的气体混合物的温度。此外，控制器140检测压力传感器136产生的压缩空气进入压力信号132，该压力传感器设置在从压缩机108供应的压缩空气的管道内。另外，从发动机102或节流阀供应的发动机速度信号126和发动机负载信号128被提供至控制器140。

至于在高速度、高负载状态下，对提供至涡轮106的气体混合物的温度进行控制而言，控制器140将气体混合物的温度限制在最大化涡轮106的运行的温度，而不会温度过高损坏涡轮106的机构。在一个实施方式中，大致925℃的温度是运行涡轮106的气体混合物的最佳温度。一旦送入涡轮106的气体混合物的温度开始超过900℃，反馈阀118被打开以允许来自压缩机108的压缩空气在来自催化转化器116的热排气进入涡轮106之前将其冷却。控制器140能够被设计以大致925℃的温度(最大值为950℃，最小值为900℃)为目标。950℃的界限是在该温度下可能发生对使用传统材料制造的涡轮106的损坏。当然，取决于涡轮106所使用的特殊类型的部件和材料，控制器能够被设计用于其他温度。传统的比例积分微分(PID)控制逻辑装置可应用于控制器140，以产生那些控制结果。

控制进入涡轮106的气体混合物的温度的好处在于：消除了在排气中用于限制气体混合物的涡轮入口温度的燃料使用。使用冷却器压缩空气流来冷却来自催化转化器116的热排气需要大量空气，其中包含大量用于实现气体混合物的期望冷却器温度。用于冷却来自催化转化器116的热排气所需要的空气量很大，这是因为，来自压缩机108的冷却器压缩空气不是好冷却剂，尤其是当与添加到排气中的液态燃料相比时。来自催化转化器116输出端的热排气促使来自压缩机108的冷却器压缩空气膨胀，以产生气体混合物。由于需要来自压缩机108的大量冷却器压缩空气来降低来自催化转化器116的热排气的温度，大量气体混合物的质量流流过涡轮106，这显著提高涡轮106的输出。通过功率差来提高涡轮功率，上述功率差是通过质量流微分减去压缩流过反馈阀118的压缩空气所需的功而获得。通过获取来自温度传感器138的气体混合物温度信号130并通过反馈阀118控制压缩空气的添加，而不会超过最高温度。

控制器140还控制反馈阀118以限制压缩机108中的喘振。喘振极限是随升压压力、穿过压缩机的空气流和压缩机108设计而改变的界限。当进入空气122的气流小且进入空气122与压缩空气之间的压力高时，通常应用于涡轮增压器中的压缩机，如压缩机108，超过喘振极限。在传统超级涡轮增压器中，当发动机速度(转速)126低时，进入空气122的气流小。在低转速下，当发动机102未应用大容量压缩空气时，进入空气122的质量流很小，并出现喘振，这是因为在没有适当的进入空气122气流的情况下，旋转的压缩机108不能将空气推入高压管道中。反馈阀118允许气流穿过压缩空气管道109，且防止或减少压缩机108中的喘振。一旦压缩机108中出现喘振，就不能维持压缩空气管道109中的压力。因此，在发动机102的低转速、高负载运行状态下，压缩空气管道109中的压缩空气的压力将下降为低于期望水平。通过打开反馈阀118，增加通过压缩机108的进入空气122气流，尤其是在发动机的低转速、高负载运行状态下，这允许在压缩空气管道109中实现升压的期望水平。直到达到压缩空气管道109中的期望压力，反馈阀118能够简单地被打开。然而，仅通过简单检测压缩空气管道109中的升压压力，将会在打开反馈阀118以避免压缩机108出现喘振状态之前发生喘振。

然而，优选地在喘振状态发生之前，提前确定喘振极限并打开反馈阀118。对于给定转速和期望升压水平来说，可以确定喘振极限。在压缩机108达到计算出的喘振极限之前，可以开始打开反馈阀118。提早打开阀可以使压缩机快速地升到更高的升压压力，这是因为压缩机接近压缩机运行参数的更高效率点。接着，能够实现在低转速下快速提高升压压力。通过在喘振发生之前打开阀，还可实现更稳定的控制系统。

为了提高发动机102的响应能力，当发动机102处于低转速时，通过以这种方式打开反馈阀118，使发动机102更加快速地获得更高的升压压力。压缩机108也更高效，这使得传动装置110以更少的功获得增压。喘振极限控制可以在基于标准模型的控制模拟码中建模，如MATLAB。以这种方式建模将允许模拟控制器140和用于控制器140算法的自动编码。

基于模型的控制系统(诸如以上所述的)的独特之处在于：使用传动装置110来控制涡轮106转动和压缩机108产生升压压力，而没有涡轮迟滞。换言之，传动装置110能够从曲轴112获得转动能以驱动压缩机108，从而在涡轮106产生足够以期望水平驱动压缩机108的机械能之前非常快速地在压缩空气管道109中获得期望升压。通过这种方式，可减少或消除在传统涡轮增压器中用于减少迟滞的控制。控制器140的基于模型的控制应该被设计成将压缩机108的最优效率维持在压缩机108的运行参数范围内。

控制器140的控制模型应该在压力运行参数上仔细地建模，压力运行参数映射发动机对于给定目标速度和负载所允许的质量流，其中，目标速度和负载可以相对于车辆的节流阀的位置进行定义。如图1所示，发动机速度信号126能够从发动机102获得且被应用于控制器140。同样地，发动机负载信号128能够从发动机102获得且被应用于控制器140。此外，能够从设置在发动机节流阀(未显示)上的传感器获得这些参数。反馈阀118能够响应于由控制器140产生的控制信号142而运行。压力传感器136产生应用于控制器140的压缩空气进入压力信号132，控制器响应于发动机速度信号126、发动机负载信号128及压缩空气进入压力信号132而计算控制信号142。

在发动机102运行状态期间，其中压缩机108没有接近喘振极限并且没有达到如温度传感器138检测的气体混合物的温度，则反馈阀118关闭，以便该系统如传统超级涡轮增压器系统一样工作。这种情况出现在发动机102的多数运行参数中。当出现发动机102的高负载和低转速情况时，反馈阀118打开以防止喘振。同样地，在发动机102的高转速、高负载运行情况下，在催化转化器116输出端的排气中产生高温，因此必须打开反馈阀118，使应用于涡轮106的气体混合物的温度降低至低于将对涡轮106造成损坏的温度。

图2为图1中所示的高效超级涡轮增压发动机系统的实施方式的详细视图。如图2中所示，发动机102包括一经过修改的超级涡轮增压器，如上所述相对于图1，该超级涡轮增压器提供高于传统超级涡轮增压发动机的效率，同时在低转速、高负载运行状态下，提供最佳高效率，且在高转速、高负载状态下，提供最佳高效率。超级涡轮增压器包括由轴机械地连接至压缩机108的涡轮106。压缩机108压缩进入空气122且将被压缩的进入空气供应至管道204。管道204连接至反馈阀118和中间冷却器114。如上所公开的，中间冷却器114用于冷却压缩空气，在压缩过程期间，压缩空气变热。中间冷却器114连接至压缩空气管道226，该压缩空气管道又连接至发动机102的进空歧管(未显示)。压力传感器136连接至压缩空气管道204以检测压力且通过压缩进入空气压力信号132提供一应用于控制器140的压力读数。由控制器140产生的控制器反馈阀控制信号142来控制反馈阀118，如上所公开的。在某些运行状态下，反馈阀118打开以将来自压缩空气管道204的压缩空气供应至混合腔206。

如图2的实施方式中所示，混合腔206仅包括位于催化转化器输出管道208中的一系列开口202，压缩空气管道204围绕催化转化器输出管道，从而从压缩空气管道204供应的压缩空气通过开口202与催化转化器输出管道208中的排气相混合。任何期望类型的混合腔可用于混合冷却器压缩空气与排气，从而降低排气的温度。温度传感器138设置在催化转化器输出管道208内，用于测量催化转化器输出管道208中排气的温度。温度传感器138提供气体混合物温度信号130至控制器140，该控制器控制反馈阀118以确保催化转化器输出管道208中排气的温度未超过将对涡轮106造成损坏的最高温度。催化转化器116通过催化转化器入口管道214连接至排气歧管210。通过将催化转化器116定位成接近排气歧管210，用于激活催化转化器116的来自发动机的热排气直接流入催化转化器116。换言之，催化转化器116靠近发动机排气出口的最近位置定位使得：在排气进入催化转化器116之前，排气基本上不冷却，这提高了催化转化器116的性能。当排气穿过催化转化器116时，催化转化器116添加附加热至排气。处于催化转化器116输出端的非常热的排气被供应至催化转化器输出管道208且在混合腔206中由来自压缩空气管道204的压缩进入空气进行冷却。根据在催化转化器116输出端处产生的非常热的排气温度，在高速、高负载状态期间将不同量的压缩进入空气添加到排气中，上述排气的温度随发动机102的运行状态而改变。在发动机低速、发动机高负载状态期间，反馈阀118还用于允许进入空气流过压缩机以避免喘振。喘振类似于压缩机叶片的气动失速，在发动机低速状态期间，穿过压缩机的低流量状态将导致失速。当喘振发生时，进气歧管(未显示)中的压力下降，这是因为压缩机108不能压缩进入空气。通过由打开反馈阀118而允许空气流过压缩机108，能够维持进空歧管中的压力，从而当发动机低速时需要高扭矩时，由于进空歧管高压力而能够获得高扭矩。

如上所公开的，当发动机在高速、高负载状态下运行时，催化转化器116促使在排气中产生大量的热，这些排气被供应至催化转化器输出管道208。通过为催化转化器输出管道208提供压缩的冷却器进入空气，冷却在高速、高负载状态下的热排气。当发动机的负载和速度增加时，将产生更高的气体，并且需要更多来自管道204的压缩空气。如果涡轮106没有提供足够的转动能来驱动压缩机，如在低速、高负载状态下，则发动机曲轴112通过传动带222、传动皮带轮218、轴224、无级变速传动装置216和传动装置228将转动能供应至压缩机108。此外，推进系的任何部分可用于为压缩机108供应转动能，并且图2根据已公开的实施方式公开了一个实施例。

还如图2中所示，冷启动阀120还连接至压缩空气管道204，该压缩空气管道又连接至冷启动管道212。冷启动管道212连接至位于催化转化器116上游的催化转化器入口管道214。冷启动阀的用途在于：在启动状态期间，为催化转化器116的输入端提供压缩进入空气，如上所公开的。在启动状态下，在催化转化器116达到全运行温度之前，通过冷启动管道212提供的附加氧气以开始催化过程。通过冷启动管道212提供的附加氧气促进催化过程的开始。控制器140响应于发动机速度信号126、发动机负载信号128、及气体混合物温度信号130经由控制器冷启动阀控制信号144来控制冷启动阀120。

因此，高效、火花点火、超级涡轮增压发动机100以类似于超级涡轮增压器的方式运行，例外的是反馈阀118将来自压缩机的部分压缩空气供应至涡轮的输入端，这是由于两个原因。一个原因是：在排气进入涡轮之前冷却排气，从而在高速、高负载状态下，能够利用排气的全部能量且不需要废气门。另一个原因是，在低转速、高负载状态下，提供穿过压缩机的空气流，以防止喘振。此外，在排气到达涡轮之前，催化转化器能够连接在排气流中，从而由催化转化器116产生的热能够用于驱动涡轮106，且使与来自催化转化器116的热气混合的压缩进入空气膨胀，这显著提高系统效率。此外，在启动状态期间，通过为排气提供氧气，冷启动阀120能够发起在催化转化器116中的催化过程。

提供前文对本发明的描述是为了例证和说明的目的。本发明不旨在穷举或限制所公开的精确形式，并且根据以上教导，可以对其进行其他修改和变更。对实施方式进行选择及描述，以便更好地解释本发明的原理及实际应用，由此使本领域的其他技术人员能够以与特定应用设想适合的各种实施方式和各种修改来利用本发明。其用意在于，所附权利要求解释为包括本发明的其他可选择实施方式，除现有技术限定范围之外。

Claims (32)

1.一种具有高效率的发动机系统，包括：

发动机；

超级涡轮增压器，该超级涡轮增压器耦接至所述发动机，以便在推进系与所述超级涡轮增压器之间传递转动机械能；

阀，该阀调节来自所述超级涡轮增压器的压缩空气的气流，该压缩空气的气流在来自所述发动机的排气进入所述超级涡轮增压器之前与所述排气相混合，从而所述压缩空气将所述排气冷却至低于预定最高温度的温度以防止损坏所述超级涡轮增压器。

2.根据权利要求1所述的发动机系统，进一步包括：

连接至所述发动机的催化转化器，所述催化转化器在来自所述发动机的所述排气进入所述超级涡轮增压器之前接收所述排气。

3.根据权利要求2所述的发动机系统，其中，所述超级涡轮增压器进一步包括：

机械传动装置，该机械传动装置将超级涡轮增压器转动机械能从所述超级涡轮增压器传递至推进系以提高所述发动机系统的所述效率并且从所述超级涡轮增压器提取过量能量以防止损坏所述超级涡轮增压器，并且所述机械传动装置将推进系转动机械能从所述推进系传递至所述超级涡轮增压器以减少涡轮迟滞。

4.根据权利要求3所述的发动机系统，其中，所述阀还维持一空气流穿过所述超级涡轮增压器，以减少所述超级涡轮增压器中的喘振。

5.根据权利要求4所述的发动机系统，进一步包括：

控制器，该控制器接收所述发动机的运行参数并且产生控制所述阀的运行的控制信号。

6.根据权利要求5所述的发动机系统，进一步包括：

排气管道，该排气管道可操作地耦接至接收所述压缩空气的所述气流的压缩空气管道。

7.一种提高发动机系统的效率的方法，包括：

将超级涡轮增压器耦接至发动机；

在来自所述发动机的排气进入所述超级涡轮增压器之前，将来自所述超级涡轮增压器的压缩空气的气流提供至所述排气，从而所述压缩空气将所述排气冷却至低于预定最高温度的温度以防止损坏所述超级涡轮增压器，并且所述压缩空气为进入所述超级涡轮增压器的所述排气提供附加质量。

8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：

在所述发动机与所述超级涡轮增压器之间连接催化转化器，从而来自所述发动机的所述排气在进入所述超级涡轮增压器之前流过所述催化转化器。

9.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：

将来自所述超级涡轮增压器的超级涡轮增压器转动机械能耦接至推进系，以提高所述发动机的效率并且防止损坏所述超级涡轮增压器。

10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：

通过将推进系转动机械能从推进系传递至所述超级涡轮增压器，减少所述超级涡轮增压器中的涡轮迟滞。

11.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：

在所述发动机的运行阶段期间，维持一空气流穿过所述超级涡轮增压器以减少所述超级涡轮增压器的喘振，否则此时将出现压缩机喘振。

12.一种具有高效率的超级涡轮增压发动机系统，包括：

发动机；

超级涡轮增压器，该超级涡轮增压器包括：

涡轮，该涡轮由流过所述涡轮的气体混合物产生涡轮转动机械能；

压缩机，机械地耦接至所述涡轮，所述压缩机压缩空气源并且将压缩空气供应至所述发动机的进气歧管；

传动装置，机械地耦接至所述涡轮和所述压缩机，所述传动装置将所述涡轮转动机械能从所述涡轮传递至推进系以提高发动机输出功率并且防止损坏所述超级涡轮增压器，并且所述传动装置将推进系转动机械能从所述推进系传递至所述压缩机以减少所述发动机的涡轮迟滞；

反馈阀，该反馈阀供应与所述排气相混合以形成所述气体混合物的所述压缩空气的一部分，所述压缩空气的所述部分足以将所述排气冷却至低于预定最高温度以防止损坏所述涡轮并且为所述排气提供所述空气的附加质量，所述附加质量为所述涡轮增加附加转动能。

13.根据权利要求12所述的发动机系统，其中，在所述发动机的运行阶段期间，所述阀附加地维持所述空气的一气流穿过所述压缩机，否则此时将出现压缩机喘振。

14.根据权利要求13所述的发动机系统，进一步包括：

布置成从所述发动机接收所述排气的催化转化器，该催化转化器产生放热反应，该放热反应增加热量至被供应至所述涡轮以驱动所述涡轮的所述排气。

15.根据权利要求14所述的发动机系统，进一步包括：

冷启动控制阀，该冷启动控制阀将所述压缩空气中的一部分提供至所述催化转化器的输入端，以添加氧气至所述排气来辅助所述催化转化器开始放热反应。

16.根据权利要求15所述的发动机系统，进一步包括：

控制器，该控制器响应于所述发动机的运行参数来操作所述反馈阀和所述冷启动阀。

17.一种提高超级涡轮增压发动机系统的效率的方法，包括：

从超级涡轮增压器的压缩机提供压缩空气；

将所述压缩空气的一部分与来自所述发动机的排气相混合以形成气体混合物，该气体混合物的温度不超过预定最高温度以防止损坏所述超级涡轮增压器的涡轮；

由所述气体混合物驱动所述涡轮；

将过量涡轮转动机械能从所述涡轮传递至推进系，否则过量涡轮转动机械能将促使所述涡轮以会对所述压缩机造成损坏的速度转动。

18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括：

将推进系转动机械能从所述推进系传递至所述压缩机以减少涡轮迟滞。

19.根据权利要求18所述的方法，进一步包括：

在发动机的操作阶段，通过将所述压缩空气的所述部分与所述排气混合，维持所述空气源的一充足气流穿过所述压缩机，否则此时将出现喘振。

20.根据权利要求19所述的方法，进一步包括：

提供催化转化器，该催化转化器接收所述排气并且产生将增加热量至所述排气的放热反应；

将所述排气从所述催化转化器的输出端供应至所述涡轮。

21.根据权利要求20所述的方法，进一步包括：

在冷启动状态期间，将所述压缩空气的一部分提供至所述催化转化器的输入端，以添加氧气来辅助所述催化转化器开始所述放热反应。

22.一种提高超级涡轮增压发动机系统的效率的方法，包括：

提供发动机；

提供催化转化器，该催化转化器连接至接近所述发动机的从所述发动机接收发动机排气的排气出口，所述发动机排气激活所述催化转化器中的放热反应，该放热反应将附加能量增加至所述发动机排气并且在所述催化转化器的输出端处产生比所述发动机排气更热的催化转化器排气；

利用压缩机将压缩空气的气流提供至所述发动机的进口；

在处于所述催化转化器下游的混合腔中将所述压缩空气的一部分与所述催化转化器排气相混合，以产生所述催化转化器排气与所述压缩空气的气体混合物；

利用控制阀调节进入所述混合腔中的所述压缩空气的所述气流，以便维持所述气体混合物低于最高温度，并且以便在所述发动机的运行阶段期间维持所述压缩空气的一气流穿过所述压缩机，否则此时在所述压缩机中将出现喘振；

将所述气体混合物供应至涡轮，该涡轮响应于所述气体混合物的气流而产生涡轮转动机械能；

将所述涡轮转动机械能从所述涡轮传递至所述压缩机，当通过所述涡轮的所述气体混合物的所述气流足以驱动所述压缩机时，所述压缩机利用所述涡轮转动机械能来压缩空气源以产生所述压缩空气；

当不需要来自所述涡轮的所述涡轮转动机械能的至少一部分来运行所述压缩机时，从所述涡轮提取所述涡轮转动机械能的所述部分并且将所述涡轮转动机械能的所述部分施加至推进系；

当通过所述涡轮的所述气体混合物的所述气流不足以驱动所述压缩机时，将推进系转动机械能从所述推进系提供至所述压缩机以防止涡轮迟滞。

23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述气体混合物的所述最高温度低于所述气体混合物将对所述涡轮造成损坏的温度。

24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述气体混合物的所述最高温度低于大致950℃。

25.根据权利要求23所述的方法，其中，通过不使用废气门排出所述气体混合物的过量气体来提高所述发动机的所述效率。

26.根据权利要求25所述的方法，其中，从所述涡轮提取过量涡轮转动机械能并且将推进系转动机械能从所述推进系提供至所述压缩机的过程包括：

在所述推进系与连接所述涡轮和所述压缩机的轴之间使用耦接所述过量涡轮转动机械能与所述推进系转动机械能的传动装置。

27.根据权利要求26所述的方法，其中，在所述发动机的运行阶段期间维持所述压缩空气的一气流的过程包括：

当所述发动机以低速运行且需要高扭矩时，通过打开所述反馈阀来维持所述压缩空气的一气流穿过所述压缩机以减少喘振。

28.根据权利要求27所述的方法，其中，在混合腔中将所述压缩空气与所述更热的排气相混合的过程包括：

在连接至压缩空气管道的排气管道中提供至少一个开口，以便所述压缩空气流过所述至少一个开口并且在所述排气管道中与所述更热的排气相混合。

29.根据权利要求28所述的方法，进一步包括：

在所述发动机的冷启动期间，将所述压缩空气的一部分与处于所述催化转化器上游的所述排气相混合，以将氧气提供至所述催化转化器来辅助所述催化转化器开始所述放热反应。

30.一种超级涡轮增压发动机系统，包括：

发动机；

催化转化器，连接至靠近所述发动机的排气出口的排气管道，从而来自所述发动机的热排气激活所述催化转化器中的放热反应，该放热反应将能量增加至所述热排气并且产生更热的排气；

压缩机，连接至空气源，所述压缩机提供压力高于所述排气的压力水平的压缩空气；

管道，该管道将所述压缩空气供应至所述更热的排气，从而所述压缩空气中的至少一部分与所述更热的排气相混合以产生气体混合物；

涡轮，该涡轮机械地耦接至所述压缩机并且由所述气体混合物产生涡轮转动机械能；

阀，该阀调节通过所述管道的所述压缩空气的所述部分的气流，以便维持所述气体混合物低于预定最高温度，并且以便在所述发动机的运行阶段期间，维持来自所述空气源的一空气流穿过所述压缩机，否则此时在所述压缩机中将出现喘振；

传动装置，在通过所述涡轮的所述排气的所述气流不足以驱动所述压缩机达到期望的升压水平时，所述传动装置将推进系转动机械能从推进系提供至所述压缩机以减少涡轮迟滞，并且所述传动装置从所述涡轮提取过量涡轮转动机械能以维持所述压缩机的转速低于会对所述压缩机造成损坏的预定最高转速。

31.根据权利要求30所述的发动机系统，进一步包括：

控制器，该控制器检测所述气体混合物的温度水平、发动机转速、所述压缩空气的压力水平以及发动机负载，并且控制所述阀的运行和所述传动装置的传动比。

32.根据权利要求31所述的发动机系统，进一步包括：

冷启动控制阀，该冷启动控制阀在冷启动期间将所述压缩空气中的另一部分提供至处于所述催化转化器上游的所述排气管道，以添加氧气至所述排气来辅助所述催化转化器开始放热反应。

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