具有可變負(fù)載的渦輪復(fù)合引擎的渦輪及其控制器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種渦輪、一種結(jié)合該渦輪的增壓系統(tǒng)、及其控制器。特別地但非唯一地，本發(fā)明涉及一種具有對渦輪負(fù)載提供合適控制的控制器的渦輪和一種用于調(diào)節(jié)用于提供速度的渦輪速度的控制器。該渦輪理想地適合用于例如增壓系統(tǒng)的渦輪復(fù)合中。
【背景技術(shù)】
[0002]渦輪復(fù)合的概念得到很好的文件證明，且許多結(jié)構(gòu)是已知的。在其各種形式中，渦輪復(fù)合涉及限制來自引擎的廢氣流以提取功率且然后傳遞該功率用于一些有用的用途的渦輪機(jī)(渦輪)。典型地，功率將通過機(jī)械、液壓或電連接的方式被傳遞到引擎的機(jī)軸。W02011023282A1提供了機(jī)械系統(tǒng)的良好示例，且US7174714B2提供了電系統(tǒng)的良好示例。在電系統(tǒng)的情況中，功率通常被傳遞到電池或輔助電負(fù)載，而不是機(jī)軸。典型的應(yīng)用是具有合理穩(wěn)定占空比要求的靜態(tài)或動態(tài)活塞引擎，但是該概念還應(yīng)用到其他引擎，例如燃?xì)鉁u輪。
[0003]在一些情況中，渦輪復(fù)合能夠涉及將廢熱能(從主引擎)轉(zhuǎn)換成有用功的單獨(dú)的引擎(另外的熱動力循環(huán))。US7866157B2和W02011058832A1中描述了示例。這些系統(tǒng)典型地在引擎的廢氣歧管中設(shè)置熱交換器，將廢熱轉(zhuǎn)移到另一工作流，然后通過渦輪傳遞該工作流。
[0004]通常，在沒有控制、可變負(fù)載的情況下，已知渦輪對于任意給定量的可用輸入功率在一個(gè)特定速度工作。渦輪的這種行為是因?yàn)槠渫ǔＳ蓧嚎s機(jī)加載，且渦輪自然地找到壓縮機(jī)負(fù)載平衡渦輪功率的運(yùn)行速度。因此，渦輪制造商典型地引用實(shí)現(xiàn)與特定的指定壓縮機(jī)的這種平衡的工作“線”。例如，渦輪被引用為針對任意給定U/C(無量綱化的進(jìn)氣速度(渦輪葉片切速度(U)和理想速度(C)))膨脹比提供特定效率或針對任意給定質(zhì)量流量提供特定壓降。實(shí)際上，這些工作“線”是假的；在控制、可變負(fù)載情況下，渦輪能夠具有另外的自由度進(jìn)行工作。這產(chǎn)生潛在工作狀態(tài)的“圖”，其中控制策略能夠影響并調(diào)節(jié)效率與U/C之間的關(guān)系或壓降與質(zhì)量流之間的關(guān)系。在此重申:渦輪的工作圖是專家普遍已知的且理解的，但是其在渦輪增壓器應(yīng)用中具有有限的相關(guān)性，是由于缺少對渦輪的控制。相反，反映渦輪負(fù)載的特性的工作線是更相關(guān)的構(gòu)造。
[0005]現(xiàn)在我們考慮渦輪效率，其中渦輪速度是獨(dú)立變量。引擎設(shè)計(jì)者、售后調(diào)節(jié)者以及渦輪增壓器的其他直接用戶考慮，當(dāng)相對U/C繪制時(shí)，渦輪效率遵循反拋物線形狀。但是設(shè)計(jì)者知道渦輪的理論行為是拋物線曲線族，其中每個(gè)曲線代表特定的渦輪速度，如圖2中所示。
[0006]渦輪增壓器的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載是定義為渦輪機(jī)型的壓縮機(jī)的渦輪壓縮機(jī)，不是正排量裝置。渦輪壓縮機(jī)的特性是在與渦輪壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速的平方成比例的速率消耗功率。在沒有外部控制的情況下，壓縮機(jī)負(fù)載加上損失必須消耗所有可用的渦輪功率?；蛘呖商鎿Q地，渦輪功率必須恰好匹配負(fù)載，加上由于改變渦輪壓縮機(jī)軸的轉(zhuǎn)動動能消耗或存儲的任意另外能量。因此，該系統(tǒng)將“飄”到工作速度，由此壓縮機(jī)輸入功率和渦輪功率(減掉損失)匹配。該速度幾乎總是不在針對可用輸入功率的最佳渦輪效率點(diǎn)。
[0007]緩解這些問題的一種嘗試是可變?nèi)~片幾何形狀(典型地稱為VGT系統(tǒng)-可變幾何渦輪)。該系統(tǒng)允許撞擊渦輪的廢氣的入射角被調(diào)節(jié)。渦輪的最佳工作速度則是葉片位置的函數(shù)。雖然VGT系統(tǒng)需要一些另外的損失，但是總效果是更大范圍的最佳(更精確、近最佳)的渦輪速度。
[0008]VGT具有局限。實(shí)際上，VGT系統(tǒng)很少作為連續(xù)體工作。相反，它們允許兩個(gè)或更多幾何形狀的選擇，允許兩個(gè)或更多近最佳渦輪速度。這改進(jìn)了在較低膨脹比的渦輪增壓器效率，但是在可能由渦輪負(fù)載的可調(diào)節(jié)控制的程度上來說則沒有。此外，VGT硬件本身阻礙氣流并使得渦輪低效。此外，當(dāng)VGT從其寬口位置移動時(shí)，其仍能阻礙氣流。雖然其有效重新引導(dǎo)氣流，但是重新引導(dǎo)的氣體的流動路徑通常比寬口流動路徑更不平滑且更不直。這進(jìn)一步降低效率，因此VGT曾僅在非常窄的移動范圍內(nèi)使用。最終，VGT系統(tǒng)經(jīng)常必須在惡劣環(huán)境中工作，且其通常不可提供連續(xù)控制。相反，VGT系統(tǒng)經(jīng)常工作在寬口或非寬口，在它們之間具有少量控制或沒有控制。可變?nèi)~片幾何形狀是對下面描述的解決方案的補(bǔ)充，以及部分替換。
[0009]以上論述顯示當(dāng)允許渦輪運(yùn)行在其設(shè)計(jì)速度時(shí)是最有效率的，但是這實(shí)際上僅發(fā)生在有限的工作界限。因此，特別是當(dāng)在暫態(tài)應(yīng)用中使用時(shí)，渦輪很少工作在最佳效率。雖然存在擴(kuò)展可接受工作范圍的方式，但基本問題是缺少對渦輪負(fù)載的控制，造成速度和功率以不期望的方式被聯(lián)系起來。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明旨在通過提出一種具有提供對渦輪負(fù)載的合適控制的控制器的渦輪來緩解以上的問題。本發(fā)明還提供了一種使用這種渦輪和用于調(diào)節(jié)渦輪的負(fù)載和速度以優(yōu)化其效率或其他方式選擇其效率的控制器的增壓系統(tǒng)或渦輪復(fù)合系統(tǒng)。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，本發(fā)明提供了一種用于從流體提取能量的渦輪，該渦輪包括:外殼；在該外殼內(nèi)轉(zhuǎn)動耦合且可由流體轉(zhuǎn)動以提供轉(zhuǎn)動輸出的渦輪葉輪；將負(fù)載施加到該轉(zhuǎn)動輸出的可變負(fù)載；以及控制器，被配置成:接收關(guān)于渦輪工作情況的信息；基于該工作情況計(jì)算轉(zhuǎn)動輸出的最佳工作速度；以及響應(yīng)于所述工作情況，提供信號給可變負(fù)載以改變施加到轉(zhuǎn)動輸出的負(fù)載，由此轉(zhuǎn)動輸出在校正的工作速度轉(zhuǎn)動。
[0012]控制器的目的是影響渦輪的最佳工作效率，通常增加其工作效率且有時(shí)降低該工作效率。增加渦輪的工作效率能夠?qū)е聹u輪增壓器更好的性能(提供額外的壓縮空氣給引擎和/或更快速克服渦輪延遲)?？商鎿Q地或附加地，增加的渦輪效率能夠?qū)е逻^剩的功率從渦輪被提取以用于渦輪復(fù)合。在降低的工作效率的情況中，這能夠用于實(shí)現(xiàn)部分負(fù)載引擎工作狀態(tài)或避免當(dāng)不期望的過剩功率量可用時(shí)對電池或其他存儲裝置過分充電。這種情形可以是例如在引擎冷時(shí)(冷引擎油)是期望的。
[0013]這種安排的優(yōu)點(diǎn)是渦輪工作速度能被優(yōu)化以在檢測的當(dāng)前工作情況最大化渦輪的效率。在低膨脹比，例如在渦輪的預(yù)熱期間，通過降低施加在轉(zhuǎn)動輸出的負(fù)載能夠降低渦輪的速度。
[0014]—般來說，渦輪葉輪的轉(zhuǎn)動輸出被提供給與渦輪葉輪連接的渦輪軸。
[0015]在特定實(shí)施方式中，渦輪的可變負(fù)載用于加速轉(zhuǎn)動輸出。這可以通過將負(fù)電流施加到負(fù)載由此該負(fù)載用作電動機(jī)來實(shí)現(xiàn)。這幫助在預(yù)熱期間使轉(zhuǎn)動輸出快速達(dá)到其最佳速度，使得渦輪更快進(jìn)入其效率高的工作狀態(tài)。
[0016]可替換地，實(shí)施方式允許可變負(fù)載用作轉(zhuǎn)動輸出的制動。這能夠確保渦輪的轉(zhuǎn)速不超過效率最大的渦輪的最佳設(shè)計(jì)速度，由此防止渦輪由于過速而損壞。渦輪的設(shè)計(jì)者已經(jīng)知道渦輪能夠用于結(jié)合可限制渦輪速度到期望工作范圍的裝置，這提供了附加的設(shè)計(jì)靈活性。例如，設(shè)計(jì)者不用負(fù)責(zé)整合效率限制裝置，其在或接近渦輪期望最大工作速度對渦輪起作用。效率限制裝置的示例包括廢氣門，其一般被設(shè)計(jì)用于稍微打開并在渦輪達(dá)到其最大速度之前浪費(fèi)過多功率，以帶有安全余量來防止過速。其他示例包括對葉片設(shè)計(jì)的修改，其降低最高速度效率(效率應(yīng)當(dāng)最高的工作區(qū))，反映了這一事實(shí):渦輪在最高速度處于穩(wěn)態(tài)且比在其仍然加速時(shí)其在較低速度需要更少的功率。通過使用能夠?qū)u輪置于其最佳工作速度的控制