CN101082318A - 涡轮增压器控制系统 - Google Patents

Abstract

一种用于在各种不同海拔高度控制涡轮增压内燃机进气压力的控制系统，它包括废气排气减压阀、致动器、控制器。将从发动机速度传感器、进气压力传感器、大气压力传感器、涡轮增压器速度传感器送出的诸信号在控制器中进行处理。从控制器送往致动器的控制信号控制废气排气减压阀的位置、废气的旁路、及涡轮增压器的速度。控制器被配置成把涡轮增压器速度与一预定阈值相比较并基于该比较来确定该控制信号。

Description

涡轮增压器控制系统

技术领域

本发明涉及涡轮增压器控制系统，尤其涉及一种用于控制涡轮增压器在不同发动机运行海拔高度上输送给内燃发动机的空气量的控制系统。

背景技术

主要用在越野卡车的涡轮增压发动机往往配有气动致动的废气排气减压阀，用于控制涡轮增压器速度，从而控制输送给发动机吸入总管的进气压力。废气排气减压阀通常配置在发动机废气系统中并通过更改导向涡轮增压器的涡轮机部的废气体积来控制涡轮增压器的速度。

于1987年10月6日授予Yutaka Otobe等人的美国专利US4,697,421揭示了一种使发动机废气从涡轮机部旁路绕过并由此控制进气压力的废气排气减压阀。废气排气减压阀受一个由控制阀控制的气动致动器的作用而移动，这使得废气排气减压阀敞开压力基于进气压力及吸入总管温度而改变。把进气压力维持在一目标压力会改善发动机运行条件并降低发动机在给定高度上的爆震。然而，因为对于不同海拔上的运行没有补偿，所以在高海拔处会发生增压损失，而在底海拔处以及环境温度下会发生增压过大。因此，达不到发动机的最佳运行。

在低海拔(环境温度)防止发动机出现过度增压(气缸峰值压力)方面，废气排气减压阀已是相当成功，但尚未成功地用于要求对废气排气减压阀进行精确调节的场合。目前的流体操纵废气门控制系统缺乏优良调节所要求的响应性和准确性。因此，为了提高废气排气减压阀运行的优化程度，必须提供一种响应性更好、准确性更高的控制系统。

为了优化废气门控制、保持较低的废气温度、以及在各种空气密度(不同海拔高度和不同环境空气温度)提供正确的增压量，有必要提供一种考虑各种相关控制参数的控制系统。当前尚无此类控制系统。

发明内容

提供了一种用于在各种不同海拔高度处控制内燃发动机涡轮增压器进气压力的控制系统。发动机具有一个吸入总管和一个排气总管，它们分别连接至涡轮增压器的压缩机部和涡轮机部。连接在废气总管和涡轮机部之间的废气排气减压阀可在打开位置于关闭位置之间运动，在打开位置处发动机排出的流体流自由地旁路绕过涡轮机，而在关闭位置时发动机排出的流体流被限制而不可旁路绕过涡轮机。第一传感器感测发动机的速度并送出一个响应速度信号。第二传感器感测发动机的进气压力并送出一个响应增压信号。第三传感器感测发动机齿位并送出一个响应齿位信号。第四传感器感测大气压力并送出一个响应大气压力信号。第五传感器感测涡轮增压器速度并送出一个响应涡轮增压器速度信号。一连接于第一、第二、第三及第四传感器的控制器接收速度、增压、齿位及大气压力信号，并基于该速度、增压、齿位及大气压力信号确定一个增压误差并送出一个响应控制信号。控制器被配置成将涡轮增压器速度与一预定阈值相比较并基于该比较确定控制信号。致动器接收该控制信号，作为响应而将废气排气减压阀移向打开位置和关闭位置之一，并改变从涡轮增压器输送到发动机吸入总管的增压量。

附图说明

图1是示例性实施方式的示意图，显示了涡轮增压内燃发动机、废气排气减压阀以及用于控制废气排气减压阀的控制系统；

图2是一个流程图，显示了根据本发明一个示例性实施方式的控制系统的控制逻辑；

图3是显示发动机速度在1750rpm时的增压补偿对海拔高度的曲线图；

图4是显示发动机速度在1750rpm时目标增压对海拔高度的曲线图；

图5是显示发动机速度在1750rpm时涡轮速度(Turbo Speed)对海拔高度的曲线图；

图6是显示发动机速度在1750rpm时废气温度对海拔高度的曲线图；

图7是以增压、发动机速度和齿位为坐标的三维增压图；以及

图8是显示根据另一示例性实施方式的控制系统的控制逻辑的流程图。

具体实施方式

参照附图，尤其是图1，该图显示了一种用于控制例如柴油发动机的内燃机14的涡轮增压器12在各种不同海拔高度时的进气压力的控制系统10。发动机14具有分别连接至涡轮增压器12的压缩机部20和涡轮机部22的吸入总管16和排气总管18。本实施方式的涡轮增压器12由两个串联的涡轮增压器组成，即低压涡轮增压器24和高压涡轮增压器26，它们各自有压缩机部20和涡轮机部22。本领域众所周知，为了覆盖发动机运行需求的整个范围一受不同的高度和温度影响的发动机增压要求一往往要提供两个涡轮增压器。

连接在排气总管18和涡轮机部22之间的废气排气减压阀28可在打开位置30与关闭位置32之间移动，在打开位置30时发动机14排出的流体流自由地旁路绕过涡轮机22，而在关闭位置32时发动机14排出的流体流被限制而不可旁路绕过涡轮机22。废气排气减压阀28在打开位置以及位于打开位置30与关闭位置32之间的位置上将废气流体流旁路。因为废气排气减压阀无限可变，在打开位置与关闭位置之间的位置可确定出不同的旁路特性。应当注意到，在关闭位置32时废气排气减压阀28可能不是完全关闭的，部分的废气会旁路绕过涡轮机部22。类似地，在打开位置时，废气排气减压阀28可能不是完全敞开以使废气完全旁路的。可以把打开位置和关闭位置比作两个不同的节流面积，在它们之间的不同位置设有诸中间节流面积。

废气排气减压阀28在图中是有一个可线性移动的盘34及固定座36，然而，其它构型如蝶阀和舌形阀是等效的并且也在本发明范围内。废气排气减压阀28设置在以T型进入排气总管18与涡轮机部22之间的废气管40的旁路管道38中。旁路管道38与涡轮机部22平行地连接至排气总管18。由废气排气减压阀28旁路的废气被旁路管道导向设置于废气管40中的消声器42。

废气门传感器装置31可被用来确定废气排气减压阀28是否运行妥当。例如，废气门传感器装置31感测废气排气减压阀28的位置并经由连接在废气排气减压阀28与控制装置58之间的导线33送出一个响应信号。控制装置58可基于废气排气减压阀28的位置与一个将废气排气减压阀28定位的控制信号之间的比较来确定废气排气减压阀28是否运行妥当。

第一装置44感测发动机14的曲柄轴46的速度并经由导线48送出一个响应数字速度信号。第一装置44可包括任何合适的传感器，例如磁拾取器以及一个邻近的齿轮。该传感器连接在发动机上，齿轮安装在发动机曲柄轴46上。

第二装置50感测发动机的进气压力并经由导线52送出一个响应增压信号。该第二装置50可包括任何合适的市售压力传感器，该传感器连接于并设置在吸入总管16中。增压信号是模拟信号，且其大小对应于吸入总管处的进气压力。

第三装置54感测发动机的齿位并经由导线56送出一个响应齿位信号。对于本领域技术人员而言，术语“齿(rack)”用在带有电控燃油喷射器的内燃机上时是指示所选择的发动机供油量。这个所选择的燃油量是基于例如操作员输入。第三装置54可包括模拟型或数字型的操作员命令输入设备。例如，位置可以是基于操作员的杠杆或者踏板输入，其中的杠杆或者踏板被连接来操纵电位计或编码器。模拟或数字设备建立起车辆操作员所要求的发动机功率并命令控制装置58建立起发动机齿位。应当注意到，齿位信号可以直接从控制装置获得。这是等效的并且落在第三装置54的意义范围内。

第四装置60感测发动机环境的大气压力并经由导线62送出一个模拟型或者数字型的响应大气压力信号。第四装置60可包括任何合适的市售大气压力传感器。如本领域技术人员所知，大气压力随海拔高度变化并与之成比例。大气压力信号可转换成高度以便于处理。

第五装置61感测涡轮增压器12的速度并经由导线63送出一个响应涡轮增压器速度信号。第五装置61可包括连接于涡轮增压器12的一个或多个适用的速度传感器。或者，第五装置61可包括一个或多个虚拟传感器，基于由一个或多个物理传感器所感测的输入参数值生成一个涡轮增压器速度值。

包括多个任意适宜构造的燃油喷射器66(图中只给出了一个)在内的燃油喷射系统64分配燃油供给发动机14。燃油喷射系统64经由导线68连接于控制装置58并处于其电子控制之下。燃油喷射器66较佳地由对控制装置58所送出的信号作出响应的市售电-液阀70(图中只给出了一个)进行控制。喷射器基于来自控制装置58的控制信号向发动机输送燃油。

控制装置58经由导线48、52、56、60及63连接至第一、第二、第三、第四及第五感测装置44、50、54、60及61以用于接收所述发动机速度、增压、齿位、及大气压力或涡轮增压器速度信号。控制装置58包括处理器72、存储器74、用于在需要时对模拟信号进行转换的模数转换器76、以及用于驱动致动器装置80的驱动器78。控制装置58对这些控制信号做出响应以基于速度、增压、齿位、大气压力或涡轮增压器速度等信号来确定一个增压误差并送出一个响应控制信号。

致动装置80经由连接于控制器与致动装置80之间的导线82接收控制信号并响应性地将废气排气减压阀28移向打开位置和关闭位置之一并由此改变从涡轮增压器12送往发动机14的吸入总管16的增压量。

从图2最能看出控制废气排气减压阀28的逻辑的具体细节。处理器72通过例如基于发动机速度和齿位信号而从增压图150(或对照表)选择一个增压值来确定增压。

处理器72确定一个增压补偿，例如通过基于发动机速度和气压从增压补偿图152(或对照表)选择一个增压补偿值。应当意识到，处理器可将大气压力转换成海拔高度。在这种情况下，增压补偿图是以速度和高度为基础的。

处理器把增压补偿与增压值在方框154合并以获取目标增压值。将方框156中的增压误差确定为实际增压值与目标增压值之差(Boost_actual-Boost_target＝Boost_error)。方框158、即实际增压是由第二传感器50感测并送往处理器72的增压。下面将讨论与废气排气减压阀控制逻辑有关的其它信息。

如图3所示，曲线220所示的在1750rpm时的增压补偿值随海拔高度在约-5到65kpa之间变化。根据对曲线220的研究，并且如可以预计的，在5000到12500英尺之间的增压补偿变化是最大的。对于其它发动机速度存在着一系列的单独增压补偿曲线。从增压补偿图、对照表等为所感测的发动机速度和大气压力选择图2的方框152中的增压补偿值。

参照图7，其中非常详细地显示了一个三维增压图。可以方便地确定特定发动机速度和齿位的增压值。如方框150中所指示，为感测的发动机速度和齿位确定增压值，比如从增压图2、对照表等选择。该增压值随后用于目标增压的确定。

如图4所示，由曲线222表示的1750rpm时的目标增压值随高度在约275-350kpa之间变化。根据对曲线222的研究，并且如可以预计的，在5000到12500英尺之间的增压补偿变化是最大的。对于其它发动机速度存在着一系列的单独增压补偿曲线。基于分别在方框150和152中确定的增压和补偿增压从目标增压图、对照表等选择图2的方框154中的目标增压值。

如图5和6所示，涡轮增压器速度及发动机废气温度分别对高度作图。从图5可见，在发动机速度为1750rpm时，涡轮增压器速度曲线224在约7500英尺前随高度而增长。涡轮增压器速度增长在7500英尺以上受阻。类似地，从图6可见，在发动机速度为1750rpm时，废气温度曲线226在接近12500英尺前随高度而增长。可以明白，建立对涡轮增压器速度及发动机废气温度的限制是为了防止涡轮增压器和发动机的过早磨损和破坏。像前文所讨论的，有一系列的针对其它发动机速度的与曲线224、226有关的曲线。

应当指出，甚至在额外增压会提高功率的情况下，控制装置58也可通过防止涡轮增压器超越速度和温度极限而维护涡轮增压器的运行。

参照图1，致动器装置包括线性致动器84，其具有圆柱形管装壳体86、活塞87、以及连接在活塞87和废气排气减压阀28上的活塞杆88。活塞杆88可轴向滑动运动地连接至壳体86。壳体86有第一和第二端90、92。线性致动器84有隔膜94，该隔膜在所述第一端90和第二端92之间连接至活塞杆88和壳体86。隔膜94与壳体86和活塞杆88处于密封接合并且在壳体86中形成腔室96。第一端90中有一个预选直径的密封的开口98。活塞杆88具有预选直径并且延伸穿越开口98。活塞杆88的直径小于密封开口98的直径并在它们之间形成一个预定的余隙。该预定余隙形成一个腔室96与大气之间的受控泄气路径。设置弹簧100以将废气排气减压阀推向预定中间位置。该中间位置在图中是处于打开位置30与关闭位置32之间，然而，可选择其它位置、比如处于打开位置或关闭位置来提供在中间位置所需的运行特性。

致动器装置80包括一比例阀102。该比例阀102由第一管道106连接于高压流体流源104并由第二管道108连接于壳体86。第一管道106从流体源104向比例阀102输送高压流体流，而第二管道108从比例阀102向腔室96输送高压流体流。比例阀102较佳地是常规设计的螺线管操作的空气比例阀，并通过导线82连接于控制装置58。比例阀102通过导线82接收从控制装置58送出的控制信号，并响应性地调节从流体源104输送到壳体86的高压流体流。

高压流体流源104可以是一个独立的供气装置，例如空气压缩机110。或者向发动机14供应的进气可作为高压流体流源104。管道108或者把压缩机110连接至比例阀102或者把吸入总管16连接至比例阀102。

预定尺寸的固定通气口112连接于第二管道108并处于与第二管道108平行的流体流动关系。固定通气口112把比例阀102输送到第二管道108的高压流体流中的一部分放出去，并与比例阀102所通过的高压流体流相结合建立一个控制流速。

在第二管道108以及腔室96中的流体压力作用在活塞87和隔膜94上，使活塞杆88相对于壳体86移动。活塞杆88的这种移动使废气排气减压阀28在打开位置与关闭位置之间移动。作用在活塞87和隔膜94上的流体压力所引起的力与弹簧100的力之间的差确定活塞杆87的定位和废气排气减压阀28的位置。通气口80与比例阀102的组合使得废气排气减压阀28准确定位。控制装置58在经由导管82送出控制信号到比例阀102时在腔室96中建立控制压力，并由此确定废气排气减压阀位置。

如图2所示，所送出的控制信号与增压误差有关(方框156)。结果，所送出的控制信号被用来确定适当的比例阀信号(方框160)以用于控制比例阀102的致动。

接下来，第五装置61感测涡轮增压器速度并将其送往处理器72(方框162)。涡轮增压器速度与预定阈值相比较(方框164)。如前面所指出，涡轮增压器速度可以是低压涡轮增压器24或高压涡轮增压器26的速度。或者，涡轮增压器速度可以是对应于两个涡轮增压器24、26的速度的值。如果涡轮增压器速度低于预定阈值，则在方框160确定的比例阀信号被用来移动比例阀102一个量(方框166)，这个量要足以建立一个适于把活塞杆88移动到一个废气排气减压阀28可使适当量的废气流被旁路的位置的流体流速(方框170)。基本上恒定的高压流体供应装置104由比例阀102的调节以定位废气排气减压阀28(方框168)。

然而，如果在方框164处涡轮增压器速度大于或等于预定阈值，则控制装置58做出废气排气减压阀28是否运行妥当的判断(方框172)。例如，如果控制装置58判定涡轮增压器速度超过预定阈值，控制装置58可计算一误差值，该误差值为实际废气排气减压阀位置与期望废气排气减压阀位置之差，亦或在某一时间段内平均实际废气排气减压阀位置与平均期望废气排气减压阀位置之差。如果误差值超过预定误差阈值，则废气排气减压阀28运行不当。废气门传感器装置31可用来确定实际废气排气减压阀位置，而期望废气排气减压阀位置可基于用来定位废气排气减压阀28的控制信号来确定。

如果废气排气减压阀28运行妥当，则确定一个适当的比例阀信号(方框174)，即处于或低于方框164中用的预定阈值。比例阀信号被用来把比例阀102(方框176)移动一个足以建立适于把活塞杆88移动到适量的废气流被废气排气减压阀28旁路的位置的流体流速的量(方框180)。基本上恒定的高压流体供应装置104由比例阀102的调节以定位废气排气减压阀28(方框178)。然而，如果在方框172处废气排气减压阀28动作不当，则控制装置58运行以降低发动机14的功率，例如通过减少供给发动机14的燃油量。

在要求大增压增量的场合，被传送用来移动比例阀102的控制信号的大小比要求小的增压增量时的大。其结果是废气排气减压阀28的开阀时响应时间成比例。控制信号较佳地是其大小与比例阀102的期望位置成比例的模拟信号。

或者，如图8所示，处理器72可通过基于速度和涡轮增压器速度而不是结合图2所示的实施方式所描述的速度和气压从增压补偿图152(或对照表)选择增压补偿值来确定增压补偿。

工业应用性

控制系统10优化在不同海拔高度提供给发动机14的涡轮增压器增压量，而不会超越温度和涡轮增压器速度极限。

该控制系统利用大气压力(海拔高度)作为控制参数之一，在不同海拔高度上实现了发动机14性能的改善，并克服了升压过度或升压不足的相关问题。

在运行时，控制系统100通过感测发动机速度、增压、齿位、大气压力或涡轮增压器速度控制涡轮增压内燃机14吸入总管16在不同海拔高度的增压，并基于这些信号且根据预编程指令控制废气排气减压阀28。

控制装置58基于发动机速度、齿位、以及海拔高度或涡轮增压器速度、实际感测增压值与目标增压值之间的增压误差确定目标增压值，并响应于该增压误差而通过控制废气排气减压阀位置并使废气旁路来改变从涡轮增压器送往吸入总管的增压量。

在确定目标增压时，控制装置58从增压图选择增压值、从增压补偿图选择增压补偿值，把所选择的增压值与增压补偿值组合起来，并根据所选择的增压值和补偿增压值确定目标增压值。增压误差通过从感测的实际增压值减去目标增压值来确定。

如果增压误差是负值，从控制装置58送往比例阀102的控制信号会使比例阀102减少流往管道108的流体流，由此从腔室96排出流体并使废气排气减压阀28移动到关闭位置。如果增压误差是正值，从控制装置58送往比例阀102的控制信号会使比例阀102增加流往管道108的流体流，由此向腔室96增加流体并使泄气阀移动到打开位置。

在确定了增压误差和相关地确定了适当的比例阀信号后，对涡轮增压器速度进行核查。如果涡轮增压器速度低于预定阈值，送出比例阀信号来控制比例阀102。然而，如果涡轮增压器速度高于预定阈值，控制装置58确定废气排气减压阀28是否运行妥当。如果废气排气减压阀28预定妥当，则送出一个对应于阈值的新的比例阀信号来控制比例阀102。如果废气排气减压阀28运行不当，则发动机14降低功率。

通过控制装置58和致动器装置80对废气排气减压阀进行的上述控制得到的是发动机进气压力的准确的响应性控制，

其它方面、目的和优点在研究附图、说明书和权利要求书后即可得到。

Claims (7)

1.一种用于在各种不同海拔高度控制一内燃机的涡轮增压器进气压力的控制系统，所述发动机具有分别连接至一涡轮增压器的一压缩机部和一涡轮机部的一吸入总管和一排气总管，所述控制系统包括：

一废气排气减压阀，所述废气排气减压阀连接在所述废气总管和所述涡轮机部之间，所述废气排气减压阀可在一打开位置与一关闭位置之间运动，在打开位置发动机排出的流体流自由地旁路绕过涡轮机，而在关闭位置发动机排出的流体流被限制而不可旁路绕过涡轮机；

第一传感装置，该装置用于感测发动机的速度并送出一响应速度信号；

第二传感装置，该装置用于感测发动机的进气压力并送出一响应增压信号；

第三传感装置，该装置用于感测发动机齿位并送出一响应齿位信号；

第四传感装置，该装置用于感测大气压力并送出一响应大气压力信号；

第五传感装置，该装置用于感测涡轮增压器速度并送出一响应涡轮增压器速度信号；

控制装置，该装置连接于所述第一、第二、第三、第四及第五传感装置用于接收所述速度、增压、齿位、大气压力及涡轮增压器速度信号，并基于对应于所述速度、增压、齿位以及大气压力信号的实际增压值和目标增压值确定一增压误差并送出一响应控制信号；

所述控制装置包括一处理器，所述处理器基于速度、齿位及所感测的大气压力信号确定一目标增压值，所述处理器从一增压图选择一增压值、从一增压补偿图选择一增压补偿值，并将所述选择的增压值和增压补偿值组合起来以确定所述目标增压值，所述增压图值是发动机速度和齿位的函数，所述增压补偿值是发动机速度和大气压力的函数；

所述控制装置被配置成将所述涡轮增压器速度与一预定阈值相比较并基于所述比较确定所述控制信号；以及

致动器装置，该装置用于接收所述控制信号，响应性地使所述废气排气减压阀朝打开位置和关闭位置之一移动并移至一个在打开位置与关闭位置之间的位置。

2.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述增压误差系所述感测进气压力与目标进气压力之差。

3.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于：

所述控制装置被配置成确定所述废气排气减压阀是否运行妥当；以及

如果所述控制装置判定所述废气排气减压阀运行不妥当，则所述控制装置送出一个降低所述发动机功率的信号。

4.一种用于在各种不同海拔高度控制一内燃机涡轮增压器进气压力的控制系统，所述发动机具有分别连接至一涡轮增压器的一压缩机部和一涡轮机部的一吸入总管和一排气总管，所述控制系统包括：

废气排气减压阀，所述废气排气减压阀连接在所述废气总管和所述涡轮机部之间，所述废气排气减压阀可在一打开位置与一关闭位置之间运动，在打开位置发动机排出的流体流自由地旁路绕过涡轮机，而在关闭位置发动机排出的流体流被限制而不可旁路绕过涡轮机；

第一传感装置，该装置用于感测发动机的速度并送出一响应速度信号；

第二传感装置，该装置用于感测发动机的进气压力并送出一响应增压信号；

第三传感装置，该装置用于感测发动机齿位并送出一响应齿位信号；

第四传感装置，该装置用于感测涡轮增压器速度并送出一响应涡轮增压器速度信号；

控制装置，该装置连接于所述第一、第二、第三、及第四传感装置用于接收所述速度、增压、齿位、及涡轮增压器速度信号，并基于对应于所述速度、增压、齿位、及涡轮增压器速度信号的实际增压值与目标增压值确定一增压误差并送出一响应控制信号；

所述控制装置包括一处理器，所述处理器基于速度、齿位及所感测的涡轮增压器速度信号确定一目标增压值，所述处理器从一增压图选择一增压值、从一增压补偿图选择一增压补偿值，并将所述选择的增压值和增压补偿值组合起来以确定所述目标增压值，所述增压图值是发动机速度和齿位的函数，所述增压补偿值是发动机速度和涡轮增压器速度的函数；以及

致动器装置，用于接收所述控制信号，响应性地使废气排气减压阀朝打开位置和关闭位置之一移动并移至一个在打开位置与关闭位置之间的位置。

5.如权利要求4所述的控制系统，其特征在于，所述增压误差系所述感测进气压力与目标进气压力之差。

6.如权利要求4所述的控制系统，其特征在于，所述控制装置被配置成把所述涡轮增压器速度与一预定阈值相比较并基于所述比较确定所述控制信号。

7.如权利要求4所述的控制系统，其特征在于：

所述控制装置被配置成确定所述废气排气减压阀是否运行妥当；以及

如果所述控制装置判定所述废气排气减压阀运行不妥当，则所述控制装置送出一个降低所述发动机功率的信号。

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