CN101171409A - 用于内燃机的增压控制 - Google Patents

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Abstract

根据本发明，在发动机的静态工作期间，压缩机的转速特性曲线通过利用预涡旋装置沿压缩机的旋转方向在发动机入口处增加涡旋而发生偏移，使得压缩机的静态工作点几乎达到压缩机的吸收极限。由此，增压压力水平可以控制到用于各自发动机工作点的所需的数值上。在突然提高发动机负载时，可以通过预涡旋栅的复位来提高增压压力，而不产生耗时的转子加速过程。预涡旋装置因此可以同时进行增压压力控制和发动机负载控制。

Description

用于内燃机的增压控制
技术领域
本发明涉及到增压内燃机的领域。其涉及一种用于内燃机增压的控制系统以及一种操作增压内燃机的方法。
技术背景
工作在很宽的转速范围和负载范围的增压内燃机，一般需要至少两个控制系统：一个主控制和一个辅助控制，其中主控制通过燃料供给控制发动机功率，而辅助控制用于对每个工作点产生增压系统所需的增压压力。
尽管对于柴油发动机，对空气量和燃料量的控制可以在很宽的范围内不受限制的实现，但是对于汽油发动机来说，该空气燃料比率的变化范围非常窄。因此，通过对恒定的空气-燃料混合比的单独的用量控制来实现发动机功率控制是很有现实意义的。
最严格的要求是对于小型汽油发动机，因为它(例如)安装在个人车辆(PKW)上。这里一般提供有涡轮机侧的过压阀门(所谓的“旁通阀(wastegate)控制”)的第一控制，通过它增压压力在例如从2000到6000转/分的发动机转速范围内几乎保持恒定；以及利用节气门的第二控制，其把增压压力降低到当前发动机工作点所需的水平。同时节气门产生储量(Reserve)以用于加速。只要涡轮增压机提供最大的增压压力并且节气门把它相应地节流(drosseln)，就可以通过打开节气门而释放被降低了的增压压力，并实现瞬间的功率上升。但是，当发动机功率很小、以至于尽管过压阀门(旁通阀)关闭而废气涡轮增压器的涡轮机也不能获得足够的能量以提供最大的增压压力的时候，会出现已知的涡轮迟滞的问题。这种情况下必须在可以从发动机得到所需的扭矩之前对涡轮增压器转子进行加速。这对较低的发动机转速范围(例如1000-2000转/分之间)来说特别重要。
过去尝试了各种可能的方法，通过在废气涡轮增压器的压缩机入口处在空气流中产生额外的涡旋(Drall)来提高涡轮增压器转速，以解决涡轮迟滞的难题。
对于大型汽油发动机(例如用来发电或运转超大型固定机器的)，其转速范围远小于PKW-发动机的转速范围。发动机效率在其中起着非常重要的作用。上述的、以及所有其它能想到的压力控制方式都会产生损耗，因此它们一般在大型发动机中应用得非常窄。对此，用于少数一些工作点的增压系统设计成增压压力不受控制，且仅仅稍高于用于各工作点的所必需的数值。然后增压压力可以通过废气旁通阀、空气旁通阀以及压缩机内的混合再循环或可变的涡轮机几何结构或相似系统来控制。然而，增压压力控制不可以被看作功率控制。换句话说，如果没有增压压力储量，即使只有很小的负载变化，发动机反应将非常慢，因为由调节控制部件而导致的涡轮增压器工作点的改变永远与由系统的惰性所导致的或长或短的延迟有关。如果负载跳跃度变大，则发动机越可能发生强烈的刹车，甚至可能完全卡住并关闭。
大多数情况下，即使大型发动机也设置有节气门，其目的在于，保证精准快速的功率控制而同时产生的压力储量最小。如上所述，发动机的承载能力随着通过节气门所增加的压力损失而上升，然而代价却是发动机效率的降低。用来克服节气门压力损失的能量从废气能量中获得，也就是说涡轮增压器涡轮机必须设计成用于较大的功率，并且这可以再次提高用于发动机气缸的反压力。
在文献EP0196967A中，介绍了一种用于内燃机的压缩机的预涡旋装置的控制方法。其中预涡旋装置的叶片位置根据已知的与物质流量的函数关系曲线而控制。该控制与发动机的功率控制无关。因此压缩机特性曲线族可以被改变，而偏移的静态工作点也可以被改善。发动机的功率控制仅仅由节气门来实现。例如对于发动机的加速，节气门打开而空气流量上升。然后涡旋才渐渐减少。良好加速所必需的压力储量(其在快速打开节气门时是可利用的)，在存在预涡旋的情况下小于不存在预涡旋的情况下。
发明概要
本发明所基于的目的在于，提供一种用于内燃机的控制方法，其改善了发动机的承载能力而并不导致静态工作中效率损耗的上升。
该目的通过根据独立权利要求的一种控制系统和一种控制方法来实现。
根据本发明，在内燃机的静态工作中，压缩机的转速特性曲线通过使用预涡旋装置在压缩机入口处沿压缩机的旋转方向增加涡旋而偏移，使得压缩机的静态工作点几乎达到压缩机的吸收极限。由此，增压压水平力可以直接且没有额外节流地被控制在用于各发动机工作点所必需的数值上。因此，可以对于发动机负载的瞬间提高，增压压力的提高可以通过预涡旋栅(Vordrallgitter)的复位来实现而没有耗时的转子加速过程。
因此，预涡旋装置同时进行增压压力控制和发动机负载控制。
由此，发动机的承载能力最少和如使用强力节流的发动机一样优良。因为取消了节流，在静态工作时该发动机效率与没有节流的发动机一样良好。
如果负载消失，压缩机的抽吸可以通过快速提高预涡旋来阻止。
因此，在常规工作中，节气门对于根据本发明的预涡旋装置来说变得多余，因为预涡旋控制也接管了发动机的功率控制。最大涡旋可以产生在发动机的每个工作点，以使对于各静态负载点来说，压缩机转速都可以达到各自的最大可能数值。
一旦发动机要求更大的功率(例如当个人车辆的驾驶者踩下油门时)，节气门并不打开，而是打开预涡旋装置的引导叶片。由此压缩机的入口处的涡旋立即减少而压缩机由于大幅提高了的转速而立即提供与传统的使用节气门来控制的发动机相比明显较大的压力。
附图简介
下面将根据附图更详细地解释本发明。其中，
图1是通过带有可调节的预涡旋装置的废气涡轮增压器的压缩机输入端的截面图，
图2是使用节气门的增压压力控制的曲线图，
图3是在压缩机输入端使用涡旋的增压压力控制和功率控制的曲线图，以及
图4是图3所示控制的涡轮增压器转速关于发动机功率的函数的第二曲线图。
发明的实施例
图1显示了通过废气涡轮增压器的发动机输入端的截面图。压缩机轮粗略地显示在右侧。其包括轮毂11和固定在轮毂上的运转叶片12。在压缩机的入口区域内，设置了预涡旋装置，其包括多个引导叶片21。在当前实施例中，引导叶片设置在涡轮增压器轴的径向方向上，并且可以围绕轴线旋转。根据引导叶片的对齐程度，可以引起空气流较强或较弱的偏转，以造成空气流或多或少的涡旋。如果具有和压缩机轮一样的旋转方向，该涡旋可以降低压缩机驱动功率并因此在涡轮机功率恒定的情况下提高转子的转速。
在静态工作期间，使用节流的内燃机会把废气涡轮增压器所完成的工作部分地由节流而抵消。利用节气门而降低的压力可以用作储量，并且可以在内燃机的负载提高时立刻激活。由此防止用于提高负载的额外所需的空气在压缩机的转速提高后才生效。如图2所示，通过节流，从压缩机的工作点Bv降低了ΔP这么多的压力——其正好满足内燃机的空气需求。在该曲线上，它对应于内燃机的工作点B1M。如果现在所提到的负载上升过程中不使用节流，压缩机将会迅速到达工作点B2M，V，而内燃机马上还需要至少一部分额外的空气量。相应的功率上升的势能在曲线图中用箭头POT所标示。因此节流保证了突然的负载变化，但代价却是静态工作时的损耗。
根据本发明的控制就不一样了。在静态状态下，使用预涡旋装置会产生沿压缩机旋转方向的涡旋。该涡旋在压缩机轮的入口处一方面导致了压缩机转速的额外提高。而另一方面该涡旋还导致了，(根据图3的特性曲线族图表)带预涡旋的压缩机转速特性曲线(曲线nv2)与没有涡旋的压缩机转速特性曲线(曲线nv1)相比，发生了向左的偏移：其中产生了这样大小的涡旋，即，使得压缩机的工作点与内燃机的工作点重合于B1M，V。其中该工作点接近压缩机的吸收极限。这至少在内燃机的静态工作范围内最大可能的实现了不使用节流，且相应的没有节流损耗。仅仅在较低的负载范围内，尤其在发动机空转时，可以补充使用节流以给根据本发明的设备带来其它优点。
当发动机负载突然提高时，现在可以在根据本发明的控制系统中把预涡旋装置的引导叶片复位，以使所产生的预涡旋减少或完全消失。在压缩机的入口处，不再存在的涡旋使得特性曲线族图表中的转速特性曲线又回到其初始的位置(曲线nv1)。压缩机的转速不改变时，内燃机在工作点B2M，V处仍然需要额外的空气。同样，如同对于使用节流的发动机，使用根据本发明的控制可以提高增压压力而没有耗时的转子加速。然而使用预涡旋装置的根据本发明的控制，在内燃机的静态工作中在负载提高之前不产生功率损耗。
利用了根据本发明的控制系统的提高负载的过程在图4再次根据转速曲线图来表示。曲线nv1表示所必需的最小压缩机转速，其用于产生与发动机功率(PM)相关的增压压力。通过产生预涡旋，压缩机的转速在静态工作中提高(曲线nv2上箭头(1)所指)。从该工作点B1出发，在提高负载时(箭头2)，涡旋减少。在不是必须提高压缩机转速的情况下，内燃机可利用额外的空气以用于功率的增加。
在较低的负载范围内，尤其是发动机空转时，发动机入口阀门前的压力一般必须降低到远小于环境压力。如果这由使用预涡旋装置来实现，整个压缩机级都会处于低压中。在传统的涡轮增压机中，这可能导致润滑油从储藏室中被吸入到压缩机的空气室中。这可以通过良好的密封来防止。可选地，还可以利用节气门来确保压缩机出口处的压力不低于一定的边界值。如果节气门前的压力低于边界值，会导致节气门很容易地闭合，并保持在该边界值。由此，发动机功率下降。发动机控制器会检测到这种情况，并通过自动打开预涡旋栅来向节气门再次调节到正确的压力水平。可以应用环境压力作为边界值，或者优选地应用更容易获得的低压，这取决于油的密封性。使用这种额外的控制可以产生例如图4中的转速函数曲线Reg1。
在最高的负载范围内，使用所推荐的控制可能导致过高的涡轮增压器转速。当发动机的额定功率很高，以致于因此而超出所允许的涡轮增压器转速时，在与前述情况类似的情况中，必须使用节气门，以把涡轮增压器转速保持在最大值。使用这种额外的控制可以产生例如图4中的转速函数曲线Reg2。
参考标号列表
11压缩机轮，轮毂
12压缩机轮，运转叶片
21涡旋装置，可转动的引导叶片
BM发动机工作点
Bv压缩机工作点
B1负载提高之前的工作点
B2负载提高之后的工作点
M内燃机的空气需求
nv压缩机的转速或转速特性曲线
nv1压缩机的转速或转速特性曲线，没有涡旋
nv2压缩机的转速或转速特性曲线，带有涡旋
Figure S2006800149787D00071
压缩机的压力比
Figure S2006800149787D00072
吸收空气量
ΔP节流
PM内燃机功率
POT用于提高功率的势能
Reg1低压控制
Reg2过高转速控制

Claims (5)

1.一种用于控制增压内燃机的控制系统，其中所述控制系统包括用来控制内燃机功率的功率控制和用来控制废气涡轮增压器的增压压力的增压压力控制，其特征在于，
所述内燃机的所述功率控制和用来控制所述废气涡轮增压器的增压压力的所述增压压力控制由单一控制系统执行，并且
所述控制系统在压缩机输入端通过预涡旋来控制所述内燃机的功率和所述废气涡轮增压器的增压压力。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，除了发动机空转时以及除了在接近空转的功率范围内，所述控制系统在所述内燃机整个功率范围内控制功率和增压压力。
3.根据权利要求2所述的控制系统，其特征在于，所述系统包括节气门，并且在最小值的范围内利用节气门控制所述增压压力。
4.根据权利要求2或3所述的控制系统，其特征在于，所述系统包括节气门，并且在最大值的范围内利用节气门控制所述废气涡轮增压器的转速。
5.一种用于操作增压内燃机的方法，其特征在于，在静态工作中通过增加输入到废气涡轮增压器的压缩机中的空气的涡旋，使所述压缩机的静态工作点落在吸收极限的范围内，并且在提高所述内燃机的负载时，通过减小涡旋而没有延迟地提高增压压力。
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