CN101307717B - 涡轮增压器轴超速补偿 - Google Patents

Abstract

本发明涉及涡轮增压器轴超速补偿，提供一种控制发动机操作的方法，该发动机具有经涡轮增压器轴连接在发动机的进气歧管和排气歧管之间的涡轮增压器，该方法包括使用通过涡轮增压器的转矩平衡至少基于进气歧管和排气歧管工况动态确定涡轮增压器轴速度；及响应于所述动态确定的涡轮增压器轴速度调节涡轮增压器增压以调节涡轮增压器轴速度。

Description

涡轮增压器轴超速补偿

技术领域

本发明总体上涉及一种操作发动机的方法及系统。该发动机具有经涡轮增压器轴连接在发动机的进气歧管和排气歧管之间的涡轮增压器。 

背景技术

机动车辆的发动机可以使用涡轮增压器以实现在操作中的各种优点，如提高转矩、燃料经济性等。然而，涡轮增压器具有受限制的操作区域。 

已经使用各种方法用于涡轮增压器增压控制和超过的涡轮增压器轴速度的限制。在美国专利6,539,714号中描述了一个示例。在该示例中，根据压缩机压力比、温度信号及发动机转速信号的函数确定涡轮增压器转速的评估。 

本发明人在此认识到这种方法的几个问题，特别是关于可以用于在高负载和高转速上操作的高性能涡轮增压器。此外，基于先前方法使用评估，通常在瞬态动态工况期间产生较大评估值，从而导致涡轮增压器操作的更保守的设定以减少瞬态超速操作。换言之，由于瞬态超速操作的问题，系统通常限制增压水平在实际以下。例如，关于以上所示的示例方法，因为仅考虑进气工况或因为没有动态补偿，会产生瞬态误差。 

发明内容

因此，为解决上述问题的至少一些，可以使用用于涡轮增压器超速轴保护的动态补偿。在一个具体的示例中，操作可以包括进气流动态和排气流动态，以及涡轮增压器动态。以此方式，在动态涡轮增压器操作期间更精确的、动态的超速补偿可以用来更精确地限制发动机和/或增压操作以限制轴速度。 

如另一个示例，基于动态观测器可以确定涡轮增压器轴速度的精确的评估，该动态观测器使用涡轮增压器转矩平衡作为动态项及涡轮增压器稳态图表作为静态项，从而包括进气侧动态和排气侧动态两者及涡轮轴速度动态。 

根据本发明的一个方面，提供一种用于控制发动机操作的方法，所述发动机具有经涡轮增压器轴连接在所述发动机的进气歧管和排气歧管之间的涡轮增压器。所述方法包括：使用通过所述涡轮增压器的转矩平衡至少基于进气歧管和排气歧管工况以及涡轮增压器轴的惯量来动态确定涡轮增压器轴速度；及响应于所述动态确定的涡轮增压器轴速度调节涡轮增压器增压以调节涡轮增压器轴速度。 

根据本发明的另一个方面，提供一种用于控制发动机操作的方法，所述发动机具 有经涡轮增压器轴连接在所述发动机的进气歧管和排气歧管之间的涡轮增压器。所述方法包括：使用通过所述涡轮增压器的转矩平衡基于进气流及排气流和涡轮增压器惯量以及涡轮增压器轴的惯量来动态评估涡轮增压器轴速度，所述动态评估包括基于稳态涡轮增压器图表数据的反馈，所述反馈包括积分项；使用稳态图表数据基于在稳态涡轮操作中的变化调节所述积分项；及响应于所述动态评估的涡轮增压器轴速度调节涡轮增压器增压以限制涡轮增压器轴速度。 

附图说明

图1示出装备有排气再循环系统和可变几何涡轮增压器的柴油发动机系统的简化的示意图。 

图2是用于控制发动机和涡轮增压器操作的流程图。 

图3是使用评估的轴速度调节涡轮增压器的叶片的位置的流程图。 

图4是描述涡轮转速如何随时间的改变而改变的预测示例的图表。 

具体实施方式

图1示出装备有排气再循环(EGR)系统12和可变几何涡轮增压器(VGT)14的柴油发动机系统10的简化的示意图。涡轮增压器例如可以是设计为在较高速度和较高负载上操作持续的时间或在持续的温度上操作的高性能涡轮增压器。虽然该示例示出可变几何涡轮增压器，但是还可以使用如图1所示的具有在围绕涡轮侧的旁道92中的可调节的废气门(wastegate)90的涡轮增压器。此外，还可以围绕压缩机侧提供旁道94，具有可调节阀96位于其中。 

若需要，虽然可以使用更多或更少个汽缸，但是如图所示的示例发动机汽缸体16具有四个燃烧室18。燃烧室18的每个包括直接喷射燃料喷射器20。燃料喷射器20的占空比可以由发动机控制单元(ECU)24确定且沿着信号线22传输。例如，可以使用共轨直接喷射系统。 

空气通过进气歧管26进入燃烧室18，燃烧气体通过排气歧管28在箭头30的方向上排出。 

在所述实施例中，进气门和排气门(未示出)可以经信号线93通过固定凸轮或通过可变凸轮正时(VCT)91驱动。在一些示例中，可以使用可变气门升程(VVT)、凸轮廓线变换(CPS)、及其他的气门控制系统以调节进气门和/或排气门的一个或多个的操作。或者，可以使用电动气门执行器(EVA)以分别控制进气门和排气门的操作。每个气门可以配置有气门位置传感器(未示出)用来确定气门的位置。 

为减少NOx排放的水平，发动机可以配备有EGR系统12。EGR系统12可以包括将排气歧管28连接到进气歧管26的导管32。这允许排气的一部分可以在箭头31的方向上从排气歧管28循环到进气歧管26。EGR阀34调节从排气歧管28再循环的排气的量。阀34可以是节流板、枢轴孔(pintle-orifice)、滑阀、或任何其他类型的可变阀。 

在燃烧室中，再循环排气作为惰性气体，从而降低火焰及汽缸内的气体温度并减少NOx的形成。另一方面，再循环排气替换新鲜空气并通过减少过量氧气减少汽缸内混合气的空燃比。 

涡轮增压器14使用排气能量以增加输送到发动机燃烧室18的空气进气的质量。在箭头30的方向上流动的排气驱动涡轮增压器14。相比较于自然进气的，没有涡轮增压的发动机，该较大量的空气和较大量的燃料燃烧产生更大转矩和动力。 

涡轮增压器14包括由公共的涡轮增压器轴40连接的压缩机36和涡轮38。排气30驱动涡轮38，涡轮38驱动压缩机36，压缩机36进而压缩环境空气42并引导环境空气42(箭头43)进入进气歧管26中。在发动机操作期间通过改变在涡轮叶片上引导排气30的涡轮流动面积和角度，可以根据各种操作参数，包括发动机转速的函数修改VGT 14。这可以通过改变在涡轮38上的入口导向叶片44的角度完成。发动机导向叶片44的操作位置可以通过ECU 24从在各种发动机转速和负载上的期望的发动机操作特征确定，或者如本文关于图2-图4的进一步的详细描述。 

后处理装置74可以设置在涡轮38的下游。后处理装置74可以包括用于从发动机10减少排放的任何合适类型的装置。示例包括，但不限于三元催化转化器、NOx捕集器、氧化催化剂、微粒过滤器、选择性催化还原催化剂等。在一个示例中，后处理装置是柴油微粒过滤器。ECU 24可以配置为周期性地升高微粒过滤器的温度以使过滤器再生。 

发动机系统的一个或多个，如EGR系统12和VGT 14、节气门84及燃料喷射器20可以由包括ECU的控制系统控制。例如，来自ECU 24的信号46调节EGR阀位置，信号48调节VGT导向叶片44的位置。 

在ECU 24中，到EGR系统12和VGT 14执行器的指令信号46、48、以及其他的指令信号可以从测量的变量和发动机操作参数计算。传感器和可校准的查找表可以用来向ECU 24提供发动机操作信息。例如，歧管绝对压力(MAP)传感器50向ECU 24提供信号52指示在EGR入口的下游的进气歧管26中的压力，压力传感器96提供信号98指示在进气歧管中的EGR入口的上游的压力。同样，排气歧管压力(EXMP)传感器54向ECU 24提供EXMP信号56指示在EGR出口的上游的排气歧管28中的压力。此外，空气进气温度传感器58向ECU 24提供信号60指示空气进气42的温度。质量流量(MAF)传感器64还向ECU 24提供信号66指示在进气系统中的空气流量。 

此外，排气氧传感器72提供的排气氧浓度可以指示空燃比。附加的检测的输入可以由ECU沿着信号线62接收，如发动机冷却剂温度、发动机转速、及节气门位置。此外，ECU 24如图所示接收来自传感器(未示出)的加速器踏板位置及来自传感器(未示出)的制动踏板位置的信号。 

排气氧传感器72如图所示在后处理装置74的上游。排气氧传感器72可以是提供排气空燃比的指示的许多已知的传感器中的任何传感器，如线性氧传感器、双态氧传感器、碳氢化合物(HC)传感器或一氧化碳(CO)传感器。在该具体的示例中，传感器72是向控制器24提供信号EGO的双态氧传感器，控制器24将信号EGO转变成双态信号EGOs。 

控制器24可以用多种方式确定后处理装置74的温度。例如，可以从发动机操作推断温度。在替代的实施例中，可以从温度传感器81确定温度。 

应理解图1仅示出一个示例的多汽缸发动机，且发动机的每个汽缸具有其各自的一组进气门/排气门、燃料喷射器等。 

应进一步理解所述的柴油发动机10如图所示仅作为一个示例，本文所述的系统和方法可以实施在或应用到具有各种构件和/或构件的设置的其他合适的发动机。 

在一个实施例中，使用涡轮增压器轴速度的评估控制发动机操作。如本文所述，涡轮增压器的瞬态转速的精确控制可以用来有利于具有高性能涡轮增压器操作的系统，以及用于涡轮增压器保护控制策略。以此方式，可以控制涡轮增压器操作保持在制造商的限制内，该限制可以由相关的流程图定义。虽然查找表的使用对限制操作是有用的，但是通常用来测量在发动机进气系统中的涡轮增压器产生的压力的压力传感器提供涡轮增压器瞬态性能的精确的指示过于间接和较慢。另一方面，由于涡轮增压器周围的不利环境和较难的密封条件，涡轮增压器轴速度的测量虽然直接，但较难。因此，即使用做直接速度测量的附加或用做基于查找表的控制的补充，使用涡轮增压器轴速度的更精确的评估可以是有利的。 

涡轮增压器轴速度的精确的确定或评估可以基于动态观测器，从而消除传感器的需要，或补充传感器信息。在一个示例中，观测器可以基于涡轮增压器转矩平衡(作为动态项)和一个或多个涡轮增压器图表(作为静态项)。这种方法可以包括进气侧及排气侧和涡轮轴速度。作为一个示例，观测器反馈增益(gain)可以使用扩展型卡尔曼(kalman)滤波器确定。这种观测器可以提供具有减少的瞬态延迟的涡轮增压器轴速度的评估，同时还提供在稳态中的图表数据的精确匹配。 

在一些例子中，通过包括在稳态上的积分项以补偿模型误差可以进一步改进精确性。例如，这种方法可以用于补偿涡轮和压缩机转矩计算中的复杂性。 

下文描述了关于图2-图4的示例观测器的进一步细节。 

现参考图2，描述了用于控制发动机和涡轮增压器操作的例程。在210，例程读取各种工况，工况可以包括大气压力(patm)、歧管压力、排气歧管压力(pexh)、排气温度、进气温度、发动机转速、节气门位置、及其他工况。接下来在212，例程确定是否启用涡轮增压器操作。若否，则例程继续到220将涡轮增压器叶片位置和/或旁道和/或废气门设置到缺省位置，该缺省位置可以是在最小的增压操作位置。否则例程继续到214。 

在214，基于工况，例程确定期望的涡轮增压器操作参数。例如，基于期望的发动机转矩、发动机转速、和/或发动机负载，例程可以确定期望的增压水平、期望的叶片位置、期望的旁道量、期望的废气门位置、期望的节气门位置、期望的气流和/或其他。在一个具体的示例中，例程可以确定期望的节气门位置和叶片位置以提供通过涡轮的期望的压力比。在另一个具体的示例中，例程可以确定期望的节气门位置和叶片位置以向汽缸提供期望的气流。 

在216，例程基于评估的涡轮增压器性能(例如基于评估的涡轮增压器轴速度)调节来自214的一个或多个确定的操作参数以减少瞬态和/或稳态轴超速操作。然后在218，通过从控制系统发送合适的控制信号到执行器实施调节的参数。此外，例程可以调节其他的发动机操作参数以抵消速度限制操作造成的任何转矩减少。例如，由于超速操作在调节期间燃料喷射量和/或正时可以临时增加。 

在一个实施例中，若评估的轴速度超过限制值，如图3描述使用评估的轴速度调节叶片位置以减少增压，其中限制值可以随着工况如温度的改变而改变。例如，例程可以调节叶片位置以减少轴速度。在另一个示例中，例程可以临时增加废气门开启以减少瞬态轴超速工况。在又一个示例中，例程可以临时增加围绕压缩机的旁道以减少瞬态轴超速工况。在又一个示例中，例程可以临时减少进气气流(例如通过关闭进气歧管节气门和/或通过调节可变汽缸气门正时和/或升程系统的气门操作)以减少轴速度。此外，可以使用调节的结合，如以上所述的那些操作。 

现参考图3，描述了至少基于进气歧管和排气歧管工况使用通过涡轮增压器的转矩平衡动态确定涡轮增压器轴速度的例程。如上所述，可以连同附加的积分反馈项一起使用基于通过涡轮增压器的转矩平衡的观测器。 

具体地，在310，例程通过查找表和涡轮增压器图表信息确定评估的稳态轴速度。在一个示例中，基于当前工况下的压缩机中的质量空气流量(例如MAF)和压缩机的压力比的函数(例如制造商压缩机表)可以确定稳态速度( 

)。例如可以使用以下方程： 

$\widetilde{\mathrm{\ω}}=f(\mathrm{pr}\_\mathrm{comp},\mathrm{maf}\_\mathrm{red})$

接下来，在312，例程确定相比较于先前的值在确定的稳态速度中的变化是否大于阈值量。若是，则例程继续到314固定(freeze)在观测器中的积分器。特别是，当处于稳态时积分项可以增加向上和/或向下。然而在稳态中主要使用积分项，通过312在瞬态工况期间积分项可以关闭和减少。否则如下文所示，例程继续到314询问所观察的以更新动态轴速度评估。在一个具体的示例中，观测器可以使用下面的能量守恒定律导出涡轮增压器轴速度： 

$J_{\mathrm{tc}}\·\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}=M_t-M_c$

$M_c=\frac{{\stackrel{\·}{m}}_c}{\mathrm{\ω}\·{\mathrm{\η}}_{c,\mathrm{is}}}\·c_{\mathrm{pi}}\·T_{\mathrm{in}}\·[{\mathrm{\Π}}_c^{\frac{k_i-1}{k_i}}-1]$

$M_t=\frac{1}{\mathrm{\ω}}{\stackrel{\·}{m}}_t\·c_{\mathrm{pe}}\·{\mathrm{\η}}_{t,\mathrm{is}}\·T_{\mathrm{em}}\·[1-{\mathrm{\Π}}_t^{\frac{1-k_e}{k_e}}]$

其中 

ω为涡轮增压器轴速度 

J_tc为涡轮增压器轴的惯量 

T_in为压缩机入口空气温度 

T_em为涡轮入口气体温度 

为压缩机空气质量流率 

为涡轮气体质量流率 

C_pa为空气的比热 

C_pe为排气的比热 

η_c，is为压缩机的绝热效率 

η_t，is为涡轮的绝热效率 

∏_c为压缩机的压力比 

∏_t为涡轮的压力比 

然后观测器可以设计为： 

$\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{J_{\mathrm{tc}}}(M_t-M_c)+K_p(\widetilde{\mathrm{\ω}}-\mathrm{\ω})+K_i\∫(\widetilde{\mathrm{\ω}}-\mathrm{\ω})\mathrm{dt}$

在离散时域中的涡轮增压器轴速度的计算式： 

${\mathrm{\ω}}^{n+1}={\mathrm{\ω}}^n+(M_t^n-M_c^n)\·\frac{\mathrm{\Δt}}{J_{\mathrm{tc}}}+K_p\·\mathrm{\Δt}\·({\mathrm{\ω}}^n-{\widetilde{\mathrm{\ω}}}^n)+K_i\·\mathrm{\Δt}\·\left[x^n\right]$

其中 

${\widetilde{\mathrm{\ω}}}^n=\mathrm{look}\_\mathrm{up}(\mathrm{pr}\_\mathrm{comp},\mathrm{maf}\_\mathrm{red})$

$x^n=x^{n-1}+\left({\widetilde{\mathrm{\ω}}}^{n-1}{-\mathrm{\ω}}^{n-1}\right)\·\mathrm{\Δt}$

此外，Δt是在观测器计算式的修正之间的时间增量。以此方式，可以评估瞬态涡轮增压器轴速度，且当该动态评估超过一定值时，可以采取行动临时限制速度，如开启叶片位置或旁通阀。这可以改进涡轮增压器在海拔高度上的超速补偿，从而使涡轮增压器在海平面和海拔高度上的操作更主动(aggressive)。此外，通过减少瞬态超速工况这可以加强涡轮增压器的寿命。此外，因为闭环观测器设计和稳态稳定性这可以导致对于建模误差更好的稳健性。 

现参考图4，如图所示使用上述观测器的示例数据。具体地，图4示出模拟的实际轴速度(实线，spd_mes)、观测器评估(长虚线，spd_est_obs)以及稳态速度值(短虚线，spd_est_lkp)的预先模拟。在该示例中，观测器使用测量的质量流量、压力 和温度。数据示出涡轮增压器轴速度的密切跟踪和进气歧管压力相位延迟的抑制。此外，还突出不由静态涡轮性能图表跟随的瞬态行为的补偿。 

除了监测和减少涡轮增压器轴超速工况之外，评估还可以用于基于模型的诊断，如监测叶片位置、废气门工况等。 

注意，本文中包括的示例控制和估值例程可用于各种发动机和/或车辆系统配置。本文所述的具体例程可以表示任何数量的处理策略中的一种或多种，如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等。因此，所示的各种步骤、操作或功能可以按所示的顺序执行、并行执行，或在一些情况下略去。类似地，处理的顺序不是实现本文中所述的示例实施例的特征和优点所必需，而是为便于演示和说明而提供。取决于所使用的具体策略，可以重复执行所示步骤和功能中的一个或多个。此外，所述步骤可以在图形上表示编程到发动机控制系统中的计算机可读存储媒体中的代码。 

应理解，在本文中公开的配置和例程本质上是示例性的，且这些具体实施例不应被视为具有限制意义，因为大量的变体是可能的。例如，上述技术可以应用于V-6、I-4、I-6、V-12，对置4，及其他发动机类型。本发明的主题包括在本文中公开的各种系统和配置，及其他特征、功能，和/或属性的所有新颖和非显而易见的组合及子组合。 

本发明的权利要求特别指出视为新颖和非显而易见的特定组合及子组合。这些权利要求可能引用“一个”元素或“第一”元素或其等价。这样的权利要求应被理解为包括对一个或一个以上这样的元素的结合，而不是要求或排除两个或两个以上这样的元素。所公开的特征、功能、元素和/或属性的其他组合及子组合可以通过本发明权利要求的修改或通过在本申请或相关申请中提出新的权利要求来请求保护。这样的权利要求，无论是在范围上比原始权利要求更宽、更窄、等价或不同，都应被视为包括在本发明的主题之内。 

Claims (18)

1.一种用于控制发动机操作的方法，所述发动机具有经涡轮增压器轴连接在所述发动机的进气歧管和排气歧管之间的涡轮增压器，所述方法包括：

使用通过所述涡轮增压器的转矩平衡至少基于进气歧管和排气歧管工况以及涡轮增压器轴的惯量来动态确定涡轮增压器轴速度；及

响应于所述动态确定的涡轮增压器轴速度调节涡轮增压器增压以调节涡轮增压器轴速度。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，即使在瞬态涡轮增压器工况期间，所述调节限制涡轮增压器轴速度在阈值以下。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述调节包括调节涡轮增压器废气门。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述调节包括调节可变几何涡轮增压器的叶片位置。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括附加使用基于稳态涡轮增压器图表的反馈动态确定涡轮增压器轴速度。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述反馈包括积分。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，基于涡轮增压器操作调节所述积分。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述动态确定是基于涡轮增压器轴的惯量、压缩机气流、涡轮气流、及温度。

9.一种用于控制发动机操作的方法，所述发动机具有经涡轮增压器轴连接在所述发动机的进气歧管和排气歧管之间的涡轮增压器，所述方法包括：

使用通过所述涡轮增压器的转矩平衡基于进气流及排气流和涡轮增压器惯量动态评估涡轮增压器轴速度，所述动态评估包括基于稳态涡轮增压器图表数据的反馈，所述反馈包括积分项；

使用稳态图表数据基于在稳态涡轮操作中的变化调节所述积分项；及

响应于所述动态评估的涡轮增压器轴速度调节涡轮增压器增压以限制涡轮增压器轴速度。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，即使在瞬态涡轮增压器工况期间，响应于所述动态评估的涡轮增压器轴速度的所述调节限制涡轮增压器轴速度在阈值以下。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，响应于所述动态评估的涡轮增压器轴速度的所述调节包括调节涡轮增压器废气门。

12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，响应于所述动态评估的涡轮增压器轴速度的所述调节包括调节可变几何涡轮增压器的叶片位置。

13.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述动态评估基于涡轮增压器惯量、压缩机气流、涡轮气流、及温度。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述发动机为柴油发动机。

15.一种系统包括：

柴油发动机；

可变几何涡轮增压器，所述可变几何涡轮增压器具有连接在所述柴油发动机的进气和排气之间的涡轮增压器轴；

控制器，所述控制器用于使用通过所述涡轮增压器的转矩平衡至少基于进气歧管和排气歧管工况以及涡轮增压器轴的惯量来动态确定涡轮增压器轴速度，及响应于所述动态确定的涡轮增压器轴速度经叶片位置调节涡轮增压器增压以限制涡轮增压器轴速度，所述控制器考虑海拔高度对于动态和稳态涡轮增压器操作的影响。

16.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述控制器确定歧管压力、排气压力、及大气压力以动态确定涡轮增压器轴速度。

17.如权利要求16所述的系统，其特征在于，所述控制器还使用积分作用以减少稳态误差。

18.如权利要求17所述的系统，其特征在于，所述控制器还在所述限制轴速度期间调节发动机操作以减少发动机输出转矩影响。

Images