CN101501313A - 离合式增压涡轮控制策略 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种控制内燃机增压系统的方法，所述类型的内燃机增压系统包括排气驱动的涡轮增压器(33)和机械驱动的增压器(15)。所述增压器(15)包括转子(21)和离合器(27)，该离合器能响应于肯定的输入(75)而在第一状态下工作以将转矩从机械驱动源(E)传递到增压器输入部(25)，并且能在第二状态下工作以中断从所述源(E)向所述输入部(25)的转矩传递。所述方法的特征在于：确定所述离合器(27)在所述第一状态下的可能工作；以及命令旁通阀(53)朝关闭位置移动，迫使空气流过所述增压器(15)。所述气流使所述增压器转子(21)旋转，从而使所述增压器的所述输入部(25)在所述离合器(27)在所述第一状态下工作之前旋转。

Description

离合式增压涡轮控制策略
技术领域
本发明涉及车辆发动机增压系统，更具体地涉及包括机械驱动的增压器(诸如罗茨式鼓风机(Roots type blower))和排气驱动的涡轮增压器类型的这种系统。这种类型的车辆发动机增压系统有时用术语“增压涡轮”简称。
背景技术
如车辆发动机增压领域的技术人员所公知，有两种主要类型的增压装置通常用于增大内燃机燃烧室内空气压力。第一种通常被称作“增压器(supercharger)”(尽管该术语有时一般地用于所有增压装置)，对于本说明书的目的，术语“增压器”将被理解成表示和包括机械驱动的增压(空气泵送)装置，也就是说，增压器以通常与发动机速度成比例的速度被驱动。第二种类型的增压装置是排气驱动的涡轮增压器(turbocharger)，即包括排气驱动的涡轮机的装置，该涡轮机又驱动泵(压缩机)。因此，涡轮增压器以大致与来自发动机排气歧管的排气流成比例的速度被驱动。
典型的机械驱动的增压器包括由本发明的受让人商业销售的容积式泵送装置，如罗茨式鼓风机。罗茨式鼓风机增压器通常离开发动机曲轴地由滑轮和带装置驱动。近年来，增压器领域内的技术人员越来越常见的是在发动机曲轴和罗茨式鼓风机的输入轴之间设置离合器以减小噪声、振动和声振粗糙度(NVH)并避免使增压器超速。
发动机增压器领域的技术人员还公知，罗茨式鼓风机典型地设有来自罗茨式鼓风机出口的“旁路”通道，允许空气流回到入口。在旁路通道内，通常设有某种类型的旁通阀，如蝶形平板阀，该阀可操作以在关闭状态(阻止回到入口的旁路流动)和打开状态(允许鼓风机出口空气自由流回入口)之间移动。如进一步所公知，使旁通阀处于打开状态有效地使罗茨式鼓风机“卸载”，允许一定量的空气从出口再循环返回至入口，从而减小流向进气歧管的空气的增压压力，以及由鼓风机消耗的发动机马力量，尽管仍比离合器分离时需要更多的输入马力。
在典型的包括增压器和涡轮增压器的“增压涡轮”增压系统中，系统将正常地配置有设在“上游”的增压器和设在“下游”的涡轮增压器，亦即按照从进气口经过节气门并进入燃烧室的空气流动方向。在这种增压涡轮系统中，当没有足够的排气流来驱动涡轮增压器时，增压主要由增压器在较低的发动机速度下提供。然后，随着发动机速度的增加(中等发动机速度)，并且由于有足够的排气流来驱动涡轮增压器，增压器和涡轮增压器一起向发动机提供增压。
随着本发明的受让人从事于增压涡轮系统的开发，已得出了一些观测结果。首先，在当合理时利用增压器实现增压和当合理时利用涡轮增压器实现增压(也就是使发动机需求与各种类型增压装置的能力相匹配)方面，增压涡轮系统的已知结构布置的一般功能性通常是可接受的。其次，已观察到：由于在增压器离合器接合时增压器的速度具有突然和大的变化(高的角加速度)，特别是在增压器可工作的负荷范围的较低端和速度范围的较高端，增压器的接合可能令人不快地不平稳。此外，当增压器离合器分离(例如，在高于约3,500rpm的发动机速度下或在需求负荷低到足以仅由涡轮增压器满足时低于3,500rpm的发动机速度下)，且然后发动机速度降低，此后需要再次使增压器工作时，增压器离合器的再接合(例如，增压器的输入固定，且离合器转速2500rpm)通常以突然的方式发生，这很可能导致离合器的耐久性随着时间的推移而降低，并引起不希望的NVH状况。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种控制包括机械驱动的增压器和排气驱动的涡轮增压器(增压涡轮)类型的内燃机增压系统的改进方法，该方法能克服现有技术中的上述缺点。
本发明的更具体的目的在于，提供一种控制内燃机增压涡轮增压系统的改进方法，该方法能充分减小在增压器离合器接合时增压器离合器和增压器的输入之间的速度差，从而减少离合器突然接合的不希望的结果。
本发明的进一步具体的目的在于，提供一种控制内燃机增压涡轮增压系统的改进方法，该方法能实现上述目的而不需要附加的复杂和昂贵的结构或复杂的控制方案。
本发明的另一相关的目的在于，提供这样一种控制内燃机增压涡轮增压系统的改进方法，其中车辆驾驶员或乘员不易感觉到增压器离合器的接合。
本发明的上述和其它目的通过提供这样一种控制内燃机增压系统的改进方法来实现，所述类型的内燃机增压系统包括排气驱动的涡轮增压器和与该涡轮增压器串联并位于其上游的机械驱动的增压器。所述增压器具有转子和离合器，该离合器能响应于肯定的(确定的，positive)输入信号而在第一状态下工作以将转矩从机械驱动源传递到所述增压器的输入部，并且能在第二状态下工作以中断从所述源向所述增压器输入部的转矩传递。所述增压器具有入口、出口和在所述入口和出口之间提供流体连通的旁路通道以及设置在该旁路通道中的旁通阀，该旁通阀能在允许经所述旁路通道流动的打开位置和阻止经所述旁路通道流动的关闭位置之间工作。
所述控制增压系统的改进方法的特征在于，感测所述输入信号以表明存在输入至所述离合器的肯定的输入信号，该肯定的输入信号表示所述离合器在所述第一状态下的可能工作。所述方法还包括命令所述旁通阀朝关闭位置移动、迫使空气从所述入口经所述增压器流过所述出口，然后经过涡轮增压器下游。流过所述增压器的空气使增压器转子旋转，从而使所述增压器的输入部在所述离合器在所述第一状态下工作之前旋转。
附图说明
图1是车辆内燃机的示意图，包括本发明所涉及类型的增压涡轮增压系统，图中示出为处于低速工作模式，而增压器离合器接合。
图2是与图1类似的局部放大示意图，但离合器分离且旁通阀打开。
图3是进行根据本发明的控制增压涡轮增压系统的改进方法的逻辑框图。
图4是以开度百分比(％)表示的旁通阀位置作为时间的函数的曲线图，示出了本发明的改进的控制方法的一个方面。
具体实施方式
现在参照附图(不限制本发明)，图1示出车辆内燃机，包括“增压涡轮”增压系统，该术语已被总体定义并将在下文中更详细地说明。所包括的是传统的车辆发动机，总体用E标示并在此用单个气缸-活塞的组合简化表示。将供给到发动机E的燃烧室中的增压空气经进气口11进入(见箭头)，然后流过空气滤清器13，继而经空气管17流至增压器(总体用15表示)，空气管17使进入空气流通至增压器的入口19。
增压器15通常还具有一组转子21，只要增压器接收机械驱动力至其输入部(大概示意性地表示为输入轴25)，所述转子便将一定量的进入空气从增压器15的入口输送至出口23。仅当用驱动滑轮的带27(通常为“微型V带”)示意性表示的离合器接合时，亦即图1所示的状态，才提供机械输入给增压器。本领域技术人员应当理解，在本发明的范围内离合器27可包括能用于从车辆发动机(典型但不必要地，从曲轴)向增压器15的输入轴25传递机械驱动力的任意类型的离合器(例如，可接合的摩擦盘、电磁式离合器等)。另外，如本领域技术人员还公知的那样，在离合器和输入轴25之间可设有某种类型的“升档”增速装置，其中这种增速装置的典型速比在约2:1至约4:1的范围内。
仍参照图1，增压器15的出口23借助于空气管29与涡轮增压器(总体用33表示)的泵送部分(压缩机)31连通。如本领域内所公知，涡轮增压器33还包括涡轮机部分35，该涡轮机部分机械地联接到并且可操作地驱动压缩机31。涡轮机部分35串联设置在排气管37中，该排气管响应于发动机排气提升阀39的操作而接收来自发动机E的排气。压缩机31具有与空气管41连通的出口，于是空气管41引导增压空气流过中间冷却器43，该中间冷却器的功能是公知的并且不在本发明的范围内，所以在此将不进一步说明。在中间冷却器43下游是空气管45，该空气管响应于发动机进气提升阀47的操作而将增压空气送至发动机E的燃烧室中。本发明不应限于图1所示的结构，并且可例如应用于空气在进入增压器15之前流经涡轮增压器33的“增压涡轮”增压系统结构。
在空气管45中设有发动机节气门49，在此该发动机节气门在图1中示出为处于其全开状态，应当理解，如在发动机领域内所公知，发动机节气门49可被控制在图1所示的全开位置和基本上阻止所有空气流过空气管45的全闭位置之间的任何位置。发动机节气门的各种类型、其构造细节及其控制方法通常在发动机领域内已公知并且在本发明的范围之外，在此将不作进一步说明，除了对于支持本发明的说明书所必要的限制范围。
在空气管17和增压器15的出口23之间(实际上，示出为与空气管29连通)设有旁路通道51。在该旁路通道51中设有旁通阀53。这种旁路通道51和旁通阀53的一般构造和功能从本发明的受让人商售的增压器是公知的。如在增压器领域内所公知，当增压器15工作以从入口19向出口23传送一定量的空气时，旁通阀53常闭。然而，当减小的增压水平足够时，旁通阀53能稍微从其关闭位置(如图1所示，其中没有空气能从出口流回到入口中)朝打开位置移动，在该打开位置增加量的空气从出口23流回到增压器入口19中。
旁通阀53朝打开更多的位置移动的一个结果是，空气管29中的空气的增压压力从旁通阀53完全关闭时的正常增压压力稍微减小。然而，用在增压涡轮增压系统中所需的旁通阀的一个不同之处在于，在此示出的旁通阀53的总空气流量(流动面积/区域)必须比应用在典型的基本增压器系统中的旁通阀大。当车辆发动机达到较高的发动机速度时，离合器27将分离，从而增压器15不被驱动，但同时涡轮增压器33由管37中的排气流驱动。在此工作模式期间，旁通阀53处于全开位置，并且必须足够大以便不会对从进气口11经空气管29流过压缩机31的空气产生任何不期望的流动限制。
排气管37与涡轮增压器33的涡轮机部分35的入口侧连通，涡轮机部分35还具有出口，排气从该出口借助于管55连通到排气口(见箭头)。在排气管37和管35之间连接有另一旁路管57，在该旁路管中设有旁通阀，该旁通阀通常在涡轮增压器的情况下被称为“废气门”59。废气门59可根据关于这类废气门的现有技术中的教导而制成和工作。
现在首先参照图1和2说明本发明的控制方法的工作。车辆发动机E一起动，旁通阀53就处于其全开位置(在图1中示出为关闭)，而废气门59全闭。图3示出执行用于控制图1所示的增压涡轮增压系统的改进方法的逻辑框图。控制逻辑一开始(“启动”)，离合器27就将处于图2的分离状态，不向输入轴25提供输入驱动转矩。
仍主要参照图3，控制逻辑首先转到决定块61，该决定块判定车辆发动机速度是否等于或大于预定速度，例如3500rpm。如果对决定块61的回答为“是”，则逻辑转到工作块63，在该工作块中系统命令旁通阀53移至其全开位置并分离离合器27(如果接合的话)。另一方面，如果对决定块61的回答为“否”，则逻辑转到决定块65。在决定块65中，控制逻辑判定离合器27是否接合。如果对决定块65的回答为“是”，则系统转到工作块67，在该工作块中系统调节旁通阀53(在“打开”和“关闭”位置之间移动该旁通阀)以实现“目标”增压，亦即适合于当时的发动机工作状况的增压量。然后控制逻辑转到决定块69，在该决定块中判定旁通阀53的关闭度是否小于预定的最小容许关闭度(例如约15％的关闭度)。如果对决定块69的回答为“是”(亦即旁通阀53过度打开并且增压器提供很小的增压或者不提供增压)，则控制逻辑转到工作块71，在该工作块中旁通阀53完全打开并且离合器27分离。如果对决定块69的回答为“否”，则系统又转到“启动”，由此在控制逻辑的开始处启动。
如果对决定块65的回答为“否”，则系统转到决定块73，在该决定块中控制逻辑判定离合器接合是否可能。如果对决定块73的回答为“否”，则系统转到工作块75，在该工作块中旁通阀53完全打开。
另一方面，如果对决定块73的回答为“是”，则系统转到工作块77，在该工作块中旁通阀53被命令移至其全闭位置。一旦旁通阀53完全关闭，则进入进气口11并流过空气滤清器13和空气管17的增压空气被强迫流过增压器15的入口19。上述气流从入口19经转子21流到出口23，从而使转子21旋转，转子21又使输入轴25旋转。现在，作为离合器输入27和输入轴25之间的速度差一定等于离合器输入的速度(因为输入轴的速度为零)的替换，使入口空气流驱动转子21以驱动输入轴25将大大减小速度差(例如通常减小30-50％)。特别地，使转子21旋转的能量由之前的节流损失获得，这全面改善了系统效率。
在工作块77之后，控制逻辑转到决定块79，该决定块判定在当时的发动机状况下离合器是否需要接合。如果对决定块79的回答为“否”，则系统又转到“启动”，由此在控制逻辑的开始处启动。如果对决定块79的回答为“是”，则系统转到工作块81，在该工作块中向离合器27的控制器发送命令，命令其从图2所示的分离状态变为图1所示的接合状态。在输入轴25以比离合器输入27的速度低但非常接近的速度被驱动的情况下，非常有利于离合器27的接合，并且离合器27的接合以对于车辆驾驶员近乎透明的方式发生。换言之，本发明的方法将离合器突然接合的不利效应减到最小，从而提高了离合器的总体耐久性并减少了NVH问题。
在工作块81之后，控制逻辑转到工作块83，在该工作块中系统命令旁通动作发生，随后将对其说明。现在参照图4，在图表上出现的附图标记与在图3的逻辑框图中所示的方框相对应。因此，在图表中所示的时段的开始附近，示出了由于在工作块77中发送了使旁通阀53完全关闭的命令，所以旁通阀53近乎或完全关闭(近乎或完全0％打开)，从而开始使转子21旋转。在时刻“A”，发送命令使离合器接合(工作块81)。然后，随着转子21旋转加快，向旁通阀53传送命令，以开始逐渐(部分地)打开旁通阀53，以使在离合器接合期间的增压负荷最小。在时刻“B”，离合器零打滑的情况发生，其中离合器27已完全从分离转变到接合。对于较快的响应系统，旁通阀53可在零打滑(时刻“B”)之前部分地打开，如图4所示，而对于较慢的响应系统，旁通阀53的打开可直到零打滑之后才开始。最积极的(aggressive)响应(以及增压器15的最有效的利用)将在旁通阀53尽可能保持关闭而不过度增压时发生。
为了维持更恒定的歧管压力，旁通阀53可随着涡轮增压器33朝图4所示的稳态工作状况转变而进一步打开。其中，旁通阀53打开的速率将取决于增压器15和涡轮增压器33的尺寸以及进气管的容积。此外，对于很多情况，在系统接近稳态状况后将不需要增压器15，并且增压器15将分离(达到在图3的决定块69中所示的预定的最小容许旁通关闭度)。
在前述说明书中已经很详细地说明了本发明，本领域技术人员通过阅读和理解本说明书能显而易见地得到本发明的各种变型和修改。所有这些变型和修改都包括在本发明中，只要它们处在所附权利要求的范围内。

Claims (8)

1.一种控制内燃机增压系统的方法，所述类型的内燃机增压系统包括排气驱动的涡轮增压器(33)和与所述涡轮增压器串联的机械驱动的增压器(15)；所述增压器(15)具有转子(21)和离合器(27)，所述离合器能响应于肯定的输入(81)而在第一状态(图1)下工作以将转矩从机械驱动源(E)传递到所述增压器(15)的输入部(25)，并且能在第二状态(图2)下工作以中断从所述源(E)向所述增压器(15)的所述输入部(25)的转矩传递；所述增压器具有入口(19)、出口(23)和在所述入口(19)与所述出口(23)之间提供流体连通的旁路通道(51)以及设置在所述旁路通道(51)中的旁通阀(53)，该旁通阀能在允许经所述旁路通道(51)流动的打开位置(图2)和阻止经所述旁路通道(51)流动的关闭位置(图1)之间工作，所述方法的特征在于：
(a)确定所述离合器在所述第一状态(图1)下的可能工作；以及
(b)命令所述旁通阀(53)朝所述关闭位置(图1)移动，迫使空气从所述入口(19)经所述增压器(15)流过所述出口(23)；所述空气流动使所述增压器转子(21)旋转，从而使所述增压器的所述输入部(25)在所述离合器(27)在所述第一状态(图1)下工作之前旋转。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定步骤包括感测所述输入(图3)以表明存在输入至所述离合器(27)的肯定的输入信号，所述肯定的输入信号表示所述离合器在所述第一状态下的可能工作。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述命令步骤之后判定所述离合器(27)是否需要接合，并且如果需要接合则使所述离合器(27)接合。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，打开所述旁通阀(53)，以在离合器接合之前、之中或之后将系统增压负荷减到最小。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在离合器完全接合之前逐渐打开所述旁通阀(53)。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在离合器完全接合之后打开所述旁通阀(53)。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，保持所述旁通阀(53)尽可能关闭而不使所述系统过度增压。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述离合器(27)完全接合并且所述涡轮增压器(33)朝稳态工作状况转变之后进一步打开所述旁通阀(53)。
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