CN101718220B - 控制和/或调节排气涡轮增压器增压压力的方法和内燃机 - Google Patents

控制和/或调节排气涡轮增压器增压压力的方法和内燃机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及控制和/或调节排气涡轮增压器增压压力的方法和内燃机。在对内燃机(1)的排气涡轮增压器(2)的增压压力进行控制和/或调节的方法中，所述排气涡轮增压器(2)具有涡轮(3)、由涡轮驱动的为内燃机(1)提供压缩流体的压缩机(4)以及用于调节涡轮进气压力(p3)的压力调节装置(9)。本发明提出，将涡轮进气压力(p3)调节到一特定的涡轮进气压力(p3，opt)，使得内燃机(1)具有最大的平均指示压力(pmi)和/或最大的平均有效压力(peff)，利用一空气模型计算所述特定的涡轮进气压力(p3，opt)。本发明还涉及一种具有排气涡轮增压器(2)的内燃机(1)。

Description

控制和/或调节排气涡轮增压器增压压力的方法和内燃机
技术领域
本发明涉及一种用于对内燃机排气涡轮增压器的增压压力进行控制和/或调节的方法，所述排气涡轮增压器包括：一涡轮；一被该涡轮驱动、给内燃机提供压缩流体的压缩机；以及一用于调节涡轮进气压力的压力调节装置。本发明还涉及一种具有排气涡轮增压器的内燃机。
背景技术
在带有例如利用排气涡轮增压器以增压方式运行的内燃机的机动车中，在加速时、特别是在从较低的转速以满负荷加速时，会严重地偏离希望的增压压力，原因是瞬时的实际增压压力是与先前的较低转速相协调的，而用于加速的希望增压压力却(在某些情况下明显)较大。这时通过相应地调节用于调节涡轮进气压力的压力调节装置，尽量调节或控制增压压力，尽可能快地使实际增压压力与希望增压压力相同。例如可以关闭排气涡轮增压器的可变涡轮几何结构的导向叶片，从而使涡轮以及被该涡轮驱动的压缩机加速，使实际增压压力升高。由对压力调节装置的调节引起涡轮进气压力的急剧升高，内燃机的平均换气压力也随之升高。但由于涡轮和压缩机的惯性的作用，同时仅提供相对而言提高得不多的进气道压力来提高气缸中的空气量。亦即进气道压力升高得比涡轮进气压力慢。由于涡轮进气压力基本上等于内燃机后面的压力，因此内燃机在排出排气时必须克服该涡轮进气压力。由于在加速时涡轮进气压力迅速升高而进气道压力却较慢地升高，所以内燃机的效率降低。因此，与机动车驾驶员的意愿相反，不能在最大加速后在内燃机的曲轴上提供内燃机的最大转矩。
DE 195 31 871 C1公开了一种在利用具有可调涡轮导向器的排气涡轮增压器进行增压的内燃机中对增压压力进行调节的方法。其中按照一预定的与工作点相关的增压压力值对增压压力进行调节。为此目的而求出一由涡轮进气压力和进气道压力计算出的差压。这些压力通过传感器测量，然后将测量值提供给控制单元。此外还将内燃机转速以及瞬时喷射量的测量值提供给控制单元。这种方法的缺点在于：必须提供多个作为测量值的值，因此传感器的数量比较大。也没有考虑到例如气缸内的残余气体量，也就是排气过程后留在气缸内的气体量。
发明内容
因此本发明的目的在于，改进用于对开头所述类型的内燃机的排气涡轮增压器的涡轮进气压力进行控制和/或调节的方法，使得最少量的传感器便够用，但仍使内燃机具有高效率。
根据本发明所述目的这样实现：将涡轮进气压力调节到一特定的涡轮进气压力，从而使内燃机具有最大的平均指示压力和/或最大的平均有效压力；其中所述特定的涡轮进气压力借助于一空气模型(Luftmodell)来计算。平均压力是用于评估内燃机效率和换气情况的计算参量。平均指示压力相当于在做功冲程期间内燃机气缸内存在的压力的平均值。平均有效压力由内燃机做的功和气缸排量得出。平均指示压力或平均有效压力越高，则内燃机的效率越高。利用压力调节装置这样调节涡轮进气压力，使得——即使在内燃机加速期间——也存在尽可能高的平均指示压力和/或尽可能高的平均有效压力。所述特定的涡轮进气压力则相当于最优涡轮进气压力，在该最优涡轮进气压力下内燃机的效率高于在内燃机加速期间骤然增大涡轮进气压力的情况。也可以通过局部最大值、即相应的瞬时时刻已知的最大值来描述最大平均指示压力和/或最大平均有效压力。利用空气模型对所述特定的涡轮进气压力进行计算。空气模型可以计算内燃机和/或涡轮增压器的进气侧和/或排气侧的、尤其是在各希望的时刻的质量流量、压力和/或温度。因此不必为空气模型设置用于检测涡轮进气压力或进气道压力的压力传感器。但如果设有这种传感器，则可以将其用来改善或验证计算值。作为空气模型的输入参量可包括以下参量中的至少一个：内燃机转速、喷射量和驾驶员期望的转矩。亦即利用基于模型的控制和/或调节，对涡轮进气压力的升高进行限制或者说调节和/或控制，使得内燃机始终实现尽可能大的转矩。
本发明的一种扩展方案提出，朝向所述特定的涡轮进气压力(p3，opt)以连续的和/或步进的历程调节所述涡轮进气压力(p3)。在确定所述特定的涡轮进气压力后，优选以一平缓的、即无阶跃的历程将当前的涡轮进气压力调节到所述特定的涡轮进气压力。涡轮进气压力不应当出现突然变化。否则涡轮增压器将承受不必要的机械负荷。或者也可以给出一种步进式的历程，使得涡轮进气压力以多个步长达到所述特定的涡轮进气压力，所述步长比(当前)涡轮进气压力与所述特定的涡轮进气压力之差小。
本发明的一种扩展方案提出，利用所述空气模型确定所述内燃机的至少一个气缸内的残余气体量和/或所述气缸内的输入新鲜空气量。因此，为空气模型扩充了一残余气体模型，从而使空气模型除能确定上述各参量之外，还能确定气缸内实际的残余气体量。这样便能确定或优化在新鲜气体进入时的气缸扫气效率。作为替代或补充方案，也可以例如根据残余气体量确定和/或计算进气结束时气缸内的新鲜空气量或气缸内的空气总量(mLuZ)。如果不使用这种残余气体模型，则无法考虑较高的涡轮进气压力对残余气体、进而对气缸填充情况的影响，在确定气缸内的新鲜空气量或总量(mLuZ)时的误差可能会比较大。这是因为较高的涡轮进气压力会造成残余气体的分量较高，使得能够流入气缸中的新鲜空气较少。所以应根据残余气体量确定气缸内的总量(mLuZ)。
本发明的一种扩展方案提出，确定在气缸进气结束时的残余气体量和/或新鲜空气量。进气结束是指气缸进气门关闭、从而不能再有新鲜空气进入气缸中的时刻。在进气结束后即压缩气缸容积，并使喷入气缸内的燃料燃烧。为了计算对应于最大平均指示压力和/或最大平均有效压力的所述特定的涡轮进气压力，必须已知气缸内所含的新鲜空气量或总量(mLuZ)，以便能够通过匹配涡轮进气压力的方式来优化扫气过程。为此目的也可以确定留在气缸内的全部残余气体量。残余气体量在这种情况下表示由上一个冲程留在气缸内的气体量。
本发明的一种扩展方案提出，在确定进气结束时气缸内的空气总量(mLuZ)时考虑留在残余气体中的空气。在内燃机稀燃运行时，气缸内所含的空气多于燃料完全燃烧所需的空气。这意味着，燃烧之后在残余气体内仍含有并未直接参与燃烧过程的空气。为了能够尽可能精确地确定总量(mLuZ)、进而优化所述特定的涡轮进气压力(亦即达到较高的最大平均指示压力和/或较高的最大平均有效压力)，在确定总量(mLuZ)时考虑留在残余气体中的空气份额。这例如可以用模型来确定，因为引入气缸的新鲜空气量以及喷射燃料量基本上是已知的(或者通过测量、或者同样通过模型来考虑)。
本发明的一种扩展方案提出，根据总量(mLuZ)和喷射燃料量来确定一平均高压压力。该平均高压压力是在高压冲程——即压缩与做功冲程——中的平均压力。根据从空气模型或者从空气模型和残余气体模型得知的总量(mLuZ)以及例如可测量和/或基于模型确定的喷射燃料量，来求得平均高压压力。该平均高压压力是确定平均指示压力和平均有效压力所需的参量。
本发明的一种扩展方案提出，由一特性曲线来确定平均高压压力。所述特性曲线例如存储在内燃机的控制/调节单元中。事先在试验台上确定带有转速和总量(mLuZ)轴的两种内燃机特性曲线，利用这些特性曲线可以在一给定的总量(mLuZ)下的最大可能燃料量与所得出的平均高压压力之间建立经验关系。在一定的内燃机转速下对一给定的总量(mLuZ)的最大可喷射燃料量，对于汽油发动机通过爆震极限得出，对于柴油机则通过最大允许炭烟(量)得出。
本发明的一种扩展方案提出，使用一换气模型计算平均换气压力。平均换气压力指的是在换气冲程——即进气和排气冲程——期间的平均压力。
本发明的一种扩展方案提出，换气模型至少使用涡轮进气压力、进气道压力以及内燃机转速作为输入参量。例如可以使用形式为
pLW＝A·(P3-PSR)+B
的最简单的模型来确定平均换气压力。以关于内燃机转速的特性曲线的形式保存系数A和B。如上所述，至少通过模型来确定涡轮进气压力和进气道压力。如果设有用于采集这些参量的传感器，当然也可以使用测量值来改进平均换气压力的结果。
本发明的一种扩展方案提出，至少由平均换气压力和平均高压压力来确定一瞬时的平均指示压力和/或一瞬时的平均有效压力。如果存在平均换气压力和平均高压压力参量，则可以确定平均指示压力和平均有效压力。这样就可以通过瞬时的平均有效压力和/或瞬时的平均指示压力来评估内燃机的瞬时效率。
本发明的一种扩展方案提出，除了瞬时的平均指示压力和/或瞬时的平均有效压力之外，还计算在更高和/或更低涡轮进气压力下的虚拟的平均指示压力和/或虚拟的平均有效压力。与瞬时的平均压力并行地计算虚拟的平均压力，所述虚拟的平均压力是在假设涡轮进气压力高于或者低于瞬时涡轮进气压力时得出的。可以以距瞬时涡轮进气压力的绝对距离，或者也可以以参照瞬时涡轮进气压力的相对距离，选择更高或者更低的涡轮进气压力。该相对距离可以被设定为不变的百分比，或者设定为关于涡轮进气压力的特性曲线的形式。在后一种情况(将相对距离设定为特性曲线的形式)下，可以存储变化的相对距离。为计算虚拟的平均指示压力和/或平均有效压力，在假设存在更高和/或更低涡轮进气压力的情况下确定中间参量，即通常的平均高压压力——尤其由具有转速和总量(mLuZ)轴的按经验求得的特性曲线确定——和/或平均换气压力。这样除了瞬时的平均指示压力和/或瞬时的平均有效压力之外，也得知能够与所述的瞬时平均压力进行比较的虚拟的平均指示压力和/或虚拟的平均有效压力。这样便得到：是(当前)平均指示压力和/或平均有效压力已经最大，还是它们能够在更高和/或更低的涡轮进气压力下达到更高值。
本发明的一种扩展方案提出，当相应的虚拟的平均指示压力或平均有效压力高于瞬时的平均指示压力或平均有效压力时，使所述特定的涡轮进气压力等于该更高或更低的涡轮进气压力。并行地对瞬时的平均压力和虚拟的平均压力(分别为指示值和/或有效值)进行分析，如果虚拟的平均压力较大，则使特定的涡轮进气压力等于该更高或更低的涡轮进气压力。这样便能够提高平均有效压力和/或平均指示压力。
如果多次执行上述方法，则平均指示压力或平均有效压力接近可能的最大平均指示压力或平均有效压力。这一点可以与连续或步进地使涡轮进气压力匹配于特定的涡轮进气压力相组合，使得不会出现平均指示压力或平均有效压力的阶跃。总而言之，利用压力调节装置调节涡轮进气压力以使涡轮进气压力接近一最优涡轮进气压力，从而形成最大平均指示压力和/或平均有效压力。这意味着：内燃机在任何时刻都提供最大的可能转矩。为了加速计算或者说节约计算时间，有利地根据上一次计算结果，仅以更高和/或更低的涡轮进气压力进行接下来的计算。
本发明的一种扩展方案提出，在确定瞬时的或者虚拟的平均指示压力和/或平均有效压力时，排气涡轮增压器——尤其是转动部分/转子——的摩擦损失与油温相关。转动部分由排气涡轮增压器的旋转零件构成，也就是涡轮的涡轮叶轮、压缩机的压缩机叶轮以及与二者相连的轴。转动部分的动态特性与油温的关系密切。因此有利的是：给空气模型扩展一考虑排气涡轮增压器、尤其是转动部分的摩擦损失的附加模块。在计算中将摩擦损失假设为油温的函数。排气涡轮增压器的摩擦损失使达到一确定的状态——例如排气涡轮增压器的转速——所需的时间增大，因此在摩擦损失较高时进气道压力的升高明显慢于在摩擦损失较低的情况。在计算特定的涡轮进气压力时，可以根据油温引入这种附加的延时。例如，当摩擦损失较高时通过控制和/或调节而使特定的涡轮进气压力的升高慢于(在加速情况下)摩擦损失较低的情况。
本发明的一种扩展方案提出，在确定瞬时的和/或虚拟的平均有效压力时考虑内燃机的平均摩擦压力。为了获得内燃机的最大转矩，有利地还考虑内燃机的摩擦随平均高压压力的变化。由于有效转矩(也就是平均有效压力)不仅由平均指示压力确定，而且与平均摩擦压力相关，所以较有利的是将这些参量纳入优化中。
本发明的一种扩展方案提出，利用一特性曲线来确定所述平均摩擦压力，在该特性曲线中至少标出内燃机的转速和平均高压压力。即设有一种特性曲线，在该特征曲线中保存有与内燃机转速和平均高压压力相关的平均摩擦压力。该特性曲线例如可保存在控制/调节单元中。借助于该特性曲线可确定所述特定的涡轮进气压力以形成最大有效转矩或最大平均有效压力。所述平均有效压力等于平均指示压力减去平均摩擦压力。因此平均摩擦压力相当于内燃机中的摩擦引起的压力损失。
本发明的一种扩展方案提出，设有用于针对不同的冷却剂温度确定平均摩擦压力的特性曲线。冷却剂温度对平均摩擦压力的影响特别大。因此优选在确定平均摩擦压力时考虑冷却剂温度。因此存在针对不同的冷却剂温度来确定平均摩擦压力的特性曲线。
本发明的一种扩展方案提出，使用排气旁通阀和/或可变涡轮几何结构作为所述压力调节装置。排气旁通阀是一种调节装置，借助该调节装置能通过使流体或排气绕过排气涡轮增压器或排放到周围环境中而在排气涡轮增压器前降低流体压力。较有利地也可以使用可变涡轮几何结构，这种可变涡轮几何结构通常允许对导向叶片进行调节，该导向叶片设置在排气涡轮增压器中并将排气引导到涡轮叶轮上。
本发明还涉及一种内燃机，具有尤其用于实施根据上述实施形式的方法的排气涡轮增压器和一用于对所述排气涡轮增压器进行控制和/或调节的控制/调节单元，所述排气涡轮增压器具有一涡轮、一被所述涡轮驱动的为所述内燃机提供压缩流体的压缩机以及一能被所述控制/调节单元调节的、用于调节涡轮进气压力的压力调节装置。本发明提出，利用所述压力调节装置将涡轮进气压力调节到一特定的涡轮进气压力，使得内燃机存在一最大平均指示压力和/或一最大平均有效压力，所述特定的涡轮进气压力由所述控制/调节单元借助于一空气模型来计算。当然可以根据上述实施形式对内燃机进行改进。除控制和/或调节排气涡轮增压器外，控制/调节单元还可以实现其它目的，例如控制和/或调节内燃机。
附图说明
下面将根据附图所示的实施例对本发明进行详细解释，但本发明并非仅限于此。相关附图如下：
图1示出具有排气涡轮增压器的内燃机的示意图，以及
图2示出一曲线图，其中示出随涡轮进气压力变化的平均指示压力、平均换气压力以及进气道压力。
具体实施方式
图1示出具有一排气涡轮增压器2的内燃机1的示意图。排气涡轮增压器2具有通过轴5有效连接的涡轮3和压缩机4。涡轮3通过轴5驱动压缩机4。涡轮3通过至少一个排气道6与内燃机1的气缸7的排气门(图中并未绘出)相连。而压缩机4则通过至少一个进气道8与气缸7的同样未绘出的进气门相连。在排气道6上、亦即在涡轮3与气缸7的排气门之间设有一设计成排气旁通阀10的压力调节装置9。也可以使涡轮3具有可变涡轮几何结构来取代排气旁通阀10。在内燃机1的进气侧11，空气可沿着箭头12进入压缩机4并在该压缩机中被压缩。压缩空气通过进气道8进入内燃机的气缸7。在该气缸中进行燃烧后，排气通过排气道6进入涡轮3，并驱动该涡轮。通过轴5将所产生的动力传递给压缩机4，使压缩机能对流入的空气进行压缩。在涡轮3后排气沿着箭头13排放到周围环境中，或被输送给排气后处理系统。
图2示出一曲线图，其中示出随涡轮进气压力p3变化的平均指示压力pmi、平均换气压力pLW以及进气道压力pSR。进气道压力存在于进气道8中，涡轮进气压力存在于内燃机1的排气道6中。所有压力的单位均为“巴(bar)”。该曲线图示出在内燃机1加速过程中的压力曲线。也就是说，压力曲线与加速度和其它环境变量有关。显而易见，在一特定的涡轮进气压力p3处平均指示压力存在一最大值14。将该涡轮进气压力表示为p3，opt。由于平均指示压力是用于(衡量)内燃机1的效率的指标，因此有利的是始终将涡轮进气压力p3选择成，使得内燃机1能够以最大平均指示压力pmi(参见最大值14)工作。与平均指示压力类似，也可以使用平均有效压力peff，该平均有效压力peff根据关系式peff＝pmi-pr得出，其中pr表示内燃机1的平均摩擦压力。
附图标记清单
1     内燃机
2     排气涡轮增压器
3     涡轮
4     压缩机
5     轴
6     排气道
7     气缸
8     进气道
9     压力调节装置
10    排气旁通阀
11    进气侧
12    箭头
13    箭头
14    最大值
pmi   平均指示压力
pLW   平均换气压力
pSR   进气道压力
p3    涡轮进气压力
peff  平均有效压力

Claims (16)

1.一种用于对内燃机(1)的排气涡轮增压器(2)的涡轮进气压力进行控制和/或调节的方法，其中所述排气涡轮增压器(2)具有一涡轮(3)、一被所述涡轮驱动的为所述内燃机(1)提供压缩流体的压缩机(4)以及一用于调节涡轮进气压力(p3)的压力调节装置(9)，其特征在于，将涡轮进气压力(p3)调节到一特定的涡轮进气压力(p3，opt)，使得内燃机(1)具有最大的平均指示压力(pmi)和/或最大的平均有效压力(peff)；其中所述特定的涡轮进气压力(p3，opt)借助于一空气模型来计算，利用所述空气模型确定所述内燃机(1)的至少一个气缸(7)内的残余气体量和/或所述气缸(7)内输入的新鲜空气量，以便优化在新鲜气体进入时的气缸扫气效率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以连续的或步进的历程将所述涡轮进气压力(p3)调节到所述特定的涡轮进气压力(p3，opt)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定在所述气缸(7)的进气结束时的残余气体量和/或新鲜空气量。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在确定进气结束时气缸内的空气总量(mLuZ)时考虑留在残余气体中的空气。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述总量(mLuZ)和喷射燃料量来确定一平均高压压力，该平均高压压力是在压缩与做功冲程中的平均压力。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据特性曲线确定所述平均高压压力。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，使用一换气模型计算平均换气压力(pLW)，其中所述换气模型至少使用涡轮进气压力(p3)、进气道压力(pSR)以及内燃机转速作为输入参量，并且由pLW＝A·(p3-pSR)+B来确定平均换气压力(pLW)，其中关于内燃机(1)转速的特性曲线的形式保存系数A和B。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，使用一换气模型计算平均换气压力(pLW)，其中所述换气模型至少使用涡轮进气压力(p3)、进气道压力(pSR)以及内燃机转速作为输入参量，并且由pLW＝A·(p3-pSR)+B来确定平均换气压力(pLW)，其中关于内燃机(1)转速的特性曲线的形式保存系数A和B；至少由平均换气压力(pLW)和平均高压压力来确定一瞬时的平均指示压力(pmi)或一瞬时的平均有效压力(peff)。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，除所述瞬时的平均指示压力(pmi)和/或所述瞬时的平均有效压力(peff)外，还计算在假设涡轮进气压力高于或者低于瞬时涡轮进气压力时得出的虚拟的平均指示压力和/或虚拟的平均有效压力。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，当虚拟的平均指示压力高于瞬时的平均指示压力或虚拟的平均有效压力高于瞬时的平均有效压力时，使所述特定的涡轮进气压力(p3，opt)等于该更高或者更低的涡轮进气压力(p3)。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在确定瞬时的和/或虚拟的平均指示压力和/或平均有效压力时，排气涡轮增压器(2)的摩擦损失与油温相关。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在确定瞬时的和/或虚拟的平均有效压力时考虑内燃机的平均摩擦压力，所述平均摩擦压力相当于内燃机(1)中的摩擦引起的压力损失。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，利用一特性曲线来确定所述平均摩擦压力，在该特性曲线中至少标出内燃机(1)的转速和平均高压压力，该平均高压压力是在压缩与做功冲程中的平均压力。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，设有用于针对不同的冷却剂温度来确定平均摩擦压力的特性曲线。
15.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，使用排气旁通阀(10)和/或可变涡轮几何结构作为所述压力调节装置(9)。
16.一种内燃机(1)，具有用于实施根据上述权利要求中任一项所述方法的排气涡轮增压器(2)和一用于对所述排气涡轮增压器(2)进行控制和/或调节的控制/调节单元，所述排气涡轮增压器(2)具有一涡轮(3)、一被所述涡轮驱动的为所述内燃机(1)提供压缩流体的压缩机(4)以及一能被所述控制/调节单元调节的、用于调节涡轮进气压力(p3)的压力调节装置(9)，其特征在于，利用所述压力调节装置(9)将涡轮进气压力(p3)调节到一特定的涡轮进气压力(p3，opt)，使得内燃机(1)具有一最大平均指示压力(pmi)和/或一最大平均有效压力(peff)，所述特定的涡轮进气压力(p3，opt)由所述控制/调节单元借助于一空气模型来计算，利用所述空气模型确定所述内燃机(1)的至少一个气缸(7)内的残余气体量和/或所述气缸(7)内输入的新鲜空气量，以便优化在新鲜气体进入时的气缸扫气效率。
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