CN101839168A - 控制具有进气节流阀和进气道节流阀的增压式内燃机的系统和方法 - Google Patents

控制具有进气节流阀和进气道节流阀的增压式内燃机的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及控制具有进气节流阀和进气道节流阀的增压式内燃机的系统和方法。用于控制具有增压器的发动机的方法和系统包括：旁通阀控制模块，其响应于预期歧管绝对压力控制用于增压器的旁通阀，该旁通阀具有旁通流面积；进气阀控制模块，其响应于旁通流面积控制用于增压器的进气节流阀；和进气道节流阀控制模块，其响应于预期空气质量流量控制进气道节流阀。

Description

控制具有进气节流阀和进气道节流阀的增压式内燃机的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2008年4月22日提交的德国专利申请No.102008020106.5的优先权。以上申请的公开在此以参考的方式并入。
技术领域
本发明涉及内燃机，尤其地涉及控制内燃机的增压器的方法。
背景技术
在此提供的背景描述是为了大体地介绍本发明的背景。目前署名的发明人的工作就其在该背景部分中描述的程度、以及描述的在提交的时候可能不能构成现有技术的方面既不明确地也不隐含地被承认为抵触本发明的现有技术。
进气节流增压式内燃机通常设置有两个变流量孔口或节流阀，以控制发动机的负荷。每个孔口都需要控制电子设备和校准。通常，发动机驱动正排量增压压缩机或增压器，该正排量增压压缩机或增压器通过增压冷却器将增压空气送至进气歧管的进气口。增压器从主进气节流阀或主进气阀、通常为(最近的电子节流阀控制或ETC的)叶片型(蝶形)进气节流阀接收增压气流。例如由具有弹簧-膜片式致动器的螺线管控制的较小的辅助叶片型旁通节流阀或旁通阀连接在增压冷却器的进气口与增压器的出气口之间。排气再循环(EGR)阀控制从发动机排气口到进气节流阀下游的增压机的排气气流用于降低排放。旁通功能通常与进气节流阀相反，使得当进气节流阀打开时，旁通节流阀关闭。
改善燃料经济性和发动机、尤其是直喷式发动机是发动机制造的主要目的。仅提供旁通节流阀和进气节流阀控制可能不可以提供足够的控制，以充分提高直喷式发动机的燃料经济性。更准确地，较低的速度和高的负荷应用可能需要不同的控制量。提供旁通节流阀和进气节流阀可能不可以提供足够的控制，以获得燃料经济性的提高。
发明内容
因此，本发明提供包括增压器下游的进气道节流阀(port throttle)的系统和方法，其中与进气节流阀(inlet throttle)和旁通节流阀(bypassthrottle)一起控制该进气道节流阀，以调整气流的量。
在本发明的一方面中，一种用于控制具有增压器的发动机的方法包括：确定发动机的预期气流；确定预期歧管绝对压力；响应于预期歧管绝对压力控制用于增压器的旁通阀，该旁通阀具有旁通流面积；响应于旁通流面积控制用于增压器的进气节流阀；和响应于预期气流控制进气道节流阀。
在本发明的另一方面中，一种用于控制具有增压器的发动机的方法包括：确定到发动机的预期气流；确定发动机的预期排气再循环流量；从预期气流和排气再循环流量确定总预期进气气流；基于总预期进气流确定压力比变化；响应于压力比变化控制旁通阀；响应于旁通流面积控制进气节流阀；和响应于总预期进气流控制进气道节流阀。
在本发明的又一方面中，一种用于具有增压器的发动机的控制系统包括：旁通阀控制模块，其响应于预期歧管绝对压力控制增压器的旁通阀，以便具有旁通流面积；进气阀控制模块，其响应于旁通流面积控制增压器的进气节流阀；和进气道节流阀控制模块，其响应于预期空气质量流量控制进气道节流阀。
本发明还提供了如下技术方案：
方案1：一种用于控制具有增压器的发动机的方法，包括：确定所述发动机的预期气流；确定预期歧管绝对压力；响应于所述预期歧管绝对压力控制用于所述增压器的旁通阀，该旁通阀具有旁通流面积；响应于所述旁通流面积控制用于所述增压器的进气节流阀；和响应于所述预期气流控制进气道节流阀。
方案2：根据方案1所述的方法，还包括从所述预期气流和预期排气再循环流确定总预期进气气流。
方案3：根据方案2所述的方法，还包括通过增加EGR阀开口面积来增加排气流。
方案4：根据方案3所述的方法，还包括当所述EGR阀开口面积最大时，在减小旁通流面积的同时减小进气节流面积，以增加排气再循环流。
方案5：根据方案2所述的方法，其中确定所述发动机的预期气流包括从所述总预期进气流确定所述发动机的预期气流。
方案6：根据方案1所述的方法，其中响应于所述预期空气质量流量控制进气道节流阀包括：增大进气道节流面积以增加进气空气质量流量，和减小所述进气道节流面积以减小所述进气空气质量流量。
方案7：根据方案1所述的方法，其中控制用于所述增压器的旁通阀包括：减小所述旁通流面积以提高增压器压力比，和增大所述旁通流面积以减小所述增压器压力比。
方案8：根据方案7所述的方法，其中控制进气节流阀包括：在使所述旁通流面积最大时减小所述进气节流面积以减小所述增压器压力比，和在使所述旁通流面积最小时增大所述进气节流面积以提高所述增压器压力比。
方案9：一种用于控制具有增压器的发动机的方法，包括：确定流到发动机的预期气流；确定所述发动机的预期排气再循环流；基于所述预期气流和所述排气再循环流确定总预期进气气流；基于所述总预期进气气流确定压力比变化；响应于所述压力比变化控制旁通阀；响应于旁通流面积控制所述进气节流阀；和响应于所述总预期进气流控制进气道节流阀。
方案10：根据方案9所述的方法，还包括响应于所述预期排气再循环流控制排气再循环阀。
方案11：根据方案10所述的方法，其中独立地进行所述控制排气再循环阀、控制旁通阀、控制所述进气节流阀和控制所述进气道节流阀。
方案12：根据方案9所述的方法，还包括响应于增大所述预期排气再循环流，在减小所述旁通流面积的同时控制进气节流阀。
方案13：根据方案9所述的方法，还包括当所述排气再循环阀完全打开或完全关闭时，响应于所述预期排气再循环流控制所述进气节流阀。
方案14：一种控制系统，包括：旁通阀控制模块，其响应于预期歧管绝对压力而控制用于所述增压器的旁通阀，该旁通阀具有旁通流面积；进气阀控制模块，其响应于所述旁通流面积控制用于增压器的进气节流阀；和进气道节流阀控制模块，其响应于所述预期空气质量流量控制进气道节流阀。
方案15：一种系统，包括：发动机；增压器，其与所述发动机连通；旁通控制阀；排气再循环阀；进气道节流阀；进气节流阀；和根据方案14所述的控制系统。
方案16：根据方案15所述的系统，其中所述发动机包括直喷式发动机。
方案17：根据方案15所述的系统，还包括排气控制模块，其通过增加所述排气再循环阀的开口面积来增加排气流。
方案18：根据方案17所述的系统，还包括当使所述排气再循环阀的开口面积最大时，进气节流阀控制模块在减小所述旁通流面积的同时减小进气节流面积，以增加排气流。
方案19：根据方案15所述的系统，其中进气道节流阀控制模块增大所述进气道节流阀的进气道节流面积以增加进气空气质量流量，和减小所述进气道节流面积以减少所述进气空气质量流量。
方案20：根据方案15所述的系统，其中旁通阀控制模块减小所述旁通阀的旁通流面积以提高增压器压力比，和增大所述旁通流面积以降低所述增压器压力比。
适用性的其它领域将通过在此提供的说明而变得明显。应理解的是，描述和具体的示例仅用于说明的目的，而不用于限制本发明的范围。
附图说明
通过详细说明和附图将变得更充分地理解本发明，其中：
图1是根据本发明的包括增压器的发动机系统的功能框图；
图2是图1的控制器的功能框图；
图3是示出根据本发明由系统执行的步骤的流程图。
具体实施方式
以下的说明本质上仅是示例性的，并且决不用于限制本发明、其应用、或使用。为清楚起见，附图中相同的附图标记用于标识相似的元件。如本文所使用的，A、B、和C中的至少一个的短语应解释为表示利用非排它性的逻辑“或”的逻辑(A或B或C)。应理解的是，在不改变本发明的原理的情况下，可以不同的顺序执行方法内的步骤。
如本文所使用的，术语模块指的是专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一种或多种软件或固件程序的(共用、专用、或分组的)处理器和存储器、组合逻辑电路、和/或提供所描述的功能性的其它合适的部件。
现在参考图1，发动机10包括具有不同数量的气缸的气缸体12、进气歧管14和排气歧管16。进气歧管包括进气口18。排气歧管16具有排气口20。发动机10驱动增压器22。增压器22可以是正排量增压器。可以包括皮带传动或齿轮传动的各种方式驱动增压器22。增压器22从进气节流阀24接收增压气流。进气节流阀24可以是叶片型进气节流阀或蝶形进气节流阀。还可使用筒型节流阀。节流阀是具有可根据以下描述的控制方法增大或减小的开口面积的阀。
设置在旁通管28内的旁通节流阀26提供进入进气歧管14的旁通流。旁通节流阀26使入口气流旁通绕过增压器22。
排气再循环(EGR)阀32控制从排气口20到进气节流阀24下游的增压压缩机22的排气气流用于降低排放。EGR阀32也具有能根据控制方法增大或减小的可控开口面积。
来自EGR阀32和进气节流阀24的进气气流结合以形成在增压器22中被增压的总进气气流。增压器22具有设置通到增压冷却器34的出气口。增压冷却器34在进气歧管14之前冷却压缩的进气气流。
在进气歧管14与气缸体12之间示出的进气道节流阀或进气道阀40用于控制进气歧管压力和提供到气缸体12内的气缸的进气量。尽管进气道节流阀40被示出在进气歧管14与气缸体12之间，但进气道节流阀40可设置在旁通管28与气缸体12之间不同的位置。例如，进气道节流阀40在进气气流中可位于进气歧管14之前。以虚线示出用于该替代性构造的流动路径、控制路径和进气道节流阀40B。在这样的情形下阀40将被去除。
空气质量流量传感器42产生与系统的进气中的空气的质量对应的空气质量流量信号。空气质量流量信号能用于控制不具有良好的压力比信号的流量控制装置、诸如进气道节流阀40。
设置在进气歧管14内的歧管绝对压力传感器44产生歧管压力信号。歧管绝对压力信号可用于确定系统的压力比并控制旁通阀或旁通节流阀26与进气节流阀24。
排气歧管压力传感器46可产生与排气歧管中的排气的压力对应的压力信号。
控制模块50与质量空气流量传感器42、歧管绝对压力传感器44、排气歧管压力传感器46、EGR阀32、旁通阀26以及进气节流阀24通信。如以下将描述地，控制模块50独立地控制旁通阀26、进气节流阀24和进气道节流阀40，以便能够实现正排量增压与外部冷却排气再循环的结合用以改善高负荷和低负荷下的燃料消耗。
现在参考图2，更详细地示出了控制模块50。在块110中，驾驶员请求模块通过踏板以传统方式接收驾驶员请求。驾驶员请求可对应于扭矩信号。驾驶员请求模块向预期气流确定模块112传送驾驶员请求信号。预期气流确定模块112将诸如踏板信号的驾驶员请求信号转化成通过发动机的预期气流。预期气流确定模块向总预期进气流量模块114传送预期气流信号。总预期进气流量模块114考虑包括预期排气再循环量的所有预期进气流量。
排气再循环确定模块116基于超出本发明的范围的各种考虑确定预期排气再循环信号。排气再循环的量能减少从车辆的排气管的排放量。排气再循环确定模块116还可与控制排气再循环阀32的打开和关闭的排气再循环控制模块118通信。
歧管绝对压力确定模块120从歧管绝对压力传感器44确定歧管绝对压力。歧管绝对压力确定模块120向压力比变化确定模块130传送歧管绝对压力信号。总预期进气流量模块114还向压力比确定模块130传送总预期进气流量。总预期进气流量模块114可提供预期进气流量或与进气流量对应的歧管绝对压力。可在总预期进气流量模块114或压力比确定模块130中对转化的歧管绝对压力进行转化。压力比变化确定可用于通过旁通控制模块132控制旁通控制阀和通过进气控制模块134控制进气控制阀。也可基于旁通控制阀的开口面积控制进气控制阀。这可以在旁通控制阀完全打开或关闭时进行。
总预期进气流还可对应于预期空气质量流量。预期空气质量流量被传送至进气道节流阀控制模块136。空气质量流量确定模块138从空气流量传感器42确定测量的空气质量流量。通过将来自预期进气流的预期空气质量流量与测量的空气质量流量相比较，能调节进气道节流阀。此外，当测量的空气流量变化时，进气道控制模块136可用于修改预期气流。
现在参考图3，提出用于控制增压式内燃机的进气节流阀和进气道节流阀的方法。在步骤200中，从驾驶员接收作为输入的驾驶员扭矩请求。驾驶员扭矩请求可来自踏板传感器或其它传感器。在步骤210中将驾驶员扭矩请求转化成预期气流。预期气流是通过发动机以实现扭矩请求的预期气流。在步骤212中，确定总预期进气气流。用于发动机的总预期进气气流包括以下将描述的预期排气再循环气流。总预期进气气流对应于预期空气质量流量。
可将在步骤212中确定的总预期进气气流传送至判断块214。当预期气流在步骤214中改变时，进气道节流面积可发生增加或减小。在步骤216中，当空气质量流量从总预期进气气流中增加时，在步骤216中增加进气道节流面积，这样增加到气缸的气流。在步骤214中，当预期空气质量流量变化减小时，步骤218减小进气道节流面积，这样关闭节流阀并减小进入气缸的空气量。在步骤216和218之后，在步骤220中确定测量的气流。在步骤220之后，在步骤210中可将测量的气流用于修改预期气流。通过调节预期气流，可调节预期驾驶员扭矩。
返回参考步骤212，在步骤222中可将来自步骤212的总预期进气气流转化成预期歧管绝对压力(MAP)。预期歧管绝对压力可用于确定压力比变化，该压力比变化对应于到增压器14的进气口与增压器的出气口之间的压力比。当在步骤224中确定压力比变化时，通过改变旁通节流阀开度来改变旁通流速。在步骤224中，当压力比变化增大时，在步骤226中通过关闭或减小旁通节流阀的开口面积实现旁通流速的减小。在步骤224中，当压力比减小时，在步骤228中通过打开旁通节流阀的面积，旁通流速增加。在步骤228中增大旁通流来减少到增压器22的进气量。在步骤226中减小旁通流来增加通过增压器22的进气量。因此，减小旁通流来增大压力比，并且增大旁通流来减小压力比。
在步骤230中，确定旁通流面积是否为与旁通节流阀的全开或全关闭对应的最小或最大。在步骤230中，如果在步骤228之后使旁通流面积最大，则步骤232减小进气节流面积。在步骤230中，如果(在步骤226之后)旁通流面积最小，则步骤234增大旁通流面积。在步骤233和234之后，步骤236测量歧管绝对压力并向压力比变化确定步骤224提供歧管绝对压力。
在步骤250中，确定发动机的燃烧效率。在步骤252中，还可确定预期的降低节流稀释(de-throttling dilution)252。可向预期EGR流量步骤254提供燃烧效率和降低节流稀释，该预期EGR流量步骤254确定用于发动机的预期排气再循环。如上所述向步骤212提供预期排气再循环流量。还可向转化步骤256提供预期排气流量，该转化步骤256将预期排气再循环转化成EGR的Δ压力(压力增量)或压力的变化。Δ压力是用于增加进入增压器22中的排气再循环量的EGR压力的相应变化。在步骤258中，从排气压力传感器46确定来自排气歧管的实际排气压力。在步骤260中，通过将实际排气压力与排气压力的变化相比较确定压力增量变化是增大还是减小。如果压力变化在步骤260中增大，则步骤262通过减小图1的排气再循环阀32的开口面积来减小排气再循环流量。在步骤260中，如果在排气再循环中压力变化减小，则在步骤264中提供排气再循环流量的增加。在步骤262和264之后，在步骤266中EGR阀面积为最大，执行减小进气节流面积的步骤232。在步骤232之后，在步骤268中可确定实际增压器进入空气压力，该实际增压器进入空气压力还可对应于步骤270中的吸气限制。可向上述压力增量变化块260提供实际增压器进口空气压力。
使增压器两侧的压力比最小，以使寄生损失最小。通过控制再循环流量使压力比最小。通过对到增压器的进气进行节流可降低来自吸气事件和增压器转子通过频率的压力脉动的传播。调整进气道节流阀和进气的节流，因而获得预期的质量流量。进气道节流阀、尤其是具有筒形截面的进气道节流阀能够通过改变输入流相对于进气口中心线的平均速度和质心来调整缸内混合物运动。缸内混合物运动可用于为了提高的燃烧速度、为了稀释容许度和增强的剪流以及为了对直喷式发动机减轻的气缸孔壁燃料撞击而偏置湍流强度。进气道节流阀通过如下方式在怠速时同样是有益的：通过在进气阀附近提供大的压降来限制在重叠期期间的回流体积，这样减少稀释量并降低对阀动作的敏感性。通过将用于改善的响应的正排量增压的益处与积极小型化相结合，可改善燃料效率。在高的制动平均有效压力下的频繁操作引起由于爆震而降低燃烧效率的损失。引入冷却EGR通过用高比热的稀释剂降低燃烧温度来改善燃烧效率，并且当在上游引入EGR时，正排量罗茨鼓风机对冷凝物不敏感。用于高负荷燃烧效率的冷却EGR的存在还可用于在部分负荷时降低泵气功，从而通过消除凸轮相位来潜在地形成成本冲减。提高稀释宽容度能主要通过在点火时为增强的湍流强度而增强混合物运动来实现，而通过提高稀释宽容度能实现增强上述泵气功的降低。通过在部分负荷时增强混合物运动和在节流瞬变期间调整稀释剂和新鲜进气，筒型进气道节流阀可用于管理外部稀释。在排气口与增压器进气口之间用管道输送EGR提供了在所有操作条件下具有潜在的大压力增量的点，同时进气节流阀提供了用于稀释剂更好的流速控制的可变抑流。
现在，本领域的技术人员通过前述说明可意识到的是能以各种形式实现本发明宽广的教导。因此，由于通过对附图、说明书、和所附权利要求书的研究，其它的改进将对熟练的从业者变得显而易见，所以尽管已结合本发明特定的示例描述了本发明，但本发明的真实范围不应受限制。

Claims (10)

1.一种用于控制具有增压器的发动机的方法，包括：
确定所述发动机的预期气流；
确定预期歧管绝对压力；
响应于所述预期歧管绝对压力控制用于所述增压器的旁通阀，该旁通阀具有旁通流面积；
响应于所述旁通流面积控制用于所述增压器的进气节流阀；和
响应于所述预期气流控制进气道节流阀。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括从所述预期气流和预期排气再循环流确定总预期进气气流。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括通过增加EGR阀开口面积来增加排气流。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括当所述EGR阀开口面积最大时，在减小旁通流面积的同时减小进气节流面积，以增加排气再循环流。
5.根据权利要求2所述的方法，其中确定所述发动机的预期气流包括从所述总预期进气流确定所述发动机的预期气流。
6.根据权利要求1所述的方法，其中响应于所述预期空气质量流量控制进气道节流阀包括：增大进气道节流面积以增加进气空气质量流量，和减小所述进气道节流面积以减小所述进气空气质量流量。
7.根据权利要求1所述的方法，其中控制用于所述增压器的旁通阀包括：减小所述旁通流面积以提高增压器压力比，和增大所述旁通流面积以减小所述增压器压力比。
8.一种用于控制具有增压器的发动机的方法，包括：
确定流到发动机的预期气流；
确定所述发动机的预期排气再循环流；
基于所述预期气流和所述排气再循环流确定总预期进气气流；
基于所述总预期进气气流确定压力比变化；
响应于所述压力比变化控制旁通阀；
响应于旁通流面积控制所述进气节流阀；和
响应于所述总预期进气流控制进气道节流阀。
9.一种控制系统，包括：
旁通阀控制模块，其响应于预期歧管绝对压力而控制用于所述增压器的旁通阀，该旁通阀具有旁通流面积；
进气阀控制模块，其响应于所述旁通流面积控制用于增压器的进气节流阀；和
进气道节流阀控制模块，其响应于所述预期空气质量流量控制进气道节流阀。
10.一种系统，包括：
发动机；
增压器，其与所述发动机连通；
旁通控制阀；
排气再循环阀；
进气道节流阀；
进气节流阀；和
根据权利要求9所述的控制系统。
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