CN102200061B - 涡轮增压发动机及控制该涡轮增压发动机的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种涡轮增压发动机及控制该涡轮增压发动机的方法。用于控制具有废气涡轮增压器的多缸内燃发动机的系统和方法，所述废气涡轮增压器具有结合到涡轮的压缩机，所述系统和方法包括：当发动机操作参数超过关联的阈值时，使压缩机周围的几乎全部进气流以及涡轮周围的几乎全部排气流改变方向。在一个实施例中，在低于相关的发动机速度阈值时提供涡轮增压器增压，而在发动机速度较高时使涡轮增压器压缩机和涡轮旁通，使得发动机作为自然吸气式发动机操作。

Description

涡轮增压发动机及控制该涡轮增压发动机的方法
技术领域
本发明涉及一种具有废气涡轮增压器的内燃发动机。
背景技术
废气涡轮增压器包括废气涡轮，该废气涡轮驱动压缩机，以使进气压力增压到大气压力以上，从而增加从发动机输出的功率。传统的涡轮增压发动机使用用于在整个发动机操作速度范围内增压的涡轮增压器。这会致使涡轮增压器选择范围窄和/或发动机性能低，这是因为期望小的、响应快的涡轮增压器用于发动机低速增压和快速响应，而期望较大的、限制较少的涡轮增压器用于在发动机速度较高时增加功率。涡轮增压器的尺寸以及用于在整个发动机操作范围内操作(特别是用于高速/高负载操作)的其他发动机部件会导致与附加的发动机结构关联的成本的增加、重量增加以及适应关联的更高的峰值压力以及更高的温度条件下的操作的材料更昂贵。另外，增加的发动机摩擦损失和重量可能会与更稳健的发动机结构相关联。
发明内容
一种用于控制具有废气涡轮增压器的多缸内燃发动机的系统或方法，所述废气涡轮增压器具有结合到涡轮的压缩机，所述系统或方法包括：响应于至少一个操作参数超过对应的阈值来使压缩机周围的进气流的至少一部分以及涡轮周围的排气流的至少一部分基本上同时改变方向。在一个实施例中，响应于发动机速度超过关联的阈值来基本上同时操作进气旁通阀和排气旁通阀，以使压缩机周围的几乎全部进气流以及涡轮周围的几乎全部排气流改变方向，从而使发动机在较高的发动机速度下作为自然吸气式发动机有效地操作。
本领域的普通技术人员将认识到与根据本公开的各个实施例关联的多种优点。例如，仅在较低的发动机速度下提供增压而在较高的发动机速度下提供自然吸气的发动机操作会产生更高效的增压系统以及更轻、更高效、成本最低的发动机。在较低的发动机速度下提供增压改善了性能体验，并通过针对具体应用的发动机的小型化以及更高效的动力传动系统匹配使燃油经济性得到提高。另外，由于仅在较低的发动机速度下应用增压，所以发动机结构和材料不需要升级，这会产生成本和重量优势同时降低制造复杂性。
通过以下结合附图对各个实施例进行的详细描述，以上优点及其他优点和特征将会显而易见。
附图说明
图1是示出根据本公开的具有涡轮增压器旁通的代表性发动机/车辆实施例的操作的框图；
图2是示出根据本公开的实施例的用于控制具有废气涡轮增压器的发动机的系统或方法的操作的流程图；
图3是示出作为根据本公开的代表性实施例的发动机速度的函数的扭矩的曲线图。
具体实施方式
如本领域的普通技术人员将理解的是，参照任一附图示出和描述的实施例的各种特征可与在一个或多个其他附图中示出的特征结合，以产生未被明确示出或描述的替代实施例。示出的特征的组合为典型应用提供代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和变型会被期望用于具体应用或实施。用于说明的代表性实施例总体上涉及可在自然吸气模式下操作的小型(downsized)涡轮增压的四冲程、多缸内燃发动机。本领域的普通技术人员可利用其他发动机/车辆技术来认识到类似的应用或实施，所述其他发动机/车辆技术包括具有各种类型的气门机构和气门启用策略(可包括机械系统、机电系统和/或液压系统)的直喷式发动机和/或进气口喷射式发动机。
在图1中示出的代表性实施例中，系统10包括由内燃发动机驱动的车辆(未具体示出)，所述内燃发动机具有多个汽缸(由汽缸12表示)，所述多个汽缸具有相应的燃烧室14。如本领域的普通技术人员将理解的是，系统10包括各种传感器和致动器，以实现发动机/车辆的控制。可给每个汽缸12提供一个或多个传感器或致动器，或者可给发动机提供单个传感器或致动器。例如，每个汽缸12可包括四个换气气门(包括两个进气气门16和两个排气气门18，两个进气气门16中仅有一个在图中示出，两个排气气门18中仅有一个在图中示出)。然而，发动机可仅包括单个发动机冷却液温度传感器20。在图1中示出的实施例中，发动机包括与基于微处理器的控制器30通信的电磁或电子致动的进气气门16和排气气门18，以控制气门打开时间和气门关闭时间。其他实施例包括可选的气门构造以及使用机械、机电、液压和/或组合气门致动的气门控制。例如，在一个实施例中，进气气门16被电子致动，而排气气门18通过关联的凸轮轴(未示出)被依常规致动。可选地，例如，进气气门16和排气气门18利用具有推杆和摇臂的整体凸轮式构造而被依常规致动。在一个实施例中，为了获得更高的效率，发动机是使用改进的Atkinson(阿特金森)或Miller(米勒)燃烧循环操作的小型LIVC(进气气门延迟关闭)发动机。
控制器30可包括与存储器管理单元(MMU)26通信的微处理器或中央处理单元(CPU)24。MMU26控制数据在各个计算机可读存储介质28中的运动并与CPU24进行数据通信。例如，计算机可读存储介质28可包括在只读存储器(ROM)32、随机存储器(RAM)34和不失效存储器(KAM)36中的易失性存储器和非易失性存储器。KAM36是可用于在CPU24断电时存储各种操作变量的永久性或非易失性存储器。可使用多种已知存储装置(例如，PROM(可编程只读存储器)、EPROM(电可编程只读存储器)、EEPROM(电可擦除可编程只读存储器)、闪存)中的任何存储装置、或者可使用能够存储数据(其中，一些数据表示CPU24在控制发动机或发动机安装于其中的车辆的过程中使用的可执行指令)的任何其他电存储装置、磁存储装置、光存储装置或组合存储装置来实现计算机可读存储介质28。计算机可读存储介质28还可包括软盘、CD-ROM、硬盘等。
CPU24通过输入/输出(I/O)接口38与各种发动机/车辆传感器和致动器通信。接口38可被实现为单个集成接口，所述单个集成接口提供各种原始数据或信号调节、信号处理和/或信号转换、短路保护等。可选地，一个或多个专用硬件或固件芯片(firmwarechip)可用于在具体信号被供应到CPU24之前调节并处理所述具体信号。参数、系统和/或可在CPU24的控制下通过I/O接口38被直接或间接致动的部件的示例是燃油喷射正时、燃油喷射速率及持续时间、节气门位置、火花塞点火正时(对于火花点火式发动机)、进/排气气门正时及持续时间、前端附件驱动(FEAD)部件(例如，交流发电机、空调压缩机)等。例如，通过I/O接口38与输入通信的传感器可用于指示涡轮增压器增压压力、曲轴位置(PIP)、发动机转速(RPM)、车轮速度(WS1、WS2)、车速(VSS)、冷却液温度(ECT)、进气歧管压力(MAP)、加速踏板位置(PPS)、点火开关位置(IGN)、节气门位置(TP)、空气温度(TMP)、废气含氧量(EGO)或其他废气成分浓度或存在情况、进气流量(MAF)、变速齿轮或传动比(PRN)、变速箱油温(TOT)、变速箱涡轮速度(TS)、液力变矩器离合器状态(TCC)、减速或换挡模式(MDE)。
一些控制器架构不包括MMU26。如果不使用MMU26，则CPU24管理数据并直接连接到ROM32、RAM34和KAM36。当然，根据具体应用，可使用不止一个CPU24来提供发动机控制，并且控制器30可包括结合到MMU26或CPU24的多个ROM32、RAM34和KAM36。
系统10包括废气涡轮增压器100，废气涡轮增压器100具有通过同一轴(commonshaft)106机械地结合到涡轮104的压缩机102。压缩机进气旁通通道110基于压缩机旁通阀112的位置选择性地改变压缩机102周围的进气流的方向，这由控制器30响应于至少一个发动机和/或环境操作参数来控制。类似地，废气旁通通道114基于涡轮旁通阀116的位置选择性地改变涡轮增压器涡轮104周围的来自气缸12的排气流的方向，这由控制器30响应于至少一个发动机和/或环境操作参数来控制。在一个实施例中，压缩机进气旁通通道110和压缩机旁通阀112的尺寸被定为当旁通阀112完全打开时改变压缩机102周围的几乎全部进气流的方向。根据具体应用，这可导致旁通通道110的截面积大于上游进气通道的截面积。类似地，废气旁通通道114和涡轮旁通阀116的尺寸被定为当旁通阀116完全打开时改变涡轮104周围的几乎全部排气流的方向。这可导致旁通通道114的截面积大于连接到涡轮104的废气通道的截面积。如在此更加详细地描述的，各个实施例协调旁通阀112和116的控制，以使涡轮增压器100选择性地旁通，从而使发动机在更高的发动机速度时作为自然吸气式发动机有效地运转。
系统10可包括向控制器30提供指示与进气气流或吸入气流对应的信号(MAF)的空气流量传感器54或其他流量传感器。在操作中，根据压缩机旁通阀112的位置，吸入的空气通过涡轮增压器100的压缩机102和/或旁通通道110被引导。使用由流过涡轮104的废气经由轴106驱动的压缩机102来使经过压缩机102的进气增压到大气压力以上的压力。被增压的进气流通过经过中间冷却器(I/C)120被冷却。来自中间冷却器120和/或旁通通道110的进气在通过节气门56或者用于调节气流并控制进气歧管52内的歧管压力的其他气流控制装置的调节之后，通过进气歧管(总体上由标号50指示)被分配到所述多个气缸12，以与点火正时和燃油控制协作将发动机扭矩控制在期望的输出扭矩(特别是对于火花点火式发动机)。可选地或者结合地，进气气门16的正时或定位可用于提供进气气门节流，以减小泵气损失(pumpingloss)。在如此装备的应用中，可由适当的致动器58基于由控制器30产生的对应的节气门位置(TP)信号来机械地或电子地控制节气门56。可响应于操作者通过加速踏板46所请求的扭矩或对应的发动机输出来产生节气门位置(TP)信号以定位节气门。节气门位置传感器60向控制器30提供指示节气门56的实际位置的反馈信号，以对节气门56执行闭环控制。虽然图1中示出的实施例是火花点火进气口喷射式发动机，但是根据本公开的用于控制发动机的系统和方法总体上不依赖于发动机技术，并应用到直喷式发动机和/或压燃式发动机或操作模式。
歧管绝对压力传感器70用于向控制器30提供指示歧管压力的信号(MAP)。通过适当地控制一个或多个进气气门16而使经过进气歧管52的空气进入燃烧室14。根据具体的应用和实施，可使用电磁致动器72和74、使用传统的凸轮轴装置、使用可变凸轮轴正时装置或者使用其组合来控制排气气门18和进气气门16的正时、启用和停用。在一个实施例中，进气气门16是由控制器30电磁操作以控制包括打开、关闭和持续时间的进气气门正时的固定升程气门，而排气气门18由凸轮轴或可变凸轮正时装置来操作。
用于控制发动机的旋转位置信息可由曲轴位置传感器80来提供，曲轴位置传感器80包括带齿的轮82及相关的传感器84。曲轴位置传感器80可用于产生被控制器30用于燃油喷射和点火正时的信号(PIP)。在一个实施例中，控制器30内的专用的集成电路芯片用于调节/处理由位置传感器80产生的原始的旋转位置信号，并且每个汽缸在每个燃烧循环输出一次信号(PIP)，即，对于8缸发动机来说，通过该控制逻辑，每个燃烧循环产生8个PIP信号以供使用。曲轴位置传感器80还可用于确定发动机转速，并基于发动机绝对转速、发动机相对转速或者发动机转速差来识别汽缸燃烧。
根据具体应用，废气氧传感器90可用于向控制器30提供指示废气是富燃条件下的产物还是稀燃条件下的产物的信号(EGO)。同样地，根据具体应用，传感器90可提供与富燃条件或稀燃条件对应的两种状态的信号，或者可选地，传感器90可提供与理论空燃比燃烧条件对应的信号。例如，当信号被提供时，该信号可用于调节空燃比，或者控制一个或多个汽缸的操作模式。废气在被排放到大气之前经过排气歧管以及一个或多个催化剂92。
燃油喷射器在当前操作模式的一个或多个喷射事件中基于由控制器30产生并由驱动器处理的信号(FPW)喷射适量的燃油。对于火花点火式应用来说，控制器30产生由点火系统处理的火花信号(SA)，以控制与每个气缸关联的一个或多个火花塞并开始室14内的燃烧。
控制器30包括软件和/或硬件执行的控制逻辑，以响应于至少一个操作参数通过压缩机旁通阀112和涡轮旁通阀116的协调控制以使涡轮增压器100旁通而选择性地在自然吸气操作模式下操作。如参照图2至图3更加详细地描述的，控制器30可通过监测至少一个发动机/环境参数(例如，发动机速度、增压压力和/或负载)来确定当前操作条件并以此作为响应使涡轮增压器100选择性地旁通。在一个实施例中，压缩机旁通阀112和涡轮旁通阀116响应于发动机速度超过对应的阈值基本上同时操作，以使压缩机102周围的几乎全部进气流以及涡轮104周围的几乎全部排气流改变方向，使得发动机自然吸气。
图2是示出根据本公开的用于控制涡轮增压发动机的系统或方法的一个实施例的操作的流程图。图2的示图提供用于内燃发动机的代表性控制策略，以响应于一个或多个发动机和/或环境操作参数超过对应的阈值而选择性地使涡轮增压器周围的进气流/排气流的至少一部分改变方向。图2中示出的控制策略和/或逻辑表示多种已知的处理策略(例如，事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等)中的任何处理策略。这样，可以按示出的顺序、并行地、或者在省略一些步骤的情况下执行示出的各个步骤或功能。虽然未明确示出，但是本领域的普通技术人员将认识到，根据使用的具体的处理策略，可重复执行一个或多个示出的步骤或功能。类似地，处理顺序对获得在此描述的特征和优点不是必需的，而是为了便于解释和描述。可以主要在软件中执行控制逻辑，通过基于微处理器的车辆、发动机和/或动力传动系统控制器(例如，控制器30(图1))来执行所述软件。当然，根据具体应用，可以在一个或多个控制器中以软件、硬件或者软件和硬件的组合来执行控制逻辑。当以软件执行控制逻辑时，控制逻辑可设置在一个或多个计算机可读存储介质28(图1)中，计算机可读存储介质28具有表示由控制发动机的计算机执行的指令或代码的存储的数据。计算机可读存储介质可包括利用电存储、磁存储和/或光存储的多种已知的物理装置中的一种或多种，以保存可执行的指令及关联的校准信息、操作变量等。
图2的框200表示确定当前的操作条件，除发动机、车辆和/或环境条件或参数(温度、压力、速度、附件操作状态、加速踏板位置、档位等)之外，所述操作条件还可包括当前的操作模式(怠速、巡航、起动、停止、减小排量等)。例如，当前的发动机和/或环境操作条件或模式可用于通过旁通阀112控制压缩机102周围的旁通进气流以及通过旁通阀116控制涡轮104周围的旁通排气流，以提供期望的车辆性能、燃油经济性和/或排放。在一个实施例中，使用存储在一个或多个查找表中的速度-负载表来控制旁通阀112和116。
如框210所示，将至少一个操作参数(例如，发动机速度或负载)与对应的阈值进行比较。在示出的实施例中，框210确定发动机速度是否超过对应的第一阈值。当发动机速度超过第一阈值时，如框220所示，分别操作压缩机旁通阀112和涡轮旁通阀116，以使涡轮增压器周围的进气流的至少一部分和排气流的至少一部分改变方向。根据具体应用，总体上如框230所示，可基于在第一阈值和第二阈值之间的发动机速度和/或其他操作参数控制旁通阀从而调节气流。在一个实施例中，如框222所示，基本上同时操作压缩机旁通阀112和涡轮旁通阀116。如框230所示，当一个或多个操作参数超过第二阈值时，如框240所示，压缩机旁通阀112和涡轮旁通阀116运动到全开位置，以使涡轮增压器周围的几乎全部气流改变方向。如框242所示，可基本上同时操作压缩机旁通阀112和涡轮旁通阀116。当发动机速度在第一阈值和第二阈值之间变化时，进气流和排气流的已改变方向的部分基本上均匀地变化。
根据具体应用和实施，框210、框220和框222所示的部分旁通或调节的气流控制是可选的且可被省略。本领域的普通技术人员将认识到，旁通阀112和116的控制可使用各种常见的控制策略，以提供在增压模式和自然吸气模式之间的平稳过渡，并防止在关联的阈值附近操作时循环。
图3是示出根据本公开的代表性实施例的可在自然吸气模式下操作的涡轮增压发动机的操作的曲线图。线310表示较低的发动机速度下作为发动机速度的函数的扭矩，在较低的发动机速度下应用涡轮增压器增压，以通过涡轮增压器压缩机给进气流增压，涡轮增压器压缩机由通过涡轮增压器涡轮的排气流驱动。当发动机速度超过对应的阈值(如线314所示)时，涡轮增压器旁通，以提供自然吸气操作(对应于扭矩曲线320)。
这样，根据本公开的实施例提供一种系统和方法，所述系统和方法仅在发动机速度较低时提供增压，而在发动机速度较高时提供自然吸气的发动机操作，从而提供一种更高效的增压系统以及更轻、更高效、成本最低的发动机。在较低的发动机速度下提供增压改善了性能体验(performancefeel)，并通过针对具体应用的发动机的小型化以及更高效的动力传动系统匹配使燃油经济性得到提高。另外，由于仅在较低的发动机速度下应用增压，所以发动机结构和材料不需要升级，这会产生成本和重量优势同时降低制造复杂性。
虽然已经示出并描述了一个或多个实施例，但是这些实施例不意味着示出并描述了权利要求范围内的所有可能的实施例。相反，说明书中使用的词语是描述性的词语而不是限制性的词语，在不脱离本公开的精神和范围的情况下可进行各种改变。虽然各个实施例可能已经被描述为提供优点或者相对于一个或多个期望特性优于其他实施例或现有技术实施方式，但是可能会牺牲一个或多个特征或特性来获得期望的整体系统属性，这取决于具体应用和实施。这些属性包括但不限于：成本、强度、耐久性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、维修保养方便性、重量、制造能力、易装配性等。在此讨论的被描述为不期望相对于一个或多个特性比其他实施例或现有技术实施方式更好的实施例不在本公开的范围之外，并可期望用于具体应用。

Claims (8)

1.一种用于控制内燃发动机的方法，所述内燃发动机具有废气涡轮增压器，所述废气涡轮增压器具有结合到涡轮的压缩机，所述方法包括：
响应于发动机速度超过对应的阈值来使压缩机周围的进气流的至少一部分以及涡轮周围的排气流的至少一部分改变方向。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，进气流和排气流基本上同时改变方向。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，响应于发动机速度超过对应的阈值来分别使涡轮增压器的压缩机周围的几乎全部进气流以及涡轮周围的几乎全部排气流改变方向。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，响应于发动机速度超过第一阈值来使进气流的一部分和排气流的一部分改变方向，其中，响应于发动机速度超过第二阈值来使几乎全部进气流和排气流改变方向。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，当发动机速度在第一阈值和第二阈值之间变化时，进气流和排气流的已改变方向的部分基本上均匀地变化。
6.一种具有涡轮增压器的发动机，所述涡轮增压器具有结合到涡轮的压缩机，所述发动机包括：
压缩机旁通阀，能够选择性地操作，以使压缩机周围的几乎全部进气流改变方向；
涡轮旁通阀，能够选择性地操作，以使涡轮周围的几乎全部排气流改变方向；
控制器，响应于发动机速度超过第一阈值来基本上同时操作压缩机旁通阀和涡轮旁通阀，以使涡轮增压器旁通。
7.根据权利要求6所述的发动机，其中，控制器响应于发动机速度超过第一阈值来基本上同时操作压缩机旁通阀和涡轮旁通阀，以使涡轮增压器旁通。
8.根据权利要求6所述的发动机，其中，当发动机速度超过比第一阈值小的第二阈值时，控制器基本上同时操作压缩机旁通阀和涡轮旁通阀，以使涡轮增压器周围的进气流的一部分和排气流的一部分改变方向。
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