CN102278194A - 带有脉冲调宽阀的涡轮增压汽油发动机系统及控制增压压力的方法 - Google Patents

Abstract

一种带有脉冲调宽阀的涡轮增压汽油发动机系统及控制增压压力的方法，它是通过在涡轮增压汽油发动机系统中增加一个脉冲调宽阀来控制进入执行器的增压压力，增加的脉冲调宽阀有a、b、c三个气路接口和一个电信号接口d，a端气路接口与涡轮增压器压气机出气管联通，b端气路接口与执行器进气口联通，c端气路接口与涡轮增压器压气机进气管联通，电信号接口d与发动机ECU信号输出端相联。发动机ECU通过接收中冷压力传感器、中冷温度传感器、节气门位置传感器、发动机转速传感器、发动机排气温度传感器、发动机排气总管氧含量传感器的检测信号，再发送占空比信号到脉冲调宽阀，控制进入执行器的增压压力，达到调节废气旁通量的目的。

Description

带有脉冲调宽阀的涡轮增压汽油发动机系统及控制增压压力的方法

技术领域

本发明涉及汽油发动机涡轮增压器技术领域，特别是一种带有脉冲调宽阀的涡轮增压汽油发动机系统及采用脉冲调宽阀控制进入执行器增压压力的方法。

背景技术

根据汽车行业数据统计，欧洲汽油发动机涡轮增压技术市场份额从2004年开始逐年稳步增长。2004年涡轮增压汽油发动机的市场份额只有10％，经过短短4年时间，2008年涡轮增压汽油发动机的市场份额已经猛增至21％，预计到2011年将增加到30％。这表明涡轮增压汽油发动机在市场上已经逐渐替代自然吸气式汽油发动机，成为发动机技术发展的主流。

传统的涡轮增压汽油发动机是将涡轮增压器追加在现有汽油发动机上，以提高输出功率，为了提高汽油发动机低速性能和加速性，防止涡轮增压器的运转超速，涡轮增压器采用了废气旁通技术。

传统的采用废气旁通技术的涡轮增压汽油发动机系统如附图1所示，整个系统包括涡轮增压器压气机进气管1、空气滤清器2、涡轮增压器压气机出气管3、中冷器4、节气门5、发动机进气歧管6、发动机燃烧室7、发动机排气歧管8、放气阀门9、发动机排气总管10、增压器涡轮箱11、涡轮转子13和执行器14。在涡轮废气进口处设有一个废气旁通孔12，放气阀门9安装在废气旁通孔12处，控制废气旁通孔12的废气流量。执行器14的进气口与涡轮增压器压气机出气管3相联，放气阀门9的开启、关闭由执行器14控制。执行器14是正压控制，执行器14预紧力施加反向力控制执行器推杆关闭放气阀门9，进入执行器14的增压压力和排气背压施加正向力共同作用执行器14推杆开启放气阀门9。但在实际工作中，执行器14的预紧力是一个定值且大于排气背压，放气阀门9的开启、关闭主要受涡轮增压器压气机出气管增压压力的控制。 

当涡轮增压器压气机出气管增压压力超过一个压力值时，即当执行器14所受的正向力大于反向力时，执行器14推杆正向移动开启放气阀门9，发动机部分废气不通过增压器涡轮转子13而直接排入大气，使进入涡轮转子的废气能量减少，涡轮增压器转速下降，从而使压气机出口增压压力P_c得到控制。

当涡轮增压器压气机出气管增压压力低于一个压力值时，即执行器14所受的正向力小于反向力时，执行器14推杆反向移动关闭放气阀门9，发动机废气全部通过增压器涡轮，推动涡轮转子13做功。

废气旁通技术的特点是：放气阀门9的开启、关闭是根据涡轮增压器压气机出气管增压压力的大小进行控制的，执行器13内部为弹性控制结构，造成执行器13的控制方式近似为线性控制方式，执行器推杆的行程随增压压力加大而增加。

采用废气旁通技术的优点是：发动机在低速和大扭矩工况时放气阀门关闭，充分利用废气能量提高涡轮增压器的转速，保证发动机所需的空气量和压比；发动机在高转速、额定工况时放气阀门开启旁通部分废气能量，保证涡轮增压器不超速。

柴油机是压燃式，压缩比比汽油发动机高，发动机转速在700rpm～3500 rpm，使用废气旁通技术保证了涡轮增压器与发动机的良好匹配。

汽油发动机是点燃式，压缩比在8～12左右；汽油发动机的转速在700rpm～6500 rpm，空气流量变化范围大，汽油发动机增压后由于进气压力和温度都升高，这使得压缩终了时温度升高，使爆震倾向加剧。汽油发动机采用涡轮增压引起爆震的诸因素中，增压压力的影响最大，因此，必须对增压压力进行控制。现阶段，最高压比控制在1.8～2.0范围可有效的抑制爆震。

汽油发动机涡轮增压后，直接采用废气旁通技术对增压压力进行控制出现的主要问题如下：

1、采用废气旁通技术对增压压力的控制近似为线性控制方式，增压压力随发动机从低速点、扭矩点、额定点的工况逐步升高。汽油发动机为防止增压压力过高引起爆震，最高压比控制在1.8～2.0范围，现有执行器的预紧力偏低，不能将最高压比严格控制在1.8～2.0范围。                                  

2、在标定中扭矩点部分工况的增压压力会与额定点增压压力接近，甚至比额定点增压压力高，废气旁通技术不能根据发动机设计点对涡轮增压压力进行柔性控制，不能满足整个工况点的扭矩需求，只能降低发动机动力性、经济性指标，影响涡轮增压技术在汽油发动机上的推广。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种带有脉冲调宽阀的涡轮增压汽油发动机系统及采用脉冲调宽阀控制进入执行器增压压力的方法。

本发明的技术方案是：一种带有脉冲调宽阀的涡轮增压汽油发动机系统，它包括涡轮增压器压气机进气管、空气滤清器、涡轮增压器压气机出气管、中冷器、节气门、发动机进气歧管、发动机燃烧室、发动机排气歧管、放气阀门、发动机排气总管、增压器涡轮箱、涡轮转子、执行器和发动机ECU。在涡轮废气进口处设有一个废气旁通孔，放气阀门安装在废气旁通孔处，控制废气旁通孔的废气流量。执行器的进气口与涡轮增压器压气机出气管相联，放气阀门的开启、关闭由执行器控制。

本发明的发明点是在传统的采用废气旁通技术的涡轮增压汽油发动机系统中增加一个两位三通的脉冲调宽阀，增加的两位三通脉冲调宽阀有a、b、c三个气路接口和一个电信号接口d， a端气路接口与涡轮增压器压气机出气管联通，b端气路接口与执行器进气口联通，c端气路接口与涡轮增压器压气机进气管联通，电信号接口d与发动机ECU信号输出端相联，发动机ECU通过数据线与中冷压力传感器、中冷温度传感器、节气门位置传感器、发动机转速传感器、发动机排气温度传感器、发动机排气总管氧含量传感器相联。

本发明还提供了一种采用脉冲调宽阀控制进入执行器增压压力的方法，其控制方法如下：

发动机ECU通过接收中冷压力传感器、中冷温度传感器、节气门位置传感器、发动机转速传感器、发动机排气温度传感器、发动机排气总管氧含量传感器的检测信号，再发送占空比信号到脉冲调宽阀，控制进入执行器的增压压力，达到废气旁通量的可调，控制涡轮增压器的转速，最终达到增压压力可根据发动机具体工况的需求进行柔性调整，避免因增压压力过高引起发动机爆震，提高汽油发动机的动力性能和经济性能。

当脉冲调宽阀占空比信号为0%时，脉冲调宽阀的c端堵塞，a端与b端联通，a端输入压力为79kPa，涡轮增压器压气机出气管的增压压力是通过a端从b端进入执行器，推动执行器推杆行程最大，此时，放气阀门开度最大，旁通废气量较大。

当脉冲调宽阀占空比信号为100%时，脉冲调宽阀的a端堵塞，涡轮增压器压气机出气管的增压压力不能进入b端，b端与c端联通，执行器内原有的增压压力通过b端和端c泄出，执行器推杆回位，此时，放气阀门关闭，废气不旁通。

当脉冲调宽阀占空比信号为中间值时，与脉冲调宽阀的a端相联的涡轮增压器压气机出气管的增压压力按比例分配到b端进入执行器，推动执行器推杆移动，此时，放气阀门开度适中，旁通部分废气。

本发明提供的采用脉冲调宽阀控制进入执行器增压压力的方法还包括对基本增压压力的标定、发动机性能的标定和发动机工况点的标定，其具体操作步骤如下：

A、基本增压压力标定：做发动机外特性试验，确定发动机在各工况点的初始增压压力。将脉冲调宽阀占空比信号设定为0%时，脉冲调宽阀的c端堵塞，a端与b端联通，涡轮增压器压气机出气管的增压压力可直接从a端通过b端进入执行器，使增压压力最低，增压器和发动机处于较为安全的运行状态。

B、发动机性能标定：在发动机各工况点逐点标定每个工况点的脉冲调宽阀占空比值，发动机ECU依据增压压力值、压缩气体温度、节气门工作位置、发动机转速、发动机歧管排气温度、发动机排气总管氧含量参数通过控制模型计算得到对脉冲调宽阀进行控制的占空比信号MAP图。

C、发动机工况点的标定：通过调整脉冲调宽阀占空比信号MAP图的标定，得到设计所需的增压压力，实现增压压力的大小根据各工况需求进行柔性调整，最高压比控制在1.8～2.0范围，避免因增压压力过高引起发动机爆震，提高汽油发动机的动力性能和经济性能。

本发明与现有技术相比具有如下特点：

本发明提供的一种带有脉冲调宽阀的涡轮增压汽油发动机系统及通过脉冲调宽阀控制进入执行器增压压力的方法克服了上述现有技术存在的问题，在传统的采用废气旁通技术的涡轮增压汽油发动机系统中增加一个两位三通的脉冲调宽阀，并根据发动机ECU的标定数据得到非线性的占空比信号，再用占空比信号控制脉冲调宽阀，由脉冲调宽阀控制进入执行器的增压压力，使得放气阀门的开度可根据工况点的实际需求进行调节，从而控制涡轮增压器的转速，得到所需的增压压力，以达到涡轮增压器与发动机的良好匹配，满足了汽油发动机的动力性能和经济性能。

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。

附图说明

附图1为传统的采用废气旁通技术的涡轮增压汽油发动机系统示意图，附图中的空心箭头表示排气背压，实心箭头表示增压压力；

附图2为本实用新型提供的带有脉冲调宽阀的涡轮增压汽油发动机系统示意图，附图中的空心箭头表示排气背压，实心箭头表示增压压力；

附图3为不同占空比条件下，脉冲调宽阀b端输出压力（执行器控制压力）曲线图，附图中纵向为脉冲调宽阀b端输出的压力，横向为占空比；

附图4为两位三通脉冲调宽阀结构示意图，附图中a、b、c为两位三通脉冲调宽阀的三个气路接口， d为两位三通脉冲调宽阀电信号接口。

具体实施方式

一种带有脉冲调宽阀的涡轮增压汽油发动机系统，它包括涡轮增压器压气机进气管1、空气滤清器2、涡轮增压器压气机出气管3、中冷器4、节气门5、发动机进气歧管6、发动机燃烧室7、发动机排气歧管8、放气阀门9、发动机排气总管10、增压器涡轮箱11、涡轮转子13、执行器14和发动机ECU16。在涡轮废气进口处设有一个废气旁通孔12，放气阀门9安装在废气旁通孔12处，控制废气旁通孔12的废气流量。执行器14的进气口与涡轮增压器压气机出气管3相联，放气阀门9的开启、关闭由执行器14控制。

在涡轮增压汽油发动机系统中增加一个两位三通的脉冲调宽阀15，增加的两位三通脉冲调宽阀15有a、b、c三个气路接口和一个电信号接口d， a端气路接口与涡轮增压器压气机出气管3联通，b端气路接口与执行器进气口联通，c端气路接口与涡轮增压器压气机进气管1联通，电信号接口d与发动机ECU16信号输出端相联。发动机ECU16通过数据线与中冷压力传感器、中冷温度传感器、节气门位置传感器、发动机转速传感器、发动机排气温度传感器、发动机排气总管氧含量传感器相联。

采用脉冲调宽阀控制进入执行器增压压力的方法如下：

发动机ECU16通过接收中冷压力传感器、中冷温度传感器、节气门位置传感器、发动机转速传感器、发动机排气温度传感器、发动机排气总管氧含量传感器的检测信号17，再发送占空比信号到脉冲调宽阀15，控制进入执行器14的增压压力，达到废气旁通量的可调，控制涡轮增压器的转速，最终达到增压压力可根据发动机具体工况的需求进行柔性调整，避免因增压压力过高引起发动机爆震，提高汽油发动机的动力性能和经济性能。

当脉冲调宽阀15占空比信号为0%时，脉冲调宽阀15的c端堵塞，a端与b端联通，a端输入压力为79kPa，涡轮增压器压气机出气管3的增压压力是通过a端从b端进入执行器14，推动执行器推杆行程最大，此时，放气阀门9开度最大，旁通废气量较大。

当脉冲调宽阀15占空比信号为100%时，脉冲调宽阀15的a端堵塞，涡轮增压器压气机出气管3的增压压力不能进入b端，b端与c端联通，执行器14内原有的增压压力通过b端和端c泄出，执行器推杆回位，此时，放气阀门9关闭，废气不旁通。

当脉冲调宽阀15占空比信号为中间值时，与脉冲调宽阀15的a端相联的涡轮增压器压气机出气管3的增压压力按比例分配到b端进入执行器14，推动执行器推杆移动，此时，放气阀门9开度适中，旁通部分废气。

本实施例提供的控制汽油发动机涡轮增压器增压压力的方法还包括对基本增压压力的标定、发动机性能的标定和发动机工况点的标定，其具体操作步骤如下：

A、基本增压压力标定：做发动机外特性试验，确定发动机在各工况点的初始增压压力。将脉冲调宽阀15占空比信号设定为0%时，脉冲调宽阀15的c端堵塞，a端与b端联通，涡轮增压器压气机出气管3的增压压力可直接从a端通过b端进入执行器14，使增压压力最低，增压器和发动机处于较为安全的运行状态。

B、发动机性能标定：在发动机各工况点逐点标定每个工况点的脉冲调宽阀15占空比值，发动机ECU16依据增压压力值、压缩气体温度、节气门工作位置、发动机转速、发动机歧管排气温度、发动机排气总管氧含量参数通过控制模型计算得到对脉冲调宽阀15进行控制的占空比信号MAP图。

C、发动机工况点的标定：通过调整脉冲调宽阀15占空比信号MAP图的标定，得到设计所需的增压压力，实现增压压力的大小根据各工况需求进行柔性调整，最高压比控制在1.8～2.0范围，避免因增压压力过高引起发动机爆震，提高汽油发动机的动力性能和经济性能。

Claims (3)

1.一种带有脉冲调宽阀的涡轮增压汽油发动机系统，它包括涡轮增压器压气机进气管、空气滤清器、涡轮增压器压气机出气管、中冷器、节气门、发动机进气歧管、发动机燃烧室、发动机排气歧管、放气阀门、发动机排气总管、增压器涡轮箱、涡轮转子、执行器和发动机ECU，在涡轮废气进口处设有一个废气旁通孔，放气阀门安装在废气旁通孔处，控制废气旁通孔的废气流量，执行器的进气口与涡轮增压器压气机出气管相联，放气阀门的开启、关闭由执行器控制；其特征是：涡轮增压汽油发动机系统中增加一个两位三通的脉冲调宽阀，增加的两位三通脉冲调宽阀有a、b、c三个气路接口和一个电信号接口d， a端气路接口与涡轮增压器压气机出气管联通，b端气路接口与执行器进气口联通，c端气路接口与涡轮增压器压气机进气管联通，电信号接口d与发动机ECU信号输出端相联，ECU通过数据线与中冷压力传感器、中冷温度传感器、节气门位置传感器、发动机转速传感器、发动机排气温度传感器、发动机排气总管氧含量传感器相联。

2.一种采用脉冲调宽阀控制进入执行器增压压力的方法，其特征是：ECU通过接收中冷压力传感器、中冷温度传感器、节气门位置传感器、发动机转速传感器、发动机排气温度传感器、发动机排气总管氧含量传感器的检测信号，再发送占空比信号到脉冲调宽阀，控制进入执行器的增压压力，达到废气旁通量的可调，控制涡轮增压器的转速，最终达到增压压力可根据发动机具体工况的需求进行柔性调整，避免因增压压力过高引起发动机爆震，提高汽油发动机的动力性能和经济性能；

当脉冲调宽阀占空比信号为0%时，脉冲调宽阀的c端堵塞，a端与b端联通，a端输入压力为79kPa，涡轮增压器压气机出气管的增压压力是通过a端从b端进入执行器，推动执行器推杆行程最大，此时，放气阀门开度最大，旁通废气量较大；

当脉冲调宽阀占空比信号为100%时，脉冲调宽阀的a端堵塞，涡轮增压器压气机出气管的增压压力不能进入b端，b端与c端联通，执行器内原有的增压压力通过b端和端c泄出，执行器推杆回位，此时，放气阀门关闭，废气不旁通；

当脉冲调宽阀占空比信号为中间值时，与脉冲调宽阀的a端相联的涡轮增压器压气机出气管的增压压力按比例分配到b端进入执行器，推动执行器推杆移动，此时，放气阀门开度适中，旁通部分废气。

3.根据权利要求2所述的一种采用脉冲调宽阀控制进入执行器增压压力的方法，其特征是：它包括对基本增压压力的标定、发动机性能的标定和发动机工况点的标定，其具体操作步骤如下：

A、基本增压压力标定：做发动机外特性试验，确定发动机在各工况点的初始增压压力，将脉冲调宽阀占空比信号设定为0%时，脉冲调宽阀的c端堵塞，a端与b端联通，涡轮增压器压气机出气管的增压压力可直接从a端通过b端进入执行器，使增压压力最低，增压器和发动机处于较为安全的运行状态；

B、发动机性能标定：在发动机各工况点逐点标定每个工况点的脉冲调宽阀占空比值，ECU依据增压压力值、压缩气体温度、节气门工作位置、发动机转速、发动机歧管排气温度、发动机排气总管氧含量参数通过控制模型计算得到对脉冲调宽阀进行控制的占空比信号MAP图；

C、发动机工况点的标定：通过调整脉冲调宽阀占空比信号MAP图的标定，得到设计所需的增压压力，实现增压压力的大小根据各工况需求进行柔性调整，最高压比控制在1.8～2.0范围，避免因增压压力过高引起发动机爆震，提高汽油发动机的动力性能和经济性能。

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