CN102287290B - 用于最大化内燃机中的瞬时可变几何涡轮响应的方法 - Google Patents

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Abstract

用于最大化内燃机中的瞬时可变几何涡轮响应的方法。为最大化响应在瞬时操作过程中操作可变几何涡轮(VTG)的方法通过在可变几何涡轮的压力比率和效率曲线的平衡条件确定VTG面积操作以获得最大化功率。该方法包括涡轮进口压力、涡轮出口压力、涡轮每分钟转数、和其他用于测量涡轮质量流量的参数的测量。

Description

用于最大化内燃机中的瞬时可变几何涡轮响应的方法
技术领域
本发明涉及一种用于内燃机的可变几何涡轮增压机，更具体地，涉及一种用于此可变几何涡轮的控制方式。
背景技术
涡轮增压机在20世纪初由阿尔佛雷德·步琪(Alfred Buchi)博士首次提出。涡轮增压机或涡轮增压器，另以增加内燃机，更具体的是压燃式发动机的效率的先进理念知名。涡轮增压机包括涡轮，其由来自发动机的燃烧废弃物驱动进入旋转，并连接到用于将发动机的用于燃烧的进风施加比外界压力更高的压力的压
缩机。这种系统允许更高密度的配料，因此允许如此配置的发动机的更大给定输出。多年来，对应于瞬时操作员需求增量的涡轮机的缺陷被可变几何涡轮（VTG）解决。在这种安排中，可移动环或可变进口导流叶片可变地减少涡轮进口面积以提供进入涡轮的较低流通面积，并且因此提供较高气流速率，其接着作用于涡轮以增加压缩机的功率、响应于操作员需求的阶梯增量。
基于压燃式发动机功率和效率的主要操作参数使得增加功率的要求复杂化。排放要求一般意味着发动机的加速度是限烟的，更确切地说，燃料供应不能超过涉及产生颗粒状烟的有效空气流的量。这样的要求以避免烟的方式改变用于控制可变几何涡轮的机制和控制方式。然而，这种控制方式在可变几何涡轮在限烟形势上的响应性上存在许多地方期望待解决。
相应地，本领域需要的是用于可变几何涡轮的控制系统，其最大化到需求或涡轮功率输出中的瞬时增量的响应。
发明内容
本发明的一种形式是用于操作员控制的、空气呼吸的、燃料消耗的、压缩点火的内燃机的控制涡轮增压器的可变几何涡轮（VTG）的方法，具有操作员控制的燃料速率和最大可允许的燃料供应速率，以提供最大瞬时响应。该方法包括确定操作员控制的燃料供应速率是否超过最大允许燃料供应速率的步骤。该方法进一步包括计算作为所述VTG面积的函数的涡轮的压力比率，和计算作为VTG面积的函数的涡轮效率，确定压力比率和效率之间的平衡条件，并命令VTG面积作为平衡条件的直接函数。
在一个更具体的形式中，该方法包括确定瞬时涡轮机质量流量速率（W）、以及确定瞬时涡轮机进口温度（Ti）、以及确定涡轮机出口压力（Po）以计算所述压力比率和涡轮效率的平衡条件。
附图说明
通过参考本发明实施方式连同附图，能够更清楚本发明的上述内容、其他特征和优势、与获得他们的方式，以及更好的理解本发明：
图1是包括体现本发明的内燃机的工作机器的示意图；
图2A、2B、2C表示作为VTG面积的函数的变几何操作参数；
图3示出VTG面积和发动机操作参数之间关系的3D表示法；
图4是获得最大响应的操作涡轮进口面积的一个模式；以及
图5是本发明控制方法的逻辑框图的流程图。
相应参考标号表示所有图中的对应部件。此处列举的示例显示本发明的一个实施方式，并且在任何情况下不能将这些示例理解为限制本发明的范围。
具体实施方案
现在请参照附图，尤其是图1，示出一种工作机械10，其具有压燃式内燃机12形式的原动机12，其通过输出轴14向功率分配器16提供旋转功率输出，功率分配器16在机械10内提供工作函数以及通过机械互联装置18向地面驱动轮20提供地面移动。工作机械10可以具有影响瞬时功率增量需要的多种旋转负荷要求。这样的例子是当工业机械10穿越田地时联合收割作业和流程作业的开始。另一个例子可以是林业机械，其具有即时结合以移动树木的锯或爪钩，并且因此要求功率输出的显著增加。又一个例子是在内燃机12驱动的发生器上强加电力负荷。
内燃机12优选的是压缩点火、或柴油发动机，其中用于燃烧的空气被压缩到注入燃料的燃点提供燃烧和输出功。发动机12具有曲轴箱22（未图示），若干活塞相反地安装于其中并连接到延伸至输出轴14的曲柄轴。活塞形成接收用于燃烧的空气的燃烧室，且在发动机循环中在合适时间以合适的量通过燃料系统24进入各个气缸的注入燃料提供燃烧，该燃烧达到发动机输出需求同时满足排放要求、燃料效率、以及功率输出。
燃料系统24可以是多个燃料系统中的一个，此多个燃料系统包括在其中喷射器处产生压力的组合式喷射器、在其中别处产生压力并分配到各个喷射器的分配泵、或者最近的高压共轨式燃料系统，在高压共轨式燃料系统中，存在于邻近喷射器和合适控制阀的共歧管的高压执行根据控制参数喷射燃料的功能。
燃料系统24通过管路28接受来自电子控制单元（ECU）26的控制输入。虽然管路28显示为单根管路，应当注意的是在ECU和燃料系统之间也可以有多个互联装置并且为其控制功能可以向ECU26提供额外的发动机操作参数。
当发动机的各自气缸完成燃烧循环，气体产物通过合适排气阀排出到排气歧管30和排气管路32直至涡轮增压器38的涡轮36的可变面积进口。如前面所述，可变面积装置34控制到涡轮36的进口面积，以增加或减少进入涡轮进口的排除气体流的速率。用于涡轮的可变面积进口可以采用相互邻近的一系列圆周设置的可变进口导流叶片的形式，从而叶片的同步枢转产生向涡轮方向的大或小的气体流通面积。另一个这种可变面积进口34采用可移动环的形式，其被朝向或远离固定环状表面放置，以控制涡轮36的进口面积。这样的系统在适当情况下可以包括槽片或者是平板。穿过涡轮36的燃烧产物通过排出管路40排到外界A。虽然未图示，在适当情况下，多种排放后处理装置可以适当包括在管路40或者甚至是管路36中，以过滤颗粒并最小化或减少氮的氧化物。
涡轮增压器涡轮36产生通过互联轴40结合到压缩机42的旋转功率输出以接受来自进口管路44的外界空气A，以借助压缩机42的旋转压缩空气。进口管路44具有常规过滤机制以确保发动机消耗的空气没有有害外来杂质。来自压缩机42的输出通过管路46到二次冷却器48，也称为中间冷却器，以冷却来自压缩机42的被加压负荷，并且由此增大其密度以向发动机提供额外功率。二次冷却器48可以是对散热板使用发动机冷却液的气-液型，或者优选的，在其中使用外界空气A以提供更大冷却的气-气型二次冷却器。来自二次冷却器48的输出经过管路50到达进口歧管52，空气通过合适的阀机制分配到发动机气缸以完成发动机循环。
发动机12也可以具有排出气体再循环（EGR），其中在互联排出管路32到吸入管路46的管路56之间设置阀。借助于被加热的EGR气体，排出气体再循环优选地被冷却，以最小化到发动机12的负荷密度的减少量。
优选地，发动机12功能的控制集成到ECU 26中。为了这一目的，燃料系统24、EGR阀54、以及可变面积进口24由分别通过管路28、管路58、和管路60由来自ECU的信号输入控制。ECU同样接收经过管路64的来自装置62的作为操作员命令（或OC）的命令输入。这些控制可以是动力杆、管理增量、加速器踏板、或者额外负载输入的产生。
不论用于增加功率要求的源，ECU26产生信号给燃料系统24以增加燃料供应。在发动机系统中，燃料供应几乎是即时完成且容易超过发动机接收与燃料匹配的空气而不会产生烟（一种通称为过度燃料供应）的能力。最大燃料供应一般决定于选择的发动机操作参数并控制能够增加到发动机的燃料供应的绝对值。在以前，这导致不成熟地通过VTG控制限制涡轮机的加速以加速或增加功率的尝试。
根据本发明，VTG的几何图形以保留在注入限制内的方式变化，但是在限制烟的状况中提供对于在瞬时条件期间的可变几何涡轮的增加的响应。如图2A、2B、2C所示，控制方法涉及涡轮36的变化面积进口34，作为变化面积装置34的闭合小部件的函数，增加图2A中沿曲线66的压力比率，曲线66示出当面积减小时压力比率增加。不过，图2B示出涡轮的效率（作为面积小部件的函数）如曲线68所示减少。当压力比率和效率平衡时，对于给定条件的操作参数，有一个涡轮进口面积使功率最大化。由点70显示的条件最大化涡轮功率，其是超出压缩机功率要求和旋转惯性因子的可用功率的过量部分。如图2C所示，对于峰值功率的变化面积位置可以由曲线图2C限定，其中功率被显示为VTG面积的函数且对于给定条件的峰值功率的最大值在约70。应当注意的是，因为压力比率和效率在不同的单元，因此没有文字交集。但是，能够为VTG发现最理想的面积。
有许多方式确定最理想的VTG面积。一种方式是利用与图3中所示相似的涡轮图，其中Y轴显示作为质量流量和每分钟转数中的新增速度的函数的峰值功率的VTG面积。这显示产生最大功率的最理想VTG面积符合基于流量条件的位置。流量条件是涡轮质量流量速度W、涡轮进口温度、每分钟转数的新增速度、以及出口压力。
确定最理想VTG面积的另一种方法显示在图4中，VTG面积的控制可以变窄到单一曲线，其中最理想VTG面积在Y轴上显示，流量参数在X轴上显示。流量参数由涡轮质量流量速率、进口温度和进口压力组成。
为得到这些测量，系统具有分别确定涡轮进口温度和压力的传感器72、74。传感器72、74分别通过管路76、78连接到ECU26。额外的传感器80确认涡轮排气压力并通过管路82连接到ECU26。额外的传感器84确定涡轮速度（每分钟转数）并通过管路（未图示，以简化附图）将其传送到ECU26。
图5显示上述阐明的控制系统的流程逻辑。在步骤102，经过操作员控制62的需求燃料供应与ECU26中逻辑表设定的最大燃料供应相对比。如果结果是步骤104的需求燃料供应大于最大燃料供应，则在步骤106读取传感器。在步骤108，使用传感器任意组合，以估计或确定涡轮进口温度、涡轮机质量流量、和涡轮机进口压力，计算涡轮机质量流量。例如，来自涡轮压缩机42的新空气测量和来自燃料供应系统24的估计燃料供应与涡轮进口温度和压力的直接测量一起可以被用于计算涡轮质量流量。当确定涡轮流量时，最理想VTG位置可以在图4中的曲线或图3中的步骤110中查找。在步骤112中，通过管路60向可变面积进口34发布命令以获得合适的VTG面积。
这样的逻辑允许涡轮进口面积在产生最理想功率的水平，其接着转移到在压缩机输出压力中的更快加速度和增量的响应。不同于现有的控制方案，或者保守地限制面积的减小到非必要的高开口，或者太多地减小面积，其具有产生较少功率的无意识的效果，上述方法提供在顶点处精确的开口、在顶点处压力比率和效率平衡以获得最大涡轮功率。
即使本发明已经描述最后一个实施方式时，在披露的精神和范围内本发明可以做进一步的修改。因此本申请意味着涵盖所有变化、运用、使用其一般规则的本发明的适应性改变。进一步而言，本发明也意味着涵盖本发明的这种偏离，其在本领域已知或通常实践中的与本发明相关并落入本发明权利要求的限制之内。

Claims (9)

1.一种用于控制操作员控制的、吸气式、燃料消耗的、压缩点火的内燃机的涡轮增压器的可变几何涡轮（VTG）的方法，该涡轮具有一可变面积进口并产生一压力比率，该内燃机具有操作员控制的燃料速率和最大允许的燃料供应速率，以产生最大瞬时响应，所述方法包括以下步骤：
确定操作员控制的燃料供应速率是否超过所述最大允许的燃料供应速率；
计算作为所述VTG的进口面积的函数的所述涡轮的压力比率，计算作为所述VTG的进口面积的函数的涡轮效率，确定压力比率和效率之间的平衡条件并命令所述VTG的进口面积作为所述平衡条件的一直接函数。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述计算步骤包括确定瞬时涡轮质量流量速率（W）、确定瞬时涡轮机进口温度（Ti）、确定涡轮机出口压力（Po），并使用所述W、Ti和Po值计算所述压力比率和涡轮效率的所述平衡条件。
3.如权利要求2所述的方法，其中提供一查找表以确定权利要求2中做的计算。
4.如权利要求2所述的方法，其中所述W、Ti和Po的曲线的交集由作为流量参数函数的表示VTG的进口面积的单曲线限定。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述流量参数是涡轮质量流量速率（W）乘以涡轮机进口温度的平方根除以所述涡轮进口压力。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述内燃机具有排出气体再循环（EGR）并且所述 VTG作为EGR控制策略的一部分被控制。
7.如权利要求2所述的方法，包括估计涡轮机质量流量、涡轮机进口温度和涡轮机进口压力的步骤。
8.如权利要求7所述的方法，其中流到所述内燃机的新空气是加上估计的燃料供应测量的以计算涡轮质量流量速率（W）。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述内燃机为一功率输出为阶梯增量的工作机械提供动力，并且所述方法产生最大响应。
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