CN102400775B - 用于控制内燃机的涡轮增压器装置的方法以及涡轮增压器装置 - Google Patents

用于控制内燃机的涡轮增压器装置的方法以及涡轮增压器装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于控制内燃机(1)的涡轮增压器装置(2)的方法，该涡轮增压器装置(2)包括带有第一旁通阀(13)的至少一个高压排气涡轮机(6)和带有第二旁通阀(14)的至少一个低压排气涡轮机(10)，其中第一旁通阀和第二旁通阀(13、14)是连续可变的并且基于涡轮机模型进行控制。本发明还涉及一种涡轮增压器装置(2)。

Description

用于控制内燃机的涡轮增压器装置的方法以及涡轮增压器 装置
技术领域
本发明涉及一种用于控制内燃机的涡轮增压器装置的方法，并且涉及一种涡轮增压器装置。
背景技术
内燃机特别是柴油发动机和火花点火式发动机越来越多地设有涡轮增压器。涡轮增压器用于压缩向发动机供给的空气，由此能够实现功率增加。反言之，通过立体容积较小的涡轮增压发动机能够获得预先确定的功率输出，由此能够获得较小且较轻的构造以及更节省燃油的推进装置。
这种类型的涡轮增压器通常由内燃机的排气流驱动。为此，涡轮增压器具有布置在排气流中的涡轮机。涡轮增压器(具体地经由公共轴)驱动用于压缩发动机的进气的压缩机。
当两个涡轮增压器与内燃机一起使用时，两个涡轮机可以(特别是相继地)布置在内燃机的排气流中，使得这两个涡轮机中的一个工作在较高压力的区域中，其被称作高压涡轮机，而另一个涡轮机工作在较低压力的区域中，其被称作低压涡轮机。同样地，两个压缩机可以相继地布置在进气流中，使得能够由高压涡轮机驱动的压缩机工作在较高压力的区域中并且被称作高压压缩机，而能够由低压涡轮机驱动的另一个压缩机连接在高压压缩机的上游并且被称作低压压缩机。
通过使多个涡轮增压器与内燃机一起使用，可以获得改进的节气门响应以及较高的比功率，主要是因为通常构造得较小的高压涡轮机响应更快。另一方面，使用低压涡轮机以获得最大功率。此外，因为高压涡轮机产生较高的排气背压而可以增加排气再循环，因此具有多个涡轮增压器的涡轮增压器装置提供了具有排气再循环系统的优点。
为了控制涡轮机并因此控制进气压力，设有旁通阀，这些旁通阀布置在排气系统的与相应的涡轮机并行的支路中，从而使排气可以从相关的涡轮机的旁路通过。如果关闭旁通阀，排气流经相应的涡轮机，由此驱动涡轮机。如果旁通阀是打开的，排气流经与涡轮机并行连接的支路，这样实际上不再驱动涡轮机。
对于已知的涡轮增压器装置而言，旁通阀是仅具有两个位置的简单阀的形式，通过这些旁通阀，与涡轮机并行的支路基本上只能够被打开或者关闭。对于已知的用于控制这样的涡轮增压器装置的方法而言，在内燃机的低速或者低转矩时，关闭低压涡轮机的旁通阀，同时通过打开或者关闭旁通阀而对高压涡轮机进行控制，由此调节进气压力。在较高的发动机速度或较高转矩时，高压涡轮机的旁通阀完全打开，同时通过打开或者关闭低压涡轮机的旁通阀对进气压力进行调节。此外，可以设有第三旁通阀(压缩机旁通阀)，该第三旁通阀布置在进气系统的与高压压缩机并行的支路中。在内燃机的低速或者低转矩时关闭压缩机旁通阀，而在较高的发动机速度或者较高转矩时打开压缩机旁通阀。
然而，通过这些装置不可能获得涡轮增压器装置的操作的最佳模式。特别地，不可能获得在内燃机的各个工作点处涡轮增压器装置能够以最佳涡轮机效率操作的操作模式。
发明内容
本发明的目的是指出一种用于控制内燃机的涡轮增压器装置的方法，以及一种内燃机的涡轮增压器装置，由此可以改善涡轮增压器装置的操作模式，特别是关于涡轮机效率最优化的操作模式。
该目的通过如在独立权利要求中所描述的方法和涡轮增压器装置得以实现。
根据本发明的用于控制内燃机的涡轮增压器装置的方法涉及涡轮增压器装置，该涡轮增压器装置包括带有第一旁通阀的至少一个高压排气涡轮机和带有第二旁通阀的至少一个低压排气涡轮机。在这种情况下，低压排气涡轮机具体布置在排气流中高压排气涡轮机的下游。旁通阀布置在排气系统的与相应涡轮机并行的支路中，并且使排气流可以从相关涡轮机的旁路通过。每个旁通阀还可以是具有多个单体阀的阀装置的形式。
根据本发明，第一旁通阀和第二旁通阀是连续可变的；即，可以将它们调节至在关闭和打开状态之间的恒定可选的中间位置。还可以将旁通阀调节至多个不连续的中间位置，在本发明的上下文中，这也被理解为表示连续可变。
通过旁通阀的适当开启来调节排气流中用于驱动排气涡轮机的部分。具体地，关闭旁通阀，全部排气流能够通过相应的涡轮机，而部分打开旁通阀，仅部分排气流通过涡轮机，另外，完全打开旁通阀，排气流中没有或者仅非常少的一部分通过涡轮机。因此，能够通过旁通阀的位置来控制压缩机的转速，并因此控制内燃机的进气压力，其中压缩机由相关的排气涡轮机驱动。
基于涡轮机模型实现对第一旁通阀和第二旁通阀的控制。这样的涡轮机模型是涡轮机的工况的数学模型，其还可以包括与相应的涡轮机相关联的压缩机的特性以及涡轮增压器装置的可选的其它特性。具体地，这样的模型可以向独立输入变量的每个组合赋予用于调节旁通阀的值。根据该模型的细节设计的程度，还可以进行插值。该模型还可以直接提供用于调节旁通阀的对应的命令，这些命令考虑到例如体积流取决于阀位置。
因为第一旁通阀和第二旁通阀是连续可变的并且基于涡轮机模型而受到控制，因此能够总是根据内燃机的不同工作点处的最佳操作模式对涡轮增压器装置进行控制。
具体地，以在内燃机的不同工作点处或者每个工作点处使涡轮机效率或者排气涡轮机的效率在各种情况下均处于最大化的方式，可以对第一旁通阀和第二旁通阀进行控制。由此可以实现内燃机和涡轮增压器装置的尤其燃料节省操作，以及关于响应行为和关于排气与噪音排放得到优化的操作。
特别有利的是，以针对内燃机的每个工作点使涡轮机效率最大化或者使高压和低压排气涡轮机的效率的乘积最大化的方式，可以控制高压排气涡轮机的旁通阀和低压排气涡轮机的旁通阀。由此获得内燃机和涡轮增压器装置的进一步优化操作。
用于控制旁通阀的涡轮机模型具体地可以是多维输入-输出图谱，在该图谱中根据内燃机的实际工作点示出了旁通阀的相应位置，这可以通过例如内燃机的速度和负荷或转矩进行确定。因此可以对涡轮增压器装置进行如下控制，在各种情况下在内燃机的大量可能的操作条件下均得到优化。
作为选择地或者另外地，涡轮机模型可以根据排气涡轮机的压力比、总压力比确定旁通阀的位置，其中排气涡轮机的压力比是高压和/或低压排气涡轮机的进口压力与出口压力的比，总压力比是高压排气涡轮机的进口压力与低压排气涡轮机的出口压力的比，并且还可以用作输入变量。同样作为选择地或者另外地，用于控制旁通阀的涡轮机模型可以根据高压和/或低压排气涡轮机的转速确定旁通阀的位置。为此，可以设有高压或低压排气涡轮机的转速传感器，传感器的信号用作输入变量。因为利用涡轮增压器装置的操作参数来控制旁通阀，因此对排气涡轮机进行特别精确的控制或调节成为可能。
根据本发明的优选实施方式，根据内燃机的进气压力对旁通阀中的一个进行控制。具体地，在闭环控制回路中以获得进气压力的基准值的方式控制第一旁通阀或第二旁通阀的位置，其中，根据内燃机的操作参数确定该进气压力的基准值，而这两个旁通阀中相应的另一个并不包含在该控制回路中，其位置仅基于涡轮机模型进行确定。这样，在任何时候都能够通过简单的控制系统获得高质量的燃烧，由此实现了内燃机的针对燃料消耗和有害排放特别有利的操作模式。
特别优选的是，在内燃机的低速和/或低负荷时，根据进气压力控制第一旁通阀的位置，而在内燃机的较高速度和/或较高负荷时，第二旁通阀被用来控制进气压力。具体地，排气涡轮机的旁通阀在闭环控制回路中操作，其中进气压力可以取决于进气流中的压力或者取决于进气流中压力致动阀例如高压压缩机的第三旁通阀的位置。当超过或者未达到极限压力时，可能会发生控制回路适当切换至相应的另一个旁通阀的现象。
根据本发明的内燃机的涡轮增压器装置包括带有第一旁通阀的至少一个高压排气涡轮机和带有第二旁通阀的至少一个低压排气涡轮机，其中第二旁通阀相对于排气流布置在高压排气涡轮机的下游。旁通阀在各种情况下均被布置成可以使排气流从相应的排气涡轮机的支路通过。具体地，高压排气涡轮机驱动高压压缩机，低压排气涡轮机驱动低压压缩机，该低压压缩机相对于进气流布置在高压压缩机的上游。
根据本发明，第一旁通阀和第二旁通阀是连续可变的，即，可以将它们调节至在关闭和打开状态之间的恒定可选的中间位置。在本发明的上下文中，“连续可变”的表达还包括对多个不连续的中间位置的可调节性。例如，旁通阀可以是比例阀的形式。此外，旁通阀关于诸如响应时间、准确性、持久性、迟滞性等其它特性优选地适于在排气系统中使用的要求。
因为第一旁通阀和第二旁通阀在完全打开位置和完全关闭位置之间可以具有多个、具体是任何所需数量的中间位置，因此排气流不仅可以全部而且可以部分地从高压和/或低压排气涡轮机的旁路通过。为此，能够以在各种情况下在内燃机或者涡轮增压器装置的不同操作点处可以获得最佳操作模式的方式开启旁通阀。具体地，能够开启旁通阀以使涡轮机效率最大化，或者使高压涡轮机和低压涡轮机的涡轮机效率的乘积最大化。
根据优选实施方式，涡轮增压器装置包括与高压压缩机相关联的第三旁通阀。这使进气流可以从高压压缩机的旁路通过。第三旁通阀可以是主动地开启的，或者可以是被动地由进气系统中的压力致动的。具体地，第三旁通阀可以设置成其仅具有关闭位置和打开位置。第三旁通阀使涡轮增压器装置的进一步优化操作模式成为可能，特别是在较高转速或者在较高的负荷要求下。
优选地，高压和/或低压排气涡轮机具有转速传感器。因此，相关的排气涡轮机的转速能够被检测并且能够用于控制或者调节涡轮增压器装置。因为在进口压力与出口压力的压力比处涡轮机效率达到其最大值，并且涡轮机效率取决于涡轮机的转速，因此能够以涡轮机效率总是在最大值的方式控制高压涡轮增压器或者低压涡轮增压器的转速。
此外，内燃机可以具有排气再循环系统。排气再循环尤其有利于减少有害排放。因为再循环的排气流可以取决于由高压和/或低压排气涡轮机产生的背压，因此如果适用，则可以在用于控制旁通阀的涡轮机模型中考虑背压的影响。
用于启动内燃机的涡轮增压器装置的控制装置具体包括用于根据涡轮机模型确定旁通阀的位置的处理器装置、用于存储涡轮机模型的存储装置和用于根据确定的位置开启旁通阀的控制装置，该处理器装置被设置成执行根据本发明的方法。此外，控制装置包括用于捕获输入变量的合适的输入，例如内燃机的转速和负荷、高压涡轮机和低压涡轮机的进口压力和出口压力和/或高压涡轮机和低压涡轮机的转速。此外，控制装置包括用于开启高压涡轮机和低压涡轮机的旁通阀、可选的第三旁通阀和/或其它致动构件的输出。控制装置具体地可以是电子发动机管理系统的一部分。
附图说明
下面参照附图以示例性方式更详细地解释本发明，在附图中：
图1是根据本发明的带有涡轮增压器装置的内燃机的简化框图；
图2在简图中示出了随压力比变化的涡轮机效率；
图3是示出根据本发明的方法的示例性实施方式的顺序的流程图。
具体实施方式
根据本发明在图1中所示的示例性实施方式，内燃机1具有包括高压涡轮增压器3和低压涡轮增压器4的涡轮增压器装置2，内燃机1可以是例如火花点火式发动机或者柴油发动机。高压涡轮机6布置在内燃机1的排气系统5中，高压涡轮机6经由轴7驱动内燃机1的进气系统9中的高压压缩机8。低压涡轮机10布置在排气系统5中高压涡轮机6的下游，低压涡轮机10经由轴11驱动低压压缩机12。通常，如图1中所示，高压涡轮增压器3的涡轮机和压缩机的尺寸小于低压涡轮增压器4的涡轮机和压缩机的尺寸。
第一旁通阀13(也被称作涡轮机阀，TBV)与高压涡轮机6相关联，旁通阀13的完全或者部分打开产生使排气流完全或者部分绕过高压涡轮机6的旁路。因此，能够通过第一旁通阀13的位置控制高压涡轮机6的驱动，并因此控制高压涡轮增压器3的驱动。相应地，第二旁通阀14(排泄阀，WG)与低压涡轮机10相关联，能够通过第二旁通阀14控制低压涡轮增压器4。因此，排气流首先通过高压涡轮机6或者第一旁通阀13，再通过低压涡轮机10或者第二旁通阀14，然后被引入排气系统的其它装置中(图1中箭头指向下所示的)，例如被引入排气后处理系统。
进气首先沿箭头指向上的方向流经低压压缩机12。然后，在供给至内燃机1之前，进气能够流经高压压缩机8或者经由旁路绕过该高压压缩机，其中该旁路由第三旁通阀15(压缩机旁通阀，CBV)打开或者关闭。具体地，第三旁通阀可以在进气系统9中的压力作用下被动地致动，或者可以主动地开启。进气流量或者进气压力可以通过图1中象征性地描绘的传感器16进行测量。未在图1中示出可选的排气再循环系统。
在涡轮机的给定转速下，排气涡轮机的效率或者涡轮机效率η具体取决于进口压力与出口压力的比，这能够通过与相应涡轮机相关联的旁通阀的位置进行控制。然而，高压排气涡轮机6的涡轮机效率ηHP或者低压排气涡轮机的涡轮机效率ηLP达到最大值时的压力比主要取决于涡轮机的转速，并且在高压排气涡轮机6的情况下与在低压排气涡轮机10的情况下是不同的，通常，高压排气涡轮机6中的压力比大于低压排气涡轮机10中的压力比。此外，达到最大涡轮机效率的最佳压力比取决于内燃机1的操作参数，具体地取决于发动机的速度N和基准转矩M。
在图2中，象征性地描绘了涡轮机效率的乘积ηHP×ηLP。由于图2中所描绘的曲线17在中间区域18是浅平的，因此当在该区域中调节压力比时，总是可以获得最佳效率的近似值。能够为内燃机的每个操作点确定出这样的带有最佳区域18的曲线17(所述操作点具体地通过转速N和负荷或基准转矩M产生)，并且其能够以校准的形式存储在涡轮机模型内。在这种情况下，还可以考虑诸如排气涡轮机6、10的转速等其它参数，这些参数能够由传感器检测到。还可以考虑在高压排气涡轮机6的进口压力与低压涡轮机10的出口压力之间的总压力比。
为了实现涡轮增压器装置的最佳控制，在操作过程中参照涡轮机模型，并且基于与图2中的图对应的曲线确定出随着输入变量(具体为发动机转速N和参考转矩M)而变化的压力比的最佳点或者最佳范围，以及确定出与该最佳点或者最佳范围对应的两个旁通阀的调节.
如图3中所示，可以另外通过在各种情况下在闭环控制回路中控制一个旁通阀的位置、同时包括对进气压力的控制来实现最优化。在图3中所描述的方法的第一步骤中，确定与高压压缩机8相关联的第三旁通阀15(CBV)是打开的还是关闭的。该阀可以是例如压力致动的，并且通过它的位置表明出现的是较高转速或较高负荷(CBV打开)的情况还是低转速或低负荷(CBV关闭)的情况。根据第三旁通阀15的位置，运行该方法的第一分支程序或者第二分支程序。
在两个分支程序中，首先进行上述第一旁通阀(TBV)和第二旁通阀(WG)的位置确定。如果第三旁通阀是打开的，那么根据该方法的第一分支程序，基于由传感器16确定的进气压力的值，与低压涡轮机10相关联的第二旁通阀14用于控制进气压力，将修正值WG1CL(闭环回路)与第一步骤中确定的值WG1相加。在接下来的步骤中，根据以同样方式确定的值WG1*开启第二旁通阀14。根据先前确定的值TBV1开启第一旁通阀13。在该方法的第二分支程序中，第二分支程序在第三旁通阀15(CBV)处于关闭位置的情况下运行，以用于进气压力控制回路的对应方式使用第一旁通阀13，其中在相应地开启第一旁通阀和第二旁通阀之前，通过基于进气压力确定的修正值TBV2CL对第一步骤中确定的TBV2进行修正。然后，结束或者重复该方法。
附图标记列表
1 内燃机
2 涡轮增压器装置
3 高压涡轮增压器
4 低压涡轮增压器
5 排气系统
6 高压排气涡轮机
7 轴
8 高压压缩机
9 进气系统
10 低压排气涡轮机
11 轴
12 低压压缩机
13 旁通阀
14 旁通阀
15 旁通阀
16 传感器
17 曲线
18 区域

Claims (9)

1.一种用于控制内燃机(1)的涡轮增压器装置(2)的方法，所述涡轮增压器装置(2)包括带有第一旁通阀(13)的至少一个高压排气涡轮机(6)和带有第二旁通阀(14)的至少一个低压排气涡轮机(10)，其中
所述第一旁通阀(13)和所述第二旁通阀(14)是连续可变的并且基于涡轮机模型被控制，并且调节所述第一旁通阀或所述第二旁通阀中的一者，同时维持所述第一旁通阀或所述第二旁通阀中的另一者的设定位置以控制进气压力，其中所述设定位置基于所述涡轮机模型被确定，并且响应于压缩机旁通阀的打开位置或关闭位置，确定所述第一旁通阀或所述第二旁通阀被维持在所述设定位置。
2.如权利要求1所述的方法，其中，以涡轮机效率为最大值的方式控制所述第一旁通阀(13)和所述第二旁通阀(14)。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述高压排气涡轮机(6)的涡轮机效率ηHP与所述低压排气涡轮机(10)的涡轮机效率ηLP的乘积为最大值。
4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，根据所述内燃机(1)的工作点、和/或所述高压排气涡轮机(6)和/或所述低压排气涡轮机(10)的进口压力与出口压力的比、和/或所述高压排气涡轮机(6)和/或所述低压排气涡轮机(10)的转速，对所述第一旁通阀(13)和所述第二旁通阀(14)进行控制。
5.如权利要求4所述的方法，其中，根据所述内燃机(1)的进气压力对所述第一旁通阀(13)或者所述第二旁通阀(14)进行控制。
6.如权利要求5所述的方法，其中，在所述内燃机(1)的低速和/或低负荷时，根据所述进气压力对所述第一旁通阀(13)进行控制，并且在所述内燃机(1)的较高速度和/或较高负荷时，根据所述进气压力对所述第二旁通阀(14)进行控制。
7.一种内燃机(1)的涡轮增压器装置(2)，其包括带有第一旁通阀(13)的至少一个高压排气涡轮机(6)和带有第二旁通阀(14)的至少一个低压排气涡轮机(10)，所述低压排气涡轮机(10)连接在排气流中所述高压排气涡轮机(6)的下游，所述高压排气涡轮机(6)驱动高压压缩机(8)，并且所述低压排气涡轮机(10)驱动低压压缩机(12)，所述低压压缩机(12)连接在进气流中所述高压压缩机(8)的上游，并且压缩机旁通阀旁通所述高压压缩机，其中
所述第一旁通阀(13)和所述第二旁通阀(14)是连续可变的，调节所述第一旁通阀或所述第二旁通阀中的一者，同时维持所述第一旁通阀或所述第二旁通阀中的另一者的设定位置以控制进气压力，其中所述设定位置基于涡轮机模型被确定，并且响应于所述压缩机旁通阀的打开位置或关闭位置，确定所述第一旁通阀或所述第二旁通阀被维持在所述设定位置。
8.如权利要求7所述的涡轮增压器装置，其中，所述高压排气涡轮机(6)和/或所述低压排气涡轮机(10)具有转速传感器。
9.如权利要求7至8中任一项所述的涡轮增压器装置，其中，所述内燃机(1)具有排气再循环系统。
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