CN102635436A - 用于控制压缩机的运行的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于控制涡轮增压器的压缩机的方法。在一个示例中，该方法包括基于压缩机出口温度与运行时间的函数改变最大许用压缩机出口温度，以及控制所述压缩机的运行以便不超过最大许用压缩机出口温度。这样在压缩机的早期寿命期间能够安全地使用较高增压压力，但在压缩机寿命后期压缩机过量焦化导致的效率损失被减少。

Description

用于控制压缩机的运行的方法

相关申请

本申请要求于2011年2月10日提交的英国专利申请No.1102342.1的优先权，为了所有目的将其全部内容通过引用结合于此。

技术领域

本公开涉及增压发动机系统，并且特别涉及用于控制形成此种系统的一部分的压缩机的方法。

背景技术

已知使用由排气驱动的涡轮增压器或机械增压器来改进柴油发动机的扭矩和排放性能。对于强力增压的柴油发动机，无论是机械增压还是涡轮增压，该增压器的压缩机的出口温度(T_comp-out)都通常是确定最大许用增压水平的限制因素。存在许多因素来确定极限T_comp-out，例如用于制造发动机的进气歧管的材料，但通常这些因素中最起码的因素与压缩机焦化有关，该压缩机焦化是由高温时通过压缩机的发动机窜漏气体所引起的。焦化逐渐降低压缩机效率，从而导致较高的进气温度、增大的泵浦损失和更高的涡轮增压器转速。

因此已知为了防止这种焦化，最大许用T_comp-out以及因此的增压压力和最大功率都被限制在能够达到水平之下，并且T_comp-out正成为对由发动机能输送的最大功率和扭矩的约束。

例如，JP2005/180362公开了一种方法和设备，其中电子控制单元执行包括以下步骤的程序：检测排放的空气温度TC的步骤、判断排放的空气温度TC是否高于预定温度TC(1)的步骤以及当排放的空气温度TC高于预定温度TC(1)时通过降低机械增压压力来降低排放的空气温度TC的步骤。预定温度TC(1)是低于涡轮增压器中发生焦化时的温度的温度。

此种控制方法是不利的，因为对于大多数客车用户来说，在与最大许用压缩机出口温度相关的工况下运行的时间比例非常小。这是由于最大许用压缩机出口温度T_{comp_out_limit}通常只关联于当在温暖的环境温度下接近发动机最大额定功率运行发动机时。因此对于这些用户来说，固定的T_{comp_out_limit}是对发动机的可用性能的不必要的限制。

发明内容

本发明人已经认识到上述方法的问题并且在此提供了至少部分解决它们的方法。在一个实施例中，用于控制被设置为供应增压空气至发动机的压缩机的运行的方法包括：基于压缩机出口温度与运行时间的函数改变最大许用压缩机出口温度，以及控制压缩机的运行以便不超过该最大许用压缩机出口温度。

在一个示例中，最大许用压缩机出口温度可以基于压缩机在高于阈值的各温度处已经运行的时间量。因此，压缩机可以运行的温度可以不仅受限于预设最大温度，而是实际上受限于在压缩机的整个寿命期间的波动，以便最大化压缩机可能花费在相对高的运行温度时的时间，由此最大化增压压力且增加发动机效率。

当单独或结合附图阅读时，上述优点和其他优点以及本发明的特征将从下面的具体实施方式中变得明显。

应当明白，以上概要是用于以简化形式引入在具体实施方式中更详细描述的方案选择。并不打算指明所要求保护的主体的关键或本质特征，其范围由所附权利要求独一无二地限定。此外，要求保护的主体不限于解决在上面或本公开的任何部分提到的任何缺点的实施方式。

附图说明

图1是根据本公开的一个实施例的增压发动机系统的方框图。

图2是根据本公开的用于控制增压器的方法的简化流程图。

图3是由形成图1所示发动机系统的一部分的电子控制单元来执行的控制例程的示意图。

图4是示出压缩机出口温度、时间和压缩机效率之间的关系的图表。

图5是示出根据本公开的实施例的用于控制涡轮增压器的方法的流程图。

具体实施方式

本公开的一个目的是提供最大化增压发动机性能的方法。根据本公开的第一方面，提供一种用于控制被设置为供应增压空气至发动机的压缩机的运行的方法，其中该方法包括：基于压缩机出口温度与运行时间的函数改变最大许用压缩机出口温度，以及控制压缩机的运行以便不超过最大许用压缩机出口温度。

压缩机温度与运行时间的函数可以是表明压缩机在预定压缩机出口温度时的等效总运行时间的总老化因数。改变最大许用压缩机出口温度可以包括降低最大许用压缩机出口温度。

许用最大压缩机出口温度可以根据总老化因数和许用最大压缩机出口温度之间的预定关系被降低。该预定关系可以是保持最大压缩机出口温度处于第一较高温度直到总老化因数超过预定值，且然后降低许用最大压缩机出口温度至压缩机不会发生进一步焦化的较低温度。

从较高温度向较低温度的转变可以是许用最大压缩机出口温度的逐渐变化或台阶式的变化。该方法可进一步包括针对连续预定时间段基于预定时间段的压缩机的瞬时出口温度来重复确定离散的老化因数。压缩机总老化因数可以是压缩机的所有离散老化因数的总和。每个离散老化因数可以代表压缩机在预定压缩机出口温度时的等效运行时间。每个离散老化因数都可以基于压缩机出口温度与等效运行时间之间的预定关系。

根据本公开的第二方面，提供了一种增压发动机系统，其包括：内燃发动机、具有供应增压空气至发动机的压缩机的增压器和至少控制增压器的运行的电子控制单元，其中电子控制单元基于压缩机出口温度与运行时间的函数改变最大许用压缩机出口温度，并且控制压缩机的运行以便不超过最大许用压缩机出口温度。

压缩机出口温度与时间的函数可以是表明压缩机在预定压缩机出口温度时的等效总运行时间的总老化因数。电子控制单元可以进一步运行从而针对连续预定时间段基于预定时间段的压缩机的瞬时出口温度来重复确定离散的老化因数。压缩机总老化因数可以是压缩机的所有离散老化因数的总和。

每个离散老化因数可以基于压缩机出口温度和等效运行时间之间的预定关系代表压缩机在预定压缩机出口温度时的等效运行时间。该预定关系可以是保持最大压缩机出口温度在第一较高温度直到总老化因数超过预定值，且然后降低许用最大压缩机出口温度至压缩机不会发生进一步焦化的较低温度。

从较高温度向较低温度的转变可以是许用最大压缩机出口温度的逐渐变化或台阶式变化。增压器可以是涡轮增压器并且压缩机可以是涡轮增压器的涡轮驱动压缩机。电子控制单元可以通过限制由压缩机产生的增压压力来控制压缩机的出口温度。

参考图1，其示出增压内燃发动机系统5，其具有在此情况下是柴油发动机10的内燃发动机(但也可以是另一形式的内燃发动机)、呈涡轮增压器20形式的增压器以及电子控制单元50。

发动机10具有进气歧管11和排气歧管13，进气歧管11被设置为经由进气系统12从涡轮增压器20接收供应的增压空气，排气歧管13被设置为供应排气至涡轮增压器20。

涡轮增压器20具有由来自发动机10的排气驱动的涡轮23和由涡轮23驱动并被布置为经由进气系统12向发动机10供送增压空气的压缩机22。

在经过涡轮23之后，排气经由排气系统18流出至大气。进气从进气口17进入压缩机22。

应当明白所示的发动机系统5是相当简化的，而且在实际情况中中间冷却器可能被包括以作为进气系统12的一部分，并且进入进气口的空气有可能来自多个来源，包括通气气体(breather gases)、新鲜空气和再循环排气流(EGR)。

在所示实施例中，电子控制单元50接收来自压力传感器15的指示进气系统12中的压力的信号和来自位于进气口17中的温度传感器16的指示进入压缩机22的空气温度的信号，并且能够运行以便通过使用进口和出口压力、进口和出口温度以及压缩机效率之间的已知关系从而根据这些信号输入来确定预测压缩机出口温度。但是在其他实施例中，压缩机22的出口温度可以通过使用位于压缩机22出口处的温度传感器直接测量。

电子控制单元50能够运行以便借助于涡轮控制致动器24来控制离开压缩机22的气体的温度。涡轮控制致动器24能够是废气门阀控制致动器的形式，或者在可变几何形状涡轮增压器的情况下是可变叶片控制致动器。在任何一种情况下，涡轮控制致动器24都控制涡轮23的转速，这直接改变了与涡轮23连接的压缩机22的转速。在实践中，电子控制单元50基于最大许用增压压力P_{boost_max}控制涡轮增压器20，但这是基于压缩机出口温度的期望最大或限制值T_{comp_out_lim}。增压控制的使用简化了系统操作，因为电子控制单元50还控制涡轮增压器20从而满足驱动器需求并且使该增压受控。

简言之，出口温度T_{comp_out}受控以便其不超过最大许用压缩机出口温度限制T_{comp_out_lim}，并且基于温度修正因数来改变该限制，其中该温度修正因数表明压缩机22运行时间或寿命，这是针对压缩机22的预定运行时间将压缩机22的效率维持于高于预定效率所需的。

现在参考图3和图4，将更详细地描述发动机系统5的运行。

图4示出通过试验得到的针对四个运行温度(200℃、195℃、190℃和180℃)的压缩机效率与时间之间的关系。

从该图表中能够看出使压缩机效率(Eff)降到最小可接受效率限制Eff_limit所需的时间明显根据从压缩机22离开的气体温度而显著变化。这是由于压缩机焦化的影响，其随时间降低了压缩机22的效率并且这种焦化与从压缩机22离开的气体温度相关，因为焦化实际上就是流过压缩机22的空气中的碳氢化合物(油)的由于温度而产生的氧化。

如果压缩机将要运行以使得出口温度不超过180℃，那么在该示例中将不会随着时间变化而存在效率损失，并且压缩机22理论上在不经受任何效率损失的情况下能够无期限地运行。但是，由于在典型工况下T_{comp_out}降低10℃就会使得可获得的增压降低大约7％，所以如果压缩机出口温度被限制至这样的较低水平，则会导致发动机性能的相当大的损失。

相反，在压缩机在200℃下持续运行的情况下，效率会非常快地下降，并且压缩机在效率恶化至不可接受的水平之前的寿命将会非常有限。

因此根据这些测试工作，可以导出温度和时间之间的关系，以便产生等效老化速率，如下面的表1所述，但不限于表1。

表1

从表1能够看出如果出口温度为200℃，则损失速率是如果温度为190℃时的十二倍，是如果温度为185℃时的四十倍。

因此根据该数据，能够基于190℃的预定温度导出压缩机22的等效运行寿命。例如，如果在60秒时间段期间压缩机出口温度是190℃40秒、195℃15秒且200℃5秒，那么使用190℃作为基础则针对离散时间段的等效寿命将会是40+(15*3)+(5*12)＝145秒。该145秒的数字代表所测时间段的离散老化因数(DAF)。

通过将自初次使用压缩机时起的所有离散老化因数(DAF)加在一起，就能够确定压缩机22的总老化因数(TAF)的值。然后该TAF用于如下文更详细描述地那样控制压缩机出口温度。

现在参考图3，流程图200描绘由电子控制单元50执行的控制例程。

在205，接收当前压缩机出口温度的估计值(T_{compressor_out_estimate})。在210，结合查找表使用该压缩机出口温度估计值来产生老化因数的离散值(DAF)，该老化因数的离散值被传送到积分器220，在此与来自非易失性存储器215的压缩机22的总老化因数(TAF)的原先存在的值相结合。积分器220的输出是压缩机22的温度修正的总老化的值。也就是说，输出了TAF的新值(TAF_new)。该TAF_new连同查找表230一起被用来定位对应于TAF的可允许的压缩机输出温度限制T_{comp_out_lim}，并且该值被输入到涡轮增压器增压控制装置240，从而基于T_{comp_out_lim}产生增压限制P_limit。该P_limit值被从240输出至处理装置250，该处理装置250还从设定点装置251接收未受限增压压力的值(unrestricted_boost_set_point)。该未受限增压压力是电子控制装置50基于来自发动机10的操作者的扭矩需求将设定的增压值。处理装置250结合其接收到的这两个输入并生成命令信号260(P_{boost_max})以用于控制涡轮控制致动器24的运行从而产生所需的增压水平。也就是说，如果unrestricted_boost_set_point大于P_limit，那么P_limit的值就在260处被输出作为P_{boost_max}，但是如果unrestricted_boost_set_point的值小于P_limit，那么unrestricted_boost_set_point就在260处被输出作为P_{boost_max}。

查找表230可以包括控制函数或如在下面的表2中所述的预定关系，或者可以是在首次使用压缩机后的若干个预定数量的小时内从最大或较高温度(例如195℃)下降到将不会发生进一步焦化的较低温度(例如180℃)的连续变化的关系，并且此后将保持在非焦化水平(180℃)。

在这种情况下的预定关系将最大压缩机出口温度保持在第一较高温度195℃，直到总老化因数超过预定值(在此情况下是59个小时)，然后将许用最大压缩机出口温度减小至较低温度180℃，在此温度处压缩机将不发生进一步焦化。

从较高温度到较低温度的转变可以是许用最大压缩机出口温度的逐渐变化或台阶式变化。

表2

TAF压缩机老化[hr]	Tcomp_out_lim[℃]
		0	195
59	195
		60	180
1000	180

因此通过使用该方法，能够允许相对较高的压缩机出口温度，尤其是压缩机22的早期寿命期间，假定当确定压缩机22的真实状态时允许该高压缩机出口温度对压缩机效率的损失产生影响。

在表2中当压缩机已经在195℃运行59个小时时，达到压缩机效率限制Eff_limit。59个小时之后，压缩机出口温度被设定至180℃，这不会导致压缩机效率的进一步损失。因此在这种情况下，预定温度是195℃并且DAF和TAF将基于该温度。例如，如果发动机在190℃持续运转，则其可以(来自表1)在压缩机出口温度下降到180℃之前实际运转了177个真实的小时。

应当明白，可以使用其他温度，本公开不限于将195℃用作预定温度。

对于先前的控制方法，压缩机出口温度必须被限制以防止压缩机效率的过早损失，并且因此可能使用180℃的低出口温度，此时将不会发生显著的焦化。但是，由于在典型工况时T_{comp_out}增加10℃将使得可获得的增压增加大约7％，所以根据本公开通过改变许用压缩机出口温度可以获得重大的性能益处而不损及耐用性。因为导致高DAF的高温几乎不发生，所以对于大部分消费者而言，在车辆的大部分寿命期间可以获得这些性能益处。

虽然上面已经描述了应用于涡轮增压器的本公开，但应当明白类似的方法可以用于提供机械增压器的压缩机的总老化因数。

现在参考图2，其以高级形式示出根据本公开的一个方面用于机动车辆的增压发动机的方法100。当起动开关或点火钥匙被移动至接通位置时，该方法在105开始。在110，从位于机动车辆上的例如电子控制单元50中的非易失性存储器读取总老化因数(TAF)的当前值。

该方法前进至120，在此最大许用压缩机出口温度限制T_{comp_out_limit}基于当前TAF被设定，并且该方法前进至130，在此压缩机22受到控制以便其出口温度不超过限制T_{comp_out_limit}。在涡轮增压器的情况下，温度控制是通过调整与压缩机22驱动附连的涡轮23的速度进而改变压缩机22的速度从而产生特定的增压压力值来实现的。

该方法前进至140，在此确定当前的离散老化因数(DAF)。如上所述，这是通过使用查找表针对离散时间段的温度和DAF来确定的。例如，每100毫秒执行一次该计算，以便每0.1秒生成一个新的DAF值。

然后在150，当前离散老化因数DAF被加至总老化因数TAF的当前值，从而生成更新的TAF_new值。然后在160，TAF_new被用于确定压缩机出口温度限制T_{comp_out_limit}的新值，且这在170被保存在非易失性存储器中，并且假设没有关断事件发生，则T_{comp_out_limit}的更新值被反馈回130，并且然后持续重复从130到180，直到关断事件发生，在此方法在180分支至190，此时结束。

应当明白，以上只是示例，并且该方法不限于所描述的精确步骤或特定处理次序。例如，130和140可以同时执行或不连续执行。

图5是示出根据本公开的一个实施例的用于控制涡轮增压器的方法500的流程图。方法500可以根据存储在发动机控制器(例如电子控制单元50)的存储器中的指令被执行。方法500包括在502处计算涡轮增压器的压缩机的总老化因数。总老化因数可以是压缩机在高于具体阈值的所有温度处已经运行的时间量的加权平均。该阈值可以是在高于此温度(例如高于180℃)时会发生压缩机焦化的阈值温度。总老化因数可以根据参考图3在上文描述的方法被计算。

在504，可以基于压缩机的确定的老化因数来确定最大可允许的压缩机温度。例如关于图2和图3解释的，最大压缩机温度可以基于控制器的存储器中存储的查找表来确定，以及可以基于离线确定的模型来确定。该最大压缩机温度可以随着压缩机老化因数增加而下降，以便随着压缩机老化而减少高温下的压缩机运行。在506，基于最大压缩机温度来确定压缩机可以运行的最大增压压力。最大增压压力可以从存储在控制器的存储器中的查找表来确定。

在508，确定在离开压缩机时进气的当前增压压力是否高于在506处确定的最大增压压力。如果增压压力超过最大值，则方法500进行至510，从而打开涡轮增压器的废气门，以便降低增压压力。在512，废气门可以被连续调节，以便保持增压压力处于或低于最大增压压力。

如果在508处当前增压压力没有超过最大值，则方法500进行至514以便保持当前增压压力处于当前压力。进一步地，在516，可以调节废气门以便涡轮增压器针对当前工况传输最大增压量。如上所述，最大增压量可以基于操作员的扭矩请求。该最大增压量可以不受限制，例如，其可以是许用的最大增压量，而不会在没有来自外部参数的约束的情况下(例如压缩机的老化)传输额外的扭矩。在512或516处调节废气门之后，方法500返回。

因此，如果压缩机老化指示出，则图5的方法500用于控制废气门至限制增压。这样，增压可以受到限制从而减少压缩机由于焦化(可能发生在高压缩机温度时)产生的问题，同时当压缩机还没有明显老化时(例如当压缩机的老化因数低于阈值时)允许最大增压。这样，压缩机可以在压缩机寿命的早期在高温运行，以便最大化在高增压压力运行的时间，这能够提高发动机效率。然后，一旦压缩机在这些高温时已经运行了阈值时间量，则压缩机运行的最大增压可以被降低从而减少由于积累的焦化而引起的压缩机问题。

虽然在所示实施例中废气门被控制以便控制增压压力，不过可以控制其他机构，例如打开或关闭压缩机旁通阀、分流涡轮增压器的涡轮上游的排气至进气(也被称为高压EGR)等等，以便限制增压。

本领域技术人员应当明白虽然本公开已经参考一个或更多个实施例以示例方式得到描述，但其不限于所公开的实施例，并且应当明白可以想到对所公开的实施例或替换实施例的一个或更多个修改，而不偏离本公开的范围。

应当了解，此处公开的配置与例程实际上为示例性，且这些具体实施例不应理解为是限制性，因为可能存在多种变形。例如，上述技术可应用于V-6、I-4、I-6、V-12、对置4缸和其他发动机类型。本发明的主题包括多种系统与配置以及其它特征、功能和/或此处公开的性质的所有新颖和非显而易见的组合与子组合。

本申请的权利要求具体地指出某些被认为是新颖的和非显而易见的组合和次组合。这些权利要求可引用“一个”元素或“第一”元素或其等同物。这些权利要求应该理解为包括一个或多个这种元素的结合，既不要求也不排除两个或多个这种元素。所公开的特征、功能、元件和/或特性的其他组合和次组合可通过修改现有权利要求或通过在这个或关联申请中提出新的权利要求得到主张。这些权利要求，无论与原始权利要求范围相比更宽、更窄、相同或不相同，也被认为包括在本发明主题内。

Claims (20)

1.一种用于控制压缩机的运行的方法，其中该压缩机被设置为供应增压空气至发动机，该方法包括：

基于压缩机出口温度与运行时间的函数来改变最大许用压缩机出口温度；以及

控制所述压缩机的运行以便不超过所述最大许用压缩机出口温度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述压缩机出口温度与运行时间的函数是表明所述压缩机在预定压缩机出口温度处的等效总运行时间的总老化因数。

3.根据权利要求2所述的方法，其中改变所述最大许用压缩机出口温度包括降低所述最大许用压缩机出口温度。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述最大许用压缩机出口温度根据所述总老化因数和所述最大许用压缩机出口温度之间的预定关系被降低。

5.根据权利要求2所述的方法，进一步包括针对连续预定时间段基于相应预定时间段期间所述压缩机的瞬时出口温度来重复确定离散老化因数。

6.根据权利要求5所述的方法，其中压缩机总老化因数是所述压缩机的所有所述离散老化因数的总和。

7.根据权利要求5所述的方法，其中每个离散老化因数均代表所述压缩机在预定压缩机出口温度处的等效运行时间。

8.根据权利要求7所述的方法，其中每个离散老化因数均基于压缩机出口温度与等效运行时间之间的预定关系。

9.一种增压发动机系统，其包括：

内燃发动机；

具有供应增压空气至所述发动机的压缩机的增压器；和

至少控制所述增压器的运行的电子控制单元，其中所述电子控制单元基于压缩机出口温度与运行时间的函数来改变最大许用压缩机出口温度，并且控制所述压缩机的运行以便不超过所述最大许用压缩机出口温度。

10.根据权利要求9所述的系统，其中所述压缩机出口温度与时间的函数是表明所述压缩机在预定压缩机出口温度处的等效总运行时间的总老化因数。

11.根据权利要求10所述的系统，其中所述电子控制单元能够进一步运行从而针对连续预定时间段基于相应预定时间段期间所述压缩机的瞬时出口温度来重复确定离散老化因数。

12.根据权利要求11所述的系统，其中压缩机总老化因数是所述压缩机的所有所述离散老化因数的总和。

13.根据权利要求11所述的系统，其中每个离散老化因数均基于压缩机出口温度和等效运行时间之间的预定关系代表所述压缩机在预定压缩机出口温度处的等效运行时间。

14.根据权利要求9所述的系统，其中所述增压器是涡轮增压器并且所述压缩机是所述涡轮增压器的涡轮驱动压缩机。

15.根据权利要求9所述的系统，其中所述电子控制单元通过限制由所述压缩机产生的增压压力来控制所述压缩机的出口温度。

16.一种发动机方法，其包括：

响应涡轮增压器的压缩机的确定的老化因数来调节涡轮增压器废气门，所述确定的老化因数是所述压缩机在高于阈值的温度处运行的时间量的函数。

17.根据权利要求16所述的发动机方法，其中调节所述涡轮增压器废气门进一步包括：如果操作员扭矩请求产生的增压压力使得所述压缩机的温度增加至超过最大压缩机温度，则打开所述废气门从而降低增压压力。

18.根据权利要求17所述的发动机方法，其中所述最大压缩机温度是基于所述压缩机的所述确定的老化因数设定的。

19.根据权利要求18所述的发动机方法，其中所述最大压缩机温度随着所述确定的老化因数增加而降低。

20.根据权利要求16所述的发动机方法，进一步包括：如果所述确定的老化因数低于较低限制，则调节所述涡轮增压器废气门从而传输针对当前发动机运行参数的最大量的增压压力。

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