CN102644505A - 用于运行涡轮增压器设备和用于涡轮增压器设备的控制单元的方法 - Google Patents

用于运行涡轮增压器设备和用于涡轮增压器设备的控制单元的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于运行内燃发动机的涡轮增压器设备的方法，该涡轮增压器设备包含顺序设置的低压和高压涡轮增压级，高压涡轮增压级包含具有无传感器压缩机旁通阀的高压压缩机，该方法包含评估涡轮增压器设备的至少一个传感器信号，用于检测压缩机旁通阀的失效模式。

Description

用于运行涡轮增压器设备和用于涡轮增压器设备的控制单元的方法
相关申请的交叉参考
本申请要求2011年2月21日提交的标题为“Method for Operatinga Turbocharger Arrangement and Control Unit for a TurbochargerArrangement”的欧洲专利申请No.11155170.1的优先权，其全部内容合并于此以供参考。
背景技术
内燃发动机，特别是柴油发动机和汽油发动机，经常装备有涡轮增压器。通常，涡轮增压器由内燃发动机的排气流驱动并置于其中。排气流和/或进气流由位于排气和/或进气系统的支流中的一个或更多个旁通阀控制，并且确保考虑各种约束条件，包括排气成分、压缩机出口温度和涡轮入口温度，以及避免涡轮增压器喘振或者超速。被主动控制的旁通阀通常具有默认或者“故障保险”位置，当没有真空或者电源时器其移动到该位置。故障保险位置通常完全打开或者完全闭合。默认设置由例如在高处的安全和发动机功率要求的因素确定。然而，压缩机旁通阀也可以失效并卡在例如完全闭合或者完全打开的位置。期望检测压缩机旁通阀的这种故障，而不需要位置反馈传感器及其关联的增加的成本和复杂性。
发明内容
本发明公开了用于运行内燃发动机的涡轮增压器设备和用于这种涡轮增压器设备的控制单元的方法。内燃发动机包括包含低压级和高压级的多级顺序涡轮增压器设备。内燃发动机的排气流和/或进气流由位于排气和/或进气系统的支流中的一个或更多个旁通阀控制，其平行于各自涡轮增压器的涡轮和/或压缩机。为了降低成本和复杂性，旁通阀是无源的，并且由于穿过它们的压力差而打开或关闭。由于没有主动控制或者位置反馈传感器，其他传感器设置在发动机中的多个位置，从而测量受旁通阀运行所影响的信号和参数。信号和/或参数可以包括空气流量、增压压力、级间温度和后压缩机温度。
本发明进一步提供了用于补偿旁通阀失效的方法。通过链路联接到多个传感器的控制单元可以接收测量值并且确定旁通阀运行的状态。然后，控制单元能够通过操纵部件致动器管理涡轮增压器设备的整体运行。因此，如果旁通阀失效，那么控制单元可以补偿并维持正常的发动机运行。
附图说明
图1示出内燃发动机的一部分，其包括涡轮增压器、压缩机旁通阀、控制单元和在传感器与控制单元之间的多个链路。
图2示出示例性情形中涡轮增压器速度依赖压缩机旁通阀的位置的图形表示。
图3示出用于检测压缩机旁通阀失效的方法的初始部分。
图4示出用于检测在高转速和/或扭矩范围内压缩机旁通阀失效的方法。
图5示出用于检测在低转速和/或扭矩范围内压缩机旁通阀失效的方法。
图6示出当压缩机旁通阀功能正常时运行内燃发动机的方法。
图7示出当压缩机旁通阀功能故障时运行内燃发动机的方法。
具体实施方式
在图1示意地示出的实施例中，内燃发动机1示出包含高压涡轮增压器3和低压涡轮增压器4的多级顺序涡轮增压器设备。高压涡轮增压器3用于满足用于驱动排气再循环的背压要求，其包含高压涡轮5和高压压缩机6，压缩机6经由传动轴7由涡轮5驱动。低压涡轮增压器4用于峰值功率，其包含通过传动轴10驱动低压压缩机9的低压涡轮8。涡轮5和8顺序地设置在内燃发动机的排气系统11中，高压涡轮5设置在低压涡轮8的上游，即在压力较高的区段。相应地，压缩机6和9顺序地设置在发动机1的进气系统12中，高压压缩机6位于低压压缩机9的下游。进气系统12中的气流方向和排气系统11中的排气流方向分别由箭头13和14指示。中间冷却器21设置在高压(HP)压缩机的下游。通常，高压涡轮5和高压压缩机6分别小于低压涡轮8和低压压缩机9。这在图1中示意性地示出。
高压涡轮旁通阀15(TBV)设置与高压涡轮5并联的排气系统的并联支路中。因此，高压TBV 15的全部或者部分打开使得用于排气流的旁路部分或全部绕过高压涡轮5。如果排气流部分地或者完全地穿过旁通阀15，那么高压涡轮5因此以降低的速率被驱动。因此，高压涡轮增压器3的运行能够由TBV 15的运行控制。以类似的方式，低压TBV 16设置在与低压涡轮8并联的排气系统11的并联支路中。低压TBV 16也被表示为“废气门”(WG)。WG 16主动地运行，充当致动器，并且可以包含或者不包含位置反馈传感器。
在进气系统12中，进气流过低压压缩机9，在压缩的第一阶段被压缩。其后，进气流过高压压缩机6，表示压缩的第二阶段，或者流过与高压压缩机6并联设置的并联支路。并联支路可以由压缩机旁通阀17(CBV)打开或者关闭。CBV 17是无源的，即由通过其作用的压力差运行，并且不包含位置反馈传感器。特别地，CBV 17只具有完全打开和完全闭合的两个位置。
压缩机旁通阀17的状态对决定涡轮增压器设备2的运行的各种参数具有直接或间接的影响。例如，由高压压缩机6提供的压力比和通过进气系统12的流量由于CBV 17的打开或关闭而被显著地改变。此外，高压涡轮增压器3的速度、由涡轮增压器设备2提供的增压压力和许多其他参数受CBV 17的功能的影响。因此，这些参数能够用于检测CBV 17的失效。
进气流量、增压压力和/或压缩机出口温度可以由图1中象征性示出的下游传感器18测量。在这个示例中，下游传感器18位于高压压缩机6以及高压压缩机旁路支流23下游。然而，下游传感器18可以位于进风道内的其他位置。可替换地，可以提供附加传感器，并且可以为想要测量的每个数量提供一个。发动机1可以包含其他传感器，包括位于低压压缩机9与高压压缩机6之间的能够测量级间增压压力和/或温度的级间传感器19、低压涡轮增压器传感器20和高压涡轮增压器传感器21。如前所述，可以设置两个传感器代替级间传感器19，每个分别用于测量级间增压压力和级间温度。优选地，在高压压缩机6的下游直接地测量后压缩机温度。低压涡轮增压器传感器20和高压涡轮增压器传感器21两者都能够测量其各自的涡轮增压器速度，并且可以相对于其涡轮增压器置于许多位置，包括在涡轮、压缩机或者传动轴处。另外或者可替换地，如果传感器可能不可用，那么涡轮增压器速度可以通过使用相应的压缩机特性图测量。内燃发动机1也可以装备有排气再循环系统，其在图1中没有示出。
多个传感器链路22、24、26和28在图1中示出，其允许由传感器得到的测量值传送到用于处理和分析的控制单元100。如前面所公开的，发动机1可以包含附加传感器，在这种情形中，将提供附加传感器链路。
控制单元100在图1中示为常用微型计算机，其包括：微处理器单元(CPU)102、输入/输出端口(I/O)104、只读存储器(ROM)106、随机存取存储器(RAM)108、保活存储器(KAM)110和通用数据总线。存储介质只读存储器106能够用表示可由处理器102执行的指令的计算机可读数据编程，这些指令用于实行如下所述的方法以及所预期的但没有具体列出的其他变体。控制单元100进一步包含用于通过操纵低压TBV 15和高压TBV 16控制涡轮增压器设备2的输出装置。阀门可以由真空或者电信号操纵。通过控制这些致动器，控制单元100能够啮合第一和第二控制模式——一个用于额定CBV运行并且一个用于CBV失效。控制单元100也可以包含用于警报信号的信号输出装置和用于存储关于所检测到的失效模式的信息的失效存储器。控制单元可以是发动机的部分电子控制单元。控制单元100在图1中示出，经由联接至内燃发动机1的传感器链路从上述传感器接收信号。
图2示出与CBV 17的位置CBV pos有关的高压涡轮增压器3(曲线40)和低压涡轮增压器4(曲线42)的涡轮增压器速度的说明性的示例(每分钟1000转数)，CBV 17的位置作为其完全打开的分数给出。如图2中所示，高压涡轮增压器3的速度40随CBV 17的打开程度显著上升，而低压涡轮增压器4的速度42基本上与CBV的打开无关。相反地，高压涡轮增压器3的速度40允许检测CBV 17的打开。尽管CBV 17通常只具有两个位置，但是图2示出原则上也可以确定中间位置。因此，如果CBV 17在完全打开或者完全闭合位置或者甚至在中间位置卡住，这可以通过测量高压涡轮增压器3的转速检测到。特别是，能够设定阈值，转速超过阈值指示CBV 17完全打开，转速低于阈值指示CBV 17完全闭合。在图2所示的示例中，并且为了该情形中采用的参数的设定，用于区别CBV完全闭合和完全打开的状态的阈值可以设定在大约60,000rpm。
图2示出在相对低的发动机转速(2000rpm)进行的测量。在该发动机转速下，高压涡轮增压器3的转速可以允许CBV失效的可靠检测。对于给定的压缩机压力比，总的空气流量也允许确定CBV位置。由于CBV 17的开口也可以存在增压压力的小的下降。其他参数，例如压缩机效率、压缩机出口温度或者压缩机压力比对CBV状态较不敏感。
图3示出用于检测CBV失效的方法300的初始部分。在步骤302处，方法开始并且可以实时地或者在分散间隔采用，以便CBV被连续监测，从而尽可能早地检测失效。控制单元100经由传感器链路接收指示CBV 17情况或者涡轮增压器设备2的至少一个传感器信号，由此可以导出指示涡轮增压器设备2的物理参数和/或错误标记。可替换地或者另外，可以采用适当的传感器，其将物理参数直接提供到控制单元，而不是需要额外处理的信号。与传感器信号相比，物理参数可以提供正常的CBV状态和失效的CBV状态之间增加的差异量，允许具有更大可靠程度的较容易测量。参考图4和5描述传感器信号的示例。
在步骤304处，控制单元100可以在确定CBV 17是否已经失效之前过滤至少一个传感器信号。过滤可以包括时域低通滤波，并且用来避免由于包括噪声或者当CBV 17的位置从打开变化到关闭或者相反时的过渡状态的原因而引起的失效的错误检测。同样可以过滤表示CBV的模式的物理参数或者功能。这种功能通过评估至少一个传感器信号导出，并且可以是指示CBV 17的状态的参数或者指示CBV 17的失效的参数或者错误标记。在一个实施例中，根据分别完全闭合或者完全打开的阀门状态或者是否检测到阀门失效，该功能可以采用值0或1。
在步骤306处，该方法确定发动机工作点，其可以以发动机转速和/或负载为特征。说明发动机工作点的具体方式可以取决于发动机的校准和发动机部件和涡轮增压器设备2的特征。因为所测量的数量和结果动作在各工作点之间的不同，所以包括发动机工作点的确定。如果发动机确定为在低工作点，即处于低转速和/或带有轻负载，那么该方法因此进行到图4。相反地，如果发动机在高转速和/或带有大负载运行，那么该方法因此进行到图5。
如果发动机工作点为高，那么该方法如图4所示在步骤402处继续。由于包含各种传感器，所以多个信号和参数可以是可利用的，该方法可以用这些信号和参数评估CBV 17的情况。然而，某些信号和参数在具体的工作点可以对CBV情况更加敏感。在3500RPM的发动机转速下，例如，空气流量可以是对CBV情况最敏感的。因此，在高发动机工作点，方法400首先在步骤404处用下游传感器18评估空气流量。在评估之前，可以为穿过高压压缩机旁路支流(例如图1中的23)的气流校正空气流量。如果控制单元100确定空气流量是在最大值，即气流被阻塞，那么CBV运行很可能已经失效，并且该方法继续到步骤414处以补偿失效。如果气流没有阻塞，那么该方法继续到步骤416处以确保正常运行。在图4所示的实施例中，如果不能确定空气流量情况，那么该方法提供行动。在这个情形中，该方法继续到步骤406处，在这里评估下一个最优选的传感器信号或者物理参数，从而确定CBV情况。这里，该方法用下游传感器18核对是否发生增压压力的损失。在其他实施例中，该方法可以无论步骤404的结果从步骤404进行到步骤406，继续直到全部传感器信号和/或物理参数评估完成。更进一步，可以只评估可利用的信号和/或参数的子组。在这个实施例中，考虑所有可能的数据，以便增加CBV情况评估的可靠程度和确定性。
假设方法400最后没有评估CBV情况，或者已经选择进一步测量信号和/或参数以便增加可靠程度，该方法继续到步骤408，其中级间传感器19用于评估级间增压压力以及在步骤410评估级间温度。用于级间增压压力和温度的阈值设定额定CBV运行与失效之间的界限。这些值可以在发动机运行期间预先确定或者计算。
在步骤412处，该方法类似地采用下游传感器18确定高压压缩机6的下游温度是否已经超过其各自的阈值。如果在步骤408、410和412处的一个或者所有测量量超过其各自的阈值，那么该方法进行到步骤414处，其中CBV失效被补偿。另一方面，如果CBV被确定正常运行，那么方法400进行到步骤416处，在步骤416中采用第一控制模式，如图6所示。
如果发动机工作点为低，即发动机运行在低转速和/或带有轻负载时，初始方法300从步骤310进行到如图5所示的方法500，从而类似地确定CBV情况。
在步骤502处，用于检测CBV情况的方法开始。方法500首先在步骤504处评估具有高压涡轮增压器传感器21的高压涡轮增压器3的速度，高压涡轮增压器传感器21可以被置于各自的涡轮、压缩机或者传动轴处。可替换地或者另外，可以使用压缩机特性图。如前所述，该方法可以直接进行到步骤510或者步骤512，并且响应CBV情况，或者该方法可以继续到步骤506然后到步骤508。在步骤506，下游传感器18用于检测空气流量是否低于阈值。在步骤508，下游传感器18也用于检测增压压力的损失。注意，在高发动机工作点和低发动机工作点，增压压力的损失可以指示CBV失效。应当理解，图5中的方法中所列出的传感器信号和物理参数仅仅是说明性的，并且不应该在任何情况下限制本公开。更具体地，除了图5中所列之外，额外的传感器信号和/或物理参数可以用于评估CBV情况，包括级间压力、级间温度和后压缩机温度。
在方法400或者方法500的任何一个完成之后，如果CBV运行确定为正常，那么如图6所示，在步骤602处采用第一控制模式。在步骤604，如图3中的步骤306，发动机工作点被确定。对于低工作点，方法600进行到步骤606处，在步骤606处低压TBV是完全闭合的。然后，在步骤608处，用高压TBV控制增压压力。然而，应当理解可以采用其他方法控制增压压力。在步骤610，由于压力差，CBV 17是完全闭合的。在步骤618，该方法600可以选择性地或者可替换地将低压涡轮阀和高压涡轮阀设定到最佳的位置，这取决于当前的发动机和/或负载和CBV的当前位置。其位置可以是在完全闭合和完全打开之间的中间位置。这意味着实行采用低压涡轮阀和高压涡轮阀两者的闭环控制。以这个方式，能够提供低转速/扭矩范围内的最佳性能，以及排气再循环所需要的背压。
如果发动机工作点确定为高，那么方法600从步骤604进行到步骤612，其中高压TBV是完全打开的。接下来，在步骤614，用低压TBV控制增压压力，并且在步骤616，CBV是完全打开的。以这个方式，可以提供峰值发动机功率。如前所述，该方法可以选择性地或者可替换地将低压涡轮阀和高压涡轮阀设定到最佳的位置，这取决于当前的发动机和/或负载和CBV的当前位置。
在方法400或500的结尾，如果CBV被确定为已经失效，那么运行进行到如图7所示的第二控制模式。通过采用第二控制模式，发动机可以安全地调节失效，并且此外可以获得最大的响应程度和功率和/或最少的污染物排放。方法700在步骤702处开始，并且在步骤704处，如图3中的步骤306，确定发动机工作点。应该确定，如果工作点为高，则该方法进行到步骤706，其中低压TBV是完全闭合的。然后在步骤708处用高压TBV控制增压压力。然后，在步骤710处经由控制单元100的输入/输出端口104(图1)向车辆运行人员发出失效警报，并且该失效可以被记录在控制单元100的存储器中。在步骤720，方法完成，并且可以回到图3中的步骤302以根据需要重复。
相反地，如果发动机工作点确定为低，那么方法700进行到步骤712，其中高压TBV是完全打开的。然后，在步骤714，用低压TBV控制增压压力。然后，如前所述，方法进行到步骤710和716，通知车辆的运行人员失效并且将失效记录在存储器中。在步骤720，方法完成，并且可以回到图3中的步骤302以根据需要重复。

Claims (15)

1.一种用于运行内燃发动机的涡轮增压器设备的方法，所述涡轮增压器设备包含顺序设置的低压涡轮增压级和高压涡轮增压级，所述高压涡轮增压级包含具有无传感器压缩机旁通阀的高压压缩机，所述方法包含评估所述涡轮增压器设备的至少一个传感器信号，用于检测所述压缩机旁通阀的失效模式。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个传感器信号是表示进气空气流量、增压压力、级间压力、级间温度、后压缩机温度或者涡轮增压器速度的信号。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述至少一个传感器信号被评估用于确定所述涡轮增压器设备的至少一个物理参数，所述至少一个物理参数相对于所述压缩机旁通阀的运行模式是有区别的。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述涡轮增压器设备的所述至少一个物理参数是压缩机气流、压缩机压力比、涡轮增压器速度、压缩机效率或者压缩机出口温度。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述涡轮增压器设备(2)的所述至少一个传感器信号被评估用于根据发动机工作点检测所述压缩机旁通阀的失效模式。
6.根据权利要求5所述的方法，其中过滤所述涡轮增压器设备的所述至少一个传感器信号和所述至少一个物理参数和表示所述压缩机旁通阀的运行模式的功能。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述至少一个传感器信号在所述内燃发动机的运行期间连续评估，用于检测所述压缩机旁通阀的失效模式。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述涡轮增压器设备根据第一控制模式运行，并且根据所述压缩机旁通阀的失效模式的检测，所述涡轮增压器设备根据所述第二控制模式运行。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述第一控制模式是低转速/扭矩控制模式，并且在所述第二控制模式中，所述高压涡轮旁通阀被设定为完全打开，并且增压压力由所述低压涡轮旁通阀控制。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述第一控制模式是高转速/扭矩控制模式，并且在所述第二控制模式中，所述低压涡轮旁通阀被设定为完全闭合，并且增压压力由所述高压涡轮旁通阀控制。
11.一种方法，包含：
运行具有顺序设置的低压涡轮增压器和高压涡轮增压器的发动机，所述高压涡轮增压器包含具有无传感器压缩机旁通阀即CBV的压缩机；
根据运行参数指示所述CBV的降级；和
响应于所述压缩机旁通阀的降级调节运行。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述涡轮增压器根据第一控制模式运行，并且依据所述指示，所述涡轮增压器根据第二控制模式运行。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一控制模式是低转速/扭矩控制模式，并且在所述第二控制模式中，高压涡轮旁通阀被设定为完全打开，并且增压压力由低压涡轮旁通阀控制。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一控制模式是高转速/扭矩控制模式，并且在所述第二控制模式中，低压涡轮旁通阀被设定为完全闭合，并且增压压力由高压涡轮旁通阀控制。
15.一种方法，包含：
运行具有顺序设置的低压涡轮增压器和高压涡轮增压器的发动机，所述高压涡轮增压器包括具有无传感器压缩机旁通阀即CBV的高压压缩机；
响应于低转速/扭矩下CBV的降级，将高压涡轮旁通阀设定为完全打开并且由低压涡轮旁通阀控制增压压力；和
响应于高转速/扭矩下CBV的降级，将所述低压涡轮旁通阀设定为完全闭合，并且由所述高压涡轮旁通阀控制增压压力。
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