CN102822480A - 增压内燃机 - Google Patents

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Abstract

提出一种用于增压内燃机的控制和调节方法，在其中在高功率区域(HLB)中将增压空气经由由低压级以及高压级构成的两级增压预压缩地输送给内燃机并且在其中在低功率区域(NLB)中将经由两级增压所预压缩的增压空气经由作为第三增压级的压缩机再压缩地输送给内燃机。

Description

增压内燃机
技术领域
本发明涉及一种用于增压内燃机的控制和调节方法，在其中在高功率区域中将增压空气经由由低压级以及高压级构成的两级增压预压缩地输送给内燃机并且在其中在低功率区域中将经由两级增压所预压缩的增压空气经由作为第三增压级的压缩机再压缩地输送给内燃机。此外，本发明涉及一种相应匹配的增压组件(Aufladegruppe)。
背景技术
从文件DE 199 05 112 A1中已知一种带有废气涡轮增压器的内燃机，在其中为了改善响应特性将预压缩的空气经由压缩机、例如鲁茨压缩机再压缩。平行于压缩机布置有旁通阀，其在低发动机转速时被关闭而在废气涡轮增压器的功率足够时被打开。受系统限制，利用该增压仅可体现较少的发动机功率，这例如对于履带式车辆是不够的。此外，对于设置在内燃机的公称功率点处的单级增压出现该问题，即废气涡轮增压器的转速由于物理上的联系随着增加的测地学高度而上升。因此对于较高的测地学高度必须强烈降低内燃机的功率，如这例如文件DE 10 2006 008 356 A1所提出的那样。另一方面关于发动机功率不希望对于较低的测地学高度将单级的增压调节到较低的增压压力上。
发明内容
因此本发明目的在于设计一种增压的内燃机，其独立于测地学高度提供高的发动机功率。
该目的将通过带有权利要求1的特征的控制和调节方法及带有权利要求7的特征的相应匹配的增压组件来实现。在从属权利要求中示出设计方案。
在根据本发明的控制和调节方法中，在高功率区域中将增压空气经由由低压级和高压级构成的两级增压预压缩地输送给内燃机。在低功率区域中将经由两级增压所预压缩的增压空气经由作为第三增压级的压缩机再压缩地输送给内燃机。在此，通过从额定增压压力以及实际增压压力来计算调节偏差，关闭用于绕过高压涡轮机的涡轮机旁通阀并且根据调节偏差来操控用于绕过压缩机的压缩机旁通阀，来在低功率区域中调节增压压力。在低功率区域中即实现受调节的三级增压。通过打开压缩机旁通阀并且根据调节偏差来操控用于绕过高压涡轮机的涡轮机旁通阀，来在高功率区域中调节增压压力。这对应于二级调节的增压。低效率区域经由内燃机的空转转速以及压缩机的极限转速来限定，而高功率区域经由极限转速以及内燃机的最大转速来限定。
在二级调节的增压中，低压级和高压级的废气涡轮增压器以该方式来设置，使得在额定功率时两级主动参与增压压力建立。构件的负载和转速水平强烈降低，由此使能够在不降低功率的情况下也在高测地学高度中体现非常高的发动机功率。低压级和高压级的废气涡轮增压器以之前所说明的方式的设计引起，可用的扭矩在低转速时显著减小。这里现在激活压缩机作为串联的第三增压级，由此消除功率减小。除了高的峰值功率以及高的平均压力之外有利的是，在低发动机转速时实现快速的增压压力建立并且恰在测地学高度增加时取消功率减小。
附图说明
在附图中示出优选的实施例。其中：
图1显示系统图，
图2显示发动机特性场，
图3显示调节回路以及
图4显示程序-流程图。
具体实施方式
图1显示了带有增压组件的内燃机1的系统图。增压组件包括低压级ND、高压级HD和压缩机2。低压级ND对应于第一增压级。高压级HD对应于第二增压级而压缩机2那么对应于第三增压级。低压级ND包括至少一个废气涡轮增压器。在示出的实施例中低压级ND包括第一废气涡轮增压器3和第二废气涡轮增压器4，而高压级HD具有仅仅一个废气涡轮增压器5。每个废气涡轮增压器由用于输送增压空气的压缩器和由废气加载的涡轮机构成，例如压缩器6和高压级HD的高压涡轮机7。平行于高压级HD的高压涡轮机7布置有可电气操控的涡轮机旁通阀8。平行意味着，一废气支流可流过高压涡轮机7而一废气支流可流过涡轮机旁通阀8。平行于压缩机2布置有可电气操控的压缩机旁通阀9。压缩机2借助于传动装置10(例如带有离合器(Kupplung)的齿轮级)由内燃机1来驱动。
内燃机1和增压组件经由发动机控制器11(ECU)来控制，其包括微机系统的常用组成部分，例如微处理器、I/O模块(Baustein)、缓存器(Puffer)和存储器模块(EEPROM、RAM)。在存储器模块中，对于内燃机1和增压组件的运行相关的运行参数应用于特性场/特性曲线中。控制器11经由这些从输入参数计算输出参数。在图1中作为发动机控制器11的输入参数示范性地示出发动机转速nMOT、增压压力pLL和参数EIN。参数EIN代表另外的输入信号，例如油温或燃料温度。当应监视两个旁通阀时，压缩机旁通阀9的开度OKBP和涡轮机旁通阀8的开度OTBP是发动机控制器11的可选的输入参数。电子的发动机控制器11的所示出的输出参数是用于操控压缩机旁通阀9的信号KBP、用于操控涡轮机旁通阀8的信号TBP和信号AUS。信号AUS代表另外的用于控制和调节内燃机1的调整信号，例如喷射器的喷射开始/喷射持续时间或用于在共轨系统中操控抽吸节流(Saugdrossel)的信号。
经由低压级ND将环境空气UL在第一增压级中压缩到第一压力水平，例如在1.8-2.9bar的范围中。该增压空气然后流过第一增压空气冷却器12并且在高压级HD中被压缩到第二压力水平，例如在3-4bar的范围中。之后增压空气在第二增压空气冷却器13中再次被冷却。在压缩机旁通阀9关闭时，增压空气那么在第三增压级中借助于压缩机2来压缩(pLL>4bar)并且经由内燃机1的两个增压空气管路14、15来输送。在燃烧过程之后将废气从内燃机1的气缸中经由废气管路16输送给高压级HD的高压涡轮机7。在涡轮机旁通阀8关闭时所有废气体积流量流过高压涡轮机7。之后，缓和的废气平行地被引导到低压级ND的两个涡轮机上。
本发明现在设置成，在低功率区域中经由低压级ND以及高压级HD来预压缩增压空气并且接下来经由作为第三增压级的压缩机2来再压缩已预压缩的增压空气。这对应于三级增压。通过从额定增压压力以及实际增压压力来计算调节偏差，完全关闭用于绕过高压涡轮机7的涡轮机旁通阀8并且独立于调节偏差来操控压缩机旁通阀9，来在低功率区域中调节增压压力pLL。通过完全打开压缩机旁通阀9并且根据调节偏差来操控用于绕过高压涡轮机7的涡轮机旁通阀8，来在高功率区域中调节增压压力pLL。这对应于二级调节的增压。
图2显示了以发动机转速nMOT为横坐标和发动机扭矩Md为纵坐标的发动机特性场。发动机扭矩Md经由DBR曲线17来限制，其表示内燃机1的最大允许平均压力。在发动机特性场中，以阴影线绘出低功率区域NLB。在低功率区域NLB中激活由低压级、高压级和压缩机构成的三级增压。低功率区域NLB在内燃机1的空转转速nLL、典型地nLL=700 l/min处开始，而在极限转速nGW、例如nGW=2500 1/min处结束。极限转速nGW由压缩机的最大允许转速、即其极限转速和传动装置的传动比得出。在低功率区域中完全关闭涡轮机旁通阀，而根据增压压力的调节偏差来调节压缩机旁通阀。在转换特性曲线(Umschaltkennlinie)18上方、即在发动机扭矩nMOT增加的方向上，高功率区域HLB开始。高功率区域HLB延伸直至最大发动机转速nMAX。在高功率区域HLB中，由低压级和高压级构成的两级增压是激活的。作为第三增压级的压缩机不激活，因为压缩机旁通阀完全打开。在高功率区域HLB中根据增压压力的偏差经由涡轮机旁通阀来调节增压压力。可选地设置成，转换特性曲线18由公差带围绕，以便能够对改变的环境条件做出反应。在附图中以点划线绘出公差带。
图3显示了用于调节增压压力pLL的调节回路。输入参数、即指导参数是额定增压压力pLL(SL)。调节回路的输出参数是增压压力pLL的原始值(Rohwert)。其在增压空气管路(图1：15)中经由传感器来获取、经由软件过滤器来过滤并且被设为实际增压压力pLL(IST)。那么在总和点A处由增压压力的额定-实际偏差来计算调节偏差ep。至少带有PI特性的增压压力调节器19从调节偏差ep确定调整参数SG。调整参数SG经由限制部(Begrenzung)22的第一信号路径(Signalpfad)20且经由第二信号路径21被输送给功能块23。经由第一信号路径20来限制调整参数SG并且操控涡轮机旁通阀8，操控信号TBP。经由第二信号路径21在功能块23中继续处理调整参数SG，经由限制部24来限制并且操控压缩机旁通阀9，操控信号KBP。经由功能块23引起，当涡轮机旁通阀8完全关闭时，那么增压压力调节器19仅访问压缩机旁通阀9。如从图3的图示中明显可见，在三级增压中增压压力的调节可被集成到存在在增压压力调节回路中。因此简单地执行到发动机软件中是有利的。
图4显示了作为子程序UP的该方法的程序-流程图。在S1中读入额定增压压力(SL)，其通常经由特性曲线/特性场至少根据功率期望(Leistungswunsch)来计算。之后在S2中从原始值计算实际增压压力pLL(IST)并且在S3中与额定增压压力pLL(SL)比较。这对应于调节偏差ep。根据调节偏差ep，增压压力调节器在S4中确定其调整参数SG。接下来检查调整参数SG是否大于或者等于极限值，例如90度开启角。如果调整参数SG小于极限值，则询问结果S5：否，由此，通过经由操控信号KBP完全打开压缩机旁通阀，在S6中使带有压缩机的第三增压级无效。预压缩的增压空气现在在高压级之后在绕过压缩机的情况下被直接输送给内燃机。在S7中那么根据调节偏差ep经由操控信号TBP来调节涡轮机旁通阀。这对应于带有二级调节的增压的高功率区域HLB。之后该程序路径结束并且返回到主程序中。
如果反之在S5中确定调整参数SG大于或者等于极限值，询问结果S5：是，则在S8中经由操控信号TBP完全关闭涡轮机旁通阀且在S9中根据调节偏差ep经由操控信号KBP来调节压缩机旁通阀。这对应于带有三级调节的增压的低过滤区域NLB。之后返回到主程序中。
本发明可在以下点中被改变，而不改变本发明的本质：
-代替由内燃机也可由电动机来驱动压缩机。压缩机的输送功率和因此增压空气pLL的压力水平那么经由电动机的转速来确定。那么压缩机旁通阀9仅还在高功率区域中满足旁通功能。电动机由发动机控制器经由PWM信号来操控；
-压缩机可是废气涡轮增压器的一部分，这意味着，取消压缩机的机械的或电气的驱动；
-代替增压空气pLL的压力水平可使用空气质量或者空燃比作为调节参数，其中在与增压空气pLL的压力水平相同的部位处探测空气质量而在低压级的涡轮机下游测量空燃比；
-两个旁通阀的操控可经由气动的控制压力实现。
附图标记清单
1 内燃机
2 压缩机
3 第一废气涡轮增压器(低压级ND)
4 第二废气涡轮增压器(低压级ND)
5 废气涡轮增压器 高压级(HD)
6 压缩器
7 高压涡轮机
8 涡轮机旁通阀
9 压缩机旁通阀
10 传动装置
11 发动机控制器
12 第一增压空气冷却器
13 第二增压空气冷却器
14 增压空气管路
15 增压空气管路
16 废气管路
17 DBR曲线
18 转换特性曲线
19 增压压力调节器
20 第一信号路径
21 第二信号路径
22 限制部
23 功能块
24 限制部。

Claims (10)

1. 一种用于增压内燃机(1)的控制和调节方法，在其中在高功率区域(HLB)中将增压空气经由由低压级(ND)以及高压级(HD)构成的两级增压预压缩地输送给所述内燃机(1)并且在其中在低功率区域(NLB)中将经由两级增压所预压缩的所述增压空气经由作为第三增压级的压缩机(2)再压缩地输送给所述内燃机(1)。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过从额定增压压力(pLL(SL))以及实际增压压力(pLL(IST))来计算调节偏差(ep)，关闭用于绕过高压涡轮机(7)的涡轮机旁通阀(8)并且根据所述调节偏差(ep)来操控用于绕过压缩机(2)的压缩机旁通阀(9)，来在所述低功率区域(NLB)中调节增压压力(pLL)。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过打开所述压缩机旁通阀(9)并且根据所述调节偏差(ep)来操控用于绕过所述高压涡轮机(7)的所述涡轮机旁通阀(8)，来在所述高功率区域(HLB)中调节增压压力(pLL)。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述低功率区域(NLB)经由所述内燃机(1)的空转转速(nLL)以及所述压缩机(2)的极限转速来限定，而所述高功率区域(HLB)经由所述极限转速以及所述内燃机(1)的最大转速(nMAX)来限定。
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过从额定增压压力(pLL(SL))以及实际增压压力(pLL(IST))计算调节偏差(ep)，关闭用于绕过所述高压涡轮机(7)的涡轮机旁通阀(8)并且根据所述调节偏差(ep)来调节所述压缩机(2)的转速，来在所述低功率区域(NLB)中调节所述增压压力(pLL)。
6. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述涡轮机旁通阀(8)的开度(OTBP)和所述压缩机旁通阀(9)的开度(OKBP)作为反馈参数由电子的发动机控制器(11)来监视。
7. 一种用于执行根据权利要求1所述的方法的增压组件，其特征在于，所述内燃机(1)机械地驱动所述压缩机(2)，平行于所述压缩机(2)布置有用于绕过所述压缩机(2)的压缩机旁通阀(9)而平行于所述高压涡轮机(7)布置有用于绕过所述高压涡轮机(7)的涡轮机旁通阀(8)。
8. 根据权利要求7所述的增压组件，其特征在于，在所述低功率区域(NLB)中所述涡轮机旁通阀(8)关闭并且所述增压压力的调节偏差(ep)确定所述压缩机旁通阀(9)的开度。
9. 根据权利要求8所述的增压组件，其特征在于，在所述高功率区域(HLB)中所述压缩机旁通阀(9)完全打开并且所述增压压力的调节偏差(ep)确定所述涡轮机旁通阀(8)的开度。
10. 一种用于执行根据权利要求1所述的方法的增压组件，其特征在于，电动机驱动所述压缩机(2)并且所述增压压力的调节偏差(ep)确定所述电动机的转速。
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