CN103069126A - 用于调节内燃机的废气涡轮增压器的稳定运行的方法和相应的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于调节内燃机（7）的废气涡轮增压器（2）的稳定运行的方法，该内燃机具有：新鲜气体供给装置（4）；转换阀（5）；控制装置（6）；压缩机（8）；和带有排泄阀（9）的空气准备单元（10），该方法具有以下方法步骤：在吸气模式中运行压缩机（8），其中，转换阀（5）将压缩机（8）与进气口（LE）相连，并且监控内燃机（7）、空气准备单元（10）和废气涡轮增压器（2）的运行参数；通过以下方式，即转换阀（5）将压缩机（8）与废气涡轮增压器（2）的压缩机（2a）相连，由此通过压缩机（8）从吸气模式转换到增压模式根据被监控的运行参数来调节废气涡轮增压器（2）的稳定运行；和通过以下方式，即转换阀（5）将压缩机（8）重新与进气口（LE）相连，使得压缩机（8）根据被监控的运行参数从增压模式转换到吸气模式；本发明还涉及一种相应的装置。

Description

用于调节内燃机的废气涡轮增压器的稳定运行的方法和相应的装置

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的、用于调节内燃机的废气涡轮增压器的稳定运行的方法。本发明也涉及一种用于实施这种方法的装置。

背景技术

这种具有废气涡轮增压器的内燃机在特定的运行状态下，尤其是在有扭矩要求的情况下，会出现废气涡轮增压器输送压缩的新鲜气体不足的阶段，由此导致产生所谓的涡轮孔。为了消除这种涡轮孔，通过新鲜气体供给装置借助额外的新鲜空气输送来满足增高的空气需求，并且提高内燃机的所谓的瞬时性能。

这些额外的新鲜空气可以从例如车辆空气系统的压缩空气储存器中获取。增高的空气需求可以实现匹配于对压缩空气储存器进行供给的压缩机或者说空压机。在此，可以实现压缩机的增压，也就是说，该压缩机取决于内燃机的特定的运行参数获得在废气涡轮增压器的压缩机后面的流动方向上的压缩空气，作为输入空气。因此，增高的空气需求可以被完全满足。

压缩机主要是机械地、例如由内燃机的曲轴驱动。特别是在美国的现有技术中存在持续增压的压缩机。

电子调节的空气处理系统同样也是现有技术并且被批量应用于利用压缩空气进行制动的商用车中。在电子的空气处理系统中包括磁性的卸载阀。

例如由WO2006/089779A1已知了新鲜气体供给装置。

所有系统自身都在车辆节省燃料、车辆的排放和/或瞬时有效功率方面带来了优点。

然而，废气涡轮增压器的运行有可能变得不稳定，这种情况可能随着所谓的涡轮增压泵吸的出现而产生并且不可避免。涡轮增压器的泵吸是由于流动在压缩机叶片上断开而产生的。当达到泵吸极限时，也就是说当压缩比与质量流达到特定比值时，流动会断开。图1示出了废气涡轮增压器的压缩机的压缩机特性曲线。在横坐标上标出了流量或者说质量流，并且在纵坐标上标出了压缩比和焓的扬程（

der Enthalpie）。在此示出特性曲线族，其中标号E是压缩机的转速n恒定时的曲线。针对六个转速n1到n6标出了曲线E，其中，n1＞n6。此外，相应的参考标号D表示从η1到η4的相同的有效系数的曲线，其中，η1＞η4。在最佳有效系数η1与转速n3和无冲击入流的曲线F的区域中的交点给出了设计点或运行点A。该特性曲线族朝向于左侧、即朝向于流量或质量流低的一侧，通过泵吸极限C限制为不稳定的区域B。

泵吸引起压缩机叶片的高的动态的负载并且可能导致涡轮增压器失灵。

在新鲜气体供给装置的吹入过程期间，由于关闭的、阻止了被吹入的空气朝涡轮增压器的压缩机回流的阀瓣，而可能达到泵吸极限C。这是因为，即涡轮增压器在压缩机后方将空气向着关闭的阀瓣输送。由此，质量流越来越小，而同时压缩比升高。

发明内容

因此本发明的目的在于，提供一种用于调节内燃机的废气涡轮增压器的稳定运行的改进的方法。

该目的通过一种具有权利要求1所述特征的方法来实现。

该目的也通过一种具有权利要求7所述特征的装置来实现。

本发明的一个理念在于，通过以下方式，即压缩机根据被监控的运行参数从吸气运行转换到增压运行并相反地转换，由此通过内燃机的参与的和已经现有的部件的共同作用来调节废气涡轮增压器的稳定区域。

由此，通过以下方式，即废气涡轮增压器的工作点停留在稳定区域中而不会到达不稳定区域中，使得系统性能得到改进。因此有利地避免了所谓的涡轮增压泵吸。

相应地，用于调节具有新鲜气体供给装置、转换阀、控制装置、压缩机和带有排泄阀的空气准备单元的内燃机的废气涡轮增压器的稳定运行的方法具有以下方法步骤：在吸气模式中运行压缩机，其中，转换阀将压缩机与进气口相连，并且监控内燃机、空气准备单元和废气涡轮增压器的运行参数；通过以下方式，即转换阀将压缩机与废气涡轮增压器的压缩机相连，由此通过压缩机从吸气模式转换到增压模式根据被监控的运行参数来调节废气涡轮增压器的稳定运行；和通过以下方式，即转换阀将压缩机重新与进气口相连，使得压缩机根据被监控的运行参数从增压模式转换到吸气模式。

转换阀也可以称为智能转换阀，借助于该转换阀现在能在空气系统中，在压缩机的自然吸气模式（气体从废气涡轮增压器的压缩机前的进气口吸入）和压缩机的增压模式（吸入压缩机后方的经过压缩的空气）之间进行转换。

控制装置根据不同的运行参数、例如发动机转速和增压压力来确定转换阀的状态。

在调节时也可以实现废气涡轮增压器的压缩机的增压压力和/或质量流的监控。在此，将例如实际查明的参数与能预定的极限值进行比较。例如尽管如果压缩机的增压压力持续升高，则压缩机出气口就可以通过排泄阀的打开与外界大气相连。这也可以在另一个实施方式中逐级地或无级地实现，其中，可以实现有特别好的对各个运行状态的匹配。

在方法步骤的调节中，新鲜气体供给装置的运行形成被监控的运行参数。当新鲜气体供给装置激活时，则压缩机从吸气模式转换到增压模式，和当新鲜气体供给装置激活后，压缩机从增压模式转换到吸气模式。这些运行参数作为例如发动机控制器的信号是已经可用的，而不必额外生成。

在调节时，内燃机的推进阶段和新鲜气体供给装置的运行形成被监控的运行参数。如果新鲜气体供给装置没有运行，则当推进阶段开始时，压缩机从吸气模式转换到增压模式，和当推进阶段结束后，压缩机从增压模式转换到吸气模式。因此，在推进阶段中产生的、在增压空气中的能量就会得到充分利用，以便产生并储存压缩空气。

也可能的是，在废气涡轮增压器能安装所谓的排气泄压阀时，废气涡轮增压器的排气泄压阀可以取消。在此，在方法步骤的调节中，废气涡轮增压器的排气泄压阀的运行的运行参数可以形成被监控的运行参数，其中，用于开启排气泄压阀的信号促使压缩机从吸气模式转换到增压模式，和用于关闭排气泄压阀的信号促使压缩机从增压模式转换到吸气模式。

用于实施用于调节内燃机的废气涡轮增压器的稳定运行的方法的装置具有以下部分：用于在需要瞬时功率时将附加空气吹入内燃机的新鲜气体供给装置；用于产生压缩空气的压缩机；和用于压缩空气的、带有排泄阀的空气准备单元。该装置的特征在于转换阀和控制装置。转换阀在压缩机的吸气模式中将压缩机与进气口相连，并且在压缩机的增压模式中将压缩机与废气涡轮增压器的压缩机相连。控制装置用于控制对废气涡轮增压器的稳定运行进行调节的转换阀。

控制装置也可以设计用于控制排泄阀，由此可以实现对废气涡轮增压器的稳定运行的更大程度的个性化调节。

在一种实施方式中，控制装置可以是发动机控制器或者空气准备单元的组成部分。因此不需要额外的安装空间。

在另一种实施方式中，新鲜气体供给装置可以具有节流阀和附加空气阀。如果这些阀和/或排泄阀是能分级地或无级地调节的阀，那么可以进一步地个性化地全面匹配于运行状态。

所述的装置适合于实施上述的方法。

附图说明

现在根据一个实施例参照附图对本发明进行详细说明。图中示出：

图1示出压缩机特性曲线；

图2示出在第一运行状态中的内燃机的示意性框图，具有用于实施根据本发明的方法的根据本发明的装置；

图3示出根据图2的在第二运行状态中的示意性框图；

图4示出根据图2的在第三运行状态中的示意性框图；以及

图5示出根据本发明的方法的一个实施例的流程图。

具体实施方式

在上文中已经对图1进行了说明。

在图2中示出了在第一运行状态中的内燃机7的示意性框图，该内燃机具有用于实施根据本发明的方法的根据本发明的装置。

用于实施根据本发明的用于调节内燃机7的废气涡轮增压器2的稳定运行的方法的、根据本发明的装置包括：新鲜气体供给装置4；用于为具有空气准备单元10和排泄阀9的压缩空气设备产生压缩空气的压缩机8；转换阀5和控制装置6。

进气口LE用于为内燃机7从外界大气吸入新鲜气体，该内燃机在图中以一个吸气弯管7a、六个气缸7b和一个排气管7c代表。进气口LE与空气过滤器1相连，在空气过滤器后面设有吸气管，该吸气管分支成为压缩机吸气管1a和吸气管1b。

压缩机吸气管1a连接在废气涡轮增压器2的压缩机2a上，其中，压缩机2a与废气涡轮增压器2的涡轮2b耦合，该涡轮与内燃机7的排气管7c连通。涡轮2b以其出口连接在废气出口AA上。

吸气管1b与转换阀5的入口侧相连，接下来还会进一步描述转换阀。

废气涡轮增压器2的压缩机2a通过压缩机管2c与增压空气冷却器3相连，该增压空气冷却器与增压空气管3a既连接在所谓的PBS系统（气动增压系统）的新鲜气体供给装置4的节流阀4a的接口u上，又连在转换阀5的输入侧的另一个接口上。新鲜气体供给装置4除了节流阀4a外还具有附加空气阀4c。附加空气阀4b通过附加空气管4c与为附加空气ZL而设的接口相连。附加空气ZL可以例如来自未示出的压缩空气容器。节流阀4a和附加空气阀4b都在其出口侧上与内燃机7的吸气弯管7a相连。这种新鲜气体供给装置4的详细描述可以由WO2006/089779A1中获取。

转换阀5在其出口侧与压缩机8通过压缩机进气管8a相连。压缩机8以未示出的方式由内燃机7驱动。压缩机也可以单独地或额外地具有驱动电机。压缩机压力管8b既与排泄阀9的入口侧相连也与为压缩空气设备而设的空气准备单元10的入口相连。空气准备单元10的出口连接在为压缩机储存空气KSL而设的接口上，该接口例如通向压缩空气储存器（此处未示出）。排泄阀9的出口侧与通向外界大气的压缩机排气口KLA相连。

开关6通过控制线路（以虚线示出）与内燃机7的发动机控制器11、节流阀4a、新鲜空气供给装置4的附加空气阀4b、转换阀5和排泄阀9相连。这些阀4a，4b，5和9例如可电控制并且具有电驱动装置。当然也可以考虑其它驱动方式。所有这些连接方式以及其它未示出的、例如与空气准备单元10和废气涡轮增压器2的连接方式都可以是具有内燃机7的车辆的总线系统、例如控制器局域网络总线（CAN-Bus）的组成部分。

在图2中示出装置的第一运行状态，例如是内燃机7在恒定转速下的运行。在这里，压缩机8在所谓的吸气模式中工作。也就是说，由它压缩的空气通过进气口LE吸入，并且通过吸气管1b经过转换阀5流入压缩机进气管8a。在这个第一运行状态下，转换阀5这样接通，使得吸气管1b通过转换阀5的阀位置u/y与压缩机进气管8a相连。此外还连接在转换阀5上的增压空气管3a通过转换阀5的阀位置w关闭。排泄阀9在关闭位置上，也就是说连接在排泄阀9上的压缩机压力管8b通过排泄阀9的位置v锁住。因此，压缩机8就在装置的第一运行状态下从进气口LE产生了压缩空气，进气口将该压缩空气吸入并通过压缩机压力管8b将压缩空气输送至空气准备单元10，例如以便储存在压缩空气储存器中。

如果内燃机需要过渡功率、即瞬时功率，发动机控制器11就会例如通过控制器局域网络总线要求激活新鲜气体供给装置4。同时，控制装置6获得关于新鲜气体供给装置4的即将进行的激活的信息。一旦节流阀4a被关闭（接口v和x被锁住），并且附加空气ZL通过开启的附加空气阀4b（接口u和w相连）进入内燃机7的吸气弯管7a的吹入过程开始，转换阀5就会被转换到图3中所示的阀位置，在该阀位置上，压缩机进气管8a与增压空气管3a通过转换阀5的阀位置x/z相连。在此，吸气管1b通过转换阀5的阀位置v关闭。

在根据图3的装置的示意性框图中示出装置的第二运行状态，其中，压缩机8在增压模式中工作。

通过增压空气管3a与压缩机进气管8a的连接，压缩机8从废气涡轮增压器2的压缩机2a的增压空气冷却器3中获得压缩空气。这样就可以从压缩机2a中分流出一股质量流并且因此避免废气涡轮增压器2出现泵吸，这是因为压缩机2a还通过该质量流向不稳定区域B的输送（见图1）继续停留在其特性曲线的稳定区域中。

假如该分流出的质量流还是太小，控制单元6可以同时接收到用于开启排泄阀9的信号。这在图4中在装置的第三运行状态中以示意性框图示出。这样就会产生一个空气通道，用于使得空气质量流从增压空气管3a中排出，通过转换阀5的仍然存在的位置x/z进入压缩机进气管8a，通过压缩机8进入压缩机压力管8b，以及通过排泄阀9在位置u/w上经过压缩机排气口KLA进入外界大气。经过该空气通道的最大可能的质量流还取决于排泄阀9的横截面积。借助于该质量空气流通过压缩机8，避免了废气涡轮增压器2的压缩机2a中的质量流被强烈中断，从而使得在新鲜气体供给装置4的节流阀4a关闭时不会出现涡轮增压器泵吸，并且废气涡轮增压器稳定运行。

分流出的质量流的大小的查明可以例如借助空气准备单元10实现。另外，在废气涡轮增压器2的压缩机2a上和/或新鲜气体供给装置4中，在节流阀4a的入口侧上可以布置合适的测量值指示器、例如压力传感器。

在新鲜气体供给装置4的激活结束以后，就不再存在涡轮增压器泵吸的危险。在节流阀4a重新开启后，排泄阀9会重新关闭。转换阀5则可以不受当前的运行参数制约地使得压缩机8保持在增压模式（位置x/z）或者使得其转回自然吸气模式（位置u/y），对于上述的当前的运行参数接下来还会进行说明）

例如，压缩机8在内燃机7全负荷加速时-在新鲜气体供给装置4激活后-转换到自然吸气模式，以便避免压缩机2a的增压压力下降。

本装置不仅可以防止涡轮增压器泵吸，而且也可以带来以下优点。

目前的废气涡轮增压器2经常具有所谓的排气泄压阀（未示出）。该阀从压缩机2a中增压压力达到特定数值的时候打开并且将预定的废气质量流引导从废气涡轮增压器2的涡轮机2b旁边经过。因此防止废气涡轮增压器2和/或内燃机7受损伤。因此，由于被改变了路线的废气而不会利用其能量。在排气泄压阀激活的这些阶段中，转换阀5始终可以转换到位置x/z中，在该位置中，压缩机8在增压模式中工作。以这种方式，供使用的废气质量流就可以得到充分利用，以便借助压缩机2a将内燃机7不需要的附加的增压空气输送给压缩机8以及因此输送给与其相连的压缩空气设备以便进行储存。

另外，转换阀5也可以在内燃机7的推进阶段中转换到位置x/z中，在该位置中，压缩机8在增压模式中工作。现有的能量在这里也可以得到充分利用。

图5示出根据本发明的、用于调节内燃机7的废气涡轮增压器2的稳定运行的方法的一个实施例的流程图。

在第一方法步骤100中，压缩机8在第一运行状态下在吸气模式中运行，其中，转换阀5将压缩机进气管8a通过吸气管1b与进气口LE相连。同时，内燃机7和空气准备单元10的运行参数被监控。

在第二方法步骤110中，要求内燃机7的瞬时功率并且激活新鲜气体供给装置4。这些过程根据被监控的运行参数实施。

接下来在第三方法步骤130中，为了调节废气涡轮增压器2的稳定运行，将压缩机8从吸气模式转换到增压模式。这由此实现，即转换阀5将压缩机进气管8a与废气涡轮增压器2的压缩机2a连接在一起并且将吸气管1b锁住或者说封闭住。

最后进行第四方法步骤140，在该第四方法步骤中，根据被监控的运行参数确定新鲜气体供给装置4的激活结束。随后，将压缩机8重新转换到吸气模式，这由此实现：转换阀5将压缩机进气管8a与吸气管1b相连，并且取消压缩机进气管8a与增压空气管3a的连接。

方法步骤130具有两个分步骤131和132。在分步骤131中，废气涡轮增压器2的压缩机2a的增压压力和/或质量流被监控，这由此实现：将各个参数与能预定的值进行比较。一旦各个参数超出该比较值，则在分步骤132中打开排泄阀9，以便将压缩机压力管8b与压缩机排气口KLA连接起来。假如各个参数下降到另一个能预定的值之下，则重新关闭排泄阀9。

在一种可替换的第二方法步骤120中，如果新鲜气体供给装置4未被激活，则根据运行参数确定，内燃机7是否在推进阶段中运行或/和废气涡轮增压器2的排气泄压阀（假如废气涡轮增压器配有这种排气泄压阀）是否打开。在这两种情况中的每种情况下，都会实施第三方法步骤130并且将压缩机8转换到增压模式。

本发明不限于上述的实施例。在从属权利要求的范畴中可以对本发明进行修改。

例如可以考虑的是，即控制装置6是发动机控制器11或者空气准备单元10的组成部分。

另外，控制装置6可以在未示出的储存装置中具有各个压缩机特性曲线的表值，其中，根据被监控的参数可以查明各个当前的运行点A（见图1），并且通过压缩机8借助转换阀5相应转换到各个需要的模式中避免了，当前的运行点A超出泵吸极限C并且到达不稳定区域B。

节流阀4a、附加空气阀4b和/或排泄阀9也可以设计为调节阀，具有可逐级或无级地改变的流量横截面。在此，借助这种排泄阀9可以通过可调节的质量流实现特别个性化的调整。

新鲜气体供给装置4可以像在WO2006/089779A1中所描述的那样设计。

参考标号表

1       空气过滤器

1a      压缩机吸气管

1b      吸气管

2       废气涡轮增压器

2a      压缩机

2b      涡轮

2c      压缩机管

3       增压空气冷却器

3a      增压空气管

4       新鲜气体供给装置

4a      节流阀

4b      附加空气阀

4c      附加空气管

5       转换阀

6       控制装置

7       内燃机

7a      吸气弯管

7b      气缸

7c      排气管

8       压缩机

8a      压缩机进气管

8b     压缩机压力管

9      排泄阀

10     空气准备单元

100…140  方法步骤

A      运行点

AA     废气出口

B      不稳定区域

C      泵吸极限

D      有效系数相同的曲线

E      转速相同的曲线

F      无冲击入流的曲线

KLA    压缩机排气口

KSA    压缩机储存空气

LE     进气口

ZL     附加空气

u…z   阀接口

Claims (12)

1.一种用于调节内燃机（7）的废气涡轮增压器（2）的稳定运行的方法，所述内燃机具有：新鲜气体供给装置（4）；转换阀（5）；控制装置（6）；压缩机（8）；和带有排泄阀（9）的空气准备单元（10），所述方法具有以下方法步骤：

-在吸气模式中运行所述压缩机（8），其中，所述转换阀（5）将所述压缩机（8）与进气口（LE）相连，并且监控所述内燃机（7）、所述空气准备单元（10）和所述废气涡轮增压器（2）的运行参数；

-通过以下方式，即所述转换阀（5）将所述压缩机（8）与所述废气涡轮增压器（2）的压缩机（2a）相连，由此通过所述压缩机（8）从所述吸气模式转换到增压模式根据被监控的运行参数来调节所述废气涡轮增压器（2）的稳定运行；和

-通过以下方式，即所述转换阀（5）将所述压缩机（8）重新与所述进气口（LE）相连，使得所述压缩机（8）根据所述被监控的运行参数从所述增压模式转换到吸气模式。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法步骤的调节包括以下分步骤：

-监控所述废气涡轮增压器（2）的所述压缩机（2a）的增压压力和/或质量流；以及

-通过打开所述排泄阀（9），将所述压缩机（8）的出口与外界大气相连。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，逐级地或无级地打开所述排泄阀（9）。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在所述方法步骤的调节中，所述新鲜气体供给装置（4）的运行形成被监控的运行参数，其中，在所述新鲜气体供给装置（4）激活时，所述压缩机（8）从所述吸气模式转换到所述增压模式，和在所述新鲜气体供给装置（4）激活后，所述压缩机（8）从所述增压模式转换到所述吸气模式。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在所述方法步骤的调节中，所述内燃机（7）的推进阶段和所述新鲜气体供给装置（4）的运行形成被监控的运行参数，其中，如果所述新鲜气体供给装置（4）没有运行，则在所述推进阶段开始时，所述压缩机（8）从所述吸气模式转换到所述增压模式，和在所述推进阶段结束后，所述压缩机（8）从所述增压模式转换到所述吸气模式。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述方法步骤的调节中，用于所述废气涡轮增压器（2）的排气泄压阀的运行的所述运行参数形成被监控的运行参数，其中，用于开启所述排气泄压阀的信号促使所述压缩机（8）从所述吸气模式转换到所述增压模式，和用于关闭所述排气泄压阀的信号促使所述压缩机（8）从所述增压模式转换到所述吸气模式。

7.一种用于实施用于调节内燃机（7）的废气涡轮增压器（2）的稳定运行的方法的装置，所述装置具有：

a.用于在需要瞬时功率时将附加空气（ZL）吹入所述内燃机（7）的新鲜气体供给装置（4）；

b.用于产生压缩空气的压缩机（8）；和

c.用于压缩空气的、带有排泄阀（9）的空气准备单元（10），

其特征在于，

d.转换阀（5），所述转换阀在所述压缩机（8）的吸气模式中将所述压缩机（8）与进气口（LE）相连，并且在所述压缩机（8）的增压模式中将所述压缩机（8）与所述废气涡轮增压器（2）的压缩机（2a）相连；和

e.用于控制对所述废气涡轮增压器（2）的稳定运行进行调节的所述转换阀（5）的控制装置（6）。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述控制装置（6）设计用于控制所述排泄阀（9）。

9.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于，所述控制装置（6）是发动机控制器（11）或者所述空气准备单元（10）的组成部分。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的装置，其特征在于，所述新鲜气体供给装置（4）具有节流阀（4a）和附加空气阀（4b）。

11.根据权利要求7至10中任一项所述的装置，其特征在于，所述节流阀（4a）、所述附加空气阀（4b）和/或所述排泄阀（9）是能分级地或无级地调节的阀。

12.根据权利要求7至11中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置适合于实施根据权利要求1至6中任一项所述的方法。

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