CN103195598A

CN103195598A - 一种电子涡轮增压器的控制方法

Info

Publication number: CN103195598A
Application number: CN2013101235230A
Authority: CN
Inventors: 夏迎松; 陈新; 左朝凤; 李传友; 郭国祥
Original assignee: ANHUI ZHONGDIN POWER Co Ltd
Current assignee: ANHUI ZHONGDIN POWER Co Ltd
Priority date: 2013-04-10
Filing date: 2013-04-10
Publication date: 2013-07-10

Abstract

本发明公开了一种电子涡轮增压器的控制方法，控制方法通过控制发动机的工作过程以能够在发动机整个转速范围内降低氮氧化合物的排放以及降低油耗，包括步骤：将由电力驱动的涡轮增压器布置在发动机上，涡轮增压器的涡轮装配在发动机的中心轴上，涡轮叶片由发动机的废气驱动；压气机也装配在中心轴上，压气机用于推动新鲜空气和再循环废气进入气缸；涡轮增压机需适时地从中心轴吸收能量，或通过中心轴释放能量，从而调节空燃比、提高燃油经济性以及降低排放。本发明的有益效果是：封闭控制模块内有设定的控制程序，通过控制涡轮机和压气机的旋转来维持理论最优空燃比，进而提高燃油经济性，降低氮氧化合物和颗粒物排放。

Description

一种电子涡轮增压器的控制方法

技术领域

本发明涉及涡轮增压器，具体涉及一种电子涡轮增压器的控制方法。

背景技术

作为传统涡轮增压器的改进型产品，电子涡轮增压器通常应用于压燃式、缸内直喷发动机上。电子涡轮增压器通过进气增压功能的控制，在发动机运转过程中，维持缸内可燃气体的空燃比处于最优值，从而降低油耗和排放。发动机在低速运转，或处高速，大扭矩工况下，仅靠废气驱动涡轮，缸内可燃气体无法达到最优空燃比值，此时，控制器对电机提供电能，电机驱动涡轮增压器加速运转，增加进气量，实现最优空燃比。当发动机处于高转速低扭矩工况时，涡轮增压器上的电机吸收部分废气的能量，用于发电储存起来，同时涡轮转速下降，增压效率降低，进气量减少，维持缸内可燃气体处于最优空燃比状态。

中国专利CN202431358U公开了一种汽油机涡轮增压器，包括连接在一起的涡轮壳、中间体和压气机壳，增压器内的涡杆上设有中空部，涡轮和涡杆采用电子束焊接工艺固定安装在一起，中间体与涡轮壳之间有隔热罩，中间体内设有润滑油腔和冷却水腔，涡轮壳为采用球墨铸铁铸成，中间体与涡轮轴之间设有内止推轴承，压气机壳与涡轮轴之间设有外止推轴承，内止推轴承与外止推轴承之间设有止推片，涡轮轴上套装有密封套，外止推轴承安装在密封套上，执行器包括放气阀和气门连杆。此实用新型有效的阻断了涡轮端向中间体的热量传递，保证了涡轮端润滑油的润滑质量，防止了因浮动轴承润滑失效，产生的涡轮轴卡死、研轴等问题并解决了汽油机涡轮增压器压气机侧漏油问题。与本申请相比，具体结构存在较大的差别。

中国专利CN202140163U公开了一种涡轮增压器以及发动机，涡轮增压器包括有涡轮机、压缩机、中间体、电磁阀、电子进气旁通阀、废气旁通阀执行器，其中涡轮机与中间体的一端相连接，压缩机与中间体的另一端相连接，电磁阀设置在所述压缩机的壳体上，其中所述电磁阀分别连通到压缩机的进气口和排气口，电磁阀进一步与中央电子控制模块电性连接，所述废气旁通阀执行器与所述涡轮机相连接，所述电子进气旁通阀固定在压缩机的壳体上，并且所述电子进气旁通阀同样与中央电子控制模块电性连接。两者在结构和所要解决的技术问题上都存在明显的区别。

发明内容

针对现有的涡轮增压机存在的上述问题，本发明提供一种提高燃油经济性的电子涡轮增压器的控制方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种电子涡轮增压器的控制方法，其中，所述控制方法通过控制发动机的工作过程以能够在发动机整个转速范围内降低氮氧化合物的排放以及降低油耗，包括步骤：

（1）将由电力驱动的涡轮增压器布置在所述发动机上，所述涡轮增压器的涡轮装配在所述发动机的中心轴上，涡轮叶片由所述发动机的废气驱动；压气机也装配在所述中心轴上，所述压气机用于推动新鲜空气和再循环废气进入气缸；所述涡轮增压机需适时地从所述中心轴吸收能量，或通过所述中心轴释放能量，从而调节空燃比、提高燃油经济性以及降低排放。

（2）设置一个控制器，连接到为所述涡轮增压器提供动力驱动的电动机上，所述控制器根据大量输入信号来调节的所述电动机的功率量，使得在所述发动机的燃烧室中保持合适的空燃比来达到最优的燃料消耗和氮氧化物排放量。

上述电子涡轮增压器的控制方法，其中，还包括步骤：通过可调节的排气再循环阀实现控制排气再循环率，进而控制所述发动机气缸内的混合可燃气体的空燃比的值处于理想状态，降低油耗和氮氧化物的排放。

上述电子涡轮增压器的控制方法，其中，还包括步骤：在不同的工况下，计算出最优的混合可燃气体的空燃比。

上述电子涡轮增压器的控制方法，其中，还包括步骤：所述控制器通过一定方式进行恒定维持混合可燃气体的空燃比的控制过程。

上述电子涡轮增压器的控制方法，其中，所述输入信号包括进气流量计信号。

上述电子涡轮增压器的控制方法，其中，所述输入信号还包括排气再循环系统的氧传感器信号。

上述电子涡轮增压器的控制方法，其中，所述输入信号还包括排气再循环系统的冷却器的压差传感器信号。

上述电子涡轮增压器的控制方法，其中，所述输入信号还包括驱动扭矩控制传感器信号。

由于采用了上述技术，上述技术方案与现有技术相比具有的积极效果是：

封闭控制模块内有设定的控制程序，通过控制涡轮机和压气机的旋转来维持理论最优空燃比，进而提高燃油经济性，降低氮氧化合物和颗粒物排放。

附图说明

图1是本发明一种电子涡轮增压器的控制方法的内燃机的原理图；

图2是本发明一种电子涡轮增压器的控制方法的内燃机的空燃比与油耗对照图；

图3是本发明一种电子涡轮增压器的控制方法的排气再循环率、空燃比和涡轮增压机通过电动机吸收或释放的电能的对照图；

图4是本发明一种电子涡轮增压器的控制方法的排气再循环率、空气流量和涡轮增压机通过电动机吸收或释放的电能的对照图；

图5是本发明一种电子涡轮增压器的控制方法的内燃机气缸内的各物质组成示意图；

图6（A）是本发明一种电子涡轮增压器的控制方法的一柴油发动机气缸内在第一排气再循环率下的各物质组成示意图；

图6（B）是本发明一种电子涡轮增压器的控制方法的一柴油发动机气缸内在第二排气再循环率下的各物质组成示意图；

图6（C）是本发明一种电子涡轮增压器的控制方法的一柴油发动机气缸内在第三排气再循环率下的各物质组成示意图；

图7（A）是本发明一种电子涡轮增压器的控制方法的的带有电子控制涡轮增压器的发动机气缸内在第一排气再循环率下的各物质组成示意图；

图7（B）是本发明一种电子涡轮增压器的控制方法的的带有电子控制涡轮增压器的发动机气缸内在第二排气再循环率下的各物质组成示意图；

图7（C）是本发明一种电子涡轮增压器的控制方法的的带有电子控制涡轮增压器的发动机气缸内在第三排气再循环率下的各物质组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

如图1所示本发明一种电子涡轮增压器的控制方法的内燃机的原理图，本专利发明的电子控制涡轮增压器控制系统应用于传统涡轮增压、直喷、压燃式的发动机系统100。封闭单元由电子控制涡轮增压器和控制器210组成。电子控制涡轮增压器则由低压排气再循环系统和排气再循环控制器120组成。控制器210通过传感器和执行器控制进气量，提高了各工况点排放性能。

进一步的，该系统由控制器210和电子控制器250组成。控制器210与排气再循环阀130，以及电子节气门140协同工作，实现预定的控制策略。排气再循环阀130和电子节气门140均为可商业批产零部件，它们由排气再循环控制器120控制。这种情况下选用的电子控制单元应该是标定电子控制单元，在需要的时候，工程师可使用现有的通信协议，例如使用控制器局域网络通道来更改程序。另外，产品要足够结实，能应用在运转的车上。排气再循环控制器120从以下传感器采集输入信号：进气流量计150、排气再循环氧传感器160、排气再循环冷却器压差传感器170和驱动扭矩控制传感器器180。排气再循环控制器120综合计算输入信号，得出控制指令，输出给电子控制器250，排气再循环阀130和电子节气门140。

进一步的，发动机系统100内也包含多种催化剂来降低污染物排放，同时防止排气再循环冷却器积碳。应用于该系统的紧耦合催化器、柴油机氧化催化器和颗粒捕捉器在市场上均非常容易取得。

进一步的，众所周知柴油机的排放污染较严重。应用工程师发现，通过应用多点喷射，高的排气再循环率，以及对进气温度进行控制，柴油机在低温燃烧工况下排放性能可以优化。更具体地说：通过控制燃烧温度在2000°K（～1750℃），氮氧化物排放会降低。进一步控制燃烧温度，能降低富氧燃烧情况下氮氧化物的排放。要将传统燃烧转变为低温燃烧，可以用电子控制涡轮增压器控制系统严格控制进气、燃油和废气的混合比实现。电子控制涡轮增压器控制系统和控制方法也能降低瞬态工况点颗粒物排放，提高低速扭矩，同时使得发动机的低温启动更容易。

进一步的，电子控制涡轮增压器控制系统能在多种工况下显著降低污染物排放。电子控制涡轮增压器需要根据发动机转速和扭矩要求对发动机进行控制，降低排放。因此电子控制涡轮增压器针对不同工况要使用不同控制策略。降低柴油机稳态下的氮氧化物排放一直是发动机设计者的难题。目前通过后置催化器，氮氧化物排放得到了显著降低。其中的一个方法，使用选择性催化还原系统，但是价格高，并且需要添加其它化学物质，这些化学物质本身也可能污染环境。另外一个更有效的方法是提高排气再循环率，将燃烧温度降低到氮氧化物不会生成的范围。此时，则必须对进入的新鲜空气和再循环废气进行冷却，降低排放。

进一步的，通常传统涡轮增压直喷点燃式发动机是通过排气再循环稀释的方法降低燃烧温度，从而降低氮氧化合物的排放。然而，用于排气再循环的废气量却因以下因素受到制约：功率损失、不允许出现的瞬态响应、颗粒物排放、和油耗等。这类发动机的部分负荷特性经常不受控制。因此，需要对这种技术做改进。

进一步的，封闭模块内的电子控制涡轮增压器控制系统能协同排气再循环阀130和电子节气门140一起工作。能稳定地将排气再循环率提高到80%。如此高的排气再循环率的实现得益于电子控制涡轮增压器控制系统能同时控制进气增压效率和排气背压，以维持理想的空燃比，降低颗粒物排放，降低油耗。

进一步的，为了说明电子控制涡轮增压器控制系统辅助下的排气再循环稀释进气系统的功能，下面以一个2L涡轮增压直喷点燃式发动机，在转速2000rpm，部分负荷工况下的工作情况作为示例进行讲述。得出的结论同样适用于更大排量的柴油发动机。

如图2所示本发明一种电子涡轮增压器的控制方法的内燃机的空燃比与油耗对照图，三条曲线说明了发动机在各转速区间，空燃比对性能的影响。曲线A表示空燃比对油耗的影响，曲线B表示空燃比对氮氧化物排放的影响，曲线C表示空燃比对颗粒物排放的影响。结合三曲线，如果维持空燃比为2.7（仅适用该款机型），氮氧化物排放最少，同时颗粒物排放也较少，燃油经济性也好。控制器210就是通过一定的方式，维持该理论空燃比，实现发动机性能提升的。

如图3所示本发明一种电子涡轮增压器的控制方法的排气再循环率、空燃比和涡轮增压机通过电动机吸收或释放的电能的对照图，其中的曲线D表示电子控制涡轮增压器控制系统为了维持最优空燃比2.7（仅适用该款机型），通过电机吸收的能量，或通过电机释放给给涡轮机的能量。

进一步的，如图3中的曲线F表示：在发动机转速为2000rpm，平均有效压力为2bar的情况下，传统增压发动机只有在排气再循环率为约45%时，才能维持理论空燃比2.7。而对于电子涡轮增压器控制的增压发动机则能在0～80%的排气再循环率区间范围内，均能实现维持理论空燃比，只需控制电机作用于增压器轴上的能量即可。当排气再循环率小于45%时，废气推动涡轮旋转，电子涡轮增压器通过电机吸收能量，用于发电。当排气再循环率提高，大于45%时，能量作用于电机，则排气再循环率提高。传统涡轮增压器不能够提供足够的新鲜空气维持理论空燃比。带电子涡轮增压器控制系统的涡轮增压器则可以通过电机带动涡轮轴，提高涡轮轴转速，维持最优空燃比(图中曲线E表示空燃比)。

如图4所示本发明一种电子涡轮增压器的控制方法的排气再循环率、空气流量和涡轮增压机通过电动机吸收或释放的电能的对照图，表示不同排气再循环率，对应的电子控制涡轮增压器吸收/释放的能量，以及缸内不同成分的质量。在图4中，曲线D表示电子控制涡轮增压器吸收/释放的能量；曲线K表示喷油器喷射的燃油的质量；曲线E表示发动机气缸内参与燃烧的空气质量；曲线I表示进入发动机气缸内的空气质量；曲线G表示通过低压排气再循环的惰性气体的质量；曲线H表示通过低压排气再循环的总气体的质量；曲线J表示发动机气缸内所有成分的质量总和。

进一步的，值得注意的是，通过电子控制涡轮增压器控制的电机，可以实现排气再循环率达到50%～80%。如曲线G（用于燃烧冷却的的惰性气体）的质量随着电机释放的能量的增加而增加。稳态工况下降低氮氧化物排放主要得益于高的排气再循环率。

进一步的，图4中的曲线进一步说明了维持各燃烧气体成分和保持最优空燃比之间的关系。例如，曲线J（缸内所有气体的质量和）是曲线H（再循环气体的总质量）和曲线I（新鲜空气重量）之和。总的来说，它们之间的关系能指导电子控制涡轮增压器控制系统工作，通过电机吸收和释放能量，维持最优空燃比，降低排放，提高燃油经济性。

如图5所示本发明一种电子涡轮增压器的控制方法的内燃机气缸内的各物质组成示意图，其内容讲述电子控制涡轮增压器控制系统是如何综合燃油量、新鲜空气量、稀薄空气，排气再循环空气量，和惰性气体再循环量等因素，提高排气再循环率的。图5中是发动机气缸内各组分示例，可用于理解说明排气再循环废气对于发动机的作用。在图5中，下排三个框表示理论新鲜空气（其中包括氧气2和氮气3）和燃油1的质量。接着往上的两个框表示新鲜空气中氧气2和氮气3的量。再往上两个框，表示通过排气再循环的气体中的氧气2和氮气3的两，以及产生的水和二氧化碳4的量。

如图6（A）-6（C）所示本发明一种电子涡轮增压器的控制方法的一柴油机发动机气缸内在不同排气再循环率下的各物质组成示意图，使用一2L缸内直喷柴油发动机，在平均有效压力为2bar，转速为2000rpm工况下，带电子控制涡轮增压器的发动机和传统增压发动机不同的排气再循环率的工作参数。得出的结论同样适合更大排量的发动机。每图所对应的参数分别表示缸内新鲜空气（氧气2和氮气3组成）和再循环废气量5（燃油1及水和二氧化碳4，同图5）。

进一步的，图6（A）中表示的是带传统涡轮增压器的发动机，在3.5%的排气再循环率时的参数。排气再循环温度为190℃，压气机压缩后压力为1.197*10²Pa，涡轮增压前压力为1.393*10²Pa。值得注意的是，此时的空燃比为4.265，比理想空燃比2.7要稀薄得多。

进一步的，图6（B）中表示带电子控制涡轮增压器的发动机降低涡轮转速，同时发电，将空燃比调节至最优空燃比2.7，并且发出529W的电量。其间，排气再循环温度为190℃，压气机压缩后压力为1.022*10²Pa，涡轮增压前压力为1.265*10²Pa。

进一步的，图6（C）中表示传统涡轮增压器是如何通过43%的排气再循环率实现最优空燃比2.7的。如果传统涡轮增压器试图进一步提高排气再循环率，则会造成污染物排放和油耗升高。其间，排气再循环温度为190℃，压气机压缩后压力为1.091*10²Pa，涡轮增压前压力为1.164*10²Pa。

如图7（A）-7（C）所示本发明一种电子涡轮增压器的控制方法的的带有电子控制涡轮增压器的发动机气缸内在不同排气再循环率下的各物质组成示意图，表示理论上，相同工况下，带电子控制涡轮增压器的发动机是如何在80%的排气再循环率情况下维持最优空燃比，降低油耗和氮氧化物、颗粒物排放的（新鲜空气由氧气2和氮气3组成，燃油1，水和二氧化碳4及再循环废气量5，同图6（A）-6（C））。

进一步的，图7（A）中表示的是带有电子控制涡轮增压器的发动机，在70%的排气再循环率时的物质组成。排气再循环温度为60℃，压气机压缩后压力为1.156*10²Pa，涡轮增压前压力为1.169*10²Pa，此时的空燃比为1.5，发出30W的电量。

进一步的，图7（B）中表示带有电子控制涡轮增压器的发动机将空燃比调节至2.7，排气再循环率为70%，并且发出621W的电量下的物质组成。其间，排气再循环温度为190℃，压气机压缩后压力为1.652*10²Pa，涡轮增压前压力为1.122*10²Pa。

进一步的，图7（C）中表示带有电子控制涡轮增压器的发动机通过80%的排气再循环率实现空燃比2.7，且发出874W的电能下的物质组成。其间，排气再循环温度为60℃，压气机压缩后压力为1.916*10²Pa，涡轮增压前压力为1.136*10²Pa。

进一步的，传统柴油机驱动的车辆，如公交车、货运卡车和垃圾运输车等，通常颗粒物和其它污染物排放均较高。这种现象出现的原因是，这类车有许多瞬态工况，如急加速、急减速等。在这些瞬态工况下，柴油机通常会多喷油，发动机富油燃烧。此时，传统涡轮增压器无法增加进气量，以维持理想空燃比。这是由涡轮和压气叶片的流体动力特性决定的。这样，未燃烧的燃油就会以固体颗粒物或其它污染物的形式离开气缸。此时需要后处理系统处理这些污染物，比如柴油氧化催化器、颗粒捕捉器。

进一步的，在瞬态工况下，电子控制涡轮增压器控制系统则可以通过电机提高涡轮转速，增加新鲜空气进气，维持理想空燃比，降低污染物排放。通过这种方法，瞬态工况下，离开气缸的固体颗粒物的量可以减少50%。

进一步的，在瞬态工况下，电子控制涡轮增压器控制系统减少污染物排放的同时，能提高扭矩，提高驾驶性能。

进一步的，在冷启动工况下，缸内直喷柴油机压缩比的设计更多的考虑了方便冷启动，而不优先考虑油耗（也不优先考虑氮氧化物的排放）。也就是说，冷启动时需要的压缩比比平时工况需要的压缩比要高，同时也需要多喷油，实现冷启动。多喷的燃油又会引起排气的碳氢化物，一氧化碳，颗粒物含量增加。而且，此时后处理系统温度较低，不能有效地处理污染物而造成污染排放恶化。寒冷天气条件下，需要加热器给发动机加热，使得可燃混合气在缸内能够被压燃。控制器需要等发动机热机到一定程度，才能启动发动机。

进一步的，带电子控制涡轮增压器控制系统的发动机可以提高进气的预压缩率，因此，缸内压缩比的设计可以更多的考虑发动机油耗和排放性能。同时，压缩的气体温度升高，相当于有了进气加热器的功能。如果能使用一旁通阀实现进气的循环压气，加热效果会更明显。普通的缸内直喷涡轮增压发动机，即使使用最好的涡轮增压器，也会有低端扭矩不足的缺陷。原因在于废气涡轮增压不够，反而在压气机的叶片阻挡下进气不顺畅，造成加速性能不好。这种情况下，司机只能通过挂低档位起动汽车，此时的污染物排放以及油耗性能都不理想。

进一步的，电子控制涡轮增压器控制系统可以通过电机给涡轮增压器加速，弥补废气推动涡轮力量不足的问题。低端扭矩可以因此提高38%。电子控制涡轮增压器也可以缩短低速瞬态响应时间达50%。当然，电子控制涡轮增压器释放的能量，会在发动机高速、全负荷或部分负荷情况下通过发电得到补充。

进一步的，带电子控制涡轮增压器的低压排气再循环柴油机系统和控制方法有如下功能：提高排气再循环率，降低稳态氮氧化物排放，降低冷启动排放，使冷启动更容易，提高瞬态工况的发动机性能，降低瞬态工况的污染物排放。这种综合性的技术方法能达到的效果甚至比最复杂的后处理系统更有效。

进一步的，值得注意的是，低压排气再循环的电子控制涡轮增压器控制柴油系统和控制方法也能结合其它后处理系统和现代涡轮增压技术（例如可变几何涡轮机）一起使用，更进一步降低排放。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的申请专利范围，所以凡运用本发明说明书及图示内容所做出的等效结构变化，均包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种电子涡轮增压器的控制方法，其特征在于，所述控制方法通过控制发动机的工作过程以能够在发动机整个转速范围内降低氮氧化合物的排放以及降低油耗，包括步骤：

2.如权利要求1所述电子涡轮增压器的控制方法，其特征在于，还包括步骤：通过可调节的排气再循环阀实现控制排气再循环率，进而控制所述发动机气缸内的混合可燃气体的空燃比的值处于理想状态，降低油耗和氮氧化物的排放。

3.如权利要求1所述电子涡轮增压器的控制方法，其特征在于，还包括步骤：在不同的工况下，计算出最优的混合可燃气体的空燃比。

4.如权利要求1所述电子涡轮增压器的控制方法，其特征在于，还包括步骤：所述控制器通过一定方式进行恒定维持混合可燃气体的空燃比的控制过程。

5.如权利要求1所述电子涡轮增压器的控制方法，其特征在于，所述输入信号包括进气流量计信号。

6.如权利要求1所述电子涡轮增压器的控制方法，其特征在于，所述输入信号还包括排气再循环系统的氧传感器信号。

7.如权利要求1所述电子涡轮增压器的控制方法，其特征在于，所述输入信号还包括排气再循环系统的冷却器的压差传感器信号。

8.如权利要求1所述电子涡轮增压器的控制方法，其特征在于，所述输入信号还包括驱动扭矩控制传感器信号。