CN103256129B - 具有涡轮增压装置的内燃机的操作方法及其控制单元 - Google Patents

Abstract

一种具有涡轮增压装置（2）的内燃机（1）的操作方法，该涡轮增压装置（2）包含顺序安置的低压级和高压级，低压级包括低压压缩机（9）以及至少一个可以由供给系统操作的涡轮增压控制阀（15、16），在本方法中，检测供给系统故障、确定低压压缩机流量、以及根据低压压缩机流量限制发动机控制参数设定值。本发明还涉及用于内燃机（1）的控制单元。

Description

具有涡轮增压装置的内燃机的操作方法及其控制单元

技术领域

本发明涉及配备有涡轮增压装置的内燃机的操作方法以及这种发动机的控制单元。

背景技术

内燃机，尤其是柴油和汽油发动机，常常配备有涡轮增压器。涡轮增压器通过压缩进入发动机的进气气流以获得更大的功率。具体地，可以通过具有较小排气量因而尺寸较小、重量较轻的涡轮增压发动机产生预设的功率，从而达到增大的比功率以及燃料消耗的降低。通常，通过内燃机的排气流驱动涡轮增压器。为此，涡轮增压器包括安置在内燃机排气流中的涡轮，其通过连接传动轴驱动用于压缩发动机进气气流的压缩机。

最近，尤其对于直列发动机来说，串联相继涡轮增压变得越来越普遍。可控二级涡轮增压系统包含用于峰值功率的低压（LP）级以及用于工作和实现背压需求以推动排气再循环的高压（HP）级，该排气再循环对于减少NO_x（氮氧化物）污染物排放是必须的。此外，HP涡轮通常比LP涡轮小并且反应更灵敏。HP和LP涡轮在内燃机的排气气流中顺序排列，LP涡轮位于HP涡轮下游。LP和HP压缩机同样顺序排列，HP压缩机在进气气流中位于LP压缩机下游。

通过一个或多个位于排气和/或进气系统分支中的旁通阀控制排气气流和/或进气气流，该分支平行于相应的涡轮和/或压缩机。具体地，可以通过HP涡轮的旁通阀（涡轮旁通阀TBV）以及绕过LP涡轮的泄压阀（WG）控制排气气流。随着旁通阀关闭，相应的涡轮最大限度地被驱动，而随着旁通阀部分或完全打开，平行分支中至少通过部分排气气流，以降低的速率驱动相应的涡轮。类似地，可以通过HP压缩机的压缩机旁通阀（CBV）控制进气气流。旁通阀确保发动机平稳运转，并且还确保相应的各种进一步限制，例如关于排气成分、压缩机出口温度、涡轮入口温度，以及避免涡轮增压器喘振或者超速。

可以主动控制旁通阀，例如电力地或者通过真空，并且旁通阀可以包含位置反馈传感器。由于HP涡轮旁通阀（TBV）是排放控制的关键，其通常被主动地控制并且配备有位置反馈传感器。通常也主动操作LP涡轮旁通阀（WG）。对于高速和高负载，泄压阀（WG）促动器通常用作增压限制器，因此不要求高水平的准确度，因而不需要用于WG的位置反馈。为主动促动，压缩机旁通阀（CBV）可以配备位置反馈，但是出于降低成本以及复杂性的原因，其通常是被动的并且没有位置反馈，即压缩机旁通阀（CBV）因穿过其的压力差而打开或关闭，并且，具体的，压缩机旁通阀（CBV）仅具有两个可能位置，该两个可能位置是完全打开和完全关闭的位置。

主动阀通常具有默认或者“故障安全（failsafe）”位置，当没有真空或者电力供应时，主动阀移动到该位置。故障安全位置通常是要么完全打开要么完全关闭。通过例如安全以及高海拔地区的发动机功率需求等因素确定默认设置。具体地，利用真空或电力供应故障，TBV完全打开，WG完全关闭，以确保对HP压缩机的最小损伤以及一些基本的驱动能力。在这种情况下，由于实际上绕过HP涡轮，仅使用LP涡轮增压器。通过适当的校正，即使在这种情况下也可能实现低颗粒排放。

然而，这不足以确保避免压缩机喘振或者超速，因为这些事件可以在排气λ（lambda）值大于1.2时发生。由于在这种情况下阀促动器不可操作，没有用于喘振或超速保护的有效增压控制。在高海拔地区，这种影响更加显著。

发明内容

本发明的目的是提供一种配备涡轮增压装置的内燃机的操作方法，此方法容许在涡轮增压阀供给故障时有改进的涡轮增压器喘振或超速保护。本发明的进一步目的是提供一种用于具有涡轮增压装置的内燃机的控制单元，该控制单元容许在这种阀供给故障的情况下有改进的涡轮增压器喘振或超速保护。

本发明通过以下方法以及控制单元实现此目的：

一种具有涡轮增压装置的内燃机的操作方法，该涡轮增压装置包含顺序安置的低压级和高压级，低压级包括低压压缩机以及至少一个可以由供给系统操作的涡轮增压控制阀，该方法包含检测供给系统故障、确定低压压缩机流量、以及根据低压压缩机流量限制发动机控制参数设定值。

一种用于具有涡轮增压装置的内燃机的控制单元，该涡轮增压装置包含顺序安置的低压级和高压级，低压级包括低压压缩机以及至少一个可以由供给系统操作的涡轮增压控制阀，其中，将控制单元配置为根据前述方法控制内燃机。

本发明的内燃机操作方法涉及配备有顺序排列的涡轮增压装置或涡轮增压系统的内燃机，该涡轮增压装置或涡轮增压系统包含低压涡轮增压级和高压涡轮增压级。低压涡轮增压级包含低压涡轮增压器，该低压涡轮增压器包含驱动低压压缩机的低压涡轮。高压涡轮增压级包含高压涡轮增压器，该高压涡轮增压器具体地包含驱动高压压缩机的高压涡轮。高压压缩机安置在内燃机进气气流中低压压缩机的下游。低压涡轮位于发动机排气气流中高压涡轮的下游。

涡轮增压装置进一步包括至少一个用于控制涡轮增压装置的涡轮增压控制阀。具体地，低压涡轮可以具有低压涡轮旁通阀（WG）。高压涡轮可以具有高压涡轮旁通阀（TBV）。至少一个涡轮增压控制阀配置为通过涡轮增压阀供给系统主动促动，涡轮增压阀供给系统可以包含例如真空或者电传动装置。可以以闭环控制操作至少一个涡轮增压控制阀，例如使用增压压力控制阀。

涡轮增压装置可以包含更多的阀。因此，例如高压压缩机可以具有压缩机旁通阀（CBV）。CBV可以是被动的，即仅通过穿过它的压力差值运转。压缩机旁通阀可以限制为只有两个运转状态，该两个运转状态是完全打开和完全关闭的位置。

根据本发明的方法，确定涡轮增压阀供给系统是处于运转状态还是处于故障状态。通过标准发动机控制单元（ECU）中的诊断系统可以检测供给系统故障，尤其是用于促动至少一个涡轮增压控制阀的电力或者真空系统的故障，标准发动机控制单元（ECU）中的诊断系统评估一个或多个用于检测故障模式的传感器信号。也可以通过专用传感器系统检测涡轮增压阀供给系统故障。EP11155167.7专利文件中公开了检测低压涡轮旁通阀的故障模式的示例方法，该故障模式可以是供给系统故障的指示，通过参考引用的方式将该专利合并入本申请。

如果检测到涡轮增压阀供给系统故障，则确定低压压缩机流量。发动机的进气气道可以装备有用于测量低压压缩机流量的流量传感器。流量传感器可以位于例如空气过滤器的紧接下游。然而，也可以根据表示进气气流量的任何其他单个或多个传感器信号确定低压压缩机流量。可以仅在检测到供给系统故障以后测量低压压缩机流量，或者可以连续地监测。

根据本发明的方法，限制发动机控制参数设定值，该限制取决于低压压缩机流量。采用修正了设定值的控制参数控制发动机。

通过限制发动机控制参数设定值，可以确保避免涡轮增压器、尤其是低压涡轮增压器喘振或者超速，该限制取决于低压压缩机流量。此外，尽管阀系统供给故障，最少可以实现发动机控制干预以及最佳的功率、驱动能力和排放控制。

根据本发明的优选实施例，依低压压缩机流量限制的发动机参数是每个时间单位内供给到发动机的燃料量，尤其是每个时间单位内喷射的燃料量。驾驶者可以通过压下加速踏板控制燃料量。因此，通常燃料量取决于踏板位置，然而，根据本发明，燃料量优选受到取决于低压压缩机流量的额外限制。这样，可以以特别简单和节约成本的方式实现涡轮增压器喘振或者超速保护。

优选地，通过对喷射燃料量施加补偿来限制燃料量设定值，该补偿以闭环控制。具体地，可以根据低压压缩机的压力比控制补偿。

可选或者附加地，可以根据低压压缩机流量限制发动机转矩。驾驶者通常可以通过压下加速踏板控制发动机生成的转矩；然而，根据本发明，可以根据低压压缩机流量限制转矩。这样，也可以以特别简单和节约成本的方式避免涡轮增压器的喘振或者超速。

本发明中所采用的术语“设定值”并不一定意味着存在一个潜在的控制回路。具体地，不需要测量燃料喷射量或转矩，尽管可能还存在反馈到控制回路的相应测量值。因此，例如，经由踏板的驾驶者输入可以视为转矩要求，该转矩要求被过滤和限制，或者由于各种原因以某种方式增强，例如由于发动机过热保护或者车辆动态转矩干预。在此过程结尾，产生转矩设定值，根据本发明其可以受到进一步限制。转矩设定值可以转换为传递给燃料喷射器驱动器的燃料量需求。根据本发明还可以限制此燃料设定值。

根据本发明的优选实施例，仅在低压压缩机流量处于预设范围内时限制发动机控制参数，预设范围具体表示处于或接近喘振或超速状况的低压压缩机流量值。由于超出该范围就没有喘振或超速的风险，即使在涡轮增压阀供给系统故障的情况下，发动机控制参数也不需要修正。因此，当情况不严重时，可以在不影响发动机运行的情况下实现喘振或超速保护。

更优选地，施加于发动机控制参数的限制，例如燃料量或转矩限制，取决于环境条件，尤其是环境压力。由于喘振或超速更可能发生在高海拔地区，以此方式可以提供特别有效的喘振或超速保护。

根据本发明的另一方面，用于控制内燃机的涡轮增压装置的控制单元配置为根据以上所述的方法操作。具体地，控制单元包含用于捕获指示涡轮增压阀供给系统故障的至少一个传感器信号的至少一个信号输入口或者根据控制单元可用的其他信息检测涡轮增压阀供给系统故障的诊断功能。控制单元包含用于捕获指示低压压缩机流量的至少一个传感器信号的至少一个信号输入口，或者配置为根据其他可用信息确定低压压缩机流量。控制单元进一步包含数据处理装置；数据处理装置配置为根据低压压缩机流量确定对发动机控制参数设定值的限制。具体地，处理装置可以配置为根据低压压缩机流量限制燃料量或转矩。控制单元可以进一步包含数据存储装置，该存储装置用于存储例如映射（map）或者查找表（lookup table），其用于确定对发动机控制参数的限制。控制单元进一步配置为将此修正的控制参数设定值馈送到发动机控制，以根据修正的设定值控制例如燃料量或转矩。控制单元可以是发动机电子控制单元（ECU）或者可以是其一部分。

本发明的另外方面将从附图以及以下优选实施例的说明中变得显而易见。

附图说明

图1示出了具有串联相继涡轮增压装置的内燃机的简化框图；

图2是根据本发明第一实施例的内燃机控制方法的简化流程图；

图3是根据本发明第二实施例的内燃机控制方法的简化流程图；

图4示出了低压压缩机流量与压力比之间的示例性关系；

图5是根据本发明第三实施例的内燃机控制方法的简化流程图；以及

图6是根据本发明第四实施例的内燃机控制方法的简化流程图。

附图标记列表

1 内燃机

2 涡轮增压装置

3 高压涡轮增压器

4 低压涡轮增压器

5 高压涡轮

6 高压压缩机

7 传动轴

8 低压涡轮

9 低压压缩机

10 传动轴

11 排气系统

12 进气系统

13 进气气流方向

14 排气气流方向

15 高压涡轮旁通阀

16 低压涡轮旁通阀

17 压缩机旁通阀

18 传感器

19 中间冷却器

20 滞环

具体实施方式

根据图1中示意性示出的示例，内燃机1具有包括高压涡轮增压器3和低压涡轮增压器4的涡轮增压装置2或者涡轮增压系统。高压涡轮增压器3包括高压涡轮5和高压压缩机6，涡轮5通过传动轴7驱动压缩机6。低压涡轮增压器4包括通过传动轴10驱动低压压缩机9的低压涡轮8。涡轮5、8在内燃机的排气系统11中顺序排列，高压涡轮5安置在低压涡轮8的上游，即具有较高压力的部分。相应地，压缩机6、9在发动机1的进气系统12中顺序排列，高压压缩机6位于低压压缩机9下游。箭头13、14分别表示进气系统12中的气流方向以及排气系统11中的排气气流方向。总体上，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。HP压缩机下游包括中间冷却器18，其在图1中示意性地表示。

高压涡轮旁通阀15（TBV）安置于平行于高压涡轮5的排气系统的平行分支中。因此，高压涡轮旁通阀15的全部或者部分打开形成排气气流旁路，以部分或者完全地绕过高压涡轮5。如果排气气流部分或者完全地通过旁通阀15，就以降低的速率驱动高压涡轮5。因此可以通过TBV15的操作控制高压涡轮增压器3的运行。为此目的，通过电力或者真空阀供给系统（未示出）主动地控制TBV15，以作为涡轮增压装置2的促动器。以类似的方式，低压涡轮旁通阀16（WG）安置在平行于低压涡轮8的排气系统11的平行分支中。也通过电力或者真空阀供给系统（未示出）主动地操作WG16，以作为促动器。

在进气系统12中，进气流流经低压压缩机9，并在第一压缩级中被压缩。其后，进气流流经代表第二压缩级的高压压缩机6，或者流经平行于高压压缩机6安置的平行分支。压缩机旁通阀17（CBV）可以打开或者关闭平行分支。CBV17是被动式的，即由通过其的压力差操作。

可以在进气系统12中设置一个或多个流量和/或压力传感器，图1中示意性地表示了传感器19。可以在相同位置大致测量由涡轮增压装置2提供并且注入内燃机的增压压力。发动机1也可以配备有排气再循环，其未在图1中显示。

在正常操作中，根据发动机转速和/或转矩操作涡轮增压装置2。在低发动机转速和/或转矩下，WG16被设定在完全关闭位置，根据发动机操作点使用TBV15控制涡轮增压装置2的增压压力，优选为通过闭环控制。由于压力差作用，CBV17被推动到完全关闭的位置。以这种方式，可以提供低速度/转矩范围内的最佳性能，以及排气再循环所需要的背压。在较高的发动机转速和/或转矩下，TBV15被设定在完全打开位置，使用WG16控制涡轮增压装置2的增压压力，优选为通过使用增压压力的闭环控制。CBV17移动到完全打开位置。通过这种方式，可以提供峰值功率。可选地，根据当前发动机转速和/或负载以及CBV17的当前位置，可以将低压和高压涡轮阀15、16二者都同时设置在最佳位置，该位置可以都是完全打开与完全关闭之间的中间位置。这意味着执行同时使用低压和高压涡轮阀的闭环控制。

阀15、16具有故障安全位置，当供给系统故障时阀移动到该位置。在所示的示例中，此默认设置为TBV15完全打开并且WG16完全关闭。因此，在真空或电力供给故障的情况下，高压涡轮5被绕过，高压压缩机不会被排气驱动。在这种情况下，由全部排气驱动低压涡轮8以及因此的低压压缩机9，这提供了最大化发动机功率以及最小化颗粒排放的优势，然而要承担涡轮增压器喘振或超速的风险。可以配备用于检测阀15、16的真空或电力供给系统故障的传感器（未示出）。

如图2中所示，根据本发明的第一实施例，以通常方式使用发动机转速n和加速踏板位置ped确定发动机的额定转矩，即驾驶者确定的转矩设定值。如果未检测到涡轮增压器供给系统故障，将驾驶者确定的转矩设定值馈送到发动机控制以控制发动机实际提供的转矩，例如通过相应控制燃料喷射参数，该驾驶者确定的转矩设定值是n和ped的函数。

然而，如果检测到阀供给系统故障，则获取修正的低压压缩机流量以及环境压力p_amb并且用其确定修正值，该修正值用于修改驾驶者确定的转矩设定值，以获得修正的转矩设定值。选择修正值以限制转矩设定值，使得安全地避免涡轮增压器的喘振或超速。实际上，根据环境压力p_amb和修正的低压压缩机流量降低转矩需求。环境压力p_amb主要归因于海拔。可以由根据温度和压力修正的总流量，即燃料加气流，来确定修正的低压压缩机流量例如，可以通过以下公式计算修正的低压压缩机流量

其中T_inlet和T_ref分别是入口温度和参考温度，p_inlet和p_ref分别是入口压力和参考压力。将修正转矩设定值提供到发动机控制。如此，燃料喷射参数得以控制，使得不可能发生喘振和超速。

图3示出了基于压力比控制的闭环控制的示例。图3中所示出的流程图指的是已经检测到涡轮增压阀供给系统故障的情况，对应于图2中的右下分支。

根据图3，测量进气系统中的压力比PR_meas，在阀故障的情况下，该压力比PR_meas具体是低压压缩机的下游压力与上游压力之间的比值。此外，测量进气气道的当前流量；具体是确定修正的低压压缩机流量根据压力比PR_meas的当前值和修正的低压压缩机流量按照预设映射确定限制压力比PR_limit。

图4示意性地示出了典型的压缩机映射，根据该映射确定限制压力比PR_limit。映射包含用于实时实施的滞环20。下部曲线表示测量的PR_meas，而上部曲线表示限制压力比PR_limit。为组件完整性，测量的压力比PR_meas不得超过限制压力比PR_limit。

返回到图3，将限制压力比PR_limit与测量的压力比PR_meas进行比较。如果PR_meas不超过PR_limit，确定燃料量设定值并馈送至包含实际燃料量fq_meas的发动机控制。在这种情况下，低压压缩机离喘振或者超速的状态足够远，因此事实上不需要燃料量限制。另一方面，如果PR_meas超过PR_limit，计算燃料量补偿，并且使用燃料量补偿计算修正的燃料量设定值，该修正的燃料设定值被限制以避免涡轮增压器喘振或者超速。通过使用滞环（见图4）内的压力比设定值计算补偿。因此，通过增加受控的负燃料补偿，压缩机压力比可以保持在PR_limit阈值内。可以增加最大燃料量补偿，其不能被超出。发动机控制采用修正的燃料量设定值，包括测量的燃料量fq_meas，以进行闭环控制。

图5中示出了本发明进一步的实施例，其也对应于图2中的右下分支，即已经检测到涡轮增压阀供给系统故障的情况。根据图5，限制转矩曲线基于修正的低压压缩机流量和环境压力p_amb。用这种方法确定提供转矩设定值tq_sp，LPC最小值的极小函数，并且对发动机控制的固定转矩设定值限制tq_limit确保绝不超出容许的转矩阈值。

如图6中示意性示出的，在已经检测到涡轮增压阀供给系统故障的情况下（图2中的右下分支），一起获得发动机转速n、所要求的内转矩tq_inr、修正的低压压缩机流量以及环境压力p_amb，并且采用4维查找表可以直接确定修正的燃料量设定值。内转矩tq_inr是仅由燃烧产生的转矩，不包括泵送、摩擦、附件负载等造成的损失。简单地说，因此更改了包含低压流量和环境压力的转矩-量映射。4维查找表或者映射可以取决于发动机工作模式，因此在正常发动机操作、柴油颗粒过滤器再生模式、以及NOx（氮氧化物）后处理模式中等等可以采用不同的查找表或映射。

在示出的任何示例中，能够实现防止涡轮增压器喘振或超速的安全保护。

Claims (7)

1.一种具有涡轮增压装置(2)的内燃机(1)的操作方法，该涡轮增压装置(2)包含顺序安置的低压级和高压级，低压级包括低压压缩机(9)、低压涡轮(8)以及至少一个可以由供给系统操作的安置在平行于低压涡轮(8)的平行分支中的低压涡轮旁通阀(16)，高压级包括高压压缩机(6)、高压涡轮(5)以及至少一个可以由供给系统操作的安置在平行于高压涡轮(5)的平行分支中的高压涡轮旁通阀(15)，其特征在于，该方法包含检测供给系统故障、当供给系统故障时高压涡轮旁通阀(15)完全打开并且低压涡轮旁通阀(16)完全关闭、确定低压压缩机流量、以及根据低压压缩机流量限制发动机控制参数设定值。

2.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于

限制燃料量设定值。

3.根据权利要求2所述的方法，

其特征在于

通过对燃料量施加补偿来限制燃料量设定值，该补偿以闭环控制。

4.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于

限制发动机转矩设定值。

5.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于

只有当低压压缩机流量处于预设范围内时，才限制发动机控制参数限制。

6.根据上述任意一项权利要求所述的方法，

其特征在于

发动机控制参数限制取决于环境压力p_amb。

7.一种用于具有涡轮增压装置(2)的内燃机(1)的控制单元，该涡轮增压装置(2)包含顺序安置的低压级和高压级，低压级包括低压压缩机(9)以及至少一个可以由供给系统操作的涡轮增压控制阀，

其特征在于

将控制单元配置为根据上述任意一项权利要求所述的方法控制内燃机(1)。