CN1035836C - 增压压力控制方法及控制器 - Google Patents

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Abstract

一种用以控制输给以气体燃料工作的内燃机的空气增压压力的方法和实行该方法的控制器。增压压力受控制输给涡轮增压器排气容积的排气控制阀控制。空气压缩度取决分流给涡轮增压器的排气容积，当发动机在控制系统控制下以气体燃料工作时，该容积是可改的。压力和温度传感器传感实际增压压力并对发动机控制系统提供一反馈信号，控制系统然后比较实际压力和根据诸如发动机转速和负荷的至少一工作参数确定的所需增压压力，并相应调节控制阀状态。

Description

增压压力控制方法及控制器
本发明涉及一种输送用于保证以气体燃料工作的内燃(IC)机中的燃烧的空气的增压压力控制方法与控制器。本发明尤其涉及在借助于增设燃气供给系统和电火花点火系统、已从柴油燃料转换到气体燃料工作的内燃机中的增压压力控制器，但并非仅仅限于这种内燃机中的增压压力控制器。本发明也可用于所谓的双重燃料发动机，其中采用少量的先导燃料，诸如柴油燃料，以代替电火花点燃来引燃气体燃料。在每种情况下，输送空气到发动机以保证燃料燃烧。
当发动机以柴油工作时，发动机的功率输出与废气中的排烟有关。为了增加发动机功率，在每一发动机循环中燃烧的柴油量需要增加，然而，由于柴油对空气的相对比例增加了，便引起了不可接受的浓黑排烟。一般说来，在排烟成为不可接受之前能输入发动机的最大柴油量仅为相对于输入发动机的相应空气量能在发动机内进行完全燃烧的最大柴油量的大约70％。因此，发动机的功率输出受到限制。
当发动机以气体燃料工作时，发动机并不遭受所述的排气问题之困扰，从而，直至相对于相应的空气量能完全燃烧的气体燃料与空气的最大比例100％能输入发动机，因此发动机能发出最大功率。
为了克服传统柴油机的排烟问题，可采用涡轮增压或增压系统。通常，在涡轮增压装置中，涡轮受发动机排气驱动，而涡轮又转动压气机轮。在增压装置中，这种压气机轮受诸如在压气机轮和发动机输出轴之间直接机械偶合的另一动力装置，即一种辅助动力装置驱动。在每一种情况下，空气在压力(增压压力)下输入发动机，因此有大量的空气存在。这样，在每一工作循环中，较多的柴油能输入到发动机内，而柴油和空气的比例无需超过在排烟成为不可接受之前所容许的最大量的70％。由于能输入较多的柴油，发动机的功率输出便相应增加。
然而，以气体燃料工作的发动机的涡轮增压或增压系统，能改善发动机的性能。事实上，该种发动机的性能可严重受到限制。这是因为在点燃过程开始之前，在气体燃料/空气混合物最初压缩期间所产生的热量在增压发动机中大于非增压发动机，这一附加的热量能导致气体燃料/空气混合物爆燃，而不是逐渐燃烧，或更糟的是，这一混合物在产生点燃之前和在达到最大压缩之前由于处于不可控状态的自行点燃而能开始燃烧。因此，发动机的功率输出会减小。所以对于以气体燃料工作的发动机，通常是非涡轮增压或非增压，或者如果它们增压，其增压度小于柴油机。
对比文件US4698972公开了一种用以调节采用了增压废气旁通阀系统的透平增压发动机的增压压力的装置与方法。也就是说，在用于旁通透平增压器的透平37排气旁通道26和排气岐管24之间的连接处设置一排气旁通阀60。为降低输给发动机进气岐管23的增压压力，将驱动透平增压器的废气藉开启废气旁通阀60经旁通道26分流。
本发明的目的是要克服上述之缺点，提供一种增压压力控制方法及实行该方法的控制器，在输送空气给以气体燃料工作的内燃机中的过程中提供增压压力控制，以达到发动机性能的改善。
根据本发明，提供一种用以控制输给以气体燃料工作的内燃机的空气的增压压力的方法，其方法包括：
将输给发动机的空气增压到高于环境压力；
根据发动机的至少一个工作参数，调节输给发动机的空气的增压压力，其中所述调节增压压力的步骤包括：
检测输给发动机的空气的实际压力；根据所述至少一个运转参数计算出输给发动机的空气的所需压力；将该实际压力跟输给发动机的空气的所需压力进行比较；其特征在于：
按要求驱动增压压力控制阀，以降低或增高输给发动机的空气的增压压力，所述驱动增压压力控制阀的步骤包括：
当实际压力高于或低于所需压力第一预定值时，以第一速度驱动该阀；
当实际压力高于或低于所需压力某个大于第一预定值的第二预定值时，以高于第一速度的第二速度驱动该阀，因此，在使用中，该增压压力按照所述至少一个运转参数的变化能连续地改变，以达到发动机性能的改善。
根据本发明的另一方面，提供一种用以控制输给以气体燃料工作的内燃机的空气增压压力的增压压力控制器，该控制器包括：
将空气输给发动机以支持气体燃料燃烧的空气输送装置；
把通过所述空气输送装置输给发动机的空气增压到高于环境压力的空气压缩装置。
根据发动机的至少一个工作参数，控制自所述空气压缩装置输给发动机的空气的增压压力的空气控制装置，其特征在于所述空气控制装置包括一控制阀，它根据所述至一个工作参数在处理机控制下运转，所述增压压力控制阀安装在空气压缩装置的下游，并适于直接从输气给发动机进气岐管的输气管排出，所述增压压力控制阀根据来自所述处理机的控制信号由变速电马达驱动，该阀的运转速度能改变，以形成增压压力控制阀的差速控制，从而使不稳定运转减至最少，在使用中，根据所述至少一个运转参数的变化，增压压力能连续地改变，以达到发动机性能的改善。
在一个实施例中，所述空气控制装置包括一增压压力控制阀，它是在应答所述至少一个工作参数的处理装置的控制下工作的。最好，所述增压压力控制阀处于空气压缩装置的下时，并适于自输送空气给发动机进气岐管的空气输送管直接排出。在另一实施例中，所述空气控制装置通过控制增压度来控制增压压力，空气压缩装置将输给发动机的空气的压力增压到这一增压度。
一般情况下，空气压缩装置包括一个具有涡轮机的涡轮增压器，该涡轮机受发动机排气驱动，所述空气控制装置可包括一排气控制阀，它在应答所述至少一个工作参数的处理装置的控制下工作，以支配排气至涡轮增压器的可变比例，直至涡轮增压器的排气沿第一排气通道流动，然而到排烟出口，而其余的沿第二排气通道直接到该排烟出口或到另一排烟出口。
最好，所述增压压力控制阀由应答来自处理装置的控制信号的变速电动机驱动，并还包括用于产生一反馈信号以便传输到所述处理装置的反馈装置，所述反馈装置信号提供一个关于增压压力控制阀运转状况的指示。
最好，所述空气输送装置还包括一个用于冷却自空气压缩装置输送到发动机的空气的空气冷却装置。
本发明还可用于双重燃料发动机，在此情况下，空气控制装置还可应答被输入的燃料类型。在第二燃料是柴油的场合，空气控制装置可应答以控制空气增压压力到当发动机权以柴油工作时空气压缩装置所能达到的最大程度。当发动机以柴油工作时，输给发动机的空气温度可从环境温度变化到第一数值以达到最佳工况，第一数值小于第二数值，当发动机以柴油或另一种第二燃料时，空气温度可从环境温度变到第二数值。
为便于更好地了解本发明的性质，现在参照附图，仅借助于例子，详细说明几个增压压力控制器及其方法的实施例，其中：
图1是本发明的一个增压压力控制器实施例的功能框图；
图2(a)，(b)和(c)是作为发动机转速和负荷/扭矩函数的岐管绝对压力的曲线图；
图3是本发明的增压压力控制器第二实施例的简略表示；
图4(a)和(b)分别为用于图3装置中的增压压力控制阀实施例的侧视图和剖视图。
参看图1，以标号10图解表示一台电火花点火内燃机。该发动机能以气体燃料工作，并装备燃气输送系统12以控制气体燃料自贮气罐14经输气管16到发动机燃料进口18的气体燃料的输送。燃气输送系统12经控制线路25处在发动机控制系统20的控制下。在发动机工作循环的吸气部分，气体燃料和空气一起被输入发动机10，这是在本技术领域内众知的。发动机控制系统20经点火控制线路22传输一信号给电火花点火系统24，从而使输给发动机的燃料点燃，并提供发动机工作循环的功率部分。在本实施例中，保证燃烧空气通过空气进口26，例如发动机进气岐管，经空气节流装置28输入发动机，该空气节流装置经节流控制线路30，同样处于发动机控制系统(EMS)20的控制下。空气节流装置28可包括，例如，一个控制岐管绝对压力的岐管阀。
空气经空气节流装置28自空气压缩装置32——在这实施中包括一涡轮增压系统——输送到进气口26。空气经输气管34自通至大气的空气滤清器36以大气压力供给涡轮增压器32。输给涡轮增压器32的空气可通过跟发动机灼热部件的接触而得到加热。涡轮增压器32包括一涡轮38，它受发动机10中燃烧产生的废气驱动。涡轮38经传动轴42转动-压气机40。压气机40把经由节流装置28输给发动机10的空气增压到高于环境压力。传感器44传感增压空气输送管46中的增压空气压力和温度，并经控制线路48提供一个指示空气增压压力和温度的反馈信号给EMS20。
废气经排气出口50自发动机10排出，并经废气输送管54排到排气控制装置52。排气控制装置52是应答发动机至少一个工作参数的空气控制装置56的一部分，用以控制自涡轮增压器32输给发动机的空气的增压压力。空气控制装置56包括EMS 20。排气控制装置52，例如，可以是一种废气门蝶形阀，它被操作来控制沿第一排气管道58输给涡轮增压器32的排气比例，而其余的排气沿第二排气管道62经一消音器64直接排至废气出口60。输给涡轮增压器32的排气自涡轮增压器32经另一排气管道66排至消音器64。
废气门阀52是经用以控制输给涡轮增压器32的排气部分的控制线路68在EMS控制下工作的，因而控制了涡轮增压器32增压输给发动机的空气的增压度。空气的压缩度取决于输给涡轮增压器32的排气容积，当发动机在EMS 20控制下以气体燃料工作时，它是可变的。一般情况下，EMS 20包括一微处理机，经信号线路70由发动机转速输入信号提供的发动机转速，也可应答由发动机调速器或节流阀的位置测得的或决定的所需发动机要求或负荷，以便经信号线路72提供一输入信号给EMS 20。阀52中的蝶形片可变换以便借助于气体速度头改变供给涡轮增压器32的排气比例，气体速度头由例如装有发动机10的车辆空气制动回路分流的压缩空气提供动能。
现在叙述图1所示发动机10的工作。排气控制阀52的位置以这样方式控制，按照由EMS 20得到的预设定，排气容积自发动机10直接排至消音器64，进而到排气出口60，其中EMS 20优化了输给发动机的空气增压压力。输给涡轮增压器32的排气容积可自零变化到颇大容积的排气流，取决于爆燃或发动机工况的不可控点燃潜能。空气的压缩程度、即增压压力最好保持在可能引起气体燃料不可控燃烧的数值以下，当以柴油工作时，或当用气体燃料，诸如天燃气或液化石油气工作时，应在至少保持发动机效率和一般改善发动机效率的数值上。
现在参看图3叙述本发明的第二实施例。
在图3中所示的增压压力控制器包括空气输送装置74，用于将空气输给以气体燃料工作的内燃机76，以保证其中的气体燃料的燃烧。在本实施例中，空气输送装置74包括空气输送管路78和空气冷却装置80，即用于冷却输给发动机之前的空气的中冷器。增压压力由取涡轮增压器形式的空气压缩装置82提供，该涡轮增压器以类似于图1所示实施例的涡轮增压器32的方式由发动机76的排气驱动。空气输送装置74还包括一岐管阀81，用以控制经进气岐管84输给发动机的空气容积。
增压压力控制器还包括空气控制装置，后者包括用以控制自涡轮增压器82输给发动机的空气增压压力。空气控制装置还包括一处理装置(未示出)，它应答发动机的至少一个工作参数，以控制增压压力控制阀86的工作。在本实施例中，增压压力控制阀86安装在涡轮增压器82和中冷器80的下游，并适于将空气在输送到发动机进气岐管84之前自空气输送管道78直接排出。排出的空气自增压压力控制阀86经阀壳90侧壁上的小孔88排至大气。图4是图3装置中所用的增压压力控制阀86的详细放大图。
增压压力控制阀86安装在铝管92部分，后者和空气输送管78(图3)连成一直线。阀座94处于管92上具有的小孔96的上方，空气经该小孔自空气输送管78由增压压力控制阀86排出。一阀盘98由步进马达102的轴100驱动。步进马达102是一种变速电动马大，它应答来自处理装置(未示)的控制信号，以提到阀板98，从而开启或关闭孔96到各种程度。一橡胶密封垫104安装在阀板98和阀座94之间。一固定在阀座94上的销子106用以防止阀板98因马达带动螺杆(轴100)而产生的转动，因此，随着马达102转动，轴160和阀板98轴向移动以开启或关闭孔96。在轴100上的第二销108限止轴100和阀板98向马达方向的轴向移动。
取电位器110形式的反馈装置安装于电马达102上，和轴100机械耦合。电位器110产生一个传输给处理装置的反馈信号，后者指示增压压力控制阀的工作状况。
在本实施例的增压压力控制阀中的步进马达102被制成以两组不同的转速驱动：低速用于当增压压力接近于设定值，而高速用于当实际的增压压力明显不同于该设定值。当实际增压压力相同于或仅些微大于或小于设定值时，则马达保持静止。步进马达102的这种差动控制形式减少了增压压力控制阀86的不稳定工作。增压压力控制阀86的操作如下：
增压压力控制阀86旨在控制由处理装置确定的增压压力，该增压压力作为发动机的至少一个工作参数，为发动机转速和负荷的函数，处理装置一般装于发动机电子控制系统内。一般说来，高负荷需要高增压压力，所以如果该压力太低，控制阀会关闭。随着增压压力建立起来，在增压压力控制阀开启之前，允许稍微升高到所要求的压力之上。如果由压力传感器(未示，但类同于图1中的传感器44)检测到的增压压力太高，则从跟进气岐管相连的空气输送管道排出空气具有两个效果：
(1)岐管中的空气压力开始下降(类似于某一负荷或部分短路)；
(2)经发动机的涡轮增压器82的涡轮机的主空气流减少，因此减少动力输出，并减慢了压气机转速。轻压气机的主空气流大于经涡轮机的主空气流，因此吸收了额外的功率。其净效果是获得了发动机的新工作点，但处在比以前较低的增压压力上。
来自电位器110的反馈信号可用于发动机控制系统内的内部诊断，以检查增压压力控制阀正在按指示移动，并于发动机特珠工况期内，例如在起转速期间(节流阀位置为零，但发动机转速高，即当车辆驱动发动机时)，完全关闭。
从图3可以看出，发动机76的空气控制系统包括两个在一起工作的独立系统，即岐管阀定位系统和上述的增压压力控制系统。涡轮增压发动机通常需要这两个子系统。第一个系统能以低岐管绝对压力、即低于大气压力工作。岐管阀的实际位置是由发动机试验和/或设计参数要求确定的。假如发动机负荷或功率输出相当高，涡轮增压器82将以增压空气，即增压到大气压力以上的空气供给发动机。为了得到所需的燃气/空气比和负荷，需要将增压压力控制在某一最佳值。
涡轮增压器82是一种被动装置，并对主排气流和温度应答一个正反馈，即流量率越大，增压压力越高。所需增压压力值或岐管阀位置是由发动机控制系统通过一检查表计算得到的。检查表是全负荷和全转速百分比的基本函数。这种控制器的优点在于按要求在涡轮增压器82上采用该控制器，即超越了涡轮增压器82的自然性能或特性。这可以和有时称作废气门阀的简单安装的增压压力控制系统形成对比，这种废气门阀是一个机械系统，其中增压压力的直接作用打开了位于涡轮增压器上游的废气旁通阀，并将增压压力调制到某一最大固定值。在此情况下，负荷一转速包络线的一部分相对于某一组增压压力是截断的。
参照在图2(a)、(b)和(c)中绘制的作为发动机转速的负荷/扭矩的函数的岐管绝对压力的曲线图，可清楚说明。利用本发明增压压力控制装置和方法可获得改善的发动机性能控制。
图2(a)表示对于无增压压力控制器，例如涡轮增压柴油机，附有岐管绝对压力等压线的扭矩曲线。在最大转速时，涡轮增压器提供最大增压压力(在图2(a)中为2.0)。
图2(b)表示对于装有已知废气门固定压力旁通阀的涡轮增压发动机，随发动机转速和扭矩/负荷而变的岐管绝对压力。一当岐管绝对压力超过一预定值，废气门阀开启，在发动机扭矩曲线上形成一恒压区(在图2(b)中表示为1.6)。
图2(c)表示涡轮增压发动机典型的增压压力控制(BPC)区，其中，增压压力按本发明作为负荷和转速受控的。本发明的增压压压控制器能使增压压力随发动机转速和负荷变化而连续改变以获得发动机性能改善。
增压压力控制器还可随发动机的其它工作参数的改变而起作用，例如岐管绝对压力，气体燃料的压力和温度，空气温度，发动机状态和电池电压。
既然详细叙述了本发明的几个增压压力控制器的实施例，凡熟悉本机械技术领域的人们他们自已可以提出许多修改和变更。例如，如果需要，可采用增压器代替涡轮增压器作为空气压缩装置。在这种方案中，输给增压器的空气量可随发动机工作参数变化而改变，而且该增压空气在输给发动机之前可跟自然吸入的空气相混合，这样，实际输给发动机的空气压缩度可以改变。此外，虽然已详细叙述一种最佳形式的增压压力控制阀，然而可设置任何适合的能使输给发动机的增压空气比例改变的阀装置。该阀装置可包括一个由空气叶片或其它致动件推动的封闭件，例如在其中可设置一空气叶片，产生气体压头的压缩空气可从装有这种发动机的车辆的空气制动系统中获得。或者，该致动件可包括一液压致动器，操作该致动器的流体由发动机的压力润滑油得到。所有这些改变和更改均被认为落在本发明的范围内，其特征由以上叙述和所附权利要求书所确定。

Claims (9)

1.一种用以控制输给以气体燃料工作的内燃机的空气的增压压力控制方法，该方法包括：
将空气输给发动机以支持气体燃料的燃烧；
将输给发动机的空气增压到高于环境压力；
根据发动机的至少一个工作参数，调节输给发动机的空气的增压压力，其中所述调节增压压力的步骤包括：
检测输给发动机的空气的实际压力；根据所述至少一个运转参数计算出输给发动机的空气的所需压力；将该实际压力跟输给发动机的空气的所需压力进行比较；其特征在于：
按要求驱动增压压力控制阀，以降低或增高输给发动机的空气的增压压力，所述驱动增压压力控制阀的步骤包括：
当实际压力高于或低于所需压力第一预定值时，以第一速度驱动该阀；
当实际压力高于或低于所需压力某个大于第一预定值的第二预定值时，以高于第一速度的第二速度驱动该阀，因此，在使用中，该增压压力按照所述至少一个运转参数的变化能连续地改变，以达到发动机性能的改善。
2.按权利要求1所述的一种控制增压压力的方法，其特征在于当实际增压压力接近所需的空气压力时，增压压力控制阀以低速运转，而当实际的增压压力显著不同于所需的空气压力时，以高速运转。
3.一种按权利要求2所述的方法，其特征在于还包括产生一个指示增压压力控制阀状况的反馈信号。
4.一种按权利要求1～3任一所述的控制增压压力的方法，其特征在于所述至少一个运转参数包括发动机转速和负荷。
5.一种实行权利要求1所述之方法的增压压力控制器，该控制器包括：
将空气输给发动机以支持气体燃料燃烧的空气输送装置；
把通过所述空气输送装置输给发动机的空气增压到高于环境压力的空气压缩装置。
根据发动机的至少一个工作参数，控制自所述空气压缩装置输给发动机的空气的增压压力的空气控制装置，其特征在于所述空气控制装置包括一控制阀，它根据所述至一个工作参数在处理机控制下运转，所述增压压力控制阀安装在空气压缩装置的下游，并适于直接从输气给发动机进气岐管的输气管排出，所述增压压力控制阀根据来自所述处理机的控制信号由变速电马达驱动，该阀的运转速度能改变，以形成增压压力控制阀的差速控制，从而使不稳定运转减至最少，在使用中，根据所述至少一个运转参数的变化，增压压力能连续地改变，以达到发动机性能的改善。
6.按权利要求5所述的增压压力控制器，其特征在于所述电动马达是一种电动步进马达，具有一根车有螺纹线的驱动轴，所述增压压力控制阀包括一根座合在阀座上的阀盘，它受所述步进马达驱动轴的驱动，以相对于阀座移动阀盘，从而开启或关闭增压压力控制阀到各种程度。
7.按权利要求6所述的增压压力控制器，其特征在于所述阀盘安装在马达驱动轴端，当步进马达移动该驱动轴时，它不致于转动，因此，当步进马达转动时，阀盘和驱动轴二者均轴向移动，以开启或关闭增压压力控制阀。
8.按权利要求7所述的增压压力控制器，其特征在于所述增压压力控制阀还包括用以产生传输给所述处理机的反馈信号的反馈装置，所述反馈信号提供关于增压压力控制阀运转状态的指示。
9.按权利要求5所述的增压压力控制器，其特征在于所述反馈装置包括一个机械耦合于步进马达驱动轴的电位器。
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