CN104373200A - 用于增压控制的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于增压控制的方法和系统。提供了用于利用EGR管理压缩机温度以解决喘振和冷凝的方法和系统。冷却的压缩机再循环流和热EGR的可变混合物被提供给压缩机进口。调节该混合物的组成以保持压缩机进口温度足够热以便减少冷凝的吸入，并且在流高于喘振限度的情况下保持压缩机出口温度足够低以在部件温度限度内。

Description

用于增压控制的方法和系统
技术领域
本申请涉及用于调整压缩机再循环流和EGR以改进增压控制的方法和系统。
背景技术
发动机系统可以配置有诸如涡轮增压器的增压装置，用于提供增压的空气充气并改善峰值功率输出。其中利用来自排气流的能量旋转涡轮，该涡轮接着驱动向发动机进气传输增压的空气充气的压缩机。在致力于满足严格的联邦政府燃油经济性标准的过程中，发动机系统也可以配置有排气再循环(EGR)系统，其中至少一部分排气被再循环到发动机进气。例如，EGR系统可以是将排气从排气涡轮的下游再循环到排气压缩机上游的低压EGR系统(LP-EGR)。EGR的益处包括增加发动机稀释，减少排气排放物以及改善燃油经济性。
压缩机和其他进气系统部件具有温度限制，以避免积碳和/或热应力或热损害。因此，在引入到进气系统之前EGR被高成本的EGR冷却器(不同于设置在压缩机的下游的增压空气冷却器)充分地冷却。然而，由于EGR具有相对大的水含量(例如，按照汽油质量计为8％的水)，在这种相当低的温度下，LP-EGR添加到在压缩机之前的位置的进气将增加在压缩机进口以及增压空气冷却器出口两处的冷凝的危险。具体说，在冷环境条件下，当潮湿的EGR与冷环境空气混合时，会形成水滴。影响正在高速(例如，200,000rpm或以上)下旋转的压缩机叶片的水滴会对叶片造成损坏。此外，由于吸入的水使燃烧速率减慢，因此进入到发动机中的水会增加失火事件的可能性。
为了解决这些问题，发动机控制系统可以采用各种方法来限制这种冷凝。一种示例方法被Rimnac等人公开在US6,681,171中。其中，如果确定条件有利于EGR冷凝，则通过重新引导一些或全部EGR流避开EGR冷却器来增加进气歧管温度。此外，将一些或全部增压空气从压缩机的出口重新引导到发动机进气，同时旁通增压空气冷却器。结果，提供了较高的有效进气空气温度，这减少了冷凝的可能性。
然而，本文的发明人已经认识到这种方法的潜在问题。由于US6,681,171的方法不主动估计发动机进气处的湿度，因此可能存在这样的环境温度和湿度条件，在其中即使重新引导增压空气，在发动机进气处仍然发生冷凝，使增压发动机性能变差。这种方法也没有解决压缩机温度限制问题。
发明内容
在一个示例中，上述问题中的一些可以通过一种用于发动机的方法来解决，该方法包括：使来自增压空气冷却器下游的压缩机再循环流与排气混合，并且将该混合物输送到压缩机进口。以这种方式，未被EGR冷却器冷却的热EGR可以与冷却的压缩机再循环流混合，以提高压缩机进口空气的温度和相对湿度管理。
作为一个示例，增压发动机系统可以包括第一通道，用于经由压缩机再循环阀将压缩空气从增压空气冷却器的下游(和进气节气门的上游)再循环到压缩机进口。以这种方式，在经过增压空气冷却器之后被冷却的压缩机再循环流可以被输送到压缩机进口。该发动机还可以包括第二通道，用于经由EGR阀无阻碍地将排气从排气涡轮的下游再循环到压缩机进口。以这种方式，未经过中间冷却器或任何其他二级冷却装置的热EGR可以被输送到压缩机进口。该第一和第二通道可以在压缩机上游和这两个阀的下游的位置处结合。通过调节该第一和第二阀的位置，冷却的压缩机再循环流可以与热EGR混合，以向压缩机进口提供温度受控的混合物。例如，当压缩机进口温度低时，可以调节该混合物的组成，以增加热EGR的量并且减少压缩机再循环流的量。作为另一个示例，当压缩机出口温度高时，或当存在压缩机喘振的可能性时，可以调节该混合物的组成以减少热EGR的量并增加压缩机再循环流的量。
以这种方式，改善了压缩机温度管理。通过不要求冷却的EGR，减少了对于专用的EGR冷却器的需要。例如，该冷却器的尺寸可以大大减小，或从设计中去掉冷却器，从而提供部件减少的益处。通过利用冷却的压缩机再循环流来冷却EGR，可以更精确地调整在压缩机进口以及压缩机出口处的相对湿度和温度。具体地说，压缩机进口和出口的温度可以保持在提高涡轮增压器性能的范围内。通过减少在压缩机进口处冷凝的形成，能够较好地解决与冷凝物的吸入有关的问题(例如，失火、压缩机叶片变差和发动机失速)。而且，利用冷却的压缩机再循环流能够同时改进压缩机对喘振的裕度，同时还减少了在利用变暖的压缩机再循环流的情况下会引起的热放大作用。总的来说，提高了增压发动机性能。
应当明白，提供上面的发明内容是为了以简化的形式引入一批概念，这些概念在具体实施方式中进一步描述。这并不意味着确定了所主张的主题的关键或必要的特征，主题的范围由具体实施方式之后的权利要求唯一地限定。而且，所主张的主题不限于解决上面或在本公开的任何部分中指出的任何缺点。
附图说明
图1示出增压发动机系统的示例实施例。
图2示出以压力比和压缩机效率描述压缩机进口和出口温度之间的关系的变化的曲线图。
图3示出描述压缩机进口温度、再循环比和EGR百分比之间的关系的曲线图。
图4示出描述在有或没有压缩机再循环流的情况下具有EGR的压缩机出口温度的变化的曲线图。
图5示出用于根据冷凝因素调节压缩机再循环流和EGR的高层次流程图。
图6示出根据本发明的EGR阀和CRV的示例协同调节，以减少压缩机进口冷凝。
具体实施方式
下面的描述涉及用于在增压发动机系统中(例如，图1的系统)调节从增压空气冷却器的下游再循环到压缩机进口的一比例的压缩空气充气的系统和方法。控制器可以被配置为执行控制例程，例如图5的例程，以根据喘振和冷凝因素相对于EGR的量调节从增压空气冷却器的下游再循环的冷却的压缩空气充气的量。其中，控制器可以根据压缩机进口温度并且还根据EGR调节这些量，使得进入压缩机的空气充气的温度和湿度保持在会发生冷凝的阈值之上。该控制器还可以根据压缩机喘振的指示调节这些量，以改善喘振限制的裕度。如在图5详细说明的，控制器可以根据冷凝因素在利用增加的热EGR或增加的冷压缩空气充气再循环之间进行选择，以减少喘振。示例调节将参考图6进行描述。通过减少冷凝，能够减少与冷凝有关的失火和压缩机变差。通过利用增加的冷却的压缩机空气充气的再循环解决喘振，通过压缩机的质量流被增加并且能够提高喘振裕度。总的来说，提高了增压发动机性能。
图1示意地示出包括发动机10的示例发动机系统100的各方面。在所示的实施例中，发动机10是连接于涡轮增压器13的增压发动机，该涡轮增压器13包括由涡轮116驱动的压缩机114。具体地说，新鲜空气沿着进气通道42通过空气净化器112被引入到发动机10中并流到压缩机114。该压缩机可以是任何合适的进气空气压缩机，例如马达驱动的或驱动轴驱动的机械增压器压缩机。然而，在发动机系统中，压缩机是通过轴19机械地连接于涡轮116的涡轮增压器压缩机，涡轮116通过使发动机排气扩张来驱动。在一个实施例中，压缩机和涡轮可以连接在双蜗壳涡轮增压器内。在另一个实施例中，涡轮增压器可以是可变几何形状涡轮增压器(VGT)，其中涡轮几何形状根据发动机转速而主动改变。
如图1所示，压缩机114通过增压空气冷却器(CAC)18连接于节气门20。节气门20连接于发动机进气歧管22。压缩的空气充气从压缩机流过增压空气冷却器18和节气门到进气歧管。例如，增压空气冷却器可以是空气-水的热交换器。在图1所示的实施例中，在进气歧管内的空气充气的压力由歧管空气压力(MAP)传感器124检测。
在选定的条件期间，例如在释放加速器踏板期间，当从具有增压的发动机运行进行到没有增压的发动机运行时，会发生压缩机喘振。这是由于通过压缩机的正向流减少，从而引起喘振和降低涡轮增压器性能。此外，喘振会导致NVH问题，例如来自发动机进气系统的不希望的噪音。为了减少压缩机喘振，被压缩机114压缩的至少一部分空气充气可以被再循环到压缩机进口。这允许压缩机流基本被保持。可以提供压缩机再循环通道60，用于将冷却的压缩空气从增压空气冷却器18的下游的压缩机出口再循环到压缩机进口。可以提供压缩机再循环阀62，用于调节再循环到压缩进口的冷却的再循环流的量。在所示的示例中，阀62是连续可变的阀，其位置可以被调节到完全打开的位置、完全关闭的位置，或在它们之间的任何位置。因此，再循环阀62在本文中也可以称为连续可变的压缩机再循环阀，或CRV。在所示的示例中，CRV62被构造成节气门，但是在其他的实施例中，该CRV可以不同地进行构造(例如，构造为提升阀)。
在替换实施例中，压缩机再循环阀62可以被构造成能够调节到完全关闭位置和完全打开位置之一的两位置阀。然而，发明人已经认识到，通过利用CRV，能够改善增压响应和喘振裕度。
在标称发动机工况期间，CRV62可以保持标称关闭或接近关闭。在这样的位置中，该阀可以以已知的或可忽略的渗漏操作。如在本文中详细说明的，响应于喘振的指示，可以增加CRV62的打开程度，以减少压缩机下游的增压压力，由此保持或增加通过压缩机的流。在压缩机出口温度高于阈值的状况期间也可以增加CRV62的打开程度，以能够冷却被压缩机压缩的流。在一些实施例中，一个或多个传感器可以连接在压缩机再循环通道60中，以确定从节气门进口输送到进气通道的再循环流的质量。该各种传感器可以包括，例如，压力传感器、温度传感器和/或流量传感器。在其他状况期间，例如，响应于在压缩机进口处的冷凝的指示，可以降低CRV62的打开程度，以减少压缩机进口温度的冷却。以这种方式，CRV62可以用于喘振管理以及压缩机温度管理。
在一些实施例中，在诸如稳定状态增压发动机运行的标称工况期间，CRV62可以保持部分打开以增加压缩机流并且提供一些喘振裕度。在本文中，部分打开(例如，半打开)位置可以是该阀的默认位置，响应于喘振的指示，该阀的打开程度从部分打开位置增加到完全打开位置或朝着完全打开位置增加，以减少压缩机下游的增压压力。同样，响应于扭矩要求的瞬时增加(例如，在操作者踩加速器踏板期间)，该阀的打开程度可以从部分打开位置朝着完全关闭位置减少或减少到完全关闭位置，以快速增加压缩机下游的增压压力。例如，该阀可以从默认的部分打开位置偏移到完全关闭位置或朝着完全关闭位置偏移，以减少扭矩瞬变并改善扭矩响应性。
一个或多个传感器可以在压缩机114的上游连接到进气通道42，用于确定进入压缩机的空气充气的组成和状况。这些传感器可以包括，例如，压缩机进口温度传感器55、压缩机进口压力(CIP)传感器56以及压缩机进口湿度传感器57。进一步的其他传感器可以包括，例如，空燃比传感器等。这些传感器可以估计来自进气通道的在压缩机进口处接收的进气空气的状况以及从CAC的上游或下游再循环的空气充气的状况。此外，当启动EGR时，这些传感器可以估计空气充气混合物(其包括在压缩机进口处接收的新鲜空气、再循环的压缩空气和排气残余物)的温度、压力、湿度和空燃比。在其他示例中，一个或多个压缩机进口状况(例如，湿度、温度等)可以根据发动机工况推断。
废气门92被致动打开，以经由排气旁路90将来自涡轮上游的至少一些排气压力转移(dump)到该涡轮下游的位置。通过减少涡轮上游的排气压力，可以减小涡轮的速度，这继而帮助减少压缩机喘振。然而，由于废气门的增压动态性，压缩机再循环阀调节对减少喘振的效果可能比废气门调节的效果更快。响应于扭矩要求的瞬时增加，例如在操作者踩加速器踏板期间，废气门可以被致动关闭以增加涡轮进口压力，由此增加涡轮峰值功率输出。这有助于减少涡轮滞后和扭矩瞬变并且改善扭矩响应。
进气歧管22通过一系列进气门(未示出)连接到一系列燃烧室30。这些燃烧室还经由一系列排气门(未示出)连接到排气歧管36。在所示的实施例中，示出了单个排气歧管36。但是，在其他实施例中，排气歧管可以包括多个排气歧管区段。具有多个排气歧管区段的结构使来自不同燃烧室的排放物能够被引导到发动机系统中的不同部位。
在一个实施例中，排气门和进气门各自可以被电子致动或控制。在另一个实施例中，排气门和进气门各自可以被凸轮致动或控制。无论是电子致动还是凸轮致动，可以根据期望的燃烧和排放控制性能的需要来调节排气门的打开和关闭以及进气门的打开和关闭的正时。
燃烧室30可以供给一种或多种燃料，例如，汽油、酒精燃料混合物、柴油、生物柴油、压缩天然气等。燃料可以经由直接喷射、端口喷射、节气门体喷射或其任何组合提供给燃烧室。在燃烧室中，燃烧可以经由火花点火和/或压缩点火启动。
如图1所示，来自一个或多个排气歧管区段的排气被引导到涡轮116，以驱动该涡轮。当期望减少涡轮扭矩时，一些排气可以改为被引导通过废气门90，从而旁路该涡轮。来自涡轮116和废气门90的组合流接着流过排放控制装置170。一般而言，一个或多个排放控制装置170可以包括一个或多个排气后处理催化剂，其被构造成催化处理排气流，由此减少排气流中的一种或多种物质的量。例如，一种排气后处理催化剂可以被构造成当排气流为稀时捕集来自排气流的NOx，并且当排气流为富时还原捕集的NOx。在其他示例中，排气后处理催化剂可以被构造成歧化(disproportionate)NOx或在还原剂的帮助下选择性还原NOx。在又一些示例中，排气后处理催化剂可以被构造成氧化排气流中残余的碳氢化合物和/或一氧化碳。具有任何这种功能的不同的排气后处理催化剂可以被单独地或一起设置在涂层(wash coat)中或在排气后处理级中的其他地方。在一些实施例中，排气后处理级可以包括可再生的碳烟过滤器，其被构造成捕集和氧化排气流中的碳烟颗粒物。
来自排放控制装置170的全部或部分处理过的排气可以通过排气导管35释放到大气中。然而，根据工况，一些排气可以改为被转向到EGR通道51和EGR阀52，到压缩机114的进口。在所示的实施例中，EGR通道51不包括EGR冷却器(例如，中间冷却器或替换的二级流体冷却装置)。以这种方式，从发动机汽缸30通过其相应的排气门排出的排气可以从排气歧管无阻碍地流到EGR阀，并且从这里继续流到压缩机进口。在替换实施例中，EGR通道51可以包括尺寸大大减小的EGR冷却器。如在下面详细说明的，通过在将混合物输送到压缩机进口之前使热EGR与冷却的压缩机再循环流混合，减小了用于控制EGR的温度的较大EGR冷却器的需要，从而允许EGR冷却器的尺寸大大减小，或者取消EGR冷却器。
为了期望的燃烧和排放控制性能，EGR阀52可以被打开以允许受控量的排气到压缩机进口。以这种方式，发动机系统10适于通过从涡轮116的下游放出(tap)排气以提供外部的低压(LP)EGR。除了发动机系统10中的LP-EGR流动路径相对长之外，压缩机的旋转也提供到进气空气充气中的极好的排气的均质化作用。而且，EGR关闭(takeoff)和混合位置的配置提供对排气的非常有效的冷却，用于增加可利用的EGR质量并且改善性能。在其他实施例中，发动机系统还可以包括高压EGR流动路径，在其中排气从涡轮16的上游抽取并且再循环到压缩机114下游的发动机进气歧管。
一个或多个传感器可以连接于EGR通道51，用于提供关于EGR的组成和状况的细节。例如，可以提供温度传感器用于确定EGR的温度，可以提供压力传感器用于确定EGR的压力，可以提供湿度传感器用于确定EGR的湿度或水含量，以及可以提供空燃比传感器54用于估计EGR的空燃比。可以根据发动机工况和EGR状况来调节EGR阀的打开程度，以提供期望量的发动机稀释。
在所示的实施例中，在压缩机进口的上游并且在EGR阀52和CRV62的下游的位置处，EGR通道51与压缩机再循环通道60汇合。由于EGR具有相对大的水含量，在这个压缩机之前的位置处提供给进气的LP-EGR可能易于冷凝。具体地说，根据在接收EGR时的EGR状况、发动机工况和压缩机进口温度，在压缩机进口以及增压空气冷却器出口处均会发生冷凝。例如，在冷环境条件下，当冷却的潮湿的EGR与冷环境进气混合时，会形成水滴。影响正在高速(例如，200,000rpm或以上)下旋转的压缩机叶片的水滴会对叶片造成损坏。此外，由于吸入的水使燃烧速率变慢，因此将水引入到发动机中会增加失火事件的可能性。如在本文中详细说明的，控制器可以调节压缩机进口温度以减少冷凝的可能性。例如，通过利用热EGR，压缩机进口温度可以被保持在基于EGR和冷凝因素的阈值温度以上。
如在本文中参考图5详细说明的，在阀52和62的下游并且在压缩机进口的上游的位置处，从EGR通道51接收的EGR可以与从再循环通道60接收的冷却的压缩机再循环流混合，以提供排气残余物和压缩机再循环流的温度受控的混合物。该混合物接着被输送到压缩机进口。这使压缩机温度(例如，压缩机进口温度和/或压缩机出口温度)能够被更好地管理。此外，在冷凝、喘振以及有关问题的倾向减小的情况下可以实现期望的发动机稀释。通过减少EGR冷凝的可能性，与在压缩机处冷凝物的吸入关联的问题也被减少。例如，如果压缩机进口温度低、环境湿度高，则控制器可以调节阀52和62以增加到压缩机进口的EGR流并减少压缩机再循环流，从而使压缩机进口温度升高至阈值以上并且减少进口冷凝。在另一个示例中，当压缩机进口温度高、压缩机出口温度高时，控制器可以调节阀52和62以减少到压缩机进口的EGR流并增加压缩机再循环流，以使压缩机进口温度或出口温度降低至阈值以下并减少压缩机热损坏。总的来说，改善压缩机热管理。
虽然所示的实施例示出在EGR通道中发动机系统不包括EGR冷却器，但是应当理解，在替换实施例中，发动机系统可以包括旁通EGR通道以及连接于EGR通道的EGR冷却器。当包括时，在EGR通道51中接收的排气的一部分可以转向通过旁通EGR通道并且通过EGR冷却器，以提供一定量的EGR冷却。然而，通过利用不需要EGR冷却器并且EGR冷却通过混合该EGR与压缩机再循环流来实现的结构，减少了与利用热交换器关联的发动机损耗。
发动机系统100还可以包括控制系统14。控制系统14被示为接收来自多个传感器16(其各种示例在本文中描述)的信息并且发送控制信号给多个致动器81(其各种示例在本文中描述)。作为一个示例，传感器16可以包括位于排放控制装置上游的排气传感器126、MAP传感器124、排气温度传感器128、排气压力传感器129、压缩机进口温度传感器55、压缩机进口压力传感器56、压缩机进口湿度传感器57和空燃比传感器54。诸如额外的压力传感器、温度传感器、空燃比传感器和组分传感器的其他传感器可以连接于发动机系统100中的各种位置。致动器81可以包括，例如，节气门20、EGR阀52、压缩机再循环阀62、废气门致动器92和燃料喷射器66。控制系统14可以包括控制器12。控制器可以接收来自各种传感器的输入数据，处理该输入数据，并且根据编程在其中的对应于一个或多个例程的指令或代码，响应于处理后的输入数据而触发各种致动器。示例控制例程在本文中将关于图5描述。
图2的曲线图200示出在各种压缩机效率下的压缩机温度和压力比之间的关系。沿着Y轴绘制的压缩机温度比是压缩机出口的绝对温度与压缩机进口的绝对温度之比沿着X轴绘制的压缩机压力比是压缩机出口的压力与压缩机进口的压力之比因此，压缩机温度比与压缩机压力比按照下面的公式相关：
T C out T C in = 1 + 1 η C [ ( P C out P C in ) y y - 1 - 1 ]
其中ηc是压缩机效率。曲线图200示出在不同的压缩机效率下压缩机压力比和压缩机温度比之间的关系，其中曲线202示出在第一较低的效率下的关系，而曲线204示出在第二较高的效率下的关系。
压缩机通常被最大出口温度所限制，如曲线202和204的趋势所示，该最大出口温度是压缩机进口温度、压缩机压力比和压缩机效率的函数。因此，为了保持压缩机在低于阈值的目标出口压力和温度或其附近运行，控制器可以估计针对任何一组的发动机工况的对应的目标(最大)压缩机进口温度。控制器接着可以调节在压缩机进口处接收的EGR流和压缩机再循环流的比例，以将压缩机进口温度限制在目标压缩机进口温度或低于该温度。
图3的曲线300图示出在给定的EGR百分比下压缩机进口温度和再循环比之间的关系。压缩机进口温度沿着Y轴绘制而再循环比沿着X轴绘制。再循环比对应于从增压空气冷却器的下游再循环到压缩机进口的冷却的压缩空气的百分比。如曲线302-306所示，对于给定的EGR百分比，当再循环比增加时，压缩机进口温度降低。在所示的示例中，在曲线302处，EGR百分比是15％，EGR温度是600℃并且压缩机再循环温度是38℃(100°F)，并且压缩机进口温度是25℃。
曲线302所示的关系也可以用下面的公式表示：
T C in = ( 1 - x ) T a + x T egr + κ T r 1 + κ
其中是压缩机进口温度，而Tegr是EGR温度。
其中x是根据计算的EGR百分比，其中是EGR的质量流，并且是在压缩机进口处接收的进气空气的质量流。还有，κ是根据计算的再循环比，其中是再循环流。曲线304和306示出在不同的EGR百分比下的同一关系，其中曲线304示出在20％EGR下的关系，而曲线306示出在10％EGR下的关系。
现在转向图4，曲线图400示出在给定的EGR百分比下基于所接收的压缩机再循环流的百分比的压缩机退口(或出口)温度和压缩机压力比之间的关系。压缩机出口温度沿着Y轴绘制，而压缩机压力比沿着X轴绘制。在所示的示例中，EGR百分比(x)是15％，而压缩机效率(ηc)是75％。曲线402至406示出在压缩机比分别为0(即，在没有再循环的情况下)、0.5和1.0时的关系。如曲线402-406的趋势所示，对于给定的压缩机压力比(κ)当再循环比增加时，实现较低的压缩机出口温度。换句话说，对于给定的EGR百分比，通过增加压缩机再循环流的量可以实现较低的压缩机出口温度。
控制器可以利用图2-4所示的关系来调节输送到压缩机进口的EGR再循环和压缩机流再循环的比例，以管理压缩机的进口和/或出口温度。例如，可以假定，常规地20％未冷却的EGR将导致压缩机进口温度成比例升高。例如，在0℃环境温度和600℃EGR温度的情况下，压缩机进口温度将是120℃，在增压状况下这个温度将超过压缩机出口温度限制。但是，如果经过增压空气冷却器的混合流被再循环，则由于该流将被稀释，因此压缩机进口温度可以被控制到相当低的值。例如，如果使用与上面同样的流条件但是在30℃下具有冷却器之后的压缩流的50％再循环，则该组合将产生75℃的压缩机进口温度。作为另一个示例，将再循环保持在50％并且将EGR减少到10％将在压缩机进口处得到45℃的温度。
以这种方式，一起管理EGR阀和CRV将确保该系统的快速升温而在进口处没有冷凝的危险，因为EGR相当热。同样，压缩机出口温度过高的危险也被减少了。总的来说，这种方法将限制热条件下的EGR，以确保不超过部件最大限制，并且改善增压发动机的性能。
现在转向图5，示出了用于调节冷却的压缩机再循环流和未冷却的排气再循环的混合物的组成并且将该混合物输送给压缩机进口的示例例程500。该方法能够改善压缩机温度管理。
在502处，该例程包括估计和/或测量发动机工况，其可以包括发动机转度、扭矩要求、MAP、MAF、歧管温度、环境状况(环境温度、BP、环境湿度)、压缩机状况(压缩机进口温度和压力、压缩机出口温度和压力、压缩机流率)、发动机温度等。
在504处，该例程包括根据所估计的工况来确定所需的压缩机再循环的量。进一步地，可以根据所需的再循环的量来确定压缩机再循环阀(图1的CRV62)的打开位置或打开程度。在一个示例中，在稳定状态增压的发动机工况期间，例如，可能需要标称压缩机再循环量来保持通过压缩机的标称流率。通过该压缩机的标称流率还允许一些压缩流经由再循环通道从压缩机的下游和增压空气冷却器的下游连续地再循环到压缩机进口，由此改善在稳态增压发动机运行期间的喘振的裕度。因此，这减少喘振发生的频率。在一个示例中，在CRV是连续可变阀的情况下，这可以通过在稳态状况期间将该阀保持在部分打开位置来实现。在另一个示例中，在CRV是三态阀的情况下，这可以通过在稳态状况期间将该阀保持在半开位置来实现。替换地，在稳态增压状况期间，可以不需要压缩机再循环，并且CRV可以被致动关闭。
在506处，该例程包括根据所估计的工况来确定所需的排气再循环的量。进一步地，可以根据所需的再循环的量来确定EGR阀(图1的EGR阀52)的打开位置或打开程度。在一个示例中，所需的再循环的量可以基于在当前的发动机工况期间所需的发动机稀释的量。当所需的稀释量增加时，可以确定较大的EGR阀打开程度，以提供期望的稀释。在另一个示例中，可能需要较高的EGR的量以减少排放(例如，NOx排放)。因此，为了提供排气再循环，经由汽缸排气门从发动机汽缸释放的排气被从排气歧管涡轮下游的排气歧管抽取，并且输送给压缩机。具体地说，排气在排气歧管和EGR阀之间无阻碍地流动，而不经过EGR冷却器。换句话说，从排气歧管抽取的未冷却的排气直接传递到压缩机进口，而不通过中间冷却器、或EGR冷却器、或其他第二流体冷却装置(例如，水-空气热交换器或基于冷却剂的热交换器)而被主动冷却。如在下面详细描述的，控制器可以使EGR与压缩机进口上游的压缩机再循环流混合，其中该混合物的组成根据压缩机状况来调节以提供期望的稀释，同时还将压缩机进口温度和/或出口温度保持在限度内。
应当明白，虽然图5的例程建议排气在排气歧管和EGR阀之间流动而不经过EGR冷却器，但是应当明白，在替换实施例中，EGR冷却器可以被包括在EGR通道中，并且当排气在经过该EGR冷却器之后可以在排气歧管和EGR阀之间流动。然而，在将排气输送给压缩机进口之前，通过利用冷压缩机再循环流来进一步冷却该排气，可以利用尺寸大大减小的EGR冷却器。较小的EGR冷却器可以提供部件尺寸减小和成本减少的好处。
在507处，该例程包括根据所估计的工况来确定满足要求的发动机扭矩所需的增压。进一步地，可以根据所需的增压量来确定废气门(图1的92)的打开位置或打开程度。在一个示例中，在中等速度和负荷状况期间，废气门可以几乎完全关闭以输送足够的增压。在另一个示例中，在低速和低负荷状况期间，废气门可以被命令完全打开。
如果没有喘振指示，则该例程可以进行到508。在一个示例中，喘振可以响应于操作者踩加速器踏板而发生。其中，在增压状况期间，由于空气流和扭矩要求突然下降，因此空气进气节气门可以关闭，从而使压缩机流减少，从而导致喘振。在一个示例中，在释放加速器踏板期间(例如，位移高于阈值)，控制器可以根据踏板位移推知喘振。在另一个示例中，控制器可以监控压缩机压力状况并且可以根据压缩机流偏移到压缩机曲线图上的喘振线的左面而推知。
如果喘振指示被确认，则在514处，该例程包括根据压缩机喘振的指示来调节该混合物的组成。具体地说，该调节可以包括当喘振指示超过阈值时，增加该混合物中的冷却的压缩机再循环流的量。增加压缩机再循环流的量可以包括增加位于第一压缩机再循环通道中的第一压缩机再循环阀的打开程度。例如，如果CRV是三态阀，则该阀可以从半打开位置移动到完全打开位置。在另一个示例中，在CRV是连续可变阀的情况下，该增加可以包括从部分打开位置向着或朝着完全打开位置增加该阀的打开程度。
在本文中，通过响应于喘振指示而增加冷却的压缩机再循环流的量，实现了多种好处。首先，压缩机下游的增压压力很快被减少，压缩机流率增加。作为另一个示例，通过再循环来自增压空气冷却器下游的冷却的压缩空气(而不是来自增压空气冷却器上游的未冷却的压缩空气)，再循环的温度增强效果被减小。具体地说，在增压期间通过压缩机的压缩空气的增加的再加热被减少，(在压缩机的进口和出口处的)压缩机温度被保持低于限度。这减少了对系统部件的热损害的危险。可选地，控制器还可以通过减少位于第二EGR通道中的EGR阀的打开程度来同时减少排气再循环的量。
然而，如果具有EGR的压缩机进口气体被冷却太多，则可能发生冷凝。因此，该例程移动到516，在这里确定压缩机进口温度是否已经下降低于冷凝限度或冷凝阈值温度。如果是，该例程进行到518，在这里同时调节EGR和CRV流，以减少喘振和冷凝的趋势。具体地说，当使压缩机进口温度升高至冷凝限度以上所需的EGR水平不超过燃烧限度时，EGR被升高并且CRV流被相应地降低以保持恒定的校正的压缩机流。当该水平使得它将超过燃烧限度时，禁用EGR并且增加CRV以保持恒定的校正的压缩机流。在以上任何一种情况下，避免了压缩机进口处的冷凝和压缩机喘振。如果压缩机进口温度不低于冷凝限度，则例程结束。
返回到508，如果不存在压缩机喘振指示，该例程进行到510，在这里可以确定压缩机出口温度是否预期升高到阈值以上。例如，根据在506处要求的EGR和在504处要求的压缩机再循环，并且还根据压缩机状况，可以估计压缩机出口温度并且将其与校准的阈值进行比较，以防止对压缩机或其他空气引进系统部件造成积碳和损坏。
如果预期超过温度阈值，则在520处，该例程包括使来自增压空气冷却器下游的压缩机再循环流与排气混合，将该混合物输送给压缩机进口，并且根据压缩机进口温度调节该混合物的组成，以便减少压缩机出口温度。具体地说，该调节包括当压缩机进口温度上升到高于阈值时，增加压缩机再循环流的量和/或减少EGR流。
在一个示例中，控制器可以利用图2-4所示的关系来根据诸如增压水平、压缩机效率和压缩机压力比的压缩机状况推知压缩机进口和/或出口温度。由于压缩机受最大出口温度(其为进口温度和压缩机比的函数)所限制，因此为了将压缩机出口压力和温度保持在目标出口压力和温度处或其附近，对于给定的一组发动机工况，控制器可以估计最大可允许的压缩机进口温度(对应于最大可允许的压缩机出口温度)。控制器接着可以调节在压缩机进口处接收的EGR流和压缩机再循环流的比例，以将压缩机进口温度和/或压缩机出口温度限制在最大可允许的温度限度内。
增加压缩机再循环流的量可以包括增加位于将增压空气冷却器的出口连接于压缩机进口的第一通道(压缩机再循环通道)中的第一压缩机再循环阀的打开程度。例如，如果该阀是三态阀，则该阀可以从半打开位置移动到完全打开位置。在另一个示例中，在CRV是连续可变阀的情况下，该增加可以包括增加该阀从部分打开位置向着或朝着完全打开位置的打开程度。
减少排气的量可以包括减少位于将涡轮的出口连接于压缩机进口的第二通道(EGR通道)中的第二EGR阀的打开程度。如图1所示，第一通道可以在位于第一和第二阀中的每个的下游以及压缩机进口的上游的结合处连接于第二通道。
例如，如果环境温度是0℃并且EGR温度是600℃，则压缩机进口温度将是120℃，在增压状况下，该温度将导致压缩机出口温度超过压缩机出口温度限制。然而，如果启用增压空气冷却器后的再循环，则由于进入压缩机的流将被稀释，因此压缩机进口温度可以被控制到相当低的值。例如，如果利用相同的流条件但是使得在30℃下冷却器后的压缩机流具有50％的再循环，则该组合将产生75℃的压缩机进口温度。作为另一个示例，将再循环保持在50％并且将EGR减少到10％将得到45℃的压缩机进口温度。
该例程接着进行到522，在这里可以确定废气门是否具有足够的权力(authority)以在额外的再循环流存在的情况下提供期望的增压。例如，如果废气门完全关闭并且仍然不能满足期望的增压，则该例程移动到524，在这里可以减少EGR以同时减少必要的压缩机做功以及压缩机进口和出口温度。还减少压缩机再循环流以充分降低压缩机功率要求也可能是必要的。废气门接着被设置成提供期望的增压和调节后的EGR和CRV流所需的值。然后该例程结束。
如果在522处确定废气门具有足够的权力满足增压要求，则该例程移动到526，在这里适当地调节废气门，并且该例程结束。
返回到510，如果确定压缩机出口温度预期不升高到阈值以上，则该例程进行到512，在这里EGR和CRV阀和废气门被保持在504-507中所确定的预定位置。
作为一个示例，在第一状况期间，控制器可以响应于压缩机出口温度而使来自增压空气冷却器下游的压缩机再循环流与来自涡轮下游的无阻碍的排气再循环以第一比例相混合。该无阻碍的排气再循环可以包括该混合物中的、经由EGR阀输送到压缩机进口而不经过中间冷却器的低压排气再循环。该第一比例可以包括较低量的排气再循环和较高量的压缩机再循环流。在第二状况期间，控制器可以响应于喘振而使该压缩机再循环流与该排气再循环以不同的第二比例相混合。该第二比例可以包括较低量的排气再循环和更高量的压缩机再循环流。因此，在第一和第二状况中的每一个期间，这些流可以在压缩机进口上游的位置处混合，并且该混合物可以被输送到压缩机进口。响应于喘振而以第一比例进行混合包括响应于压缩机比在硬(hard)喘振限制之外而以第一比例进行混合，并且其中响应于冷凝而以第二比例进行混合包括响应于压缩机出口温度低于阈值而以第二比例进行混合，该阈值基于压缩机进口温度、压力比和效率中的每一个。
应当明白，虽然所示的示例说明调节混合物以改变到压缩机的压缩机再循环流和LP-EGR流的比例，但是在一些状况期间，该比例可以被调节为包括所有的压缩机再循环流而没有EGR，或者所有的EGR而没有压缩机再循环流。例如，响应于喘振，该比例可以被调节为包括所有的压缩机再循环流而无EGR。作为另一个示例，当不存在压缩机温度约束时，该比例可以被调节为包括所有的EGR而无压缩机再循环流。
还应当明白，如在本文中所指代的，EGR是从涡轮下游抽取的未冷却的低压EGR。在其他实施例中，从涡轮上游抽取的并且输送到压缩机下游的进气的冷却的高压EGR的量可以根据输送到发动机的LP-EGR的量来调节。
还应当明白，在替换实施例中，EGR冷却器可以被包括在EGR通道中并且排气在经过EGR冷却器之后可以在排气歧管和EGR阀之间流动。然而，通过利用冷压缩机再循环流来冷却该排气，可以大大减小EGR冷却器的尺寸。
现在转向图6，曲线图600示出对CRV和EGR阀的示例调节，以能够实现压缩机的热管理。曲线图600用曲线602示出增压压力，用曲线604示出EGR阀工作周期，用曲线606示出CRV阀调节，用曲线608示出压缩机进口温度，以及用曲线610示出压缩机出口温度。
在t1之前，发动机可以在没有增压(例如，在大气压力BP下)并且没有EGR的情况下运行。此外，CRV可以保持关闭。在t1，由于工况改变，可以请求EGR，并且因此，可以调节EGR阀工作周期以提供标称低压EGR。当低压EGR阀打开以将热排气残余物输送到压缩机进口时，压缩机进口温度可能开始上升到环境温度以上(虚线)。因此，当没有提供压缩机再循环时，压缩机进口温度根据环境温度和输送的EGR的量而变化。
在t2，可能接收到小的增压要求。响应于该增压要求，可以增加增压压力(曲线602)以满足该增压要求。在该增压要求期间，还可以根据该增压要求增加EGR阀工作周期(曲线604)以满足该增压要求的瞬时增加。当进气空气充气通过压缩机被压缩时，产生压缩热，从而导致压缩机出口温度升高(曲线610)。然而，由于增压要求较小而压缩热量较低，压缩机进口温度(曲线608)仍然在允许的限度内并且不必调整。结果，在t2处增压状况期间，因为压缩机进口温度不需要被限制，所以CRV保持关闭(曲线606)。
在t3处，增压状况可以结束，并且增压压力可以返回到BP。当压缩机处的压缩热停止时，压缩机出口温度也可以返回到环境温度水平(虚线)。然而，在t3之后的非增压状况期间，可能继续提供EGR。由于EGR阀打开并且CRV关闭，因此压缩机出口温度可能仍然高于环境温度。
在t4处，可能接收到较大的增压要求。响应于该增压要求，可以增加增压压力以满足该较高的增压要求。在该增压要求期间，根据该增压要求可以增加EGR阀工作周期以满足增压要求的瞬时增加。当进气空气充气通过压缩机被压缩时，产生压缩热，从而导致压缩机出口温度较大地升高。在这里，由于增压要求较大而压缩热量较高，压缩机进口温度运行接近上限阈值612。结果，在t4处的增压状况期间，CRV保持部分打开。由于CRV的打开以及EGR阀的打开，在t4处，压缩机进口温度朝着环境温度下降。
在t5处，增压要求可能突然减少，从而使压缩机达到喘振状况。响应于该喘振指示，CRV被移动到完全打开位置，从而使冷却的压缩空气从增压空气冷却器下游再循环到压缩机进口。此外，减少EGR阀的打开程度。减少EGR和增加压缩机再循环的组合方法减少了压缩机进口和出口温度。具体地说，压缩机进口和出口温度中的每一个被减少到环境温度。
在t6处，增压压力已经减小。此外，由于没有喘振指示，因此可以关闭CRV。由于CRV被关闭而EGR阀仍然是标称打开，因此在t6处，压缩机进口温度可能上升到环境温度以上(由于在压缩机进口处接收热残余物)。
在t7处，由于工况改变，EGR请求可能下降并且可以关闭EGR阀。响应于EGR阀的关闭，压缩机进口温度可以朝着环境水平返回。
以这种方式，在增压要求改变期间，利用对EGR阀和压缩机再循环阀的调节，可以控制并限制压缩机进口温度和出口温度。这样做，压缩机可以保持在喘振区域之外。
在一个示例中，一种发动机系统包括：包含进气节气门的发动机、包含由涡轮驱动的压缩机的涡轮增压器、连接于压缩机的温度传感器和连接于压缩机下游的增压空气冷却器。该发动机系统还可以包括包含第一阀的第一路径，用于将压缩空气充气从增压空气冷却器下游和节气门上游再循环到压缩机进口。该发动机系统还可以包括包含第二阀的第二路径，用于将排气从涡轮下游无阻碍地再循环到压缩机进口，该第二路径与第一路径在第二阀下游和压缩机进口上游处汇合。该系统的控制器可以被配置有计算机可读指令，用于调节第一和第二阀中的每个，以向压缩机进口提供压缩机再循环流和排气再循环的可变混合物。可以根据压缩机进口温度和压缩机出口温度中的一个或多个调节该可变混合物的组成。例如，可以调节该组成以保持压缩机进口温度高于第一阈值和/或保持压缩机出口温度低于第二阈值。调节第一和第二阀中的每个以提供可变混合物也可以包括增加第一阀的打开程度同时减少第二阀的打开程度以减少该混合物的温度，以及减少第一阀的打开程度同时增加第二阀的打开程度以增加该混合物的温度。该控制器还可以包括用于根据喘振的指示来调节该可变混合物的组成的指令，该调节包括增加第一阀的打开程度同时减少第二阀的打开程度。在一个示例中，该调节包括响应于喘振的指示，完全打开第一阀同时完全关闭第二阀，并且其中响应于压缩机进口温度的调节包括完全关闭第一阀同时完全打开第二阀。
以这种方式，利用冷却的压缩机再循环流和未冷却的EGR的组合可以管理压缩机温度。通过利用冷压缩机再循环流来降低压缩机进口温度，能够利用现有的发动机硬件实现压缩机热管理同时协同地改善压缩机的喘振裕度。通过减少对用于管理压缩机进口温度的EGR冷却器的依赖，实现了部件减少的好处。通过减少在压缩机进口处冷凝的形成，能够更好地减少与冷凝物的吸入有关的问题(例如，失火、压缩机叶片的变差和发动机失速)。通过将压缩机进口和出口温度保持在压缩机性能较高的范围内，改善了增压发动机性能并且延长了压缩机寿命。
应当明白，本文所公开的结构和方法在本质上是示范性的，并且这些具体的实施例不被认为是限制性的，因为许多变化是可能的。例如，上述技术可以用于与V-6、I-4、I-6、V-12、对置4缸以及其他发动机类型。本发明的主题包括本文所公开的各种系统和结构、以及其他特征、功能和/或特性的所有新颖的和非显而易见的组合和子组合。
下面的权利要求具体指出认为是新颖和非显而易见的一些组合和子组合。这些权利要求可能引用“一个”元件或“第一”元件或其等同物。这些权利要求应当被理解为包括一个或多个这种元件的结合，既不要求也不排除两个或更多个这种元件。所公开的特征、功能、元件和/或特性的其他组合和子组合可以通过修改当前的权利要求或通过在本申请或相关申请中提出新的权利要求来主张。这些权利要求，无论在范围上比原权利要求更宽、更窄、相等或不同，都被认为包含在本发明的主题内。

Claims (20)

1.一种用于发动机的方法，其包括：
使来自增压空气冷却器下游的压缩机再循环流与排气混合；和
将所述混合物输送到压缩机进口。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述排气包括从排气歧管涡轮下游抽取的排气，所述排气在所述排气歧管和EGR阀之间流动。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述排气在所述排气歧管和EGR阀之间流动包括所述排气绕过EGR冷却器，或者所述排气流过尺寸减小的EGR冷却器。
4.根据权利要求2所述的方法，还包括根据压缩机进口温度来调节所述混合物的组成。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述调节包括，当EGR不超过燃烧稳定性限制时，当所述压缩机进口温度下降到低于阈值时减少所述混合物中的压缩机再循环流的量并且增加排气的量，并且当EGR超过所述燃烧稳定性限制时，当所述压缩机进口温度下降到低于所述阈值时，停止将排气添加到所述混合物，同时增加所述混合物中的压缩机再循环流的量。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述阈值基于环境温度、环境湿度和所述混合物的水含量中的一个或多个。
7.根据权利要求6所述的方法，其中减少压缩机再循环流的量包括减少位于将所述增压空气冷却器的出口连接到所述压缩机进口的第一通道中的第一阀的打开程度，并且其中增加排气的量包括增加位于将所述涡轮的出口连接到所述压缩机进口的第二通道中的第二阀的打开程度。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述第一通道在位于所述第一阀和所述第二阀中的每个的下游并且位于所述压缩机进口的上游的结合处连接到所述第二通道。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括根据压缩机出口温度和燃烧稳定性限制来调节所述混合物的组成，所述调节包括当所述压缩机出口温度超过阈值而燃烧稳定性限度未被超过时，增加所述混合物中的压缩机再循环流的量和减少排气的量中的一个或多个。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括根据压缩机喘振的指示来调节所述混合物的组成，所述调节包括当所述喘振的指示超过阈值时增加所述混合物中的压缩机再循环流的量并且可选地减少排气的量。
11.一种用于增压发动机的方法，其包括：
在第一状况期间，响应于冷凝，以第一比例使来自增压空气冷却器下游的压缩机再循环流与来自涡轮下游的排气再循环相混合；和
在第二状况期间，响应于喘振，以不同的第二比例使所述压缩机再循环流与所述排气再循环相混合。
12.根据权利要求11所述的方法，其中在所述第一状况和所述第二状况中的每个的期间，所述混合物被输送到压缩机进口。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一比例包括较高量的排气再循环和较低量的压缩机再循环流，并且其中所述第二比例包括较低量的排气再循环和较高量的压缩机再循环流。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述排气再循环包括所述混合物中的、经由EGR阀输送到所述压缩机进口而不经过中间冷却器的无阻碍的低压排气再循环。
15.根据权利要求11所述的方法，其中响应于喘振而以第一比例进行混合包括响应于压缩机比在硬喘振限制之外而以第一比例进行混合，并且其中响应于冷凝而以第二比例进行混合包括响应于压缩机进口温度低于阈值而以第二比例进行混合，所述阈值基于环境湿度、环境温度和所述排气再循环的水含量中的每一个。
16.一种发动机系统，其包括：
包括进气节气门的发动机；
包括由涡轮驱动的压缩机的涡轮增压器；
连接到所述压缩机的温度传感器；
连接到所述压缩机的下游的增压空气冷却器；
包括第一阀的第一路径，用于将压缩空气充气从所述增压空气冷却器的下游和所述节气门的上游再循环到压缩机进口；
包括第二阀的第二路径，用于将排气从所述涡轮的下游再循环到所述压缩机进口，所述第二路径与所述第一路径在所述第二阀的下游和所述压缩机进口的上游汇合；以及
具有计算机可读指令的控制器，所述计算机可读指令用于：
调节所述第一阀和所述第二阀中的每一个，以向所述压缩机进口提供压缩机再循环流和排气再循环的可变混合物，所述可变混合物的组成根据压缩机进口温度和压缩机出口温度中的一个或多个来调节。
17.根据权利要求16所述的系统，其中根据压缩机进口温度和压缩机出口温度中的一个或多个调节所述组成包括调节所述组成以保持所述压缩机进口温度高于第一阈值和/或保持所述压缩机出口温度低于第二阈值。
18.根据权利要求17所述的系统，其中调节所述第一阀和所述第二阀中的每一个以提供可变混合物包括增加所述第一阀的打开程度同时减少所述第二阀的打开程度以降低所述混合物的温度，以及减少所述第一阀的打开程度同时增加所述第二阀的打开程度以增加所述混合物的温度。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述控制器还包括用于根据喘振的指示来调节所述可变混合物的组成的指令，所述调节包括增加所述第一阀的打开程度同时减少所述第二阀的打开程度。
20.根据权利要求18所述的系统，其中所述调节包括，响应于喘振的指示，完全打开所述第一阀同时完全关闭所述第二阀，并且其中响应于所述压缩机进口温度进行调节包括完全关闭所述第一阀同时完全打开所述第二阀。
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