CN105134368B - 具有可变涡轮增压器的发动机控制系统及其方法 - Google Patents

具有可变涡轮增压器的发动机控制系统及其方法 Download PDF

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Abstract

一种具有可变涡轮增压器的发动机控制系统及其方法，所述具有可变涡轮增压器的发动机控制系统可以包括：发动机，其包括通过燃料燃烧产生动力的汽缸；可变涡轮增压器，其包括由发动机所排放的排放气体旋转的涡轮以及与涡轮同步旋转并且压缩外部空气并将受压缩的空气供应到汽缸的压缩机；叶片，其调节供应到涡轮的排放气体的流动面积；以及控制器，其根据供应到汽缸的燃料量和发动机所需的扭矩将车辆的操作区域划分为稳速驾驶区域、加速驾驶区域以及减速驾驶区域，并且控制叶片的开口以及喷射入汽缸中的燃料的喷射正时。

Description

具有可变涡轮增压器的发动机控制系统及其方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年6月5日提交的第10-2014-0068268号韩国专利申请的优先权和权益，该申请的全部内容为了所有目的以引用方式并入本文。
技术领域
本发明涉及具有可变涡轮增压器的发动机控制系统及其方法。更具体来说，本发明涉及具有可变涡轮增压器的发动机控制系统及其方法，其中操作区域被划分为稳速驾驶区域、加速驾驶区域以及减速驾驶区域，并且其中根据操作区域来控制可变涡轮增压器和发动机。
背景技术
如本领域已知的，当比大气压高的空气被充入发动机时，大量空气可以被供应到发动机中。此外，当喷射的燃料量增加时，发动机的输出功率增加。
使用空气被涡轮增压至发动机的涡轮增压器。涡轮增压器使用排放气体来使涡轮旋转，而通过轴连接到涡轮的鼓风机进行旋转。因此，涡轮增压器压缩外部空气并且将受压缩的空气供应到发动机的汽缸。
图1是显示普通涡轮增压器的立体图，并且图2A和图2B是显示普通涡轮增压器的示意图。
如图1中所示，普通涡轮增压器100是其中排放气体的流道面积根据叶片角的变化而变化的涡轮增压器。因此，改变了发动机200的输出动力。此类型的涡轮增压器称为可变涡轮增压器(VGT：可变几何涡轮增压器)。涡轮增压器包括由发动机200所排放的排放气体旋转的涡轮122和与涡轮122同步旋转并且压缩外部空气并将受压缩的空气供应到汽缸的压缩机110。
在涡轮壳体120中提供叶片。叶片130根据发动机的操作区域改变排放气体的流动通道面积，以控制发动机的输出功率。也就是说，发动机的操作区域被划分为高速区域和低速区域，并且发动机的输出功率通过调节叶片的开口来控制。
然而，根据常规技术，涡轮增压器在发动机的操作区域(高速区域或低速区域)中运行，使得存在没有进行考虑稳速驾驶区域、加速驾驶区域或减速驾驶区域的控制的问题。
另外，根据常规技术，有可能在发动机的正常条件下通过增加增压压力来控制空气燃料比。然而，由于加速驾驶区域中的涡轮滞后导致所需要的增压压力并不立刻形成，所以存在无法流畅地控制空气燃料比的问题。
在该背景技术部分公开的信息仅用于提高对本发明的一般背景的理解，而不应作为对该信息形成本领域技术人员已知的现有技术的承认或任何形式的暗示。
发明内容
本发明的各个方面旨在提供具有可变涡轮增压器的发动机控制系统及其方法，其用于通过考虑到稳速驾驶区域或加速驾驶区域来控制涡轮增压器和燃料喷射以最小化燃料消耗和排放气体。
根据本发明的各个方面，具有可变涡轮增压器的发动机控制系统可以包括：发动机，其包括通过燃料燃烧产生动力的汽缸；可变涡轮增压器，其包括由发动机所排放的排放气体旋转的涡轮以及与涡轮同步旋转并且压缩外部空气并将受压缩的空气供应到汽缸的压缩机；叶片，其调节供应到涡轮的排放气体的流动面积；以及控制器，其根据供应到汽缸的燃料量和发动机所需要的扭矩将车辆的操作区域划分为稳速驾驶区域、加速驾驶区域以及减速驾驶区域，并且控制叶片的开口和喷射入汽缸中的燃料的喷射正时。
当供应到汽缸的燃料量微分值的绝对值或发动机所需的扭矩的微分值的绝对值小于预定值时，控制器可以确定操作区域是稳速驾驶区域，当供应到汽缸的燃料量微分值的绝对值或发动机所需的扭矩微分值的绝对值大于或等于预定值并且燃料量的微分值或所需扭矩的微分值大于零时，控制器确定操作区域是加速驾驶区域，当供应到汽缸的燃料量微分值的绝对值或发动机所需扭矩的微分值的绝对值大于或等于预定值并且燃料量的微分值或所需的扭矩的微分值小于零时，控制器确定操作区域是减速驾驶区域。
控制器可以进行控制以使得当操作区域是稳速驾驶区域时提前喷射正时并且增加叶片开口。
控制器可以控制，以使得当操作区域是加速驾驶区域时喷射正时延迟并且叶片的开口减小。
控制器可以控制，以使得当操作区域是减速驾驶区域时叶片的开口减小。
根据本发明的各个方面，包括可变涡轮增压器、发动机以及控制可变涡轮增压器和发动机的控制器(其中控制器执行一系列命令)的发动机控制方法可以包括：测量供应到发动机的汽缸的燃料量和发动机所需的扭矩；根据供应到汽缸的燃料量和发动机所需要的扭矩确定操作区域是稳速驾驶区域、加速驾驶区域还是减速驾驶区域；以及控制喷射入汽缸中的燃料的喷射正时和涡轮增压器中设置的叶片的开口。
确定操作区域可以包括对供应到汽缸的燃料量或发动机所需的扭矩求微分；将燃料量微分值的绝对值或所需扭矩的微分值的绝对值与预定值相比较；以及确定燃料量或所需扭矩的微分值是否大于零。
当燃料量的微分值的绝对值或发动机所需扭矩的微分值的绝对值小于预定值时，控制器可以确定操作区域是稳速驾驶区域。
当供应到汽缸的燃料量的微分值的绝对值或发动机所需扭矩的微分值的绝对值大于或等于预定值并且燃料量的微分值或所需扭矩的微分值大于零时，控制器可以确定操作区域是加速驾驶区域。
当供应到汽缸的燃料量的微分值的绝对值或发动机所需扭矩的微分值的绝对值大于或等于预定值并且燃料量的微分值或所需扭矩的微分值小于零时，控制器可以确定操作区域是减速驾驶区域。
控制器可以进行控制以使得当操作区域是稳速驾驶区域时使喷射正时提前并且增加叶片开口。
控制器可以控制，以使得当操作区域是加速驾驶区域时喷射正时延迟并且叶片的开口减小。
控制器可以控制，以使得当操作区域是减速驾驶区域时叶片的开口减小。
根据本发明的各个实施例，由于根据稳速驾驶区域、加速驾驶区域以及减速驾驶区域来控制叶片的开口和燃料的喷射正时，所以改善了燃料消耗并且最小化排放气体。
应理解的是，如本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其他类似术语通常包括机动车辆，诸如乘用汽车(包括运动型多用途车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车辆)、船只(包括各种舟艇和船舶)、航空器等，并且包括混合车辆、电动车辆、插电式混合动力车辆、氢动力车辆以及其他替代性燃料车辆(例如，从源于非石油的能源的燃料)。如本文所提及的，混合车辆是具有两个或多个动力源的车辆，例如汽油动力和电力动力车辆。
通过纳入本文的附图以及随后与附图一起用于说明本发明的某些原理的具体实施方式，本发明的方法和装置所具有的其它特征和优点将变得清楚或更为具体地得以阐明。
附图说明
图1是示出普通涡轮增压器的立体图。
图2A和图2B是示出普通涡轮增压器的示意图。
图3是示出根据本发明的示例性的具有可变涡轮增压器的发动机控制系统的框图。
图4是解释车辆的操作区域的图表。
图5和图6是示出根据本发明的示例性发动机控制方法的流程图。
图7A、图7B、图7C和图7D是示出根据叶片的开口的排放气体与燃料消耗的关系的图表。
图8A、图8B、图8C和图8D是示出根据燃料喷射正时的排放气体与燃料消耗之间的关系的图表。
应当了解，所附附图并非按比例地绘制，其显示了本发明的基本原理的图示性的各种特征的略微简化的画法。本文所公开的本发明的具体设计特征(包括例如具体尺寸、方向、位置和外形)将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。
具体实施方式
现在将具体提及本发明的各个实施方案，在附图中和以下的描述中示出这些实施方案的实例。虽然本发明与示例性实施方案相结合进行描述，但应当了解，本说明书并非旨在将本发明限制为那些示例性实施方案。相反，本发明旨在不仅涵盖示例性具体实施方案，也涵盖包含于如权利要求书限定的本发明的实质和范围内的各种替换、修改、等同和其他具体实施方案。
现在将参考图1、图2A、图2B和图3来详细描述图3中根据本发明的各个实施方案具有可变涡轮增压器的发动机控制系统。
图1是示出普通涡轮增压器的立体图。图2A和图2B是示出普通涡轮增压器的示意图。图3是示出根据本发明的各个实施方案的示例性的具有可变涡轮增压器的发动机控制系统的方框图。
如图1、图2A、图2B和图3中所示，图3中根据各个实施方案的具有可变涡轮增压器的发动机控制系统包括产生动力的发动机200、将受压缩的空气涡轮增压到发动机200中的可变涡轮增压器以及控制发动机200和可变涡轮增压器的控制器300。
汽缸210(参见图3)设置在发动机200中，而动力通过流入汽缸210中的燃料的燃烧来产生。
可变涡轮增压器包括由发动机200所排放的排放气体旋转的涡轮122以及与涡轮122同步旋转并且压缩外部空气并将受压缩的空气供应到汽缸210的压缩机110。
涡轮122设置在涡轮壳体120中并且由排放气体旋转。叶片130设置在涡轮壳体120中。叶片调节从发动机200排放以供应到涡轮122的排放气体的流动面积。当调节叶片130的开口时，流动通过形成在涡轮壳体120中的流动路径的排放气体的流动阻力被改变，并且发动机200的输出功率被调节。
鼓风机安装在压缩机110中，并且鼓风机与涡轮122同步旋转。外部空气通过鼓风机的旋转而被压缩，而受压缩的空气被供应到发动机200。
控制器300可以通过由预定程序启动的一个或多个处理器来实现，而预定程序可以被编程以执行根据本发明的各个实施方案的发动机控制方法的每个步骤。
控制器300根据供应到汽缸210的燃料量和发动机200所需的扭矩来将车辆的操作区域划分为稳速驾驶区域、加速驾驶区域以及减速驾驶区域，并且控制叶片130的开口和喷射入汽缸210中的燃料的喷射正时。
参考图4，当车辆的操作区域是稳速驾驶区域(SR)时，从发动机200排放的排放气体量相对较低，并且不需要将大量空气供应到汽缸210。如图4中所示，在稳速驾驶区域(SR)中行驶的频率相对较高。
因此，当车辆的操作区域是稳速驾驶区域时，控制器300优选地执行用于改善燃料消耗的控制。
当车辆的操作区域是加速驾驶区域(TR)时，从发动机200排放的排放气体量相对较高，并且需要将大量空气供应到汽缸210。如图4中所示，在加速驾驶区域(TR)中行驶的频率相对较低。
因此，当车辆的操作区域是加速驾驶区域时，控制器300优选地执行用于减少排放气体的控制。
现在将参考图5和图6描述根据本发明的各个实施方案中具有可变涡轮增压器的发动机控制方法。
图5和图6是示出根据本发明的各个实施方案的发动机控制方法的流程图。
如图5和图6中所示，在步骤S100中，控制器300确定车辆的操作区域。也就是说，控制器300通过使用供应到汽缸210的燃料量和发动机200所需的扭矩来确定车辆的操作区域。
具体来说，在步骤S110中，控制器300测量供应到汽缸210的燃料量和发动机200所需的扭矩。
在步骤S120中，控制器300对测量的燃料量和所需的扭矩求微分。也就是说，控制器300通过使用燃料量和所需的扭矩的改变速率来确定车辆的操作区域。
在步骤S200中，控制器300确定车辆的操作区域是否是稳速驾驶区域。具体来说，在步骤S200中，控制器300确定燃料量的微分值的绝对值或所需扭矩的微分值的绝对值是否大于或等于预定值。
如果燃料量的微分值的绝对值或所需扭矩的微分值的绝对值小于预定值，则控制器300确定车辆的操作区域是稳速驾驶区域。当车辆的操作区域是稳速驾驶区域时，控制器300优选地执行用于改善燃料消耗的控制。也就是说，在步骤S300中，控制器300控制喷射到汽缸210中的燃料的喷射正时提前并控制叶片130的开口增加。
当燃料的喷射正时提前时，汽缸210中的燃料以在汽缸210的温度和压力相对较高的状态下被点燃，并且由此增加发动机200的效率和扭矩。当增加叶片130的开口时，减少排放气体的流动阻力并且由此改善燃料消耗。
当车辆的操作区域不是稳速驾驶区域时，在步骤S400中，控制器300确定车辆的操作区域是加速驾驶区域还是减速驾驶区域。具体来说，在步骤S400中，当燃料量的微分值的绝对值或所需扭矩的微分值的绝对值大于或等于预定值时，控制器300确定燃料量的微分值或所需扭矩的微分值是否大于零。
如果燃料量的微分值或所需扭矩的微分值大于零，则控制器300确定车辆的操作区域是加速驾驶区域。
当车辆的操作区域是加速驾驶区域时，控制器300优选地执行用于最小化排放气体的控制。也就是说，在步骤S520中，控制器300控制燃料的喷射正时延迟并且控制叶片130的开口减小。
当燃料的喷射正时延迟时，汽缸210中的燃料在汽缸210的温度和压力相对较低的状态下被点燃，由此减少氮氧化物(NOx)的产生。当叶片130的开口减小时，压缩机110的旋转速度增加，由此流入发动机200的汽缸210中的空气量相对增加。因此，发动机200的输出功率增加。
如果燃料量的微分值或所需扭矩的微分值小于零，则控制器300确定车辆的操作区域是减速驾驶区域。
当车辆的操作区域是减速驾驶区域时，在步骤S510中，控制器300减小叶片130的开口。叶片130的开口减小，由此当车辆再次加速时增压压力平滑地增加。
图7A、图7B、图7C和图7D是示出根据叶片开口的排放气体与燃料消耗的关系的图表。
图7A是示出烟量与叶片的开口之间的关系的图表。如图7A中所示，根据叶片130的开口的烟量的差异是不明显的。
图7B是示出氮氧化物与叶片的开口之间的关系的图表。如图7B中所示，当叶片130的开口增加时，氮氧化物增加。
图7C是示出每单位输出的SFC(比燃料消耗率)与叶片的开口之间的关系的图表。如图7C中所示，当叶片130的开口增加时，SFC减小。
图7D是示出EGR(排放气体再循环)比率与叶片的开口之间的关系的图表。如图7D中所示，当叶片130的开口增加时，EGR比率减小。也就是说，由于再循环的排放气体减少，所以产生大量排放气体。EGR比率是排放气体再循环设备的进气空气与再循环空气之间的比率。
图8A、图8B、图8C和图8D是示出根据燃料喷射正时的排放气体与燃料消耗的关系的图表。
图8A是示出烟与燃料喷射正时之间的关系的图表。如图8A中所示，当燃料喷射正时延迟时，从发动机排放的烟减少。
图8B是示出氮氧化物与燃料喷射正时之间关系的图表。如图8B中所示，当燃料喷射正时延迟时，氮氧化物减少。
图8C是示出每单位输出的SFC(比燃料消耗率)与燃料喷射正时之间的关系的图表。如图8C中所示，当燃料喷射正时延迟时，SFC增加。
图8D是示出排放气体温度与燃料喷射正时之间的关系的图表。如图8D中所示，当燃料喷射正时延迟时，排放气体的温度增加。当排放气体的温度通过延迟燃料喷射正时而增加时，涡轮增压器的入口温度增加。因此，可以防止涡轮滞后导致的增压压力的增量延迟。
如图7A、图7B、图7C、图7D、图8A、图8B、图8C和图8D中所示，根据本发明的各个实施方案的可变涡轮增压器的发动机控制系统和控制方法根据车辆的操作区域来调节叶片130的开口和燃料喷射正时。也就是说，当车辆的操作区域是稳速驾驶区域时，控制器优选地执行用于改善燃料消耗的控制，当车辆的操作区域是加速驾驶区域或减速驾驶区域时，控制器优选地执行用于减少排放气体的控制。
前面对本发明具体示例性实施方式所呈现的描述是出于说明和描述的目的。前面的描述并不想要成为毫无遗漏的，也不是想要把本发明限制为所公开的精确形式，显然，根据上述教导很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方式并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本发明的各种示例性实施方式及其各种选择形式和修改形式。本发明的范围意在由所附权利要求书及其等效形式所限定。

Claims (13)

1.一种具有可变涡轮增压器的发动机控制系统，其包括：
发动机，其包括通过燃料燃烧产生动力的汽缸；
可变涡轮增压器，其包括由所述发动机所排放的排放气体旋转的涡轮以及与所述涡轮同步旋转并且压缩外部空气并将受压缩的空气供应到所述汽缸的压缩机；
叶片，其调节供应到所述涡轮的排放气体的流动面积；以及
控制器，其根据供应到所述汽缸的燃料量和所述发动机所需的扭矩将车辆的操作区域划分为包括稳速驾驶区域、加速驾驶区域以及减速驾驶区域的多个驾驶区域，并且控制所述叶片的开口和喷射入所述汽缸中的燃料的喷射正时，
其中，通过将供应到所述汽缸的燃料量的微分值的绝对值或所述发动机所需的扭矩的微分值的绝对值与预定值进行比较来确定所述多个驾驶区域。
2.如权利要求1所述的具有可变涡轮增压器的发动机控制系统，
其中所述控制器：
当供应到所述汽缸的燃料量的微分值的绝对值或所述发动机的所需要的扭矩的微分值的绝对值小于预定值时，确定所述操作区域是稳速驾驶区域；
当供应到所述汽缸的所述燃料量的微分值的绝对值或所述发动机的所需要的扭矩的微分值的绝对值大于或等于预定值并且所述燃料量的微分值或所需要的扭矩的所述微分值大于零时，确定所述操作区域是加速驾驶区域，
当供应给所述汽缸的燃料量的微分值的绝对值或所述发动机的所需要扭矩的微分值的绝对值大于或等于预定值，并且所述燃料量的微分值或所需要的扭矩的微分值小于零时，确定所述操作区域是减速驾驶区域。
3.如权利要求2所述的具有可变涡轮增压器的发动机控制系统，
其中所述控制器进行控制，以使得当所述操作区域是稳速驾驶区域时使所述喷射正时提前并且增加所述叶片的开口。
4.如权利要求2所述的具有可变涡轮增压器的发动机控制系统，
其中所述控制器控制，以使得当所述操作区域是加速驾驶区域时所述喷射正时延迟并且所述叶片的开口减小。
5.如权利要求2所述的具有可变涡轮增压器的发动机控制系统，
其中所述控制器控制，以使得当所述操作区域是减速驾驶区域时所述叶片的开口减小。
6.一种包括可变涡轮增压器、发动机以及控制所述可变涡轮增压器和所述发动机的控制器的发动机控制方法，
其中所述控制器执行一系列命令，包括：
测量供应到所述发动机的汽缸的燃料量以及所述发动机所需的扭矩；
根据供应到所述汽缸的燃料量和所述发动机所需要的扭矩确定划分为包括稳速驾驶区域、加速驾驶区域以及减速驾驶区域的多个驾驶区域的操作区域是稳速驾驶区域、加速驾驶区域还是减速驾驶区域；以及
控制喷射入所述汽缸中的燃料的喷射正时和设置在所述涡轮增压器中的叶片的开口，
其中，通过将供应到所述汽缸的燃料量的微分值的绝对值或所述发动机所需的扭矩的微分值的绝对值与预定值进行比较来确定所述多个驾驶区域。
7.如权利要求6所述的包括可变涡轮增压器、发动机以及控制所述可变涡轮增压器和所述发动机的控制器的发动机控制方法，
其中确定所述操作区域包括：
对供应到所述汽缸的燃料量或所述发动机所需要的扭矩求微分；
确定燃料量或所需要的扭矩的微分值是否大于零。
8.如权利要求7所述的包括可变涡轮增压器、发动机以及控制所述可变涡轮增压器和所述发动机的控制器的发动机控制方法，
其中所述控制器
当所述燃料量的微分值的绝对值或所述发动机所需要的扭矩的微分值的绝对值小于预定值时，确定操作区域是稳速驾驶区域。
9.如权利要求7所述的包括可变涡轮增压器、发动机以及控制所述可变涡轮增压器和所述发动机的控制器的发动机控制方法，
其中所述控制器
当供应到所述汽缸的燃料量的微分值的绝对值或所述发动机所需要的扭矩的微分值的绝对值大于或等于预定值，并且所述燃料量的微分值或所需要的扭矩的微分值大于零时，确定操作区域是加速驾驶区域。
10.如权利要求7所述的包括可变涡轮增压器、发动机以及控制所述可变涡轮增压器和所述发动机的控制器的发动机控制方法，
其中所述控制器
当供应给所述汽缸的燃料量的微分值的绝对值或所述发动机的所需要扭矩的微分值的绝对值大于或等于预定值，并且所述燃料量的微分值或所需要的扭矩的微分值小于零时，确定操作区域是减速驾驶区域。
11.如权利要求6所述的包括可变涡轮增压器、发动机以及控制所述可变涡轮增压器和所述发动机的控制器的发动机控制方法，
其中所述控制器进行控制，以使得当所述操作区域是稳速驾驶区域时使所述喷射正时提前并且增加所述叶片的开口。
12.如权利要求6所述的包括可变涡轮增压器、发动机以及控制所述可变涡轮增压器和所述发动机的控制器的发动机控制方法，
其中所述控制器控制，以使得当所述操作区域是所述加速驾驶区域时所述喷射正时延迟并且所述叶片的开口减小。
13.如权利要求6所述的包括可变涡轮增压器、发动机以及控制所述可变涡轮增压器和所述发动机的控制器的发动机控制方法，
其中所述控制器控制，以使得当所述操作区域是所述减速驾驶区域时所述叶片的开口减小。
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