CN105221246A - 改进的涡轮增压器 - Google Patents

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Abstract

用于车辆的涡轮增压系统(1)，该系统(1)包括涡轮增压器(2)，压缩气体的罐(3)和与涡轮增压器(2)的入口(5)流体连通的排气歧管管道(4)。罐(3)与歧管管道(4)流体连通且被布置以在预定的脉冲持续时段内将压缩气体脉冲推入歧管管道(4)，从而开启涡轮增压器(2)中的压缩机旋转。

Description

改进的涡轮增压器
技术领域
本发明涉及用于车辆的涡轮增压系统以及控制该系统的方法。该系统包括涡轮增压器以及与涡轮增压器的入口流体连通的排气歧管。
背景技术
现在的车辆常使用排气驱动的涡轮增压器来压缩空气到发动机的进气歧管。涡轮增压器取决于排气流而加速旋转，排气流又取决于发动机转速和发动机转矩。因此，涡轮增压器响应是涡轮增压发动机在低速时常见的问题。该问题随着用于减少CO2的新技术而更严重，因为需要更多的能量来积蓄更高的升压，因此降速和缩小尺寸伴随着增大的升压。响应问题是减少CO2的限制因素，尤其在现实世界的驾驶中，因为可接受的车辆驾驶性需要一定的功率余量来满足瞬时功率需求而不用换挡。瞬时功率需求可能来自马路倾斜、小的加速、辅助装置等等。
在涡轮增压器加速旋转之前，使用各种被连接至进气歧管的压缩机通过给入口侧供应空气用于响应辅助是已知的。机械压缩机复杂昂贵，具有不耐用以及噪音、振动、声振粗糙度(Noice、Vibrations、Harshness，简称NVH)的问题，难控制而且吵闹。
因此需要找到一种成本有效的、耐用的、低噪音的且快速响应的方案。
发明内容
本发明的目标是通过改进涡轮增压器响应克服现有技术中的问题，根据权利要求1，通过将压缩气体从罐推入排气歧管或被连接至排气歧管的歧管管道和涡轮增压器入口从而控制初始压缩机加速旋转来实现本发明。本发明还涉及一种根据权利要求15的方法。
本发明涉及用于车辆的涡轮增压系统。该系统包括涡轮增压器，用于压缩气体的罐和与涡轮增压器入口流体连通的排气歧管管道。罐与歧管管道流体连通，并且罐被布置以在预定的脉冲持续时间段内将压缩气体脉冲推入歧管管道，用于涡轮增压器中的初始压缩机加速旋转。该系统包括第一控制单元和连接至第一控制单元的负载传感器。负载传感器被布置以感应来自车辆驾驶者的期望的发动机负载。第一控制单元被布置以根据所接收到的负载传感器输入估算的发动机负载的期望变化。第一控制单元被布置以根据所估算的发动机负载的期望变化估算期望涡轮增压器效果。第一控制单元被布置以控制罐根据估算的期望涡轮增压器效果排出预定的压缩空气脉冲。
如果罐非常大和/或空气压力比涡轮增压器的尺寸高，则罐不必完全排空就能将涡轮增压器驱动到最大RPM。另外，期望的涡轮增压器效果根据适合于实现所述效果的压力规定脉冲长度。但是，优化罐尺寸和产生能将涡轮增压器从零提速到最大的脉冲的压力从而使罐在该脉冲后排空是可能的。其他设计罐的替换方案是可能的。应当注意小罐具有重量轻的优点，但是需要频繁再装填，而大罐具有较少需要再装填的优点，但是很重。如果罐内的压力很高，则它具有较少需要再装填的优点，但是高压对增压单元的效果和功率有高要求。
驾驶者是人类或自动驾驶系统，或者驾驶员与半自动驾驶系统的组合。
根据一个示例，负载传感器被布置以感测加速踏板的位置。预定的踏板位置对应于期望的发动机负载，位置的变化对应于由第一控制单元所估算的发动机负载的期望变化。
根据一个示例，负载传感器被布置以感测加速踏板角度和/或加速踏板派生参数。第一控制单元被布置以根据加速踏板角度和/或加速踏板派生参数控制罐排出预定的压缩空气脉冲。在对应于正常行为的第一预定速度范围(即加速踏板派生参数)内加速踏板可以从一个位置移动另一个位置，在对应于非正常行为的第二预定速度范围(即加速踏板派生参数)内加速踏板可以从一个位置移动另一个位置。
第一控制单元根据估算的发动机负载的期望变化估算期望的涡轮增压器效果，所估算的期望涡轮增压器效果越高，脉冲效果越高。脉冲效果取决于罐压力和脉冲长度，并取决于罐体积，脉冲效果需要的罐压力与最大脉冲效果的一部分或最大可能脉冲效果相关。因此，高加速踏板角度比低角度给予更多的部分。
加速踏板可以在对应于比正常行为高的发动机负载需求的第二预定速度范围(即加速踏板派生参数)内从一个位置移动另一个位置。第一控制单元然后根据估算的发动机负载的期望变化估算期望的涡轮增压器效果，所估算的期望涡轮增压器效果越高，脉冲效果越高。如前所述，脉冲效果取决于罐压力和脉冲长度，并取决于罐体积，脉冲效果需要的罐压力与最大脉冲效果的一部分或最大可能脉冲效果相关。在该示例中负载传感器被布置以感测加速踏板的移动，其中踏板的移动预定变化率(即踏板派生参数)对应于由第一控制单元所估算的期望发动机负载。因此，高加速踏板派生参数比低加速踏板派生参数产生更大的部分，即脉冲效果。
如果负载传感器感测到加速踏板角度的小变化，但没有感测到高和正常以上的加速踏板派生参数，则第一控制单元可以被布置以估算比正常加速踏板派生参数更高的发动机负载的期望变化。
如果负载传感器感测到加速踏板角度的较大变化，但没有感测到低或正常的加速踏板派生参数，则第一控制单元可以被布置以估算比正常加速踏板派生参数更高的发动机负载的期望变化。
如果负载传感器感测到加速踏板角度的较大变化以及高和正常以上的加速踏板派生参数，则第一控制单元可以被布置以估算比正常行为更高的发动机负载的期望变化。
因此，第一控制单元被布置以根据所估算的发动机负载的期望变化的预定情景控制罐。
第一控制单元被布置为当所估算的发动机负载的期望变化为零或低时控制罐不将压缩空气推入歧管管道。所估算发动机负载的低期望变化对应于涡轮增压器没有被啮合或还没有被啮合。这可能是发动机运行在自然吸气模式，例如在发动机负载的稳定状态或期望增加的变化非常小。
所估算的发动机负载的预定情景是取决于例如车辆期望行为的设计参数。它可以是踏板位移或派生参数小的变化就能产生最大功率的赛车感受。可以是期望具有低能耗的发动机的功能。有大量可用的情景，它供设计者调节发动机，但是下面是应用本发明的情景方案的一个示例：
所估算的发动机负载的期望变化是从零或低负载增加到中高估算负载。第一控制单元被布置以控制罐将第一子集压缩气体推入歧管管道。第一子集对应于为了实现所估算的期望涡轮增压器效果而被排出的预定压缩空气脉冲。
所估算的发动机负载的期望变化是从零或低负载增加到高估算负载。第一控制单元被布置以控制罐将第二子集压缩气体推入歧管管道。第二子集对应于为了实现所估算的期望涡轮增压器效果而被排出的预定压缩空气脉冲。
所估算的发动机负载的期望变化是从中高负载增加到高负载。第一控制单元被布置以控制罐将第三子集压缩气体推入歧管管道。第三子集对应于为了实现所估算的期望涡轮增压器效果而被排出的预定压缩空气脉冲。
所估算的发动机负载的期望变化是从低于预定阈值的任何值增加到该阈值。该阈值被设置为低于发动机负载最大值或达到发动机负载最大值。第一控制单元被布置以控制罐将第四子集压缩气体推入歧管管道。第四子集对应于为了实现所估算的期望涡轮增压器效果而被排出的预定压缩空气脉冲。
第四子集等于或大于第三子集；第三子集等于或等于第二子集；第二子集等于或大于第一子集。
第四子集对应于为了实现最大涡轮增压器效果而被排出的预定压缩空气脉冲；第一、第二和第三子集每个对应于为了实现小于最大涡轮增压器效果的涡轮增压器效果而被排出的预定压缩空气脉冲。
第一控制单元被布置以与感测换档和/或档位的档位传感器交换信息，其中第一控制单元被布置以根据档位切换控制罐和脉冲部分，即脉冲效果。
在一个示例中，第一控制单元被布置以在换低速档时不将压缩气体推入歧管管道。根据另一个示例，第一控制单元被布置以在换低速档时将压缩气体推入歧管管道从而优化降档并对应于提速发动机的需求。根据所选择的设计参数，脉冲为了最优行为而与降档同步。
因此功率脉冲能在瞬时内被使用以提高操纵性，例如针对驾驶员为了获得更多发动机负载继续踩踏加速踏板但没有启动涡轮增压器的中负载和高负载情况，这将导致自动变速箱由于糟糕的发动机响应切换到低速档。因此，通过控制罐阀的打开推入空气脉冲以加速旋转和更快的发动机响应来取代降档使得较低的发动机速度仍具有相同的操纵性，最终带来较低的燃料消耗。
根据一个示例，第一控制单元被布置以与发动机控制单元交换信息从而控制供给发动机的燃料和空气数量。更大发动机负载的需求必然要求更多燃料和/或更多空气。
在现有技术中，柴油发动机或在增大发动机负载期间使用增量氧气的任何其他发动机，因为必然是低的lambda，因此NOx的产生变得非常高。Lambda是空气燃料当量比，λ(lambda)是指指定混合物的实际空气燃料比与化学计量空气燃料比的比值。λ＝1.0是化学计量，富混合物λ＜1.0，贫混合物λ＞1.0。在较低负载下和加速期间使用脉冲以及启动涡轮增压器减少了氧气量且在短时间内缩短了时间窗口并允许更高的lambda和更少的NOx形成。
对于连接至排气催化剂的汽油发动机而言，当罐将压缩气体推入歧管管道的情景被探测到时，空气/燃料当量比被缩小到小于1的比值。在启动之前的0.8-1.2s内或从脉冲刚刚被排出之前、正被排出或排出开始的0.3s内，空气/燃料当量比有利地在0.7-0.9之间。比值低于1.1的原因是将增量氧气注入排气中需要通过以富燃料混合物运行发动机在催化剂中进行补偿。催化剂由于过量氧气的再生是已知的。
根据一个示例，第一控制单元探测到情景。根据一个示例，第一控制单元被连接至或包含合适类型的存储了所述情景的存储器。第一控制单元然后从传感器(例如负载传感器)收集信息，从而能计算并估算期望的发动机负载变化和对应的涡轮增压器效果。根据一个示例，第一控制单元连接至或包括能根据传感器和/或其它计算机和/或适当类型存储数据的存储器提供的数据进行计算的计算机。第一控制单元然后收集信息以便所述计算机能计算和估算发动机负载的期望变化和相应的涡轮增压器效果。
排气歧管可连接于歧管管道，或者歧管管道可以是排气歧管的一部分。根据若干因素例如涡轮增压器尺寸、脉冲的压力、气体导管发动机尺寸及下面将例示的其它因素，在大约0.1-0.2秒的时间段期间气体作为脉冲被推动。脉冲的功率和时间间隔均可根据期望的发动机和涡轮增压器特性而变化。因此，时间段可以短于0.1秒和长于0.2秒。
脉冲的功率而非能量对于响应来说是重要的。根据本发明的一个示例，在0.1秒的时间内对排气歧管增加12kW。这典型地在0.1秒的时间期间使涡轮快速旋转并且在0.2秒后发动机产生所有的涡轮能量。罐的再充填时间是充分发挥作用所需要的，但是即使罐不完全加载也始终可得到改进的响应。原因是如果罐压力高至足以生成在排气歧管内产生增压的脉冲，则涡轮始终快速旋转。
本发明的主要优点是通过简单地将罐系统添加于排气歧管或管道使得可能在任何现有的涡轮增压系统上实施。
通过利用可被电力或任何其它适宜方式驱动的小型压缩机，所述罐可被再充填。所述罐的其它替代再充填是可能的，例如使用排出气体(exhaustgas，也称废气)。排出气体可用来驱动压缩机或它自身可以是在罐中应用的气体。排出气体用于加载的应用可被分配至排放峰值(blowdownpeaks)期间的多个时间段。一个选择是使用阀、优选簧片阀，其被控制为在排放峰值期间打开以至少部分地充填罐。这个技术方案可用高于平均排气歧管背压大约1巴的压力装满罐。阀也可被控制为当罐内的压力超过来自发动机的典型地位于大约1-3巴区域的排出气体负压力(counterpressure)时关闭。
通过在预定时间(典型地为0.5-2秒)期间重新进行初始排气歧管背压积累(buildup)根据排气背压积累可实现罐的再充填。
罐阀的开启时间也可在若干参数上被优化，例如：
-减少阀和罐的排气污染。
-当背压高于罐压力时分配可能的开口。
-增加系统电压以改进再充填时间。
-通过部分地排空所述罐来控制涡轮的加速量。
-检测不稳定状态的历史记录，例如由最近加速引起的更高涡轮速度。
此外，可选地使用源自二级涡轮增压器的加载压力以至少部分地再充填罐。
当将压缩气体导入排气歧管或排气管道时，在四汽缸发动机上始终有至少一个排气门对一个汽缸开启。压缩气体的导入影响了与开启气门相关联的汽缸，使得发动机与如果没有导入气体相比加快了转速。同时气体导入加快了根据本发明的涡轮增压器的转速。如果压缩气体是冷空气，那么导入汽缸的冷气会由于发动机的热而膨胀，这会进一步增加排气歧管和排气管道中的压力以使涡轮增压器甚至比气体已经为热气的情况更加快了转速。
系统包括连接于罐的罐阀，用于控制从罐流出的气体。可通过电动、液压或机械的调节方式操作罐阀以便打开和关闭所述阀。罐阀还可被设置为控制气体至罐的流动，但是作为可选方案，第二阀或开口可连接于罐用于控制气体至罐的流动。系统还包括用于控制罐阀的第二控制单元。第二控制单元可连接于脉冲调节单元，用于调节脉冲持续时间段。
第二控制单元被连接至第一控制单元或是第一控制单元的一部分。第一控制单元传送控制信号给第二控制单元用于控制脉冲持续时间段和阀门开度。脉冲持续时间段取决于阀打开的时长，脉冲效果取决于在打开阶段排出多少空气。如果阀门全开，则在该时段内实现最大效果；如果阀门仅打开部分，则该时段内实现最大效果的一部分。因此，如果阀门在短时间内打开但全开，则脉冲信号在效果上有一个快速增长，并根据持续时间段在脉冲达到最大效果之前、当时或之后突然结束。但是如果阀门长时间打开但全开，则脉冲信号在效果上有一个快速增长，直到达到最大值然后逐渐减弱直到罐排空。如果阀门仅部分打开，效果信号则具有较慢的增长，和较小的最大值，但是仍逐渐减弱直到罐排空。所有的这些参数都是发动机设计者为了得到期望的发动机运行所使用的设计参数。
可控制罐阀的参数：
例如，节气门位移和/或节气门位置。这里节气门可指加速踏板，或如果发动机包括化油器，节气门可指被定位在化油器内的实际节气门。但是，大部分现代轿车具有燃料喷射系统，这表示实际节气门位置和位移被喷射系统的一个值，例如取决于加速踏板位置的一个值取代。例如，涡轮增压器的每分钟转数(RotationPerMinute，简称RPM)，其中当涡轮增压器具有超过预定阈值的RPM时阀开口关闭。不是必须测量RPM，而是可使用能够评价旋转速度的任何替代物。环境条件、道路磨擦、车辆速度、所选定的实际档位或变速模式可用来控制罐阀。
其还可在停车操作和换挡时抑制或延迟所述脉冲。
在开始起步(takeoff)期间，即当车辆原地不动或在低发动机转速下移动并且驾驶员快速踩下加速器踏板以表示希望快速加速，以及涡轮增压器还未加快转速至足以提供发动机至进口必要的空气量以产生涡轮增压时，这是特别有利的。
本发明以下述方式改进了起步，即，其可与熄火启动(stallingstart)即当车辆原地不动而驾驶员休息和同时踩油门时的方案相比，使得在起步之前发动机和涡轮增压器加快转速。
所述系统包括连接于罐阀与排气歧管或排气管道之间的罐管路。罐的体积和压力相对所述管路的直径和长度是基本的设计参数，因为体积和压力提供了能量并且管径作为增加或减少用于给定体积和压力的脉冲期间可能施加的气体量的阻风门(choke)。
当缩小发动机尺寸时由于大的涡轮增压器能产生更多气流并且藉此提供发动机更高的峰值功率，大涡轮增压器是基本的设计参数。但是，大涡轮增压器与较小的涡轮增压器相比在响应方面的问题更多，不过本发明的大涡轮增压器在发动机热焓加快增压涡轮的转速之前就很好地加快了转速。因此，本发明提供了这样的优点：消除了带有高负载压力的大涡轮增压器的响应问题，又允许发动机缩小尺寸——即将发动机制造的更小，其又使得燃料消耗更少。
本发明在周围空气具有低压的高海拔是极为有利的，其提供少量排出气体热焓，其又抑制了涡轮增压器增加转速的可能性。由于本发明，压缩空气导入排气歧管或排气管道就加快了涡轮增压器的转速，这又将周围空气压入发动机，发动机相应地被以下述方式加快转速，即，使它产生排出气体以驱动涡轮增压器，带来的好处是加快转速可与低海拔时的相比。
此外，由于涡轮增压器的迅速反应，可能改变用于降速的换挡进度，即可得到更低的发动机RPM但更高的瞬间动量，这是更迅速地加快转速至高负载压力的结果。优点是更少的零部件(ware)和摩擦力并且由此消耗更少的燃料。更低的发动机转速还发出更少的噪音，这就增加了内部和外部的舒适度。
本发明的另一个优点在于启动和停止期间的迅速响应，其中由于启动阶段期间更低的发动机转速和更冷的排气系统所致的更低热焓，关闭的发动机需要额外长的时间才能加快转速，本发明将类似于发动机处于怠速模式时加快增压涡轮的转速。
由于罐有时需要再充填，如果在再充填时间内执行重复加速则将有加快转速的不同结果。在利用本发明加速后，当罐被完全地或部分地清空时涡轮增压器加快转速，并且由于涡轮增压器内旋转压缩机的动量(massmomentum)，在若干秒内压缩机将继续以高RPM旋转。涡轮增压器的高RPM在下一次启动期间是有利的，并且如果涡轮增压器以超过预定阈值的速度旋转，根据设定的阀门罐参数，可抑制罐阀的打开。作为测量涡轮增压器旋转速度的替代，可在初始脉冲减速后计算涡轮增压器旋转速度以确定脉冲持续时间。
冷启动：一旦发动机或发动机的零件已点火，可在起动(cranking)期间使用本发明。通过将压缩气体导入排气歧管或排气管道，涡轮增压器加快转速并且将压缩空气燃料推入汽缸，这样就避免了低温天气时带有低RPM的低转矩的已知问题。
与燃料选择无关，本发明可在所有车辆上使用，但是当汽油驱动并将空气导入排气歧管或排气管道时，在脉冲之前、期间和之后的短时间段中驱动低于λ1的发动机是有利的。理由是弥补下面这个事实：氧气可经由排气歧管或排气管道进入催化剂，如果过多的氧气被导入催化剂则这可能损坏催化剂的功能。
根据本发明的一个示例，可使用压缩机和空气悬浮系统中的罐作为气罐。在当今中等尺寸的正常小车辆中，当今的罐可容纳6升和13巴。罐阀然后直接地或经由管道连接于罐。
如果压缩机和罐是用于将空气导入排气歧管或排气管道的独立单元，则其它单元可在设计中被去除或排除，例如轮胎压缩机可被去除以便节省空间。
再充填产生较少的燃料消耗损失。作为示例，如果额外负载被增加至发动机，如果每2.5千米发生一次再充填，则损失约为0.3％。
罐可为优选由耐蚀钢(stainresistivesteel)或铝制成的灭火器类型。罐排水口优选定位在罐底部处以便排水。
通过典型地为300W的小型压缩机来充填罐：
压缩机可被放置在发动机舱的“冷区”内或进气系统中以便冷却。典型的再充填时间可以在10秒后为50％，在25秒后为90％。通过利用来自用于干净空气的空气过滤器或内舱的空气来再充填罐。
罐阀可为被电力控制的快速开/关类型，或串联或并联以控制脉冲的快速和慢速类型，或带有气动底盘悬架、压缩机和充填罐的组合，或用于制动系统的气压。
系统可包括连接于罐的单向阀以确保高于设定值的压力作为预防措施被释放。
罐阀利用典型地15毫米直径的管路连接于排气歧管或排气管道，所述管路相对于排出气体的流向定位在涡轮增压器的上游。排出气体的流向是从发动机至涡轮增压器的方向。
通过第二控制单元控制调节设备，并且典型的罐释放时间是0.1-0.2秒。通过压力脉冲实现发动机功率的控制，其典型地以50毫秒节距(steps)开/关的阀开启延续时间的函数。
罐阀开启延续时间可为踏板位置、导数、发动机负载和速度、冷却剂温度、车辆速度、档位、环境温度、海拔高度、换挡、开/关附件、压力罐状态的其中一个或多个的函数。
此外，控制函数也可为GPS位置、驾驶员行为等的函数。
可通过利用传感器例如压力、温度传感器直接或间接地检测罐内的状态，例如加热、冷/热启动、充填状态等的变化。可用软件功能代替压力表、温度传感器和安全阀。
如果需要排放控制，可将脉冲期间供应的氧与催化剂氧缓冲剂进行比较，在脉冲之前和期间富集空气/燃料混合物以再生催化剂缓冲剂。
还可富集空气/燃料混合物以处理在汽油发动机上的初始爆震(initialknock)和为提高对柴油发动机的转矩/排放控制的限烟器控制。
通过添加或利用现有的传感器例如进口压力、温度和λ(lambda)传感器，可完成检测错误或泄露I脉冲系统的诊断。
安全性：在15巴条件下1L大约含有2kJ的能量，其对应于0.7g火药(3kJ/g)的能量，可与小型的烟花爆竹相比。
根据本发明的一个示例，以下参数是有效的：
罐内的压缩空气压力6-10巴，
罐体积：1-2L
200-400W左右的12V压缩机
脉冲持续时间：0.1-0.2秒
放泄阀(dumpvalve)/管径10-15mm
放泄阀控制：通过第二控制单元控制电动阀
典型的响应是0.4秒内0.4巴的增压压力
通过利用增加的背压进行再充填控制以初始填充典型的10-20秒的再充填时间
根据旨在更强响应但更长再充填时间的另一示例，以下参数是有效的：
罐内的压缩空气压力10-15巴，
罐体积：4-6L
400-600W左右的12V压缩机
脉冲持续时间：0.1-0.3秒
放泄阀/管径：15-25mm
放泄阀控制：通过第二控制单元控制电动阀
典型的响应是0.4秒内1.4巴的增压压力
通过利用增加的背压进行再充填控制以初始填补典型的30-60秒的再充填时间
又一示例：
2.0L的5汽缸柴油机，带有7.5巴气压的2.3L罐和400W的电动空气压缩机。
在0.1秒内释放80％的空气罐，涡轮速度在0.2秒内增加100000rpm。
0.3秒之后增压压力为0.5巴，并且在0.5秒后车辆加速度超过5m/s2。0.6秒之后发生车轮转动。
本发明与变矩器很好地结合，允许发动机能够达到可用最大转矩的速度。
罐阀可被设置为以下述方式被控制，即，使得在一个或多个脉冲期间仅从罐释放一部分压力。好处是可用脉冲控制发动机的响应。在释放期间，罐阀被设置为执行一个或多个开启事件，即一个或多个脉冲。脉冲对应于罐阀开启时间并且已经证明至少一个开启时间长于50毫秒以保护开/关控制是优选的。
罐阀还可以下述方式被控制，即，使得仅一部分压力被释放。罐阀可被设置为仅开启一部分最大开启区域以便用阀开启区域控制发动机的响应。
附图说明
本发明将在下面结合多个附图被描述，其中：
图1示意地示出了具有根据本发明的涡轮增压系统的发动机；
图2示出了在预定时间段期间关于不同的罐体积、罐压力、管径和压差的图；
图3示出了关于预定情景的一个示例的图表；
图4示意地示出了用于控制根据图1-3的涡轮增压系统1的方法的流程图。
具体实施方式
图1示意性地示出用于根据本发明的车辆的涡轮增压系统1。所述系统包括涡轮增压器2、用于压缩气体的罐3和与涡轮增压器2的进口5流体连通的排气歧管管道4。罐3与歧管管道4流体连通。罐3被设置为在预定脉冲持续时间段期间将压缩气体推入歧管6并且由此推入管道4以便初始涡轮机和压缩机在涡轮增压器2内快速旋转(spinup)。
系统1包括第一控制单元1a和连接至第一控制单元1a的负载传感器1b。负载传感器1b被布置以感测来自车辆驾驶者的期望发动机负载。第一控制单元1a被布置以根据从负载传感器1b所接收到的输入来估算发动机负载的期望变化。第一控制单元1a被布置以根据所估算的发动机负载的期望变化来估算期望的涡轮增压器效果。第一控制单元被布置以根据所估算的期望涡轮增压器效果来控制罐3排出预定的压缩空气脉冲。
在图1中，负载传感器1b被布置以感测加速踏板15的位置。踏板15的预定位置对应于期望的发动机负载，位置的变化对应于由第一控制单元所估算出来的发动机负载的期望变化。
根据一个示例，负载传感器被布置以感测加速踏板15角度和/或加速踏板派生参数。第一控制单元1a被布置以根据加速踏板15角度和/或加速踏板15派生参数控制所述罐排出预定的压缩空气脉冲。加速踏板15可在对应于正常行为的第一预定速度范围(即加速踏板15派生参数)内从一个位置移动到另一个位置，并且可在对应于非正常行为的第二预定速度范围(即加速踏板派生参数)内从一个位置移动到另一个位置。
图1示出系统包括与排气管道4流体连通的排气歧管6。在图1中，罐3经由管7连接于排气歧管6并与排气歧管6流体连通。但是罐可经由管7直接连接于排气管道4或连接于排气歧管路统的与涡轮增压器2流体连通的任何其它部分。在图1中，罐3被设置为在预定脉冲持续时间段期间将压缩气体推入排气歧管6以便初始压缩机在涡轮增压器中快速旋转。
图1示出罐3，通过利用用于将空气压入罐3的压缩机8，罐3是可再充填的。所述压缩气体可为空气、排出气体或任何其它适宜的气体。
图1示出所述系统包括第二控制单元9，第二控制单元9连接于用于调节脉冲持续时间段的脉冲调节单元。
图1示出所述系统包括连接于罐3的罐阀10，其中罐阀10被第二控制单元9控制。
第二控制单元9连接至第一控制单元1a或者是第一控制单元1a的一部分。第一控制单元1a将控制信号传输至第二控制单元9，用于控制脉冲持续时间段和阀门打开。
图1示出涡轮增压器2的基本原理，其中涡轮增压器2被来自发动机11的排气驱动并且涡轮增压器将来自进气口12的空气经由进口13和发动机11的进气歧管14压入发动机11。
图2示出在预定时间段期间针对不同罐体积、罐压力、管径和增压压力的曲线图。图2示出示例的曲线图，其中对于不同的罐体积(X-轴)、罐压力(Y-轴)和不同尺寸的管来说罐阀已被打开0.4秒。虚线表示直径为12.7mm的管并且实线表示直径为19.05mm的管。在所述曲线图中，连接于不同线条的数字表示用于给定参数的增压压力。增压压力是触发脉冲后0.4秒后压缩机前后的压差。
图3示出了关于预定情景的一个示例的图表。应当注意，预定情景是能根据发动机的期望行为被调节的非独立设计参数。所述情景可以是一个、两个或更多个，这取决于发动机设计者如何选择控制脉冲。在图3中，第一控制单元被布置以根据所估算的发动机负载的期望变化的预定情景控制所述罐。
在图3中，发动机负载和涡轮效果是Z轴，各种情景是Y轴。发动机负载用箭头表示，其范围从零以下即发动机摩擦负载，到100％即最大发动机负载。涡轮增压效果用矩形表示，范围从0到100％。
所估算的发动机负载的预定情景是取决于例如期望的车辆行为的设计参数。它可以是踏板位移或派生参数的小变化就能具有最大功率的赛车感觉。它可以是具有低能耗发动机的期望函数。大量的情景可以生效，它取决于调节发动机的设计者，但是下面是用于本发明的情景方案的一个示例：
在第一情景S1中：
第一控制单元被布置以便当发动机负载没有变化或变化很小时控制罐不将压缩气体推入歧管管道。这用断点矩形表示。发动机负载的低的估算期望变化对应于涡轮增压器没有接合或没有进一步接合。这可能是发动机运行在自然吸气模式的情况，例如在发动机负载的稳定状态或期望增加的非常小的变化。在图3中，该示例示出了导致发动机负载的最大期望值不超过发动机最大负载的25％的发动机负载的任何变化被认为发动机负载是零或低的估算期望变化。
在第二情景S2中：
发动机负载的估算的期望变化从零或低负载到中高发动机负载。第一控制单元然后被布置以控制罐以将第一子集压缩气体推入歧管管道。第一子集对应于产生估算的期望涡轮增压器效果所排出的压缩空气预定脉冲。在图3中，该示例示出了导致最大期望值不超过发动机最大负载的33％的发动机负载的任何从低到中高的变化被认为是发动机负载的中高估算期望变化。
在第三情景S3中：
发动机负载的估算期望变化从零或低负载到高发动机负载。第一控制单元被布置以控制罐将第二子集压缩气体推入歧管管道。第二子集对应于产生估算的期望涡轮增压器效果所排出的压缩空气预定脉冲。在图3中，该示例示出了导致最大值不超过发动机最大负载的50％的发动机负载的任何从低到高的变化被认为是发动机负载的高估算期望变化。
在第四情景S4中：
发动机负载的估算期望变化从中高到高发动机负载。第一控制单元被布置以控制罐将第三子集压缩气体推入歧管管道。第三子集对应于产生估算的期望涡轮增压器效果所排出的压缩空气预定脉冲。在图3中，该示例示出了导致最大值不超过发动机最大负载的75％的发动机负载的任何从中高到高的变化被认为是发动机负载的高估算期望变化。
在第五情景S5中：
发动机负载的估算期望变化从低于预定阈值的任意值到或超过该阈值。该阈值被设置为低于发动机负载的最大值或达到发动机负载的最大值。在图3中，该阈值被设置为发动机最大负载的75％。第一控制单元被布置以控制罐将第四子集压缩气体推入歧管管道。第四子集对应于产生估算的期望涡轮增压器效果所排出的压缩空气预定脉冲。
在图3中，第四子集大于或等于第三子集；第三子集大于或等于第二子集；第二子集大于或等于第一子集。
第四子集对应于产生最大涡轮增压器效果所排出的压缩空气预定脉冲；第一、第二、和第三子集每个对应于产生低于最大涡轮增压器效果的涡轮增压器效果所排出的压缩空气预定脉冲。
但是应当注意，示例中的阈值取决于若干车辆参数，比如发动机参数、变速箱参数、驾驶者行为和基于驾驶者行为的期望车辆行为。发动机参数例如可以是发动机排量、马力、效果曲线、排气污染限制和/或油耗。变速箱参数可以例如是变速箱是手动还是自动，换档被设计为结合发动机性能何时执行。驾驶者行为可以例如是依据之前所讨论的加速踏板如何被移动，驾驶者是否采用某种特定模式，即，运动模式、燃料经济模式等，和/或给出海拔高度和/或路面倾斜的GPS位置。期望的车辆行为是制造商的设计参数，例如运动性、舒适性、燃料经济型等。
另外，在该示例中，已经描述了导致最大值不超过发动机最大负载的某个百分比的发动机负载的从一个值到另一个值的任何变化应当产生预定的压缩空气脉冲的子集。但是，如果发动机负载处于总发动机负载范围的低范围内，车辆通常以低速运行，阻力低于以高速和以高速因此以高能量负载时的阻力，因此发动机在低范围内通常不需要像发动机负载处于高范围内那样产生很多能量来提高发动机速度，从而对于车辆性能例如速度的指定期望变化而言，在低范围内的子集小于在高范围内的子集。另外，发动机负载的期望变化有一个无关范围的最小阈值。例如，过小的发动机负载期望变化表示驾驶者不急于加速，因此不必释放脉冲以开启涡轮增压器。在不同范围内该最小阈值也可以不同，例如由于上面所述的关于阻力的原因，高范围内的最小阈值应当低于低范围内的最小阈值。在一个示例中，根据范围，相对于负载初始值的10-30％的变化是最小阈值。
图4示意地示出了控制根据图1-3的涡轮增压系统1的方法的流程图，该系统包括涡轮增压器2，压缩气体的罐3和与涡轮增压器2的入口5流体连通的排气歧管管道4。罐3与歧管管道4流体连通。系统包括第一控制单元1a和连接至第一控制单元1a的负载传感器1b。该方法包括以下步骤：
ST1：
-负载传感器1b感测来自车辆驾驶者的期望发动机负载
ST2：
-第一控制单元1a根据从负载传感器1b所接收到的输入估算发动机负载的期望变化
ST3：
-第一控制单元1a根据所估算的发动机负载的期望变化估算期望的涡轮增压器效果
ST4：
-第一控制单元1a根据所估算的期望涡轮增压器效果控制罐3以在预定的脉冲持续时段内将预定的压缩空气脉冲排入歧管管道4，用于涡轮增压器2中初始压缩机的快速旋转。
所述步骤的细节在前面被讨论。

Claims (15)

1.用于车辆的涡轮增压系统(1)，该系统(1)包括涡轮增压器(2)、用于压缩气体的罐(3)和与涡轮增压器(2)的入口(5)流体连通的排气歧管管道(4)，其中，罐(3)与所述歧管管道(4)流体连通，罐(3)被布置以在预定的脉冲持续时段内将压缩气体脉冲推入歧管管道(4)，用于涡轮增压器(2)中的初始压缩机加速旋转，该系统包括第一控制单元(1a)和连接至第一控制单元(1a)的负载传感器(1b)，负载传感器(1b)被布置以感应来自车辆驾驶者的期望发动机负载，第一控制单元(1a)被布置以根据接收自负载传感器(1b)的输入来估算发动机负载的期望变化，其特征在于，第一控制单元(1a)被布置以估算期望的涡轮增压器效果，所述期望的涡轮增压器效果取决于所估算的发动机负载的期望变化，其中，所述第一控制单元(1a)被布置以控制所述罐(3)以根据估算的期望涡轮增压器效果排出预定的压缩空气脉冲。
2.根据权利要求1的涡轮增压系统(1)，其中，负载传感器(1b)被布置以感测加速踏板(15)的位置，其中，所述加速踏板(15)的预定位置对应于期望的发动机负载，并且其中，所述位置的变化对应于由第一控制单元(1a)所估算的发动机负载的期望变化。
3.根据权利要求2的涡轮增压系统(1)，其中，负载传感器(1b)被布置以感测加速踏板(15)角度和/或加速踏板(15)派生参数，所述第一控制单元(1a)被布置以控制所述罐(3)以根据加速踏板(15)角度和/或加速踏板(15)派生参数排出预定的压缩空气脉冲，其中，更高的角度和/或加速踏板(15)派生参数比更低的角度和/或加速踏板(15)派生参数产生更大的脉冲效果。
4.根据权利要求1或2任一项的涡轮增压系统(1)，其中，负载传感器(1b)被布置以感测加速踏板(15)的移动，其中，加速踏板(15)的移动的预定变化率对应于由第一控制单元(1a)估算的期望发动机负载。
5.根据前述权利要求任一项的涡轮增压系统(1)，其中，所述第一控制单元(1a)被布置以根据所估算的发动机负载的期望变化的预定情景控制所述罐，并且其中，第一控制单元(1a)被布置以控制所述罐(3)以便当所估算的负载的期望变化为零或低时不将压缩空气推入歧管管道(4)。
6.根据权利要求5的涡轮增压系统(1)，其中，发动机负载的低的估算期望变化对应于涡轮增压器没有接合或没有进一步接合。
7.根据权利要求5或6的涡轮增压系统(1)，其中，所估算的发动机负载的预定情景包括：
-所估算的发动机负载的期望变化是从零或低负载到中高负载，其中，第一控制单元(1a)被布置以控制所述罐(3)将第一子集压缩气体推入歧管管道(4)，其中，所述第一子集对应于被排出以提供所估算的期望涡轮增压器效果的预定压缩空气脉冲，和/或；
-所估算的发动机负载的期望变化是从零或低负载到高负载，其中，第一控制单元(1a)被布置以控制所述罐(3)将第二子集压缩气体推入歧管管道(4)，其中，第二子集被排出以提供所估算的期望涡轮增压器效果的预定压缩空气脉冲，和/或；
-所估算的发动机负载的期望变化是从中高负载到高负载，其中，第一控制单元(1a)被布置以控制所述罐(3)将第三子集压缩气体推入歧管管道(4)，第三子集对应于被排出以提供所估算的期望涡轮增压器效果的预定压缩空气脉冲，和/或；
-所估算的发动机负载的期望变化是从低于预定阈值的任何值增加到或超过所述阈值，所述阈值被设置为低于发动机负载的最大值或达到发动机负载的最大值，其中，第一控制单元(1a)被布置以控制所述罐(3)将第四子集压缩气体推入歧管管道(4)，第四子集对应于被排出以提供所估算的期望涡轮增压器效果的预定压缩空气脉冲。
8.根据权利要求7的涡轮增压系统(1)，其中，第四子集等于或大于第三子集；第三子集等于或大于第二子集；第二子集等于或大于第一子集。
9.根据权利要求7或8的涡轮增压系统(1)，其中，第四子集对应于被排出以提供最大涡轮增压器效果的预定压缩空气脉冲，并且其中，第一、第二和第三子集每个对应于被排出以提供小于最大涡轮增压器效果的涡轮增压器效果的预定压缩空气脉冲。
10.根据前述权利要求任一项的涡轮增压系统(1)，其中，第一控制单元(1a)被布置以与用于感测换档和/或档位的档位传感器交换信息，其中，第一控制单元(1a)被布置以根据换档控制所述罐(3)。
11.根据前述权利要求任一项的涡轮增压系统(1)，其中，第一控制单元(1a)被布置以与发动机控制单元交换信息，其中，当探测到所述罐(3)将压缩气体推入歧管管道(4)且燃料是汽油的情景时，空气/燃料当量比被减小到低于1的值。
12.根据权利要求11的系统(1)，其中，在启动之前的0.8-1.2s内或从脉冲刚刚被排出之前、正被排出或排出开始的0.3s内，空气/燃料当量比在0.7-0.9之间。
13.根据权利要求11或12的系统(1)，其中，所述情景由第一控制单元(1a)探测。
14.根据权利要求11-13任一项的系统(1)，其中，所述燃料是汽油。
15.一种用于控制涡轮增压系统(1)的方法，该系统包括涡轮增压器(2)、用于压缩气体的罐(3)和与所述涡轮增压器(2)的入口(5)流体连通的排气歧管管道(4)，其中，罐(3)与所述歧管管道(4)流体连通，该系统包括第一控制单元(1a)和连接至第一控制单元(1a)的负载传感器(1b)，该方法包括以下步骤：
-负载传感器(1b)感测来自车辆驾驶者的期望发动机负载，
-第一控制单元(1a)根据接收自负载传感器(1b)的输入估算发动机负载的期望变化，
-第一控制单元(1a)根据所估算的发动机负载的期望变化估算期望的涡轮增压器效果，
-第一控制单元(1a)控制所述罐(3)以根据所估算的期望涡轮增压器效果在预定的脉冲持续时段内将预定的压缩空气脉冲排入所述歧管管道(4)，用于涡轮增压器(2)中的初始压缩机加速旋转。
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