CN106939825A - 基于压缩机特性线图的从动涡轮增压器控制系统及其控制方法 - Google Patents

基于压缩机特性线图的从动涡轮增压器控制系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于压缩机特性线图的从动涡轮增压器控制系统及其控制方法。提供一种引擎系统及一种利用压缩机特性线图来控制所述引擎系统中的从动涡轮增压器的压缩机速度的方法。根据所述压缩机特性线图确定对应于增压压力及进气质量流率的所要压缩机速度。所述从动涡轮增压器的传动装置经换档到将所述压缩机驱动到所要速度的比率以将所要增压压力及气流提供到所述引擎系统。

Description

基于压缩机特性线图的从动涡轮增压器控制系统及其控制 方法
技术领域
本发明涉及一种涡轮增压器控制系统及其控制方法。
背景技术
从动涡轮增压器提供对超增压器及涡轮增压器两者的替代。从动涡轮增压器可以通过允许引擎系统在存在不足量的废气来驱动涡轮时驱动压缩机来减少涡轮迟滞。这通过来自曲轴的经由传动装置的机械连接或连接到引擎电气系统的电动机来实现，其中任一者又将动力传递到涡轮轴或从涡轮轴传递动力。当存在过量废气能量时，从动涡轮增压器可提供涡轮复合，其在高引擎负载条件期间驱动涡轮。
发明内容
本发明的实施例可因此包括一种控制引擎系统的从动涡轮增压器的方法，其包括：由所述从动涡轮增压器的压缩机加压进气；由所述从动涡轮增压器的涡轮从所述引擎系统的废气提取动力；经由传动装置将所述从动涡轮增压器机械耦合到所述引擎系统；在控制单元处从所述引擎系统接收针对所述进气的所要增压压力；在所述控制单元处根据所述引擎系统的操作速度及所述引擎系统的操作条件计算对应于所述所要增压压力的所述进气的质量流率；根据压缩机特性线图确定对应于所述进气的所述所要增压压力及所述质量流率的所要压缩机速度；以及使所述传动装置换档到将所述压缩机驱动到所述所要压缩机速度的比率以向所述引擎系统提供所述进气的所述所要增压压力。
本发明的实施例可进一步包括一种控制引擎系统的从动涡轮增压器的方法，其包括：由所述从动涡轮增压器的压缩机加压进气；由所述从动涡轮增压器的涡轮从所述引擎系统的废气提取动力；经由传动装置将所述从动涡轮增压器机械耦合到所述引擎系统；在控制单元处从所述引擎系统接收针对所述进气的所要质量流率；在所述控制单元处根据所述引擎系统的操作速度及操作条件计算对应于所述所要质量流率的所述进气的增压压力；根据压缩机特性线图确定对应于所述进气的所述所要质量流率及所述增压压力的所要压缩机速度；以及使所述传动装置换档到将所述压缩机驱动到所述所要压缩机速度的比率以向所述引擎系统提供所述进气的所述所要质量流率。
本发明的实施例可进一步包括一种引擎系统，所述引擎系统包括：可变超增压器；所述可变超增压器的压缩机，其压缩所述引擎系统的进气；电子控制单元，其产生所述进气的所要第一状态，计算所述进气的对应第二状态，所述第二状态取决于所述引擎系统的引擎的操作条件，且使用所述压缩机的压缩机特性线图来确定所要压缩机速度，其中所述所要压缩机速度对应于所述进气的所述第一状态及所述第二状态；传动装置，其将所述引擎耦合到所述压缩机，其中所述传动装置从所述电子控制单元接收控制信号且换档到将所述压缩机驱动到所述所要压缩机速度的比率。
本发明的实施例可进一步包括一种用于控制引擎系统的电动超增压器的方法，所述引擎系统包括引擎；压缩机，其将经压缩的进气供应到所述引擎的进气管；及电动机，其耦合到所述引擎系统的所述压缩机及电力电子器件，所述方法包括从所述引擎系统接收针对所述进气的所要增压压力；根据所述引擎的操作速度及所述引擎的操作条件来计算对应于所述所要增压压力的所述进气的质量流率；根据压缩机特性线图确定对应于所述进气的所述所要增压压力及所述质量流率的所要压缩机速度；以及使用所述电力电子器件将所述电动机驱动到将使所述压缩机以所述所要压缩机速度自旋的旋转速度。
本发明的实施例可进一步包括一种用于控制引擎系统的电动超增压器的方法，其中所述引擎系统包括引擎；压缩机，其将经压缩的进气供应到所述引擎的进气管；及电动机，其耦合到所述引擎系统的所述压缩机及电力电子器件，所述方法包括从所述引擎系统接收针对所述进气的所要质量气流；根据所述引擎的操作速度及所述引擎的条件来计算对应于所述所要质量气流的所述进气的增压压力；根据压缩机特性线图确定对应于所述进气的所述所要质量流率及所述增压压力的所要压缩机速度；以及使用所述电力电子器件将所述电动机驱动到将使所述压缩机以所述所要压缩机速度自旋的旋转速度。
本发明的实施例可进一步包括一种引擎系统，所述引擎系统包括：引擎；电动超增压器；所述电动超增压器的压缩机，其压缩所述引擎系统的进气；电子控制单元，其产生所述进气的所要第一状态，计算所述进气的对应第二状态，所述第二状态取决于所述引擎的操作条件，且使用所述压缩机的压缩机特性线图来确定所要压缩机速度，其中所述所要压缩机速度对应于所述进气的所述第一状态及所述第二状态；电动机，其将所述压缩机耦合到所述引擎系统的电力电子器件，从所述电子控制单元接收控制信号且以将所述压缩机驱动到所述所要压缩机速度的旋转速度自旋。
附图说明
图1是具有从动涡轮增压器的引擎系统的示意图。
图2A是离心压缩机的压缩机特性线图。
图2B是经历坐标变换的压缩机特性线图。
图3是具有速度线查找及反馈回路的控制系统的图。
图4是具有电动涡轮增压器的引擎系统的示意图。
图5A是具有机械超增压器的引擎系统的示意图。
图5B是具有电动超增压器的引擎系统的示意图。
具体实施方式
图1是具有从动涡轮增压器101的引擎系统100的示意图。引擎102具有将增压空气供应到引擎102的进气管104以及将废气114从引擎102排出的排气管106。压缩机108压缩供应到进气管104的进气110。涡轮112从排气管106接收废气114且从废气114提取动力。在一些引擎应用上，可存在EGR(废气再循环)管116，其使废气能从排气管106再循环到进气管104。在这些情况中，EGR阀118控制流过EGR管116的EGR流量。涡轮轴120连接压缩机108与涡轮112，且机械耦合到传动装置122。此机械耦合可呈高速度牵引驱动装置的形式。在2013年10月22日发布的标题为“具有高速牵引驱动装置及连续可变传动装置的超级涡轮增压器(Super-Turbocharger Having a High Speed Traction Drive and a ContinuouslyVariable Transmission)”的第8,561,403号美国专利中揭示高速度牵引驱动系统，所述美国专利因其揭示及教示的全部内容以引用的方式具体地并入本文中。传动装置122机械耦合到引擎102。传动装置122具有可变比率使得换档传动装置122可随着引擎102变化的旋转速度及操作条件来控制涡轮轴120的旋转速度。传动装置122优选地为机械CVT(连续可变传动装置)，其具有精细调整比率的能力。传动装置122也可为多速度、离散齿轮传动装置。所属领域的技术人员将理解及了解机械CVT及多速度、离散齿轮传动装置的操作。
引擎系统100由电子控制单元130电子控制。电子控制单元130确定进气管104的取决于引擎速度及操作条件的所要增压压力132。电子控制单元130还从进气管104接收经测量的增压压力134。电子控制单元130可利用此经测量的增压压力。并非仅依赖于来自经测量的增压压力134的反馈控制，通过直接使传动装置122换档到提供所要增压压力132的比率而具有更快、更稳定的控制系统是可能的。电子控制单元130基于与经测量的增压压力134、所要增压压力132及来自压缩机特性线图140的所得所要压缩机速度136相关的计算将所要齿轮比供应到传动装置122。更明确来说，这通过计算对应于引擎102的所要增压压力132及操作条件的进气110的质量流率来实现。一旦针对给定操作条件确定进气110的增压压力及质量流率，这些参数被用以使用压缩机108的压缩机特性线图140来确定所要压缩机速度136。对于压缩机特性线图为标准的，基于到压缩机108的入口空气的条件(如下文描述的压力、温度及气体性质)来校正进气110的质量流率，且根据入口压力除以增压压力来确定跨压缩机108的压力比率。压缩机特性线图140用作查找表，其中经校正的质量流量及压力比率作为输入，且所要压缩机速度136作为回到电子控制单元130的输出。如下文描述，压缩机特性线图140可经历坐标旋转或变换以简化压缩机速度查找。输出压缩机速度是针对引擎操作点的所要压缩机速度136。知晓引擎102的RPM(每分钟转数)允许计算传动装置122的所要齿轮比138。将传动装置122换档到此所要齿轮比接着将压缩机108驱动到所要压缩机速度136。
如下是使用引擎102的参数及操作条件计算进气110的质量流率的实例：
其中
是进气110的质量流量
EngineRPM是引擎102的旋转RPM
EngineDisp是引擎102的以升为单位的排量
ηv是引擎102的容积效率
EFGfrac是引擎102的进气的EGR分率
TEGR是以开尔文为单位的EGR流的温度
Tair是以开尔文为单位的气流的温度
Pboost是所要增压压力132，以帕斯卡为单位的绝对值
R是单位为J/kgK的气体常数
可通过注意到进气110的质量流率与进气110的增压压力成比例来导出以上等式的简化形式。因此，假设引擎操作条件在类似操作点之间不显著变化，可利用经测量的空气质量流率，连同进气110的所要增压压力132及经测量的增压压力134。此简化计算为：
如果电子控制单元130将引擎102的操作条件保持接近引擎102的所要操作条件，那么此简化等式提供针对给定所要增压压力132的进气110的所要质量流率的估计。替代方法是基于引擎操作条件使用查找表给出进气110的质量流率。
以上等式是基于电子控制单元130产生所要增压压力132且计算进气110的对应质量流率。电子控制单元130也可通过基于引擎操作条件来确定进气110的所要质量流率及计算进气110的对应增压压力而操作。以上等式可重新排序以从进气110的所要质量流率138产生进气110的经计算的增压压力：
如前所述，也可基于引擎操作条件从查找表确定进气110的经计算的增压压力。以相同方式，最终结果是进气110的质量流率及增压压力输入到压缩机108的压缩机特性线图。
图2A描绘离心压缩机(例如图1的压缩机108)的压缩机特性线图200。x轴展示经校正的空气质量流率202且y轴展示压力比率204。压缩机速度线206展示在特性线图上何处压缩机以给定压缩机速度操作。来自图1的对应于所要引擎操作条件的进气的增压压力及质量流率的值被用于确定输入到压缩机特性线图200中以确定所要压缩机速度212的经校正的空气质量流率值208及压力比率值210。通过压缩机入口压力除所要增压压力来计算压力比率值210。通过标准等式来确定经校正的空气质量流率值208：
假设进气110气体常数性质总是匹配参考值，此经校正的空气质量流率计算可简化为：
一旦确定合适的经校正的空气质量流率值208及压力比率值210，各种插值方法可用于给定速度线206之间以确定所要压缩机速度212。所属领域的技术人员将理解各种插值方法可用以确定所要压缩机速度212。举例来说，可使用线性插值或样条插值。
图2B展示压缩机特性线图200，其已经历坐标变换以形成经坐标变换的压缩机特性线图210以便促进查找所要压缩机速度212。压缩机速度线206具有转换成新x坐标214及新y坐标216的经校正的空气质量流率202及压力比率204的值。通过下式的标准旋转及平移计算来完成此转换：
X′＝R[X-O]
其中
X′是新x坐标214及新y坐标216
X是经校正的空气质量流率202及压力比率204
O是针对变换的原始坐标
R是变换的旋转矩阵及具有形式其中θ是变换的旋转角
经校正的空气质量流率值208(参见图2A)及压力比率值210(参见图2A)也经历此坐标变换以用在新查找表(经坐标变换的压缩机特性线图201)上。针对图2A中所展示的实例压缩机特性线图200，原始坐标是[0.0280721；1.08773]且旋转矩阵是[cos(3.86°)-sin(3.86°)；sin(3.86°)cos(3.86°)]。将这些应用于图2A中所展示的为0.21kg/s的实例经校正的质量气流率值208及为2.25的压力比率值210给出为[0.103；1.17]的经变换的坐标值218，其被作为查找值输入到经坐标变换的压缩机特性线图201中以确定所要压缩机速度212。
图3展示具有速度线查找及反馈回路的控制系统300的图。到系统的输入包含所要质量流量302、所要压力比率304(如关于图2A所论述)以及环境压力306及环境温度308。根据上文所论述的公式使用环境压力306及环境温度308来校正所要质量流量302。所述校正将经校正的质量流量310连同所要压力比率304提供到压缩机特性线图查找。这两个值包括针对图2A中的查找表的压缩机特性线图查找值312。为简化压缩机特性线图查找表，压缩机特性线图查找值312经历与压缩机特性线图相同的坐标变换，如图2B中所描述。此坐标变换涉及将经旋转的坐标系原点314从压缩机特性线图查找值312减去，且将结果乘以旋转矩阵316(如上文结合图2B描述)以产生经变换的压缩机特性线图查找值318。这些经变换的压缩机特性线图查找值318被输入到查找表320，其对应于图2B的经变换的压缩机特性线图。此查找表320的输出是所要压缩机速度322，其接着被转换成对应查找表传动比率330。此转换涉及基于从动涡轮增压器的设计将所要压缩机速度322乘以增益324以获得传动装置输出速度326，且将传动装置输入速度328除以此传动装置输出速度。在不具有反馈控制的简化实施例中，此查找表传动比率330包括接着输出到图1中的传动装置122的命令传动比率332。在图3中所展示的实施例中，通过反馈回路334对传动比率做出额外校正。反馈回路334将经测量的控制变量336与所要控制变量338相减以产生控制变量误差340。经测量的控制变量336及所要控制变量338可为进气增压压力、进气质量流或其它引擎系统变量。控制变量误差340输入到产生比率校正344的反馈控制器342。反馈控制器342可利用PID(比例-积分-微分)控制策略或任何其它反馈控制策略。所属领域的技术人员将理解反馈控制策略。比率校正344接着被加到查找表传动比率332以产生命令传动比率332。
图4展示具有电动涡轮增压器401的引擎系统400的示意图。功能性类似于图1中描述的系统，除了涡轮增压器是电驱动而非机械驱动。所属领域的技术人员将理解机械驱动涡轮增压器及电动涡轮增压器的操作。引擎402具有将增压空气供应到引擎402的进气管404以及将废气414从引擎402排出的排气管406。压缩机408压缩供应到进气管404的进气410。涡轮412从排气管406接收废气414且从废气414提取动力。在一些引擎应用上，可存在EGR管416，其使废气从排气管406再循环到进气管404。在这些情况中，EGR阀418控制流过EGR管416的EGR的量。涡轮轴420连接压缩机408与涡轮412，且机械耦合到电动机/发电机422。此机械耦合可呈高速牵引驱动装置的形式(先前关于图1所论述)，或可为直接连接。电动机/发电机422电耦合到引擎系统400的电力电子器件424。电力电子器件424使电力能够在电动机/发电机422与引擎系统400之间流动。电力的此流动可控制电动机/发电机422的旋转速度。
引擎系统400由电子控制单元430电子控制。以与图1中的相同方式，电子控制单元430确定进气410的取决于引擎速度及操作条件(例如引擎负载)的增压压力及质量流率432。这些值接着被输入到压缩机408的压缩机特性线图440以产生所要压缩机速度436。电子控制单元430将控制信号442输出到电力电子器件424，其接着电驱使电动机/发电机422到某旋转速度，从而驱动涡轮轴420及因此压缩机408到所要压缩机速度436。
图5A展示具有可变超增压器501的引擎系统500的示意图。引擎502具有将增压空气供应到引擎502的进气管504以及将废气514从引擎502排出的排气管506。压缩机508压缩供应到进气管504的进气510。压缩机轴520连接到压缩机508且机械耦合到传动装置522。此机械耦合可呈先前关于图1所论述的高速牵引驱动装置的形式。传动装置522机械耦合到引擎502且具有可变比率使得换档传动装置522可随着引擎502变化的旋转速度及操作条件来控制涡轮轴520的旋转速度。引擎系统500由电子控制单元530电子控制。电子控制单元530确定进气管504的取决于引擎速度及操作条件的所要增压压力532。基于引擎502的操作条件计算所要增压压力532的对应的进气510质量流率。将进气510的增压压力及质量流率输入到压缩机508的压缩机特性线图540以确定操作点的所要压缩机速度536。经测量的增压压力534也可用于额外反馈控制回路以微调所要压缩机速度536。电子控制单元将所要齿轮比538信号输出到传动装置522，其使传动装置522换档以将压缩机508驱动到所要压缩机速度536。
图5B展示图5A的引擎系统500(但具有电动可变超增压器501)的示意图。总体操作遵循图5A中的描述，除了涡轮轴520耦合到电动机550，电动机550又通过电力电子器件552电耦合到引擎系统500。通过电子控制单元530以图5A中所描述的相同方式根据压缩机特性线图540确定所要压缩机速度536。电子控制单元530将控制信号554输出到电力电子器件552，其接着对电动机550供电以将压缩机508驱动到所要压缩机速度536。
出于说明及描述的目的已呈现本发明的以上描述。不希望其为穷尽性或将本发明限于所揭示的具体形式，且依据以上教示的其它修改及变体可为可能的。选择及描述实施例是为了最好地解释本发明的原理及其实际应用，由此使所属领域的技术人员能够最好地利用各种实施例中的本发明及适于所预期的特定用途的各种修改。希望所附权利要求书被解释为包含除了由现有技术限制的本发明的其它替代实施例。

Claims (23)

1.一种控制引擎系统的可变超增压器的方法，其包括：
由所述可变超增压器的压缩机加压进气；
用传动装置驱动所述可变超增压器；
在控制单元处从所述引擎系统接收所述进气的所要第一状态；
在所述控制单元处根据所述引擎系统的操作速度及所述引擎系统的操作条件计算对应于所述所要第一状态的所述进气的第二状态；
根据压缩机特性线图确定对应于所述进气的所述所要第一状态及所述第二状态的所要压缩机速度；
使所述传动装置换档以将所述压缩机驱动到所述所要压缩机速度从而向所述引擎系统提供所述进气的所述所要第一状态。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述进气的所述第一状态是所述进气的增压压力且所述进气的所述第二状态是所述进气的质量流率。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述进气的所述第一状态是所述进气的质量流率且所述进气的所述第二状态是所述进气的增压压力。
4.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
将涡轮耦合到所述压缩机以形成从动涡轮增压器，所述涡轮从所述引擎系统的废气提取动力。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述传动装置包括耦合到所述引擎系统的电力电子器件的电动机以形成电动可变超增压器。
6.根据权利要求5所述的方法，其进一步包括：
减速传动装置，其位于所述压缩机与所述电动机之间使得所述电动机以降低的速度旋转。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述减速传动装置包括牵引驱动装置。
8.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
将涡轮耦合到所述压缩机以形成电动涡轮增压器，所述涡轮从所述引擎系统的废气提取动力。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述传动装置包括机械耦合到所述压缩机及所述引擎系统的引擎的机械连续可变传动装置。
10.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括：
减速传动装置，其位于所述压缩机与所述机械连续可变传动装置之间使得所述机械连续可变传动装置以降低的速度旋转。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述减速传动装置包括牵引驱动装置。
12.根据权利要求2所述的方法，其进一步包括：
获得所述进气的经测量的增压压力；
提供反馈控制回路，其比较所述进气的所述经测量的增压压力与所述进气的所述所要增压压力，调整所述传动装置的所述比率以将所述进气的所述经测量的增压压力与所述进气的所述所要增压压力相匹配。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述反馈控制回路包括比例-积分-微分PID控制策略。
14.根据权利要求2所述的方法，其中所述计算所述进气的所述质量流率的方法包括在计算中使用多个变量，所述多个变量包括所述引擎系统的引擎排量、引擎速度、所述所要增压压力、废气再循环EGR分率及容积效率。
15.根据权利要求2所述的方法，其中所述计算所述进气的所述质量流率的方法包括按所述进气的经测量的增压压力除以所述所要增压压力的比率来按比例调整所述进气的经测量的质量流率。
16.根据权利要求2所述的方法，其中所述计算所述进气的所述质量流率的方法包括基于所述引擎系统的操作速度及操作条件使用查找表。
17.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括将变换应用到所述压缩机特性线图。
18.一种引擎系统，所述引擎系统包括：
可变超增压器；
所述可变超增压器的压缩机，其压缩所述引擎系统的进气；
电子控制单元，其产生所述进气的所要第一状态，计算所述进气的对应第二状态，所述第二状态取决于所述引擎系统的引擎的操作条件，且使用所述压缩机的压缩机特性线图来确定所要压缩机速度，其中所述所要压缩机速度对应于所述进气的所述第一状态及所述第二状态；
传动装置，其耦合到所述压缩机，其中所述传动装置从所述电子控制单元接收控制信号且换档以将所述压缩机驱动到所述所要压缩机速度。
19.根据权利要求18所述的引擎系统，其中所述进气的所述所要第一状态是所述进气的增压压力且所述进气的所述第二状态是所述进气的质量流率。
20.根据权利要求18所述的引擎系统，其中所述进气的所述第一状态是所述进气的质量流率且所述进气的所述第二状态是所述进气的增压压力。
21.根据权利要求18所述的引擎系统，其中所述传动装置是机械连续可变传动装置。
22.根据权利要求18所述的引擎系统，所述引擎系统进一步包括：
耦合到所述压缩机的涡轮，其从所述引擎接收废气且从所述废气产生动力。
23.根据权利要求18所述的引擎系统，其中所述传动装置是电动机。
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