CN107110008B - 内燃机的增压系统及增压系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

内燃机的增压系统基于根据目标增压压力和实际的增压压力算出的第一控制指标，控制分别设于进气流路及排气流路的进气流路切换阀及排气流路切换阀，目标增压压力根据内燃机的运转状态算出。第一控制指标通过包含进气流路切换阀及排气流路切换阀的开度作为变量的运算式算出。

Description

内燃机的增压系统及增压系统的控制方法

技术领域

本公开涉及进行多段增压的内燃机的增压系统及该增压系统的控制方法。

背景技术

使用了这样一种涡轮增压器：其利用流经排气通路的排出气体使排气涡轮机旋转而驱动连结于该排气涡轮机的涡轮压缩机，由此对内燃机进行增压。在这种涡轮增压器中，已知一种通过将涡轮增压机分别设于高压侧及低压侧而进行两级增压，由此提高增压效率的所谓的两级涡轮系统。

例如在专利文献1中，公开了在具有高压段涡轮增压器及低压段涡轮增压器的两级涡轮系统中进行如下控制：使设为将高压段涡轮增压器旁通的高压段排气旁通流路上的高压段排气旁通阀伴随着排气流量的增加而开阀，由此从使用高压段排气旁通流路的高压段涡轮增压器的工作区域转变为不使用高压段排气旁通流路的低压段涡轮增压器的工作区域。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第4935094号

发明内容

发明所要解决的技术问题

在上述专利文献1中，在转变工作区域时仅对高压段排气阀进行开度控制，而在一般的两级涡轮增压器系统中，一般是一边调整配置于进气流路及排气流路的多个阀的开度而对流路进行切换控制，一边进行工作区域的转变。在这样的情况下，若在各工作区域中不顺畅地控制多个阀，则有可能在切换这些阀时使增压压力变动，导致发动机输出产生变动。在专利文献1中，由于仅以单一的高压段排气阀为控制对象，因此不能解决这样的问题。

根据本发明的至少一实施方式，目的在于提供一种能够通过对设于进气流路及排气流路的多个阀顺畅地进行控制来抑制切换时的增压压力变动的内燃机的增压系统及增压系统的控制方法。

解决技术问题的技术手段

(1)为了解决上述技术问题，本发明的至少一实施方式的内燃机的增压系统包括：内燃机；多个涡轮增压机，其被来自所述内燃机的排出气体驱动；进气流路切换阀，其构成为能够切换所述内燃机的进气流路；排气流路切换阀，其构成为能够切换所述内燃机的排气流路；目标增压压力计算部，其基于所述内燃机的运转状态计算目标增压压力；增压压力检测部，其检测所述多个涡轮增压机的增压压力；控制部，其基于根据所述目标增压压力及所述增压压力算出的所述第一控制指标，控制所述进气流路切换阀及所述排气流路切换阀；所述第一控制指标通过包含所述进气流路切换阀及所述排气流路切换阀的开度作为变量的运算式算出。

根据上述(1)的方案，基于通过包含进气流路切换阀及排气流路切换阀的开度作为变量的运算式算出的第一控制指标，对进气流路切换阀及排气流路切换阀进行控制。由此，能够将进气流路切换阀及排气流路切换阀在控制上视为一体，因此能够通过对设于进气流路及排气流路的进气流路切换阀及排气流路切换阀顺畅地进行控制，抑制切换时的增压压力变动。

(2)在几个实施方式中，在上述(1)的方案的基础上，还包括用于将所述第一控制指标转换为相对于所述增压压力具有线性特性的第二控制指标的转换表，所述控制部通过所述转换表将基于所述目标增压压力及所述增压压力算出的所述第二控制指标转换为所述第一控制指标，并基于该第一控制指标控制所述进气流路切换阀及所述排气流路切换阀。

根据上述(2)的方案，基于相对于增压压力具有线性特性的第二控制指标对进气流路切换阀及排气流路切换阀进行控制。由此，与基于相对于增压压力一般来说具有非线性特性的第一控制指标进行控制的情况相比，能够以良好的精度及响应性顺畅地控制多个阀。

(3)在几个实施方式中，在上述(1)或(2)的方案的基础上，所述第二控制指标被规定为，随着该第二控制指标的增加，在所述进气流路切换阀的开度从最大值起单调减少之后，所述排气流路切换阀从最大值起单调减少。

(4)在几个实施方式中，在上述(1)至(3)中任一项的方案的基础上，所述多个涡轮增压机包含：第一涡轮增压机，其包括设于所述进气流路的第一涡轮压缩机及设于所述排气流路的第一排气涡轮机；第二涡轮增压机，其包括在所述进气流路中设为比所述第一涡轮压缩机靠上游侧的第二涡轮压缩机及在所述排气流路中设为比所述第一排气涡轮机靠下游侧的第二排气涡轮机。

根据上述(4)的方案，能够在包括第一涡轮增压机及第二涡轮增压机的所谓的多段增压系统中起到上述效果。

(5)在几个实施方式中，在上述(4)的方案的基础上，所述进气流路包括：进气用串联流路，其从外部经由所述第一涡轮压缩机及所述第二涡轮压缩机连接于所述内燃机；进气用旁通流路，其将所述第一涡轮压缩机的出口侧连接于所述第二涡轮压缩机的出口侧；所述排气流路包括：排气用串联流路，其从所述内燃机经由所述第二排气涡轮机及所述第一排气涡轮机到达外部；排气用第一旁通流路，其将所述第二排气涡轮机的入口侧与所述第一排气涡轮机的入口侧连接；排气用第二旁通流路，其将所述排气用第一旁通流路和所述排气用串联流路的下游侧的连接点的下游侧与所述第二排气涡轮机的出口侧连接；所述进气流路切换阀是设于所述进气用旁通流路的压缩机旁通阀，所述排气用切换阀是设于所述排气用第一旁通流路的排气流量控制阀。

根据上述(5)的方案，能够基于上述控制指标，高效地控制设于进气流路的压缩机旁通阀和设于排气流路的排气流量控制阀。

(6)为了解决上述技术问题，本发明的至少一实施方式的内燃机的增压系统的控制方法是内燃机的增压系统的控制方法，所述内燃机的增压系统包括：内燃机；多个涡轮增压机，其被来自所述内燃机的排出气体驱动；进气流路切换阀，其构成为能够切换所述内燃机的进气流路；排气流路切换阀，其构成为能够切换所述内燃机的排气流路；所述内燃机的增压系统的控制方法包括：目标增压压力计算工序，基于所述内燃机的运转状态计算目标增压压力；增压压力检测工序，检测所述多个涡轮增压机的增压压力；控制工序，基于根据所述目标增压压力及所述增压压力算出的所述第一控制指标，控制所述进气流路切换阀及所述排气流路切换阀；所述第一控制指标通过包含所述进气流路切换阀及所述排气流路切换阀的开度作为变量的运算式算出。

上述(6)的方案能够通过上述内燃机的增压系统(包含上述各种方式)适当地实施。

发明效果

根据本发明的至少一实施方式，可以提供一种能够通过对设于进气流路及排气流路的多个阀顺畅地进行控制来抑制切换时的增压压力变动的内燃机的增压系统及增压系统的控制方法。

附图说明

图1是表示本发明的一实施方式的内燃机的增压系统的整体构成的示意图。

图2是用功能模块表示实施例1的控制装置中的控制逻辑的示意图。

图3是表示第一控制指标与压缩机旁通阀及排气流量控制阀的开度之间的关系的线图。

图4是分工序表示通过图2的控制逻辑实施的控制方法的流程图。

图5是表示第二控制指标与增压压力之间的关系的特性线图。

图6是表示第二控制指标与压缩机旁通阀及排气流量控制阀之间的关系的线图。

图7是表示第一控制指标与第二控制指标之间的关系的线图。

图8是用功能模块表示实施例2的控制装置中的控制逻辑的示意图。

图9是分工序表示通过图8的控制逻辑实施的控制方法的流程图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的几个实施方式进行说明。不过，被记载为实施方式的或者附图中所示的构成部件的尺寸、材质、形状及其相对配置等并非是要将本发明的范围限定于此，其只不过是说明例而已。

例如，“在某一方向上”、“沿(沿着)某一方向”、“平行”、“正交”、“中心”、“同心”或者“同轴”等表示相对或者绝对配置的表述，不仅严格地表示那样的配置，还表示以公差、或者以可取得相同功能的程度的角度、距离相对地发生了位移的状态。

再如，四边形形状、圆筒形状等表示形状的表述，不仅表示几何学上严格意义下的四边形形状、圆筒形状等形状，还表示在可取得相同效果的范围内包含凹凸部、倒角部等的形状。

而且，“包括”、“含有”、“具备”、“包含”或者“具有”一构成要素这一表述并非是将其他构成要素的存在排除在外的排他性表述。

图1是表示本发明的一实施方式的内燃机1的增压系统(两级涡轮系统)2的整体构成的示意图。

内燃机1例如是四缸柴油发动机，通过使从进气系统4取入的进气在燃烧室6中与从蓄压室(未图示)供给的燃料进行压缩点火燃烧，产生动力。在燃烧室6中产生的排出气体经由排气系统8向外部排出。

此外，内燃机1当然也可以是汽油发动机。

增压系统2具有第一涡轮增压机10A及第二涡轮增压机10B。第一涡轮增压机10A包括涡轮压缩机12A及排气涡轮机14A。第二涡轮增压机10B包括涡轮压缩机12B及排气涡轮机14B。这两个涡轮增压机10A、10B是大致同一涡轮容量的涡轮增压机，在为串联增压模式的情况下，位于排气流路上游侧的第一涡轮增压机10A作为高压涡轮增压机发挥功能，位于排气流路下游侧的第二涡轮增压机10B作为低压涡轮增压机发挥功能。

进气系统4包括从外部经由第一涡轮增压机10A的涡轮压缩机12A及第二涡轮增压机10B的涡轮压缩机12B连接于内燃机1的进气用串联流路T1和将第一涡轮增压机10A的涡轮压缩机12A的出口侧连接于第二涡轮增压机10B的涡轮压缩机12B的出口侧的进气用旁通流路T2。另外，在进气用旁通流路T2上设有作为进气流路切换阀的压缩机旁通阀V1。压缩机旁通阀V1是比例控制阀，构成为能够根据开度连续地控制流量。

此外，在进气用串联流路T1与进气用旁通流路T2的下游侧的合流部位13与内燃机1之间，设有用于对经过涡轮增压机压缩加热的供给气体进行冷却的中间冷却器16。另外，在进气系统4的入口附近，设有用于对进入气体进行净化的空气净化器18。

排气系统8包括从内燃机1经由第二涡轮增压机10B的排气涡轮机14B及第一涡轮增压机10A的排气涡轮机14A到达外部的排气用串联流路T3、将第二涡轮增压机10B的排气涡轮机14B的入口侧与第一涡轮增压机10A的排气涡轮机14A的入口侧连接的排气用第一旁通流路T4和将排气用第一旁通流路T4与排气用串联流路T3的下游侧的连接点的下游侧与第二涡轮增压机10B的排气涡轮机14B的出口侧连接的排气用第二旁通流路T5。另外，在排气用第一旁通流路T4上设有排气流量控制阀V2，在排气用第二旁通流路T5上设有废气旁通阀V3。排气流量控制阀V2及废气旁通阀V3均为排气用切换阀，以能够根据开度连续地控制流量的方式构成为比例控制阀。

此外，在排气系统8中的排气用串联流路T3与排气用第二旁通流路T5的下游侧的合流部位21的下游侧，设有消音用的消音器19。

增压系统1包括作为控制单元的控制装置20。控制装置20是运算处理单元，例如由微处理器那样的运算处理装置构成。控制装置20构成为，能够通过控制压缩机旁通阀V1、排气流量控制阀V2及废气旁通阀V3，从而对进气系统4及排气系统8的流路进行切换。

具体而言，为了实施后述的控制，控制装置20包括基于运转状态计算目标增压压力的目标增压压力计算部22、对涡轮增压机的增压压力进行检测的增压压力检测部24和基于目标增压压力与增压压力之间的偏差对与所述压缩机旁通阀V1及排气流量控制阀V2的开度对应的第一控制指标进行反馈控制的反馈控制部26。

此外，反馈控制是例如PID控制。

<实施例1>

图2是用功能模块表示图1的控制装置20中的控制逻辑的示意图。在实施例1中，引入用于集中控制压缩机旁通阀及排气流量控制阀的第一控制指标θ。压缩机旁通阀V1的开度在例如0～100％的范围内变动。为了将其标准化而引入θ(值是0～1)。排气流量控制阀V2的开度在例如0～100％的范围内变动。为了将其标准化而引入θ(值是1～2)。压缩机旁通阀V1的开度、排气流量控制阀V2的开度、θ的关系如图3所示。

在此，图3是表示第一控制指标与压缩机旁通阀V1及排气流量控制阀V2的开度之间的关系的线图，具体而言，第一控制指标θ被设定为，在0≤θ＜1的范围内仅取决于压缩机旁通阀V1的开度，在1≤θ＜2的范围内仅取决于排气流量控制阀V2的开度。亦即，规定为：在第一控制指标θ连续变化的情况下，在0≤θ＜1的范围内仅压缩机旁通阀V1根据第一控制指标θ而动作，在1≤θ≤2的范围内仅排气流量控制阀V2动作。由此，设定为以θ＝1为界切换控制压缩机旁通阀V1及排气流量控制阀V2。

接着，参照图4对基于图2的控制逻辑实施的控制方法具体进行说明。图4是分工序表示通过图2的控制逻辑实施的控制方法的流程图。

首先，目标增压压力计算部22求出运转状态对应的目标增压压力Pt(步骤S11)。在此，通过例如燃料喷射量及发动机转速把握运转状态，根据该运转状态确定目标增压压力Pt。在例如驾驶员踏下加速踏板而要求增大输出的情况下，随着燃料喷射量及发动机转速的增加，目标增压压力Pt也增加。目标增压压力Pt与运转状态的这种关系预先被作为映射(未图示)存储于存储器等存储装置，通过读出该映射，能够计算目标增压压力Pt。

接着，增压压力检测部24通过取得来自进气管4中的比合流部位13靠下游侧的位置处设置的增压压力传感器17的检测信号，从而取得增压压力的实测值(以下，适当称作“实际增压压力”)P(步骤S12)。然后，减法器25取得在步骤S11中求出的目标增压压力Pt以及在步骤S12中取得的实际增压压力P，并输出其偏差ΔP(步骤S13)。该偏差ΔP被输入到PID控制器26，通过运算而输出反馈成分θ_pid(步骤S14)。

此外，PID控制部26中对反馈成分θ_pid的运算例如通过下式进行：操作量θ_pid＝Kp×偏差+Ki×偏差的累积值+Kd×与前次偏差之差(2)。在此，右边的第一项是比例项，第二项是积分项，第三项是微分项。此外，上式中的系数Kp、Ki、Kd通过用试凑法从实际控制的结果求出最佳值来进行设定即可，例如能够使用步骤响应法、极限灵敏度法等公知方法。

另外，在本实施例中，作为附加要素，设置前馈控制部28。前馈控制部28取得主要干扰因素，并为了抑制因该主要干扰因素而产生的增压压力的变动(紊乱)而输出前馈成分θ_ff(步骤S15)。该前馈成分θ_ff在加法器29中与反馈成分θ_pid相加，通过下式求出第一控制指标θ(步骤S16)：θ＝θ_pid+θ_ff(3)。通过这样设置前馈控制部28，提高对干扰输入的响应性。

然后，基于根据上式(3)算出的第一控制指标θ对压缩机旁通阀V1及排气流量控制阀V2进行控制(步骤S17)。这样，在本实施例中，通过基于第一控制指标θ将压缩机旁通阀V1及排气流量控制阀V2在控制上视为一体，能够顺畅地实施多个阀控制。

<实施例2>

在上述实施例1中，通过将来自PID控制部26的反馈成分作为第一控制指标θ输出，对压缩机旁通阀V1及排气流量控制阀V2进行控制，但一般第一控制指标θ相对于增压压力具有非线性特性，因此在控制性上留有改善的余地。这可以通过以下说明的实施例2来消除。

图5是表示第二控制指标τ与增压压力P之间的关系的特性线图，图6是表示第二控制指标τ与压缩机旁通阀V1及排气流量控制阀V2之间的关系的线图，图7是表示第一控制指标θ与第二控制指标τ之间的关系的线图。

注意，在图5至图7中，圆形形状(空心)的符号表示与压缩机旁通阀V1对应的数据，三角形形状(空心)的符号表示与排气流量控制阀V2对应的数据。

在实施例2中，将PID控制部26的反馈输出作为相对于增压压力具有线性特性的第二控制指标τ而输出。如图5所示，第二控制指标τ相对于增压压力具有线性特性。另外，如图6所示，第二控制指标τ具有与压缩机旁通阀V1及排气流量控制阀V2的开度对应的特性。

这种第二控制指标τ与上述第一控制指标θ之间能够相互转换。具体而言，存储器等存储装置中预先存储如图7所示那样规定第一控制指标θ与第二控制指标τ之间的关系的转换表30，该转换表30可适当读出。从具有非线性特性的第一控制指标θ向具有线性特性的第二控制指标转换的转换式一般较为复杂，因此通过将其如此作为转换表30而预先规定，可减轻处理负担，由此可减轻存储器容量、提高处理速度从而获得良好的响应性。

接着，参照图8及图9对实施例2的控制方法进行说明。图8是用功能模块表示实施例2的控制装置20中的控制逻辑的示意图，图9是分工序表示通过图8的控制逻辑实施的控制方法的流程图。

注意，图8的步骤S21至S23与图4(实施例1)的步骤S11至S13相同，因此省略重复的说明。

PID控制器26取得从减法器25输出的偏差ΔP，并通过运算计算出反馈成分τ_pid(步骤S24)。反馈成分τ_pid通过下式算出：操作量τ_pid＝kp×偏差+ki×偏差的累积值+kd×与前次偏差之差(4)。在此，右边的第一项是比例项，第二项是积分项，第三项是微分项。此外，上式中的系数kp、ki、kd通过用试凑法从实际控制的结果求出最佳值来进行设定即可，例如能够使用步骤响应法、极限灵敏度法等公知方法。

另一方面，与实施例1相同，前馈控制部28输出因主要干扰因素而产生的前馈成分θ_ff(步骤S25)。该前馈成分θ_ff在通过转换表30转换为与第二控制指标τ对应的前馈成分τ_ff之后(步骤S26)，在加法器29中与反馈成分τ_pid相加。由此，通过下式获得作为操作量的第二控制指标τ(步骤S27)：τ＝τ_pid+τ_ff(5)。

这样获得的第二控制指标τ被使用转换表30转换为第一控制指标θ(步骤S27)，将第二控制指标τ转换为第一控制指标θ(步骤S28)。然后，基于该第一控制指标θ控制压缩机旁通阀V1及排气流量控制阀V1(步骤S29)。

如上所述，根据实施例2，能够基于相对于增压压力具有线性特性的第二控制指标τ对压缩机旁通阀V1及排气流量控制阀V2进行控制，因此能够以良好的响应性顺畅地控制多个阀。

工业实用性

本公开能够用于进行多段增压的内燃机的增压系统及该增压系统的控制方法。

附图标记说明

1 增压系统

2 内燃机(发动机)

4 进气系统

6 燃烧室

8 排气系统

10A 高压侧涡轮增压机

10B 低压侧涡轮增压机

12A 高压侧涡轮压缩机

12B 低压侧涡轮压缩机

13 合流部位

14A 高压侧排气涡轮机

14B 低压侧排气涡轮机

16 中间冷却器

18 空气净化器

19 消音器

20 控制装置

21 合流部位

22 目标增压压力计算部

24 增压压力检测部

25 减法器

26 PID控制部

28 前馈控制部

29 加法器

30 转换表

Claims (5)

1.一种内燃机的增压系统，其特征在于，包括：

内燃机；

多个涡轮增压机，其被来自所述内燃机的排出气体驱动；

进气流路切换阀，其构成为能够切换所述内燃机的进气流路；

排气流路切换阀，其构成为能够切换所述内燃机的排气流路；

目标增压压力计算部，其基于所述内燃机的运转状态计算目标增压压力；

增压压力检测部，其检测所述多个涡轮增压机的实际增压压力；

控制部，其基于第一控制指标控制所述进气流路切换阀及所述排气流路切换阀；

还包括用于规定所述第一控制指标与相对于所述实际增压压力具有线性特性的第二控制指标之间的关系的转换表，

所述控制部通过所述转换表将基于所述目标增压压力及所述实际增压压力算出的所述第二控制指标转换为所述第一控制指标。

2.如权利要求1所述的内燃机的增压系统，其特征在于，

所述第二控制指标被规定为，随着该第二控制指标的增加，在所述进气流路切换阀的开度从最大值起单调减少之后，所述排气流路切换阀从最大值起单调减少。

3.如权利要求1或2所述的内燃机的增压系统，其特征在于，

所述多个涡轮增压机包含：

第一涡轮增压机，其包括设于所述进气流路的第一涡轮压缩机及设于所述排气流路的第一排气涡轮机；

第二涡轮增压机，其包括在所述进气流路中设为比所述第一涡轮压缩机靠上游侧的第二涡轮压缩机及在所述排气流路中设为比所述第一排气涡轮机靠下游侧的第二排气涡轮机。

4.如权利要求3所述的内燃机的增压系统，其特征在于，

所述进气流路包括：

进气用串联流路，其从外部经由所述第一涡轮压缩机及所述第二涡轮压缩机连接于所述内燃机；

进气用旁通流路，其将所述第一涡轮压缩机的出口侧连接于所述第二涡轮压缩机的出口侧；

所述排气流路包括：

排气用串联流路，其从所述内燃机经由所述第二排气涡轮机及所述第一排气涡轮机到达外部；

排气用第一旁通流路，其将所述第二排气涡轮机的入口侧与所述第一排气涡轮机的入口侧连接；

排气用第二旁通流路，其将所述排气用第一旁通流路和所述排气用串联流路的下游侧的连接点的下游侧与所述第二排气涡轮机的出口侧连接；

所述进气流路切换阀是设于所述进气用旁通流路的压缩机旁通阀，

所述排气用切换阀是设于所述排气用第一旁通流路的排气流量控制阀。

5.一种内燃机的增压系统的控制方法，

所述内燃机的增压系统包括：

内燃机；

多个涡轮增压机，其被来自所述内燃机的排出气体驱动；

进气流路切换阀，其构成为能够切换所述内燃机的进气流路；

排气流路切换阀，其构成为能够切换所述内燃机的排气流路；

所述内燃机的增压系统的控制方法的特征在于，包括：

目标增压压力计算工序，基于所述内燃机的运转状态计算目标增压压力；

增压压力检测工序，检测所述多个涡轮增压机的实际增压压力；

控制工序，基于第一控制指标控制所述进气流路切换阀及所述排气流路切换阀；

还包括用于规定所述第一控制指标与相对于所述实际增压压力具有线性特性的第二控制指标之间的关系的转换表，

通过所述转换表将基于所述目标增压压力及所述实际增压压力算出的所述第二控制指标转换为所述第一控制指标。