CN107420198A - 测量涡轮叶轮的温度的设备及发动机控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了测量涡轮叶轮的温度的设备及发动机控制方法。该设备包括：引导件，该引导件使得从涡轮叶轮生成的红外线通过并且包括冷却剂路径；保护单元，该保护单元保护感应红外线的光学头；以及信号处理单元，该信号处理单元通过处理对应于感应红外线的信号来测量涡轮叶轮的温度。

Description

测量涡轮叶轮的温度的设备及发动机控制方法
相关申请的引证
本申请要求于2016年5月23日提交的韩国专利申请第10-2016-0062894号的优先权和权益，其全部内容通过引证结合于此。
技术领域
本公开涉及车辆的涡轮增压器，并且更具体地，涉及用于测量涡轮增压器中的涡轮叶轮的温度的设备以及使用用于涡轮叶轮的温度测量设备的发动机控制方法。
背景技术
该部分中的陈述仅提供与本公开有关的背景信息，并且可不构成现有技术。
通常，由车辆中的发动机生成的动力取决于流入燃烧室的空气量和燃料量。换言之，更多的空气和燃料应供应至燃烧室以便增加发动机的输出。为了供应更多的空气和燃料，燃烧室的尺寸应增加。然而，因为燃烧室的尺寸增加，所以发动机的重量和尺寸可增加。为了不增加发动机的重量和尺寸，使用可增加发动机的输出的涡轮增压器。更详细地，如果吸入至发动机的气缸中的吸入空气的压力高于大气压力并且气缸中的空气量增加，则每一循环的发动机输出可增加。
废气使涡轮增压器的涡轮叶轮旋转，并且使得连接至轴(该轴连接至涡轮叶轮)的空气压缩机的叶轮旋转以便向燃烧室提供压缩空气，使得涡轮增压器增加发动机的输出。涡轮增压器使用废气来增加发动机的增加，由此获得增强的燃料效率、发动机的微型化以及有毒物质的降低。
在气缸中的压力由于过度增压而增加的情况下，不产生爆振现象的柴油发动机中(而不是在此情况下产生爆振现象的汽油发动机中)，涡轮增压器广泛使用。
在涡轮增压器中，回收废气能量的涡轮叶轮以及向气缸传送压缩空气的压缩机叶轮布置在同一轴的各端部，并且用于引导废气和空气的流动的壳体覆盖每个叶轮。
在此背景技术部分中公开的以上信息仅用于加强对本公开的背景技术的理解，并且因此，本公开可包含不构成在该国中对于本领域普通技术人员而言已知的现有技术的信息。
发明内容
本公开提供用于测量涡轮增压器中的涡轮叶轮的温度的设备以及使用用于涡轮叶轮的温度测量设备的发动机控制方法。
本公开的示例性形式可提供用于测量涡轮增压器中的涡轮叶轮的温度的设备，并且该设备包括：引导件，该引导件使得从涡轮叶轮生成的红外线通过并且包括冷却剂路径；保护单元，该保护单元保护感应红外线的光学头；以及信号处理单元，该信号处理单元通过处理对应于所感应的红外线的信号来测量涡轮叶轮的温度。
保护单元可包括透射穿过引导件的红外线的透镜，并且该透镜可包括在超高温度下使用的玻璃。
本公开的示例性形式可提供使用用于涡轮增压器中的涡轮叶轮的温度测量设备的发动机控制方法，包括：由控制器确定由温度测量设备测量的涡轮叶轮的温度是否超过第一阈值；当涡轮叶轮的温度超过第一阈值时，由控制器控制供应至发动机的气缸的燃料的比值处于富状态；以及当涡轮叶轮的温度小于或等于第一阈值时，由控制器控制燃料的比值处于贫状态。
使用用于涡轮增压器中的涡轮叶轮的温度测量设备的发动机控制方法可进一步包括：当涡轮叶轮的当前温度与涡轮叶轮的当前温度之前的温度之间的差值小于或等于第二阈值时，由控制器控制警报涡轮增压器的故障的警报灯被点亮。
使用用于涡轮叶轮的温度测量设备的发动机控制方法可进一步包括：由控制器确定包括温度测量设备的车辆是否处于急加速状况。当车辆处于急加速状况时，可执行对于警报灯的控制。
使用温度测量设备的发动机控制方法可进一步包括：由控制器确定调整供应至发动机的气缸的空气量的节流阀的状态是否是指示节流阀的打开的升压状况。当节流阀的状态是升压状况时，可执行车辆是否处于急加速状况的确定。
根据本公开的示例性形式的用于测量涡轮增压器中的涡轮叶轮的温度的设备以及使用温度测量设备的发动机控制方法可测量涡轮叶轮的温度，并且因此可增加包括涡轮叶轮的涡轮增压器的耐久可靠性。
本公开的示例性形式可使用诸如涡轮叶轮温度的涡轮增压器参数，通过警报车辆的发动机故障来保护发动机，或者基于涡轮叶轮的金属表面温度来实现控制系统。
此外，本公开的形式可通过执行用于供应至发动机燃烧室(或发动机气缸)的燃料的贫控制来改进高速燃料效率。
从本文提供的描述中，适用性的其他领域将变得显而易见。应理解，该描述和具体实例旨在仅用于说明目的，而并非旨在限制本公开的范围。
附图说明
为了可充分理解本公开，现将参考附图描述以实例的方式给出本公开的各种形式，其中：
图1是描述根据本公开的一个形式的用于涡轮增压器中的涡轮叶轮的温度测量设备1的框图；
图2是说明图1所示的温度测量设备的示例性形式的视图；
图3是用于说明图2中所示的光学头、保护单元以及引导件的一个形式的视图(纵截面视图)；
图4是包括图3中所示的光学头、保护单元以及引导件的设备的分解图；以及
图5是描述根据本公开的一个形式的使用温度测量设备的发动机控制方法的流程图。
本文描述的附图仅用于说明目的，并非旨在以任何方式限制本公开的范围。
具体实施方式
以下描述本质上仅是示例性的，而并非旨在限制本公开、应用或用途。应理解，贯穿整个附图，相应的参考标号指代相同或相应的部件和特征。
在描述本公开时，由于会使本公开的主旨不必要地晦涩难懂，所以未详细描述众所周知的配置或功能。
本说明书所用的术语仅是为了描述具体示例性形式的目的，而不是限制本公开。单数形式包括复数形式，除非上下文另有明确指示。将进一步理解，在本说明书中使用的术语“包括”或“具有”指定在本说明书中提及的特征、数字、步骤、操作、组件或部件的存在，但是不排除存在或增加一个或多个其他特征、数字、步骤、操作、组件、部件或其组合。
贯穿本说明书以及跟随的权利要求书，当元件被描述成“耦接”至另一元件时，该元件可“直接耦接”至其他元件或者通过第三元件“电气耦接或机械式耦接”至其他元件。
除非另有规定，否则要理解，在本说明书中使用的术语(包括技术和科学术语)的意义与本领域的技术人员通常理解的意义相同。必须要理解的是，由词典定义的术语的意义在相关技术的语境内相同，并且不应理想地或过于正式地定义，除非上下文另有明确规定。
由于因为流入涡轮增压器的涡轮机的异物的不良润滑缺陷或者流入涡轮机前方的废气的高温(例如，大于大约950℃)，所以涡轮增压器中的涡轮叶轮的轴以及涡轮叶轮的叶片可损坏。
相关技术不能够评估或测量涡轮叶轮的金属表面温度，并且因此不能防止对涡轮叶轮轴和涡轮叶轮叶片的损坏。因此，因为用于空气燃料比值(A/F)的富控制应无条件执行，所以车辆的燃料效率可在高速时劣化。
图1是描述根据本公开的示例性形式的用于涡轮增压器中的涡轮叶轮的温度测量设备的框图。温度测量设备也可被称为用于测量包括在车辆的涡轮增压器中的涡轮叶轮的金属表面温度的系统。
参考图1，温度测量设备1包括被包括在信号处理单元(图2的100)中的信号接收单元(或信号接收器)101、诸如玻璃纤维线缆的光学线缆110、经由光学线缆110连接至信号接收单元101的光学头115、保护单元120以及引导件125。温度测量设备可被称为红外辐射传感器(其是高温计)。红外辐射传感器可使用激光束来聚焦包括在辐射传感器中的透镜，并且可测量高达大约1700℃的温度。
引导件125可使得从涡轮叶轮(图2中的130)的金属表面131(或金属表面上的红色斑点)生成的红外线通过，并且可包括诸如水套的冷却剂路径。引导件125也可使得流入引导件的废气穿过涡轮叶轮。废气的温度可以是例如，大约950℃。引导件125可采取气缸的形式。
保护单元120可保护感应红外线的光学头115。保护单元120或光学头115可采取气缸的形式。
信号处理单元100(或信号处理器)可通过处理(或分析)对应于经由信号接收单元101接收的感应红外线的信号来测量(或评估)涡轮叶轮的温度。信号处理单元可控制涡轮叶轮的测量温度显示在被包括在温度测量设备中的显示设备上。
图2是说明图1中所示的温度测量设备的示例性形式的视图。
参考图1和图2，温度测量设备1可进一步包括连接至信号处理单元100的电源140，以及冷却装置(或冷却器)150。
冷却装置150可生成用于冷却引导件125的冷却剂(例如，水)，以便向引导件125供应冷却剂。
图3是用于说明图2所示的光学头115、保护单元120以及引导件125的一个形式的纵截面图。图4是包括图3所示的光学头、保护单元以及引导件的设备的分解图。
参考图2至图4，光学头115包括：固定探头116，该固定探头固定光学头单元114；固定螺母118，该固定螺母将光学头115固定至保护单元120；以及O型环117和119，该O型环将光学头固定至保护单元120的内部。光学头单元114可感应红外线。在本公开的另一形式中，光学头单元114可包括透镜。
保护单元120包括诸如超高温透镜的透镜121以及光学探头123。透镜121可使穿过引导件125(或经过引导件125提供的)引导件125的红外线通过并且可包括在超高温度下使用的玻璃并且经受近似2000℃的温度。透镜121可通过使用超高精确度粘合方法(其是特殊粘合方法，并且用在玻璃与不锈钢(SUS)之间的粘合中)粘合至光学探头123(其是保护单元120的主体)的前方。光学探头123可包括可经受近似1700℃和3000bar的材料(例如，不锈钢(SUS)材料)。用于将光学头115固定至保护单元120的螺纹124可形成在光学探头123的上部。
引导件125可包括水套(未示出)以及连接至冷却软管(未示出)的螺纹接套126和127。
诸如铜垫圈的垫圈(washer)122可布置在保护单元120的上部与引导件125之间。
图5是描述根据本公开的示例性形式的使用温度测量设备的发动机控制方法的流程图。温度测量设备可以是图1所示的设备。
参考图5，在确定步骤305中，控制器可确定调整(或控制)供应至发动机的气缸的空气量的节流阀的状态是否是指示节流阀的打开(开度)的升压状况。更详细地，控制器可使用来自节流阀位置传感器的输出信号来确定压缩机后面的压力是否例如，大于大约1.1巴。在改进发动机输出的涡轮增压器中，当来自废气的废气能量使得废气涡轮机的涡轮叶轮旋转时，直接连接至废气涡轮机的压缩机可推动发动机气缸中的空气。压缩机叶轮可连接至涡轮增压器的涡轮叶轮。
例如，控制器可以是通过程序或者包括微处理器的硬件操作的一个或多个微处理器。程序可包括用于执行根据本公开的示例性形式的使用温度测量设备的发动机控制方法的一系列命令。控制器可控制包括温度测量设备的车辆的所有操作。
当在确定步骤305中确定满足升压状况时，作为使用温度测量设备的发动机控制方法的过程进行至确定步骤310。
根据确定步骤310，控制器可通过使用来自车辆的油门踏板位置传感器(APS)的输出信号，来确定车辆(或车辆的发动机)是否处于急加速状况。急加速状况可以是例如，节流阀的打开值(开度值)近似90％或更大的状况。APS可连续测量油门踏板的位置值。当油门踏板被完全踩压时油门踏板的位置值可以是100％，当不踩压油门踏板时油门踏板的位置值可以是0％。
当在确定步骤310中确定满足急加速状况时，过程进行至比较步骤315。
根据比较步骤315，控制器可确定涡轮叶轮(或涡轮叶轮的金属表面)的当前温度与紧接涡轮叶轮的当前温度之前的温度之间的差值ΔT是否小于或等于第二阈值(例如，近似50℃)。温度测量设备的温度测量时间间隔可以是例如，近似0.01秒或0.001秒。
涡轮叶轮(涡轮叶轮的金属表面)的温度的突然下降可能是由于涡轮增压器的轴承失效或者根据涡轮增压器中的油环失效的油类泄漏。当每1毫秒评估(测量)一次涡轮叶轮的温度时，涡轮叶轮的金属表面温度的大于近似10℃的温度改变可能是不可能的。
当在确定步骤315中确定涡轮叶轮的当前温度与紧接涡轮叶轮的当前温度之前的温度之间的差值小于或等于第二阈值时，过程进行至步骤320。
根据步骤320，因为存在突然的温度下降，所以控制器可控制警报涡轮增压器的故障的警报灯被点亮。被点亮的警报灯可提供至车辆驾驶员，使得驾驶员可采取行动以抑制或防止发动机故障。行动可以是例如，通过驾驶员的车辆减速行动。
根据步骤320之后的测量步骤325，控制器可使用来自温度测量设备的输出信号(或测量信号)来测量涡轮叶轮的金属表面温度。
根据比较步骤330，控制器可确定通过温度测量设备测量的涡轮叶轮的金属表面温度是否超过第一阈值“A”。温度测量设备可包括：引导件，该引导件使得从涡轮叶轮生成的红外线通过并且包括冷却剂路径；以及保护单元，该保护单元保护感应红外线的光学头。
当涡轮叶轮包括因科内尔(Inconel)材料时，“A”值可以是近似870℃，并且当涡轮叶轮包括MAR材料时，“A”值可以是近似920℃。当金属表面温度(例如，近似1500℃)超过第一阈值时，过程进行至控制步骤335。当金属表面温度小于或等于第一阈值时，过程进行至控制步骤340。
废气的温度可以是例如，近似950℃。然而，根据车辆操作条件或涡轮增压器的涡旋单元的结构，金属表面温度可超过第一阈值(例如，近似870℃)。涡旋单元可指的是如下路径：该路径布置在覆盖涡轮叶轮的壳体与涡轮叶轮之间并且使废气通过。
本公开的形式可以是不基于废气温度而基于金属表面温度的控制。可通过测量废气温度和金属表面温度来控制发动机，但是就控制和成本而言，基于涡轮叶轮(其是涡轮增压器的重要元件)的金属表面温度的测量的控制可能是更高效的。
根据控制步骤335，控制器可执行用于发动机的空气燃料比值(A/F)的富控制(或富模式控制)。更详细地，控制器可控制供应至车辆中的发动机的气缸的燃料的比值(或重量比)处于富状态。例如，控制器可通过使用大约14.5:1作为基准值，来控制A/F中的燃料的比值处于富值(近似0.1)。当执行富控制(即，当A/F被控制处于富状态时)时，从发动机排出的废气的温度可降低。因此，通过抑制或防止对涡轮叶轮的损坏，涡轮增压器的耐用性可增加。
根据控制步骤340，控制器可执行用于发动机的空气燃料比值(A/F)的贫控制(或贫模式控制)。更详细地，控制器可控制供应至发动机的气缸的燃料的比值(或重量比)处于贫状态。
例如，控制器可通过使用大约14.5:1作为参考值，来控制A/F中的燃料的比值处于贫值(近似0.1)。当执行贫控制时，从发动机排出的废气的温度可增加。因此，可提高高速燃料效率(或高速驾驶燃料效率)。
在本示例性形式中使用的组件、“…单元”、块或模块可在在存储器中的预定区域中执行的软件(诸如任务、类别、子例程、方法、对象、执行线程或程序)或者诸如现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)的硬件中实现，并且可以以软件和硬件的组合执行。组件、“…部件”等可嵌入计算机可读储存介质内，并且其一些部分可分散地分布在多个计算机中。
如上所述，在附图和说明书中公开了示例性形式。尽管已使用了特定术语，但是它们仅用于说明本公开的目的，而并非用于限定含义或限制本公开的范围。因此，本领域的技术人员将理解，从本公开，各种修改和等效示例性形式都是可能的。因此，必须由本公开的精神确定本公开的实际技术保护范围。
符号说明
100：信号处理单元
115：光学头
120：保护单元
125：引导件
130：涡轮叶轮

Claims (6)

1.一种用于测量涡轮增压器中的涡轮叶轮的温度的设备，所述设备包括：
引导件，所述引导件使得从所述涡轮叶轮生成的红外线通过并且包括冷却剂路径；
保护单元，所述保护单元保护感应所述红外线的光学头；以及
信号处理单元，所述信号处理单元通过处理对应于所感应的红外线的信号来测量所述涡轮叶轮的温度。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述保护单元包括透射穿过所述引导件的所述红外线的透镜，并且所述透镜包括在超高温度使用的玻璃。
3.一种使用用于涡轮增压器中的涡轮叶轮的温度测量设备的发动机控制方法，所述方法包括以下步骤：
由控制器确定所述温度测量设备测量的所述涡轮叶轮的温度是否超过第一阈值；
当所述涡轮叶轮的温度超过所述第一阈值时，由所述控制器控制供应至发动机的气缸的燃料的比值处于富状态；以及
当所述涡轮叶轮的温度小于或等于所述第一阈值时，由所述控制器控制所述燃料的比值处于贫状态。
4.根据权利要求3所述的方法，进一步包括：
当所述涡轮叶轮的当前温度与所述涡轮叶轮的所述当前温度之前的温度之间的差值小于或等于第二阈值时，由所述控制器控制警报所述涡轮增压器的故障的警报灯被点亮。
5.根据权利要求4所述的方法，进一步包括：
由所述控制器确定包括所述温度测量设备的车辆是否处于急加速状况，
其中，当所述车辆处于所述急加速状况时，执行所述警报灯的控制。
6.根据权利要求5所述的方法，进一步包括：
由所述控制器确定调整供应至所述发动机的所述气缸的空气量的节流阀的状态是否是指示所述节流阀的打开的升压状况，
其中，当所述节流阀的状态是所述升压状况时，执行所述车辆是否处于所述急加速状况的确定。
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