CN107461262B - 用于发动机控制的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于发动机控制的装置和方法，该装置包括：发动机，其包括通过燃烧燃料来产生驱动力的多个燃烧室；高容量涡轮增压器，其包括凭借从燃烧室排出的排气进行旋转的涡轮和与涡轮一起旋转的压缩机，以对从燃烧室排出的排气进行压缩；电动增压器，其包括电机和电动压缩机，该电动压缩机由电机进行操作，以将压缩的空气供应至燃烧室；节气门，其用于对供应至燃烧室的进气量进行调节；驱动信息检测器，其用于检测驱动信息，该驱动信息包括所需扭矩和发动机转速；以及控制器，其根据由所述驱动信息检测器检测的驱动信息来确定发发动机的驱动区域，并且根据发动机的驱动区域，通过对节气门的开度和电机的输出进行调节来控制发动机的扭矩。

Description

用于发动机控制的装置和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年6月2日在韩国知识产权局所提出的韩国专利申请第10-2016-0068777号的优先权的权益，并通过引用将其全文纳入本文。
技术领域
本发明涉及一种用于控制发动机的装置和方法。更具体地，本发明涉及这样一种用于控制发动机的装置和方法：其具有涡轮增压器和电动增压器，并且可以增加压缩比。
背景技术
发动机将空气和燃料进行适当的混合，并且通过燃烧混合气体而产生驱动力。为了获得所需的输出动力和燃烧效率，应该向发动机供应充足的空气。为此，涡轮增压器可以被用于增加燃烧效率，其向发动机供应充足或额外的空气。
通常，从发动机排放的排气的压力使涡轮增压器的涡轮旋转，涡轮增压器的压缩机对从外部流入的新鲜空气进行压缩，并且压缩的空气供应至发动机的燃烧室。涡轮增压器已经应用于大多数的柴油发动机，并且最近涡轮增压器已经应用于汽油发动机。
涡轮增压器包括废气门阀(waste gate valve)，其对从汽缸供应至涡轮的排气量进行调节。然而，用于涡轮增压器的废气门阀通常会比较昂贵。
作为另一个示例，电动增压器利用由电机进行操作的压缩机对外部空气进行压缩。由于电动压缩机由电机进行操作，因此，具有较小的涡轮延迟。电动增压器主要在低速和低负载区域中将压缩的空气供应至汽缸。
由排气进行操作的涡轮增压器(如果必要，下文中称为“机械式涡轮增压器”)具有较低的响应性，并且由于高背压而在燃烧室中具有很多剩余气体。因此，在燃烧室中可能发生异常燃烧(比如，燃烧室中的爆震或提前点火)，因此，难以实现具有较高压缩比的发动机。
此外，电动增压器具有较高的响应性，但是电动增压器的电机的输出受限于车辆的电动系统的限制。因此，电动增压器的增压主要限制在低速和中速区域。
因此，在具有机械式涡轮增压器和电动增压器的发动机中，需要一种用于控制发动机的装置，其可以通过实现较高压缩比来改进燃料消耗。
公开于该背景技术部分的上述信息仅仅旨在加深对公开背景的理解，因此其可以包含的信息并不构成在相关国家已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明致力于提供一种用于控制发动机的装置和方法，其可以通过实现高压缩比来改进燃料消耗。
此外，本发明致力于提供一种用于控制发动机的装置和方法，其通过降低从燃烧室排出的排气的背压(back pressure)和燃烧室中的剩余气体来使异常燃烧(比如，爆震或提前点火)最小化。
另外，本发明还致力于提供一种用于控制发动机的装置和方法，其通过去除昂贵的废气门阀来降低制造成本。
根据本发明的示例性实施方案的用于控制发动机的装置可以包括：发动机，其包括多个燃烧室，所述燃烧室用于通过燃烧燃料来产生驱动力；高容量涡轮增压器，其包括涡轮和压缩机，该涡轮凭借从燃烧室排出的排气进行旋转，该压缩机与所述涡轮一起旋转，以对进气进行压缩；电动增压器，其包括电机和电动压缩机，该电动压缩机由电机进行操作，以将压缩的空气供应至燃烧室；节气门，其用于对供应至燃烧室的进气量进行调节；驱动信息检测器，其用于检测驱动信息，该驱动信息包括所需扭矩和发动机转速；以及控制器，其根据由所述驱动信息检测器检测的驱动信息来确定发动机的驱动区域，并且根据发动机的驱动区域，通过对节气门的开度和电机的输出进行调节来控制发动机的扭矩。
从燃烧室排出的所有排气可以经由排气歧管而流入到设置在排气管线中的涡轮中，并且可以经由涡轮而排出到外部。
发动机的驱动区域可以划分成：低负载区域，低/中转速-高负载区域，以及高转速-高负载区域。
当发动机的驱动区域为低负载区域时，控制器可以通过对所述节气门的开度进行调节来控制发动机的扭矩；当发动机的驱动区域为低/中转速-高负载区域时，控制器可以通过使所述节气门的开度最大化并且对电机的输出进行调节来控制发动机的扭矩；以及当发动机的驱动区域为高转速-高负载区域时，控制器可以通过对所述节气门的开度和由涡轮增压器增压的空气进行调节来控制发动机的扭矩；其中，所述控制器基于所述节气门的前端和后端之间的压力比、通过考虑进气量来对所述节气门的开度进行控制。
一种用于控制发动机的方法，该发动机包括：多个燃烧室，高容量涡轮增压器，电动增压器，以及节气门；该高容量涡轮增压器凭借从燃烧室排出的排气而进行操作并且该高容量涡轮对进气进行压缩；该电动增压器包括电机和电动压缩机，该电动压缩机由电机进行操作，以将压缩的空气供应至燃烧室；该节气门对供应至燃烧室的进气量进行调节；根据本发明的另一示例性实施方案，所述方法可以包括：利用驱动信息检测器检测驱动信息，该驱动信息包括驾驶员的所需扭矩、发动机转速和发动机的扭矩；利用控制器，根据所述驱动信息，确定发动机的驱动区域；利用控制器，根据发动机的驱动区域来对节气门的开度和电机的输出进行调节，以控制发动机的扭矩。
所述发动机的驱动区域可以划分成低负载区域，低/中转速-高负载区域以及高转速-高负载区域。
当发动机的驱动区域为低负载区域时，可以通过对所述节气门的开度进行调节来控制发动机的扭矩；当发动机的驱动区域为低/中转速-高负载区域时，可以通过使所述节气门的开度最大化并且对电机的输出进行调节来控制发动机的扭矩；以及当发动机的驱动区域为高转速-高负载区域时，可以通过对所述节气门的开度和由涡轮增压器增压的空气进行调节来控制发动机的扭矩；其中，基于所述节气门的前端和后端之间的压力比、通过考虑进气量来对所述节气门的开度进行控制。
根据本发明的示例性实施方案，由于通过节气门和电动增压器来对取决于发动机转速的扭矩进行控制，燃烧室中的背压和剩余气体减少，并且可以使异常燃烧最小化。
此外，由于背压减少，可以增加压缩比，从而使燃料消耗得到改进。
另外，由于可以去除昂贵的废气门阀，因此可以使制造成本降低。
附图说明
附图作为对本发明的示例性实施方式进行描述的参考，并且本发明的精神不应该仅由附图进行解释。
图1为示出了根据本发明的实施方案的用于控制发动机的装置的示意图；
图2为示出了根据本发明的另一实施方案的用于控制发动机的装置的示意图；
图3为示出了根据本发明的实施方案的驱动区域的示意图；
图4为示出了根据本发明的实施方案的用于控制发动机的方法的流程图。
具体实施方式
下文将参考所附附图对本发明进行更为全面的描述，在这些附图中显示了本发明的示例性实施方案。本领域技术人员将意识到，可以对所描述的实施方案进行各种不同方式的修改，所有这些修改将不脱离本发明的精神或范围。
为了对本发明进行清楚的描述，将省略与描述没有关系的部分。在整个说明书中，同样的附图标记表示同样的元件。
另外，为了更好地理解并且便于描述，附图中示出的每个结构的尺寸和厚度为任意地示出，但是，本发明并不限于此。在附图中，为了清楚，层、薄膜、板、区域等等的厚度可能被夸大。
下文中，将参照附图对根据本发明的实施方案的用于控制发动机的装置和方法进行详细的描述。
图1为示出了根据本发明的实施方案的用于控制发动机的装置示意图。
如图1中所示，根据本发明的示例性实施方案的用于控制发动机的装置可以包括：发动机10，其包括通过燃烧燃料而产生驱动扭矩的多个燃烧室12；高容量的涡轮增压器(high-capacity turbocharger)40，其用于将增压的空气供应至燃烧室12；电动增压器50，其由电机51和电动压缩机进行操作，以将增压空气供应至燃烧室12；节气门64，其对供应至燃烧室12的进气量进行调节；驱动信息检测器80，其用于检测驱动信息；以及控制器90，其用于控制发动机10、涡轮增压器40、电动增压器50和节气门64的操作。
高容量的增压器40将增压的空气供应至燃烧室12，并且可以包括涡轮41和压缩机43，从燃烧室12排出的排气使涡轮41旋转，压缩机43利用涡轮41的旋转力来旋转并且压缩机43使进气增压。
从发动机10的燃烧室12排出的排气经由排气歧管20和排气管线30而排出到外部。此时，涡轮41设置在排气管线30中，涡轮41凭借排气而进行旋转，压缩机43凭借涡轮41的旋转力而进行旋转，并且压缩机43对供应至燃烧室的进气进行压缩。进气可以包括外部空气(新鲜空气)和排气。
从燃烧室12排出的所有排气可以经由排气歧管20而供应至设置在排气管线30中的涡轮41。使涡轮41运转的排气经由排气管线30排出到外部。
在常规技术中，需要迂回管线和废气门阀，迂回管线使供应至涡轮41的排气迂回，废气门阀对供应至涡轮41的排气量进行调节。然而，根据本发明的示例性实施方案，迂回管线和废气门阀不是必需的。下面将对具体原因进行描述。
根据本发明，由于设置高容量的涡轮增压器(相比于常规的涡轮增压器)，可以降低排气的背压。
电动增压器50将增压空气供应至燃烧室12，并且该电动增压器50包括电机51和电动压缩机53。电动压缩机53由电机51来进行运转并对进气进行压缩，并且压缩的空气被供应至燃烧室12。
涡轮增压器40的压缩机43和电动增压器50设置在进气流过的进气管线60上。用于对外部空气进行过滤的空气过滤器68设置在进气管线60的入口处。
涡轮增压器40的压缩机43可以设置在进气管线60的上游侧，并且电动增压器50设置在进气管线60的下游侧。流入进气管线60的进气经由进气歧管70供应至燃烧室12。节气门64设置在进气歧管70中，并且供应至燃烧室12的进气量通过打开节气门64而进行调节。
驱动信息检测器80检测节气门64的前端和后端之间的压力比，并且包括有所需扭矩和发动机转速的驱动信息被发送至控制器90。压力比可以由压力传感器进行检测，所需扭矩可以由加速踏板传感器(accelerator pedal sensor，APS)(未示出)进行检测，发动机转速可以由用于检测曲轴的旋转速度的速度传感器进行检测。也即，驱动信息检测器80可以包括：APS、速度传感器和压力传感器。
同时，发动机系统可以进一步包括LP-EGR(low pressure exhaust gasrecirculation，低压排气再循环)装置110和HP-EGR(high pressure exhaust gasrecirculation，高压排气再循环)装置120。
在实施方案中，LP-EGR装置110包括：LP-EGR管线111、LP-EGR冷却器113和LP-EGR阀115。LP-EGR管线111从涡轮41的下游部分的排气管线30分叉，并且连接至压缩机43的上游部分的进气管线60。LP-EGR冷却器113设置在LP-EGR管线111处并且对再循环气体进行冷却。LP-EGR阀115设置在LP-EGR管线111和进气管线60连接的部分处，并且根据控制器90的控制信号对再循环气体量进行调节。
HP-EGR装置120可以包括：HP-EGR管线121、HP-EGR冷却器123和HP-EGR阀125。HP-EGR管线121从涡轮41的上游部分的排气管线分叉，并且连接至压缩机43的下游部分的进气管线60。HP-EGR冷却器123设置在HP-EGR管线121处并且对再循环气体进行冷却。HP-EGR阀125设置在HP-EGR管线121和进气管线60连接的部分处，并且根据控制器90的控制信号对再循环气体量进行调节。
控制器90根据由驱动信息检测器80检测的驱动信息对发动机10的驱动区域进行确定，并且根据发动机10的驱动区域，通过对节气门64的开度和电机51的输出进行调节来控制发动机的扭矩。
控制器90可以实现为：一个或多个由预定程序进行操作的微处理器或包括微处理器的硬件，并且所述预定程序可以包括用于执行将要描述的根据本发明的示例性实施方案的用于控制发动机的方法的一系列指令。
发动机的驱动区域可以划分成低负载区域，低/中转速-高负载区域，以及高转速-高负载区域。在本说明书中，低/中转速区域可以包括低转速区域和中转速区域。
下文中，将参考附图对根据本发明的示例性实施方案的用于控制发动机的方法进行详细描述。
图3为示出了根据本发明的实施方案的驱动区域的示意图。图4为示出了根据本发明的实施方案的用于控制发动机的方法的流程图。
参见图3和图4，在步骤S10，驱动信息检测器80可以检测驱动信息并且将驱动信息发送至控制器90，所述驱动信息包括所需扭矩和发动机转速。
在步骤S20，控制器90从驱动信息中确定驱动区域。如上所述，驱动区域可以划分成低负载区域，低/中转速-高负载区域，以及高转速-高负载区域。
控制器90根据发动机的驱动区域，通过对节气门64的开度和电机51的输出进行调节来控制发动机的扭矩。
具体地，当发动机的驱动区域为低负载区域时，在步骤S30，控制器90通过对节气门64的开度进行调节来控制发动机的扭矩。
在低负载区域，控制器90不操作电动增压器50，并且通过对节气门64的开度进行调节来控制发动机的扭矩。当节气门64的开度增加时，随着供应至燃烧室12的空气量和燃料增加，发动机的扭矩增加。相反地，当节气门64的开度减小时，随着供应至燃烧室12的空气量和燃料减少，发动机的扭矩减小。
当发动机的驱动区域为低/中转速-高负载区域时，在步骤S40，控制器90将节气门64的开度控制为最大并且通过对电机51的输出进行调节来控制发动机的扭矩。
在低/中转速-高负载区域中，控制器90完全地打开节气门64，使得供应至燃烧室12的空气量和燃料最大化。此时，发动机的扭矩的限制(可以由节气门64的开度进行控制)如图3中的实线所示。
然后，控制器90经由电机51的输出对供应至燃烧室12的增压的空气量进行调节，并因此对发动机的扭矩进行控制。即是，当电机51的输出增加时，随着由电动压缩机53而供应至燃烧室12的增压空气的量增加，发动机的扭矩增加。相反地，当电机51的输出减小时，随着由电动压缩机53而供应至燃烧室12的增压空气的量减少，发动机扭的矩减小。
此时，发动机的扭矩的限制(其可由电动增压器50进行控制)如图3中的虚线所示。
同时，当发动机的驱动区域为低负载区域时，由于从燃烧室12排出的排气量非常少，并且涡轮增压器40的容量非常高，因此，通过涡轮增压器40进行增压的量较少。因此，涡轮增压器40对发动机的扭矩的影响非常小。
当发动机的驱动区域为高转速-高负载区域时，在步骤S50，控制器90通过对节气门64的开度进行调节并因此对由涡轮增压器40进行增压的空气进行调节来控制发动机的扭矩。此时，控制器90可以基于节气门64的前端和后端之间的压力比、通过考虑进气量来对节气门的开度进行控制。即是，由于涡轮增压器40在高转速-高负载区域操作，因此，发动机的扭矩受到由涡轮增压器40进行增压的空气的影响。因此，为了反映出涡轮增压器40的运转，基于节气门64的前端和后端之间的压力比、通过考虑进气量而可以对节气门64的开度进行调节，。
在高转速-高负载区域，控制器90可以不使电动增压器50运转，并且可以通过对节气门64的开度进行调节来控制发动机的扭矩。
在高转速-高负载区域，由于从燃烧室12排出的排气量较大，因此，凭借涡轮增压器40而供应至燃烧室12的增压空气的量自然地产生，并因此发动机的扭矩增加。即是，随着当发动机转速和发动机的扭矩增加排气量增加，因此，增压空气的量自然地增加，因此发动机的扭矩增加。因此，控制器90通过对节气门64的开度进行调节来对发动机的扭矩进行控制。
在高转速-高负载区域，发动机的扭矩的限制(其可由涡轮增压器40和节气门64的开度来进行控制)如图3中的点划线所示。
如上所述，根据本发明的实施方案，由于根据驱动区域(其取决于发动机转速和发动机的扭矩)，凭借节气门64和电动增压器50来对发动机的扭矩进行控制，因此，可以降低排气的背压。
根据常规技术，由于在低负载区域中产生由涡轮增压器进行的增压，因此，排气的背压增加。然而，根据本发明的实施方案，由安装有高容量涡轮增压器40，涡轮增压器40对发动机的扭矩的影响是非常小的。增压的空气经由电动增压器50供应至燃烧室12。因此，可以使排气的背压最小，因此，可以实现高压缩比发动机并且可以使异常燃烧最小化。由于可以实现高压缩比发动机，因此，可以改进车辆的燃料消耗。
此外，由于不使用废气门阀对增压的空气量进行控制，因此，可以去除昂贵的废气门阀，从而可以降低车辆的制造成本。
尽管已经结合目前被认为是实用的示例性实施方案的实施方案描述了本发明，应该理解本发明不限于公开的实施方案，而是相反地，旨在涵盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种变化和等同布置。

Claims (3)

1.一种用于控制发动机的装置，包括：
发动机，其包括多个燃烧室，所述燃烧室用于通过燃烧燃料来产生驱动力；
高容量涡轮增压器，其包括涡轮和压缩机，该涡轮凭借从燃烧室排出的排气进行旋转，该压缩机与所述涡轮一起旋转，以对进气进行压缩；
电动增压器，其包括电机和电动压缩机，该电动压缩机由电机进行操作，以将压缩的空气供应至燃烧室；
节气门，其用于对供应至燃烧室的进气量进行调节；
驱动信息检测器，其用于检测驱动信息，该驱动信息包括所需扭矩和发动机转速；以及
控制器，其根据由所述驱动信息检测器检测的驱动信息来确定发动机的驱动区域，并且根据发动机的驱动区域，通过对节气门的开度和电机的输出进行调节来控制发动机的扭矩，
其中，所述发动机的驱动区域划分为：低负载区域，低/中转速-高负载区域，以及高转速-高负载区域，并且其中，所述控制器：
当所述发动机的驱动区域为低负载区域时，通过对所述节气门的开度进行调节来控制发动机的扭矩；
当所述发动机的驱动区域为低/中转速-高负载区域时，通过使所述节气门的开度最大化并且对电机的输出进行调节来控制发动机的扭矩；
当所述发动机的驱动区域为高转速-高负载区域时，通过对所述节气门的开度和由涡轮增压器进行增压的空气进行调节来控制发动机的扭矩；
其中，所述控制器基于所述节气门的前端和后端之间的压力比、通过考虑进气量来对所述节气门的开度进行控制。
2.根据权利要求1所述的用于控制发动机的装置，其中，从燃烧室排出的所有排气流入到设置在排气管线中的涡轮中，并且排气经由排气管线排出到外部。
3.一种用于控制发动机的方法，该发动机包括：多个燃烧室，高容量涡轮增压器，电动增压器，以及节气门；该高容量涡轮增压器凭借从燃烧室排出的排气而进行操作并且该高容量涡轮对进气进行压缩；该电动增压器包括电机和电动压缩机，该电动压缩机由电机进行操作，以将压缩的空气供应至燃烧室；该节气门对供应至燃烧室的进气量进行调节；所述方法包括：
利用驱动信息检测器检测驱动信息，该驱动信息包括驾驶员的所需扭矩、发动机转速和发动机的扭矩；
利用控制器，根据所述驱动信息，确定发动机的驱动区域；
利用控制器，根据发动机的驱动区域来对节气门的开度和电机的输出进行调节，以控制发动机的扭矩，
其中，所述发动机的驱动区域划分为：低负载区域，低/中转速-高负载区域，以及高转速-高负载区域；
其中，当所述发动机的驱动区域为低负载区域时，通过对节气门的开度进行调节来控制发动机的扭矩；
当所述发动机的驱动区域为低/中转速-高负载区域时，通过使节气门的开度最大化并且对电机的输出进行调节来控制发动机的扭矩；
当所述发动机的驱动区域为高转速-高负载区域时，通过对节气门的开度和由涡轮增压器进行增压的空气进行调节来控制发动机的扭矩，
其中，基于所述节气门的前端和后端之间的压力比、通过考虑进气量来对所述节气门的开度进行控制。
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