CN109154244A - 用于控制引入通过单进口涡轮增压器增压的内燃发动机进气口的空气量的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种用于控制引入增压内燃发动机的进气口的空气量的控制方法，所述发动机包括与排气歧管(30)相连的排气口(32)、包括增压装置(38)，所述增压装置(38)包括：涡轮压缩机，该涡轮压缩机包括带有连接到所述排气口的单个进口(46)的涡轮(40)和包括外部空气压缩机(44)，以及将压缩空气从压缩机部分输送到涡轮进口的导管(64)。根据本发明，在所述部分转移管道上设置分支(70)，所述分支连接到涡轮的进口并且包括比例阀装置(74)，并且在该分支内压缩空气的流通，在过渡运行阶段期间按照应用到所述阀装置上的策略进行控制，以及根据稳定阶段的特性来进行确定。

Description

用于控制引入通过单进口涡轮增压器增压的内燃发动机进气 口的空气量的控制方法

本发明涉及一种控制方法，该方法用于控制引入通过单进口涡轮增压器增压的内燃发动机的进气口的空气量的装置，内燃发动机特别是固定发动机或用于机动车或工业车辆。

如广为人知的，内燃发动机所传递的功率取决于该发动机的燃烧室的进气量，该空气量本身与该空气的密度成比例。

因此，通常的做法是，通过在进入这个燃烧室之前压缩外部空气来增加这种空气的量。这种运行(被称为增压)可以任何方式进行，例如涡轮压缩机或被驱动的压缩机，它们可以是离心式或容积式的。

在单进口涡轮增压器增压的情况下，后者包括由轴连接到旋转压缩机的具有单个进口的旋转涡轮。来自发动机的排出气体由此穿过涡轮，该涡轮然后被驱动进行旋转。接着，该旋转被传递至压缩机，该压缩机通过它的旋转，压缩外部空气，之后外部空气被引入燃烧室。

更好的描述如在法国专利申请第2478736号，其中规定了，为能够在发动机的燃烧室内显著提高该压缩空气的量，通过压缩机更进一步增加对外部空气的压缩。

这更具体地通过增加涡轮和继而压缩机的旋转速度来完成。

为此，从压缩机输出的压缩空气的一部分被偏转，通过与排出气体混合直接进入涡轮的进口，该涡轮然后被更多的流体流经(压缩空气和排出气体的混合物)，这将可能增加该涡轮以及继而压缩机的旋转速度。压缩机速度的增加会增加外部空气的压力，而外部空气将被在该压缩机中压缩，然后引入发动机的燃烧室。

因此，压缩空气具有更高的密度，这使得增加燃烧室所含空气的量成为可能。

这种类型的增压发动机，虽然令人满意，但呈现不是不明显的缺点。

实际上，进入涡轮进口的压缩空气的流率(流量)没有得到正确的控制，这会导致发动机出现故障。

因而，作为示例，在太大量的压缩空气被偏转到涡轮进口的情况下，进入涡轮的排出气体被该空气过度冷却并导致增压的总体性能的降低。

本发明利用一种控制装置的方法来弥补上述缺点，该装置可引入一定量的空气到增压内燃发动机的进气口，使其能够满足发动机的所有功率需求，特别是在过渡运行阶段。

本发明使得即使当进气口处压缩空气的平均压力低于排气(口)处的平均压力时，也可以实现和管理压缩空气从进气口到排气(口)的输送。所有需要的是，在发动机的运行循环期间，存在进气口处压力高于排气(口)处压力的阶段。

因此本发明涉及用于控制引入增压内燃发动机的进气口的进气量的控制方法，所述发动机包括与排气歧管相连的排气口、包括增压装置，该增压装置包括：涡轮压缩机，该涡轮压缩机包括带有连接到所述排气口的单个进口的涡轮和包括外部空气压缩机；以及将压缩空气从压缩机部分输送到涡轮进口的导管，其特征在于，部分转移导管连接至涡轮进口，所述导管带有比例阀装置，并且在该导管内压缩空气的流通(循环)在过渡运行阶段期间按照应用到所述阀装置上的策略进行控制，以及根据稳定阶段的特性来进行确定。

止回阀也可设置于所述导管上。

在转移导管内流通(循环)的压缩空气可以被加热。

为了控制策略，可以执行下列步骤：

-从用于初始稳定状态的阀装置的打开设置状态起，

-该设置由确定的梯度减少至一值，该值被保持时间t，

-所述设置以确定的梯度增加，以达到阀装置的打开设置，以达到最终稳定状态。

初始状态可以是低装载(low charge)状态，而最终状态可以是高装载(highcharge)状态。

用于初始和最终稳定状态的阀装置的打开设置状态可以是相同的。

本发明的其他特征和优点将在阅读以纯粹说明性和非限制性方式给出的以下描述时出现，并附于其中：

-图1示出了带有根据本发明使用的增压装置的内燃发动机。

-图2示出了带有根据图1的增压装置的内燃发动机的变型。

-图3至9示出了阀装置的控制策略的示例。

-图10和11示出了按照本发明应用的一个传动系(GMP)运行的示例。

在图1中，内燃发动机10包括至少两个缸体，此处从该图左边起标记为12₁至12₄的四个缸体。

优选地，该发动机是带有直喷的内燃发动机，特别是柴油型发动机，但是不以任何方式排除任何其他类型的内燃发动机。

每个缸体包括带有至少一个进气阀16的进气装置14，此处两个进气阀分别控制一个进气管18。进气管18通到进气歧管20，该进气歧管20由导管22供应进入空气，比如压缩空气。

该缸体还包括带有至少一个排气阀26的废气排出装置24，此处两个阀分别控制一个排气管28。

在示出的示例中，每个缸体的排气管与带有排气口32的排气歧管30相连接。该排气口通到用以空气压缩的涡轮压缩机38，更具体地通到该涡轮压缩机的膨胀涡轮40。

如图1中所示，该涡轮压缩机是单进口的涡轮压缩机，其以术语“单涡卷(单涡轮)”或“单个涡卷(单个涡轮)”涡轮压缩机为更多人所知。

该类型的涡轮压缩机包括被排出气体扫气的膨胀涡轮40，该膨胀涡轮通过轴42连接成随压缩机44转动。

在涡轮处，膨胀涡轮包括用于排出气体的单进口46，该单进口连接到歧管30的排气口32。涡轮40的排气(口)50通常连接至发动机的排气管线52。

涡轮增压器38的压缩机44包括由供应导管56供应的外部进气口54。该压缩机的压缩空气出口58通过导管60连接至进气歧管20的供应导管22。

有利地，可设置成将压缩空气冷却散热器62放置在导管60上、于压缩机与导管22之间。

如可在图1中更好地看出，转移导管64使从压缩机44输出的部分压缩空气循环至涡轮的进口46成为可能。

更具体地，该部分转移导管始于导管60上、压缩机与增压空气冷却散热器62之间的相交点66，然后通过其与排气口32的接合部70通到涡轮的进口46。

该转移导管带有由控制装置78控制的阀装置74，例如比例阀。该类型的比例阀因此能控制在该转移导管46内循环的压缩空气的流率(流量)。

有利地，该转移导管还包括止回阀80，该止回阀阻止压缩空气或者排出气体(废气)从该导管到压缩机的循环。

该阀的使用展示了本发明的另一个优点，因为它允许即便该转移导管64内的平均压力小于排气口32中的平均压力，旁路系统仍能运行。事实上，这两个分支中的每个分支中的压力摆动，足以使得有时具有有利于从进气口到排气口的空气旁路的压力差成为可能，以使旁路系统起作用，并且即使这两个分支中的平均压力水平与从进气口到排气口的流动相反亦如此。

因此，这种结构使得在发动机的运行期间，可以利用排气歧管中有时存在的低排气压区域，来将压缩空气引入涡轮中并因此增加该涡轮的流率，从而增加压缩机的流率，更通常称为“涡轮增压(BoostTurbo)”。这也使得有可能对低速进行更有效的增压，特别是通过适当的比例阀控制策略来管理过渡阶段。

在运行期间，如果缸体中需要大量的空气，比例阀74被指令打开以从压缩机44引入压缩空气到涡轮40中。

从压缩机44输出的压缩空气在转移导管64中循环通至涡轮40的排气进口46，并在此增加剩余的流体到涡轮中。

因而，涡轮不仅被来自出口32的排出气体流经，还被附加至这些气体的压缩空气流经。由此，涡轮转速增加，这引起了压缩机转速的增加，并导致离开该压缩机的压缩空气的压力的增加。

阀74被控制装置78控制，以便按照发动机的增压需求将压缩空气量输入涡轮，特别是处在两个稳定运行阶段之间的过渡阶段期间。

图2中包括与如图1中的那些元件实质上相同的元件，从压缩机44出来并在转移导管64内流通的压缩空气在被引入涡轮40之前被预加热。

为此，该转移导管64带有用以加热压缩空气的装置88，此处一个呈加热散热器形式的热交换器，其放置在交叉点66和阀74之后(之间)。在该导管中流通的压缩空气穿过该散热器，且该散热器同时被从发动机排出的排出气体流经。这些排出气体源自涡轮的排出(口)50，并由管道90带到散热器的进口92。排出气体流经该散热器，从而将它们包含的热量转移至压缩空气，该压缩空气随后再通过出口94从该散热器再次出来、以引向发动机排气管线。

由此，该排出气体的一部分能量被压缩空气获取，该压缩空气经由进口46引入涡轮。

该加热的压缩空气因此使得向涡轮提供额外的能量成为可能，而涡轮因此将以更高的速度旋转。然后，这种高旋转速度传递到压缩机，这将产生更高的外部空气压缩。

无论是否与进气口处的排出气体再循环(EGR)回路相关联，上述系统的运行都需要精确调节，以便产生所需的短路速率。

通常，发动机的运行可以比作一系列稳定阶段(可以或多或少地长)被或多或少的突然过渡阶段破坏。

阀74的初始预定位源自先前完成的速度/加载映射(mapping，脉谱)。此外，借助于先前定义的测量和/或估算器来估计涡轮进口处的压缩空气流率。

本发明特别适合于管理两个稳定运行阶段之间的过渡运行阶段。

“稳定运行”应理解为意指扭矩需求不变化，或者发动机的致动器组未被修改的状态，例如当喷射的燃料量随时间恒定时，排气再循环(EGR)率保持恒定，涡轮压缩机的致动器处于一个且同一位置，等等。相反，“过渡运行”应该被理解表示为响应于来自用户的功率需求的变化，某些致动器被激活期间的阶段。例如，可以描述“装载-抬升(charge-up，增压)”的情况，在此期间用户将要求发动机从低装载状态(小扭矩，小功率)切换到高装载状态(高扭矩，高功率)。这种“装载-抬升”可以在恒定的发动机速度下进行，或者装载和速度同时增加。还可以考虑“抬脚”的示例，即扭矩需求的或多或少的突然减小。在这些情况中的每一种下，发动机的致动器必须被驱动，以确保传动系(GMP)的最佳运行。

因此，在稳定运行阶段期间，可以预想到两种类型的运行。

或者是，只要装载/速度需求不变，与初始完成的映射(mapping)的流率关联的阀74的位置保持在该位置。

或者是，阀74的位置在发动机保持在该稳定阶段的整个时间段内被调节。在此情况下，必须进行调整以获得以下两者之间的最优平衡：

○在排气(口)处的温度(加热或冷却需求)

○排气的富集度(颗粒过滤器FAP的再生使得可以控制排气处的氧气比率)

○消耗

○污染物排放

○动态需求

○性能等级

因此，在整个稳定运行阶段调节转移的压缩空气的速率，以便获得满足所寻求的折衷的最优运行点。因此，在对所有或部分以下测量或估算器进行分析的基础上寻求这种折衷：

速度

装载(charge)

在缸体盖出口或者涡轮出口排气的温度：在提供最高温度标准的情况下

动态历史(使用分析)：在扭矩的调用频繁或非常频繁的高度动态使用的情况下，阀74的位置可以定位在可能暂时优先考虑发动机响应而不利于其他参数。

颗粒过滤器(FAP)的再生：在FAP再生的情况下，可以防止甚至限制阀74的打开，以便控制FAP上的空气流率(流量)，并且不会冒可能导致过高温度的再生失控的风险。

后处理温度：在涡轮进口处的压缩空气进入可能导致后处理未启动(未准备好)的情况下，可以限制其使用。然而，在动态历史显示稳定阶段后面接着装载(charge)增加的显著概率的情况下，可以有利于动态范围的标准。

发动机温度(水温/油温)

空气温度

稳定时间：根据稳定点的运行时间，可以检查涡轮进口处的压缩空气进气的策略。例如，动态历史可以显示高度“动态”运行，在该点上的稳定时间可能相抵触。

因此，阀定位成获得转移的压缩空气的目标流率，该目标流率通过估算器校正或不校正。

此外，规定通过控制阀74的打开和关闭来优化过渡运行期间发动机的动态范围，允许气体从用于压缩空气的部分转移管道通向涡轮40的进口46。

通常，这些过渡阶段可以被定义为两个稳定状态之间的过渡的阶段，对于这两个稳定状态，比例阀74允许的扫气水平是稳定的并且从在这些运行点中的每一个上预期的发动机性能水平的观点来看是最佳的。部分转移导管的阀的最佳控制在于应用确定的策略来改变阀的关闭或打开的轨迹，以便在优化的条件下从一个稳定状态切换到另一个稳定状态。

图3示意性地示出了点A和B之间的过渡情况，其中点A表示过渡阶段之前的稳定点，而B表示过渡阶段之后的稳定点。点A可以对应于例如装载-抬升开始，而点B对应于达到期望扭矩的时刻。这也可以说明A和B之间的装载的降低。

过渡阶段将针对它这部分在下面的图中表示，这些图描述了用于最佳地管理两个稳定状态A和B之间的过渡的若干策略的示例。在图3中，“100％”和“0％”分别标记阀74中气体通道的打开和完全关闭。因此，用于管理过渡阶段的方法在于应用确定的策略，该策略包括比例阀的至少一个打开(和/或关闭)序列，以获得被涡轮40带动以从一个稳定状态切换到另一个的压缩机44的优化运行。

图4至9示出了在过渡阶段期间管理扫气水平的不同示例。“扫气水平”在此表示通过部分转移导管64引进涡轮进口的压缩空气的气体量。图4对应于在A处过渡阶段开始时突然“扫气”切断的情况，以将其定位在对应于稳定运行点B的设定上。应注意到“扫气”突然切断的事实并不意味着发动机立即达到其第二个稳定运行点B。

图5对应于在过渡阶段期间，“扫气”逐渐地、基本上线性地或不是线性地切断的情况。

图6对应于过渡阶段期间，细分的“扫气”策略的情况。这里，在稳定阶段A和B期间阀的位置之间，执行比例阀的若干打开和关闭的序列

图7对应于逐渐“扫气”切断的情况，其中在过渡阶段期间扫气水平被保持。

在过渡阶段期间用于最佳管理比例阀74的方法的选择主要取决于开始稳定运行点(点A)和目标稳定运行点(点B)的特性。换句话说，必须优化比例阀的控制策略，以最好地对应于发动机运行点的特性(装载，速度，流率，富集度，在每个运行点上所花费的时间等)和增压(旋转速度，泵送保护等)。

例如可以描述装载-抬升，也就是说对发动机的功率需求的快速增加。对于此示例，考虑过渡运行的情况有三个主要阶段：

-阶段1：发动机在低装载运行点稳定；

-阶段2：装载-抬升过渡阶段；

-阶段3：发动机在高装载运行点稳定(装载大于第一个“低”装载阶段的装载)。

认为“扫气”在第一低装载运行点(第一阶段)和第二高装载运行点都有效，按照专用于此装载水平的发动机的需求，其水平可以与第一阶段的水平不同。

根据前面所示的例子，还设想在过渡阶段期间以可变的各水平允许进行扫气。图8示意性地示出了装载-抬升的情况，其具有简化的扫气管理。最初，首先在过渡阶段(轨迹A-A1)的开始处逐渐切断扫气，然后在过渡阶段期间(轨迹A1-A2)中保持一定水平的“扫气”，以及在过渡阶段(轨迹A2-A3)结束时“扫气”逐渐增加。

图9示出了两个稳定阶段以一个且同一个“扫气”水平运行的示例，也就是说，具有比例阀的相同设置。考虑只能修改过渡阶段期间的关闭水平。该策略依赖于4个参数：扫气截止延迟(t1)，截止时间(即减少或阻止扫气所花费的时间，t2)，重新开始扫气的延迟(t3)和截止的“水平”。

实施例表明在以下之间存在折衷：

-快速重新启动“扫气”，这可能导致扭矩中的“洞”(与进气/排气压力平衡、残余气体率等有关等)；

-“扫气”系统的长时间停止会导致涡轮的旋转速度降低，这种减小会在再次允许“扫气”时影响所有动力。

迄今为止确定的最佳策略包括：

-在过渡阶段开始时，非常快速地切断扫气，以便获取快速升高装载。实际上，由于“低装载”运行点允许扫气，因此发动机具有良好的富集余量，用于快速富集混合物并增压(而无需排出烟雾)。

-然后在短时间内部分切断扫气(在模拟的情况下大约0.2到0.3秒)，以便不会使涡轮的旋转速度崩溃(部分切断使得可以先验地保持流率并保持过渡阶段期间的涡轮转速)。

-最后“轻轻地”重新开始扫气，以免出现扭矩“洞”。

该最佳策略和其他模拟情况在图10中示出。“RSS”曲线对应于参考运行“单增压参考”。“RDS”曲线对应于“双增压参考”情况，该图中提到的渐近情况仅用于指示目的，扫气系统先验地允许具有单增压的发动机获得性能水平，但不达到那些双增压发动机的性能水平。

根据本发明，其他曲线对应于配置有单增压的发动机，该单增压器配置有用于压缩空气的部分转移系统或所谓的“扫气”系统。“RBE”曲线(外部扫气参考)对应于允许连续扫气的情况，也就是说，在低装载点上、在过渡阶段期间以及在高装载点上连续扫气。

曲线“1RBE-关(OFF)0.01-STAB2.0-开(ON)0.01”对应于扫气截止延迟为0.01秒、扫气防止时间为2.0秒以及扫气重启时间为0.01秒的情况。在这种情况下可以看出，在重新开始扫气时出现扭矩“洞”，因为所述扫气停止时间太长。

曲线“2RBE-关(OFF)0.01-STAB0.3-开(ON)0.2”最终对应于扫气截止延迟为0.01秒、扫气防止时间为0.2秒以及扫气重启时间为0.2秒的最佳情况。从该图中可以看出，该扫气控制策略使得可以获得快速装载-抬升。

图11示出了涡轮40的速度趋势。尤其可以看到速度的轻微下降，这对应于防止扫气时间过长的情况。

如前所述，最佳控制策略因发动机而异，因此这里所示的不同控制参数的值仅作为指示而提供。

Claims (7)

1.一种用于控制引入增压内燃发动机的进气口的空气量的控制方法，，所述发动机包括与排气歧管(30)相连的排气口(32)、包括增压装置(38)，所述增压装置(38)包括：涡轮压缩机，该涡轮压缩机包括带有连接到所述排气口的单个进口(46)的涡轮(40)和包括外部空气压缩机(44)，以及将压缩空气从压缩机部分输送到涡轮进口的导管(64)，其特征在于，所述部分转移导管(64)连接至涡轮进口，所述导管带有比例阀装置(74)，并且在所述导管内压缩空气的循环在过渡运行阶段期间按照应用到所述阀装置上的策略进行控制，以及根据稳定阶段的特性来进行确定。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，止回阀(80)也设置在所述导管(64)上。

3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述转移导管(64)内循环的压缩空气被加热。

4.按照权利要求3所述的方法，其中在所述转移导管内流通(循环)的压缩空气通过与排出气体的换热被加热。

5.按照权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，为了控制策略，执行下列步骤：

-从用于初始稳定状态的阀装置的打开设置状态起，

-所述设置由确定的梯度减少至一值，该值被保持时间t；

-所述设置以确定的梯度增加，以达到阀装置的打开设置，以达到最终稳定状态。

6.按照权利要求5所述的方法，其中所述初始状态是低装载状态，而所述最终状态是高装载状态。

7.按照权利要求5和6中一个所述的方法，其中用于所述初始和最终稳定状态的所述阀装置的打开设置状态是相同的。