CN110168211A - 用于控制内燃发动机的涡轮增压器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制可变压缩机几何形状涡轮增压器的方法，其中通过根据设定值的第一映射(C1)设定该压缩机的几何形状来控制加压压力，该第一映射对应于该发动机的稳态运行期间该压缩机的优化性能。根据本发明，检测该发动机的瞬态运行，并且根据对应于该发动机的瞬态运行期间该压缩机的优化性能的第二映射(C2)修改压缩机的几何形状设定，并且通过检测该发动机产生的扭矩随时间的变化相对于该发动机速度稳定时获得的最大扭矩水平，使该设定从第二映射逐步切换到第一映射。

Description

用于控制内燃发动机的涡轮增压器的方法

本发明总体上涉及通过包括可变几何形状压缩机的涡轮增压器对用于使内燃发动机增压的系统的控制的领域。

涡轮增压器由涡轮机和压缩机组成，压缩机经由将涡轮机连接至压缩机的轴、由涡轮机驱动旋转。涡轮机在排放气体的路径中安排在发动机的排气回路中，并且由排放气体驱动旋转。压缩机在空气进入发动机的进气路径中安排在进气回路中。所述压缩机压缩注入到发动机中的空气，从而与大气压力下的进气状况相比，使得能够实现发动机增压。

涡轮机从排放气体中吸取的功率可以通过在涡轮机的入口水平处提供具有可变取向的移动叶片来有利地调节，从而使得涡轮机的几何形状能够改变，以便对涡轮机中的排放气体的流动施加影响。于是，人们说到可变几何形状涡轮机。压缩机提供的功率也可以通过在压缩机的入口或出口处安排可变取向叶片来调节。人们说到可变几何形状压缩机。

提供致动器以便控制涡轮机和压缩机分别配备有的可变取向叶片的打开和关闭。这些致动器的控制信号由发动机的电子控制单元(ECU)根据发动机速度和根据发动机扭矩来提供，以便控制发动机的进气歧管中的压力。

涡轮增压的发动机中通常遇到的问题之一涉及涡轮增压器的响应时间。这个问题本质上是由涡轮增压器的回转组件的速度上升的惯性(其不是瞬态发生的)、以及由不足以在低发动机速度下正确地供给涡轮机的发动机吞吐量引起的。这个问题更为重要，因为增压的发动机的立体容积很小、而加压压力的所需水平很高。这样导致在发动机响应于发动机速度加速命令产生的扭矩出现延迟。

鉴于增压的内燃发动机并且尤其是柴油型发动机的性能的提高，对压缩水平的需求越来越高。因此，重要的是能够尽可能灵敏地驱动涡轮增压器、尤其是在瞬态阶段期间(也就是说，对应于驾驶员高加速度要求的阶段)，而不是稳定阶段(对应于具有基本恒定发动机速度的运行阶段)期间。

事实上，通常对如上所述的可变几何形状压缩机系统进行调整，以便在这些稳定阶段期间优化发动机的性能，或者以便在部分增压的运行阶段期间减少燃料消耗和来自车辆的污染物排放。现在，在瞬态阶段时，出于用于将增压系统投入运行的时间的原因，发动机的性能低于发动机在稳定阶段具有的增压水平。

因此，需要在瞬态阶段期间优化可变几何形状压缩机的效率、尤其是以便提高车辆用于加速的能力。

该目的借助于一种用于控制机动车辆的内燃发动机的涡轮增压器的方法来实现，该类型的涡轮增压器包括涡轮机和可变几何形状压缩机，其中，加压压力是基于用于调整压缩机的几何形状的值、通过调整可变几何形状压缩机的几何形状来进行调整的，所述调整值是从压缩机的根据发动机旋转速度的几何形状调整值的第一映射导出的，该第一映射对应于用于发动机的稳定运行的压缩机的优化效率，

其特征在于：

-在突然要求发动机加速后检测发动机的瞬态运行，

-当检测时，可变几何形状压缩机的几何形状调整的修改是基于压缩机的根据发动机旋转速度的几何形状调整值的第二映射来控制的，该第二映射对应于用于发动机的瞬态运行的压缩机的优化效率，并且

-通过检测由发动机实现的增压水平随时间的变化与发动机速度稳定时获得的最大扭矩水平相比较，执行压缩机几何形状根据第二映射进行的调整朝向根据第一映射进行的调整的逐步切换。

当发动机扭矩等于发动机速度稳定时获得的最大扭矩水平的至少90％时，有利地实现从第二映射到第一映射逐步切换。

发动机的瞬态运行的检测优选地包括与发动机链接的加速器踏板的踩下程度随时间的变化与预定阈值进行比较。

当加速器踏板踩下的程度的关于时间的导数大于预定阈值时，有利地检测瞬态运行。

已经被映射在第一映射和第二映射中的压缩机的几何形状的调整值有利地使得压缩机所配备有的可变取向叶片的取向能够得到调整，与根据发动机速度的第一映射的调整值相比，第二映射的调整值适合于控制叶片的更显著打开的位置。

在实施根据第二映射对可变几何形状压缩机的几何形状进行控制期间，涡轮增压器的涡轮机是配备有可变取向叶片的可变几何形状涡轮机，涡轮机的叶片的取向优选地被调整到叶片的关闭位置，并且只要发动机进气歧管中测量的压力低于表示所需加压压力的设定压力，就计算出对应于发动机可允许的最大丰度的发动机的丰度参考值。

在变体中，在根据第二映射实施对可变几何形状压缩机的几何形状的控制期间，涡轮增压器的涡轮机是固定几何形状的涡轮机，安排在涡轮机的入口上游的安全阀被控制进入关闭位置，以便使所有排放气体经过涡轮机，并且只要发动机进气歧管中测量的压力低于表示所需加压压力的设定压力，就计算出对应于发动机可允许的最大丰度的发动机的丰度参考值。

在实施将根据第二映射的压缩机几何形状的调整朝向根据第一映射的调整的逐步切换期间，通过修改涡轮机的几何形状或通过控制安全阀，将进气歧管中的加压压力有利地围绕所需的加压压力进行调整，以便当发动机速度稳定时获得最大扭矩。

本发明还涉及一种增压的内燃发动机，该内燃发动机包括涡轮增压器，该类型的涡轮增压器包括涡轮机和可变几何形状压缩机，其中，该发动机的电子控制单元作用于压缩机的几何形状的控件，其特征在于，所述控制单元适于实施如上所述的方法。

此外，本发明涉及一种机动车辆，其特征在于，所述机动车辆包括如上所述的发动机。

参考附图，通过阅读下文中提供的描述，本发明的其他特征和优点将变得清楚，该描述给出仅供参考、而不是限制性的，在附图中：

-图1是展示了在检测发动机的瞬态运行阶段时用于控制根据本发明的涡轮增压器的方法的流程图；

-图2是展示了对应于可变几何形状压缩机的各位置的各压缩机活动范围的图，这些位置由压缩机所配备有的叶片的角度来标识；

-图3是展示了根据本发明的压缩机的根据发动机速度的几何形状调整值的第一映射和第二映射的图，该第一映射和第二映射分别用于发动机的稳定运行和发动机的瞬态运行；

-图4是展示了压缩机的效率提高的图。

本发明的控制方法可应用于可变几何形状涡轮增压器，该可变几何形状涡轮增压器旨在确保机动车辆配备有的内燃发动机(尤其是柴油型的内燃发动机)的增压，该类型的内燃发动机包括由发动机的电子控制单元(ECU)根据速度和根据发动机扭矩驱动的致动器，以便控制安排在压缩机的叶轮上游或下游的可变取向叶片的打开，并且这使得能够对压缩机的叶轮中的气体的流动施加影响，从而改善其空气动力学性能并扩展压缩机的工作范围。

图2展示了各压缩机工作范围，压缩机工作范围表示由叶片的角度标识的压缩机的各种几何形状，压缩比是根据进入压缩机的空气吞吐量，压缩比被定义为离开压缩机的空气的压力与进入压缩机的空气的压力的比率。应用于叶片取向的55°的角度对应于系统的打开位置，而90°的角度对应于完全关闭的位置，也就是说，对应于气体通向压缩机的叶轮的完全关闭的截面。应当注意的是，给定位置处的实际压缩机工作范围是最靠近该位置的位置处的压缩机工作范围的插值。利用可变几何形状压缩机的常规优化，获得压缩机的叶片打开的调整，以便在恒定发动机速度下优化压缩机的效率，也就是说，以便在稳定运行中优化发动机性能。图3在此方面展示了压缩机的根据发动机旋转速度的几何形状调整值的第一映射C1的示例，该第一映射对应于压缩机的效率在发动机基本恒定的发动机速度下稳定运行中被优化的叶片打开的调整值。

另外，图3示出了压缩机的根据发动机旋转速度的几何形状调整值的第二映射C2，该第二映射对应于可变几何形状压缩机在发动机的瞬态阶段期间(也就是说，在驾驶员高加速度要求之时)的最佳调整。显然，这些调整与针对发动机完全稳定增压的优化的调整有很大不同，尤其是具有更显著的叶片打开角度。事实上，在稳定运行中，寻找最佳性能需要关闭系统，以获得高压缩比，并保持关于压缩机喘振现象的显著裕量。因此，本发明的方法提出通过将第二映射应用于调整叶片打开，以针对发动机的瞬态运行不同地调整可变几何形状压缩机的叶片位置，该第二映射被设计成在发动机的这些瞬态阶段期间优化压缩机的效率。

使用与发动机链接的加速器踏板的加压压力传感器和位置传感器收集的信息，以便定位马达的增压水平，并且以便检测发动机瞬态运行中对高扭矩的需求。参考图1，在步骤E0中，在需求高扭矩时，在步骤E1中通过将加速器踏板的踩下程度随时间的变化与预定阈值进行比较来检测发动机的瞬态运行。例如，当加速器踏板的踩下程度相对于时间的导数大于预定阈值时，或者直到对应于例如大于最大扭矩的90％的值的扭矩需求时，检测瞬态操作。如果这些条件都没有得到确认，则该方法应用步骤E2，在该步骤中，通过使用压缩机的根据发动机旋转速度的几何形状调整值的第一映射来调整压缩机叶片的位置，该第一映射对应于压缩机用于发动机的稳定运行的优化效率。

另一方面，在检测瞬态操作的情况下，应用步骤E3，该步骤中压缩机的根据发动机旋转速度的几何形状调整值的第二映射用于压缩机的叶片位置的调整，该第二映射对应于压缩机用于发动机的瞬态操作的优化效率。更具体地讲，与由根据发动机速度的第一映射的调整值导致的打开位置相比，检测发动机的瞬态运行时使用的该第二映射适于控制叶片的更显著的打开位置。只要扭矩水平没有达到例如发动机速度稳定时获得的最大扭矩水平的90％，就使用该第二映射。当达到或超过该扭矩值时，在步骤E4中，该方法逐步从第二映射转到第一映射、用于压缩机的叶片位置的调整，并且第一映射将完全在发动机瞬态运行结束时使用。

根据是否检测瞬态运行阶段，还通过应用两种不同的调整策略(这两种策略是根据内燃发动机的运行状态来使用的)来确保用于改变可变几何形状压缩机的几何形状的叶片调整。检测瞬态阶段时的叶片位置的调整保证了叶片在瞬态阶段的持续时间上的更显著打开。

在步骤E5中，在需求高扭矩时检测瞬态操作时，通过控制方法应用压缩机几何形状的调整的修改，与此同时，控制方法还被设计成在涡轮增压器的发动机级和涡轮机级起作用。

在涡轮增压器的涡轮机是配备有可变取向叶片的可变几何形状涡轮机的情况下，在步骤E3中实施压缩机几何形状的调整的修改期间，涡轮机的叶片的取向被同时调整(在步骤E5中)到叶片的关闭位置。在同一步骤E5中，计算出发动机的丰度参考值，该丰度参考值对应于发动机可允许的最大丰度。发动机可允许的最大丰度对应于燃烧质量在其下是可接受的极限(柴油发动机中烟气极限下的丰度，或汽油发动机中1至1.15数量级的最佳丰度)。

在步骤E5的变型中，在涡轮增压器的涡轮机是固定几何形状涡轮机的情况下，安全阀(废气门)被控制进入关闭位置，以便使所有排放气体通过涡轮机，并且计算出发动机的丰度参考值，该丰度参考值对应于发动机可允许的最大丰度。涡轮增压器发动机常规地配备有这样的安全阀，以防止涡轮增压器“竞速”，也就是说，防止其旋转速度变得太高。该阀安排在排气门和涡轮机的入口之间，并且当该阀关闭时，所有排放气体都穿过涡轮机。

而且，通过步骤E5中的变型，在汽油发动机的情况下，控制放置在进气歧管的入口处的节流阀完全打开，以便尽快获得完全增压，并且计算出发动机的丰度参考值，该参考值对应于发动机可允许的最大丰度。

只要在发动机的进气歧管中测量的压力PMANI低于表示所需增压压力的设定压力PMANI_目标，例如只要进气歧管中的压力没有达到设定压力的大约90％，就应用上述在步骤E5中在涡轮增压器的发动机级和涡轮机级实施的动作。

在步骤E4(在该步骤中该方法从第二映射逐步转到第一映射以调整压缩机的几何形状)的同时，在步骤E6中，通过作用于涡轮机的叶片位置的控制或涡轮机的安全阀的打开控制，进气歧管中的加压压力围绕所需的加压压力进行调整以便在发动机速度稳定时获得最大扭矩。

然后，在步骤E7中，对应于压缩机的几何形状的优化调整的第一映射完全用于发动机的稳定运行中。

图4(其表示分别在有和没有应用压缩机的叶片位置调整的情况下压缩机的根据时间的两条效率曲线，这两条曲线已经针对发动机的瞬态运行进行了优化)展示了在瞬态运行的情况下由于实施这些调整而获得的压缩机效率的提高。这样显然获得更高的效率，这些更高的效率有利于发动机在瞬态运行中的性能和响应时间，但这些更高的效率也通过减少发动机喘振造成的损失而有利于发动机的消耗。

Claims (10)

1.一种用于控制机动车辆的内燃发动机的涡轮增压器的方法，该类型的涡轮增压器包括涡轮机和可变几何形状压缩机，其中加压压力是通过基于该压缩机的几何形状的调整值调整该可变几何形状压缩机的几何形状来调整的，所述调整值从该压缩机的根据该发动机的旋转速度的几何形状调整值的第一映射(C1)导出，该第一映射对应于用于该发动机的稳定运行的该压缩机的优化效率，

其特征在于：

-在突然要求该发动机加速后检测(E1)该发动机的瞬态运行，

-当检测时，基于该压缩机的根据该发动机的旋转速度的几何形状调整值的第二映射(C2)来控制(E3)对该可变几何形状压缩机的几何形状调整的修改，该第二映射对应于该发动机的瞬态运行的该压缩机的优化效率，并且

-通过检测由该发动机实现的扭矩水平随时间的变化与该发动机速度稳定时获得的最大扭矩水平相比较，执行(E4)该压缩机几何形状根据第二映射进行的调整朝向根据第一映射进行的调整的逐步切换。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法在该发动机扭矩等于该发动机速度稳定时获得的最大扭矩水平的至少90％时，从第二映射逐步切换到第一映射。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该发动机的瞬态运行的检测(E1)包括与该发动机链接的加速器踏板的踩下程度随时间的变化与预定阈值进行比较。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，当该加速器踏板踩下的程度的关于时间的导数大于该预定阈值时，检测瞬态运行。

5.如前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，已经被映射在第一映射和第二映射中的该压缩机的几何形状的调整值使得该压缩机所配备有的可变取向叶片的取向能够被调整，与根据该发动机速度的第一映射的调整值相比，第二映射的调整值适合于控制这些叶片更显著打开的位置。

6.如前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，在实施根据第二映射(C2)对该可变几何形状压缩机的几何形状进行控制(E3)期间，该涡轮增压器的涡轮机是配备有可变取向叶片的可变几何形状涡轮机，该涡轮机的叶片取向被调整(E5)到该叶片的关闭位置，并且只要该发动机进气歧管中测量的压力低于表示所需加压压力的设定压力，就计算出对应于该发动机可允许的最大丰度的该发动机的丰度参考值。

7.如权利要求1至5中任意一项所述的方法，其特征在于，在实施根据第二映射(C2)对该可变几何形状压缩机的几何形状进行控制(E3)期间，该涡轮增压器的涡轮机是固定几何形状的涡轮机，安排在该发动机出口处的用于排放气体的排气阀和该涡轮机的入口之间的安全阀被控制进入关闭位置，以便使所有排放气体经过该涡轮机，并且只要在该发动机进气歧管中测量的压力低于表示所需加压压力的设定压力，就计算出对应于该发动机可允许的最大丰度的该发动机的丰度参考值。

8.如权利要求6和7中之一所述的方法，其特征在于，在实施将根据第二映射的该压缩机几何形状的调整朝向根据第一映射的调整逐步进行切换(E4)期间，通过修改该涡轮机的几何形状或通过控制该安全阀，将该进气歧管中的加压压力围绕所需的加压压力进行调整(E6)，以便当该发动机速度稳定时获得最大扭矩。

9.一种增压的内燃发动机，该内燃发动机包括涡轮增压器，该类型的涡轮增压器包括涡轮机和可变几何形状压缩机，其中该发动机的电子控制单元用作该压缩机的几何形状的控制件，其特征在于，所述控制单元适合于实施根据前述权利要求中的任意一项所述的方法。

10.一种机动车辆，其特征在于，该机动车辆包括如权利要求9所述的发动机。