CN115023544A - 用于估计发动机的涡轮增压器的效率损失的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及涡轮增压器效率的改进，并且更具体地，涉及用于估计涡轮增压器的效率损失的方法和系统。该方法包括以下步骤：监测多个操作参数，并且基于这些操作参数根据第一校准图来确定压缩机出口温度。然后，基于压缩机出口温度根据第二校准图来确定对瞬时涡轮增压器效率损失的估计。瞬时涡轮增压器效率损失被用来确定对发动机服务期间的累计涡轮增压器效率损失的估计。将对累计涡轮增压器效率损失的估计与第一预定效率损失阈值进行比较，并且如果超过第一预定效率损失阈值，则生成第一信号。

Description

用于估计发动机的涡轮增压器的效率损失的方法

技术领域

本发明涉及涡轮增压器效率的改进，并且更具体地，涉及用于估计涡轮增压器的效率损失的方法和系统。

背景技术

内燃发动机被供应有空气和燃料的混合物用于在发动机内燃烧以产生机械动力。为了使该燃烧过程产生的动力最大化，发动机经常配备有涡轮增压流体(通常是空气)进气系统，一般被称为涡轮增压器。内燃发动机因而可以包括用于压缩将被供应到对应燃烧气缸内的一个或多个燃烧室的流体的一个或多个涡轮增压器。每个涡轮增压器典型地包括由来自发动机的废气驱动的涡轮和由涡轮驱动的压缩机。压缩机接收将被压缩的流体并将压缩的流体供应到燃烧室。由压缩机压缩的流体可以仅是燃烧空气的形式，或者可以是燃料和燃烧空气的混合物。通过使用涡轮增压器，可从给定尺寸的发动机获得的动力可以显著提高。

可以暴露于高环境温度和/或高占空因数持续运行的发动机可能经历涡轮增压器压缩机温度的升高。随着涡轮增压器内侧温度越来越高，涡轮增压器的速度不能再有效增加，这可能导致发动机性能的下降。虽然内燃发动机可以被设计成具有开路式或闭路式通气管系统，但如今大多使用闭路式通气管系统，这可能导致附加的结垢问题。在内燃发动机的压缩和动力冲程期间，活塞上下的气体压力差可能足以造成气体穿过活塞进入发动机曲轴箱的泄漏(窜气)。所得曲轴箱内压力的增加可能迫使机油(蒸汽或液体)穿过发动机油封，并且这种压力也可能损坏油封，并因此导致机油进一步泄漏。为了减少窜气的破坏性影响，通常是通过以下方式来缓解曲轴箱压力：将通气管气体经由打开的通气管排入大气，或者将曲轴箱连接到发动机进气系统，从而使通气管气体经由发动机进气系统并在压力调节装置的控制下被输送到发动机燃烧室。后者这种系统构成了闭路式通气管系统。

在通气管系统中，期望包括检索被包含在通气管气体中的机油并将其返回到发动机润滑油槽中以供重新使用的装置。否则，遗留的机油可能导致污染，并且在闭路式系统中导致涡轮增压器压缩机叶片、发动机提动阀和其他与进入空气接触的部件结垢。

除了潜在地导致污染和排放问题之外，通气管气体中的遗留机油可能减少可用于发动机润滑和冷却要求的油量。期望最小化机油遗留，并且油/空气分离器因而可以被包括在大多数闭路式通气管系统中。

目前的内燃发动机典型地具有以80％-90％的效率操作的闭路式通气管分离器。在升高的温度下，并且尤其当在升高的温度下长时间操作时，残留机油可能燃烧到压缩机叶轮上，从而造成结垢。此种结垢可能致使涡轮增压效率并且因此发动机性能的明显下降。在最坏的情况下，在耐久性验证过程中观察到了压缩机卡死和部件故障。目前，这种结垢不能通过现有的发动机传感器来测量，并且对因结垢致使的任何问题的检测依赖于全面服务程序。

US-B-7801660公开了一种用于估计动力装置中压缩机结垢的影响的系统。该系统包括与一个或多个监测设备通信并接收当前性能数据的控制单元。控制单元包括程序逻辑，该程序逻辑基于对效率的可恢复影响来计算压缩机的结垢和对组合循环动力装置的燃料消耗的可恢复影响。

本发明的目的是提供一种用于估计由于压缩机结垢引起的涡轮增压器的效率损失的方法和系统。

发明内容

本发明的实施例提供了用于在涡轮增压器服务时处理由于压缩机结垢引起的涡轮增压器的效率损失并且如果效率损失下降到阈值以下则提供警告和/或控制涡轮增压器的方法和系统。

在本发明的实施例中，通过测量涡轮增压器的多个操作参数来监测发动机涡轮增压器在发动机中服务期间的效率损失。这些参数被校准图用于处理压缩机出口温度。压缩机出口温度继而与另一校准图一起使用以根据第二校准图来处理对瞬时涡轮增压器效率损失的估计。瞬时涡轮增压器效率损失被处理以确定对发动机服务期间的累计涡轮增压器效率损失的估计，并且该累计涡轮增压器效率损失可以与第一预定效率损失阈值进行比较。如果累计涡轮增压器效率损失超过第一预定效率损失阈值，则生成信号，并且该信号可以生成警告和/或被通信到控制器以控制涡轮增压器的操作。信号/警告可以规定对涡轮增压器的保养，并且控制器可以控制涡轮增压器在安全状态下操作，直到可以提供保养。

附图说明

图1是根据本发明的用于估计涡轮增压器的效率损失的系统的示意图；

图2是示出涡轮增压器效率损失与压缩机出口温度的图表；并且

图3是示出估计被图1系统使用的涡轮增压器的效率损失的方法的步骤。

具体实施方式

在本发明的实施方案中，监测涡轮增压器的操作以便保持涡轮增压器的效率并防止对涡轮增压器的损坏。为了保持和保护涡轮增压器，当涡轮增压器在发动机中服务时，实时处理涡轮增压器的效率损失。通过监测涡轮增压器的操作参数并且基于涡轮增压器的操作参数使用校准图确定压缩机出口温度来处理效率损失。对瞬时涡轮增压器效率损失的估计是使用所确定的压缩机出口温度从第二校准图中找到的。瞬时涡轮增压器效率损失被用来确定对发动机服务期间的累计涡轮增压器效率损失的估计。对累计涡轮增压器效率损失的估计与预定效率损失阈值进行比较，如果超过预定效率损失阈值，则生成警告信号和/或控制涡轮增压器以防止其损坏。对超过预定效率损失阈值的累计涡轮增压器效率损失的检测可以用来作出关于涡轮增压器的保养决定和/或控制涡轮增压器/发动机在安全状态下操作，直到提供服务。

参考图1，示出了适合于操作图3中图示的并且在本文中公开的用于估计涡轮增压器11的效率损失的方法的系统10的示意图。系统10可以包括用于发动机16的涡轮增压器11。涡轮增压器11可以安装在涡轮增压器壳体12内。涡轮增压器11可以包括压缩机叶轮13和涡轮机叶轮14，它们可以通过轴15以已知的方式连接。流体(通常是空气)可以经由流体管道17循环通过涡轮增压器11和发动机16。涡轮增压器壳体12可以包括压缩机入口18、压缩机出口19、涡轮入口20和涡轮出口21。系统10可以包括用于监测将在估计涡轮增压器11的效率损失中使用的各种参数的多个传感器。这些传感器可以包括：

-气压传感器22，其可以测量环境空气(或其他流体)的气压(P_bar)，其可以安装在电子控制模块30上(下文有详细描述)；

-发动机转速传感器24，其可以以常规方式定位在发动机16内，其可以测量发动机转速(Ω)。发动机速度传感器24可以是监测曲轴的位置或转速的曲柄转速传感器或其他合适类型的传感器；

-压缩机入口温度传感器26，其可以测量进入压缩机入口18的环境空气或其他流体(即进气)的温度(T_amb)，其可以附接到涡轮增压器壳体12或可以定位在压缩机入口18上游的流体管道17之一内的另一点处；以及

-NO_x传感器27，其可以是用于测量发动机16的废气排放中的NOx(氮氧化物)浓度(NOx_con)的高温传感器并且可以位于利用系统10的车辆的排气管中(未示出)。

系统10可以包括连接到发动机16的电子控制模块30(也被称作ECU或ECM)。电子控制模块25可以执行若干功能，包括监测发动机16和涡轮增压器11的性能。电子控制模块30可以是其中安装有系统10的机器或车辆的主控制系统(未示出)的一部分，该主控制系统监测和控制机器或车辆和发动机16的其他功能。替代地，它也可以是单独的模块。电子控制模块30可以包括存储器和处理单元，该存储器可以存储数据形式的指令或算法，该处理单元可以包括被配置为基于指令执行操作的软件。存储器可以包括用于存储计算机程序指令的任何合适的计算机可存取存储介质或非暂时性存储介质，诸如RAM、SDRAM、DDR、SDRAM、RDRAM、SRAM、ROM、磁介质、光介质等。处理单元可以包括能够执行存储器存储的指令的任何合适的处理器，诸如微处理器、单处理器、多处理器等。

电子控制模块30还可以包括服务小时计量器，其测量每个时段的发动机运行时间以确定发动机使用寿命(t_engine)，也就是发动机16在其寿命期间已经运行的总小时数。

气压传感器22、发动机转速传感器24、压缩机入口温度传感器26和NO_x传感器27可以经由通信线路28向电子控制模块30提供分别与参数气压(P_bar)、发动机转速(Ω)、进气的环境温度(T_amb)和氮氧化物的浓度(C_nox)相关的信号。通信线路28可以是硬布线的或无线的。

另外，另一参数燃料喷射量(V_i)可以由电子控制模块30来确定。燃料的喷射可以由电子控制模块30来控制，并且燃料喷射量(V_i)可以由输送的燃料量和喷射持续时间来确定。

校准图也被称作性能图，并且其可以包括燃料图、效率图和消耗图)可以用来表示发动机16和涡轮增压器11在不同负载和操作条件的组合下的期望性能。在某些参数无法测量或难以测量的情况下，此类校准图可以使某些输出参数能基于某些输入参数被预测(确定)。电子控制模块30因而可以包括被配置为存储此类发动机性能图的存储器，并且可以连续地使用输入参数连同来自发动机性能图的数据，以确定在涡轮增压器效率损失估计方法中使用的其他参数。

在本系统10中，电子控制模块30可以存储压缩机出口温度图31，该图可以在用于估算涡轮增压器11的效率损失的方法中使用，以提供对压缩机出口温度(T_exit)的确定，该温度是压缩机出口19处的流体的温度。压缩机出口温度可能难以直接测量，因此该方法利用压缩机出口温度图31，根据如由气压传感器22、发动机转速传感器24、压缩机入口温度传感器26和NO_x传感器27测量的发动机转速(Ω)、气压(P_bar)和环境温度(T_amb)以及如由电子控制模块30确定的燃料量(V)来确定压缩机出口温度(T_exit)。可调整的低通滤波器可以用来使由于发动机瞬态变化产生的输入平滑。压缩机出口温度图31可以使用经验导出的离线数据、模拟数据和/或操作测试数据来编译。

所确定的压缩机出口温度(T_exit)可以用作对压缩机结垢损坏图32的输入参数，该压缩机结垢损坏图32也可以被存储在电子控制模块30中。压缩机结垢损坏图32可以提供对瞬时涡轮增压器效率损失百分比(TEL_i)对输入压缩机出口温度(T_e)的确定。压缩机结垢损坏图32也可以使用经验导出的离线数据来编译，并且图2图示了输出。在发动机的估计寿命中，不太可能发生结垢的最低压缩机出口温度(T_exitmin)可以从模拟中确定，并且该温度可以被设定为梯度的起始点。模拟可以用来显示压缩机结垢的百分比中有线性增长，使得在最坏的场景中关心达到结垢速率阈值所花费的时间。此外，针对发动机16的最大安全操作温度也可能是已知的或预测的，并且该温度可以用来设定梯度末端的最大压缩机出口温度(T_exitmax)。因此，使用测试数据和建模，瞬时涡轮增压器效率损失(TEL_i)随时间(即当前操作时间)的百分比可以相对于输入压缩机出口温度(T_e)绘制。

电子控制模块30可以使用瞬时涡轮增压器效率损失百分比(TELi)来确定涡轮增压器11在发动机使用寿命(t_engine)中的累计涡轮增压器效率损失百分比(TEL_c)。这可以通过对发动机使用寿命(t_engine)中的瞬时效率损失(TEL_i)进行积分来计算。累计涡轮增压器效率损失百分比(TEL_c)可以被存储在电子控制模块30的非易失性存储器中，并且可以定期更新，例如每次发动机16被切断(关闭)或者在预定操作时段之后。如果发动机等级分析显示在某些操作条件下运行致使结垢恢复并且因此效率提高并被限制在0％到100％的总体范围内，则积分器可以被设计成允许增量和减量累计。

当电子控制模块30上电时，积分应初始化为先前存储的累计涡轮增压器效率损失百分比(TEL_c)，并且然后在随后的动力循环中，积分应从这一点开始累计。

指示涡轮增压器效率的整体下降的累计涡轮增压器效率损失百分比(TEL_c)可以与一个或多个预定效率损失阈值进行比较，并且如果超过阈值，则可以生成信号。该信号可以触发警报，该警报可以被显示或通信给操作员、服务团队或经销商。在本示例中，有2个阈值级别：

-等级1效率损失阈值(TEL_thresh1)可以设定在这样的级别，即估计的效率损失没有达到应该立即采取行动的级别，因为没有由于结垢引起的迫在眉睫的损坏风险，但是建议在下一次定期服务时采取行动。如果累计涡轮增压器效率损失百分比(TEL_c)超过等级1效率损失阈值(TEL_thresh1)，则可以触发涡轮增压器低效率等级1事件警报(A1)。

-等级2效率损失阈值(TEL_thresh2)可以设定在这样的级别，即估计的效率损失达到了应该立即采取行动的级别，因为有由于压缩机结垢引起的对涡轮增压器11的迫在眉睫的损坏风险。此种行动可以是使发动机降速，这可以限制动力或车速，这可以减少注入发动机16的燃料的量并且从而可以降低温度，这继而可以降低进一步结垢的风险。如果累计涡轮增压器效率损失百分比(TEL_c)超过等级2效率损失阈值(TEL_thresh2)，则可以触发涡轮增压器低效率等级2事件警报(A2)。

虽然在该示例中，有两个效率损失阈值，但系统10可以只有一个，也可以有两个以上，每一个都根据超过阈值给出不同的警报。

在发出涡轮增压器低效率等级2事件警报(A2)之前，系统10可以基于废气中的NOx浓度(NOx_con)来作出进一步检查。NOx(或氮氧化物)是汽车尾气中的一种化学物质，当车辆发动机燃烧室内侧温度超过1370℃时便会产生。选择性催化还原后处理系统可以用来将可能产生的NOx转化为危害较小的排放物，诸如氮气和水。选择性催化还原系统可以包括催化剂，该催化剂促进可能存在于经过选择性催化还原系统的气流中的NOx与还原剂之间的反应，以便从气流中基本上去除NOx。由于发动机16的温度直接影响NOx水平，可以进行进一步检查以确定NOx的高水平是否是由于其他因素而不是压缩机结垢引起的。

NOx浓度(NOx_con)可以与预定NOx阈值(NOx_thresh)进行比较，并且如果NOx浓度(NOx_con)超过预定NOx阈值(NOx_thresh)，这可以触发涡轮增压器低效率等级2事件警报。NOx浓度(NOx_con)可以被测量为百万分之几(ppm)，并且如果预定NOx阈值(NOx_thresh)以g/kWh为单位设定，则该NOx浓度可以使用已知的公式转换为发动机每千瓦时(g/kWh)产生的排放物的克数。

在具有基于选择性催化还原的后处理系统和排气管NOx的发动机上，NOx浓度(NOx_con)可能已经被选择性催化还原控制策略直接监测。在没有基于选择性催化还原的后处理系统并且没有NOx传感器27的发动机上，NOx估计策略可以用来估计“排出发动机(engine out)”的NOx浓度(NOx_con)。在该示例中，假设是，如果涡轮增压器开始结垢，涡轮增压器性能的下降会被废气再循环和总空气质量流量估计所发现，该下降是用作对NOx估计策略的输入的对废气再循环比率和燃烧气体分数计算的输入。由于没有选择性催化还原催化剂，估计的排出发动机的NOx浓度(NOx_con)将等同于在柴油氧化催化剂和柴油微粒过滤器之后的排气管中的NOx浓度(NOx_con)。此种NOx估计策略可以采取复杂模型的形式，诸如神经网络，和/或更简单的NOx估计查找图。

在本系统10中，可以使用NOx传感器安装状态传感器(未示出)来确定NOx传感器27的安装状态，并且如果NOx传感器安装状态传感器确定安装了NOx传感器27，则可以指导系统10使用由NOx传感器27测量的NOx浓度。如果NOx传感器安装状态传感器确定没有安装NOx传感器27，则可以指导系统10使用NOx估计策略来确定对NOx浓度的估计。

如果NOx传感器27被用来提供NOx浓度(NOx_con)，并且确定NOx传感器27有故障，则NOx浓度(NOx_con)可以被设定为0，并且涡轮增压器低效率等级2事件可被暂停触发，直到可以信任NOx浓度读数。如果NOx排放图被用来提供NOx浓度，则在NOx排放图中可能有固有的故障逻辑，它切换到替代的NOx图估计，并且该NOx图估计仍然可以用来提供NOx浓度且仍然可以触发涡轮增压器低效率等级2事件警报。

涡轮增压器低效率等级1事件可以设定为在累计涡轮增压器效率损失(TEL_c)超过第一预定效率损失阈值时触发警报。警报可以被编程为仅在清洗涡轮增压器或更换后经由服务工具复位功能来复位。

涡轮增压器低效率等级2事件可以被设定为在累计涡轮增压器效率损失(TEL_c)超过第二预定效率损失阈值时触发警报，该第二预定效率损失阈值高于第一预定效率损失阈值，并且在NOx浓度(NOx_con)也被用于附加的测试的情况下，NOx浓度(NOx_con)预定的NOx浓度阈值(NOx_thresh)用于预定时段(t_nox)。

当电子控制模块30确定存在某些操作条件时，诸如发动机16在有已知的升高的NOx条件的情况下在操作或故障模式下运行，可以排除预定NOx浓度阈值检查。这些条件可以包括废气再循环系统的故障，该故障可能造成废气再循环阀关闭或卡住；废气再循环减少的高温运行条件；以及后处理再生和预热模式。例如，如果发动机16空转，则系统10可以确定NOx浓度是否高是无关紧要的，因为压缩机出口19处的流体温度不可能超过最低压缩机出口温度(T_exitmin)，并且压缩机因而不可能发生结垢。启用图33也可以用来确定是否存在任何这些操作条件，它可以使用发动机转速(Ω)和燃料喷射量(V_i)作为该确定步骤的输入参数。NOx触发器也可以有条件地启用，以保护LRC发动机硬件组，以便可以在没有能力测量或估计NOx的应用中触发诊断。整体事件触发器也可以有条件地启用，以便系统10可以出于监测涡轮增压器效率的目的在其他平台上使用，而不是在车辆中。警报可以被编程为仅在清洗涡轮增压器11或更换后经由服务工具复位功能来复位。

涡轮增压器低效率等级2事件警报也可以被设定为触发发动机降速程序以保护涡轮增压器11。在该示例中，降速百分比可以被映射为累计涡轮增压器效率损失(TEL_c)的函数。

工业实用性

用于估计涡轮增压器效率损失的方法和系统特别适用于在车辆的发动机16中使用，诸如内燃发动机，尽管它可以扩展到其他应用中。由于在发动机16处于原位时不可能检测到由遗留的油被燃烧到压缩机叶轮13上致使的压缩机叶轮13的实际结垢，因此存在这样的风险，即虽然此种结垢可能致使涡轮增压效率以及因而发动机性能的显著下降，但是可能不认为结垢是此种下降的原因。因此，在许多情况下，压缩机结垢可能直到执行全面服务才被意识到，这可能意味着相比于如果更早检测，结垢可能已经造成更大的损害，或者已经致使不符合排放法规。用于估计涡轮增压器的效率损失的本方法和系统因而可以预测结垢何时达到应该采取行动的级别，无论是立即还是在下一次服务时。根据估计的效率损失的严重程度，可以设置不同的阈值级别以产生不同的警报。

该方法可以进一步提供合理性检查以确保效率损失的可能性是结垢的结果，而不是其他系统，诸如废气再循环系统，没有按照预期运作。

Claims (10)

1.一种用于估计发动机的涡轮增压器的效率损失的方法，所述方法包括以下步骤：

监测多个操作参数；

基于所述多个操作参数根据第一校准图来确定压缩机出口温度；

基于所述压缩机出口温度根据第二校准图来确定对瞬时涡轮增压器效率损失的估计；

使用所确定的瞬时涡轮增压器效率损失来确定对发动机服务期间的累计涡轮增压器效率损失的估计；

将对累计涡轮增压器效率损失的所述估计与第一预定效率损失阈值进行比较；以及

如果超过所述第一预定效率损失阈值，则生成第一信号。

2.如权利要求1所述的方法，还包括：

控制器，其被配置为当生成所述第一信号时，控制所述发动机的操作和/或控制所述涡轮增压器在安全状态下操作。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述多个操作参数包括发动机转速、燃料喷射量、气压和环境温度。

4.如权利要求1所述的方法，其中，如果超过所述第一预定效率损失阈值，则将对累计涡轮增压器效率损失的所述估计与高于所述第一预定效率损失阈值的第二预定效率损失阈值进行比较，并且如果对累计涡轮增压器效率损失的所述估计超过所述第二预定效率损失阈值，则生成第二信号。

5.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

确定发动机废气中的NOx浓度；

将所确定的NOx浓度与预定NOx阈值进行比较；以及

仅当所确定的NOx浓度超过所述预定NOx阈值且对累计涡轮增压器效率损失的所述估计超过所述第二预定效率损失阈值时才提供所述第二信号。

6.如权利要求5所述的方法，还包括以下步骤：

从第三校准图中确定任何预定操作条件的存在；以及

如果存在任何此类预定操作条件，则排除将所确定的NOx浓度与所述预定NOx阈值进行比较的步骤。

7.如权利要求6所述的方法，其中，发动机转速和燃料喷射量被所述第三校准图用作用于是否存在任何预定操作条件的所述确定的输入参数。

8.如权利要求7所述的方法，其中，所述预定操作条件包括其中有已知的升高的NOx条件的发动机操作或故障模式。

9.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一信号和/或所述第二信号分别触发第一警报和/或第二警报和/或发动机的改变和/或涡轮增压器操作。

10.一种被配置为实现如权利要求1所述的用于估计发动机涡轮增压器的效率损失的方法的系统，包括：

发动机；

涡轮增压器；

多个传感器，其监测所述多个操作参数；

控制器，其被配置为接收与所述多个发动机操作参数相关的信号，所述控制器包括被配置为存储一个或多个所述校准图的存储器，其中，所述控制器被配置为生成一个或多个所述信号。

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