CN116608039A - 在发动机制动期间涡轮增压器的可变涡轮喷嘴的控制方法 - Google Patents

在发动机制动期间涡轮增压器的可变涡轮喷嘴的控制方法 Download PDF

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Abstract

一种在内燃发动机(ICE)系统的发动机制动操作中使用的控制方法，该内燃发动机(ICE)系统包括具有可变喷嘴涡轮(VNT)的涡轮增压器，该ICE系统还包括设置在可变喷嘴涡轮下游的排气管路中的排气挡板。在关闭排气挡板之前，VNT翼片首先停放在完全打开位置。在排气挡板关闭之后，翼片枢转到完全关闭位置，并且只要排气挡板关闭，翼片就被持续地推靠硬止动件。发动机制动的终止需要使翼片枢转回到完全打开位置，接着排气挡板打开。

Description

在发动机制动期间涡轮增压器的可变涡轮喷嘴的控制方法
技术领域
本发明涉及一种配备有涡轮增压器的内燃发动机，该涡轮增压器具有可变喷嘴涡轮，该可变喷嘴涡轮借助于可变设定角的翼片(vane)，以便调节到涡轮的排气流。本发明更具体地涉及用于在发动机制动操作期间控制可变翼片的方法，在发动机制动操作中，排气挡板被关闭以用于升高发动机上的背压。
背景技术
排气驱动的涡轮增压器是一种与内燃发动机结合使用的装置，其通过压缩被输送到发动机的进气口的空气以与燃料混合并在发动机中燃烧来增加发动机的功率输出。涡轮增压器包括压缩机壳体中的安装在轴的一端上的压缩机叶轮和涡轮壳体中的安装在所述轴的另一端上的涡轮叶轮。涡轮壳体通常与压缩机壳体分开形成，并且还有另一个中心壳体被连接在涡轮壳体和压缩机壳体之间，用于容纳用于轴的轴承。涡轮壳体限定大致环形的腔室，其围绕涡轮叶轮并且接收来自发动机的排气。涡轮组件包括从腔室通向涡轮叶轮中的喷嘴。排气从腔室通过喷嘴流到涡轮叶轮，并且涡轮叶轮由排气驱动。因此，涡轮从排气中提取动力并驱动压缩机。压缩机通过压缩机壳体的入口接收环境空气，并且空气被压缩机叶轮压缩并且然后从壳体排放到发动机进气口。
用涡轮增压器提升发动机性能的挑战之一是在发动机的整个操作范围内实现期望的发动机功率输出量。已经发现，这个目的对于固定几何涡轮增压器通常不容易达到，因此已经开发了可变几何涡轮增压器，其目的在于提供对由涡轮增压器提供的增压量的更大程度的控制。
一种类型的可变几何涡轮增压器是可变喷嘴涡轮增压器(VNT)，其包括在涡轮喷嘴中的可变翼片阵列。翼片可旋转地安装到喷嘴环，喷嘴环形成喷嘴的一个壁。翼片连接到能够改变翼片的设定角的机构。改变翼片的设定角具有改变涡轮喷嘴中的有效流动面积的效果，并且因此可通过控制翼片位置来调节流向涡轮叶轮的排气流。以这种方式，可以调节涡轮的功率输出，这允许将发动机功率输出控制到比固定几何涡轮增压器通常可能的程度更大的程度。
涡轮增压的内燃发动机系统(尤其是用于卡车的柴油发动机系统)通常配备有发动机制动系统，该发动机制动系统包括设置在涡轮增压器下游的排气管线中的排气挡板。关闭排气挡板导致发动机上的背压增加，使得发动机在车辆传动系上施加制动扭矩，从而对车辆进行制动。排气挡板的操作还在涡轮增压器的涡轮上施加压力效应，这种效应在某些情况下可能是不希望的。特别地，压力效应可引起喷嘴的可变翼片的空气动力学方面的不稳定性。
本公开涉及在发动机制动操作期间用于可变涡轮喷嘴的翼片的控制方法的改进。
发明内容
本公开描述了能够减轻或基本消除在发动机制动操作期间有害的翼片不稳定性的控制方法。在本文的一个实施例中，描述了一种在内燃发动机(ICE)系统的发动机制动操作中使用的控制方法，所述内燃发动机(ICE)系统包括具有可变喷嘴涡轮(VNT)的涡轮增压器，所述ICE系统还包括设置在所述可变喷嘴涡轮下游的排气管路中的排气挡板。所述控制方法包括以下步骤：
(a)接收开始命令以开始发动机制动；
(b)在接收到所述开始命令时，启动所述VNT的翼片朝向完全打开位置的枢转；
(c)在步骤(b)之后，致动所述排气挡板以移动到预定的进一步关闭位置；
(d)在步骤(c)之后，致动所述VNT的所述翼片以枢转到抵靠硬止动件的完全关闭位置，并且只要所述排气挡板处于所述进一步关闭位置，就持续地推所述翼片抵靠所述硬止动件；
(e)接收停止命令以终止发动机制动；
(f)在接收到所述停止命令时，启动所述翼片的枢转以朝向所述完全打开位置枢转；以及
(g)在步骤(f)之后，致动所述排气挡板以移动到打开位置。
根据本发明的一个实施例，仅在步骤(b)中所述翼片已经到达其完全打开位置之后，在步骤(c)中所述排气挡板到达所述进一步关闭位置。在一些情况下有利的是，仅在步骤(f)中所述翼片已经到达其完全打开位置之后，在步骤(g)中所述排气挡板到达所述打开位置。
可选地，在步骤(b)中所述翼片已经到达其完全打开位置之前，在步骤(c)中所述排气挡板可以开始向所述进一步关闭位置移动。类似地，在步骤(f)中所述翼片已经到达其完全打开位置之前，在步骤(g)中所述排气挡板可以开始向所述打开位置移动。
根据替代实施例，步骤(b)可以省略，使得所述排气挡板移动到进一步关闭位置，同时翼片保持在它们的当前位置。一旦所述排气挡板处于进一步关闭位置，则按照上述步骤(d)，翼片枢转到抵靠硬止动件的完全关闭位置。
附图说明
已经概括地描述了本发明，现在将参考附图，附图不必按比例绘制，并且附图中：
图1是具有可变翼片涡轮喷嘴的涡轮增压器的截面图；
图2是用于涡轮增压器的可变翼片组件的一个实施例的等距视图，示出了该组件的翼片侧；
图3是图1的涡轮增压器的示意图，该涡轮增压器连接到排气管，在该排气管中布置有用于执行发动机制动的排气挡板；
图4是从翼片臂侧看到的可变翼片组件的实施例的平面图，示出了处于完全打开位置的翼片；
图5是图4的可变翼片组件的局部视图，示出了处于完全关闭位置的翼片；
图6是流程图，描绘了根据本发明的实施例的控制方法的步骤；以及
图7是流程图，描绘了根据本发明的替代实施例的控制方法的步骤。
具体实施方式
现在将在下文中参考附图更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的一些但不是全部实施例。实际上，这些发明可以以许多不同的形式来实现，并且不应被解释为限于本文阐述的实施例；相反，提供这些实施例是为了使本公开满足适用的法律要求。相同的数字始终表示相同的元件。
图1以截面图示出了根据本发明的一个实施例的涡轮增压器10。该涡轮增压器包括压缩机12，压缩机12具有安装在压缩机壳体16中在可旋转轴18的一端的压缩机叶轮或旋桨14。该轴被支撑在轴承19中，轴承19安装在涡轮增压器的中心壳体20中。轴18由安装在轴18的远离压缩机叶轮的另一端上的涡轮叶轮22旋转，从而可旋转地驱动压缩机叶轮，该压缩机叶轮压缩通过压缩机入口吸入的空气并将被压缩的空气输送到内燃发动机(未示出)的进气口以提升发动机的性能。
涡轮增压器还包括容纳涡轮叶轮22的涡轮壳体24。涡轮壳体限定大致环形的腔室26，其围绕涡轮叶轮并且接收来自内燃发动机的排气以驱动涡轮叶轮。排气从腔室26大致径向向内通过涡轮喷嘴28被引导到涡轮叶轮22。当排气流过涡轮叶轮的叶片30之间的通道时，气体膨胀到较低的压力，并且从叶轮排出的气体通过其内的大致轴向的孔32离开涡轮壳体。
现在参考图2和图4，其示出了涡轮增压器的子组件，包括用于涡轮喷嘴28的可变翼片组件，用于改变通过喷嘴的截面流动面积，以便调节进入涡轮叶轮的流量。该组件包括围绕喷嘴周向间隔开的多个翼片34。每个翼片固定到轴36，该轴穿过相对于涡轮叶轮22同轴安装的大致环形的喷嘴环38中的轴承孔。每个轴36能够绕其轴线旋转，以便使所附接的翼片旋转。喷嘴环38形成喷嘴28的流动通道的一个壁。对于每个轴36，翼片臂40固定到所述轴的从喷嘴环38伸出的端部。翼片臂40的远端41接合在限定于环形协调环42(也称为致动器环)的径向内周中的大致U形的凹部43中，环形协调环42能够绕其轴线旋转并且与喷嘴环38同轴。安装在喷嘴环38上的引导件39与协调环的内周接合，用于引导其旋转运动，使得其保持与喷嘴环基本同心，并用于防止协调环沿轴向方向移动离开喷嘴环。致动器(未示出)连接到协调环42，用于使其绕其轴线旋转。当协调环旋转时，翼片臂40旋转以导致轴36绕其轴线旋转，从而使翼片34旋转，从而改变通过喷嘴28的截面流动面积。
在所示的实施例中，可变翼片机构以单元或盒50(图1)的形式提供，其能够安装到涡轮增压器中并且能够从涡轮增压器移除。单元50包括喷嘴环38、翼片34、轴36、翼片臂40和协调环42。该单元与插入件52协作工作，该插入件是环形的并且被接收在限定在涡轮壳体24中的对于环形凹部中。该插入件与喷嘴环38轴向间隔开，使得翼片34在喷嘴环38和插入件52之间延伸。
涡轮增压器包括隔热罩80(图1)，当可变翼片单元50安装到涡轮增压器中时，隔热罩80被约束地保持在喷嘴环38和中心壳体20之间。隔热罩80在喷嘴环和中心壳体之间提供密封，以防止热排气在这些部件之间移动到其中设置有翼片臂40和协调环42的空腔中。隔热罩80有利地为回弹性的弹性材料，例如弹簧钢等，并且该罩被构造成使得其在喷嘴环38和中心壳体20之间沿轴向方向被压缩，使得该罩的恢复力轴向地朝向涡轮叶轮22(图1中向右)推喷嘴环38。
多个间隔件60(图1和图2)被安装到喷嘴环38，并且朝向插入件52突出。间隔件60的端部邻接插入件52(如前一段落中所描述的被回弹性的隔热罩80推)，以便在插入件和喷嘴环38之间保持期望的轴向间距。间隔件由此帮助确保在翼片34的端部和喷嘴环38之间(在一端上)以及插入件52之间(在另一端上)存在小的轴向间隙。由间隔件60设定的轴向间距被设计成确保这些间隙不会变得太小或者太大，变得太小可能导致翼片的粘合，而变得太大可能损害涡轮效率。
图2示出了可变翼片组件的翼片侧，翼片34处于其完全关闭位置，而图4示出了该组件的相对的翼片臂侧并且示出了处于其完全打开位置的翼片(以虚线表示)。特别参考图4，协调环42包括用于接收曲柄(未示出)的端部的致动器凹口45，该曲柄是致动器(未示出)和协调环之间的运动链的一部分。曲柄由致动器旋转，从而将旋转运动沿图4中的顺时针方向传递给协调环，以使翼片朝向其打开位置运动，或者沿逆时针方向传递给协调环，以使翼片朝向其关闭位置运动。如图4所示，协调环已经顺时针旋转到完全打开位置。因此，该环的内周上的凹部43已经驱动翼片臂40的远端41，以导致翼片轴36顺时针旋转并且将翼片置于其完全打开位置。
参考图3，在采用如上所述的具有可变涡轮喷嘴的涡轮增压器的一些涡轮增压内燃发动机系统中，将排气从涡轮运走并送向排气系统的排气管100包括能够通过合适的致动器(未示出)的致动而打开或关闭的排气挡板110。排气挡板用于发动机制动的目的。当排气挡板关闭时(如图3中的虚线所示)，它在发动机上产生高背压，导致发动机制动。一旦不再需要发动机制动，则排气挡板打开，从而释放高背压并且终止发动机制动。
当涡轮增压器包括可变翼片组件时，已经发现，在发动机制动期间的发动机排气脉动可以产生高动态压力和跨可变喷嘴机构的强压力梯度，从而导致诸如翼片颤动和致动翼片枢转的运动链中的高频振动的现象。这些现象可引起运动链的部件的加速磨损。
如下面进一步描述的，本文描述的本发明的实施例能够通过一种用于翼片的特定控制方法结合排气挡板的运动来减轻可变翼片机构的这种加速磨损。
参考图5，其示出了可变翼片机构50的一部分，该机构包括硬止动件80，其限定翼片34的完全关闭位置。在该示出的实施例中，硬止动件被构造和定位成当协调环42沿图5中的逆时针方向旋转足够多时被翼片臂40中的一个抵靠，该逆时针方向是用于使翼片枢转而进一步关闭的方向。因此，硬止动件80限制翼片在关闭方向上的枢转，从而限定完全关闭翼片位置。本发明不限于使用接合翼片臂的硬止动件；替代地，也可以使用与翼片翼面接合的硬止动件，或者任何其它合适的用于限制翼片关闭的特征来代替。
根据本发明的实施例，提供了一种控制方法，用于涡轮增压发动机系统中的发动机制动操作，该涡轮增压发动机系统具有可变翼片机构，该可变翼片机构配备有用于完全关闭翼片位置的这种硬止动件。参考图6，描述了根据本发明的一个实施例的控制方法的步骤。该控制方法包括：
步骤202：该控制方法通过接收开始命令以开始发动机制动而开始。开始发动机制动命令可以在用于发动机系统的任何合适的控制器或控制单元中发出，例如发动机控制单元(ECU)。开始命令由控制模块接收，该控制模块包括微处理器和存储装置，该存储装置包含能够由微处理器执行的编程的指令，用于执行控制方法的步骤。控制模块可以是ECU的一部分或者可以是独立的控制器。
步骤204：在控制模块接收到开始命令时，控制模块启动可变翼片组件的翼片朝向完全打开位置的枢转。这可以例如通过控制模块向可控致动器发出命令以导致该致动器在使翼片朝向完全打开位置移动的方向上旋转可变翼片组件的协调环来实现。
步骤206：在步骤204之后，即，在翼片已经至少开始朝向完全打开位置枢转之后，控制模块然后发出命令以经由与控制模块通信的用于排气挡板的合适致动器致动排气挡板以移动到其预定的进一步关闭位置。在排气挡板开始向进一步关闭位置移动之前，翼片可以已经到达完全打开位置，或者替代地，排气挡板可以在翼片仍然处于枢转到其完全打开位置的过程中的同时开始移动。
步骤208：在步骤206之后，即，在排气挡板已经到达其进一步关闭位置之后，控制模块然后发出命令以致动翼片以枢转到抵靠硬止动件的完全关闭位置，并且只要排气挡板处于进一步关闭位置就持续地推翼片抵靠硬止动件。在发动机制动期间由发动机排气脉动引起的可变翼片组件上的高动态压力和高压力梯度条件期间，翼片的被持续地推靠硬止动件的这种完全关闭位置对于翼片而言是比翼片的任何其它位置更安全的位置。
步骤210：一旦不再需要发动机制动，则控制模块接下来接收停止命令以终止发动机制动。
步骤212：在接收到停止命令时，控制模块启动翼片的枢转以朝向完全打开位置枢转。
步骤214：在步骤212之后，即，在翼片已经至少开始朝向其完全打开位置枢转之后，控制模块然后发出命令以致动排气挡板以移动到打开位置。
图7示出了根据本发明的替代实施例的控制方法的步骤。该替代实施例的控制方法与图6的方法大致相似，不同之处在于省略了在关闭排气挡板之前首先打开翼片的步骤204。因此，根据图7的控制方法，在步骤302中，接收开始发动机制动的命令；在步骤306中，排气挡板移动到进一步关闭位置；在步骤308中，翼片被枢转到其抵靠硬止动件的完全关闭位置，并且只要排气挡板关闭就被持续地推靠硬止动件；在步骤310中，接收停止发动机制动的命令；在步骤312中，翼片朝向其打开位置枢转(但可能不会到达完全打开位置)；并且在步骤314中，打开排气挡板。
通过采用根据本发明的实施例的控制方法，可以消除或显著降低翼片的潜在有害颤动和翼片组件部件的振动的强度。本发明的益处源于在排气挡板关闭以用于发动机制动的时间期间，翼片定位在完全关闭位置，被推靠完全关闭的硬止动件。
受益于在前述描述和相关附图中呈现的教导，本发明所属领域的技术人员将会想到本文阐述的本发明的许多修改和其它实施例。因此，应当理解，本发明不限于所公开的具体实施例，并且修改和其它实施例旨在被包括在所附权利要求的范围内。尽管在本文中使用了特定术语，但是它们仅在一般和描述性意义上使用，而不是为了限制的目的。

Claims (6)

1.一种在内燃发动机(ICE)系统的发动机制动操作中使用的控制方法，所述内燃发动机(ICE)系统包括具有可变喷嘴涡轮(VNT)的涡轮增压器，所述ICE系统还包括设置在所述可变喷嘴涡轮下游的排气管路中的排气挡板，所述控制方法包括以下步骤：
(a)接收开始命令以开始发动机制动；
(b)在接收到所述开始命令时，启动所述VNT的翼片朝向完全打开位置的枢转；
(c)在步骤(b)之后，致动所述排气挡板以移动到预定的进一步关闭位置；
(d)在步骤(c)之后，致动所述VNT的所述翼片以枢转到抵靠硬止动件的完全关闭位置，并且只要所述排气挡板处于所述进一步关闭位置，就持续地推所述翼片抵靠所述硬止动件；
(e)接收停止命令以终止发动机制动；
(f)在接收到所述停止命令时，启动所述翼片的枢转以朝向所述完全打开位置枢转；以及
(g)在步骤(f)之后，致动所述排气挡板以移动到打开位置。
2.如权利要求1所述的控制方法，其中，仅在步骤(b)中所述翼片已经到达所述完全打开位置之后，在步骤(c)中所述排气挡板到达所述进一步关闭位置。
3.如权利要求1所述的控制方法，其中，仅在步骤(f)中所述翼片已经到达所述完全打开位置之后，在步骤(g)中所述排气挡板到达所述打开位置。
4.如权利要求1所述的控制方法，其中，在步骤(b)中所述翼片已经到达所述完全打开位置之前，在步骤(c)中所述排气挡板开始向所述进一步关闭位置移动。
5.如权利要求1所述的控制方法，其中，在步骤(f)中所述翼片已经到达所述完全打开位置之前，在步骤(g)中所述排气挡板开始向所述打开位置移动。
6.一种在内燃发动机(ICE)系统的发动机制动操作中使用的控制方法，所述内燃发动机(ICE)系统包括具有可变喷嘴涡轮(VNT)的涡轮增压器，所述ICE系统还包括设置在所述可变喷嘴涡轮下游的排气管路中的排气挡板，所述控制方法包括以下步骤：
(1)接收开始命令以开始发动机制动；
(2)在步骤(1)之后，致动所述排气挡板以移动到预定的进一步关闭位置；
(3)在步骤(2)之后，致动所述VNT的所述翼片以枢转到抵靠硬止动件的完全关闭位置，并且只要所述排气挡板处于所述进一步关闭位置，就持续地推所述翼片抵靠所述硬止动件；
(4)接收停止命令以终止发动机制动；
(5)在接收到所述停止命令时，启动所述翼片的枢转以朝向所述完全打开位置枢转；以及
(6)在步骤(5)之后，致动所述排气挡板以移动到打开位置。
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