CN1225709A - 几何形状可变的涡轮增压器的控制系统 - Google Patents

几何形状可变的涡轮增压器的控制系统 Download PDF

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Abstract

一种用于一几何形状可变的涡轮增压器的控制系统,该涡轮增压器具有一个由从发动机排气管输送给涡轮增压器进气口的废气驱动的涡轮,及一个由该涡轮驱动以便通过该涡轮增压器的空气出气口将空气供给发动机进气管的压气机。检测发动机两端的压差,并且一个阀式循环控制系统对该几何形状可变机构进行调节,从而防止该压差超过预定极限值。在发动机制动工况下,该几何形状可变机构可由代表排气管压力的信号驱动。在涡轮增压器超过一预定极限转速rpm时,设置一补偿电路用于控制该几何形状可变机构。

Description

几何形状可变的涡轮增压器的控制系统
本发明涉及一个用于一几何形状可变的涡轮增压器的控制系统。
涡轮增压器包括一个由从发动机排气管输送到涡轮增压器的进气口的废气驱动的涡轮。该涡轮驱动一个压气机，该压气机通过该涡轮增压器的出口将空气输送给发动机进气管。在一个几何形状可变的涡轮增压器中，可进行物理移动的零部件处于涡轮增压器的废气进气口中，所以进气口的几何形状可被调节，以便控制该涡轮上游的废气压力及废气流过该涡轮的速度。这样做又转而影响该涡轮的旋转速度及相关的压气机的旋转速度。通常来说，涡轮增压器中的几何形状可变机构是为了对使发动机进气管的压力进行适当的调节，使之与发动机运行工况实现最佳配合而进行移动的。
许多几何形状可变的涡轮增压器的电子控制装置是公知的，该控制装置接收代表发动机的不同工况参数的输入信号并产生一个用于控制一启动器的控制信号，该启动器转而控制该几何形状可变的机构的几何形状，从而达到理想的运行工况。绝大部分公知的控制装置都设计得使发动机进气管的理想压力或密度保持为发动机转速及供油率的函数。考虑到例如环境温度和压力，空气充气温度，涡轮增压器转速及节流等等的要求，也可以对控制信号进行修改校正。
各种公知的装置可限定构成各种闭路控制系统，其中借助于将一直接测量的进气管压力与该参数的理想值进行比较，或借助于将一个计算得出的实际进气密度与该参数的理想值进行比较而形成一控制信号。比较得出的差值的大小用于驱动一个确定该几何形状可变机构的位移的控制信号。这种装置对稳定工作状态及亚稳定工作状态是满意的，但对变化非常迅速的瞬变状态不能满意地工作。例如，如果在动力要求发生很大的变化的情况下，要求进气压力突然增加，则该控制装置的自然作用是如此地驱动控制信号的，即减少涡轮的进气面积以便增加进气管压力及密度。如果该系统已经对快速响应进行了校正，则该几何形状可变机构将可能非常快地使涡轮面积减少到最小值，以便于在使涡轮面积再一次增加到某个在接近新的理想进气压力和密度的亚稳定状态的面积之前，尽可能非常快地增加进气压力和密度。不幸的是，当涡轮面积在过渡工况变化的初始状态期间减小时，由于进排气系统的时间常数不同，则排气管压力的上升比进气管压力上升快得多。如果这种效果不能进行适当的调节，则最终的结果是在发动机两端，即在发动机进气管和排气管之间产生大的负压差，这样就大大地减小发动机的容积效率。从而导致即使进气管压力增加也会减小发动机的空气质量流量。因此，即使进气管压力的上升速率已经迅速增加，但发动机承受负荷的能力将下降。对发动机驱动器来说，这一点是作为效率损失而被监测的，并且增加了排气损失。此外，也可能产生非常高的排气管瞬态压力，该压力反过来影响该发动机。
在公知控制系统中，借助于限制排气管压力的上升速率可避免排气管压力上升过快产生的上述问题。这一点可由限制该控制装置的反应速率或使最小涡轮面积限制在一个相对较大的值，例如在涡轮内施加物理限制条件或对由控制系统产生的控制信号施加各个限制值而达到。对该问题的这些解决方案包括发动机及涡轮增压器的瞬态特性。由于它们是开环系统(在该开式循环中没有有关实际发动机容积效率的信号被反馈入该控制循环)，因此它们也极容易受到大量的错误的影响。另外，必须加入额外的余量以便在发动机与涡轮增压器的性能方面可允许与输出功率变量，环境压力和温度变量及寿命变量作出考虑。所有这些因素都兼顾了性能。
借助于对排气气流进行处理，例如限制排气气流来调节发动机制动功率，这一点在几何形状可变的涡轮增压器中也是公知的。公知的发动机制动控制系统对代表发动机工作参数的几个输入信号进行检测并发出一控制信号，该控制信号被加到一可变几何形状驱动机构上，从而得到理想的制动功率。然而该些公知的系统由于都无法将直接测得的制动功率反馈给控制器，故它们都是开环。如果该几何形状可变机构将涡轮进气面积限制得太过分以致于产生过高的排气管压力，则有可能损害发动机。因此，现行采用开环控制的制动控制装置总是设计有较大的安全余量，以便在发动机性能中对输出功率变量，环境压力及温度变量及寿命变量作出考虑。所有这些限制的结果是：发动机的制动功率与其可获得的潜在功率相比大大地降低了。
本发明的目的是为了提供一种几何形状可变的涡轮增压器控制系统，该系统可消除或减轻上文列出的各个问题。
根据本发明，其提供了一种用于一几何形状可变的涡轮增压器的控制系统，该涡轮增压器具有一个由从发动机排气管输送给涡轮增压器进气口的废气驱动的涡轮，及一个由该涡轮驱动以便通过该涡轮增压器的空气出气口将空气供给发动机进气管的压气机，该几何形状可变的涡轮增压器的控制系统包括：用于检测一个作为发动机排气管内压力的函数的参数的装置，及一个用于控制一个处于该涡轮上游的几何形状可变机构的位移以便使检测到的参数处于预定极限内的闭环控制装置。
检测到的参数可以是排气管内废气密度的函数，或是排气管内废气压力的函数，但最好与发动机排气管和进气管之间的压差相关。例如检测到的参数可对应于发动机进排气管之间的压差与排气管内压力或进气管内压力相除而得出的结果。
预定的极限可以是固定的，或者也可以是发动机运行工况中，例如从发动机速度和供油率中推导出来的。
可设置一个开关，用于选择一第一控制信号或一第二控制信号；该第一控制信号用于控制该几何形状可变机构以便保持一理想的发动机进气管压力或密度，该第二控制信号用于控制该几何形状可变机构以便保持检测到的参数处于预定极限内。该开关可根据该第二控制信号是否超过该预定极限而进行控制。该第一控制信号或者第二控制信号的选择可由一个用于在涡轮增压器速度超过预定极限时降低该涡轮增压器的速度的第三控制信号补偿，或者可由一个用于在发动机处于制动模式时的制动期间控制该几何形状可变机构以便提供一理想的排气管压力的第四控制信号补偿。
本发明提供了对发动机容积效率的闭环控制，该控制使发动机性能在瞬态工况及对该瞬态工况的作出适当响应时可进行优化。另外，当该系统处于制动工况工作时，可用排气压力作为反馈信号，从而可获得优化的制动性能。在所有工况下都可避免对发动机产生负面作用。因此，发动机的瞬态响应及发动机制动功率可达到最大而不超过安全极限。该系统也可在发动机和涡轮增压器性能方面对输出功率变量，环境压力和温度变量及寿命变量进行补偿。
现在参见所附的附图对本发明的实施例(仅作为示例)进行说明，其中：
图1是本发明的发动机，涡轮增压器及控制系统的整体布置的示意图；
图2是图1所示控制系统的各功能元件的示意图。
参见图1，该示意图示出的布置包括：一个带有一个装于一共同轴3上的涡轮1和压气机叶轮2的涡轮增压器。一几何形状可变机构(未示出)与涡轮1相邻设置。本发明可用于许多不同类型的几何形状可变的涡轮增压器的机构中，例如用于欧洲专利EP0342889中所述的机构中。不论采用那种类型的几何形状可变机构，但基本的都是将一个可移动的机构设置于涡轮1的上游，从而可改变从发动机5的排气管4流出并流经涡轮增压器的废气进口6的废气的流动面积和速度。该几何形状可变机构可由一个由联线8上的控制信号Sout控制的驱动器7移动。该几何形状可变机构的移动确定了进气口6内及排气管4内的压力，及冲击于涡轮1上的废气的流速。该压气机叶轮2驱动环境空气使之通过该涡轮增压器的空气出口9输送到发动机进气管10中。
控制信号Sout由电控单元11产生。该电控单元接受一个在联线12上并代表发动机转速rpm的输入信号NE，一个在联线13上并代表压气机叶轮2的转速rpm的输入信号NT，一个在联线14上并代表向发动机供油的供油率的输入信号Q，一个在联线15上并代表发动机进气管内的压力的输入信号P2，及一个在联线16上并代表发动机排气管压力的输入信号P3。该信号Sout取决于在参考图2中详细描述的五个输入信号。
参见图2，该电控单元包括四个分电路17,18,19和20。如下列详细所述，分电路17是一个产生一第一控制信号输出SP2的常规电路，该第一控制信号输出SP2与进气管压力P2相关。电路18产生一第二控制信号SΔP，该第二控制信号用于限制发动机两端(当为负值时)的压差，即发动机进气管压力P2和排气管压力P3之间的压差。电路19产生一个用于限制涡轮增压器最大转速rpm的第三控制信号SNT。电路20产生一个当该系统处于制动工况时控制驱动器7的第四控制信号SP3。
电路17将发动机转速信号NE和供油率信号Q作为输入信号接收。这些输入对一个指示表进行寻址以便产生一个代表理想的进气管压力的输出信号P2DEM，该指示表由一个方框21表示。该信号在比较器22中与进气管压力P2进行比较，并且该比较器22产生差输出信号P2DIFF。该差输出施加到一信号调节电路23上，该信号调节电路的输出即为第一控制信号SP2。该第一分电路17是常规电路，并且在一常规系统中，该输出SP3将直接施加到驱动器7上以便控制该几何形状可变机构。
电路18将发动机转速信号NE，供油量输入信号Q，进气管压力信号P2及排气管压力信号P3作为输入接收。发动机转速rpm及供油率信号对一个由方框24表示的指示表进行寻址，其输出ΔPMAX表示在发动机容积效率不会过分降低(即容积效率不降低到可能导致无法接受的瞬态性能响应的程度)时可被允许的最大压差。一个比较器25产生一个表示进气管压力信号P2和排气管压力信号P3之间的压差的输出ΔP。该信号ΔPMAX和ΔP被施加到一个比较器26上，该比较器26产生一个被施加到一常规PID电路27和一开关控制电路28上的输出ΔPDIFF。电路27将该差值ΔPDIFF在正比项分电路29中，积分项分电路30中及微分项分电路31中进行处理。这三个分电路的输出综合而产生第二控制信号SΔP。电路28控制开关32和开关33。开关32或者选择分电路17的输出或者选择分电路18的输出构成一个在联线34上的信号SP。开关34与积分器分电路30平行设置,从而防止当开关32选取分电路17的输出时积分器产生饱和。除信号ΔP大于ΔPMAX外，即除ΔPDIFF为负数外，控制器28将分电路17的输出连接到联线34上。因此，在正常的稳定工作状态期间，输出信号SP对应于分电路17的输出SP2，但在发动机两端的压差超过由ΔPMAX表示的预定值时转换到与输出SΔP对应。
分电路19是一个常规的涡轮增压器转速rpm调速器并可接收输入NE和NT。一个由方框35表示的指示表由发动机转速rpm信号NE寻址，从而产生一个施加到一比较器36上的输出NTMAX。另外的施加到比较器36上的输入是信号NT，以致于比较器36的输出NTMAX代表涡轮增压器的实际转速rpm和最大理想转速rpm之间的差值。一信号调节电路37产生一个第三控制信号SNT，该第三控制信号SNT施加到由根据比较器36的输出NTDIFF进行控制的控制器39控制的开关38上。除非NT大于NTMAX，即NTDIFF为负值，否则开关38会表现出所述的工况。
第四分电路20带有一第四控制信号输出SP3。该第四控制信号输出SP3是给开关40的一个输入，而给开关40的另外的输入是从开关32来的信号输出SP。电路20含有由方框41表示的指示表，该指示表由发动机转速rpm信号NE寻址以便产生一个输入给比较器42的输出P3DEM。该比较器42也接收排气管压力信号P3并产生一个施加到一PID控制器43上的输出P3DIFF。电路43的工作类似于该控制器27，因此不再进一步说明。由信号P3DEM表示的理想排气管压力预定可给出理想的发动机制动功率而不会超过发动机的任何安全极限。该PID控制器43可保证该输出SP3在接通至驱动器7时适合于使排气管压力限制为P3DEM。当发动机点火时，输出信号SP3由开关40隔断并且不输入给整体控制系统。当发动机处于制动工况工作时，这一点可由一驱动开关40的控制器44检测到，从而输送该信号SP3直至开关38。
因此，如果涡轮增压器的转速极限被超过，施加到驱动器7上的输出信号SOUT对应于信号SNT。如果涡轮增压器的转速rpm极限没有被超过但发动机处于制动工况下工作时，则该输出信号SOUT对应于从第四分电路20来的信号SP3。如果涡轮增压器的转速极限没有被超过且发动机不是在制动工况下工作，则输出信号SOUT对应于分电路17的输出信号SP2；除非压差超过一预定值，在这种情况下输出信号SOUT对应于从分电路18来的输出信号SΔP。
尽管在图1中，对发动机的五个工作参数进行检测，但可设置另外的传感器用来检测另外的参数，例如环境压力和温度，进气管温度及车辆道路速度。该环境压力和温度及进气管温度可被检测以便改善第一分电路17的性能。该车辆道路速度可被检测以便改善发动机制动分电路20的性能。如图2所示，该PID控制器27和43可由其它的标准处理电路代替。
表示发动机两端的压差的值ΔP可用不同的方法计算。例如可使值ΔP简单地与排气管压力一致，即使ΔP=P3。另外，该也可使该值ΔP简单地取排气管压力和进气管压力之间的差值，即或者取P3-P2或者取P2-P3。另外，值ΔP也可以取排气管压力和进气管压力之间的差值除以排气管压力或进气管压力的结果。值ΔPMAX，即压差ΔP的最大允许值，可由不同的方法计算。它通常至少是发动机转速NE和供油量的函数，但在某些应用场合下，它对发动机所有工况都仅仅是一个常数．
在所述的布置中，如果涡轮增压器转速NT大于涡轮增压器的最大许可转速rpm，则开关38启动．另外，该开关38也可根据两个控制信号S和SNT的相对大小进行启动。对于一个当输入给驱动器的控制信号SOUT的增加可引起涡轮面积减少，涡轮增压器转速增加及进气管压力增加的涡轮增压器来说，该开关38的输出将总是被选择得与信号S和SNT中无论哪一个是较小的那一个一致。如果信号SOUT与涡轮面积之间的关系反过来，则开关38的输出将总是信号S和SNT中无论哪一个是较大的那一个。在图示布置中的发动机制动分电路20与发动机转速及排气管压力相关。它也可与环境压力变量，环境温度变量，进气管压力变量及司机所需信号变量相关。
利用所述系统，并且进一步假定处于这样一种布置中，即控制信号SOUT的增加导致涡轮进气面积减少，则在正常的稳定状态或亚稳定状态工作期间，发动机两端的压差将是正的或稍负一点但肯定不足以影响发动机性能。在这样的情况下，压差ΔP的大小将小于ΔPMAX。因此开关32将输出控制信号SP2。所以该系统工作以便保持一理想的进气管压力或密度。如果突然要求增加进气管压力，则进气管压力分电路17将工作使控制信号SP2的值增加。这将会使进气管压力和排气管压力两者都增加。如果瞬态作用特别厉害并且进排气系统的不同惯性以致于使该压差ΔP的大小超过极限值ΔPMAX，则在这一点处开关32被启动，使其输出联到信号SΔP上。在这种工况下，该系统将工作以便控制该涡轮增压器使压差ΔP保持处于极限值ΔPMAX。当进气管压力进一步上升时，它将接近排气管压力值，并且该开关38将按适当的程序返回到其以前的工况。根据不同的应用场合，可以在该系统中适当地引入一定程度的迟后以便开关32产生不必要的频繁启动。
宁可根据信号SΔP和SP2的相对大小控制开关32而不根据信号ΔP和ΔPMAX的相对大小控制开关32，该开关32的输出对一个其控制信号的增加会引起涡轮面积减少的涡轮增压器来说总是与信号SP2和SΔP中较低的一个一致。
因此，该电路工作使该空气系统和发动机的响应达到最大。在瞬态变化的初始状态期间，进气管压力检测分电路17工作使涡轮面积尽可能快地减少以便使进气管压力以极陡的压升率升高。然而，如果排气压力升高太快，即在发动机两端的负压差(及发动机容积效率)开始显著减少以致于导致产生性能损失时，该分电路18设定进行控制，从而使该负压差保持处于最佳值ΔPMAX处，该最佳值ΔPMAX选择得允许使进气管压升率达到最大而不明显损失容积效率和负载承受能力。随着瞬态变化的继续及进气管压力上升到其理想值，则发动机两端的负压差ΔP下降，然后该系统根据分电路17的进气管压力进行反向控制。然后该系统返回到一新的稳定状态工况。
如果司机选择发动机制动工况，则启动开关40，那么几何形状可变机构处于发动机制动分电路20的控制下。在发动机制动功率和排气管压力之间存在一种公知的数量关系，因此有可能将发动机制动功率控制到理想值。在任何时候该系统都处于完全闭环控制下，因此这样可以显著地减少与常规的开环控制系统相关的许多错误，从而允许制动功率达到可获得的潜在的最大值。涡轮增压器转速分电路19保证该涡轮增压器的安全转速rpm决不会被超过。
尽管本发明的所述实施例主要依靠压力直接测量及压差的计算，但如上所述也可以检测其它参数。具体地，可以相信：根据压力测量和温度测量传感器的输出，借助于适当的计算并推导出与气体密度相关而不仅仅直接与气体压力相关的各个输出值可以使性能进行优化。利用这样的布置，检测到的参数仍是压力的函数，但此外也是温度的函数。

Claims (11)

1．一种用于一几何形状可变的涡轮增压器的控制系统，该涡轮增压器具有一个由从发动机排气管输送给涡轮增压器进气口的废气驱动的涡轮，及一个由该涡轮驱动以便通过该涡轮增压器的空气出气口将空气供给发动机进气管的压气机，该几何形状可变的涡轮增压器的控制系统包括：用于检测一个作为发动机排气管内压力的函数的变量的装置，及一个用于控制一个处于该涡轮上游的几何形状可变机构的位移以便使检测到的参数处于预定极限内的闭环控制装置。
2．如权利要求1所述的控制系统，其特征在于：检测到的参数是排气管内气体密度的函数。
3．如权利要求1所述的控制系统，其特征在于：检测到的参数是排气管和进气管内压力之间的压差的函数。
4．如权利要求1所述的控制系统，其特征在于：检测到的参数是排气管和进气管内的压力之间的压差除以排气管压力得出的结果的函数。
5．如权利要求1所述的控制系统，其特征在于：检测到的参数是排气管和进气管内的压力之间的压差除以发动机进气压力得出的结果的函数。
6．如前述任一权利要求所述的控制系统，其特征在于：预定的极限值是固定的。
7．如权利要求1-5任一所述的控制系统，其特征在于：该预定极限值至少是发动机转速和供油量的函数。
8．如前述任一权利要求所述的控制系统，其特征在于：还包括一个用于产生一第一控制信号以便控制几何形状可变机构使之保持一理想的发动机进气管压力的第一电路，一个用于产生一第二控制信号以便控制几何形状可变机构使所述检测到的参数保持于所述预定值极限内的第二电路，及一个开关，该开关在预定极限值没有达到时可选择地将第一信号供给该几何形状可变机构，在预定极限值达到时可选择地将第二信号供给该几何形状可变机构。
9．如权利要求8所述的控制系统，其特征在于：还包括用于产生一个控制该几何形状可变机构以便防止涡轮增压器转速超过预定的转速极限值的第三控制信号的装置，及一个开关，该开关用于在该预定转速极限值被超过时将该第三控制信号供给该几何形状可变机构。
10．如权利要求8或9所述的控制系统，其特征在于：还包括用于产生一个控制该几何形状可变机构以便在发动机制动期间提供一理想的排气管压力的第四控制信号的装置，及一个开关，该开关用于在该发动机处于制动工况时将该第四控制信号供给该几何形状可变机构。
11．一种用于一个几何形状可变的涡轮增压器的，并与前面参考附图所述基本上相同的控制系统。
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