CN1263948C - 用于内燃机的集成废气再循环系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于内燃机的废气再循环(EGR)系统，该系统配置有一变几何形状涡轮增压器(18)，该涡轮增压器与一个主动的旋转电动致动器(REA)(50)相连接，通过一微处理控制器(53)来接收来自与涡轮增压器和发动机控制单元(ECU)(54)相接的传感器(48)的状态信号(46，48a-e)，并且根据这些状态信号的一个预先设定的模型来确定出该涡轮增压器的涡轮机入口几何形状。一个从动REA(52)通过一内处理单元(58)连接到控制器上以便确定一个EGR阀(34)的状态。该处理单元根据预定状态信号模型获得的所希望的状态信号，从而向控制器提供一个实际状态信号。该处理单元与从动REA相接合以确定出EGR阀的状态。

Description

用于内燃机的集成废气再循环系统
有关申请的相关资料
本申请要求在2000年3月3日申请的序号为60/186,648发明名称与本申请相同的共同未决申请的优先权。
技术领域
本发明总的涉及对使用在具有废气再循环(EGR)系统的发动机中的涡轮增压器的控制，尤其涉及一种具有判断和存储功能的智能电子致动器，其利用涡轮增压器的转速，空气和EGR气体的温度，以及空气和EGR气体的压力来控制一种具有集成EGR阀的变几何形状的涡轮增压器。
背景技术
工业用柴油车辆通常用涡轮增压器来提高发动机的效率。而且，为了满足在2002年降低联邦中NOx排放含量的需要，以及除比之外，在柴油机中，发动机空气系统控制装置已经成为了整个发动机性能的一个更复杂和重要的部分。发动机的涡轮增压器和EGR系统的控制装置包括用于这样的空气系统控制的基本装置。
其中，涡轮增压器的使用寿命大致是涡轮增压器速度/工作循环的函数，该使用寿命尤其受到涡轮机叶轮和压缩机叶轮(或者可能是涡轮增压器的一个内部件)的疲劳寿命的限制。对于任何给定的应用来讲，想确切知道涡轮增压器能经受多少速度/工作循环是很困难的。因此，就与疲劳有关的失效而言，很难预测出涡轮增压器的使用寿命是多少。因此，涡轮增压器叶轮的疲劳失效在没有注意到时就能并确实发生了。在“安全”累积时间内提前主动更换涡轮增压器不仅费用高而且发动机的停工时间也过多。
EP0965740A2公开一种用于涡轮增压内燃机的涡轮增压控制系统，具有废气再循环控制系统，惰性废气的再循环部分在内燃机的预定操作条件下再返回内燃机内，其包括一可变调节增压状态可变位移增压器。还提供一个增压器的控制单元，以根据用于废气再循环控制系统的希望EGR的修正来纠正可变位移增压器控制量。
发明内容
本发明可应用在一个可控制的涡轮增压器上，例如，可以但也不是限定性地应用于一种带有废气排出门的涡轮增压器或一种变几何形状的入口喷嘴涡轮增压器(VGT)，它们都带有一个用来操作废气排出门或VGT叶片组的致动器。通过向智能电动致动器中输入涡轮增压器的轴的转速，空气气体温度，空气气体压力，EGR气体温度，和EGR气体压力，之后利用这些数据更好地控制废气排出门或VGT喷嘴组的动作。
具体地，提出一种用于内燃机的废气再循环系统，其包括：一涡轮增压器，其上设有一个变几何形状涡轮机入口喷嘴，用以吸入来自一个排放集合管道的废气；一种可调节废气再循环阀，其上设有一个相连的入口，用以吸入来自一个排放集合管道的废气；一个主动致动器，其上设有与该变几何形状涡轮机入口喷嘴相连的第一调节装置，用以在一定范围内调节该喷嘴的位置，所述的主动致动器还设有一个控制器，其可接收一第一组涡轮增压器状态信号以及一第二组涡轮增压器状态信号，该控制器能根据第一和第二组多个信号确定所述的第一调节装置的位置；以及一个从动致动器，其上设有与废气再循环阀相连的第二调节装置，用以将该阀调节至至少一打开位置和一闭锁位置，所述的从动致动器还设有一个处理装置，该装置能向主动致动器的控制器提供当前位置信号并且根据实际位置信号和第一和第二组信号接收来自控制器所希望的位置的信号，该处理装置还可根据该所希望的位置信号确定出第二调节装置的状态。
该第一调节装置包括一旋转电动致动器，该致动器通过一个曲柄臂连接到可变几何形状入口喷嘴上。
该第二调节装置包括一旋转电动致动器，该致动器通过一个曲柄臂连接到废气再循环阀上。
所述的涡轮增压器状态信号是从压缩机入口压力，压缩机入口温度，压缩机出口压力，压缩机出口温度，涡轮机入口温度，涡轮机入口压力，涡轮机出口温度，涡轮机出口压力，废气再循环压力，废气再循环温度以及涡轮增压器轴速度数据中选择出来的。
将控制器所应用的软件设计得可预先给定各种最小/最大速度，温度和压力的阈值，而将随后记录下的速度，温度和压力作为可以实现和/或超过的阈值。
对于特定的应用来讲，可预先给定一系列的阈值。为了便于以后使用，将这些数据存储到致动器的存储器中。通过针对一个给定的叶轮结构，尺寸，材料等，确定出压缩机叶轮或涡轮机叶轮的疲劳寿命，以及将详细的疲劳寿命信息以编程方式写入到REA(旋转电动致动器)中，会带来一些优点。
根据输入的速度，温度和压力，该电动致动器能更好地用于更精确地控制涡轮增压器的废气排出门或VGT喷嘴组。这些信息也用来直接控制EGR的百分比，并因此能更精确地控制发动机排放含量。
通过预期叶轮疲劳失效時间，在各种实施例中一旦达到速度，温度和压力阈值的预定的值，该电动致动器能通过预期叶轮疲劳失效時间控制涡轮增压器的速度。
通过预期叶轮疲劳失效時间，在各种实施例中一旦达到速度，温度和压力阈值的预定的值，该电动致动器将会关上电闸，以此提醒操作者“更换涡轮增压器”。
为了以后能在各种应用中各种特定的的运转条件(高速公路上的卡车，市中心的卡车，游轮，拖船，前端装卸机，推土机，挖掘机，开凿机，发电机组等)中来维护涡轮增压器，该电动致动器能可将工作现场的数据存储到存储器中。
存储在电动致动器中的速度/工作循环数据能被下载下来，并且能应用在保单判断过程中或者作为用于估计失效的一个判断工具。
附图说明
结合附图，通过下面对最佳实施例的描述将更清楚地理解本发明的上述及其它特点和优点。
图1是一带有本发明的一体EGR阀致动的变几何形状的涡轮增压器的内燃机示意图；
图2是用于本发明涡轮增压器和致动器的控制装置结构的方框图；
图3为典型的一个发动机的图片视图，其中该发动机设有一个应用本发明的致动器以及一个EGR系统的涡轮增压器。
具体实施方式
参照图1，以图解的方式示出了在具有一涡轮增压器和一EGR系统的内燃机。发动机10包括一个进气集合管道12和一个排气集合管道14。在列举的实施例中，该发动机包括一涡轮增压器16，它通常包括容纳在一外壳18中的涡轮机和容纳在一外壳20中的压缩机，该压缩机用来压缩发动机10的输入空气。该输入空气在涡轮增压器压缩过程中被加热，然而为了满足发动机的耐用性和工作要求又必须冷却该空气。冷却是在将气体从涡轮增压器16经由普通的导管或通道24排出到增压空气冷却器(CAC)22的通路中完成的。然后，再将此输入空气从增压空气冷却器经过普通的导管或通道30输送到发动机的进气集合管道口。
该发动机10还包括一个EGR系统。该EGR系统包括一个控制阀34，该控制阀集成在本发明的涡轮增压器中，其可以调节从排气集合管道流出的废气的比例，或者将这部分废气输送到发动机的进气系统再与流经CAC的吸入空气进行混合；或者就直接流入到涡轮增压器的涡轮机中。该控制阀34可将一部分从排气集合管道收集到的废气经EGR阀系统输送到涡轮机的外壳中去。
该EGR系统还包括一个发动机，其上安装有用来冷却流经该系统的废气的EGR冷却器38或热交换器。通过在EGR导管或通道40中设置热交换器，能提高发动机10的功率。其它的优点还包括，例如由于使用了热交换器38，还减少了NOx和PM排放以及燃料消耗等。经过热交换38的废气和经过CAC的输入气体在EGR混合器42中进行混合。输入气体和废气的混合物离开混合器42并进入到发动机的进气集合管道中。
利用涡轮增压器中的变几何形状的喷嘴44在涡轮机外壳入口和排气集合管道中背压。速度传感器46可测定出涡轮增压器轴的转速，并且通常用标号48表示的压力/温度传感器测定出在压缩机的入口和出口，涡轮机的入口和出口以及EGR流量控制阀的出口的温度和压力，用于EGR不同压力的测定。一个第一旋转电动致动器(REA)50控制涡轮机变几何形状入口喷嘴的叶片。一个第二REA 52控制EGR阀，该阀可以有与在摘要号为90099039，标题为“有集成废气再循环阀的涡轮增压器”的专利申请中所公开的发明相似的一种替代结构，该发明转让给本申请的受让人，本文引用其公开的内容作为参考。
参见图2，将两个REA在主动/从动装置中互相连接起来。用来控制VGT叶片位置的第一REA连接一个微处理控制器53，该控制器可接收来自EGR压力和温度传感器48a，涡轮机出口压力和温度传感器48b，涡轮机入口压力和温度传感器48c，压缩机出口压力和温度传感器48d以及压缩机入口压力和温度传感器48e的输入。发动机工作环境是由发动机操纵单元(ECU)经一个CAN2.0B接口到该微处理器来提供的，並且来自速度传感器的输入是从涡轮增压器提供来的。在将传感器输入条件的预定模型变换成发动机运转的必备条件的基础上，微处理控制器致动该主动REA使曲柄臂56调节VGT的叶片，从而优化涡轮增压器的性能。
此外，微处理控制器可接收来自第二或从动REA的一个位置信号，并且根据预定变换模型，能向第二REA中的中央处理单元(CPU)58发出一个信号。在图示的实施例中，使用了一种脉冲宽度调制(PWM)信号。CPU致动该从动REA使曲柄臂60能致动EGR阀34，从而控制EGR气体流向发动机中。该主动/从动装置提供VGT的同时交互控制以便为排气背压控制EGR气体的流速。
微处理控制器还能有选择地记录来自速度传感器和温度压力传感器以及理论计算出的循环信息。该微处理控制器能将理论计算出的循环数据与在变换模型中的为了预测出涡轮增压器部件的疲劳寿命而预先设定的循环信息进行比较，当达到预先设定的界限时就启动第一REA以达到一种“软庇护”模式或者其它的速度限制以便预防失效，而在另一个实施例中，通过CAN接口产生了一用于提示操作者的输出信号。
图3示出了本发明另一个实施例中配置涡轮增压器的一个柴油机结构，其中在靠近EGR冷却器附近安装有一个分离的EGR阀。
现在按专利法规的要求已经详细地说明了本发明，熟悉该技术的人们对本文所公开的具体实施例进行各种修改和替代。这样的修改都落入下列权利要求所限定的本发明的范围和宗旨之内。

Claims (4)

1.一种用于内燃机的废气再循环系统，其包括：
一涡轮增压器(16)，其上设有一个变几何形状涡轮机入口喷嘴(44)，用以吸入来自一个排放集合管道(14)的废气；
一种可调节废气再循环阀(34)，其上设有一个相连的入口，用以吸入来自一个排放集合管道的废气；
一个主动致动器(50)，其上设有与该变几何形状涡轮机入口喷嘴相连的第一调节装置，用以在一定范围内调节该喷嘴的位置，所述的主动致动器还设有一个控制器(53)，其可接收一第一组涡轮增压器状态信号(46，48a-e)以及一第二组涡轮增压器状态信号，该控制器能根据第一和第二组多个信号确定所述的第一调节装置的位置；以及
一个从动致动器(52)，其上设有与废气再循环阀相连的第二调节装置，用以将该阀调节至至少一打开位置和一闭锁位置，所述的从动致动器还设有一个处理装置(58)，该装置能向主动致动器的控制器提供当前位置信号并且根据实际位置信号和第一和第二组信号接收来自控制器所希望的位置的信号，该处理装置还可根据该所希望的位置信号确定出第二调节装置的状态。
2.如权利要求1所述的废气再循环系统，其特征在于该第一调节装置包括一旋转电动致动器，该致动器通过一个曲柄臂(56)连接到可变几何形状入口喷嘴(44)上。
3.如权利要求2所述的废气再循环系统，其特征在于该第二调节装置包括一旋转电动致动器，该致动器通过一个曲柄臂(60)连接到废气再循环阀(34)上。
4.如权利要求1所述的废气再循环系统，其特征在于所述的涡轮增压器状态信号是从压缩机入口压力，压缩机入口温度，压缩机出口压力，压缩机出口温度，涡轮机入口温度，涡轮机入口压力，涡轮机出口温度，涡轮机出口压力，废气再循环压力，废气再循环温度以及涡轮增压器轴速度数据中选择出来的。
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