CN1278032C - 可变喷嘴型涡轮增压器的控制装置及其控制方法 - Google Patents

可变喷嘴型涡轮增压器的控制装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

在发动机停止操作之后，设置在一个可变喷嘴型涡轮增压器(4)的喷嘴叶片10向关闭一侧移动，以达到下一次发动机操作时确定叶片(10)的基准位置这一目的。在确定发动机已经停止转动后，执行喷嘴叶片(10)的移动。因此，该控制装置防止不希望的结果，即吹到涡轮机叶轮(6)上的废气流速变得过大，从而发生涡轮增压器(4)超速转动并导致故障。

Description

可变喷嘴型涡轮增压器的控制装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及到一种可变喷嘴型涡轮增压器的控制装置，及其控制方法。
背景技术
汽车等的一些内燃机装备有涡轮增压器，以作为增压设备来达到提高发动机输出或类似的目的。这样的涡轮增压器有一个涡轮机叶轮和一个压气机叶轮。当来自内燃机的废气吹到涡轮机叶轮上时，该涡轮机叶轮转动；该压气机叶轮和涡轮机叶轮一起转动，将空气强制扫入发动机的燃烧室内。
例如，日本专利申请公开No.11-132050中已经提出可变喷嘴型涡轮增压器，其通过改变吹到涡轮机叶轮上废气的流速来调节进入发动机内(进气)的增压压力。这种类型的涡轮增压器，在废气通道内提供一个可变喷嘴(喷嘴叶片)，该废气通道是设置来将废气吹到涡轮机叶轮上，通过开启和关闭可变喷嘴来改变废气通道的废气流动面积，从而改变废气吹到涡轮机叶轮上的流速。
可以想象得到，在发动机停止操作之后，可变喷嘴可能移动到一个预定位置，例如，完全关闭的位置，为发动机下一次的操作做准备。然而，如果当发动机停止操作已经执行而内燃机还在运转时，可变喷嘴朝着完全关闭位置这一关闭方向移动，吹到涡轮机叶轮上的废气流速将变得过大，从而涡轮增压器可能出现超速转动并可能导致故障。
发明内容
本发明对上面所提及的情况的考虑比较成熟。本发明的一个目标是提供一种可变喷嘴型涡轮增压器的控制装置，其能够基本上防止发动机停止操作后涡轮增压器出现超速转动并因此防止了故障现象，并且本发明还提供了一种关于该控制装置的控制方法。
为了达到上述目标，在根据本发明的第一方面的可变喷嘴涡轮增压器控制装置及其控制方法中，设置有一个可变喷嘴，该可变喷嘴开启和关闭以增加和减少废气通道的废气流动面积，该废气通道用以将来自发动机的废气吹到涡轮机叶轮上，并且在发动机停止操作后，确定发动机已经停止转动，可变喷嘴才被控制向关闭一侧移动。
因此，本发明防止发动机停止操作之后不希望得到的结果，即可变喷嘴被控制向关闭一侧移动而发动机仍然在转动，因此吹到涡轮机叶轮上的废气流速变得过大。因此，基本上防止了涡轮增压器的超速转动，并防止了相关的故障。
在本说明书中，发动机停止操作可能是，例如，点火开关使发动机停止操作(关闭)。
在第一方面，控制工具能够，根据来自转速传感器的检测信号，确定发动机是否已经停止转动，该转速传感器根据发动机的转动输出信号。
这个构造能够根据来自转速传感器的检测信号，精确地确定发动机是否已经停止转动。
在第一方面，控制工具能够根据发动机停止操作之后所经历的时间，确定发动机是否已经停止转动。
这个构造能够根据发动机停止操作之后所经历的时间，精确的确定发动机是否已经停止转动。
在第一方面，可变喷嘴的移动范围可以由挡块来确定，并且控制工具能够在发动机停止操作之后，控制可变喷嘴向关闭一侧移动直到可变喷嘴碰到挡块为止。
在这一构造中，上述结构的优点十分显著，因为如果可变喷嘴被控制向关闭一侧移动从而可变喷嘴碰到挡块，很有可能出现涡轮增压器超速转动以及故障。
在本发明中，也允许采用一种结构，可变喷嘴关于基准位置放置，该基准位置被确定为可变喷嘴碰到挡块的位置，在这种结构中发动机停止操作后，控制工具控制可变喷嘴向关闭一侧移动直到可变喷嘴碰到挡块为止，以达到为接下来的发动机运转设置的基准位置的目的。
在发动机停止运转后，可变喷嘴被控制向关闭一侧移动以达到基准位置所确定的目标时，这可以防止发生不希望得到的结果，即涡轮增压器超速转动以及相关故障。
为了达到上述目的，在根据本发明第二方面的可变喷嘴型涡轮增压器的控制装置及其控制方法中，提供一种可变喷嘴，其开启和关闭用以增加和减少废气通道的废气气流面积，该废气通道提供给来自发动机的废气吹到涡轮机叶轮上，如果发动机的转动低于预定值，该可变喷嘴被控制向关闭一侧移动，该预定值设置得使当可变喷嘴(7)被控制向关闭一侧移动时涡轮增压器的转动不会变快。
因此，根据本发明的第二方面，可以预防不希望得到的结果，即可变喷嘴被控制向关闭一侧移动而发动机仍然转动，因此吹到涡轮机叶轮的废气的流速变得过大。从而，基本上防止涡轮增压器的超速旋转，并防止了相关故障。
附图说明
本发明的上述以及其他目标、特性和优点将参考附图在对优选实施例的描述中显示出来，其中相同的数字用来表示相同的部件，其中：
图1为示意图，用以说明根据本发明的一个实施例中提供给发动机的可变喷嘴型涡轮增压器的整体结构，以及用于控制可变喷嘴机构驱动的控制装置；
图2为说明可变喷嘴机构的详细结构的正视图；
图3为表示图2中可变喷嘴机构沿线III-III的结构的剖视图；
图4为表示在可变喷嘴机构中开关杆如何碰到挡块的放大图；
图5为表示将喷嘴叶片碰到关闭一侧的过程的流程图；以及
图6A到6D为指示当发动机停止操作之后产生上面提及的碰撞时、变化因素随时间的变化的时间图，其中图6A说明点火开关操作状态的改变，而图6B表示发动机转速的变化，图6C表示喷嘴叶片位置的变化，以及图6D表示涡轮增压器转速的变化。
具体实施方式
下文中将参考图1至6D详细说明一个优选实施例，在该实施例中本发明被应用到一台装备有可变喷嘴型涡轮增压器的车用发动机上。
根据图1，发动机1的进气道2上游部分和排气道3下游部分被连接到一个涡轮增压器4。涡轮增压器4有一个压气机叶轮5用以将空气扫进进气道2的下游部分，以及一个涡轮机叶轮6，该涡轮机叶轮6通过废气道3经过的废气吹动来旋转。当涡轮机叶轮6转动时，压气机叶轮5也随着涡轮机叶轮6一起转动，从而进入发动机1的空气量增加。这样，发动机1的输出可以增大。
在涡轮增压器4中，在废气通道中提供有一个可变喷嘴机构7，以将废气吹到涡轮机叶轮6上。可变喷嘴机构7是一个阀门机构，其开启和关闭从而改变废气通道的废气气流面积。当废气的流动速度以这种方法被改变时，涡轮增压器4的转速也改变，发动机1的涡轮增压压力(进气压力)可以被调节。
采用一个直流(DC)电机9作为执行器用于操纵可变喷嘴机构7。通过控制器8来驱动和控制电机9。通过驱动电机9，设置在可变喷嘴机构7上的喷嘴叶片(可变喷嘴)10被开启和关闭。当喷嘴叶片10被移动向关闭一侧时，吹到涡轮机叶轮6上的废气流速增大，涡轮增压器4的转速提高，从而发动机1的涡轮增压压力上升。当喷嘴叶片10被移动向开启一侧时，吹到涡轮机叶轮6上的废气流速减小，涡轮增压器4的转速降低，从而发动机1的增压压力下降。
用于控制直流电机9驱动的控制器8接收到来自喷嘴位置传感器11的信号输入，该传感器用于检测喷嘴叶片10的位置，控制器还有个电流检测电路8a用以检测通过直流电机9的电流大小。控制器8连接到发动机控制电控单元(发动机ECU)12，并被设计能够通过通讯接收来自发动机ECU12的命令，该控制单元用以控制发动机1的运转。发动机ECU12接收来自用于检测发动机转速的转速传感器13的信号输入，以及来自点火开关14的信号输入，该点火开关是通过车辆驾驶员起动和停止发动机1来操作的。
其次，可变喷嘴机构7的结构将参考图2和3进行详细说明。图2是从压气机叶轮5一侧(图1的上部)看所得到的可变喷嘴机构7的正视图。图3是沿着图2的III-III线的可变喷嘴机构7的剖视图。
如图2和3所示，可变喷嘴机构7具有一个环形喷嘴支承板21。喷嘴支承板21具有多个轴22，绕着喷嘴支承板21的圆心等角度排列。这些轴22沿着厚度方向贯穿喷嘴支承板21，作为可转动的支撑点。每个轴22都提供有一个喷嘴叶片10固定在轴22的端部(图3中下面末端处)，并且一个开关杆23被固定在轴22的另外一个端部(图3中上面末端处)。每个开关杆23垂直于相应轴22的方向延伸，朝向喷嘴支承板21外部边缘部分。
在开关杆23和喷嘴支承板21之间设置有一个环形盘24，从而该环形盘靠在喷嘴支承板21上。环形盘24按照直流电机9的驱动而在圆周方向转动。环形盘24上提供有多个销钉25，绕着环形盘24的圆心等角度排列。每个销钉25可转动的和相应的开关杆23连接在一起。
当环形盘24由直流电机9带动绕圆心转动时，销钉25沿环形盘24旋转的方向推动开关杆23。结果，开关杆23使轴22转动。当轴22转动时，与相应轴22对应的喷嘴叶片10同时转向开启或关闭。根据相邻喷嘴叶片10的开启或关闭运动，喷嘴叶片10之间的气隙大小，即，废气通道的废气气流面积发生改变，该废气通道是提供给废气吹到涡轮机叶轮6，从而废气的流速改变。
喷嘴叶片10的开启关闭范围由总数为3个的挡块26来确定，这些挡块在喷嘴支承板21上绕着喷嘴支承板21的圆心等角度排列。每个挡块26所处位置位于如图4所示的相邻两个开关杆23之间。当喷嘴叶片10移动到开启方向尽可能远的位置时，在每个挡块26相对侧的两个相邻的开关杆23中的一个(图4中较低的开关杆23)，如实线所示接触到挡块26。在这一情况下，挡块26的作用为完全开启侧挡块。当喷嘴叶片10移动到关闭方向尽可能远的位置时，在每个挡块26相对侧的相邻开关杆23中的另一个(图4中较高的开关杆23)，如双点划线所示接触到挡块26。在这一情况下，挡块26的作用为完全关闭侧挡块。
在这种方法中，喷嘴叶片10的开关范围由挡块26确定。在开关范围内，在正常发动机操作中执行对喷嘴叶片10开启程度的控制。根据来自发动机ECU12输出的开启程度命令值，通过控制器8对直流电机9的驱动控制，来完成喷嘴叶片10开启程度的控制。在发动机正常操作过程中开启程度命令值在0％到100％之间变化。开启程度命令值被设置在靠近0％的值上，以控制喷嘴叶片10处于靠近完全开启侧一端，设置在靠近100％的值上，以控制喷嘴叶片10处于靠近完全关闭侧一端。
这里要注意的是，即使当开启程度命令被设置为100％时，喷嘴叶片10没有被设定在预定开关杆23碰到挡块26的位置。因此，正常发动机操作过程中在喷嘴叶片10开启程度的控制下，喷嘴叶片10可以根据从0％到100％之间的开启程度命令值的改变，可靠的在完全开启位置和关闭位置之间的范围内移动。下文中，这一位置范围将被称为“喷嘴叶片10开启程度的正常使用范围”。此外，对应于喷嘴叶片10的开启程度的正常使用范围，涡轮增压器4的转速范围被称为“涡轮增压器4转速的正常使用范围”。
由叶片10开启程度控制的喷嘴叶片10位移，是参考预定位置来执行的。更优选的是，这一基准位置是靠近完全关闭的位置，以更为精确的将喷嘴叶片10移到完全关闭位置的附近。
因此，可以想象得到在发动机停止运转后，喷嘴叶片10被移动到关闭一端直到预定的开关杆23碰到挡块26，以达到下一次发动机操作而确定的基准位置。在这种情况下，通过将喷嘴叶片10碰撞的位置确定为基准位置，喷嘴叶片10在发动机启动后可即刻根据基准位置精确的移动。
然而，如果发动机停止操作后而发动机仍然在转动，喷嘴叶片10向关闭一侧移动，则吹到涡轮机叶轮6上的废气的流速变得很大，这样引起涡轮增压器4超速旋转的危险以及因此出现相关的故障。
在本实施例中，因此，可以确定发动机停止操作后发动机是否已经停止转动。在确定发动机已经停止转动后，喷嘴叶片10向关闭一侧移动直到预定的开关杆23碰到挡块26。这防止了不希望得到的结果，即喷嘴叶片10向关闭一侧移动，吹到涡轮机叶轮6上的废气的流速变得过大从而发生涡轮增压器4超速转动并导致故障。
其次，在发动机停止操作后，喷嘴叶片10移动直到预定的开关杆23碰到挡块26的过程，将参考图5中的流程图进行详细说明，该图说明了喷嘴碰撞过程。喷嘴碰撞过程是通过，例如，通过发动机ECU12，在每一预定时刻发生时间中断执行的。
在喷嘴碰撞过程，如果点火开关14已经被操作到停止(关闭)发动机(S101为YES)，这确定了发动机1是否已经停止转动。发动机的转速是根据来自转速传感器13的检测信号来确定的，该传感器根据发动机1的转速输出信号。
确定发动机1是否已经停止转动的完成是根据，例如，确定发动机转速是否低于一个很接近″0″并不使涡轮增压器4的转速增加的预定值a，虽然喷嘴叶片10被移动到关闭一侧的碰撞位置(S102)。先前提及的确定也可以通过另一种方法来完成，例如，根据点火开关14的发动机停止操作的时间点之后所经过时间是否已经达到一个预定值，该预定值是发动机停止操作后，发动机转速下降到或者低于一个转速预定值所需要的预定时间，这个转速预定值可能是″0″。预定时间预先通过实验或者类似方法来确定。
如果在S102中得到肯定的确定，则确定喷嘴叶片10在关闭一侧位置的碰撞是否完成(S103)。如果用以驱动喷嘴叶片10向关闭一侧移动的直流电机9所通过的电流值等于或者大于预定值x，则做出碰撞完成的确定。这一确定方式是可行的，因为喷嘴叶片10在关闭一侧碰撞之后，直流电机9的带电将持续。碰撞完成的确定也可用其他方式进行，例如，根据这样一种情况，喷嘴叶片10的实际位置已经达到碰撞完成的位置，其中叶片位置的确定来自喷嘴位置传感器11的检测信号。
如果在S103中确定碰撞没有完成，开启程度命令值将被设置在一个比100％更靠近侧的值(例如110％)(S104)。如果在S103中确定碰撞已经完成，开启程度命令值将中止(S105)。因此，喷嘴叶片10被移动向关闭一次直到喷嘴叶片10碰到关闭一侧。
与发动机1停止时刻所用时间相关的点火开关14操作状态，发动机转速，喷嘴叶片10位置，以及涡轮增压器4的转速的改变方式，将参考图6A到6D的时间表进行详细说明。
如图6A所示，当操作点火开关14从开启状态变为关闭状态，以停止发动机1(时刻T1)，发动机1的停止开始，从而发动机转速如图6B所示逐渐降低。
如果在发动机转速低于预定值a之前，喷嘴叶片10从正常使用范围向关闭一侧移动，如图6C中双点划线所示(时刻T2)，涡轮增压器4的转速上升到高于正常使用范围，如图6D中双点划线所示。发生这种不希望得到的结果，是因为喷嘴叶片10控制向关闭一侧同时发动机转速保持在或高于预定值a，导致吹到涡轮机叶轮6上的废气流速增大过高，并导致涡轮增压器4的超速转动。
与之相反，在本实施例中，在发动机转速已经减小到低于预定值a之后，喷嘴叶片10才向关闭一侧移动，如图6C中实线所示(时刻T3)。因此，避免了高速废气吹到涡轮机叶轮6上，并且涡轮增压器4的转速在正常使用范围内逐步下降，如图6D中实线所示。
上述的实施例可以实现下列优点。
(1)在发动机停止操作被执行后，喷嘴叶片10向关闭一侧移动直到预定的开关杆23碰到挡块26，以作为下一次发动机操作确定喷嘴叶片10的基准位置。在确定发动机1已经停止转动后，喷嘴叶片10以这种方法移动。因此，该实施例基本上防止不希望得到的结果，即当喷嘴叶片10向关闭一侧移动时，吹到涡轮机叶轮6上的废气流速变得过大，从而发生涡轮增压器4超速转动，并导致故障。
(2)在发动机停止操作执行之后，根据确定发动机转速是否已经减小到低于一个很接近″0″的预定值a，来完成对发动机是否已经停止转动的确定，该转速的确定是来自转速传感器13的检测信号，传感器根据发动机转速输出信号。因此，可以精确的确定发动机1是否已经停止转动。
上述的实施例可以进行改变，例如，如下所示。
·用于驱动可变喷嘴机构7的执行器除了直流电机9外还可以是其他执行器。例如，其他形式的电机，比如步进电机和类似设备，可以被用作先前提及的执行器。
·在根据发动机停止开始之后，即，执行点火开关14进行发动机停止操作后经历的时间来进行发动机1是否已经停止转动的判断的情况下，可以根据发动机停止操作的时刻(在点火开关14关闭的前一个瞬间)所发生的发动机转速，改变用于上述确定的阈值(停止确定时间)。在这一修改的情况中，确定停止的时间随着发动机停止操作发生时刻的发动机转速的增加而增加。
虽然在上面说明中，发明应用于一种结构，该结构是在发动机停止操作执行之后，喷嘴叶片10(更准确术语表达为预定开关杆23)导致碰到完全关闭一侧挡块(挡块26)，发明也可以应用到这样一种结构，在发动机停止操作执行之后，喷嘴叶片10被控制到关闭一侧的预定位置。在对上述实施例应用这种修改的情况下，优点(1)变得更加突出，因为在发动机停止操作后，喷嘴叶片10向关闭一侧移动直到喷嘴叶片10到达完全关闭一侧挡块26前面的预定位置。结果，废气流速与前面提及的实施例相比有所减少，在该实施例中喷嘴叶片10碰到完全关闭一侧的挡块，这样可以防止发生不希望得到的情况，例如涡轮增压器4的超速转动。
虽然在上面的说明中，本发明被应用到一种结构，其中在发动机停止运转后，喷嘴叶片10向关闭一侧移动以作为下一次发动机操作确定喷嘴叶片10的基准位置，但发明也可以应用到另一种结构，在发动机停止操作后，喷嘴叶片10被控制向关闭一侧以达到其他目的和原因。
虽然本发明已经参考当前所认为是优选的实施例进行说明，但应该清楚的是本发明并不局限于所述的实施例或结构。相反，本发明可以延伸包括各种修改和类似的布置。

Claims (11)

1.一种可变喷嘴型涡轮增压器(4)的控制装置，该涡轮增压器安装有可变喷嘴(7)，该可变喷嘴开启和关闭以增大和减小废气通道的废气气流面积，该废气通道用以将来自发动机(1)的废气吹到涡轮机叶轮(6)上，其特征在于，包括控制工具，用于确定发动机(1)的转速是否已经达到预定值(a)，该预定值被设置为当可变喷嘴(7)被控制朝向关闭一侧移动时涡轮增压器(4)的转动不会变快的值，以及如果在发动机停止操作后确定转速已经达到预定值(a)，则控制可变喷嘴(7)朝向关闭一侧移动。
2.根据权利要求1的控制装置，其中预定值(a)为″0″。
3.根据权利要求1或2的控制装置，其中所述控制工具根据来自转速传感器(13)的检测信号确定转速是否达到预定值(a)，其中转速传感器输出相应于发动机(1)转动的信号。
4.根据权利要求1或2的控制装置，其中所述控制工具根据发动机停止操作后经过的时间是否达到预定时间，确定转速是否达到预定值(a)，该预定时间为发动机转速下降到预定值(a)所需的时间。
5.根据权利要求1或2的控制装置，其中发动机停止操作是通过关闭点火开关(14)来执行的。
6.根据权利要求1或2的控制装置，其中可变喷嘴(7)的移动范围由挡块(26)来限定，并且该控制工具在发动机停止操作后，控制可变喷嘴(7)向关闭一侧移动，直到可变喷嘴(7)的开关杆(23)碰到挡块(26)。
7.根据权利要求6的控制装置，其中可变喷嘴(7)根据基准位置来移动，该基准位置确定为上述开关杆(23)碰到挡块时的位置，以及
在发动机停止操作后，控制工具控制可变喷嘴(7)向关闭一侧移动，直到上述开关杆(23)碰到挡块(26)，以达到为下一次发动机操作设定的基准位置的目的。
8.一种可变喷嘴型涡轮增压器(4)的控制方法，该涡轮增压器安装有可变喷嘴(7)，该可变喷嘴开启和关闭以增大和减小废气通道的废气气流面积，该废气通道用以将来自发动机(1)的废气吹到涡轮机叶轮(6)上，其特征在于，包括以下步骤：
确定发动机(1)的转速是否达到一个预定值(a)，该预定值设置为当可变喷嘴(7)被控制朝向关闭一侧移动时、涡轮增压器(4)的转动不会变快的值，以及
如果在发动机停止操作后确定转速已经达到预定值(a)，控制可变喷嘴(7)朝向关闭一侧移动。
9.根据权利要求8的控制方法，其中所述预定值(a)为″0″。
10.根据权利要求8或9的控制方法，其中根据相应于发动机(1)转动的信号，确定转速是否已经达到预定值(a)。
11.根据权利要求8或9的控制方法，其中根据发动机停止操作后所经过的时间是否已经达到一个预定时间，确定转速是否达到预定值(a)，该预定时间为发动机转速下降到预定值(a)所需要的时间。
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