CN1289804C - 用于内燃发动机的增压装置 - Google Patents

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Abstract

在内燃发动机(8)的进气通路(1)中，提供有和电动机/发电机(4a)组合的压缩机(4)。还提供有旁通阀(6)，用于连接进气通路(1)的上游和下游，从而旁路压缩机(4)。当发动机(8)的所需进气流量小于一个门限值时，发动机(8)通过自然吸气进行操作，并且电动机/发电机(4a)通过使用由于进气流而旋转的压缩机(4)的转动能量进行发电。借助于随着所需的进气流量偏离压缩机(4)的排出流量而增加旁通阀(6)的开度，进气流量被精确地控制，同时满足发电要求。

Description

用于内燃发动机的增压装置
技术领域
本发明涉及一种增压装置的控制，所述增压装置使用电增压器，以便涡轮增压内燃发动机的进气。
背景技术
由日本专利局在2002年公开的JP2002-357127A披露了一种用于对内燃发动机的进气进行增压的电增压装置。这种装置包括设置在内燃发动机的吸气通路中的增压器和用于驱动该增压器的电动机。所述增压器包括罗茨鼓风机或容积式压缩机。
当发动机在高负荷下操作时，增压器响应电动机的操作增压内燃发动机的进气。当发动机在低负荷下操作时，所述装置适应于通过发动机经由增压器能自然地吸收进入的空气。在这些条件下，增压器借助于进气的气流转动。因而增压器借助于驱动电动机作为发电机进行发电操作。发出的功率被存储在电池中，并用于驱动增压器和其它的用途。用这种方式，当发动机在低负荷下操作时，用于增压的一部分电能被回收。
发明内容
按照现有技术，增压器通过吸入发动机内的吸入空气的流动能量转动。在这些条件下，发动机的吸入空气的量响应增压器的转动阻力而改变。现有技术通过改变电动机的发电的量把发动机的吸入空气的量抑制到一个目标进气量。换句话说，现有技术使用增压器代替进气节流阀。
当发动机在固定的操作参数下进行滑动行驶(coasting)时，这种结构呈现最佳的特性。不过，当发动机，例如车辆发动机的操作状态不断地改变时，增压器的内部阻力使得难于以高的响应特性控制进气量。此外，现有技术的结构难于达到所需的进气量和发电量。
因此，本发明的目的在于增加用于发动机进气量的控制的响应特性，所述发动机包括一个具有在自然吸气期间由气流操作的发电功能的电增压器。
本发明的另一个目的在于在具有这种增压装置的内燃发动机中达到所需的进气量和所需的发电量。
为了实现上述目的，本发明提供一种增压装置，用于根据内燃发动机的所需进气流量对在该内燃发动机的进气通路内的进气增压，所述装置包括：设置在进气通路中的正排量式增压器；用于响应供给的电功率驱动所述增压器的电动机，当从所述增压器输入转动能量时，所述电动机用作发电机；用于旁路所述增压器并连接所述进气通路的上游部分和下游部分的旁路通路；用于打开和关闭所述旁路通路的旁通阀；以及可编程的控制器，其被编程用于：确定所述增压器的排出流量；以及根据所述增压器的排出流量和发动机的所需进气流量来调节旁通阀的开度，其中在所述所需进气流量与所述排出流量之间存在差值时，打开旁通阀，所述控制器还被编程用于通过对电动机提供电功率来驱动所述增压器，以便当所述发动机的所需进气流量大于预定的门限值时，对进气通路内的进气增压，以及当该发动机的所需进气流量不大于所述预定的门限值时，利用从按照进气通路内的气流转动的该增压器输入的转动能量来使电动机/发电机发电。
本发明还提供一种用于增压装置的控制方法，所述增压装置用于根据内燃发动机的所需进气流量对该内燃发动机的进气通路中的进气增压，其中，所述装置包括：设置在进气通路中的正排量式增压器；用于响应供给的电功率驱动所述增压器的电动机，当从所述增压器输入转动能量时，所述电动机用作发电机；用于旁路所述增压器并连接所述进气通路的上游部分和下游部分的旁路通路；以及用于打开和关闭所述旁路通路的旁通阀，所述控制方法包括：确定该增压器的排出流量，以及根据该增压器的排出流量和发动机的所需进气流量调节所述旁通阀的开度，其中在所述所需进气流量与所述排出流量之间存在差值时，打开旁通阀，所述控制方法还包括：通过对电动机提供电功率来驱动所述增压器，以便当所述发动机的所需进气流量大于预定的门限值时，对进气通路内的进气增压，以及当该发动机的所需进气流量不大于所述预定的门限值时，利用从按照进气通路内的气流转动的该增压器输入的转动能量来使电动机/发电机发电。
本发明的细节以及其它特征在本说明的其余部分中提出，并在附图中示出。
附图说明
图1是按照本发明的增压装置的示意图；
图2是按照本发明由控制器执行的用于电动机/发电机、旁通阀和节流阀的程序的流程图；
图3是表示在控制器中存储的旁通阀的开度的特性曲线；
图4A-4D是表示由控制器执行的旁通阀和节流阀控制的结果的定时图；以及
图5是表示在控制器中存储的电动机/发电机的可能的发电量的特性曲线。
具体实施方式
参见图1，用于车辆的内燃发动机8从进气通路1吸入空气，按照本发明的增压装置被应用到所述内燃发动机8上。
增压装置包括电增压单元2，其增压进气通路1中的进气。电增压单元2包括设置在进气通路1中的正排量压缩机4，电动机/发电机4a，以及连接电动机4a和压缩机4的转轴5。可以使用罗茨鼓风机代替正排量压缩机4。压缩机4和罗茨鼓风机相应于权利要求中的正排量增压器。电动机/发电机4a由被称为交流发电机的交流发生器构成。
电动机/发电机4a配备有逆变器，用于响应输入信号控制操作。增压装置还包括被提供在压缩机4和发动机8之间的进气通路1内的进气节流阀7。增压装置还包括旁路通路3，其具有旁通阀6，通过所述旁通阀进气通路1中进入的空气被引到进气节流阀7而不通过压缩机4。
控制器9输出信号，用于控制电动机/发电机4a的操作，并控制旁通阀6的开度和进气节流阀7的开度。
控制器9包括微型计算机，其配备有中央处理单元(CPU)，只读存储器(ROM)，随机存取存储器(RAM)和输入/输出接口(I/O接口)。控制器9可以包括多个微型计算机。
为了实现上述控制，下列信号被输入到控制器9：来自用于检测转轴5的转速的转速传感器10的信号、来自用于检测车辆中配备的加速器踏板的降低量的加速器踏板降低传感器13的信号、来自用于检测发动机转速的发动机转速传感器14的信号、来自用于检测压缩机4上游的进气通路1中的温度的温度传感器15以及来自用于检测压缩机4的上游的进气通路1中的压力的压力传感器16的信号。
因为转轴5的转速等于压缩机4的转速，所以转速传感器10用作检测压缩机4的转速的传感器。
控制器9根据包括加速器踏板降低量的上述信号计算发动机8所需的进气流量(intake air flow rate)Qa。当所需的进气流量Qa大于一个预定的门限值时，控制器9通过作为电动机的电动机/发电机4a来驱动压缩机4，以便对发动机8的进气增压。在这些条件下，控制器9把进气节流阀7置于全开的位置，把旁通阀6置于全闭的位置，并由车辆中存放的电池向电动机/发电机4a供电。
当所需的进气流量Qa不大于预定的门限值时，控制器9不向电动机/发电机4a提供电池功率，因而不对吸入的空气增压，同时由于发动机8对进气的自然吸气而允许空气流入压缩机4。
当由于发动机8的吸气冲程而在进气通路1中产生负的进气压力时，空气从外部大气通过进气通路1进入发动机8。因而压缩机4由进入空气的流动带动转动。所得的转矩通过转轴5传递给电动机/发电机4a。由此，在电动机/发电机4a中产生电功率并被存储在电池中。控制器9控制旁通阀6和进气节流阀7的开度，以及电动机/发电机4a的发电量，以便实现所需的进气流量Qa，同时保持所需的发电量。
参看图2说明为实现上述的控制由控制器9执行的用于控制节流阀7、旁通阀6和电动机/发电机4a的程序。该程序在发动机8工作时以10毫秒的间隔被执行。
首先在步S101，控制器9根据由发动机转速传感器14检测的发动机转速和由加速器踏板下降传感器13检测到加速器踏板的下降量计算发动机8的所需进气流量Qa。
然后在步S102，控制器9通过比较所需的进气流量Qa和预定的门限值来确定是否需要增压操作。
当所需的进气流量Qa大于该门限值时，控制器9确定需要增压操作，并执行步骤S151-S153的处理。
在步骤sS151，通过向电动机4a提供功率使压缩机4工作。然后在步S152，使节流阀7完全打开。在下一步S153，旁通阀153被完全关闭。作为这一处理的结果，相应于所需的进气流量Qa的进气被压缩机4增压。在步S153的处理之后，控制器9使程序结束。
与此相反，当在步S102所需的进气流量Qa不大于该门限值时，控制器9确定不需要增压。
在这种情况下，控制器9在步骤S103根据由压力传感器16检测的压缩机4上游的进气通路1中的压力、由温度传感器15检测的压缩机4上游的进气通路1的温度以及由转速传感器10检测的转轴5的转速来计算压缩机4的排出流量(discharge flow rate)Qs。计算的排出流量Qs是一个质量流量(mass flow rate)。正排量式压缩机4的每一转排出固定量的空气。因而，压缩机4的转速和排出流量Qs之间的关系可以由下式表示：
Qs＝(系数)×(压缩机4上游的进气通路1的压力)×(压缩机4的转速)/(压缩机4上游的进气通路1的温度)
控制器9使用下面的公式在下一步S104计算压缩机4的排出流量Qs和所需的进气流量Qa之间的差Qb：
Qb＝Qa-Qs
在下一步S105，控制器9确定差Qb是否大于或等于0。当Qb大于或等于0时，换句话说，当所需的进气量Qa等于或大于压缩机4的排出流量Qs时，在步骤S106，控制器9把节流阀7设置为完全打开，或者将其开度设置为大于与所需的进气流量Qa相对应的开度。
在下一步S107，控制器使用差Qb查找具有相应于图3中的Qb≥0的曲线上所示特性的变换(map)，并计算旁通阀6的目标开度。所述的变换被预先存储在控制器9的存储器(ROM)中。所述变换表示，当差Qb增加时，换句话说，当所需的进气流量Qa取大于压缩机4的排出流量Qs的值时，旁通阀6的目标开度增加。
然后在步S108，控制器9控制旁通阀6的开度为在步S107设置的目标开度。在步S108的处理之后，控制器结束该程序。
如上所述，当所需的进气流量Qa等于或大于压缩机4的排出流量Qs时，在步S106-S108的进气流量的控制由旁通阀6控制而不由节流阀7控制。
在步S105，当所需的进气流量Qa小于压缩机4的排出流量Qs时，控制器9执行步S109-S111的处理。当发动机负荷经历暂时波动时，发生进气流量Qs小于排出流量Qs的情况。
在步S109，控制器9控制节流阀7的开度为一个相应于所需进气流量Qa的开度。
然后在步S110，控制器9通过查找具有相应于图3所示的Qb＜0的曲线上示出的特性的变换。这种变换被存储在控制器9的存储器(ROM)中。这个变换表示，随着Qb的负值的增加，换句话说，随着压缩机4的排出流量Qs取大于所需进气流量Qa的值，旁通阀6的开度增加。
在下一步S111，控制器9控制旁通阀6的开度为在步S110设置的目标开度。在步S111的处理之后，控制器9使程序结束。
总括关于旁通阀6的开度的控制，当所需进气流量Qa和压缩机4的排出流量Qs的差值Qb是零时，旁通阀6被完全关闭。随着所需进气流量Qa和压缩机4的排出流量Qs的差值Qb的增加，旁通阀6的开度增加。不过，当所需进气流量Qa超过压缩机4的排出流量Qs时，换句话说，对于相同的绝对值|Qb|，在增压操作期间当进气流量Qa大于压缩机4的排出流量Qs时，旁通阀6的开度大于在自然吸气期间旁通阀6的开度。
参看图4A-4D，下面说明根据这个控制程序的执行，压缩机4的转速、节流阀7的开度以及旁通阀6的开度相对于发动机8的进气流量的改变而发生的改变。
在此，所需的发动机8的进气流量Qa是固定的。压缩机4的转速响应所需的发电量通过逆变器进行控制。例如，即使在发动机8的负进气压力恒定时，当所需的发电量大时，在电动机/发电机4a上的发电负荷也增加。
结果，电动机/发电机4a的转动阻力变大，这使得压缩机4的转速减小。在另一方面，当所需的发电量小时，电动机/发电机4a的转动阻力也变小，结果，压缩机4的转速增加。这是由于在电动机/发电机4a上的发电负荷变小的缘故。
在时刻t0，图4C所示的压缩机4的转速低，并且压缩机4的排出流量Qs小于发动机8所需的进气流量Qa。在这些条件下，在步S109，节流阀7完全打开或者保持在大于相应于所需的进气流量Qa的开度的开度。如果发生任何空气不足，则通过旁路通路3供应。
在步骤S107，此时的旁通阀6的目标开度通过查找一个具有相应于图3所示的Qb≥0的曲线所表示的特性的变换确定。目标开度根据压缩机4的排出流量Qs和所需的进气流量Qa的差值Qb查出。
在t0-t1的间隔内，建立了条件Qb≥0，重复步骤S106-S108的处理。旁通阀6的开度响应压缩机4的转速的增加而逐渐减小。
在时刻t1，在排气流量Qs变得等于发动机9的所需进气流量Qa的同时，换句话说，在Qb的取值为零的同时，旁通阀6的开度变为0。
在t1-t2的时间间隔内，因为压缩机4的排出流量Qs大于发动机8的所需进气流量Qa，重复步骤S109-S111的处理。换句话说，在步骤S109，节流阀7的开度被调节到相应于所需进气流量Qa的开度。
在步S110，旁通阀6的目标开度通过查找具有由相应于图3中的Qb＜0的曲线所示的特性的变换来确定。所述开度响应所需进气流量Qa和压缩机4的排出流量Qs的差值Qb确定。在步骤S111，旁通阀6的开度被调节到目标开度。旁通阀6的开度随差值Qb的绝对值的增加而增加。
在时刻t2附近，压缩机4的转速从增加变为减小。结果，旁通阀6的开度随所需进气流量Qa和压缩机的排出流量Qs之间的差值的减小而减小。
在时刻t3，压缩机4的排出流量Qs再次等于发动机8所需的进气流量Qa。此时，旁通阀6完全关闭。
在时刻t3之后，所需的进气流量Qa超过压缩机4的排出流量Qs。节流阀7再次全部打开，或者打开到一个大于相应于所需进气流量Qa的开度的开度。因为在条件Qb≥0下差值Qb再次增加，故已被完全关闭的旁通阀6再次被打开。所述开度随时间的推移而增加。
下面参照图5说明由电动机/发电机4a回收的能量。
该图表示电动机/发电机4a的发电特性。按照该图，在等于或大于一个固定值的发动机负荷下，电动机/发电机4a的发电电势随着发动机8的转速的增加或者随着发动机8上的负荷的减少而增加。
当在发动机8上的负荷低时，现有技术的装置通过减小节流阀的开度来调节进气流量。不过当节流阀的开度减小时，在节流阀和发动机之间的空间内的压力减小，并引起泵送损失。按照上述的增压装置，只要所需的进气流量Qa大于压缩机4的排出流量Qs，节流阀7便完全打开或者保持在一个大于或等于相应于所需的进气流量Qa的开度的开度。
按照这种控制，将不会发生由于节流阀开度的减小而引起的泵送损失。换句话说，按照这种增压装置，可以回收在现有技术的装置中损失的能量。
此外，在这种增压装置中，电动机/发电机4a除了需要增压的情况之外，一般能够发电，因此实现了高的能量回收效率。
在另一方面，不管增压操作，当压缩机4的排出流量Qs偏离所需的进气流量Qa时，便操作旁通阀6便以便补偿所述的差值，以使得达到所需的进气流量Qa。
因而，按照这种增压装置，可以同时实现所需的发电量和所需的进气流量，并且增加进气流量控制的响应特性。
2003年3月27日申请的2003-087972号日本专利的内容被包括在此作为参考。
虽然上面参照本发明的一些实施例进对本发明行了说明，但是本发明不限于上述的这些实施例。在权利要求的范围内本领域的技术人员可以对上述实施例作出各种改变和改型。
例如，在这个实施例中，压缩机4的排出流量Qs根据压缩机4的转速、进气通路1的压力和温度来计算。因而能够检测压缩机4的排出流量而不增加对进气流的阻力。不过当然，可以借助于在压缩机4的排放端口内提供一个空气流量计来检测压缩机4的排出流量。
例如，还能够借助于改变发动机8的进气阀的提升量而不使用节流阀7来改变发动机8的进气流量。
要求专有权或独占权的本发明的实施例被限定如下。

Claims (14)

1.一种增压装置，用于根据内燃发动机(8)的所需进气流量对在该内燃发动机(8)的进气通路(1)内的进气增压，所述装置包括：
设置在进气通路(1)中的正排量式增压器(4)；
用于响应供给的电功率驱动所述增压器(4)的电动机(4a)，当从所述增压器(4)输入转动能量时，所述电动机(4a)用作发电机；
用于旁路所述增压器(4)并连接所述进气通路(1)的上游部分和下游部分的旁路通路(3)；
用于打开和关闭所述旁路通路(4)的旁通阀(6)；以及
可编程的控制器(9)，其被编程用于：
确定所述增压器(4)的排出流量(S103)；以及
根据所述增压器(4)的排出流量和发动机(8)的所需进气流量来调节旁通阀(6)的开度(S107，S108，S110，S111)，其中在所述所需进气流量与所述排出流量之间存在差值时，打开旁通阀，
所述控制器(9)还被编程用于通过对电动机(4a)提供电功率来驱动所述增压器(4)，以便当所述发动机(8)的所需进气流量大于预定的门限值时，对进气通路(1)内的进气增压(S151)，以及当该发动机(8)的所需进气流量不大于所述预定的门限值时，利用从按照进气通路(1)内的气流转动的该增压器(4)输入的转动能量来使电动机/发电机(4a)发电(S106-S111)。
2.如权利要求1所述的增压装置，其中，调整旁通阀的开度以使旁通阀的开度随着所述所需进气流量与所述排出流量之间的差值的增大而增大。
3.如权利要求1所述的增压装置，其中，在所述所需进气流量小于所述排出流量时打开所述旁通阀。
4.如权利要求1所述的增压装置，其中，所述控制器(9)还被编程用于当所述发动机(8)的所需进气流量大于所述预定的门限值时，关闭所述旁通阀(6)(S153)。
5.如权利要求1所述的增压装置，其中，所述控制器(9)还被编程用于当所述发动机(8)的所需进气流量不大于所述预定的门限值时，随着所述增压器(4)的排出流量和该发动机(8)的所需进气流量之间的差值的增加而增加所述旁通阀(6)的开度(S107，S110)。
6.如权利要求1所述的增压装置，其中，所述控制器(9)还被编程用于对于所述发动机(8)的所需进气流量与所述增压器(4)的排出流量之差的同一绝对值，所述旁通阀(6)在所述发动机(8)的所需进气流量不小于所述增压器(4)的排出流量时的开度大于在所述发动机(8)的所需进气流量小于所述增压器(4)的排出流量时的开度(S107，S110)。
7.如权利要求1所述的增压装置，其中，所述装置还包括被提供在所述增压器(4)下游的进气通路(1)中的节流阀(7)，并且所述旁路通路(3)被配置成从所述增压器(4)上游的所述进气通路(1)分支以及连接该节流阀(7)上游的该进气通路(1)。
8.如权利要求7所述的增压装置，其中，所述控制器(9)还被编程用于当所述发动机(8)的所需进气流量不小于所述增压器(4)的排出流量时，打开所述节流阀(7)到比相应于该发动机(8)的所需进气流量的开度更大的开度(S106)。
9.如权利要求7所述的增压装置，其中，所述控制器(9)还被编程用于当所述发动机(8)的所需进气流量小于所述增压器(4)的排出流量时，控制所述节流阀(7)到相应于该发动机(8)的所需进气流量的开度(S109)。
10.如权利要求1到9中任何一个所述的增压装置，其中，所述装置还包括用于检测所述增压器(4)的转速的传感器(10)，用于检测所述增压器(4)上游的所述进气通路(1)的压力的传感器(16)和用于检测该增压器(4)上游的该进气通路(1)的温度的传感器(15)，并且该控制器(9)还被编程用于根据该增压器(4)上游的所述进气通路(1)的温度和压力以及该增压器(4)的转速来确定该增压器(4)的排出流量(S103)。
11.如权利要求1到9中任何一个所述的增压装置，其中，所述装置适用于和具有加速器踏板的车辆的发动机(8)一起使用，所述装置还包括用于检测所述加速器踏板的降低量的传感器(13)，并且所述控制器(9)还被编程用于根据该加速器踏板的降低量来计算该发动机(8)的所需进气流量(S101)。
12.一种用于增压装置的控制方法，所述增压装置用于根据内燃发动机(8)的所需进气流量对该内燃发动机(8)的进气通路(1)中的进气增压，其中，所述装置包括：设置在进气通路(1)中的正排量式增压器(4)；用于响应供给的电功率驱动所述增压器(4)的电动机(4a)，当从所述增压器(4)输入转动能量时，所述电动机(4a)用作发电机；用于旁路所述增压器(4)并连接所述进气通路(1)的上游部分和下游部分的旁路通路(3)；以及用于打开和关闭所述旁路通路(3)的旁通阀(6)，所述控制方法包括：
确定该增压器(4)的排出流量(S103)，以及
根据该增压器(4)的排出流量和发动机(8)的所需进气流量调节所述旁通阀(6)的开度(S107，S108，S110，S111)，其中在所述所需进气流量与所述排出流量之间存在差值时，打开旁通阀，
所述控制方法还包括：通过对电动机(4a)提供电功率来驱动所述增压器(4)，以便当所述发动机(8)的所需进气流量大于预定的门限值时，对进气通路(1)内的进气增压(S151)，以及当该发动机(8)的所需进气流量不大于所述预定的门限值时，利用从按照进气通路(1)内的气流转动的该增压器(4)输入的转动能量来使电动机/发电机(4a)发电(S106-S111)。
13.如权利要求12所述的控制方法，其中，调整旁通阀的开度以使旁通阀的开度随着所述所需进气流量与所述排出流量之间的差值的增大而增大。
14.如权利要求12所述的控制方法，其中，在所述所需进气流量小于所述排出流量时打开所述旁通阀。
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