CN1298981C - 用于具有调节阀致动装置的涡轮增压发动机的控制策略 - Google Patents
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Abstract
涡轮增压器(32)使柴油发动机(10)的进气歧管产生增压。时常使排气阀的打开与发动机工作循环相关地越来越延迟，以使涡轮增压器(32)来加大增压，还相应于增压而增加发动机的供油，并且对这种越来越延迟的排气阀的打开和增加的发动机供油所引起的压缩机(38)的初始浪涌作出响应，从进气歧管(14)泄放的压缩增压空气，用以抵消这种压缩机的初始浪涌，从而避免任何显著的涡轮增压器(38)的浪涌。
Description
技术领域
本发明总的涉及装有调节阀致动器的、驱动机动车辆的涡轮增压柴油发动机，更具体地说，涉及增加发动机转矩的控制策略，且该策略不会引起不希望有的、诸如柴油发动机排烟之类的尾管排出物的结果，特别是在涡轮增压器增压较低时的发动机较低速运转时。
背景技术
涡轮增压器是一种用来给内燃发动机增压的装置。用涡轮增压器来增压的柴油发动机常常被称为涡轮增压柴油机。涡轮增压器包括一涡轮机，该涡轮机是由发动机排气来驱动的，并通过一轴连接来驱动一压缩机，该压缩机将其下游的发动机进气系统中的压力升高。通过对涡轮机运作的控制来控制压力提升。
控制涡轮机的运作的策略需要考虑到涡轮增压器的具体类型。有一种类型的涡轮增压器具有可变的尺寸形状或者可变的喷嘴，它可以改变其中流过涡轮增压器的排气与涡轮机的相互作用。可动的叶片可有选择性地定位，用以控制排气与涡轮机的相互作用情况，因而控制压力提升。涡轮增压器具有一用以使电控器与可动叶片接口的机电致动器。该致动器具有一可根据来自电控器的控制信号来设定叶片位置的螺线管。控制信号可根据所要求的控制策略来形成。
废气闸门式的涡轮增压器通过控制偏转来自涡轮机的排气的废气闸阀的打开程度，来控制可与涡轮机相互作用的排气比例。废气闸阀可通过施加一控制信号的电致动器来操作。
可以说，通常都将涡轮增压器考虑为一种用于改进发动机性能的装置。涡轮增压器通常是为高发动机转速所用的，这是因为在低发动机转速时可作用在涡轮增压器的涡轮机上的发动机排气的量通常是不足于使涡轮增压器的压缩机形成足够的增压来使之有效地改善在这些低转速时的性能。
不过，已有揭示表明：某些涡轮增压的柴油发动机，特别是具有调节阀时间设置的发动机能够得到增大的低转速转扭，而无不希望有的、诸如在发动机排气中的烟之类的尾管排放物的结果。这可通过如下的联合控制来改善：
(1)在发动机工作循环过程中发动机排气阀打开的时间，以及(2)发动机供油。通常，联合控制包括延迟、即推迟排气阀的打开并同时增加供油以在内燃腔内保持所要的空气一燃油比。此改进可在发动机低速运转时提供相当大的发动机转矩的增加，而在尾管排放物上没有多大的不利影响。
从柴油发动机的内燃腔中排放燃烧生成物的过程可认为包括如下的二个阶段：(1)放气阶段，此时排气压力大到足以形成通过一打开的排气阀的排气气流；以及(2)泵出阶段，此时发动机的运动机构正在将内燃腔的扫气体积减小到可使排气通过打开的排气阀的程度。放气阶段将在一打开排气阀时就开始，而以后再将发生泵出阶段。例如，如果发动机气缸的排气阀在活塞在气缸内到达下死点(BDC)之前完成一动力下冲程的话，放气阶段将在BDC之前开始。它也可继续进入接着发生的活塞的排气上冲程，直到压力降低到不足以形成连续的排气气流或者上冲程活塞将扫气体积减小到足以产生可使排气通过打开的排气阀排出为止。试验表明，延迟排气阀打开的时间设置(timing)可形成更有效的排气放气，这对涡轮增压器的运作是有利的，特别是在之前被认为涡轮增压器改进发动机性能的效果较差的低发动机转速时。
因为本发明的某些原理包括改变在发动机工作循环中排气阀打开的时间，故发动机必须为每一个排气阀设置一合适的机构。这种机构的一个例子可以是一根据施加在其上的电信号来打开和关闭排气阀的一个电致动器。这种发动机常常被称为无凸轮发动机，特别是在发动机的进气阀也由电致动器控制时。当采用本发明的策略时，在发动机循环过程中的每个排气阀的开启时间设置是越来越延迟的。
由于排气阀的打开延迟，微粒的气缸内燃烧时间增加，这就减少了微粒排放。同时，还发现排放阀开启延迟可对涡轮增压器压缩机增加能量输入，从而增加压力提升，这一发现可认为是与现有的普通常识相背的。当压力提升增加且烟减少时，还增加发动机供油以得到增大的发动机转矩，这样，补充的供油不会以任何明显的方式对尾管排放造成不利。这样，可使涡轮增压器的运作达到其性能极限，因而可使发动机形成相应的、比原本可达到的转矩更大的转矩。
但是，排气阀打开延迟与发动机供油增加一道采用的结果会影响到涡轮增压器的运作。一种可能的结果是，如果涡轮机上的排气流导致涡轮增压器的运转超过其性能极限，则涡轮增压器的压缩机会产生不希望有的浪涌。为了避免这种浪涌，在初始压缩机浪涌时或在预期时起动在压缩机出口处的泄放阀，用以将来自进气系统的压缩增压空气泄放到足以抵消、或防止初始浪涌。来自进气系统的压缩增压空气泄放成可使进气歧管压力增大、而无涡轮增压器浪涌。由于这个可增大进气歧管压力而无伴随的涡轮增压器浪涌的能力，即使在低速发动机运作时，涡轮增压器也可在其性能极限处或附近工作，此外，为了要在发动机上实施本发明的原理，通常为高速而不是低速运作设计的涡轮增压器的基本结构不必作改型或改变。只要给发动机进气系统配上一泄气阀将来自进气系统的压缩增压空气泄放就足够了，可能还附加上一个或几个传感器，并在发动机控制处理器中配以合宜的算法。
发明内容
本发明的一个主要方面涉及到一种新颖的、用于控制具有调节阀致动装置的涡轮柴油发动机中的排气阀的打开的策略。当发动机在低于峰值转矩转速下运转时，发动机控制系统使排气阀在发动机循环中在比具有操作排气阀的凸轮轴的发动机中迟一些的时间打开。控制系统将排气阀打开延迟的程度是一个或多个所选变量的函数，这些变量如发动机转速、发动机负荷、增压、制动器(马力小时)比油耗(BSFC)以及车辆的加速度。
本发明的一方面内容涉及到一种用于涡轮增压的内燃发动机的、特别是涡轮增压压缩点火的或柴油的、具有调节阀致动器的发动机的新颖的策略。所揭示的策略通过一基于处理器的发动机控制装置来完成，它采用与某些发动机运作参数相关的数据来控制来自发动机进气系统的压缩增压空气的泄放。这些数据按照一处理器所执行的软件算法来处理，以得到一可施加于涡轮增压器的压缩机之出口处的电动泄放阀上的控制信号。受控的泄放可抵消由于排气阀打开时间设置的越来越延迟和伴随的供油增加而引起的涡轮增压器的初始浪涌。
本发明的一个总的方面内容涉及一种内燃发动机，它包括一增压空气经其而送入到发动机的进气歧管中的进气系统，该系统包括一涡轮增压器，它具有一由发动机的排气驱动、用来产生在进气歧管中提供增压的压缩的增压空气的压缩机。一用于从进气歧管泄放出一些压缩的增压空气的泄放器可使进气歧管压力增加而无谓的涡轮增压器的压缩机浪涌的。一控制器控制与发动机的工作循环中相关的发动机排气阀的打开、与发动机工作循环相关的发动机供油和增压空气的泄放。在一定的条件下，该控制器使与发动机的工作循环相关的排气阀的打开越来越延迟，以使涡轮增压器增加进气歧管内的压力，并相应于进气歧管中的压力增加而增加发动机的供油，并且，对这种越来越延迟的排气阀打开和增加的发动机供油对发动机排气的作用所引起的任何压缩机的初始浪涌作出响应，使泄放器工作，用以抵消这种压缩机的浪涌。
本发明的另一个总的方面涉及一种用于上述发动机的方法，其特点是，通常， 在发动机的工作循环中使排气阀打开越来越延迟，以使涡轮增压器增加进气歧管压力，相应于进气歧管压力的增加而增加发动机的供油，并且，对这种越来越延迟的排气阀打开和增加的发动机供油对发动机排气的作用所引起的任何压缩机的初始浪涌作出响应，使泄放器工作，用以抵消这种压缩机的浪涌。
本要求保护的发明的又一方面内容涉及一种软件算法，它用于发动机控制处理器中，用以完成上述的方法。
本发明的上述的以及其它的各方面内容、特点和优点将在作为说明实施本发明的此时的最佳形式的一目前较佳实施例的揭示中可以看到。本发明包括如下简略说明的附图以及将参照这些附图所作的详细阐述。
附图说明
图1是根据本发明原理的一种发动机的总体简图。
图2是用来实施本发明的算法的流程图。
图3-11是对理解本发明有用的各种曲线图。
具体实施方式
图1示出向机动车辆提供动力的一内燃发动机10。这种车辆的一个例子是具有一包含动力系的底座的卡车，在该动力系中发动机10是一个喷油的涡轮增压柴油发动机，该柴油发动机通过一驱动系与从动轮可操作地相耦合以驱动车辆。该发动机具有可按照发动机的运作来控制排气阀开启的时间的调节阀致动功能。
发动机10包括一增压空气经其送到发动机10的进气歧管14的进气系统42。增压气体从进气歧管14经过相应的进气阀18进入到每个发动机气缸16中。在合宜的发动机运作的时间里，各个燃油喷射器20将柴油燃料喷入各个发动机气缸中。发动机10还包括一将发动机气缸中燃烧所产生的排气从发动机排移出去的排气系统22。排气通过相应的排气阀24从每个气缸中排出。
发动机10可以是一无凸轮的发动机，这就是个其每个平常关闭的进气和排气阀都是在发动机的工作循环中通过施加给各电致动器的电信号而在适当的时间打开的。
一具有数字处理能力的电子发动机控制器30与发动机10相连。控制器30可包括一个或多个处理器，它们根据编制的算法处理来自各种输入数据信号源的数据，以求得在执行与发动机10的运作相关的各种函数相关中所用信号的某些数据。控制器30所处理的数据可以来自外部源(输入变量)和/或在控制器30的内部形成(局部变量)。控制器30求得用于使吸气和排气阀门致动器工作的信号以及使燃油喷射器20工作的信号的数据。
发动机10的涡轮增压是通过一涡轮增压器32来完成的，该涡轮增压器包括一涡轮机34，该涡轮机连接在排气系统22中，并通过一轴36连接在进气系统12中的一压缩机38。压缩机38是由来自发动机10的排气来驱动的，发动机的排气作用在涡轮机34上以形成为在吸气管14中提供增压的压缩增压空气。
泄放阀40包括一与进气系统12中的压缩增压空气相连通的入口。泄放阀40可以是例如安装在压缩机38的出口处。泄放阀40具有一可控制泄放阀允许打开的程度的电致动器。该致动器与发动机控制器30电气连接。当泄放阀40打开时，它将压缩的增压空气从吸气系统12中泄放出。该阀开启的程度决定于泄放长度。
发动机控制器30包含有一实施用于控制泄放阀40、以及用于通过燃油喷射器20控制发动机供油和控制排气阀24的算法的软件程序。在图2中示出该算法，其标号为50。
在执行算法50时，它完成一系列的、由总的标号50所标示的步骤，其起始步骤为52。一旦完成了起始步骤且发动机起动，一随后的步骤54就判断a)控制器30(ECU)是否接通，亦即电源接通并运转，且b)发动机是否在低于峰值转矩转速下运转。如果不满足a)和b)两条件，则将排气阀开启的时间设置重新设定至基准值(步骤55)，此后再重复步骤52和54。当满足两条件a)和b)时，则步骤56使ECU相对于基准时间值延迟排气阀24开启的时间设置。在算法50的例子中，通过发动机曲轴的转动从发动机循环中的基准值转动附加的5度来延迟排气阀的开启。
下一步骤58使控制器根据排气阀开启延延迟所导致的加大的增压来增加发动机的供油。增加的供油用以保持所要求的燃油-空气比。算法50的下一步骤60判断涡轮增压器32是否由于排气阀开启的延迟而开始浪涌。如果涡轮增压器并未开始浪涌，则算法循环回到步骤54，而如果条件a)和b)继续得到满足，则重复步骤56、58和60。只要a)和b)两条件继续得到满足，排气阀的开启通过每次随后的重复步骤56和58而愈加延迟。
不过，最后，延迟将变得足以引起涡轮增压器浪涌。因此，当步骤60确定涡轮增压器32开始浪涌时，控制器30开始打开阀40，如算法50的步骤62所示。阀40初始地打开一个增量。再执行步骤62，以判断初始浪涌是否已被抵消。如果尚未抵消，算法再次执行62，通过对阀的控制信号施加一附加增量来使阀打开更大些。步骤62将继续重复以不断打开阀40，直到步骤60确定初始浪涌已被抵消掉了为止。
当作出了这种判断时，算法回到步骤54。
图3表示一种已知的涡轮增压器的压缩机转速图线的例子。浪涌线100将涡轮增压器的稳定工作区102和不稳定工作区104分开。在102区中，已知的关系在三个所示的参数、亦即压力比、折合质量流率和转速。假定涡轮增压器在标号106标示的工作点上稳定地运作。如果排气阀的开启越来越延迟和/或发动机供油增加超出了满负荷供油，则压力比将比发动机所要求的空气流量增加得快。结果涡轮增压器的工作点开始沿线段108从点106向浪涌线100转移。当排气阀的开启继续不断延迟和/或发动机的供油继续增加时，发动机的工作将点沿着穿过浪涌线并进入104区的一线段110移动。因此，当工作点移过位置112处的浪涌线时，涡轮增压器将开始浪涌。通过泄放一些从吸气系统12经过泄气阀40的压缩的增压空气，就可使工作点回到稳定区102，诸如沿线段114，而不沿线段110。这样，压缩的增压空气从吸气系统中泄放，以使吸气管压力进一步增加而无压缩机浪涌。结果，可在压力比和质量流率两者都比点112有所增大的情况下实现涡轮增压器的稳定。
图4包括一确定泄放阀开启程度与发动机循环过程中排气阀开启的时间的关系的曲线120，它是用发动机曲轴转角的度数来计量的。图4还包括确定涡轮增压器转速与排气阀开启的时间的关系的第2根曲线122。图4表示：当排气阀开启越来越延迟时，就需要经过阀40泄放更多的压缩增压空气来防止涡轮增压器浪涌。曲线120表示作为排气阀开启时间的函数的、用以防止涡轮增压器浪涌所必需的最小的泄放流动面积。尽管排气阀开启延迟会因尚未对排气系统打开的气缸中的气体的压缩而造成发动机的泵送损失，但是，如果阀门开启延迟足以使泵出阶段对排气有效的话，当它们确实进入到排气系统且经过涡轮增压器通向尾管时，这些气体在涡轮机34上的效率将会提高。
图5包括一确定空气-燃油比对发动机循环过程中排气阀开启的时间的关系的曲线130，它是用发动机曲轴转角的数来计量的。图5还包括一确定烟与排气阀开始开启时间的第2根曲线132。图5表示：由于排气阀开启的开始越来越延迟所形成的涡轮增压器增压的增加，空气-燃油比就增大，且烟也减少。
图6包括一确定制动器(马力小时)比油耗(BSFC)与发动机循环过程中排气阀开始开启的时间的关系曲线140。图6还包括一确定发动机转矩与排气阀开始开启的时间的关系的第2根曲线142。图6表明：在燃油消耗成本增加且因发动机泵送损失增大而使发动机转矩减小处得到图5所示的有用的益处。
但是，由于烟减少了，可将额外的燃油引入发动机。图7、8和9包括分别确定发动机转矩、涡轮增压器转速、空气流率、烟、功率输出、以及尾管或排气堆积物温度与发动机循环过程中排气阀开启时间的关系的六根曲线150、152、160、162、170和172，它们是用发动机曲轴转角的度数来计量的。这些关系都是在相同的固定供油情况下给出的。它们表明：排气阀的开启从基准线(在此时约135度ATDC)的延迟使转矩随着涡轮增压器转速的增加而增加到一点处。此后，随着涡轮增压器转速继续增大而转矩稍稍变小。
在由于排气阀开启得越来越延迟而使转矩开始增大的点上，排气的能量被涡轮增压器更有效地利用，涡轮增压器的转速增加更多。最终合成的增压提升使空气流率加大。由于在排气阀打开前的气缸内处长的燃烧时间加长且空气-燃油比更大，所以烟减少。
图10表示一确定作为供油过多百分比之函数的发动机转矩曲线180以及一作为在排气阀开启延迟增大时的供油过多百分比之函数的烟的曲线182。对于作为基准值烟的相同的烟排放，图10表明：由于延迟而能给发动机增加30％以上的更多燃油，对发动机转矩也造成一类似的增加。
图11表示排气压力相对于发动机曲轴转角在4种不同的排气阀开启时间设置情况下的4条跟踪曲线190、192、194、196。曲线190表示标准时间设置情况下的排气压力相对于发动机曲轴转角的关系。曲线192表示在提前的时间设置情况下的排气压力相对于发动机曲轴转角的关系。曲线194表示在延迟的时间设置情况下的排气压力相对于发动机曲轴转角的关系。曲线196表示在过分延迟的时间设置情况下的排气压力相对于发动机曲轴转角的关系。
来自气缸的排气呈现前述的吹倒和泵出阶段。当时间设置比标准时间设置提前时，如比较曲线192和曲线190所示，能量加到排气中，且因此涡轮增压器转速增加。由于能量加到了压力已经增大的排气压力脉冲的升高边缘上，该能量用于涡轮增压器效率是较低的。从发动机中提取能量，因而发动机转矩减小。
当时间设置比标准过程时间延迟时，如比较曲线194和曲线190所示，排气压力中出现从吹倒阶段到泵出阶段的一光顺的过渡。对于涡轮增压器，这就意味着能更有效地利用排气的能量。此外，由于排气阀开启的延迟将吹倒推迟到排气冲程中，所以发动机气缸中的上冲程活塞使吹倒阶段中的压降变得缓和。这就意味着当活塞抵抗高气压工作时，发动机有额外的泵送损失。尽管如此，在膨胀作功时的得益要超过泵送损失，以使输出转矩增加，且最后达到一表示为有最大转矩输出和最小BSFC的最佳排气阀开启的峰值。对涡轮机来说，这就意味着有额外的能量，导致如图7-9所示的涡轮增压器转速、压力提升以及吸入流率的增加。由于将能量加到了压力脉冲的下降边缘上，故该能量高效率地用于涡轮增压器。
当时间设置比标准时间设置分延迟时，如比较曲线196和曲线190所示，泵送损失超过了作功时的增益，发动机转矩开始下降。涡轮增压器的转速继续增加，吸入空气流率也增加。这是因为发动机的泵送损失变成为附加到排气的能量，在曲线196上反映为一宽而高的排气压力脉冲。由于在发动机低转速时因吸入空气量不足而有烟限，所以排气阀开启过分延迟可提供更多的空气，而因此可供更多的燃油而提高转矩。换句话说，采用过分延迟可能提高转矩，但如上所述，与最大转矩而最小BSFC的最佳化延迟相比，这种转矩得益会伴随出现BSFC的增加。
尽管已对本发明的较佳实施例作了图示和说明，应能理解的是，本发明的原理还适用于在所附权利要求书的范围内的所有实施例和应用之中。
Claims (13)
1.一种内燃发动机，它包括：
一进气系统，增压空气经其而送入到发动机的进气歧管中，该系统包括一涡轮增压器，该涡轮增压器包括一由发动机的排气来驱动、用来将压缩的增压空气送入进气歧管中的压缩机；
一泄放器，用于泄放一些压缩的增压空气；
诸排气阀，它们通常是关闭的，但可打开以使排气从发动机的燃烧腔排出；
一控制器，用于控制与发动机的工作循环相关的排气阀打开，用于控制与发动机的工作循环相关的发动机供油，以及用于控制增压空气的泄放；
其中，在一定的条件下，该控制器使与发动机的工作循环相关的排气阀的打开越来越延迟，以使涡轮增压器增加进气歧管内的压力，该控制器相应于进气歧管中的压力增加而增加发动机的供油，并且对这种越来越延迟的排气阀打开和增加的发动机供油所引起的任何压缩机的初始浪涌作出响应，使泄放器工作用以抵消这种压缩机的浪涌。
2.如权利要求1中所述的内燃发动机，其特征在于，压缩机包括：一出口，压缩的增压空气经其而送入到进气歧管中；以及泄放器包括一在压缩机出口处的电控阀，该阀用来泄放送入到进气歧管中的压缩增压空气。
3.如权利要求1中所述的内燃发动机，其特征在于，发动机工作循环包括一压缩点火工作循环。
4.如权利要求1中所述的内燃发动机，其特征在于，控制器按照如下的算法来工作：即在发动机的工作循环中将排气阀的打开延迟增大一定的发动机曲轴转角的度数，并且如果压缩机并不因排气阀打开延迟的加大而开始浪涌，就使发动机的供油增大某个量。
5.如权利要求4中所述的内燃发动机，其特征在于，如果压缩机并不因上述的供油增加而开始浪涌，该算法还使发动机的供油再增加一个更大的量。
6.如权利要求5中所述的内燃发动机，其特征在于，如果压缩机因上述进一步的发动机供油增加而开始浪涌的话，该算法使泄放器工作，用以增加压缩增压空气的泄放。
7.如权利要求6中所述的内燃发动机，其特征在于，该算法使泄放器工作以增加压缩增压空气的泄放，直至因上述的发动机供油的进一步增加而产生的任何压缩机浪涌停止为止。
8.一种内燃发动机的工作方法，所述内燃机包括：
一进气系统，增压空气经其而送入到发动机的进气歧管中，该系统包括一涡轮增压器，该涡轮增压器包括一由发动机的排气来驱动、用来将压缩的增压空气送入进气歧管中的压缩机；
一泄放器，用于泄放一些压缩的增压空气；
诸排气阀，它们通常是关闭的，但可打开以使排气从发动机的燃烧腔排出；
该方法包括：
在一定的条件下，使与发动机的工作循环相关的排气阀的打开越来越延迟，以使涡轮增压器增加进气歧管中的压力，相应于进气歧管中的的压力增加而增加发动机的供油，以及对这种越来越延迟的排气阀打开和增加的发动机供油所引起的压缩机的初始浪涌作响应，使泄放器工作用以抵消这种压缩机的浪涌。
9.如权利要求8中所述的方法，其特征在于，使泄放器工作的步骤包括：控制压缩机的一出口处的一电控阀的打开程度，所述电控阀可打开以泄放送入到进气歧管中的压缩增压空气。
10.如权利要求8中所述的方法，其特征在于，发动机的工作循环包括：一压缩点火工作循环；使与发动机工作循环相关的排气阀的打开越来越延迟以使涡轮增压器增加进气歧管中的压力的步骤包括：使在发动机工作循环中排气阀打开的延迟增加一定的发动机曲轴转角的度数；以及根据进气歧管中的压力增大而增加发动机供油的步骤包括：如果压缩机并不因排气阀打开延迟的增加而开始浪涌，则将发动机的供油增加一定量。
11.如权利要求10中所述的方法，其特征在于，它还包括以下的一步骤：如果压缩机并不因上述的供油增加而开始浪涌，则将发动机的供油再增加一更大的量。
12.如权利要求11中所述的方法，其特征在于，它包括以下的一步骤：如果压缩机并因发动机供油的进一步增加而开始浪涌，则使泄放器工作以增加压缩的增压空气的泄放。
13.如权利要求12中所述的方法，其特征在于，如果压缩机因发动机供油的进一步增加而开始浪涌则使泄放器工作以增加压缩的增压空气的泄放的步骤包括：使泄放器工作以增加压缩的增压空气的泄放，直至因发动机供油的进一步增加而产生的任何压缩机浪涌停止为止。
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