CN1940262A - 减少喘振的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种控制具有进气歧管和排气歧管的发动机的方法，其中在所述进气和排气歧管之间提供具有阀的排气再循环路径，且所述发动机具有涡轮增压器；该方法包括在至少有一个减少的发动机输出条件时，增大排气再循环阀的开口；并通过涡轮增压器涡轮调整排气膨胀，以降低通过涡轮增压器的膨胀。降低涡轮增压器膨胀将减少压缩机的功率输入，并使压缩机减速。同时，由于排气歧管侧的压力减小(因为膨胀减小)，进气歧管和排气歧管之间的压差增大。因此，更多来自进气侧的气流可以流入排气侧来有效地排气到进气歧管。结果，压缩机出口的压力进一步减小。因此，这样的操作可以通过两个动作的协同效应降低喘振的可能性。

Description

减少喘振的系统和方法
技术领域
本发明总体上涉及柴油驱动内燃机的控制，特别是涉及消除涡轮增压柴油发动机释放加速器的喘振的系统和方法。
背景技术
发动机可以使用涡轮增压器来提高发动机的转矩/功率输出密度。在一个示例中，涡轮增压器可以包括由共同轴连接的压缩机和涡轮，其中涡轮与排气歧管侧连接，而压缩机与进气歧管侧相连。通过这种方式，排气驱动的涡轮向压缩机提供动力，来增强进入发动机的空气流。
在某些条件下，涡轮增压柴油发动机会产生称为“喘振”的现象。例如，在驾驶员紧急释放加速器期间，发动机会减速，而涡轮增压器在逐渐减速之前还会继续旋转一段时间。此延迟至少部分地是由于惯性和继续来自排气涡轮的功率输入造成的。发动机减速导致通过发动机的空气流持续减少。此外，涡轮增压器的持续运转会导致压缩机出口或进气歧管侧的压力急剧增大，而涡轮或排气歧管侧的压力急剧减小/排空。当通过压缩机的顺流由于压缩机中的压力增大而不能维持下去，并发生瞬间回流时，压缩机喘振就可能发生。一旦发生喘振，回流就会减小排出压力或增大吸入压力，这样使顺流再次恢复，直至压力再次增大到喘振点。这种气流不稳和所产生的噪声可以称为“喘振”。
美国专利6,725,660号公开了一种处理喘振的方法。在’660参考文档中，暂时增大位于涡轮入口前面的喷嘴叶片的开口的控制动作在减速后立即执行。据其所述，冲击涡轮的排气流速骤然降低，从而产生类似于对涡轮应用制动力的状态。此制动力被用于骤然降低涡轮和压缩机的转速。结果，压缩机压力比会降低，从而可以防止喘振。
然而，本申请的发明人发现，该方法在某些条件下可能产生劣化的结果，并且仍然会导致喘振。例如，在某些条件下，可能使用高水平的EGR来减少NOx排放。而由于涡轮增压器通常匹配于满足接近喘振线的低发动机转速和满负载转矩需求，较高的EGR标准即使在稳定状态也会把发动机呼吸线推得更加靠近喘振线。发动机在紧急释放加速器时，发动机减速，而涡轮增压器由于其惯性和来自涡轮的持续功率输出，会在逐渐减速之前继续旋转。因此，即使增加了对涡轮的制动，但压缩机出口侧的压力不会释放到足够低的水平来防止压缩机喘振。
美国专利申请2004/0244375号公开了另一种尝试防止喘振的方法。’375参考文档展示了一种进气释放方法，打开EGR阀，并使出现在进气道中的部分进气经由EGR通道流入排气道，从而在车辆减速时降低进气道中的进气压力。
同样，本申请的发明人发现了这一方法的缺点。例如，在某些条件下，涡轮中的压力膨胀比可能会相对较高(由于涡轮中的流阻)。换句话说，涡轮入口处的压力，或排气歧管的压力相对较高。因此，只有少量的EGR可以流入发动机排气侧。结果，在某些条件下，进气歧管压力或压缩机出口的压力不会降低到足以防止压缩机中的回流(喘振)。
发明内容
根据本发明的一个方面，一种用于控制具有进气歧管和排气歧管的发动机的方法，其中在所述进气和排气歧管之间提供具有阀的排气再循环路径，所述发动机具有涡轮增压器，所述方法包括：在至少有一个减少的发动机输出条件时，增大所述排气再循环阀的开口；并通过所述涡轮增压器的涡轮调整排气膨胀，以减少经过涡轮增压器的膨胀，从而降低涡轮增压器喘振的可能性。
根据本发明的另一个方面，一种用于控制具有进气歧管和排气歧管的发动机的方法，其中在所述进气和排气歧管之间提供具有阀的排气再循环路径，所述发动机具有涡轮增压器，所述方法包括：在至少一个减速条件期间，增大所述排气再循环阀的开口；并通过所述涡轮增压器涡轮调整排气膨胀，以减少经过涡轮增压器的膨胀，从而通过打开连接所述涡轮增压器的可变喷嘴来降低涡轮增压器喘振的可能性。
根据本发明的又一个方面，一种用于具有进气歧管和排气歧管的发动机的系统，包括：在所述进气和排气歧管之间提供的排气再循环路径；在所述排气再循环路径内的可变化地进行调整的阀；连接到所述排气歧管的涡轮增压器；以及控制器，所述控制器用于增大所述排气再循环阀的开口，和通过所述涡轮增压器涡轮调整排气膨胀，以减少通过涡轮增压器的膨胀，从而在至少一个减少的发动机输出条件时，降低涡轮增压器喘振的可能性。
上述方法和系统利用增大EGR开口和降低涡轮膨胀两者来处理上述问题，从而实现有益的相互作用，可以在各种各样的条件下减少涡轮增压器喘振。
例如，降低涡轮增压器膨胀将减少压缩机的功率输入，并使压缩机减速。同时，由于排气歧管侧的压力减小(因为膨胀减小)，进气歧管和排气歧管之间的压差增大。因此，更多来自进气侧的气流可以流入排气侧来有效地排气到进气歧管。结果，压缩机出口的压力进一步减小。以此方式，在各种各样的发动机减速情况下，增大EGR阀开口和减少涡轮增压器膨胀两者的组合可以有效地降低喘振。
附图说明
图1是展示喘振的单个VNT压缩机上的FTP周期数据图。
图2是涡轮增压发动机的结构图。
图3是展示控制方法的流程图。
图4是涡轮增压发动机的实施例。
具体实施方式
图1展示的是单个VNT压缩机上的联邦测试程序(FTP)周期图。如图所示，喘振线为虚线。图1中，在FTP周期期间，某些具有适度EGR(只包括轻度释放加速器)的操作点进入喘振线。压缩机喘振会导致额外的噪声，并会造成压缩机损坏。
图2所示的是具有EGR系统的涡轮增压发动机的示例。具体来说，内燃机10包括多个汽缸，其中一个汽缸在图2中展示，它由电子发动机控制器12控制。发动机10包括燃烧室30和汽缸壁32，活塞36置于汽缸壁32中并与曲轴40连接。燃烧室30经由相应的进气门52和排气门54与进气歧管44和排气歧管48相通。如图所示，进气歧管44还包括与其连接的用于输送燃料的燃料喷射器68，燃料与来自控制器12的信号脉冲宽度成比列。
这个实施例中，控制器12是微型计算机，包括：微处理器单元102、输入/输出端口104、在此具体示例中是电子可编程存储器的电子存储器芯片106、随机存取存储器108，及常规的数据总线。
控制器12从与发动机10连接的传感器上接收各种信号，除先前所述的信号外，还包括但不限于下述信号：所感应的空气流量(MAF)测量数据，来自与空气过滤器连接的空气流量传感器110；歧管压力(MAP)测量数据，来自与进气歧管44连接的歧管压力传感器206；及显示发动机转速(N)的齿形点火信号(PIP)，来自与曲轴40连接的霍尔效应传感器118。
废气通过与排气歧管48相通的EGR管202被输送到进气歧管44。EGR阀总成220位于EGR管202中。换句话说，废气从排气歧管48首先通过阀总成220，然后传输到进气歧管44。由此EGR阀总成220可以称为位于进气歧管的上游。在进入进气歧管之前，也可以用置于EGR管202中可选的EGR冷却器(图2中的Y)冷却EGR。
压力传感器205向控制器12提供歧管压力(MAP)的测量数据。在EGR管202中，EGR阀总成220有用于控制可变面积限制的阀位置(图中未展示)，以此来控制EGR流量。EGR阀总成220可以最小地限制通过管202的EGR流量，或完全限制通过管202的EGR流量，或进行可变地限制EGR流量操控。真空调节器224连接到EGR阀总成220上。真空调节器224从控制器12接收用于控制EGR阀总成220的阀位置的驱动信号(226)。在一个实施例中，EGR阀总成是真空驱动阀。然而，任何类型的流量控制阀都可以使用，例如，电磁线圈驱动的阀或步进电机驱动的阀。
涡轮增压器19具有连接到排气歧管48中的涡轮19a，和经由中间冷却器(图2中的X)连接到进气歧管44中的压缩机19b。涡轮19a通常经由驱动轴15连接到压缩机19b。各种类型的涡轮增压器和排列都可以使用。例如，可以使用可变几何涡轮增压器(VGT)，其中涡轮和/或压缩机的几何形状可在发动机操作期间变化。除此之外的另一种选择是，当可变面积喷嘴在排气管中位于涡轮上游和/或下游，用于改变通过涡轮的气体的有效膨胀时，可以使用可变喷嘴涡轮增压器(VNT)。还有其他的解决方案可以改变排气的膨胀，如排气泄压阀。图2展示了充当排气泄压阀的示例阀20。如上所述，阀可以位于涡轮内，或是可变喷嘴。
同样，如果需要也可以使用双涡轮增压器排列，和/或顺序涡轮增压器排列。在多级可调涡轮增压器和/或有多级可调阶段的情况下，可能需要改变通过涡轮增压器的相对膨胀量，这取决于操作条件(如，歧管压力、空气流量、发动机转速等等)来减少喘振，同时降低驾驶性能和/或排放影响。
图2还展示了驾驶员驱动加速器70的足部72，其位移由加速器位置传感器74测量并向控制器12提供信号PPS。
以下控制例行程序的附加细节可以应用于各种发动机配置上，比如前述发动机。本技术领域的普通技术人员可知，以下流程图中描述的具体例行程序可以表示任何数量的处理策略中的一个或多个，如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等等。这样，所示的各种步骤或功能可以按所示顺序执行、并行执行，或在某些情况下省略。类似地，处理的顺序不是实现在此描述的本发明实施例的特征和优点所必需的，而是为了便于展示和说明而提供的。虽然没有明确展示，但本技术领域的普通技术人员可理解，在使用特定策略情况下，所示步骤或功能中一个或多个可以重复执行。例如，这些框图以图的形式表示了编入控制器12的计算机可读存储介质中的代码。
如图3所示，描述了用于控制发动机操作以减少喘振的例行程序。在步骤312，例行程序基于加速器位置(PP)、发动机转速(N)、或质量空气流量(MAF)确定发动机10的减速。例如，如果加速器位置落在阈值之下同时车辆高于选择的速度行驶，释放加速器将可能被确定。还需注意，如果需要的话，减速也可以基于其他参数确定。例如，减速可以通过进气或排气歧管中的压力确定。
接下来，在步骤314，例行程序测量压缩机19出口和入口处的压力。在一个示例中，通过压力传感器测量各种压力，虽然也可以估计/推断出它们。
接下来，在步骤316，例行程序确定MAF，并计算压缩机出口处的压力(P2C)和压缩机入口处的压力P1C之比。因此，可以确定VNT压缩机图上的操作点。注意，可以使用其他方法来确定是否出现了其中可能发生喘振的条件。例如，也可以使用发动机转速、空气温度、涡轮转速，或其他参数。
从316，例行程序进入318来确定所需的EGR和涡轮增压器值。在一个实施例，基于发动机操作条件，如发动机转速、负载、燃料喷射量、(进气和/或排气)歧管压力、温度，和/或其组合，例行程序确定所需的EGR阀开口量和所需的涡轮增压器叶片位置。
接下来，在322，例行程序确定是否已检测到释放加速器条件。在一个实施例中，当车辆驾驶员释放加速器位置到选择的值之下时、当车辆以等于或大于选择的速率减速时，当发动机转速低于选择值时，或它们之间组合，或基于在此所述的各种其他条件，可以识别出这些条件。如果是，则例行程序进入324。如果否，则例行程序进入330，其中例行程序基于从318得到的所需值控制EGR和涡轮增压器。
继续如图3所示，例行程序在324中确定实际操作条件是否接近喘振区域、喘振线，或喘振条件，或是否当前正在发生或已检测到喘振。如果否，则例行程序进入330。如果是，则例行程序进入326，对发动机和/或车辆参数做出调整来降低喘振的可能性和/或水平。特别地，例行程序在326中先后调整EGR和涡轮增压，并可选地做出其他调整。例如，发动机控制器可以首先调整EGR，然后调整涡轮增压器参数，或相反。或者，发动机控制器可以同时调整EGR和涡轮增压两者。再者，与调整涡轮增压相比，发动机控制器可以在更大的程度上(如基于相对值、基于百分比，或其他)调整EGR，或相反。在一个实施例中，控制器可以在第一组条件(如转速、负载等等)下首先调整EGR，再调整涡轮增压器，然后在第二组条件下首先调整涡轮增压器，再调整EGR。类似地，调整的相对量可以根据发动机的操作条件变化。
在一个实施例中，基于318中的所需值，例行程序增大EGR阀开口，并减少通过涡轮增压器的膨胀量，来降低喘振的可能性或水平。随后，框图328中，例行程序控制EGR和涡轮增压器。例如，可以通过打开连接到涡轮增压器的可变喷嘴、改变涡轮几何形状，或打开连接到涡轮增压器的排气泄压阀，来减少涡轮增压膨胀。
在一个实施例中，可以同时调整EGR阀范围和涡轮增压器膨胀。在其他实施例中，可以调整这两者，但需顺序进行。例如，可以打开EGR阀，直到它达到最大开口，然后可以调整涡轮增压器，直到它达到其(最小膨胀的)最大位置，或相反。在另外的实施例中，可以在不同的条件下使用不同的方法。例如，可以在某些条件下使用同时调整，而在其他条件下使用顺序调整。这样的操作是有利的，因为在某些条件下希望快速降低喘振的可能性，而在其他情况下希望将驾驶性能和/或排放保持在选择的水平。在另一些实施例中，虽然可以同时调整EGR和膨胀两者，但是一个参数比另一个参数可能在更大的程度上得到调整。例如，EGR阀比涡轮增压器膨胀在更大的程度上得到调整。以此方式，可以增大进气歧管和排气歧管之间的压差(其中进气歧管压力大于排气歧管压力)，其中进气歧管压力在减速或释放加速器条件期间增加，从而进气歧管中足够的气体可以流入排气歧管，并有效地排气到进气歧管。因此，这样的操作可以通过两个动作的协同效应降低喘振的可能性或水平。
在一个实施例中，当非常接近喘振的可能性，或如果实际上已检测到喘振时，控制器可以使用最大EGR阀位置和最大VNT位置。最大VNT操作可以减小涡轮中的压力膨胀比，同时较低的涡轮入口压力，即较低的排气歧管压力，将有助于加速进气通过最大EGR阀位置回流到排气侧。
如图4所示，展示了高压和低压涡轮增压发动机的实施例。在此示例中，所示的是具有进气歧管44和排气歧管48的四汽缸发动机10。这个示例中，展示了两级涡轮增压器系统，其中空气首先通过空气过滤器410然后进入低压压缩机412。接下来，空气经过带有可调节旁通阀416的高压压缩机414，然后进入中冷器418。在排气侧，排气歧管经调节阀420连接到EGR通道，其中EGR通道包括冷却器424。在继续进入排气系统432的余下部分之前，废气可以从排气歧管流入具有可调整旁通阀426的高压可变几何涡轮增压器422中，然后再进入具有可调整旁通阀430的低压涡轮428中。
如上所述，在释放加速器时，压力可能在压缩机侧增大。然而，通过调整旁通阀416，可以降低两级压缩机之间的压力增大。此外，因为释放加速器时压力在涡轮侧快速下降，所以增大VGT 422的开口(例如，敞开VGT操作)可以在压缩机出口和涡轮入口之间产生较大的正压差。进一步，增大EGR阀420的开口(例如，敞开)将使空气能够从进气歧管通过EGR通道流入排气歧管。以此方式，可以使用排气通道来排气到进气歧管，从而避免压缩机侧的喘振。
应注意，在此公开的构造和实施例本质上是示范性的，且这些具体实施例不应被视为具有限制意义，因为大量气它的实施方式是可能的。例如，上述阀可以应用在各种领域，包括各种类型的发动机，如V-6、V8、V10、I-4、I-6、V12、对置4，及其他发动机类型。
目前公开的本发明主题，包括这里公开的各种系统和结构，及其他特征、功能，和/或属性的所有新颖和非易见的组合及分组合。
下面的权利要求将特别指出视为新颖和非易见的特定组合及分组合。这些权利要求可能引用“一个”元素或“第一”元素或其等同特征。这样的权利要求应被理解为包括对一个或多个这样的元素的结合，而不是要求或排除两个或多个这样的元素。所公开的特征、功能、元素和/或属性的其他组合及分组合，可以通过本发明权利要求的修改或通过在本申请或相关申请中提供新的权利要求来请求保护。这样的权利要求，与原始权利要求相比无论是更宽、更窄、等同或不同，都应被视为包括在本发明目前公开的主题之内。

Claims (19)

1.一种用于控制具有进气歧管和排气歧管的发动机的方法，其中在所述进气和排气歧管之间提供具有阀的排气再循环路径，所述发动机具有涡轮增压器，所述方法包括：
在至少有一个减少的发动机输出条件时，增大所述排气再循环阀的开口；并通过所述涡轮增压器的涡轮调整排气膨胀，以减少经过涡轮增压器的膨胀，从而降低涡轮增压器喘振的可能性。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过增大连接到所述涡轮上游的可变喷嘴叶片的开口来减少所述通过涡轮增压器的膨胀。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过改变所述涡轮中叶片几何形状的变化来减少所述通过涡轮增压器的膨胀。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述减少的发动机输出条件包括驾驶员释放加速器。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述减少的发动机输出条件包括车辆减速。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述增大和所述调整的量随着操作参数变化而变化。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述操作参数包括发动机转速。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述操作参数包括温度。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述操作参数包括减速的速率。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，与所减少的膨胀比率相比，在更大的程度上打开所述EGR阀。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在减少涡轮增压器膨胀之前移动所述EGR阀。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在减少涡轮增压器膨胀之后移动所述EGR阀。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在第一组条件下，在减少涡轮增压器膨胀之前移动所述EGR阀，且在第二组条件下，在减少涡轮增压器膨胀之后移动所述EGR阀。
14.一种用于控制具有进气歧管和排气歧管的发动机的方法，其中在所述进气和排气歧管之间提供具有阀的排气再循环路径，所述发动机具有涡轮增压器，所述方法包括：
在至少一个减速条件期间，增大所述排气再循环阀的开口；并通过所述涡轮增压器涡轮调整排气膨胀，以减少经过涡轮增压器的膨胀，从而通过打开连接所述涡轮增压器的可变喷嘴来降低涡轮增压器喘振的可能性。
15.一种用于具有进气歧管和排气歧管的发动机的系统，包括：
在所述进气和排气歧管之间提供的排气再循环路径；
在所述排气再循环路径内的可变化地进行调整的阀；
连接到所述排气歧管的涡轮增压器；以及
控制器，所述控制器用于增大所述排气再循环阀的开口，和通过所述涡轮增压器涡轮调整排气膨胀，以减少通过涡轮增压器的膨胀，从而在至少一个减少的发动机输出条件时，降低涡轮增压器喘振的可能性。
16.如权利要求15所述的系统，其特征在于，与所减少的膨胀比率相比，在更大的程度上打开所述EGR阀。
17.如权利要求15所述的系统，其特征在于，在减少涡轮增压器膨胀之前移动所述EGR阀。
18.如权利要求15所述的系统，其特征在于，在减少涡轮增压器膨胀之后移动所述EGR阀。
19.如权利要求15所述的系统，其特征在于，在第一组条件下，减少涡轮增压器膨胀之前移动所述EGR阀，在第二组条件下，减少涡轮增压器膨胀之后移动所述EGR阀。
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