CN201424973Y - 带有排气涡轮增压器装置的内燃发动机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及具有排气涡轮增压器装置的内燃发动机。该内燃发动机包括排气涡轮增压器(19)、在流动方面并行连接到第一排气涡轮增压器(19)的至少一个第二排气涡轮增压器(23)、排气涡轮增压器(19，23)的压气机(20，24)和排气涡轮增压器(19，23)的排气涡轮(18，22)以及至少一个截止阀(30，32，34)，每个压气机(20，24)连结到新鲜空气支路(14)内，每个排气涡轮(18，22)连结到排气支路(23)内，截止阀(30，32，34)被布置在至少一个新鲜空气支路(14)中或至少一个排气支路(16)中，其中来自由空气质量传感器(40)、转速传感器(42)、压力传感器(38)、温度传感器(36)构成的组的至少一个部件可用于检测截止阀(30，32，34)的故障，该至少一个部件与至少一个排气涡轮增压器(19，23)相关联。

Description

带有排气涡轮增压器装置的内燃发动机

技术领域

[001]本实用新型涉及用于运行带有排气涡轮增压器装置的内燃发动机的方法，该排气涡轮增压器装置具有第一排气涡轮增压器和至少一个第二排气涡轮增压器，且本实用新型还涉及带有排气涡轮增压器装置的内燃发动机。

背景技术

[002]在机动车辆的内燃发动机中，特别是火花点火发动机或柴油发动机，近年来已经越来越多地使用在流动方面并行连接的多个涡轮增压器，以便增大功率并降低排放。排气涡轮增压器的这种布置也被称为调节增压(register charging)，并且包括第一排气涡轮增压器(选择性地配置为具有小涡轮体积)和在流动方面与第一排气涡轮增压器并行连接的至少一个第二排气涡轮增压器，该第二排气涡轮增压器选择性地配置为具有较大的涡轮体积。第一排气涡轮增压器起到在内燃发动机的低转速下提供足够的充气压力并伴随小排气体积流的作用。第二排气涡轮增压器可以有效地利用在较高转速下出现的大排气体积流，并且可以相应地为内燃发动机提供大的新鲜空气流。

[003]为了控制排气涡轮增压器的这一布置，通常提供至少一个排气截止阀，其优选起到节流或关断到第二排气涡轮增压器的排气流的作用。另外或可替代地，可以提供用于引导一个或两个排气涡轮增压器的新鲜空气体积流的截止阀。带有这种排气涡轮增压器装置的内燃发动机的功效基于的事实是：通常通过切换第二排气涡轮增压器的打开或关闭并选择性地结合对至少一个排气涡轮增压器的涡轮几何形状的调节，来确保在每个操作状态下内燃发动机的最佳新鲜空气入流。然而，这预先假设了对由排气涡轮增压器输送的新鲜空气流的精确控制或调整，这种流动主要受到至少一个截止阀的影响。

[004]为了检测一个或多个截止阀的故障，已知执行对阀门位置的监控。然而，这一监控需要将相应的检测装置集成到截止阀中。另外，检测装置提供的信号必须传送给控制单元并由该控制单元评估。特别是，考虑到随附的短的阀门执行行程时，一个或多个截止阀的小开口状态的确定是困难的。然而，即使是不能被检测装置检测的小阀门开口也会引发内燃发动机的相当大的功能故障。

[005]在这一背景下，本实用新型的目标是提供一种用于运行内燃发动机的方法和一种介绍中提到的类型的内燃发动机，其中截止阀的简化监控被确保以便改善内燃发动机的运行安全性。

实用新型内容

[006]根据本实用新型的第一方面，通过一种用于运行带有排气涡轮增压器装置的内燃发动机(10a，10b，10c，10d)的方法来实现这一目标，该排气涡轮增压器装置包括第一排气涡轮增压器(19)、至少一个第二排气涡轮增压器(23)和布置在新鲜空气支路(14)中或在排气支路(16)中的至少一个截止阀(30，32，34)。为了检测所述至少一个截止阀(30，32，34)的故障，该方法包括评估与排气涡轮增压器装置相关联的至少一个部件的信号，该至少一个部件选自由空气质量传感器(40)、转速传感器(42)、压力传感器(38)、温度传感器(36)构成的组。

[007]在这一方法中，为了检测所述至少一个截止阀的故障，提供了对与排气涡轮增压器装置相关联的至少一个部件的信号的评估，该至少一个部件选自由空气质量传感器、转速传感器、压力传感器、温度传感器构成的组。因此可以免除对截止阀的位置的检测；而是，对内燃发动机的排气支路中和/或新鲜空气支路中的气流以及由所述气流产生的状态进行检测。可以根据气流或状态推断至少一个截止阀的故障。为这一目的提供的部件被安装在一个或多个排气涡轮增压器上游或下游的新鲜空气支路和/或排气支路中，或者在转速传感器的情况下，被直接安装在排气涡轮增压器上。如果内燃发动机的特定运行状态下的信号水平偏离这一运行状态预定的水平数值范围，则触发作为部件之一的至少一个信号的评估结果的错误消息。

[008]在该方法的配置中，如果由温度传感器测量的排气温度在截止阀关闭时超过预定温度值，和/或在截止阀打开时落到预定温度值之下，则布置在第二排气涡轮增压器下游的排气支路中的温度传感器的信号引发错误消息。即使在有缺陷的、不完全打开或关闭的截止阀产生的气流中有小偏离情况下，也会出现相对实际期望状态的确实可测量的显著温度偏离。如果温度传感器被布置在第二排气涡轮增压器下游的排气支路中，则用于检测截止阀的故障的温度确定是特别可靠的，这是因为在这一位置会发生不同运行状态之间，特别是在流动排气和非流动排气情况下的，特别大的并因此可有效测量的温度差异。作为替代，温度传感器也可以布置在涡轮和截止阀之间。在所有情况下，如果温度传感器被布置在截止阀下游，则可以确保根据本实用新型的功能。

[009]在本实用新型的进一步的配置中，如果由转速传感器测量的转速在截止阀关闭时超过预定值和/或在截止阀打开时落到预定值之下，则布置在第二排气涡轮增压器上的转速传感器的信号引发错误消息。在任何情况下，可以提供至少一个排气涡轮增压器的转速确定值作为调节排气涡轮增压器装置的参数。至少一个转速传感器的信号评估(以简单的方式并仅在执行至少一个截止阀的启动过程后的一小段时间延迟后)给出关于期望的执行过程(特别是截止阀的至少局部打开或关闭)是否已经实际进行到控制单元(特别是发动机控制系统)所预定的程度的信息。布置在截止阀下游的第二排气涡轮增压器的转速作为内燃发动机的转速和截止阀的位置的函数与经过截止阀的排气流的体积流量直接相关。

[010]在本实用新型的进一步的配置中，如果由压力传感器测量的压力在截止阀关闭时超过预定值，则布置在第二排气涡轮增压器下游的新鲜空气支路中的压力传感器的信号引发错误消息。考虑到在新鲜空气支路中占优势的低温，布置于其中的压力传感器可以以低成本方式进行配置，并且以简单的方式做出截止阀的故障的可能确定。

[011]在本实用新型的进一步的配置中，如果由空气质量传感器测量的空气质量在关闭截止阀时超过预定值和/或在打开截止阀时落到预定值之下，则布置在第二排气涡轮增压器下游的新鲜空气支路中的空气质量传感器的信号引发错误消息。因为其布置在非热临界(thermally-uncritical)的新鲜空气支路中，所以可以以低成本方式构建空气质量传感器。借助于空气质量传感器，可以实现第二排气涡轮增压器下游的新鲜空气支路中气流的特别可靠的确定，从而也可以精确地确定关闭阀门的中间位置，并使其与相应参考位置一致。

[012]在本方法的进一步的配置中，仅在可预定延迟时间期满后执行截止阀的状态变化后的在第二排气涡轮增压器下游的排气支路中的温度评估。因此考虑温度变化的时间延迟，该时间延迟是由切换打开或关闭流经排气支路中的第二排气涡轮增压器的排出气体造成的，而这进一步源于排气涡轮增压器装置的相应部分的热容和在其中传导的排出气流的热容。当从一个排气涡轮增压器切换到至少两个排气涡轮增压器以及当相反地从至少两个排气涡轮增压器切换到一个排气涡轮增压器时，发生这些延迟效应，该延迟效应在不同切换情况下通过相应的延迟时间或多个不同延迟时间而被准许。

[013]根据本实用新型的第二方面，提供一种内燃发动机。该内燃发动机包括：第一排气涡轮增压器(19)；至少一个第二排气涡轮增压器(23)，其在流动方面并行连接到第一排气涡轮增压器(19)；排气涡轮增压器(19，23)的压气机(compressor)(20，24)，每个压气机连结到新鲜空气支路(14)内；以及排气涡轮增压器(19，23)的排气涡轮(18，22)，每个排气涡轮连结到排气支路(23)内；以及至少一个截止阀(30，32，34)，这些截止阀被布置在所述至少一个新鲜空气支路(14)中或所述至少一个排气支路(16)中，其中来自由空气质量传感器(40)、转速传感器(42)、压力传感器(38)、温度传感器(36)构成的组的至少一个部件可用于检测截止阀(30，32，34)的故障，所述至少一个部件与至少一个排气涡轮增压器(19，23)相关联。

[014]为了检测截止阀的故障，来自由空气质量传感器、转速传感器、压力传感器、温度传感器构成的组的至少一个部件可用于检测截止阀的故障，所述至少一个部件与排气涡轮增压器中的至少一个相关联。由此在用于执行如权利要求1-6中任一项所述的方法的前提下，提供该内燃发动机。所述至少一个部件被连结到控制单元，特别是发动机控制系统，其中进行对由一个或多个部件提供的信号的评估，且其同时在出现故障时发出错误消息。

[015]在本实用新型的进一步的配置中，至少一个排气涡轮增压器，特别是第一排气涡轮增压器具有可变的排气涡轮几何形状。由此可以实现对新鲜空气量的有利调适，特别是依赖于转速的调适，该新鲜空气量由排气涡轮增压器装置提供以满足内燃发动机的需要。

[016]在本实用新型的进一步的配置中，温度传感器被布置在第二排气涡轮增压器下游的排气支路中。通过这一布置，在截止阀的不正确定位的情况下，可以确定依赖于内燃发动机的运行情况的预定参考温度与当前所处的实际温度之间的显著偏离，以便在超过可预定的温度偏离阈值时由此产生错误消息。

[017]在本实用新型的进一步的配置中，空气质量传感器被布置在第二排气涡轮增压器下游的新鲜空气支路中。这使得低成本空气质量传感器构建成为可能，作为本实用新型创造性布置的结果，这种低成本构造在热力学角度也有所改善。

[018]在本实用新型的进一步的配置中，压力传感器被布置在第二排气涡轮增压器下游的新鲜空气支路中。这使得低成本压力传感器构建成为可能，作为本实用新型创造性布置的结果，这种低成本构造在热力学角度也有所改善。

[019]在本实用新型的进一步的配置中，转速传感器与第二排气涡轮增压器相关联。第二排气涡轮增压器的转速强烈地被通过至少一个截止阀切换为打开和关闭而排出的气流影响。当截止阀在关断位置出现不正确定位时，排出气体继续流到第二排气涡轮增压器，从而其转速要比排出气流被完全关断时所期望的转速更大。因此可以确定参考速度与实际速度之间的转速差异，这一差异在超过可预定的转速差异阈值时引发错误消息。

附图说明

[020]通过权利要求和优选示例性实施例的以下描述，本实用新型的更多优点和特征将变得明显，其在附图中举例说明，其中：

[021]图1是带有排气涡轮增压器装置的内燃发动机的第一实施例的示意图，

[022]图2是带有排气涡轮增压器装置的内燃发动机的第二实施例的示意图，

[023]图3是带有排气涡轮增压器装置的内燃发动机的第三实施例的示意图，

[024]图4是带有排气涡轮增压器装置的内燃发动机的第四实施例的示意图。

具体实施方式

[025]图1-4表示的内燃发动机10a、10b、10c和10d的不同之处在于传感器的布置，这些传感器可以用于例如检测截止阀的故障。内燃发动机10a、10b、10c和10d的剩余部分并无不同，因此具有相同功能的部件使用相同的参考数字。

[026]内燃发动机10a、10b、10c和10d中的每一个均包括往复活塞式发动机12，由新鲜空气支路14为该往复活塞式发动机12供应新鲜气流，且用于导出由燃烧产生的排气流的排气支路16与该往复活塞式发动机12相关联。

[027]两个排气涡轮增压器19、13的压气机20、24和排气涡轮18、22以连通的方式连接到新鲜空气支路14和排气支路16中，并经由涡轮轴26、28彼此连结，且共同形成排气涡轮增压器装置。用于在被压缩的新鲜空气流入往复活塞式发动机12中之前对其进行冷却的增压空气冷却器(中冷器)被布置在压气机20、24下游的新鲜空气支路中。

[028]排气涡轮18、22由排气支路16中的排气流驱动，并反过来经由涡轮轴26、28驱动压气机20、24。压气机20、24压缩在新鲜空气支路中提供的新鲜空气并使其能够为往复活塞式发动机12所用。

[029]两个排气涡轮增压器19、23的使用在往复活塞式发动机12的低转速下快速提供新鲜空气，并且在往复活塞式发动机12的高转速下提供新鲜空气的大体积流动成为可能。为了能够为内燃发动机10a、10b、10c和10d的每个运行状态提供最良好的新鲜空气的量，特别是在低转速时的高负载情况下和在高转速时的低负载情况下，比例阀30、32、34的形式的截止阀被布置在排气涡轮增压器装置中，这些阀门可以由发动机控制系统(未显示)根据往复活塞式发动机12的负载状态和转速来启动。

[030]比例阀30起到根据往复活塞式发动机12的负载状态将部分排气流引导到第二排气涡轮增压器23的排气涡轮22的作用，或者防止将排气提供给排气涡轮22。

[031]比例阀32使得将由第二排气涡轮增压器23的压气机24输送的新鲜空气流直接提供给往复活塞式发动机12成为可能。

[032]比例阀34使得将由第二排气涡轮增压器23的压气机24输送的新鲜空气流提供给第一排气涡轮增压器19的压气机20的进气口和提供给第二排气涡轮增压器23的压气机24的进气口成为可能，而且该比例阀在第一排气涡轮增压器19的独自运行与两个排气涡轮增压器19、23的运行之间的切换过程中被暂时打开。

[033]在图1-4中，在图示说明的特定运行状态下流动的气流用完整箭头表示，而无气流的流动路径用虚线箭头表示。在以下描述的各个实施例的背景中提到的内燃发动机10a、10b、10c和10d的运行状态及相关气体流动同样以相同的方式出现在内燃发动机10a、10b、10c和10d的其他实施例中。

[034]在图1所示的内燃发动机的第一实施例10a中，温度传感器36被布置在第二排气涡轮增压器23的排气支路中排气涡轮22的下游，该温度传感器使得在排气涡轮22正后方的排气支路中温度的确定成为可能。在图1的表示中，内燃发动机10a处于低转速和低负载的运行状态下。为此所有的比例阀30、32、34都被关闭，从而通过比例阀30、32、34的正确机能，没有排气被提供给第二排气涡轮增压器23的排气涡轮22，因此其压气机24不输送任何新鲜空气给新鲜空气支路14。而是，使整个排气流可以为第一排气涡轮增压器19的排气涡轮18所用，该排气涡轮以中等速度旋转并提供相应的新鲜空气的量。通过比例阀30的正确机能，由温度传感器36确定的在排气支路16下游且在排气涡轮22正后方的温度是低的，因为没有热排气被供应给排气支路的这一区域。然而，如果比例阀30出现故障，则热排气流动经过比例阀30和第二排气涡轮增压器19的排气涡轮22，并在排气支路16下游且在排气涡轮22正后方产生较高的温度。这一升高的温度由温度传感器36确定并作为测量信号传送给发动机控制系统(未显示)。发动机控制系统比较测量信号和针对这一运行状态的预定参考值，并考虑外部影响诸如环境温度和冷却水温度，由此可以在出现过度温差时生成指示比例阀30的故障的错误消息。

[035]在图2所示的内燃发动机的第二实施例10b中，转速传感器42与排气涡轮22相关联。起始于低转速的内燃发动机10b处于中等转速和中等负载的运行状态下。为了确保为这一运行状态供应充足的新鲜空气，比例阀30被打开，从而排气可以进入第二排气涡轮增压器23的排气涡轮22并使后者旋转。排气涡轮22经由涡轮轴28使压气机24旋转，且压气机24压缩新鲜空气。比例阀30被打开后不久，被压缩的新鲜空气经由暂时打开的比例阀34再循环到压气机24的进气口，以便确保第二排气涡轮增压器23快速运转到目标转速。一旦排气涡轮22和压气机24的目标转速已经达到，比例阀34被再次关闭且比例阀32被打开，从而被压缩的新鲜空气可以被向上传导到往复活塞式发动机12。这一情形在图2中表示。根据往复活塞式发动机12的转速和由此产生的排气流，如果排气涡轮22的目标转速在比例阀30打开的情况下没有达到，则这可以由转速传感器42检测到，并且发动机控制系统可以在所确定的转速差异超过阈值时由此推断错误消息。类似地，如果在比例阀30关闭的情况下出现高于预定阈值的排气涡轮22的转速，则可以生成错误消息。

[036]在图3所示的内燃发动机的第三实施例10c中，压力传感器38被布置在第二排气涡轮增压器23的新鲜空气支路中压缩器24的下游。内燃发动机10c处于满负载和高转速的运行状态下。两个排气涡轮增压器19、23均被用于提供新鲜空气到往复活塞式发动机12。作为替代或附加，可以通过调节装配有可变涡轮几何形状的第一排气涡轮18，和/或通过借助于比例阀30、32和34影响气流来实现新鲜空气流的调整。在压力传感器38的帮助下，可以确定被压缩的新鲜空气的压力，由此可以得到至少关于所有比例阀30、32和34的机能的结论。在压力传感器38处实际压力值相对参考压力值的偏离可以由以下事实解释：一个或多于一个比例阀30、32和34没有正确地起作用并且还没有达到期望的位置，从而在图示说明的运行状态下，将会出现不期望的气流的节流(throttling)。

[037]在图4所示的内燃发动机的第四实施例10d中，空气质量传感器40被布置在第二排气涡轮增压器23的新鲜空气支路中压气机24的下游。内燃发动机10d处于过渡状态，该过渡状态在满负载和满转速的状态与高转速且无负载要求的超限(overrun)模式之间。通过关闭比例阀30来阻断供应到排气涡轮22的排气，且类似地通过关闭比例阀32来阻断由压气机24输送的新鲜空气。为了降低新鲜空气支路中的压力冲击，比例阀34被短暂打开，从而被压气机24压缩的新鲜空气仍然可以短暂地再循环到压气机24，直到后者的转速接近零；这一过渡状态在图4中表示。空气质量传感器40确定压气机24下游的新鲜空气支路中的新鲜空气体积流量，并由此使得有可能，特别是在完全关闭或完全打开比例阀30、32和34的情况下，监控压气机24的新鲜空气体积流量，并且在该新鲜空气体积流量偏离参考值时可以产生错误消息。

[038]在内燃发动机的进一步实施例(未显示)中，可以提供上述传感器的组合，以便能够更精确地确定比例阀的故障。

Claims (6)

1.一种内燃发动机(10a，10b，10c，10d)，其具有：第一排气涡轮增压器(19)；至少一个第二排气涡轮增压器(23)，其在流动方面并行连接到所述第一排气涡轮增压器(19)；所述排气涡轮增压器(19，23)的压气机(20，24)，每个所述压气机连结到新鲜空气支路(14)内；所述排气涡轮增压器(19，23)的排气涡轮(18，22)，每个所述排气涡轮连结到排气支路(23)内；以及至少一个截止阀(30，32，34)，所述截止阀被布置在所述至少一个新鲜空气支路(14)中或所述至少一个排气支路(16)中，

其中

来自由空气质量传感器(40)、转速传感器(42)、压力传感器(38)、温度传感器(36)构成的组的至少一个部件可用于检测所述截止阀(30，32，34)的故障，所述至少一个部件与至少一个所述排气涡轮增压器(19，23)相关联。

2.根据权利要求1所述的内燃发动机，

其中

至少一个排气涡轮增压器(19，23)，特别是所述第一排气涡轮增压器具有可变的排气涡轮几何形状。

3.根据权利要求1或2所述的内燃发动机，

其中

所述温度传感器(36)被布置在所述第二排气涡轮增压器(23)下游的所述排气支路中。

4.根据权利要求1、2或3所述的内燃发动机，

其中

所述空气质量传感器(40)被布置在所述第二排气涡轮增压器(23)下游的所述新鲜空气支路(14)中。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的内燃发动机，

其中

所述压力传感器(38)被布置在所述第二排气涡轮增压器(23)下游的所述新鲜空气支路(14)中。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的内燃发动机，

其中

所述转速传感器(42)与所述第二排气涡轮增压器(23)相关联。

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