用於控制通過渦輪增壓器增壓的內燃機的速度的方法

2023-10-18 12:35:14

專利名稱：用於控制通過渦輪增壓器增壓的內燃機的速度的方法
技術領域：
本發明涉及用於控制通過渦輪增壓器增壓的內燃機的速度的方法。
背景技術：
如同已知的，一些內燃機提供有渦輪增壓器增壓系統，通過採用廢氣的熱焓以壓縮來自發動機的吸入空氣，從而增加進氣的容積效率，這能夠增加發動機產生的動力。渦輪增壓器增壓系統包括提供有渦輪的渦輪增壓器，其沿著排氣管道設置，以在從發動機排出的廢氣的壓力下高速旋轉；還提供有壓縮機，其通過渦輪而旋轉，沿著空氣供應管道設置，以壓縮來自發動機的吸入空氣。特別地，運行範圍的有用區域是受限的，在折合質量流速(reduced mass flow rate) /壓縮比平面中，左側通過泵送線限定，而在相同平面的右側通過所謂的「飽和線」限定。因此泵送線限定出第一「禁止」區，並包括這些點的位置，其中壓縮機的內部空氣動力學平衡被偏置，產生周期性的、嘈雜的和劇烈的到嘴部的流動回拒，其結果是能夠損壞葉片。在渦輪增壓器增壓系統中，必要的是，根據發動機點維持渦輪增壓器在有用區域內的運行範圍，這齣於功能上的理由(也即用以避免故障或者低性能)和結構上的理由 (也即用以避免損壞渦輪增壓器)。例如，專利申請US-A1_200^93477描述了通過包括渦輪和壓縮機的渦輪增壓器增壓的內燃機的控制方法。該控制方法設想確定壓縮機的當前質量流速，確定質量流速的低安全門限，和要求壓縮機的當前質量流速大於該質量流速的安全門限。因此該文件 US-A1-2009293477描述了一種方法，其允許防止損壞渦輪增壓器，但是不允許優化渦輪增壓器自身的性能。專利申請EP1741895A1描述了通過渦輪增壓器增壓的內燃機的控制方法，該渦輪增壓器包括壓縮機、適於在發動機廢氣作用下驅動以旋轉壓縮機的渦輪、和適於調節作為到渦輪的輸入而供應的廢氣的流動的廢氣門閥，該廢氣門閥用於根據壓縮機所需的輸出增壓目標壓力而控制渦輪自身的旋轉速度。專利申請EP1741895A1中所述的控制方法包括如下步驟測量進入壓縮機的吸入空氣的壓力；確定壓縮機的質量流速，其通過描繪了壓縮機的運行特徵的預定的圖而計算得到，並根據預置的限定旋轉速度、測量到的空氣壓力和質量流量、增壓限定壓力，其涉及到當渦輪以基本上等於預置限定速度旋轉時可從壓縮機獲得的輸出空氣壓力；檢驗要求的增壓目標壓力是否滿足與增壓限定壓力的預置關係，所述增壓限定壓力在該關係滿足的情形下計算得到，根據增壓限定壓力作動廢氣門閥以控制渦輪的旋轉速度，從而減小渦輪增壓器在基本上等於預置限定速度的值處的旋轉速度。專利申請EP1741895A1儘管指示上述類型的增壓系統中，需要能夠在發動機運行的運行條件變化時，出於功能性理由和結構理由而限定渦輪增壓器的最大旋轉速度，從而避免可能引起渦輪增壓器損壞的臨界運行條件，但是其沒有指示如何進行渦輪增壓器的最大旋轉速度的限定。
專利申請EP20 14894A1描述了通過提供有渦輪和壓縮機的渦輪增壓器增壓的內燃機的替代的控制方法，其設想提供在折合質量流速/壓縮比的平面中至少一個運行限定曲線、至少一個調節渦輪的旁通管道的廢氣門閥的交互曲線、和至少一個調節壓縮機的旁通管道的Poff閥的中間曲線。根據專利申請EP2014894A1的控制方法設想採用運行限定曲線，用於限定電機控制採用的壓縮機的壓力目標下遊。該方法還設想，如果超出廢氣門閥的中間曲線，則控制廢氣門閥的開口，如果超出Poff閥的中間曲線，則控制Poff閥的開口。 通過EP2014894A1所述的控制方法能夠確保渦輪增壓器的運行範圍在內燃機的任何工作條件下都保持在有用區域內。所謂的「飽和線」，其限定出第二「禁止」區並對應於達到進入渦輪的音速條件 (sonic conditions)(和對應於流動的阻塞)，限定出在給定的進氣環境條件下壓縮機能夠提供的最大可能流量。緊靠飽和線，渦輪增壓器因此達到非常高的速度，並能夠發展最大動力以壓縮從發動機吸入的空氣，從而增加吸氣的容積效率。然而不幸的是，由於涉及到的高速度，緊靠飽和線可能發生渦輪增壓器加速而脫離控制，直至達到對渦輪增壓器自身具有破壞性效果的音速阻塞(sonic block)。

發明內容
本發明的目的在於提供用於控制通過渦輪增壓器增壓的內燃機的控制方法，所述方法便宜且實施簡單，並允許確保渦輪增壓器的運行範圍保持在緊靠飽和線但是不達到音速阻塞的有用區域內。根據本發明，提供通過提供有渦輪和壓縮機的渦輪增壓器增壓的內燃機的控制方法，該控制方法包括步驟確定壓縮機的當前折合質量流速；確定折合質量流速的安全門限，所述安全門限在折合質量流速/壓縮比平面中限定靠近實現音速條件的區域；和施加這樣的事實，使得壓縮機的折合質量流速必須小於折合質量流速的安全門限。


現在將參考附圖描述本發明，所述附圖示例了不作為限定的實施方式，其中圖1示意性地示例了通過渦輪增壓器增壓並提供有電子控制單元的內燃機，該電子控制單元執行根據本發明實行的控制方法；圖2示例了圖1的渦輪增壓器的壓縮機在折合質量流速/壓縮比平面中的特徵曲線，和圖3-6表述折合質量流速/壓縮比的平面圖，其中呈現了運行曲線的限定和用於在圖1的電子控制單元中執行的控制方法的中間曲線。
具體實施例方式在圖1中，數字1總體上指示通過渦輪增壓器增壓系統2增壓的內燃機。內燃機具有四個汽缸3，每個汽缸通過至少一個各自的進氣閥(未示出)連接到進氣歧管4並通過至少一個各自的排氣閥(未示出)連接到排氣歧管5。進氣歧管4通過吸氣管道6接收新鮮空氣(也即來自外部環境的空氣)，該吸氣管道6提供有空氣濾清器7 並通過節流閥8調節。沿著吸氣管道6提供有中間冷卻器9，其功能在於冷卻吸入的空氣。 在排氣歧管5上連接有排氣管道10，其將燃燒產生的廢氣供應到排氣系統，該排氣系統將燃燒產生的氣體排放到環境中，通常包括催化劑11和設置在催化劑11下遊的至少一個消音器(未示出)。內燃機1的增壓系統2包括提供有渦輪13的渦輪增壓器12，其沿著排氣管道10 設置，用於在從汽缸3中排出的廢氣的作用下高速旋轉，還包括壓縮機14，其沿著吸氣管道 6設置並機械地連接到渦輪13上，以通過渦輪13自身驅動而旋轉，從而增加供應到供應管道6內的空氣壓力。沿著排氣管道10提供有旁通管道15，其平行於渦輪13地連接，從而使其端部連接在渦輪13自身的上遊和下遊。沿著旁通管道15設置有廢氣門閥16，其適於調節流過旁通管道15的廢氣流量並通過作動器17驅動。沿著供應管道6提供有旁通管道18，其平行於壓縮機14地連接，從而使得其端部連接在壓縮機14自身的上遊和下遊。沿著旁通管道18 設置有PofT閥19，其適於調節流過旁通管道18的廢氣的流量並通過作動器20驅動。內燃機1通過電子控制單元21控制，其指令內燃機1所有組件的運行，包括增壓系統2。特別地，電子控制單元21驅動廢氣門閥16和Poff閥19的控制作動器17和20。 電子控制單元21連接到傳感器22，所述傳感器22測量沿著壓縮機14上遊的吸氣管道6的溫度To和壓力Po，還連接到傳感器23，所述傳感器23測量沿著節流閥8上遊的吸氣管道6 的溫度和壓力，還連接到傳感器對，所述傳感器M測量吸氣歧管4裡面的溫度和壓力。此外，電子控制單元21連接到傳感器25，所述傳感器25測量內燃機1的曲軸的角度位置(從而旋轉速度)，和傳感器26，所述傳感器沈測量吸入和/或排放閥的相位。還重點需要注意的是，沒有提供適於測量渦輪增壓器12的旋轉速度的傳感器。除了其他之外，電子控制單元21維持渦輪增壓器12在有用區域內的運行範圍。 下文中示出了電子控制單元21用於保持渦輪增壓器12在有用區域中的運行範圍的控制模式，並用於防止渦輪增壓器12在飽和線35 (在圖4和5中示例出)附近達到音速條件。在內燃機1的設計和開發階段過程中，壓縮機14的特徵曲線在折合質量流速/壓縮比平面中得到分析(通過渦輪增壓器12的製造商提供)。商用壓縮機14的特徵曲線的例子示例在圖2中。圖2所示的特徵曲線規一化為絕對參考溫度To_rif和絕對參考壓力Po_rif。在折合質量流速/壓縮比平面的左側存在通過泵送線限定的第一禁止區，該泵送線包括點的位置，其中壓縮機14的內部空氣動力學平衡是偏置的，存在周期性的、嘈雜的和劇烈的到嘴部的流動回拒，其結果是能夠損壞葉片。替代地，在折合質量流速/壓縮比平面的右側存在通過所謂的飽和線35 (在圖4 和5中示出)限定出的第二禁止區，其對應於在渦輪13的入口處音速條件(從而阻塞流動)的獲得，並限定出壓縮機14能夠提供在吸氣環境的給定條件中的最大可能流量。根據圖3中所示的，通過對壓縮機14的特徵曲線的分析，曲線27確定為限定渦輪增壓器12的旋轉速度，而曲線觀確定為限定渦輪增壓器12的泵送。根據曲線27和觀建立兩個運行限定曲線四和30，它們用於限制發動機控制使用的壓縮機14下遊的壓力目標。為了確定運行限定曲線29，門限Sl (恆定的或可變的)得以確定以建立在運行限定曲線四和限定出渦輪增壓器12的旋轉速度的曲線27之間的距離；類似地，為確定運行限定曲線30，門限S2(恆定的或可變的)得以確定，以建立在運行限定曲線30和限定出渦輪增壓器12的泵送曲線28之間的距離。而且，根據曲線27和觀，建立調節渦輪13的旁通管道15的廢氣門閥16的兩個中間曲線31和32和調節壓縮機14的旁通管道18的Poff閥19的中間曲線33和34。為了確定廢氣門閥16的中間曲線31，門限S3(恆定的或可變的)得以確定，建立在運行限定曲線四和廢氣門閥16的中間曲線31之間的距離；類似地，為了確定廢氣門閥16的中間曲線32，門限S4 (恆定的或可變的)得以確定，建立在廢氣門閥16的中間曲線32和限定渦輪增壓器12的泵送曲線觀之間的距離。為了確定Poff閥19的中間曲線33，門限S5(恆定的或可變的)得以確定，建立在運行限定曲線四和Poff閥19的中間曲線33之間的距離； 類似地，為了確定Poff閥19的中間曲線34，門限S6(恆定的或可變的)得以確定，建立在 Poff閥19的中間曲線34和限定渦輪增壓器12的泵送的曲線28之間的距離。在內燃機1的運行過程中，電子控制器21採用運行限定曲線四和30限定發動機控制所使用的壓縮機14下遊的壓力目標。換句話說，在電子控制單元21中應用的發動機控制單元以已知的方式並作為發動機點的函數而確定壓縮機14下遊的目標壓力，其表現了壓縮機14下遊需要的和最佳的壓力值。如果壓縮機14下遊的目標壓力與運行限定曲線四和30相容，那麼壓縮機14下遊的目標壓力得以保持，否則，如果壓縮機14下遊的目標壓力不與運行限定曲線四和30相容，那麼壓縮機14下遊的目標壓力限定到與運行限定曲線 29和30相容的最大值。特別地，為了限定壓縮機14下遊的目標壓力，根據壓縮機14的當前折合質量流速 QAH，壓縮機14的折合質量流速QAH得以確定，最大可能的壓縮比RC通過採用運行限定曲線四和30而確定，壓縮機14下遊的最大可能壓力通過乘以絕對壓力Po而確定，最大可能壓縮比RC為壓縮機14上遊，壓縮機14下遊的目標壓力限定到壓縮機14下遊的最大可能壓力，如果壓縮機14下遊的目標壓力大於壓縮機14下遊的可能最大壓力的話。壓縮機14折合質量流速QAHR採用如下等式確定
權利要求
1.用於控制通過具有渦輪(13)和壓縮機(14)的渦輪增壓器(12)增壓的內燃機(1) 的方法，該控制方法包括以下步驟確定壓縮機(14)的當前折合質量流速(QAHR)；該控制方法特徵在於其還包括以下步驟確定折合質量流速(QAHR)的安全門限(Mmax_turb0)，所述安全門限(Mmax_turbo)在折合質量流速/壓縮比平面中限定靠近實現音速條件的區域；和施加這樣的事實，使得壓縮機(14)的折合質量流速(QAHR)必須小於折合質量流速 (QAHR)的安全門限 (Mmax_turbo)。
2.根據權利要求1所述的控制方法，還包括以下步驟建立壓縮機(14)的預定限定速度(N)；通過採用壓縮機(14)的預定限定速度(N)和壓縮機(14)上遊的絕對溫度(To)計算出壓縮機(14)的折合限定速度(NR)；和根據折合限定速度(NR)確定折合質量流速(QAHR)的安全門限(Mmax_turbo)。
3.根據權利要求1或2所述的控制方法，還包括如下步驟根據折合質量流速(QAHR)的安全門限(Mmax_tUrb0)確定增壓的內燃機(1)的速度的安全門限(Nmax_turbo)；和施加這樣的事實，使得增壓的內燃機(1)的速度必須小於速度的安全門限(Nmax_ turbo)ο
全文摘要
用於控制通過提供有渦輪(13)和壓縮機(14)的渦輪增壓器(12)增壓的內燃機(1)的方法，該控制方法包括步驟確定壓縮機(14)的當前折合質量流速(QAHR)；確定折合質量流速(QAHR)的安全門限(Mmax_turbo)，所述安全門限(Mmax_turbo)在折合質量流速/壓縮比平面中限定靠近實現音速條件的區域；和使得壓縮機(14)的折合質量流速(QAHR)小於折合質量流速(QAHR)的安全門限(Mmax_turbo)。
文檔編號F02D23/00GK102418609SQ20111029581
公開日2012年4月18日 申請日期2011年9月27日 優先權日2010年9月27日
發明者M·潘奇羅利 申請人:馬涅蒂-馬瑞利公司