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CN102108896A - 调节排气涡轮增压器的方法和装置 - Google Patents

调节排气涡轮增压器的方法和装置 Download PDF

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CN102108896A CN2010105842563A CN201010584256A CN102108896A CN 102108896 A CN102108896 A CN 102108896A CN 2010105842563 A CN2010105842563 A CN 2010105842563A CN 201010584256 A CN201010584256 A CN 201010584256A CN 102108896 A CN102108896 A CN 102108896A
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Abstract

本发明公开了一种调节内燃发动机排气涡轮增压器的方法，该内燃发动机具有排气再循环系统，排气涡轮增压器包含可调节排气涡轮，测量内燃发动机的至少一个运转参数，基于该运转参数确定排气涡轮增压器的标准转速。根据本发明，还测量排气涡轮增压器的实际转速，基于该实际转速和标准转速确定调节排气涡轮的控制变量，并相应于确定的控制变量调节排气涡轮。本发明还公开了一种执行上述方法的装置。本发明能够在最大可能数目的工况下实现对涡轮增压器结合排气再循环系统的最佳调节。

Description

调节排气涡轮增压器的方法和装置
【技术领域】
本发明涉及用于调节内燃发动机排气涡轮增压器的方法和装置。
【背景技术】
内燃发动机(特别是在柴油和火花点火发动机中)逐渐设置有涡轮增压器。涡轮增压器用于压缩供应给发动机的空气，从而能够得到性能的提升。相反，预定性能可通过排量较小的机械增压发动机得到，从而能够得到更小、更轻的设计和燃料消耗更为经济的驱动装置。
所述类型的涡轮增压器总体上由内燃发动机的排气流驱动。为此，涡轮增压器具有设置在排气流中的涡轮。涡轮通过共用轴驱动压缩机，压缩机压缩发动机的充气。描述涡轮增压器功能的参数主要为压缩机入口压力与出口压力的比例、以及压缩机传输的体积流量或质量流量。
德国专利DE102007030233A1公开了一种确定装配有排气涡轮增压器的内燃发动机空气质量流量的方法，在该方法中根据压缩机出口压力与入口压力的比例以及排气涡轮增压器涡轮的转速确定空气质量流量。美国专利US6990814B2公开了一种用于调节涡轮增压器压缩机的方法，该方法意图防止压缩机进入无法确保稳定供应充气或会发生转速过快的不良运转状态。为此，测量压缩机的入口和出口压力以及转速并通过特性图与标准状态相比较。在与标准状态相偏离的情况下，激活压缩机旁通的阀门以便通过将一部分压缩充气再循环入压缩机的供给管道来调节压缩机的转速。
现代柴油发动机以及一些火花点火发动机具有排气再循环装置，其能够通过将一部分发动机排气再循环入充气系统来减少污染排放。此处燃烧期间汽缸中的温度和供应的充气中的氧浓度十分重要。在带有排气再循环和涡轮增压器的发动机中，需要复杂的调节系统用于同时调节这两个部分。
美国专利US 7296562B2中公开了一种用于确定涡轮增压器性能的方法，其中根据压缩机入口与出口压力、根据压缩机转速、以及根据发动机气门的打开时间和排气再循环阀的位置确定涡轮增压器的性能。其中，可使用其它涉及环境空气和充气的数据。确定的压缩机或涡轮增压器的性能用于调节排气再循环系统以便减少发动机排气的污染物含量。其并未提供对涡轮增压器自身的调节。
为了控制涡轮增压器的转速，已知有可调节涡轮从排气流吸取的能量的涡轮增压器。此处，可引导排气流的一部分例如通过可通过阀门激活的旁通穿过涡轮增压器的涡轮(“废气门”)，或者可通过可变几何涡轮(可变喷嘴涡轮，variable nozzle turbine，VNT)调节涡轮从排气流吸取的能量。例如可通过可调节引导叶片实现可变几何涡轮，其允许进入涡轮壳体的排气流入口横截面变化并从而允许流速改变。然而，旁通的打开或关闭以及涡轮几何的改变均会导致涡轮上游排气系统中压力改变。这样，对于给定的排气再循环阀设定，影响了充气的压力和量、且还可能影响再循环排气的状态变量。这对涡轮增压器和发动机的工况和功能有影响，且至少在某些驾驶状况下会导致涡轮增压器涡轮效率降低并从而导致例如燃料消耗和/或发动机排放污染增加。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种调节排气涡轮增压器的方法和装置，其中能够在最大可能数目的工况下实现对涡轮增压器结合排气再循环系统的最佳调节。
通过本发明实现了所述目的。
根据本发明，测量内燃发动机的至少一个运转参数。这种运转参数可为例如当前要求的扭矩，具体地其依赖于节气门踏板位置。然而，该运转参数也可为例如充气成分，特别地其通过氧含量影响燃烧及发动机功率输出。基于至少一个运转参数确定排气涡轮增压器的标准转速，特别地其应用至排气涡轮增压器的压缩机和涡轮(如果它们设置在共用轴上)。此处，特别是确定标准转速使得涡轮增压器、发动机、排气再循环系统、和/或由发动机、涡轮增压器和排气再循环系统组成的整体系统的所需特性(例如排气涡轮的效率、发动机的功率输出、燃料消耗或排气成分)最优化。
根据本发明，还通过例如设置在涡轮和压缩机的共用轴上的转速传感器测量排气涡轮增压器的实际转速。基于实际转速和标准转速，确定调节排气涡轮的控制变量，并相应于确定的控制变量激活排气涡轮。控制变量描述了对一个或多个驱动元件的调节，通过驱动元件可改变涡轮从排气流吸取的能量。
具体地，能够根据排气涡轮增压器的标准转速确定控制变量的第一值，例如基于预定相关性选择第一值使得排气涡轮提供以大约标准转速运转压缩机所需的功率。基于标准转速与实际转速的比较确定控制变量的改变的第二值，随后相应于改变的控制变量激活驱动元件。例如，当实际转速小于标准转速时，可改变控制变量使得涡轮从排气流吸取的能量增加，例如通过相应地调节引导叶片或排气喷嘴以便增加流至涡轮叶片的有效排气速度、或者通过关闭排气流中的旁通阀。相反，当实际转速高于标准转速时，可在减少涡轮从排气流吸取的能量的方向上改变控制变量。
由于测量了排气涡轮增压器的实际转速并基于实际转速和标准转速确定调节排气涡轮的控制变量，至少能够近似地获得标准涡轮增压器转速，而无论排气涡轮调节对充气压力和成分的影响、及对涡轮增压器的功能和效果的影响。由于影响的内容还依赖于其它运转参数(例如发动机的转速和动力需求)，以这种方式能够在多种工况下获得对涡轮增压器转速的最佳调节。由于该调节适合多种工况，对涡轮增压器调节的校准也同时变得十分简单。
优选地以封闭调节回路来调节涡轮增压器的转速。此处，特别地能够使用比例积分微分(PID)调节器确定用于调节排气涡轮的控制变量。通过PID调节器进行的调节特别是在涡轮增压器标准转速突然变化的情况下较为有利。
在本发明优选实施例中，测量涡轮增压器和/或发动机的至少一个其它运转参数并用于确定标准转速和/或控制变量。除要求的扭矩或充气成分之外，所述类型的运转参数可例如为涡轮增压器的压缩机或涡轮入口压力与出口压力的比例、穿过涡轮或穿过压缩机的空气质量流量或空气体积流量、和/或发动机的转速。运转参数可通过操作元件(例如节气门踏板)确定，当然也可例如根据充气的状态变量计算或直接通过测量确定。同样，还可能测量一个或多个排气系统的当前状态变量(例如某些污染物的浓度)并用作运转参数。通过测量并使用其它运转参数，能够获得对涡轮增压起更为精确的调节，其事实上在所有工况下都是最优化的。
在确定控制变量时考虑排气涡轮的效率也是较为有利的。所述效率依赖于一个或多个驱动元件(例如引导叶片)的设置和其它参数，特别是排气流量的大小和涡轮转速。由于排气涡轮效率对总体系统效率具有较大影响，因此能够通过考虑并最优化涡轮效率来获得对例如燃料消耗的较大改善。
在本发明的特定优选实施例中，基于排气涡轮增压器预定特性图或模型确定标准转速和/或控制变量。所述类型的可能的多维特性图或模型与涡轮入口压力与出口压力的比例、涡轮转速、穿过涡轮的排气质量流量或体积流量、和涡轮增压器的涡轮效率中的一种相关联。如果合适的话，特性图或模型可包括其它状态或运转变量，例如排气流中的绝对压力或温度。此处，可直接测量或间接确定所讨论的变量；例如，可根据涡轮入口压力与出口压力的比例和涡轮转速确定排气流量。另外，特性图或模型还可能依赖于其它状态变量，例如排气流的温度或成分、或发动机运转参数(例如发动机转速或扭矩)。当在机动车辆中使用内燃发动机时，已经以具体车辆(vehicle-specific)或具体车型(vehicle-type-specific)的方式记录了特性图或模型。
这种排气涡轮增压器的涡轮模型使得能够为独立输入变量的每个组合(例如排气涡轮的入口压力与出口压力的比例和转速)分配或设置涡轮增压器效率值。依赖于模型的详细程度，可执行内插法(interpolation)。相反，通过反转该模型，能够确定涡轮增压器效率最大的标准转速。该模型还可直接提供控制变量的对应值用于排气涡轮的调节。
通过使用预定特性图或模型，从而能够获得对涡轮增压器进一步改善的调节，其对于甚至更宽的工况范围都是最佳的。
在本发明其它优选实施例中，除了排气涡轮的控制变量之外，还确定用于调节排气再循环的控制变量。这种控制变量可具体地为设置在排气再循环管道中并控制内燃发动机再循环入充气中的排气量的排气再循环阀的位置。可基于例如排气涡轮增压器的标准转速和实际转速确定对应控制变量，并可对应地激活驱动元件(特别是排气再循环阀)。
通过改变排气涡轮的设定，例如通过枢轴旋转引导叶片或者打开或关闭旁通阀，压力反应影响充气压力和再循环排气流量，即充气中再循环排气的量和/或新鲜空气与再循环排气之间的混合比。由于对发动机的各个运转状态的不同的涡轮增压器的涡轮效率，可能设定多种充气压力和再循环排气流，因此能够通过对再循环排气流的其它调节获得进一步的优化。
特别是如果同时执行对调节排气涡轮的控制变量的优化和对调节排气再循环系统的控制变量的优化，这特别有利。为此，特别是能够以使涡轮增压器和/或发动机的涡轮效率最佳的方式确定排气涡轮增压器的标准转速和排气再循环系统的标准值，并相应地激活排气涡轮和排气再循环系统的驱动元件。这样，能够确保在多种工况下分别确定的排气涡轮设定(及相关联的涡轮转速值和排气流压力与流量)总是被校准用于最佳涡轮效率。这样可获得对涡轮增压器和发动机的效率进一步优化。
根据本发明用于调节具有可调节排气涡轮的内燃发动机排气涡轮增压器的装置包含用于测量排气涡轮增压器的实际转速的传感器装置、用于测量调节排气涡轮控制变量的处理器装置、以及用于对应于控制变量调节排气涡轮的控制装置，处理器装置设定为执行根据本发明的方法。具体地，根据本发明的装置可包含发动机控制单元或者为发动机控制单元的一部分，而提供对应的输入和输出用于测量值的测量并用于激活驱动元件。根据本发明的装置还可包含用于存储涡轮增压器特性图或数学模型的存储器装置，其也可包含排气再循环系统和发动机的运转变量。
根据本发明，还提供了一种运转带有可调节排气涡轮增压器和排气再循环系统的发动机的方法。该方法包含：测量涡轮增压器的转速；基于测量的涡轮增压器转速和涡轮增压器的标准转速调节涡轮增压器的运转，其中在标准转速的方向调节涡轮增压器的运转以增加涡轮增压器效率；以及基于涡轮增压器的运转调节排气再循环系统的运转以进一步增加涡轮增压器效率。
根据本发明的一个实施例，调节涡轮增压器的运转包括调节涡轮增压器的引导叶片或排气喷嘴，而调节排气再循环系统的运转包括调节排气再循环阀。
【附图说明】
图1为示意性框图，显示了根据本发明的装置的示例实施例和根据本发明的方法。
图2a-2c显示了用于将根据本发明的方法与不带有涡轮增压器转速调节的方法进行比较的一系列测量值的示例。
1                    控制系统
2                    基于模型的涡轮增压器调节器
3                    涡轮和排气再循环控制器
4                    反向涡轮模型
5                    调节回路
6                    PID调节器
7                    涡轮控制器
8                    排气再循环控制器
9，9’，9”，9”’   输入变量
10，10’             涡轮增压器转速
11                   控制变量
11’，11”           输入变量
12，12’，12”       控制指令
13，13’             曲线
14，14’             曲线
15，15’             曲线
【具体实施方式】
下面将基于附图更为详细地解释本发明。
根据图1，显示了用于装配有排气涡轮增压器和排气再循环系统的内燃发动机(该内燃发动机可具体地为柴油或火花点火发动机)的控制系统1，其包含基于模型的涡轮增压器调节器2、和涡轮与排气再循环控制器3、以及其它未图示的组件。基于模型的涡轮增压器调节器2包含反向涡轮模型4和涡轮增压器转速的封闭调节电路5，后者具体地包含PID调节器6。涡轮和排气再循环控制器3包含涡轮控制器7和排气再循环控制器8，涡轮控制器7具体地通过调节排气涡轮控制涡轮增压器的压力改变，排气再循环控制器8通过调节排气再循环阀控制排气再循环量。
在执行调节涡轮增压器的方法期间，测量外部变量(例如驱动节气门踏板、或发动机转速和扭矩的测量值)并将其转换为控制系统1中的计算机可处理变量。随后，基于发动机模型确定涡轮增压器转速初始值或标准值、涡轮入口压力与出口压力的比例、以及穿过涡轮的排气流量并将其传递至涡轮增压器调节器2(图1中通过箭头9、9′、9″、9″′示意指示)。另外，通过转速传感器确定涡轮增压器转速的实际值并类似地将其传递至涡轮增压器调节器2(箭头10)。
随后，基于反向涡轮模型4，确定调节排气涡轮驱动元件的控制变量以获得涡轮增压器标准转速。同时，标准转速可用于调节回路5(箭头10′)，其中基于标准/实际转速比较通过PID调节器6改变控制变量以便在标准转速的方向上调节所述控制变量。这样将确定的控制变量作为其它输入变量传递(箭头11)至涡轮和排气再循环控制器3，例如发动机转速和标准扭矩(箭头11′、11″)。
在涡轮和排气再循环控制器3中，基于传递的控制变量与可能的其它输入或标准值(例如发动机转速和标准扭矩)，涡轮控制器7激活排气涡轮的驱动元件(例如引导叶片或排气喷嘴)，且排气再循环控制器8激活排气再循环系统的驱动元件(具体地为排气再循环阀)。此处，在该步骤在涡轮效率最大化的方向上同时进行对控制变量的优化。在图1中，通过箭头12、12′、12″示意指示了对应控制变量或控制指令的传递。
对于排气涡轮调节，由于涡轮和排气再循环控制器3接收已基于转速测量值确定的控制变量，可根据涡轮增压器转速的函数进行涡轮和排气再循环控制器的通用优化。这样，能够利用与涡轮和涡轮增压器的功能相关的其它数据，这样能够更好地适应不同工况并增加涡轮效率和总体系统(包含发动机、涡轮增压器、和排气再循环)效率。
如图2a至2c中一系列测量值形式的示例所示，能够通过根据本发明的方法相当大地改善排气涡轮增压器的涡轮效率。在一系列测量中，在不同发动机转速和负载下确定排气涡轮的总体效率，首先使用不进行转速测量的调节，然后使用根据本发明进行转速测量的调节。此处，根据图2a，对于不进行转速测量的调节(曲线13)和进行转速测量的调节(曲线13′)以相同的方式改变转速，并根据图2b类似地以相似方式改变各自的扭矩(曲线14不进行转速测量，曲线14′进行转速测量)。如从图2c可以看出，根据本发明的方法(曲线15′)相对于不进行转速测量的调节(曲线15)得到了总体上较高的排气涡轮效率。

Claims (10)

1.一种调节内燃发动机的排气涡轮增压器的方法，其中所述内燃发动机具有排气再循环系统，且所述排气涡轮增压器包含可调节排气涡轮，测量至少一个所述内燃发动机的运转参数，基于所述运转参数确定所述排气涡轮增压器的标准转速，并测量所述排气涡轮增压器的实际转速，基于所述实际转速和所述标准转速确定调节所述排气涡轮的控制变量，并相应于所述确定的控制变量调节所述排气涡轮。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以带有PID调节器的封闭调节回路确定所述控制变量。
3.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，测量所述涡轮增压器和/或所述内燃发动机的至少一个其它运转参数并用于确定所述标准转速和/或所述控制变量。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在确定所述控制变量时考虑所述排气涡轮的效率。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，基于所述排气涡轮增压器的所述涡轮的预定特性图或模型确定所述标准转速和/或所述控制变量。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，确定调节所述排气再循环系统的控制变量，并相应地调节所述排气再循环系统的驱动元件。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，同时执行对所述调节所述排气涡轮的控制变量的优化和对所述调节所述排气再循环系统的控制变量的优化。
8.一种用于调节具有可调节排气涡轮的内燃发动机的排气涡轮增压器的装置，包含用于测量所述排气涡轮增压器实际转速的传感器装置、用于确定调节所述排气涡轮的控制变量的处理器装置、以及用于相应于所述控制变量调节所述排气涡轮的控制器装置，其中所述处理器装置设定用于执行上述权利要求中任一项所述的方法。
9.一种运转带有可调节排气涡轮增压器和排气再循环系统的发动机的方法，包含：
测量所述涡轮增压器的转速；
基于测量的所述涡轮增压器转速和所述涡轮增压器的标准转速调节所述涡轮增压器的运转，其中在所述标准转速的方向调节所述涡轮增压器的运转以增加涡轮增压器效率；以及
基于所述涡轮增压器的运转调节所述排气再循环系统的运转以进一步增加所述涡轮增压器效率。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，调节所述涡轮增压器的运转包括调节所述涡轮增压器的引导叶片或排气喷嘴，而调节所述排气再循环系统的运转包括调节排气再循环阀。
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