用涡轮增压器增压的内燃发动机的控制方法 【技术领域】
本发明涉及用涡轮增压器增压的内燃发动机的控制方法。
背景技术
如已知的那样，某些内燃发动机设置有涡轮增压器增压系统，通过利用废气的热函来压缩发动机吸入的空气并因此增大进气体积效率，该系统能够增大发动机提供的动力。
涡轮增压器增压系统包括设置有涡轮机和压缩机的涡轮增压器，该涡轮机沿着排气管设置以便在发动机排出的废气压力的作用下高速转动，该压缩机制成为通过涡轮机转动并沿着进气管设置以便压缩发动机吸入的空气。
在涡轮增压器增压系统中，出于功能(即，为了避免不规则运转或者在任何情况下低效运转)以及结构(即，为了避免损伤涡轮增压器)方面的考虑，必须根据曲轴位置将涡轮增压器的工作范围保持在有用区域内。具体而言，在折合质量流速/压缩比的映射图的左侧，存在由喘振线(surge line)限定的“禁”区，该喘振线由一系列点构成，在该“禁”区中压缩机内的空气动力平衡被打破，并且在端口(mouth)处流速会发生周期性、大噪音且强烈的排斥效应，其效果对于叶片来说可能是破坏性的；相反地，在折合质量流速/压缩比的映射图的右侧，存在由所谓的“失速线”(“stalling line”)限定边界的第二“禁”区，该“禁”区对应于涡轮机的入口处达到扼流状态(chocking condition)(其结果是流速停止)的情形，并且该“禁”区限定压缩机在给定进气环境状态下可以供给的最大可能流速。
专利申请EP1741895A1公开了一种用涡轮增压器增压的内燃发动机的控制方法，该发动机包括压缩机、涡轮机和废气阀，涡轮机适于在发动机的废气压力的作用下可转动地驱动压缩机，废气阀适于根据压缩机出口处所需的增压压力目标来调节输入涡轮机的废气流速以便控制涡轮自身的转速。专利申请EP1741895A1中公开的该控制方法包括下列步骤：测量压缩机入口处吸入的空气压力；确定压缩机的质量流速；根据预定的转动极限速度、测量出的空气压力和质量流速来计算增压的极限压力，该极限压力通过反映压缩机工作特性的预定映射图与涡轮机以大致等于预定极限速度的速度转动时压缩机出口处可获得的空气压力相关联；验证所需的增压压力目标是否满足与算出的增压极限压力的预定关系；如果满足所述关系，则根据该极限增压压力致动废气阀以便控制涡轮机的转速，从而将涡轮增压器的转速限制为大致等于预定极限速度的值。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种用于通过涡轮增压器增压的内燃发动机的控制方法，这种控制方法容易实施并且成本合算，具体而言，该控制方法能够确保涡轮增压器的工作范围在内燃发动机的任何工作状态下都处于有用区域内。
根据本发明提供一种内燃发动机的控制方法，所述内燃发动机通过设置有涡轮机和压缩机的涡轮增压器增压；该控制方法包括如下步骤：
在折合质量流速/压缩比的映射图上建立至少一个工作极限曲线；
在折合质量流速/压缩比的映射图上建立废气阀的至少一个干涉曲线，该废气阀调节涡轮机的旁通管；
在折合质量流速/压缩比的映射图上建立Poff阀的至少一个干涉曲线，该Poff阀调节压缩机的旁通管；
用工作极限曲线限制发动机控制所使用的压缩机下游的压力目标；
如果超出了废气阀的干涉曲线，则控制废气阀的开启；以及
如果超出了Poff阀的干涉曲线，则控制Poff阀的开启。
【附图说明】
现在将参照附图描述本发明，附图示出了本发明的非限制性实施例，其中：
图1示意性地示出了设置有电子控制单元的用涡轮增压器增压的内燃发动机，该电子控制单元实施根据本发明的控制方法；
图2在折合质量流速/压缩比的映射图上示出了图1中的涡轮增压器的压缩机的特性曲线；以及
图3示出了折合质量流速/压缩比的映射图，该映射图示出了由图1中的电子控制单元实施的控制方法中使用的工作极限曲线和干涉曲线。
【具体实施方式】
在附图1中，附图标记1整体上表示通过涡轮增压器增压系统2增压的内燃发动机。
内燃发动机1包括四个气缸3，每个气缸都通过至少一个对应的进气门(未示出)连接到进气歧管4并通过至少一个对应的排气门(未示出)连接到排气歧管5。进气歧管4通过进气管6接收新鲜空气(即来自外部环境的空气)，进气管6设置有空气滤清器7并且由蝶形阀8来调节。用于冷却进气的中间冷却器9沿着进气管6设置。排气管10连接到排气歧管5上，排气管10将燃烧产生的废气供给排气系统，排气系统将燃烧产生的气体排放到大气中，并且排气系统通常包括至少一个催化转化器11和设置在催化转化器11下游的至少一个消音器(未示出)。
内燃发动机1的增压系统2包括设置有涡轮机13和压缩机14的涡轮增压器12，涡轮机13沿着排气管10设置以便在从气缸3排出的废气压力的作用下高速转动，压缩机14沿着进气管6设置并以机械方式连接到涡轮机13上以便涡轮机13将自身的转动传递给压缩机14，从而增大输送到进气管6中的空气的压力。
沿着排气管10设置有旁通管15，旁通管15并联到涡轮机13，从而使其末端分别连接涡轮机13的上游和下游；沿着旁通管15设置有废气阀(wastegate valve)16，废气阀16适于调节流过旁通管15的废气的流速，并且废气阀16由致动器17驱动。沿着进气管6设置有旁通管18，旁通管18并联到压缩机14从而使其末端分别连接压缩机14的上游和下游；沿着旁通管18设置有Poff阀19，Poff阀19适于调节流过旁通管18的废气的流速，并且Poff阀19由致动器20驱动。
内燃发动机1由电子控制单元21控制，电子控制单元21控制包括增压系统2在内的内燃发动机1的所有部件的工作。具体而言，电子控制单元21驱动废气阀16的致动器17和Poff阀19的致动器20。电子控制单元21连接到传感器22、传感器23和传感器24上，传感器22测量压缩机14上游沿着进气管6的温度To和压力Po，传感器23测量蝶形阀8上游沿着进气管6的温度和压力，并且传感器24测量进气歧管4内部的温度和压力。而且，电子控制单元21还连接到传感器25和传感器26上，传感器25测量内燃发动机1的曲轴的角度位置(从而测量转速)，传感器26测量进气门和/或排气门的动作时间。
除了其他方面，电子控制单元21将涡轮增压器12的工作范围维持在有用区域内。下面描述电子控制单元21将涡轮增压器12的工作范围控制在有用区域内所使用的控制方法。
在内燃发动机1的设计和调试步骤中，在折合质量流速/压缩比的映射图上分析压缩机14(由涡轮增压器12的制造商提供的)的特性曲线。附图2中示出了商用压缩机14(尺寸加工成用于具有1.4升总排量的汽油发动机)的特性曲线的例子。附图2中所示的特性曲线在绝对参照温度Torif和绝对参照压力Porif下被标准化。在该折合质量流速/压缩比的映射图的左侧，存在由喘振线限定边界的第一“禁”区，该喘振线由一系列点构成，在该“禁”区中压缩机14内的空气动力平衡被打破，并且在端口处流速会发生周期性、大噪音且强烈的排斥效应，其效果对于叶片来说可能是破坏性的；相反地，在折合质量流速/压缩比的映射图的右侧存在由所谓的“失速线”限定边界的第二“禁”区，该“失速线”对应于涡轮机13的入口处达到扼流状态(结果是流速停止)的情形，并且该“失速线”限定压缩机14在给定进气环境状态下可以提供的最大可能流速。
如附图3中所示，通过分析压缩机14的特性曲线，限制涡轮增压器12的转速的曲线27和限定涡轮增压器12的喘振范围的曲线28便得以确定。两条工作极限曲线29和30根据曲线27和28建立，并且它们用于限制发动机控制所使用的压缩机14下游的压力目标。为了确定工作极限曲线29，确定(恒定的或可变的)阈值S1，阈值S1确立工作极限曲线29和限制涡轮增压器12的转速的曲线27之间的距离；类似地，为了确定工作极限曲线30，确定(恒定的或可变的)阈值S2，阈值S2确立工作极限曲线30和限定涡轮增压器12的喘振范围的曲线28之间的距离。
而且，根据曲线27和28，建立调节涡轮机13的旁通管15的废气阀16的两条干涉曲线31和32以及调节压缩机14的旁通管18的Poff阀19的两条干涉曲线33和34。为了确定废气阀16的干涉曲线31，确定(恒定的或可变的)阈值S3，阈值S3确立工作极限曲线29和废气阀16的干涉曲线31之间的距离；类似地，为了确定废气阀16的干涉曲线32，确定(恒定的或可变的)阈值S4，阈值S4确立废气阀16的干涉曲线32和限定涡轮增压器12的喘振范围的曲线28之间的距离。为了确定Poff阀19的干涉曲线33，确定(恒定的或可变的)阈值S5，阈值S5确立工作极限曲线29和Poff阀19的干涉曲线33之间的距离；类似地，为了确定Poff阀19的干涉曲线34，确定(恒定的或可变的)阈值S6，阈值S6确立Poff阀19的干涉曲线34和限定涡轮增压器12的喘振范围的曲线28之间的距离。
如前所述，阈值S1-S6可以是恒定值，或者每个阈值都可以根据与压缩机14吸入的空气相关的一系列参数而改变，所述参数是例如压缩机14上游的绝对温度To(即，实际上的环境温度)、压缩机14上游的绝对压力Po(即，实际上的环境压力)、质量流速QAH；而且，阈值S1-S6也可以根据内燃发动机1的一个或多个工作参数而改变，所述工作参数是例如进气歧管4内的空气压力、内燃发动机1的润滑油的温度、涡轮增压器12的润滑油的温度、内燃发动机1的冷却液的温度、发动机转速。
重要的是要观察到废气阀16的两条干涉曲线31和32比Poff阀19的两条干涉曲线33和34更靠内(即阈值S3和S4高于阈值S5和S6)，因为如果超出曲线27和28，则优选地只打开废气阀16以限制涡轮增压器12，并且只有在打开废气阀16还不够时，则Poff阀19也打开。
在内燃发动机1运转的过程中，电子控制单元21用工作极限曲线29和30限制发动机控制所使用的压缩机14下游的压力目标。换句话说，电子控制单元21中进行的发动机控制以已知方式并根据曲轴位置确定压缩机14下游的压力目标，该压力目标代表压缩机14下游所需的最佳压力值；如果压缩机14下游的压力目标与工作极限曲线29和30相匹配，则维持压缩机14下游的压力目标，否则，如果压缩机14下游的压力目标与工作极限曲线29和30不匹配，则将压缩机14下游的压力目标限制为与工作极限曲线29和30匹配的最大值。
具体而言，为了限制压缩机14下游的压力目标而确定压缩机14的当前折合质量流速QAH；根据压缩机14的当前折合质量流速QAH，通过工作极限曲线29和30来确定最大可能压缩比RC，通过使压缩机14上游的绝对压力Po与最大可能的压缩比RC相乘来确定压缩机14下游的最大可能压力，并且如果压缩机14下游的压力目标高于压缩机14下游的最大可能压力，则压缩机14下游的压力目标被限制为压缩机14下游的最大可能压力。
通过使用如下等式，确定压缩机14的折合质量流速QAHR：
QAHR=QAH·ToTorif·PoPorif]]>
QAH-压缩机14的质量流速；
QAHR-压缩机14的折合质量流速；
To-压缩机14上游的绝对温度；
Po-压缩机14上游的绝对压力；
Torif-绝对参照温度；
Porif-绝对参照压力。
绝对参照温度Torif和绝对参照压力Porif是获取压缩机14的特性曲线从而获取曲线27-34的条件，并且绝对参照温度Torif和绝对参照压力Porif是预先已知的设计数据。压缩机14上游的绝对温度To和压缩机14上游的绝对压力Po由传感器22测量。压缩机14的质量流速QAH可通过单位流速传感器(specific flow rate sensor)来测量，或者可以由电子控制单元21以已知方式来估算。
根据一种不同的实施例(未示出)，可以不包括压缩机14上游的绝对温度To(即，实际上的环境温度)的测量；在此情况下，可以在Po/Porif压力比的基础上在不考虑温度To和Torif之间的比率的情况下使折合质量流速QAHR“部分”标准化。
在内燃发动机1的工作过程中，如果需要，则电子控制单元21独立于发动机控制目标(即，独立于用于达到发动机控制目标自身的发动机控制要求)而使用废气阀16的干涉曲线31和32来控制废气阀16的开启。具体而言，如果在折合质量流速/压缩比的映射图上由折合质量流速QAHR和当前压缩比RC限定的点在废气阀16的干涉曲线31和32外部(即，如果当前压缩比RC比属于与当前折合质量流速QAHR对应的干涉曲线31和32的压缩比RC高的话)，则发动机控制单元21确定(如上所述地)压缩机14的当前折合质量流速QAHR、确定压缩机14的当前压缩比RC(通过传感器23测量出的压缩机14下游的压力和传感器22测量出的压缩机14上游的压力之间的简单比率)、并独立于发动机控制目标而控制废气阀16的开启。
类似地，在内燃发动机1的工作过程中，如果需要，则电子控制单元21独立于发动机控制目标(即，独立于达到发动机控制目标自身的发动机控制要求)而使用Poff阀19的干涉曲线33和34来控制Poff阀19的打开。具体而言，如果在折合质量流速/压缩比的映射图上由折合质量流速QAHR和当前压缩比RC限定的点在Poff阀19的干涉曲线33和34外部(即，如果当前压缩比RC比属于与当前折合质量流速QAHR对应的干涉曲线33和34的压缩比RC高的话)，则发动机控制单元21确定(如上所述地)压缩机14的当前折合质量流速QAHR、确定压缩机14的当前压缩比RC(通过传感器23测量出的压缩机14下游的压力和传感器22测量出的压缩机14上游的压力之间的简单比率)、并且独立于发动机控制目标而控制Poff阀19的打开。
要重点强调的是，曲线28、30、32和34独立于涡轮增压器12的折合极限速度NtcR，而曲线27、29、31和33则取决于涡轮增压器12的该折合极限速度NtcR(即它们根据涡轮增压器12的折合极限速度NtcR而改变)。换句话说，对于涡轮增压器12来说，确定涡轮增压器12的预定极限速度Ntc，在该预定极限速度下涡轮增压器12达到临界状态；通过使用涡轮增压器12的预定极限速度Ntc，得以根据压缩机14上游的绝对温度To通过下述等式计算出涡轮增压器12的当前折合极限速度NtcR：
NtcR=Ntc·TorifTo]]>
Ntc-涡轮增压器12的极限速度；
NtcR-涡轮增压器12的折合极限速度；
To-压缩机14上游的绝对温度；
Torif-绝对参照温度。
当压缩机14上游的绝对温度To改变并且涡轮增压器12的预定极限速度Ntc是等值时，涡轮增压器12的当前折合极限速度NtcR改变；因此，电子控制单元21根据压缩机14上游的绝对温度To和涡轮增压器12的预定极限速度Ntc(总是保持恒定)来循环地确定涡轮增压器12的当前折合极限速度NtcR，并且根据涡轮增压器12的当前折合极限速度NtcR能够确定将要使用的曲线27、29、31和33。或者，涡轮增压器12的预定极限速度Ntc是恒定的以简化曲线27、29、31和33的管理，曲线27、29、31和33自身可根据压缩机14上游的绝对温度To参数化而存储在电子控制单元21中；以此方式，电子控制单元21不需要计算涡轮增压器12的当前折合极限速度NtcR，也不需要随后选择将要使用的曲线27、29、31和33，而仅仅需要根据压缩机14上游的绝对温度To更新(update)曲线27、29、31和33。
根据一种不同的简化实施例(因此精度不是很高)，可使用当前(非折合的)质量流速QAH或目标(折合的或非折合的)质量流速QAHR，而不是使用当前折合质量流速QAHR。
上述控制方法具有许多优点，其实施起来非常简单并且成本合算，其不使用电子控制单元21的高计算能力，并且不需要相对于现代内燃发动机中已经存在的电子部件而安装附加的电子部件(具体而言，传感器或致动器)。而且，对于确保涡轮增压器12的工作范围在内燃发动机1的任何工作状态下都保持在有用区域中来说，上述控制方法特别有效。如果需要，则通过打开废气阀16-如果打开废气阀16还不够则通过打开Poff阀19来确保这种高效性；实际上，由于既可以打开废气阀16又可以打开Poff阀19，因此得以在内燃发动机1的任何工作状态下都确保涡轮增压器12的工作范围处于有用区域内。