專利名稱：基于模型的渦輪增壓機控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及渦輪增壓的內(nèi)燃機，具體來說，涉及用于機動車柴油機的渦輪 增壓機的控制方法。
背景技術(shù)：
渦輪增壓的柴油機是目前在北美制造的許多大型機動車輛的動力裝置。一 種類型的可用于這種發(fā)動機的兩級渦輪增壓機包括以串聯(lián)流動關(guān)系布置在排 氣系統(tǒng)內(nèi)的高壓和低壓渦輪機，它們運行吸氣系統(tǒng)中以串聯(lián)流動關(guān)系排列的高 壓和低壓壓縮機以形成增壓。單級的渦輪增壓機只具有一個渦輪機和一個壓縮 機。
一種特殊類型的二級渦輪增壓機的高壓渦輪機具有葉片，該葉片的位置可 以使用一種控制方法用關(guān)聯(lián)的致動器設(shè)定以控制增壓和/或背壓。具有這種葉
片的渦輪增壓機有時稱為幾何可變的渦輪增壓機，或簡稱為VGT。
從發(fā)動機性能和尾管排放的觀點來看，精確地控制增壓和/或背壓的能力對 于渦輪增壓的柴油機的控制策略是非常重要的。典型策略的實例處理各種數(shù)據(jù) 以形成用于增壓的理想設(shè)定點的數(shù)據(jù)值。發(fā)動機運行中影響該設(shè)定點的多種變 化通常要求控制系統(tǒng)迅速且精確地響應(yīng)以在理想的設(shè)定點內(nèi)強制實際增壓跟 從該變化。
人們已知使用旁通閥來旁通高壓壓縮機以及兩級的VGT的渦輪級。在具 有兩級渦輪增壓機和與高壓壓縮機關(guān)聯(lián)的旁通閥以及渦輪級的發(fā)動機的運行 范圍的一部分內(nèi)，旁通閥被關(guān)閉?？刂聘邏簻u輪機級的葉片位置的致動器受渦 輪增壓機控制策略的控制以設(shè)定葉片的位置，以使當(dāng)用于渦輪增壓機控制的控 制策略使用如受控的參數(shù)那樣的增壓時，渦輪增壓機提供對應(yīng)于由發(fā)動機控制 系統(tǒng)計算得出的設(shè)定點的增壓。較佳的策略利用葉片位置的閉環(huán)控制來確保增 壓與設(shè)定點的最佳響應(yīng)。
兩級渦輪增壓機的高壓壓縮機級的運行特征可以由波動線、速度限制線和 阻氣限制線在壓縮機特性圖上定義。該圖的水平軸線代表質(zhì)量流量，其最好對 空氣流入增壓機處的壓力和溫度進行修正。垂直軸線代表橫貫高壓級的壓力 比。該圖上大致由波動線、速度限制線和阻氣線界圍的區(qū)域定義了高壓壓縮機 級的高效運行區(qū)域。
阻氣限制線從第二區(qū)域劃出了高效運行區(qū)域，在該第二區(qū)域內(nèi)，效率是認(rèn) 為第二區(qū)域效率低下的程度。當(dāng)發(fā)動機的運行方式使得高壓壓縮機級的運行從 有效區(qū)域內(nèi)接近阻氣限制線時，渦輪增壓機的控制策略應(yīng)該設(shè)法避免壓縮機效 率的初始損失。
已知的策略是這樣做的打開與高壓渦輪機級平行的旁通閥，致使廢氣旁 通高壓渦輪機級，并運行低壓渦輪機級，然后低壓渦輪機級運行低壓壓縮機級。 假定與高壓壓縮機級平行的旁通閥是通常關(guān)閉的止回閥型，那么，實現(xiàn)低壓級 渦輪機對低壓壓縮機級的運行會強制止回閥打開，這樣，排出的空氣現(xiàn)在圍繞 高壓壓縮機級流過止回閥。
已知通過開環(huán)、或前饋、諸如使用包含代表與空氣質(zhì)量流相關(guān)的不同旁通 閥的打開的數(shù)據(jù)的圖的策略來控制旁通閥打開的程度。該圖通常由發(fā)動機校正 器提供。 一旦高壓壓縮機級的旁通閥打開，閉環(huán)的葉片控制策略失效，渦輪增 壓機的控制策略變成基本上閉環(huán)或前饋的控制之一。
當(dāng)渦輪增壓機的運行以將導(dǎo)致關(guān)閉的旁路打開的方式變化時(換句話說， 渦輪增壓機的壓縮機在高效運行區(qū)域內(nèi)，但基本上在阻氣限制線處運行)，已 知的前饋的控制策略將開始打開圍繞高壓渦輪機的關(guān)閉的旁路。在該過渡過程 中，由于各種因素可以發(fā)生各種互相作用，而且它們可以是不可預(yù)見的。如果 實際上不可能的話，則當(dāng)渦輪增壓機從葉片的閉環(huán)過渡到旁路的開環(huán)控制時， 通過修改用于葉片和旁路的相應(yīng)控制策略來滿意地協(xié)調(diào)它們是很困難的。葉片 控制指令和旁路控制指令在該過渡區(qū)域內(nèi)會不時地會不相容或矛盾，例如，一 個控制策略指令與另一控制策略指令的動作是反作用的動作。因此，阻氣限制 線處的渦輪機葉片控制和旁路控制之間的過渡一般地小于總體無縫的。
避免渦輪增壓機葉片和旁路對輸入到渦輪機葉片控制和旁路控制之間的過 渡區(qū)域內(nèi)對應(yīng)致動器的指令信號的響應(yīng)兩者的矛盾，可使得過渡更加光滑，而
且這可看作對渦輪增壓機控制策略的理想的改進。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種促進實現(xiàn)阻氣限制線附近旁路控制和渦輪機葉片控制之 間無縫過渡的目標(biāo)的策略。
簡要地說，本發(fā)明考慮通過在高效運行區(qū)域內(nèi)定義與阻氣限制線間隔開并 大致與其平行的線而建立渦輪增壓機的模型。為方便起見，將該定義的線稱為
最佳效率線。當(dāng)發(fā)動機運行造成渦輪增壓機運行而進入介于最佳效率線和阻氣 限制線之間的高效運行區(qū)域的部分時，開始以特殊的方式控制高壓壓縮機葉 片，該方式是最佳效率線和阻氣限制線的函數(shù)。該控制模式通常提供從葉片控 制到旁路控制的更加光滑的過渡，反之亦然，一般地還避免高壓壓縮機的阻塞。
當(dāng)壓縮機運行進入最佳效率線和阻氣限制線之間的區(qū)域時，本發(fā)明的策略 使用通過分析和/或發(fā)動機在各種工況下的實際運轉(zhuǎn)而形成的模型。
在發(fā)動機控制系統(tǒng)中并基于橫貫壓縮機的壓力比和空氣質(zhì)量流量之間的 關(guān)系實施該模型，空氣質(zhì)量流量最好對于進入壓縮機的壓力和溫度進行修正。 當(dāng)壓縮機運行跨過最佳效率線并接近阻氣限制線時，則隨著壓縮機運行逐漸地 接近阻氣限制線，該模型一般地要求逐漸地打開葉片。當(dāng)葉片已經(jīng)最大程度地 打開但壓縮機的阻塞即將來臨時，打開旁路以使低壓級變得有效，由此避免高 壓壓縮機的阻塞。
可在發(fā)動機控制策略中實施本發(fā)明的原理，而不必包括附加的機械裝置， 使得本發(fā)明策略的實現(xiàn)變得經(jīng)濟有效。除了改進發(fā)動機的特性，本發(fā)明還可對 尾管排放有有利的作用，以符合適用的法律和規(guī)定。
本發(fā)明的一個總的方面涉及一種控制渦輪增壓發(fā)動機中兩級渦輪增壓機 的方法。
當(dāng)發(fā)動機運行而致使高壓壓縮機級在在壓縮機性能上定義的最佳性能線 一側(cè)的高效運行區(qū)域內(nèi)運行時，所述最佳性能線與高壓壓縮機級的阻氣限制線 間隔開但大致與其平行，用運行高壓壓縮機級的高壓渦輪機級葉片的閉環(huán)控制 來控制渦輪增壓機，同時圍繞高壓渦輪機級的旁路保持關(guān)閉。
當(dāng)發(fā)動機運行而致使高壓壓縮機級在圖上最佳性能線和阻氣限制線之間
的區(qū)域內(nèi)運行時，則隨著發(fā)動機運行而致使高壓壓縮機級運行以逐漸地接近阻 氣限制線，高壓渦輪機級的葉片不斷地打開。
當(dāng)葉片基本上達到最大打開而高壓壓縮機級變得由其自身不能提供足夠 的增壓時，高壓渦輪機的旁路打開而開始引導(dǎo)廢氣流到運行低壓壓縮機級的低 壓渦輪機，由此，避免高壓壓縮機級的充入空氣流的阻塞。
本發(fā)明還涉及一種實施上述方法的發(fā)動機。


圖1是具有兩級渦輪增壓機的機動車輛發(fā)動機系統(tǒng)的總體示意圖。
圖2是代表性的壓縮機特性圖。
圖3是示出根據(jù)本發(fā)明策略的用于壓縮機葉片和旁通閥協(xié)調(diào)控制的基本原 理的曲線圖。
圖4是圖2 —部分的放大圖，其包括壓縮機在阻氣限制線附近運行時葉片 控制策略的圖形描述。
圖5是類似于圖2的圖，但其示出了策略在控制集歧管對壓力(MAP)時
用于代表性加速度的代表性運行軌跡。
圖6是圖5的一部分的放大圖，其包括壓縮機在阻氣限制線附近運行時葉
片控制策略的圖形描述。
圖7包括旁路控制策略連同上述葉片控制策略的圖形描述。 圖8是應(yīng)用于不同發(fā)動機加速度的葉片控制策略的圖形描述。
具體實施例方式
圖1示出示例性的內(nèi)燃機系統(tǒng)20,該系統(tǒng)包括發(fā)動機22，發(fā)動機22包含 多個其中發(fā)生燃燒的氣缸；進氣系統(tǒng)24，充入空氣通過該系統(tǒng)可進入發(fā)動機 22內(nèi)；以及排氣系統(tǒng)26，由空氣-燃油混合物在氣缸內(nèi)燃燒生成的廢氣通過該 排氣系統(tǒng)排出。EGR系統(tǒng)28提供廢氣從排氣系統(tǒng)26到進氣系統(tǒng)24的再循環(huán)。
發(fā)動機系統(tǒng)20是典型的渦輪增壓的柴油機，其包括兩級渦輪增壓機30， 渦輪增壓機30具有高壓渦輪機級32T和低壓渦輪機級34T，前者位于排氣系 統(tǒng)26內(nèi)用來運行進氣系統(tǒng)24內(nèi)的高壓壓縮機級32C，而后者位于排氣系統(tǒng)
26內(nèi)用來運行進氣系統(tǒng)24內(nèi)的低壓壓縮機級34C。
受控的旁通閥36T平行于渦輪機32T，而止回型旁通閥36C平行于壓縮機 32C。充氣冷卻器38位于壓縮機32C和閥36C的下游。
EGR系統(tǒng)28包括EGR冷卻器42，廢氣在到達EGR閥40之前通過EGR 冷卻器42， EGR閥40受施加到閥的電致動器上的工作循環(huán)信號的控制，以設(shè) 定EGR闊打開的程度。
發(fā)動機背壓由參數(shù)EBP表示，而歧管絕對壓力由參數(shù)MAP表示。
在發(fā)動機運行的某一范圍內(nèi)，通過定位渦輪機級32T的葉片的致動器來控 制增壓。當(dāng)發(fā)動機在該范圍內(nèi)運行時，兩個閥36T和36C關(guān)閉。圖2中示出 了壓縮機級32C的代表性特性圖。運行的有效區(qū)域48由波動限制線50、速度 限制線52和阻氣限制線54所界定。
軌跡56表示壓縮機級32C如何在發(fā)動機典型加速過程中運行而形成增壓 的。在該特定實例中，排氣背壓受該策略控制。旁通閥36T保持關(guān)閉，而壓 縮機級32C在區(qū)域48內(nèi)運行。在沿著朝向阻氣限制線54的方向的軌跡56上 的某些點處，渦輪機32T的葉片變得越來越關(guān)閉。當(dāng)運行接近阻氣限制線54 時，葉片接近最大關(guān)閉。當(dāng)壓縮機級32C沿著軌跡56的運行跨過阻氣限制線 54時，壓縮機級32C變得其自身不能形成足夠的增壓并開始阻塞充入的空氣 流。
本發(fā)明的策略設(shè)法來避免由于高壓壓縮機級而產(chǎn)生充入氣流的任何顯著 的阻塞。該策略定義了本發(fā)明人所稱為的壓縮機效率圖上的最佳效率線。圖4 示出大致平行于阻氣限制線54走向、但略微地插入?yún)^(qū)域48內(nèi)離阻氣限制線一 定的間隔裕度的這種線58。
線58與相對于空氣質(zhì)量流量的橫貫壓縮機級32C的壓力比相關(guān)，該質(zhì)量 流量通過進入壓縮機的壓力CIP和溫度CIT進行修正。當(dāng)發(fā)動機沿著軌跡56 的加速導(dǎo)致壓縮機級32C在最佳效率線58和阻氣限制線54之間運行時，該 策略協(xié)調(diào)級32T的葉片和旁通閥36T的控制。
不管控制策略是設(shè)法控制排氣背壓(EBP)還是設(shè)法控制歧管絕對壓力 (MAP)，對于某些發(fā)動機運行狀態(tài)，在旁通閥36T保持關(guān)閉的同時，單是 級32T葉片的閉環(huán)控制就足夠了。對于其它的運行狀態(tài)，葉片的操作完全打
開，并控制旁通閥36t所打開的程度。圖3中示出了總體控制策略圖，其中， 水平軸線代表控制參數(shù)"延伸的vgi;dty"，而垂直軸線代表渦輪增壓機的
相應(yīng)部分，即高壓渦輪機級32t的葉片和旁通閥36t是怎樣受控的。
在延伸到規(guī)格化單元0.80的范圍內(nèi)，只有葉片被控制，而旁路保持關(guān)閉(標(biāo) 號60)。在從規(guī)格化單元1.00延伸到規(guī)格化單元2.00的范圍內(nèi)，葉片被操作 而基本上最大地打開，而閥36t受控(標(biāo)號62)。
規(guī)格化單元0.80和1.00之間的范圍對應(yīng)于線54和58之間的距離。當(dāng)高 級的壓縮機開始在線54和58之間的區(qū)域內(nèi)運行時，諸如當(dāng)它跨入點57處的 區(qū)域時，圖3中標(biāo)號64處圖示的策略控制著葉片的位置。當(dāng)壓縮機效率足夠 時，葉片逐漸地打開。圖中所示的特定關(guān)系是一向上斜坡策略64 (見圖4)， 其從0.2工作循環(huán)信號至葉片致動器至0.8工作循環(huán)至葉片致動器。在后者的 工作循環(huán)中，葉片完全打開。
當(dāng)壓縮機效率為變得效率低下的程度時，意味著它已經(jīng)跨過阻氣限制線并 開始限制而不是輔助空氣流充入，然后閥36t打開。因此，只要壓縮機效率 低于1.00，意味著已經(jīng)通過阻氣限制線，此時閥36t被打開到需要提供發(fā)動 機控制策略要求的增壓的程度。一旦低壓壓縮機級已被低壓渦輪機級加速到可 提供所需要的增壓的速度，則可使用調(diào)制旁路以控制旁路打開的控制策略。
當(dāng)map而不是ebp受到策略控制時，可應(yīng)用同樣的原理。這用圖示方法 描繪在圖5和6中，其中，軌跡56代表使用map控制進行加速過程中的壓 縮機運行。當(dāng)沿著水平軸線測量時，線58和54之間的距離(am*)相對狹窄。 am'的值是可選的，且該值對應(yīng)于壓縮機效率損失的一定百分比，這樣，可考 慮定義線54和58之間的間隔距離。在發(fā)動機研發(fā)試驗過程中也可由發(fā)動機標(biāo) 定器進行選擇。
在增壓需求增加的過程中，本發(fā)明策略的功能關(guān)系提供從葉片控制到旁通 閥控制的過渡，在要求下降到單獨葉片控制就可成為有效的量值之后，則反之 亦然。
圖7用圖示方法示出一旦葉片已經(jīng)最大打開后的用于旁路控制的策略66。 這里還示出了用于葉片控制的策略64。當(dāng)發(fā)動機加速已經(jīng)造成施加到旁通閥 36t上的工作循環(huán)信號被驅(qū)動到最大值時，快速操作閥36t以完全地打開以便將最大能量轉(zhuǎn)向到低壓渦輪機級，從而使低壓壓縮機可加速并變得有效而強制
打開高壓壓縮機級周圍的止回閥。通過提供策略66內(nèi)的某些滯后(如圖所示)，
直到低壓級已經(jīng)被加速到允許旁路調(diào)制控制成為有效的速度之后才調(diào)制旁路
以控制MAP。
圖8示出當(dāng)壓縮機運行跨過諸如點68、 70那樣其它點處的線58時適用的 圖4的基本功能關(guān)系。
當(dāng)反復(fù)執(zhí)行控制算法以對葉片控制和旁路控制計算數(shù)據(jù)值時，總體策略可 在發(fā)動機控制系統(tǒng)內(nèi)實施。還可用具有用于葉片和旁通閥控制的數(shù)據(jù)值的圖來 實施，這些數(shù)據(jù)值根據(jù)某些相關(guān)參數(shù)的數(shù)據(jù)值進行選擇。
盡管已經(jīng)圖示和描述了本發(fā)明目前優(yōu)選的實施例，但應(yīng)該認(rèn)識到本發(fā)明的 原理適用于落入本發(fā)明范圍之內(nèi)的所有實施例，本發(fā)明的范圍大致描述如下。
權(quán)利要求
1.一種用來控制渦輪增壓發(fā)動機內(nèi)的兩級渦輪增壓機的方法，包括當(dāng)發(fā)動機運行而致使所述渦輪增壓機的高壓壓縮機級在壓縮機性能上定義的在最佳性能線一側(cè)上的高效運行區(qū)域內(nèi)運行時，所述最佳性能線與用于高壓壓縮機級的阻氣限制線間隔開但大致與其平行，通過所述渦輪增壓機的高壓渦輪機級的葉片的閉環(huán)控制來控制所述渦輪增壓機，所述高壓渦輪機級運行所述高壓壓縮機級，同時圍繞所述高壓渦輪機級的旁路保持關(guān)閉；當(dāng)所述發(fā)動機運行而致使所述高壓壓縮機級在圖上所述最佳性能線和所述阻氣限制線之間的區(qū)域內(nèi)運行時，隨著發(fā)動機運行而致使所述高壓壓縮機級的運行逐漸地接近所述阻氣限制線，增加所述高壓渦輪機級的葉片的打開；以及當(dāng)所述葉片已經(jīng)基本上最大地打開而所述高壓壓縮機級變得其自身不能提供足夠的增壓時，打開所述高壓渦輪機旁路以開始引導(dǎo)廢氣流入低壓渦輪機，所述低壓渦輪機運行所述渦輪增壓機的低壓壓縮機級由此避免所述高壓壓縮機級阻塞充入的空氣流。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，當(dāng)所述發(fā)動機運行而致使所述 高壓壓縮機級的運行逐漸地接近所述阻氣限制線時，增加所述高壓渦輪機級的 所述葉片的打開的所述步驟包括對控制所述葉片位置的致動器施加斜坡功 能。
3. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，打開所述高壓渦輪機旁路以開 始引導(dǎo)廢氣流入低壓渦輪機，所述低壓渦輪機運行所述渦輪增壓機的低壓壓縮 機級，且由此避免所述高壓壓縮機級阻塞充入的空氣流的所述步驟包括首先 最大地打開所述旁路以使所述低壓渦輪機級進行最大的加速，且一旦所述低壓 壓縮機級達到足夠的速度以提供所要求的大于所述高壓壓縮機可提供的增壓， 則只要所述高壓壓縮機自身仍然不能提供所要求的增壓，就調(diào)制所述旁路以控 制增壓。
4. 一種發(fā)動機包括兩級渦輪增壓機；以及控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括用于渦輪增壓機控制的策略a) 當(dāng)發(fā)動機運行而致使所述渦輪增壓機的高壓壓縮機級在壓縮機性 能上定義的在最佳性能線一側(cè)上的高效運行區(qū)域內(nèi)運行時，所述最佳性能線與 用于高壓壓縮機級的阻氣限制線間隔開但大致與其平行，通過所述渦輪增壓機 的高壓渦輪機級的葉片的閉環(huán)控制來控制所述渦輪增壓機，所述高壓渦輪機級 運行所述高壓壓縮機級，同時圍繞所述高壓渦輪機級的旁路保持關(guān)閉；b) 當(dāng)所述發(fā)動機運行而致使所述高壓壓縮機級在圖上所述最佳性能 線和所述阻氣限制線之間的區(qū)域內(nèi)運行時，則隨著發(fā)動機運行而致使所述高壓 壓縮機級的運行逐漸地接近所述阻氣限制線時，增加所述高壓渦輪機級的葉片 的打開，以及；c) 當(dāng)所述葉片基本上達到最大打開而所述高壓壓縮機級變得其自身 不能提供足夠的增壓時，打開所述高壓渦輪機旁路以開始引導(dǎo)廢氣流入運行所 述渦輪增壓機的低壓壓縮機級的低壓渦輪機，由此避免所述高壓壓縮機級阻塞 充入的空氣流。
5. 如權(quán)利要求4所述的發(fā)動機，其特征在于，當(dāng)所述發(fā)動機運行而致使所 述高壓壓縮機級的運行逐漸地接近所述阻氣限制線時，該策略通過對控制葉片 位置的致動器施加斜坡功能來增加所述加高壓渦輪機級葉片的打開。
6. 如權(quán)利要求4所述的發(fā)動機，其特征在于，所述策略通過下述方式來打開所述高壓渦輪機旁路以開始引導(dǎo)廢氣流入低壓渦輪機，所述低壓渦輪機運行 渦輪增壓機的低壓壓縮機級，且由此避免所述高壓壓縮機級阻塞充入的空氣 流首先最大地打開所述旁路以使所述低壓渦輪機級進行最大的加速，且一旦 所述低壓壓縮機級達到足夠的速度以提供所要求的大于所述高壓壓縮機可提 供的增壓，則只要所述高壓壓縮機仍然自身不能提供所需要的增壓，就調(diào)制旁 路以控制增壓。
全文摘要
當(dāng)高壓壓縮機級在壓縮機性能上定義的在最佳性能線一側(cè)上的高效運行區(qū)域內(nèi)運行時，所述最佳性能線與阻氣限制線間隔開但大致與其平行，用高壓渦輪機級的葉片的閉環(huán)控制來控制渦輪增壓機，同時圍繞高壓渦輪機級的旁路保持關(guān)閉。當(dāng)高壓壓縮機級在最佳性能線和阻氣限制線之間的區(qū)域內(nèi)運行時，隨著高壓壓縮機級運行而逐漸地接近阻氣限制線，高壓渦輪機級的葉片逐漸打開。當(dāng)葉片已經(jīng)最大地打開而高壓壓縮機級已經(jīng)變得不能提供足夠的增壓時，打開高壓渦輪機旁路以開始引導(dǎo)廢氣流入運行低壓壓縮機級的低壓渦輪機，由此避免高壓壓縮機級阻塞充入的空氣流。
文檔編號F02B37/18GK101205829SQ20071030050
公開日2008年6月25日 申請日期2007年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月20日
發(fā)明者奧赫達 W·德 申請人:萬國引擎知識產(chǎn)權(quán)有限責(zé)任公司