專利名稱：渦輪增壓器控制系統(tǒng)和改善瞬態(tài)性能的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及內燃發(fā)動機，更具體地涉及渦輪增壓器控制系統(tǒng)。
背景技術：
本文中提供的背景技術描述是為了總體上介紹本發(fā)明背景的目的。當前提及的發(fā) 明人的工作-以在此背景技術部分中所描述的為限-以及在提交時否則可能不構成現(xiàn)有技 術的該描述的各方面，既不明示地也不默示地被承認為針對本發(fā)明的現(xiàn)有技術。內燃發(fā)動機可以使用渦輪增壓器來增加空氣密度從而增加進入發(fā)動機的空氣量。 增加的空氣量使得能夠將更多的燃料噴射到發(fā)動機中，由此提高發(fā)動機功率。渦輪增壓器 通常包括渦輪、空氣壓縮器、和將渦輪連接到空氣壓縮器上的共用軸。從排氣歧管中流出 的廢氣驅動渦輪。渦輪則驅動空氣壓縮器從而壓縮進入進氣歧管中的空氣。
發(fā)明內容
一種用于高壓渦輪增壓器和低壓渦輪增壓器的渦輪增壓器控制系統(tǒng)，包括渦輪 模式確定模塊和轉換控制模塊。渦輪模式確定模塊確定從雙渦輪模式向單渦輪模式的轉 換。高壓渦輪增壓器在雙渦輪模式下起作用而在單渦輪模式下則不起作用。轉換控制模塊 確定高壓渦輪增壓器的期望渦輪效率，并且在轉換期間根據期望渦輪效率來控制高壓渦輪 增壓器。在一個特征中，在轉換期間轉換控制模塊根據期望渦輪效率來控制高壓渦輪增壓 器的渦輪和旁通閥。在其他特征中，高壓渦輪增壓器是可變幾何渦輪增壓器(VGT)。期望渦輪效率是基 于給定的可變幾何渦輪增壓器位置和跨高壓渦輪增壓器的給定壓力比的最大渦輪效率?？?變幾何渦輪增壓器位置和壓力比滿足預定的最大渦輪效率方程式?！N操作高壓渦輪增壓器和低壓渦輪增壓器的方法，包括確定從雙渦輪模式向 單渦輪模式的轉換，其中高壓渦輪增壓器在雙渦輪模式下起作用而在單渦輪模式下則不起 作用；根據對轉換的確定來確定高壓渦輪增壓器的期望渦輪效率；以及在轉換期間根據期 望渦輪效率來控制高壓渦輪增壓器的渦輪和旁通閥。本發(fā)明還涉及以下技術方案方案1. 一種用于高壓渦輪增壓器和低壓渦輪增壓器的渦輪增壓器控制系統(tǒng)，包 括渦輪模式確定模塊，其確定從雙渦輪模式向單渦輪模式的轉換，其中所述高壓渦 輪增壓器在所述雙渦輪模式下起作用而在所述單渦輪模式下則不起作用；以及轉換控制模塊，其在所述轉換期間確定所述高壓渦輪增壓器的期望渦輪效率，并 且在所述轉換期間根據所述期望渦輪效率來控制所述高壓渦輪增壓器。方案2.如方案1所述的渦輪增壓器控制系統(tǒng)，其特征在于，所述高壓渦輪增壓器 是可變幾何渦輪增壓器。
方案3.如方案2所述的渦輪增壓器控制系統(tǒng)，其特征在于，所述期望渦輪效率是 基于可變幾何渦輪增壓器位置和壓力比的最大渦輪效率。方案4.如方案3所述的渦輪增壓器控制系統(tǒng)，其特征在于，所述最大渦輪效率隨 著所述可變幾何渦輪增壓器位置和所述壓力比而變化。方案5.如方案3所述的渦輪增壓器控制系統(tǒng)，其特征在于，所述壓力比是根據通 過所述渦輪的廢氣流率和所述可變幾何渦輪增壓器位置來確定的。方案6.如方案3所述的渦輪增壓器控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括旁通閥控制模 塊，其當所述壓力比超過閾值壓力比時打開旁通閥。方案7.如方案6所述的渦輪增壓器控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括壓力比確定模 塊，其在所述旁通閥打開后確定第二壓力比。方案8.如方案7所述的渦輪增壓器控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括可變幾何渦輪 增壓器位置確定模塊，其根據所述第二壓力比和渦輪效率來確定第二可變幾何渦輪增壓器 位置。方案9.如方案8所述的渦輪增壓器控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括可變幾何渦輪 增壓器控制模塊，其根據所述第二可變幾何渦輪增壓器位置來控制所述可變幾何渦輪增壓ο方案10.如方案9所述的渦輪增壓器控制系統(tǒng)，其特征在于，所述第二可變幾何渦 輪增壓器位置和所述第二壓力比滿足最大渦輪效率方程式。方案11. 一種用于高壓渦輪增壓器和低壓渦輪增壓器的渦輪增壓器控制系統(tǒng)，包 括渦輪模式確定模塊，其確定從雙渦輪模式向單渦輪模式的轉換，其中所述高壓渦 輪增壓器在雙渦輪模式下起作用而在單渦輪模式下則不起作用；以及轉換控制模塊，其在所述轉換期間確定所述高壓渦輪增壓器的渦輪的期望渦輪效 率，并且在所述轉換期間根據所述期望渦輪效率來控制所述渦輪和旁通閥。方案12. —種操作高壓渦輪增壓器和低壓渦輪增壓器的方法，包括確定從雙渦輪模式向單渦輪模式的轉換，其中所述高壓渦輪增壓器在所述雙渦輪 模式下起作用而在所述單渦輪模式下則不起作用；根據對所述轉換的確定來確定跨所述高壓渦輪增壓器的期望渦輪效率；以及在所述轉換期間，根據所述期望渦輪效率來控制旁通閥和所述高壓渦輪增壓器的 渦輪。方案13.如方案12所述的方法，其特征在于，所述高壓渦輪增壓器是可變幾何渦 輪增壓器。方案14.如方案13所述的方法，其特征在于，還包括在所述轉換期間確定可變幾 何渦輪增壓器位置和跨所述可變幾何渦輪增壓器的渦輪的壓力比，其中所述期望渦輪效率 是基于所述可變幾何渦輪增壓器位置和所述壓力比的最大渦輪效率。方案15.如方案14所述的方法，其特征在于，還包括根據經過所述渦輪的廢氣流 率和所述可變幾何渦輪增壓器位置來確定所述壓力比。方案16.如方案15所述的方法，其特征在于，還包括當所述壓力比超過閾值壓力 比時打開所述旁通閥。
方案17.如方案16所述的方法，其特征在于，還包括在打開所述旁通閥后確定第 二壓力比。方案18.如方案17所述的方法，其特征在于，還包括根據所述第二壓力比和渦輪 效率來確定所述第二可變幾何渦輪增壓器位置。方案19.如方案18所述的方法，其特征在于，所述第二可變幾何渦輪增壓器位置 和所述第二壓力比滿足最大渦輪效率方程式。從本文所提供的描述中，本發(fā)明的進一步的應用范圍將變得顯而易見。應當理解 的是，描述和具體實例僅僅是用于說明的目的，而不是意圖限制本發(fā)明的范圍。
本文所描述的附圖僅僅是用于說明的目的，而不是意圖以任何方式限制本發(fā)明的范圍。圖1是根據本發(fā)明教示的發(fā)動機系統(tǒng)的框圖；圖2是根據本發(fā)明教示的渦輪增壓器控制模塊的框圖；圖3是高壓渦輪增壓器的示例性渦輪效率圖；圖4是示例性的最大渦輪效率方程式的圖；以及圖5是根據本發(fā)明教示的控制渦輪增壓器系統(tǒng)的方法的流程圖。
具體實施例方式以下描述在性質上僅僅是示例性的，而不是意圖限制本發(fā)明、其應用或者用途。應 當理解的是，在全部的附圖中相應的附圖標記表示相同或者相應的部件和特征。如本文中所使用的那樣，術語“模塊”指的是專用集成電路(ASIC)、電子電路、執(zhí)行 一個或多個軟件程序或固件程序的處理器(共享的、專用的、或成組的)和存儲器、組合邏 輯電路、和/或提供所述功能的其他合適部件。在從雙渦輪模式向單渦輪模式轉換期間，本發(fā)明的渦輪增壓器控制系統(tǒng)通過保持 最大渦輪效率來改善二級渦輪增壓器系統(tǒng)的瞬態(tài)性能。最大渦輪效率是通過控制旁通閥和 經過高壓渦輪增壓器的渦輪的體積流率來保持的。參見圖1，發(fā)動機系統(tǒng)10包括發(fā)動機12、進氣歧管14、和排氣歧管16。發(fā)動機12 可以是柴油發(fā)動機并且包括多個汽缸18。雖然圖示有八個汽缸18，但發(fā)動機12可以包括 任意數(shù)量的汽缸18，其數(shù)量包括但不限于2、4、5、6、10和12。任選地，可以將節(jié)氣門20設 置在進氣歧管14的上游。空氣可以經節(jié)氣門20被吸入進氣歧管14，進氣歧管14將空氣分 配至汽缸18中。當未設置節(jié)氣門20時，空氣可以直接被吸入進氣歧管14中。共軌燃料噴 射系統(tǒng)(未圖示)可以將燃料噴射至汽缸18中，從而在汽缸18中產生空氣/燃料混合物。 汽缸18的熱量可以點燃空氣/燃料混合物從而導致空氣/燃料混合物的燃燒?？諝?燃 料混合物的燃燒產生燃燒力以驅動活塞(未圖示)，而活塞則驅動曲軸(未圖示)旋轉。廢 氣從汽缸18中排出，經排氣歧管16進入排氣系統(tǒng)(未圖示)。二級渦輪增壓器系統(tǒng)22可以與節(jié)氣門20和排氣歧管16連通，以提供對用于再循 環(huán)的廢氣的最佳控制并且增加(即，增壓)質量空氣壓力(MAP)。當未設置節(jié)氣門20時， 二級渦輪增壓器系統(tǒng)22可以與進氣歧管14和排氣歧管16連通。二級渦輪增壓器系統(tǒng)22包括以串聯(lián)方式相連的高壓渦輪增壓器M和低壓渦輪增壓器26。相對于廢氣流的方向， 將高壓渦輪增壓器M設置在低壓渦輪增壓器26的上游。高壓渦輪增壓器M包括經由共 用軸30相連的高壓渦輪27和高壓壓縮器28。低壓渦輪增壓器沈包括經由共用軸36相 連的低壓渦輪32和低壓壓縮器34。旁通閥38被設置在高壓渦輪增壓器M的高壓渦輪27 一側。設置另一個旁通閥39從而旁路繞過高壓渦輪增壓器M的高壓壓縮器28。二級渦輪增壓器系統(tǒng)22可以在雙渦輪模式和單渦輪模式下運行。在雙渦輪模式 下，廢氣流經高壓渦輪增壓器M和低壓渦輪增壓器26。進氣經受較高程度的壓縮，從而導 致質量空氣壓力(MAP)的較高程度的增壓。在單渦輪模式下，旁通閥38是打開的，并且廢 氣繞過高壓渦輪增壓器對。高壓渦輪增壓器M變得不起作用。更具體地，當發(fā)動機12處于穩(wěn)態(tài)狀態(tài)并在相對較高的發(fā)動機轉速和扭矩下運行 時，或者當發(fā)動機12在“急劇加速(hard acceleration)”時，可以使高壓渦輪增壓器M的 軸轉速增加至接近設計極限。“急劇加速”指的是在加速期間將大量的負荷施加在發(fā)動機 12上的情形。為了降低高壓渦輪增壓器M的軸轉速，減小跨高壓渦輪增壓器M的排氣壓 力。通過打開旁通閥38以允許廢氣繞過高壓渦輪增壓器M并流經旁通閥38，來降低排氣 壓力。當廢氣流繞過高壓渦輪增壓器M時，高壓渦輪增壓器M變得不起作用。這樣，渦輪 增壓器系統(tǒng)22就轉換為“單渦輪模式?！备邏簻u輪增壓器M例如可以是可變幾何渦輪增壓器(VGT) 24并且可以包括在渦 輪27中的可變入口導向葉片(未圖示)。當改變入口導向葉片的位置(即，可變幾何渦輪 增壓器的位置)時，可變幾何渦輪增壓器M的幾何構造發(fā)生改變，因此經過可變幾何渦輪 增壓器M的渦輪27的體積流率也發(fā)生改變。在下文中，將可變幾何渦輪增壓器M用作高 壓渦輪增壓器。但是，要理解并且認識到的是，如果可以調整經過高壓渦輪增壓器的體積流 率，則也可以使用除可變幾何渦輪增壓器以外的任意類型的渦輪增壓器。低壓渦輪增壓器沈例如可以是帶有內部廢氣門(未圖示)的渦輪增壓器。該廢 氣門設置在低壓渦輪32—側。當廢氣門打開時，過剩的廢氣流入排氣系統(tǒng)(未圖示)以減 小增壓壓力(即，歧管空氣壓力)。通常，增壓壓力與發(fā)動機轉速成比例。當在給定的發(fā)動 機轉速下增壓壓力超過閾值壓力時，可以將廢氣門打開以減小增壓壓力，從而保護發(fā)動機 12和渦輪增壓器以免受到損壞?？刂颇K60與多個傳感器進行通信，并根據來自該多個傳感器的信號控制發(fā)動 機工作。所述多個傳感器包括但不限于歧管空氣壓力(MAP)傳感器42、質量空氣流量 (MAF)傳感器44、發(fā)動機轉速傳感器46、和可變幾何渦輪增壓器位置傳感器M。歧管空氣 壓力傳感器42測定歧管空氣壓力。質量空氣流量傳感器44測定進入進氣歧管14中的質 量空氣流量。發(fā)動機轉速傳感器46測定發(fā)動機轉速(RPM)?？勺儙缀螠u輪增壓器位置傳感 器M設置在高壓渦輪27處，并且測定高壓渦輪27的可變幾何渦輪增壓器位置。控制模塊60可以包括控制二級渦輪增壓器系統(tǒng)22的運行的渦輪增壓器控制模塊 61。當渦輪增壓器系統(tǒng)22從雙渦輪模式轉換為單渦輪模式時，渦輪增壓器控制模塊61將 渦輪效率保持在預定的渦輪效率。預定的渦輪效率是在可變幾何渦輪增壓器位置和壓力比 下的最大渦輪效率。因此，改善了渦輪增壓器系統(tǒng)22的瞬態(tài)性能?，F(xiàn)在參見圖2，渦輪增壓器控制模塊61包括渦輪模式確定模塊62、可變幾何渦輪 增壓器控制模塊64、可變幾何渦輪增壓器位置確定模塊66、壓力比確定模塊68、轉換控制模塊70、和旁通閥控制模塊72。渦輪模式確定模塊62根據發(fā)動機扭矩和發(fā)動機轉速來確定期望渦輪模式。例如， 當發(fā)動機轉速等于或大于閾值轉速時，渦輪模式確定模塊62可以確定單渦輪模式。高壓渦 輪增壓器M在雙渦輪模式下起作用而在單渦輪模式下則不起作用。當期望渦輪模式與當 前的渦輪模式不同時，渦輪模式確定模塊62確定轉換。當希望從雙渦輪模式轉換到單渦輪 模式時，會打開旁通閥38。廢氣繞過高壓渦輪增壓器M并且僅驅動低壓渦輪32。高壓渦 輪增壓器M變得不起作用。因此，當旁通閥38打開時，發(fā)動機扭矩和歧管空氣壓力開始下 降。在轉換期間，轉換控制模塊70控制渦輪增壓器系統(tǒng)22以改善瞬態(tài)性能?？勺儙缀螠u輪增壓器位置確定模塊66確定渦輪增壓器系統(tǒng)22的可變幾何渦輪增 壓器位置?？勺儙缀螠u輪增壓器位置確定了廢氣經過可變幾何渦輪增壓器M的渦輪27的 體積流率?？勺儙缀螠u輪增壓器位置確定模塊66可以根據來自可變幾何渦輪增壓器傳感 器M的信號來確定當前的可變幾何渦輪增壓器位置(即，第一可變幾何渦輪增壓器位置)。 可替代地，可變幾何渦輪增壓器位置確定模塊66可以根據由可變幾何渦輪增壓器控制模 塊64發(fā)送至可變幾何渦輪增壓器M的指令信號(如用虛線所表示)來確定當前的可變幾 何渦輪增壓器位置。壓力比確定模塊68確定跨高壓渦輪增壓器M的渦輪27的壓力比。該壓力比的定 義是渦輪入口壓力與渦輪出口壓力的比率。壓力比確定模塊68可以包括渦輪圖(turbine map)，該渦輪圖包括了在壓力比、經過渦輪的廢氣流率、和可變幾何渦輪增壓器(葉片)位 置之間的相關性。該壓力比是廢氣流率和可變幾何渦輪增壓器位置的函數(shù)。壓力比確定模 塊68根據廢氣流率和可變幾何渦輪增壓器位置來確定該壓力比。轉換控制模塊70包括壓力比比較模塊74、渦輪效率圖76、和最大渦輪效率曲線 78。在轉換期間，轉換控制模塊70確定要被控制的最大渦輪效率。在轉換期間，根據給定 的可變幾何渦輪增壓器位置和給定的壓力比來確定最大渦輪效率。參見圖3，渦輪效率圖76包括在壓力比、可變幾何渦輪增壓器位置、和渦輪效率 之間的關系?？勺儙缀螠u輪增壓器位置可以描述為可變幾何渦輪增壓器M的閉合的百分 率。例如，當可變幾何渦輪增壓器M完全閉合時，可變幾何渦輪增壓器位置可以被認定 為100%。當可變幾何渦輪增壓器M完全打開時，可變幾何渦輪增壓器位置可以被認定為 0%?？梢愿鶕u輪效率圖、可變幾何渦輪增壓器位置、和壓力比來確定渦輪效率。最大渦 輪效率是可變幾何渦輪增壓器位置與壓力比的每種組合下的最大可得效率，如最大渦輪效 率曲線所顯示的那樣。參見圖4，轉換控制模塊70對最大渦輪效率曲線執(zhí)行坐標變換，從而在分別使用 壓力比(Pr)和可變幾何渦輪增壓器位置(VGTP。S)作為X-軸和Y-軸的笛卡兒坐標上獲得 最大渦輪效率曲線。在整個轉換過程中，壓力比和可變幾何渦輪增壓器位置滿足預定的關 系，即最大渦輪效率方程式。換句話說，當壓力比和可變幾何渦輪增壓器位置滿足最大渦輪 效率方程式時，在整個轉換過程中高壓渦輪增壓器M在給定的可變幾何渦輪增壓器位置 和給定的壓力比下產生最大渦輪效率。在整個轉換過程中，當高壓渦輪增壓器M在任意 給定的可變幾何渦輪增壓器位置和壓力比下產生最大可得渦輪效率時，渦輪增壓器系統(tǒng)22 提供從雙渦輪模式向單渦輪模式的平滑轉換。在整個轉換過程中，最大渦輪效率可以取決 于可變幾何渦輪增壓器位置和壓力比而變化。
壓力比與可變幾何渦輪增壓器位置之間的預定關系(即，最大渦輪效率方程式) 會隨著渦輪增壓器系統(tǒng)的結構而變化。僅為了說明的目的，可以將用于一種具體渦輪增壓 器系統(tǒng)設計的最大渦輪效率方程式描述為如下
權利要求
1.一種用于高壓渦輪增壓器和低壓渦輪增壓器的渦輪增壓器控制系統(tǒng)，包括渦輪模式確定模塊，其確定從雙渦輪模式向單渦輪模式的轉換，其中所述高壓渦輪增 壓器在所述雙渦輪模式下起作用而在所述單渦輪模式下則不起作用；以及轉換控制模塊，其在所述轉換期間確定所述高壓渦輪增壓器的期望渦輪效率，并且在 所述轉換期間根據所述期望渦輪效率來控制所述高壓渦輪增壓器。
2.如權利要求1所述的渦輪增壓器控制系統(tǒng)，其特征在于，所述高壓渦輪增壓器是可 變幾何渦輪增壓器。
3.如權利要求2所述的渦輪增壓器控制系統(tǒng)，其特征在于，所述期望渦輪效率是基于 可變幾何渦輪增壓器位置和壓力比的最大渦輪效率。
4.如權利要求3所述的渦輪增壓器控制系統(tǒng)，其特征在于，所述最大渦輪效率隨著所 述可變幾何渦輪增壓器位置和所述壓力比而變化。
5.如權利要求3所述的渦輪增壓器控制系統(tǒng)，其特征在于，所述壓力比是根據通過所 述渦輪的廢氣流率和所述可變幾何渦輪增壓器位置來確定的。
6.如權利要求3所述的渦輪增壓器控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括旁通閥控制模塊， 其當所述壓力比超過閾值壓力比時打開旁通閥。
7.如權利要求6所述的渦輪增壓器控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括壓力比確定模塊， 其在所述旁通閥打開后確定第二壓力比。
8.如權利要求7所述的渦輪增壓器控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括可變幾何渦輪增 壓器位置確定模塊，其根據所述第二壓力比和渦輪效率來確定第二可變幾何渦輪增壓器位 置。
9.如權利要求8所述的渦輪增壓器控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括可變幾何渦輪增壓 器控制模塊，其根據所述第二可變幾何渦輪增壓器位置來控制所述可變幾何渦輪增壓器。
10.如權利要求9所述的渦輪增壓器控制系統(tǒng)，其特征在于，所述第二可變幾何渦輪增 壓器位置和所述第二壓力比滿足最大渦輪效率方程式。 全文摘要
本發(fā)明涉及渦輪增壓器控制系統(tǒng)和改善瞬態(tài)性能的方法。具體地，提供了一種用于高壓渦輪增壓器和低壓渦輪增壓器的渦輪增壓器控制系統(tǒng)，該渦輪增壓器控制系統(tǒng)包括渦輪模式確定模塊和轉換控制模塊。渦輪模式確定模塊確定從雙渦輪模式向單渦輪模式的轉換。高壓渦輪增壓器在雙渦輪模式下起作用而在單渦輪模式下則不起作用。在轉換期間，轉換控制模塊確定高壓渦輪增壓器的渦輪效率并且根據預定的最大渦輪效率方程式來控制高壓渦輪增壓器。
文檔編號F02B37/12GK102042080SQ20101052093
公開日2011年5月4日 申請日期2010年10月22日 優(yōu)先權日2009年10月23日
發(fā)明者D·R·邁爾, P·葛 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司