具有可调节压缩机旁通量的涡轮增压发动机的控制操作的制作方法

专利名称：具有可调节压缩机旁通量的涡轮增压发动机的控制操作的制作方法
技术领域：
本发明涉及操作具有涡轮增压器和高压BGR系统的发动机的方法和系统。
技术背景通过增加流进排放控制系统的排放物的温度可以改进稀燃内燃发动机中的排放 控制系统的效率。例如，提高排气温度可以改进稀N0x捕集器(LNT)的吸收率，进而 可以减少车辆的尾管排放。通过加入排气再循环(EGR)系统可以提高排放物的温度， 进而可以使发动机排放物的一部分再循环到发动机进气通道。例如，使用较高EGR流 率的燃烧系统可以出现较低燃烧温度和较高排气温度。在涡轮增压柴油发动机中，节流新鲜进气，同时引入加热加压的再循环排气到发 动机进气歧管可以用来增加排气温度。然而，这种操作还可以造成压缩机失速或喘振。 通过压缩机的低质量流率，结合压縮机的高压力比可以在压缩机内部产生流动不稳定 性。所产生的"压缩机喘振"可以造成涡轮增压器的损坏，压缩机输出的空气流量的 波动会影响空燃比，进而最终影响发动机的燃烧稳定性。发明内容在一个示例中，通过操作具有连接到涡轮增压器的节气门的发动机上的压缩机再 循环阀的方法可以解决上述问题。发动机包括使冷却和未冷却的排气从排气中的涡轮 增压器的涡轮的上游到进气中的涡轮增压器的压缩机的下游再循环的高压排气再循 环(EGR)系统。压縮机可以包括具有连接有压缩机旁通阀的再循环通道。该方法可 以包括在第一发动机空气流量工况下输送至少一些高压未冷却的EGR流到压缩机的下游的进气中，操作节气门在第一 节流量，操作压缩机旁通闽在第一旁通量以增加排气温度；及在高于第一发动机空气流量的第二发动机空气流量工况下输送至少一些高压冷却的EGR流到压縮机的下游的进气中，操作节气门在大于第 一节流量的第二节流量，操作压缩机旁通阀在小于第一旁通量的第二旁通量。例如，在第一发动机空气流量工况下，通过在压缩机的入口使空气再循环通过压 缩机，即使再循环的空气不通过发动机，压缩机仍然泵送空气。这种操作因此不会进 一步增加进气歧管压力，从而减少喘振的可能性。另外，通过泵送附加空气，可以增 加压缩机流量，还降低喘振的可能性。此外，使空气再循环通过压缩机还有助于保持 涡轮上的负载，因此保持足够的涡轮入口压力以泵送高压EGR流到进气中，进而使排 化剂的活性。在另一个示例中，通过在第一发动机空气流量工况下调节进气节流，可能提供足 够的压力差以便可以实现EGR流增加和/或近化学计量比燃烧以增加排气温度。还在另一个示例中，通过在第二发动机空气流量工况调节搡作，在期望时可以实 现高发动机效率和发动机输出。以此方式，在高空气流量操作和低空气流量操作期间 可以改进整体发动机操作。进入压縮机入口的可调节的空气再循环可以用来解决主要在使用较高未冷却的 EGR流的较低空气流量上发生的喘振问题。


图1示出根据本发明的实施例的简化的涡轮增压柴油发动机10; 图2-图3示出示例高级流程图和描述示例操作的示意图； 图4示出示例处理的压缩机性能数据。
具体实施方式
发动机10可以包括具有压缩机162的涡轮增压器160,压缩机162可以从空气过 滤器42接收进气并排出增压空气到进气通道44中。压缩机162可以通过轴连接到涡 轮164,轴使涡轮164的运动传递到压縮机162。压缩机162可以流体连通地连接到 再循环回路168,再循环回路168可以绕过从空气过滤器42输送流量到进气通道44 的压缩机。再循环回路168可以包括旁通阀166。旁通阀166可以通过控制器12控 制以控制在压缩机出口和压缩机入口之间的再循环的空气流率。涡轮164可以包括可变几何涡轮，其中在发动机操作期间通过控制器12可以调 节涡轮的几何特性。替代地或附加地，可以使用可调节的废气门150以便控制器12 基于发动机的工况调节绕过涡轮的排气的量。此外，排放控制装置180可以连接到涡 轮164的下游。排放控制装置可以包括微粒过滤器、NOx捕集器、NOx催化剂、尿素 SCR催化剂、或各种其他构件或其中的组合。进气通道44可以流体连通地连接到排气再循环(EGR)回路172， EGR回路172 可以与涡轮164的上游的排气通道48连通。EGR回路172可以包括热传递装置174。 热传递装置174可以是热交换器，如EGR冷却器。EGR回路172还可以包括催化剂173， 如氧化催化剂或各种其他的EGR催化剂类型，或其组合。EGR回路172还可以与控制 阀176连通，可以操作控制阀176以控制通过EGR回路172的排气流率。通过控制器 12可以控制控制阀176以控制通过EGR回路172的排气流率。此外，还可以包括EGR 旁通阀178用于绕过热交换器装置174输送排气到进气通道中。虽然未在图1示出，但该系统可以包括用于输送喷射的燃料到发动机的汽缸的高 压柴油燃料喷射系统。例如该系统可以是共轨系统，以便可以基于发动机搡作调节喷 射正时。进气歧管42可以包括具有节流板(未示出)的节气门62。在该具体的示例中， 经提供到节气门62包括的电动马达或执行器的信号通过控制器12可以改变节流板的位置，该配置通常称为电子节气门控制。控制系统可以包括控制器12,如图l所示为微计算机，包括微处理器单元、输 入/输出端口、用于只读存储器芯片中可执行程序和校准值的电子存储媒体、随机存 取存储器、保活存储器、及数据总线。除了上述那些信号之外，控制器12还接收来 自连接到发动机10的传感器190的各种信号，包括来自质量空气流量传感器的引 入的质量空气流量(MAF)的测量值；发动机冷却剂温度(ECT);发动机转速；来自 节气门位置传感器的节气门位置TP;及来自歧管压力传感器的歧管绝对压力(MAP)。 控制器12还可以包含响应于来自连接发动机10的各种传感器接收的信号或各种信号 的组合操作各种装置的存储的控制算法。最后，控制器12可以发送各种信号到发动 机10中的执行器192,如阀166、 176、 178、 62,及其他等。如本文进一步所述，控制系统可以基于各种工况控制发动机搡作以提供各种操 作，如图2-图3所示。现具体参考图2,示意图示出当排气温度过低时(210)对于较高空气流量(212) 和较低空气流量进行不同的操作，同时考虑与压縮机喘振相关的问题。具体地，示意 图示出进气节气门62如何可以用来限制用于化学计量比或浓空燃比燃烧的空气流 量，同时可以调节阀176和阀178以提供通过EGR催化剂的未冷却的高压EGR流升高 进气温度和因此的排气温度。例如，这种操作可以快速地增加排气温度，从而对受排 气温度影响的排气催化剂效率产生明显的影响。然而，较高进气限制(由于进气节流)结合较高进气歧管温度可以促使在较低流 率的高压縮机压力比-压缩机喘振的理想工况。这种喘振操作可以增加NVH、燃烧稳 定性及涡轮增压器高循环疲劳劣化。通过图2所示的搡作的各种特征可以至少部分地解决这种问题。例如，为解决当 在低空气流量提供EGR流时(例如当增加排气温度时)的喘振，协同节气门和一个或 多个EGR阀调节，可以使用压缩机旁通阀166的调节。可以调节阀166以将空气的部 分从压缩机出口输送回到压缩机进口以便压缩机达到其应该具有的较低压力比，同时 仍然提供较高质量流量到压缩机和较高的涡轮转速。这种操作移出喘振线。另外由于 在压缩机一侧上的较低的负载，这种搡作在涡轮164两端产生较低的温度降，从而进 一步增加涡轮输出气体温度。此外，这种操作在涡轮和压缩机之间提供足够的压力差 以泵送期望的高压EGR流。另外，在瞬态踩加速器踏板操作期间，可以开启节气门62,关闭闽166(阀178 和阀176也可以关闭)，以便较高的涡轮增压器速度产生输入到歧管中的附加新鲜空 气用于促进加速。此外，在较髙流量或踩加速器踏板工况期间，可以关闭压縮机旁通
阀以在踩加速器踏板工况期间实现较高EGR流量或快速歧管充填。这种操作因此能够减少涡轮迟滞以及歧管充填延迟以便在瞬态工况期间具有足够的空气，从而增加的燃 料喷射能够以减少的排烟快速地输送所要求的扭矩。具体地，在210，示出各种示例操作，但注意还可以使用附加的操作。这些包括 增加压缩机旁通阀166开启量(因此增加从压缩机出口到压缩机入口的空气再循环)减少节流阀开启量(因此减少通过节气门62的空气流量) 增加(冷却和/或未冷却)高压EGR流量；和/或 提前燃料喷射正时。通过增加发动机泵功、减少空燃比、及增加EGR流量，减少的节气门开启可以用 来增加排气温度。此外，通过增加阀176和阀178中的一个或两个的开启可以增加 EGR流量。在一个具体的示例中，通过提供更多的未冷却的EGR流可以增加排气温度， 进一步增加的EGR流量可以用来补偿未冷却的EGR流的NOx影响。此外，基于期望的 排气温度和/或其他的工况可以调节冷却和未冷却的EGR流的相对量。此外，当出现 压縮机喘振工况时，可以调节旁通阀166以去除操作中的喘振。最后，提前的和较大 的预喷射可以用来提供补偿较高的泵功和不完全燃烧造成的发动机燃烧效率损耗的 低温燃烧。另一方面，在212希望较高的空气流量，示出替代的操作，(再次注意可以使用 附加的操作)。这些包括减少压缩机旁通阀166开启量，包括关闭(减少或关闭从压缩机出口到压缩机入 口的空气再循环)增加节流阀开启量减少未冷却的高压EGR流量(但取决于工况，选择地可以使用较高的整体EGR流 量，如增加冷却的EGR流量)；和/或较少提前和/或较多迟滞的燃料喷射正时。减少压缩机旁通和增加节气门开启量可以实现用于较高发动机输出的高EGR流量 (主要为冷却的EGR流)和较高的空气流量。较高的发动机流量工况包括稳态高流量 以及从低流量到高流量的切换，如在踩加速器踏板和/或从怠速到车辆起步加速工况 下。图3的高级流程图示出控制内燃发动机的性能的方法，描述响应于发动机操作， 操作进气节气门、压缩机旁通阀、EGR控制阀、和/或燃料喷射参数的示例例程。首先，在310,例程读出操作参数，如排气温度、发动机转速、空气流量、驾驶 员要求、及各种其他参数。然后，在314,例程确定是否具有踩加速器踏板瞬态工况, 如在从较低车辆速度到车辆起步加速期间从怠速到踩加速器踏板时。若为否，例程继 续到316以确定排气温度是否小于最小阈值(例如过低)，该最小阈值可以低于排放
控制装置180的催化剂活化温度。当排气温度过低时，例程继续到318以关闭EGR阀176 (例如减少阀开启量，或 完全关闭阀)，和开启EGR冷却器旁通阀178 (例如增加阀的开启量，或从关闭位置 开启阀)。在一个示例中，通过调节阀176和阀178两者调节冷却和未冷却的EGR流 的相对量，例程可以调节输入到进气通道的整体的EGR量和结合的EGR温度。例如， 若期望最高温度的EGR流，通过阀178的流量可以满足期望的整体EGR流量，可以完 全地关闭阀176。然而，若期望的EGR流温度低于未冷却的EGR流的温度，可以提供 来自阀176和阀178两者的流量等等。若涡轮输出温度满足后处理的功能，则不需要EGR冷却器旁通，在330， EGR阀 和进气节气门可以用来调节所要求的EGR率。接下来，在320，例程确定压缩机是否接近喘振工况。例如，如图4所述，例程 可以监测压缩机压力比和通过压缩机的整体流量。在一个示例中，例程可以监测压缩 机流量(通过MAF传感器标示)降低到低于阈值水平，和/或压缩机两端的压力差是 否升高到高于阈值水平。若为是，例程继续到322响应于接近喘振工况调节旁通阀 166。例如，响应于这种工况可以开启(或进一步开启)阀166。或者，当314的回答为是，例程继续到324。在324,例程关闭EGR旁通阀178 并调节阀176以提供期望的EGR流量(该期望的EGR流量相比较于在较低空气流量工 况期间的整体EGR流量可以较高或较低)。虽然该示例在较高空气流量操作期间基本 上仅使用冷却的EGR流，但也可以使用冷却或未冷却的EGR流两者。此外，在选择的 工况下，如响应于瞬态踩加速器踏板例程可以不提供EGR流。然后，在326，例程关 闭压縮机旁通阀166(例如减少压缩机旁通阀166开启量，和/或将其移到关闭位置)， 及开启进气节气门62。以此方式，在稳定较高空气流量工况下可能启用较高EGR流量以实现期望的发动 机效率和排放目标。然而，还可能启用压缩机旁通阀操作，同时避免瞬态踩加速器踏 板反应劣化。在一个示例中，如本文所述，以节流的进气、EGR、及再循环进气操作 来避免压缩机喘振的涡轮增压发动机的负载和未负载期间会出现各种瞬态问题。具体 地，在这种操作期间，由于到发动机的新鲜空气的可用量减少结合通过使到压缩机的 入口的进气的部分再循环产生的增压的减少，响应于发动机上的较高的负载的需求具 有不期望的延迟。因此，如图3所示，例如，增加发动机动力同时减少压缩机空气再 循环的协调响应使来自旋转的涡轮增压器的可用的新鲜的空气能够用于扭矩产生。图4示出压缩机的示例压力对质量流率的关系。图示描述压缩机的操作窗口，该 操作窗口由右边纵轴、底部横轴、及表示压縮机喘振阈值的曲线界定，并包括压缩机 效率轮廓线(阴影区域表示)及压缩机转速等值线(通过黑色实线表示)。例如，在图4中A点表示的压缩机操作工况具有减少的压缩机转速6272 RPM/KA0.5、减少的质量流率0. 018 kg/s-KA0. 5/kPa、及约1.8的压力比。期望降低
进入到发动机的新鲜空气的质量空气流率。在该示例中，当通过压缩机的空气质量流 率减少到0.013 kg/s-r0.5/kPa，压缩机转速保持不变(B点表示的工况)，压縮机 操作在喘振阈值可能并经受喘振(如图所示，具有未冷却的EGR流的怠速操作可以是 在喘振阈值上或超过喘振阈值)。-然而，例如通过降低压缩机两端的压力比和/或增加通过压缩机的质量流率可以 解决潜在的压缩机喘振。C点表示的工况提供如何通过增加压缩机的出口和入口之间 的再循环管路的空气流量解决潜在的压缩机喘振的示例。例如，期望从新鲜进气中引 入0. 013 kg/s-KA0. 5/kPa，确立0.002 kg/s-KA0. 5/kPa的再循环回路流率，并将压 缩机转速从6272 RPM/KA0. 5减少到5197 RPM/KA0. 5,以保持压缩机效率出现在工况 A。移到工况C将压缩机两端的压力比减少到约1.5,而不用改变引入到新鲜进气的 新鲜空气量，同时将压缩机工况移出喘振阈值。此外，具有压缩机再循环的示例怠速 操作如图所示在喘振阈值的之内。在压缩机连接在涡轮增压器中的情况下，期望在压缩机两端具有较低压力比以减 少涡轮上的负载，进而在涡轮两端产生较少的排气温度降。例如， 一些排放控制装置， 如处理催化剂或稀NOx捕集器可以部分地取决于在进入的排气流中具有的能量以实 现转化反应激活或实现更大的转化效率。或者，当期望将压缩机转速保持在6272 RPM/KA0. 5时，，确立0.005 kg/s-KA0. 5/kPa的再循环回路流率有效地将压缩机工 况移回到A点，同时保持0.013 kg/s-KA0.5/kPa的新鲜进气质量流率。例如，当压 缩机马达从较低转速加速到期望的较高转速时，期望保持压缩机转速以避免增压产生 的延迟(有时称为"涡轮迟滞")。应理解，在本文中公开的配置和例程本质上是示例性的，且这些具体实施例不应 被视为具有限制意义，因为大量的变体是可能的。本发明的主题包括在本文中公开的 各种系统和配置，及其他特征、功能，和/或属性的所有新颖和非易见的组合及子组 合。本发明的权利要求特别指出视为新颖和非显而易见的特定组合及子组合。这些权 利要求可能引用"一个"元素或"第一"元素或其等价。这样的权利要求应被理解为 包括对一个或一个以上这样的元素的结合，而不是要求或排除两个或两个以上这样的 元素。所公开的特征、功能、元素和/或属性的其他组合及子组合可以通过本发明权 利要求的修改或通过在本申请或相关申请中提出新的权利要求来请求保护。这样的权 利要求，无论是在范围上比原始权利要求更宽、更窄、等价或不同，都应被视为包括 在本发明的主题之内。
权利要求
1. 一种操作连接到涡轮增压器的发动机的方法，所述发动机具有使冷却和未冷却的排气从排气中的涡轮增压器的涡轮的上游到进气中的涡轮增压器的压缩机的下游再循环的高压排气再循环(EGR)系统，所述压缩机包括具有连接有压缩机旁通阀的再循环通道，发动机进气还具有节气门，所述方法包括在第一发动机空气流量工况下输送至少一些高压未冷却的EGR流到所述压缩机的下游的进气中，操作节气门在第一节流量，操作压缩机旁通阀在第一旁通量以增加排气温度；及在高于第一发动机空气流量的第二发动机空气流量工况下输送至少一些高压冷却的EGR流到压缩机的下游的进气中，操作节气门在大于第一节流量的第二节流量，操作压缩机旁通阀在小于所述第一旁通量的第二旁通量。
2. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，响应于驾驶员踩加速器踏板提供所 述第二发动机空气流量工况。
3. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，还包括在所述第一发动机空气流量 工况期间调节燃料喷射正时以提前将燃料输送到所述发动机。
4. 如权利要求l所述的方法，所述高压排气再循环还包括EGR冷却器，其特征 在于，还包括绕过所述EGR系统中的所述EGR冷却器的未冷却的EGR流。
5. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在所述第二发动机空气流量 工况期间输送至少一些冷却的EGR流而没有未冷却的EGR流。
6. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，在所述第一发动机空气流量工况期 间比所述第二发动机空气流量工况期间输送更多的未冷却的EGR流。
7. —种搡作连接到涡轮增压器的发动机的方法，所述发动机具有使排气从排气 中的涡轮增压器的涡轮的上游到进气中的涡轮增压器的压縮机的下游再循环的高压 排气再循环系统，所述压缩机包括具有连接有压缩机旁通阀的再循环通道，发动机进 气还具有节气门，所述方法包括在第一低发动机空气流量工况下输送至少一些高压EGR流到进气中，操作节气门 在第一节气门开启量，操作压缩机旁通阀在第一旁通开启量以增加排气温度，并减少 压縮机喘振，同时保持涡轮增压器转速；及 权利要求书第2/2页响应于驾驶员踩加速器踏板，减少压縮机旁通阀开启量，增加节气门开启量。
8. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括响应于所述驾驶员踩加速器 踏板减少高压未冷却的EGR流量。
9. 一种用于包括具有进气和排气的内燃发动机的车辆的系统，包括 具有在发动机进气中的压縮机和在发动机排气中的涡轮的涡轮增压器； 使排气从涡轮的上游到压缩机的下游再循环的高压排气再循环(EGR)系统，EGR系统包括用于输送由旁通EGR闽控制的未冷却的EGR流的第一通道和用于输送具有冷 却器且通过EGR阀控制的冷却的EGR流的第二通道，所述EGR系统还具有EGR催化剂；连接在涡轮增压器的压缩机周围的具有可调节再循环阀的再循环通道；连接在发动机进气中的节气门；控制系统，当催化剂温度低于阈值时所述控制系统用于输送比高压冷却的EGR流 更多的高压未冷却的EGR流通过EGR催化剂，然后进入到发动机进气.，节流进气，经 所述再循环通道在压缩机周围使至少一些空气旁通，及响应于踩加速器踏板，减少进 气节流，并减少压缩机旁通量。
全文摘要
本发明涉及具有可调节压缩机旁通量的涡轮增压发动机的控制操作。提供操作具有涡轮增压器和高压EGR系统的发动机的方法。在一个示例中，涡轮增压器的压缩机包括具有连接有压缩机旁通阀的再循环通道。该方法包括在第一发动机空气流量工况下输送至少一些高压未冷却的EGR到压缩机的下游的进气，操作节气门在第一节流量，操作压缩机旁通阀在第一旁通量以增加排气温度；及在高于所述第一发动机空气流量的第二发动机空气流量工况下输送至少一些高压冷却的EGR到压缩机的下游的进气中，操作节气门在大于第一节流量的第二节流量，及操作压缩机旁通阀在小于第一旁通量的第二旁通量。
文档编号F02M25/07GK101397953SQ20081014904
公开日2009年4月1日 申请日期2008年9月18日 优先权日2007年9月25日
发明者孙惠民 申请人:福特环球技术公司