專利名稱：減少喘振的系統(tǒng)和方法
技術領域：
本發(fā)明總體上涉及柴油驅動內燃機的控制，特別是涉及消除渦輪增壓柴油發(fā)動機釋放加速器的喘振的系統(tǒng)和方法。
背景技術：
發(fā)動機可以使用渦輪增壓器來提高發(fā)動機的轉矩/功率輸出密度。在一個示例中，渦輪增壓器可以包括由共同軸連接的壓縮機和渦輪，其中渦輪與排氣歧管側連接，而壓縮機與進氣歧管側相連。通過這種方式，排氣驅動的渦輪向壓縮機提供動力，來增強進入發(fā)動機的空氣流。
在某些條件下，渦輪增壓柴油發(fā)動機會產(chǎn)生稱為“喘振”的現(xiàn)象。例如，在駕駛員緊急釋放加速器期間，發(fā)動機會減速，而渦輪增壓器在逐漸減速之前還會繼續(xù)旋轉一段時間。此延遲至少部分地是由于慣性和繼續(xù)來自排氣渦輪的功率輸入造成的。發(fā)動機減速導致通過發(fā)動機的空氣流持續(xù)減少。此外，渦輪增壓器的持續(xù)運轉會導致壓縮機出口或進氣歧管側的壓力急劇增大，而渦輪或排氣歧管側的壓力急劇減小/排空。當通過壓縮機的順流由于壓縮機中的壓力增大而不能維持下去，并發(fā)生瞬間回流時，壓縮機喘振就可能發(fā)生。一旦發(fā)生喘振，回流就會減小排出壓力或增大吸入壓力，這樣使順流再次恢復，直至壓力再次增大到喘振點。這種氣流不穩(wěn)和所產(chǎn)生的噪聲可以稱為“喘振”。
美國專利6,725,660號公開了一種處理喘振的方法。在’660參考文檔中，暫時增大位于渦輪入口前面的噴嘴葉片的開口的控制動作在減速后立即執(zhí)行。據(jù)其所述，沖擊渦輪的排氣流速驟然降低，從而產(chǎn)生類似于對渦輪應用制動力的狀態(tài)。此制動力被用于驟然降低渦輪和壓縮機的轉速。結果，壓縮機壓力比會降低，從而可以防止喘振。
然而，本申請的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，該方法在某些條件下可能產(chǎn)生劣化的結果，并且仍然會導致喘振。例如，在某些條件下，可能使用高水平的EGR來減少NOx排放。而由于渦輪增壓器通常匹配于滿足接近喘振線的低發(fā)動機轉速和滿負載轉矩需求，較高的EGR標準即使在穩(wěn)定狀態(tài)也會把發(fā)動機呼吸線推得更加靠近喘振線。發(fā)動機在緊急釋放加速器時，發(fā)動機減速，而渦輪增壓器由于其慣性和來自渦輪的持續(xù)功率輸出，會在逐漸減速之前繼續(xù)旋轉。因此，即使增加了對渦輪的制動，但壓縮機出口側的壓力不會釋放到足夠低的水平來防止壓縮機喘振。
美國專利申請2004/0244375號公開了另一種嘗試防止喘振的方法?！?75參考文檔展示了一種進氣釋放方法，打開EGR閥，并使出現(xiàn)在進氣道中的部分進氣經(jīng)由EGR通道流入排氣道，從而在車輛減速時降低進氣道中的進氣壓力。
同樣，本申請的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)了這一方法的缺點。例如，在某些條件下，渦輪中的壓力膨脹比可能會相對較高(由于渦輪中的流阻)。換句話說，渦輪入口處的壓力，或排氣歧管的壓力相對較高。因此，只有少量的EGR可以流入發(fā)動機排氣側。結果，在某些條件下，進氣歧管壓力或壓縮機出口的壓力不會降低到足以防止壓縮機中的回流(喘振)。

發(fā)明內容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，一種用于控制具有進氣歧管和排氣歧管的發(fā)動機的方法，其中在所述進氣和排氣歧管之間提供具有閥的排氣再循環(huán)路徑，所述發(fā)動機具有渦輪增壓器，所述方法包括在至少有一個減少的發(fā)動機輸出條件時，增大所述排氣再循環(huán)閥的開口；并通過所述渦輪增壓器的渦輪調整排氣膨脹，以減少經(jīng)過渦輪增壓器的膨脹，從而降低渦輪增壓器喘振的可能性。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，一種用于控制具有進氣歧管和排氣歧管的發(fā)動機的方法，其中在所述進氣和排氣歧管之間提供具有閥的排氣再循環(huán)路徑，所述發(fā)動機具有渦輪增壓器，所述方法包括在至少一個減速條件期間，增大所述排氣再循環(huán)閥的開口；并通過所述渦輪增壓器渦輪調整排氣膨脹，以減少經(jīng)過渦輪增壓器的膨脹，從而通過打開連接所述渦輪增壓器的可變噴嘴來降低渦輪增壓器喘振的可能性。
根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，一種用于具有進氣歧管和排氣歧管的發(fā)動機的系統(tǒng)，包括在所述進氣和排氣歧管之間提供的排氣再循環(huán)路徑；在所述排氣再循環(huán)路徑內的可變化地進行調整的閥；連接到所述排氣歧管的渦輪增壓器；以及控制器，所述控制器用于增大所述排氣再循環(huán)閥的開口，和通過所述渦輪增壓器渦輪調整排氣膨脹，以減少通過渦輪增壓器的膨脹，從而在至少一個減少的發(fā)動機輸出條件時，降低渦輪增壓器喘振的可能性。
上述方法和系統(tǒng)利用增大EGR開口和降低渦輪膨脹兩者來處理上述問題，從而實現(xiàn)有益的相互作用，可以在各種各樣的條件下減少渦輪增壓器喘振。
例如，降低渦輪增壓器膨脹將減少壓縮機的功率輸入，并使壓縮機減速。同時，由于排氣歧管側的壓力減小(因為膨脹減小)，進氣歧管和排氣歧管之間的壓差增大。因此，更多來自進氣側的氣流可以流入排氣側來有效地排氣到進氣歧管。結果，壓縮機出口的壓力進一步減小。以此方式，在各種各樣的發(fā)動機減速情況下，增大EGR閥開口和減少渦輪增壓器膨脹兩者的組合可以有效地降低喘振。


圖1是展示喘振的單個VNT壓縮機上的FTP周期數(shù)據(jù)圖。
圖2是渦輪增壓發(fā)動機的結構圖。
圖3是展示控制方法的流程圖。
圖4是渦輪增壓發(fā)動機的實施例。
具體實施例方式
圖1展示的是單個VNT壓縮機上的聯(lián)邦測試程序(FTP)周期圖。如圖所示，喘振線為虛線。圖1中，在FTP周期期間，某些具有適度EGR(只包括輕度釋放加速器)的操作點進入喘振線。壓縮機喘振會導致額外的噪聲，并會造成壓縮機損壞。
圖2所示的是具有EGR系統(tǒng)的渦輪增壓發(fā)動機的示例。具體來說，內燃機10包括多個汽缸，其中一個汽缸在圖2中展示，它由電子發(fā)動機控制器12控制。發(fā)動機10包括燃燒室30和汽缸壁32，活塞36置于汽缸壁32中并與曲軸40連接。燃燒室30經(jīng)由相應的進氣門52和排氣門54與進氣歧管44和排氣歧管48相通。如圖所示，進氣歧管44還包括與其連接的用于輸送燃料的燃料噴射器68，燃料與來自控制器12的信號脈沖寬度成比列。
這個實施例中，控制器12是微型計算機，包括微處理器單元102、輸入/輸出端口104、在此具體示例中是電子可編程存儲器的電子存儲器芯片106、隨機存取存儲器108，及常規(guī)的數(shù)據(jù)總線。
控制器12從與發(fā)動機10連接的傳感器上接收各種信號，除先前所述的信號外，還包括但不限于下述信號所感應的空氣流量(MAF)測量數(shù)據(jù)，來自與空氣過濾器連接的空氣流量傳感器110；歧管壓力(MAP)測量數(shù)據(jù)，來自與進氣歧管44連接的歧管壓力傳感器206；及顯示發(fā)動機轉速(N)的齒形點火信號(PIP)，來自與曲軸40連接的霍爾效應傳感器118。
廢氣通過與排氣歧管48相通的EGR管202被輸送到進氣歧管44。EGR閥總成220位于EGR管202中。換句話說，廢氣從排氣歧管48首先通過閥總成220，然后傳輸?shù)竭M氣歧管44。由此EGR閥總成220可以稱為位于進氣歧管的上游。在進入進氣歧管之前，也可以用置于EGR管202中可選的EGR冷卻器(圖2中的Y)冷卻EGR。
壓力傳感器205向控制器12提供歧管壓力(MAP)的測量數(shù)據(jù)。在EGR管202中，EGR閥總成220有用于控制可變面積限制的閥位置(圖中未展示)，以此來控制EGR流量。EGR閥總成220可以最小地限制通過管202的EGR流量，或完全限制通過管202的EGR流量，或進行可變地限制EGR流量操控。真空調節(jié)器224連接到EGR閥總成220上。真空調節(jié)器224從控制器12接收用于控制EGR閥總成220的閥位置的驅動信號(226)。在一個實施例中，EGR閥總成是真空驅動閥。然而，任何類型的流量控制閥都可以使用，例如，電磁線圈驅動的閥或步進電機驅動的閥。
渦輪增壓器19具有連接到排氣歧管48中的渦輪19a，和經(jīng)由中間冷卻器(圖2中的X)連接到進氣歧管44中的壓縮機19b。渦輪19a通常經(jīng)由驅動軸15連接到壓縮機19b。各種類型的渦輪增壓器和排列都可以使用。例如，可以使用可變幾何渦輪增壓器(VGT)，其中渦輪和/或壓縮機的幾何形狀可在發(fā)動機操作期間變化。除此之外的另一種選擇是，當可變面積噴嘴在排氣管中位于渦輪上游和/或下游，用于改變通過渦輪的氣體的有效膨脹時，可以使用可變噴嘴渦輪增壓器(VNT)。還有其他的解決方案可以改變排氣的膨脹，如排氣泄壓閥。圖2展示了充當排氣泄壓閥的示例閥20。如上所述，閥可以位于渦輪內，或是可變噴嘴。
同樣，如果需要也可以使用雙渦輪增壓器排列，和/或順序渦輪增壓器排列。在多級可調渦輪增壓器和/或有多級可調階段的情況下，可能需要改變通過渦輪增壓器的相對膨脹量，這取決于操作條件(如，歧管壓力、空氣流量、發(fā)動機轉速等等)來減少喘振，同時降低駕駛性能和/或排放影響。
圖2還展示了駕駛員驅動加速器70的足部72，其位移由加速器位置傳感器74測量并向控制器12提供信號PPS。
以下控制例行程序的附加細節(jié)可以應用于各種發(fā)動機配置上，比如前述發(fā)動機。本技術領域的普通技術人員可知，以下流程圖中描述的具體例行程序可以表示任何數(shù)量的處理策略中的一個或多個，如事件驅動、中斷驅動、多任務、多線程等等。這樣，所示的各種步驟或功能可以按所示順序執(zhí)行、并行執(zhí)行，或在某些情況下省略。類似地，處理的順序不是實現(xiàn)在此描述的本發(fā)明實施例的特征和優(yōu)點所必需的，而是為了便于展示和說明而提供的。雖然沒有明確展示，但本技術領域的普通技術人員可理解，在使用特定策略情況下，所示步驟或功能中一個或多個可以重復執(zhí)行。例如，這些框圖以圖的形式表示了編入控制器12的計算機可讀存儲介質中的代碼。
如圖3所示，描述了用于控制發(fā)動機操作以減少喘振的例行程序。在步驟312，例行程序基于加速器位置(PP)、發(fā)動機轉速(N)、或質量空氣流量(MAF)確定發(fā)動機10的減速。例如，如果加速器位置落在閾值之下同時車輛高于選擇的速度行駛，釋放加速器將可能被確定。還需注意，如果需要的話，減速也可以基于其他參數(shù)確定。例如，減速可以通過進氣或排氣歧管中的壓力確定。
接下來，在步驟314，例行程序測量壓縮機19出口和入口處的壓力。在一個示例中，通過壓力傳感器測量各種壓力，雖然也可以估計/推斷出它們。
接下來，在步驟316，例行程序確定MAF，并計算壓縮機出口處的壓力(P2C)和壓縮機入口處的壓力P1C之比。因此，可以確定VNT壓縮機圖上的操作點。注意，可以使用其他方法來確定是否出現(xiàn)了其中可能發(fā)生喘振的條件。例如，也可以使用發(fā)動機轉速、空氣溫度、渦輪轉速，或其他參數(shù)。
從316，例行程序進入318來確定所需的EGR和渦輪增壓器值。在一個實施例，基于發(fā)動機操作條件，如發(fā)動機轉速、負載、燃料噴射量、(進氣和/或排氣)歧管壓力、溫度，和/或其組合，例行程序確定所需的EGR閥開口量和所需的渦輪增壓器葉片位置。
接下來，在322，例行程序確定是否已檢測到釋放加速器條件。在一個實施例中，當車輛駕駛員釋放加速器位置到選擇的值之下時、當車輛以等于或大于選擇的速率減速時，當發(fā)動機轉速低于選擇值時，或它們之間組合，或基于在此所述的各種其他條件，可以識別出這些條件。如果是，則例行程序進入324。如果否，則例行程序進入330，其中例行程序基于從318得到的所需值控制EGR和渦輪增壓器。
繼續(xù)如圖3所示，例行程序在324中確定實際操作條件是否接近喘振區(qū)域、喘振線，或喘振條件，或是否當前正在發(fā)生或已檢測到喘振。如果否，則例行程序進入330。如果是，則例行程序進入326，對發(fā)動機和/或車輛參數(shù)做出調整來降低喘振的可能性和/或水平。特別地，例行程序在326中先后調整EGR和渦輪增壓，并可選地做出其他調整。例如，發(fā)動機控制器可以首先調整EGR，然后調整渦輪增壓器參數(shù)，或相反?；蛘?，發(fā)動機控制器可以同時調整EGR和渦輪增壓兩者。再者，與調整渦輪增壓相比，發(fā)動機控制器可以在更大的程度上(如基于相對值、基于百分比，或其他)調整EGR，或相反。在一個實施例中，控制器可以在第一組條件(如轉速、負載等等)下首先調整EGR，再調整渦輪增壓器，然后在第二組條件下首先調整渦輪增壓器，再調整EGR。類似地，調整的相對量可以根據(jù)發(fā)動機的操作條件變化。
在一個實施例中，基于318中的所需值，例行程序增大EGR閥開口，并減少通過渦輪增壓器的膨脹量，來降低喘振的可能性或水平。隨后，框圖328中，例行程序控制EGR和渦輪增壓器。例如，可以通過打開連接到渦輪增壓器的可變噴嘴、改變渦輪幾何形狀，或打開連接到渦輪增壓器的排氣泄壓閥，來減少渦輪增壓膨脹。
在一個實施例中，可以同時調整EGR閥范圍和渦輪增壓器膨脹。在其他實施例中，可以調整這兩者，但需順序進行。例如，可以打開EGR閥，直到它達到最大開口，然后可以調整渦輪增壓器，直到它達到其(最小膨脹的)最大位置，或相反。在另外的實施例中，可以在不同的條件下使用不同的方法。例如，可以在某些條件下使用同時調整，而在其他條件下使用順序調整。這樣的操作是有利的，因為在某些條件下希望快速降低喘振的可能性，而在其他情況下希望將駕駛性能和/或排放保持在選擇的水平。在另一些實施例中，雖然可以同時調整EGR和膨脹兩者，但是一個參數(shù)比另一個參數(shù)可能在更大的程度上得到調整。例如，EGR閥比渦輪增壓器膨脹在更大的程度上得到調整。以此方式，可以增大進氣歧管和排氣歧管之間的壓差(其中進氣歧管壓力大于排氣歧管壓力)，其中進氣歧管壓力在減速或釋放加速器條件期間增加，從而進氣歧管中足夠的氣體可以流入排氣歧管，并有效地排氣到進氣歧管。因此，這樣的操作可以通過兩個動作的協(xié)同效應降低喘振的可能性或水平。
在一個實施例中，當非常接近喘振的可能性，或如果實際上已檢測到喘振時，控制器可以使用最大EGR閥位置和最大VNT位置。最大VNT操作可以減小渦輪中的壓力膨脹比，同時較低的渦輪入口壓力，即較低的排氣歧管壓力，將有助于加速進氣通過最大EGR閥位置回流到排氣側。
如圖4所示，展示了高壓和低壓渦輪增壓發(fā)動機的實施例。在此示例中，所示的是具有進氣歧管44和排氣歧管48的四汽缸發(fā)動機10。這個示例中，展示了兩級渦輪增壓器系統(tǒng)，其中空氣首先通過空氣過濾器410然后進入低壓壓縮機412。接下來，空氣經(jīng)過帶有可調節(jié)旁通閥416的高壓壓縮機414，然后進入中冷器418。在排氣側，排氣歧管經(jīng)調節(jié)閥420連接到EGR通道，其中EGR通道包括冷卻器424。在繼續(xù)進入排氣系統(tǒng)432的余下部分之前，廢氣可以從排氣歧管流入具有可調整旁通閥426的高壓可變幾何渦輪增壓器422中，然后再進入具有可調整旁通閥430的低壓渦輪428中。
如上所述，在釋放加速器時，壓力可能在壓縮機側增大。然而，通過調整旁通閥416，可以降低兩級壓縮機之間的壓力增大。此外，因為釋放加速器時壓力在渦輪側快速下降，所以增大VGT 422的開口(例如，敞開VGT操作)可以在壓縮機出口和渦輪入口之間產(chǎn)生較大的正壓差。進一步，增大EGR閥420的開口(例如，敞開)將使空氣能夠從進氣歧管通過EGR通道流入排氣歧管。以此方式，可以使用排氣通道來排氣到進氣歧管，從而避免壓縮機側的喘振。
應注意，在此公開的構造和實施例本質上是示范性的，且這些具體實施例不應被視為具有限制意義，因為大量氣它的實施方式是可能的。例如，上述閥可以應用在各種領域，包括各種類型的發(fā)動機，如V-6、V8、V10、I-4、I-6、V12、對置4，及其他發(fā)動機類型。
目前公開的本發(fā)明主題，包括這里公開的各種系統(tǒng)和結構，及其他特征、功能，和/或屬性的所有新穎和非易見的組合及分組合。
下面的權利要求將特別指出視為新穎和非易見的特定組合及分組合。這些權利要求可能引用“一個”元素或“第一”元素或其等同特征。這樣的權利要求應被理解為包括對一個或多個這樣的元素的結合，而不是要求或排除兩個或多個這樣的元素。所公開的特征、功能、元素和/或屬性的其他組合及分組合，可以通過本發(fā)明權利要求的修改或通過在本申請或相關申請中提供新的權利要求來請求保護。這樣的權利要求，與原始權利要求相比無論是更寬、更窄、等同或不同，都應被視為包括在本發(fā)明目前公開的主題之內。
權利要求
1.一種用于控制具有進氣歧管和排氣歧管的發(fā)動機的方法，其中在所述進氣和排氣歧管之間提供具有閥的排氣再循環(huán)路徑，所述發(fā)動機具有渦輪增壓器，所述方法包括在至少有一個減少的發(fā)動機輸出條件時，增大所述排氣再循環(huán)閥的開口；并通過所述渦輪增壓器的渦輪調整排氣膨脹，以減少經(jīng)過渦輪增壓器的膨脹，從而降低渦輪增壓器喘振的可能性。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，通過增大連接到所述渦輪上游的可變噴嘴葉片的開口來減少所述通過渦輪增壓器的膨脹。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，通過改變所述渦輪中葉片幾何形狀的變化來減少所述通過渦輪增壓器的膨脹。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述減少的發(fā)動機輸出條件包括駕駛員釋放加速器。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述減少的發(fā)動機輸出條件包括車輛減速。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述增大和所述調整的量隨著操作參數(shù)變化而變化。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述操作參數(shù)包括發(fā)動機轉速。
8.如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述操作參數(shù)包括溫度。
9.如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述操作參數(shù)包括減速的速率。
10.如權利要求1所述的方法，其特征在于，與所減少的膨脹比率相比，在更大的程度上打開所述EGR閥。
11.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在減少渦輪增壓器膨脹之前移動所述EGR閥。
12.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在減少渦輪增壓器膨脹之后移動所述EGR閥。
13.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在第一組條件下，在減少渦輪增壓器膨脹之前移動所述EGR閥，且在第二組條件下，在減少渦輪增壓器膨脹之后移動所述EGR閥。
14.一種用于控制具有進氣歧管和排氣歧管的發(fā)動機的方法，其中在所述進氣和排氣歧管之間提供具有閥的排氣再循環(huán)路徑，所述發(fā)動機具有渦輪增壓器，所述方法包括在至少一個減速條件期間，增大所述排氣再循環(huán)閥的開口；并通過所述渦輪增壓器渦輪調整排氣膨脹，以減少經(jīng)過渦輪增壓器的膨脹，從而通過打開連接所述渦輪增壓器的可變噴嘴來降低渦輪增壓器喘振的可能性。
15.一種用于具有進氣歧管和排氣歧管的發(fā)動機的系統(tǒng)，包括在所述進氣和排氣歧管之間提供的排氣再循環(huán)路徑；在所述排氣再循環(huán)路徑內的可變化地進行調整的閥；連接到所述排氣歧管的渦輪增壓器；以及控制器，所述控制器用于增大所述排氣再循環(huán)閥的開口，和通過所述渦輪增壓器渦輪調整排氣膨脹，以減少通過渦輪增壓器的膨脹，從而在至少一個減少的發(fā)動機輸出條件時，降低渦輪增壓器喘振的可能性。
16.如權利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，與所減少的膨脹比率相比，在更大的程度上打開所述EGR閥。
17.如權利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，在減少渦輪增壓器膨脹之前移動所述EGR閥。
18.如權利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，在減少渦輪增壓器膨脹之后移動所述EGR閥。
19.如權利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，在第一組條件下，減少渦輪增壓器膨脹之前移動所述EGR閥，在第二組條件下，減少渦輪增壓器膨脹之后移動所述EGR閥。
全文摘要
一種控制具有進氣歧管和排氣歧管的發(fā)動機的方法，其中在所述進氣和排氣歧管之間提供具有閥的排氣再循環(huán)路徑，且所述發(fā)動機具有渦輪增壓器；該方法包括在至少有一個減少的發(fā)動機輸出條件時，增大排氣再循環(huán)閥的開口；并通過渦輪增壓器渦輪調整排氣膨脹，以降低通過渦輪增壓器的膨脹。降低渦輪增壓器膨脹將減少壓縮機的功率輸入，并使壓縮機減速。同時，由于排氣歧管側的壓力減小(因為膨脹減小)，進氣歧管和排氣歧管之間的壓差增大。因此，更多來自進氣側的氣流可以流入排氣側來有效地排氣到進氣歧管。結果，壓縮機出口的壓力進一步減小。因此，這樣的操作可以通過兩個動作的協(xié)同效應降低喘振的可能性。
文檔編號F02B37/12GK1940262SQ20061000447
公開日2007年4月4日 申請日期2006年2月13日 優(yōu)先權日2005年9月28日
發(fā)明者哈羅德·孫, 理查德·貝克, 約翰·H·范德史萊斯, 杰弗里·B·施內亞, 威廉·洛納 申請人:福特環(huán)球技術公司