本公开涉及使用废气门涡轮增压器控制内燃机的系统和方法。
内燃机(ice)经常被要求在可靠的基础上长时间产生相当大的功率电平。在气流进入发动机的进气歧管之前，许多这样的ice组件使用增压装置，例如排气涡轮驱动的涡轮增压器等，来压缩气流从而提高功率和效率。
具体而言，涡轮增压器是离心式气体压缩机，与使用周围环境压力获取的空气相比，其可以使更多的空气，以及因此，更多的氧气进入ice的燃烧室。额外质量的含氧空气经迫使进入ice，提高了发动机的容积效率，使得其在给定的循环中燃烧更多燃料，从而产生更大的功率。通常，该类涡轮增压器由发动机的排气驱动。
典型的排气驱动涡轮增压器包括由一个或多个轴承支撑并且在涡轮机叶轮和空气压缩机叶轮之间传递旋转运动的中心轴。涡轮机和压缩机叶轮都固定在轴上，轴与各种轴承部件组合组成涡轮增压器的旋转组件。涡轮增压器经常使用废气门阀来限制旋转组件的运行速度，以便将涡轮增压器的增压保持在规定的限制范围内并防止旋转组件超速。
技术实现要素：
本公开的一个实施例涉及一种内燃机，该内燃机具有构造成接收用于在其中燃烧的空气和燃料的混合物并排出燃烧后的排气的汽缸和构造成供应燃料的燃料喷射器。发动机还包括涡轮增压器，该涡轮增压器构造成接收环境空气并产生输送到汽缸的加压气流。涡轮增压器包括压缩机涡壳，限定涡轮机入口和涡轮机出口的涡轮机涡壳，由排气驱动并具有设置在涡轮机涡壳内部的涡轮机叶轮和设置在压缩机涡壳内的压缩机叶轮的旋转组件，以及废气门，该废气门限定了构造成在绕路(即旁通)涡轮机叶轮时选择性地将排气的至少一部分重新导向涡轮机出口的开口。
发动机还包括构造成检测涡轮机出口处的压力的第一传感器，构造成检测涡轮机入口处的温度的第二传感器以及与第一传感器，第二传感器和燃料喷射器连通的控制器。控制器构造成确定废气门开口的有效面积和排气的质量流率。控制器还构造成响应于涡轮机出口处检测到的压力和涡轮机入口处检测到的温度、所确定的废气门开口的有效面积和排气的质量流率来确定涡轮机入口处的压力。控制器另外被构造成基于进入汽缸的空气量来指令燃料喷射器向汽缸供应一定量的燃料，其中进入汽缸的空气量受涡轮机入口处所确定的压力影响并与其一致。
可以用第一查找表编程控制器，该第一查找表将涡轮机入口压力与涡轮机出口处所检测的压力和涡轮机入口处的温度，所确定的废气门开口的有效面积和排气的质量流率相关联。在这种情况下，控制器可以进一步构造成经由第一查找表来确定涡轮机入口处的压力。
控制器可以被构造成使用二阶多项式函数来确定涡轮机入口处的压力。
二阶多项式函数可以包括指示所确定的废气门开口的有效面积的因子。
废气门可以包括构造成调节废气门开口的有效面积的位置可变阀。在这种情况下，指示所确定的废气门开口的有效面积的因子可以由阀的当前位置来限定。
涡轮增压器的旋转组件可由排气以旋转速度驱动，而二阶多项式函数可包括指示旋转组件的旋转速度的因子。
可以用第二查找表编程控制器，该第二查找表将旋转组件的旋转速度与通过压缩机的空气的质量流率和压缩机压力比相关联。根据本公开，控制器可以进一步被构造成经由第二查找表来确定旋转组件的当前旋转速度。
压缩机涡壳可以限定压缩机入口和压缩机出口。发动机可另外包括构造成检测压缩机出口处的温度的第三传感器，构造成检测压缩机出口处的压力的第四传感器以及构造成检测压缩机入口处的压力的第五传感器。控制器可以进一步构造成响应于压缩机出口处检测到的温度和压力以及压缩机入口处检测到的压力来确定涡轮机入口处的压力。
压缩机涡壳可以限定压缩机入口和压缩机出口。控制器可以进一步构造成确定压缩机叶轮的功率，然后响应于所确定的压缩机叶轮的功率确定涡轮机入口处的压力。
还可以用第三查找表编程控制器，该第三查找表将压缩机叶轮的功率与旋转组件经校正的旋转速度以及经校正的通过压缩机的空气质量流率相关联。在这种情况下，控制器可以进一步构造成经由第三查找表来确定压缩机叶轮的功率。
本公开的另一个实施例涉及一种控制上述内燃机的方法。
根据以下对实施本公开的(多个)实施方式和(多个)最佳模式的详细描述，结合附图和所附权利要求，本公开的以上特征和优点以及其他特征和优点将变得显而易见。
附图说明
图1是根据本公开的包括涡轮增压器的内燃机的透视图。
图2是图1所示的涡轮增压器的局部横截面透视图，示出包括阀门、致动器和涡轮机叶轮旁通管的废气门组件。
图3是进气和排气在代表性涡轮增压器中流动的示意图，如图1和2所示。
图4是如图1所示的控制内燃机的方法的流程图。
具体实施方式
参考附图，其中在几个附图中相同的附图标记对应于相同或相似的部件，图1示出内燃机10。内燃机10还包括其中布置有多个汽缸14的汽缸体12。如图1所示，内燃机10还可以包括安装在汽缸体12上的汽缸盖16。每个汽缸14包括构造成在其中往复运动的活塞18。
燃烧室20在汽缸盖16的底表面和活塞18的顶部之间的汽缸14内形成。通常，每个燃烧室20从汽缸盖16接收燃料和空气，该燃料和空气形成燃料——混合物，用于随后在目标燃烧室内燃烧。燃料经由相应的燃料喷射器21被供应至每个汽缸。汽缸盖16还构造成从燃烧室20排出燃烧后气体。内燃机10还包括构造成在汽缸体12内旋转的曲轴22。由于在燃烧室20中燃烧适当比例的燃料——空气混合物，曲轴22由活塞18旋转。在特定燃烧室20内燃烧空气——燃料混合物之后，特定活塞18的往复运动用于在燃烧之后从相应的汽缸14排出燃烧后排气24。
内燃机10另外包括进气系统30，进气系统30构造成将气流32从环境引导至汽缸14。进气系统30包括进气管道34，涡轮增压器36和进气歧管(未示出)。虽然未示出，但进气系统30可以另外包括涡轮增压器36上游的空气过滤器，用于从气流32中去除外来颗粒和其他气载碎屑。涡轮增压器36与汽缸14流体连通。具体而言，进气管道34构造成将气流32从环境引导至涡轮增压器36，而涡轮增压器构造成对接收到的气流加压，并将加压气流排出至进气歧管。进气歧管又将先前加压的气流32分配到汽缸14，用于与适量的燃料混合并随后燃烧所得的燃料——空气混合物。
如图2所示，涡轮增压器36包括旋转组件37。旋转组件37包括具有第一端40和第二端42的轴38。旋转组件37还包括涡轮机叶轮46，该涡轮机叶轮46安装在靠近第一端40的轴38上并且构造成由从汽缸14排出的排气24驱动，即与轴38一起围绕轴线43旋转。涡轮机叶轮46布置在包括涡轮箱或涡轮机涡壳50的涡轮机壳体48内部，其中整个组件通常被识别为涡轮机。涡轮机涡壳50在涡轮入口48-1处接收燃烧后排气24并将排气引导至涡轮机叶轮46。在涡轮机叶轮46之后，排气24被引导通过涡轮机出口48-2进入排气系统(未示出)。涡轮机涡壳50构造成实现涡轮增压器36的特定性能特征，诸如效率和响应。如图2进一步所示，旋转组件37还包括安装在第一和第二端40、42之间的轴38上的压缩机叶轮52。
压缩机叶轮52构造成对从环境接收的气流32加压，最终输送到汽缸14。压缩机叶轮52布置在压缩机壳体或盖54内，压缩机壳体或盖54包括压缩机涡壳或涡壳56，其中整个组件通常被识别为压缩机。压缩机涡壳56在压缩机入口56-1处接收气流32并且将气流引导至压缩机叶轮52接受加压。在压缩机叶轮52之后，加压气流32经引导通过压缩机出口56-2朝向汽缸14。压缩机涡壳56构造成实现特定的性能特征，例如涡轮增压器36的峰值气流和效率。因此，通过排气24驱动涡轮机叶轮46将旋转传递给轴38，并且由于压缩机叶轮固定在轴上，旋转又被传递到压缩机叶轮52。
旋转组件37经由颈轴承58支撑，围绕轴线43旋转。在涡轮增压器36的操作期间，旋转组件37可频繁地以每分钟100,000转(rpm)以上的速度运转，同时产生用于内燃机10的增压压力，即对气流32加压，输送至汽缸14。此外，排气24的可变流量和力影响由压缩机叶轮52在内燃机10的整个运行范围内产生的增压压力的量。
继续参考图2，涡轮增压器36包括废气门60。废气门60可以是内部的，内置于涡轮增压器36或外置于涡轮增压器装置。废气门60包括限定开口64的通道62，开口64构造成在涡轮机叶轮46的旁通管中选择性地将排气24的至少一部分从涡轮机入口48-1重新引导到涡轮机出口48-2。允许一些排气24绕过涡轮机叶轮46，这用于限制旋转组件37的旋转速度和从周围环境接收的气流32的压力。废气门60还包括固定到可旋转轴70的可变位置阀68。如图所示，轴70通过致动器72旋转，由此使阀68相对于通道62移动并且改变废气门开口64的有效面积awg，即，通过其排气24可以绕过涡轮机叶轮46的实际或操作的开口的区域。
如图1和3所示，内燃机10还包括第一传感器74和第二传感器76，第一传感器74构造成检测涡轮机出口48-2处的压力pto，第二传感器76构造成检测涡轮机入口ttj处的温度，该温度也可以使用模型来估计。内燃机10另外包括与燃料喷射器21操作性连通的电子控制器78，用于调节燃料的喷射以及致动器72，用于调节阀68的位置。控制器78也与第一传感器74和第二传感器76连通，即被构造成从第一传感器74和第二传感器76接收信号。控制器78构造成，即被构造和编程为调节内燃机10的操作，包括燃料喷射器21的操作。在内燃机10安装在车辆(未示出)中的实施例中，除了被构造成操作内燃机10之外，还可以被构造成旨在调节其他车辆系统的中央处理单元(cpu)。为了适当地控制内燃机10和其他车辆系统的操作，控制器78可以包括存储器，至少一些存储器是有形且非瞬时存储器。存储器可以是参与提供计算机可读数据或处理指令的任何可记录介质。该介质可以采取多种形式，包括但不限于非易失性介质和易失性介质。
用于控制器78的非易失性介质可以包括，例如光盘或磁盘以及其他持久性存储器。易失性介质可以包括，例如动态随机存取存储器(dram)，其可以构成主存储器。这样的指令可以由一个或多个传输介质传输，包括同轴电缆、铜线和光纤，包括包含耦合到计算机的处理器的系统总线的导线。控制器78的存储器还可以包括软盘、软磁盘、硬盘、磁带、任何其他磁介质、cd-rom、dvd、任何其他光学介质等。控制器78可以构造成或配备有其他所需的计算机硬件，例如高速时钟，必需的模数(a/d)和/或数模(d/a)电路，任何输入/输出电路和设备(i/o)，以及适当的信号调节和/或缓冲电路。控制器78所需或因此可访问的任何算法可被存储在存储器中并被自动执行以提供所需的功能。
控制器78具体构造成确定废气门开口64的有效面积awg和排气24的质量流率
如图3所示，控制器78可以用第一查找表80编程，第一查找表80在测试台上测试涡轮增压器36期间或者将涡轮增压器36作为内燃机10的一部分测试的期间经验地编制。第一查找表80将涡轮机入口压力ptj与检测到的涡轮机出口压力pto和涡轮机入口温度ttj以及确定的废气门开口有效面积awg和排气质量流率
在函数82中，因子
二阶多项式函数82的实施例82-1可以包括指示所确定的废气门开口64的有效面积awg的因子。具体地，指示所确定的废气门开口64的有效面积awg的因子可以由阀68的当前位置uwg限定，例如与控制器78的当前位置uwg相关。相应地，使用阀68的当前位置uwg的二阶多项式函数82的实施例82-1可以用如下表达式并编程到控制器78中：
在多项式函数82的实施例82-1中，以及将在下面详细讨论的函数的其他实施例中，a1至a5是常数。常数a1至a5基于涡轮增压器36的具体特性，其可以在涡轮增压器的实际测试期间得以经验地确定或者通过其计算建模来确定。
在内燃机10的增压操作期间，旋转组件37由排气24以通常标识为涡轮增压器或压缩机速度的旋转速度ωt来驱动。二阶多项式函数82的另一个实施例82-2可以包括指示旋转组件37的旋转速度ωt的因子，并且可以用如下表达式并编程到控制器78中：
控制器78还可以用第二查找表84编程，通过压缩机涡壳56和压缩机压力比pcrt将旋转组件37的旋转速度ωt与气流32的校正质量流率
如上所述，压缩机涡壳56限定压缩机入口56-1和压缩机出口56-2。在一个单独的实施例中，控制器78可以被构造成，也基于在压缩机入口56-1处和压缩机出口56-2处操作参数的压缩机涡壳56来确定压力pti。为了支撑如是实施例，内燃机10可以另外包括被构造成检测压缩机出口56-2处的温度tco的第三传感器86以及被构造成检测压缩机出口56-2处的压力pco的第四传感器88。而且，内燃机10可以包括构造成检测压缩机入口56-1处的压力pci的第五传感器90。在如是实施例中，控制器78另外与第三、第四和第五传感器86、88和90连通。控制器78然后可构造成响应于压缩机出口56-2处所检测的温度tco、压缩机出口pco处的压力和压缩机入口pci处的压力来确定涡轮机入口压力pti。
控制器78可以进一步被构造成使用压缩机叶轮52确定压缩机的功率pwc，然后响应于所确定的压缩机叶轮52的功率pwc来确定涡轮机入口压力pti。压缩机功率pwc可以由多项式方程或查找表确定。压缩机功率pwc与压缩机的焓乘以压缩机的功率的函数相关。压缩机功率pwc可以根据以下表达式来确定：
pwc＝v·hc·rc(prc，qc)
在上述压缩机功率pwc的表达式中，项hc是压缩机的焓，v是基于使用涡轮机叶轮46的涡轮机的焓的校正因子，涡轮机叶轮46使用压缩机叶轮52向压缩机输送功率。另外，项rc是压缩机功率传递速率函数，该压缩机功率传递速率函数根据通常表示为pco/pci(其中pci指压缩机入口压力)的压缩机压力比prc和经校正的压缩机质量流率qc确定。
使用所确定的压缩机功率pwc的二阶多项式函数82的实施例82-3可以用如下表达式并编程到控制器78中：
或者，控制器78可以用第三查找表92编程，该第三查找表92将压缩机叶轮功率pwc与旋转组件37的校正旋转速度
图4描述了控制内燃机10的方法100，如上面关于图1-3所描述的。该方法在框102中开始，此处其包括经由控制器78检测内燃机10和涡轮增压器36产生增压，即加压气流32，的操作。在框102之后，该方法前进到框104，此处该方法包括经由第一传感器74检测涡轮机出口48-2处的压力pto。在框104之后，该方法进行到框106。在框106中，该方法包括经由第二传感器76检测涡轮机入口48-1处的温度tti。然后，该方法转至框108。在框108中，该方法包括通过控制器78确定废气门开口64的有效面积awg和排气24的质量流率
在框108之后，该方法前进到框110。在框110中，该方法包括响应于检测到的涡轮机出口压力pto和涡轮机入口温度ttj和经确定的废气门打开有效面积awg和排气质量流率
可选地，该方法可以通过使用利用上面讨论的可能的多项式函数实施例的二阶多项式函数82经直接计算来完成。方法100可以连续循环地操作，即，在对应于引导到汽缸中的气流32的质量和确定的涡轮机入口压力ptj向汽缸14供应燃料之后，该方法可以循环回到框102继续检测由涡轮增压器36产生的加压气流32，连续地确定涡轮机入口压力ptj并供应适量的燃料。
总体而言，方法100旨在通过使用二阶多项式函数82或查找表80、84、92中的一个来代替涡轮机入口压力参数的直接物理检测，来确定涡轮增压器36的涡轮机入口压力pti。涡轮机入口压力ptj的这种确定有效地提供用于供控制器78使用的虚拟涡轮机入口压力传感器，由此有助于在不使用专用物理入口压力传感器的情况下精确地控制内燃机10的运行。
详细描述和附图或附图是对本公开的支持和描述，但是本公开的范围仅由权利要求限定。虽然已经详细描述了用于执行所要求保护的公开内容的一些最佳模式和其他实施例，但是存在用于实践所附权利要求中限定的公开内容的各种替代设计和实施例。此外，附图中示出的实施例或本说明书中提及的各种实施例的特性不一定被理解为彼此独立的实施例。相反，可能的是，在实施例的一个示例中描述的每个特征可以与来自其他实施例的一个或多个其他期望特征组合，导致没有在文字中或通过参考附图描述的其他实施例。因此，这样的其他实施例落入所附权利要求的范围内。