专利名称：压缩机流量控制的制作方法
技术领域：
本发明涉及涡轮增压发动机中的压缩机流量。
背景技术：
对发动机进行涡轮增压允许发动机提供与较大排量的发动机的功率类似的功率。因此，涡轮增压可以扩大发动机的工作范围。涡轮增压器通过在压缩机中藉由由排气气流操作的涡轮压缩进气发挥作用。在一定条件下，穿过压缩机的流量和压力比会在导致噪声干扰(在更严重的情况下，导致性能问题和压缩机退化)的水平上波动。这种压缩机喘振可以由位于进气中的一个或多个压缩机再循环阀(CRV)减轻。CRV可以将压缩空气从压缩机排气口再循环至压缩机进气口。然而，在一些操作条件下，打开CRV来减轻噪声问题会导致不足以增压到满足当前的扭矩要求。具体地，这会导致瞬时条件下，如部分节流阀打开(tip-out)之后，的反应低下。
发明内容
发明人已经认识到上面的方法的问题并且提供一种系统来至少部分地解决它们。在一个实施例中，发动机系统包含发动机、为发动机供气的第一和第二压缩机、可以调节至两个限定水平的第一压缩机再循环阀以及可以调节至三个或多个限制水平的第二压缩机再循环阀。用这种方法，可以操作第二、可变化调节的压缩机再循环阀以提供经过压缩机再循环的可调节的进气流的量。可以操作第一压缩机再循环阀以减轻压缩机喘振，例如，在较高负载条件下，其中，第一压缩机再循环阀为传统的开/关压缩机再循环阀。同时，可以通过两个阀的协调控制来减轻压缩机喘振，这会导致减少的噪声干扰同时在瞬时条件下提供可接受的增压。此外，在包括单个涡轮增压器的发动机系统中，可以平行排列两个压缩机再循环阀以再循环一个压缩机，并且控制两个压缩机以减轻喘振。本发明可以提供多种优势。例如，同时包括所述的第一和第二压缩机再循环阀的发动机可以被大范围地缩小尺寸以改进发动机效率和燃料经济性，这是由于可变化调节的阀允许发动机操作接近喘振边界而避免喘振并提供足够的增压。在瞬时条件下的增压也可以被改进，这是由于可变化控制的压缩机再循环阀允许适当的增压，以在例如操作者打开事件过程中发动机负载突然下降后紧接着实现足够的扭矩响应。通过以下附图或附图结合以下详细说明，本发明的上述优点和其它优点以及特征将更加显而易见。应当理解的是，提供上述发明内容是为了以简化的方式介绍在具体实施例部分进一步说明的概念的选择。并不意味着指出要求保护的主题的关键内容或本质特征，本发明的范围由权利要求书唯一地限定。此外，要求保护的主题不限于解决上述指出的缺点的实施方式或本发明的任何一部分。
图1示出了根据本发明的实施例的包括双涡轮增压器的多缸发动机的示意图。图2示出了根据本发明的实施例的说明用于避免喘振的示例性控制程序的流程图。图3是说明喘振线的示例性图表。
具体实施例方式对发动机进行涡轮增压允许较小排量的发动机具有类似于较大发动机的功率输出。大范围地缩小尺寸的发动机通常非常接近喘振边界操作，其中穿过压缩机的流量条件可以使压缩机进入喘振，这会使压缩机退化。为了避免喘振，可以打开压缩机再循环阀以降低压缩机下游的压力并增加经过压缩机的流量。然而，尤其是在瞬时条件下，经过再循环阀的较大流量会导致对当前功率需求的增压不充分和/或延迟。为了提供经过再循环阀的最佳流量，可以用可变化调节的再循环阀来替代传统的开/关再循环阀。再循环阀的限制级别可以基于压力和穿过压缩机的流量进行控制，以在保持足够的增压的同时避免喘振。图1示出了包括可变化调节的压缩机再循环阀和可以执行用于操作再循环阀的控制程序的控制系统的发动机。图2是用于操作可变化调节的再循环阀以及图3中所提供的基于喘振边界的传统开/关再循环阀的示例性控制程序。图1示出了包括多缸内燃发动机110和双涡轮增压器120和130的示例性发动机系统100的示意图。作为一个非限制性的实例，发动机系统100可以作为乘用车辆的推进系统的一部分。发动机系统100可以通过进气通道140接收进气。进气通道140可以包括空气过滤器156。至少一部分的进气(MAF_1)可以通过如在142处所示的进气通道140的第一分支被引导至涡轮增压器120的压缩机122，并且至少一部分的进气(MAF_2)可以通过在144处所示的进气通道140的第二分支被引导至涡轮增压器130的压缩机132。全部进气的第一部分(MAF_1)可以通过压缩机122被压缩，其可以通过进气通道146供应给进气歧管160。因此，进气通道142和146形成发动机的空气进气系统的第一分支。类似地，全部进气的第二部分(MAF_2)可以通过压缩机132被压缩，其可以通过进气通道148供应给进气歧管160。因此，进气通道144和148形成发动机的空气进气系统的第二分支。如图1中所示，来自进气通道146和148的进气可以在到达进气歧管160之前通过共用进气通道149重新结合，其中进气可以被提供给发动机。在一些实例中，进气歧管160可以包括进气歧管压力传感器182和/或进气歧管温度传感器183，它们各自与控制系统190通讯。进气通道149可以包括空气冷却器154和/或节流阀158。节流阀的位置可以由控制系统通过与控制系统190通讯耦接的节流阀驱动器157来调节。如图1中所示，可以提供第一压缩机再循环阀(CRVl) 152和第二压缩机再循环阀(CRV2) 153，以通过再循环通道150、151选择性地再循环涡轮增压器120和130的压缩机阶段。CRVl 152可以只配置两个限制点，以使阀可以被控制为不是打开就是关闭。CRV2 153可以配置为具有三个或更多个限制点，以使其可以被打开、关闭或部分打开。通过具有多个限制点，可以控制CRV2 153以围绕压缩机132提供高分辨率、连续可变的空气流量。发动机110可以包括多个汽缸，其中的两个在图1中由20A和20B标示。应注意至Ij，在一些实例中，发动机Iio可以包括多于两个汽缸，如3、4、5、6、8、10个或更多的汽缸。这些多个汽缸可以被平均分配并与汽缸20A和20B中的一个以V字形结构直列。在发动机的其他汽缸中间的气缸20A和20B在一些实例中可以是相同的并且包括相同的部件。正因如此，只有汽缸20A将被详细描述。汽缸20A包括由燃烧室壁24A定义的燃烧室22A。活塞30A配置在燃烧室22A内并且通过曲柄臂32A耦接至曲柄轴34。曲柄轴34可以包括发动机速度传感器181，其可以识别曲柄轴34的旋转速度。发动机速度传感器181可以与控制系统190通讯以允许确定发动机速度。汽缸20A可以包括火花塞70A，用以将点火火花传递至燃烧室22A。然而，在一些实例中，可以省略火花塞70A，例如，发动机110配置为通过压缩点火提供燃烧。燃烧室22A可以包括喷油嘴60A，其在此实例中配置为基于端口的喷油嘴。然而，在其他实例中，喷油嘴60A可以配置为直接置于汽缸内的喷油嘴。汽缸20A还可以包括至少一个通过进气阀驱动器42A驱动的进气阀40A以及至少一个通过排放阀驱动器52A驱动的排放阀50A。汽缸20A可以包括连同相关的阀门驱动器的两个或更多个进气阀和/或两个或更多个排放阀。在此特定的实例中，驱动器42A和52A配置为凸轮驱动器，然而，在其他实例中，可以使用电磁阀驱动器(EVA)。可以操作进气阀驱动器42A来打开和关闭进气阀40A以允许进气通过与进气歧管160连通的进气通道162进入燃烧室22A。类似地，可以操作排放阀驱动器52A来打开和关闭排放阀50A以将燃烧产物从燃烧室22A排放至排放通道166。用这种方法，可以将进气通过进气通道162供应给燃烧室22A，并且燃烧产物可以通过排放通道166从燃烧室22A排放。应当理解，汽缸20B或发动机110的其他汽缸可以包括如与上文所述的汽缸20A的相同或类似的部件。因此，可以将进气通过进气通道164供应给燃烧室22B，并且可以将燃烧产物从燃烧室22B通过排放通道168排放。应注意到，在一些实例中，包括汽缸20A的发动机110的第一组汽缸以及其他汽缸可以通过共用排放通道166排放燃烧产物，并且包括汽缸20B的第二组汽缸以及其他汽缸可以通过共用排放通道168排放燃烧产物。由发动机110通过排放通道166排放的燃烧产物可以被引导经过涡轮增压器120的排放涡轮124，其转而可以通过轴126为压缩机122提供机械功，以便如上文所述为进气提供压缩。可选地，流经排放通道166的一些或所有排放气体可以由废气门128控制通过涡轮旁路通道123绕开涡轮124。废气门128的位置可以按控制系统190的指示由驱动器129控制。作为一个非限制性的实例，控制系统190可以通过电磁阀121调节驱动器129的位置。在此特定的实例中，电磁阀121接收来自压缩机122的上游所排列的进气通道142与压缩机122的下游所排列的进气通道149之间的气压差的压力差，以通过驱动器129促进废气门128的驱动。如图1所示，控制系统190与驱动器129通过电磁阀121通讯。然而，应当理解，在其他实例中，可以使用其他合适的驱动废气门128的方法。类似地，由发动机110通过排放通道168排放的燃烧产物可以被引导经过涡轮增压器130的排放涡轮134，其转而可以通过轴136为压缩机132提供机械功，以便为流经发动机的进气系统的第二分支的进气提供压缩。可选地，经过排放通道168流动的一些或所有排放气体可以由废气门138控制通过涡轮旁路通道133绕开涡轮134。废气门138的位置可以按控制系统190的指示由驱动器139控制。作为一个非限制性的实例，控制系统190可以通过电磁阀131调节驱动器139的位置。在此特定的实例中，电磁阀131接收来自压缩机132的上游所排列的进气通道144与压缩机132的下游所排列的进气通道149之间的气压差的压力差，以通过驱动器139促进废气门138的驱动。如图1所示，控制系统190与驱动器139通过电磁阀131通讯。然而，应当理解，在其他实例中，可以使用其他合适的驱动废气门138的方法。在一些实例中，排放涡轮124和134可以配置为可变几何尺寸涡轮，其中可以使用相关的驱动器125和135来调节涡轮叶轮片的位置以改变从排气流所获得并分给它们各自的压缩机的能量的水平。例如，控制系统可以配置为通过排气涡轮124和134各自的驱动器125和135独立地改变它们的几何尺寸。由一个或多个汽缸通过排放通道166排放的燃烧产物可以通过排放通道170被引导至周围环境。排放通道170可以包括排放后处理装置，如催化剂174，以及例如在184和185处所示的一个或多个排气传感器。类似地，由一个或多个汽缸通过排放通道168排放的燃烧产物可以通过排放通道172被引导至周围环境。排放通道172可以包括排放后处理装置，如催化剂176，以及例如在186和187处所示的一个或多个排气传感器。排气传感器184、185、186和/或187可以与控制系统190通讯。发动机系统100可以包括多种其他传感器。例如，进气通道142和144中的至少一个可以包括质量气流传感器180。在一些实例中，进气通道142和144中只有一个可以包括质量气流传感器。但是在其他实例中，进气通道142和144都可以包括质量气流传感器。作为一个实例，质量气流传感器可以包括热线流速计或用于测量进气的质量流速的其他合适的装置。如图1中所示，质量气流传感器180可以与控制系统190通讯。控制系统190可以包括一个或多个配置为与这里所述的各种传感器和驱动器通讯的控制器。作为一个实例，控制系统190可以包括至少一个电子控制器，该电子控制器包含以下中的一个或多个:用于与各种传感器和驱动器发送并接受电子信号的输入/输出接口，中央处理单元，存储器，如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、磨损修正系数存储器(KAM)，以上每个都可以通过数据总线通讯。在一些实例中，控制系统190可以包括比例积分微分(PID)控制器。然而，如本领域技术人员根据本发明可以理解的，应当理解，其他合适的控制器也可以使用。控制器可以存储能够执行的指令，以便执行一个或多个控制程序，例如这里关于图2所述的控制程序。控制系统190可以配置为在单独汽缸的基础上改变发动机的一个或多个操作参数。例如，控制系统可以通过使用可变凸轮正时(VCT)驱动器来调节气门正时，通过改变火花信号被分配给火花塞的时间来调节火花正时，和/或通过改变由控制系统提供给喷油嘴的燃料喷射信号的脉冲宽度来调节燃料喷射正时和量。因此，至少火花正时、气门正时以及燃料喷射正时可以由控制系统驱动。此外，控制系统可以控制CRVl 152和CRV2 153的打开和关闭，并且控制CRV2 153打开的程度(如限制点)。尽管图1中所示的实施例示出了两个涡轮增压器，每个涡轮增压器各自的压缩机都由CRV控制，在一些实施例中，发动机也可以只包括一个涡轮增压器。在这种情况下，压缩机可以由平行排列的两个CRV控制，其中一个CRV包括两个限制点，并且另一个CRV包括至少三个限制点。用于单个压缩机的CRV可以类似于具有两个压缩机的CRV被控制，如下文的详细说明。图2示出了用于控制两个CRVjB CRVl 152和CRV2 153，打开和关闭的示例性控制程序200，用以阻止穿过两个压缩机的喘振。程序200可以由控制系统190执行。在步骤202，确定经过每个需要避免喘振的压缩机的质量流速为了避免喘振的流速可以基于在节流阀确定的流速来估算。由于两个压缩机都将进气流入由节流阀控制的共用进气通道，因此在稳态条件下，可以由如传感器182的传感器确定的经过节流阀的质量流量可以用于确定经过每个压缩机的流量。为了避免喘振经过每个传感器的质量流速*可以基于下面的方程确定:.
权利要求
1.一种发动机系统，其特征在于，包含: 发动机； 为发动机供应空气的第一和第二压缩机； 可调节至两种限制级别的第一压缩机再循环阀；以及 可调节至三种或更多种限制级别的第二压缩机再循环阀。
2.根据权利要求1所述的发动机系统，其特征在于，还包含控制器，该控制器包括用于操作第二压缩机再循环阀而不操作第一压缩机再循环阀的指令。
3.根据权利要求2所述的发动机系统，其特征在于，当经过发动机上游的节流阀的质量流量与喘振线上的质量流量之差高于第一阈值而低于第二阈值时，控制器包括用于操作第二压缩机再循环阀而不操作第一压缩机再循环阀的指令。
4.根据权利要求3所述的发动机系统，其特征在于，操作第二压缩机再循环阀包含基于经过节流阀的质量流量与喘振线上的质量流量之差来调节第二压缩机再循环阀的限制级别。
5.根据权利要求1所述的发动机系统，其特征在于，还包含控制器，该控制器包括用于同时操作第一和第二压缩机再循环阀的指令。
6.根据权利要求5所述的发动机系统，其特征在于，当经过发动机上游的节流阀的质量流量与喘振线上的质量流量之差高于第二阈值时，控制器包括用于同时操作第一和第二压缩机再循环阀的指令。
7.根据权利要求6所述的发动机系统，其特征在于，第二阈值等于经过第一压缩机再循环阀的质量流量，并且当经过节流阀的质量流量与喘振线上的质量流量之差等于第二阈值时，控制器包括用于操作第一压缩机再循环阀而不操作第二压缩机再循环阀的指令。
8.根据权利要求6所述的发动机系统，其特征在于，操作第二压缩机再循环阀包含基于经过节流阀的质量流量与喘振线上的质量流量之差、并且当第一压缩机再循环阀打开时还基于经过第一压缩机再循环阀的质量流量来调节第二压缩机再循环阀的限制级别。
9.一种用于具有第一和第二压缩机的涡轮增压器系统的方法，其特征在于，包含: 在第一条件下，打开第一压缩机的第一压缩机再循环阀(CRV)； 在第二条件下，打开第一 CRV并调节第二压缩机的第二 CRV的限制量；以及 在第三条件下，关闭第一 CRV并调节第二 CRV的限制量。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，第一条件包括经过节流阀的质量流量与喘振线上的质量流量之差等于经过第一 CRV的质量流量。
全文摘要
本发明提供了一种发动机系统。该系统包含发动机、为发动机供应空气的第一和第二压缩机、可调节至两种限制级别的第一压缩机再循环阀以及可调节至三种或更多种限制级别的第二压缩机再循环阀。这样，可以控制第一和第二压缩机再循环阀以避免压缩机喘振而同时提供足够量的增压以满足功率需求。
文档编号F02B37/16GK103104334SQ20121045211
公开日2013年5月15日 申请日期2012年11月12日 优先权日2011年11月10日
发明者黛博拉·M·比约格, 茱莉亚·海伦·巴克兰 申请人:福特全球技术公司