发动机的涡轮增压器电控执行器控制方法及发动机总成与流程

1.本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种发动机的涡轮增压器电控执行器控制方法及发动机总成。


背景技术：

2.涡轮增压器废气阀执行器常用气动控制方法,目前正在不断向电控化推进,即电控执行器正日益取代气动执行器，电控执行器得到发动机控制单元ecu(engine control unit)的指令，通过其内部电动机和齿轮传动系输出扭矩到推杆，通过推杆驱动摇臂，这里摇臂与增压器内的废气阀连成一体，用来驱动废气阀，以达到控制增压器废气阀开度和发动机增压压力的目的。在车用发动机使用过程中,当增压器电控执行器处于频繁工作状态时，其内部电机线圈电流过大导致发热量过大和执行器温度过高，对电器元件产生损害影响动作可靠性甚至发生电机烧融等安全事故,所以使用中需要对执行器进行热保护控制，将电机工作温度限定在安全范围(比如不超过220℃)。
3.尤其是在车用发动机实践中，执行器电机缺少温度监测，无法直接对其施以热保护控制。传统上用间接方法，针对占空比duty采用较为单一控制策略以限制执行器温升。以某车用发动机为例，在车辆加速工况下，ecu控制要求执行器duty快速增加。当占空比大于一定值，比如duty》30％时,认为需要进行热保护，当其累计时间达到一定限值(比如10s，此处综合考虑执行器工作安全定义，即电机不堵转和在最差工况试验下电机不会达到220℃限值的时间),则进入热保护模式，此时占空比duty将被ecu限制到安全值(比如28％)并报故障码，废气阀将无法进一步得到驱动扭矩达到目标转角，发动机动力则无法进一步得到提高，车辆达不到目标加速度，严重时会导致安全事故发生。
4.因此，现有技术中的发动机的涡轮增压器电控执行器控制方法存在过热保护效果差的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于解决现有技术中的发动机的涡轮增压器电控执行器控制方法存在过热保护效果差的问题。对此，本发明提供了一种发动机的涡轮增压器电控执行器控制方法及发动机总成，具有过热保护效果好的优点。
6.为解决上述问题，本发明的实施方式提供了一种发动机的涡轮增压器电控执行器控制方法，所述发动机包括电控执行器、以及用于控制所述电控执行器的发动机的控制单元，所述控制单元通过脉宽调制信号的占空比控制所述电控执行器的工作状态，包括以下步骤：
7.s1：将所述控制单元向所述电控执行器传输的脉宽调制信号的占空比值进行分级，并为每一级所述占空比值赋予权重值，以获得占空比-权重关联表，其中，所述占空比值的数值从0～100％被分为至少3级，且所述权重值在-100％～100％的范围内；
8.s2：获取所述控制单元向所述电控执行器传输的脉宽调制信号的实时占空比值、
以及每个所述实时占空比值对应的持续时长信息；
9.s3：根据所述占空比-权重关联表标定与所述实时占空比值对应的权重值；
10.s4：所述控制单元根据所述实时占空比值、所述权重值和所述持续时长信息计算所述电控执行器的标定值，并判断所述标定值是否大于标定阈值；
11.s5：若所述标定值大于所述标定阈值，所述控制单元控制所述脉宽调制信号的占空比值至占空比阈值以下；或者
12.若所述标定值小于所述标定阈值，所述控制单元以所述当前占空比值控制所述电控执行器。
13.采用上述技术方案，本实施方式通过上述方法，由于建立了占空比-权重关联表，在使用过程中，控制单元根据实时占空比值及其时长信息，由关联表获取相应的权重比值，以标定合适的标定值，然后通过将标定值与标定阈值进行对比，进而能够避免电控执行器在工作过程中温度过高而损坏，避免不必要或者过度的热保护操作，从而有效发挥电控执行器的工作持久性和可靠性。
14.进一步地，本发明的另一种实施方式提供一种发动机的涡轮增压器电控执行器控制方法，在所述步骤s1中，根据以下方法建立所述关联表：
15.weight＝f(duty)；其中
16.weight为所述权重值；
17.duty为所述占空比值；
18.f为所述权重值与所述占空比值的函数；其中
19.所述函数通过在所述电控执行器的最大工作环境温度下、对不同占空比值达到对应的执行器电机最高限制温度的时间进行测定并比较计算获得。
20.进一步地，本发明的另一种实施方式提供一种发动机的涡轮增压器电控执行器控制方法，在所述步骤s2，实时获取控制单元输出的占空比信息，并根据以下方法建立所述占空比值和所述线圈电流的关系：
21.其中
22.i为所述电控执行器的线圈电流；
23.r为所述电控执行器的线圈电阻；
24.v为所述电控执行器的直流电压；
25.duty为所述占空比值。
26.进一步地，本发明的另一种实施方式提供一种发动机的涡轮增压器电控执行器控制方法，在所述步骤s2中，对每个所述实时占空比值对应的持续时长信息进行累加，获得累计时长信息。
27.进一步地，本发明的另一种实施方式提供一种发动机的涡轮增压器电控执行器控制方法，在所述步骤s4中，所述控制单元根据以下方法计算所述标定值：
28.c＝c1+weight*t；其中
29.c为所述标定值；
30.c1为所述累计时长信息；
31.weight为每个所述实时占空比值对应的所述权重值；
32.t为每个所述实时占空比值对应的持续时长信息。
33.进一步地，本发明的另一种实施方式提供一种发动机的涡轮增压器电控执行器控制方法，所述标定阈值设置为10s-15s；
34.所述占空比阈值设置为28％-35％。
35.进一步地，本发明的另一种实施方式提供一种发动机的涡轮增压器电控执行器控制方法，所述占空比-权重关联表包括至少3组所述占空比值与所述权重值。
36.进一步地，本发明的另一种实施方式作为电控执行器热保护的直接方法，提供一种发动机的涡轮增压器电控执行器控制方法，还包括以下步骤：
37.s01：检测所述电控执行器电机的实时温度，并判断所述实时温度是否大于预设温度阈值；
38.s02：若所述实时温度大于所述预设温度阈值，所述控制单元控制所述脉宽调制信号的占空比值至所述占空比阈值以下；或者
39.若所述实时温度小于所述预设温度阈值，所述控制单元以所述当前占空比值控制所述电控执行器。
40.进一步地，本发明的另一种实施方式提供一种发动机的涡轮增压器电控执行器控制方法，所述预设温度阈值在180℃-220℃的范围内。
41.进一步地，本发明的另一种实施方式提供一种发动机总成，包括控制单元和涡轮增压器，所述涡轮增压器包括电控执行器；所述控制单元通过脉宽调制信号的占空比控制所述电控执行器的工作状态；所述控制单元存储有与上述发动机的涡轮增压器电控执行器控制方法对应的程序指令。
42.本发明其他特征和相应的有益效果在说明书的后面部分进行阐述说明，且应当理解，至少部分有益效果从本发明说明书中的记载变的显而易见。
附图说明
43.图1为本发明实施例1提供的发动机的涡轮增压器电控执行器的一种控制方法的流程图；
44.图2为本发明实施例1提供的发动机的涡轮增压器电控执行器的另一种控制方法的流程图；
45.图3为本发明实施例1提供的发动机的涡轮增压器电控执行器控制方法中的权重值-占空比值的关系图；
46.图4为本发明实施例1提供的发动机的涡轮增压器电控执行器控制方法中占空比值与温度的关系图；
47.图5为本发明实施例2提供的发动机的总成中的电控执行器的连接结构示意图；
48.图6为本发明实施例2提供的发动机总成中涡轮增压器的工作原理示意图。
49.附图标记说明：
50.1：空气滤清器；
51.2：空气流量计；
52.3：泄压阀；
53.4：增压器；
54.41：压气机；42：涡轮机；421：废气阀门；43：电控执行器；
55.5：中冷器；
56.51：增压压力传感器；
57.6：节气门；
58.7：发动机本体；
59.8：三元催化器。
具体实施方式
60.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。虽然本发明的描述将结合较佳实施例一起介绍，但这并不代表此发明的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作发明介绍的目的是为了覆盖基于本发明的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本发明的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本发明也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本发明的重点，有些具体细节将在描述中被省略。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
61.应注意的是，在本说明书中，相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
62.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
63.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
64.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
65.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。
66.实施例1：
67.本实施例的实施方式提供了一种发动机的涡轮增压器电控执行器控制方法，如图1所示，发动机包括电控执行器、以及用于控制电控执行器的控制单元，控制单元通过脉宽调制信号的占空比控制电控执行器的工作状态；包括以下步骤：
68.s1：将控制单元向电控执行器传输的脉宽调制信号的占空比值进行分级，并为每一级占空比值赋予权重值，以获得占空比-权重关联表，其中，占空比值的数值从0～100％
被分为至少3级，且权重值在-100％～100％的范围内；
69.s2：获取控制单元向电控执行器传输的脉宽调制信号的实时占空比值、以及每个实时占空比值对应的持续时长信息；
70.s3：根据占空比-权重关联表标定与实时占空比值对应的权重值；
71.s4：控制单元根据实时占空比值、权重值和持续时长信息计算电控执行器的标定值，并判断标定值是否大于标定阈值；
72.s5：若标定值大于标定阈值，控制单元控制脉宽调制信号的占空比值至占空比阈值以下；或者
73.若标定值小于标定阈值，控制单元以当前占空比值控制电控执行器。
74.具体的，本实施方式通过上述方法，由于建立了占空比-权重关联表，在使用过程中，控制单元根据实时占空比值，由关联表获取相应的权重比值，以标定合适的标定值，然后通过将标定值与标定阈值进行对比，进而能够避免电控执行器在工作过程中温度过高而损坏，避免不必要或者过度的热保护操作，从而有效发挥电控执行器的工作持久性和可靠性。
75.更为具体的，在本实施方式中，占空比值的数值从0～100％被分为至少3级，具体可参见表1，其中duty(％)为占空比值，weight(％)为权重值；占空比值的数值从0～100％可被分为3级，也可以是分为4级、5级、6级等更多数量，其具体可根据实际设计和使用需求设定，本实施方式对此不做限定，本实施方式优选地占空比值的数值从0～100％被分为9级(如表1所示)。
76.表1
77.noduty(％)weight(％)1d1w12d2w23d3w34d4w45d5w56d6w67d7w78d8w89d9w9
78.进一步地，本实施例的另一种实施方式提供一种发动机的涡轮增压器电控执行器控制方法，在步骤s1中，根据以下方法建立关联表：
79.weight＝f(duty)；其中
80.weight为权重值；
81.duty为占空比值；
82.f为权重值与占空比值的函数；其中
83.函数通过在电控执行器的最大工作环境温度下、对不同占空比值达到对应的执行器电机最高限制温度的时间进行测定并比较计算获得。
84.具体的，占空比值与权重值的函数关系请参见图3：其中，d1，d2，d3,
…
，d9为占空
比值duty，w1，w2，w3,
…
，w9为权重值weight的对应区间点。
85.例如，在占空比值duty为：d1＝0，d2＝30,d3＝35，d4＝40，d5＝55，d6＝60，d7＝75，d8＝80，d9＝100；
86.对应的权重值weight为：w1＝-100，w2＝-100,w3＝1.91，w4＝15.6，w5＝15.6，w6＝35.6，w7＝35.6，w8＝100，w9＝100。
87.更为具体的，在本实施方式中，如图3所示，weight(权重值)为负值时，表示对累计当量时间贡献为负，即此状态对执行器电机散热有贡献。整个函数曲线随duty(占空比值)增加，呈单调递增关系，即表示随duty(占空比值)增加对过热影响权重是增加的。
88.weight(权重值)的确定方法如图4所示，在最大工作环境温度150℃下对执行器电机进行工作温度试验(self heating)，对不同duty(占空比值)可得到对应到达执行器电机最高限制温度220℃的时间t和duty为100％时的t100％，weight＝t100％/tduty，很明显duty为100％时其weight＝100％。weight实则上将工作点转化为相对duty100％&220℃时间的一个当量系数(本实施方式中仅作了线性简化计算)。
89.进一步地，本实施例的另一种实施方式提供一种发动机的涡轮增压器电控执行器控制方法，在步骤s2，实时获取控制单元输出的占空比信息；并根据线圈电阻和直流电压，可根据以下方法建立占空比值和线圈电流的关系；其中，电控执行器的线圈电流与占空比值成正比，线圈电流越大则电控执行器驱动能力越大，具体关系为：
90.其中
91.i为电控执行器的线圈电流；
92.r为电控执行器的线圈电阻；
93.v为电控执行器的直流电压；
94.duty为占空比值。
95.具体的，如实施例2中的图5所示，电控执行器直流电机的两个端子(m+/m-)与ecu(发动机控制单元)的h桥驱动模块连接，得到外部电压输入，通过齿轮传动系(gear box)将电机扭矩由输出轴(shaft)传到执行器输出端，输出端的转角位置由内置传感器(sensor)反馈到发动机ecu，传感器由外部供电(vcc＝+5v)工作。ecu根据传感器的转角位置反馈(out)，通过pwm(pulse width modulation)脉宽调制信号的占空比(duty ratio)，使输出电压的有效值得到改变,进而控制电机的输出扭矩和转角，直流电机pwm的duty越大，电机电流越大，电机功率(驱动能力)及发热量也越大。
96.需要理解的是，在本实施方式中，在实际使用过程中占空比值是由控制单元发出指令输出，然后通过已知的电控执行器的线圈电阻、电控执行器的直流电压值和上述表达式计算得出相应电控执行器的线圈电流，从而驱动执行器电机并通过转角位置反馈修正占空比值(也就是线圈电流)直到执行器电机旋转到目标位置。
97.进一步地，本实施例的另一种实施方式提供一种发动机的涡轮增压器电控执行器控制方法，在步骤s2中，对每个实时占空比值对应的持续时长信息进行累加，获得累计时长信息。
98.进一步地，本实施例的另一种实施方式提供一种发动机的涡轮增压器电控执行器控制方法，在步骤s4中，控制单元根据以下方法计算标定值：
99.c＝c1+weight*t；其中
100.c为标定值；
101.c1为累计时长信息；
102.weight为每个实时占空比值对应的权重值；
103.t为每个实时占空比值对应的持续时长信息。
104.具体的，在本实施方式中，以车辆加速工况时为例，在不用执行器电机温度监测的场合，急加速时油门踏板位置(节气门开度)增加，需要增压器快速响应，ecu(发动机控制单元)控制模块要求电控执行器duty(占空比值)快速增加以得到更大发动机动力输出，此时对每个duty(占空比值)对应的时间t进行记录鉴别，给出对应权重系数weight，计算其weight*t并加入累计当量时间c1，然后判断标定值c达到tlimit(比如10s，此处综合考虑执行器工作安全定义，即电机不堵转和在最差工况试验下电机不会达到220℃限值的时间)时,则进入热保护模式，此时duty(占空比值)将被ecu(发动机控制单元)限制到一低值a(比如a＝30％等)并报故障码。这里，weight(权重值)是duty(占空比值)的函数(请参见图3)，根据电控执行器的电机工作温度试验(self heating)结果制定表格预先写入ecu(发动机控制单元)控制程序。
105.需要理解的是，在本实施方式中，c＝c1+weight*t中的“＝”为赋值号，并非等号，在计算机语言中可直接写成c＝c+weight*t，但上式的c1与该式中“＝”右边的“c”的含义相同。
106.进一步地，本实施例的另一种实施方式提供一种发动机的涡轮增压器电控执行器控制方法，标定阈值设置为10s-15s；占空比阈值设置为28％-35％。
107.具体的，在本实施方式中，只示出了标定阈值和占空比阈值的一部分选值，其具体可根据实际设计和使用需求设定，本实施方式对此不做限定。
108.进一步地，本实施例的另一种实施方式提供一种发动机的涡轮增压器电控执行器控制方法，占空比-权重关联表包括至少3组占空比值与权重值。
109.具体的，在本实施方式中，占空比-权重关联表可以是包括3组占空比值与权重值、6组占空比值与权重值、11组占空比值与权重值等更多3组以上数量，其具体可根据实际设计和使用需求设定，本实施方式对此不做限定。
110.进一步地，本实施例的另一种实施方式提供一种发动机的涡轮增压器电控执行器控制方法，还包括以下步骤：
111.s01：检测电控执行器电机的实时温度，并判断实时温度是否大于预设温度阈值；
112.s02：若实时温度大于预设温度阈值，控制单元控制脉宽调制信号的占空比值至占空比阈值以下；或者
113.若实时温度小于预设温度阈值，控制单元以当前占空比值控制电控执行器。
114.具体的，在本实施方式中，如图2所示，比较tm(电机实时温度)与tlimit(安全限值，比如180℃(《220℃)，即预设温度阈值可设置为220℃)的大小，当tm较大时需要减小duty确保热保护要求得到贯彻实施，反之则可增大duty(占空比值)以得到更多动力扭矩输出。
115.需要理解的是，该实施例中的发动机的涡轮增压器电控执行器控制方法作为电控执行器热保护的直接方法。
116.进一步地，本实施例的另一种实施方式提供一种发动机的涡轮增压器电控执行器控制方法，预设温度阈值在180℃-220℃的范围内。
117.具体的，在本实施方式中，预设温度阈值可以是设置180℃、200℃、220℃等人任意温度，其具体可根据实际设计和使用需求设定，本实施方式对此不作限定。
118.本实施例提供的发动机的涡轮增压器电控执行器控制方法，由于建立了占空比-权重关联表，在使用过程中，控制单元根据实时占空比输出值，由关联表获取相应的权重比值，以标定合适的标定值，然后通过将标定值与标定阈值进行对比，进而能够避免电控执行器在工作过程中温度过高而损坏，避免不必要或者过度的热保护操作，从而有效发挥电控执行器的工作持久性和可靠性。
119.进一步地，如图2所示，在本实施例中，也可以是在电控执行器43上设置温度检测模块(例如本领域技术人员常见的温度传感器)，通过温度检测模块实时检测电控执行器43的电机温度，并将检测到的信息传递至控制单元，当控制单元判断为电控执行器的实时温度高于温度阈值(例如阈值可以设置为220℃)时，控制单元控制电控执行器的脉宽调制信号的占空比值至占空比阈值(例如35％)以下。反之，当控制单元判断为电控执行器的实时温度低于温度阈值时，控制单元以当前占空比值控制电控执行器。
120.需要理解的是，当控制单元判断为电控执行器的实时温度低于温度阈值，可以是控制单元以当前占空比值控制电控执行器，也可以控制单元根据实际情况增加电控执行器的脉宽调制信号的占空比值。例如，当实际占空比值为28％时，控制单元根据实际情况增加电控执行器的脉宽调制信号的占空比值至30％。当然，可能还存在其他情况，本实施例不再一一举例说明。
121.实施例2：
122.本实施例提供一种发动机总成，包括控制单元和涡轮增压器，涡轮增压器包括电控执行器；控制单元通过脉宽调制信号的占空比控制电控执行器的工作状态；控制单元存储有与实施例1中的发动机的涡轮增压器电控执行器控制方法对应的程序指令。
123.具体的，在本实施例中，如图6所示，废气涡轮增压是利用发动机排出的具有一定能量(高温高压)的废气，驱动涡轮增压器4中的涡轮机42高速转动，再带动与涡轮机同轴的压气机41一起转动。压气机41位于空气流量计2与发动机本体7中进气门之间的进气管道中。压气机41转动时，对从空气滤清器1进入的新鲜空气进行压缩，然后再送入发动机本体7的气缸。
124.请参见图5，在ecu的存储器中，存储着发动机增压压力特性图的有关数据，增压压力目标值随发动机转速变化。在发动机工作时，ecu根据增压压力等传感器信号输入的信息，可以确定当时的实际进气增压压力，然后将实际进气压力与存储的目标值进行比较。若实际值与目标值不相符，ecu则输出控制信号，对废气阀执行器进行驱动控制，使废气阀门动作。当实际进气压力低于目标值时，废气阀门关闭；当进气压力高于目标值时，废气阀门打开。
125.更为具体的，在本实施例中，采用本实施例中的发动机总成，可避免不必要限制电控废气涡轮增压器工作，以及避免故障诊断误报发生，改善车用发动机和增压器的工作可靠性和安全性。
126.更为具体的，本实施例中的电控涡轮增压器工作原理如图6所示：图中箭头所示的
方向为气体流动方向；其中，进气空气经过空气滤清器1除去其中杂质后，流入进气管路，空气流量计2设于空气滤清器1中，用于测量通过空气滤清器1的空气流量。
127.进气空气流出空气滤清器1后流入涡轮增压器4的压气机41，并经过压缩流出压气机41。此时，泄压阀3处于关闭状态，进气空气在压缩后流入中冷器5，中冷器5对压缩后的高温气体进行冷却降温以提高气体密度和零件热负荷。最后通过节气门6后流入进气总管满足发动机本体7需求。
128.进一步地，增压压力传感器51布置于节气门6前，用于ecu检测发动机增压压力，并生成测量信号。其中，当压缩后气体流量小而压力过高时(比如节气门6突然关小时)，ecu控制压气机41的泄压阀3打开放气以保护压气机41避免其进入喘振工作状态。
129.进一步地，发动机燃烧后的废气排入涡轮增压器4中的涡轮机42，在对涡轮机42膨胀做功后，流入三元催化器8，三元催化器8对废气有害成分处理后将其排放到大气环境。
130.电控执行器43用于控制废气旁通量，当废气能量较高时(高出压缩气体需求)，电控执行器43控制废气阀门421开度变大，让更多废气不经涡轮机做功被旁通排出。
131.节气门6用来调整进入发动机本体7的气体流量，当发动机在全负荷工况工作时，节气门6开度处于全开位置，负荷越小则开度越小。
132.需要理解的是，为方便理解方案，本实施例仅示出涡轮增压发动机部分器件的工作原理，而非全部。其具体可参见现有涡轮增压发动机的结构和工作原理。
133.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。