專利名稱：：具有渦輪增壓裝置的內(nèi)燃機的操作方法及其控制單元的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及配備有渦輪增壓裝置的內(nèi)燃機的操作方法以及這種發(fā)動機的控制單JLiο
背景技術：
：內(nèi)燃機，尤其是柴油和汽油發(fā)動機，常常配備有渦輪增壓器。渦輪增壓器通過壓縮進入發(fā)動機的進氣氣流以獲得更大的功率。具體地，可以通過具有較小排氣量因而尺寸較小、重量較輕的渦輪增壓發(fā)動機產(chǎn)生預設的功率，從而達到增大的比功率以及燃料消耗的降低。通常，通過內(nèi)燃機的排氣流驅(qū)動渦輪增壓器。為此，渦輪增壓器包括安置在內(nèi)燃機排氣流中的渦輪，其通過連接傳動軸驅(qū)動用于壓縮發(fā)動機進氣氣流的壓縮機。最近，尤其對于直列發(fā)動機來說，串聯(lián)相繼渦輪增壓變得越來越普遍。可控二級渦輪增壓系統(tǒng)包含用于峰值功率的低壓(LP)級以及用于工作和實現(xiàn)背壓需求以推動排氣再循環(huán)的高壓(HP)級，該排氣再循環(huán)對于減少NOx(氮氧化物)污染物排放是必須的。此外，HP渦輪通常比LP渦輪小并且反應更靈敏。HP和LP渦輪在內(nèi)燃機的排氣氣流中順序排列，LP渦輪位于HP渦輪下游。LP和HP壓縮機同樣順序排列，HP壓縮機在進氣氣流中位于LP壓縮機下游。通過一個或多個位于排氣和/或進氣系統(tǒng)分支中的旁通閥控制排氣氣流和/或進氣氣流，該分支平行于相應的渦輪和/或壓縮機。具體地，可以通過HP渦輪的旁通閥(渦輪旁通閥TBV)以及繞過LP渦輪的泄壓閥(WG)控制排氣氣流。隨著旁通閥關閉，相應的渦輪最大限度地被驅(qū)動，而隨著旁通閥部分或完全打開，平行分支中至少通過部分排氣氣流，以降低的速率驅(qū)動相應的渦輪。類似地，可以通過HP壓縮機的壓縮機旁通閥(CBV)控制進氣氣流。旁通閥確保發(fā)動機平穩(wěn)運轉(zhuǎn)，并且還確保相應的各種進一步限制，例如關于排氣成分、壓縮機出口溫度、渦輪入口溫度，以及避免渦輪增壓器喘振或者超速?？梢灾鲃涌刂婆酝ㄩy，例如電力地或者通過真空，并且旁通閥可以包含位置反饋傳感器。由于HP渦輪旁通閥(TBV)是排放控制的關鍵，其通常被主動地控制并且配備有位置反饋傳感器。通常也主動操作LP渦輪旁通閥(WG)。對于高速和高負載，泄壓閥(WG)促動器通常用作增壓限制器，因此不要求高水平的準確度，因而不需要用于WG的位置反饋。為主動促動，壓縮機旁通閥(CBV)可以配備位置反饋，但是出于降低成本以及復雜性的原因，其通常是被動的并且沒有位置反饋，即壓縮機旁通閥(CBV)因穿過其的壓力差而打開或關閉，并且，具體的，壓縮機旁通閥(CBV)僅具有兩個可能位置，該兩個可能位置是完全打開和完全關閉的位置。主動閥通常具有默認或者“故障安全(failsafe)”位置，當沒有真空或者電力供應時，主動閥移動到該位置。故障安全位置通常是要么完全打開要么完全關閉。通過例如安全以及高海拔地區(qū)的發(fā)動機功率需求等因素確定默認設置。具體地，利用真空或電力供應故障，TBV完全打開，WG完全關閉，以確保對HP壓縮機的最小損傷以及一些基本的驅(qū)動能力。在這種情況下，由于實際上繞過HP渦輪，僅使用LP渦輪增壓器。通過適當?shù)男Ｕ?，即使在這種情況下也可能實現(xiàn)低顆粒排放。然而，這不足以確保避免壓縮機喘振或者超速，因為這些事件可以在排氣λ(lambda)值大于1.2時發(fā)生。由于在這種情況下閥促動器不可操作，沒有用于喘振或超速保護的有效增壓控制。在高海拔地區(qū)，這種影響更加顯著。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種配備渦輪增壓裝置的內(nèi)燃機的操作方法，此方法容許在渦輪增壓閥供給故障時有改進的渦輪增壓器喘振或超速保護。本發(fā)明的進一步目的是提供一種用于具有渦輪增壓裝置的內(nèi)燃機的控制單元，該控制單元容許在這種閥供給故障的情況下有改進的渦輪增壓器喘振或超速保護。本發(fā)明通過以下方法以及控制單元實現(xiàn)此目的:一種具有渦輪增壓裝置的內(nèi)燃機的操作方法，該渦輪增壓裝置包含順序安置的低壓級和高壓級，低壓級包括低壓壓縮機以及至少一個可以由供給系統(tǒng)操作的渦輪增壓控制閥，該方法包含檢測供給系統(tǒng)故障、確定低壓壓縮機流量、以及根據(jù)低壓壓縮機流量限制發(fā)動機控制參數(shù)設定值。一種用于具有渦輪增壓裝置的內(nèi)燃機的控制單元，該渦輪增壓裝置包含順序安置的低壓級和高壓級，低壓級包括低壓壓縮機以及至少一個可以由供給系統(tǒng)操作的渦輪增壓控制閥，其中，將控制單元配置為根據(jù)前述方法控制內(nèi)燃機。本發(fā)明的內(nèi)燃機操作方法涉及配備有順序排列的渦輪增壓裝置或渦輪增壓系統(tǒng)的內(nèi)燃機，該渦輪增壓裝置或渦輪增壓系統(tǒng)包含低壓渦輪增壓級和高壓渦輪增壓級。低壓渦輪增壓級包含低壓渦輪增壓器，該低壓渦輪增壓器包含驅(qū)動低壓壓縮機的低壓渦輪。高壓渦輪增壓級包含高壓渦輪增壓器，該高壓渦輪增壓器具體地包含驅(qū)動高壓壓縮機的高壓渦輪。高壓壓縮機安置在內(nèi)燃機進氣氣流中低壓壓縮機的下游。低壓渦輪位于發(fā)動機排氣氣流中高壓渦輪的下游。渦輪增壓裝置進一步包括至少一個用于控制渦輪增壓裝置的渦輪增壓控制閥。具體地，低壓渦輪可以具有低壓渦輪旁通閥(WG)。高壓渦輪可以具有高壓渦輪旁通閥(TBV)。至少一個渦輪增壓控制閥配置為通過渦輪增壓閥供給系統(tǒng)主動促動，渦輪增壓閥供給系統(tǒng)可以包含例如真空或者電傳動裝置?？梢砸蚤]環(huán)控制操作至少一個渦輪增壓控制閥，例如使用增壓壓力控制閥。渦輪增壓裝置可以包含更多的閥。因此，例如高壓壓縮機可以具有壓縮機旁通閥(CBV)。CBV可以是被動的，即僅通過穿過它的壓力差值運轉(zhuǎn)。壓縮機旁通閥可以限制為只有兩個運轉(zhuǎn)狀態(tài)，該兩個運轉(zhuǎn)狀態(tài)是完全打開和完全關閉的位置。根據(jù)本發(fā)明的方法，確定渦輪增壓閥供給系統(tǒng)是處于運轉(zhuǎn)狀態(tài)還是處于故障狀態(tài)。通過標準發(fā)動機控制單元(ECU)中的診斷系統(tǒng)可以檢測供給系統(tǒng)故障，尤其是用于促動至少一個渦輪增壓控制閥的電力或者真空系統(tǒng)的故障，標準發(fā)動機控制單元(ECU)中的診斷系統(tǒng)評估一個或多個用于檢測故障模式的傳感器信號。也可以通過專用傳感器系統(tǒng)檢測渦輪增壓閥供給系統(tǒng)故障。EP11155167.7專利文件中公開了檢測低壓渦輪旁通閥的故障模式的示例方法，該故障模式可以是供給系統(tǒng)故障的指示，通過參考引用的方式將該專利合并入本申請。如果檢測到渦輪增壓閥供給系統(tǒng)故障，則確定低壓壓縮機流量。發(fā)動機的進氣氣道可以裝備有用于測量低壓壓縮機流量的流量傳感器。流量傳感器可以位于例如空氣過濾器的緊接下游。然而，也可以根據(jù)表示進氣氣流量的任何其他單個或多個傳感器信號確定低壓壓縮機流量?？梢詢H在檢測到供給系統(tǒng)故障以后測量低壓壓縮機流量，或者可以連續(xù)地監(jiān)測。根據(jù)本發(fā)明的方法，限制發(fā)動機控制參數(shù)設定值，該限制取決于低壓壓縮機流量。采用修正了設定值的控制參數(shù)控制發(fā)動機。通過限制發(fā)動機控制參數(shù)設定值，可以確保避免渦輪增壓器、尤其是低壓渦輪增壓器喘振或者超速，該限制取決于低壓壓縮機流量。此外，盡管閥系統(tǒng)供給故障，最少可以實現(xiàn)發(fā)動機控制干預以及最佳的功率、驅(qū)動能力和排放控制。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，依低壓壓縮機流量限制的發(fā)動機參數(shù)是每個時間單位內(nèi)供給到發(fā)動機的燃料量，尤其是每個時間單位內(nèi)噴射的燃料量。駕駛者可以通過壓下加速踏板控制燃料量。因此，通常燃料量取決于踏板位置，然而，根據(jù)本發(fā)明，燃料量優(yōu)選受到取決于低壓壓縮機流量的額外限制。這樣，可以以特別簡單和節(jié)約成本的方式實現(xiàn)渦輪增壓器喘振或者超速保護。優(yōu)選地，通過對噴射燃料量施加補償來限制燃料量設定值，該補償以閉環(huán)控制。具體地，可以根據(jù)低壓壓縮機的壓力比控制補償?？蛇x或者附加地，可以根據(jù)低壓壓縮機流量限制發(fā)動機轉(zhuǎn)矩。駕駛者通常可以通過壓下加速踏板控制發(fā)動機生成的轉(zhuǎn)矩；然而，根據(jù)本發(fā)明，可以根據(jù)低壓壓縮機流量限制轉(zhuǎn)矩。這樣，也可以以特別簡單和節(jié)約成本的方式避免渦輪增壓器的喘振或者超速。本發(fā)明中所采用的術語“設定值”并不一定意味著存在一個潛在的控制回路。具體地，不需要測量燃料噴射量或轉(zhuǎn)矩，盡管可能還存在反饋到控制回路的相應測量值。因此，例如，經(jīng)由踏板的駕駛者輸入可以視為轉(zhuǎn)矩要求，該轉(zhuǎn)矩要求被過濾和限制，或者由于各種原因以某種方式增強，例如由于發(fā)動機過熱保護或者車輛動態(tài)轉(zhuǎn)矩干預。在此過程結(jié)尾，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩設定值，根據(jù)本發(fā)明其可以受到進一步限制。轉(zhuǎn)矩設定值可以轉(zhuǎn)換為傳遞給燃料噴射器驅(qū)動器的燃料量需求。根據(jù)本發(fā)明還可以限制此燃料設定值。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，僅在低壓壓縮機流量處于預設范圍內(nèi)時限制發(fā)動機控制參數(shù)，預設范圍具體表示處于或接近喘振或超速狀況的低壓壓縮機流量值。由于超出該范圍就沒有喘振或超速的風險，即使在渦輪增壓閥供給系統(tǒng)故障的情況下，發(fā)動機控制參數(shù)也不需要修正。因此，當情況不嚴重時，可以在不影響發(fā)動機運行的情況下實現(xiàn)喘振或超速保護。更優(yōu)選地，施加于發(fā)動機控制參數(shù)的限制，例如燃料量或轉(zhuǎn)矩限制，取決于環(huán)境條件，尤其是環(huán)境壓力。由于喘振或超速更可能發(fā)生在高海拔地區(qū)，以此方式可以提供特別有效的喘振或超速保護。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，用于控制內(nèi)燃機的渦輪增壓裝置的控制單元配置為根據(jù)以上所述的方法操作。具體地，控制單元包含用于捕獲指示渦輪增壓閥供給系統(tǒng)故障的至少一個傳感器信號的至少一個信號輸入口或者根據(jù)控制單元可用的其他信息檢測渦輪增壓閥供給系統(tǒng)故障的診斷功能。控制單元包含用于捕獲指示低壓壓縮機流量的至少一個傳感器信號的至少一個信號輸入口，或者配置為根據(jù)其他可用信息確定低壓壓縮機流量?？刂茊卧M一步包含數(shù)據(jù)處理裝置；數(shù)據(jù)處理裝置配置為根據(jù)低壓壓縮機流量確定對發(fā)動機控制參數(shù)設定值的限制。具體地，處理裝置可以配置為根據(jù)低壓壓縮機流量限制燃料量或轉(zhuǎn)矩?？刂茊卧梢赃M一步包含數(shù)據(jù)存儲裝置，該存儲裝置用于存儲例如映射(map)或者查找表(lookuptable)，其用于確定對發(fā)動機控制參數(shù)的限制。控制單元進一步配置為將此修正的控制參數(shù)設定值饋送到發(fā)動機控制，以根據(jù)修正的設定值控制例如燃料量或轉(zhuǎn)矩。控制單元可以是發(fā)動機電子控制單元(ECU)或者可以是其一部分。本發(fā)明的另外方面將從附圖以及以下優(yōu)選實施例的說明中變得顯而易見。圖1示出了具有串聯(lián)相繼渦輪增壓裝置的內(nèi)燃機的簡化框圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的內(nèi)燃機控制方法的簡化流程圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的內(nèi)燃機控制方法的簡化流程圖；圖4示出了低壓壓縮機流量與壓力比之間的示例性關系；圖5是根據(jù)本發(fā)明第三實施例的內(nèi)燃機控制方法的簡化流程圖；以及圖6是根據(jù)本發(fā)明第四實施例的內(nèi)燃機控制方法的簡化流程圖。附圖標記列表I內(nèi)燃機2渦輪增壓裝置3高壓渦輪增壓器4低壓渦輪增壓器5高壓渦輪6高壓壓縮機7傳動軸8低壓渦輪9低壓壓縮機10傳動軸11排氣系統(tǒng)12進氣系統(tǒng)13進氣氣流方向14排氣氣流方向15高壓渦輪旁通閥16低壓渦輪旁通閥17壓縮機旁通閥18傳感器19中間冷卻器20滯環(huán)具體實施例方式根據(jù)圖1中示意性示出的示例，內(nèi)燃機I具有包括高壓渦輪增壓器3和低壓渦輪增壓器4的渦輪增壓裝置2或者渦輪增壓系統(tǒng)。高壓渦輪增壓器3包括高壓渦輪5和高壓壓縮機6，渦輪5通過傳動軸7驅(qū)動壓縮機6。低壓渦輪增壓器4包括通過傳動軸10驅(qū)動低壓壓縮機9的低壓渦輪8。渦輪5、8在內(nèi)燃機的排氣系統(tǒng)11中順序排列，高壓渦輪5安置在低壓渦輪8的上游，即具有較高壓力的部分。相應地，壓縮機6、9在發(fā)動機I的進氣系統(tǒng)12中順序排列，高壓壓縮機6位于低壓壓縮機9下游。箭頭13、14分別表示進氣系統(tǒng)12中的氣流方向以及排氣系統(tǒng)11中的排氣氣流方向?？傮w上，高壓渦輪5和高壓壓縮機6分別小于低壓渦輪8和低壓壓縮機9。HP壓縮機下游包括中間冷卻器18，其在圖1中示意性地表示。高壓渦輪旁通閥15(TBV)安置于平行于高壓渦輪5的排氣系統(tǒng)的平行分支中。因此，高壓渦輪旁通閥15的全部或者部分打開形成排氣氣流旁路，以部分或者完全地繞過高壓渦輪5。如果排氣氣流部分或者完全地通過旁通閥15，就以降低的速率驅(qū)動高壓渦輪5。因此可以通過TBV15的操作控制高壓渦輪增壓器3的運行。為此目的，通過電力或者真空閥供給系統(tǒng)(未示出)主動地控制TBV15，以作為渦輪增壓裝置2的促動器。以類似的方式，低壓渦輪旁通閥16(WG)安置在平行于低壓渦輪8的排氣系統(tǒng)11的平行分支中。也通過電力或者真空閥供給系統(tǒng)(未示出)主動地操作WG16,以作為促動器。在進氣系統(tǒng)12中，進氣流流經(jīng)低壓壓縮機9，并在第一壓縮級中被壓縮。其后，進氣流流經(jīng)代表第二壓縮級的高壓壓縮機6，或者流經(jīng)平行于高壓壓縮機6安置的平行分支。壓縮機旁通閥17(CBV)可以打開或者關閉平行分支。CBV17是被動式的，即由通過其的壓力差操作?？梢栽谶M氣系統(tǒng)12中設置一個或多個流量和/或壓力傳感器，圖1中示意性地表示了傳感器19?？梢栽谙嗤恢么笾聹y量由渦輪增壓裝置2提供并且注入內(nèi)燃機的增壓壓力。發(fā)動機I也可以配備有排氣再循環(huán)，其未在圖1中顯示。在正常操作中，根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速和/或轉(zhuǎn)矩操作渦輪增壓裝置2。在低發(fā)動機轉(zhuǎn)速和/或轉(zhuǎn)矩下，WG16被設定在完全關閉位置，根據(jù)發(fā)動機操作點使用TBV15控制渦輪增壓裝置2的增壓壓力，優(yōu)選為通過閉環(huán)控制。由于壓力差作用，CBV17被推動到完全關閉的位置。以這種方式，可以提供低速度/轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)的最佳性能，以及排氣再循環(huán)所需要的背壓。在較高的發(fā)動機轉(zhuǎn)速和/或轉(zhuǎn)矩下，TBV15被設定在完全打開位置，使用WG16控制渦輪增壓裝置2的增壓壓力，優(yōu)選為通過使用增壓壓力的閉環(huán)控制。CBV17移動到完全打開位置。通過這種方式，可以提供峰值功率?？蛇x地，根據(jù)當前發(fā)動機轉(zhuǎn)速和/或負載以及CBV17的當前位置，可以將低壓和高壓渦輪閥15、16二者都同時設置在最佳位置，該位置可以都是完全打開與完全關閉之間的中間位置。這意味著執(zhí)行同時使用低壓和高壓渦輪閥的閉環(huán)控制。閥15、16具有故障安全位置，當供給系統(tǒng)故障時閥移動到該位置。在所示的示例中，此默認設置為TBV15完全打開并且WG16完全關閉。因此，在真空或電力供給故障的情況下，高壓渦輪5被繞過，高壓壓縮機不會被排氣驅(qū)動。在這種情況下，由全部排氣驅(qū)動低壓渦輪8以及因此的低壓壓縮機9，這提供了最大化發(fā)動機功率以及最小化顆粒排放的優(yōu)勢，然而要承擔渦輪增壓器喘振或超速的風險。可以配備用于檢測閥15、16的真空或電力供給系統(tǒng)故障的傳感器(未示出)。如圖2中所示，根據(jù)本發(fā)明的第一實施例，以通常方式使用發(fā)動機轉(zhuǎn)速η和加速踏板位置ped確定發(fā)動機的額定轉(zhuǎn)矩，即駕駛者確定的轉(zhuǎn)矩設定值。如果未檢測到渦輪增壓器供給系統(tǒng)故障，將駕駛者確定的轉(zhuǎn)矩設定值饋送到發(fā)動機控制以控制發(fā)動機實際提供的轉(zhuǎn)矩，例如通過相應控制燃料噴射參數(shù)，該駕駛者確定的轉(zhuǎn)矩設定值是η和ped的函數(shù)。然而，如果檢測到閥供給系統(tǒng)故障，則獲取修正的低壓壓縮機流量教JC以及環(huán)境壓力Pamb并且用其確定修正值，該修正值用于修改駕駛者確定的轉(zhuǎn)矩設定值，以獲得修正的轉(zhuǎn)矩設定值。選擇修正值以限制轉(zhuǎn)矩設定值，使得安全地避免渦輪增壓器的喘振或超速。實際上，根據(jù)環(huán)境壓力Pamb和修正的低壓壓縮機流量攸PC降低轉(zhuǎn)矩需求。環(huán)境壓力Pamb主要歸因于海拔。可以由根據(jù)溫度和壓力修正的總流量，即燃料加氣流，來確定修正的低壓壓縮機流量供ΖΡΓ。例如，可以通過以下公式計算修正的低壓壓縮機流量權(quán)利要求1.一種具有渦輪增壓裝置(2)的內(nèi)燃機(I)的操作方法，該渦輪增壓裝置(2)包含順序安置的低壓級和高壓級，低壓級包括低壓壓縮機(9)以及至少一個可以由供給系統(tǒng)操作的渦輪增壓控制閥(15、16)，其特征在于，該方法包含檢測供給系統(tǒng)故障、確定低壓壓縮機流量、以及根據(jù)低壓壓縮機流量限制發(fā)動機控制參數(shù)設定值。2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于限制燃料量設定值。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于通過對燃料量施加補償來限制燃料量設定值，該補償以閉環(huán)控制。4.根據(jù)上述任意一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于限制發(fā)動機轉(zhuǎn)矩設定值。5.根據(jù)上述任意一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于只有當?shù)蛪簤嚎s機流量處于預設范圍內(nèi)時，才限制發(fā)動機控制參數(shù)限制。6.根據(jù)上述任意一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于發(fā)動機控制參數(shù)限制取決于環(huán)境壓力pb。7.一種用于具有渦輪增壓裝置(2)的內(nèi)燃機(I)的控制單元，該渦輪增壓裝置(2)包含順序安置的低壓級和高壓級，低壓級包括低壓壓縮機(9)以及至少一個可以由供給系統(tǒng)操作的渦輪增壓控制閥，其特征在于將控制單元配置為根據(jù)上述任意一項權(quán)利要求所述的方法控制內(nèi)燃機(I)。全文摘要一種具有渦輪增壓裝置(2)的內(nèi)燃機(1)的操作方法，該渦輪增壓裝置(2)包含順序安置的低壓級和高壓級，低壓級包括低壓壓縮機(9)以及至少一個可以由供給系統(tǒng)操作的渦輪增壓控制閥(15、16)，在本方法中，檢測供給系統(tǒng)故障、確定低壓壓縮機流量、以及根據(jù)低壓壓縮機流量限制發(fā)動機控制參數(shù)設定值。本發(fā)明還涉及用于內(nèi)燃機(1)的控制單元。文檔編號F02D23/00GK103256129SQ20131004903公開日2013年8月21日申請日期2013年2月7日優(yōu)先權(quán)日2012年2月15日發(fā)明者西蒙·彼得洛維奇,阿諾·巴奇,丹尼爾·羅特格,阿蘭·瑪麗·羅杰·謝瓦利爾,邁克爾·馬爾拜申請人:福特全球技術公司