涡轮增压发动机的瞬态压缩机喘振响应

摘要

本发明涉及涡轮增压发动机的瞬态压缩机喘振响应。提供一种响应于连接到机动车辆的发动机的涡轮增压器的现有或初始的喘振工况的方法。该方法包括响应于涡轮增压器的工况接收信号，及当在非零频率的预选范围上积分的信号的功率超过预选阈值时，调节机动车辆的一个或多个操作参数。其他的实施例提供响应于涡轮增压器的现有或初始的喘振工况的相关系统。

说明书

相关申请的交叉参考

本申请要求2008年5月28日提交且标题为“涡轮增压内燃发动机的瞬态压缩机喘振检测的方法”的美国临时专利申请61/056,620号的优先权，该申请全文合并到此用作参考。

技术领域

本发明涉及涡轮增压内燃发动机领域，更具体地，涉及改进机动车辆的涡轮增压内燃发动机的可靠性。

背景技术

涡轮增压器可以用来增加内燃发动机的动力输出。涡轮增压器通过加压进气，从而增加在进气行程中提供到每个发动机燃烧室的空气质量来增加内燃发动机的动力输出。增加的空气质量支持输送到每个燃烧室的相应更大量的燃料的燃烧，相对于类似排量的自然吸气发动机，这提供更多的动力。在机动车辆中，涡轮增压发动机通过保持比类似输出的自然吸气发动机更高的功率重量比，且从排气回收内能以驱动涡轮增压器压缩机来提高燃料经济性。通过创建确定在喘振流量线和阻塞流量线(surgeand choked flow lines)之间用于涡轮增压器压缩机的合适的压力和流量工况的“操作网”，涡轮增压器可以有利地匹配于发动机。要求适当确定操作网的大小以满足发动机的特性：例如，操作网制造得过大会导致粗劣的响应和排放特性。

然而，当涡轮增压器压缩机中的压力比(即P，出口压力与入口压力的比)相对于通过涡轮增压器压缩机的空气流量过大时，连接到内燃发动机的涡轮增压器压缩机会经受不期望的喘振。涡轮增压器压缩机喘振(TCS)是能够产生大幅度空气流量和压力摆动的动态不稳定模式；这种情况可以在涡轮增压器和进气系统中产生不期望的应力，包括涡轮增压器轴上的过多的扭转负荷。连续或过多的TCS可以减少涡轮增压器和/或其连接的发动机的寿命。此外，机动车辆中的TCS造成不期望的振动、噪声、及动力损耗负面影响乘车人的舒适度。因此涡轮增压发动机系统可以配置为检测TCS的特定种类且在检测到时采取动作抑制TCS。

例如，涡轮增压发动机系统可以配置为检测压力比P和进入发动机进气系统中的空气的质量流率M，且若P值处于对M值确定的区间之外时指示TCS。相反也是可能的，即若M值处于对P值确定的区间之外时指示TCS。然而，这种方法可能不是最适合于所有类型的TCS的方法。

基于发动机的稳态工况可以确定上述参考的压力比区间和质量流率区间，其中发动机转速和负荷彼此相关可预测。在这样的工况下，可以使用计算来对于任何M值预测合适的P区间，低于该区间则将不会发生TCS。但在发动机的瞬态中还可以发生TCS，在发动机的瞬态中转速和负荷与压力比和质量流率不相关，不像在稳态工况下那样。这样的瞬态包括，例如，释放加速器踏板(tip out)、浓空燃比燃烧(相对于稳态进气节气门关闭)、及排气再循环(相对于稳态进气节气门开启)。在这些和其他工况下，基于稳态P区间或M区间的TCS检测的方法不适合于检测TCS。

为解决该问题，一些发动机系统使用从稳态计算得出的P区间或M区间，但内置较宽的安全余量(例如20％)以预防瞬态TCS。然而，该方法会明显地限制涡轮增压器性能且破坏涡轮增压发动机系统的优势。

发明内容

本发明的发明人在此认识到上述概括的现有方法的不足，且提供涉及瞬态TCS响应的各种方法。在一个实施例中，提供响应于连接到机动车辆的发动机的涡轮增压器的现有或初始喘振工况的方法。该方法包括响应于涡轮增压器的工况接收信号，及当在非零频率的预选范围上积分的信号的功率超过预选阈值时，调节机动车辆的一个或多个操作参数。其他的实施例提供响应于涡轮增压器的现有或初始的喘振工况的相关系统。在本文中公开的系统和方法提供对瞬态TCS的可靠的响应，同时避免对涡轮增压器性能的过多的限制。

应理解提供上述发明内容以简单的形式介绍选择的一些概念，在下文详细说明中将进一步描述。这并不意味着确定要求保护的主题的关键或主要特征，要求保护的主题的范围由按照详细说明的权利要求确定。此外，要求保护的主题不限于解决上文或本文的任何部分中提到的任何缺点。

附图说明

图1示意性地示出根据本发明的示例涡轮增压发动机系统；

图2示出根据本发明的用于假设的涡轮增压发动机的各种操作状态的压力比对校正的空气质量流率的图表；

图3示意性地示出根据本发明的示例瞬态TCS观测器；

图4示出根据本发明的用于假设的涡轮增压发动机系统的发动机进气压力和TCS标记逻辑对时间的图表；

图5示出根据本发明的指示涡轮增压发动机系统中的瞬态TCS的示例方法。

具体实施方式

图1示意性地示出包括发动机3的示例发动机系统2，发动机系统2可以设置在机动车辆中。该发动机系统包括涡轮增压器压缩机4，涡轮增压器压缩机4配置为从空气清洁器6中抽取空气且提供加压的空气到进气歧管8。涡轮增压器压缩机4通过轴12机械连接到涡轮增压器涡轮10且由涡轮增压器涡轮10通过轴12驱动。涡轮增压器涡轮从通过其中传输的热发动机排气得到机械能。相应地，涡轮增压器涡轮10配置为从排气歧管14接收发动机排气，且(在较低温度和压力下)引导发动机排气到排气通道16。

发动机系统2进一步包括排气再循环(EGR)阀18，该EGR阀18是配置为可控地允许发动机排气从排气通道排气到涡轮增压器压缩机4的电子控制阀。因此，所述的发动机系统体现了所谓的“低压EGR”策略，其中一些排气可以从排气系统(涡轮增压器涡轮的下游)再循环到涡轮增压器压缩机的上游的进气系统。与本公开完全一致的其他发动机系统可以体现所谓的“高压EGR”策略，其中也通过可控EGR阀可控地允许发动机排气从排气歧管(涡轮增压器涡轮的上游)到涡轮增压器压缩机下游的进气歧管。

在所述的配置中，来自涡轮增压器压缩机的至少部分加压空气在途中通过质量流量传感器20到发动机。质量流量传感器可以配置为提供响应于从涡轮增压器压缩机到发动机的进气系统的空气质量流率M的输出(例如，电压或电流)。在一些实施例中，质量流量传感器的输出可以对应于质量流率参数，例如正规化的质量流率。

图1还示出压力传感器22，压力传感器22连接到进气歧管8且配置为提供响应于压力比P的输出(例如电压或电流)。在所述的配置中，质量流量传感器20的输出和压力传感器22的输出两者通向电子控制单元24。电子控制单元24可以是发动机系统2或设置有发动机系统2的机动车辆的任何电子控制单元。在一些实施例中，电子控制单元可以是更大型的电子系统的部分，例如机动车辆的诊断系统的部分。电子控制单元可以配置为基于提供到其中的各种传感器输出指示涡轮增压器压缩机4何时经受TCS。电子控制单元还可以进一步配置为调节机动车辆的一个或多个操作参数以抑制TCS。在一些实施例中，这种操作参数可以包括发动机操作参数：例如，排气再循环、燃料喷射量、及节气门位置。在其他的实施例中，操作参数可以包括涡轮增压器操作参数。因此，例如可以提供来自电子控制单元的一个或多个控制信号以接合或分离涡轮增压器压缩机、调制涡轮增压器增压和/或转速、开启或关闭涡轮增压器废气门或排出阀(blow-off valve)、开启或关闭EGR阀。电子控制单元24可以配置为指示涡轮增压器何时经受TCS且当指示TCS时提供喘振抑制控制信号。

此外，电子控制单元可以包括配置为响应于TCS的具体变化的一个或多个子系统(例如观测器)。在图1中，例如电子控制单元24包括稳态TCS观测器26。稳态TCS观测器26可以连接到质量流量传感器20的输出和压力传感器22的输出。稳态TCS观测器26可以进一步配置为指示在操作点(M，P)的涡轮增压器压缩机是否容易出现稳态TCS，如借助图2在下文进一步描述。为达到此目的，稳态TCS观测器可以包括一组电子元件或阈值测试模块，该电子元件配置为当发动机的进气压力超过基于进入发动机的空气的质量流率的临界压力时，指示喘振工况，或当进入发动机的空气的质量流率低于基于发动机的进气压力的临界质量流率时，指示喘振工况，其中临界压力和临界质量流率中的一个或多个基于涡轮增压器压缩机的稳态喘振工况。

图2示出用于假设的涡轮增压发动机的各种操作状态的压力比P对校正的质量流率M的图表。该图表包括稳态TCS边界28，该边界28为线状，在稳态工况下在该线以下不会发生TCS。在该线以上，在较高的P或较低的M，涡轮增压器压缩机容易发生TCS。基于涡轮增压器和发动机的各种特性，可以从理论上得出稳态TCS边界，或者例如可以通过在稳态工况下操作涡轮增压器和发动机从经验上得出稳态TCS边界，且建立稳态TCS可能发生的阈值。

对于任何涡轮增压发动机系统，稳态TCS观测器26可以配置为确定涡轮增压器压缩机4的观测操作点(M，P)是否位于稳态边界28以上。在进行该操作中，稳态TCS观测器可以利用合适的数字和/或模拟电子设备-数模转换器、逻辑门、微处理器、查找表、运算放大器、模拟数学处理器等。在效果上，稳态TCS观测器可以确定任何观测的M值允许的P区间，且可以在观测的P处于该区间之外时指示TCS。反过来也能想到；也就是，稳态TCS观测器可以确定任何观测的P值允许的M区间，且当观测的M处于该区间之外时指示TCS。

图2还示出瞬态操作点30的位置，该瞬态操作点30可以对应于涡轮增压发动机的瞬态操作状态的任何序列。在所述示例中，瞬态操作点的位置对应于释放加速器踏板工况。即使瞬态操作点的整体位置处于稳态边界28以下，涡轮增压器压缩机4在一些操作点出现TCS。具体地，对于瞬态操作点的位置的子集32中的点，指示瞬态TCS。

突然和较大地减少发动机燃料供给速度和/或排气流率可以触发瞬态TCS。在典型的工况下，进气压力从初始较高值衰减的速度比涡轮增压器驱动力减少的速度更慢。当在进气累积的压力超过压缩机维持正向空气移动(positive air movement)的能力时发生瞬态TCS。

为确定合适的P区间或M区间来以上述方式检测和抑制这种瞬态TCS，有必要使用低于稳态边界28的边界线。例如，瞬态安全边界34可以用来确定合适的P区间或M区间，在这样的区间下即使瞬态TCS也不可能发生。在图2中，通过将每个压力值减少20％可以从稳态边界28得出瞬态安全边界34。

然而，显然从该图可见：如上所述的瞬态安全边界方法会明显地限制涡轮增压器压缩机的操作范围。具体地，图2示出浪费的区域(wasted region)36，该区域36位于稳态边界28和瞬态安全边界34之间。通过使用瞬态安全边界设定用于涡轮增压器压缩机的允许的P区间或M区间，甚至在稳态工况下，也不允许涡轮增压器压缩机在浪费的区域中操作。因此，相对于其完全的潜力，涡轮增压发动机的性能优点明显减少。

因此，现返回到图1，电子控制单元24还包括瞬态TCS观测器38。在所述的配置中，稳态TCS观测器26和瞬态TCS观测器38独立配置为指示TCS。然而，在其他的实施例中，两个或多个TCS观测器可以配置为各种协同模式(modes ofinteroperability)。通过合适的逻辑电路40，来自任一观测器的指示信号可以触发机动车辆的一个或多个操作参数的调节。例如，指示的信号可以激活电子控制单元或机动车辆的诊断系统中的TCS标记42。该指示信号还可以向涡轮增压器提供喘振抑制控制信号。

取决于涡轮增压发动机系统的具体的配置，喘振抑制控制信号可以多种不同的方式抑制TCS。在一些实施例中，喘振抑制控制信号可以触发涡轮增压器增压和/或转速的减少。在所述的实施例中，发动机系统2包括废气门43，配置为可控地促使发动机排气的一些绕过涡轮增压器涡轮10，从而提供较少的扭矩到涡轮增压器压缩机。发动机系统还包括排出阀44，配置为排放来自涡轮增压器压缩机的压缩空气的一些使其不进入进气歧管，例如向大气排放或返回到涡轮增压器压缩机入口。因此，通过控制器24喘振抑制控制信号可以具有开启废气门和/或排出阀以减少涡轮增压器增压和/或转速的作用。

在其他的实施例中，通过控制器24喘振抑制控制信号可以具有通过至少部分地开启或关闭低压EGR阀18调节排气再循环的作用。替代地或附加地，可以基于喘振抑制控制信号调节高压EGR阀。

更具体地，发动机系统的一些工况可以使得通过进一步开启EGR阀抑制TCS，而其他(不同的)工况可以使得通过进一步关闭EGR阀抑制TCS。因此，发动机系统2包括EGR流量传感器46，EGR流量传感器46连接到排气通道16。EGR流量传感器可以是响应于流进或流出排气通道的EGR流的方向的任何元件。在所述的实施例中，EGR流量传感器的输出通向电子控制单元24的EGR控制模块48。EGR控制模块可以配置为当EGR流量传感器46指示正的排气再循环流时，响应于喘振抑制控制信号至少部分地关闭EGR阀18。此外，EGR控制模块可以配置为当EGR流量传感器46指示负的排气再循环流时，响应于喘振抑制控制信号至少部分地开启EGR阀18。

图3示意性地示出示例瞬态TCS观测器38。该瞬态TCS观测器包括第一频率选择模块和第二频率选择模块、功率响应模块、及鉴别模块。在所述的实施例中，第一频率选择模块包括带通滤波器49。带通滤波器配置为从压力传感器22接收输出。带通滤波器可以是具有固定或可调节的低通带边缘频率和固定或可调节的高通带边缘频率的模拟滤波器。在一个实施例中，带通滤波器的低通带边缘频率可以是30弧度每秒，高通带边缘频率可以是80弧度每秒。具体地，例如，带通滤波器可以是二阶巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、或椭圆函数滤波器。虽然图3示出带通滤波器49配置为从压力传感器22接收输出，带通滤波器或其他的第一频率选择模块也可以是例如配置为从空气质量流量传感器20接收输出，或者配置为响应于发动机的进气压力和进入发动机的空气的质量流率中的一个或多个。

继续参考图3，第一频率选择模块配置为提供输出到功率响应模块。该功率响应模块可以是响应于处在通过第一频率选择模块选择的频率带中的传感器输出的功率的任何模块。在所述的实施例中，功率响应模块包括绝对值转换器50。绝对值转换器可以是配置为从第一频率选择模块接收正的或负的输入(例如，电压输入)且产生相应的正的输出的模拟电路。

继续参考图3，功率响应模块配置为提供输出到第二频率选择模块。在所述的实施例中，第二频率选择模块包括低通滤波器51。低通滤波器可以是具有固定或可调节的低通带边缘频率的模拟滤波器。在一个实施例中，低通滤波器的通带边缘频率可以是30弧度每秒。在一个具体的实施例中，带通滤波器可是二阶巴特沃斯滤波器。

继续参考图3，第二频率选择模块配置为提供输出到鉴别模块52。在所述的实施例中，鉴别模块包括比较器53、基准54、加法器55、及增量56。比较器可以配置为将第二频率选择模块的输出与基准54比较，基准54可以是固定或可调节的基准电压。在一个实施例中，当第二频率选择模块的输出超过基准时，比较器可以配置为改变输出电压状态(例如，从负到正)。比较器进一步配置为提供输出到加法器55。加法器配置为增加比较器的输出到增量56，增量56可以是例如固定或可调节的电压增量。在一个实施例中，增量可以是与比较器53的输出电压摆动大约相同的量。因此，鉴别模块可以配置为当第二频率选择模块的输出超过阈值时，指示喘振工况。鉴别模块可以进一步配置为当指示喘振工况时，提供喘振抑制控制信号到涡轮增压器。

虽然上述实施例描述在瞬态TCS观测器38的各种模块中使用模拟电路，但应理解通过数字电子设备和数字算法可以执行相等的功能。例如，一个或多个传感器信号可以经受模拟数字转换且通过电子控制单元中的车载计算机处理。车载计算机可以配置为执行合适的频率选择和功率响应算法以提供指示的功能。

图4示出假设的涡轮增压发动机系统中进气压力和TCS标记逻辑对时间的图表。图4的第一曲线58是在包括瞬态TCS事件60的时期上的增压压力对时间的曲线。第二曲线62是TCS标记42的逻辑状态的曲线，通过该标记电子控制单元24指示TCS。在所述的示例中，进入TCS事件60大约100毫秒后，瞬态TCS观测器触发，且通过改变TCS标记42的状态指示该事件。

图5示出响应于涡轮增压发动机系统中的瞬态TCS的示例方法64。虽然在此参考上文描述的示例配置讨论方法64，但是应理解通过各种其他的配置也可以执行该方法。

方法64在步骤65开始，在步骤65在机动车辆的电子控制单元中接收传感器的输出信号。在一些实施例中，输出信号可以响应于例如涡轮增压器压缩机的下游的压力、进气冷却器(附图中未示出)的下游的压力、和/或进气歧管的上游的压力。在另一个示例中，输出信号可以响应于进入发动机进气系统的空气的质量流率，或响应于正规化的质量流量参数。该方法进行到步骤66，在步骤66对该信号施加带通滤波。例如，如上所述，可以通过模拟电路施加带通滤波，或可以通过傅里叶滤波遵循的模拟数字转换用数字方法施加带通滤波。

方法64继续进行到步骤68，在68计算带通滤波信号的绝对值。该方法继续到步骤70，在步骤70对在步骤68确定的绝对值施加低通滤波。如上文所述，可以通过合适的模拟和/或数字电子设备执行步骤68和步骤70。结合一起，该方法的步骤66-步骤67可以产生在非零频率的预选范围上积分的所接收信号的功率的估计值。此外，通过在步骤66中的应用的通带可以确定非零频率的预选范围。在其他的实施例中，可以计算在非零频率的预选范围上积分的信号的功率的不同估计值。例如，可以根据修改的方法计算功率的不同的估计值，在修改的方法中使用带通滤波信号的平方而不是绝对值。

方法64然后继续到步骤72，在步骤72确定在步骤70计算的低通滤波结果是否超过阈值。若低通滤波结果超过阈值，则在步骤74，设定机动车辆的诊断系统中的TCS标记。该方法然后进行到步骤76，在步骤76开启涡轮增压器中的排出阀，进而排出正常将提供到发动机的进气系统的一些多余的压力。这是一种可以抑制喘振工况的方法。在其他的实施例中，当非零频率的预选范围中的信号功率超过预选阈值，可以调节机动车辆的一个或多个其他操作参数。调节这样的其他操作参数例如可以包括，开启涡轮增压器中的废气门、降低涡轮增压器的增压和/或转速、暂时开启或关闭EGR阀、或采取任何其他的操作抑制喘振工况。在一个实施例中，调节一个或多个操作参数可以包括当指示正的排气再循环流时至少部分地关闭排气再循环阀，及当指示负的排气再循环流时至少部分地开启排气再循环阀。按照此操作之后，或若确定低通滤波的结果不超过阈值，则该方法返回。

应理解可以结合适用于稳态TCS检测的其他方法使用方法64或相关的方法。因此，各种预期的方法还可以包括当发动机的进气压力超过基于进入发动机的空气的质量流率的临界压力时，调节一个或多个操作参数，或当进入发动机的空气的质量流率低于基于发动机的进气压力的临界质量流率时，调节一个或多个操作参数，其中临界压力和临界质量流率中的一个或多个基于涡轮增压器压缩机的稳态喘振工况。

应理解本文中公开的示例控制和估值例程可用于各种系统配置。这些例程可以表示不同的处理策略中的一种或多种，如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等。因此，所述的处理步骤可以表示编程到电子控制单元中的计算机可读存储介质中的代码。应理解本文中所述和/或所示的一些处理步骤在一些实施例中可以略去，而不脱离本发明的范围。类似地，处理步骤的所示顺序不是实现期望的结果所必需的，而是为便于演示和说明而提供。取决于所使用的具体策略，可以重复执行所示步骤、功能、或操作中的一个或多个。

最后，应理解，在本文中公开的系统和方法本质上是示例性的，且这些具体实施例不应被视为具有限制意义，因为大量的变体是可能的。因此，本发明包括本文描述的各种系统和方法的所有新颖和非显而易见的组合和子组合及其所有等价。