用具有动态估值器和预涡轮压力限制的固定几何形状涡轮增压器监测两级增压的方法

摘要

本发明涉及一种监测机动车内燃发动机（1）的空气增压的方法，上述内燃发动机配有增压分级双涡轮增压机（6，7），包括：由所述内燃发动机（1）的废气使之旋转的两个涡轮（10，12），由所述涡轮（10，12）中的每一个驱动的两个增压压缩机（11，13），以及两个高低压阀致动器（17，18）。所述方法包括将压缩机的压缩比（PR

说明书

技术领域

本发明涉及对机动车内燃发动机的控制。

更具体地，本发明涉及监测上述内燃发动机的空气两级增压。

本发明的一个具体有益应用涉及监测柴油机的增压，所述柴油机是通 过涡轮压缩机增压的，更具体地，是使用分级双涡轮压缩机结构来增压的。

背景技术

发动机控制是指通过控制内燃发动机的所有传感器和致动器来调节 内燃发动机的性能的技术。

发动机的所有控制法则和控制参数都包含在称为ECU或电子控制单 元的电脑里。

增压式发动机包括涡轮压缩机，所述涡轮压缩机包括由废气旋转地驱 动的涡轮以及由该涡轮驱动且用于增加进入气缸的空气量的压缩机。

为此，涡轮被置于排气歧管的出口处，而压缩机被安装在与涡轮相同 的轴上，并置于进气歧管的上游。

涡轮压缩机被串联连接，以使得低压压缩机向高压压缩机供给空气而 高压涡轮向低压涡轮供给气体。

由废气提供给高压涡轮和低压涡轮的动力可通过安装排放阀或翼片 来进行调节，所述排放阀或翼片影响经过涡轮（或提供给这些气体的流动 截面）的气体的流速。

这种类型的涡轮压缩机被称为固定几何形状涡轮压缩机。

伴随着增压式发动机性能的提高，增压压力水平也相应提高，因而涡 轮压缩机的负荷就会越来越重。因此重要的是，应尽可能细致地控制涡轮 压缩机以防其退化并提高车辆加速时的性能，尤其是增强发动机的动力， 即快速提高其转速的能力。

防污染标准越来越严格，发动机（尤其是柴油机）排放的颗粒量必须 越来越少。因此，发动机的排放管线设有颗粒过滤器，用以减少排放至环 境的颗粒量。该装置的运用增加了排气背压。由于过滤器被充以颗粒，因 此该背压益发强大。就涡轮压缩机而言，这反映为膨胀比降低，伴随着废 气提供给涡轮的动力的减小，以及伴随着发动机性能的下降。为达到同等 水平的性能，需通过增加涡轮上游的压力来保持膨胀比。通常通过关闭排 放阀或调整翼片来实现上述增加。

通常基于解析压力设定点与测得的压力之间的差异，采用PID（比例、 积分、微分）调节器来将发动机进口歧管中的压力调节至大约为压力设定 值。

但这种调节方案很难执行，因为这必须使得歧管内的压力无论在稳定 操作条件还是在瞬态操作条件下都可以调整至压力设定点。

现有技术已试图实现这一目标。

对此，可参见文件US 2003/0010019，其采用了串级排列的两个调节 器；或文件FR 2 829 530，文中建议将涡轮压缩机的涡轮上游的压力值调 节至压力设定值，该压力设定值与涡轮压缩机的涡轮上游的最大允许压力 值相一致。

亦可参考文件WO 2004/00 99 84，文件提议采用随发动机状态而变的 位置设定点来监测增压；或文件WO 2004/027 238，文件提出可循序地调 节增压压力或调节用来调节废气动力的致动器的位置。

但所提出的现有技术解决方案无论在稳定操作条件还是瞬态操作条 件下均不允许控制增压压力以精确地监测发动机进气歧管内的压力，并且 与此同时限制涡轮压缩机上游的压力来保护发动机和涡轮压缩机。

发明内容

因此，本发明的目的旨在减少这些弊端，并提供用于监测增压式内燃 发动机的增压的方法和装置以实现以下三重目的，即监测瞬态操作条件下 的增压压力、监测稳定操作条件下的增压压力、以及限制涡轮上游的压力。

在双增压装置的控制的领域，本申请人研发了一种同时控制两个涡轮 压缩机的双回路控制法，如2008年6月4日提交的专利申请FR 08 53686 号中所描述的。该系统可提供卓越的性能，但在高压涡轮的上游需要排放 压力传感器。安装这样的传感器耗资不菲。本发明提出了省却该传感器。

为此，在只有一个涡轮压缩机的情况下，控制法有利地采用了可变的 压缩机压缩比来控制该涡轮压缩机。此外，在双涡轮压缩机的情况下，该 方法便将双回路控制改为在给定时间控制一个或另一个涡轮压缩机，并与 选择受控涡轮压缩机的管理单元相结合。

因此，本发明的第一方面涉及一种监测机动车的内燃发动机的增压的 方法，上述内燃发动机装备有分级双涡轮压缩机，所述分级双涡轮压缩机 包括由来自该发动机的废气旋转驱动的两个涡轮、由上述涡轮中的每个驱 动的两个增压器压缩机、以及用于高压阀和低压阀的两个致动器，以用于 调节废气的动力。

本方法还包括将压缩机的压缩比调节成大致为增压器压力比的设定 值，并调节膨胀比以限制涡轮上游的压力，一旦涡轮上游的压力超过一阈 值时即进行所述调节。

根据本发明的另一特征，根据进气歧管内的压力值和所述涡轮压缩机 的涡轮上游的压力值、并且根据第一、二阈值而产生用于启动和停止对涡 轮膨胀比的调节的信号。

当进气歧管内的压力值大于或等于第一阈值时，最好停止对涡轮的膨 胀比的调节。

当排气歧管内的压力值小于第二阈值时，有利地停止对压缩机的压缩 比的调节。

根据本发明的又一特征，可通过调节回路来实现对涡轮上游的压力的 限制，该调节回路接收设定值和压缩机压缩比估计值作为输入、并发送用 于高压阀和低压阀的致动器的控制信号作为输出。可根据启动和停止信号 值的变化来控制调节回路输入处设置的开关装置，以使得在调节回路的输 入处一方面显示涡轮的膨胀比的估计值或压缩机的压缩比的估计值，另一 方面显示任一设定值。

压缩机的压缩比的设定值可从图中产生，膨胀比的设定值可从排气歧 管内的压力与低压涡轮下游的测得的压力或高压涡轮下游的估计压力之 间的比率中产生。

高压涡轮下游的压力估计值有利地从低压涡轮压缩机的动态模型中 获得。

本发明的第二方面涉及一种用于监测机动车的内燃发动机的增压的 装置，所述内燃发动机装配有分级双涡轮压缩机，所述分级双涡轮压缩机 设有由来自该发动机的废气旋转驱动的两个涡轮以及设有由上述涡轮中 的每个驱动的两个增压器压缩机。

本装置还包括控制单元，其可将压缩机的压缩比调节至大约为增压器 压力比设定值并调节膨胀比以限制涡轮上游的压力值，一旦涡轮上游的压 力超过阈值时即进行调节。

根据另一特征，使用存储有用于高压阀和低压阀的致动器的预设值的 图，用于随发动机运行参数的变化来调节废气的动力，以及还使用根据取 自所述图的数值来预设所述致动器的装置。

附图说明

从通过非限制性实施例并结合附图给出的以下描述，本发明的其他目 的、特征和优点将变得显而易见，其中：

-图1示意性地示出了车用发动机的柴油内燃发动机的结构，其装配有 本发明的增压监测装置；

-图2示出了电路的调节级；

-图3示出了基于实体模型的低压涡轮压缩机的动态估值器。

具体实施方式

图1示意性地示出了机动车的柴油内燃发动机1的一般结构，及其冷 空气进气歧管2和排气歧管3。

如该图所示，允许冷空气进入发动机1的回路4基本包括空气过滤器 5，该空气过滤器通过低压第一级涡轮压缩机6和高压第二级涡轮压缩机7 对发动机1的进气歧管2进行供给。

本发明涉及排气歧管3，该排气歧管回收燃烧导致的废气并通过涡轮 压缩机6、7以及颗粒过滤器8将上述废气排放到外部，所述颗粒过滤器 被设计成用于减少排入环境的颗粒（尤其是煤烟）量。

热交换器9、9’可置于压缩机的各出口的后面，压缩机装配有管道4 来向进气歧管2供应冷空气。

涡轮压缩机6基本包括由废气驱动的涡轮10和安装在与涡轮10相同 轴上的压缩机11，该压缩机用来压缩由空气过滤器5分配的空气以增加进 入发动机1的气缸中的空气量。

涡轮压缩机7基本包括由废气驱动的涡轮12和安装在与涡轮12相同 轴上的压缩机13，该压缩机用来压缩由压缩机11分配的空气以增加进入 发动机1的气缸中的空气量。

此外，发动机1还连接有一个废气再循环回路14，该回路用来将上述 废气中的一些再次注入进气歧管2中，以特别限制所产生的氧化氮的量， 同时避免在废气中形成烟雾。

回路14基本包括用于控制再循环废气流速的电磁阀15。

发动机1与废气电路16相关。

该回路16基本包括被称为“旁通”阀的高压排放阀17和通常被称作 “排气泄压”阀的低压排放阀18，以调节由废气提供给高压涡轮10和低 压涡轮12的动力。

本发明的一个原理就是通过作用在相应高压阀17或低压阀18的致动 器上，来达到每次只控制一个涡轮压缩机6或7的目的。

此外，附图标记20表示的电子控制单元ECU用来采收由为此目的设 置的适当测量传感器（未示出）输送的信号P_coll和信号P_avt,t，以测量分别 位于进气歧管2中和高压涡轮12上游的压力。其作用在用于调节废气的 动力的构件（如排放阀）上，以便将进气歧管2内的压力值和涡轮压缩机 7的涡轮12上游的压力P_avt,t调节至大约为相应的设定值CONS_Pcoll和 CONS_Pavt。

单元ECU 20还会以本身公知的方式监测发动机1的操作。其具体作 用在电磁阀15上以调节再循环的气体量并调节发动机1的操作点。

当前描述涉及对涡轮压缩机7的高压涡轮12上游的压力P_avt,t的限制。 因此，以下关于单元ECU 20的描述将涉及使该种限制得以实现的基本装 置。

如图1所示，所述电子控制单元ECU 20基本包括调节单元，用来限 制涡轮压缩机1的涡轮12上游的压力P_avt,t。

更具体地，中央单元20包含有级21，用来调节膨胀比PR_t，其接收估 计的膨胀比PR_t，esti和估计的压缩比PR_c,esti作为输入；第一级22，用来产生 与进气歧管2允许的最大压力值相对应的第一压力阈值CONS_Pcoll；以及第 二级23，用以产生与废气歧管3允许的最大压力值相对应、与高压涡轮压 缩机7的涡轮12上游的允许压力相对应的第二压力阈值CONS_Pavt。

中央单元20还包含了第三级24、25，分别用来产生高压涡轮和低压 涡轮的膨胀比PR_t，esti的估计值；以及第四级26、27，用来分别产生高压涡 轮和低压涡轮的膨胀比PR_t，cons的设定值。

参照图2，只有当涡轮12上游的压力P_avt,t大于第一阈值CONS_Pavt时， 对涡轮12上游的压力P_avt,t的限制才起作用。这种情况下，由控制单元20 的第三级24、25和第四级26、27调节膨胀比PR_t。

本发明涉及了用来产生第一压力阈值CONSP_coll的第一级22，应注意 的是，比如，该级包含具有两个输入的存储区，预先通过学习程序获得的 由一组压力阈值CONSP_coll构成的数据存入于其中，每个压力阈值均对应 于发动机操作条件以及对应于燃料消耗水平。

本发明涉及了用来产生第二阈值CONS_Pavt的级23，其同样包含存储 区，对应于最大压力值的阈值CONS_Pavt存入于其中，在超过所述阈值的情 况下在涡轮压缩机6、7中很可能会出现故障。

该阈值CONS_Pavt最好由与瞬态操作条件下的设定值相对应的设定值 CONS_2l以及与稳定操作条件下的设定值相对应的设定值CONS_2p来进行补 充。

如图2所示，膨胀比调节级基本包括回路25，该回路通常包含调节器 26。

电路25接收由比较器30输送的误差信号E作为输入，所述比较器将 膨胀比的设定值PR_t，cons与膨胀比的估计值PR_t，esti进行比较或将压缩比的设 定值PR_c,cons与压缩比的估计值PR_c,esti进行比较。

电路25还包含级31，用以产生用于启动和停止对膨胀比PR_t的调节 的信号CPAVT。随着进气歧管2内压力P_coll值、涡轮压缩机7的涡轮12 上游的压力P_avt,t的变化，并随着设定值CONS_coll和CONS_Pavt的变化，将在 逻辑电路32中产生信号CPAVT。

为此，用于产生信号CPAVT的级31包括：第一比较器装置33，用来 比较进气歧管2中测得的压力P_coll值与相应设定值CONS_coll；和比较器装 置34，用来比较排气歧管3内测得的压力值P_avt,t和相应阈值CONS_Pavt， 这些比较的结果被提供给合适的逻辑电路32以产生启动和停止信号 CPAVT。

如果压力值P_avt,t大于相应的阈值CONS_Pavt，信号CPAVT能够启动开 关35、36，以将它们设定为涡轮12的膨胀比设定值PR_t，cons以及设定为膨 胀比估计值PR_t，esti。以这种方式，比较器30将膨胀比估计值PR_t，esti与膨胀 比设定值PR_t，cons进行比较。

同样地，如果压力P_coll值大于相应的阈值CONS_Pcoll时，信号CPAVT 能够启动开关35、36，以将它们设定为压缩机13的压缩比阈值PR_c,cons和 以及设定为压缩比估计值PR_c,esti。以这种方式，比较器30将压缩比估计值 PR_c，esti与压缩比阈值PR_c,cons进行比较。

换言之，如上所述，如果涡轮12上游测得的压力值P_avt,t大于第一阈 值CONS_Pavt，则对压缩比PR_c的调节将停止且对膨胀比PR_t的调节将启动， 以此来限制压力P_avt,t。另一方面，如果歧管2内的压力P_coll大于或等于阈 值CONS_coll，则对膨胀比PR_t的调节将停止且对压缩比PR_c的调节将启动。

比较器30输送的误差信号E将被传送至调节器37，以调节涡轮12的 膨胀比PR_t或压缩机13的压缩比PR_c。

此外，为改善调节回路的响应时间，低压（“旁通”）阀17和高压（“排 气泄压”）阀18的预设值将添加至调节器37的输出值。该预设值是随着 发动机转速N或燃料流速W的变化从图谱C（cartographie C）中提取的。

对涡轮12进行预设的图谱C包含在ECU 20内，并且能够随转速N 和流速W的变化获得涡轮压缩机7的调节的第一估计值，并因此能够有助 于这样的调节。此外，通过随着特别是气压和温度的变化而校正取自图谱 C的数值，就有可能随着比如高度或环境温度来优化涡轮12的预设值。要 注意，涡轮12的该预设值可使涡轮压缩机7处于稳定操作条件下的有效 初始状态，这使得能够以良好的启动调节进入瞬态操作条件。

通过一求和单元38对来自调节器37的输出和来自图谱C的输出进行 求和，以便确定低压排放阀WG 18和高压排放阀WG 17的位置。

如图3所示，低压涡轮压缩机6性能的动态估值器是基于实体模型的， 并且能够估算低压涡轮10上游的压力P_avt,t和低压压缩机11下游的压力 P_aval,c。

低压涡轮压缩机6的该动态估算可消除高压涡轮压缩机在瞬态操作条 件下超速的风险，而无需添加专门的传感器。

动态估值器会显示以下内容作为输入：通过流量计（未示出）测得的 来自压缩机11的空气流速W_avt,c；压缩机11上游的压力值P_avt,c和温度值 T_avt,c；低压涡轮10的空气流速W_avt,t；以及低压涡轮10上游的温度值T_avt,t。

空气流速值W_avt,c和W_avt,t以及压力值P_avt,c和P_avt,t是通过传感器（未示 出）获得的。

低压压缩机11处计算出来的动力是通过方框40内的下述等式进行计 算的：

$P_c=W_{\mathrm{avt},c}{C}_p\frac{1}{{\eta }_c}{T}_{\mathrm{avt},c}({\mathrm{PR}}_{c,\mathrm{esti}}^{\frac{\gamma }{\gamma -1}}-1)---\left(1\right)$

为此，测量压缩机上游的流速W_avt,c和温度T_avt，c。Cp是恒压下在涡轮 压缩机6内流动的流体的热容，γ是该同一流体在恒压下的热容与恒容积 下的热容之间的比率。

可从涡轮压缩机制造商提供的静态图谱C中获得压缩比PR_c，esti和效率 η_c。这些量级可随通过以下公式确定的变量的变化进行计算：

${\mathrm{PR}}_{C,\mathrm{esti}}=f_1(W_{\mathrm{avt},c}\frac{\sqrt{T_{\mathrm{avt},c}}}{P_{\mathrm{avt},c}},N_t\frac{1}{\sqrt{T_{\mathrm{avt},c}}})---\left(2\right)$

${\eta }_C=f_2(W_{\mathrm{avt},c}\frac{\sqrt{T_{\mathrm{avt},c}}}{P_{\mathrm{avt},c}},N_t\frac{1}{\sqrt{T_{\mathrm{avt},c}}})---\left(3\right)$

低压压缩机11上游的压力P_avt,c是测得的。涡轮压缩机的转速N_t是由 动态估值器提供的，函数f₁和f₂可从涡轮压缩机制造商提供的包含在方框 41中的数据中获取。

空气流速W_avt，c可通过比如布置在空气过滤器5出口处的热线传感器 （未示出）进行测量。压力P_avt，c可通过压电传感器（未示出）进行测量。

由涡轮10提供给驱动轴的动力P_t可通过方框42内的等式（4）进行 计算：

$P_t=W_{\mathrm{avt},t}{C}_p{\eta }_t{T}_{\mathrm{avt},t}(1-{\left(\frac{1}{{\mathrm{PR}}_{c,\mathrm{esti}}}\right)}^{\frac{\gamma -1}{\gamma }})---\left(4\right)$

在此并未测量涡轮10上游的温度T_avt，t，并假设在该温度T_avt，t、发电机 转速N_m和负荷M之间存在一种静态依赖关系：

T_avt，t=f₁(M，N_m)(5)

其中，M为注入的燃料量，N_m为发电机转速。

以与低压压缩机11相似的方式，涡轮10的流速W_avt，t、涡轮10的膨 胀比PR_t，esti以及涡轮10的转速N_t之间也存在一种静态关系。在涡轮10的 效率η_t、涡轮10的流速W_avt，t以及涡轮10的转速N_t之间也存在一种关系。

$W_{\mathrm{avt},t}\frac{\sqrt{T_{\mathrm{avt},t}}}{P_{\mathrm{avt},t}}=f_4({\mathrm{PR}}_{t,\mathrm{esti}},N_t\frac{1}{\sqrt{T_{\mathrm{avt},t}}})---\left(6\right)$

${\eta }_t=f_S(W_{\mathrm{avt},t}\frac{\sqrt{T_{\mathrm{avt},t}}}{P_{\mathrm{avt},t}},N_t\frac{1}{\sqrt{T_{\mathrm{avt},t}}})---\left(7\right)$

函数f₃、3/4由制造商提供，并包含在方框43中。

涡轮10的流速W_avt，t是从使用低一阶低通过滤器(未示出)在发动机 1的空气入口处测得的空气流速估算出来的。由于只有当(“排气泄压”) 阀18关闭时才使用低压估值器这个事实，因此上述简单化操作是合理的。

因此，涡轮10的效率η_t便可由已知的或估计的量级来确定。

另一方面，等式(4)需要关于低压涡轮10的膨胀比PR_t，esti的信息， 因为这还未测得。为此，应采用低压涡轮10下游的测得的压力P_dtBP并转 化等式(6)以获得如下等式：

$W_{\mathrm{avt},t}=\frac{P_{\mathrm{dtBP}}{\mathrm{PR}}_{t,\mathrm{esti}}}{\sqrt{T_{\mathrm{avt},t}}}{f}_4({\mathrm{PR}}_{t,\mathrm{esti}},N_t\frac{1}{\sqrt{T_{\mathrm{avt},t}}})---\left(6^{,}\right)$

可考虑方框43中的新函数f_S形成反函数，获得如下等式：

$f_S({\mathrm{PR}}_{t,\mathrm{esti}},N_t\frac{1}{\sqrt{T_{\mathrm{avt},t}}})={\mathrm{PR}}_{t,\mathrm{esti}},f_4({\mathrm{PR}}_{t,\mathrm{esti}},N_t\frac{1}{\sqrt{T_{\mathrm{avt},t}}})---\left(8\right)$

根据分别位于低压压缩机11下游的动力P和低压涡轮10上游的动力 P_t，采用了如下等式来确定低压涡轮压缩机6的轴处的动力：

$J.N_t\frac{{\mathrm{dN}}_t}{\mathrm{dt}}=P_t-P_c---\left(9\right)$

其中：

J是低压涡轮压缩机6的惯性，且

N_t是低压涡轮10的转速。

这是借助于根据方框44中包含的等式（10）而得来的递推方程在估 值器中进行的，其中，k是代表时间的递推指数：

$N_k=N_{k-1}+\left(\frac{P_t-P_c}{{J.N}_{k-1}}\right)---\left(10\right)$

这样不仅获得了低压涡轮压缩机6的转速估计值N^*，而且获得了压缩 机11中的压缩比估计值PR_c，esti以及涡轮10的膨胀比估计值PR_t，esti。根据 涡轮10的膨胀比PR_t，esti，可推出高压涡轮12的下游压力P_atTTP。

通过低压涡轮压缩机6的动态估值器，可避免高压涡轮压缩机7在瞬 态操作条件下的超速风险，并相对于给定的设定点减小增压响应时间。

设定值PR_t，cons是从涡轮上游的测得压力P_avt,t与高压涡轮12下游或低 压涡轮10下游的压力值P_dt之间的比率中产生的。

在高压调节区，膨胀比的设定值PR_t，cons由如下等式进行计算：

${\mathrm{PR}}_{t,\mathrm{cons}}=\frac{{\mathrm{CONS}}_{\mathrm{Pavt}}}{P_{\mathrm{dtHP}}},$

其中：

P_dtHP是从低压涡轮压缩机6的动态模型中获得的高压涡轮12下游的 压力估计值，

CONS_Pavt是高压涡轮12上游的压力阈值，其与排气歧管3中的压力 P_coll相对应。

在低压调节区，膨胀比的设定值PR_t，cons由如下等式进行计算：

${\mathrm{PR}}_{t,\mathrm{cons}}=\frac{{\mathrm{CONS}}_{\mathrm{Pavt}}}{P_{\mathrm{dtBP}}}$

其中：

P_dtBP是低压涡轮10下游的测得压力，

CONS_Pavt是低压涡轮10上游的压力阈值。

膨胀比的估计值PR_t，esti由如下等式进行计算：

在高压调节区，膨胀比的估计值PR_t，esti由如下等式进行计算：

${\mathrm{PR}}_{t,\mathrm{esti}}=\frac{P_{\mathrm{avt},t}}{P_{\mathrm{dtHP}}},$

其中：

P_avt,t是高压涡轮12上游的测得压力，

P_dtHP是从低压涡轮压缩机的动态模型中获得的高压涡轮12下游的压 力估计值。

在低压调节区，膨胀比的估计值由如下等式进行计算：

${\mathrm{PR}}_{t,\mathrm{esti}}=\frac{P_{\mathrm{avt},t}}{P_{\mathrm{dtBP}}}$

其中：

P_avt，t是低压涡轮10上游的测得压力，

P_dtBP是低压涡轮10下游的测得压力，

由于以上描述的本发明，使得监测内燃发动机的增压并限制涡轮上游 的压力成为可能。