СПОСОБ (ВАРИАНТЫ) И СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ НАДДУВОМ
METHOD (VERSIONS) AND SUPERCHARGING CONTROL SYSTEM

Область техники
Настоящее изобретение в целом относится к способам и системам для управления температурой турбины в ступенчатых системах двигателей с наддувом, оснащенных турбонагнетателем и нагнетателем.
Уровень техники/Сущность изобретения
Системы двигателя могут быть выполнены с устройствами наддува, такими как турбонагнетатели или нагнетатели, для обеспечения подачи наддувочного воздуха и повышения максимальной мощности на выходе. Использование компрессора позволяет двигателю с меньшим рабочим объемом обеспечивать такую же мощность, как и двигатель с большим рабочим объемом, но при дополнительных преимуществах в экономии топлива. Кроме того, одно или несколько наддувочных устройств могут быть последовательно или параллельно установлены на впускной турбонагнетатель для улучшения отклика наддува двигателя с турбонагнетателем.
Один из примеров многоступенчатой наддувочной системы показан Стюартом в патенте США 7985730. В нем турбина высокого давления установлена выше по потоку от турбины низкого давления, каждая турбина соединена с соответствующим компрессором. Многоступенчатая конструкция предусматривает несколько степеней свободы системы двигателя с наддувом, что обеспечивает управление двумя заданными значениями, одно из которых содержит давление наддува.
Однако в настоящей заявке авторы выявили возможные проблемы с такими многоступенчатыми системами. В одном из примеров системы двигателей с турбонагнетателем могут иметь несколько технических ограничений, например, максимальная температура в системе впуска воздуха, которые могут быть нарушены при высокой нагрузке двигателя или при эксплуатации автомобиля на большой высоте. Таким образом, система впуска воздуха, как правило, выполнена из пластика, который может расплавиться, если температура на выпуске компрессора превышает критическую температуру в течение определенного периода времени. Например, целостность турбонагнетателя может быть нарушена при превышении периода времени работы 10 с при температуре на выпуске компрессора выше 400 К. Имеющиеся управляющие системы могут разрешить данную проблему посредством ограничения максимального давления наддува, если предполагается такое нарушение ограничения. Дополнительно можно отрегулировать приводы потока воздуха для снижения давления наддува, например, посредством открытия регулятора давления наддува и/или рециркуляционного клапана компрессора. Однако падение выходного давления наддува ниже давления наддува, требуемого водителем, может привести к заметному недостаточному обеспечению требуемого крутящего момента и ухудшению дорожных качеств автомобиля. Дополнительно ухудшаются впечатления водителя автомобиля от вождения.
Принимая во внимание данные проблемы, предусмотрен способ для улучшения управления компонентной температуры в двигателе с наддувом с множеством ступенчатых устройств наддува воздуха. Способ содержит: обход второго компрессора и подачу потока сжатого воздуха в поршневой двигатель первым компрессором; и в ответ на то, что температура на выпуске первого компрессора равна или выше, чем пороговое значение, ускорение второго компрессора. Таким образом, управление температурой турбонагнетателя обеспечивают без ухудшения мощности двигателя с наддувом.
В одном из примеров система двигателя с наддувом может содержать электрический турбонагнетатель, установленный ниже по потоку от турбонагнетателя. Например, нагнетатель может быть установлен ниже по потоку от охладителя наддувочного воздуха. При условиях, когда требуется наддув и турбина набирает обороты, может быть использован электрический нагнетатель для обеспечения подачи сжатого воздуха на двигатель. Затем, как только турбина наберет обороты, может быть использован компрессор турбонагнетателя для подачи сжатого воздуха на двигатель с обходом нагнетателя. Если компрессор турбонагнетателя достигает предельного значения температуры (например, предельная температура на выпуске компрессора), в то время как требуемое давление наддува обеспечивают с помощью турбонагнетателя, можно раскрутить электрический нагнетатель для снижения нагрузки на турбонагнетатель. В связи с распределением нагрузки между турбонагнетателем и нагнетателем, компрессор турбонагнетателя создает меньшую разность давлений, и, следовательно, меньший нагрев. В результате, температура на выпуске компрессора турбонагнетателя может быть ниже при распределении нагрузки, чем без распределения нагрузки. Компрессор нагнетателя может быть раскручен одним или несколькими электромоторами и коленчатым валом двигателя до частоты вращения, основанной на температуре на выпуске компрессора, частоту вращения увеличивают, когда температура на выпуске компрессора превышает предельную температуру. Дополнительно соотношение мощностей, подаваемых на нагнетатель электромотором и коленчатым валом, можно также отрегулировать на основе температуры на выпуске компрессора. Когда температура компрессора турбонагнетателя находится под контролем, нагнетатель может быть выключен, и сжатый воздух может быть снова подан через турбонагнетатель.
Техническим результатом разделения нагрузки наддува первого компрессора турбонагнетателя, расположенного выше по потоку, посредством эксплуатации второго компрессора нагнетателя, расположенного ниже по потоку, является то, что проблема повышения температуры компрессора турбонагнетателя может быть устранена без снижения мощности двигателя с наддувом. Посредством эксплуатации нагнетателя для снижения нагрузки наддува, обеспечиваемой турбонагнетателем, температура на выпуске первого компрессора может быть снижена без необходимости в снижении давления наддува на первом компрессоре посредством эксплуатации рециркуляционного клапана компрессора или регулятора давления наддува. Посредством снижения температуры компрессора турбонагнетателя продлевают срок службы компонентов. Посредством использования нагнетателя как для снижения температуры турбонагнетателя, так и для поддержания давления наддува, предотвращают недостаточное обеспечение требуемого крутящего момента, и дорожные качества автомобиля не ухудшаются. В целом, улучшается мощность системы двигателя с наддувом со ступенчатыми зарядными устройствами.
Следует понимать, что вышеуказанное краткое описание приведено лишь для упрощенного представления концепций, которые дополнительно раскрыты в разделе «Осуществление изобретения». Это описание не предназначено для обозначения ключевых или существенных отличительных признаков заявленного предмета изобретения, объем которого уникально определен формулой изобретения, приведенной после раздела «Осуществление изобретения». Кроме того, заявленный предмет изобретения не ограничивают вариантами осуществления, устраняющими какие-либо вышеуказанные недостатки или недостатки в любой другой части настоящего раскрытия.
Краткое описание чертежей
На ФИГ. 1 показан вариант осуществления системы двигателя с наддувом с множеством ступенчатых нагнетательных наддувочных устройств.
На ФИГ. 2 показана высокоуровневая блок-схема, иллюстрирующая алгоритм, который может быть внедрен для снижения температуры компрессора турбонагнетателя посредством эксплуатации компрессора нагнетателя.
На ФИГ. 3 представлена высокоуровневая блок-схема, иллюстрирующая алгоритм, который может быть внедрен для ускорения компрессора нагнетателя посредством использования переменного соотношения мощности от электромотора и мощности от коленчатого вала двигателя.
На ФИГ. 4 показаны примеры регулировок, которые могут быть использованы для снижения превышения температуры компрессора турбонагнетателя, установленного выше по потоку от компрессора нагнетателя.
Осуществление изобретения
Приведенное ниже описание касается систем и способов повышения контроля над температурой компрессора в системе двигателя со ступенчатыми наддувочными устройствами, например, в системе двигателя с наддувом на ФИГ. 1. Контроллер двигателя может быть выполнен с возможностью выполнения алгоритма, такого как примерный алгоритм на ФИГ. 2-3, для увеличения частоты вращения компрессора, расположенного ниже по потоку, чтобы уменьшить нагрузку и, следовательно, температуру компрессора, расположенного выше по потоку. Пример операции контроля температуры показан со ссылкой на ФИГ. 4. Посредством второго компрессора превышение температуры первого компрессора может быть ограничено, но при этом с поддержанием крутящего момента, требуемого водителем.
На ФИГ. 1 схематически показаны аспекты примерной системы 100 двигателя, содержащей двигатель 10. В изображенном варианте осуществления изобретения двигатель 10 представляет собой двигатель с наддувом, содержащий множество ступенчатых наддувочных устройств. В частности, двигатель 10 содержит первое наддувочное устройство 13, установленное ниже по потоку от второго наддувочного устройства 15. В результате конструкция содержит первый компрессор 114 (первого наддувочного устройства), установленный во впускном канале 42 двигателя ниже по потоку от второго компрессора 110 (второго наддувочного устройства). В данном примере первое наддувочное устройство - это турбонагнетатель 13, в то время как второе наддувочное устройство - это электрический нагнетатель 15.
Турбонагнетатель 13 содержит первый компрессор 114, приводимый в движение турбиной 116. Первый компрессор 114 показан как компрессор турбонагнетателя, механически соединенный с турбиной 116 посредством вала 19, турбину 116 приводят в действие расширяющимися отработавшими газами двигателя. В одном из вариантов осуществления изобретения турбонагнетатель может быть устройством с двойной улиткой. В другом варианте осуществления изобретения турбонагнетателем может быть турбонагнетатель с изменяемой геометрией (ТИГ), при котором геометрию турбины активно меняют в функциональной зависимости от условий работы двигателя. Свежий воздух подают по впускному каналу 42 в двигатель 10 через воздухоочиститель 112 и он поступает во второй компрессор 110. При определенных условиях, как указано ниже, воздух, сжатый турбонагнетателем 13, может рециркулировать от выхода на впуск компрессора 114 через перепускной канал 60 первого компрессора посредством регулирования открытия рециркуляционного клапана 62 компрессора (РКК). РКК 62 может быть клапаном с бесступенчатой регулировкой, и увеличение открытия рециркуляционного клапана может содержать приведение в действие (или питание) электромагнита клапана.
Как показано на ФИГ. 1, первый компрессор 114 соединен посредством охладителя 18 наддувочного воздуха (ОНВ) (здесь и далее - промежуточный охладитель) с дроссельной заслонкой 20. Дроссельная заслонка 20 соединена с впускным коллектором 22 двигателя. Наддувочный воздух из первого компрессора проходит через охладитель 18 наддувочного воздуха и дроссельную заслонку во впускной коллектор. Охладитель наддувочного воздуха может представлять собой, например, воздухо-воздушный или водо-воздушный теплообменник. В варианте осуществления изобретения, изображенном на ФИГ. 1, давление наддувочного воздуха во впускном коллекторе определяют датчиком 124 давления воздуха в коллекторе (ДВК).
Электрический нагнетатель 15 содержит второй компрессор 110, приводимый в движение электромотором 108. В частности, вентилятор компрессора приводят в движение мощностью, получаемой от электромотора по вал 80 компрессора нагнетателя. Питание мотора 108 осуществляют от встроенного аккумулятора, например, системного аккумулятора 106. Воздух, сжатый первым компрессором 114, затем подают на второй компрессор 110. Свежий воздух, поступающий на впуск второго компрессора 110, затем вводят в двигатель 10. При определенных условиях, как указано ниже, воздух может обходить нагнетатель 15 и быть направлен через перепускной канал 70 второго компрессора посредством регулирования открытия перепускного клапана 72. В этих условиях сжатый воздух может быть подан на двигатель первым компрессором 114 только турбонагнетателя.
Второй компрессор нагнетателя 15 может быть дополнительно приведен в движение коленчатым валом двигателя посредством муфты с шестерней. Таким образом, крутящий момент двигателя может быть передан на колеса 47 автомобиля по валу 84 трансмиссии. В частности, крутящий момент двигателя может быть передан от коленчатого вала 40 на трансмиссию 48, а затем - на колеса 47. Трансмиссия 48 может быть ступенчатой трансмиссией, содержащей множество передаточных чисел, что позволяет двигателю 10 производить вращение с частотой, отличающейся от частоты вращения колес 47. Муфта (не показана) может быть предусмотрена между коленчатым валом 40 и трансмиссией 48. Посредством изменения способности муфты передавать крутящий момент (например, степень пробуксовки муфты) степень крутящего момента двигателя, передаваемого на колеса посредством вала трансмиссии, может быть модулирована. В дополнение к передаче крутящего момента двигателя на колеса автомобиля крутящий момент двигателя может быть передан на вал 80 компрессора нагнетателя посредством системы 86 привода. В частности, крутящий момента двигателя может быть передан от коленчатого вала 40 на вал 80 компрессора нагнетателя в месте ниже по потоку от электромотора 108 посредством муфты 82. Посредством изменения способности муфты 82 передавать крутящий момент (например, степени пробуксовки муфты) степень крутящего момента двигателя, используемая для приведения в движение компрессора нагнетателя (относительно крутящего момента мотора), может быть модулирована. Несмотря на то, что не отображено, множество передаточных чисел может быть включено в систему 86 привода, чтобы позволить двигателю 10 производить вращение с частотой, отличающейся от частоты вращения вала компрессора 110 нагнетателя. Следует понимать, что в альтернативных вариантах осуществления изобретения система 86 привода может быть соединена с валом 80 компрессора нагнетателя в месте выше по потоку от электромотора 108. Соотношение мощности, электрически приводящей в движение компрессор нагнетателя посредством электромотора, и мощности, механически приводящей в движение компрессор нагнетателя посредством коленчатого вала двигателя, может быть отрегулировано на основе рабочих условий двигателя, как показано на ФИГ. 3.
Следует понимать, что в контексте настоящего документа первый компрессор относится к одному из ступенчатых компрессоров, расположенному ниже по потоку, а второй компрессор относится к одному из ступенчатых компрессоров, расположенному выше по потоку. В одном примере, не имеющем ограничительного характера, согласно изображенному, первый компрессор, расположенный ниже по потоку, представляет собой компрессор турбонагнетателя, а второй компрессор, расположенный выше по потоку, представляет собой компрессор нагнетателя. Однако возможны другие комбинации и конструкции наддувочных устройств.
При выбранных условиях, например, при нажатии на педаль акселератора, при переходе от эксплуатации двигателя без наддува к эксплуатации двигателя с наддувом возможно возникновение турбоямы. Это связано с задержками набора оборотов турбины и сокращенным потоком через первый компрессор 114 при открытии дроссельной заслонки во время нажатия на педаль акселератора. Для уменьшения турбоямы при таких выбранных условиях могут быть введены в работу нагнетатель 15 и турбонагнетатель 13. В частности, во время набора турбиной 116 оборотов компрессор 110 нагнетателя, расположенного ниже по потоку, может обеспечить давление наддува. Введение в работу нагнетателя содержит извлечение энергии из батареи 106 для вращения мотора 108, чтобы тем самым увеличить частоту вращения вала второго компрессора 110. Дополнительно, перепускной клапан 72 может быть закрыт, чтобы обеспечить сжатие большой части воздуха вторым компрессором 110. Затем, когда турбина наберет значительное количество оборотов и будет способна привести в движение первый компрессор 114, частота вращения вала второго компрессора может быть снижена посредством отключения мотора 108. Дополнительно, перепускной клапан 72 может быть открыт, чтобы обеспечить обход большой части воздуха второго компрессора 110.
Таким образом, турбонагнетатели могут иметь некоторые аппаратные ограничения, такие как максимальная температура на выпуске компрессора, которая может быть выдержана. Если температура на выпуске компрессора превышает данное максимальное значение в течение определенного периода времени, стабильность турбонагнетателя может быть снижена, например, в связи с расплавлением корпуса турбонагнетателя. Как детально раскрыто в соответствии с ФИГ. 2-3, при условиях, когда обнаружено или прогнозируется нарушение ограничений, например, когда прогнозируется или обнаружено, что температура на выпуске компрессора турбонагнетателя буде выше порогового значения, контроллер может снижать нагрузку компрессора турбонагнетателя посредством введения в работу компрессора нагнетателя. В частности, второй компрессор может быть снова введен в работу и его частота вращения увеличена, что приведет к падению нагрузки на первом компрессоре. Посредством второго компрессора для снижения нагрузки первого компрессора температура на выпуске первого компрессора может быть снижена без необходимости в корректировке потока воздуха двигателя и без недостаточного обеспечения крутящего момента двигателя.
При выбранных условиях, например, при нажатии на педаль акселератора, при переходе от эксплуатации двигателя с наддувом к эксплуатации двигателя без наддува или с ограниченным наддувом, возможен помпаж компрессора. Это связано со сниженным потоком через первый компрессор при закрытии дроссельной заслонки во время нажатия на педаль акселератора. Ограниченный прямой поток через первый компрессор может вызвать помпаж и снижение мощности турбонагнетателя. Дополнительно, помпаж может привести к проблемам с шумом, вибрацией и резкостью (ШВР), например, нежелательным шумам из впускной системы двигателя. Для снижения помпажа компрессора, по меньшей мере, часть наддувочного воздуха, сжатого первым компрессором 114, может быть рециркулирована на вход компрессора. Это позволяет немедленно значительно сбросить избыточное давление наддува. Рециркуляционная система компрессора может содержать рециркуляционный канал 60, содержащий рециркуляционный клапан 62 компрессора, для рециркуляции (теплой) сжатого воздуха с выпуска первого компрессора 114 выше по потоку от охладителя 18 наддувочного воздуха на впуск первого компрессора 114. В некоторых вариантах осуществления рециркуляционная система компрессора может в качестве альтернативы или дополнения содержать рециркуляционный канал для рециркуляции (холодной) сжатого воздуха с выпуска компрессора ниже по потоку от охладителя наддувочного воздуха на впуск компрессора.
Один или оба клапана 62 и 72 могут быть клапанами с бесступенчатой регулировкой, где положение клапана постоянно изменяется с полностью закрытого на полностью открытое. В качестве альтернативы, рециркуляционный клапан 62 компрессора может быть клапаном с бесступенчатой регулировкой, в то время как перепускной клапан 72 компрессора является двухпозиционным клапаном. В некоторых вариантах осуществления РКК 62 может обычно быть частично открытым в условиях работы двигателя с наддувом для обеспечения запаса по помпажу. В данном случае положение частичного открытия может быть положением клапана по умолчанию. Тогда, в ответ на указание на помпаж, величина открытия РКК 62 может быть увеличена. Например, клапаны могут быть перемещены из положения по умолчанию - положение частичного открытия - в полностью открытое положение. Степень открытия клапанов в этих условиях может быть основана на указании на помпаж (например, степень сжатия, расход компрессора, перепад давления на компрессоре и т.д.). В других примерах РКК 62 может быть удержан в закрытом положении во время работы двигателя с наддувом (например, в условиях пиковой мощности), чтобы улучшить отклик на наддув и пиковую мощность.
Один или более датчиков могут быть соединены с впуском первого компрессора 114 (не показаны) и/или второго компрессора 110 (не показаны). Например, датчик 55 температуры может быть соединен с впуском для расчета температуры на впуске компрессора. В другом примере датчик 56 давления может быть соединен с впуском для расчета давления воздуха, поступающего в компрессор. Другие датчики могут включать в себя, например, датчики воздушно-топливного отношения, датчики содержания влаги и т.д. В других примерах одно или более из условий на впуске компрессора (таких как влажность, температура и т.д.) могут быть получены на основе рабочих условий двигателя. Датчики могут рассчитывать состояние впускного воздуха, поступающего на впуск компрессора из впускного канала, а также рециркулируемого наддувочного воздуха из точки выше по потоку от ОНВ. Один или более датчиков могут быть также соединены с впускным каналом 42 выше по потоку от компрессора 114 и компрессора 110 для определения состава и состояния наддувочного воздуха, поступающего в компрессор. Эти датчики могут включать в себя, например, датчик 57 расхода воздуха в коллекторе.
Впускной коллектор 22 соединен с системой камер 30 сгорания через ряд впускных клапанов (не показаны). Камеры сгорания в свою очередь соединены с выпускным коллектором 36 через ряд выпускных клапанов (не показаны). В изображенном варианте осуществления изобретения показан единственный выпускной коллектор 36. В то же время в других вариантах осуществления изобретения выпускной коллектор может включать в себя множество секций выпускного коллектора. Конфигурации с множеством секций выпускного коллектора могут обеспечивать направление стока из разных камер сгорания в разные участки системы двигателя.
В одном из вариантов осуществления изобретения каждый из выпускных и впускных клапанов может быть приведен в действие электронно или может быть осуществлено электронное управление их работой. В другом варианте осуществления изобретения каждый из выпускных и впускных клапанов может быть приведен в действие кулачками или может быть осуществлено управление их работой посредством кулачков. Независимо от того, осуществлен ли электронный привод или привод от кулачков, синхронизация открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов может быть отрегулирована по мере необходимости для требуемых характеристик сгорания и контроля токсичности.
В камеры 30 сгорания может быть подан один или более видов топлива, таких как бензин, спиртовая смесь, дизельное топливо, биодизельное топливо, сжатый природный газ и т.д. Топливо может быть подано в камеры сгорания с использованием непосредственного впрыска, распределенного впрыска, впрыска в корпусе дроссельных заслонок или любого их сочетания. В камерах сгорания сгорание может быть инициировано посредством искры зажигания и/или сжатия.
Как показано на ФИГ. 1, отработавшие газы из одной или нескольких секций выпускного коллектора направляют в турбину 116 для ее вращения. При необходимости меньшего вращения турбины часть отработавших газов может быть направлена вместо этого через регулятор 90 давления воздуха в обход турбины. Привод 92 регулятора давления наддува может быть открыт для сброса, по меньшей мере, части давления отработавших газов, поступающих из точки выше по потоку от турбины, в точку ниже по потоку от турбины через регулятор 90 давления наддува. Посредством уменьшения давления отработавших газов выше по потоку относительно турбины частота вращения турбины может быть уменьшена.
Затем объединенный поток с турбины и регулятора давления воздуха проходит через устройство 170 контроля выбросов. Обычно одно или несколько устройств 170 контроля токсичности может включать в себя один или несколько катализаторов очистки отработавших газов, выполненных с возможностью каталитической обработки потока отработавших газов и соответствующего снижения концентрации одного или более веществ в потоке отработавших газов. Например, каталитический нейтрализатор системы дополнительной очистки отработавших газов может быть выполнен с возможностью улавливания NOx (оксидов азота) из потока отработавших газов, когда поток отработавших газов - бедный, и уменьшения улавливаемых NOx, когда поток отработавших газов - богатый. В других примерах каталитический нейтрализатор системы дополнительной очистки отработавших газов может быть выполнен с возможностью диспропорционирования NOx или избирательного уменьшения количества NOx с помощью восстанавливающего агента. В других примерах каталитический нейтрализатор системы дополнительной очистки отработавших газов может быть выполнен с возможностью окисления остаточных углеводородов и/или моноксида углерода в потоке отработавших газов. Различные каталитические нейтрализаторы системы дополнительной очистки отработавших газов, обладающие каким-либо из такого функционала, могут быть установлены в покрытиях из пористого оксида или другим способом на ступенях дополнительной очистки отработавших газов, раздельно или вместе. В некоторых вариантах осуществления ступени дополнительной очистки отработавших газов могут включать в себя регенерируемый сажевый фильтр, выполненный с возможностью улавливания и окисления частиц сажи в потоке отработавших газов.
Все или часть обработанных отработавших газов могут быть выделены из устройства 170 контроля токсичности в атмосферу через выхлопной тракт 35. В зависимости от рабочих условий вместо этого некоторое количество отработавших газов может быть отведено в впускной канал через канал РОГ (не показан), включающий в себя охладитель РОГ и клапан РОГ. РОГ могут быть рециркулированы на впуск первого компрессора 114, второго компрессора 110 или на впуски обоих компрессоров.
Система 100 двигателя может дополнительно содержать управляющую систему 14. Система 14 управления показана с возможностью получения информации от нескольких датчиков 16 (различные примеры которых раскрыты в настоящем документе) и передачи управляющих команд на несколько приводов 81 (различные примеры которых раскрыты в настоящем документе). Например, датчики 16 могут включать в себя датчик 126 отработавших газов выше по потоку от устройства контроля токсичности, датчик 124 ДВК, датчик 128 температуры отработавших газов, датчик 129 давления отработавших газов, датчик 55 температуры на впуске компрессора, датчик 56 давления на впуске компрессора и датчик 57 МРВ. Другие датчики, такие как дополнительные датчики давления, температуры, воздушно-топливного отношения и состава, могут быть подсоединены в различных местах в системе 100 двигателя. Приводы 81 могут включать в себя, например, дроссель 20, рециркуляционный клапан 62 компрессора, перепускной клапан 72 компрессора, электромотор 108, привод 92 регулятора давления наддува и топливную форсунку 66. Управляющая система 14 может содержать контроллер 12. Контроллер может принимать входные данные от различных датчиков, обрабатывать их и задействовать различные приводы на основе принимаемых сигналов и инструкций, хранимых в памяти контроллера. Контроллер 12 может задействовать приводы в ответ на обработанные входные данные на основе инструкции или кода, запрограммированного внутри, в соответствии с одним или более алгоритмами, такими как примерные управляющие алгоритмы, раскрываемые в настоящей заявке со ссылкой на ФИГ. 2-3.
Что касается ФИГ. 2, примерный алгоритм 200 показан для работы компрессора нагнетательного устройства (например, нагнетателя) ниже по потоку в ответ на температурное ограничение компрессора нагнетательного устройства (например, нагнетателя) ниже по потоку. Инструкции по осуществлению способа 200 и остальных способов, предусматриваемых данным раскрытием, могут быть выполнены контроллером на основании инструкций, хранящихся в памяти контроллера, и в сочетании с сигналами, получаемыми от датчиков системы двигателя, таких как датчики, раскрытые выше, применительно к ФИГ. 1. Контроллер может задействовать приводы двигателя системы двигателя для регулировки работы двигателя в соответствии со способами, раскрытыми ниже.
На шаге 202 способ включает в себя расчет рабочих условий двигателя, таких как частота вращения двигателя, положение педали, крутящий момент, требуемый водителем, окружающие условия (окружающая температура, давление, влажность), температура двигателя и т.д. На шаге 204 способ подразумевает определение того, необходим ли наддув. В одном из примеров наддув может потребоваться при средней-высокой нагрузке. В другом примере наддув может потребоваться в ответ на нажатие на педаль акселератора водителем или увеличение крутящего момента, требуемого водителем. Если наддув не требуется, например, когда нагрузка двигателя низкая, или, когда требуемый водителем крутящий момент - низкий, способ переходит к шагу 26, причем двигатель функционирует в атмосферном режиме.
Если требуется наддув, то на шаге 208 способ содержит включение второго компрессора, расположенного ниже по потоку, при этом турбина, соединенная с первым компрессором, расположенным выше по потоку, раскручивается. В данном случае в ответ на увеличение крутящего момента, требуемого водителем, второй компрессор ускоряют, и расход сжатого воздуха, подаваемого в двигатель, возрастает. В данном случае второй компрессор установлен ниже по потоку от первого компрессора по ходу впускного воздушного канала. Далее, второй компрессор приводят в действие электромотором, при этом первый компрессор приводят в действие газовой турбиной. В одном из примеров, как показано со ссылкой на ФИГ. 1, первый компрессор - это компрессор турбонагнетателя, при этом второй компрессор - это компрессор нагнетателя. В данном случае ускорение второго компрессора включает в себя вращение второго компрессора посредством электромотора с использованием энергии от аккумуляторной батареи, электромотор вращают посредством направления сигнала от контроллера на электромоторный привод от контроллера. В других случаях ускорение второго компрессора возможно за счет крутящего момента двигателя от коленчатого вала, например, посредством направления сигнала от контроллера на привод, чтобы муфта вошла в зацепление на приводной системе между коленчатым валом и компрессором. Второй компрессор ускоряют с частотой вращения, основанной на увеличении потребности в наддуве. Таким образом, сжатый воздух поступает в двигатель через второй компрессор.
Например, электрические нагнетатели могут иметь время отклика (то есть, с режима ожидания до режима 100%) 130-200 мс, и поэтому способны создавать наддув гораздо быстрее, по сравнению со временем отклика стандартного турбонагнетателя (1-2 с). Поэтому второй компрессор электрического нагнетателя может быть способен значительно быстрее справиться с турбоямой.
Поскольку происходит нагрев и создается давление отработавших газов в связи со сгоранием в цилиндре, частота вращения газовой турбины увеличивается, задействуя первый компрессор. На шаге 210 определяют, превышает ли частота вращения турбины пороговое значение, такое как пороговое значение, при котором турбонагнетатель способен поддерживать потребность в наддуве. Если не превышает, то работу второго компрессора (нагнетателя) поддерживают на шаге 212.
Если частота вращения турбины превышает пороговое значение, то на шаге 214 способ включает в себя замедление второго компрессора посредством выключения электромотора, например, на основе сигнала, полученного от контроллера. Кроме того, перепускной клапан (такой как перепускной клапан 72) может быть перемещен в более открытое положение посредством сигнала от контроллера, чтобы позволить воздуху, сжатому первым компрессором, проходить в обход второго компрессора и поступать в двигатель. Таким образом, после того как турбина раскручена до достаточной степени, способ включает в себя обход второго компрессора и подачу потока сжатого воздуха в поршневой двигатель через первый компрессор. В данном случае, сжатый воздух не поступает в двигатель через второй компрессор. Таким образом, посредством работы второго компрессора нагнетателя в периодическом режиме до тех пор, пока не раскрутят турбину турбонагнетателя, турбояму, вызванную задержкой раскручивания первого компрессора, уменьшают.
На шаге 216 может быть определено, работает ли первый компрессор в условиях, близких или равных аппаратному пределу, такому как предельная температура. В частности, может быть определено, превышает или равна ли температура на выпуске первого компрессора пороговому значению. В одном из примеров может быть определено, превышает ли температура на выпуске первого компрессора 400 К. В другом примере может быть определено, равна или превышает температура на выпуске первого компрессора пороговое значение в течение периода времени, превышающего заранее заданный период времени, например, температура равна или превышает 400 К в течение 10 с или более. Если температура на выпуске первого компрессора не равна или не близка к пороговому значению, то на шаге 217 способ включает в себя поддержание работы первого компрессора (турбонагнетателя). В частности, способ включает в себя продолжение подачи потока сжатого воздуха в поршневой двигатель (только) через первый компрессор, в обход второго компрессора. В данном случае контроллер может поддерживать положение одного или более приводом, таких как впускной дроссель и перепускной клапан, чтобы поддерживать работу первого компрессора и сохранять подачу в обход второго компрессора.
В ответ на то, что температура на выпуске первого компрессора превышает или равна пороговому значению, способ включает в себя ускорение второго компрессора для снижения нагрузки (и, следовательно, температуры первого компрессора). В частности, на шаге 218 способ включает в себя расчет частоты вращения второго компрессора, требуемой для снижения температуры на выпуске первого компрессора, на основе температуры на выпуске относительно порогового значения, при этом поддерживая давление наддува двигателя.
В данном случае, сначала требуемое давление наддува может быть определено на основе требуемого массового расхода воздуха (крутящий момент, требуемый водителем). Температура на выпуске компрессора турбонагнетателя затем может быть вычислена с помощью уравнения (1):
комп
где η - это изоэнтропический КПД компрессора, γ - это отношение удельных теплоемкостей воздуха, Р - это давление, а Т - это температура.
Если прогнозируемая температура на выпуске первого компрессора (на основе требуемого давления наддува) превышает максимальный температурный предел, мощность нагнетателя, требуемая для уменьшения температуры на выпуске компрессора до безопасного значения, может быть определена с использованием следующего уравнения (2):
где W - это мощность, ES - электрический нагнетатель.
На шаге 220 способ включает в себя сравнение рассчитанной частоты вращения второго компрессора с пороговой частотой вращения. Пороговая частота вращения может быть основана на максимальной мощности, доступной от электрического нагнетателя. Если расчетная частота вращения второго компрессора ниже, чем пороговая частота вращения второго компрессора (т.е. мощность, требуемая от нагнетателя, меньше, чем максимальная мощность, забираемая от нагнетателя), то способ включает в себя ускорение второго компрессора на шаге 222, чтобы снизить нагрузку и температуру первого компрессора. Ускорение второго компрессора включает в себя отсутствие обхода второго компрессора, при этом сохраняя подачу сжатого воздуха через первый компрессор. Далее, ускорение включает в себя работу электромотора на основе сигнала, полученного от контроллера, с частотой вращения на основе температуры на выпуске первого компрессора относительно порогового значения, частоту вращения электромотора увеличивают, когда температура на выпуске первого компрессора превышает пороговое значение. Ускорение второго компрессора может быть продолжено до тех пор, пока температура на выпуске первого компрессора не будет снижена ниже порогового значения. Затем второй компрессор может быть замедлен, и давление наддува может быть восстановлено с подачей только через первый компрессор.
Если расчетная частота вращения второго компрессора выше, чем пороговая частота вращения второго компрессора (т.е. мощность, требуемая от нагнетателя, равна или превышает максимальную мощность, забираемую от нагнетателя), то на шаге 224 способ включает в себя регулировку соотношения мощности, подаваемой во второй компрессор, от электромотора относительно коленчатого вала (как указано более подробно на ФИГ. 3). Таким образом, компрессор нагнетателя может быть приведен в действие механически коленчатым валом, соединенным с двигателем, и/или электрически посредством электромотора. В одном из примеров в ответ на то, что температура на выпуске первого компрессора превышает пороговое значение, приведение в действие второго компрессора от коленчатого вала может быть увеличено, при этом приведение в действие второго компрессора посредством электромотора может быть соответственно уменьшено. Например, степень проскальзывания муфты между коленчатым валом и вторым компрессором может быть уменьшена при получении сигнала от контроллера, и/или от контроллера может быть получен сигнал об уменьшении частоты вращения электромотора. Посредством регулировки соотношения между приведением в действие второго компрессора от коленчатого вала относительно приведения в действие от электромотора на основе температуры на выпуске первого компрессора, частота вращения компрессора нагнетателя может быть использована для управления частотой вращения турбонагнетателя без погрешностей наддува или перегрева компрессора нагнетателя.
На шаге 226 способ дополнительно включает в себя ускорение второго компрессора, при этом ограничивая крутящий момент двигателя. Ограничение крутящего момента двигателя может включать в себя одно или более из таких действий, как уменьшение давления наддува и уменьшение расхода впускного воздуха двигателя через первый компрессор. Например, расход впускного воздуха может быть уменьшен посредством регулировки электромеханического привода, соединенного с дросселем во впускной системе, чтобы повернуть клапан в положение с меньшей величиной открытия, когда управляющий сигнал направлен от контроллера на привод. В другом примере давление наддува может быть уменьшено посредством регулировки электромеханического привода, соединенного с первым компрессором, чтобы уменьшить частоту вращения первого компрессора. Например, выходной крутящий момент двигателя может быть ограничен и давление наддува может быть соответственно снижено. В данном случае, ограничение может быть основано на разности между расчетной частотой вращения компрессора и пороговой частотой вращения. Например, когда частота вращения (или мощность) второго компрессора превышает пороговую частоту вращения, ограничение может быть увеличено, и величина расхода впускного воздуха, подаваемого в двигатель, может быть уменьшена.
Что касается ФИГ. 3, способ 300 изображает алгоритм для регулировки соотношения мощности, подаваемой на компрессор нагнетателя через электромотор относительно мощности, подаваемой от коленчатого вала.
На шаге 302 способ включает в себя подтверждение запроса ускорения второго компрессора (или компрессора нагнетателя). В одном из примеров ускорение второго компрессора может потребоваться, чтобы уменьшить нагрузку и, следовательно, температуру компрессора турбонагнетателя, расположенного выше по потоку. Если не запрошено ускорение второго компрессора, на шаге 304 компрессор нагнетателя может быть оставлен незадействованным, и поток сжатого воздуха может поступать в двигатель через первый компрессор, при этом с подачей в обход второго компрессора.
Если требуется ускорение второго компрессора, то на шаге 306 способ включает в себя регулировку соотношения между приведением в действие второго компрессора (нагнетателя) механическим способом через коленчатый вал относительно приведения в действие второго компрессора (нагнетателя) электрическим способом от электромотора. Регулировка может быть основана на рабочих параметрах двигателя (таких как температура на выпуске первого компрессора, состояние заряда аккумуляторной батареи и т.д.). Регулировка может включать в себя увеличение механической мощности, подаваемой на компрессор нагнетателя от коленчатого вала двигателя, при этом соответственно снижая мощность, подаваемую от электромотора на шаге 307а. В другом примере регулировка может включать в себя увеличение мощности, подаваемой от электромотора, при этом соответственно уменьшая механическую мощность, подаваемую на компрессор нагнетателя от коленчатого вала двигателя (например, за счет большего проскальзывания муфты между коленчатым валом и валом компрессора нагнетателя). В одном из примеров, когда аккумуляторная батарея имеет низкий уровень заряда, большая доля механического приводного усилия для второго компрессора (нагнетателя) от коленчатого вала может быть применена относительно электрического приведения в действие второго компрессора (нагнетателя) от электромотора. В одном из примеров, когда температура на выпуске первого компрессора выше, большая доля механического приводного усилия для второго компрессора (нагнетателя) от коленчатого вала может быть применена относительно электрического приведения в действие второго компрессора (нагнетателя) от электромотора.
На шаге 308 может быть определено, ниже ли температура на выпуске первого компрессора порогового значения. Если не ниже, то способ включает в себя поддержание второго компрессора в задействованном состоянии и ускорение второго компрессора до тех пор, пока температура на выпуске первого компрессора не опустится ниже порогового значения. На шаге 310, когда температура на выпуске первого компрессора ниже, чем порогового значения, второй компрессор может быть замедлен и выключен. После этого подача наддувочного воздуха в двигатель может быть осуществлена только от первого компрессора.
Таким образом, способ для двигателя с наддувом содержит, при первом условии, в ответ на то, что температура на выпуске первого компрессора, расположенного выше по потоку, выше порогового значения, ускорение второго компрессора, расположенного ниже потоку, с первой частотой вращения, при этом поддерживания давление наддува; и при втором условии, в ответ на то, что температура на выпуске первого компрессора выше порогового значения, ускорение второго компрессора со второй частотой вращения, при этом уменьшая давление наддува. В данном случае вторая частота вращения превышает первую частоту вращения. В вышеуказанном варианте осуществления изобретения при каждом из условий, таких как первое условие и второе условие, сжатый воздух поступает в поршневой двигатель через первый компрессор, и ускорение второго компрессора включает в себя прекращение обхода второго компрессора. В любых из предыдущих вариантов осуществления изобретения разность между температурой на выпуске и пороговым значением выше при втором условии, чем при первом условии. Далее, второй компрессор приводят в действие одним или более из таких компонентов как электромотор, работающий от аккумуляторной батареи, и коленчатый вал двигателя, при этом первый компрессор приводится в действие турбиной. Далее, при втором условии ускорение второго компрессора осуществляют с более низким соотношением крутящего момента от электромотора относительно крутящего момента от коленчатого вала, при этом при первом условии ускорение второго компрессора осуществляют с большим соотношением крутящего момента от электромотора относительно крутящего момента от коленчатого вала. В любых из предыдущих вариантов осуществления каждое из таких условий как первое условие и второе условие включают в себя увеличение потребности водителя, при этом увеличение потребности водителя при втором условии выше, чем увеличение потребности водителя при первом условии.
Что касается ФИГ. 4, примерная карта 400 показана для улучшения управления температурой компрессора для турбонагнетателя, расположенного выше по потоку, за счет работы нагнетателя, расположенного ниже по потоку. На карте 400 изображено положение педали (ПП) на графике 402, открытие дросселя на графике 404, давление наддува на графике 406, частота вращения первого компрессора турбонагнетателя, расположенного выше по потоку, (част_комп1) на графике 408, температура на впуске первого компрессора турбонагнетателя, расположенного ниже по потоку, (СОТ_комп1) на графике 410, частота вращения второго компрессора нагнетателя, расположенного ниже по потоку, (част_комп2) на графике 414 и состояние заряда аккумуляторной батареи, соединенной с электромотором нагнетателя, на графике 418. Все графики изображены в зависимости от времени вдоль оси X. Следует отметить, что элементы, выровненные по временной шкале на графике, например, время t1, происходят одновременно, включая, например, ситуации, когда значение одного параметра возрастает, в то время как значение другого параметра снижается.
Перед t1 двигатель может работать без наддува в связи со сниженным крутящим моментом, требуемым водителем, и низкой скоростью хода автомобиля. В t1, в ответ на нажатие на педаль акселератора (график 402), может потребоваться наддув. Чтобы сократить турбояму, в ответ на потребность в наддуве, второй компрессор ускоряют с t1 до t2 для увеличения давления наддува. В данном случае второй компрессор может быть ускорен за счет работы электромотора, что, соответственно, приводит к снижению заряда аккумуляторной батареи.
Между t1 и t2 начинают работу двигателя с наддувом, температура и давление отработавших газов возрастает, турбина турбонагнетателя может быть раскручена, например, в t2, чтобы обеспечить ускорение первого компрессора. В t2, когда первый компрессор раскручен и функционирует, возможно замедление второго компрессора. Кроме того, воздух, сжатый первым компрессором, может быть подан в двигатель в обход второго компрессора. Между t2 и t3 требуемый крутящий момент и давление наддува может быть обеспечено посредством только первого компрессора.
В t3 компрессор турбонагнетателя может достичь порогового значения температуры на шаге 412. Пороговое значение температуры может соответствовать аппаратному пределу, при превышении которого во время работы может произойти ухудшение состояния компонентов турбонагнетателя. Поэтому, с целью осуществления управления температурой, в t3 нагнетатель повторно активируют, и второй компрессор ускоряют в течение периода времени с t3 до t5. В частности, второй компрессор работает с частотой вращения, которая позволяет снизить нагрузку первого компрессора, при этом сохраняя давление наддува. Снижение нагрузки первого компрессора позволяет уменьшить температуру первого компрессора. Таким образом, когда второй компрессор не функционирует, температура первого компрессора может быть увеличена, как указано пунктирным отрезком 411.
В частности, определена частота вращения второго компрессора, которая соответствует мощности нагнетателя или нагрузке, которая позволяет осуществлять контроль температуры турбонагнетателя. На изображенном примере частота вращения второго компрессора (график 414) находится в пределах ограничения 416 нагнетателя. В другом примере, если частота вращения второго компрессора, требуемая для контроля превышения температуры турбонагнетателя, превышает предел 416, то компрессор нагнетателя может работать с пороговой частотой вращения (как указано пунктирным отрезком 415), при этом ограничивая давление наддува (как указано пунктирным отрезком 407). В одном из примеров давление наддува ограничено за счет уменьшения расхода впускного воздуха посредством уменьшения открытия впускного дросселя (как указано пунктирным отрезком 405). Ограничение давления наддува в дополнение к ускорению компрессора нагнетателя может обеспечить контроль температуры турбонагнетателя.
В одном из примеров между t3 и t5 компрессор нагнетателя может быть ускорен за счет мощности, подаваемой от электромотора, что приводит к снижению заряда аккумуляторной батареи. Однако на изображенном примере, в связи с тем, что заряд аккумуляторной батареи становится ниже в t4, между t4 и t5, ускорение компрессора нагнетателя может быть достигнуто посредством уменьшения мощности электромотора (или крутящего момента электромотора), подаваемой на компрессор нагнетателя (как указано отсутствием дальнейшего уменьшения состояния заряда (СЗ) аккумуляторной батареи), и посредством увеличения крутящего момента, подаваемого на компрессор нагнетателя от двигателя (через коленчатый вал двигателя).
В t4, когда температура первого компрессора находится под достаточным контролем, второй компрессор нагнетателя может быть замедлен, и первый компрессор турбонагнетателя может быть ускорен, чтобы обеспечить соответствие требуемому крутящему моменту.
В одном из примеров система двигателя содержит: двигатель, оснащенный впуском; первый впускной компрессор, приводимый в действие газовой турбиной; второй впускной компрессор, приводимый в действие электромотором, с подачей питания на электромотор от аккумуляторной батареи, второй компрессор расположен ниже по потоку от первого компрессора по ходу впуска; датчик температуры, соединенный с выпускном первого компрессора, и контроллер. Контроллер может быть выполнен с машиночитаемыми инструкциями, сохраненными в долговременной памяти, для: в ответ на нажатие на педаль акселератора, задействования второго компрессора с выключенным первым компрессором до тех пор, частота вращения турбины не превысит пороговую частоту вращения; затем, в обход второго компрессора, при этом продолжают работу первого компрессора; и, в ответ на превышение температуры на выпуске первого компрессора порогового значения температуры, при этом продолжают работу первого компрессора, вращение второго компрессора. В предыдущем варианте осуществления изобретения контроллер может включать в себя дополнительные инструкции для вращения второго компрессора до тех пор, пока температура на выпуске первого компрессора не опустится ниже, чем пороговое значение температуры, и после снижения температуры на выпуске первого компрессора, отключение второго компрессора и подачу сжатого воздуха в двигатель только через первый компрессор. В предыдущих вариантах осуществления изобретения вращение второго компрессора включает в себя вращение электромотора с частотой вращения на основе разности между температурой на выпуске и пороговым значением температуры, с увеличением частоты вращения электромотора до пороговой частоты вращения по мере увеличения разности, с поддержанием давления наддува двигателя, когда частоту вращения электромотора увеличивают до пороговой частоты вращения электромотора. В любых из предыдущих вариантов осуществления изобретения контроллер включает в себя дополнительные инструкции для: после увеличения частоты вращения электромотора до пороговой частоты вращения электромотора, поддержание частоты вращения электромотора на предельном уровне, при этом ограничивая давление наддува, ограничение основано на температуре на выпуске. В любых из предыдущих вариантов осуществления изобретения ограничение давления наддува включает в себя уменьшение частоты вращения первого компрессора и/или уменьшение открытия впускного дросселя, расположенного выше по потоку от первого компрессора на впуске двигателя.
Таким образом, электрический нагнетатель может быть также использован для снижения вероятности перегрева компрессора на турбонагнетателе, расположенном выше по потоку, как, например, в двигателях с очень малым рабочим объемом. За счет использования нагнетателя для снижения нагрузки и температуры компрессора турбонагнетателя, возможно снижение аппаратных ограничений без потери давления наддува и ухудшения дорожных качеств автомобиля. В целом, увеличен срок службы компонентов турбонагнетателя без ухудшения способности двигателя обеспечивать соответствие крутящему моменту, требуемому водителем.
Следует отметить, что содержащиеся в настоящей заявке примеры алгоритмов управления и оценки могут быть использованы с разнообразными конфигурациями систем двигателя и/или автомобиля. Способы и алгоритмы управления, раскрытые в настоящей заявке, могут быть сохранены как исполняемые инструкции в долговременной памяти и выполнены управляющей системой, состоящей из контроллера и комбинации различных датчиков, приводов и других аппаратных средств двигателя. Конкретные алгоритмы, раскрытые в настоящей заявке, могут представлять собой любое количество стратегий обработки, таких как событийные, с управлением по прерываниям, многозадачные, многопоточные и т.п. Таким образом, проиллюстрированные разнообразные действия, операции и/или функции могут быть выполнены в указанной последовательности, параллельно или в некоторых случаях могут быть пропущены. Указанный порядок обработки не обязателен для достижения отличительных особенностей и преимуществ, раскрываемых в настоящей заявке вариантов осуществления изобретения, но служит для удобства иллюстрирования и описания. Одно или более из иллюстрируемых действий, операций и/или функций могут быть выполнены повторно в зависимости от конкретной применяемой стратегии. Более того, раскрытые действия, операции и/или функции могут представлять в графическом виде код, который должен быть запрограммирован в долговременную память среды хранения машиночитаемых данных компьютера в управляющей системе двигателя, в которой раскрытые действия могут быть выполнены посредством исполнения инструкций в системе, содержащей различные компоненты аппаратного обеспечения двигателя совместно с электронным контроллером.
Следует понимать, что конфигурации и алгоритмы, раскрытые в настоящей заявке, носят иллюстративный характер, и, что эти конкретные варианты осуществления изобретения не следует рассматривать в качестве ограничения, так как возможны многочисленные модификации. Например, вышеизложенная технология может быть применена в двигателях с конфигурацией цилиндров V-6, I-4, I-6, V-12, с 4-мя оппозитными цилиндрами и в двигателях других типов. Предмет настоящего раскрытия изобретения включает в себя все новые и неочевидные комбинации и подкомбинации различных систем и конфигураций, а также другие отличительные признаки, функции и/или свойства, раскрытые в настоящей заявке.
В нижеследующей формуле изобретения, в частности, указаны определенные комбинации и подкомбинации, которые считают новыми и неочевидными. В таких пунктах формулы изобретения ссылка может быть сделана на «какой-либо» элемент или «первый» элемент или эквивалент такого элемента. Следует понимать, что такие пункты формулы изобретения могут включать в себя один или более указанных элементов, не требуя и не исключая двух или более таких элементов. Иные комбинации и подкомбинации раскрытых отличительных признаков, функций, элементов и/или свойств могут быть включены в формулу путем изменения имеющихся пунктов формулы изобретения или путем представления новых пунктов формулы изобретения в настоящей или родственной заявке. Такие пункты формулы изобретения, независимо от того, являются ли они более широкими, более узкими, эквивалентными или отличающимися в отношении объема идеи первоначальной формулы изобретения, также считаются помещенными в предмет настоящего изобретения.