СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ КОНТРОЛЯ ДАВЛЕНИЯ НАДДУВА
METHOD AND SYSTEM FOR MONITORING SUPER PRESSURE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение в целом относится к способам и системам для регулировки давления наддува в ступенчатых системах двигателя с наддувом.
Уровень техники/Раскрытие изобретения
Для увеличения массового расхода воздуха в камере сгорания двигатели могут работать с использованием устройств наддува, таких, как турбонагнетатели или нагнетатели. Турбонагнетатели и нагнетатели сжимают впускной воздух, подаваемый в двигатель через впускной компрессор. Кроме того, для улучшения отклика наддува двигателя одно или более из устройств сжатия впускного заряда могут располагаться последовательно или параллельно.
Один из примеров многоступенчатого двигателя с наддувом раскрыт Стьюартом (Stewart) в патентном документе US 7958730. В этом документе многоступенчатые серии устройства турбонагнетателей содержат турбонагнетатель низкого давления и турбонагнетатель высокого давления, скоординированные для поддержки по меньшей мере одного параметра работы путем регулировки частот вращения турбонагнетателя. Турбонагнетатель низкого давления позволяет за счет быстрого ускорения компенсировать низкое ускорение турбонагнетателя высокого давления, что также известно, как явление провала тяги. Частота вращения компрессора любого турбонагнетателя может регулироваться путем открытия и закрытия соответствующей перепускной заслонки. Перепускная заслонка может иметь активный вакуумный привод для большей управляемости и экономии топлива.
Тем не менее, авторы настоящего изобретения обнаружили потенциальные проблемы с использованием подобных систем двигателя. В качестве примера, работа перепускной заслонки может быть ограничена во время работы двигателя при альтитуде. В частности, когда внешнее (барометрическое) давление при большей альтитуде падает, количество доступного резервного вакуума в емкости давления, соединенной с перепускной заслонкой, может уменьшиться. Проблема может ухудшиться во время движения вверх вслед за движением вниз. Во время торможения при движении вниз, система торможения, которая также является вакуумным приводом, может потреблять значительное количество резервного вакуума. В результате, во время последующего нажатия на педаль акселератора во время подъема, когда требуется закрытие перепускной заслонки, вакуума может быть недостаточно. Это может привести к частичному закрытию перепускной заслонки вместо полного и к временной потери производительности двигателя с наддувом.
Авторы настоящего изобретения распознали, что электрический наддув, обеспечиваемый приводимым в действие электрическим мотором компрессором турбонагнетателя, может иметь значительное прямое влияние на давление наддува в ступенчатой системе двигателя. Электрический наддув преимущественно может использоваться для пополнения наддува во время условий, когда перепускная заслонка ограничена. В одном примере вышеперечисленные проблемы могут быть по меньшей мере частично разрешены способом для двигателя с наддувом, содержащим шаги, на которых: ускоряют каждый из первого, расположенного выше по потоку, компрессора и второго, расположенного ниже по потоку, компрессора для обеспечения потока сжатого воздуха к поршневому двигателю, причем первый компрессор приводят в действие электрическим мотором, а второй компрессор приводят в действие турбиной; и регулируют работу первого компрессора в ответ на альтитуду работы транспортного средства. Таким образом, электронаддув может использоваться для контроля наддува во время условий, когда вакуум перепускной заслонки ограничен.
В качестве примера, электрический нагнетатель, включающий в себя компрессор, приводимый в действие электрическим мотором, может быть расположен выше по потоку от турбонагнетателя, включающего в себя компрессор, приводимый в действие газовой турбиной. Клапан перепускной заслонки с вакуумным приводом может быть соединен параллельно газовой турбине. Для сокращения провалов тяги, пока компрессор турбонагнетателя только раскручивается, электрический нагнетатель временно может работать для обеспечения давления наддува. В дополнение, во время нажатий на педаль акселератора, когда вакуум перепускной заслонки недостаточен и производительность перепускной заслонки ограничена, как, например, при высоких значениях альтитуды, электрический нагнетатель может работать для улучшения контроля давления наддува. Например, коэффициент усиления прямой или обратной связи электрического мотора электрического нагнетателя может быть настроен на более интенсивную работу в функции внешнего давления (или альтитуды). Это может включать в себя работу электрического мотора при большей длительности и/или с большей выходной мощностью на больших альтитудах. В дополнение, перепускной клапан, соединенный параллельно нагнетателю, может удерживаться в более закрытом положении на более долгий срок для увеличения воздушного потока через компрессор нагнетателя. Одновременно с этим, перепускная заслонка также может работать с большей настройкой усиления. Работа электрического нагнетателя может продолжаться, пока альтитуда не уменьшается или доступный резерв вакуума не превысит количество, необходимое для требуемого приведения в действие перепускной заслонки. Впоследствии, перепускная заслонка может быть закрыта для вращения турбины, и электрический наддув может быть снижен или прекращен, пока увеличивается наддув турбонагнетателя.
Таким образом, может улучшаться производительность двигателя с наддувом при высоких альтитудах. Технический эффект работы электрического нагнетателя для обеспечения наддувочного воздуха к двигателю во время условий, когда производительность перепускной заслонки сокращена, состоит в том, что двигатель может быть более оперативно обеспечен требуемым наддувочным потоком воздуха. Также, закрывая перепускной клапан электрического нагнетателя более интенсивно (например, на большую степень закрытия и на большую длительность), можно увеличить воздушный поток через нагнетатель и, более того, выходную мощность нагнетателя. В результате, отношение требуемого времени к крутящему моменту во время нажатия на педаль акселератора при растущих альтитудах может быть улучшено. Давление наддува может регулироваться быстрее и точнее через более интенсивную регулировку цепи управления нагнетателя до тех пор, пока не будет устранен недостаток вакуума в перепускной заслонке. Кроме того, цепь управления может регулироваться более интенсивно. Таким образом, улучшается отслеживание давления наддува.
Следует понимать, что вышеуказанное описание приведено для представления упрощенной формы некоторых идей, которые раскрываются дальше в осуществлении изобретения. Оно не обозначает ключевых или существенных признаков настоящего изобретения, а его объем определяется исключительно формулой изобретения, которая следует за осуществлением изобретения. Более того, настоящее изобретение не ограничивается вариантами осуществления, которые решают любые недостатки, указанные выше или в любой части настоящего раскрытия.
Краткое описание графических материалов
На ФИГ. 1 показан пример варианта осуществления системы двигателя с наддувом, включающей в себя множество ступеней устройств наддува заряда.
На ФИГ. 2 показана многоуровневая блок-схема, иллюстрирующая алгоритм, который может быть применен для регулировки давления наддува двигателя в системе двигателя, включающей в себя электрический нагнетатель и турбонагнетатель.
На ФИГ. 3А-3B показан пример регулировок, которые могут использоваться для улучшения отклика при изменении условий наддува, посредством использования электрического нагнетателя во время работы двигателя при больших альтитудах, когда работа перепускной заслонки ограничена.
Осуществление изобретения
Нижеследующее описание относится к системам и способам улучшения контроля наддува в системе двигателя, имеющей ступенчатые устройства наддува, такой, как система двигателя с наддувом по ФИГ. 1, где турбонагнетатель расположен ниже по потоку от электрического нагнетателя. Контроллер может быть выполнен с возможностью исполнения алгоритмов, таких, как пример алгоритма на ФИГ. 2, для того, чтобы использовать электрический нагнетатель для обеспечения требуемого давления наддува во время условий, когда доступный для приведения в действие клапана перепускной заслонки турбины вакуум ограничен, например, во время работы двигателя при больших альтитудах. Пример регулировок координированной операции контроля наддува для электрического нагнетателя и клапана перепускной заслонки раскрыт со ссылками на ФИГ. 3А-3В. Таким образом, может быть улучшен отклик наддува при высоких альтитудах.
На ФИГ. 1 схематично изображены аспекты примера системы 100 двигателя, включающей в себя двигатель 10. Двигатель 10 может быть соединен с системой обеспечения движения, такой, как дорожное транспортное средство.
В раскрытом варианте осуществления, двигатель 10 является двигателем с наддувом, включающим в себя множество ступенчатых устройств наддува. В частности, двигатель 10 включает в себя первое устройство 15 наддува, расположенное выше по потоку от второго устройства 13 наддува. В такой конфигурации второй компрессор 114 (второго устройства наддува) расположен во впускном канале 42 двигателя ниже по потоку от первого компрессора 110. В настоящем примере, вторым устройством наддува является турбонагнетатель 13, в то время как первым устройством наддува является электрический нагнетатель 15. Расположенный ниже по потоку турбонагнетатель 13 может производить большее давление наддува, чем нагнетатель 15. В данном случае, расположенный ниже по потоку компрессор больше, чем расположенный выше по потоку компрессор. Например, расположенный ниже по потоку компрессор турбонагнетателя может иметь большую инерцию, большее поперечное сечение потока, и т.д, и, следовательно, может обеспечивать большее давление наддува при большей длительности, по сравнению с расположенным выше по потоку компрессором нагнетателя.
Электрический нагнетатель 15 включает в себя первый компрессор 110, приводимый в действие электрическим мотором 108. Мотор 108 питается автономным устройством накопления энергии, как, например, системный аккумулятор 106. Электрический мотор 108 работает для обеспечения выходной мощности (например, частоты вращения мотора), основанной на требуемом давлении наддува. Например, электрический мотор могут вращать для увеличения частоты вращения (ускорения) первого компрессора. Первый компрессор 110 могут замедлять сокращением частоты вращения мотора электрического мотора 108, например, путем сокращения питания, поставляемого мотору от аккумулятора. Второй компрессор 114 приводят в действие газовой турбиной 116.
Свежий воздух поступает через впускной канал 42 в двигатель 10 по воздушному фильтру 112. Затем воздух протекает к первому компрессору 110. Сжатый первым компрессором 110 воздух затем доставляют ко второму компрессору 114. Во время выбранных условиях, как обсуждается ниже, воздух может обходить нагнетатель 15 и направляться к турбонагнетателю 13 через первый перепускной канал 60 компрессора посредством регулировки открытия электрического перепускного клапана 62 нагнетателя (ЭПКН).
Турбонагнетатель 13 включает в себя второй компрессор 114, приводимый в действие газовой турбиной 116. Второй компрессор 114 показан в качестве компрессора турбонагнетателя, механически соединенного с турбиной 116 через муфту 19, причем турбина 116 приводится в действие расширение выхлопа двигателя. В этом же варианте осуществления турбонагнетатель может быть устройством двойной прокрутки. В другом варианте осуществления, турбонагнетатель может быть турбокомпрессором с изменяемой геометрией (ТИГ), в котором геометрия турбины активно изменяется в функции условий работы двигателя. Свежий воздух, получаемый на входе компрессора второго компрессора 114, протекает в двигатель 10. Сжатый вторым компрессором 114 воздух может рециркулироваться из выхода ко входу в компрессор 114 через второй перепускной канал 70 компрессора посредством регулировки открытия клапана 72 рециркуляции компрессора (КРК). КРК 72 может быть плавнорегулируемым клапаном, и увеличение открытия клапана рециркуляции может включать в себя приведение в действие (или возбуждение) соленоида клапана. В одном примере, КРК 72 могут открывать для рециркуляции наддувочного впускного воздуха с целью сокращения помпажа компрессора во втором компрессоре 114.
Один или оба клапана 62 или 72 могут быть плавнорегулируемыми клапанами, в которых положение клапанов плавно регулируется от полностью закрытого положения к полностью открытому положению. Альтернативно, клапан 72 рециркуляции компрессора может быть выполнен в качестве плавнорегулируемого клапана, в то время как перепускной клапан 62 может быть выполнен в качестве двухпозиционного клапана.
Как показано на ФИГ. 1, второй компрессор 114 соединен с дроссельным клапаном 20 через охладитель (также упоминаемый здесь, как интеркулер) 18 наддувочного воздуха (ОНВ). Дроссельный клапан 20 соединен с впускным коллектором 22 двигателя. Из второго компрессора сжатые потоки наддувочного воздуха протекают через охладитель 18 наддувочного воздуха и дроссельный клапан к впускному коллектору. Охладитель наддувочного воздуха может быть, например, воздухо-воздушным теплообменником или водно-воздушным теплообменником. В варианте осуществления, раскрытом на ФИГ. 1, давление наддувочного воздуха в пределах впускного коллектора определяется датчиком 124 давления воздуха в коллекторе (ДВК).
Следует считать, что, как указано в настоящем документе, первый компрессор относится к расположению выше по потоку от ступенчатых компрессоров и второй компрессор относится к расположению ниже по потоку от ступенчатых компрессоров. В этом же не ограничивающем примере, как показано, расположенный ниже по потоку второй компрессор является компрессором турбонагнетателя, в то время как расположенный выше по потоку первый компрессор является компрессором нагнетателя. Тем не менее, возможны другие комбинации или конфигурации устройств наддува.
Один или более из датчиков могут быть соединены со входом второго компрессора 114 (как показано) и/или первого компрессора 114 (не показано). Например, датчик 55 температуры может быть соединен со входом для определения температуры на входе компрессора. В качестве другого примера, датчик 56 давления может быть соединен со входом для определения давления заряда воздуха, попадающего в компрессор. Остальные датчики все еще могут быть, например, датчиками воздушно-топливного отношения, датчиками влажности и т.д. В других примерах, одно или более из условий на входе в компрессор (например, влажность, температура и т.д.) могут основываться на условиях работы двигателя. Датчики могут определять условие впускного воздуха, полученного на входе в компрессор из впускного канала, также как и заряда воздуха, рециркулируемого от области выше по потоку от ОНВ. Один или более из датчиков также могут быть соединены с впускным каналом 42, выше по потоку от компрессора 114 и компрессора 110, для определения состава и состояния заряда воздуха, попадающего в компрессор. Этими датчиками могут, например, быть датчик 57 давления заряда воздуха (для определения массового расхода заряда воздуха, попадающего в компрессор) и датчик 54 барометрического давления (для определения внешнего давления или барометрического давления (БД) заряда воздуха, попадающего в компрессор). В этом случае, выходной сигнал датчика барометрического давления может отражать альтитуду работы транспортного средства, причем БД падает, когда увеличивается альтитуда.
Впускной коллектор 22 соединен со множеством камер 30 сгорания через множество впускных клапанов (не показаны). Кроме того, камеры сгорания соединены с выпускным коллектором 36 через множество выхлопных клапанов (не показано). В изображенном варианте осуществления показан единичный выпускной коллектор 36. Тем не менее, в других вариантах осуществления выпускной коллектор может включать в себя множество секций выпускного коллектора. Конфигурации со множеством секций выпускного коллектора могут позволять направление оттока из различных камер сгорания в различные места в системе двигателя.
В одном варианте осуществления, каждый из выпускных и впускных клапанов может приводиться в действие или управляться электронно. В другом варианте осуществления, каждый из выпускных и впускных клапанов может приводиться в действие или управляться кулачком. В зависимости от того, приводится ли клапан в действие электронно или кулачком, могут регулироваться открытие и закрытие выпускного и впускного клапанов, как потребуется для требуемого сгорания и выполнения снижения токсичности.
Камеры 30 сгорания могут снабжаться топливом одного или более видов, как, например, бензин, спирто-бензиновое топливо, дизельное топливо, биодизельное топливо, сжатый природный газ и т.д., через топливный инжектор 66. Топливный инжектор 66 может быть выполнен с возможностью снабжения топливом камер сгорания посредством прямого впрыска, впрыска во впускные каналы, впрыска в дроссельный клапан или через любую комбинацию перечисленного. В камерах сгорания процесс сгорания может инициироваться через искру зажигания и/или зажигание сжатием.
Отработавшие газы из одной или более секций выпускного коллектора направляются к турбине 116 для того, чтобы привести ее в действие, которая, в свою очередь, приводит в действие второй компрессор 114. Когда требуется увеличенный крутящий момент турбины (например, когда от второго компрессора 114 требуется увеличенное давление наддува), может приводиться в более закрытое положение (например, полностью закрытое) клапан 92 перепускной заслонки (в настоящей заявке также упоминается, как "перепускная заслонка"), соединенный в канале 90 перепускной заслонки, для того, чтобы направлять большую часть потока отработавших газов через турбину. Аналогично, когда требуется сокращение крутящего момента турбины, клапан 92 перепускной заслонки может быть приведен в более открытое положение (например, полностью открытое) для направления по меньшей мере части давления отработавших газов от выше по потоку от турбины к ниже по потоку от турбины через перепускную заслонку 90.
В изображенном примере, клапан 92 перепускной заслонки является клапаном с вакуумным приводом и соединен с источником 98 вакуума. В одном примере, источник 98 вакуума является вакуумной емкостью. В частности, приведение в действие клапана перепускной заслонки достигается использованием вакуума из источника 98 вакуума. Поэтому, двигатель может включать в себя один или более дополнительный вакуумный привод 96, которые приводятся в действие использованием вакуума из источника 98 вакуума. Один или более из дополнительных вакуумных приводов 96 могут включать в себя, например, усилитель торможения для торможения колес транспортного средства, клапан для очищения емкости для очищения паров горючего из емкости топливной системы, вспомогательные системы и т.д. Поэтому, количество доступного резервного вакуума в источнике вакуума может зависеть от альтитуды работы транспортного средства, причем уровень доступного вакуума в источнике вакуума падает, когда увеличивается альтитуда (говоря иначе, когда падает БД). Датчик давления, или датчик вакуума (не показан), может быть соединен с источником вакуума для определения количества доступного для приведения в действия различных вакуумных приводов и клапана перепускной заслонки вакуума. Альтернативно, уровень вакуума может измеряться на основе условий работы двигателя и использования привода.
Объединенный поток от турбины и перепускной заслонки затем протекает через устройство 170 снижения токсичности. Как правило, одно или более из устройств 170 снижения токсичности могут включать в себя один или более каталитических нейтрализаторов отработавших газов, выполненных с возможностью каталитической очистки потока отработавших газов и, тем самым, сокращения количества одной или более из субстанций в потоке отработавших газов. Например, один каталитический нейтрализатор отработавших газов может быть выполнен с возможностью улавливания оксидов азота из потока отработавших газов, когда поток обеднен, и восстановления уловленных оксидов азота, когда поток насыщен. В других примерах, каталитический нейтрализатор отработавших газов может быть выполнен с возможностью диспропорционирования оксидов азота или выборочного восстановления оксидов азота с помощью восстановителя. В других примерах, каталитический нейтрализатор отработавших газов может быть выполнен с возможностью окисления остаточных углеводородов и/или оксидов углерода в потоке отработавших газов. Различные каталитические нейтрализатора отработавших газов имеющие любую из подобных функций могут быть расположены на покрытии или в любом месте в секциях очистки отработавших газов, либо раздельно, либо вместе. В некоторых вариантах осуществления, секции очистки отработавших газов могут включать в себя регенерируемый фильтр сажи, выполненный с возможностью улавливания и окисления частиц сажи в потоке отработавших газов.
Весь или частично очищенный поток отработавших газов из устройства 170 снижения токсичности может быть выпущен в атмосферу через выхлопной трубопровод 35. Тем не менее, в зависимости от условий работы некоторая часть отработавших газов может вместо этого отводиться к впускному каналу через канал РОГ (не показан), включающий в себя охладитель РОГ и клапан РОГ. РОГ могут рециркулироваться ко входу в первый компрессор 110, второй компрессор 110 или к обоим.
Во время выбранных условий, когда требование водителя в крутящем моменте увеличивается, например, во время нажатия на педаль акселератора, когда происходит переход от работы двигателя без наддува к работе двигателя с наддувом, так как может происходить провал тяги. Это происходит из-за задержек в ускорении вращения турбины, приводящей в действие второй компрессор 114. Пока турбина ускоряется, может быть запущен нагнетатель 15 для сокращения провала тяги. В частности, может закрываться перепускная заслонка для направления большего потока отработавших газов через турбину. Одновременно с этим, пока турбина 116 ускоряется, требуемое давление наддува может обеспечиваться использованием электронаддува от выше по потоку от нагнетателя компрессора 110. Запуск нагнетателя включает в себя потребление энергии из аккумулятора 106 для вращения мотора 108 для того, чтобы ускорить первый компрессор 110. Выходная мощность электрического мотора (например, частота вращения) может быть выбрана для обеспечения частоты вращения первого компрессора, который генерирует требуемое давление наддува. В дополнение, перепускной клапан 62 может быть закрыт для того, чтобы позволить большей части всасываемого во впускной канал воздуха протекать через первый компрессор и впоследствии сжиматься в первом компрессоре 110. В связи с меньшим размером, первый компрессор 110 может быстро ускоряться, позволяя обеспечивать временное положительное давление наддува в ответ на внезапное увеличение в требовании наддува. Тем не менее, из-за ограниченного заряда аккумулятора системы, первый компрессор может использоваться на меньшее время во время которого турбина ускоряется. Пока первый компрессор ускоряется, перепускной клапан 62 может периодически открываться, исходя из частоты вращения мотора (или частоты вращения первого компрессора), для сокращения перерегулирования электрического наддува ниже по потоку от первого компрессора и выше по потоку от второго компрессора. Когда турбина достаточно разогналась и может приводить в действие второй компрессор 114, первый компрессор может замедляться отключением мотора 108. В дополнение, перепускной клапан 62 может открываться для того, чтобы направлять большую часть впускного воздуха ко второму компрессору 114 с обходом первого компрессора 110.
Поэтому, поскольку перепускной клапан 92 приводят в действие с помощью вакуума, могут существовать условия, когда увеличивается требование наддува, но перепускной клапан не могут приводить в закрытое положение из-за недостаточного резервного вакуума в источнике вакуума. Например, во время работы транспортного средства при больших альтитудах, доступность вакуума может сокращаться из-за меньшего барометрического давления. Проблема может усугубляться, если приведение в действие клапана перепускной заслонки требуется незамедлительно после приведения в действие другого вакуумного привода. Например, во время движения на спуске при больших альтитудах, вакуум может использоваться для торможения на спуске. Во время нажатия на педаль акселератора при последующем движении на подъеме, доступного вакуума для приведения клапана перепускной заслонки в полностью закрытое положение может быть недостаточно. Если для приведения клапана перепускной заслонки в частично закрытое положение используется недостаточное количество вакуума, может временно ухудшаться работоспособность двигателя. Во время подобных условий, как изображено на Фиг. 2, для обеспечения временного давления наддува, пока восполняется резерв вакуума, может использоваться электронаддув. В частности, клапан перепускной заслонки может не приводиться в действие, когда вакуума недостаточно (например, клапан перепускной заслонки может оставаться открытым), и вместо этого электрический нагнетатель может запуститься посредством потребления энергии из аккумулятора 106 для вращения мотора 108 для дальнейшего ускорения первого компрессора 110. Выходная мощность электрического мотора (например, частота вращения) может быть выбрана для обеспечения частоты вращения первого компрессора, который генерирует давление наддува, необходимое для удовлетворения потребности водителя. В дополнение, перепускной клапан 62 может быть закрыт для того, чтобы позволять проток воздушного потока через первый компрессор. В таком случае потребность водителя может быть удовлетворена посредством использования нагнетателя. Одновременно с этим может возобновляться источник вакуума. Когда вакуума для требуемого приведения в действие перепускной заслонки достаточно, перепускная заслонка может быть приведена в закрытое положение, и турбина может раскручиваться. Когда частота вращения турбины достаточно высока для поддерживания вращения второго компрессора 114, первый компрессор 110 может замедляться и потребность водителя могут затем быть соблюдена посредством использования турбонагнетателя.
Настройка усиления компрессора нагнетателя могут также регулировать на основе альтитуды работы двигателя, как обсуждалось со ссылкой на ФИГ. 2. Например, когда доступный для приведения в действие вакуум ограничен, как, например, когда появляется увеличение потребности водителя при больших альтитудах, работа нагнетателя может контролироваться (включая компоненты упреждающего регулирования и обратной связи для контроля наддува нагнетателя) при больших настройках усиления (например, больших, чем установленные по умолчанию) для более быстрого сокращения ошибки наддува. Это может включать в себя работу электрического мотора нагнетателя при большей длительности и/или с большей выходной мощностью. В дополнение, пока идет ускорение первого компрессора нагнетателя, настройка перепускной заслонки также может регулироваться с большей (например, большей, чем установленная по умолчанию) настройкой усиления для того, чтобы во время работы электрического нагнетателя перепускная заслонка настраивалась более интенсивно.
Система 100 двигателя может дополнительно включать в себя систему 14 управления. Система 14 управления показана получающей информацию от множества датчиков 16 (различные примеры которых раскрыты в настоящей заявке) и посылающей сигналы ко множеству приводов 81 (различные примеры которых раскрыты в настоящей заявке). В качестве примера, датчики 16 могут включать в себя датчик 126 отработавших газов, расположенный выше по потоку от устройства снижения токсичности, датчик 124 ДВК, датчик 54 БД, датчик 128 температуры отработавших газов, датчик 129 давления отработавших газов, датчик 55 температуры впускного отверстия компрессора, датчик 56 давления впускного отверстия компрессора и датчик 57 МРВ. Другие датчики, такие, как дополнительные датчики давления, температуры, воздушно-топливного отношения и датчики состава могут быть соединены с различными местами в системе 100 двигателя. Приводы 81 могут включать в себя, например, приводы для дроссельной заслонки 20, клапан 20 рециркуляции компрессора, клапан 62 ЭПКН, электрический мотор 108, клапан 92 перепускной заслонки, топливный инжектор 66 и вакуумные приводы 96. Система 14 управления может включать в себя контроллер 12. Контроллер может получать данные ввода от различных датчиков, обрабатывать данные ввода и приводить в действие различные приводы на основе полученных сигналов и команд, хранящихся в памяти контроллера. Контроллер может приводить в действие приводы в ответ на обработанные данные ввода, на основе команд или программного кода, соответствующего одному или более из алгоритмов, например, примеру алгоритма управления, раскрытому в настоящей заявкой по отношению к ФИГ. 2. В качестве примера, контроллер 12 может получать данные ввода от датчика барометрического давления и датчика давления, соединенных с источником вакуума. Затем, в ответ на потребность водителя, контроллер может регулировать выходную мощность электрического мотора нагнетателя на основе обозначения низкой доступности вакуума (от датчика давления) и высокой альтитуды (от датчика БД) для обеспечения потребности водителя.
В этом случае, компоненты ФИГ. 1 предусматривают систему двигателя, включающую в себя: двигатель с впуском; первый впускной компрессор, выполненный с возможностью приведения в действие посредством электрического мотора, причем мотор выполнен с возможностью питания от аккумулятора; второй впускной компрессор, выполненный с возможностью приведения в действие посредством газовой турбины, причем второй компрессор расположен ниже по потоку от первого компрессора по ходу впуска; перепускной канал, включающую в себя перепускной клапан, установленный параллельно первому компрессору; перепускную заслонку, включающую в себя клапан перепускной заслонки с вакуумным приводом, установленный параллельно газовой турбине, причем клапан перепускной заслонки соединен с источником вакуума; датчик барометрического давления для оценки внешнего давления; и контроллер. Контроллер может быть выполнен с машиночитаемыми командами, хранящимися в долговременной памяти, на: в ответ на увеличение потребности водителя, когда внешнее давление ниже, оценку необходимой величины перевода клапана перепускной заслонки для удовлетворения потребности водителя; оценку необходимого уровня вакуума в источнике вакуума для обеспечения указанного перевода клапана перепускной заслонки, причем уровень вакуума основан на потребности водителя и дополнительно основан на внешнем давлении; ускорение первого компрессора с не приводимым в действие клапаном перепускной заслонки и закрытым перепускным клапаном для удовлетворения потребности водителя, пока уровень вакуума в источнике вакуума не станет выше оцененного уровня вакуума; и последующее замедление первого компрессора, открытие перепускного клапана и приведение в действие клапана перепускной заслонки. В качестве примера, ускорение первого компрессора может включать в себя упреждающее регулирование и регулирование по обратной связи работы электрического мотора с большей настройкой усиления, чем установленная по умолчанию, для увеличения выходной мощности электрического мотора до большего уровня на большую длительность, и причем приведение в действие клапана перепускной заслонки включает в себя перевод клапана перепускной заслонки в более закрытое положение. Контроллер может включать в себя дополнительные команды на: в ответ на потребность водителя, когда внешнее давление выше, ускорение первого компрессора с закрытым перепускным клапаном и приведенным в открытое положение клапаном перепускной заслонки для удовлетворения потребности водителя, пока частота вращения турбины не станет выше пороговой частоты вращения; и последующее замедление первого компрессора, открытие перепускного клапана и увеличение частоты вращения второго компрессора с закрытой перепускной заслонкой для увеличения воздушного потока к двигателю. Контроллер может включать в себя дополнительные команды на: в ответ на перерегулирование давления наддува во время ускорения первого компрессора, периодическое открытие перепускного клапана.
Перейдем к ФИГ. 2, которая показывает пример алгоритма 200 для работы ступенчатой системы двигателя с наддувом, имеющей расположенные выше по потоку компрессор нагнетателя, соединенный с расположенным ниже по потоку компрессором турбонагнетателя. В ответ на изменения в требовании наддува двигателя, алгоритм может регулировать выходную мощность выше по потоку от нагнетателя, исходя из внешнего давления. Команды для выполнения способа 200 и остальных способов, включенные в настоящий документ, могут исполняться контроллером на основе команд, хранящихся в памяти контроллера в сочетании с сигналами, полученными от датчиков системы двигателя, таких, как датчики, раскрытые выше со ссылкой на ФИГ. 1. Контроллер может приводить в действие приводы двигателя системы двигателя для регулировки работы двигателя, согласно способам, раскрытым ниже. В одном примере, контроллер может посылать сигнал электрическому мотору, соединенному с первым, расположенным выше по потоку, компрессором для ускорения компрессора и дальнейшего увеличения давления наддува. В настоящем примере, первый компрессор является компрессором нагнетателя, когда второй компрессор - это компрессор турбонагнетателя, причем первый компрессор расположен выше по потоку от второго компрессора во впускном канале.
На шаге 202 способ включает в себя определение условий работы двигателя, например, частоты вращения двигателя, положения педали, требуемого водителем крутящего момента, внешних условий (внешняя температура, внешнее или барометрическое давление, внешняя влажность), температуру двигателя и т.д. На шаге 204 способ включает в себя определение доступного уровня вакуума в резерве вакуума (или источнике вакуума, как, например, вакуумная емкость) на основе условий работы двигателя, включая по меньшей мере внешнее давление. Уровень вакуума может также основываться на использовании приводов вакуумных приводов двигателя. Также, уровень вакуума может основываться на выходном сигнале датчика давления, соединенного с вакуумной емкостью.
На шаге 206, исходя из условий работы двигателя, может быть определено, что требуется давление наддува. В одном примере, наддув может требоваться при средневысоких нагрузках двигателя. В другом примере, наддув может требоваться в ответ на нажатие оператором на педаль акселератора или увеличение требуемого водителем крутящего момента. Если наддув не требуется, как, например, когда нагрузка на двигатель мала или требуемый водителем крутящий момент мал, способ переходит к шагу 208, на котором двигатель работает на естественном всасывании, а способ затем заканчивается.
Если наддув требуется, затем на шаге 210 способ включает в себя определение возможности приведения в действие перепускной заслонки. Поэтому, клапан перепускной заслонки может приводиться в действие высасываемым из источника вакуума вакуумом. Таким образом, в одном примере, может быть возможно приведение в действие перепускной заслонки, если уровень вакуума в источнике вакуума (определяется на шаге 204) выше порога. Порог может основываться на альтитуде работы транспортного средства/двигателя, причем порог тем ниже, чем выше альтитуда. Порог также может основываться на количестве требуемого приведения в действие перепускной заслонки. Например, исходя из требуемого наддува, контроллер может определять степень перевода перепускной заслонки (в настоящем документе упоминается, как степень закрытия перепускной заслонки), необходимую для раскручивания турбины турбонагнетателя. Затем контроллер может высчитать количество вакуума, необходимого для определенной степени перевода перепускной заслонки и соответствующим образом отрегулировать порог. Дополнительно, контроллер может сравнивать требуемое количество вакуума с доступным количеством вакуума для того, чтобы определить, возможно ли требуемое приведение в действие перепускной заслонки. Если доступного вакуума больше, чем требуемого количества, приведение в действие перепускной заслонки считается возможным. В противном случае, если доступный вакуум меньшем, чем требуемый вакуум, приведение в действие перепускной заслонки считается невозможным. В другом примере, количество доступного вакуума может не быть недостаточным, если количество требуемого привода больше (например, в ответ на большее требование наддува).
Если на шаге 212 приведение в действие невозможно, перепускная заслонка не приводится в действие. Например, перепускная заслонка может поддерживаться в открытом положении. На шаге 213 способ включает в себя, в ответ на увеличение потребности водителя, ускорение первого компрессора (ЭН), расположенного выше по потоку от второго компрессора (турбонагнетателя) для обеспечения потока сжатого воздуха к поршневому двигателю. В настоящем документе, первый компрессор приводят в действие электрическим мотором, когда же второй компрессор приводят в действие газовой турбиной. Способ может дополнительно включать в себя закрытие электрического перепускного клапана нагнетателя (такого, как ЭПКН 62 с ФИГ. 1), установленного в перепускном канале, проходящем параллельно первому компрессору, для увеличения воздушного потока через первый компрессор. Путем включения электрического нагнетателя (ЭН) и закрытия перепускного клапан, электрический нагнетатель может использоваться для постоянного обеспечения временного давления наддува в ответ на требования водителя во время условий, когда вакуума для приведения в действие перепускной заслонки недостаточно. Во время ускорения первого компрессора, клапан перепускной заслонки, установленный в канале перепускной заслонки, идущем параллельно турбине, удерживается в более открытом положении. Поэтому, если перепускная заслонка не приводится в действие (или приводится в действие только частично), турбина не может раскручиваться до требуемой частоты вращения и не может приводить в действие второй компрессор. В результате, может ухудшиться временный отклик. Временный отклик наддува улучшается посредством использования нагнетателя для обеспечения наддува во время таких условий.
Ускорение первого компрессора включает в себя раскручивание первого компрессора посредством электрического мотора, используя энергию, потребляемую из аккумулятора. Например, первый компрессор может раскручиваться регулировкой электромеханического привода, соединенного с электрическим мотором нагнетателя, для раскручивания мотора на большей частоте вращения посредством отправления сигнала управления из контроллера к приводу. Первый компрессор ускоряется на частоту вращения, в ответ на требование наддува (или увеличение в требовании наддува), пока ЭПКН, соединенный параллельно электрическому нагнетателю, удерживается закрытым для протекания всего впускного воздуха через первый компрессор. В этом случае, сжатый воздух обеспечивается к двигателю через первый компрессор. Поэтому, требуемый наддув может достигаться посредством использования одного лишь нагнетателя.
На шаге 214 способ включает в себя регулировку настройки первого компрессора, также как и настройки перепускного клапана, причем регулировка настройки основывается на альтитуде работы транспортного средства. В частности, первый компрессор и ЭПКН могут настраиваться более интенсивно на большей альтитуде работы. Альтитуда может быть выведена на основе выходного сигнала датчика БД. Регулировка может включать в себя работу первого компрессора с большей, чем установленная по умолчанию, настройкой усиления, когда альтитуда больше (например, больше, чем пороговая альтитуда) и с установленной по умолчанию настройкой, когда альтитуда меньше (например, меньше, чем пороговая альтитуда). В частности, могут применяться более интенсивное упреждающее усиление и усиление обратной связи и может использоваться более консервативная по вместимости модель нагнетателя. В качестве примера, более интенсивное ускорение первого компрессора может включать в себя упреждающее регулирование и регулирование по обратной связи работы электрического мотора, приводящего в действие первый компрессор с большей, чем установленная по умолчанию, настройкой усиления, для увеличения выходной мощности электрического мотора до большего уровня и/или для работы электрического мотора на большую производительность. Работа первого компрессора с большей настройкой усиления, чем установленная по умолчанию, когда альтитуда выше, может включать в себя одно или более из следующего: работу электрического мотора с большей выходной мощностью, работу электрического мотора с большей продолжительностью, ускорение первого компрессора с большей степенью ускорения и ускорение первого компрессора до большей частоты вращения при большей альтитуде.
В дополнение, контроллер также может управлять клапаном перепускной заслонки с большей, чем установленная по умолчанию, настройкой усиления, во время ускорения первого компрессора, если вакуум для приведения в действие перепускной заслонки доступен.
На шаге 215 способ включает в себя периодическое открытие перепускного клапана во время поддерживания перепускного клапана закрытым в ответ на перерегулирование давления наддува во время ускорения первого компрессора. То есть, ЭПКН открывается для разрешения превышенного электрического давления наддува. Перерегулирование давления наддува электрического нагнетателя может быть подтверждено, если определено, что давление наддува ниже по потоку от электрического нагнетателя и выше по потоку от компрессора турбонагнетателя больше, чем требуемое давление наддува. Изобретатели в настоящем документе распознали, что преимущественно может использоваться интенсивное использование электрического нагнетателя для сокращения времени провала тяги и крутящего момента. Тем не менее, подобное интенсивное использование также может вызывать превышение текущим давлением наддува требуемого давления наддува. Это перерегулирование может разрешаться использованием регулировок открытия ЭПКН. Если давление наддува электрического нагнетателя больше, чем требуемое давление, давление наддува электрического нагнетателя может контролироваться путем увеличения открытия ЭПКН для сокращения воздушного потока через первый компрессор. В одном примере, ЭПКН временно передвигается в полностью открытое положение для сокращения перерегулирования наддува. В альтернативном примере, ЭПКН частично открыт.Поэтому, в связи с ограничениями оборудования, возможность остановить электрический мотор, соединенный с нагнетателем, может отсутствовать. Следовательно, путем увеличения открытия ЭПДКН в ответ на перерегулирование давления наддува, воздушный поток через компрессор электрического нагнетателя может быстро сократиться, позволяя немедленно сократить обеспечиваемое электрическим нагнетателем давление наддува. Пока ЭПДКН открыт для уменьшения давления наддува электрического нагнетателя до требуемого давления наддува, электрический нагнетатель также может замедляться, например, до частоты вращения компрессора, достаточной для обеспечения требуемого давления наддува без его перерегулирования. В этом случае, требуемое давление наддува может достигаться быстрее и с меньшими ошибками наддува посредством использования комбинации регулировок к частоте вращения компрессора электрического нагнетателя и открытия ЭПКН.
В альтернативном примере, где электрический нагнетатель включает в себя оборудования для торможения, первый компрессор может замедляться в ответ на превышение наддува через применение отрицательного крутящего момента через электрический мотор, такого, как, например, магнитные тормоза.
Следует понимать, что, пока изображенный пример предполагает, что ускорение первого компрессора в ответ на приведение в действие клапана перепускной заслонки невозможно, в альтернативных примерах, первый компрессор может начать работу в ответ на присутствие длительного дефекта в положении перепускной заслонки. Например, исходя из требуемого наддува, контроллер может определять требуемое положение перепускной заслонки. В дополнение, исходя из доступности вакуума в источнике вакуума и внешнего давления, контроллер может определять текущее положение перепускной заслонки, достигаемое использованием доступного вакуума. Если существует дефект (то есть, значение разности требуемого положения перепускной заслонки и текущего положения перепускной заслонки больше, чем порог), тогда может запускаться первый компрессор.
Источник вакуума может возобновляться, пока для удовлетворения потребности водителя используется первый компрессор. С шага 215, способ переходит к шагу 216 для того, чтобы определить, что источник вакуума был достаточно возобновлен и что приведение в действие перепускной заслонки теперь доступно. Если нет, способ возвращается к шагу 212 и продолжает ускорять первый компрессор и использовать электрический наддув для удовлетворения потребности водителя до тех пор, пока уровень вакуума в источнике вакуума не станет выше порога. То есть, работа первого компрессора может продолжаться до тех пор, пока существует дефект в положении перепускной заслонки.
Если вакуум восполнен, например, когда уровень вакуума в источнике вакуума выше порога, способ переходит к шагу 220, в котором алгоритм включает в себя приведение перепускного клапана в менее открытое положения для направления большей части отработавшего воздуха через турбину турбонагнетателя для ускорения турбины турбонагнетателя. Путем сокращения открытия перепускной заслонки увеличивается массовый расход отработавшего воздуха через турбину, что, в свою очередь, ускоряет вращение турбины, что ускоряет (второй) компрессор турбонагнетателя. В одном примере, перепускная заслонка может приводиться в требуемое положение, исходя из потребности водителя, когда доступного вакуума достаточно. Например, перепускной клапан может приводиться в полностью закрытое положение, тем самым ускоряя раскручивание турбины. Поэтому, пока турбина раскручивается, первый компрессор может продолжать работать для обеспечения требуемого наддува.
Возвращаясь к шагу 210, на котором, если приведение в действие перепускной заслонки возможно в связи с доступностью достаточного для привода перепускной заслонки в требуемое положение (исходя из потребности водителя) вакуума, затем, опционально на шаге 218, электрический нагнетатель может запускаться для обеспечения требуемого временного отклика наддува. Например, электрический нагнетатель может запускаться во время условий, когда запрос на требуемый наддув получают, в то время как турбина не раскручивается и второй компрессор не запущен, например, тогда, когда требуемый наддув больше, или, когда требуемый наддув необходим при условии отсутствия наддува (например, нажатие на педаль акселератора с переходом от отсутствия наддува к наддуву). Как обсуждалось ранее, меньший по размеру электрический нагнетатель может быстро ускоряться для обеспечения временного давления наддува до тех пор, пока не раскрутится турбина и компрессор турбонагнетателя не сможет самостоятельно обеспечивать требуемое давление наддува. Использование электрического нагнетателя может ограничиваться емкостью (например, состоянием заряда) аккумулятора, используемого для вращения электрического мотора электрического нагнетателя. Поэтому, для обеспечения быстрого, но временного количества положительного давления наддува во время раскрутки турбины турбонагнетателя для приведения в действие большего компрессора турбонагнетателя может использоваться электрический нагнетатель. Также, на шаге 218, ЭПКН может быть закрыт или приведен в более открытое положение для направления большего потока воздуха через первый компрессор.
Тем не менее, в других примерах, турбина может уже вращаться и второй компрессор уже может быть запущен. Во время таких условий электрический нагнетатель может не запускаться. Например, электрический нагнетатель может оставаться выключенным и ЭПКН может удерживаться в открытом положении во время условий, когда запрос на требуемый наддув получают, в то время как турбина уже вращается и второй компрессор включен, как, например, когда требуемый наддув меньше, или, когда требуемый наддув необходим из условий с наддувом (например, нажатие на педаль акселератора с переходом от меньшего наддува к большему наддуву). Во время таких условий поддержка наддува первым компрессором не требуется.
Как ранее обсуждалось на шаге 215, пока ускоряется первый компрессор, ЭПКН может периодически открываться во время превышения электрического наддува в связи с интенсивным использованием электрического наддува ради сокращения времени провалов крутящего оборота и тяги.
На шаге 220, перепускной клапан, установленный параллельно газовой турбине турбонагнетателя, может приводиться в закрытое положение (или открытие может сокращаться) для направления большей части отработавшего воздуха через турбину турбонагнетателя, при этом ускоряя раскручивание турбины.
На шаге 222 определяется, выше ли частота вращения турбины турбонагнетателя пороговой частоты вращения, например, выше пороговой частоты вращения, при которой турбонагнетатель может поддерживать требуемый наддув. Если нет, тогда, пока турбина продолжает раскручиваться, на шаге 224 работа первого компрессора (нагнетателя) поддерживается, причем компрессор электрического нагнетателя продолжает достигать требуемого наддува. В дополнение, ЭПКН удерживается в закрытом положении (например, в полностью закрытом положении) и алгоритм продолжается.
Если частота вращения турбины турбонагнетателя выше пороговой частоты вращения, затем, на шаге 226, электрический нагнетатель замедляется и открытие ЭПКН увеличивается. В одном примере, ЭПКН приводится в полностью открытое положение для того, чтобы впускной поток воздуха мог направляться к компрессору турбонагнетателя, не попадая в компрессор нагнетателя. Когда турбонагнетатель способен поддерживать требуемый наддув, электрический нагнетатель может отключаться для того, чтобы избежать истощения аккумулятора, питающего мотор электрического нагнетателя. Путем открытия ЭПКН можно обходить электрический нагнетатель, позволяя электрическому нагнетателю замедляться без ограничивающего потока воздуха через впускной проход.
На шаге 228, способ включает в себя протекание впускного воздуха, сжатого вторым, расположенным ниже по потоку, компрессором (компрессором турбонагнетателя), в двигатель, не попадая в первый, расположенный выше по потоку, компрессор (компрессор нагнетателя). В настоящем документе, второй компрессор может ускоряться посредством турбины. Поэтому, требуемый наддув может достигаться посредством использования одного лишь турбонагнетателя. Затем способ завершается.
В изображенном примере, электрический нагнетатель замедляется, когда вакуума, необходимого для приведения в действие перепускного клапана, достаточно и после того, как частота вращения турбины становится достаточно высокой для поддержания требуемого наддува. Тем не менее, в других примерах, после того, как уровень вакуума в источнике вакуума превышает порог, контроллер может замедлять первый компрессор, открывать перепускной канал и приводить клапан перепускной заслонки в менее открытое положение, причем степень открытия клапана перепускной заслонки основывается на (увеличении в) потребностях водителя.
В этом случае, электрический нагнетатель может использоваться для улучшения контроля приводимого в действие вакуумом перепускного клапана при больших альтитудах, тем самым улучшая контроль наддува при низких барометрических давлениях.
Переходя к ФИГ. 3А-3В, где на примерах графиков 300 и 350 изображен пример прямой времени контроля давления наддува при использовании координированной работы перепускного клапана (ПК) с контролем ЭПКН и контролем частоты вращения электрического нагнетателя. Горизонтальная ось (ось X) обозначает время, а вертикальные маркеры t1-t12 обозначают значимые участки времени для контроля давления наддува. На графике 302 показано изменение положения педали акселератора с течением времени по отношению к изменению положении педали тормоза (пунктирная линия 303). На графике 304 показано изменение давления наддува с течением времени. На графике 306 показано изменение частоты вращения турбины с течением времени. На графике 308 показаны изменения открытия перепускной заслонки с течением времени. В открытом положении перепускная заслонка позволяет отработавшим газам не попадать в турбину турбонагнетателя, таким образом, уменьшая частоту вращения турбины турбонагнетателя. На графике 310 показано изменение частоты вращения компрессора электрического нагнетателя. На графике 312 показаны изменения уровня доступного вакуума в источнике вакуума, соединенного с перепускной заслонкой и усилителем торможения. На графике 314 показаны изменения положения перепускного клапана электрического нагнетателя (ЭПКН), установленного параллельно электрическому нагнетателю. ЭПКН открывается для того, чтобы впускной воздух мог не попадать в электрический нагнетатель, или закрывается для направления воздуха через электрический нагнетатель. На графике 316 показаны изменения в альтитуде работы транспортного средства.
Перед моментом времени t1, двигатель работает без наддува (график 304) в связи с низкому потребностью водителя (график 302). Поэтому, перепускная заслонка поддерживается в открытом положении (график 308), поскольку поток отработавших газов через турбину не требуется. В дополнение, электрический нагнетатель (ЭН) не работает (график 310), и ЭПКН открыт (график 314) для того, чтобы впускной поток воздуха мог не попадать в ЭН. Уровень вакуума (график 312) в источнике вакуума в это время высок, поскольку вакуумные приводы не приводятся в действие. В дополнение, альтитуда работы двигателя выше (график 316).
В момент времени t1 оператор нажимает на педаль акселератора, приводя двигатель из работы двигателя с естественным всасыванием к работе двигателя с наддувом. Давление наддува двигателя может увеличиваться путем приведения в действие электрического мотора для увеличения частоты вращения электрического нагнетателя в ответ на нажатие педали акселератора. В то же самое время, ЭПКН закрыт для направления большей части воздуха через компрессор нагнетателя. В то же самое время, открытие перепускной заслонки сокращается для протекания большей части отработавших газов через турбину турбонагнетателя и ускорения раскручивания турбины. Приведение в действие перепускной заслонки с вакуумным приводом приводит к небольшому падению уровня вакуума в источнике вакуума. Посредством работы меньшего компрессора электрического нагнетателя в ответ на нажатие педали акселератора, давление наддува может быстро увеличиваться для удовлетворения потребности водителя, пока турбина раскручивается. Например, если компрессор электрического нагнетателя не раскручивался, в связи с задержкой в раскручивании турбины, может произойти провал тяги (задержка в текущем давлении наддува, достигающем требуемого давления наддува), как изображено на пунктирном графике 305. В частности, посредством работы электрического нагнетателя, требуемое давление наддува достигается к моменту времени t2, в сравнении со случаем провала тяги, где требуемое давление наддува достигается около момента времени t3.
Между моментами времени t1 и t2, пока сжатый воздух протекает к двигателю через электрический нагнетатель, давление наддува может быть превышено. В частности, интенсивная работа электрического нагнетателя, сокращающая провал тяги, также может привести к временному превышению текущим давлением наддува ниже по потоку от компрессора нагнетателя требуемого давления наддува. Для того, чтобы разрешить это перерегулирование давления наддува, открывается ЭПБДКН (в полностью открытое положение в изображенном примере) на длительность d 1, для направления потока воздуха к двигателю, не попадая в нагнетатель. Открытие ЭПБДКН может уменьшить количество потока воздуха, проходящего через и сжатого компрессором нагнетателя, тем самым уменьшая давление наддува, обеспечиваемое электрическим нагнетателем практически мгновенно. Одновременно с этим, частота вращения электрического нагнетателя может уменьшаться для большего соответствия требуемому давлению наддува. Поскольку регулировка открытия ЭПКН может привести к практически мгновенному уменьшению в давлении наддува во время перерегулирования нагнетателя, ЭПКН может приводиться в действие с большей, чем установленная по умолчанию, настройкой усиления, когда ускоряется электрический нагнетатель (от момента времени t1 к моменту времени t2). В связи с приведением в действие ЭПКН с большей, чем установленная по умолчанию, настройкой усиления, перерегулирование нагнетателя уменьшается в определенной степени и за некоторый период. Например, во время отсутствия регулировок ЭПКН может происходить большее и длительное перерегулирование давления наддува, как показано пунктирной линией 311. Это большее по длительности и большее перерегулирование давления наддува может вызвать доставку избыточного крутящего момента, приводящего к проблемам в вождении. К концу длительности d1, перерегулирование электрического нагнетателя сокращается приведением в действие ЭПКН, поэтому ЭПКН закрыт.В дополнение, поскольку турбина все еще недостаточно раскручена, продолжается протекание сжатого воздуха к двигателю через электрический нагнетатель.
Следует считать, что, хотя ЭПКН изображен в качестве двухпозиционного клапана, переходящего между полностью открытым и полностью закрытым положениями, в альтернативном примере ЭПКН может являться регулируемым клапаном, чье положение регулируется до любого положения между ними и включает в себя полностью открытое и полностью закрытое положения. В этом случае, открытие ЭПКН может увеличиваться в ответ на перерегулирование давления наддува для того, чтобы конкретное количество потока воздуха могло не попадать в электрический нагнетатель во время избыточного наддува, так что результирующее давление наддува эквивалентно требуемому давлению наддува. Частота вращения компрессора электрического нагнетателя может регулироваться до требуемой частоты вращения компрессора, в ответ на ошибку наддува, и открытие ЭПКН может регулироваться для поддерживания результирующего давления наддува на требуемом давлении наддува.
В момент времени t2 частота вращения турбины турбонагнетателя достигает требуемой частоты вращения турбины, при которой она может обеспечивать требуемое давление наддува без поддержки от электрического нагнетателя. Когда турбина достаточно раскрутилась, перепускная заслонка может приводиться в действие для увеличения открытия, причем перепускная заслонка приводится в действие с большей (чем установленная по умолчанию) настройкой усиления для поддержания давления наддува. Приведение в действие может вызывать другое падение уровня вакуума в источнике вакуума. Для того, чтобы преобразовать заряд аккумулятора электрического нагнетателя, когда турбина раскрутится, открывается ЭПКН и замедляется электрический нагнетатель. Затем, сжатый воздух может протекать в двигатель для достижения требуемого водителем наддува через компрессор турбонагнетателя без необходимости поддержки электрического наддува от нагнетателя.
Также, в момент времени t2, транспортное средство переходит к большей альтитуде, что приводит к падению в барометрическом давлении и соответствующему падению в уровне доступного вакуума в источнике вакуума.
Между моментами времени t2 и t3 потребность водителя падает, но давление наддува все еще требуется. Поскольку турбина уже раскрутилась, перепускная заслонка приводится в более открытое положение для сокращения частоты вращения двигателя, в то же время обеспечивая требуемый наддув через компрессор турбонагнетателя. Приведение в действие перепускной заслонки приводит к дальнейшему падению уровня вакуума.
В момент времени t3 транспортное средство достигает наклонного сегмента и во время наклонного движения (с момента времени t3 до момента времени t4), педаль акселератора отпускается, пока педаль тормоза (график 303) нажата. В связи с приведением в действие педали тормоза, приводится в действие усилитель торможения, который использует значительное количество вакуума из источника вакуума. В дополнение, перепускная заслонка приводится в более открытое положение для того, чтобы большая часть отработавших газов не попадала в турбину. Следовательно, в ответ на падение потребности водителя уменьшается давление наддува. В конце наклонного сегмента, в момент времени t4, уровень вакуума в источнике вакуума мал.
В момент времени t4 транспортное средство достигает подъемного сегмента и оператор нажимает педаль акселератора для запроса наддува. В ответ на требование наддува, турбине необходимо раскрутиться для приведения в действие компрессора турбонагнетателя, для чего перепускная заслонка должна быть приведена в закрытое положение. Тем не менее, в связи с истощением вакуума во время предыдущей процедуры торможения и вкупе с низким уровнем вакуума при большей альтитуде, для приведения перепускной заслонки в закрытое положение вакуума в резерве вакуума недостаточно. В частности, как изображено на пунктирном сегменте 309, вакуум доступен только для частичного приведения перепускной заслонки. Например, если ограниченный вакуум использовался для частичного приведения в действие перепускной заслонки, результирующий временный отклик наддува приведет к обеспечению меньшего, чем требуемого, давления наддува и провалу тяги до момента времени t7, как обозначается на пунктирном сегменте 305.
Для улучшения временного отклика наддува, между моментами времени t4 и t5 перепускная заслонка поддерживается в открытом положении и наддув не обеспечивается через турбонагнетатель. Вместо этого, требование временного отклика наддува достигается путем приведения в действие нагнетателя. В частности, ЭПКН приводится в закрытое положение для увеличения потока воздуха через компрессор ЭН, пока выходная мощность электрического мотора, соединенного с ЭН, увеличивается для ускорения компрессора ЭН. Как ЭН, так и ЭПКН работают с большей, чем установленная по умолчанию, настройкой усиления во время этого момента времени для того, чтобы требуемый наддув достигался более интенсивно. В результате, между моментами времени t4 и t5, ЭН быстро ускоряется и используется для удовлетворения потребности водителя. Тем временем, возобновляется источник вакуума.
В момент времени t5 источник вакуума возобновлен до уровня, при которым существует необходимое количество вакуума, достаточное для приведения в действие перепускной заслонки. Следовательно, в момент времени t5, перепускная заслонка приводится в закрытое положение и турбина начинает раскручиваться. В этот момент времени перепускная заслонка работает с большей, чем установленная по умолчанию, настройкой усиления для того, чтобы требуемый наддув достигался более интенсивно. Пока турбина раскручивается, ЭН и ЭПКН продолжают работать (с поддерживаемой выходной мощностью ЭН) с поддерживаемым закрытым положением для того, чтобы использовать поддержку электрического наддува для достижения требуемого наддува. В некоторых примерах (не изображены), когда турбина ускоряется, выходная мощность ЭН может уменьшаться. Незадолго до момента времени t6, частота вращения турбины достигает пороговой частоты вращения, при которой турбина может раскручивать компрессор турбонагнетателя и поддерживать требуемый наддув. В этот момент времени ЭПКН находится в открытом положении для того, чтобы воздух протекал в компрессор турбонагнетателя, не попадая в ЭН, и ЭН выключается из-за прерывающейся работы электрического мотора. В результате, ЭН замедляется и требуемый наддув теперь достигается посредством компрессора турбонагнетателя.
В момент времени t6 требуемый наддув достигается после раскручивания турбины. Затем перепускная заслонка продолжает контролироваться с большей настройкой усиления, причем перепускная заслонка приводится в более открытое положение после того, как турбина раскрутилась.
В момент времени t7 потребность водителя снова падает, но наддув все еще требуется. Это достигается дальнейшим открытием перепускной заслонки при продолжении использования компрессора турбонагнетателя для обеспечения давления наддува и со все еще выключенным ЭН и открытым ЭПКН.
В момент времени t8 происходит другое нажатие педали акселератора, приводящее к переходу двигателя из условий с низким наддувом к условиям с высоким наддувом. В ответ на увеличение требуемого наддува, частота вращения турбины турбонагнетателя увеличивается путем уменьшения открытия перепускной заслонки, причем перепускная заслонка приводится в действие с большей, чем установленная по умолчанию, настройкой усиления. Поскольку турбина уже раскрутилась к этому моменту времени, компрессор нагнетателя может поддерживаться выключенным. Между моментами времени t8 и t9 изменения в требуемом наддуве достигается через турбонагнетатель, при использовании соответствующих регулировок положения перепускной заслонки с большей, чем установленная по умолчанию, настройкой усиления. Между моментами времени t9 и t10, источник вакуума возобновляется с вакуумом для того, чтобы к моменту времени t10 уровни вакуума снова поднялись.
В момент времени t10 появляется другой наклонный сегмент с большей альтитудой и педаль акселератора отпускается, пока нажимается педаль тормоза. Приведение в действие торможения приводит к использованию вакуума. В момент времени t11, появляется подъемный сегмент, где педаль акселератора нажимается, пока отпускается педаль тормоза, и, в связи с нажатием педали акселератора, увеличивается требуемый наддув. Тем не менее, в этот момент времени доступного вакуума для требуемого приведения в действие перепускной заслонки недостаточно. Следовательно, перепускная заслонка приводится в закрытое положение, и турбина быстро раскручивается для удовлетворения потребности водителя. Поскольку поддержка наддува не требуется, ЭН поддерживается выключенным и ЭПКН поддерживается в открытом положении.
В момент времени t12, когда частота вращения турбины достаточно высока для приведения в действие компрессора турбонагнетателя, увеличивается открытие перепускной заслонки и возобновляется вакуум в источнике вакуума для дальнейшего использования.
В этом случае, в ответ на первое увеличение потребности водителя, контроллер может поддерживать первый, находящийся выше по потоку, компрессор в выключенном состоянии, причем первый компрессор приводят в действие электрическим мотором; в то же время закрывать клапан перепускной заслонки, соединенный с каналом перепускной заслонки, проходящим параллельно газовой турбине; и ускорять второй, находящийся ниже по потоку, компрессор для удовлетворения потребности водителя, причем второй компрессор приводят в действие турбиной. По сравнению со вторым увеличением потребности водителя, контроллер может открывать клапан перепускной заслонки; и ускорять первый компрессор для удовлетворения потребности водителя. В одном примере, во время первого увеличения потребности водителя, внешнее давление выше, пока во время второго увеличения потребности водителя, внешнее давление ниже. В настоящей заявке, клапан перепускной заслонки приводят в действие с помощью вакуума из источника вакуума и, во время первого увеличения потребности водителя, уровень вакуума в источнике вакуума выше, пока во время второго увеличения потребности водителя, уровень вакуума в источнике вакуума ниже. Контроллер может дополнительно или опционально, во время второго увеличения потребности водителя, ускорять первый компрессор при открытом клапане перепускной заслонки до тех пор, пока уровень вакуума в источнике вакуума не станет больше порога, и затем замедлять первый компрессор, закрывать клапан перепускной заслонки, и ускорять второй компрессор. Затем, потребность водителя обеспечивают посредством использования второго компрессора. Контроллер может дополнительно или опционально, во время первого увеличения потребности водителя, открывать перепускной клапан, установленный в перепускном канале, проходящем параллельно первому компрессору, и, во время второго увеличения потребности водителя, закрывать перепускной клапан. Кроме того, во время второго увеличения потребности водителя, ускорение первого компрессора и закрытие перепускного клапана может выполняться с большей настройкой усиления, чем установленная по умолчанию, включая работу электрического мотора с большей выходной мощностью при большей длительности. Как подразумевается в настоящей заявке, ускорение второго компрессора включает в себя приведение в действие второго компрессора посредством турбины, причем турбину раскручивают, используя поток отработавших газов, а масса отработавших газов, протекающих через турбину, увеличивается закрытием клапана перепускной заслонки.
В этом случае, временный отклик наддува при больших альтитудах достигается более точно и быстро путем координирования регулировок частоты вращения электрического нагнетателя и связанного перепускного клапана с регулировками клапана перепускной заслонки. Технический эффект координирования регулировок электрического нагнетателя, расположенного выше по потоку от турбонагнетателя, с регулировками клапана перепускной заслонки отработавших газов, когда доступный вакуум низок, заключен в том, что электрический наддув может использоваться для удовлетворения потребности водителя, пока источник вакуума возобновляется. Через обращение к перепускному клапану электрического нагнетателя для сокращения превышения давления наддува, электрический нагнетатель может работать более интенсивно, пока раскручивается турбина турбонагнетателя. Через более интенсивную работу перепускного клапана и компрессора нагнетателя (и связанного электрического мотора), когда невозможно приведение в действие перепускной заслонки, может обеспечиваться давление наддува, пока вакуум возобновляется для приведения в действие перепускной заслонки. В дополнение, сокращается работа с частичным приведением в действие перепускной заслонки при больших альтитудах. Путем сокращения времени на достижение крутящего момента, улучшается временный отклик наддува двигателя, включая моменты, во время которых нажатие педали акселератора при подъеме следует за торможением при спуске при больших альтитудах. Кроме того, путем координирования регулировок частоты вращения нагнетателя и перепускного клапана согласованно с регулировками перепускной заслонки, цепь управления перепускной заслонкой может настраиваться более интенсивно без ухудшения точности наддува.
Один пример способа для транспортного средства, содержащего двигатель с наддувом, содержит шаги, на которых: в ответ на увеличения потребности водителя, ускоряют первый компрессор, расположенный выше по потоку от второго компрессора, для обеспечения потока сжатого воздуха к поршневому двигателю, причем первый компрессор приводят в действие электрическим мотором, а второй компрессор приводят в действие турбиной; и регулируют работу первого компрессора, исходя из альтитуды работы транспортного средства. В предыдущем примере, дополнительно или опционально, способ дополнительно содержит шаг, на котором, во время ускорения, для увеличения потока воздуха через первый компрессор, закрывают перепускной клапан, установленный в перепускном канале, проходящем параллельно первому компрессору. В любом или во всех предыдущих примерах, дополнительно или опционально, способ дополнительно содержит шаг, на котором, пока ускоряют первый компрессор, удерживают клапан перепускной заслонки, установленный в канале перепускной заслонки, проходящем параллельно турбине, в более открытом положении. В любом или во всех предыдущих примерах, дополнительно или опционально, способ дополнительно содержит шаг, на котором, в ответ на перерегулирование давления наддува во время ускорения первого компрессора, периодически открывают перепускной клапан, в то же время поддерживая клапан перепускной заслонки закрытым. В любом или во всех предыдущих примерах, дополнительно или опционально, клапан перепускной заслонки соединен с источником вакуума, и причем ускорение первого компрессора продолжают до тех пор, пока уровень вакуума в источнике вакуума не превысит порог. В любом или во всех предыдущих примерах, дополнительно или опционально, порог основывается на альтитуде работы транспортного средства, причем порог тем ниже, чем выше альтитуда. В любом или во всех предыдущих примерах, дополнительно или опционально, способ дополнительно содержит шаг, на котором, после того, как уровень вакуума в источнике вакуума превысит порог, замедляют первый компрессор, открывают перепускной канал и переводят клапан перепускной заслонки в менее открытое положение, причем степень открытия клапана перепускной заслонки основывается на увеличении потребности водителя. В любом или во всех предыдущих примерах, дополнительно или опционально, способ дополнительно содержит шаг, на котором открытие клапана перепускной заслонки происходит с большей, чем установленная по умолчанию, настройкой усиления, пока ускоряется первый компрессор. В любом или во всех предыдущих примерах, дополнительно или опционально, регулирование работы первого компрессора, основанное на альтитуде, включает работу первого компрессора с большей настройкой усиления, чем установленная по умолчанию, когда альтитуда выше и с установленной по умолчанию настройкой усиления, когда альтитуда ниже. В любом или во всех предыдущих примерах, дополнительно или опционально, работа первого компрессора с большей настройкой усиления, чем установленная по умолчанию, когда альтитуда выше, включает в себя одно или более из следующего: работа электрического мотора с большей выходной мощностью, работу электрического мотора с большей продолжительностью, ускорение первого компрессора с большей степенью ускорения и ускорение первого компрессора до большей частоты вращения при большей альтитуде.
Другой пример способа для двигателя с наддувом содержит шаги, на которых: в ответ на первое увеличение потребности водителя, поддерживают первый, находящийся выше по потоку, компрессор в выключенном состоянии, причем первый компрессор приводят в действие электрическим мотором; закрывают клапан перепускной заслонки, установленный в канале перепускной заслонки, проходящем параллельно газовой турбине; и ускоряют второй, находящийся ниже по потоку, компрессор, причем второй компрессор приводят в действие турбиной; и в ответ на второе увеличение потребности водителя, открывают клапан перепускной заслонки; и ускоряют первый компрессор. В предыдущем примере, дополнительно или опционально, во время первого увеличения потребности водителя, внешнее давление выше и в котором, во время второго увеличения потребности водителя, внешнее давление ниже. В любом или во всех предыдущих примерах, дополнительно или опционально, клапан перепускной заслонки приводят в действие с помощью вакуума из источника вакуума и причем, во время первого увеличения потребности водителя, уровень вакуума в источнике вакуума выше и, во время второго увеличения потребности водителя, уровень вакуума в источнике вакуума ниже. В любом или во всех предыдущих примерах, дополнительно или опционально, способ дополнительно содержащий шаг, на котором, во время второго увеличения потребности водителя, ускоряют первый компрессор при открытом клапане перепускной заслонки до тех пор, пока уровень вакуума в источнике вакуума не станет больше порога, и затем замедляют первый компрессор, закрывают клапан перепускной заслонки и ускоряют второй компрессор. В любом или во всех предыдущих примерах, дополнительно или опционально, способ содержит шаг, на котором, во время первого увеличения потребности водителя, открывают перепускной клапан, установленный в перепускном канале, проходящем параллельно первому компрессору, и, во время второго увеличения потребности водителя, закрывают перепускной клапан. В любом или во всех предыдущих примерах, дополнительно или опционально, во время второго увеличения потребности водителя, ускорение первого компрессора и закрытие перепускного клапана выполняют с большей настройкой усиления, чем установленная по умолчанию, включая работу электрического мотора с большей выходной мощностью при большей длительности.
Другой пример системы двигателя включает в себя: двигатель с впуском; первый впускной компрессор, выполненный с возможностью приведения в действие посредством электрического мотора, причем мотор выполнен с возможностью питания от аккумулятора; второй впускной компрессор, выполненный с возможностью приведения в действие посредством газовой турбины, причем второй компрессор расположен ниже по потоку от первого компрессора по ходу впуска; перепускной канал, включающую в себя перепускной клапан, установленный параллельно первому компрессору; перепускную заслонку, включающую в себя клапан перепускной заслонки с вакуумным приводом, установленный параллельно газовой турбине, причем клапан перепускной заслонки соединен с источником вакуума; датчик барометрического давления для оценки внешнего давления; и контроллер. Контроллер может быть выполнен с машиночитаемыми командами, хранящимися в долговременной памяти, на: в ответ на потребность водителя, когда внешнее давление ниже, оценку необходимой величины перевода клапана перепускной заслонки для удовлетворения потребности водителя; оценку необходимого уровня вакуума в источнике вакуума для обеспечения указанного перевода клапана перепускной заслонки, причем уровень вакуума основан на потребности водителя и дополнительно основан на внешнем давлении; ускорение первого компрессора с не приводимым в действие клапаном перепускной заслонки и закрытым перепускным клапаном для удовлетворения потребности водителя, пока уровень вакуума в источнике вакуума не станет выше оцененного уровня вакуума; и последующего замедления первого компрессора, открытие перепускного клапана и приведение в действие клапана перепускной заслонки. В предыдущих примерах, дополнительно или опционально, ускорение первого компрессора включает в себя упреждающее регулирование и регулирование по обратной связи работы электрического мотора с большей настройкой усиления, чем установленная по умолчанию, для увеличения выходной мощности электрического мотора до большего уровня на большую длительность, и причем приведение в действие клапана перепускной заслонки включает в себя перевод клапана перепускной заслонки в более закрытое положение. В любом или во всех предыдущих примерах, дополнительно или опционально, контроллер включает в себя дополнительные команды на: в ответ на увеличение потребности водителя, когда внешнее давление выше, ускорение первого компрессора с закрытым перепускным клапаном и приведенным в открытое положение клапаном перепускной заслонки для удовлетворения потребности водителя, пока частота вращения турбины не станет выше пороговой частоты вращения; и последующего замедления первого компрессора, открытие перепускного клапана и увеличение частоты вращения второго компрессора с закрытой перепускной заслонкой для увеличения воздушного потока к двигателю. В любом или во всех предыдущих примерах, дополнительно или опционально, контроллер включает в себя дополнительные команды на: в ответ на перерегулирование давления наддува во время ускорения первого компрессора, периодическое открытие перепускного клапана.
Следует отметить, что включенные в настоящую заявку примеры алгоритмов управления и оценки могут использоваться с разнообразными конфигурациями систем двигателей и/или транспортных средств. Раскрытые в настоящей заявке способы и алгоритмы управления могут храниться в виде исполняемых инструкций в долговременной памяти и могут исполняться системой управления, включающей в себя контроллер в комбинации с различными датчиками, приводами и другим оборудованием двигателя. Раскрытые в настоящей заявке конкретные алгоритмы могут представлять собой одну или любое количество стратегий обработки, таких как управляемые событиями, управляемые прерываниями, многозадачные, многопотоковые и т.д. Что подразумевает, что проиллюстрированные разнообразные действия, операции и/или функции могут выполняться в указанной последовательности, параллельно, а в некоторых случаях - могут опускаться. Точно так же указанный порядок обработки необязательно требуется для достижения отличительных особенностей и преимуществ описываемых здесь вариантов осуществления изобретения, но служит для удобства иллюстрирования и описания. Одно или несколько из иллюстрируемых действий, операций и/или функций могут выполняться повторно в зависимости от конкретной применяемой стратегии. Кроме того, раскрытые действия операции и/или функции могут графически изображать код, программируемый в энергонезависимом запоминающем устройстве машиночитаемой компьютерной среды хранения в системе управления двигателем, где описанные действия выполняются путем исполнения инструкций в системе, включающей в себя различные компоненты оборудования двигателя в комбинации с электронным контроллером.
Следует понимать, что раскрытые в настоящем описании конфигурации и алгоритмы по своей сути являются лишь примерами, и что конкретные варианты осуществления не несут ограничительной функции, ибо возможны разнообразные их модификации. Например, вышеизложенная технология может быть применена к двигателям со схемами расположения цилиндров V-6, I-4, I-6, V-12, в схеме с 4-мяоппозитными цилиндрами и в двигателях других типов. Предмет настоящего изобретения включает в себя все новые и неочевидные сочетания и производные сочетания различных систем и схем, а также других отличительных признаков, функций и/или свойств, раскрытых в настоящем описании.
В нижеследующей формуле изобретения, в частности, внимание сосредоточено на определенных сочетаниях компонентов и производных сочетаниях компонентов, которые считаются новыми и неочевидными. В таких пунктах формулы ссылка может быть сделана на элемент или «первый» элемент или на эквивалентный термин. Следует понимать, что такие пункты включают в себя один или более указанных элементов, не требуя, и не исключая двух или более таких элементов. Иные сочетания и производные сочетания раскрытых отличительных признаков, функций, элементов или свойств могут быть включены в формулу путем поправки имеющихся пунктов или путем представления новых пунктов формулы в настоящей или родственной заявке. Такие пункты формулы изобретения, независимо от того, являются они более широкими, более узкими, эквивалентными или отличающимися в отношении объема идеи исходной формулы изобретения, также считаются включенными в предмет настоящего изобретения.