本发明涉及一种控制内燃机中的涡轮增压器的转速的方法和装置。

正如已知的，某些机动车辆的内燃机都装备有增压系统，它能够通过利用发动机本身的排出气体中的残留能量来增大发动机的实发功率。
上述类型的增压系统典型地装备有一个涡轮增压器，依次包括：沿排气管分布的涡轮机，其在发动机排出的废气的作用下高速旋转；沿进气管分布的压缩机，其通过轴与涡轮机连接从而在涡轮机本身的驱动下旋转，以将从外边吸入的空气“推”向发动机的气缸。推力的作用产生了增压，也就是说，供给发动机的空气压力增加，因此确定了实发功率的增加.
另外已知，在上述的增压系统中，出于功能和结构上的原因，有必要限制当发动机的运转条件变化时涡轮增压器的最大转速，以避免能够导致涡轮增压器损坏的临界运转状态。
美国专利US5829254公开了一种增压压力控制装置，其中用于飞机的内燃机的涡轮增压器的转速通过调整废气闸门阀的开口进行控制。在内燃机的控制装置中，涡轮增压器压缩机进口空气流量，进口空气的压力，进口空气的温度，以及内燃机的油气比都由各自独立的传感器进行探测。在这些条件下，计算当涡轮增压器接近最大允许转速运转时的压缩机的压缩比。同时，控制闸门阀的开口以获得所述计算出的压缩比。这样，涡轮增压器就在接近最大允许转速下稳定运行。
发明概述因此本发明的目的在于提供一种用来控制内燃机中涡轮增压器转速的装置，该装置简单且价格低廉，并且能够确保发动机在任何运转状态下，涡轮增压器的转速都保持在一个预设值以下。
依据本发明，其中提供了用于控制内燃机中涡轮增压器的转速的方法，所述涡轮增压器包括：压缩机；在发动机废气的作用下驱动压缩机旋转的涡轮机；以及一个用于调节涡轮机进口处废气流量的废气闸门阀，用于以目标增压压力的函数的方式控制涡轮机自身的转速，所述目标增压压力表示基于发动机的目标图(objective map)以及一组发动机的参数的、所述压缩机的出口处所需要的增压压力值；所述方法其特征在于包括如下步骤：-设定涡轮增压器的极限转速；并且在通过所述废气闸门阀来控制涡轮机的转速时，执行如下步骤：-测量压缩机输入口所吸进空气的压力；-确定该压缩机的质量流率；-通过预先确定的表征压缩机运转的图，以预设的极限转速、测得的空气压力和质量流率的函数的方式，计算极限增压压力，该极限增压压力与当涡轮机在与所述预设极限转速大致相等的速度下运转时、在压缩机的出口所能获得的空气压力相关；-验证所需要的目标增压压力是否满足与所计算出的极限增压压力之间的预设关系式；并且-在满足所述关系式的情况下，启动以极限增压压力的函数的方式控制涡轮机转速的所述废气闸门阀，以将所述涡轮增压器的转速限制到与所述预设极限转速大致相等的值上。
依据本发明，提供了一种用来控制内燃机中的速度的装置，包括：压缩机；涡轮机，设计用来在发动机废气的作用下驱动所述压缩机旋转；以及一个废气闸门阀，设计用来调节涡轮机的进口处废气的流量；所述控制装置包括一个支配所述废气闸门阀的控制单元，用于以目标增压压力的函数的方式控制涡轮机的转速，所述目标增压压力表示基于发动机的目标图(objective map)以及一组发动机的参数的、所述压缩机的出口处所需要的增压压力值；所述控制装置的特征在于其包括：-用于测量在所述压缩机入口处的空气压力的第一传感装置；而且所述控制单元包括：-一个计算单元，其输入端接收一组参数，所述参数包括：一个预设的极限速度，在压缩机入口处所测得的空气压力，以及所述压缩机的质量流率，所述计算单元设计用来处理所述参数，通过预先确定的表征压缩机运转的图，来确定一个极限增压压力，该极限增压压力与在涡轮机以与所述预设最大极限速度大致相等的速度运转的条件下，在压缩机的出口所能获得的空气压力相关；-一个比较单元，设计用来验证所需的目标增压压力是否满足于与所述计算得出的极限增压压力之间的预设关系式；和-一个驱动单元，在所述预设关系式被满足的情况下，被设计用来支配所述废气闸门阀，使其以所述极限增压压力的函数的方式来控制涡轮机的转速，以将所述涡轮增压器的转速限制到与所述预设的极限转速相等的值上。
附图说明
参照附图对本发明进行说明，附图示出一非限制性的实施方案的示例，其中：-图1是一增压系统的示意图，其设有根据本发明教导的用来控制涡轮增压器转速的装置；-图2显示了包括在图1所示的用来控制速度的装置中的电子控制单元的框图；-图3显示了压缩机运转的图，其包括一组曲线，每条曲线与一转速相关并且表示了压缩机的压缩比作为其质量流率函数的曲线；-图4显示了压缩机运转的详细的图，其中示出了两个极限临界值，其中的一个定义了控制速度的禁止范围，另一个定义了速度的限制范围。

参照图1，编号1整体表示一增压系统，其具有通过利用发动机2所排出的气体中的剩余能量来增大发动机2所产生的机械功率的功能。
发动机2包括：设计用来从外部环境中吸收空气或者类似流体的进气管3；连接到进气管3来接收空气且将其供应到发动机2的气缸的歧管4；以及节流阀5，置于进气管3和歧管4之间来调节发动机2的入口所供给的空气流量。发动机2还设有排气管6，发动机2在燃烧之后产生的废气通过它被排向外部环境。
参照图1，该增压系统1包括，涡轮增压器7，其依次包括涡轮机8，沿排气管6安装，用于在发动机2所排出的废气的作用下高速旋转；以及压缩机9，沿着进气管3安装，并被机械地连接到涡轮机8上，用于在涡轮机8自身的驱动下旋转，以增大歧管4中所供应空气的压力，致使发动机2增压。
系统1包括一用来控制涡轮增压器7的转速的装置10，该装置依次包括：与涡轮机8平行连接到排气管6的旁通管11，其连接方式为一端连接到涡轮机8本身的上游，另一端连接到涡轮机8的下游；调节阀，在下文中称为废气闸门阀12，其沿旁通管11安装，用来调节涡轮机8的进口所供应的废气流量；以及一个已知类型的促动器13，其具有在指令下开动废气阀12的功能。
控制装置10还包括一电子控制单元14，其具有通过促动器13来支配废气闸门阀12的功能，其支配方式为：使一部分从发动机2排出的废气不经过涡轮机8直接到达排气管6的末端，因此能够控制涡轮机6自身的转速。
参照图2，电子控制单元14主要包括一个计算单元15，它在输入端接收：与压缩机9的质量流率QAH相关联的信号，该质量流率通过每单位时间通过压缩机9的空气质量的估计值或测量值来确定；与涡轮增压器7的预设极限速度Ntc相关联的信号，超过该极限速度，涡轮增压器会进入临界状态；以及在压缩机9上游所测得的空气温度TAMB。
以输入端所接收的参数QAH，TAMB和Ntc的函数的方式，并且在一预定的表征压缩机运转特性的图(下文中将详细说明)的基础上，计算单元15计算极限增压压力SP1，该极限增压压力SP1与当涡轮机8以与预设极限速度Ntc大致相等的速度运转时、压缩机9的出口可获得的压力相关。也就是说，该极限增压压力SP1表示压缩机9出口能够达到的最大增压压力，超过该压力所对应的是涡轮增压器7的转速高于涡轮增压器7本身能承受的预设的极限速度Ntc。
电子控制单元14还包括一个比较单元16，它在输入端接收极限增压压力SP1，和目标压力POB，该目标压力表示基于一发动机目标图(已知并未示出)以及一组发动机运转参数(例如像发动机r.p.m.，发动机的进气效率等)，在压缩机9的下游，即发动机2的入口处，系统1所需要的增压压力的值。
特别的，该比较单元16能够验证该目标压力POB满足或不满足与增压压力SP1之间的给定关系式(在下文中将详细说明)，并且在输出端产生了一个信号，该信号包括一个指令压力PEC，根据所述的验证结果，该指令压力被赋值为极限增压压力SP1(PEC＝SP1)或者为目标压力POB(PEC＝POB)。
该电子控制单元14还包括一个驱动单元17，它在输入端接收包括指令压力PEC的信号并且根据后者产生一个信号SWG；该驱动单元通过促动器13支配废气闸门阀12，来调节在涡轮机8进气口处所供应的废气压力，从而增加/降低涡轮机8和压缩机9的旋转速度，从而在进气管3中在压缩机9的下游达到指令压力PEC。
参照图2，计算单元15能够在一预先确定的运转图的基础上产生极限增压压力SP1，该图包括多条有关压缩机9运转的特性曲线，在下文表示为Ci(i从1到n)，每一条特性曲线对应于一给定的恒定速度Vtc并且给出压缩机9出口的空气压力P0和压缩机9自身的入口所供应的空气压力PAMB之间的压缩比RP作为其质量流率的函数变化。
特别的，计算单元15被设计用来处理预先确定的运转图，以识别对应于速度Vtc的运转特性曲线Ci，该速度Vtc对应于极限速度Ntc，并且通过所识别的曲线Ci、并以质量流率QAH的函数的方式确定压缩机9的最大压缩比RM。一旦最大压缩比RM被确定，计算单元15能够根据在压缩机9进口所测得的空气压力PAMB、来确定提供给比较单元16的输入端的临界极限增压值SP1。在当前的例子中，计算单元15被设计成用最大压缩比RM和空气压力PAMB的乘积来确定临界极限增压值SP1(SP1＝RM*PAMB)。
需要指出的是，预先确定的运转图以及相应的压缩机9的运转曲线Ci都是在涡轮增压器7的测试和校准的步骤中确定的，在这个过程中，重要的物理量，即，旋转速度Vtc，质量流率QAH，以及压缩比RM在以基准温度TRIF和基准压力PRIF为特征的基准条件下被测量和确定。在当前的例子中，该预先确定的运转图以及相应的运转曲线Ci典型地以标准化的形式呈现，使之能够在非基准条件下的涡轮增压器7的其他任何运转条件下确定上述参数。
参照图3和4所示出的示例，存储在计算单元15中的运转图15a以及相应的参数优选地，但不是必须地，参照在涡轮增压器7的测试和校准中所作的测量中采用的预先设定的基准条件来被“标准化”。特别的，运转图15a中的曲线Ci是“标准化的”，也就是说，是指的预先设定的基准条件(PRIFand TRIF)，以便能够确定涡轮增压器7在不同于预设基准条件的任一条件下运转的压缩比RP。
更详细的，图3和4中所示出的“标准化的”运转图中的每一曲线Ci与一个用下面的关系式计算出的折合速度Vtcr相关：a)Vtcr=Vtc*TRTFTAMB]]>同时质量流率被用如下关系式来标准化：b)QAHR=QAH*TAMBTRIF*PRIFPAMB]]>其中：QAHR为压缩机9的折合质量流率；需要指出的是，质量流率QAH可以在一组发动机的运转参数的基础上以已知的方式被估计，或者另外也可以通过在进气管3中、优选地在压缩机9上游设置流量计19来测量；而且PAMB和TAMB分别为进气管3中空气的压力和温度，优选的可以通过定位在压缩机9上游的对应于进气管3的相应位置的分别的传感器20a和20b来测得。
参照图2，3和4所示出的实施方案，计算单元15主要包括一个计算模块21，它在输入端接收质量流率QAH，压力PAMB，并优选地接收压缩机9上游所测得的温度TAMB，与预先确定的图15a中曲线Ci相对应的基准压力PRIF和基准温度TRIF，并且它在输出端发出通过应用上面列出的关系式b)所确定的折合质量流率QAHR。
计算单元15还包括计算模块22，它在输入端接收预先确定的极限速度Ntc，并优选地接收温度TAMB和TRIF，并且被设计用来执行关系式Ntcr=Ntc*TRTFTAMB]]>从而在输出端给出相对于基准条件所标准化的折合极限速度Ntcr。
参照图2，计算单元15还包括处理模块23，它在输入端接收折合极限速度Ntcr和折合质量流率QAHR，并且在输出口给出极限增压压力SP1和一个信号AWG，该信号包括允许/禁用通过系统1来控制废气闸门阀12(下文中将描述)的控制指令。
特别的，在图2所示出的实施方案中，处理模块23包括处理块24，该处理块包括“标准化”形式的预先确定的运转图15a，并且被设计用来在该图本身中确定与对应于折合极限速度Ntcr的折合速度Vtcr相关的曲线Ci。
更详细的，参照图4，在识别出与折合极限速度Ntcr相对应的曲线Ci之后，该处理块24以折合质量流率QAHR的函数的方式来确定最大压缩比RM并且将其在输出端输出。
参照图2，优选的，但并非必要的，处理模块23还包括计算块26，该计算块26在输入端接收最大压缩比RM并且将其减去一个第一安全临界值ΔC1来确定极限压缩比RPL(RPL＝RM-ΔC1)。
需要指出的是，设立第一安全临界值ΔC1，用来确定压缩机9的“极限运转范围”，在该范围内，控制装置10通过干预废气闸门阀12来限制涡轮增压器7的转速。该极限运转范围在图4中被示出，在上端以表示对应于折合极限速度Ntcr的速度Vtcr的曲线Ci为界限，在下端以与第一安全临界值ΔC1相关的曲线(以虚线示出)为界限。因此显然，第一安全临界值ΔC1的调整能够有利于赋予涡轮增压器7的极限转速的确定。
处理模块23还包括一个计算块27，该计算块27在输入端接收极限压缩比RPL和压力PAMB并且在输出端给出极限增压压力SP1。在当前的例子中，该计算块27用关系式SP1＝RPL*PAMB来计算极限增压压力SP1。
参照图2，处理模块23还包括一个解除激活块(deactivationblock)28，该解除激活块28在输入端接收最大压缩比RM，压力PAMB，与通过放置在相当于与节流阀5相应位置的传感器29所测得的压缩机9下游的空气压力相对应的压力PUTH，以及第二预设安全临界值ΔC2(在图4中示出)，并且在输出端给出包括允许/禁用增压作用指令的信号AWG。
特别的，解除激活块28被设计用来执行如下操作：确定一个有效压缩比RE＝PUTH/PAMB，其与压缩机9的输出端所测得的压力PUTH和压缩机9的输入端所测得的压力PAMB之间的比例相对应；从最大的计算出的压缩比RM中减去第二安全临界值ΔC2，以用来确定解除激活压缩比RD＝(RM-ΔC2)；并且检查有效压缩比RE是否满足一个预设的与解除激活压缩比RD相比较的关系式。在当前的例子中，如果有效压缩比RE大于或者等于解除激活压缩比RD(RE≥RD)，那么解除激活块28将解除激活废气闸门阀12的指令编码到信号AWG中(导致增压作用部分或者全部的减少)，但是，如果有效压缩比RE低于解除激活压缩比RD，解除激活块27将激活废气闸门阀12(控制增压的状态)的控制的指令编码进信号AWG中。
更具体的，解除激活块28发送信号AWG到驱动单元17，在信号AWG编码有激活指令的情况下，驱动单元根据指令压力PEC支配废气阀12，以控制涡轮增压器7的转速(从而维持增压的有效性)。
相反的，如果信号AWG编码有禁用指令，驱动单元17进入关于支配废气阀12的抑制状态。在该后一种情况中，废气闸门阀12会自动的进入预设的操作条件，其中增压压力会部分或者完全的减低。例如，在抑制状态开始时，增压系统1可以停止对废气闸门阀12的电子控制并且可以设想对其进行传统类型的控制，如“机械式”控制，其中，当压缩机9下游的压力超过预设的极限临界值时，促动器13在进气管3的出口处所产生的空气压力作用下操纵废气闸门阀12。超过所述的压力临界值，实际上，会引起对促动器13的机械控制，促动器启动废气闸门阀12，从而导致对涡轮机8的速度限制以及相应的增压压力的降低。
在上述说明中，需要明确的是，第二安全临界值ΔC2被设置用来确定涡轮增压器7的一个“解除激活区域”，在该区域内控制装置10干预废气闸门阀12从而部分或者完全的降低发动机2的增压压力。该解除激活区域在图4中被示意性的示出，在上端以对应于折合极限速度Vtcr＝Ntcr的曲线Ci为界限，在底端以与第二安全临界值ΔC2相关的曲线(以点划线示出)为界限。因此显然，调整第二安全临界值ΔC2能够有利地建立对控制装置10禁用增压作用的干涉。
在上述说明中，需要明确的是，第一安全临界值ΔC1和/或第二安全临界值ΔC2可以设为定值，或者能够各自作为与压缩机9所吸入的空气相关的一组参数的函数而变化，例如像温度TAMB、质量流率QAH，压力PAMB以及压力PUTH等，以及/或者作为发动机的一个或者多个运转参数的函数而变化，例如像歧管4的压力，发动机润滑油的温度，涡轮增压器润滑油的温度，发动机冷却液的温度，发动机r.p.m.等等。
在比较单元16方面，它比较所需要的目标压力POB和极限增压压力SP1，并且根据比较的结果将目标压力POB或极限增压压力SP1赋值给指令压力PEC。在当前的例子中，在所示出的实施例中，如果所需的目标压力POB低于或等于极限增压压力SP1，对比单元16将目标压力POB赋值给指令压力PEC。在这种情况下，在输入端已经接收到目标压力POB的驱动单元17调整涡轮增压器7的转速，以获得对应于目标压力POB本身的增压作用。
反之，如果所需的目标压力POB高于极限增压压力SP1，比较单元16将极限增压压力SP1赋值给指令压力PEC。在这种情况下，已经接收到极限增压压力SP1的驱动单元17，将涡轮增压器7的转速限制到一个对应于最大预设速度Ntc的值上，以这种方式在压缩机9的下游维持极限增压压力SP1。
在上述说明中，需要明确的是，控制装置10可以没有用于测量温度的传感器20b，并且折合质量流率QAHR可以在压力PRIF/PAMB的比值基础上被“部分的”标准化，而不考虑温度TAMB和TRIF的比值。在这种情况下，能够有利地对“部分的”标准化进行“补偿”，并且，通过适当的改变第一安全临界值ΔC1和/或第二安全临界值ΔC2，从而在对最大速度的限制中保证一个给定的安全余量。
增压系统1的控制装置10具有简单和制造成本低的优势，其不需要任何附加的测量装置，例如像安装在涡轮增压器7中的测量其旋转速度的测速传感器，而使用典型的存在于传统的发动机和增压系统中的传感器。另外，当环境条件和/或发动机运转状态变化时，控制装置10具有确保涡轮增压器的极限转速的优势。
最后，显然，可以在不超出本发明所附的权利要求所限定的范围内，对本文中所说明和图示的控制装置进行修改和变化。
特别的，依据一个变例(未示出)，涡轮增压器的运转图可以关联于一个给定的极限速度临界值，该值是“未折合”的，即没有参照基准温度TRIF标准化，同时，该运转图本身的每一曲线可以相关于一个在压缩机9入口的空气的给定温度T并且提供了一个按照折合质量流率QAHR的函数来变化的压缩比RP的图形。在这种情况下，计算单元15没有计算块22，并且计算块24确定用来计算作为空气温度TAMB函数的最大压缩比RM的曲线Ci。