阅读说明：本技术 用于控制发动机降额的方法和系统 (Method and system for controlling engine derating ) 是由 塞巴斯蒂安·克劳舍 马丁·保尔 于 2017-05-31 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种控制内燃发动机(10)的发动机降额的方法,该内燃发动机设有涡轮增压器(110)和可变入口导向叶片组件(130),该可变入口导向叶片组件布置在涡轮增压器(110)的压缩机(120)上游。该方法包括：确定需要发动机降额的当前操作状况；检测压缩机(120)的当前操作状况；以及基于所检测到的压缩机(120)的操作状况来控制可变入口导向叶片组件(130)的位置。(The invention relates to a method of controlling engine derating of an internal combustion engine (10) provided with a turbocharger (110) and a variable inlet guide vane assembly (130) arranged upstream of a compressor (120) of the turbocharger (110). The method comprises the following steps: determining a current operating condition requiring an engine derate; detecting a current operating condition of the compressor (120); and controlling a position of the variable inlet guide vane assembly (130) based on the detected operating condition of the compressor (120).)

用于控制发动机降额的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种用于控制发动机降额(derating)的方法，特别是用于与具有内燃发动机以及连接到该内燃发动机的涡轮增压器单元的车辆系统一起使用。

本发明可以应用于重型车辆中，例如卡车、公共汽车和建筑设备。尽管将针对卡车描述本发明，但本发明不限于这种特定车辆，而是还可以用在其他应用中。

背景技术

重型车辆(例如卡车)通常由具有与其连接的涡轮增压器的柴油发动机驱动。在开发这种类型的改进的车辆中，对燃料效率、排放和功率/扭矩的更严格要求不断增加。特别是对于包括涡轮增压器的车辆系统，这些要求通常趋向于被高度优化的车辆系统，这样的车辆系统离其设计极限具有相当小的裕量。而且，瞬态响应通常会受到影响。

上述先决条件经常导致所需的功率降额(power derate)相当高，以管理涡轮增压器以及整个发动机上的设计极限。通常，该问题发生在高海拔驾驶时，并且显著的缺点与固定几何涡轮增压器单元相关联，因为这些情况仅允许有限的可能性来调节涡轮特性以减小降额。

因此，希望提供一种特别是用于商用车辆的、能够使发动机降额最小化的方法和车辆系统。

发明内容

本发明的目的是提供允许改变压缩机特性以控制发动机降额的方法和车辆系统。

根据本发明的第一方面，该目的通过根据权利要求1的方法来实现。根据本发明的第二方面，该目的通过根据权利要求14的车辆系统来实现。

通过基于所检测到的压缩机的操作状况来控制可变入口导向叶片组件的位置，能够提高压缩机性能，从而减小发动机降额。

根据实施例，通过检测高海拔驾驶来执行确定需要发动机降额的当前操作状况。高海拔驾驶是一种特定状况，在该特定状况中，压缩机速度和排气温度对发动机功率具有限制性影响；通过监测该特定状况，能够调节车辆系统特性，由此实现发动机性能的实质性改善。

在一个实施例中，所检测到的压缩机的当前操作状况指示高发动机速度和高发动机功率。由此，通过确定可变入口导向叶片组件的叶片的所估计的负倾斜角度并将叶片的倾斜度改变为所确定的负倾斜角度，可以执行控制可变入口导向叶片组件的位置。由此，可以降低压缩机速度，压缩机速度在高发动机速度下常常是限制性因素。

在一个实施例中，叶片的所估计的负倾斜角度在0至45°之间，优选在0至20°之间。因此，入流空气的预旋被调节，以改变压缩机特性。

优选地，改变叶片的倾斜角度也将改变压缩机的进气角(flow inlet angle)。在一些实施例中，叶片的倾斜角度被控制在±45°内，而在其它实施例中，压缩机的进气角被控制(通过改变叶片的倾斜角度来控制)在±45°内。

在一个实施例中，重复进行检测压缩机的当前操作状况和控制可变入口导向叶片组件的位置的序列。这样，能够根据实际操作状况而连续地更新压缩机特性。

在一个实施例中，所检测到的压缩机的当前操作状况指示在较低发动机速度下的高发动机扭矩。因此，通过确定可变入口导向叶片组件的叶片的所估计的正倾斜角度并将叶片的倾斜度改变为所确定的正倾斜角度，可以控制可变入口导向叶片组件的位置。由此，可以提高压缩机效率，从而降低了排气温度，排气温度在高发动机扭矩下常常是限制性因素。

在一个实施例中，叶片的所估计的正倾斜角度在0°至45°之间，优选在0°至20°之间。因此，入流空气的预旋被调节，以改变压缩机特性。

在一个实施例中，重复进行检测压缩机的当前操作状况和控制可变入口导向叶片组件的位置的序列。这样，能够根据实际操作状况而连续地更新压缩机特性。

在一个实施例中，通过确定穿过压缩机的当前校正后的质量流量和压缩机两侧的当前压力比并确定压缩机性能图(compressor map)中的当前操作点，来执行检测压缩机的当前操作状况。因此，可以以可靠且稳健(robust)的方式确定压缩机特性。

根据另一方面，提供了一种包括程序代码组件的计算机程序，该程序代码组件用于当所述程序在计算机上运行时执行根据第一方面的方法的步骤。

根据又一方面，提供了一种计算机可读介质，该计算机可读介质承载包括程序代码组件的计算机程序，该程序代码组件用于当所述程序产品在计算机上运行时执行根据第一方面的方法的步骤。

根据第二方面，提供了一种车辆系统。该车辆系统包括内燃发动机、涡轮增压器、布置在涡轮增压器的压缩机上游的可变入口导向叶片组件、以及连接到该可变入口导向叶片组件的控制单元。该控制单元被配置成：确定需要发动机降额的当前操作状况；检测压缩机的当前操作状况；以及基于所检测到的压缩机的操作状况来控制可变入口导向叶片组件的位置。

在一个实施例中，所述控制单元被配置成通过检测高海拔驾驶来确定需要发动机降额的当前操作状况。

所检测到的压缩机的当前操作状况可以指示高发动机速度。

在一个实施例中，所述控制单元被配置成：通过确定可变入口导向叶片组件的叶片的所估计的负倾斜角度并将叶片的倾斜度改变为所确定的负倾斜角度来控制可变入口导向叶片组件的位置。叶片的所估计的负倾斜角度可以在0°至45°之间，优选在0°至20°之间。

在一个实施例中，所述控制单元被配置成：重复进行检测压缩机的当前操作状况和控制可变入口导向叶片组件的位置。

所检测到的压缩机的当前操作状况可以指示高发动机速度。

在一个实施例中，所述控制单元被配置成：通过确定可变入口导向叶片组件的叶片的所估计的正倾斜角度并将叶片的倾斜度改变为所确定的正倾斜角度来控制可变入口导向叶片组件的位置。叶片的所估计的正倾斜角度在0°至45°之间，优选在0°至20°之间。

在一个实施例中，所述控制单元被配置成：重复进行检测压缩机的当前操作状况和控制可变入口导向叶片组件的位置。

在一个实施例中，所述控制单元被配置成执行根据第一方面的方法的步骤。

根据又一方面，提供了一种车辆。该车辆包括根据上文提出的第二方面的车辆系统。

在以下描述和从属权利要求中公开了本发明的其它优点和有利特征。

附图说明

参考附图，以下是作为示例引用的本发明的实施例的更详细描述。

在这些图中：

图1是配备有根据实施例的车辆系统的卡车的示意图；

图2是根据实施例的车辆系统的示意图；

图3a至图3d是可变入口导向叶片组件的视图，该可变入口导向叶片组件形成根据实施例的车辆系统的一部分；

图4是根据实施例的方法的示意图；

图5是示出了当可变入口导向叶片组件处于中立位置以及处于正倾斜位置时的压缩机性能图的曲线图；并且

图6是示出了当可变入口导向叶片组件处于中立位置以及处于负倾斜位置时的压缩机性能图的曲线图。

具体实施方式

从图1开始，示出了车辆1，这里为卡车的形式。通过形成车辆系统100的一部分的内燃发动机10来驱动卡车1，在图2中进一步详细示出了该车辆系统100。

如图2中可见，内燃发动机10(例如柴油发动机)具有多个气缸20。驱动扭矩是通过被封闭在气缸20中的活塞(未示出)的往复运动而产生的，所述活塞连接到曲轴30。如本领域中众所周知的，曲轴30又联接到变速器。

涡轮增压器110也形成车辆系统100的一部分。涡轮增压器110具有从歧管40接收排气的涡轮机115，由此，涡轮机115开始旋转。涡轮机115旋转地联接到压缩机120，该压缩机120接收进气并且在空气进入气缸20之前压缩该空气。

涡轮增压器110可以是固定几何涡轮增压器，这意味着没有调节涡轮机115的临界流量(swallowing capacity)的可能性。然而，在一些实施例中，涡轮增压器110也可以是可变几何涡轮增压器。

可变入口导向叶片组件130布置在涡轮增压器110的压缩机120上游。因此，朝向压缩机120流动的新鲜进气在进入压缩机120之前将需要穿过可变入口导向叶片组件130。

在图3a至图3d中示出了在本申请的背景中使用的可变入口导向叶片组件130的示例。可变入口导向叶片组件130包括流动通道131，在该流动通道131中布置有多个叶片132。可以根据各种标准来选择叶片132的数量，并且本公开不限于图3a至图3d所教导的叶片132的具体数量。能够通过连接到控制单元140(见图2)的致动器(未示出)来控制叶片132的位置。在致动时，叶片132的角度将改变，要么如图3c中所示在正方向上，要么如图3d中所示在负方向上。容易理解，能够以非常高的精度连续地设定叶片132的倾斜角度(对于所有叶片132都是相等的)。还应注意的是，中立位置(即，0°的倾斜角度)对应于叶片132引起流动特性的最小变化的位置(见图3b)。

可变入口导向叶片组件130能够用于确定入口流(inlet flow)与离心压缩机120的角度，即，修改所谓的入口速度三角形，以便通过减少或增加空气动力负载来扩大稳定操作范围。在与压缩机120的旋转相同的方向上的小至中等的预旋(即，通过叶片132的正倾斜角度来实现)减小了负载，这又导致减小的压力比，但同时导致朝向对应的压缩机性能图的低流量区域的、提高的等熵效率。在相反方向上的小的预旋(即，通过叶片132的负倾斜角度来实现)导致增加的负载，这导致较高的压力比，特别是朝向对应的压缩机性能图的高流量区域。已经表明，能够在该高流量区域中实现等熵效率的一定的提高，但对于压缩机性能图的大部分来说，效率略有降低。

如将参考图4进一步描述的，对叶片132的倾斜角度的控制实际上将有助于使车辆系统100的发动机降额最小化。

现在转到图4，示出了用于优化发动机降额、特别是高海拔裕量的方法200。使用如上所述的车辆系统100来执行方法200，即通过控制可变入口导向叶片组件130的叶片132的倾斜角度来使降额最小化。

作为一般原则，使用可变入口导向叶片组件130来执行所提出的方法200，以根据车辆系统100的当前操作状况来降低涡轮速度或排气温度。

如稍后将参考图5和6说明的，叶片132的不同的倾斜角度将基于操作点在性能图中位于何处而在性能图宽度、效率和涡轮速度方面不同地影响压缩机特性。此外，取决于叶片132的负倾斜角度或正倾斜角度，可以看到对压缩机性能图的不同影响。

将会理解，也能够基于压缩机速度线和效率对该系统的影响来确定发动机设定(例如燃料喷射正时、排气再循环阀的位置、废气门位置、可变几何涡轮机的位置等)的最佳组合，以实现最小化的发动机降额。

在第一步骤202中，方法200检测车辆系统100是否处于需要发动机降额的状况中。通常可以通过确定如高海拔驾驶、高环境温度或高空气湿度的情况来执行这种检测。在随后的步骤204中，该方法被配置成确定通常需要发动机降额的某些驾驶特性或操作状况。这样的操作状况可以例如是高发动机速度或高发动机扭矩。

如果确定了高扭矩，则方法200前进到步骤210，在该步骤210中，确定可变入口导向叶片组件130的叶片132的最佳的正倾斜角度。

在高发动机扭矩下，排气温度通常是限制性因素。这可以通过转到示出了压缩机性能图的图5来进一步说明。虚线代表0°的倾斜角度。在高发动机扭矩下(这对应于穿过压缩机120的低的质量流量)，压缩机的操作点位于该压缩机性能图中的左侧，接近喘振点(surge)。

步骤210可以进一步包括：使用物理或数字速度传感器和发动机上现有的传感器基于例如涡轮速度、排气温度、环境压力、增压压力、排气再循环阀的位置(如果可用的话)、以及制动专用燃料消耗来识别最佳的废气门或可变几何涡轮机位置(如果可用的话)。

从步骤210，方法200将前进到步骤212，该步骤212改变可变入口导向叶片组件130的叶片132的倾斜角度，以降低排气温度。考虑到所述压缩机性能图，这样做提高了压缩机效率，这导致穿过压缩机120的更高的空气流量或λ(lambda)。

通过使用不同水平的正倾斜角度，将实际上提高压缩机效率(见图5)。在图5中以及在图6中，iso岛(iso islands)代表相对于中性压缩机性能图的δ(delta)效率。在虚线使用0°的倾斜角度形成压缩机性能图的同时，当可变入口导向叶片组件的叶片132的倾斜角度为+20°时，实线形成压缩机性能图。操作点P1代表当确定提高压缩机效率时的操作点。通过将可变入口导向叶片组件130的叶片132移动到+20°，操作点P1现在将位于相应的压缩机性能图中(实线)。显然，由于P1现在位于具有更高值的效率岛上，所以压缩机效率立即提高了。

在0和+20之间的其它正倾斜角度将为速度线和效率水平带来不同的变化；这意味着倾斜角度、发动机设定、废气门设定(或可变几何涡轮设定)的不同组合将为优化该方法200提供有效的手段。

再次参考图5，由于涡轮增压器单元110和发动机10是牢固连接的相依系统，因此通过可变入口导向叶片组件130改变压缩机特性将作为次级效应将操作点P1在所述性能图中移动到新的点P2。压缩机速度将通过速度线的相对移动以及升高的增压而增加，但是通常，压缩机速度的裕量对于高扭矩和低发动机速度操作点来说是足够高的。

可以重复步骤210和212，直到找到最佳设定；其中最终一些其它要求(如排气温度或烟灰)变成限制性因素。这是由于以下事实：更少的进气给出更低的λ，这增加了排气温度和烟灰。

如果确定了高速度，则方法200前进到步骤206，在该步骤206中，确定可变入口导向叶片组件130的叶片132的最佳的负倾斜角度。

在高发动机速度下(这也指示了高功率)，压缩机速度通常是限制性因素。这可以通过转到示出了压缩机性能图的图6来进一步说明。虚线代表0°的倾斜角度。在高发动机速度下(这对应于穿过压缩机120的高的质量流量)，压缩机的操作点位于压缩机性能图中的右侧，更接近阻气点(choke)。

步骤206可以进一步包括：使用物理或数字速度传感器和发动机上现有的传感器基于例如涡轮速度、排气温度、环境压力、增压压力、排气再循环阀(如果可用的话)的位置、以及制动专用燃料消耗来识别最佳的废气门或可变几何涡轮机位置(如果可用的话)。

从步骤206，方法200将前进到步骤208，该步骤208改变可变入口导向叶片组件130的叶片132的倾斜角度，以降低压缩机速度。考虑到压缩机性能图，这是通过将速度线相对于等效性能图点向上移动从而导致更低的物理压缩机速度或者通过降低压缩机效率而完成的。

通过使用不同水平的负倾斜角度，将实际上降低压缩机效率(见图6)。在虚线使用0°的倾斜角度形成压缩机性能图的同时，当可变入口导向叶片组件的叶片132的倾斜角度为-20°时，实线形成压缩机性能图。操作点P3代表当确定降低压缩机速度时的操作点。通过将可变入口导向叶片组件130的叶片132移动到-20°，操作点P3现在将位于相应的压缩机性能图中(实线)。显然，由于P3现在位于具有更低值的速度线上，所以压缩机速度立即开始降低。

在0和-20之间的其它负倾斜角度将为速度线和效率水平带来不同的变化；测试已经表明，例如在-5°下，效率实际上将提高约1％。这意味着：倾斜角度、发动机设定、废气门设定(或可变几何涡轮设定)的不同组合将为优化该方法200提供有效的手段。

再次参考图6，由于涡轮增压器单元110和发动机10是牢固连接的相依系统，因此通过可变入口导向叶片组件130改变压缩机特性将作为次级效应将操作点P3在性能图中移动到新的点P4。压缩机效率的降低将因此使增压压力降低，且因此质量流量和压力比将降低，如图6中所示。在P4处，提供了效率和压缩机速度的新值。

从图6清楚可见，已经增加了压缩机速度裕量，这允许增加燃料量并因此增加发动机功率的可能性。能够重复步骤206和208以迭代对压缩机特性的改进，从而使发动机降额最小化。这意味着可以通过步骤206和208的多次重复来完成将操作点从P3移动到P4，从而指示在P3和P4之间存在多个中间点。应该注意，随着燃料量(以及发动机功率)增加，操作点将在所述压缩机性能图中向上并向右移动。

可以重复步骤206和208，直到找到最佳设定；其中最终一些其它要求(如排气温度或烟灰)变成限制性因素。这是由于以下事实：更少的进气给出更低的λ，这增加了排气温度和烟灰。

图5和6的曲线图示出了实验数据，即，测量值被映射以示出可变入口导向叶片组件130的叶片132的不同倾斜角度对压缩机性能图所具有的影响。该数据已用于推断涡轮机压缩机性能图，其中例示了具有不同倾斜角度的性能图的两个示例(-20度和+20度)。通过获知用于特定倾斜角度的压缩机性能图，能够确定最合适的压缩机性能图以控制发动机降额，并改变叶片132的倾斜角度以便应用所选择的压缩机性能图。

应当注意，上文提出的两条不同的路线(步骤210至212代表一条路线，而步骤206至208代表另一条路线)可以组合，使得该方法首先执行一条路线，之后再执行另一条路线。

应当理解，本发明不限于上文所述并在附图中示出的实施例；而是，本领域技术人员将认识到，可以在所附权利要求书的范围内做出许多修改和变型。

应当理解，本发明不限于上文所述并在附图中示出的实施例；而是，本领域技术人员将认识到，可以在所附权利要求书的范围内做出许多修改和变型。