CN101375293A

CN101375293A - 用于压缩机和涡轮机性能模拟的装置和方法

Info

Publication number: CN101375293A
Application number: CNA2007800035795A
Authority: CN
Inventors: M·佩查诺克; M·F·弗莱明
Original assignee: Ricardo Inc
Current assignee: Ricardo Inc
Priority date: 2006-01-27
Filing date: 2007-01-26
Publication date: 2009-02-25
Also published as: US20070179763A1; EP1999681A2; WO2007090048A3; US7668704B2; JP2009524833A; WO2007090048A2

Abstract

一种模拟受压的空气源或转换设备(例如汽车内燃机的压缩机或涡轮机)的运转的方法和装置，其计算压缩机或涡轮机内的接口处的动量源。模型储存了与转速、入口压力、温度和出口压力有关的焓变和质量流量的稳态值。该模拟可以是发动机控制模块的输入，用于控制与压缩机或涡轮机相连的车辆发动机的运转。

Description

用于压缩机和涡轮机性能模拟的装置和方法

技术领域

本发明通常涉及用于模拟涡轮机和压缩机性能的装置和方法，并且尤其涉及在发动机建模和控制中的此类应用。

背景技术

一维计算流体动力学(CFD)规则用于计算多种类型的内燃机中的流体流动。这些规则运用气体动力模型，以预测发动机中的气体流动。John B.Heywood所著的“内燃机基础(Internal Combustion Engine Fundamentals)”一书中的756-762页描述了该方法。在这些CFD规则中，通常使用压缩机和涡轮机性能映射来施加稳态的质量流速。

以下文档提供了建模和使用查找表以进行控制的多个例子：

美国专利No.5,526,266揭示了一种用于诊断发动机的方法，其使用基于计算机的增压模型来比较涡轮增压器中的实际测量增压值和建模的增压值。

美国专利No5,753,805揭示了一种用于确定内燃机系统中气动(pneumatic)状态的方法，其利用查找表来确定质量流计算的压力和温度密度校正。

美国专利No.5,915,917揭示了使用气流不对称测量值来控制压缩机失速和喘振(surge)控制。不对称函数由分布于压缩机入口周围的静态压力传感器或总压传感器测量，上述传感器为信号处理器提供压力信号。

美国专利No.6,098,010揭示了一种用于预测和稳定压缩机失速的方法和装置，其使用轴向速度测量值作为时间的函数来预测失速。

美国专利No.6,178,749揭示了一种减小柴油发动机中涡轮机延迟的方法，其具有废气再循环，所述废气再循环基于实际和建模的进气管绝对压力和质量气流值生成涡轮增压器控制信号。

美国专利No6,298,718揭示了一种涡轮增压器压缩机诊断系统，其中传感器数据首先通过“合理性测试”检验，然后经与压缩机运行图进行比较从而确定该压缩机是喘振还是阻塞。

美国专利No6,510,691揭示了一种调节或控制增压内燃机的方法，其具有可变涡轮构型的涡轮增压器，所述涡轮增压器使用基于不同的运行状态的上下范围以为涡轮增压器的可变构型确定所需的调整。

已公开的美国专利申请No.2003/0101723揭示了一种使用废气涡轮增压器控制内燃机中充压的方法，其通过将压缩机的功率或扭矩与从涡轮机至压缩机传送过程中发生的功率或者扭矩损耗进行比较来计算操纵的变量，然后利用该操纵的变量来设置压缩机的充压输出。

已公开的美国专利申请No.2003/0106541揭示了一种内燃机控制系统，其由电控制的压缩机增压，使用查找表或者组合的因数来为压缩机产生低或高的怠速因数。

已公开的美国专利申请No.2003/0216856揭示了一种涡轮增压发动机的诊断系统，其利用从多个传感器提供给发动机控制模块的输入，以基于预测值与存储在压缩机和涡轮机图中的实际值之比，确定涡轮增压器的性能。

已公开的美国专利申请No.2005/0131620揭示了一种控制系统，其使用预测模型、控制算法和具有查找表的稳态图，以控制柴油发动机的增压和废气再循环(ERG)阀的运行。

美国专利No.3,738,102揭示了一种具有可变区域构型的涡轮类型电厂的燃料控制，其通过确定“ΔP/P”的值来控制涡轮机，而美国专利No.5,381,775揭示了一种控制内燃机的系统，其包括控制器，所述控制器从与特征图或模拟相通信的求和点(summation point)接收信号。

发明内容

本发明涉及一种在确定涡轮机或压缩机性能时使用动量的装置和方法。

本方法没有像先前的方法那样使用稳态质量流量值、压力比或出口压力，而是使用从图中获得的稳态动量源。

该方法较之现有技术的一大优点在于其引进了基于物理的空气动力时滞，从而更好地表示了压缩机或涡轮机的动态行为。这可以改善声学预测和脉冲流条件下的性能预测。

其他的对喘振压缩机系统进行建模的方法，例如Greitzer模型(Greitzer，E.M.，“Surge and Rotating Stall in Axial Flow Compressors Part1：TheoreticalCompression System Model”，Transactions of ASME，p.190，April，1976)不适用于一维(cfd)气体动力学方法。

在接近压缩机图的喘振极限时，压力比(出口压力除以进口压力)对恒速的质量流的曲线经常具有正斜率，从而峰值压力比出现在质量流速高于图喘振极限质量流速的情况下。这导致使用压力比来从图中查找质量流变得困难，因为对于给定的压力比，可能会有一个以上的质量流。这个新方法可以用于计算质量流的唯一值。

“动量体结(Momentum Volume junction)”结构使得该模型包括涡轮机或压缩机的体空气动力效果，并且其还创建了用于待实施的热传输建模的内部区域。

任何涡轮增压、增压或涡轮混合内燃机的制造商均可使用根据本发明的装置和方法，以此来改善设计流程和实际的发动机控制。

附图说明

根据以下结合附图的优选实施例的详细描述，本发明的以上及其他优点对于所属领域的技术人员而言是显而易见的。

图1是流体流动动量对相对于接口的位置的图表；

图2是可根据本发明建模的简单动量结(momentum junction)结构的示意图；

图3是可根据本发明建模的体动量结结构的示意图；

图4是根据本发明的发动机控制系统的方框图。

具体实施方式

通常，诸如压缩机之类的设备通过压缩入口空气提升内燃机的性能。诸如涡轮机之类的设备通常用于从废气中提取能量。涡轮机提取的能量用于驱动压缩机(如在涡轮增压器中)或为其他目的提供能量，比如驱动辅助设备，或者向发动机输出增加机械功率。

本发明涉及涡轮机或者压缩机模拟模型，其使用质量流、焓上升或下降和结(压缩机或者涡轮增压器)来计算入口和出口处的动量源。该模拟模型设计用于改进脉冲流条件下对涡轮机和压缩机性能的预测，改进对压缩机喘振稳定性的建模，计算质量流没有被入口压力和出口压力唯一定义情况下的质量流，以及在使用查找图表示稳态性能时改进CFD规则下的对压力波传输的预测。

因为根据本发明的方法可类似地适用于压缩机或者涡轮机，所以压缩机和涡轮机在以下描述中都将被称为“结(junction)”。

在通常用于模拟情况下的涡轮机或压缩机性能的现有技术算法中，稳态性能图用于描述涡轮机或压缩机的特征。该图通常涉及稳态条件下的压力比值、入口压力值、入口温度值、速度和质量流值、以及效率或者焓上升值。通常由方程式1或2表示图，其中“ss”代表“稳态”。

方程式1

或

方程式2

在该新方法中，没有将瞬时质量流、压力、压力比或焓上升指定为从图中查找的稳态值，而是计算动量源并且在控制接口或代表涡轮机或压缩机的体的解决方案中使用该动量源。动量源是通过涡轮机或者压缩机中的叶轮或叶片施加在流体上的力量，其被择定来使得在稳态下，质量流、和/或出口压力、和/或焓上升可以与从图中查询的稳态值相匹配。使用此方法，用于压缩机或者涡轮机或者其组件之一(例如转子或定子)的稳态行为的物理模型也可以用于代替图表。

图1，跨接口的动量平衡：

图1显示了用于特定离散化啮合(mesh)结构的动量平衡。但该方法也可以用于任何离散化的啮合。在此结构中，u表示上游控制体，d表示下游控制体，i表示位于上游和下游控制体之间的接口。是质量流量，U是速度，P是静态压力，A_i是接口区域，S_i是动量源。正质量流量或速度是从上游至下游，而负质量流量或速度是从下游至上游。在接口i处，在时间步骤n+l处的质量流量通过方程式3的动量平衡来计算。

\underset{&OverBar;}{{\overset{\cdot}{m}}_{i}^{n + 1} = {\overset{\cdot}{m}}_{i} + [{\overset{\cdot}{m}}_{u} U_{u} - {\overset{\cdot}{m}}_{d} U_{d} + A_{i} (P_{u} - P_{d}) + S_{i}] \frac{Δl}{Δu + Δd}}

方程式3

在稳态条件下，

\underset{&OverBar;}{0 = | {\overset{\cdot}{m}}_{u} U_{u} - {\overset{\cdot}{m}}_{d} U_{d} + A_{i} (P_{u} - P_{d}) + S_{i}] | \frac{Δl}{Δu + Δd}}

方程式4

或

\underset{&OverBar;}{S_{i} = \overset{\cdot}{m} (U_{d} - U_{u}) + A_{i} (P_{d} - P_{u})}

方程式5

在方程式5中，U_d，U_u，P_d，P_u和

中的全部或其中的一部分为从方程式1的左边部分获取或推导出的稳态值。其余项为瞬时值。

可能的解决方案结构：

有两种可能的基本结构，“动量控制表面”和“动量控制体”。图2显示了动量控制表面。

图2，动量控制表面：

此结构不具有内部体。其和临近的计算单元相连接并且计算接口处的由方程式3描述的动量平衡。在此情况下，上游量值为入口量值，下游量值为出口量值。

图3显示了动量控制体。该结构具有内部体。为每个入口或出口接口执行动量平衡。该图显示了具有一个出口和两个入口的控制体，但入口或出口的数量可以是任意的。

图3，动量体结：

动量控制表面是简单且在数量上具鲁棒性的，并且不需要什么输入参数。动量控制体结构具有支持多个入口和/或出口的优点，内部体也可以用于表示实际压缩机或涡轮机内部的体的动态行为。

示例1：

用于图2显示的动量控制表面的该算法的一个可能的实例如下。

在图中，从速度N的瞬时值、上游压力P_u、上游温度T_u和瞬时质量流

中查找稳态出口压力P_出口ss和焓上升或损耗Δh_ss，如方程式6所示。

方程式6

然后可以如下计算出动量源：

方程式7

在方程式6中，U_d和U_u为瞬时上游速度和瞬时下游速度。方程式7中的动量源是需要通过接口施加在流体上的力，以使在给定瞬时上游压力、上游和下游速度、以及质量流的条件下，出口压力为图中的稳态压力。

在方程式3中，如果我们假设上游和下游质量流相同，那么方程式6可以替代到方程式3中，

方程式8

对于压缩机、或其质量流不是压力比的唯一函数的任何其他结，方程式7或者8可以用于唯一计算质量流。

长度Δu+Δd为通过结的流路径的特征长度。对于压缩机，例如：

方程式9

其中L_c为压缩机的特征长度。长度L_c沿横截面区域定义压缩机的时间常数。方程式9的动量平衡产生的时间延迟使描述压缩机喘振稳定性的特征成为可能。

示例2：

另外一种用于图2显示的动量控制表面的该算法的实例可以如下：

在方程式5中，用稳态值替换质量流、速度和压力项，得方程式10：

方程式10

在稳态情况下，方程式11中的动量源为通过动量控制表面施加于流体上的力。假设在图中，方程式1中的P_入口和T_入口为静态温度和静态压力，而P_出口为静态压力。

入口速度，

方程式11

其中，R为工作流体的理想气体定律常数。

可以如下计算出口停滞温度：

万程式12

其中C_p为工作流体的比热。

静态温度和停滞温度可以通过使用质量流和马赫(Mach)数关系建立联系。

那么出口速度则为：

方程式13

运行软件程序的计算机可以用于发动机控制系统中，以预测实际的压缩机或涡轮机内部的体的动态行为并且可以实现对发动机的更好的控制。图4中，显示了表示此类计算机和软件的模型40。

在图4中也显示了本发明的发动机控制系统70。内燃机72具有进气管74和排气管76。在一些发动机中，节流阀(未显示)控制允许进入发动机72的新鲜空气的量。

一些发动机具有一个或多个压缩机78。压缩机可以是可变构型，在这种情况下可以控制流动特征。压缩机可由废气涡轮95驱动，或由另一个动力源例如发动机曲柄轴等来驱动。同样，发动机也可以具有一个或多个废气涡轮机95。流经涡轮机95的废气可以由排废门控制，或者涡轮机95可以是可变构型。涡轮机95可以用于驱动压缩机、增加发动机输出的功率或驱动辅助设备。压缩机和/或涡轮机的排废门和/或可变型构对来自发动机控制模块(ECM)84的控制信号做出响应

在具有废气再循环(EGR)的发动机中，通过排气管76流出发动机72的小部分废气经连接在气管之间的通道80返回到进气管74中。再循环的废气量通过调节EGR阀82控制。该阀82对来自与其相连的发动机ECM 84的控制信号做出响应。ECM84也和燃料控制86相连，以产生控制信号来确定送入发动机72中的燃料量。

ECM 84接收来自多个传感器92的传感器信号，这些传感器提供发动机72和排放控制系统70的运转情况的信息。比如，传感器92可以包括质量空气流传感器(MAF)、进气管绝对压力传感器(MAP)、节流阀位置传感器(TPS)、车辆速度传感器(VSS)、发动机RPM传感器(RPM)、冷却剂温度传感器(TMP)，热废气氧气传感器(HEGO)、废气温度传感器(EGT)和催化剂监测传感器(CMS)。通常，HEGO传感器位于变换器90入口的废气流上游，EGP传感器位于变换器中，CMS位于变换器出口的下游。

ECM 84也和模型40相连，以向其提供数据并且接收来自模型40的控制指令。基于模型40产生的估计或模拟性能，ECM 84可以控制压缩机78或涡轮机95。该控制通常通过调节涡轮机排废门、或压缩机或涡轮机可变构型控制来完成。也可使用其他控制装置，比如在进气管或排气管中设置旁通阀。因此，根据本发明的发动机控制系统70是基于模型的实时发动机控制。

根据专利法的规定，已经通过被认为的优选实施例描述了本发明。但是，应注意在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以以不同于具体例证和描述的形式来实现本发明。

Claims

1.一种模拟发动机压缩机或涡轮机行为的方法，其包括以下步骤：

a.将涡轮机或压缩机中位于上游与下游节点之间的接口处的质量流量定义为下列各项的函数：前一时间在所述接口处的质量流量、上游质量流量、上游速度，下游质量流量、下游速度、所述接口区域、上游静态压力、下游静态压力和动量源；

b.提供查找图或对质量流和压力的稳态值的计算，其中，所述稳态质量流量和焓变是压缩机或涡轮机的转速、入口温度、入口压力和出口压力的函数，或者其中，出口稳态压力或稳态压力比是所述转速、所述质量流量、所述入口压力和所述入口温度的函数；

c.使用所述查找图中的所述稳态值或对所述稳态值的计算来计算所述接口处的所述动量源；以及

d.通过在位于入口管和控制体之间的第一接口处和在位于所述控制体和出口管之间的第二接口处执行步骤c来模拟所述涡轮机或压缩机的行为。

2.如权利要求1所述的方法，其中，通过以下方式来执行所述步骤a：

将时间“n+1”处的所述质量流量定义为等于时间“n”处的所述质量流量加上如下值：

通过将一个量值乘以以下两项之比而获得的值：

“n”和“n+1”之间的时间、以及所述上游和下游节点之间距离，

所述量值等于所述上游质量流量乘以所述上游速度，减去所述下游质量流量与所述下游速度的乘积，加上所述接口区域与差值的乘积，再加上所述接口区域，其中所述差值为所述上游压力和所述下游压力之间的差值。

3.一种用于控制具有涡轮机的内燃机的装置，其包括：

发动机控制模块，其用于控制所述发动机的运行；以及

模型装置，其连接到所述发动机控制模块，用于产生所述涡轮机的运行行为的模拟，由此，所述发动机控制模块实时响应所述模拟来控制所述发动机的运行。

4.如权利要求3所述的装置，其中，所述模型装置储存查找图中的稳态值或计算所述稳态值、并且用所述计算出的稳态值或所述查找图中的所述稳态值来计算所述涡轮机中的接口处的动量源，所述接口包括位于入口管道和控制体之间的第一接口、以及位于所述控制体和出口管道之间的第二接口。

5.一种用于控制具有压缩机的内燃机的装置，其包括：

发动机控制模块，其用于控制所述发动机的运行；以及

模型装置，其连接到所述发动机控制模块，用于产生所述压缩机的运行行为的模拟，由此所述发动机控制模块实时响应所述模拟来控制所述发动机的运行。

6.如权利要求5所述的装置，其中，所述模型装置储存查找图中的稳态值或计算所述稳态值、并且用所述计算出的稳态值或所述查找图中的所述稳态值来计算所述压缩机中的接口处的动量源，所述接口包括位于入口管道和控制体之间的第一接口、以及位于所述控制体和出口管道之间的第二接口。