CN101506528B - 涡轮增压器系统和用于操作该涡轮增压器系统的方法 - Google Patents

Abstract

这里公开的是涡轮增压器系统和用于它们的运行的方法。在一个实施例中公开了一种涡轮增压器系统(2)。所述涡轮增压器系统包括涡轮(4)、压缩机(6)、空气入口(16)、第一传感器(22)、第二传感器(24)和控制器(26)。所述涡轮机械地连接到所述压缩机，并且所述空气入口流体相通地连接到所述压缩机。所述第一传感器和所述第二传感器可操作相通地与所述空气入口连接，并且彼此布置足够的距离，以便能够测量由热边界层导致的温度差。所述控制器可操作相通地与所述第一传感器和所述第二传感器连接，并且所述控制器配置为检测喘振前兆。

Description

涡轮增压器系统和用于操作该涡轮增压器系统的方法

背景技术

本发明涉及涡轮增压器系统和用于操作该涡轮增压器系统的方法。 

在许多应用中可以采用涡轮增压器来增加来自内燃机(例如，汽油或柴油机)的功率输出。在大缸径(large-bore)应用(如柴油机驱动的机车)中特别期望的是，涡轮增压器通过在将进入空气与燃料混合前压缩进入空气，实现增加的功率。这导致输送增加量(例如，质量(mass))的空气/燃料混合物进入汽缸。燃烧时，该增加量的空气/燃料混合物产生额外的能量，其导致由发动机产生的功率的增加。 

通常，涡轮增压器包括由轴驱动的压缩机。连接到与压缩机相反的轴的一端的是涡轮，其中涡轮、压缩机和轴通常是共轴的。该涡轮布置在发动机的排气(exhaust)的气流中。当排气通过涡轮时，对涡轮的叶片施加力，使得叶片相对于发动机的排气的容积流速旋转。因而，当排气流速增加时，涡轮的旋转速度也将增加。 

涡轮增压器的操作可以使用性能图来描述，该性能图具有X轴上的容积流速(在入口端)和在Y轴上的出口压力与入口压力的压力比。压缩机空气流速和压力比相对于涡轮增压器的旋转速度变化。 

该性能图由三种运行状况约束：最大旋转速度、喘振(surging)和阻塞(choking)。更具体地，喘振是一种运行状况，其中在入口端的容积流速相对于压力比非常低、并且涡轮增压器不能维持出口压力。结果，通过压缩机的气流(flow)暂时反向以便减轻出口压力。一旦压力被减轻，则恢复通过涡轮增压器的正常气流，并且再次生成出口压力，产生另一种状况，其中涡轮增压器不能维持出口压力，并且重复压力减轻循环，因而命名为喘振。阻塞是当压缩机达到其最大输出，然而发动机要求额外的空气，因而发送机被涡轮增压器流速阻塞时所造成的运行状况。该运行状况可以是作为磨损或损坏的结果的尺寸过小的涡轮增压器或减小的旋转速度的结果。该状况导致减 小的涡轮增压器和发动机效率。 

当在喘振或阻塞条件下运行时，涡轮增压器和/或发动机的运行效率是不令人满意地差。然而，当涡轮增压器在这些边界内运行时，效率通常是可接受的。更具体地，当运行点相对于恒定的旋转速度变化时，在更高的压力比和更低的容积流速处可以实现更高的效率。因此，当运行点接近喘振边界时，不用经历喘振事件的有害影响，涡轮增压器展现高效率并且提供希望的高压力比，以便满足喷射化柴油发动机的空气需求。 

许多涡轮增压器运行为排气输出的附属(slave)而没有采用任何类型的控制系统。然而，由于制造商争取改善的效率和系统寿命，用于控制涡轮增压器运行的方法正引人注意。一种示例性方法采用配置来控制提供到涡轮的排气流量的流量阀或可变管道。另一示例性方法采用管道或排出阀来将压缩机压力释放到大气或涡轮入口。尽管这些方法已经表明在一旦出现喘振事件时对于改变涡轮增压器的运行状况是稍微有效的，但是它们不能在实际喘振之前预测喘振的开始。 

因此，本领域需要提供处于高压缩机压力比的有效、可靠的涡轮增压器运行的涡轮增压系统，以及用于该系统运行的方法。 

发明内容

这里公开的是涡轮增压器系统和其使用的方法。 

在一个实施例中公开了一种涡轮增压器系统。所述涡轮增压器系统包括涡轮、压缩机、空气入口、第一传感器、第二传感器和控制器。所述涡轮机械地连接到所述压缩机，并且所述空气入口流体相通地连接到所述压缩机。所述第一传感器和所述第二传感器与所述空气入口可操作相通地连接，并且被布置彼此距离足够的距离，以便能够测量由热边界层导致的温度差。所述控制器与所述第一传感器和所述第二传感器可操作相通地连接，并且所述控制器配置为检测喘振前兆。 

在另一个实施例中，公开了一种涡轮增压器系统。所述涡轮增压器系统包括涡轮、压缩机、空气入口、空气出口、第一压力传感器、第二压力传感器、小波函数处理器和控制器。所述涡轮机械地连接到所述压缩机，并且所述空气入口和所述空气出口流体相通地连接到所述压缩机。所述第一压力传感器与所述空气入口可操作相通地连接，并且所述第二压力传感器与所述空气出口可操作相通地连接。所述小波函数处理器与所述第一压力传感器和所述第二压力传感器可操作相通地连接，并且所述控制器与所述小波函数处理器可操作相通地连接。 

在另一个实施例中，公开了一种用于控制涡轮增压器的运行的方法。所述方法包括：监视流体相通地连接到压缩机的空气入口的温度差，确定是否所述温度差是喘振前兆，并且确定是否希望动作，其中如果希望动作，则执行该动作。 

在另一个实施例中，公开了一种用于控制涡轮增压器的运行的方法。所述方法包括：使用控制器监视压力，确定是否信号展现喘振前兆，并且确定是否希望动作，其中如果希望动作，则执行该动作。所述压力以信号的形式提供到所述控制器。 

在另一个实施例中，公开了一种用于控制涡轮增压器的运行的方法。所述方法包括：由控制器从传感器接收信号，使用小波变换处理器处理所述信号以便产生频带，确定所述频带是否展现喘振前兆，并且确定是否希望动作。如果希望动作，则所述控制器执行所述动作。与所述涡轮增压器可操作相通地布置所述传感器。 

上述和其它特征通过以下附图和详细描述举例说明。 

附图说明

现在参照作为示例性实施例的附图，其中相同的元件标号相同。 

图1是示例性涡轮增压器的侧视图； 

图2是示例性性能图； 

图3是图示用于预测喘振的开始和喘振事件的接近的方法的示例性流程图； 

图4是控制系统的替代实施例； 

图5是图示当涡轮增压器运行而不显示任何喘振的开始的迹象时、从温度传感器接收的信号的示例性曲线图； 

图6是图示当涡轮增压器在接近喘振开始运行时、从温度传感器接收的信号的示例性曲线图； 

图7是图示当涡轮增压器在喘振边界附近的运行点运行时、从传感器接收的信号的示例性曲线图； 

图8是图示当涡轮增压器在喘振条件下运行时、从传感器接收的信号的示例性曲线图； 

图9是图示采用小波变换的示例性处理的流程图。 

具体实施方式

这里公开的是包括涡轮增压器和控制系统的涡轮增压器(例如，离心涡轮增压器)系统。该控制系统包括能够监视涡轮增压器的运行、并且通过监视喘振前兆(precursor)在实际喘振之前检测喘振事件的开始的处理控制器。在检测喘振前兆时，处理控制器能够确定喘振事件的临近，并且能够调整涡轮增压器系统的运行状况以便避免喘振，从而维持有效的运行。 

图示1中图示了示例性涡轮增压器2的侧视图，该涡轮增压器2包括通过轴12机械地连接的涡轮4和压缩机6。涡轮4与排气入口8和排气出口10流体相通地连接，这导致涡轮4的旋转运动。涡轮4的旋转运动驱动压缩机6，压缩机6与空气出口14和空气入口16流体相通地连接。压缩机6的旋转运动通过空气入口16吸取空气，压缩该空气，并且以提高的压力将空气推出空气出口14。压缩的空气然后被导入内燃机的进气歧管(未示出)，其中该压缩的空气被导入发动机的汽缸，与燃料混合并且燃烧。 

在运行期间，涡轮增压器2以其中其运行变量经常变化的动态方式运行。尽管这些运行变量频繁的变化，仍希望涡轮增压器2以高效率和足够的压力比运行，以便满足喷射化(emissionized)发动机的空气需求。当涡轮增压器以较低的容积入口容量和高压力比运行时，通常实现有效的运行。这可以直观地表示为图2中图示的示例性性能图30，其中相对于入口容积流速(立方米/每秒(m³/sec)，X轴上)和压力比(出口压力/入口压力，Y轴上)图示涡轮增压器2的运行。涡轮增压器2的运行窗口由右边的阻塞边界34和左边的喘振边界36约束。在性能图30上图示的旋转速度线38表示当以特定旋转速度运行时涡轮增压器2的相应的容积流速和压力比。 

如所公开的，希望涡轮增压器2运行在高效率的并且产生足够的压力比以满足发动机运行需求的运行点。因此，随着涡轮增压器2的运行接近喘振边界36，效率通常增加直到喘振出现，其中效率、流量(flow)和压力比迅速降低。例如，在性能图30上图示了四种示例性运行状况或运行点作为运行点40-46。如所见的，运行点40布置在充分远离喘振边界36的距离。因而，在运行点40，涡轮增压器2没有经历喘振前兆，其中喘振前兆定义为指示涡轮增压器正接近喘振事件的任何信息，如运行温度或压缩机排出压力的不稳定。分析运行点42，该运行点42被布置更接近喘振边界36，与运行点40相 比，在那里涡轮增压器2以更高的效率和更高的压力比运行，但是可以经历喘振的开始，其中展现喘振前兆而不实际经历喘振。更具体地，喘振的开始定义为这样的涡轮增压器2运行点，其中与相对高的压力比相比，容量流速是相对低的，从而产生一种状况，其中尽管没有出现喘振，但涡轮增压器的运行展现喘振前兆。在运行点44，涡轮增压器2以更高的效率和压力比运行，然而喘振前兆增加，指示压缩机处于不稳定运行的边缘。在运行点46，涡轮增压器经历喘振事件，在那里效率、压力比和流量迅速降低。如果任由处于喘振的运行继续，则还可能出现机械损坏。 

再次参照图1，为了预测喘振的开始和/或喘振事件的接近，涡轮增压器2安装有控制系统20，该控制系统20包括与第一传感器22和第二传感器24(通常称为传感器)可操作相通地连接的控制器26，与空气入口16可操作相通地布置第一传感器22和第二传感器24。传感器能够测量入口16中的空气的运行状况，并且将信息(例如，信号)提供给控制器26。在具体实施例中，传感器是能够测量空气入口中的温度的热电偶，其中传感器以高的精确度(例如，大于或等于大约99％)和大于或等于大约10Hz的频率响应运行。 

在一个实施例中，控制器26能够确定涡轮增压器2是否展现喘振前兆以及确定喘振事件的临近。控制器26通过采用第一传感器22和第二传感器24来提供关于空气入口16中的空气的温度信息(例如，温度差)，实现了这些功能。控制器26还可以将温度信息与存储器进行比较以便确定喘振事件的临近。 

这些能力是基于如下发现：当喘振事件接近时，空气的热边界层从压缩机6移往空气入口16(与那里的空气流相反)。随着热边界层前进，由于第二传感器24被热边界层吞没，从第二传感器24通信到控制器26的温度上升，在第二传感器24和第一传感器22之间造成温度差。温度差的存在是喘振前兆，由于其指示热边界层已经到达第二传感器24，并且涡轮增压器2正经历喘振的开始。 

随着热边界层进一步前进，第一传感器22被热边界层吞没，这导致通信到控制器26的温度继续上升以及温度差，因为热边界层包括内部温度差。随着边界层继续前进通过第一传感器22，通信到控制器26的温度继续上升，并且温度差继续存在直到喘振点。更进一步地，还已经发现这些喘振前兆可以被利用来确定喘振事件的临近。 

确定喘振事件的临近的能力是非常期望的，因为一旦确定了喘振事件的临近，控制器26就可以改变涡轮增压器系统的运行状况以便避免喘振，这延长了涡轮增压器2的使用寿命，或者控制器26可以改变运行状况来实现增加的效率，这减少了运行费用。 

在示例性实施例中，第二传感器位于距离压缩机6大约0.15英寸(0.381cm)的距离，并且第一传感器22和第二传感器24位于彼此等于大约0.25英寸(0.635cm)的轴向距离(相对于空气入口16的轴的轴向)。然而，取决于涡轮增压器2的具体设计(例如，压缩机6)、空气入口16、运行状况、以及传感器的位置和其它变量，传感器的配置将改变。传感器可以位于沿着空气入口16的长度的任何点，其可以提供足够的信息(例如，温度差)到控制器26以便确定喘振的开始。通常，传感器可以位于距离压缩机6小于或等于大约12英寸，或者更具体地，小于或等于大约6英寸，或者更具体地，小于或等于大约1英寸。 

指示喘振的开始的具体温度和/或温度差将基于如涡轮增压器2设计(例如，压缩机设计)、空气出口14设计(例如，长度或直径)、运行状况、传感器位置和其它的各变量而变化。因此，控制器26可以将从各传感器接收的信息与存储器(例如，运行图、查找表、数据阵列等)比较，以便确定是否涡轮增压器2正经历喘振的开始和/或喘振事件的临近。 

由控制器26访问的存储器希望由制造商基于实验测试结果编程，然而存储器中的信息可以由控制26或用户根据经验确定。存储器可以可操作相通地连接到控制器26或集成在那里。 

现在参照图3中的示例性流程图，说明了用于检测喘振前兆和确定喘振事件的临近的方法。在该方法的第一步骤中，控制器26通过与传感器的通信监视涡轮增压器2的运行状况(例如，温度差)。应该理解，除了温度传感器外，可以采用另外的传感器，如压力传感器、流速传感器、旋转速度传感器等。此外，可以采用任何数目的其它传感器，其可以以任何配置布置。此外，要注意控制器26基于步骤的完成(例如，确定值、进行决定、获取测量等)、过去的时间、随机地等进行该方法。 

接下来，控制器26确定涡轮增压器2是否展现喘振前兆。这可以利用任何测量的运行状况以及存储器(例如，性能图、查找表、数据、算法等)来确定。例如，存储器可以包含查找表，其中控制器26利用当前的运行状况(例 如，第一传感器22和第二传感器24之间的温度差)来查找限度，其中如果运行状况高于该限度，则涡轮增压器2正展现喘振前兆，而如果运行状况低于该限度，则涡轮增压器未展现喘振前兆。在一个具体示例中，由第一温度传感器22提供的第一温度测量和由第二温度传感器24提供的第二温度测量之间的温度差可以由控制器26确定，并且例如与存储器(例如，查找表)中的限度比较。如果温度差大于或等于该限度，则控制器26确定涡轮增压器2正展现喘振前兆。如果温度差小于该限度，则控制器26确定涡轮增压器2未展现喘振前兆。 

在另一实施例中，存储器可以包括性能图，其中控制器26利用当前运行状况(例如，旋转速度、流速、压力比和/或温度)来确定当前运行点(参见图2)。控制器26然后可以确定当前运行点是否在该性能图的范围内，其中该范围是由展现喘振前兆的点和喘振出现的点所约束的。如果当前运行点是在该范围内，则控制器26将确定正展现喘振前兆。 

在另一实施例中，涡轮增压器2的当前运行状况可以用来定位存储器中的特定算法，其中该算法可以用来计算展现喘振前兆的运行点。 

如果涡轮增压器2未展现喘振开始的迹象(例如，喘振前兆)，则控制器可以如上所述继续监视运行状况并且将运行状况与传感器进行比较。 

如果控制器26确定涡轮增压器2正展现喘振前兆(例如，使用小波函数处理器)，则可以开始该方法的下一个步骤，其中确定喘振事件的临近。更具体地，喘振事件的临近是涡轮增压器2将经历来自涡轮增压器的当前运行点的喘振时的确定。喘振事件的临近可以利用任何测量的运行状况以及存储器(例如，性能图、查找表、数据、算法等)来确定，并且可以相对于运行状况确定。例如，如果在当前运行状况下，涡轮增压器的每分钟旋转(RPM)达到某个值，则控制器26可以确定涡轮增压器2将经历喘振。 

在另一实施例中，控制器26可以利用温度差中的收敛或发散趋势来确定喘振事件的临近。在另一实施例中，控制器26可以确定第二温度传感器24的当前温度和当前的温度变化速率。然后当前温度和温度变化速率可以与查找表比较以便通过外推法(extrapolation)确定喘振事件的临近。在另一实施例中，控制器26可以利用涡轮增压器2的当前运行状况来定位存储器中的特定算法，其可以用来计算将出现喘振的运行点。 

一旦控制器26已经确定涡轮增压器2是否正展现喘振开始的迹象，并且 已经确定喘振的临近，该方法的下一个步骤就是确定要采取的动作。要采取的动作可以是为了任何原因，如避免喘振或增加涡轮增压器2的运行效率。可以利用任何测量的运行状况以及存储器(例如，性能图、查找表、数据、算法等)进行该确定。在一个实施例中，控制器26首先可以通过评估在前面的步骤中确定的临近信息确定是否希望动作来避免喘振。如果不希望动作来避免喘振，则控制器26然后可以评估是否希望动作来增加效率。为此，控制器26可以将由第一传感器22和第二传感器24提供的温度和它们之间的温度差与查找表进行比较，其中该查找表提供关于涡轮增压器的效率的信息给控制器26。 

在另一示例中，控制器26可以确定尽管涡轮增压器2正以可以接受的效率运行，但是喘振事件的临近是不可接受的，因此执行动作来避免喘振。 

由控制器26确定的具体动作将取决于涡轮增压器系统的具体配置。例如，控制器26可以连接到操作设备，如与空气出口14流体相通地布置的背压阀，其中该背压阀能够放出空气以调整涡轮增压器2的压力比，以便避免喘振。在另一实施例中，控制器26可以能够控制压力循环回路(circuit)的操作，其中来自空气入口16的高压空气部分可以被导入空气出口14，以便避免喘振。要理解的是，可以采用另外的设备和系统来避免喘振。 

在上面的方法中，公开了用于确定是否涡轮增压器2正展示喘振前兆的示例性方法以及用于预测喘振事件的临近的方法。对于本领域的技术人员显而易见的是许多方法可以用于这些功能，如采用数学预测方法(例如，算法、趋势估计、外推法、内插法等)、统计学方法(例如，概率、回归分析等)、以及其它预测方法。 

在之前的实施例中，温度测量被用来确定喘振前兆是否是明显的以及确定喘振事件的临近。然而，同样已经发现还可以识别基于压力的喘振前兆，因此允许使用压力测量来检测喘振的开始。此外，同样已经发现随着涡轮增压器的运行接近喘振边界36，这些基于压力的喘振前兆在幅度上增加。因此，可以确定喘振事件的临近。 

更具体地，随着涡轮增压器2接近喘振事件，已经发现从压力传感器接收的信号展现以小于或等于大约10Hz的频率在幅度上的显著增加。此外，随着涡轮增压器2的运行点接近喘振事件，这些频率的幅度进一步增加。 

现在参照图4，图示了控制系统20的替代性和示例性实施例，其中控制 系统20可操作相通地连接到涡轮增压器2。控制系统20包括可操作地连接到第一压力传感器54和第二压力传感器56(统称为压力传感器)的控制器26，其中压力传感器能够提供关于涡轮增压器2的运行状况的信息(例如，信号)到控制器26。 

第一压力传感器54布置在空气入口16上并且与其中的空气可操作相通。第二压力传感器56布置在空气出口14上并且与其中的空气可操作相通。在一个具体实施例中，第一压力传感器54位于距离压缩机6大约0.15英寸(0.381cm)的轴向距离(相对于空气入口16的轴的轴向)。第二压力传感器56位于距离压缩机6大约0.15英寸(0.381cm)的轴向距离(相对于空气出口14的轴的轴向)。然而，取决于涡轮增压器2的具体设计(例如，压缩机6)、空气入口16、空气出口14、运行状况、以及压力传感器的位置和其它变量，传感器的配置将改变。第一压力传感器54可以位于沿着空气入口16的长度的任何点，而第二压力传感器56可以位于沿着空气出口14的长度的任何点，在此它们可以提供用于确定喘振的开始的信息(例如，压力信号)到控制器26。在某些实施例中，传感器可以位于距离压缩机6小于或等于大约12英寸，或者更具体地，小于或等于大约6英寸，或者更具体地，小于或等于大约1英寸。 

在本实施例中，控制器26能够从每个压力传感器接收模拟信号(例如，毫伏)并且为喘振前兆评估每个信号。更具体地，可以评估小于或等于大约10赫兹(Hz)的信号频率的幅度峰值，其指示喘振开始。例如，现在参照图5，包括在X轴上的信号频率(单位是赫兹(Hz))和Y轴上的信号幅度(单位是分贝(dB))的曲线图，图示当涡轮增压器2以未展现任何喘振开始的迹象的状况(如图2中图示的运行点40)运行时从压力传感器(例如，第一压力传感器54)接收的信号。通常，曲线图描绘信号的功率(例如，强度)，并且更具体地，信号的快速傅立叶变换(FFT)的功率谱密度。因为当涡轮增压器2穿越各运行点或经历瞬变时信号是非稳态的，所以使用时间FFT。为了方便，在Y轴上的功率谱密度(PSD)按照分贝(dB)度量、归一化并绘制。如所见的，在小于或等于大约10Hz的任何频率，信号不展现任何显著的峰值(例如，超过30dB)。因此，在展现类似于在图5中图示的曲线图的运行点运行的涡轮增压器2不展现喘振前兆。 

现在参照图6，曲线图图示当涡轮增压器2在如图2中图示的运行点42 的喘振开始处(例如，展现喘振前兆)运行时从压力传感器(例如，第一压力传感器54)接收的信号。在此曲线图中，在大约6到大约7Hz处形成具有大于或等于大约30dB的幅度的显著的峰值。更具体地，该峰值展现大约40分贝(dB)的幅度。因此，在展现类似于在图6中图示的曲线图的运行点运行的涡轮增压器2展现在大约6到大约7Hz处的喘振前兆。 

现在参照图7，曲线图图示当涡轮增压器2在如图2中图示的运行点44的接近喘振边界36的运行点(例如，展现喘振前兆)运行时从压力传感器(例如，第一压力传感器54)接收的信号。在此曲线图中，在大约6到大约7Hz处形成的峰值已经在幅度上从图6增加到大约70dB。该峰值幅度大于或等于大约30dB，因此是喘振前兆，然而，要注意的是，随着运行点接近喘振(例如，喘振边界36)，展现的峰值的幅度增加。 

最后，现在参照图8，曲线图图示当涡轮增压器2在如图2中图示的运行点46的喘振条件运行时从压力传感器(例如，第一压力传感器54)接收的信号。在此曲线图中，在几乎全部小于或等于大约10Hz的频率(例如，从大约1.5Hz到大约10.0Hz)展现显著的峰值(例如，具有大于或等于大约30dB的幅度的峰值)。 

从图5、6、7和8可以确定，喘振前兆是具有展现大于或等于大约30dB的幅度的小于或等于大约10Hz的频率的任何信号峰值。然而，要理解的是，出现喘振前兆的特定频率将基于涡轮增压器2设计、运行状况、传感器的位置等变化。因此，可以采用其中可以识别喘振前兆的任何范围。例如，在一个实施例中可以采用大约3.0Hz到大约12.5Hz之间的范围。 

此外，显而易见的是尽管图4中图示的涡轮增压器2和控制系统20利用两个压力传感器(例如，第一压力传感器54和第二压力传感器56)，但是可以采用一个压力传感器来提供足够的信息以检测喘振前兆。 

为了使用压力测量信号来检测喘振前兆，采用小波函数处理器来使用小波变换函数将信号分割为离散的频率范围(波段)。小波函数处理器可以可操作地连接到控制器20或其部分。这有利地允许监视影响喘振前兆的离散频率波段(例如，信号幅度的变化)。 

尽管理论上没有约束，但是小波变换在此应用中特别有用，由于它们能够提取频率信息而不损失时间信息。此外，与傅立叶变换相比，小波变换对解决具有频率瞬变的非稳态信号特别有效，产生改善的时间-频率分辨率，并 且在计算上更加有效。 

控制器20可以对从传感器接收的信息采用任何采样速率，然而该速率要足以充分地预测喘振事件。通常，采用的频率应该大于大约0.01Hz，如大于大约1.0Hz，或大于大约100.0Hz。在一个示例中，控制器可以以大约400Hz接收信息。 

现在参照图9，流程图图示采用小波函数处理器的示例性处理。在该处理的第一步骤中，控制器26接收信号，其中本实施例中的信号预想为来自压力传感器(第一压力传感器54和第二压力传感器56)的模拟信号。一旦被接收，该信号由控制器26或由可操作地连接到控制器26的组件(如缓冲器、滤波器、放大器、算法、模拟到数字转换器等、以及包括前面的至少一个的组合)调节(condition)。例如，缓冲器可以用来积累间隔窗口(例如，1.0秒)中的数据。然而，要注意的是，在替代性实施例中该间隔窗口可以更小，使得数据可以被更迅速地追踪。也可以采用合适的替代性窗口函数。 

一旦该信号已经被缓冲，使用小波函数处理器将调节的信号(例如，信号块数据)分解为若干不同的频率范围。然后使用均方根块进一步调节提取的信号(例如，感兴趣的特定频率范围，例如0-12.5Hz)，其中计算特定频率范围值的平方的平均值的平方根，以便产生均方根值(RMS值)。然后RMS值通过运动平均滤波器以给出称为“最终处理信号”的最终信号。 

然后由控制器26评估特定频率(例如，感兴趣的单个频率或多个频率)的最终处理信号，以便确定涡轮增压器2是否展现喘振前兆的迹象。这可以利用任何测量的运行状况以及存储器(例如，性能图、查找表、数据、算法等)确定。例如，可以为具有大于或等于指定限度(如大约30dB)的幅度的峰值评估最终处理信号。 

如果涡轮增压器2没有展现喘振开始的迹象(例如，喘振前兆)，则控制器继续如上所述监视运行状况并且将运行状况与存储器进行比较。 

如果控制器26确定涡轮增压器2正展现喘振前兆，则开始本方法的下一个步骤，其中确定喘振事件的临近。更具体地，喘振事件的临近是当涡轮增压器2将从涡轮增压器的当前运行点经历喘振时的确定。喘振事件的临近可以利用任何测量的运行状况以及存储器(例如，性能图、查找表、数据、算法等)确定，并且可以相对于时间或相对于运行状况确定。例如，如果涡轮增压器的RPM在当前运行状况下达到某个值，则控制器26可以确定涡轮增 压器2将经历喘振。 

在另一实施例中，控制器26可以通过确定峰值的当前幅度或峰值的幅度的当前变化速率，确定喘振事件的临近。此后，峰值的幅度或峰值的幅度当前变化速率可以与查找表比较，以便经由外推法确定喘振事件的临近。在另一实施例中，控制器26可以用当前运行压力来定位存储器中的特定算法，该算法可以用来计算将出现喘振的运行点。 

一旦控制器26已经确定涡轮增压器2是否展现喘振前兆，并且已经确定喘振的临近，然后控制器就可以确定是否希望动作。可以为任何原因采取动作，如为了避免喘振或增加涡轮增压器2的运行效率。如果希望动作，则执行该动作。 

如前所述，在一个实施例中，控制器26首先可以通过评估在之前步骤中确定的临近信息确定是否希望动作来避免喘振。如果不希望动作来避免喘振，则控制器26然后可以评估是否希望动作来增加效率。为此，控制器26可以将由第一传感器22和第二传感器24提供的温度和它们之间的温度差与查找表进行比较，其中该查找表提供关于涡轮增压器的效率的信息给控制器26。基于效率信息，控制器26将涡轮增压器当前效率与最小值进行比较。如果高于该最小值，则控制器确定除了继续监视涡轮增压器2的运行状况外不采取动作。在另一示例中，控制器26可以确定尽管涡轮增压器2正以可以接受的效率运行，但是喘振事件的临近是不可接受的，因此执行动作来避免喘振。 

如之前所讨论的，控制系统20可以包括可操作设备。一个示例性设备是与控制出口14流体相通地布置的背压阀，其中该背压阀能够调整涡轮增压器2的压力比以便避免喘振(未示出)。控制器26还可以或替代性地能够控制压力循环回路的操作，其中来自空气出口14的高压空气部分可以被导入空气入口16以便避免喘振。要理解的是，另外的设备和系统可以被用来避免喘振和/或调整涡轮增压器的运行状况(例如，打开旁路阀、增加空气出口14流量、增加排气入口8流量等)。 

上面公开的方法可以以计算机实现的处理的形式体现。这些方法也可以以体现在有形介质(如软盘、CD-ROM、硬驱动器或任何其它计算机可读的存储介质)中的计算机程序代码的形式体现，其中，当该计算机程序代码由计算机或控制器载入并且执行时，执行该代码的设备是用于实践该方法的装置。当在通用微处理器上实现时，计算机程序代码段配置微处理器来创建特 定的逻辑电路。 

更具体地，控制器26的动作的技术效果是监视和/或控制涡轮增压器、和/或确定喘振前兆的存在、和/或确定喘振事件的临近。当这些能力以软件、固件、硬件或它们的某些组合体现时，该实施例可以是用于销售的单个商品或包括为计算机系统的一部分或分开销售。 

这里描述的流程图是示例。这里描述的这些图或步骤(运行)可以存在许多变化，而不背离本公开的精神。例如，各步骤可以以不同顺序执行，或可以添加、删除或修改各步骤。 

这里公开的涡轮增压器系统提供若干显著优点。首先，公开了涡轮增压器系统能够确定喘振前兆的存在。第二，使用关于喘振前兆的运行信息，涡轮增压器系统可以确定喘振事件的临近。这使得控制器能够确定是否需要动作来避免喘振事件，或调整运行状况更接近喘振边界以实现更高运行效率。第三，公开了涡轮增压器系统采用压力和/或温度传感器(例如，(各)运行状况可以通过监视(i)流体相通地连接到压缩机的空气入口中的温度差，和/或(ii)压力来确定)，提供了涡轮增压器系统的设计和配置的灵活性。例如，在许多情况下，热电偶比压力换能器便宜。最后，公开了用于运行涡轮增压器的方法，其由于避免喘振事件提供了有效的运行和扩展的使用寿命。 

除非另外定义，这里使用的技术和科学术语具有由本发明所属领域的技术人员所共同理解的含义。遍及发明书对“一个实施例(one embodiment)”、“另一实施例”、“一个实施例(a embodiment)”等的引用意味着结合该实施例描述的特定元素(例如，特征、结构和/或特性)包括在本发明的至少一个实施例中。因此，(各)元素不必全部参照相同的实施例，并且特定的元素可以以任何适当的方式并入各个实施例中。如在此使用的术语“第一”、“第二”等不表示任何顺序、数量或重要性，而是用来区别各元素。同样，术语“一(a)”和“一(an)”不表示数量的限制，并且除非另外注释，术语“前”、“后”、“底部”和/或“顶部”仅仅用来方便描述而不限制任何一个位置或空间方向。如果公开了范围，那么指向相同元件和参数的全部范围的端点是包括的并且可独立地组合(例如，“直到大约25wt.％，或者更具体地，大约5wt.％到大约20wt.％”的范围是包括端点和“大约5wt.％到大约25wt.％”范围的全部中间值等)。结合数量使用的修饰语“大约”是包括所述值并且具有由下上文指示的含义(例如，包括与特定量的测量相关联的误差度)。如在此使用的“(各)” 旨在包括单个和多个其修饰的术语，从而包括一个或多个该术语(例如，“(各)着色剂”包括一个或多个着色剂)。此外，如在此使用的，“组合”是包括混合(blend)、混合物(mixture)、合金(alloy)、反应产品等。 

尽管参照各示例性实施例描述了涡轮增压器控制系统，本领域的技术人员将理解，可以进行各种改变并且等价物可以替换其元件而不背离其范围。此外，可以对涡轮增压器控制系统的教导进行许多修改以适应特定的情况或材料而不背离其本质范围。因此，旨在不将本发明限制为作为预期执行本发明的最佳模式公开的特定实施例，而是本发明将包括落入权利要求的范围内的全部实施例。 

Claims (22)

1.一种涡轮增压器系统包括：

包括涡轮和压缩机的涡轮增压器，其中所述涡轮机械连接到所述压缩机；

流体相通地连接到所述压缩机的空气入口；

与所述空气入口可操作连通地布置的用于测量温度差的第一传感器和第二传感器，其中所述温度差基于所述第一传感器和所述第二传感器之间的距离；以及

可操作连通地与所述第一传感器和所述第二传感器连接的控制器，其中所述控制器配置为检测喘振前兆。

2.如权利要求1所述的涡轮增压器系统，其中所述喘振前兆是温度或温度差。

3.如权利要求1所述的涡轮增压器系统，还包括可操作连通地连接到所述控制器的小波函数处理器。

4.一种涡轮增压器系统包括：

涡轮和压缩机，其中所述涡轮机械地连接到所述压缩机；

流体相通地连接到所述压缩机的空气入口；

流体相通地连接到所述压缩机的空气出口；

可操作相通地与所述空气入口连接的第一压力传感器；

可操作相通地与所述空气出口连接的第二压力传感器；

可操作相通地与所述第一压力传感器和所述第二压力传感器连接的小波函数处理器；以及

可操作相通地与所述小波函数处理器连接的控制器，其中所述控制器配置为检测喘振前兆。

5.如权利要求4所述的涡轮增压器系统，其中所述喘振前兆是具有峰值的信号，其中所述峰值具有大于或等于30分贝的幅度。

6.如权利要求5所述的涡轮增压器系统，其中所述峰值具有小于或等于10Hz的频率。

7.一种用于控制涡轮增压器的运行的方法，包括：

使用第一传感器和第二传感器监视流体相通地连接到压缩机的空气入口中的温度差，其中所述温度差基于所述第一传感器和所述第二传感器之间的距离；

确定所述温度差是否是喘振前兆；以及

确定是否希望动作，其中如果希望动作，则执行所述动作。

8.如权利要求7所述的方法，还包括确定喘振事件的临近。

9.如权利要求7所述的方法，还包括使用小波函数处理器处理所述第一传感器或第二传感器的信号。

10.一种用于控制涡轮增压器的运行的方法，包括：

使用控制器监视压力，其中所述压力以信号的形式提供给所述控制器，所述信号来自所述涡轮增压器的布置在空气入口中的第一压力传感器和布置在涡轮增压器的空气出口中的第二压力传感器；

确定所述信号是否展现喘振前兆；以及

确定是否希望动作，其中如果希望动作，则执行所述动作。

11.如权利要求10所述的方法，其中确定所述信号是否展现喘振前兆包括确定所述信号是否具有大于或等于一个值的幅度的峰值。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述值是30分贝。

13.如权利要求10所述的方法，其中确定所述信号是否展现喘振前兆包括确定所述信号是否具有小于或等于10Hz的频率的峰值。

14.如权利要求10所述的方法，还包括使用小波函数处理器处理所述信号。

15.如权利要求10所述的方法，还包括确定喘振事件的临近。

16.如权利要求10所述的方法，其中所述动作包括调整涡轮增压器的运行以便避免喘振。

17.一种用于控制涡轮增压器的运行的方法，包括：

通过控制器从所述涡轮增压器的布置在空气入口中的第一压力传感器和布置在涡轮增压器的空气出口中的第二压力传感器接收信号，其中与涡轮增压器可操作相通地布置所述第一压力传感器和第二压力传感器；

使用小波变换处理器处理所述信号以便产生频率波段；

确定所述频率波段是否展现喘振前兆；以及

确定是否希望动作，其中如果希望动作，则所述控制器执行所述动作。

18.如权利要求17所述的方法，其中确定所述频率波段是否展现喘振前兆包括确定所述频率波段是否包括具有大于或等于一个值的幅度的峰值的信号。

19.如权利要求18所述的方法，其中所述值是30分贝。

20.如权利要求17所述的方法，其中所述频率波段具有小于或等于10Hz的频率。

21.如权利要求17所述的方法，还包括确定喘振事件的临近。

22.如权利要求17所述的方法，其中所述动作包括调整涡轮增压器的运行以便避免喘振。

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