CN104379901A - 涡轮转速检测装置 - Google Patents

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Abstract

基于由大气压传感器（13）以及增压压力传感器（14）检测到的压缩机（2a）的入口压力和出口压力计算出该压缩机（2a）的压力比，并且基于由进气流量传感器（15）以及进气温度传感器（16）检测到的进气（4）的质量流量以及入口温度和入口压力，使用气体的状态方程式计算出测定时刻的环境条件下的进气（4）的体积流量，将该计算出的值乘以基于进气（4）的入口温度的补正系数而补正成标准环境条件下的体积流量，基于该补正值和压力比的计算值，按照压缩机（2a）的动作特性图读出标准环境条件下的压缩机（2a）的转速，将该读出的转速乘以基于进气（4）的入口温度的补正系数而补正成压缩机（2a）的实际转速，将该补正值作为涡轮增压器（2）的转速进行检测。

Description

涡轮转速检测装置
技术领域
本发明涉及涡轮转速检测装置。
背景技术
在近年来的发动机设计中，转变了目前为止重视最高性能的构思的瘦身理念成为了主流，开始了通过用涡轮增压器进行增压，向减小排气量以及汽缸数量，得到与大一级的自然吸气发动机同等的输出、扭矩的发动机的置换。
例如，在柴油发动机的情况下，以商用车（货车）为中心，并且V型12汽缸发动机、V型8汽缸发动机为主流，但根据瘦身理念，对直列6汽缸发动机、直列4汽缸发动机进行了增压的发动机也成为了主流。
而且，随着这种瘦身理念成为主流，要求涡轮增压器更紧凑化，到目前为止，设在涡轮增压器的涡轮机和压缩机之间的轴承部分的旋转传感器的配置困难。
即、以往的旋转传感器是在连结涡轮增压器的涡轮机和压缩机的旋转轴上一体地外嵌装设在圆周方向的一部分上具备缺口的盘片，并且在前述盘片的附近装备将该盘片的缺口的通过作为磁场的变化等进行把握的非接触式的检测器，通过前述检测器检测前述盘片的缺口的通过并进行计数，这样就能够监视涡轮增压器的转速，但在涡轮机和压缩机之间存在冷却水及润滑油等的配管，没有空间上的富裕，不能够物理地配置前述盘片及非接触式的检测器的情况增加。
另外，作为与本发明相关联的现有技术文献信息有下述的专利文献1等。
专利文献1：日本国特开2006－57526号公报。
但是，在不能够配置旋转传感器的涡轮增压器中，由于不能够监视该涡轮增压器的转速，所以不能够检测超过极限速度而以超程的旋转速度旋转的超限运转，存在涡轮增压器产生超限运转而破损的可能性，尤其是在高地等处使用中，空气密度因气压的降低而降低，容易产生超限运转，存在必须采用降低发动机的输出来抑制转速的措施的情况。
发明内容
本发明是鉴于上述的实情而提出的，其目的在于提供一种没有旋转传感器也能够检测涡轮增压器的转速的涡轮转速检测装置。
本发明的涡轮转速检测装置具备：第一压力传感器，检测压缩机的入口压力；第二压力传感器，检测前述压缩机的出口压力；进气流量传感器，检测进气的质量流量；进气温度传感器，检测进气的入口温度；以及运算装置，将以进气的体积流量和压力比表现了在压缩机的入口压力以及进气的入口温度采用标准的规定值时的标准环境条件下、涡轮增压器的压缩机的等转速线的动作特性图数值化进行储存，
基于由第一压力传感器以及第二压力传感器检测到的压缩机的入口压力和出口压力计算出该压缩机的压力比，并且基于由进气流量传感器以及进气温度传感器检测到的进气的质量流量以及入口温度和前述入口压力，使用气体的状态方程式计算出测定时刻的环境条件下的进气的体积流量，将该计算出的值乘以基于进气的入口温度的补正系数而补正成前述标准环境条件下的体积流量，基于该补正值和前述压力比的计算值，按照前述动作特性图读出标准环境条件下的压缩机的转速，将该读出的转速乘以基于进气的入口温度的补正系数而补正成压缩机的实际转速，将该补正值作为涡轮增压器的转速进行检测。
即、由于在压缩机中存在如果在以某一转速旋转时压力比（入口压力和出口压力的比）确定，则前述压缩机内的进气的体积流量也唯一地确定的特性，所以能够通过实验求出等转速线并描绘在以压力比为纵轴、以进气的体积流量为横轴的曲线图中，基于作为这种曲线图所表现的动作特性图（压缩机特性线图），能够根据压力比和体积流量读出转速。
但是，前述的动作特性图在某一点的入口温度以及入口压力的环境条件下成立，例如，即使是相同的质量流量的进气，由于若入口温度增高，则膨胀而体积流量增大，即使入口压力降低，也膨胀而体积流量增大，所以必须确定压缩机的入口压力以及进气的入口温度采用标准的规定值时的标准环境条件，并以该标准环境条件下的体积流量为基准。
因此，即使基于由第一压力传感器以及第二压力传感器检测到的压缩机的入口压力和出口压力计算出该压缩机的压力比，基于由进气流量传感器以及进气温度传感器检测到的进气的质量流量以及入口温度和前述入口压力，使用气体的状态方程式计算出测定时刻的环境条件下的进气的体积流量，由于该状态下体积流量未标准化，所以不能够根据储存在运算装置中的标准环境条件下的动作特性图读出转速。
为此，若将该计算出的体积流量的值乘以基于进气的入口温度的补正系数而补正成前述标准环境条件下的体积流量，则能够基于该补正值和前述压力比的计算值，按照前述动作特性图读出标准环境条件下的压缩机的转速。
另外，在将计算出的体积流量的值乘以基于进气的入口温度的补正系数而补正成标准环境条件下的体积流量时，将标准环境条件下的入口温度（绝对温度）除以测定时刻的入口温度（由进气温度传感器检测到的绝对温度）的商的平方根作为补正系数使用即可，通过乘以这种补正系数而能够补正成标准环境条件下的体积流量气体依据了气体的相似法则。
但是，由于按照动作特性图读出的转速是标准环境条件下的压缩机的转速，与实际转速不同，所以若将该读出的值乘以基于进气的入口温度的补正系数而换算成压缩机的实际转速，则该换算后的值作为涡轮增压器的转速被检测。
另外，在将根据动作特性图读出的值乘以基于进气的入口温度的补正系数而换算成压缩机的实际转速时，将测定时刻的入口温度（由进气温度传感器检测到的绝对温度）除以标准环境条件下的入口温度（绝对温度）的商的平方根作为补正系数使用即可，通过乘以这种补正系数而能够补正成压缩机的实际转速依据了气体的相似法则。
此外，在本发明中，优选运算装置构成为在涡轮增压器的转速超过规定的阈值、检测了规定时间以上时，判定涡轮增压器的超限运转，这样一来，能够监视涡轮增压器的转速，判定超限运转，避免涡轮增压器的破损于未然。
根据上述的本发明的涡轮转速检测装置，即使在涡轮增压器的涡轮机和压缩机之间的轴承部分不设置旋转传感器，也能够通过基于压缩机的入口压力和出口压力、进气的质量流量、进气的入口温度的物理的计算检测涡轮增压器的转速，即使是因没有空间的富余而不能够配置旋转传感器的涡轮增压器，也能够监视其转速，防止超限运转产生的破损，此外，即使是能够配置旋转传感器的涡轮增压器，也具有因无需旋转传感器而能够谋求大幅度的成本削减的优良效果。
附图说明
图1是表示实施本发明的方式的一例的示意图；
图2是被图1的控制装置数值化并储存的动作特性图；
图3是检测图1的涡轮增压器的转速的方法的流程图。
附图标记说明：
2：涡轮增压器，2a：压缩机，4：进气，12：控制装置（运算装置），13：大气压传感器（第一压力传感器），14：增压压力传感器（第二压力传感器），15：进气流量传感器，16：进气温度传感器。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
图1表示本发明的一实施例，图1中的1表示搭载了涡轮增压器2的发动机，从空气滤清器3导入的进气4通过进气管5向前述涡轮增压器2的压缩机2a输送，被该压缩机2a加压后的进气4向中间冷却器6输送并进行冷却，将进气4从该中间冷却器6进一步向进气歧管7引导而分配给发动机1的各汽缸8。
此外，从该发动机1的各汽缸8排出的废气9经由排气歧管10向前述涡轮增压器2的涡轮机2b输送，驱动了该涡轮机2b后的废气9经由排气管11向车外排出。
进而，在发动机室内的行驶风的影响少的适当的场所，设有将大气压作为压缩机2a的入口压力进行检测的大气压传感器13（第一压力传感器），并且在压缩机2a和中间冷却器6之间的进气管5上设有检测前述压缩机2a的出口压力的增压压力传感器14，在前述压缩机2a的上游靠近空气滤清器3的位置的进气管5上装备有检测进气4的质量流量的进气流量传感器15（空气流量计），和检测进气4的入口温度的进气温度传感器16。
但在，在此为了便于说明而将进气流量传感器15和进气温度传感器16分开记载，但由于实际上为了求出进气4（新气）的质量流量而需要该进气4的温度，所以通常进气温度传感器16内置在进气流量传感器15中。
而且，来自这些大气压传感器13，增压压力传感器14，进气流量传感器15，进气温度传感器16的检测信号13a、14a、15a、16a向构成发动机控制计算机（电子控制单元，ECU：Electronic Control Unit）的控制装置12（运算装置）输入，在该控制装置12中，以进气4的体积流量和压力比表现了压缩机2a的入口压力以及进气4的入口温度采用标准的规定值时的标准环境条件下、涡轮增压器2的压缩机2a的等转速线的动作特性图被数值化地进行储存（参照图2）。
在此，由于例示了涡轮增压器2为单级的情况，所以使压缩机2a的入口压力为相当于大气压的1atm（标准大气压），并且以进气4的入口温度为293K（20℃）的情况作为标准环境条件，将一般的已有设备的大气压传感器13和增压压力传感器14作为用于检测压缩机2a的入口压力和出口压力的第一压力传感器以及第二压力传感器使用，将内置在进气流量传感器15中的进气温度传感器16作为用于检测进气4的入口温度的进气温度传感器使用。
但是，在具备多级涡轮增压器2的多级增压系统中，针对第二级以后的涡轮增压器2需要另外设置用于检测其压缩机2a的入口压力和出口压力的第一压力传感器和第二压力传感器，以及用于检测进气4的入口温度的进气温度传感器。但是，关于以下详述的控制装置12中检测涡轮增压器2的转速的方法，单级的情况和多级的情况没有特别的不同。
图3以流程图表示了前述控制装置12进行的检测涡轮增压器2的转速的方法，在前述控制装置12中，首先在步骤S1中，基于由大气压传感器13以及增压压力传感器14检测到的压缩机2a的入口压力（大气压）和出口压力（增压压力），用下述的式（1）计算出压缩机2a的压力比，
［式1］
压力比πc＝出口压力/入口压力…（1）。
另一方面，与步骤S1并行地在步骤S2中基于由进气流量传感器15以及进气温度传感器16检测到的进气4的质量流量以及入口温度和前述入口压力，使用气体的状态方程式计算出测定时刻的环境条件下的进气4的体积流量，在之后的步骤S3中，将计算出的体积流量乘以基于进气4的入口温度的补正系数而补正成前述标准环境条件下的体积流量。
该步骤S2和步骤S3的行程能够通过下述的式（2）而一次进行，该式（2）将气体的状态方程式（PV＝gRT：P为气体的压力、V为气体的体积流量、g为气体的质量流量、R为气体常数、T为气体的温度）变形成求出体积流量V的形式，并乘以了基于进气4的入口温度T的补正系数的形式，在此，将标准环境条件下的入口温度293Ｋ（绝对温度）除以测定时刻的入口温度T（由进气温度传感器16检测到的绝对温度）的商的平方根作为补正系数使用，但通过将气体的状态方程式中使用的温度T取入补正系数的公式中的根号内而简化了公式。另外，通过乘以这种补正系数而能够补正成标准环境条件下的体积流量依据了气体的相似法则，
［式2］
体积流量V的补正值Qa293＝（质量流量g×气体常数R）/入口压力P×√（293×入口温度T）…（2）。
而且，在之后的步骤S4中，基于前述体积流量的补正值Qa293和前述压力比的计算值πc（在步骤S1中得出），按照前述动作特性图（参照图2）读出标准环境条件下的压缩机2a的转速Nt293，在之后的步骤S5中，将其读出的转速Nt293乘以基于进气4的入口温度T的补正系数而补正成压缩机2a的实际转速Nt，在之后的步骤S6中，其补正值Nt作为涡轮增压器2的转速被检测。
在此，步骤S4的行程中使用的动作特性图在控制装置12内被数值化，作为函数程序储存，通过体积流量的补正值Qa293和压力比的计算值πc的入力，经由前述函数程序计算出转速Nt293。
此外，步骤S5的行程中使用的补正系数是将测定时刻的入口温度T（由进气温度传感器16检测到的绝对温度）除以标准环境条件下的入口温度293K（绝对温度）的商的平方根，更具体地说，通过下述的式（3），转速Nt293被补正成实际转速Nt。另外，通过乘以这种补正系数而能够补正成压缩机2a的实际转速依据了气体的相似法则，
［式3］
转速Nt＝转速Nt293×√（入口温度T/293）…（3）。
以下若对基于这种控制装置12中的检测涡轮增压器2的转速的方法进行补充说明，则由于在压缩机2a中，存在如果以某一转速旋转时压力比（入口压力和出口压力的比）确定，则前述压缩机2a内的进气4的体积流量唯一地确定的特性，所以能够通过实验求出等转速线并描绘在以压力比为纵轴、进气4的体积流量为横轴的曲线图中，如果基于作为这种曲线图所表现的动作特性图（压缩机特性线图：参照图2），则能够根据压力比和体积流量读出转速。
但是，前述的动作特性图是在某一点的入口温度以及入口压力的环境条件下成立，例如，即使是相同的质量流量的进气4，由于如果入口温度增高，则膨胀而体积流量增大，即使入口压力降低，也膨胀而体积流量增大，所以必须决定压缩机2a的入口压力以及进气4的入口温度采用标准的规定值时的标准环境条件，并以该标准环境条件下的体积流量为基准。
因此，即使基于由大气压传感器13以及增压压力传感器14检测到的压缩机2a的入口压力和出口压力计算出该压缩机2a的压力比，基于由进气流量传感器15以及进气温度传感器16检测到的进气4的质量流量以及入口温度和前述入口压力，使用气体的状态方程式计算出测定时刻的环境条件下的进气4的体积流量，由于该状态下体积流量未标准化，所以不能够根据储存在控制装置12中的标准环境条件下的动作特性图读出转速。
为此，如果将该计算出的体积流量的值乘以基于进气4的入口温度的补正系数而补正成前述标准环境条件下的体积流量，则能够基于其补正值和前述压力比的计算值，按照前述动作特性图读出标准环境条件下的压缩机2a的转速。
但是，由于按照动作特性图读出的转速是标准环境条件下的压缩机2a的转速，与实际转速不同，所以如果将该读出的值乘以基于进气4的入口温度的补正系数而换算成压缩机2a的实际转速，则该换算后的值能够作为涡轮增压器2的转速被检测。
此时，优选控制装置12构成为在涡轮增压器2的转速超过规定的阈值、检测了规定时间以上时判定涡轮增压器2的超限运转，这样一来，则能够监视涡轮增压器2的转速，判定超限运转，能够防患涡轮增压器2的破损于未然。
因此，根据上述实施例，即使在涡轮增压器2的涡轮机2b和压缩机2a之间的轴承部分不设置旋转传感器，也能够通过基于压缩机2a的入口压力和出口压力，进气4的质量流量，进气4的入口温度的物理的计算而检测涡轮增压器2的转速，即使是因没有空间的富余而不能够配置旋转传感器的涡轮增压器2，也能够监视其转速，防止超限运转产生的破损，此外，即使是能够配置旋转传感器的涡轮增压器2，也能够因无需旋转传感器而谋求大幅度的成本削减。
另外，本发明的涡轮转速检测装置并不仅限于上述的实施例，当然能够在不脱离本发明的宗旨的范围内增加各种变更而得出。

Claims (2)

1.一种涡轮转速检测装置，具备：第一压力传感器，检测压缩机的入口压力；第二压力传感器，检测前述压缩机的出口压力；进气流量传感器，检测进气的质量流量；进气温度传感器，检测进气的入口温度；以及运算装置，将以进气的体积流量和压力比表现了在压缩机的入口压力以及进气的入口温度采用标准的规定值时的标准环境条件下、涡轮增压器的压缩机的等转速线的动作特性图数值化进行储存，
基于由第一压力传感器以及第二压力传感器检测到的压缩机的入口压力和出口压力计算出该压缩机的压力比，并且基于由进气流量传感器以及进气温度传感器检测到的进气的质量流量以及入口温度和前述入口压力，使用气体的状态方程式计算出测定时刻的环境条件下的进气的体积流量，将该计算出的值乘以基于进气的入口温度的补正系数而补正成前述标准环境条件下的体积流量，基于该补正值和前述压力比的计算值，按照前述动作特性图读出标准环境条件下的压缩机的转速，将该读出的转速乘以基于进气的入口温度的补正系数而补正成压缩机的实际转速，将该补正值作为涡轮增压器的转速进行检测。
2.如权利要求1所述的涡轮转速检测装置，其特征在于，运算装置构成为在涡轮增压器的转速超过规定的阈值、检测了规定时间以上时，判定涡轮增压器的超限运转。
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