CN106062375A - 用于识别压缩机的喘振极限的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于识别压缩机(2)的喘振极限的方法，其中，压缩机至少由电动机(35)驱动，电动机(35)的功率通过调节装置(34)来调节，其中，调节装置在压缩机(2)的操作期间检测调节活性，以及其中，如果调节活性或调节活性变化超过分配给喘振极限的阈值，则识别出压缩机(2)的喘振极限。

Description

用于识别压缩机的喘振极限的方法

本发明涉及一种用于识别由电动机驱动的压缩机的喘振极限的方法，一种用于操作该类型压缩机以便防止达到喘振极限的方法，以及一种用于压缩机的调节装置。

电驱动压缩机可以用作燃料电池的空气供给装置、内燃机的电驱动辅助压缩机以及涡轮增压器的一部分，其中电动机可以至少驱动和/或辅助转子组的压缩机部分。涡轮增压器上的该类型电动机也可操作为发电机，并且出于此目的，其被连接至排气涡轮增压器的排气涡轮机。

在现有技术中，EP 1 342 895 A2已经公开了一种电驱动压缩机，该电驱动压缩机配备有可检测磨损、润滑不足或其他损害的控制/调节装置。这种诊断是在数学压缩机模型的基础上进行的。如果在模型中对由电动机取用的电功率和由电动机产生的计算功率检测出不可信值，则假定存在故障状态。该诊断也可以在压缩机的旋转加速度或旋转速度的基础上进行，其中同样考虑到模型中的差异。该技术尤其可以用于缓慢出现的故障，诸如油等状态的磨损或缓慢劣化。然而，与此相反，突然发生的问题也可能会损害压缩机。当压缩机在其喘振极限下操作时，情况尤其如此。

与此相反，本发明的目的在于提供一种实现压缩机可靠操作的方法和调节单元。

该目的通过独立权利要求的特征来实现。从属权利要求涉及本发明的有益改进，其中从属权利要求可以采用技术有利的方式彼此组合。

因此，本发明提供了一种用于识别压缩机的喘振极限的方法，其中压缩机至少由电动机驱动，压缩机的功率通过调节装置来调节，其中调节装置在压缩机的操作期间检测调节活性(regulation activity)，并且其中如果调节活性或调节活性变化超过阈值，则识别出压缩机的喘振极限。

根据本发明，利用了这一事实：当压缩机的操作状态变为邻近喘振极限或达到喘振极限时，调节器表现出增加的调节活性。这可用于确定喘振极限和/或调节压缩机，以使压缩机不受损害。

调节器例如可以实现为PI调节器或PID调节器。就调节功率而言，PI或PID调节可能与达到压缩机的特定体积流率、特定压力或特定旋转速度有关。驱动压缩机的电动机的功率、输出扭矩或旋转速度可以设定为调节的控制变量。

当达到阈值时，可以在最简单的情况下通过简单降低功率，或通过压缩机的面积变化使压缩机的操作状态或压缩机的操作点远离喘振极限，而对超过阈值作出反应。

在一个改进中，在操作期间基于喘振极限的识别结果而以自适应的方式连续地确定阈值。

在一个改进中，阈值利用喘振极限的裕度来确定。

所述方法可以在压缩机的操作期间一直使用或仅在操作状态下使用，在该操作状态中，压缩机在接近于喘振极限的操作状态下操作，并且由于对超过阈值作出反应，可以避免喘振极限。以这种方式，可以根据需要实施该方法。

在一个改进中，调节活性基于调节幅度和调节频率，特别是通过调节幅度和调节频率的乘积来确定。以这种方式，使用一种很简单的处理操作，可以确定当前时间段的调节活性并且与阈值进行比较。

在一个可替代或额外的改进中，调节活性基于调节幅度和调节频率，特别是通过在限定的频率范围内幅度的积分的确定来确定。以这种方式，面积(积分)可以确定为调节活性的描述性值，并与相应的描述性阈值进行比较。

在本发明的另一方面，提出了一种用于压缩机的调节装置，通过该调节装置来实施上述方法中的一种或其实施例。具体地，调节装置包括数字处理单元，通过该数字处理单元来实施上述方法中的一种。

所述类型的调节装置可以形成为内燃机的发动机控制器的一部分或燃料电池的调节器/控制器的一部分。所述调节装置也可以是电驱动燃料电池车辆的车辆调节器/控制器的一部分。这种整合节约了布线费用，并且实现了由压缩机及其调节器/控制器所组成的系统的紧凑构造。可替代地，调节装置也可以呈机械分离和/或功能自主装置(具体布置在压缩机或涡轮增压器上)的形式。在一个变型中，所述调节装置可以额外执行与压缩机或涡轮增压器相关的功能。

另外在用于调节电辅助或驱动压缩机的已有调节装置中，用于识别喘振或喘振开始的方法也可以实现为机器可读程序代码。

结合附图，本发明的进一步细节、优点和特征从下面的示例性实施例的描述中变得显而易见，附图中：

图1示出了压缩机的示例性特性图，

图2示出了具有电驱动的压缩机在内燃机的区域中的示例性安装情况，

图3示意性地示出了为控制由电动机驱动的压缩机而在调节装置中依据编程技术所实现的流程图，

图4a)示例性地示出了描绘在即将达到喘振极限之前的调节活性或强度的幅度相对于频率的图，以及

图4b)示例性地示出了达到喘振极限的情况下的图。

图1基于Michael Mayer和Günter的所著书("Abgasturbolader"["Exhaust-gas turbochargers"]Süddeutscher Verlag onpact GmbH,81677Munich,ISBN978-3-86-236-026-0)中的摘录而示例性地示出了压缩机的特性图。该特性图为压缩机2的压力比相对于体积流率的示意图。喘振极限100在特性图中示为线。压缩机2的容许操作范围在特性图中位于喘振极限100的右边。等旋转速度101线绘制在特性图中。这些表示的是在特定体积流率的情况下以压缩机2的特定旋转速度所获得的压力比。对于恒定的体积流率，压力比随压缩机2的旋转速度增加。特性图中也绘制了等效率102线。由于与下游内燃机或下游燃料电池的操作有关的原因，可能的情况是体积流率下降趋向喘振极限100。与效率的劣化相关联，可能发生从压缩机2的压缩机叶轮叶片产生的流动的部分分离。在喘振极限100处，所述分离变得如此强烈，以至于气体输送作用损坏。如果压缩机配备有补偿压缩机所产生的体积流率或旋转速度或压力的调节器，调节反应则可以在容许范围内但邻近喘振极限补偿偏差。在即将达到喘振极限之前，存在不稳定区域，在该区域中，喘振的开始已经导致相对强烈的调节活性。然而，当达到喘振极限100时，喘振变得如此强烈，以至于调节不再可以补偿偏差。在流动条件下发生突然改变，这导致在压缩机2的转子上施加了大的力。在这种情况下，压缩机2或连接至其的电动机35的轴向轴承可能遭受损害。然而，可以基于调节幅度来识别喘振极限100。此外可以在实际达到喘振极限之前已经识别喘振极限。在这种情况下，由于改变流动分离条件，通常出现增加的调节活性。这些可以在达到喘振极限100本身之前识别。举例来说，接近于喘振极限由箭头103指示。达到了操作状态104，其中调节活性超过喘振极限的阈值或阈值。特别是在超过阈值的情况下，可以启动对策，诸如，例如出于该目的所提供的调节算法，并因此可以防止对压缩机2或对其驱动的损害；这也可以设想用于喘振极限的阈值。增加的调节活性由此可以用于识别喘振极限或接近于其的值，以及用于在压缩机2的操作期间防止损害。为此，优选的情况是，如果由于更强烈的调节活性而识别出喘振极限100或接近于其的值，则操作点进一步远离不稳定区域并且沿容许区域的方向远离喘振极限100。

图2为燃烧发动机21的示意性简化图示，燃烧发动机21例如呈内燃机或燃料电池的形式。燃烧发动机21具有进气管线22，在进气管线22中布置了增压装置1的压缩机2，所述压缩机由电动机35驱动。增压空气冷却器23可以布置在进气管线22中压缩机2的下游。空气质量流量mL(用箭头符号化)从压缩机2被馈送至燃烧发动机21，燃烧发动机21可以是内燃机或燃料电池。

同样如图2所示，增压装置1设置有调节装置34，用于电机控制并且用于将电能供应至电动机35。在图2中以示意性简化形式用方框表示所述调节装置34和电源单元。因此，根据实施例，调节装置34布置在增压装置1外部或增压装置1内的适当位置。排气质量流量mA传导通过涡轮机36，随后被馈送至排气出口26。可以采用功率传输方式将涡轮机36连接至压缩机2，以便额外驱动后者。因此，为了避免喘振极限，电动机35也可以在发电机模式下操作，以便通过产生制动作用来防止喘振。

压缩机2连接至电动机35，借此可以驱动压缩机2。用于电机控制和能量供应的调节装置34包括调节器(未图示)，该调节器调节电动机35并且向电动机35供应电功率。在这种情况下，例如可以基于设定点值与实际值之间的多个偏差由调节装置34来检测调节活性，特别是在根据图4a)和图4b)的不同的频率的存在下。在一个改进中，还可以通过不同频率下的身体载声和空气载声的听觉上可感知幅度来推断已达到接近喘振极限的事实。

调节装置34可以以未示出的方式具有微处理器和存储器单元，并且可以设计成调节功率电子学。出于调节功率电子学以及执行本文所述方法的目的，微处理器可以设计成读取存储在存储器单元上的程序并且对其进行处理。

图3示出了可在调节装置34中实现用于调节电动机35的目的的简单流程图。开始41之后为步骤42，步骤42包含关于调节活性的强度和/或频率范围内的幅度的积分值的查询。在比较43中，查询调节活性与调节频率的乘积是否大于阈值。阈值可以变化，而仅可以在第一次实际达到喘振极限时在离散时间段内是固定的。如果对查询43的响应为“是”(如标有“Y”的箭头所示)，在步骤45例如通过旋转速度的降低来降低电动机35处的功率输出。不言而喻的是，也可以是一些其他措施，例如待实现空气质量流量mL的增加，以便离开接近于喘振极限的区域。如果对查询43的响应为“否”(如由标有“N”的箭头符号化)，不从当前基本设定改变电动机35处的功率输出。在步骤46中，方法结束，因此该方法可以再次返回到开始41。可以在调节装置34中连续执行该方法以便控制电动机35，并且该方法能够操作为在需要时尽可能地接近于喘振极限。

图4a)示例性地示出了在即将达到喘振极限之前相对于频率f绘制的调节活性的幅度A。可以在低频率范围内察看到幅度的增加。图4b)示出了在超过喘振极限的情况下的幅度与频率。在特定的频率下，在幅度中存在尖峰51，其在听觉上也可感知为特性音调。通过确定积分I，可以检测到频率范围内的调节活性。在这种情况下，也可以在操作期间修改阈值，使得不会遇到图4b)中所示的状态。

参考标号列表

1 增压装置

2 压缩机

3 压缩机壳体

4 压缩机壳体入口

5 压缩机壳体出口

21 燃烧发动机

22 进气管线

23 增压空气冷却器

26 排气管线

27 排气出口

29 排气冷却器

30 空气过滤器

34 调节装置

35 电动机

36 涡轮机

41 开始

42 调节活性的检测

43 比较

44 步骤

45 步骤

46 结束

51 尖峰

52 频率范围

100 喘振极限

101 等旋转速度线

102 等效率线

103 操作状态接近于喘振极限

104 操作点接近于喘振极限

A 幅度

f 频率

mL 空气质量流量

Claims (10)

1.一种用于识别压缩机(2)的喘振极限的方法，

其中至少通过电动机(35)来驱动所述压缩机，所述电动机(35)的功率通过调节装置(34)来调节，

其中所述调节装置(34)在所述压缩机(2)的操作期间检测调节活性，以及

其中如果所述调节活性超过阈值，则识别出所述压缩机(2)的喘振极限。

2.一种用于操作压缩机(2)以便防止达到如权利要求1所述的喘振极限的方法，其中，所述压缩机(2)的操作状态远离所述喘振极限，而对超过所述阈值作出反应。

3.如权利要求1所述的方法，其中以自适应方式在操作期间连续地确定所述阈值。

4.如权利要求1、2或3中任一项所述的方法，其中所述阈值利用喘振极限的裕度来确定。

5.如权利要求2至4中任一项所述的方法，其中所述压缩机(2)以接近于所述喘振极限的操作状态运行，并且由于对超过所述阈值作出反应而未达到所述喘振极限。

6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述调节活性基于调节幅度(A)和调节频率(f)，特别是通过所述调节幅度(A)和所述调节频率(f)的乘积来确定。

7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述调节活性基于调节幅度(A)和调节频率(f)，特别是通过限定频率范围(52)内的所述幅度(A)的积分(I)的确定来确定。

8.一种用于压缩机(2)的调节装置(34)，所述调节装置设计用于实施如权利要求1至8所述的一个或多个方法。

9.如权利要求9所述的调节装置(34)，其形成内燃机(21)的发动机控制器的一部分或燃料电池的控制器的一部分。

10.如权利要求9或10所述的调节装置(34)，所述调节装置(34)呈机械分离和/或功能自主控制/调节装置的形式，用于所述压缩机(2)或用于具有所述压缩机(2)的电辅助涡轮增压器。