CN106907234A

CN106907234A - 用于控制用于离心压缩机的trim‑调节机构的方法

Info

Publication number: CN106907234A
Application number: CN201611090394.XA
Authority: CN
Inventors: V.霍斯特; W.J.史密斯
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Garrett Power Technology (Shanghai) Co.,Ltd.
Priority date: 2015-12-01
Filing date: 2016-12-01
Publication date: 2017-06-30
Anticipated expiration: 2036-12-01
Also published as: EP3176440B1; EP3176440A1; US20170152862A1; US9989068B2; CN106907234B

Abstract

本发明涉及用于控制用于离心压缩机的TRIM‑调节机构的方法，公开了一种用于控制压缩机的空气入口中的入口‑调节机构以便使该机构以双态方式在两个位置P1和P2之间切换来调节入口的流动面积的方法。该方法包括识别在压缩机的压力比相对已校正流率的压缩机特性图上的阈值线。阈值线是其上压缩机的压力比和流率在相等速度下对于入口‑调节机构的P1和P2位置而言相同的线。当压缩机的操作点在压缩机特性图上与阈值线相交时，使入口‑调节机构从其双态位置中的一者切换到另一者。

Description

用于控制用于离心压缩机的TRIM-调节机构的方法

技术领域

本公开涉及离心压缩机，诸如用在涡轮增压器中的离心压缩机，并且更具体地涉及其中能够针对不同操作点调节有效入口面积或直径的离心压缩机。

背景技术

废气驱动式涡轮增压器是与内燃发动机结合使用以便通过压缩被递送到发动机的空气进气装置将与燃料混合并在发动机中燃烧的空气来增加发动机的功率输出的装置。涡轮增压器包括安装在压缩机外壳内的轴的一端上的压缩机叶轮和安装在涡轮外壳中的轴的另一端上的涡轮叶轮。通常，涡轮外壳与压缩机外壳分开形成，并且还存在连接在涡轮外壳和压缩机外壳之间以便容纳轴的轴承的又一中心外壳。涡轮外壳限定总体上环状腔室，其环绕涡轮叶轮并且接收来自发动机的废气。涡轮组件包括喷嘴，其从腔室通向涡轮叶轮。废气从腔室通过喷嘴流至涡轮叶轮并且涡轮叶轮被该废气驱动。涡轮因此从废气吸取动力并且驱动压缩机。压缩机通过压缩机外壳的入口接收周围空气并且空气被压缩机叶轮压缩且然后从外壳排至发动机空气进气装置。

涡轮增压器通常采用离心（也被称为“径向”）型压缩机叶轮，因为离心压缩机能够以紧凑设置实现相对高的压力比。用于压缩机的进气空气在离心压缩机叶轮的入口导风轮部分（inducer portion）处沿大体上轴向方向被接收，并且在叶轮的出口导风轮部分（exducer portion）处沿大体上径向方向被排出。来自叶轮的压缩空气被递送到蜗壳，并且空气从蜗壳被供应到内燃发动机的进气装置。

压缩机的操作范围是涡轮增压器的整体性能的重要方面。操作范围通常由压缩机的操作图上的喘振线和阻塞线（choke line）来界定。压缩机特性图通常被表示为在竖直轴线上的压力比（排气压力P _out除以入口压力P _in）相对水平轴线上的已校正质量流率。压缩机特性图上的阻塞线位于高流率处并且代表在压力比的一定范围上最大质量流率点的轨迹；即，对于阻塞线上的给定点，不可能增加流率且同时维持相同的压力比，原因在于压缩机中发生了阻流状况（choked-flow condition）。

喘振线位于低流率处并且代表在压力比的一定范围上没有喘振的最小质量流率点的轨迹；即，对于喘振线上的给定点，在不改变压力比的情况下减小流率或者在不改变流率的情况下增加压力比均将导致喘振发生。喘振是流动不稳定，其通常发生在压缩机叶片冲角（incidence angle）变得过大以致在压缩机叶片上产生相当大的流动分离时。在喘振期间能够发生压力波动和逆流。

在用于内燃发动机的涡轮增压器中，压缩机喘振可以发生于发动机正在高负荷或扭矩以及低发动机速度下操作时，或者发生于发动机正在低速度下操作且存在高水平的废气再循环（EGR）时。喘振也能够出现于发动机从高速状况突然减速时。在压缩机设计中通常寻求的目标是将压缩机的无喘振操作范围扩展到更低流率。

用于使离心压缩机的喘振线向左移动（即，在给定压力比下喘振被延迟到更低流率）并且使阻流线向右移动（即，在给定压力比下阻流增加到更高流率）的一种方案使采用在压缩机入口中的TRIM（表示压缩机进气端与出气端关系的参数）-调节机构。申请人是公开这种类型的各种TRIM-调节机构的共同未决申请（例如参见，申请号14/537,339、14/532,278、14/642,825、14/573,603和14/551,218）的所有人；所述申请的全部公开内容特此通过引用并入本文。

本公开涉及用于控制这样的TRIM-调节机构的方法。

发明内容

本公开描述了一种用于控制压缩机的空气入口中的入口-调节机构以便以双态方式（binary fashion）使该机构在位置P1和P2之间切换的方法。该方法包括识别关于针对压缩机的压力比相对已校正流率的压缩机特性图上的阈值线。阈值线是其上压缩机的压力比和流率在相等速度下对于入口-调节机构的P1位置和P2位置而言相同的线。换言之，阈值线是压缩机特性图上的点的曲线拟合，其中在P1位置用入口-调节机构实现的一系列恒定速度的线与其在P2位置用入口-调节机构实现的相应的恒定速度的线交叉。根据该方法，入口-调节机构基于操作点相对于阈值线的位置的比较被放置在双态位置中的一个或另一个中。

在一种实施例中，方法包括:

提供描绘在入口-调节机构处于P1位置的情况下的压缩机的性能的第一压缩机特性图，该第一压缩机特性图呈压缩机压力比PR相对已校正流率W _c的形式，该第一压缩机特性图包括至少两条恒定速度线N1 _P1和N2 _P1，其中的每条线均代表压缩机的旋转速度保持恒定的情况下PR相对W _c的关系；

提供描绘在入口-调节机构处于P2位置的情况下的压缩机的性能的第二压缩机特性图，该第二压缩机特性图呈压缩机压力比PR相对已校正流率W _c的形式，该第二压缩机特性图包括至少两条恒定速度线N1 _P2和N2 _P2，其中的每条线均代表压缩机的旋转速度保持恒定的情况下PR相对W _c的关系，其中N1 _P1的值等于N1 _P2的值，并且N2 _P1的值等于N2 _P2的值；

识别包括至少两个点的曲线拟合的阈值线，其中每个点均由N1 _P1速度线与N1 _P2速度线相交处和N2P1速度线与N2 _P2速度线相交处的PR相对W _c的坐标表示，使得对于落在阈值线上的操作点，处于相同速度下的压力比和已校正流率在入口-调节机构处于P1和P2位置中的情况下是相同的，其中该阈值线将第一压缩机特性图划分成分别位于阈值线的相对侧上的两个区域R1和R2；

针对操作期间的压缩机的当前操作点，将压力比PR和已校正流W _c与阈值线相比较，并且确定当前操作点落入这两个区域R1和R2中的哪个内；以及

当操作点落入区域R1内时，将入口-调节机构放置在P1位置，并且当操作点落入区域R2中时，将入口-调节机构放置在P2位置。

在本文所描述的一种实施例中，第一压缩机特性图包括至少第三速度线N3 _P1，并且第二压缩机特性图包括至少第三速度线N3 _P2，从而提供由在N3 _P1速度线与N3 _P2速度线相交处PR相对W _c的坐标代表的至少第三点，所述阈值线是至少三个点的曲线拟合。在一些实施例中，能够存在四条、五条、六条、七条或者更多条这样的速度线，使得阈值线是四个、五个、六个、七个或更多个点的曲线拟合。

该方法能够包括将第一压缩机特性图存储在发动机控制单元（ECU）中、检测操作期间压缩机的PR和W _c，以及将检测到的PR和W _c输入ECU内，其中ECU被编程以在当前操作点在第一压缩机特性图上来回运动时周期性地执行比较步骤。该方法能够进一步包括将来自ECU的命令输出到入口-调节机构的致动器以便在ECU检测到阈值线已经相交时从P1和P2位置中的一者切换到P1和P2位置中的另一者。

在一种实施例中，第一压缩机特性图和第二压缩机特性图是基于针对在入口-调节机构分别处于P1位置和P2位置的情况下操作的压缩机的测试数据。

在另一实施例中，第一压缩机特性图和第二压缩机特性图是基于针对在入口-调节机构分别处于P1位置和P2位置的情况下的压缩机的模型预测数据。

附图说明

因此在已经总体地描述了本发明的情况下，现在将参考附图，附图不必然按比例绘制，并且附图中：

图1是具有入口-调节机构的压缩机的图表描绘，其中入口-调节机构处于第一位置或P1位置；

图2类似于图1，但是示出入口-调节机构处于第二位置或P2位置；

图3示意性地描绘在入口-调节机构对应于图1处于P1位置的情况下的压缩机特性图；

图4示意性地描绘在入口-调节机构对应于图2处于P2位置的情况下的压缩机特性图；

图5描绘来自针对P1位置的特性图的一系列恒定速度线与来自针对P2位置的特性图的一系列恒定速度线的重合，并且也图示了代表针对P1位置和P2位置的相应速度线彼此相交处的点的曲线拟合的阈值线；

图6是与致动器通信的发动机控制单元（ECU）的图表图示，该致动器致动入口-调节机构以在P1位置和P2位置之间运动；

图7是ECU的存储器和处理器以及其基于已校正流动和压缩机压力比（及可选地涡轮增压器旋转速度）的输入相互作用以便生成致动器的设定点的图表图示；以及

图8是图示根据本发明的实施例的方法的流程图。

具体实施方式

现在将参考附图在下文更加全面地描述本发明，其中示出了本发明的一些但不是全部的实施例。实际上，可以以许多不同形式实现这些发明，并且不应该被理解为限制于本文所提出的实施例；而且，提供这些实施例使得本公开将满足适用的法律要求。贯穿全文，同样的附图标记指代同样的元件。

图1和图2中的横截面视图中图示了根据本发明的一种实施例的压缩机10。压缩机10包括压缩机外壳12，其限定沿压缩机的轴向方向延伸的空气入口14。包括毂16的压缩机叶轮15被布置在压缩机外壳中并且被附连至轴18的一端，其中多个叶片20从毂16大体上径向地向外延伸，轴18以合适的方式（例如，通过未示出的废气驱动式涡轮）被可旋转地驱动，以便可旋转地驱动压缩机叶轮15。压缩机外壳限定扩散器22以便接收和扩散当其穿过压缩机叶轮时被压缩的空气。扩散器将经扩散的压缩空气递送到由压缩机外壳限定的蜗壳24内。

根据本发明，涡轮增压器的压缩机包括入口-调节机构30，其布置在压缩机外壳的空气入口14中并且能够在打开或“低-TRIM（表示压缩机进气端与出气端关系的参数）”位置（图1）和关闭或“高-TRIM”位置（图2）之间运动。在本文中，低-TRIM位置也被称为P1位置，并且高-TRIM位置被称为P2位置。机构30的运动能够引起该机构的轴向滑动、枢转运动或者螺旋式（螺旋型）运动，在此仅列出几个非限制性示例。入口-调节机构30的结构和操作的细节不与本公开相关，并且在本发明的实践中能够采用操作以有效地改变通向压缩机叶轮15的空气入口14的流动面积的任意机构。

入口-调节机构30使得能够调节进入压缩机叶轮15的入口的有效大小或直径。如图2中所示，当入口-调节机构处于高-TRIM或P2位置时，进入压缩机叶轮内的入口的有效直径相比于入口-调节机构处于图1的低-TRIM或P1位置的有效直径相对增加。为了实现这种效果，从机构30至压缩机叶轮的轴向间隔距离必须尽可能小。

在中间流率和高流率下，入口-调节机构30能够放置在如图2中所示的高-TRIM位置。这能够具有增加有效入口直径且因此减小进入压缩机叶轮的流动速度的效果。图3图示了针对图2的高-TRIM位置的示例性压缩机特性图。该性能图呈压缩机压力比（排气压力除以入口压力）相对已校正流率（例如，校正至标准温度和压力入口条件的质量流率）的形式。性能图包括一系列恒定速度线N1 _P2、N2 _P2、N3 _P2、N4 _P2和N5 _P2，其中在每条线处压缩机旋转速度均保持恒定同时已校正流和压力比变化。该性能图包括高-TRIM喘振线，其是压缩机的喘振即将发生的点的轨迹；即，如果在相同压力比下减小流动，或者在相同流动下增加压力比，则压缩机将经历喘振。

在低流率下，入口-调节机构30能够被放置在图1的低-TRIM位置。这能够具有减小有效入口直径且因此增加进入压缩机叶轮的流动速度的效果。结果将是压缩机叶片冲角的减小，从而有效地稳定流动（即，使发生叶片失速和压缩机喘振的可能性更小）。换言之，将使压缩机的喘振线运动到更低流率（在压缩机压力比相对流率的性能图上向左运动）。这在图4中图示，其示出针对低-TRIM位置的压缩机特性图。低-TRIM性能图具有速度线N1 _P1、N2 _P1、N3 _P1、N4 _P1和N5 _P1的相同值。即，N1 _P1的值等于N1 _P2的值，并且其它速度也是这样。

图5是叠加图1的低-TRIM位置或P1位置的速度线和图2的高-TRIM位置或P2位置的速度线的性能图。将看出的是，对于给定压缩机速度，相应的低-TRIM和高-TRIM速度线在图5中由实心黑色圆圈标示的点处彼此相交。这意味着在速度线相交处的压力比和已校正流动条件下，能够将入口-调节机构从其两个位置中的一个切换到另一个而不存在对压缩机的流率和压力比的任何显著影响。因此，例如，在图5中标记为“A”的点处，在对压缩机行为没有显著影响的情况下，能够使入口-调节机构从P1位置运动到P2位置，或者从P2位置运动到P1位置。

在设计用于控制入口-调节机构的操作的控制方案时能够利用这种特征速度线相交特征。通过在图5中的叠加特性图上建立代表速度线交点的“最佳拟合”的“阈值”线，能够参考压缩机在压缩机特性图上的何处操作，并且具体地参考操作点关于阈值线位于何处来调节入口-调节机构的操作。当压缩机在位于图5中的阈值线的左侧的区域（被称为R1区域）中操作时，入口-调节机构能够放置在低-TRIM位置或P1位置（图1）。当压缩机在阈值线的右侧，在被标记为R2的区域中操作时，入口-调节机构能够被放置在高-TRIM位置或P2位置（图2）。通过当操作点运动以与阈值线相交时在P1位置和P2位置之间切换，从一个位置向另一位置的转变将不引起压缩机流率和压力比的任意突变。

上文描述的控制方案的实施方式能够以各种方式实现。图6图示了用于控制入口-调节机构30的系统的大体架构。合适类型的致动器26被联接到入口-调节机构。致动器能够根据各种原理中的任意原理操作；例如，致动器能够采用电动马达、气动装置、液压装置等以便向入口-调节机构传递运动以使其在其P1位置和P2位置之间运动。致动器26与控制单元40通信。控制单元包括处理器50（诸如微处理器）、存储器60（诸如非易失性ROM、PROM、EPROM或EEPROM存储器）和用于与系统中的其它装置通信的接口70。存储器能够用控制指令编程（例如，在硬件和/或固件和/或软件中），所述指令由处理器执行以便实现控制单元的功能。在图示的实施例中，控制单元是发动机控制单元或者ECU，诸如存在于诸如汽车和卡车的车辆上。

图7更详细地图示用于控制致动器26的发明的实施例，其相应地控制入口-调节机构。控制单元的存储器60储存诸如图3的高-TRIM特性图的基础压缩机特性图CM。能够以各种形式中的任意形式储存特性图，诸如包括沿一系列恒定速度线N1、N2、N3等等的已校正流动W _c相对压力比PR的变量的查找表。存储器也储存代表以先前描述的方式推导出的速度线相交点的曲线拟合的阈值线TL。能够以各种形式中的任意形式储存阈值线，诸如PR相对W _c的表格或者将PR表达为W _c的函数的多项式公式。处理器50接收PR和W _c的输入并且可选地接收压缩机速度RPM。压力比和已校正流动由合适的传感器连续感测并且感测到的值被发送到处理器（例如，以规律的时间步长间隔，诸如每0.1秒或者其它适当地选择的间隔）。处理器将感测到的PR和W _c与阈值线相比较，以确定当前压缩机操作点（OP）相对于阈值线TL位于何处。基于该确定，处理器将SETPOINT（设定点）输出到致动器26。例如，如果处理器基于感测到的PR和W _c确定当前操作点处于区域R1（例如，图7中的OP1）中，则SETPOINT引起致动器将入口-调节机构放置于P1位置或低-TRIM位置。如果处理器确定操作点处于区域R2（例如，图7中的OP2）中，则SETPOINT引起致动器将机构放置于P2位置或高-TRIM位置。

图8是图示了根据本发明的一种实施例的方法的流程图。在步骤100中，以大体如上文所描述的方式，在压缩机特性图上识别阈值线。在步骤102中，通过使用本领域公知的合适传感器，针对压缩机的当前操作点检测压缩机的PR和W _c。在步骤104中，基于感测到的PR和W _c，将当前操作点定位在压缩机特性图上。在步骤106中，将操作点的位置与阈值线相比较。例如，在PR的检测值下，根据表格查找数据或代表阈值线的公式确定W _c的对应值。将W _c的实际检测值与阈值相比较。在步骤108中，确定实际W _c是否小于阈值W _c值；换言之，确定操作点是否位于区域R1中（见图5）。如果操作点处于区域R1中，则在步骤110中，入口-调节机构被设定于低-TRIM位置或P1位置（图1）。如果操作点不处于区域R1中，则在步骤112中，入口-调节机构被设定于高-TRIM位置或P2位置。然后过程返回步骤102并且以规律的时间步长重复步骤102至108。在每个时间步长下，记忆并比较针对先前时间步长的以及针对当前时间步长的操作点相对于阈值线的位置。通过将时间步长间隔合适地选择成相对于通过压缩机的流率能够变化的预期最大速率而言足够短，能够确保入口-调节机构在阈值线处或足够靠近阈值线处从一个位置切换到另一位置，使得该切换对流率和压力比没有显著的影响。因此，压缩机性能不存在突然的可感知的变化。

根据本发明，图3和图4的第一压缩机特性图和第二压缩机特性图能够基于针对在入口-调节机构分别处于P1位置和P2位置中的情况下操作的压缩机的测试数据。替代性地，第一压缩机特性图和第二压缩机特性图能够基于针对在入口-调节机构分别处于P1位置和P2位置中的情况下的压缩机的模型预测数据。

在本发明的图示实施例中，阈值线是代表在五个不同的压缩机速度值下的速度线相交点的五个点的曲线拟合。然而，替代性地，能够通过使用仅两个不同速度（因此是线性阈值线）或使用三个或四个速度来简化曲线拟合。当然，也能够使用五个以上的速度。本发明不限于用于限定阈值线的任意具体技术。

在获益于前述描述和附图中呈现的教导的情况下，这些发明所属的领域的一个技术人员将想到本文阐述的发明的许多改型和其它实施例。因此，将理解的是，本发明不限于所公开的具体实施例并且改型和其它实施例也旨在被包括在所附权利要求的范围内。虽然本文采用了特定术语，但它们仅以通用和描述性意义被使用并且不用于限制的目的。

Claims

1.一种用于控制布置在离心压缩机的空气入口中的压缩机入口-调节机构的方法，所述入口-调节机构能够在两个双态位置P1和P2之间切换以便改变所述入口的流动面积，所述方法包括：

在关于所述压缩机的压力比PR相对已校正流率W _c的关系的压缩机特性图上识别阈值线，所述阈值线是其上所述压缩机的所述压力比和所述已校正流率在相等的旋转速度下对于所述入口-调节机构的所述两个双态位置而言相同的线；

在操作期间在所述压缩机的操作点在所述压缩机特性图上来回运动时，连续检测所述压缩机的PR和W _c；以及

基于在所述压缩机特性图上所述操作点相对于所述阈值线的位置的比较，将所述入口-调节机构放置在所述双态位置中的一者或另一者中。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

提供描绘在所述入口-调节机构处于所述P1位置的情况下所述压缩机的性能的第一压缩机特性图，所述第一压缩机特性图呈压缩机压力比PR相对已校正流率W _c的形式，所述第一压缩机特性图包括至少两条恒定速度线N1 _P1和N2 _P1，其中每条线均代表在所述压缩机的旋转速度保持恒定的情况下PR相对W _c的关系；

提供描绘在所述入口-调节机构处于所述P2位置的情况下所述压缩机的性能的第二压缩机特性图，所述第二压缩机特性图呈压缩机压力比PR相对已校正流率W _c的形式，所述第二压缩机特性图包括至少两条恒定速度线N1 _P2和N2 _P2，其中每条线均代表在所述压缩机的旋转速度保持恒定的情况下PR相对W _c的关系，其中N1 _P1的值等于N1 _P2的值，并且N2 _P1的值等于N2 _P2的值；

其中，识别步骤还包括识别包括至少两个点的曲线拟合的阈值线，其中每个所述点均由所述N1 _P1速度线与所述N1 _P2速度线相交处和所述N2 _P1速度线与所述N2 _P2速度线相交处的PR相对W _c的坐标表示，使得对于落在所述阈值线上的操作点，相同速度下的压力比和已校正流动在所述入口-调节机构处于所述P1位置和所述P2位置中的情况下是相同的，其中所述阈值线将所述第一压缩机特性图划分成分别位于所述阈值线的相对侧上的两个区域R1和R2；

针对操作期间所述压缩机的当前操作点，将压力比PR和已校正流动W _c与所述阈值线相比较，并且确定所述当前操作点落入所述两个区域R1和R2中的哪个内；以及

其中，放置步骤还包括当所述操作点落入所述区域R1中时，将所述入口-调节机构放置在所述P1位置，并且当所述操作点落入所述区域R2中时，将所述入口-调节机构放置在所述P2位置。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一压缩机特性图包括至少第三速度线N3 _P1，并且所述第二压缩机特性图包括至少第三速度线N3 _P2，从而提供至少第三点，所述第三点由所述N3 _P1速度线与所述N3 _P2速度线相交处PR相对W _c的坐标代表，所述阈值线是至少三个点的曲线拟合。

4.根据权利要求2所述的方法，还包括将所述第一压缩机特性图储存在发动机控制单元（ECU）中，并且将检测到的PR和W _c输入所述ECU，其中所述ECU被编程以在所述当前操作点在所述第一压缩机特性图上来回运动时周期性地执行比较步骤，并且所述方法还包括将来自所述ECU的命令输出至用于所述入口-调节机构的致动器以便基于所述比较步骤的结果将所述入口-调节机构放置于所述P1位置和所述P2位置中的一者或者所述P1位置和所述P2位置中的另一者中。

5.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一压缩机特性图和所述第二压缩机特性图是基于针对在所述入口-调节机构分别处于所述P1位置和所述P2位置中的情况下操作的所述压缩机的测试数据。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一压缩机特性图和所述第二压缩机特性图是基于针对在所述入口-调节机构分别处于所述P1位置和所述P2位置中的情况下的所述压缩机的模型预测数据。