CN107567603B - 对压缩机速度进行建模的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对涡轮增压器的压缩机速度进行建模的方法，其包括以下步骤：确定压缩机两端的温度差，确定流过压缩机的质量流量，以及，计算作为压缩机两端的温度差和所述质量流量的函数的压缩机速度值。

Description

对压缩机速度进行建模的方法

技术领域

本发明涉及一种用于对压缩机(尤其是用于涡轮增压器的压缩机)的速度进行建模的方法。

本发明可应用于重型车辆中，例如卡车、大客车和建筑设备。虽然将针对卡车来描述本发明，但本发明不限于这种特定的车辆，而是也可用在采用涡轮增压器单元的其它应用中，例如航空或航海系统中。

背景技术

涡轮增压器是与相关联的内燃机(典型地是柴油机)一起使用的车辆部件。涡轮增压器被构造成回收排气能量的一部分，并使用该能量来压缩流入到内燃机的燃烧室中的进气。涡轮增压器通常被提供用于提高内燃机的效率和功率。

涡轮增压器具有三个主要部件：涡轮机，该涡轮机用于将排气流动的能量转化为涡轮机的旋转运动；压缩机，该压缩机旋转地连接到涡轮机，以压缩进气；和壳体，该壳体封装所述涡轮机和压缩机以及旋转轴、轴承等。

为了监测涡轮增压器的旋转部分的磨损，希望确定涡轮机或压缩机的速度。尤其是，压缩机的磨损被典型地分为低周疲劳和高周疲劳。低周疲劳对应于压缩机速度的较小的波动，而高周疲劳对应于压缩机速度的较快速(并且大)的变化。疲劳将最终导致压缩机的材料结构的明显变化，这可能导致压缩机的突然断裂。这种断裂在大多数情况下将导致整个涡轮增压器的故障，从而要求车辆的停止以及涡轮增压器的昂贵的维修和/或更换。

已经提出了多种不同的用于监测压缩机速度的方案。尤其是，已经提出将物理速度传感器布置在压缩机处。然而，又提出了更新近的方案，其中通过用于估算压缩机速度的压缩机速度模型来替代物理传感器。

US2009/0314082中描述了一种用于对双级涡轮增压器的速度进行建模的方案。其中，每个涡轮机的速度被分开地建模，并且涡轮机之间的温度和压力以及环境压力值用作速度估算的输入。然而US2009/0314082需要多个物理传感器来提供必需的输入数据，如果提供一种减少了所需的这些传感器的速度建模方法，这将是有利的。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于对压缩机速度进行建模的方法，该方法克服了现有技术的方法的上述缺点。

该目的可通过根据本发明的第一方面所述的方法来实现。该目的可通过根据本发明的第二方面所述的方法来实现。该目的可通过根据本发明的第三方面所述的计算机程序来实现。该目的可通过根据本发明的第四方面所述的计算机可读介质来实现。该目的可通过根据本发明的第五方面所述的控制器来实现。该目的可通过根据本发明的第六方面所述的控制器来实现。该目的可通过根据本发明的第七方面所述的控制器来实现。该目的可通过根据本发明的第八方面所述的控制器来实现。该目的可通过根据本发明的第九方面所述的控制器来实现。该目的可通过根据本发明的第十方面所述的车辆来实现。

通过确定压缩机两端的温度差并使用该温度差作为压缩机速度模型的输入，不再需要具有提供用于该模型的输入数据的环境压力传感器。

由此，提供了一种用于对涡轮增压器的压缩机速度进行建模的方法，其包括：(i)确定压缩机两端的温度差，(ii)确定流过压缩机的质量流量，以及(iii)计算作为压缩机两端的温度差和所述质量流量的函数的压缩机速度值。

在一实施例中，使用

来执行计算压缩机速度值的步骤，其中N_turbo是压缩机速度，

是质量流量，

是修正后的理想气体常数，且T_boost-T_in是压缩机两端的温度差。这种热力学方案不需要压缩机两端的压力比，从而导致相关联的涡轮增压器的硬件复杂性的明显降低。

在一实施例中，使用

来计算

以此方式简化关系大大便利了对压缩机速度进行建模所需的计算。

在一实施例中，计算压缩机速度值的步骤通过根据

的多项式表示

来执行。这已被证明提供了对于所述关系的良好拟合。

在一实施例中，所述方法还包括确定是否在压缩机下游引入所回收的排气流的步骤。此外，确定质量流量的步骤通过以下方式来执行：确定离开压缩机的气体的质量流量，并且用与所回收的排气流相对应的因数来修正所确定的质量流量。通过引入由所回的排气流造成的影响应，提高了该建模方法的精确性。

在一实施例中，通过以下方式来执行确定压缩机两端的温度差的步骤：估算压缩机下游的温度，并从测量到的环境温度中减去所估算出的温度。由于难以将物理温度传感器靠近压缩机布置，所估算出的压缩机正下游处的温度将提供所产生的温度差的更精确的值。

在一实施例中，通过以下方式来执行估算压缩机下游的温度的步骤：测量进气歧管中的温度，并且用与相关联的冷却器两端的温度损失相对应的因数来修正该温度。因此，进一步提高了该速度建模方法的精确性。

在一实施例中，所述方法还包括确定压缩机两端的压力比的步骤。此外，通过以下方式来执行计算压缩机速度值的步骤：计算作为压力比的函数的压缩机速度值。通过引入压缩机两端的速度比作为该压缩机速度建模方法的输入，可进一步提高精确性。

在一实施例中，通过以下方式来执行确定压缩机两端的压力比的步骤：确定环境压力是否低于与高海拔条件相对应的预设的环境压力，如果低于，则将环境压力设定为预设的环境压力并将增压压力除以该环境压力。在此实施例中，也考虑了高海拔条件。这对于提高速度建模的精确性是很有益的。由于不这样做会存在高估压缩机速度的风险，所以，这将避免较高海拔处的不必要的扭矩降低以及对低周疲劳的错误计算。

在一实施例中，通过以下方式来执行计算压缩机速度值的步骤：使用所述压力比作为输入来估算压缩机速度值，并根据所估算出的压缩机速度值和实际的环境压力来计算修正后的压缩机速度值。这已经证明提供了精确的模型性能。

根据第二方面，还提供了一种用于对涡轮增压器的压缩机速度进行建模的方法。该方法包括：(i)确定环境压力，(ii)确定环境压力是否低于与高海拔条件相对应的预设的环境压力，如果低于，则将环境压力设定为预设的环境压力，(iii)根据增压压力和环境压力来确定压力比，(iv)使用该压力比作为输入来估算压缩机速度值，以及(v)根据所估算出的压缩机速度值和实际的环境压力来计算修正后的压缩机速度值。类似于上文已讨论的情况，这对于提高速度建模的精确性很有益。由于不这样做会存在高估压缩机速度的风险，所以，这将避免较高海拔处的不必要的扭矩降低以及对低周疲劳的错误计算。

在一实施例中，所述方法包括进一步的以下步骤：确定压缩机两端的温度差；确定流过压缩机的质量流量；以及，计算作为所述压力比、压缩机两端的温度差和质量流量的函数的压缩机速度值。

在一实施例中，通过以下的多项式表示来执行计算压缩机速度值的步骤：

其中，N_turbo是压缩机速度，

是质量流量，T_boost-T_in是压缩机两端的温度差，并且P_ratio是压缩机两端的压力比。

在一实施例中，所述方法包括进一步的步骤：确定是否在压缩机下游引入所回收的排气流，并且其中，通过以下方式来执行确定质量流量的步骤：确定离开压缩机的气体的质量流量，并且用与所回收的排气流相对应的因数来修正所确定的质量流量。

在一实施例中，通过以下方式来执行确定压缩机两端的温度差的步骤：估算压缩机下游的温度，并从测量到的环境温度中减去所估算出的温度。

在一实施例中，通过以下方式来执行估算压缩机下游的温度的步骤：测量进气歧管中的温度，并且用与相关联的冷却器两端的温度损失相对应的因数来修正该温度。

还提供了一种计算机程序，该计算机程序包括程序代码组件，当所述程序在计算机上运行时，该程序代码组件执行上述方面中的任一方面所述的步骤。

还提供了一种计算机可读介质，其携载有包括程序代码组件的计算机程序，当所述程序产品在计算机上运行时，该程序代码组件执行上述方面中的任一方面所述的步骤。

还提供了一种用于对涡轮增压器的压缩机速度进行建模的控制器。所述控制器被配置成执行根据上述第一和第二方面的方法的步骤。

还提供了一种用于对涡轮增压器的压缩机速度进行建模的控制器。该控制器包括处理器和存储器，所述存储器包含能够由处理器执行的指令。该控制器可运行，以便确定压缩机两端的温度差，确定流过压缩机的质量流量，并且计算作为压缩机两端的温度差和所述质量流量的函数的压缩机速度值。

在一实施例中，该控制器可进一步运行以执行根据上述第一或第二方面的方法。

还提供了一种用于对涡轮增压器的压缩机速度进行建模的控制器。该控制器包括处理器和存储器，所述存储器包含能够由处理器执行的指令。该控制器可运行，以便：确定环境压力；确定环境压力是否低于与高海拔条件相对应的预设的环境压力，如果低于，则将环境压力设定为所述预设的环境压力；根据增压压力和环境压力来确定压力比；使用该压力比作为输入来估算压缩机速度值，并且根据所估算出的压缩机速度值和实际的环境压力来计算修正后的压缩机速度值。

在一实施例中，所述控制器可进一步运行以执行根据上述第二方面的方法。

还提供了一种用于对涡轮增压器的压缩机速度进行建模的控制器。该控制器包括第一模块，该第一模块被配置成确定压缩机两端的温度差；第二模块，该第二模块被配置成确定流过压缩机的质量流量；以及第三模块，该第三模块被配置成计算作为压缩机两端的温度差和所述质量流量的函数的压缩机速度值。

在一实施例中，所述控制器还包括另外的模块，所述另外的模块被配置成执行根据上述第一方面的方法。

还提供了一种用于对涡轮增压器的压缩机速度进行建模的控制器。该控制器包括：第一模块，该第一模块被配置成确定环境压力；第二模块，该第二模块被配置成确定环境压力是否低于与高海拔条件相对应的预设的环境压力，如果低于，则将环境压力设定为预设的环境压力；第三模块，该第三模块被配置成根据增压压力和环境压力来确定压力比；第四模块，该第四模块被配置成使用该压力比作为输入来估算压缩机速度值；以及第五模块，该第五模块被配置成根据所估算出的压缩机速度值和实际的环境压力来计算修正后的压缩机速度值。

在一实施例中，所述控制器还包括另外的模块，所述另外的模块被配置成执行根据上述第二方面的方法。

还提供了一种车辆，该车辆包括根据上述方面的控制器。

附图说明

参考附图，下面给出了被作为示例引用的本发明实施例的更详细描述。

在这些图中：

图1是根据一实施例的车辆的侧视图，

图2是根据一实施例的内燃机的示意图，

图3是根据一实施例的控制器的示意图，

图4是根据一实施例的控制器的示意图，

图5是示出了根据一实施例的、作为车辆发动机扭矩的函数的发动机速度的曲线图，并且

图6和图7是根据不同实施例的方法的示意图。

具体实施方式

以图1开始，其中示出了车辆10。被图示为卡车的车辆10具有用于驱动车辆10的内燃机100。如下文中将进一步说明的，车辆10的内燃机100设有涡轮增压器130和控制器200。车辆10可具有另外的推进单元(例如电驱动器等)，只要该车辆具有至少一个提供与涡轮增压器单元130相互作用的排气流的发动机即可。因此，车辆10不排它地被限制为卡车，而是也可以代表各种类型的车辆，例如大客车、建筑设备等。

在图2中，示出了内燃机100的示例。内燃机100包括设有多个气缸104的缸体102，这些气缸104工作以燃烧燃料(例如柴油或汽油)，由此，将在气缸104内往复运动的活塞的运动转化为曲轴156的旋转运动。曲轴110进一步联接到变速器(未示出)，用于将扭矩提供给驱动元件(未示出)。在重型车辆(例如卡车)的情形中，所述驱动元件是车轮；然而，内燃机100也可用于其它设备，例如建筑设备、航海应用等。

内燃机100还包括排气系统120，该系统120用于回收排气流中的能量的至少一部分，以提高内燃机100的性能。在所示出的示例中，排气离开气缸104并进入排气歧管106，该排气歧管106进一步连接到涡轮增压器单元130的排气入口132。排气流使布置在涡轮机壳体内的涡轮机134旋转，该旋转通过轴135被转换为布置在压缩机壳体内的压缩机136的相应旋转并用于在进气被引入到气缸104内之前对进气进行压缩。

空气经由空气入口140被引入以与压缩机136相互作用。在压缩机136的下游，即，在入流空气被压缩之后，该入流空气由空气导管142引导到与气缸104连接的进气歧管144。空气导管142中可以设有诸如增压空气冷却器的冷却器146。

排气流的一部分可经由空气导管142再循环到气缸104，以提供排气回收。为此，旁通管线108可在一端处在排气歧管106与涡轮增压器130的排气入口132之间的位置上连接到排气流动路径。旁通管线108的第二端在压缩机136下游某处连接到空气导管142。

还提供了控制器200，用于对压缩机136的速度进行建模。控制器200包括处理器202和存储器204，其中，存储器204包含能够由处理器202执行的指令。

存储器204可通过任何已知的存储器技术来实现，包括但不限于E(E)PROM、S(D)RAM和闪存存储器，并且它还可以包括诸如磁盘或光盘的次级存储器。物理上，存储器204可在逻辑层面上包括一个单元或一起构成存储器204的多个单元。在一些实施例中，可至少部分地通过控制器200的另一部件中的存储区来实现所述存储器。处理器202总体上负责控制器200的运行。处理器202例如可由能够执行预期功能的PLC、CPU和/或DSP实现。

控制器200可运行以接收多个数据输入，并根据这些数据输入中的至少一些而对压缩机速度进行建模。为此，提供了多个传感器150a至150e，并且这些传感器被配置成测量流入/流出压缩机136的空气的各种参数。传感器150a至150e连接到控制器200。在一个实施例中，温度传感器150a布置在进气歧管144内，用于提供对应于增压温度T_boost的数据。压力传感器150b可布置在进气歧管144内，用于提供对应于增压压力p_boost的数据。另外的传感器150c可布置在空气导管142内并在压缩机136的直接下游，用于提供对应于空气质量流量

的数据。另外的传感器150d至150e可设在空气导管142内并在压缩机136的上游，用于提供对应于环境温度T_in和环境压力p_amb的数据。

根据一个特定方面，传感器150a、150d和150c用于允许所述控制器确定压缩机136的速度。根据此特定方面，如图3中所示，控制器200包括多个模块210、212、214、216。可通过硬件和/或软件来实现这些模块210、212、214、216。第一模块210被配置成根据增压温度和入口温度或环境温度来确定压缩机136两端的温度差。因此，控制器200接收来自传感器150a、150d的所测量到的传感器数据。第二模块212被配置成确定质量流量。因此，控制器200接收来自传感器150c的所测量到的传感器数据。第三模块214被配置成根据所确定的温度差和所确定的质量流量来计算压缩机速度N_turbo。还提供了第四模块216，并且该第四模块216被配置成将建模后的压缩机速度传送到相关联的单元，以监测涡轮增压器部件的当前状态，特别是在维修和维护方面。所述相关联的单元可布置在车辆上，或远离车辆。

第三模块214优选使用如下形式的关系来计算压缩机速度值：

其中N_turbo是压缩机速度，

是质量流量，

是修正后的理想气体常数，且T_boost-T_in是压缩机两端的温度差。如下文中进一步描述的，可优选地使用

来计算上述关系

压缩机速度值的计算可通过根据

形成多项式表示

来执行。

通常，假定涡轮机功率与压缩机前后的气体特性之间的以下关系是有效的：

显然，质量流量关系远比等价的体积速度关系简单。因此，在本文给出的建模过程中仅使用了质量流量关系。根据

在给定的温度升高下维持一定水平的质量流量所需的功率供应也将与压缩机速度N_turbo成比例。因此，

成立。可测量质量流量或通过应用以下公式来计算质量流量：

气体特定的理想气体理论常数被计算为

而气体的摩尔质量取决于λ和排气回收分数β：

M_gas＝M_air(1-β)+M_EGRβ

可通过燃料模型结构给出参数a和b。可使用的柴油的常见模型是异辛烷C₈H₁₈。

因此，对于尺寸为V_engine且发动机速度为N_engine的四冲程柴油机，理想质量流量可计算为：

在理想应用中，上述的理想质量流量可能不是实际的量。为了提供更好的估算，也可考虑体积效益。一种简单的体积效益模型为

为简单起见，发动机速度和压力相关性的分解可优选地根据(c_r：压缩比)来进行：

发动机速度相关性g(N_engine)可半经验地得出(线性化)。根据从上述方程得出的结论，一种简单的假定可以是：

这些系数优选通过应用最小二乘标准

来得出。因此，可应用伪逆(pseudo-inverse)并且系数

被给定为：

对于

形式的函数，可实现理良好的拟合。

如认识到的，

将不仅是离开压缩机的气体，而且是所回收的排气(EGR)。然而，如果EGR分数β(或等价地，EGR质量流量)已知，则上述关系可表述为：

控制器200因此可包括另外的模块，所述另外的模块被配置成确定是否在压缩机下游引入所回收的排气流。用于确定质量流量的模块212因此可被配置成确定离开压缩机的气体的质量流量，并且通过与所回收的排气流相对应的因数来修正所确定的质量流量。

在一些实施例中，模块210可被配置成通过以下方式来确定压缩机两端的温度差：估算压缩机下游的温度，并且从所测量到的环境温度中减去所估算的温度。

对于图3中所示的控制器，可提供有另外的模块，用于涵盖压缩机两端的压力比的影响。因此，下式成立：

温度差T_boost-T_in可被自身使用。如上所述，更好的方案可以是对压缩机直接后方的温度进行建模。为了这么做，应考虑EGR的影响(带有给定的温度T_EGR和给定的质量流量dm_EGR/dt)。

信号T_boost可然后用于将增压空气冷却器146后的温度建模为：

其中，T_EGR和

被测量出或在EMS中被估算。为获取离开压缩机的气体的温度T_compressor，可考虑增压空气冷却器146中的温度损失。这可通过使用将增压空气冷却器中的温度降低描述为

的映射/函数/模型f来进行。

在此情况中，可能存在另一个用于T_CAC的表达式，即：

因为从增压空气冷却器之后的计算中已知该T_CAC，所以，对于给定的

可确定唯一的值T_compressor。

根据另一方面，提供了控制器200，用于对压缩机速度进行建模。控制器200在图4中被示出，并包括多个模块220至230。第一模块220被配置成存储与高海拔条件相对应的环境压力的基准值。这种预设的环境压力例如可以为97kPa。第二模块222被配置成确定优选由图2的传感器150e接收的所测量到的环境压力是否低于由模块220提供并且与高海拔条件相对应的所述预设的环境压力。如果低于，则第三模块224被配置成将环境压力设定为所述预设的环境压力，并将增压压力除以环境压力以形成压缩机136两端的压力比。因此，该压力比是根据

而设定的。第四模块226被配置成通过使用该压力比作为输入估算压缩机速度值来计算压缩机速度值，并且第五模块228被配置成根据所估算出的压缩机速度值和实际的环境压力来计算修正后的压缩机速度值。可提供第六模块230，用于将建模后的压缩机速度传送到相关联的单元以监测涡轮增压器部件的当前状态，尤其是在维修和维护方面。所述相关联的单元可布置在车辆上，或远离车辆。

当所估算出的压缩机速度N_Turbo已根据

被建模时，实际测量到的环境压力p_amb可因此用在最后的步骤中。这给出了极好的模型性能，它能够满足由成本方面或发动机性能所限定的精确性要求(消除了在高海拔处的不必要的扭矩降低)。

此方面可优选与参考图3描述所述温度差的使用的上述第一方面组合。通过这种组合，实现了一种用于压缩机速度的改进的模型。然而，此方面也可与使用环境压力作为输入的其它压缩机速度模型组合。

现在转到图5，将描述模型的校准(calibration)。该校准过程可直接执行，如上述公式所建议的。可优选提供合适的测试循环，该测试循环用于校准。因此，有利的是不具有可能由于在循环期间再次发生的条件而使校准不利地向一端移位的重复循环。因此，校准该模型的一种方法是使用根据图5所示的曲线图改变的发动机速度和发动机扭矩生成随机的测试循环。甚至更优选地，上述测试循环应代表正常行驶循环。速度/扭矩的组合应优选满足扭矩相对于发动机速度的最大相关性。由估算器提供的值能够然后用于车载诊断，以便监测涡轮增压器的旋转部分并创建包含所述部分的当前“磨损”状态的信息库。

所建议的对压缩机速度模型的多项式进行校准的方案通过图5中的曲线图给出。可产生发动机速度-扭矩网格，其中，在给定的点之间实施随机的巡行，以便给出无偏的且大量的用于模型校准的数据。

在图6中，示意性地示出了用于对涡轮增压器的压缩机的速度进行建模的方法300。该方法包括：确定压缩机两端的温度差的第一步骤302和确定流过压缩机的质量流量的第二步骤304。然后执行步骤306，在该步骤306中，计算作为压缩机两端的温度差和所述质量流量的函数的压缩机速度值。可执行最后的步骤308，在该步骤308中，建模后的速度被传送给已在前文中关于控制器200描述过的单元。该方法可执行前文中已描述过的另外步骤。

在图7中，示意性地示出了另一种用于对涡轮增压器的压缩机的速度进行建模的方法400。方法400包括：确定环境压力的第一步骤402和确定环境压力是否低于与高海拔条件相对应的预设的环境压力的第二步骤404。如果低于，则方法400将环境压力设定为所述预设的环境压力。执行第三步骤406，以根据增压压力和环境压力来确定压力比。在步骤408中，使用该压力比作为输入来估算压缩机速度值，并且在步骤410中，根据所估算出的压缩机速度值和实际的环境压力来计算修正后的压缩机速度值。可执行另外的步骤，例如其中将建模后的速度值传送到已在前文中关于控制器200描述过的单元的步骤。该方法可执行上文所述的另外步骤。

图6和图7的方法300、400可优选地相互组合，以便提供改进的压缩机速度模型，尤其在简单性和精确性方面改进的压缩机速度模型。

应当理解，本发明不限于上文所述且在附图中示出的实施例，而是，本领域普通技术人员将认识到，可在所附权利要求书的范围内进行许多修改和变型。

Claims (9)

1.一种用于对涡轮增压器的压缩机速度进行建模的方法，包括：

确定环境压力，

确定所述环境压力是否低于与高海拔条件相对应的预设的环境压力，如果低于，则将所述环境压力设定为所述预设的环境压力，

根据增压压力和所述环境压力来确定压力比，

使用所述压力比作为输入来估算压缩机速度值，以及

根据所估算出的压缩机速度值和实际的环境压力来计算修正后的压缩机速度值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于进一步的以下步骤：

确定所述压缩机两端的温度差，

确定流过所述压缩机的质量流量，以及

计算作为所述压力比、所述压缩机两端的温度差和所述质量流量的函数的压缩机速度值。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，通过以下的多项式表示来执行计算所述压缩机速度值的步骤：

其中，N_turbo是压缩机速度，

是质量流量，T_boost-T_in是所述压缩机两端的温度差，并且P_ratio是所述压缩机两端的压力比。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于进一步的以下步骤：

确定是否在所述压缩机下游引入所回收的排气流，并且其中，通过以下方式来执行确定质量流量的步骤：确定离开所述压缩机的气体的质量流量，并且用与所回收的排气流相对应的因数来修正所确定的质量流量。

5.根据权利要求2至4中的任一项所述的方法，其中，通过以下方式来执行确定所述压缩机两端的温度差的步骤：估算所述压缩机下游的温度，并从测量到的环境温度中减去所估算出的温度。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，通过以下方式来执行估算所述压缩机下游的温度的步骤：测量进气歧管中的温度，并且用与相关联的冷却器两端的温度损失相对应的因数来修正该温度。

7.一种计算机可读介质，其携载有包括程序代码组件的计算机程序，当所述计算机程序在计算机上运行时，所述程序代码组件执行根据权利要求1至6中的任一项所述的方法的步骤。

8.一种用于对涡轮增压器(130)的压缩机速度进行建模的控制器(200)，所述控制器被配置成执行根据权利要求1至6中的任一项所述的方法的步骤。

9.一种车辆，所述车辆包括根据权利要求8所述的控制器(200)。

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