CN108825359A - 一种内燃机两级涡轮负荷动态控制装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种内燃机两级涡轮负荷动态控制装置，所述内燃机具有高压级涡轮和低压级涡轮，包括：动态压力传感器，设置于高压级涡轮的进口，用于检测高压级涡轮进口瞬时压力值；节流器，设置于低压级涡轮转子进口，其开度可进行动态控制；执行器，用于接收电子控制单元的控制信号，并对节流器的开度进行控制调节；电子控制单元，用于接收动态压力传感器返回的信号，并向执行器发出控制信号。本发明还公开了一种内燃机两级涡轮负荷动态控制方法。本发明可根据内燃机脉冲压力值动态调整两级涡轮负荷，从而提高两级涡轮总体性能，同时两级涡轮在脉冲周期内的平均负荷基本保持不变，对发动机的背压没有影响，从而不需要重新设计匹配两级涡轮。

Description

一种内燃机两级涡轮负荷动态控制装置及方法
技术领域
本发明涉及内燃机与叶轮机械技术领域，尤其涉及到一种内燃机废气涡轮增压技术领域，具体为一种内燃机两级涡轮负荷动态控制装置及方法。
背景技术
涡轮增压技术是应用于车用内燃机的一种成熟技术，为了满足日益严格的排放和油耗法规，汽车内燃机向着两级涡轮增压和涡轮复合等方向发展，在两级涡轮增压和涡轮复合内燃机中，均存在两级涡轮。内燃机废气依次流经高、低压两级涡轮，并膨胀做功，实现废气能量的回收利用。
目前，两级涡轮的负荷调节主要是根据发动机的工况进行调节，也就是根据发动机的负荷和转速来调节两级涡轮的负荷分配，调节的具体手段是通过增加废气旁通阀或者采用可变几何涡轮技术，这两种技术都是涡轮增压领域成熟使用的技术。通过举一个例子可以更加明确传统两级涡轮负荷的条件方法和手段，如在串联的高低压两级涡轮中，高、低压涡轮均采用废气旁通涡轮。在发动机低转速工况，高压级旁通阀关闭，低压级涡轮旁通阀开启，这时候废气主要在高压级涡轮中膨胀，因此高压级涡轮负荷大而低压级涡轮负荷小；在内燃机高转速工况时，由于废气流量大，这时候要打开高压级旁通阀，减小高压级涡轮的负荷以避免超速，而低压级涡轮的旁通阀要关闭，提高低压级涡轮的做功能力。对于采用可变几何涡轮技术的两级涡轮系统而言，喷嘴环的开度可根据发动机的工况进行调节，从而使两级涡轮的负荷分配随发动机工况而变化。
废气旁通技术或者可变几何涡轮技术的共同特征都是根据内燃机工况进行调节，当内燃机工况固定时，废气旁通阀的开启状态或者可变几何涡轮的开度保持不变。
然而，尽管内燃机处于固定工况，内燃机排气是周期性波动的，因此两级涡轮的负荷实际上是周期性变化的，脉冲排气导致两级涡轮内部流动是非定常的，使总体性能较定常来流时下降，而传统的控制方法不能针对排气脉冲的特征进行动态调节。
发明内容
针对上述技术问题，本发明旨在提供一种可以根据内燃机脉冲排气特征来动态调节两级涡轮负荷的方法和装置，采用该方法和装置后，可以使两级涡轮的负荷在一个脉冲周期内进行调节，使涡轮系统工作于一个更高效的区域，进而提高两级涡轮系统的排气能量利用率。
本发明采用如下技术方案实现：
一种内燃机两级涡轮负荷动态控制装置，所述内燃机为两级涡轮增压内燃机或涡轮复合内燃机，具有高压级涡轮和低压级涡轮，包括：
动态压力传感器，设置于高压级涡轮的进口，用于检测高压级涡轮进口瞬时压力值；
节流器，设置于低压级涡轮转子进口，其开度(即等效流动截面积)可进行动态控制；
执行器，用于接收电子控制单元的控制信号，并对节流器的开度进行控制调节；
电子控制单元，用于接收动态压力传感器返回的信号，并向执行器发出控制信号。
一种基于所述装置的内燃机两级涡轮负荷动态控制方法，包括步骤：
步骤1、在第m个排气脉冲周期内，动态压力传感器以一定的采样频率获得该脉冲周期T内的瞬时压力值p(t)；
步骤2、通过计算获得第m个脉冲周期内的平均压力然后计算随时间t变化的系数
步骤3、在第m+1个脉冲周期内，得到节流器4的开度调整系数A随时间的变化规律为:
其中L为压力传感器和节流器沿流程上的距离，c为声速，的引入是为了考虑压力波从动态传感器2处传到节流器4处所需要的时间差，系数a为调整幅度系数，a值的变化范围为0.1～0.5，系数b变化范围为-0.1～0.1。
步骤4、将包含所得的节流器4的开度调整系数A随时间的变化规律的控制信号发送至执行器6，实现对节流器4开度行动态控制。
进一步地，步骤1中，所述的采样频率f大于排气脉冲频率1/T。
相比现有技术，本发明如有如下优点和有益效果：
本发明可以根据内燃机脉冲压力值动态调整两级涡轮负荷，从而提高两级涡轮总体性能，调整方法效果在于，当高压级涡轮进口瞬时压力较大时，低压级涡轮开度增大，此时可降低低压级涡轮的负荷；当高压级涡轮进口瞬时压力较低时，低压级涡轮开度减小，此时可提高低压级涡轮的负荷。采用该控制方法后，高压级涡轮的瞬时效率降低，最大降幅约为5％；然而，低压级涡轮的瞬时效率显著提高，最大提高约20％，低压级涡轮获得的收益超过高压级涡轮的损耗。综合来看，采用该控制方法后，两级涡轮的总体性能有所提高。
该方案的另外一个优点是，两级涡轮在脉冲周期内的平均负荷基本保持不变，因此对发动机的背压没有影响，从而不需要重新设计匹配两级涡轮。
附图说明
图1为本发明控制装置的结构示意图。
图2为发动机排气脉冲示意图。
图3为高压级涡轮实施控制方法后的效果对比图。
图4为低压级涡轮实施控制方法后的效果对比图。
图中：1-内燃机；2-动态压力传感器；3-高压级涡轮；4-节流器；5-低压级涡轮；6-执行器；7-电子控制单元。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。
该发明方法和装置可用于两级涡轮增压内燃机或者涡轮复合内燃机中，或者其他在排气管道中具有两级涡轮的内燃机。
如图1所示，一种内燃机两级涡轮负荷动态控制装置，所述内燃机1为两级涡轮增压内燃机或涡轮复合内燃机，具有高压级涡轮3和低压级涡轮5，内燃机1的排气门由于周期性地打开和关闭，因此其排气压力周期性变化，如附图2所示。内燃机1排气依次流经高压级涡轮3和低压级涡轮5，因此，高、低压涡轮的负荷周期性变化。包括：动态压力传感器2，节流器4，执行器6和电子控制单元7，所述动态压力传感器2位于高压级涡轮3的进口，用于检测高压级涡轮3进口瞬时压力p(t)，所述电子控制单元7用于接收动态压力传感器2返回的信号，并向执行器6发出控制信号，使节流器4的开度按照一定的规律进行调整，本实施例中，所述电子控制单元7采用stm32系列单片机。所述节流器4位于低压级涡轮5转子进口，其开度(即等效流动截面积)可进行动态控制。所述节流器4开度的变化规律与高压级涡轮3进口动态压力相关，通过以下方法获得：
一种基于所述装置的内燃机两级涡轮负荷动态控制方法，包括步骤：
步骤1、在第m个排气脉冲周期内，动态压力传感器2以一定的采样频率获得该脉冲周期T内的瞬时压力值p(t)；
步骤2、通过计算获得第m个脉冲周期内的平均压力然后计算随时间t变化的系数
步骤3、在第m+1个脉冲周期内，得到节流器4的开度调整系数A随时间的变化规律为:
其中L为压力传感器和节流器沿流程上的距离，c为声速，的引入是为了考虑压力波从动态传感器2处传到节流器4处所需要的时间差，系数a为调整幅度系数，a值的变化范围为0.1～0.5，系数b变化范围为-0.1～0.1。
步骤4、将包含所得的节流器4的开度调整系数A随时间的变化规律的控制信号发送至执行器6，实现对节流器4开度行动态控制。
具体地，所述的采样频率f大于排气脉冲频率1/T。
通过该控制方法，两级涡轮的负荷在一个排气脉冲周期内进行动态调整，从而使两级涡轮的瞬时效率发生变化，如图3和图4所示，高压级涡轮的瞬时效率有所降低，但低压级的瞬时效率大幅度上升，其综合效果是两级涡轮总体性能显著提高。该控制方法的另外一个优点是，尽管两级涡轮的负荷是动态调节的，但两级涡轮在脉冲周期内的平均负荷是基本保持不变，因此对发动机的背压没有影响，从而不需要重新设计匹配两级涡轮，也就是说该发明可以直接应用于原来的发动机中，不需要对发动机本体做较大的改动。
上述控制方法的效果在于，当高压级涡轮进口瞬时压力较大时，低压级涡轮开度增大，此时可降低低压级涡轮的负荷；当高压级涡轮进口瞬时压力较低时，低压级涡轮开度减小，此时可提高低压级涡轮的负荷。采用该控制方法后，高压级涡轮的瞬时效率降低，最大降幅约为5％；然而，低压级涡轮的瞬时效率显著提高，最大提高约20％，低压级涡轮获得的收益超过高压级涡轮的损耗，使两级涡轮的总体性能有所提高。
需要强调的是，上述的实施方式并不用以限制本发明的保护范围，凡是在本发明的精神和原则之内，所做的改进、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种内燃机两级涡轮负荷动态控制装置，所述内燃机(1)为两级涡轮增压内燃机或涡轮复合内燃机，具有高压级涡轮(3)和低压级涡轮(5)，其特征在于：包括
动态压力传感器(2)，设置于高压级涡轮(3)的进口，用于检测高压级涡轮(3)进口瞬时压力值；
节流器(4)，设置于低压级涡轮(5)转子进口，其开度可进行动态控制；
执行器(6)，用于接收电子控制单元(7)的控制信号，并对节流器(4)的开度进行控制调节；
电子控制单元(7)，用于接收动态压力传感器(2)返回的信号，并向执行器(6)发出控制信号。
2.一种基于如权利要求1所述装置的内燃机两级涡轮负荷动态控制方法，其特征在于，包括步骤：
步骤1、在第m个排气脉冲周期内，动态压力传感器(2)以一定的采样频率f获得该脉冲周期T内的瞬时压力值p(t)；
步骤2、通过计算获得第m个脉冲周期内的平均压力然后计算随时间t变化的系数
步骤3、在第m+1个脉冲周期内，得到节流器(4)的开度调整系数A随时间的变化规律为:
其中L为压力传感器和节流器沿流程上的距离，c为声速，的引入是为了考虑压力波从动态传感器(2)处传到节流器(4)处所需要的时间差，系数a为调整幅度系数，a值的变化范围为0.1～0.5，系数b变化范围为-0.1～0.1。
步骤4、将包含所得的节流器4的开度调整系数A随时间的变化规律的控制信号发送至执行器(6)，实现对节流器(4)开度行动态控制。
3.根据权利要求1所述的内燃机两级涡轮负荷动态控制方法，其特征在于，步骤1中，所述的采样频率f大于排气脉冲频率1/T。
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