CN112362221A - 一种涡轮增压的排气歧管压力确定方法 - Google Patents

一种涡轮增压的排气歧管压力确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及发动机技术领域，涉及一种涡轮增压的排气歧管压力确定方法，包括步骤：根据环境压力和空滤及到压气机入口管路压降，获取压气机入口压力；根据检测装置的安装位置和其检测压力，以及压力机出口到检测装置之间进气管路压降，获取压气机出口压力；根据环境压力和排气管路出口到增压器之间压降，获取涡轮机出口压力；根据质量流量计的安装位置及其测量的气体流量和气缸的总燃油量，获取压气机流量和涡轮机流量；根据压气机入口压力、压气机出口压力、涡轮机出口压力、压气机流量和涡轮机流量，获取排气歧管压力。可解决需要在排气歧管处安装压力传感器获取压力值，但需采用耐高温及抗压力震荡的传感器，导致成本和难度高的问题。

Description

一种涡轮增压的排气歧管压力确定方法
技术领域
本发明涉及发动机技术领域，具体涉及一种涡轮增压的排气歧管压力确定方法。
背景技术
涡轮增压器是发动机常用的强制进气技术之一，涡轮增压器一般由涡轮机和压气机组成，涡轮机和压气机同轴相连，涡轮机将废气的热能和动能转化为机械能，压气机由转化后的机械能驱动，从而实现进气压缩，提高进气压力和密度。目前常用增压器分为两类，一种是可变截面增压器(VGT/VNT),一种是带废气旁通阀增压器(WGT/E-WGT)。可变截面涡轮增压器采用可调涡流截面的导流叶片，在系统工作时废气会顺着导流叶片送至涡轮叶片上，通过调整叶片角度，控制流过涡轮叶片的气体的流量和流速，从而控制涡轮的转速。带废气旁通阀增压器(采用了旁通阀组件，旁通阀执行器中膜片左侧通增压的气体，当发动机低转速运转时，压气机出口压力较低，旁通阀在回位弹簧的作用下关闭，发动机排出的废气全部通过增压器的涡轮端，从而提高了涡轮的转速，能够产生较大的进气增压压力；当发动机高转速运转时，增压后的进气压力超过规定值，增压气体将排气执行器中的膜片顶起，带动旁通阀拉杆移动，打开排气旁通阀门，一部分废气旁通至涡轮出口，使涡轮进口流量减少，增压器转速下降。
随着柴油机排放法规的升级，对发动机精确控制要求越来越高了。由于排气歧管气流具有高温以及压力强烈震荡的特点，对传感器的要求也越来越高，采用精度高的传感器往往成本很高，且寿命短。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种涡轮增压的排气歧管压力确定方法，能够解决现有技术中需要排气歧管处设置压力传感器，获取压力值，但需采用精度高的传感器，导致成本高的问题。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
本发明提供一种涡轮增压的排气歧管压力确定方法，包括以下步骤：
根据环境压力和空滤及其到压气机入口管路的压降，获取压气机入口压力；
根据检测装置的安装位置和对应位置的检测压力，以及压力机出口到检测装置之间的进气管路压降，获取压气机出口压力；
根据环境压力和排气管路出口到增压器之间的压降，获取涡轮机出口压力；
根据质量流量计的安装位置及其测量的气体流量和气缸的总燃油量，获取压气机流量和涡轮机流量；
根据压气机入口压力、压气机出口压力、涡轮机出口压力、压气机流量和涡轮机流量，获取排气歧管压力。
在上述技术方案的基础上，所述的根据压气机入口压力、压气机出口压力、涡轮机出口压力、压气机流量和涡轮机流量，获取排气歧管压力，包括以下步骤：
根据压气机入口压力、压气机出口压力、压气机流量和压气机入口温度，获取得到增压器转速；
根据压气机出口压力和增压器转速，获取涡轮机有效流通面积；
根据涡轮机有效流通面积、涡轮机入口流量和涡轮机出口压力，获取排气歧管压力。
在上述技术方案的基础上，根据公式
Figure BDA0002715810020000031
计算得到增压器转速n，
其中，mIn为压气机流量，R为理想气体常数，PC2为压气机出口压力，TC1为压气机入口温度，PC1为压气机入口压力，压气机压比
Figure BDA0002715810020000032
n为增压器转速，Φ(PrC,n)为关于PrC和n的函数关系式，
Figure BDA0002715810020000033
PrC及n根据压气机的设计参数呈映射关系。
在上述技术方案的基础上，还包括在得到增压器转速后的修正增压器转速的步骤：
根据环境压力和环境温度对计算得到的增压器转速进行修正，以修正后的增压器转速进行后续计算。
在上述技术方案的基础上，根据公式
Figure BDA0002715810020000034
计算得到排气歧管压力，
其中，
Figure BDA0002715810020000035
mEx为涡轮机流量，CT为涡轮机流量系数，AT为涡轮机的有效流通面积，PEX为排气歧管压力，R为理想气体常数，TEX为涡轮出口气体温度，PTurb为涡轮机出口压力，PrC为音速绝对压比，λ为绝热指数。
在上述技术方案的基础上，根据涡轮机的设计参数结合涡轮机出口压力和增压器转速，获取涡轮机有效流通面积。
在上述技术方案的基础上，所述的根据检测装置的安装位置和对应位置的检测压力，以及压力机出口到检测装置之间的进气管路压降，获取压气机出口压力，包括：
当质量流量计设置在所述进气管路上时，质量流量计为检测装置：
质量流量计位于压力机出口和中冷器之间，则压气机出口压力为则质量流量计的检测压力；
质量流量计位于节流阀和中冷器之间，则压气机出口压力为则质量流量计的检测压力加上中冷器压降与压气机出口到质量流量计之间的管路压降之和。
在上述技术方案的基础上，所述的根据检测装置的安装位置和对应位置的检测压力，以及压力机出口到检测装置之间的进气管路压降，获取压气机出口压力，包括：
当质量流量计设置在废气循环管路上时:则进气歧管的压力传感器为检测装置，压气机出口压力为进气歧管压力加上节流阀压降、中冷器压降以及压力机出口到进气歧管之间的管路压降之和。
在上述技术方案的基础上，所述的根据质量流量计的安装位置及其测量的气体流量和气缸的总燃油量，获取压气机流量和涡轮机流量，具体包括：
当所述质量流量计安装在所述进气管路上时：
-根据质量流量计测量的气体流量，得到压气机流量；
当所述质量流量计设置在所述废气再循环管路上时:
-根据质量流量计检测的气体流量，得到废气再循环管路的气体流量；
-根据废气再循环管路的气体流量和废气循环控制阀的开度，获取压气机流量；
根据压气机流量和气缸的总燃油量，得到涡轮机入口流量。
在上述技术方案的基础上，压气机入口压力为环境压力减去空滤的压降和压气机入口的管路压降；涡轮机出口压力为环境压力、后处理装置压降以及排气管路出口到增压器之间的管路压降之和。
与现有技术相比，本发明的优点在于：在使用该涡轮增压的排气歧管压力确定方法时，通过计算推导出压气机入口压力、压气机出口压力、涡轮机出口压力、压气机流量和涡轮机流量，根据这些参数结合涡轮机特性，对于涡轮增压器，由高压气体状态方程、连续性方程、开口系统能量方程以及热力学第一定律，计算得到排气歧管压力。在排气歧管处可以不设置传感器，即可获取排气歧管的压力值，避免了需采用精度高的传感器，成本高且寿命短的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中涡轮增压发动机的结构示意图；
图2为本发明实施例中一种涡轮增压的排气歧管压力确定方法的流程图；
图3为本发明实施例中一种涡轮增压的排气歧管压力确定方法的逻辑框架图；
图中：1、空滤；2、增压器；21、压气机；22、涡轮机；3、进气歧管；4、中冷器；5、节流阀；6、燃烧室；7、排气歧管；8、后处理装置；9、废气循环冷却器；10、废气循环控制阀；11、质量流量计。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。
图1为本发明实施例中涡轮增压发动机的结构示意图；如图1所示，在本方案中，涡轮增压发动机的结构为：
输气管路，其与增压器2中的压气机21入口连接，用于将输气管路输送来的新鲜空气压缩，输气管路的入口处设有空滤1。
进气管路，其一端与压气机21出口连接，另一端汇入进气歧管3，进气管路从压气机21到进气歧管3之间依次设有中冷器4和节流阀5。进气歧管3处设有压力传感器和温度传感器，进气歧管3与燃烧室6的入口连接，燃烧室6包括至少一个气缸。
燃烧室6燃烧的废气，一部分排出至排气歧管7，还有一部分排入废气再循环管路。
排气歧管7与增压器2中的涡轮机22的入口连通，排气歧管7排出的气体驱动涡轮机22转动，涡轮机22转动从而带动压气机21转动，涡轮机22和压气机21同轴连接，所以转速相同。
涡轮机22的出口连接有排气管路，排气管路上设置有后处理装置8，排气歧管7排出的废气通过排气管路后排入大气中。
废气再循环管路的一端与燃烧室6连通，另一端与进气歧管3连通，从燃烧室6到进气歧管3之间的循环管路依次设有废气循环冷却器9和废气循环控制阀10。
涡轮增压发动机还包括一个质量流量计11，其内设有压力传感器、压差传感器和温度传感器，通过检测的压力、压差和温度可以计算出通过质量流量计11的气体流量。质量流量计11可以设置在压气机21和中冷器4之间的进气管路上，也可以设置在中冷器4和节流阀5之间的进气管路上，还可以设置在废气循环冷却器9和废气循环控制阀10之间。
图2为本发明实施例中一种涡轮增压的排气歧管压力确定方法的流程图；图3为本发明实施例中一种涡轮增压的排气歧管压力确定方法的逻辑框架图；如图2和图3所示：
本发明提供一种涡轮增压的排气歧管压力确定方法，包括以步骤：
S1：根据环境压力和空滤及其到压气机入口管路的压降，获取压气机入口压力。
在一些可选的实施例中，通过环境压力减去空滤的压降和压气机入口的管路压降，得到压气机入口压力。在本实施例中，空滤的压降通过设计参数的得到，空滤及其到压气机入口管路即输气管路，其管路压降，可根据设计精度要求忽略或者计算在内。
S2：根据检测装置的设置位置和对应位置的检测压力，以及压气机出口到检测装置之间的进气管路压降，获取压气机出口压力。
在一些可选的实施例中，当质量流量计设置在进气管路上时，质量流量计为检测装置：
当质量流量计设置在所述进气管路上时，质量流量计为检测装置：
质量流量计位于压力机出口和中冷器之间，则压气机出口压力为则质量流量计的检测压力；
质量流量计位于节流阀和中冷器之间，则压气机出口压力为则质量流量计的检测压力加上中冷器压降与压气机出口到质量流量计之间的管路压降之和。
在本实施例中，节流阀和中冷器的压降根据设计参数及其流量获得。压气机出口到质量流量计之间的管路压降，可根据设计精度要求忽略或者计算在内。
在一些可选的实施例中，
当质量流量计设置在废气再循环管路上时:则进气歧管的压力传感器为检测装置，压气机出口压力为进气歧管压力加上节流阀压降、中冷器压降以及压力机出口到进气歧管之间的管路压降之和。
在本实施例中，节流阀压降根据设计参数及其流量获得。压力机出口到进气歧管之间的管线压降，可根据设计精度要求忽略或者计算在内。
S3：根据环境压力和排气管路到增压器之间的压降，获取涡轮机出口压力。
在一些可选的实施例中，涡轮机出口压力为环境压力、后处理装置压降以及排气管路出口到增压器之间的管路压降之和。
在本实施例中，后处理装置压降根据设计参数获得。排气管路出口到增压器之间的管路压降，可根据设计精度要求忽略或者计算在内。
S4：根据质量流量计的设置位置及对应位置检测的气体流量和气缸的总燃油量，获取压气机流量和涡轮机流量。
在一些可选的实施例中，当所述质量流量计设置在所述进气管路上时：根据质量流量计检测的气体流量，得到压气机流量。
当所述质量流量计设置在所述废气再循环管路上时:根据质量流量计检测的气体流量，得到废气再循环管路的气体流量；根据废气再循环管路的气体流量和废气循环控制阀的开度，获取压气机流量。
S5：根据压气机入口压力、压气机出口压力、涡轮机出口压力、压气机流量和涡轮机流量，获取排气歧管压力。
在一些可选地实施例中，所述的根据压气机入口压力、压气机出口压力、涡轮机出口压力、压气机流量和涡轮机流量，获取排气歧管压力，包括以下步骤：
S51：根据压气机入口压力、压气机出口压力、压气机流量和压气机入口温度，获取得到增压器转速。
在一些可选地实施例中，根据公式
Figure BDA0002715810020000091
计算得到增压器转速n，
其中，mIn为压气机流量，R为理想气体常数，PC2为压气机出口压力，TC1为压气机入口温度，PC1为压气机入口压力，压气机压比
Figure BDA0002715810020000092
n为增压器转速，Φ(PrC,n)为关于PrC和n的函数关系式，
Figure BDA0002715810020000093
PrC及n根据压气机的设计参数呈映射关系。
在一些可选的实施例中，还包括在得到增压器转速后的修正增压器转速的步骤：
根据环境压力和环境温度对计算得到的增压器转速进行修正，以修正后的增压器转速进行后续计算。
S52：根据涡轮机出口压力和增压器转速，获取涡轮机有效流通面积。
在一些可选地实施例中，根据涡轮机的设计参数结合涡轮机出口压力和增压器转速，获取涡轮机有效流通面积。
S53：涡轮机有效流通面积、涡轮机入口流量和涡轮机出口压力，获取排气歧管压力。
在一些可选的实施例中，根据公式
Figure BDA0002715810020000094
计算得到排气歧管压力，
其中，
Figure BDA0002715810020000101
mEx为涡轮机流量，CT为涡轮机流量系数，AT为涡轮机的有效流通面积，PEX为排气歧管压力，R为理想气体常数，TEX为涡轮出口气体温度，PTurb为涡轮机出口压力，PrC为音速绝对压比，λ为绝热指数。
在上述实施例中，S1、S2、S3和S4没有先后顺序，可根据需求调整。
综上所述，该涡轮增压的排气歧管压力确定方法，通过计算推导出压气机入口压力、压气机出口压力、涡轮机出口压力、压气机流量和涡轮机流量，根据这些参数结合涡轮机特性，对于涡轮增压器，由高压气体状态方程、连续性方程、开口系统能量方程以及热力学第一定律，计算得到排气歧管出的压力。在排气歧管处可以不设置传感器，即可获取排气歧管的压力值，避免了需采用精度高的传感器，成本高且寿命短的问题。
该方法可以适用于不同类型的增压器，提高了排气歧管压力估算的准确性；设计了一套将压气机和涡轮机模型进行关联的方法，利用压气机的状态获取涡轮机的状态。增压器转速计算时，考虑了环境压力和温度对其进行修正的计算方法。
另外，对于带位置反馈的增压器(如VGT/VNT/E-WGT)，直接根据参考流量和增压器位置计算得到排气歧管压力。
对于没有位置反馈的增压器(如WGT)，通过压气机压比和压气机入口参考流量可以计算得到增压器转速，根据压气机出口压力和增压器转速可知涡轮机有效流通面积。根据涡轮机有效流通面积和涡轮机入口修正后流量可以计算得到涡轮机压比，再乘以涡轮机出口压力可以得到涡轮机入口压力，即排气歧管压力。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种涡轮增压的排气歧管压力确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据环境压力和空滤及其到压气机入口管路的压降，获取压气机入口压力；
根据检测装置的安装位置和对应位置的检测压力，以及压力机出口到检测装置之间的进气管路压降，获取压气机出口压力；
根据环境压力和排气管路出口到增压器之间的压降，获取涡轮机出口压力；
根据质量流量计的安装位置及其测量的气体流量和气缸的总燃油量，获取压气机流量和涡轮机流量；
根据压气机入口压力、压气机出口压力、涡轮机出口压力、压气机流量和涡轮机流量，获取排气歧管压力。
2.根据权利要求1所述的一种涡轮增压的排气歧管压力确定方法，其特征在于：所述的根据压气机入口压力、压气机出口压力、涡轮机出口压力、压气机流量和涡轮机流量，获取排气歧管压力，包括以下步骤：
根据压气机入口压力、压气机出口压力、压气机流量和压气机入口温度，获取得到增压器转速；
根据压气机出口压力和增压器转速，获取涡轮机有效流通面积；
根据涡轮机有效流通面积、涡轮机入口流量和涡轮机出口压力，获取排气歧管压力。
3.根据权利要求2所述的一种涡轮增压的排气歧管压力确定方法，其特征在于：根据公式
Figure FDA0002715810010000011
计算得到增压器转速n，
其中，mIn为压气机流量，R为理想气体常数，PC2为压气机出口压力，TC1为压气机入口温度，PC1为压气机入口压力，压气机压比
Figure FDA0002715810010000021
n为增压器转速，Φ(PrC,n)为关于PrC和n的函数关系式，
Figure FDA0002715810010000022
PrC及n根据压气机的设计参数呈映射关系。
4.根据权利要求3所述的一种涡轮增压的排气歧管压力确定方法，其特征在于，还包括在得到增压器转速后的修正增压器转速的步骤：
根据环境压力和环境温度对计算得到的增压器转速进行修正，以修正后的增压器转速进行后续计算。
5.根据权利要求2所述的一种涡轮增压的排气歧管压力确定方法，其特征在于：根据公式
Figure FDA0002715810010000023
计算得到排气歧管压力，
其中，
Figure FDA0002715810010000024
mEx为涡轮机流量，CT为涡轮机流量系数，AT为涡轮机的有效流通面积，PEX为排气歧管压力，R为理想气体常数，TEX为涡轮出口气体温度，PTurb为涡轮机出口压力，PrC为音速绝对压比，λ为绝热指数。
6.根据权利要求2所述的一种涡轮增压的排气歧管压力确定方法，其特征在于：根据涡轮机的设计参数结合涡轮机出口压力和增压器转速，获取涡轮机有效流通面积。
7.根据权利要求1所述的一种涡轮增压的排气歧管压力确定方法，其特征在于，所述的根据检测装置的安装位置和对应位置的检测压力，以及压力机出口到检测装置之间的进气管路压降，获取压气机出口压力，包括：
当质量流量计设置在所述进气管路上时，质量流量计为检测装置：
质量流量计位于压力机出口和中冷器之间，则压气机出口压力为则质量流量计的检测压力；
质量流量计位于节流阀和中冷器之间，则压气机出口压力为则质量流量计的检测压力加上中冷器压降与压气机出口到质量流量计之间的管路压降之和。
8.根据权利要求1所述的一种涡轮增压的排气歧管压力确定方法，其特征在于，所述的根据检测装置的安装位置和对应位置的检测压力，以及压力机出口到检测装置之间的进气管路压降，获取压气机出口压力，包括：
当质量流量计设置在废气循环管路上时:则进气歧管的压力传感器为检测装置，压气机出口压力为进气歧管压力加上节流阀压降、中冷器压降以及压力机出口到进气歧管之间的管路压降之和。
9.根据权利要求1所述的一种涡轮增压的排气歧管压力确定方法，其特征在于：所述的根据质量流量计的安装位置及其测量的气体流量和气缸的总燃油量，获取压气机流量和涡轮机流量，具体包括：
当所述质量流量计安装在所述进气管路上时：
-根据质量流量计测量的气体流量，得到压气机流量；
当所述质量流量计设置在废气再循环管路上时:
-根据质量流量计检测的气体流量，得到废气再循环管路的气体流量；
-根据废气再循环管路的气体流量和废气循环控制阀的开度，获取压气机流量；
根据压气机流量和气缸的总燃油量，得到涡轮机入口流量。
10.根据权利要求1所述的一种涡轮增压的排气歧管压力确定方法，其特征在于，压气机入口压力为环境压力减去空滤的压降和压气机入口的管路压降；涡轮机出口压力为环境压力、后处理装置压降以及排气管路出口到增压器之间的管路压降之和。
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