CN1914413A - 电辅助涡轮增压器用的压缩机喘振防护装置 - Google Patents

电辅助涡轮增压器用的压缩机喘振防护装置 Download PDF

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Abstract

用于防止/控制电辅助涡轮增压器中压缩机喘振状态的系统，包括具有设置在涡轮增压器轴(22)周围的电动机(18)的涡轮增压器(10)。电动机控制器(30)电耦合在电动机(18)上，以便控制由电动机(18)传到涡轮增压器轴(22)上的转动。一个存储器电耦合在电动机控制器(30)上，并包括一幅储存于其中的压缩机喘振状态的多维图象。使用传感器(32)来提供所要的发动机和/或涡轮增压器运转信息，以便与储存的图象数据进行比较。传感器(32)电耦合在电动机控制器(30)上。该控制器在储存的图象上对由传感器提供的真实的运转信息进行作图，来评价涡轮增压器是否在不同的运转区中运转。如果作图的涡轮增压器运转落入一喘振风险运转区或喘振状态运转区，那么该电动机控制器就运转电动机(18)而使其降低涡轮增压器轴的转速。

Description

电辅助涡轮增压器用的压缩机喘振防护装置
发明领域
本发明一般涉及涡轮增压器领域，尤其涉及在电辅助涡轮增压器中防止压缩机喘振的系统。
发明背景
汽油和柴油内燃机用的涡轮增压器是在该技术中已知的装置，该装置用于利用从发动机排出的废气的热量和容积流量来使通到发动机燃烧室的进入空气流增压或升压。具体地说，从发动机排出的废气通入涡轮增压器的涡轮外壳中，使受废气驱动的涡轮在该外壳中自转。该受废气驱动的涡轮安装在一根共用轴的一端上，而该共用轴的另一端上安装一个径向空气压缩机。因此，涡轮的转动也导致该空气压缩机在与该废气外壳隔开的涡轮增压器的压缩机外壳中自转。该空气压缩机的自转动作使进入空气进入该压缩机外壳而被增压，即升压一个希望的量，然后该进入空气与燃料混合而在该发动机燃烧室内燃烧。
因为该涡轮的转动取决于自发动机排出的废气的热量和容积流量，所以当联接涡轮增压器的发动机以低速运转时涡轮增压器常常效率降低。该降低的效率常称为涡轮滞后。当废气的热量和容积流量低时，为了克服涡轮滞后，已知使用一台电动机来转动该轴并促使压缩机自转。
但是，电辅助的涡轮增压器特别易于进入压缩机喘振区，因为压缩机的这种电控制能够使压缩机在与发动机运转状态相对独立的方式下起作用。一般说来，压缩机喘振是一种涡轮增压器状态，藉此，由该压缩机产生的增压空气遇到内部系统阻力，常常使该增压空气受到经该涡轮增压器而返回的力。喘振可以由不同的涡轮增压器运转工况产生，已知在发动机减速运转状态期间发生。压缩机喘振通常是一种不希望有的状态，它能引起从噪声到部件故障的很多问题，它能损害涡轮增压器的寿命和性能。为此，不希望产生压缩机的喘振。
因而，希望提供这样一种与电辅助的涡轮增压器一起使用的系统，它能控制电动机而防止压缩机不进入压缩机的喘振状态，由此延长涡轮增压器的使用寿命和所希望的性能。
发明概要
一种按照本发明原理制造的用于防止/控制电辅助的涡轮增压器中压缩机喘振状态的系统包括一个有一设置在涡轮增压器轴周围的涡轮增压器，一个压缩机附接在该轴的一端，而一个涡轮机设置在该轴的另一端。该电动机控制器电耦合在该电动机上，以便控制由电动机产生的涡轮增压器的转动。
一个存储机构电耦合在电动机控制器上。该存储机构有一幅储存于其中的压缩机喘振状态的多维图象。在一示范实施例中，该图象根据不同的真实的发动机和/或涡轮增压器的运转参数来提供某些压缩机运转区，从而预测压缩机喘振状态。
利用传感器来提供所需要的发动机和/或涡轮增压器运转信息，以便相对于储存的图象数据进行比较。传感器电耦合在电动机控制器上。该控制器在储存的图象上对由传感器提供的真实的运转信息作图，来评价该涡轮增压器是否在不同的运转区内运转。在一示范的实施例中，该图象做成提供三个运转区，即一个正常运转区、一个喘振风险运转区和一个喘振状态运转区。
该电动机控制器做成根据涡轮增压器按照储存的图象上的图线在哪里运转而控制电动机的运转。在正常运转区，该电动机控制器允许电动机正常地运转。在喘振风险运转区，该电动机控制器减小通向电动机的电流而减慢涡轮增压器轴的转动。在喘振状态运转区，该电动机控制器倒转引向电动机的电流极性而在涡轮增压器轴上外加一个反向的转矩，从而迅速降低压缩机的转速。
附图简述
当结合附图考虑下列详细描述时，可以更容易地理解本发明的各方面。附图中：
图1是例示一种按照本发明的原理制造的与一电辅助的涡轮增压器结合使用的喘振控制/防止系统的示意图；以及
图2是代表作为发动机转速(X轴)和涡轮增压器转速(Y轴)的函数的喘振状态的多维图象。
详细描述
在本发明的一个实施例中，一个用于防止电辅助的涡轮增压器的电动机将压缩机驱动到喘振运转中的系统有多个电耦合在一电动机控制器上的传感器。一幅包含有关相对于多个感知的特征的压缩机喘振状态的信息的多维图象被在电动机控制器中编制程序。一旦电动机控制器接收到从多个传感器来的该系统正接近喘振状态的信息，该电动机控制器就利用该多维图象来调节传输到该电辅助的涡轮压缩机的电动机的电力。如果这些传感器指示已进入喘振状态，那么电动机的速度或者可以降低，或者可以作为速度制动而运转(通过施加一个与轴转动反向的电动机转矩)，以便防止压缩机喘振。
图1例示本发明的一种包括一台电辅助的涡轮发动机10的喘振控制/防止系统。电辅助的涡轮增压器10总的包括(图1中从左向右)一台设置在压缩机外壳14中和附接在轴16的端部上的压缩机12。电动机18设置在附接于压缩机外壳14上的电动机外壳20内。电动机设置在轴22的一部分的周围，以便利用向其引导的电流而有效地转动该轴。
轴16从电动机外壳20通入包括一个轴承装置(未示出)的中心外壳，后者用于支承该轴和用于向其提供必要的润滑。最后，涡轮机26附接在轴16的剩余端部上并设置在涡轮机外壳28中。以这种方式构型，该电动机在必要时能补充该压缩机的速度，以便当发动机在低RPM状态下运转时能避免不需要的涡轮增压器的性能特征如涡轮滞后。
电动机控制器电耦合于电动机18上，以便控制电动机的速度。电动机控制器30的构型可以做成通过调节引向电动机的电流量和/或通过改变引向电动机的电流的极性而提供此种调节。
电动机控制器30电耦合在多个传感器32上。传感器32可以做成监测多个不同的发动机和/或涡轮增压器运转条件/参数。在本发明的一个实施例中，传感器32做成感知下列性能参数中的至少两个：(1)用每分钟转数(RPM)表示的发动机转速；(2)发动机负荷；(3)进入空气流；(4)在压缩机之前和之后的涡轮增压器运转压力；(5)用每分钟转数(RPM)表示的涡轮增压器转速。
电动机控制器30做成有能力存储和读出多维图象，该多维图象包含有关一台特定的压缩机相对于多个可确定的发动机和压缩机特征的喘振状态的信息。电子监测控制器30利用该多维图象，结合传感器32感知的状态，来当压缩机接近喘振状态时限制(或甚至倒转)通到涡轮增压器电动机18的电力。
在本发明的一个实施例中，该喘振防止系统包括一个能监测发动机转速的传感器32和一个能监测涡轮发动机转速的传感机构。该涡轮增压器转速传感机构可包括各种类型的装置或系统，包括但不限于一个分离的速度传感器如编码器之类。或者是，在该电动机是一种具有可运转而通过监测定子中转动磁场来测定电动机转速的相关控制器的无传感器电动机的场合，该无传感器电动机提供用于监测涡轮增压器转速的感知机构。制作一幅使发动机转速和涡轮增压器转速与喘振状态发生相互关系的多维图象，以用于控制特定的电辅助的涡轮增压器，也即对用于特定的压缩机设计的可能的喘振状况进行作图。现在参照图2，该图象分为三个不同的区域，即正常运转范围的第一区域，喘振风险的第二区域，和喘振状态的第三区域。图2的多维图象代表一个假想的涡轮增压器和发动机系统的三个这样的区域，并用作参考。可以理解，这三个区域在这样的图上将占据不同的位置，取决于特定用途和涡轮增压器的设计特征。
该图象储存于可由电动机控制器存取的存储器中。因为每台电动机和压缩机具有不同的喘振状态，所以制作一幅含有一个特定的发动机和压缩机组合的特定信息的多维图象。每次当该发动机转速和涡轮增压器转速由发动机转速传感器和涡轮增压器转速传感器连通到该电动机控制器上时，该电动机控制器就在存储的多维图象上对发动机转速和涡轮增压器转速作图。
如果从传感器信息得到的图线指示该涡轮增压器在正常的运转范围内运转，那么由电动机控制器提供给涡轮增压器电动机的电力是正常的。涡轮增压器在正常范围内运转的一个例子是发动机在每分钟约4000转的速度下运转，而涡轮增压器在每分钟约20000转的速度下运转。当在图2中示出的图象上作图时，这些运转状态产生在点A处表示的位置，该位置处在图象的正常运转范围部分中。
但是，如果从传感器信息得到的图线指示有喘振风险，那么通到电动机的输入电流就受到限制。存在喘振风险的一个例子是发动机在每分钟2000转的速度下运转，而涡轮增压器在每分钟20000转的速度下运转。当在图2中示出的图象上作图时，这样的运转状态产生在点B处表示的位置，该位置处在图象的喘振风险部分中。一种在图象的喘振警告部分中的图线使控制器在减小引向电动机的电力或电流的方式下运转，从而降低涡轮增压器轴的速度。
如果从传感器信息得到的图线指示已进入喘振状态，那么电动机控制器使电动机在一种快速降低涡轮增压器转速的方式下运转。已达到喘振状态的一个例子是发动机在每分钟约1000转的速度下运转，而涡轮增压器在每分钟30000转的速度下运转。当在图2中示出的图象上作图时，这样的运转状态产生在点C处表示的位置，该位置处在图象的喘振部分中。图象的喘振部分使电动机控制器倒转引向电动机的电力的极性，从而施加一个与轴的运动反向的转矩，以迅速地减缓涡轮增压器而结束喘振状态。
图2中的图象例示带有三种不同的压缩机运转状态的二维图象。在本发明的另外的实施例中，该图象分为多于三种状态，每种状态有一不同的动作进程。此外，该图象可以以多于两台不同的发动机和/或多于两个涡轮增压器的性能参数为基础。
在本发明的另一实施例中，该传感器做成监测通到压缩机的空气流。为了测量跨过压缩机的压力比，提供另外的传感器。在该另一实施例中，产生一幅多维图象，该图象使通到压缩机的空气流和跨过压缩机的压力比与喘振状态有关系。该多维图象包含所用的特定压缩机的特定信息。
从传感器收到的喘振信息作为进入空气流和压缩机压力比的函数而储存在多维图象中。每次空气流和压缩机压力比的数据连通到电动机控制器上时，电动机控制器就对空气流和压缩机压力比在储存的多维图象上作图。如上面(对发动机转速和涡轮增压器转速)提供的实施例中那样，如果该图线指示涡轮增压器处在正常运转范围内，那么提供给电动机的电力是正常的。但是，如果该图线指示正接近喘振风险，那么通到电动机的输入电流就受到限制。如果该图线指示已进入喘振状态，那么就控制电动机而迅速降低涡轮增压器转速。
现在已按照专利法规详细地描述了本发明，该技术的专业人员将会认识到，将可以有对此处公开的特定实施例的修改和替换。这些修改均处在本发明的范围和意图中。

Claims (4)

1.一种用于控制联接在内燃机上的电辅助涡轮增压器中的压缩机喘振的系统，包括：
一个设置在一涡轮增压器轴周围的电动机，该轴上一端附接一压缩机，而另一端附接一涡轮机；
一个电耦合到该电动机上的电动机控制器；
一个电耦合到该电动机上的存储机构，该存储机构有一储存于其中的压缩机喘振状态的多维图象；以及
至少两个电耦合到该电动机控制器上的传感器，这些传感器做成监测该涡轮增压器和联接于其上的内燃机中的至少一个的运转状态；
该电动机控制器还做成根据这些传感器提供的与储存在该存储器中的喘振状态的多维图象有关的信号而控制该电动机的运转，其中，该电动机控制器还做成，当检测到压缩机喘振状态时，能根据来自与存储器中储存的喘振状态的多维图象有关的发动机转速传感器和涡轮增压器转速传感机构中的至少一个的一些信号而颠倒该电动机电力方向。
2.一种用于控制联接在内燃机上的电辅助涡轮增压器中的压缩机喘振的系统，包括：
一个设置在一涡轮增压器轴周围而使其产生转动的电动机；
一个电耦合到该电动机上以控制该电动机的运转的电动机控制器；
一个电耦合到该电动机控制器上以传感该内燃机的转速的发动机转速传感器；
一个电耦合到该电动机控制器上以传感该涡轮增压器轴的转动速度的涡轮增压器转速传感机构；以及
一个电耦合到该电动机控制器上的存储器，该存储器有储存于其中的与该内燃机转速和涡轮增压器转速发生关系的喘振状态的多维图象；
该电动机控制器还做成根据由该发动机转速传感器和涡轮增压器转速传感器提供的与该存储器中储存的喘振状态的多维图象有关的一些信号而控制该电动机，其中该电动机控制器还做成，当检测到压缩机的喘振状态时，根据来自发动机转速传感器和涡轮增压器转速传感机构中的至少一个的与该存储器中储存的喘振状态的多维图象有关的一些信号而颠倒该电动机电力方向。
3.一种用于控制联接在内燃机上的电辅助涡轮增压器中的压缩机喘振的系统，包括：
一个设置在一涡轮增压器周围而使其产生转动的电动机；
一个耦合在该电动机上以控制由该电动机产生的转动的电动机控制器；
一个联接在该电动机控制器上以传感进入该涡轮增压器的空气容积的进入空气传感器；
一个联接在该电动机控制器上以传感压缩机压力比的压力比传感器；以及
一个电连接在该电动机控制器上的存储器，该存储器有一储存于其中的与进入该涡轮增压器的空气容积和该压缩机压缩比发生关系的喘振状态的多维图象；
该电动机控制器还做成根据来自与储存在该存储器中的喘振状态多维图象有关的该进入空气传感器和该压力比传感器的一些信号而控制该电动机，其中该电动机控制器还做成，当检测到压缩机喘振状态时，根据来自与储存在该存储器中的与喘振状态多维图象有关的进入空气传感器和压力比传感器中的至少一个的一些信号而对该电动机颠倒电力。
4.一种用于控制在联接到内燃机上的电辅助涡轮增压器中的压缩机喘振的方法，该涡轮增压器包括一台设置在涡轮增压器轴周围以使其产生转动的电动机，该方法包括以下步骤：
传感指示该内燃机转速的第一参数；
传感指示该涡轮增压器轴的转速的第二参数；以及
根据所述第一和第二参数来控制该电动机，从而根据使与该内燃机转速和涡轮增压器转速有关的压缩机喘振状态的多维图象来避免喘振，其中该控制步骤是通过一个联接在该电动机上的并包括一个连接于其上的具有储存于其中的喘振状态多维图象的存储器的电动机控制器来完成的，而且其中该控制步骤包括该电动机控制器根据检测到的喘振状态而颠倒该电动机电力方向。
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