DE112012005530T5

DE112012005530T5 - System und ein Verfahren zur Steuerung eines Druckverhältnisses eines Kompressors

Info

Publication number: DE112012005530T5
Application number: DE112012005530.6T
Authority: DE
Inventors: Nathan P. Atterberry; Keith N. E. Troisi; Jayant K. Roplekar; Travis E. Barnes
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2014-09-18
Anticipated expiration: 2032-12-21
Also published as: US20130167810A1; DE112012005530B4; WO2013101614A1; CN104066992B; CN104066992A

Abstract

Ein System zur Steuerung eines Druckverhältnisses eines Ausgangsdrucks zu einem Eingangsdruck eines Kompressors, der mit einem Motor assoziiert ist, wird offenbart. Das System weist eine Steuervorrichtung auf, die konfiguriert ist, um Signale zu empfangen, die einen Eingangsdruck anzeigen, der mit einem Kompressor assoziiert ist, und Signale zu empfangen, die einen Ausgangsdruck anzeigen, der mit dem Kompressor assoziiert ist. Die Steuervorrichtung ist weiter konfiguriert, um ein Kompressordruckverhältnis des Ausgangsdrucks zum Eingangsdruck mit einem Schwellendruckverhältnis zu vergleichen und ein Bypass-Ventil in Strömungsmittelverbindung mit dem Kompressor basierend auf dem Vergleich zu steuern.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegenden Offenbarung bezieht sich auf ein System und ein Verfahren zur Steuerung eines Druckverhältnisses eines Kompressors und insbesondere auf ein System und ein Verfahren zur Steuerung eines Druckverhältnisses eines Ausgangsdrucks und eines Eingangsdrucks eines Kompressors.
Hintergrund
Einige Maschinen weisen einen Verbrennungsmotor auf, um Leistung an die Maschine zu liefern, die verwendet werden kann, um die Maschine voranzutreiben und Vorrichtungen zu betreiben, die mit der Maschine assoziiert sind. Um die Leistungsausgabe des Verbrennungsmotors zu steigern, können einige Maschinen einen Kompressor aufweisen, der konfiguriert ist, um den Druck der Luft zu steigern, die zur Verbrennung in den Motor geliefert wird. Ein solcher Kompressor ist stromabwärts eines Einlasses für Luft vorgesehen, welche in das Einlasssystem des Motors von der Umgebung eintritt, und er steigert den Druck der Luft bevor sie über das Einlasssystem in die Brennkammern des Motors geliefert werden.
Während des Betriebs eines Verbrennungsmotors, der einen Kompressor aufweist, können Betriebsbedingungen auftreten, die unerwünschte Wellenbildung bzw. Pumpstöße im Kompressor zur Folge haben. Während eines typischen Pumpstoßes im Kompressor kehrt Luft, die normalerweise vom Kompressor zu den Brennkammern fließen würde, den Fluss um und erzeugt eine Druckspitze im Kompressor. Ein solches Ereignis kann beispielsweise auftreten, wenn ein Motor, der bei hoher Drehzahl oder Last arbeitet, plötzlich bei niedriger Drehzahl oder Last betrieben wird. Wenn der Motor von der hohen Drehzahl auf die niedrige Drehzahl übergeht, verringert sich die Menge der für die Verbrennung verwendeten Luft stark, jedoch steigert der Kompressor weiter den Druck der Einlassluft, beispielsweise auf Grund von Trägheit. Als eine Folge kann ein Druck zwischen dem Kompressor und den Brennkammern momentan eine Spitze aufweisen. Eine solche Druckspitze oder Pumpstoß kann unerwünschte Geräusche zur Folge haben und kann möglicherweise die Servicelebensdauer der Komponenten verringern, die mit dem Kompressor assoziiert sind. Als eine Folge kann es wünschenswert sein, ein System und ein Verfahren zum Abmildern oder Verhindern von Pumpstößen bzw. Druckwellen vorzusehen, die mit dem Betrieb des Kompressors assoziiert sind.
Ein Versuch, einen Pumpstoß in einem Kompressor zu steuern, wird beschrieben im US-Patent Nr. 6,213,724 B1 von Haugen und anderen („das '724-Patent”). Das '724-Patent offenbart ein Verfahren zur Steuerung eines Pumpstoßes eines Arbeitsströmungsmittels in einem Zentrifugalkompressor. Gemäß dem im '724-Patent offenbarten Verfahren wird die Pumpstoß- bzw. Wellenbildungsdetektion erreicht durch Berechnen der Veränderung der Massenflussrate des kompressiblen Strömungsmittels, welche den Pumpstoß im Kompressor begleitet. Der Kompressor weist Mittel auf, um eine erste Strömungsmitteltemperatur abzufühlen, weiter Mittel zum Abfühlen eines ersten Druckes, Mittel zum Abfühlen eines zweiten Druckes und Mittel zum Messen des Stroms, der von einem Primärantrieb des Kompressors gezogen bzw. verbraucht wird. Das in dem '724-Patent offenbarte Verfahren weist die Schritte auf, die Zeitrate der Veränderung der ersten Strömungsmitteltemperatur, des ersten Strömungsmitteldrucks, des zweiten Strömungsmitteldrucks und des Stroms zu berechnen, der von dem Primärantrieb des Kompressors gezogen wird. Das Verfahren weist weiter auf, die Massenflussrate durch Kombinieren der berechneten Veränderungsraten zu berechnen und die berechnete Massenflussrate mit einer vorbestimmten akzeptablen Massenflussrate zu vergleichen, um zu bestimmen, ob ein Pumpstoß bzw. eine Wellenbildung vorliegt.
Obwohl das in dem '724 -Patent offenbarte Verfahren bestimmen kann, ob ein Druckstoß im Kompressor vorliegt, kann es unter einer Anzahl von möglichen Nachteilen leiden. Beispielsweise kann das Verfahren nicht in zuverlässiger Weise einen Pumpstoß im Kompressor abmildern oder verhindern. Die hier offenbarten Systeme und Verfahren können darauf gerichtet sein, den möglichen oben dargestellten Nachteil zu verringern oder zu überwinden.
Zusammenfassung
Gemäß einem Aspekt weist die vorliegende Offenbarung ein System auf, um ein Druckverhältnis eines Ausgangsdrucks zu einem Eingangsdruck eines Kompressors zu steuern, der mit einem Motor assoziiert ist. Das System weist eine Steuervorrichtung auf, die konfiguriert ist, um Signale zu empfangen, welche einen Eingangsdruck anzeigen, der mit einem Kompressor assoziiert ist, und Signale zu empfangen, die einen Ausgangsdruck anzeigen, der mit dem Kompressor assoziiert ist. Die Steuervorrichtung ist weiter konfiguriert, um ein Kompressordruckverhältnis des Ausgangsdrucks zum Eingangsdruck mit einem Schwellendruckverhältnis zu vergleichen und ein Bypass-Ventil bzw. Überleitungsventil in Flussverbindung mit dem Kompressor basierend auf dem Vergleich zu steuern.
Gemäß einem weiteren Aspekt weist die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Steuern eines Druckverhältnisses eines Ausgangdrucks zu einem Eingangsdruck eines Kompressors auf, der mit einem Motor assoziiert ist. Das Verfahren weist auf, Signale zu empfangen, die einen Eingangsdruck anzeigen, der mit einem Kompressor assoziiert ist, und Signale zu empfangen, die einen Ausgangsdruck anzeigen, der mit dem Kompressor assoziiert ist. Das Verfahren weist weiter auf, ein Kompressordruckverhältnis des Ausgangsdrucks zum Eingangsdruck mit einem Schwellendruckverhältnis zu vergleichen und ein Bypass-Ventil in Flussverbindung mit dem Kompressor basierend auf dem Vergleich zu steuern.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt weist eine Maschine einen Motor und ein Einlasssystem auf, welches mit dem Motor assoziiert ist. Das Einlasssystem weist einen Kompressor auf, der konfiguriert ist, um den Luftdruck zu steigern, der zum Motor geliefert wird, und ein Bypass-Ventil bzw. Überleitungsventil, welches konfiguriert ist, um Luft abzuleiten, die vom Einlasssystem zum Motor geliefert wird. Die Maschine weist weiter ein Auslasssystem auf, welches konfiguriert ist, um eine Flussverbindung vom Motor in die Umgebung vorzusehen und eine Steuervorrichtung. Die Steuervorrichtung ist konfiguriert, um Signale zu empfangen, die einen Eingangsdruck anzeigen, der mit dem Kompressor assoziiert ist, und Signale, die einen Ausgangsdruck anzeigen, der mit dem Kompressor assoziiert ist. Die Steuervorrichtung ist weiter konfiguriert, um ein Kompressordruckverhältnis des Ausgangsdrucks zum Eingangsdruck, der mit dem Kompressor assosziiert ist, mit einem Schwellendruckverhältnis zu vergleichen und das Bypass-Ventil basierend auf dem Vergleich zu steuern.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Seitenansicht einer beispielhaften Ausführungsform einer Maschine.
2 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform eines Motors und assoziierter Komponenten.
3 ist ein Steuerdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Steuerung des Druckverhältnisses eines Kompressors.
Detaillierte Beschreibung
1 veranschaulicht schematisch eine beispielhafte Ausführungsform einer Maschine 10. Die beispielhafte Maschine 10 weist ein Fahrgestell 12 und einen Antriebsstrang 14 auf, der mit dem Fahrgestell 12 gekoppelt ist. Der Antriebsstrang 14 weist einen Verbrennungsmotor 16, ein Getriebe 18 und einen Endantrieb 20 auf, der konfiguriert ist, um Leistung zu Traktions- bzw. Antriebsvorrichtungen 22 zu liefern, die konfiguriert sind, um die Maschine 10 voranzutreiben. Die beispielhafte Maschine 10 weist weiter eine Bedienerstation 24 auf, die mit einer Bedienerschnittstelle 26 versehen ist, die eine oder mehrere Steuervorrichtungen 28 aufweist, die konfiguriert sind, um es einem Bediener zu gestatten, den Betrieb der Maschine 10 zu steuern. Beispielsweise kann die Bedienerschnittstelle 26 eine Steuervorrichtung 28 aufweisen, die konfiguriert ist, um die Geschwindigkeit und/oder Richtung der Fahrt der Maschine 10 zu steuern. 1 bildet schematisch eine beispielhafte Steuervorrichtung 28 ab, welche einen einzelnen Hebel aufweist, jedoch könnte die Steuervorrichtung 28 irgendeine Vorrichtung oder Vorrichtungen zur Verwendung durch einen Bediener sein, und zwar entweder direkt oder von der Ferne, um die Geschwindigkeit, den Fahrweg und/oder die Leistungsausgabe (beispielsweise die Drosselstellung) der Maschine 10 zu steuern, wie beispielsweise ein oder mehrere Joysticks, ein oder mehrere handbetätigte oder fußbetätigte Hebel und/oder ein Lenkrad.
Die in 1 gezeigte beispielhafte Maschine 10 ist ein Radlader. Jedoch kann die Maschine 10 irgendeine Art eines Bodenfahrzeugs sein, wie beispielsweise ein Automobil, ein Lastwagen, ein Ackerbaufahrzeug und/oder ein Baufahrzeug, wie beispielsweise ein Dozer, ein Raupentraktor, ein Bagger, ein Grader bzw. ein Straßenhobel, ein Straßenlastwagen, ein Geländelastwagen und/oder irgendein anderes Fahrzeug, das dem Fachmann bekannt ist. Zusätzlich kann die Maschine 10 irgendeine stationäre Maschine sein, wie beispielsweise ein Generatorsatz zum Erzeugen von elektrischer Leistung, oder eine Pumpe zum Pumpen von Strömungsmittel, wie beispielsweise Wasser, Erdgas oder Öl. Der Motor 16 kann irgendeine Vorrichtung sein, welche Leistung erzeugt, wie beispielsweise ein Verbrennungsmotor, was funkengezündete Motoren, verdichtungsgezündete Motoren, Drehkolbenmotoren, Gasturbinenmotoren und/oder Motoren, die mit Benzin, Dieselbrennstoff, Biodiesel, Äthanol, Methanol und Kombinationen davon angetrieben werden, aufweist, ist jedoch nicht darauf eingeschränkt. Die Maschine kann weiter andere Leistungsquellen aufweisen, wie beispielsweise Wasserstoff getriebene Motoren, Brennstoffzellen, Solarzellen und/oder jegliche andere Leistungsquelle, die einem Fachmann bekannt ist. Weiterhin können die Traktionsvorrichtungen 22 Raupen, Bänder, Riemen, Rädern und/oder irgendeine andere Vorrichtung (irgendwelche andere Vorrichtungen) zum Antreiben einer Maschine aufweisen, die einem Fachmann bekannt sind.
Wie in 2 gezeigt, weist die beispielhafte Maschine 10 den Motor 16, ein Einlasssystem 30 und ein Auslasssystem 32 auf. Der beispielhafte Motor 16 weist einen Zylinderblock 34 auf, der zumindest teilweise eine Vielzahl von Zylindern 36 definiert, die Brennkammern vorsehen, in denen eine Luft-Brennstoff-Mischung verbrannt wird, um Leistung zu erzeugen. Obwohl der beispielhafte in 2 gezeigte Motor 16 sechs Zylinder 36 in einer Reihenkonfiguration aufweist, werden Motoren mit anderen Anzahlen von Zylindern und anderen Konfigurationen in Betracht gezogen, die in der Technik bekannt sind.
Das beispielhafte, in 2 gezeigte, Einlasssystem 30 ist konfiguriert, um Luft in die Zylinder 36 von einem Einlass 38 zu liefern, der eine Strömungsmittelverbindung zwischen der Umgebungsluft in der Umgebung und den Zylindern 36 vorsieht. Das Einlasssystem 30 weist eine Luftreinigungsvorrichtung 40 auf, die konfiguriert ist, um Partikelstoffe aus der Luft zu entfernen, die in den Einlass 38 aus der Umgebung eintreten und kann eine Filtervorrichtung aufweisen, wie in der Technik bekannt. Das beispielhafte Einlasssystem 30 weist auch einen Kompressor 42 auf, der konfiguriert ist, um den Druck der Luft zu vergrößern, die in das Einlasssystem 30 am Einlass 38 eintritt, bevor sie eine Einlasssammelleitung 44 erreicht, welche eine Flussverbindung mit den Zylindern 36 über eine Einlassleitung 46 vorsieht. Der in 2 gezeigte beispielhafte Kompressor 42 ist ein Teil eines Turboladers 48, der weiter eine durch Abgas angetriebene Turbine 50 aufweist. Die Turbine 50 ist mit einer Welle 52 mit dem Kompressors 42 gekoppelt, so dass ein Fluss von Abgas durch die Turbine 50 zur Folge hat, dass die Turbine 50 die Welle 52 dreht, was wiederum den Kompressor 42 antreibt, wodurch der Luftdruck im Einlasssystem 30 vergrößert wird. Obwohl der beispielhafte Kompressor 42 ein von einer Turbine angetriebener Kompressor ist, werden anderen Arten von Kompressoren in Betracht gezogen, wie beispielsweise Kompressoren, die von einer Ausgangswelle des Motors 16 und/oder anderen Motoren angetrieben werden.
Das beispielhafte Einlasssystem 30 weist auch einen Luftkühler 54 auf, der konfiguriert ist, um komprimierte Luft stromabwärts des Kompressors 42 zu kühlen, bevor die komprimierte Luft in die Einlasssammelleitung 44 eintritt, was eine kühlere Luft-Brennstoff-Mischung zur Folge hat. Der Kühler 54 kann irgendeine Art von Kühler sein, die in der Technik bekannt ist, wie beispielsweise ein luftgekühlter Luftkühler oder ein flüssigkeitsgekühlter Luftkühler. Das beispielhafte Einlasssystem 30 weist auch einen Mischer 56 auf, der konfiguriert ist, um einen Teil des rückzirkulierten bzw. rückgeführten Abgases zur Zugabe zu Luft hinzuzufügen, welche in die Abgassammelleitung 44 eintritt.
Das beispielhafte Auslasssystem 32 ist konfiguriert, um eine Flussverbindung zwischen den Zylindern 36 und der Umgebungsluft in der Umgebung vorzusehen, so dass Nebenprodukte der Verbrennung in den Zylindern 36 behandelt und in die Umgebung ausgestoßen werden können. Das beispielhafte Auslasssystem 32, welches in 2 gezeigt ist, weist eine Auslasssammelleitung 58 auf, die eine Flussverbindung zwischen den Zylindern 36 und entweder einem Abgasrückführungssystem 60 über eine Rückführungsleitung 62, die eine Flussverbindung mit dem Mischer 56 und dem Einlasssystem 30 vorsieht, oder einem Abgasbehandlungssystem 64 vorsieht.
Das beispielhafte Abgasrückführungssystem 60 ist konfiguriert, um zu gestatten, dass eine gesteuerte Menge des Abgases zum Einlasssystem 30 über den Mischer 56 geliefert wird. Wie in 2 gezeigt, weist das beispielhafte Abgasrückführungssystem 60 einen Kühler 66 stromabwärts der Auslasssammelleitung 58 und stromaufwärts eines Massenflusssensors 68 auf. Der beispielhafte Kühler 66 ist konfiguriert, um das Abgas zu kühlen, bevor es den Mischer 56 erreicht, was Vorteile für den Verbrennungsprozess des Motors 16 bieten kann. Der Kühler 66 kann irgendeine Bauart eines Kühlers sein, die in der Technik bekannt ist, beispielsweise ein luftgekühlter Kühler oder ein flüssigkeitsgekühlter Kühler. Der Massenflusssensor 68 ist konfiguriert, um Signale zu liefern, welche die Flussrate des Abgases durch die Leitung 60 zum Mischer 56 anzeigen. Das Abgasrückführungssystem 60 kann weiter ein Ventil 70 aufweisen, welches konfiguriert ist, um den Fluss von Abgas aus der Abgassammelleitung 58 zum Mischer 56 zu steuern.
Wie in 2 gezeigt, ist das Abgasbehandlungssystem 64 stromabwärts der Turbine 50 des Turboladers 48 gelegen und kann konfiguriert sein, um nicht erwünschte Partikelstoffe aus dem Abgas zu entfernen und/oder um unerwünschte Abgasbestandteile in wünschenswertere Abgasbestandteile umzuwandeln, wie es in der Technik bekannt ist. Das beispielhafte Abgasbehandlungssystem 64 weist eine Abgasleitung 72 auf, die eine Flussverbindung mit einer Regenerationsvorrichtung 74 vorsieht, die stromabwärts der Turbine 50 und stromaufwärts eines Partikelfilters 76 gelegen ist (beispielsweise ein Dieselpartikelfilter), was wiederum stromaufwärts des Abgasauslasses 78 ist. Der beispielhafte Partikelfilter 76 kann konfiguriert sein, um nicht wünschenswerte Partikelstoffe einzufangen, so dass sie nicht aus dem Abgasauslass 78 austreten, wie es in der Technik bekannt ist. Weil die Wirksamkeit des Partikelfilters 76 abnehmen kann, wenn mehr Partikel darin eingefangen werden, kann es wünschenswert sein, die Wirksamkeit bzw. Effektivität des Partikelfilters 76 zu regenerieren. Die beispielhafte Regenerationsvorrichtung 74 kann konfiguriert sein, um den Partikelfilter 76 gemäß Verfahren zu regenerieren, die in der Technik bekannt sind. Beispielsweise kann die Regenerationsvorrichtung 74 gemäß einigen Ausführungsformen konfiguriert sein, um Partikel, im Partikelfilter 76 angesammelt sind, zu zünden und abzubrennen, um die Effektivität des Partikelfilters 76 zu verbessern.
Wie in 2 gezeigt, kann das beispielhafte Abgasbehandlungssystem 64 weiter eine Bypassleitung bzw. Überleitung 80 aufweisen, die eine Strömungsmittelverbindung zwischen dem Kompressor 42 und der Regenerationsvorrichtung 74 vorsehen kann. In der gezeigten beispielhafte Ausführungsform kann ein Bypass- bzw. Überleitungsventil 82 zwischen dem Kompressor 42 und der Regenerationsvorrichtung 74 gelegen sein, um eine Flussverbindung dazwischen zu steuern. Das Bypass-Ventil 82 kann an anderen Stellen des Einlasssystems 30 gelegen sein, wie beispielsweise an irgendeiner Stelle zwischen dem Kompressor 42 und den Zylindern 36. Gemäß einigen Ausführungsformen kann das Bypass-Ventil 82 betrieben werden, um Luft zur Regenerationsvorrichtung 74 zu liefern, wodurch Luft zur Zündung und Verbrennung der Partikelstoffe in dem Partikelfilter 76 geliefert wird. Wie genauer unten erklärt wird, kann das Bypass-Ventil 82 zusätzlich konfiguriert sein, um einen Druck abzuleiten, der durch den Betrieb des Kompressors 42 erzeugt wird, beispielsweise um das Druckverhältnis des Ausgangsdrucks zum Eingangsdruck des Kompressors 42 zu verringern. Gemäß einigen Ausführungsformen kann der Druck in die Umgebung abgeleitet werden und/oder zu einer Stelle des Einlasssystems 30 stromaufwärts des Kompressors 42.
Wie in 2 gezeigt, weist die beispielhafte Maschine 10 auch ein Steuersystem 84 auf, welches konfiguriert ist, um den Betrieb des Motors 16, des Einlasssystems 30 und/oder des Auslasssystems 32 zu steuern. Das beispielhafte in 2 gezeigte Steuersystem 84 weist beispielsweise eine Steuervorrichtung 86, einen Sensor 88, der konfiguriert ist, um Signale, welche den Druck am Einlass 38 anzeigen, an die Steuervorrichtung 86 zu liefern, und einen Sensor 90 auf, der konfiguriert ist, um Signale zu liefern, welche den Druck stromabwärts des Kompressors 42 anzeigen, beispielsweise an einer Stelle stromaufwärts der Einlasssammelleitung 44. Gemäß einigen Ausführungsformen kann der Sensor 88 zwischen der Luftreinigungsvorrichtung 40 und dem Kompressor 42 gelegen sein. Die beispielhafte Steuervorrichtung 86 ist konfiguriert, um Signale zu empfangen, welche den Druck von den Sensoren 88 und 90 anzeigen, und ein Druckverhältnis zu berechnen, welches Ausgangsdruck zu Eingangsdruck des Kompressors 42 anzeigt, und zwar basierend auf jeweiligen Signalen, die von dem Sensor 90 und dem Sensor 88 empfangen wurden.
Das beispielhafte Steuersystem 84 kann auch einen Sensor 92 aufweisen, der konfiguriert ist, um Signale zu liefern, welche die Drehzahl des Motors 16 anzeigen, und einen Sensor 94, der konfiguriert ist, um Signale zu liefern, die den Brennstoff anzeigen (beispielsweise Masse, Volumen und/oder Rate), der zum Motor 16 geliefert wird. Alternativ oder zusätzlich kann das Steuersystem 84 ein (nicht gezeigtes) Motorsteuermodul aufweisen, welches Signale liefern kann, die die Motordrehzahl und/oder den Brennstoff anzeigen, der zum Motor 16 geliefert wird. Ein solches Motorsteuermodul kann von der Steuervorrichtung 86 getrennt sein oder integral mit ihr ausgeführt sein.
Die beispielhafte Steuervorrichtung 86 kann einen oder mehrere Prozessoren, Mikroprozessoren, zentrale Verarbeitungseinheiten, an Bord liegende Computer, elektronisch gesteuerte Module und/oder andere Berechnungs- und Steuervorrichtungen aufweisen, die dem Fachmann bekannt sind. Die Steuervorrichtung 86 kann konfiguriert sein, um ein oder mehrere Software-Programme oder Anwendungen laufen zu lassen, die an einer Speicherstelle gespeichert sind, von einem computerlesbaren Medium gelesen werden und/oder auf die von einer externen Vorrichtung zugegriffen wird, die betriebsmäßig mit der Steuervorrichtung 86 durch irgendein geeignetes Kommunikationsnetzwerk gekoppelt ist.
Die beispielhafte Steuervorrichtung 86 kann konfiguriert sein, um das Druckverhältnis des Kompressors 42 zu steuern. Beispielsweise kann die Steuervorrichtung 86 konfiguriert sein, um ein Verhältnis des Ausgangsdrucks zum Eingangsdruck des Kompressors 42 zu steuern. Dies kann zur Folge haben, dass eine Wellenbildung bzw. ein Pumpstoß im Kompressor verhindert wird, der mit dem Betrieb des Kompressors 42 assoziiert ist. Insbesondere ist der Kompressor 42 konfiguriert, um den Druck der Umgebungsluft zu vergrößern, die über den Lufteinlass 38 aus der Umgebung der Maschine 10 geliefert wird, und den Druck der Luft zu vergrößern, bevor die Luft über das Einlasssystem 30 zu den Zylindern 36 zur Verbrennung geliefert wird. Unter gewissen Betriebsbedingungen kann der Druck auf der stromabwärts gelegenen Seite des Kompressors 42 schnell ansteigen, was eine Druckwelle bzw. einen Pumpstoß im Rückdruck im Einlasssystem 30 erzeugt. Dies kann beispielsweise auftreten, wenn der Motor 16 schnell von einer hohen Drehzahl oder Belastung auf eine niedrige Drehzahl oder Belastung übergeht. Beispielsweise kann der Kompressor 42 während eines Zustands mit hoher Drehzahl mit einer hohen Drehzahl arbeiten, um den Druck im Einlasssystem 30 zu steigern. Wenn jedoch die Drehzahl des Motors 16 plötzlich verringert wird, kann die vom Kompressor 42 gelieferte Luft mehr werden als vom Motor 16 bei der niedrigen Drehzahl verbraucht wird. Als eine Folge wird der Kompressor 42, der möglicherweise weiter mit einer hohen Rate oder Drehzahl arbeitet, und zwar beispielsweise auf Grund von Trägheit, einer plötzlichen Drucksteigerung oder einem Pumpstoß ausgesetzt. Solche Situationen können unerwünschte Geräusche erzeugen und/oder die Betriebslebensdauer des Kompressors 42 und damit assoziierter Teile verringern.
Industrielle Anwendbarkeit
Das offenbarte System und das Verfahren zur Steuerung eines Druckverhältnisses eines Kompressors kann bei jeglicher Maschine verwendet werden, die einen Motor hat, der über einen Kompressor mit Einlassluft versorgt wird. Das offenbarte System und das Verfahren können einen verbesserten Betrieb einer Maschine zur Folge haben. Beispielsweise kann das Steuersystem 84 konfiguriert sein, um das Druckverhältnis des Ausgangsdrucks zum Eingangsdruck des Kompressors 42 zu steuern, und dadurch einen Pumpstoß abmildern oder verhindern, der mit dem Kompressor 42 assoziiert ist. Beispielsweise kann die Steuervorrichtung 86 konfiguriert sein, um vom Sensor 88 Signale zu empfangen, die einen Eingangsdruck anzeigen, und vom Sensor 90 Signale zu empfangen, die einen Ausgangsdruck anzeigen, und kann das Bypass-Ventil 82 steuern, beispielsweise in Rückkoppelungsregelung (closed loop), so dass das Druckverhältnis am Kompressor 42 gesteuert werden kann.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen ist die Steuervorrichtung 86 konfiguriert, um Signale zu empfangen, welche die Drehzahl des Motors 16 anzeigen und den Brennstoff (beispielsweise Masse, Volumen und/oder Rate) der zum Motor 16 geliefert wird, und um ein Schwellendruckverhältnis zu bestimmen. Der zum Motor 16 gelieferte Brennstoff kann beispielsweise auf der Brennstoffmasse, dem Brennstoffvolumen und/oder Brennstoffmasse/Volumen basieren, die pro Einspritzung oder pro Zeiteinheit geliefert werden. Die Steuervorrichtung 86 kann konfiguriert sein, um das Druckverhältnis (d. h. das tatsächliche Druckverhältnis) des Kompressors 42 basierend auf Signalen von den Sensoren 88 und 90 mit dem Schwellendruckverhältnis zu vergleichen und das Überleitungsventil bzw. Bypass-Ventil 82 zu öffnen, so dass der Druck im Einlasssystem 30 abgeleitet wird, beispielsweise über die Bypass-Leitung 80 zum Auslasssystem 32. Gemäß einigen Ausführungsformen kann die Steuervorrichtung 86 konfiguriert sein, um die Differenz zwischen dem tatsächlichen Druckverhältnis und dem Schwellendruckverhältnis zu bestimmen und basierend auf der Differenz die Querschnittsfläche für das Öffnen des Bypass-Ventils 82 bestimmen, die ausreicht, um einen Pumpstoß bzw. eine Wellenbildung im Kompressor abzumildern oder zu verhindern. Während dies ein Abmindern oder Verhindern einer Druckwelle zur Folge haben kann, kann dies auch gestatten, dass der Kompressor 42 auf eine angewiesene Steigerung der Last am Motor 16 folgend auf das Ableiten des Druckes über das Bypass-Ventil 82 weiter ansprechen kann, und zwar indem das Bypass-Ventil 82 nicht auf eine größere Querschnittsfläche oder für eine längere Zeitdauer öffnet, als ausreicht, um einen Pumpstoß im Kompressor abzumildern oder zu verhindern. Dies kann den Motor 16 folgend auf mögliche Wellenbildungs- bzw. Pumpstoßzustände im Kompressor schneller auf Befehle eines Bedieners ansprechen lassen.
3 zeigt ein Steuerdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform eines Verfahrens zum Steuern des Druckverhältnisses des Kompressors 42. Im Schritt 100 empfängt die Steuervorrichtung 86 Signale, welche die Drehzahl des Motors 16 und den Brennstoff anzeigen, der zum Motor 16 geliefert wird. In dem beispielhaften gezeigten Verfahren verwendet die Steuervorrichtung 16 die Motordrehzahl und den Brennstoff, um ein Schwellendruckverhältnis zu bestimmen. Gemäß einigen Ausführungsformen können anderen Parameter verwendet werden, um das Schwellendruckverhältnis zu bestimmen. Das Schwellendruckverhältnis entspricht dem maximalen Druckverhältnis unter dem der Kompressor 42 arbeiten kann, ohne eine Druckwelle bzw. einen Pumpstoß zu erfahren, und zwar basierend auf den Betriebsbedingungen des Motors 16. Das Schwellendruckverhältnis kann auf Informationen basieren, die vom Hersteller des Kompressors erhalten wurden, auf mathematischen Berechnungen und/oder auf Experimenten. Gemäß der gezeigten beispielhaften Ausführungsform kann die Steuervorrichtung 86 das Schwellendruckverhältnis basierend auf Korrelationen zwischen dem Schwellendruckverhältnis, der Motordrehzahl und dem Brennstoff bestimmen. Solche Korrelationen können die Form dreidimensionalen Karten bzw. Kennfeldern, Tabellen und Gleichungen annehmen.
Im Schritt 110 empfängt die Steuervorrichtung 86 Signale, welche den Umgebungsluftdruck in der Umgebung der Maschine 10 anzeigen, und unter Verwendung einer Filterfaktorkorrelation zwischen einem Filterfaktor und dem Umgebungsluftdruck bestimmt sie einen Filterfaktor, der mit einem Abfall des Einlassdruckes aufgrund der Luftreinigungsvorrichtung 40 assoziiert ist. Die Signale können beispielsweise vom Sensor 88 empfangen werden. Die Filterfaktorkorrelation kann die Form von zweidimensionalen Kennfeldern, Tabellen und Gleichungen annehmen.
Im Schritt 120 ist die Steuervorrichtung 86 konfiguriert, um das Schwellendruckverhältnis zu verwenden, welches im Schritt 100 bestimmt wurde, und den Filterfaktor, der im Schritt 110 bestimmt wurde, um ein gefiltertes Schwellendruckverhältnis basierend auf dem Umgebungsdruck zu bestimmen. In der gezeigten beispielhaften Ausführungsform kann die Steuervorrichtung 86 einen Tiefpassfilter verwenden, um das gefilterte Schwellendruckverhältnis zu bestimmen.
Im Schritt 130 bestimmt die Steuervorrichtung 86 das tatsächliche Kompressordruckverhältnis des Ausgangsdrucks zum Eingangsdruck des Kompressors 42 basierend auf Signalen, die von den Sensoren 90 bzw. 88 empfangen wurden. Danach wird im Schritt 140 das gefilterte Schwellendruckverhältnis, welches im Schritt 120 bestimmt wurde, mit dem tatsächlichen Kompressordruckverhältnis verglichen, welches im Schritt 130 bestimmt wurde. Insbesondere bestimmt die Steuervorrichtung 86 die Differenz zwischen dem gefilterten Schwellendruckverhältnis und dem tatsächlichen Kompressordruckverhältnis, um einen Druckverhältnisfehler zu bestimmen.
In der gezeigten beispielhaften Ausführungsform bestimmt die Steuervorrichtung 86 im Schritt 150 eine Druckverstärkung K_p basierend auf dem Umgebungsdruck der Umgebung der Maschine 10. Beispielsweise verwendet die Steuervorrichtung 86 Beziehungen zwischen der Druckverstärkung K_p und dem Umgebungsdruck, welche die Form von zweidimensionalen Karten bzw. Kennfeldern, Tabellen und Gleichungen annehmen können. Gemäß einigen Ausführungsbeispielen können andere Parameter als der Umgebungsdruck verwendet werden, um eine Druckverstärkung zu bestimmen.
Im Schritt 160 multipliziert die Steuervorrichtung 86 den Druckverhältnisfehler durch die Druckverstärkung K_p, um die Querschnittsfläche der Öffnung im Bypass-Ventil 82 zu bestimmen, die ausreicht, um den Druckverhältnisfehler zu überwinden. Gemäß einigen Ausführungsformen kann die Steuervorrichtung 86 einen Strom, eine Position und/oder einen Winkel entsprechend der Öffnung des Bypass-Ventils 82 anstelle der Querschnittsfläche (oder zusätzlich) dazu bestimmen. Im Schritt 170 bestimmt die Steuervorrichtung 86 eine begrenzte Querschnittsfläche zum Öffnen des Bypass-Ventils 82 basierend auf Beziehungen zwischen anderen Faktoren und eine begrenzte Querschnittsfläche der Öffnung des Bypass-Ventils. Diese Beziehungen können die Form von zweidimensionalen Karten bzw. Kennfeldern, Tabellen und Gleichungen annehmen.
Im Schritt 180 bestimmt die Steuervorrichtung 86 eine erwünschte Ventilposition basierend auf der begrenzten Querschnittsfläche, die im Schritt 170 bestimmt wurde. Die erwünschte Ventilposition wird basierend auf Beziehungen zwischen der begrenzten Querschnittsfläche und der Ventilposition bestimmt, welche die begrenzte Querschnittsfläche vorsieht. Diese Beziehungen können die Form von zweidimensionalen Kennfeldern, Tabellen und Gleichungen annehmen. Danach sendet die Steuervorrichtung 86 Steuersignale an das Bypass-Ventil 82, so dass das Bypass-Ventil 82 gemäß der erwünschten Ventilposition geöffnet werden kann, die im Schritt 180 bestimmt wird. In dieser beispielhaften Weise kann das Druckverhältnis des Kompressors 42 gesteuert werden und eine Wellenbildung bzw. ein Pumpstoß im Kompressor kann abgemildert oder verhindert werden.
Obwohl das oben offenbarte beispielhafte Steuersystem einen Proportionalausdruck aufweist, wird in Betracht gezogen, dass das Steuersystem irgendeine Kombination von Proportionalausdrücken, Derivativausdrücken und Integralausdrücken aufweisen kann, wie es in der Technik bekannt ist.
Es wird dem Fachmann klar sein, dass verschiedene Modifikationen und Variationen an den beispielhaften offenbarten Systemen, Verfahren und an der Maschine vorgenommen werden können. Andere Ausführungsformen werden dem Fachmann aus einer Betrachtung der Beschreibung und einer praktischen Ausführung der beispielhaften offenbarten Ausführungsformen offensichtlich werden. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung und die Beispiele nur als beispielhaft angesehen werden, wobei ein wahrer Umfang durch die folgenden Ansprüche und ihre äquivalenten Ausführungen gezeigt wird.

Claims

System (84) zur Steuerung eines Druckverhältnisses eines Ausgangsdruckes zu einem Eingangsdruck eines Kompressors (42), der mit einem Motor (16) assoziiert ist, wobei das System Folgendes aufweist: eine Steuervorrichtung (86), die konfiguriert ist, um Signale zu empfangen, die einen Eingangsdruck anzeigen, der mit einem Kompressor assoziiert ist; Signale zu empfangen, die einen Ausgangsdruck anzeigen, der mit dem Kompressor assoziiert ist; ein Kompressordruckverhältnis des Ausgangsdrucks zum Eingangsdruck mit einem Schwellendruckverhältnis zu vergleichen; und ein Bypass- bzw. Überleitungsventil (82) in Flussverbindung mit dem Kompressor basierend auf dem Vergleich zu steuern.
System nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung konfiguriert ist, um das Schwellendruckverhältnis basierend auf der Drehzahl des Motors und dem Brennstoff zu bestimmen, der zum Motor geliefert wird.
System nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung konfiguriert ist, um das Kompressordruckverhältnis vom Schwellendruckverhältnis zu subtrahieren, um einen Druckverhältnisfehler zu bestimmen, und das Bypass-Ventil basierend auf dem Druckverhältnisfehler zu steuern.
System nach Anspruch 3, wobei die Steuervorrichtung konfiguriert ist, um das Bypass-Ventil durch Senden von Signalen, welche eine Ventilposition anzeigen, an das Bypass-Ventil zu steuern.
System nach Anspruch 4, wobei die Steuervorrichtung konfiguriert ist, um die Ventilposition basierend auf einer Querschnittsfläche einer Öffnung des Bypass-Ventils entsprechend dem Druckverhältnisfehler zu bestimmen.
System nach Anspruch 1, welches weiter ein Bypass-Ventil aufweist, wobei das Bypass-Ventil konfiguriert ist, um eine selektive Flussverbindung zwischen dem Kompressor und dem Abgassystem (32) des Motors vorzusehen.
System nach Anspruch 1, welches weiter ein Bypass-Ventil aufweist, wobei das Bypass-Ventil konfiguriert ist, um eine selektive Flussverbindung zwischen dem Kompressor und der Umgebung und/oder einer Stelle des Einlasssytems (30) des Motors stromaufwärts bezüglich des Kompressors vorzusehen.
Maschine (10), die Folgendes aufweist: einen Motor (16); ein Einlassystem (30), welches mit dem Motor assoziiert ist, wobei das Einlasssystem Folgendes aufweist: einen Kompressor (42), der konfiguriert ist, um den Druck der Luft zu steigern, die zum Motor geliefert wird, und ein Bypass-Ventil bzw. Überleitungsventil (82), welches konfiguriert ist, um Luft, die zum Motor geliefert wird, aus dem Einlasssystem abzuleiten; ein Auslasssystem (32), das konfiguriert ist, um eine Flussverbindung vom Motor in die Umgebung vorzusehen; und ein System (84) zum Steuern eines Druckverhältnisses nach einem der Ansprüche 1–7.
Maschine nach Anspruch 8, wobei das Bypass-Ventil konfiguriert ist, um Luft aus dem Einlasssystem zu einem Auslasssystem des Motors und/oder einem Einlasssystem des Motors an einer Stelle stromaufwärts bezüglich des Kompressors und/oder die Umgebung abzuleiten.
Maschine nach Anspruch 9, wobei das Auslasssystem eine Partikelfilterregenerationsvorrichtung (74) aufweist, und wobei das Bypass-Ventil in Flussverbindung mit der Partikelfilterregenerationsvorrichtung ist.