相继增压系统防喘振控制装置和控制方法

专利名称：相继增压系统防喘振控制装置和控制方法
技术领域：
本发明涉及柴油机的涡轮增压技术，具体涉及到柴油机相继涡轮增压系统的防喘
振技术。
背景技术：
提高柴油机升功率最有效的手段之一是提高增压度。但随着增压比的提高，增压
器与柴油机的匹配矛盾更加突出.涡轮增压器不能满足柴油机全工况运行的需要，使部分
负荷扭矩不足，热负荷增大。 一些特殊的增压系统被发展用以改善高增压柴油机的低负荷
性能，相继增压系统就是其中之一。它的基本工作原理是采用多个小型涡轮增压器，随柴油
机工况的提高，相继按次序地投入运行，改变了常规串联增压系统在低工况时由于排气能
量减少而使涡轮转速下降，增压压力不足，柴油机得不到要求扭矩所必须的空气量，从而出
现燃烧恶化、功率下降的现象。在标定工况，柴油机的每台增压器都在高效率区工作，效率
高、燃油消耗率低；在部分工况，减少投入使用的涡轮增压器数量，使得投入使用的增压器
仍然在高效率区附近工作，最大限度地增加了气缸的进气量，从而改善了柴油机的动力性
与经济性。可见，相继增压技术是解决高Pe柴油机低工况问题的一种最为有效的方法。 离心式压气机是废气涡轮增压器的主要组成部分，在涡轮增压器工作过程中，特
别是在相继增压系统切换过程中，由于空气阀相对于燃气阀的延迟开启，造成流经压气机
的流量几乎为零，内部流场基本处于紊乱，随着空气阀的开启，压气机出口流量稍有增加，
但仍然是很小的，进口气流的方向就和叶片角很不一致，这时冲角大大增加，引起流道中边
界层严重分离，使流道进出口出现强烈的气流脉动，这就是所谓的"喘振"。喘振控制可通过
打开压縮机的旁通阀或直接将一部分气体放空以维持压縮机的最低流量来实现。但是使气
体通过旁路或放空都意味着浪费能量，所以通常总希望既能防止喘振又能不浪费能量。 相继增压系统需要通过控制阀的开闭来实现涡轮增压器的切换，一般采用气动的
开关蝶阀，同时要求转换阀有较快的响应速度，这样可以縮短转换时间，避免喘振和倒流等
不良现象的发生。对于相继增压系统来讲，在合理的时机打开燃气阀和空气阀是可以避免
压气机喘振的，但是很多时候，燃气阀和空气阀之间的延迟时间的控制受太多因素影响，比
如控制空气的压力及其波动情况、气动阀体气缸的摩擦，气路管道的容积和长短等，这些因
素都可能使得空气阀没有按时打开，有时还是会发生喘振现象。 目前在已授权或公布的专利中，涉及到防止涡轮增压器喘振的较多，比如申请号 为"200410045240. X"的"自动检测和避免发动机上的涡轮增压器喘振的装置和方法"专利； 申请号为"200710072228. 1"的"船用柴油机涡轮增压器喘振预测控制装置和控制方法"专 利。它们主要是把防喘振技术单纯地运用在防止涡轮增压器喘振上。

发明内容
本发明的目的在于提供一种能够防止柴油机相继增压系统转换过程中喘振的相 继增压系统防喘振控制装置。本发明的目的还在于提供一种相继增压系统防喘振控制方法。 本发明的目的是这样实现的 本发明的喘振的相继增压系统防喘振控制装置的组成包括柴油机转速传感器、涡 轮增压器转速传感器、压力传感器、空气流量计、空气阀、燃气阀、空气循环阀、空气旁通阀、 空气循环管道、空气旁通管道、信号调理模块、信号采集模块、信号处理模块、存储模块、电 磁装置、阀体驱动装置；压力传感器安装在涡轮增压器压气机出口管道；空气流量计安装 在涡轮增压器压气机进口管道；空气阀安装在受控涡轮增压器压气机出口管道；燃气阀安 装在受控涡轮增压器涡轮进口管道；1#空气循环阀的一端连接到1#涡轮增压器压气机进 口管道，另一端连接在空气循环管道的一端；2#空气循环阀的一端连接到2#涡轮增压器压 气机进口管道，另一端连接在空气循环管道的另一端；空气循环管道是一个三通管道，它的 另一端连接在两台压气机出口 ；空气旁通管道一端连接在两台压气机出口，另一端连接在 两台涡轮入口管道，中间装有空气旁通阀；所述各传感器、流量计及各阀的反馈信号输入信 号调理模块；信号采集模块对调理完的模拟电信号转换为数字信号送入信号处理模块；信 号处理模块对采集到的各传感器信号进行分析处理，输出控制指令；存储模块存放一些喘 振数据以备信号处理模块使用；电磁装置气动开关阀的气路进行控制；阀体驱动装置对电 动阀进行驱动，接受并完成信号处理模块的指令。 本发明的喘振的相继增压系统防喘振控制方法为首先将预先得到的各工况下的 转速、流量、压力等喘振数据信息拟合成连续曲线形式，作为是否有喘振先兆信号的依据； 采集各传感器的信号，包括柴油机转速信号、1#涡轮增压器转速信号、2#涡轮增压器转速 信号、1#涡轮增压器压气机出口压力信号、2#涡轮增压器压气机出口压力信号、1#涡轮增 压器压气机流量信号、2#涡轮增压器压气机流量信号；当各传感器信号满足了相继增压系 统1TC转2TC条件时，开启燃气阀，延迟适当时间后开启空气阀，控制装置在相继增压系统 转换过程中，将相关喘振信息与实时测到的转速、压力、流量、燃气阀与空气阀开启间隔时 间信号进行喘振信息的分析，得出是否存在喘振先兆；如果存在喘振先兆，则发出对空气循 环阀和空气旁通阀的位置指令，待相继增压系统平稳转换完成后，空气循环阀和空气旁通 阀关闭；如果不存在喘振先兆，则空气循环阀和空气旁通阀不动作；当柴油机满足2TC转 1TC条件时，控制装置同时发出指令关闭空气阀和燃气阀，空气循环阀和空气旁通阀不动作。 本发明的基本工作原理是根据离心式压气机的喘振机理，即压气机出口流量很小 时，进口气流的方向就和叶片角很不一致，这时冲角大大增加，引起流道中边界层严重分 离，使流道进出口出现强烈的气流脉动，这就是所谓的"喘振"。只要根据压气机工作过程中 的各参数值便可以得出实时的工作状况，进而判断有无喘振现象，及时调节本发明所设计 的空气循环阀来适量增加压气机的出口流量，调节空气旁通阀来调整涡轮膨胀功，便可以 消除相继增压系统转换过程中可能出现的喘振现象，延长涡轮增压器寿命，改善柴油机相 继增压系统转换时的瞬态性能。 本发明的目的是避免这种无法预知的喘振，特别是在相继增压系统切换过程中产 生的喘振。与背景技术相比，本发明是把涡轮增压器防喘振技术进行改进后，运用到了由涡 轮增压器构成的新型增压系统中，是涡轮增压器防喘振技术的进一步发展。


图1为相继增压系统防喘振装置结构示意图。
图2为相继增压系统防喘振控制器结构示意图。
图3为防喘振控制方法流程图。
具体实施例方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述 结合图1和图2，相继增压系统防喘振控制装置的组成包括柴油机转速传感器8、 1#涡轮增压器转速传感器4、2#涡轮增压器转速传感器12、 1#压气机出口压力传感器5、2# 压气机出口压力传感器13、 1#压气机进口空气流量计2、2#压气机进口空气流量计14、 1# 空气循环阀1、2#空气循环阀15、空气旁通阀7、空气阀10、燃气阀11、空气循环管道3、空气 旁通管道6、柴油机9以及信号调理模块、信号采集模块、信号处理模块、存储器模块、阀体 驱动模块。 图1中的箭头指向为气体流动方向。 柴油机转速传感器8用于测量柴油机转速，为喘振预测和控制提供参量； 涡轮增压器转速传感器4用于测量1#涡轮增压器转速； 涡轮增压器转速传感器12用于测量2#涡轮增压器转速； 压力传感器5用于测量1#压气机出口压力及其波动情况； 压力传感器13用于测量2#压气机出口压力及其波动情况； 空气流量计2用于测量1#压气机空气流量； 空气流量计14用于测量2#压气机空气流量； 空气循环阀1用于控制1#压气机空气循环开关； 空气循环阀15用于控制2#压气机空气循环开关； 空气旁通阀7用于控制空气旁通至涡轮入口的开关； 空气阀10用于控制2#压气机的启动开关； 燃气阀11用于控制2#涡轮的启动开关。 压力传感器用来测量涡轮增压器压气机出口空气压力的波动情况，安装在涡轮增 压器压气机出口管道；空气流量计用来测量涡轮增压器压气机的空气质量流量，安装在涡 轮增压器压气机进口管道；空气阀是气动控制的开关常温阀，安装在受控涡轮增压器压气 机出口管道；燃气阀是气动控制的开关耐高温阀，安装在受控涡轮增压器涡轮进口管道； 1#空气循环阀是电动控制的开度常温阀，它的一端连接到1#涡轮增压器压气机进口管道， 另一端连接在空气循环管道的一端；2#空气循环阀是电动控制的开度常温阀，它的一端连 接到2#涡轮增压器压气机进口管道，另一端连接在空气循环管道的另一端；空气循环管道 是一个三通管道，它的另一端连接在两台压气机出口 ；空气旁通管道一端连接在两台压气 机出口，另一端连接在两台涡轮入口管道，中间装有空气旁通阀，它是电动控制的开度常温 阀；信号调理模块包括F/V转换电路、I/V转换电路、开关量接口电路，用来对传感器信号进 行相关处理；信号采集模块主要是A/D转换电路，用来对调理完的模拟电信号转换为数字 信号送入信号处理模块；信号处理模块用来对采集到的各传感器信号进行分析处理，输出 控制指令；存储模块用来存放试验所得到的一些喘振数据以备信号处理模块使用；电磁装置用来对气动开关阀的气路进行控制；阀体驱动装置用来对电动阀进行驱动，接受并完成 信号处理模块的指令。 预先以试验形式得到的各工况下的转速、流量、压力等数据信息拟合成连续曲线 形式，作为是否有喘振先兆信号的依据。 在柴油机运行过程中，防喘振控制器将采集各传感器信号，包括柴油机转速信号、 1#涡轮增压器转速信号、2#涡轮增压器转速信号、1#涡轮增压器压气机出口压力信号、2# 涡轮增压器压气机出口压力信号、1#涡轮增压器压气机流量信号、2#涡轮增压器压气机流 量信号。当各传感器信号满足了相继增压系统1TC转2TC条件时，按照内部程序先开启燃 气阀，延迟适当时间后开启空气阀。控制装置会在相继增压系统转换过程中，将预先试验测 到的相关喘振信息与实时测到的转速、压力、流量、燃气阀与空气阀开启间隔时间信号进行 喘振信息的分析，得出是否存在喘振先兆。如果存在喘振先兆，则发出对空气循环阀和空气 旁通阀的位置指令，待相继增压系统平稳转换完成后，空气循环阀和空气旁通阀关闭；如果 不存在喘振先兆，则空气循环阀和空气旁通阀不动作。当柴油机满足2TC转1TC条件时，控 制装置会同时发出指令关闭空气阀和燃气阀，空气循环阀和空气旁通阀不动作。
本发明中所涉及的相继增压系统防喘振控制器中的内部电路均为通用电路，比如 信号调理模块中的F/V(频率转电压)、I/V(电流转电压)都有成熟的集成电路块。
权利要求
一种喘振的相继增压系统防喘振控制装置，组成包括柴油机转速传感器、涡轮增压器转速传感器、压力传感器、空气流量计、空气阀、燃气阀、空气循环阀、空气旁通阀、空气循环管道、空气旁通管道、信号调理模块、信号采集模块、信号处理模块、存储模块、电磁装置、阀体驱动装置；其特征是压力传感器安装在涡轮增压器压气机出口管道；空气流量计安装在涡轮增压器压气机进口管道；空气阀安装在受控涡轮增压器压气机出口管道；燃气阀安装在受控涡轮增压器涡轮进口管道；1#空气循环阀的一端连接到1#涡轮增压器压气机进口管道，另一端连接在空气循环管道的一端；2#空气循环阀的一端连接到2#涡轮增压器压气机进口管道，另一端连接在空气循环管道的另一端；空气循环管道是一个三通管道，它的另一端连接在两台压气机出口；空气旁通管道一端连接在两台压气机出口，另一端连接在两台涡轮入口管道，中间装有空气旁通阀；所述各传感器、流量计及各阀的反馈信号输入信号调理模块；信号采集模块对调理完的模拟电信号转换为数字信号送入信号处理模块；信号处理模块对采集到的各传感器信号进行分析处理，输出控制指令；存储模块存放一些喘振数据以备信号处理模块使用；电磁装置气动开关阀的气路进行控制；阀体驱动装置对电动阀进行驱动，接受并完成信号处理模块的指令。
2. —种喘振的相继增压系统防喘振控制方法，其特征是首先将预先得到的各工况下 的转速、流量、压力等喘振数据信息拟合成连续曲线形式，作为是否有喘振先兆信号的依 据；采集各传感器的信号，包括柴油机转速信号、1#涡轮增压器转速信号、2#涡轮增压器转 速信号、1#涡轮增压器压气机出口压力信号、2#涡轮增压器压气机出口压力信号、1#涡轮 增压器压气机流量信号、2#涡轮增压器压气机流量信号；当各传感器信号满足了相继增压 系统1TC转2TC条件时，开启燃气阀，延迟适当时间后开启空气阀，控制装置在相继增压系 统转换过程中，将相关喘振信息与实时测到的转速、压力、流量、燃气阀与空气阀开启间隔 时间信号进行喘振信息的分析，得出是否存在喘振先兆；如果存在喘振先兆，则发出对空气 循环阀和空气旁通阀的位置指令，待相继增压系统平稳转换完成后，空气循环阀和空气旁 通阀关闭；如果不存在喘振先兆，则空气循环阀和空气旁通阀不动作；当柴油机满足2TC转 1TC条件时，控制装置同时发出指令关闭空气阀和燃气阀，空气循环阀和空气旁通阀不动 作。
全文摘要
本发明提供的是喘振的相继增压系统防喘振控制装置及控制方法。组成包括柴油机转速传感器、涡轮增压器转速传感器、压力传感器、空气流量计、空气阀、燃气阀、空气循环阀、空气旁通阀、空气循环管道、空气旁通管道、信号调理模块、信号采集模块、信号处理模块、存储模块、电磁装置、阀体驱动装置。控制装置采集各传感器的信号，首先判断燃气阀与空气阀开启的间隔时间是否在允许范围，然后将测到的运行点信息与所设控制线进行比较，得出是否有喘振先兆，并发出相应指令调整空气循环阀和空气旁通阀。本发明可大大减少柴油机相继增压系统转换过程中发生的喘振事件，延长涡轮增压器寿命，改善柴油机相继增压系统转换时的瞬态性能。
文档编号F02B37/12GK101701546SQ20091007315
公开日2010年5月5日 申请日期2009年11月9日 优先权日2009年11月9日
发明者冯永明, 张鹏奇, 杨传雷, 王贺春, 王银燕 申请人:哈尔滨工程大学