用于控制压缩机的压力比的系统和方法

用于控制压缩机的压力比的系统和方法
【专利摘要】本发明公开一种用于控制与发动机(16)相关的压缩机(42)的输出压力与输入压力的压力比的系统(84)。该系统包括能够接收指示与压缩机相关的输入压力的信号并接收指示与压缩机相关的输出压力的信号的控制器(86)。控制器还能够将所述输出压力与输入压力的压缩机压力比与阈值压力比进行比较和基于比较控制与压缩机流动连通的旁通阀(82)。
【专利说明】用于控制压缩机的压力比的系统和方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于控制压缩机的压力比的系统和方法，更具体地涉及用于控制压缩 机的输出压力和输入压力的压力比的系统和方法。

【背景技术】
[0002] -些机器包括用于供应动力到机器的内燃发动机，用来推进该机器并操作与机器 相关的装置。为了增加内燃发动机的动力输出，一些机器可包括被构造成增加为发动机中 的燃烧供应的空气的压力的压缩机。这种压缩机设置在用于从周围环境进入到发动机的进 气系统的空气的入口的下游并在空气经由进气系统引导到发动机的燃烧室之前增加空气 的压力。
[0003] 在包括压缩机的内燃发动机的操作过程中，会出现造成不希望的压缩机喘振的操 作条件。在典型的压缩机喘振事件中，本来通常从压缩机流到燃烧室的空气颠倒流动并在 压缩机处形成压力峰值。这种事件会例如在以高速度或者载荷操作的发动机突然以低速度 或载荷操作时发生。随着发动机从高速转变为低速，用于燃烧的空气量剧烈减少，但压缩机 由于例如惯性继续增加进气的压力。结果，压缩机和燃烧室之间的压力可立刻剧增。这种 压力峰值或激增可造成不希望的噪音并可能减小与压缩机相关的部件的服务寿命。因此， 希望提供一种用于缓和或防止与压缩机的操作相关的压力激增的系统和方法。
[0004] 控制压缩机喘振的一种尝试在Haugen等人的美国专利No. 6, 213, 724 B1 ('724专 利）中描述。'724专利公开一种用于控制离心压缩机中的工作流体激增的方法。根据'724 专利中公开的方法，激增检测通过计算伴随压缩机中激增的可压缩流体质量流速的改变来 实现。压缩机包括用于感测第一流体温度的装置、用于感测第一压力的装置、用于感测第二 压力的装置以及用于测量由压缩机原动机抽吸的电流的装置。'724专利中公开的方法包括 计算第一流体温度、第一流体压力、第二流体压力和由压缩机原动机抽吸的电流的时间改 变率的步骤。该方法进一步包括通过结合计算的改变率计算质量流速并且将计算的质量流 速与预定的可接受质量流速比较以确定激增是否存在。
[0005] 虽然'724专利中公开的方法可确定是否存在压缩机喘振，它可能具有一些可能的 缺点。例如，该方法可能不可靠地缓和或防止压缩机喘振。本文公开的系统和方法可旨在 缓和或克服上面提出的可能缺点。


【发明内容】

[0006] -方面，本发明包括一种用于控制与发动机相关的压缩机的输出压力与输入压力 的压力比的系统。该系统包括能够接收指示与压缩机相关的输入压力的信号并接收指示与 压缩机相关的输出压力的信号的控制器。控制器还能够将所述输出压力与输入压力的压缩 机压力比与阈值压力比进行比较和基于比较控制与压缩机流动连通的旁通阀。
[0007] 另一方面，本发明包括一种用于控制与发动机相关的压缩机的输出压力与输入压 力的压力比的方法。该方法包括接收指示与压缩机相关的输入压力的信号并接收指示与压 缩机相关的输出压力的信号。该方法还包括将所述输出压力与输入压力的压缩机压力比与 阈值压力比进行比较和基于比较控制与压缩机流动连通的旁通阀。
[0008] 又一方面，一种机器包括发动机和与发动机相关的进气系统。进气系统包括能够 增加供应至发动机的空气的压力的压缩机以及能够使供应至发动机的空气从进气系统转 向的旁通阀。机器进一步包括能够从发动机到周围环境提供流动连通的排气系统和控制 器。控制器能够接收指示与压缩机相关的输入压力的信号并接收指示与压缩机相关的输出 压力的信号。控制器还能够将所述输出压力与输入压力的压缩机压力比与阈值压力比进行 比较和基于比较控制旁通阀。

【专利附图】

【附图说明】
[0009] 图1是机器的一种示例性实施方式的侧视图；
[0010] 图2是发动机的一种示例性实施方式及相关部件的示意图；
[0011] 图3是用于控制压缩机的压力比的一种示例性方法的控制示图。

【具体实施方式】
[0012] 图1示意性示出了机器10的一种示例性实施方式。示例性的机器10包括底盘12 和联接到底盘12的动力传动系14。动力传动系14包括内燃发动机16、变速器18和被构 造成向牵引装置22提供动力的最终驱动器20,牵引装置被构造成推进机器10。示例性的 机器10还包括操作者站24,其设有操作者接口 26,包括被构造成允许操作者控制机器10 的操作的一个或多个控制装置28。例如，操作者接口 26可包括被构造成控制机器10的行 驶速度和/或方法的控制装置28。图1示意性描绘了一种包括单个杠杆的示例性控制装置 28,但控制装置28可以是用于由操作者使用，不管直接地还是远程地，以便控制机器10的 速度、行驶路径和/或动力输出（例如节流）的任何一个或多个装置，例如一个或多个操纵 杆、一个或多个手操作或脚操作的杠杆和/或转向盘。
[0013] 图1所示的示例性机器10是轮式装载机。但是，机器10可以是任何类型的地面运 载工具，例如汽车、卡车、农业车辆和/或建筑车辆，像推土机、履带式牵引机、挖掘机、平地 机、高速路卡车、非高速路卡车和/或本领域技术人员已知的任何其他车辆。另外，机器10 可以是任何固定式机器，例如用于发电的发电机组或者用于泵送例如水、天然气或汽油的 流体的泵。发动机16可以是产生动力的任何装置，例如像内燃发动机，包括但不限于火花 点火发动机、压缩点燃发动机、转动发动机、气体涡轮发动机和/或通过汽油、柴油燃料、生 物柴油、乙醇、甲醇及其组合提供动力的发动机。机器可进一步包括其他动力源，例如氢供 能发动机、燃料电池、太阳能电池和/或本领域已知的任何其他动力源。此外，牵引装置22 可包括轮子、履带、带、轮胎和/或本领域技术人员已知的用于推进机器的任何其他装置。
[0014] 如图2所示，示例性机器10包括发动机16、进气系统30和排气系统32。示例性 发动机16包括至少部分限定多个缸36的缸体34,从而提供空气-燃料混合物在其中燃烧 以产生动力的燃烧室。虽然图2所示的示例性发动机16包括6个直列构造的缸36,但可想 到具有本领域已知的其他数量缸和其他构造的发动机。
[0015] 图2所示的示例性进气系统30被构造成从进气入口 38向缸36提供空气，进气入 口在周围环境的环境空气和缸36之间提供流动连通。进气系统30包括被构造成从来自周 围环境的进入进气入口 38的空气去除颗粒物质的空气清洁器40并可包括本领域已知的过 滤装置。示例性进气系统30还包括被构造成在空气到达进气歧管44之前增加在进气入口 38处进入进气系统30的空气的压力的压缩机42,进气歧管44经由进气导管46提供与缸 36的流动连通。图2所示的示例性压缩机42是涡轮增压器48的一部分，涡轮增压器48进 一步包括废气驱动的涡轮50。涡轮50经由轴52联接到压缩机42,使得经过涡轮50的废 气的流动造成涡轮50转动轴52,轴继而驱动压缩机42,由此增加进气系统30中的空气的 压力。虽然示例性的压缩机42是涡轮驱动的压缩机，可以想到其他类型的压缩机，例如通 过发动机16的输出轴和/或其他马达驱动的发动机。
[0016] 示例性的进气系统30还包括被构造成在压缩空气进入进气歧管44之前冷却压缩 机42下游的压缩空气从而得到较冷的空气-燃料混合物的空气冷却器54。冷却器54可以 是本领域已知的任何类型的冷却器，例如空气冷却的空气冷却器或者液体冷却的空气冷却 器。示例性的进气系统30还包括被构造成结合再循环废气的一部分以添加到进入排气歧 管44的空气的混合器56。
[0017] 示例性的排气系统32构造成在缸36和周围环境的环境空气之间提供流动连通， 使得缸36中的燃烧副产品可被处理并排放到周围环境。图2所示的示例性排气系统32包 括排气歧管58,其在缸36和废气再循环系统60之间经由提供与混合器56和进气系统30 流动连通的再循环导管62提供流动连通，或者排气歧管58在缸36和废气处理系统64之 间提供流动连通。
[0018] 示例性的废气再循环系统60被构造成允许控制量的废气经由混合器56供应到进 气系统32。如图2所示，示例性废气再循环系统60包括在排气歧管56下游和质量流量传 感器68上游的冷却器66。不例性的冷却器66被构造成在废气到达混合器56之前冷却废 气，这可为发动机16的燃烧过程提供好处。冷却器66可以是本领域已知的任何类型的冷 却器，例如空气冷却的冷却器或液体冷却的冷却器。质量流量传感器68被构造成提供指示 经过导管56到混合器56的废气的流速的信号。废气再循环系统60可进一步包括被构造 成控制从排气歧管58到混合器56的废气的流动的阀70。
[0019] 如图2所示，废气再循环系统64在涡轮增压器48的涡轮50的下游并可被构造成 从废气去除不希望的颗粒和/或将不希望的废气成分转换成更加希望的废气成分，如本领 域已知的。示例性的废气再循环系统64包括提供与位于涡轮50下游和颗粒过滤器76 (例 如柴油颗粒过滤器）上游、继而在排气出口 78上游的再生装置74流动连通的排气导管72。 示例性的颗粒过滤器76可被构造成捕集不希望的颗粒，使得它们不会离开排气出口 78,如 本领域已知的。因为颗粒过滤器76的有效性可随着更多的颗粒捕集在其中而退化，希望的 是使颗粒过滤器76的有效性再生。示例性的再生装置74可被构造成根据本领域已知的方 法再生颗粒过滤器76。例如，根据一些实施方式，再生装置74可被构造成点燃和燃烧积累 在颗粒过滤器76中的颗粒以增强颗粒过滤器76的有效性。
[0020] 如图2所示，示例性的废气处理系统64可进一步包括在压缩机42和再生装置74 之间提供流动连通的旁通导管80。在所示的示例性实施方式中，旁通阀82可定位在压缩机 42和再生装置74之间以控制两者之间的流动连通。旁通阀82可以位于进气系统30的其 他位置，例如压缩机42和缸36之间的任何位置。根据一些实施方式，旁通阀82可打开以 向再生装置74供应空气，由此供应用于颗粒过滤器76中的颗粒的点燃和燃烧的空气。另 夕卜，如下面更详细解释的，旁通阀82可被构造成去掉（bleed)通过压缩机42的操作形成的 压力，例如以减小压缩机42的输出压力与输入压力的压力比。根据一些实施方式，压力可 以被去掉至周围环境和/或进气系统30的在压缩机42上游的位置。
[0021] 如图2所示，示例性机器10还包括控制系统84,其被构造成控制发动机16、进气 系统30和/或排气系统32的操作。例如，图2所示的示例性控制系统84包括控制器86、 被构造成提供指示进气入口 38处的压力给控制器86的传感器88和被构造成提供指示压 缩机42下游的压力、例如进气歧管44上游的位置处的压力的传感器90。根据一些实施方 式，传感器88可位于空气清洁器40和压缩机42之间。示例性控制器86被构造成从传感 器88和90接收指示压力的信号并基于从传感器90和传感器88接收的相应信号计算指示 压缩机42的输出压力与输入压力的压力比。
[0022] 示例性控制系统84还可包括被构造成提供指示发动机16的速度的信号的传感器 92和被构造成提供指示供应到发动机16的燃料（例如质量、体积和/或速率）的信号的传 感器94。替代地或者另外地，控制系统84可包括可提供指示发动机速度和/或供应到发动 机16的燃料的信号的发动机控制模块（未显示）。这样的发动机控制模块可与控制器86 分离或集成。
[0023] 示例性控制器86可包括一个或多个处理器、微处理器、中央处理单元、机载计算 机、电子控制模块和/或本领域技术人员已知的任何其他计算和控制装置。控制器86可被 构造成运行存储在存储器中、从计算机可读介质读取和/或从通过任何合适的通讯网络操 作地联接到控制器86的外部装置访问的一个或多个软件程序或者应用。
[0024] 示例性控制器86可被构造成控制压缩机42的压力比。例如，控制器86可被构造 成控制压缩机42的输出压力与输入压力的比。这可造成缓和或防止与压缩机42的操作相 关的压缩机喘振。特别是，压缩机42被构造成增加经由空气入口 38从机器10的周围环境 供应的环境空气的压力，并在空气经由进气系统30供应到缸36用于燃烧之前增加空气的 压力。在一些操作条件下，压缩机42的下游侧上的压力可快速增加，形成进气系统30中的 背压中的激增。这可例如在发动机16从高速度或载荷快速转变到低速度或载荷时发生。例 如，在高速条件期间，压缩机42可以高速操作以增加进气系统30中的压力。但是，如果发动 机16的速度突然减小，由压缩机42供应的空气可变得高于发动机16在低速时消耗的。结 果，由于例如惯性可继续以高速率或速度操作的压缩机42暴露于压力的突然增加或激增。 这种现象可形成不希望的噪音和/或减少压缩机42及其相关部件的服务寿命。
[0025] 工业实用性
[0026] 公开的用于控制压缩机的压缩比的系统和方法可与具有经由压缩机供应进气的 发动机的任何机器一起使用。公开的系统和方法可造成机器的改善操作。例如，控制系统 84可被构造成控制压缩机42的输出压力与输入压力的压力比，并由此缓和或防止与压缩 机42相关的压力激增。例如，控制器86可构造成接收指示来自传感器88的输入压力和来 自传感器90的输出压力的信号并以闭环反馈方式控制旁通阀82,使得可以控制压缩机42 处的压力比。
[0027] 根据一些实施方式，控制器86被构造成接收指示发动机16的速度和供应到发动 机16的燃料（例如，质量、体积和/或速率）的信号，并确定阈值压力比。供应至发动机 16的燃料可基于例如每喷射或每单位时间供应的燃料质量、燃料体积和/或燃料质量/体 积。控制器86可被构造成将基于来自传感器88和90的信号的压缩机42的压力比（即， 实际压力比）与阈值压力比比较并打开旁通阀82,使得进气系统30中的压力例如经由旁 通导管80吮吸到排气系统32。根据一些实施方式，控制器86可被构造成确定实际压力比 和阈值压力比之间的差，并基于该差确定足以缓和或防止压缩机喘振的用来打开旁通阀82 的横截面面积。虽然这可造成缓和或防止压力激增，它也可允许压缩机42通过不打开旁通 阀82比足以缓和或防止压缩机激增更大的横截面面积或者更长的持续时间在经由旁通阀 82释放压力之后保持对发动机16上的命令载荷增加的响应性。这可使得发动机16在潜在 压缩机喘振条件后更加响应于操作者指令。
[0028] 图3示出了一种控制压缩机42的压力比的方法的示例性实施方式的控制图。在步 骤100,控制器86接收指示发动机16的速度和供应到发动机16的燃料的信号。在所示的 示例性方法中，控制器16使用发动机速度和燃料来确定阈值压力比。根据一些实施方式， 其他参数可用来确定阈值压力比。阈值压力比对应于基于发动机16的该操作条件的最大 压力比，在这以下，压缩机42可操作而不经历压力激增。阈值压力比可以基于从压缩机的 制造商、数学计算和/或实验获得的信息。根据所示的示例性实施方式，控制器86可基于 阈值压力比、发动机速度和燃料之间的关联确定阈值压力比。这种关联可采取三维映射、表 格和等式的形式。
[0029] 在步骤110,控制器86接收指示机器10的周围环境中的环境空气压力的信号并使 用过滤因子和环境空气压力之间的过滤因子关联确定与进气压力由于空气清洁器40造成 的降低相关的过滤因子。该信号可例如从传感器88接收。该过滤因子关联可采取二维映 射、表格和等式的形式。
[0030] 在步骤120,控制器86可构造成使用步骤110确定的阈值压力比和步骤110确定 的过滤因子确定基于环境压力的过滤阈值压力比。在所示的示例性实施方式中，控制器86 可使用低通过滤器来确定过滤阈值压力比。
[0031] 在步骤130,控制器86基于分别从传感器90和88接收的信号确定压缩机42的输 出压力与输入压力的实际压力比。之后，在步骤140,将步骤120确定的过滤阈值压力比与 步骤130确定的实际压缩机压力比比较。特别是，控制器86确定过滤阈值压力比和实际压 缩机压力比之间的差以确定压力比误差。
[0032] 在所示的示例性实施方式中，在步骤150,控制器86基于机器86的周围环境的环 境压力确定压力增益K p。例如，控制器86使用压力增益&和环境压力之间的关联（其可 采取二维映射、表格和等式的形式）。根据一些实施方式，环境压力之外的参数可用来确定 压力增益。
[0033] 在步骤160,控制器86将压力比误差乘以压力增益Κρ以确定足以克服该压力比误 差的旁通阀82打开的横截面面积。根据一些实施方式，控制器86可确定对应于旁通阀82 的打开的电流、位置和/或角度而不是（或者除其另外）横截面面积。在步骤170,控制器 86基于其他因素和旁通阀打开的有限横截面面积之间的关联确定用于打开旁通阀82的有 限横截面面积。这些关联可采取二维映射、表格和等式的形式。
[0034] 在步骤180,控制器86基于步骤170确定的有限横截面面积确定希望的阀位置。 希望的阀位置基于有限横截面面积和提供该有限横截面面积的阀位置之间的关联确定。这 些关联可采取二维映射、表格和等式的形式。之后，控制器86可根据步骤180确定的希望 阀位置打开。在该示例性实施方式中，压缩机42的压力比可被控制，且压缩机喘振可被缓 和或防止。
[0035] 虽然上面公开的示例性控制系统包括比例项，但可以想到控制系统可包括比例本 领域已知的比例项、导出项和积分项的任何组合。
[0036] 本领域技术人员将清楚可以对示例性公开的系统、方法和机器进行各种修改和变 型。通过考虑说明和示例性公开实施方式的实践，本领域技术人员明白其他实施方式。说明 书和实施例旨在仅仅被认为示例性的，真正的保护范围通过权利要求书及其等同来指明。
【权利要求】
1. 一种用于控制与发动机（16)相关的压缩机（42)的输出压力和输入压力的压力比的 系统（84)，该系统包括： 控制器（86)，其能够： 接收指不与压缩机相关的输入压力的信号； 接收指示与压缩机相关的输出压力的信号； 将所述输出压力与输入压力的压缩机压力比与阈值压力比进行比较；和 基于所述比较控制与压缩机流动连通的旁通阀（82)。
2. 如权利要求1所述的系统，其中，所述控制器能够基于发动机的速度和供应至发动 机的燃料确定所述阈值压力比。
3. 如权利要求1所述的系统，其中，所述控制器能够从阈值压力比减去压缩机压力比 以确定压力比误差，并基于压力比误差控制旁通阀。
4. 如权利要求3所述的系统，其中，所述控制器能够通过将指示阀位置的信号发送到 旁通阀来控制旁通阀。
5. 如权利要求4所述的系统，其中，所述控制器能够基于对应于压力比误差的旁通阀 打开的横截面面积确定阀位置。
6. 如权利要求1所述的系统，还包括旁通阀，其中旁通阀能够在压缩机和发动机的排 气系统（32)之间提供选择性流动连通。
7. 如权利要求1所述的系统，还包括旁通阀，其中旁通阀能够在周围环境和发动机的 进气系统（30)相对于压缩机在上游的位置中的至少一个和压缩机之间提供选择性流动连 通。
8. -种机器（10)，包括： 发动机（16); 进气系统（30)，其与所述发动机相关，进气系统包括： 压缩机（42)，其能够增加供应至发动机的空气的压力； 旁通阀（82)，其能够使供应至发动机的空气从进气系统转向； 排气系统（32)，其能够从发动机到周围环境提供流动连通；和 根据权利要求1-7中任一项所述的用于控制压力比的系统（84)。
9. 如权利要求8所述的机器，其中，旁通阀能够将空气从进气系统转向到发动机的排 气系统、发动机的在相对于压缩机在上游的位置处的进气系统和周围环境的至少一个。
10. 如权利要求9所述的机器，其中，排气系统包括颗粒过滤再生装置（74)，并且其中 旁通阀与颗粒过滤再生装置流动连通。
【文档编号】F04B49/20GK104066992SQ201280067768
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2012年12月20日 优先权日:2011年12月28日
【发明者】J·K·鲁普勒卡, T·E·巴恩斯, N·P·阿特贝里, K·N·E·特洛伊西 申请人:卡特彼勒公司