用於控制壓縮機的壓力比的系統和方法

2023-09-23 09:11:25

用於控制壓縮機的壓力比的系統和方法
【專利摘要】本發明公開一種用於控制與發動機(16)相關的壓縮機(42)的輸出壓力與輸入壓力的壓力比的系統(84)。該系統包括能夠接收指示與壓縮機相關的輸入壓力的信號並接收指示與壓縮機相關的輸出壓力的信號的控制器(86)。控制器還能夠將所述輸出壓力與輸入壓力的壓縮機壓力比與閾值壓力比進行比較和基於比較控制與壓縮機流動連通的旁通閥(82)。
【專利說明】用於控制壓縮機的壓力比的系統和方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及用於控制壓縮機的壓力比的系統和方法，更具體地涉及用於控制壓縮 機的輸出壓力和輸入壓力的壓力比的系統和方法。

【背景技術】
[0002] -些機器包括用於供應動力到機器的內燃發動機，用來推進該機器並操作與機器 相關的裝置。為了增加內燃發動機的動力輸出，一些機器可包括被構造成增加為發動機中 的燃燒供應的空氣的壓力的壓縮機。這種壓縮機設置在用於從周圍環境進入到發動機的進 氣系統的空氣的入口的下遊並在空氣經由進氣系統引導到發動機的燃燒室之前增加空氣 的壓力。
[0003] 在包括壓縮機的內燃發動機的操作過程中，會出現造成不希望的壓縮機喘振的操 作條件。在典型的壓縮機喘振事件中，本來通常從壓縮機流到燃燒室的空氣顛倒流動並在 壓縮機處形成壓力峰值。這種事件會例如在以高速度或者載荷操作的發動機突然以低速度 或載荷操作時發生。隨著發動機從高速轉變為低速，用於燃燒的空氣量劇烈減少，但壓縮機 由於例如慣性繼續增加進氣的壓力。結果，壓縮機和燃燒室之間的壓力可立刻劇增。這種 壓力峰值或激增可造成不希望的噪音並可能減小與壓縮機相關的部件的服務壽命。因此， 希望提供一種用於緩和或防止與壓縮機的操作相關的壓力激增的系統和方法。
[0004] 控制壓縮機喘振的一種嘗試在Haugen等人的美國專利No. 6, 213, 724 B1 ('724專 利）中描述。'724專利公開一種用於控制離心壓縮機中的工作流體激增的方法。根據'724 專利中公開的方法，激增檢測通過計算伴隨壓縮機中激增的可壓縮流體質量流速的改變來 實現。壓縮機包括用於感測第一流體溫度的裝置、用於感測第一壓力的裝置、用於感測第二 壓力的裝置以及用於測量由壓縮機原動機抽吸的電流的裝置。'724專利中公開的方法包括 計算第一流體溫度、第一流體壓力、第二流體壓力和由壓縮機原動機抽吸的電流的時間改 變率的步驟。該方法進一步包括通過結合計算的改變率計算質量流速並且將計算的質量流 速與預定的可接受質量流速比較以確定激增是否存在。
[0005] 雖然'724專利中公開的方法可確定是否存在壓縮機喘振，它可能具有一些可能的 缺點。例如，該方法可能不可靠地緩和或防止壓縮機喘振。本文公開的系統和方法可旨在 緩和或克服上面提出的可能缺點。


【發明內容】

[0006] -方面，本發明包括一種用於控制與發動機相關的壓縮機的輸出壓力與輸入壓力 的壓力比的系統。該系統包括能夠接收指示與壓縮機相關的輸入壓力的信號並接收指示與 壓縮機相關的輸出壓力的信號的控制器。控制器還能夠將所述輸出壓力與輸入壓力的壓縮 機壓力比與閾值壓力比進行比較和基於比較控制與壓縮機流動連通的旁通閥。
[0007] 另一方面，本發明包括一種用於控制與發動機相關的壓縮機的輸出壓力與輸入壓 力的壓力比的方法。該方法包括接收指示與壓縮機相關的輸入壓力的信號並接收指示與壓 縮機相關的輸出壓力的信號。該方法還包括將所述輸出壓力與輸入壓力的壓縮機壓力比與 閾值壓力比進行比較和基於比較控制與壓縮機流動連通的旁通閥。
[0008] 又一方面，一種機器包括發動機和與發動機相關的進氣系統。進氣系統包括能夠 增加供應至發動機的空氣的壓力的壓縮機以及能夠使供應至發動機的空氣從進氣系統轉 向的旁通閥。機器進一步包括能夠從發動機到周圍環境提供流動連通的排氣系統和控制 器。控制器能夠接收指示與壓縮機相關的輸入壓力的信號並接收指示與壓縮機相關的輸出 壓力的信號。控制器還能夠將所述輸出壓力與輸入壓力的壓縮機壓力比與閾值壓力比進行 比較和基於比較控制旁通閥。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009] 圖1是機器的一種示例性實施方式的側視圖；
[0010] 圖2是發動機的一種示例性實施方式及相關部件的示意圖；
[0011] 圖3是用於控制壓縮機的壓力比的一種示例性方法的控制示圖。

【具體實施方式】
[0012] 圖1示意性示出了機器10的一種示例性實施方式。示例性的機器10包括底盤12 和聯接到底盤12的動力傳動系14。動力傳動系14包括內燃發動機16、變速器18和被構 造成向牽引裝置22提供動力的最終驅動器20,牽引裝置被構造成推進機器10。示例性的 機器10還包括操作者站24,其設有操作者接口 26,包括被構造成允許操作者控制機器10 的操作的一個或多個控制裝置28。例如，操作者接口 26可包括被構造成控制機器10的行 駛速度和/或方法的控制裝置28。圖1示意性描繪了一種包括單個槓桿的示例性控制裝置 28,但控制裝置28可以是用於由操作者使用，不管直接地還是遠程地，以便控制機器10的 速度、行駛路徑和/或動力輸出（例如節流）的任何一個或多個裝置，例如一個或多個操縱 杆、一個或多個手操作或腳操作的槓桿和/或轉向盤。
[0013] 圖1所示的示例性機器10是輪式裝載機。但是，機器10可以是任何類型的地面運 載工具，例如汽車、卡車、農業車輛和/或建築車輛，像推土機、履帶式牽引機、挖掘機、平地 機、高速路卡車、非高速路卡車和/或本領域技術人員已知的任何其他車輛。另外，機器10 可以是任何固定式機器，例如用於發電的發電機組或者用於泵送例如水、天然氣或汽油的 流體的泵。發動機16可以是產生動力的任何裝置，例如像內燃發動機，包括但不限於火花 點火發動機、壓縮點燃發動機、轉動發動機、氣體渦輪發動機和/或通過汽油、柴油燃料、生 物柴油、乙醇、甲醇及其組合提供動力的發動機。機器可進一步包括其他動力源，例如氫供 能發動機、燃料電池、太陽能電池和/或本領域已知的任何其他動力源。此外，牽引裝置22 可包括輪子、履帶、帶、輪胎和/或本領域技術人員已知的用於推進機器的任何其他裝置。
[0014] 如圖2所示，示例性機器10包括發動機16、進氣系統30和排氣系統32。示例性 發動機16包括至少部分限定多個缸36的缸體34,從而提供空氣-燃料混合物在其中燃燒 以產生動力的燃燒室。雖然圖2所示的示例性發動機16包括6個直列構造的缸36,但可想 到具有本領域已知的其他數量缸和其他構造的發動機。
[0015] 圖2所示的示例性進氣系統30被構造成從進氣入口 38向缸36提供空氣，進氣入 口在周圍環境的環境空氣和缸36之間提供流動連通。進氣系統30包括被構造成從來自周 圍環境的進入進氣入口 38的空氣去除顆粒物質的空氣清潔器40並可包括本領域已知的過 濾裝置。示例性進氣系統30還包括被構造成在空氣到達進氣歧管44之前增加在進氣入口 38處進入進氣系統30的空氣的壓力的壓縮機42,進氣歧管44經由進氣導管46提供與缸 36的流動連通。圖2所示的示例性壓縮機42是渦輪增壓器48的一部分，渦輪增壓器48進 一步包括廢氣驅動的渦輪50。渦輪50經由軸52聯接到壓縮機42,使得經過渦輪50的廢 氣的流動造成渦輪50轉動軸52,軸繼而驅動壓縮機42,由此增加進氣系統30中的空氣的 壓力。雖然示例性的壓縮機42是渦輪驅動的壓縮機，可以想到其他類型的壓縮機，例如通 過發動機16的輸出軸和/或其他馬達驅動的發動機。
[0016] 示例性的進氣系統30還包括被構造成在壓縮空氣進入進氣歧管44之前冷卻壓縮 機42下遊的壓縮空氣從而得到較冷的空氣-燃料混合物的空氣冷卻器54。冷卻器54可以 是本領域已知的任何類型的冷卻器，例如空氣冷卻的空氣冷卻器或者液體冷卻的空氣冷卻 器。示例性的進氣系統30還包括被構造成結合再循環廢氣的一部分以添加到進入排氣歧 管44的空氣的混合器56。
[0017] 示例性的排氣系統32構造成在缸36和周圍環境的環境空氣之間提供流動連通， 使得缸36中的燃燒副產品可被處理並排放到周圍環境。圖2所示的示例性排氣系統32包 括排氣歧管58,其在缸36和廢氣再循環系統60之間經由提供與混合器56和進氣系統30 流動連通的再循環導管62提供流動連通，或者排氣歧管58在缸36和廢氣處理系統64之 間提供流動連通。
[0018] 示例性的廢氣再循環系統60被構造成允許控制量的廢氣經由混合器56供應到進 氣系統32。如圖2所示，示例性廢氣再循環系統60包括在排氣歧管56下遊和質量流量傳 感器68上遊的冷卻器66。不例性的冷卻器66被構造成在廢氣到達混合器56之前冷卻廢 氣，這可為發動機16的燃燒過程提供好處。冷卻器66可以是本領域已知的任何類型的冷 卻器，例如空氣冷卻的冷卻器或液體冷卻的冷卻器。質量流量傳感器68被構造成提供指示 經過導管56到混合器56的廢氣的流速的信號。廢氣再循環系統60可進一步包括被構造 成控制從排氣歧管58到混合器56的廢氣的流動的閥70。
[0019] 如圖2所示，廢氣再循環系統64在渦輪增壓器48的渦輪50的下遊並可被構造成 從廢氣去除不希望的顆粒和/或將不希望的廢氣成分轉換成更加希望的廢氣成分，如本領 域已知的。示例性的廢氣再循環系統64包括提供與位於渦輪50下遊和顆粒過濾器76 (例 如柴油顆粒過濾器）上遊、繼而在排氣出口 78上遊的再生裝置74流動連通的排氣導管72。 示例性的顆粒過濾器76可被構造成捕集不希望的顆粒，使得它們不會離開排氣出口 78,如 本領域已知的。因為顆粒過濾器76的有效性可隨著更多的顆粒捕集在其中而退化，希望的 是使顆粒過濾器76的有效性再生。示例性的再生裝置74可被構造成根據本領域已知的方 法再生顆粒過濾器76。例如，根據一些實施方式，再生裝置74可被構造成點燃和燃燒積累 在顆粒過濾器76中的顆粒以增強顆粒過濾器76的有效性。
[0020] 如圖2所示，示例性的廢氣處理系統64可進一步包括在壓縮機42和再生裝置74 之間提供流動連通的旁通導管80。在所示的示例性實施方式中，旁通閥82可定位在壓縮機 42和再生裝置74之間以控制兩者之間的流動連通。旁通閥82可以位於進氣系統30的其 他位置，例如壓縮機42和缸36之間的任何位置。根據一些實施方式，旁通閥82可打開以 向再生裝置74供應空氣，由此供應用於顆粒過濾器76中的顆粒的點燃和燃燒的空氣。另 夕卜，如下面更詳細解釋的，旁通閥82可被構造成去掉（bleed)通過壓縮機42的操作形成的 壓力，例如以減小壓縮機42的輸出壓力與輸入壓力的壓力比。根據一些實施方式，壓力可 以被去掉至周圍環境和/或進氣系統30的在壓縮機42上遊的位置。
[0021] 如圖2所示，示例性機器10還包括控制系統84,其被構造成控制發動機16、進氣 系統30和/或排氣系統32的操作。例如，圖2所示的示例性控制系統84包括控制器86、 被構造成提供指示進氣入口 38處的壓力給控制器86的傳感器88和被構造成提供指示壓 縮機42下遊的壓力、例如進氣歧管44上遊的位置處的壓力的傳感器90。根據一些實施方 式，傳感器88可位於空氣清潔器40和壓縮機42之間。示例性控制器86被構造成從傳感 器88和90接收指示壓力的信號並基於從傳感器90和傳感器88接收的相應信號計算指示 壓縮機42的輸出壓力與輸入壓力的壓力比。
[0022] 示例性控制系統84還可包括被構造成提供指示發動機16的速度的信號的傳感器 92和被構造成提供指示供應到發動機16的燃料（例如質量、體積和/或速率）的信號的傳 感器94。替代地或者另外地，控制系統84可包括可提供指示發動機速度和/或供應到發動 機16的燃料的信號的發動機控制模塊（未顯示）。這樣的發動機控制模塊可與控制器86 分離或集成。
[0023] 示例性控制器86可包括一個或多個處理器、微處理器、中央處理單元、機載計算 機、電子控制模塊和/或本領域技術人員已知的任何其他計算和控制裝置。控制器86可被 構造成運行存儲在存儲器中、從計算機可讀介質讀取和/或從通過任何合適的通訊網絡操 作地聯接到控制器86的外部裝置訪問的一個或多個軟體程序或者應用。
[0024] 示例性控制器86可被構造成控制壓縮機42的壓力比。例如，控制器86可被構造 成控制壓縮機42的輸出壓力與輸入壓力的比。這可造成緩和或防止與壓縮機42的操作相 關的壓縮機喘振。特別是，壓縮機42被構造成增加經由空氣入口 38從機器10的周圍環境 供應的環境空氣的壓力，並在空氣經由進氣系統30供應到缸36用於燃燒之前增加空氣的 壓力。在一些操作條件下，壓縮機42的下遊側上的壓力可快速增加，形成進氣系統30中的 背壓中的激增。這可例如在發動機16從高速度或載荷快速轉變到低速度或載荷時發生。例 如，在高速條件期間，壓縮機42可以高速操作以增加進氣系統30中的壓力。但是，如果發動 機16的速度突然減小，由壓縮機42供應的空氣可變得高於發動機16在低速時消耗的。結 果，由於例如慣性可繼續以高速率或速度操作的壓縮機42暴露於壓力的突然增加或激增。 這種現象可形成不希望的噪音和/或減少壓縮機42及其相關部件的服務壽命。
[0025] 工業實用性
[0026] 公開的用於控制壓縮機的壓縮比的系統和方法可與具有經由壓縮機供應進氣的 發動機的任何機器一起使用。公開的系統和方法可造成機器的改善操作。例如，控制系統 84可被構造成控制壓縮機42的輸出壓力與輸入壓力的壓力比，並由此緩和或防止與壓縮 機42相關的壓力激增。例如，控制器86可構造成接收指示來自傳感器88的輸入壓力和來 自傳感器90的輸出壓力的信號並以閉環反饋方式控制旁通閥82,使得可以控制壓縮機42 處的壓力比。
[0027] 根據一些實施方式，控制器86被構造成接收指示發動機16的速度和供應到發動 機16的燃料（例如，質量、體積和/或速率）的信號，並確定閾值壓力比。供應至發動機 16的燃料可基於例如每噴射或每單位時間供應的燃料質量、燃料體積和/或燃料質量/體 積。控制器86可被構造成將基於來自傳感器88和90的信號的壓縮機42的壓力比（即， 實際壓力比）與閾值壓力比比較並打開旁通閥82,使得進氣系統30中的壓力例如經由旁 通導管80吮吸到排氣系統32。根據一些實施方式，控制器86可被構造成確定實際壓力比 和閾值壓力比之間的差，並基於該差確定足以緩和或防止壓縮機喘振的用來打開旁通閥82 的橫截面面積。雖然這可造成緩和或防止壓力激增，它也可允許壓縮機42通過不打開旁通 閥82比足以緩和或防止壓縮機激增更大的橫截面面積或者更長的持續時間在經由旁通閥 82釋放壓力之後保持對發動機16上的命令載荷增加的響應性。這可使得發動機16在潛在 壓縮機喘振條件後更加響應於操作者指令。
[0028] 圖3示出了一種控制壓縮機42的壓力比的方法的示例性實施方式的控制圖。在步 驟100,控制器86接收指示發動機16的速度和供應到發動機16的燃料的信號。在所示的 示例性方法中，控制器16使用發動機速度和燃料來確定閾值壓力比。根據一些實施方式， 其他參數可用來確定閾值壓力比。閾值壓力比對應於基於發動機16的該操作條件的最大 壓力比，在這以下，壓縮機42可操作而不經歷壓力激增。閾值壓力比可以基於從壓縮機的 製造商、數學計算和/或實驗獲得的信息。根據所示的示例性實施方式，控制器86可基於 閾值壓力比、發動機速度和燃料之間的關聯確定閾值壓力比。這種關聯可採取三維映射、表 格和等式的形式。
[0029] 在步驟110,控制器86接收指示機器10的周圍環境中的環境空氣壓力的信號並使 用過濾因子和環境空氣壓力之間的過濾因子關聯確定與進氣壓力由於空氣清潔器40造成 的降低相關的過濾因子。該信號可例如從傳感器88接收。該過濾因子關聯可採取二維映 射、表格和等式的形式。
[0030] 在步驟120,控制器86可構造成使用步驟110確定的閾值壓力比和步驟110確定 的過濾因子確定基於環境壓力的過濾閾值壓力比。在所示的示例性實施方式中，控制器86 可使用低通過濾器來確定過濾閾值壓力比。
[0031] 在步驟130,控制器86基於分別從傳感器90和88接收的信號確定壓縮機42的輸 出壓力與輸入壓力的實際壓力比。之後，在步驟140,將步驟120確定的過濾閾值壓力比與 步驟130確定的實際壓縮機壓力比比較。特別是，控制器86確定過濾閾值壓力比和實際壓 縮機壓力比之間的差以確定壓力比誤差。
[0032] 在所示的示例性實施方式中，在步驟150,控制器86基於機器86的周圍環境的環 境壓力確定壓力增益K p。例如，控制器86使用壓力增益&和環境壓力之間的關聯（其可 採取二維映射、表格和等式的形式）。根據一些實施方式，環境壓力之外的參數可用來確定 壓力增益。
[0033] 在步驟160,控制器86將壓力比誤差乘以壓力增益Κρ以確定足以克服該壓力比誤 差的旁通閥82打開的橫截面面積。根據一些實施方式，控制器86可確定對應於旁通閥82 的打開的電流、位置和/或角度而不是（或者除其另外）橫截面面積。在步驟170,控制器 86基於其他因素和旁通閥打開的有限橫截面面積之間的關聯確定用於打開旁通閥82的有 限橫截面面積。這些關聯可採取二維映射、表格和等式的形式。
[0034] 在步驟180,控制器86基於步驟170確定的有限橫截面面積確定希望的閥位置。 希望的閥位置基於有限橫截面面積和提供該有限橫截面面積的閥位置之間的關聯確定。這 些關聯可採取二維映射、表格和等式的形式。之後，控制器86可根據步驟180確定的希望 閥位置打開。在該示例性實施方式中，壓縮機42的壓力比可被控制，且壓縮機喘振可被緩 和或防止。
[0035] 雖然上面公開的示例性控制系統包括比例項，但可以想到控制系統可包括比例本 領域已知的比例項、導出項和積分項的任何組合。
[0036] 本領域技術人員將清楚可以對示例性公開的系統、方法和機器進行各種修改和變 型。通過考慮說明和示例性公開實施方式的實踐，本領域技術人員明白其他實施方式。說明 書和實施例旨在僅僅被認為示例性的，真正的保護範圍通過權利要求書及其等同來指明。
【權利要求】
1. 一種用於控制與發動機（16)相關的壓縮機（42)的輸出壓力和輸入壓力的壓力比的 系統（84)，該系統包括： 控制器（86)，其能夠： 接收指不與壓縮機相關的輸入壓力的信號； 接收指示與壓縮機相關的輸出壓力的信號； 將所述輸出壓力與輸入壓力的壓縮機壓力比與閾值壓力比進行比較；和 基於所述比較控制與壓縮機流動連通的旁通閥（82)。
2. 如權利要求1所述的系統，其中，所述控制器能夠基於發動機的速度和供應至發動 機的燃料確定所述閾值壓力比。
3. 如權利要求1所述的系統，其中，所述控制器能夠從閾值壓力比減去壓縮機壓力比 以確定壓力比誤差，並基於壓力比誤差控制旁通閥。
4. 如權利要求3所述的系統，其中，所述控制器能夠通過將指示閥位置的信號發送到 旁通閥來控制旁通閥。
5. 如權利要求4所述的系統，其中，所述控制器能夠基於對應於壓力比誤差的旁通閥 打開的橫截面面積確定閥位置。
6. 如權利要求1所述的系統，還包括旁通閥，其中旁通閥能夠在壓縮機和發動機的排 氣系統（32)之間提供選擇性流動連通。
7. 如權利要求1所述的系統，還包括旁通閥，其中旁通閥能夠在周圍環境和發動機的 進氣系統（30)相對於壓縮機在上遊的位置中的至少一個和壓縮機之間提供選擇性流動連 通。
8. -種機器（10)，包括： 發動機（16); 進氣系統（30)，其與所述發動機相關，進氣系統包括： 壓縮機（42)，其能夠增加供應至發動機的空氣的壓力； 旁通閥（82)，其能夠使供應至發動機的空氣從進氣系統轉向； 排氣系統（32)，其能夠從發動機到周圍環境提供流動連通；和 根據權利要求1-7中任一項所述的用於控制壓力比的系統（84)。
9. 如權利要求8所述的機器，其中，旁通閥能夠將空氣從進氣系統轉向到發動機的排 氣系統、發動機的在相對於壓縮機在上遊的位置處的進氣系統和周圍環境的至少一個。
10. 如權利要求9所述的機器，其中，排氣系統包括顆粒過濾再生裝置（74)，並且其中 旁通閥與顆粒過濾再生裝置流動連通。
【文檔編號】F04B49/20GK104066992SQ201280067768
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2012年12月20日 優先權日:2011年12月28日
【發明者】J·K·魯普勒卡, T·E·巴恩斯, N·P·阿特貝裡, K·N·E·特洛伊西 申請人:卡特彼勒公司