СПОСОБ КОНТРОЛЯ РАБОТЫ КОМПРЕССОРА И СИСТЕМА ДВИГАТЕЛЯ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR CONTROLLING COMPRESSOR AND ENGINE SYSTEM THEREFOR

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к системе двигателя с наддувом, в частности к способу управления компрессором, являющимся частью такой системы.
Уровень техники
Известно, что для улучшения характеристик крутящего момента и выбросов дизельного двигателя используют приводимый в действие выхлопными газами турбокомпрессор или нагнетатель наддува. Для дизельных двигателей с наддувом высокого давления, работающих как с супернаддувом, так и с турбонаддувом, температура на выходе из компрессора (Tcomp_out) у такого усилителя часто является ограничительным фактором при определении максимального допустимого уровня наддува. Существует ряд факторов, которые определяют предельную температуру Tcomp_out (например, материал, используемый для изготовления впускного коллектора двигателя), однако зачастую наименее значимый из этих факторов связан с коксованием компрессора, вызываемым потоком газов двигателя, проходящих через компрессор при высоких температурах. Коксование постепенно уменьшает эффективность компрессора и приводит к подъему температур на впуске, увеличению насосных потерь и к повышению скоростей турбокомпрессора.
Таким образом, известно, что, с целью предотвращения подобного коксования, максимально допустимая Tcomp_out и, следовательно, давление наддува и максимальная мощность ограничены нижним уровнем, который может быть достигнут, a Tcomp_out становится ограничением по максимальной мощности и крутящему моменту, выдаваемым двигателем.
Например, JP 2005/180362 раскрывает способ и устройство, в котором электронный блок управления выполняет программу, включая этап определения температуры ТС выбрасываемого воздуха, этап оценки, является или не является температура ТС выбрасываемого воздуха выше, чем предварительно заданная температура ТС (1), и этап снижения температуры ТС выбрасываемого воздуха путем снижения давления наддува, когда температура выбрасываемого воздуха ТС выше, чем заданная температура ТС (1). Заданная температура ТС (1) должна быть ниже температуры, при которой в турбокомпрессоре происходит коксование.
comp_out_limit
comp_out_limit
Недостатком такого способа управления является то, что для большинства пользователей легковых автомобилей время, затрачиваемое на эксплуатацию при соответствующей максимально допустимой выходной температуре компрессора, относительно мало. Это происходит потому, что максимально допустимая выходная температура компрессора T обычно является подходящей только при работе двигателя в пределах, близких к максимальной номинальной мощности двигателя при положительных температурах окружающей среды. Следовательно, для таких пользователей фиксированная T является ненужным ограничением на имеющиеся эксплуатационные характеристики двигателя.
Цель изобретения - разработать способ максимизации производительности двигателя с наддувом.
Раскрытие изобретения
В соответствии с первым аспектом изобретения представлен способ контроля работы компрессора, выполненного с возможностью подачи к двигателю нагнетаемого воздуха, причем способ включает в себя изменение максимально допустимой выходной температуры компрессора, основанное на зависимости выходной температуры компрессора от времени его работы, а также контроль функционирования компрессора таким образом, чтобы максимально допустимая выходная температура компрессора не была превышена.
Зависимость выходной температуры компрессора от времени его работы может представлять собой общий фактор износа, указывающий на эквивалентное общее время работы компрессора при заданной выходной температуре компрессора.
Изменение максимально допустимой выходной температуры компрессора может включать в себя уменьшение максимально допустимой выходной температуры компрессора.
Допустимый максимум выходной температуры компрессора может быть снижен в соответствии с заданным соотношением суммарного фактора износа и максимально допустимой выходной температурой компрессора.
Заданное соотношение может представлять собой поддержание максимальной выходной температуры компрессора на первой, более высокой температуре до тех пор, пока суммарный коэффициент износа не превысит заданное значение, а затем снижение максимально допустимой выходной температуры компрессора до более низкой температуры, при которой не будет происходить дальнейшего коксования компрессора.
Переход от более высокой температуры к более низкой температуре может быть постепенным или ступенчатым изменением максимально допустимой выходной температуры компрессора.
Способ может также содержать периодически повторяющееся определение коэффициентов износа для последовательных, заранее заданных периодов времени на основе мгновенной выходной температуры компрессора в течение заранее определенного периода времени.
Общий коэффициент износа компрессора может являться суммой всех отдельных коэффициентов износа компрессора.
Каждый отдельный коэффициент износа может отражать эквивалентное время работы компрессора при заданной выходной температуре компрессора.
Каждый отдельный коэффициент износа может основываться на заданном соотношении выходной температуры компрессора и эквивалентного времени его работы.
В соответствии со вторым аспектом изобретения представлена система двигателя с наддувом, содержащая двигатель внутреннего сгорания, нагнетатель с компрессором для подачи нагнетаемого в двигатель воздуха и электронный блок управления для контроля работы, по крайней мере, усилителя, в котором электронный блок управления изменяет максимально допустимую выходную температуру компрессора на основании зависимости выходной температуры компрессора от времени его работы и управляет работой компрессора таким образом, чтобы максимально допустимая выходная температура компрессора не была превышена.
Функция зависимости выходных температур компрессора от времени может являться общим коэффициентом износа, указывающим на эквивалентное общее время работы компрессора при заданной выходной температуре компрессора.
Электронный блок управления, кроме того, может быть выполнен с возможностью повторного определения отдельных коэффициентов износа для последовательных заданных периодов времени, основанных на мгновенной выходной температуре компрессора в течение заранее определенного периода времени.
Общий коэффициент износа компрессора может являться суммой всех отдельных коэффициентов износа компрессора.
Каждый отдельный коэффициент износа может представлять собой эквивалентное время работы компрессора при заданной выходной температуре компрессора на основе заданного соотношения выходной температуры компрессора от эквивалентного времени работы.
Заранее заданное соотношение может представлять собой поддержание максимальной выходной температуры компрессора на первой, более высокой температуре до тех пор, пока общий коэффициент износа не превысит заранее заданное значение, а затем снижение максимально допустимой выходной температуры компрессора до более низкой температуры, при которой не будет происходить дальнейшего коксования компрессора.
Переход от более высокой температуры к более низкой температуре может быть постепенным или ступенчатым изменением допустимой максимальной выходной температуры компрессора.
Нагнетатель может представлять собой турбокомпрессор, а компрессор может представлять собой турбоприводный компрессор турбокомпрессора.
Электронный блок управления может управлять выходной температурой компрессора, ограничивая создаваемое компрессором давление наддува.
Краткое описание чертежей
Изобретение будет описано со ссылками на прилагаемые чертежи, из которых:
Фиг.1 представляет собой схему системы двигателя с наддувом в соответствии с первым аспектом изобретения;
Фиг.2 представляет собой упрощенную блок-схему способа управления нагнетателем в соответствии со вторым аспектом изобретения;
Фиг.3 представляет собой схематическое изображение этапов, выполняемых электронным блоком управления, являющимся частью системы двигателя, изображенной на Фиг.1; и
Фиг.4 представляет собой график, показывающий соотношение между выходной температурой, временем и эффективностью компрессора (КПД).
Осуществление изобретения
На Фиг.1 изображена система двигателя внутреннего сгорания 5 с наддувом, содержащая двигатель внутреннего сгорания, который, в данном случае, является дизельным двигателем 10, но может представлять собой другую форму двигателя внутреннего сгорания, нагнетатель в виде турбокомпрессора 20 и блок 50 электронного управления.
Двигатель 10 имеет впускной коллектор 11, расположенный таким образом, чтобы принимать подачу воздуха наддува от турбокомпрессора 20 через систему впуска 12, и выпускной коллектор 13, расположенный таким образом, чтобы подавать выхлопной газ к турбокомпрессору 20.
Турбокомпрессор 20 имеет турбину, приводимую в движение выхлопными газами от двигателя 11, и компрессор 22, приводимый в движение турбиной 23 и расположенный таким образом, чтобы подавать нагнетаемый воздух в двигатель 10 через впускную систему 12.
После прохождения через турбину 23 выхлопной газ поступает в атмосферу через выхлопную систему 18. Газы на входе поступают в компрессор 22 из воздухоприемного отверстия 17.
Следует понимать, что изображенная система двигателя 5 значительно упрощена, и что на практике промежуточный охладитель, скорее всего, будет являться частью впускной системы 12, и что воздух, поступающий в воздухоприемное отверстие, будет, скорее всего, поступать из нескольких источников, включая вентиляционные газы, свежий воздух и рециркуляционный поток выхлопных газов (РВГ).
В представленном варианте блок 50 электронного управления получает сигнал, указывающий давление во впускной системе 12 от датчика 15 давления, и сигнал, указывающий температуру воздуха, поступающего в компрессор 22 от датчика 16 температуры, расположенного в воздухоприемном отверстии 17. Данный блок может использоваться для определения расчетной выходной температуры компрессора с помощью известных соотношений между давлением на входе и на выходе и температурой на входе и выходе и КПД компрессора. Однако в других вариантах выходную температуру компрессора 22 можно измерять непосредственно с помощью датчика температуры, расположенного на выходе компрессора 22.
Блок 50 электронного управления можно использовать для регулирования температуры газов, выходящих из компрессора 22, посредством привода 24 управления турбиной. Привод 24 управления турбиной может быть выполнен в виде привода перепускного клапана или при использовании турбокомпрессора с изменяемой геометрией - в виде привода управления поворотной регулируемой лопаткой. В обоих случаях привод 24 управления турбиной контролирует скорость вращения турбины 23, которая непосредственно изменяет скорость вращения компрессора 22, к которому она подключена. На практике блок 50 электронного управления управляет турбокомпрессором 20, основываясь на максимально допустимом давлении наддува P_boost_max, полученном из желаемого максимального или предельного значения выходной температуры компрессора Tcomp_out_lim. Использование автоматической регулировки наддува упрощает работу системы, потому что блок 50 электронного управления также управляет турбокомпрессором 20 для выполнения запросов водителя и осуществления контроля давления наддува.
Проще говоря, выходную температуру Tcomp_out контролируют таким образом, чтобы она никогда не превышала максимальный допустимый предел выходной температуры компрессора Tcomp_out_lim и изменяла этот предел на основании температурно-скорректированного коэффициента, указывающего время работы или износ компрессора 22 и необходимого для поддержания эффективности компрессора 22 больше заранее заданного уровня эффективности для заданного времени работы компрессора 22.
Более подробно функционирование системы двигателя 5 будет описано со ссылкой на Фиг.3 и 4.
На Фиг.4 показано соотношение между эффективностью (КПД) компрессора и временем для четырех рабочих температур 200, 195, 190 и 180ºС, полученное в ходе экспериментальных работ.
пред
Из графика видно, что время, необходимое для того, чтобы КПД компрессора упало до минимального допустимого предела КПД, значительно меняется в зависимости от температуры газов, выпускаемых из компрессора 22. Причиной этого является коксование компрессора, которое со временем снижает КПД компрессора 22. Это коксование зависит от температуры газов, выходящих из компрессора 22, потому что коксование, по существу, представляет собой термическое окисление углеводородов (масла) в воздухе, проходящем через компрессор 22.
Если бы компрессор работал таким образом, что выходная температура на выходе никогда не превышала бы 180ºС, то не было бы потери эффективности с течением времени, и компрессор 22 теоретически мог бы бесконечно эксплуатироваться, не страдая от снижения КПД. Однако так как снижение Tcomp_out на 10ºС в типичных условиях дает снижение доступного наддува примерно на 7%, ограничение выходной температуры компрессора до такого низкого уровня вызовет значительную потерю производительности двигателя.
Наоборот, в том случае, если компрессор непрерывно работает при 200ºС, его КПД очень быстро падает, срок службы компрессора до того момента, как произойдет ухудшение производительности до неприемлемого уровня, становится весьма ограниченным.
Таким образом, по результатам испытаний можно выявить связь температуры и времени, эквивалентные скорости износа можно представить в виде примера в Таблице 1 (данные значения не являются ограничивающими).
Таблица 1
T<sub>comp_out</sub> [ºC]
Реальное время до макс. допустимой потери КПД (часы)
Скорость износа [ч/ч]
180
Никогда
0
185
200
0,3
190
60
1
195
20
3
200
5
12
Из таблицы 1 видно, что, если выходная температура составляет 200ºС, скорость потери в двенадцать раз больше, чем при температуре 190ºС, и в 40 раз больше, чем при температуре 185ºС.
Следовательно, в соответствии с этими данными можно получить эквивалентный срок службы компрессора 22 на основании заранее заданной температуры 190ºС.
Так, например, если выходная температура компрессора в течение 60 секунд составляет 190ºС для 40 секунд, 195ºС для 15 секунд и 200ºС для 5 секунд, эквивалентный срок для этого отдельного периода времени, используя температуру 190ºС в качестве основной, составит 40+(15*3)+(5*12)=145 секунд. Значение 145 секунд является отдельным коэффициентом износа (DAF) для измеряемого периода.
Сложив все значения отдельного коэффициента износа (DAF), начиная с того момента, когда компрессор начинают использовать, можно определить значение общего коэффициента износа (TAF) компрессора 22. Затем это значение TAF используют для управления выходной температурой компрессора, как более подробно описано далее.
На Фиг.3 в виде блок-схемы 200 показаны различные этапы, выполняемые блоком 50 электронного управления.
new
new
На этапе 205 осуществляют прием расчетной величины текущей температуры на выходе компрессора (T_compressor_out_estimate). На этапе 210 данное значение расчетной величины выходной температуры компрессора используют в сочетании со справочной таблицей для получения отдельного значения коэффициента износа (DAF), который из энергонезависимой памяти 215 направляют к сумматору 220, где добавляют его к ранее имевшемуся значению общего коэффициента износа (TAF) компрессора 22. Из сумматора 220 выходит температурно-скорректированное значение суммарного возраста компрессора 22. Таким образом, получают новое значение TAF (TAF). Значение TAF используют вместе со справочной таблицей 230, содержащей значения TAF для допустимого предела выходной температуры компрессора Tcomp_out_lim. Данное значение вводят в устройство 240 управления наддувом турбокомпрессора с целью получения предельного значения давления наддува P_limit на основании Tcomp_out_lim. Значение P_limit выводят из устройства 240 в обрабатывающее устройство 250, которое также получает значение контрольной точки неограниченного наддува (unrestricted_boost_set_point) от устройства 251 контрольной точки.
Давление неограниченного наддува является величиной наддува, который блок 50 электронного управления хотел бы задать по требованию крутящего момента от оператора двигателя 10. Обрабатывающее устройство 250 суммирует два полученных им входных сигнала и выдает командный сигнал 260 (P_boost_max), используемый для управления работой привода 24 управления турбиной для того, чтобы достичь требуемого уровня наддува. Таким образом, если величина неограниченного наддува (unrestricted_boost_set_pomt) больше, чем P_limit, то значение P_limit выводится на устройство 260 как P_boost_max, но если величина неограниченного наддува (unrestricted_boost_set_point) меньше, чем P_limit, величина неограниченного наддува (unrestricted_boost_set_point) выводится на устройство 260 как P_boost_max.
Справочная таблица 230 может содержать контрольную функцию или заданное соотношение, например такое, как приведено в таблице 2 ниже, или соотношение, непрерывно изменяющееся от максимальной или более высокой температуры, например 195ºС, до более низкой температуры, при которой не будет происходить коксования, например 180ºС, при некотором заданном количестве часов после первого использования компрессора, и далее остановится на уровне, где отсутствует коксование (180ºС).
В этом случае заданное соотношение поддерживает максимальную выходную температуру компрессора на первой, более высокой температуре 195ºС до тех пор, пока суммарный коэффициент износа не превысит заданное значение, которое, в данном случае, составляет 59 часов. Затем максимально допустимая выходная температура компрессора будет снижена до более низкой температуры 180ºС, при которой не будет происходить дальнейшего коксования компрессора.
Переход от более высокой температуры к более низкой может быть постепенным изменением или ступенчатым изменением максимально допустимой выходной температуры компрессора.
Таблица 2
Работа компрессора по TAF [ч]
0
59
60
1000
Tcomp_out_lim [ºC]
195
195
180
180
Следовательно, используя такой подход, можно сделать допустимой достаточно высокую выходную температуру компрессора, в частности в начале срока службы компрессора 22, при условии, что при определении реального состояния компрессора 22 допускают влияние такой высокой выходной температуры компрессора на потерю его КПД.
пред
В таблице 2 КПД достигается, когда компрессор уже отработал при 195ºС 59 часов. После 59 часов выходная температура компрессора установлена на значение 180ºС, при которой не будет дальнейшей потери КПД компрессора. По этой причине в данном случае заданная температура составляет 195ºС, a DAF и ТАР будут основываться на этой температуре. Например, если двигатель работал непрерывно при 190ºС, то он мог бы (из таблицы 1) фактически работать 177 часов, прежде чем температура на выходе из компрессора снизится до 180ºС.
Следует понимать, что возможно использование других температур и что изобретение не ограничивается использованием значения 195ºС для заданной температуры.
Согласно известным способам контроля температуру нагнетательного отверстия компрессора необходимо ограничивать с целью предотвращения преждевременной потери КПД компрессора и использовать низкую температуру на выходе, возможно 180ºС, при которой не будет происходить заметного коксования. Однако вследствие того, что увеличение Tcomp_out на 10ºС в типичных условиях дает увеличение в доступном наддуве около 7%, в соответствии с данным изобретением без ущерба для прочности можно получить значительное повышение эксплуатационных характеристик, меняя допустимую выходную температуру компрессора. Эти преимущества в производительности будут доступны в течение большей части срока службы транспортного средства для большего количества потребителей, потому что высокие температуры, которые приводят к высокому значению DAF, возникают редко.
Хотя изобретение описано выше применительно к турбокомпрессору, следует понимать, что аналогичный подход можно использовать для вычисления общего коэффициента износа для компрессора нагнетателя.
На Фиг.2 в виде общего уровня показан способ в соответствии с первым аспектом изобретения применительно к автомобильному двигателю с наддувом.
Способ начинается на шаге 100, когда пусковой переключатель или ключ зажигания переводят во включенное положение.
Затем на шаге 110 текущее значение общего коэффициента износа (TAF) считывают из энергонезависимой памяти, установленной на автомобиле, например в блоке 50 электронного управления.
Затем способ переходит к этапу 120, где на основании текущего значения TAF устанавливают максимально допустимый предел выходной температуры компрессора, Tcomp_out_lim, и способ переходит к этапу 130, где компрессор 22 контролируют таким образом, чтобы его выходная температура не превышала предельной Tcomp_out_lim. Контроль температуры при использовании турбокомпрессора осуществляют за счет изменения скорости компрессора 22 с помощью корректировки скорости турбины 23, к которой компрессор 22 присоединен приводом, с целью получения конкретного значения давления наддува.
Этот способ затем переходит к этапу 140, где определяют отдельный коэффициент износа (DAF). Его определяют, как изложено выше, с использованием базовой температуры и DAF из справочной таблицы для отдельного периода времени. Например, это вычисление можно осуществлять каждые 100 миллисекунд таким образом, чтобы каждые 0,1 секунды получать новое значение DAF.
new
Затем на шаге 150 добавляют текущий отдельный коэффициент износа DAF к текущему значению общего коэффициента износа ТАР, чтобы получить обновленное значение TAF.
new
Затем TAF используют на этапе 160, чтобы определить новое значение для предела выходной температуры компрессора Tcomp_out_lim, которое сохраняется в энергонезависимой памяти на этапе 170, и, если предположительно не происходит выключение зажигания, обновленное значение Tcomp_out_lim возвращается обратно к этапу 130. Этапы 130-180 постоянно повторяют до тех пор, пока не происходит выключение зажигания, когда последовательность действий переходит от этапа 180 к этапу 200, где способ завершается.
Следует понимать, что вышеизложенное описано в качестве примера и что данный способ не ограничивается описанными шагами в точности или определенным порядком технологического процесса. Этапы 130 и 140 можно выполнять одновременно, а не последовательно.
Специалистам в данной области техники понятно, что хотя изобретение было описано в качестве примера со ссылкой на одну или более возможных реализаций, оно не ограничивается раскрытыми вариантами, и что без отклонения от объема изобретения могут быть осуществлены одно или более изменений представленных вариантов или разработаны альтернативные варианты.