用于識別壓縮機(jī)的喘振極限的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于識別壓縮機(jī)(2)的喘振極限的方法，其中，壓縮機(jī)至少由電動機(jī)(35)驅(qū)動，電動機(jī)(35)的功率通過調(diào)節(jié)裝置(34)來調(diào)節(jié)，其中，調(diào)節(jié)裝置在壓縮機(jī)(2)的操作期間檢測調(diào)節(jié)活性，以及其中，如果調(diào)節(jié)活性或調(diào)節(jié)活性變化超過分配給喘振極限的閾值，則識別出壓縮機(jī)(2)的喘振極限。
【專利說明】用于識別壓縮機(jī)的喘振極限的方法
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種用于識別由電動機(jī)驅(qū)動的壓縮機(jī)的喘振極限的方法，一種用于操 作該類型壓縮機(jī)W便防止達(dá)到喘振極限的方法，W及一種用于壓縮機(jī)的調(diào)節(jié)裝置。
[0002] 電驅(qū)動壓縮機(jī)可W用作燃料電池的空氣供給裝置、內(nèi)燃機(jī)的電驅(qū)動輔助壓縮機(jī)W 及滿輪增壓器的一部分，其中電動機(jī)可W至少驅(qū)動和/或輔助轉(zhuǎn)子組的壓縮機(jī)部分。滿輪增 壓器上的該類型電動機(jī)也可操作為發(fā)電機(jī)，并且出于此目的，其被連接至排氣滿輪增壓器 的排氣滿輪機(jī)。
[0003] 在現(xiàn)有技術(shù)中，EP 1 342 895 A2已經(jīng)公開了一種電驅(qū)動壓縮機(jī)，該電驅(qū)動壓縮機(jī) 配備有可檢測磨損、潤滑不足或其他損害的控制/調(diào)節(jié)裝置。運種診斷是在數(shù)學(xué)壓縮機(jī)模型 的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。如果在模型中對由電動機(jī)取用的電功率和由電動機(jī)產(chǎn)生的計算功率檢測 出不可信值，則假定存在故障狀態(tài)。該診斷也可W在壓縮機(jī)的旋轉(zhuǎn)加速度或旋轉(zhuǎn)速度的基 礎(chǔ)上進(jìn)行，其中同樣考慮到模型中的差異。該技術(shù)尤其可W用于緩慢出現(xiàn)的故障，諸如油等 狀態(tài)的磨損或緩慢劣化。然而，與此相反，突然發(fā)生的問題也可能會損害壓縮機(jī)。當(dāng)壓縮機(jī) 在其喘振極限下操作時，情況尤其如此。
[0004] 與此相反，本發(fā)明的目的在于提供一種實現(xiàn)壓縮機(jī)可靠操作的方法和調(diào)節(jié)單元。
[0005] 該目的通過獨立權(quán)利要求的特征來實現(xiàn)。從屬權(quán)利要求設(shè)及本發(fā)明的有益改進(jìn)， 其中從屬權(quán)利要求可W采用技術(shù)有利的方式彼此組合。
[0006] 因此，本發(fā)明提供了一種用于識別壓縮機(jī)的喘振極限的方法，其中壓縮機(jī)至少由 電動機(jī)驅(qū)動，壓縮機(jī)的功率通過調(diào)節(jié)裝置來調(diào)節(jié)，其中調(diào)節(jié)裝置在壓縮機(jī)的操作期間檢測 調(diào)節(jié)活性(regu 1 ation actiVity )，并且其中如果調(diào)節(jié)活性或調(diào)節(jié)活性變化超過闊值，則識 別出壓縮機(jī)的喘振極限。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明，利用了運一事實：當(dāng)壓縮機(jī)的操作狀態(tài)變?yōu)猷徑駱O限或達(dá)到喘 振極限時，調(diào)節(jié)器表現(xiàn)出增加的調(diào)節(jié)活性。運可用于確定喘振極限和/或調(diào)節(jié)壓縮機(jī)，W使 壓縮機(jī)不受損害。
[000引調(diào)節(jié)器例如可W實現(xiàn)為PI調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器。就調(diào)節(jié)功率而言，PI或PID調(diào)節(jié)可 能與達(dá)到壓縮機(jī)的特定體積流率、特定壓力或特定旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)。驅(qū)動壓縮機(jī)的電動機(jī)的 功率、輸出扭矩或旋轉(zhuǎn)速度可W設(shè)定為調(diào)節(jié)的控制變量。
[0009] 當(dāng)達(dá)到闊值時，可W在最簡單的情況下通過簡單降低功率，或通過壓縮機(jī)的面積 變化使壓縮機(jī)的操作狀態(tài)或壓縮機(jī)的操作點遠(yuǎn)離喘振極限，而對超過闊值作出反應(yīng)。
[0010] 在一個改進(jìn)中，在操作期間基于喘振極限的識別結(jié)果而W自適應(yīng)的方式連續(xù)地確 定闊值。
[0011] 在一個改進(jìn)中，闊值利用喘振極限的裕度來確定。
[0012] 所述方法可W在壓縮機(jī)的操作期間一直使用或僅在操作狀態(tài)下使用，在該操作狀 態(tài)中，壓縮機(jī)在接近于喘振極限的操作狀態(tài)下操作，并且由于對超過闊值作出反應(yīng)，可W避 免喘振極限。W運種方式，可W根據(jù)需要實施該方法。
[0013] 在一個改進(jìn)中，調(diào)節(jié)活性基于調(diào)節(jié)幅度和調(diào)節(jié)頻率，特別是通過調(diào)節(jié)幅度和調(diào)節(jié) 頻率的乘積來確定。W運種方式，使用一種很簡單的處理操作，可W確定當(dāng)前時間段的調(diào)節(jié) 活性并且與闊值進(jìn)行比較。
[0014] 在一個可替代或額外的改進(jìn)中，調(diào)節(jié)活性基于調(diào)節(jié)幅度和調(diào)節(jié)頻率，特別是通過 在限定的頻率范圍內(nèi)幅度的積分的確定來確定。W運種方式，面積(積分)可W確定為調(diào)節(jié) 活性的描述性值，并與相應(yīng)的描述性闊值進(jìn)行比較。
[0015] 在本發(fā)明的另一方面，提出了一種用于壓縮機(jī)的調(diào)節(jié)裝置，通過該調(diào)節(jié)裝置來實 施上述方法中的一種或其實施例。具體地，調(diào)節(jié)裝置包括數(shù)字處理單元，通過該數(shù)字處理單 元來實施上述方法中的一種。
[0016] 所述類型的調(diào)節(jié)裝置可W形成為內(nèi)燃機(jī)的發(fā)動機(jī)控制器的一部分或燃料電池的 調(diào)節(jié)器/控制器的一部分。所述調(diào)節(jié)裝置也可W是電驅(qū)動燃料電池車輛的車輛調(diào)節(jié)器/控制 器的一部分。運種整合節(jié)約了布線費用，并且實現(xiàn)了由壓縮機(jī)及其調(diào)節(jié)器/控制器所組成的 系統(tǒng)的緊湊構(gòu)造?？商娲兀{(diào)節(jié)裝置也可W呈機(jī)械分離和/或功能自主裝置(具體布置在 壓縮機(jī)或滿輪增壓器上）的形式。在一個變型中，所述調(diào)節(jié)裝置可W額外執(zhí)行與壓縮機(jī)或滿 輪增壓器相關(guān)的功能。
[0017] 另外在用于調(diào)節(jié)電輔助或驅(qū)動壓縮機(jī)的已有調(diào)節(jié)裝置中，用于識別喘振或喘振開 始的方法也可W實現(xiàn)為機(jī)器可讀程序代碼。
[0018] 結(jié)合附圖，本發(fā)明的進(jìn)一步細(xì)節(jié)、優(yōu)點和特征從下面的示例性實施例的描述中變 得顯而易見，附圖中：
[0019] 圖1示出了壓縮機(jī)的示例性特性圖，
[0020] 圖2示出了具有電驅(qū)動的壓縮機(jī)在內(nèi)燃機(jī)的區(qū)域中的示例性安裝情況，
[0021] 圖3示意性地示出了為控制由電動機(jī)驅(qū)動的壓縮機(jī)而在調(diào)節(jié)裝置中依據(jù)編程技術(shù) 所實現(xiàn)的流程圖，
[0022] 圖4a)示例性地示出了描繪在即將達(dá)到喘振極限之前的調(diào)節(jié)活性或強(qiáng)度的幅度相 對于頻率的圖，W及
[0023 ]圖4b)示例性地示出了達(dá)到喘振極限的情況下的圖。
[0024]圖 1 基于Michael Mayer和Glinter Kl甜ner 的所著書（"Abgasturbolade;r"[" Exhaust-gas turbochargers"]Suddeutscher Verlag onpact GmbH,81677Munich, ISBN 978-3-86-236-026-0)中的摘錄而示例性地示出了壓縮機(jī)的特性圖。該特性圖為壓縮機(jī)2的 壓力比相對于體積流率的示意圖。喘振極限100在特性圖中示為線。壓縮機(jī)2的容許操作范 圍在特性圖中位于喘振極限100的右邊。等旋轉(zhuǎn)速度101線繪制在特性圖中。運些表示的是 在特定體積流率的情況下W壓縮機(jī)2的特定旋轉(zhuǎn)速度所獲得的壓力比。對于恒定的體積流 率，壓力比隨壓縮機(jī)2的旋轉(zhuǎn)速度增加。特性圖中也繪制了等效率102線。由于與下游內(nèi)燃機(jī) 或下游燃料電池的操作有關(guān)的原因，可能的情況是體積流率下降趨向喘振極限100。與效率 的劣化相關(guān)聯(lián)，可能發(fā)生從壓縮機(jī)2的壓縮機(jī)葉輪葉片產(chǎn)生的流動的部分分離。在喘振極限 100處，所述分離變得如此強(qiáng)烈，W至于氣體輸送作用損壞。如果壓縮機(jī)配備有補償壓縮機(jī) 所產(chǎn)生的體積流率或旋轉(zhuǎn)速度或壓力的調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)反應(yīng)則可W在容許范圍內(nèi)但鄰近喘振 極限補償偏差。在即將達(dá)到喘振極限之前，存在不穩(wěn)定區(qū)域，在該區(qū)域中，喘振的開始已經(jīng) 導(dǎo)致相對強(qiáng)烈的調(diào)節(jié)活性。然而，當(dāng)達(dá)到喘振極限100時，喘振變得如此強(qiáng)烈，W至于調(diào)節(jié)不 再可W補償偏差。在流動條件下發(fā)生突然改變，運導(dǎo)致在壓縮機(jī)2的轉(zhuǎn)子上施加了大的力。 在運種情況下，壓縮機(jī)2或連接至其的電動機(jī)35的軸向軸承可能遭受損害。然而，可W基于 調(diào)節(jié)幅度來識別喘振極限100。此外可W在實際達(dá)到喘振極限之前已經(jīng)識別喘振極限。在運 種情況下，由于改變流動分離條件，通常出現(xiàn)增加的調(diào)節(jié)活性。運些可W在達(dá)到喘振極限 100本身之前識別。舉例來說，接近于喘振極限由箭頭103指示。達(dá)到了操作狀態(tài)104,其中調(diào) 節(jié)活性超過喘振極限的闊值或闊值。特別是在超過闊值的情況下，可W啟動對策，諸如，例 如出于該目的所提供的調(diào)節(jié)算法，并因此可W防止對壓縮機(jī)2或?qū)ζ潋?qū)動的損害;運也可W 設(shè)想用于喘振極限的闊值。增加的調(diào)節(jié)活性由此可W用于識別喘振極限或接近于其的值， W及用于在壓縮機(jī)2的操作期間防止損害。為此，優(yōu)選的情況是，如果由于更強(qiáng)烈的調(diào)節(jié)活 性而識別出喘振極限100或接近于其的值，則操作點進(jìn)一步遠(yuǎn)離不穩(wěn)定區(qū)域并且沿容許區(qū) 域的方向遠(yuǎn)離喘振極限100。
[0025] 圖2為燃燒發(fā)動機(jī)21的示意性簡化圖示，燃燒發(fā)動機(jī)21例如呈內(nèi)燃機(jī)或燃料電池 的形式。燃燒發(fā)動機(jī)21具有進(jìn)氣管線22,在進(jìn)氣管線22中布置了增壓裝置1的壓縮機(jī)2,所述 壓縮機(jī)由電動機(jī)35驅(qū)動。增壓空氣冷卻器23可W布置在進(jìn)氣管線22中壓縮機(jī)2的下游?？諝?質(zhì)量流量mL(用箭頭符號化)從壓縮機(jī)2被饋送至燃燒發(fā)動機(jī)21，燃燒發(fā)動機(jī)21可W是內(nèi)燃 機(jī)或燃料電池。
[0026] 同樣如圖2所示，增壓裝置1設(shè)置有調(diào)節(jié)裝置34,用于電機(jī)控制并且用于將電能供 應(yīng)至電動機(jī)35。在圖2中W示意性簡化形式用方框表示所述調(diào)節(jié)裝置34和電源單元。因此， 根據(jù)實施例，調(diào)節(jié)裝置34布置在增壓裝置1外部或增壓裝置1內(nèi)的適當(dāng)位置。排氣質(zhì)量流量 mA傳導(dǎo)通過滿輪機(jī)36,隨后被饋送至排氣出口 26。可W采用功率傳輸方式將滿輪機(jī)36連接 至壓縮機(jī)2, W便額外驅(qū)動后者。因此，為了避免喘振極限，電動機(jī)35也可W在發(fā)電機(jī)模式下 操作，W便通過產(chǎn)生制動作用來防止喘振。
[0027] 壓縮機(jī)2連接至電動機(jī)35,借此可W驅(qū)動壓縮機(jī)2。用于電機(jī)控制和能量供應(yīng)的調(diào) 節(jié)裝置34包括調(diào)節(jié)器(未圖示），該調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)電動機(jī)35并且向電動機(jī)35供應(yīng)電功率。在運 種情況下，例如可W基于設(shè)定點值與實際值之間的多個偏差由調(diào)節(jié)裝置％來檢測調(diào)節(jié)活 性，特別是在根據(jù)圖4a)和圖4b)的不同的頻率的存在下。在一個改進(jìn)中，還可W通過不同頻 率下的身體載聲和空氣載聲的聽覺上可感知幅度來推斷已達(dá)到接近喘振極限的事實。 [00%]調(diào)節(jié)裝置34可未示出的方式具有微處理器和存儲器單元，并且可W設(shè)計成調(diào) 節(jié)功率電子學(xué)。出于調(diào)節(jié)功率電子學(xué)W及執(zhí)行本文所述方法的目的，微處理器可W設(shè)計成 讀取存儲在存儲器單元上的程序并且對其進(jìn)行處理。
[0029] 圖3示出了可在調(diào)節(jié)裝置34中實現(xiàn)用于調(diào)節(jié)電動機(jī)35的目的的簡單流程圖。開始 41之后為步驟42,步驟42包含關(guān)于調(diào)節(jié)活性的強(qiáng)度和/或頻率范圍內(nèi)的幅度的積分值的查 詢。在比較43中，查詢調(diào)節(jié)活性與調(diào)節(jié)頻率的乘積是否大于闊值。闊值可W變化，而僅可W 在第一次實際達(dá)到喘振極限時在離散時間段內(nèi)是固定的。如果對查詢43的響應(yīng)為"是"（如 標(biāo)有"Y"的箭頭所示），在步驟45例如通過旋轉(zhuǎn)速度的降低來降低電動機(jī)35處的功率輸出。 不言而喻的是，也可W是一些其他措施，例如待實現(xiàn)空氣質(zhì)量流量mL的增加，W便離開接近 于喘振極限的區(qū)域。如果對查詢43的響應(yīng)為"否"（如由標(biāo)有"N"的箭頭符號化），不從當(dāng)前基 本設(shè)定改變電動機(jī)35處的功率輸出。在步驟46中，方法結(jié)束，因此該方法可W再次返回到開 始41。可W在調(diào)節(jié)裝置34中連續(xù)執(zhí)行該方法W便控制電動機(jī)35,并且該方法能夠操作為在 需要時盡可能地接近于喘振極限。
[0030] 圖4a)示例性地示出了在即將達(dá)到喘振極限之前相對于頻率f繪制的調(diào)節(jié)活性的 幅度A。可W在低頻率范圍內(nèi)察看到幅度的增加。圖4b)示出了在超過喘振極限的情況下的 幅度與頻率。在特定的頻率下，在幅度中存在尖峰51，其在聽覺上也可感知為特性音調(diào)。通 過確定積分I，可W檢測到頻率范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)活性。在運種情況下，也可W在操作期間修改 闊值，使得不會遇到圖4b)中所示的狀態(tài)。
[0031] 參考標(biāo)號列表
[0032] 1增壓裝置
[0033] 2壓縮機(jī)
[0034] 3壓縮機(jī)殼體
[00；35] 4壓縮機(jī)殼體入口
[0036] 5壓縮機(jī)殼體出口
[0037] 21燃燒發(fā)動機(jī)
[0038] 22進(jìn)氣管線
[0039] 23增壓空氣冷卻器
[0040] 26排氣管線
[0041 ] 27排氣出口
[0042] 29排氣冷卻器
[0043] 30空氣過濾器
[0044] 34調(diào)節(jié)裝置
[0045] 35電動機(jī)
[0046] 36滿輪機(jī)
[0047] 41 開始
[004引 42調(diào)節(jié)活性的檢測
[0049] 43 比較
[0050] 44 步驟
[0化1 ] 45步驟
[0052] 46 結(jié)束
[0053] 51 尖峰
[0054] 52頻率范圍
[0化5] 100喘振極限
[0化6] 101等旋轉(zhuǎn)速度線
[0化7] 102等效率線
[005引103操作狀態(tài)接近于喘振極限
[0059] 104操作點接近于喘振極限
[0060] A 幅度
[0061 ] f 頻率
[0062] ml空氣質(zhì)量流量
【主權(quán)項】
1. 一種用于識別壓縮機(jī)(2)的喘振極限的方法， 其中至少通過電動機(jī)(35)來驅(qū)動所述壓縮機(jī)，所述電動機(jī)（35)的功率通過調(diào)節(jié)裝置 (34)來調(diào)節(jié)， 其中所述調(diào)節(jié)裝置(34)在所述壓縮機(jī)(2)的操作期間檢測調(diào)節(jié)活性，以及 其中如果所述調(diào)節(jié)活性超過閾值，則識別出所述壓縮機(jī)(2)的喘振極限。2. -種用于操作壓縮機(jī)(2)以便防止達(dá)到如權(quán)利要求1所述的喘振極限的方法，其中， 所述壓縮機(jī)(2)的操作狀態(tài)遠(yuǎn)離所述喘振極限，而對超過所述閾值作出反應(yīng)。3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中以自適應(yīng)方式在操作期間連續(xù)地確定所述閾值。4. 如權(quán)利要求1、2或3中任一項所述的方法，其中所述閾值利用喘振極限的裕度來確 定。5. 如權(quán)利要求2至4中任一項所述的方法，其中所述壓縮機(jī)(2)以接近于所述喘振極限 的操作狀態(tài)運行，并且由于對超過所述閾值作出反應(yīng)而未達(dá)到所述喘振極限。6. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中所述調(diào)節(jié)活性基于調(diào)節(jié)幅度(A)和調(diào)節(jié) 頻率(f)，特別是通過所述調(diào)節(jié)幅度(A)和所述調(diào)節(jié)頻率(f)的乘積來確定。7. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中所述調(diào)節(jié)活性基于調(diào)節(jié)幅度(A)和調(diào)節(jié) 頻率(f)，特別是通過限定頻率范圍（52)內(nèi)的所述幅度(A)的積分(I)的確定來確定。8. -種用于壓縮機(jī)（2)的調(diào)節(jié)裝置（34)，所述調(diào)節(jié)裝置設(shè)計用于實施如權(quán)利要求1至8 所述的一個或多個方法。9. 如權(quán)利要求9所述的調(diào)節(jié)裝置(34)，其形成內(nèi)燃機(jī)(21)的發(fā)動機(jī)控制器的一部分或 燃料電池的控制器的一部分。10. 如權(quán)利要求9或10所述的調(diào)節(jié)裝置(34)，所述調(diào)節(jié)裝置(34)呈機(jī)械分離和/或功能 自主控制/調(diào)節(jié)裝置的形式，用于所述壓縮機(jī)(2)或用于具有所述壓縮機(jī)(2)的電輔助渦輪 增壓器。
【文檔編號】F04D27/02GK106062375SQ201580011756
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2015年3月2日 公開號201580011756.9, CN 106062375 A, CN 106062375A, CN 201580011756, CN-A-106062375, CN106062375 A, CN106062375A, CN201580011756, CN201580011756.9, PCT/2015/18244, PCT/US/15/018244, PCT/US/15/18244, PCT/US/2015/018244, PCT/US/2015/18244, PCT/US15/018244, PCT/US15/18244, PCT/US15018244, PCT/US1518244, PCT/US2015/018244, PCT/US2015/18244, PCT/US2015018244, PCT/US201518244
【發(fā)明人】F·代希泰恩, M·曼德爾, H·史得帕
【申請人】博格華納公司