船用柴油机涡轮增压器喘振预测控制装置和控制方法

(一)技术领域本发明涉及柴油机涡轮增压技术，具体涉及柴油机涡轮增压器喘振的预测与控制技术。

(二)背景技术喘振是发动机的一种不正常的工作状态，是由压气机内的空气流量和压气机转速偏离设计状态过多而引发的。喘振是发动机的致命故障，严重时可能导致发动机停车甚至发动机致命损坏，所以喘振事件是一项不可忽视的大问题。目前在授权的发明专利中多数是应用于工业压缩机领域的，只有美国通用公司于2004年6月4日在中国申请的题为“自动检测和避免发动机上涡轮增压器喘振的装置和方法”的发明专利是与发动机增压器有关的，其技术方法是通过测量增压器转速来判断是否发生喘振，通过调整发动机其它各参数来控制喘振，申请号为200410045240.X。美国卡明斯公司于2006年4月10日申请在中国申请的题目为“用于控制涡轮增压器压缩机喘振系统”的发明专利通过判断随转速变化的新鲜空气的质量流率来判断喘振，并通过改变EGR和VCT阀位置控制喘振，其申请号为200610074680.7。

在柴油机领域，特别是船用柴油机，增压技术被广泛应用，并且柴油机为了获得更大的功率，通常都是工作在喘振线附近。分析增压器压缩机的特性曲线，在某些特定的工作状态下，增压器可能会出现通常所讲的“喘振”状态。一般而言，在增压器入口处气流量较低或高压力比时容易出现喘振事件，由此导致增压器叶片被迫在这种高入射角的条件下进行工作，使叶片上产生明显的气流分离，在增压器内产生很强的气流波动，严重时可能将增压器或柴油机损坏出现重大事故。由喘振出现的原因得知，喘振主要是由叶片扩压器引起的，通常是通过改变叶片扩压器喉口面积的办法来改变喘振线的位置，以减小喘振现象出现的概率，但发动机的工况总是在变化的，上述方法只能在某个范围内起到作用，具有一定的局限性，不具有实时预测和控制功能。

(三)发明内容本发明的目的在于提供一种能够大大减少增压器喘振事件在船用柴油机工作中出现的频率，同时避免因此而出现重大事故的船用柴油机涡轮增压器喘振预测控制装置和控制方法。

本发明的处理装置为：它包括转速传感器、压力传感器、调节阀、电源模块、喘振预测控制单元、空气循环装置、废气分流装置、数据记录和指示装置，调节阀包括喘振一级调节阀和喘振二级调节阀，转速传感器安装在柴油机的飞轮壳上，压力传感器安装在柴油机涡轮增压器压缩机的出口处，空气循环装置安装在压缩机出口和外界空气入口之间、连接喘振一级调节阀，废气分流装置安装在排气总管出口和涡轮增压器后排气管出口之间、连接喘振二级调节阀，转速传感器和压力传感器连接喘振预测控制单元，喘振预测控制单元分别连接调节阀、电源模块、空气循环装置、废气分流装置、数据记录和指示装置。

本发明的处理装置还有这样一些结构特征：1、所述的空气循环装置为压缩机前进气管经喘振一级调节阀和压缩机后连接出气管6，废气分流装置为涡轮增压器前排气管经喘振二级调节阀2连接涡后排气管；2、所述的其特征在于所述的转速传感器连接转速信号调理A/D模块，转速信号调理A/D模块连接喘振预测控制单元和数据存储模块；压力传感器经压力信号调理电路连接V/F转换电路，V/F转换电路连接频率计，频率计连接喘振预测测控制单元，另外压力传感器经压力信号调理A/D电路连接数据存储模块。

3、所述的喘振预测控制单元包括喘振预测分析模块和喘振控制模块，喘振预测分析模块连接转速传感器和压力传感器，喘振控制模块连接喘振预测分析模块、调节阀、电源模块、空气循环装置、废气分流装置、数据记录和指示装置；4、所述的喘振控制模块连接电磁装置，电磁装置连接调节阀，调节阀均为电磁阀；5、所述的数据记录和指示装置包括喘振参数存储模块和喘振指示灯。

本发明的控制方法为：首先接收传感器反馈的转速和出口压力数据；将预先试验得到的各转速下对应的喘振压力波动频率和波动幅值，通过插值的方法得到整个转速范围内喘振压力波动频率和波动幅值，与实际所测的转速和喘振压力波动频率和波动幅值进行对比分析；分析结果中若有喘振先兆，控制空气循环装置进行预防；如果不存在喘振先兆，空气循环装置不动作，增压器正常工作；柴油机若突然发生喘振，控制废气分流装置进行废气分流，启动数据存储模块、指示灯变亮；当出口压力波动峰值小于喘振压力，且一定时间内小于喘振压力值的出口压力波动峰值波动次数小于规定值时，认为喘振消失，命令废气分流装置关闭，空气循环装置仍然打开，直到出口压力小于规定值时，空气循环装置关闭，增压器正常工作。

本发明控制方法还有这样一些技术特征：1、所述的喘振先兆的判断方法为：当压力波动频率超过规定值(因机型而定)，且一定时间内大于喘振先兆下限值而小于喘振值的出口压力波动峰值波动频率大于规定值(因机型而定)时，认为有喘振先兆，喘振控制单元命令空气循环装置进行预防；如果不存在喘振先兆，空气循环装置不动作，增压器正常工作；2、所述的控制空气循环装置进行预防的步骤为：根据所测某转速下的涡轮增压器出口压力波动频率大于喘振先兆规定频率，且其波动幅值在规定压力值和喘振压力值之间波动时，喘振预测分析模块向喘振控制模块发出的信号，喘振控制模块向电磁装置发出打开指令，通过电磁装置驱动喘振一级调节阀，控制空气循环装置，当涡轮增压器出口压力波动幅值小于喘振先兆规定压力值时，空气循环装置关闭；3、所述突然发生喘振的判断方法为：若某转速下涡轮增压器出口压力波动峰值突然大于喘振压力值，且一定时间内大于喘振压力值的出口压力波动峰值波动频率大于喘振规定值或空气循环装置不能有效预防而导致涡轮增压器出口压力波动峰值继续增大而超过喘振压力值时，认为突然发生喘振，喘振控制单元命令打开废气分流装置，启动数据存储模块、指示灯变亮；4、所述的控制废气分流装置进行控制的步骤为；当涡轮增压器出口压力波动幅值大于喘振压力值时，喘振预测分析模块向喘振控制模块发出信号，喘振控制模块向电磁装置发出打开指令，通过电磁装置驱动喘振二级调节阀，空气循环装置释放压缩空气的同时，控制废气分流装置将涡轮前的排气进行分流，当涡轮增压器出口压力波动幅值小于喘振压力值时，废气分流装置关闭，当涡轮增压器出口压力波动幅值小于喘振先兆规定压力值时，空气循环装置关闭；5、所述的当喘振二级调节阀打开时，数据存储模块启动，开始记录柴油机转速和涡轮增压器压气机出口压力，同时喘振控制模块命令喘振指示灯发出喘振报警，并持续5分钟。

本发明通过实时采集涡轮增压器压缩机出口压力波动频率、幅值和柴油机转速，将该转速下的压力信号进行放大、滤波和V/F转换后，把所采集到压力信号波动频率和幅值，与通过喘振实验得到的该转速下的压力频谱图进行对比分析，完成对船用柴油机涡轮增压器喘振的预测，若存在喘振先兆，则发出控制命令，触发电磁装置驱动喘振一级调节阀，打开空气循环装置，通过空气循环装置完成喘振预防。当船用柴油机突然发生喘振，喘振一级调节阀不能有效预防时，通过电磁装置驱动喘振二级调节阀，打开废气分流装置，在释放压缩空气的同时，通过废气分流装置将涡轮前的排气进行分流，降低增压器转速，缩短喘振时间。

在一种方式中，本发明控制方法可以认为是预测船用柴油机涡轮增压器喘振的一种方法。其方法是以实验的形式，获取柴油机在某转速下发生喘振时涡轮增压器压缩机出口压力的波动频率与幅值，并通过插值算法拟合出该柴油机在整个转速范围内发生喘振的压力波动频谱图，通过与采集的柴油机在该转速下涡轮增压器出口压力波动频率和波动幅值对比分析，实现喘振的预测。

在另一种方式中，本发明是通过两种方式实现喘振控制。其一是单独打开空气循环装置完成喘振预防；其二是同时打开空气循环装置与废气分流装置，实现突发喘振的控制。

在另一种方式中，本发明是可以用于检测船用柴油机涡轮增压器在喘振发生的前后阶段各参数的变化情况。该装置主要是用于预防喘振的装置，不具有参数显示功能，但可以通过数据存储模块18和报警指示灯19，提醒使用者对实时存储的涡轮增压器压缩机出口压力和柴油机转速等参数进行分析，解决存在问题，避免发生重大问题。

在另一种方式中，本发明是一种对船用柴油机涡轮增压器喘振进行预测的一种装置。将压力传感器和转速传感器检测到的涡轮增压器出口压力和柴油机转速，经信号调理、V/F转换后，输入喘振预测分析模块，实现喘振的预测功能。

在另一种方式中，本发明是用于控制喘振发生的一种装置。根据预测结果的信息，可通过喘振一级调节阀将要发生的喘振事件屏蔽掉，保证柴油机和增压系统能稳定的工作。另外，当突然发生喘振而不能及时预防时，可通过同时打开空气循环装置与废气分流装置，实现突发喘振的控制。

本发明的有益效果有：1、以实验形式获取喘振时压力波动频率和幅值，为喘振预测提供准确依据；2、对动态压力、转速信号进行实时采集，并实时分析；3、对有喘振先兆的运行阶段，通过喘振一级调节阀进行实时调节；4、对突然发生的喘振特殊处理，通过喘振二级调节阀进行控制；5、对严重的喘振现象进行数据记录和指示灯报警。

本发明通过在预测到船用柴油机涡轮增压器压缩机即将发生喘振时开启一级调节阀，在涡轮增压器正常工作时不起任何作用，因此不会对柴油机的性能造成影响。作为一种装置，还可以根据用户的实际需要进行进一步优化，如发生喘振时绘制并保存压力和转速等参数的变化曲线，也可在该方案的基础上选择更先进的调理、分析和控制元件，使其预测和控制功能更加精确。

(四)附图说明图1为负荷变化对喘振的影响示意图；图2为增压器压气机特性曲线；图3为喘振预测与控制装置结构示意图；图4为喘振预测、控制单元原理图；图5为喘振判断流程图。

(五)具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明：结合图3，本实施例是由转速传感器5、压力传感器4、喘振一级调节阀3、喘振二级调节阀2、喘振预测控制单元1、空气循环装置和废气分流装置组成的。转速传感器5安装在柴油机的飞轮壳上，采集柴油机实际转速；压力传感器4安装在柴油机涡轮增压器压缩机的出口处，测量压缩机出口压力，将某转速下的出口压力作为判断依据提供给喘振预测控制单元，判断打开哪个调节阀；空气循环装置安装在压缩机输出管6和新鲜空气进气管9之间，通过喘振一级调节阀3控制其通断；废气分流装置安装在排气总管出口8和涡轮增压器后排气管出口7之间，通过喘振二级调节阀2控制其通断。

其中，高频响应动态压力传感器4：用于测量船用柴油机涡轮增压器压缩机出口的压力，为喘振预测提供参量；转速传感器5：用于测量船用柴油机的转速，为喘振预测和控制提供参量；电磁装置16：接到控制指令后，打开喘振二级调节阀2；电磁装置17：接到控制指令后，打开喘振一级调节阀3；喘振一级调节阀3：接受控制模块发出的控制命令，打开或关闭此阀，使喘振得到有效的预防；喘振二级调节阀2：当船用柴油机突然发生喘振，喘振一级调节阀3不能有效预防时，打开喘振二级调节阀2，在释放压缩空气的同时，将涡轮前的排气进行分流，降低增压器转速，缩短喘振时间；空气循环装置：压缩空气输出管6经喘振一级调节阀3与新鲜空气进气管9相连，将释放出的压缩空气重新送入进气管，不会对柴油机性能有所影响；废气分流装置：柴油机涡轮前排气管8经喘振二级调节阀2与涡轮后排气管7相连，当空气循环装置不能及时预防喘振时，同时打开废气分流装置，将排气分流；喘振预测、控制单元1：该单元主要完成喘振的预测、控制、数据存储和报警指示功能。其主要包括：电源供电模块10、信号调理模块11、12，喘振预测分析模块14、喘振控制模块15、数据存储模块18和喘振指示灯19。

结合图4，信号调理A/D模块20：将传感器测得的压力信号进行放大调理，并进行数字转换，用于参数存储；信号调理A/D模块11：将传感器测得的转速信号进行放大调理，并进行数字转换，用于喘振判断和参数存储；信号调理V/F模块12：将传感器测的压力信号进行放大调理，并进行压/频转换。

频率计13：将转换的压力信号频率进行记数，为喘振预测分析提供判断依据。

电源供电模块10：为该装置中的各模块供电；喘振预测分析模块14：作为该装置中的主要模块，完成船用柴油机喘振的预测；

喘振控制模块15：接受喘振分析模块的信号，输出控制命令，启动喘振调节阀工作；数据存储模块18：当船用柴油机涡轮增压器突然发生喘振，一级喘振调节阀3不能迅速预防时，打开喘振二级调节阀2，启动数据存储模块18，将该阶段的压气机出口压力和柴油机转速等参数记录下来，为柴油机检修提供参考数据；喘振指示灯19：当船用柴油机涡轮增压器突然发生喘振，一级喘振调节阀不能迅速预防时，打开二级调节阀，同时指示灯变亮，并持续5分钟，以便于操作者能够发现，及时查找故障。

考虑到产生喘振现象的各种可能性因素，大致分为以下几种情况进行考虑：1.外围附件原因如进气滤清器、扩压器叶片、中冷器、气缸进排气口和涡轮机等因长期使用后未及时清理，产生结垢、积碳将会导致增压器入口压力和流量降低或出口压力升高，发生喘振事件。

2.柴油机或增压器自身原因如增压器涡轮叶片损坏、涡轮叶片顶部及喷嘴环罩内表面严重腐蚀、废气端和增压器内部废气空气泄露，导致流经增压器的空气流量减少而发生喘振；3.双增压器柴油机对于使用双增压器的柴油机，若连接某一增压器的其中一缸出现故障不能工作时，该增压器的废气量相对减少，导致增压器转速下降，涡轮出口压力降低；但是另一组增压器转速基本不变，仍维持原有的压力，所以将会迫使停缸的那组增压器出口压力被迫上升，流量减少，进入喘振区引起喘振，而且它的喘振必然会使另一组增压器工作的稳定性受到影响，从而使两组增压器交替发生喘振，导致柴油机无法正常工作。

4.误操作引起的喘振柴油机和增压器具有一定匹配关系，对于涡轮增压柴油机，二者是通过气流的作用联系在一起的。操作过程是否得当直接会影响二者之间的匹配关系。

当加速时油门手柄推的过快，船用柴油机运动机件过于沉重，转速上升迟缓；且船体惯性大，船速上升也缓慢，但加速过程中的负荷上升较快，导致排气温度急剧升高，而增压器转子质量较小，转速上升较快，使增压器和柴油机间暂时失去匹配关系，引起喘振。

停车时油门收的过快，柴油机转速迅速下降，而增压器因转速惯性大，压缩的气体又不能完全释放，导致增压器压缩机出口处背压过高，引起喘振。

当船用柴油机突然停机时，螺旋桨浮出水面，突然卸去负荷，运行线如图1所示，穿过喘振区，引起喘振。

综合上述几种情况，其最终导致产生喘振事件的原因可归纳为两种情况：

1.增压器压气机出口和入口的比值突然增大，即压缩比突然升高，且远大于流量的升高率；或排气不稳定导致压缩比波动过大，引起喘振。

2.增压器压气机入口的流量降低或流量高时压缩比更大，穿过喘振区，引起喘振。

但对于船用柴油机受到空间的限制，流量的测量存在一定的难度，结合图2和图5，依据涡轮增压器压气机特性曲线，通过压力和转速信号进行喘振预测是比较合理的，因此确定如下设计方法：1).喘振预测判定依据的建立喘振预测的判定依据是柴油机在某转速下，其增压器出口压力对应转速频率的波动幅值。

以实验的形式，获取柴油机在某转速下发生喘振时涡轮增压器压缩机出口压力的波动频幅值，并通过插值算法拟和出该柴油机在整个转速范围内发生喘振的压力波动频谱图，建立喘振预测分析图库。

2).喘振的预测通过高频响应压力传感器4和转速传感器5，实时采集涡轮增压器压气机出口压力和柴油机转速，将所采集压力和转速信号分别经调理V/F和调理A/D转换后，输入喘振预测分析模块14，与设定的规定值(视机型而定)和喘振压力值进行对比分析，实现预测功能。

3).喘振的控制结合图5，根据对柴油机喘振预测，将其结果以信号的形式输入喘振控制模块15，决定是否实施控制功能。目的是在喘振将要发生时通过电磁装置17驱动喘振一级调节阀3打开空气循环装置，释放压缩机出口处的压缩空气，消除压力波动，直到压力波动小于规定值，关闭空气循环装置。当船用柴油机涡轮增压器突然发生喘振，空气循环装置不能迅速预防，且涡轮增压器出口压力波动峰值大于或等于喘振压力值时，同时通过电磁装置16驱动二级调节阀2打开废气分流装置，将废气进行分流，降低增压器转速，直到压力波动幅值小于喘振压力值时，关闭废气分流装置，直到压力波动幅值小于规定值时，关闭空气循环装置。

4).喘振数据记录当打开废气分流装置时，启动数据存储模块18，将该阶段的涡轮增压器出口压力和柴油机转速存储下来，为柴油机检修提供参考数据。

5).喘振现象指示当打开废气分流装置时，喘振指示灯19变亮，并持续5分钟，以便于操作者能够发现，及时查找故障。

本专利中所涉及的电路部分均为通用电路，从信号调理、A/D转换、V/F转换都有成型的电路，其预测分析和控制部分可以采用FFT和DSP模块实现，通过高低电平的形式控制各级调节阀、数据存储模块和报警指示灯，该专利目前只对喘振的预测和控制方法及通过该方法实现的控制装置进行申请保护。