技术领域
[0001] 本
发明属于车辆动力机械领域，具体涉及一种调节汽油机
涡轮增压器增压压力与防止
压气机喘振的控制方法及装置，通过该装置能在汽油机工况发生变化时，通过
电子控制使涡轮端和压气机端的执行机构控制涡轮端和压气机端
阀门快速反应，实现对增压压力与压气机喘振的调节与控制。
背景技术
[0002]
涡轮增压器利用汽油机排出的废气
能量驱动涡轮、涡轮带动同轴的压气机对空气做功，将压缩空气送入汽油机
气缸。涡轮增压具有提高
发动机动力性能、改善燃油经济性、降低废气排放和实现高原功率补偿的作用。涡轮增压器在柴油机上已普遍使用，但由于汽油机相比于柴油机燃烧机理不同，汽油机增压后，使压缩终点的压力及
温度，以及
燃烧室受热零件的热负荷都趋于升高，对传统的
化油器式汽油机,其压缩工质是可燃混合气，发动机没点火之前和火焰传播末端气体未到达之前易发生自燃，即易引起
爆震，这是不允许的。同时，汽油机转速比柴油机高，使得汽油机涡轮增压器流量范围更宽，汽油机排气温度高于柴油机等等，这样使得汽油机涡轮增压技术较柴油机难度加大。故涡轮增压汽油机需采用较低的压缩比，准确控制增压压力。此外，汽油机转速范围宽使得涡轮增压器流量范围宽、增压压力低，使得压气机容易发生喘振，如何防止喘振现象的发生也是必须解决的问题。
[0003] 目前，主要采用废气旁通涡轮增压器来解决以上提到的问题，其控制方法是在涡轮进气端（一般布置在涡轮壳上）安装
废气旁通阀，当增压压力达到规定值时，放气阀打开，把部分废气排放到涡轮后排气管中，减少输送给涡轮的能量，从而降低
转子转速、降低做功能力，减少压气机对空气做功，降低了增压压力。这种调节方式适合于限制与控制最高增压压力，优点是“自动控制”，容易通过废气旁通阀
弹簧刚度大小调节增压压力大小。但调节滞后、存在能量浪费。另外一种方式是通过在压气机端安装进气
泄压阀控制增压压力。这种方法是在增压器压气机出口或发动机进气管上安装泄压阀或者减压阀，以控制增压压力大小。当增压压力达到规定值时，泄压阀被打开，把部分增压气体释放出去。这种调节方式响应快、调节迅速，但放掉增压空气、造成了能量的浪费。目前对柴油机和汽油机涡轮增压器增压压力及喘振的控制都是采取对涡轮端或压气机端的单一控制，不能进行压气机端和涡轮端的协同控制，调控
精度受到限制，不是最优的控制方法。
[0004] 为了解决这一问题，可以将废气旁通阀和
进气泄压阀同时分别安装于涡轮端和压气机端，并将压气机端的出口端与废气旁通阀和进气泄压阀的执行机构的气室相连，实现两端的协同控制。但由于气体的可压缩性，使调节过程存在滞后。
[0005] 中国已有的
申请专利中涉及设计不同
阀体的居大多数。中国采用进气放气阀控制增压压力的方案中，对涡轮调节的废气旁通结构尚未实现电子控制，普遍采用机械式
气动控制的方案。为使汽油机在各种工况下都能达到最佳的综合性能指标，实现调节控制的快速性和精准性，采用增压放气实施精确电控已成为一种趋势。国外已申请的专利中对汽油机涡轮增压器的增压压力和喘振的控制方法是对压气机端或涡轮端的单一控制。
[0006] 《一种阀门及用于涡轮增压器再循环的系统》（200710125531.3）涉及一种汽油机涡轮增压器泄压阀，还涉及一种阀门用于汽油机涡轮增压器再循环的系统。《一种基于
单片机的涡轮增压器压力控制装置》（201120476697.1）涉及一种基于单片机的涡轮增压器压力控制装置。《带有防喘振功能的柴油机相继增压结构》（201210469116.0）涉及一种相继增压发动机。基本原理是采用多个涡轮增压器消除基本增压器的喘振现象。《增压器用可控双线性流量放气阀装置》（201120010109.5）涉及到增压器用可控双线性流量放气阀装置，通过
电机控制放气阀的开度，利用放气阀和放气
阀座的特殊几何形状，实现放气阀流量的双线性控制。《Turbocharger having anti-surge valve》(US2012/0073287A1)涉及了一种防喘振的方法，即将压气机端的出气口的压力回流到进气口。上述发明专利中均涉及到不同的涡轮增压器控制装置，但只实现单一控制而非压气机和涡轮的协同控制。
发明内容
[0007] 为了克服
现有技术中的
缺陷，本发明的目的是提供汽油机涡轮增压器增压压力与喘振控制方法及装置，具体是汽油机在工况发生变化引起压比和进气量的变化时，涡轮和压气机由于没能及时做出反应而产生增压压力过高和喘振现象，本发明提供了一种快速而精确的汽油机涡轮增压器增压压力与喘振控制方法及装置，所述控制方法能够控制调节汽油机涡轮增压器的增压压力过高，防止压气机发生喘振。
[0008] 本发明所述控制方法是根据汽油机与涡轮增压器压气机匹配特性图进行的，所述特性图表示经过标定的避免增压器增压压力过大和防止发生喘振时的涡轮端最优废气排出量和压气机端最优气体回流量。当涡轮增压器压比过高和将要发生喘振时，涡轮端执行机构工作，打开涡轮端阀门使部分废气直接排出，涡轮转子的转速降低，使得压气机进气量降低，压比降低。压气机端执行机构工作，打开压气机端阀门，使压气机出口的气体回流到压气机的进气口中，使压比降低。已发明专利中均涉及的是不同的涡轮增压器控制装置，而且只能实现单一控制而非压气机和涡轮的协同控制。本发明提及的方法通过协调控制涡轮端废气排出量和压气机端气体回流量实现最优控制。应用电控制协调涡轮端和压气机端的工作使调节迅速、准确。
[0009] 本发明是通过如下技术方案实现的：
[0010] 汽油机涡轮增压器增压压力与喘振控制装置，包括压气机
叶轮、涡轮叶轮、压气机端执行机构、涡轮端执行机构、涡轮端阀门、压气机端阀门、辅助控制
电路和
轴承体，所述压气机叶轮设置在轴承体的左端，所述涡轮叶轮设置在轴承体的右端，所述压气机叶轮与压气机端执行机构连接，所述压气机叶轮上设有压气机端阀门；所述涡轮叶轮与涡轮端执行机构连接，所述涡轮叶轮上设有涡轮端阀门，所述涡轮端执行机构与压气机端执行机构都与辅助控制电路的电控单元连接；所述轴承体左侧设有进气管，所述轴承体右侧设有出气管。
[0011] 进一步地，所述涡轮端执行机构包括三通阀和气动执行机构。
[0012] 更进一步地，所述涡轮端执行机构是电执行器。
[0013] 更进一步地，所述涡轮端执行机构是气动执行器。
[0014] 涡轮端执行机构由PCM阀和气动执行机构采用
负压的形式来控制涡轮端阀门工作。
[0015] 更进一步地，所述涡轮端执行机构还能由多种不同的
电磁阀代替三通阀。
[0016] 所述涡轮端执行机构的一端连接辅助控制电路中的电控单元（ECU)，另一端连接控制涡轮端阀门。
[0017] 进一步地，所述压气机端执行机构包括三通阀和气动执行机构。
[0018] 更进一步地，所述压气机端执行机构是电执行器。
[0019] 更进一步地，所述压气机端执行机构是气动执行器。
[0020] 更进一步地，所述压气机端执行机构还能由多种不同的电磁阀代替三通阀。
[0021] 所述压气机端执行机构的一端连接辅助控制电路中的电控单元（ECU)，另一端连接控制压气机端阀门。
[0022] 所述涡轮端阀门控制涡轮端的废气排出。涡轮端阀门位于连接涡轮端进气口与排气口的通道中，控制该通道的通与断，从而控制涡轮端的废气排出量。
[0023] 所述压气机端阀门控制压气机端的气体回流。压气机端阀门位于连接压气机端进气口与出气口的通道中，控制该通道的通与断，从而控制压气机端的气体回流量。
[0024] 进一步地，所述辅助控制电路包括：执行机构、电控单元（ECU）、压力
传感器、速度传感器和电源模
块。其中，执行机构控制涡轮端的废气排出量和压气机端的气体回流量；电控单元（ECU）控制执行机构工作；
压力传感器安装于压气机出气口，采集压气机出气口的压力值；
转速传感器的测量盘安装在涡轮转子的
曲轴上，读数盘安装在曲轴的机壳上，测量盘和读数盘成90度，采集转速信息；电源模块提供
电能。
[0025] 汽油机涡轮增压器增压压力与喘振控制方法，具体为：
[0026] 第一，所述控制方法是根据汽油机与涡轮增压器压气机匹配特性图进行的，汽油机与涡轮增压器进行匹配后，通过模拟
软件进行建模分析和理论计算，通过对压比和转速的测定值来标定汽油机涡轮增压器压比过大和即将发生喘振状态下涡轮端的转速、流量和增压比，即得到汽油机与涡轮增压器匹配特性图；
[0027] 第二，压力传感器和速度传感器将采集的信息传递给电控单元,电控单元将压力传感器检测到压力信息转换成压比信息，并通过持续的压比和转速信息判断目前汽油机涡轮增压器的工作状态；如果检测到汽油机涡轮增压器的增压压力过大或即将发生喘振时，电控单元在特性图中获得涡轮端和压气机端执行机构的最优控制参数，即转速、流量和增压比；
[0028] 第三，所述电控单元将在特性图中获取的参数信息传递给涡轮端执行机构和压气机端执行机构，控制它们的工作；涡轮端执行机构和压气机端执行机构分别控制涡轮端阀门和压气机端阀门工作，通过阀门的开闭控制涡轮端的废气排出量和压气机端的增压空气量，从而实现整个控制过程。
[0029] 优选为，所述控制方法采用GT-POWER与MATLAB/SIMULINK模拟软件进行建模分析和理论计算。
[0030] 辅助控制电路能够通过传感器实时获得压比和转速的信息，对涡轮端执行机构和压气机端的执行机构进行综合控制，所述涡轮增压器分为调节增压压比过高和喘振两种工作状态，其具体工作过程如下：
[0031] 压比过高状态：当汽油机工作时，压气机端压力传感器持续检测压气机出口压力，将
信号传递给电控单元，当压力达到汽油机所能承受的最大值时，电控单元通过增压器转速信号和压比，在特性图中获得涡轮端和压气机端执行机构的最优控制参数，电控单元控制涡轮端阀门和压气机端阀门按执行机构给出的信号工作，从而实现对压比过大的调节。
[0032] 喘振状态：当汽油机工作时，压气机端压力传感器持续检测压气机出口压力
波动，将信号传递至电控单元，当压力波动超过一定
阈值时，电控单元通过增压器转速信号和压比，在特性图中获得涡轮端和压气机端执行机构的最优控制参数，电控单元控制涡轮端阀门和压气机端阀门按执行机构给出的信号工作，避免压气机喘振。
[0033] 与现有技术相比，本发明所述汽油机涡轮增压器增压压力与喘振控制方法的优越效果在于：
[0034] （1）汽油机涡轮增压器增压压力与喘振控制方法的装置中压气机端阀门直接将压气机出气口端的气体回流到压气机进气口端，反应迅速，实现快速调节。
[0035] （2）汽油机涡轮增压器增压压力与喘振控制方法采用电子控制方法实现自动控制与连续可调。
[0036] （3）汽油机涡轮增压器增压压力与喘振控制方法通过协调涡轮端和压气机端的执行机构协同工作实现精准控制。
附图说明
[0037] 图1为本发明所述汽油机涡轮增压器增压压力与喘振控制方法原理图；
[0038] 图2为本发明所述汽油机涡轮增压器增压压力与喘振控制装置结构图一；
[0039] 图3为本发明所述汽油机涡轮增压器增压压力与喘振控制装置结构图二；
[0040] 图4为本发明所述气动执行机构结构示意图；
[0041] 图5为本发明所述电执行器原理图；
[0042] 图6为本发明所述辅助控制电路结构图；
[0043] 图7为本发明所述汽油机涡轮增压器增压压力与喘振控制方法
流程图；
[0044] 图8为本发明所述汽油机与涡轮增压器压气机匹配特性图。
[0045] 附图标记说明如下：
[0046] 1-涡轮端阀门、2-涡轮叶轮、3-速度传感器、4-压气机叶轮、5-压气机端阀门、6-压力传感器、7-电磁
控制阀、8-压气机叶轮、9-废气旁通阀、10-旁通阀
控制器、11-进气循环阀、12-电控单元、13-PCM阀、14-
真空泵、15-执行器进气管、16-执行器气室、17-执行器弹簧、18-弹簧座、19-拉杆、20-轴承体。
具体实施方式
[0047] 下面结合附图1-8对本发明具体实施方式作进一步详细说明。
[0049] 如图2所示，汽油机涡轮增压器增压压力与喘振控制装置，包括压气机叶轮4、涡轮叶轮2、压气机端执行机构、涡轮端执行机构、涡轮端阀门1、压气机端阀门5、辅助控制电路和轴承体20，所述压气机叶轮4设置在轴承体20的左端，所述涡轮叶轮2设置在轴承体20的右端，所述压气机叶轮4与压气机端执行机构连接，所述压气机叶轮4上设有压气机端阀门；所述涡轮叶轮2与涡轮端执行机构连接，所述涡轮叶轮2上设有涡轮端阀门1，所述涡轮端执行机构与压气机端执行机构都与辅助控制电路的电控单元12连接；所述轴承体
20左侧设有进气管，所述轴承体20右侧设有出气管。
[0050] 所述涡轮端执行机构和压气机端执行机构都是由三通阀和气动执行机构构成。
[0051] 如图4所示，气动执行机构是由执行器进气管15、执行器气室16、执行器弹簧17、弹簧座18、拉杆19组成。弹簧座18与执行器气室16相
接触；执行器弹簧17安装在执行器气室16的弹簧座18上；执行器进气管15与执行器气室16管路连接；从执行器进气管15向执行器气室16充入空气时，执行器气室16随压力增大体积逐渐变大，同时压缩执行器弹簧17，拉杆19伸长，拉杆19做上行直线运动，旁通阀（图中未示）逐渐开启；当执行器气室16内压力逐渐减小时，执行器气室16体积减小，被压缩的执行器弹簧17逐渐伸长恢复原状，从而带动拉杆19做下行直线运动，所述旁通阀逐渐关闭。
[0052] 由涡轮端执行机构和压气机端执行机构控制涡轮叶轮2和压气机的阀门动作，其中三通阀分别与压气机端进气口、压气机端出气口和气动执行机构的进气管相连，三通阀的信号线与ECU相连。
[0053] 如图6所示，辅助控制电路包括：执行机构、电控单元（ECU）12、压力传感器6、速度传感器3和电源模块（图中未示）。其中，执行机构控制涡轮叶轮2和压气机叶轮4的阀门；电控单元（ECU）12控制执行机构工作；压力传感器6安装于压气机出气口，采集压气机出气口的压力值；速度传感器3的测量盘（图中未示）安装在涡轮叶轮2转子的曲轴（图中未示）上，读数盘安装在曲轴的机壳上，测量盘和读数盘成90度，采集转速信息；电源模块提供电能。
[0054] 如图7、8所示，汽油机涡轮增压器增压压力与喘振控制方法流程图，辅助控制电路能够通过压力传感器6和速度传感器3实时获得压比和转速的信息，对涡轮叶轮2和压气机叶轮4的执行机构进行综合控制。
[0055] 所述汽油机涡轮增压器增压压力与喘振控制装置有调节增压压比过高和喘振两种工作状态，其具体工作过程如下：
[0056] 压比过高状态：当汽油机工作时，压气机端压力传感器6持续检测压气机出口压力，将信号传递给电控单元12，当压力达到汽油机所能承受的最大值时，电控单元12通过增压器转速信号和压比，在特性图中获得涡轮废气排出量和压气机气体回流量的最优控制参数，电控单元12控制涡轮叶轮2和压气机叶轮4的三通阀，通过气动执行机构控制涡轮端和压气机端的阀门工作，从而实现对压比过大的调节。
[0057] 喘振状态：当汽油机工作时，压气机端压力传感器6持续检测压气机出口压力波动，将信号传递至电控单元12，当压力波动超过一定阈值时，电控单元12通过增压器转速信号和压比，在特性图中获得涡轮废气排出量和压气机气体回流量的最优控制参数，电控单元12控制涡轮端和压气机端的三通阀，通过气动执行机构控制涡轮端和压气机端的阀门工作，避免压气机喘振。
[0058] 实施例二
[0059] 如图3所示，本实施例与实施例一的主要区别是，涡轮端执行机构采用PCM阀13和负压气动执行机构。PCM阀13分别与
真空泵14和气动执行机构的进气管相连，所述PCM阀13与设有与外部空气连通的进气管，PCM阀13的信号线与电控单元12相连。采用负压气动执行机构在汽油机正常工作时PCM阀13使真空泵14与气动执行机构进气管相通，当发生动作时，PCM阀13使外部空气进气管与气动执行器进气管15相通，控制阀门动作。采用负压气动执行机构使反应更加迅速。
[0060] 辅助控制电路的控制流程如图7所示，辅助控制电路能够通过速度传感器3、压力传感器6实时获得压比和转速的信息，对涡轮端和压气机端的执行机构进行综合控制。该涡轮增压器分为调节增压压比过高和喘振两种工作状态，其具体工作过程如下：
[0061] 压比过高状态：当汽油机工作时，压气机端压力传感器6持续检测压气机出口压力，将信号传递给电控单元12，当压力达到汽油机所能承受的最大值时，电控单元12通过增压器转速信号和压比，在特性图中获得涡轮端废气排出量和压气机气体回流量的最优控制参数，电控单元12控制涡轮端的PCM阀13和压气机端的三通阀，通过气动执行机构控制涡轮端和压气机端的阀门工作，从而实现对压比过大的调节。
[0062] 喘振状态：当汽油机工作时，压气机端压力传感器6持续检测压气机出口压力波动，将信号传递至电控单元12，当压力波动超过一定阈值时，电控单元12通过增压器转速信号和压比，在特性图中获得涡轮端废气排出量和压气机气体回流量的最优控制参数，电控单元12控制涡轮端的PCM阀13和压气机端的三通阀，通过气动执行机构控制涡轮端和压气机端的阀门工作，避免压气机喘振。
[0063] 实施例三
[0064] 本实施例与实施例一的主要区别是，涡轮端与压气机端执行机构均采用电执行器。电执行器包括
电子控制单元、直流电机、
齿轮箱和
角位移传感器。所述电执行器的原理图如图5所示，电执行器以16位单片机为核心，电控单元12通过PWM通信线向执行器发送目标
位置参数和
控制信号，单片机根据电控单元12的控制信号和角位移传感器提供的信号，控制直流电机的运行，通过齿轮箱将运动传递到
输出轴，输出轴直接控制阀的工作状态，不经过气动执行结构，避免了气动执行机构的滞后性，使反应较实施例一、二更加迅速。
[0065] 如图7所示，辅助控制电路能够通过速度传感器3、压力传感器6实时获得压比和转速的信息，对涡轮端和压气机端的执行机构进行综合控制。该涡轮增压器分为调节增压压比过高和喘振两种工作状态，其具体工作过程如下：
[0066] 压比过高状态：当汽油机工作时，压气机端的压力传感器6持续检测压气机出口压力，将信号传递给电控单元12，当压力达到汽油机所能承受的最大值时，电控单元12通过增压器转速信号和压比，在特性图中获得涡轮端废气排出量和压气机气体回流量的最优控制参数，电控单元12控制涡轮端和压气机端的电执行器，通过电执行器直接控制涡轮端和压气机端的阀门工作，从而实现对压比过大的调节。
[0067] 喘振状态：当汽油机工作时，压气机端的压力传感器6持续检测压气机出口压力波动，将信号传递至电控单元12，当压力波动超过一定阈值时，电控单元12通过增压器转速信号和压比，在特性图中获得涡轮端废气排出量和压气机气体回流量的最优控制参数，电控单元12控制涡轮端和压气机端的电执行器，通过电执行器直接控制涡轮端和压气机端的阀门工作，避免压气机喘振。
[0068] 以上控制方法仅为本发明的较佳实施例而已，其中涡轮端与压气机端执行机构可采用多种不同的电磁阀，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
