[发明专利]一种内燃机两级涡轮负荷动态控制装置及方法

说明书

本发明公开了一种内燃机两级涡轮负荷动态控制装置，所述内燃机具有高压级涡轮和低压级涡轮，包括：动态压力传感器，设置于高压级涡轮的进口，用于检测高压级涡轮进口瞬时压力值；节流器，设置于低压级涡轮转子进口，其开度可进行动态控制；执行器，用于接收电子控制单元的控制信号，并对节流器的开度进行控制调节；电子控制单元，用于接收动态压力传感器返回的信号，并向执行器发出控制信号。本发明还公开了一种内燃机两级涡轮负荷动态控制方法。本发明可根据内燃机脉冲压力值动态调整两级涡轮负荷，从而提高两级涡轮总体性能，同时两级涡轮在脉冲周期内的平均负荷基本保持不变，对发动机的背压没有影响，从而不需要重新设计匹配两级涡轮。

技术领域

本发明涉及内燃机与叶轮机械技术领域，尤其涉及到一种内燃机废气涡轮增压技术领域，具体为一种内燃机两级涡轮负荷动态控制装置及方法。

背景技术

涡轮增压技术是应用于车用内燃机的一种成熟技术，为了满足日益严格的排放和油耗法规，汽车内燃机向着两级涡轮增压和涡轮复合等方向发展，在两级涡轮增压和涡轮复合内燃机中，均存在两级涡轮。内燃机废气依次流经高、低压两级涡轮，并膨胀做功，实现废气能量的回收利用。

目前，两级涡轮的负荷调节主要是根据发动机的工况进行调节，也就是根据发动机的负荷和转速来调节两级涡轮的负荷分配，调节的具体手段是通过增加废气旁通阀或者采用可变几何涡轮技术，这两种技术都是涡轮增压领域成熟使用的技术。通过举一个例子可以更加明确传统两级涡轮负荷的条件方法和手段，如在串联的高低压两级涡轮中，高、低压涡轮均采用废气旁通涡轮。在发动机低转速工况，高压级旁通阀关闭，低压级涡轮旁通阀开启，这时候废气主要在高压级涡轮中膨胀，因此高压级涡轮负荷大而低压级涡轮负荷小；在内燃机高转速工况时，由于废气流量大，这时候要打开高压级旁通阀，减小高压级涡轮的负荷以避免超速，而低压级涡轮的旁通阀要关闭，提高低压级涡轮的做功能力。对于采用可变几何涡轮技术的两级涡轮系统而言，喷嘴环的开度可根据发动机的工况进行调节，从而使两级涡轮的负荷分配随发动机工况而变化。

废气旁通技术或者可变几何涡轮技术的共同特征都是根据内燃机工况进行调节，当内燃机工况固定时，废气旁通阀的开启状态或者可变几何涡轮的开度保持不变。

然而，尽管内燃机处于固定工况，内燃机排气是周期性波动的，因此两级涡轮的负荷实际上是周期性变化的，脉冲排气导致两级涡轮内部流动是非定常的，使总体性能较定常来流时下降，而传统的控制方法不能针对排气脉冲的特征进行动态调节。

发明内容

针对上述技术问题，本发明旨在提供一种可以根据内燃机脉冲排气特征来动态调节两级涡轮负荷的方法和装置，采用该方法和装置后，可以使两级涡轮的负荷在一个脉冲周期内进行调节，使涡轮系统工作于一个更高效的区域，进而提高两级涡轮系统的排气能量利用率。

本发明采用如下技术方案实现：

一种内燃机两级涡轮负荷动态控制装置，所述内燃机为两级涡轮增压内燃机或涡轮复合内燃机，具有高压级涡轮和低压级涡轮，包括：

动态压力传感器，设置于高压级涡轮的进口，用于检测高压级涡轮进口瞬时压力值；

节流器，设置于低压级涡轮转子进口，其开度(即等效流动截面积)可进行动态控制；

执行器，用于接收电子控制单元的控制信号，并对节流器的开度进行控制调节；

电子控制单元，用于接收动态压力传感器返回的信号，并向执行器发出控制信号。

一种基于所述装置的内燃机两级涡轮负荷动态控制方法，包括步骤：

步骤1、在第m个排气脉冲周期内，动态压力传感器以一定的采样频率获得该脉冲周期T内的瞬时压力值p(t)；

步骤2、通过计算获得第m个脉冲周期内的平均压力然后计算随时间t变化的系数