[发明专利]用于确定特别是用于内燃机的增压装置的一个或多个转速的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及内燃机的增压装置，尤其涉及用于确定增压装置的一个或多个转速的方法和装置。

背景技术

在汽车中利用压缩机(例如涡轮增压器)对内燃机进行增压，以便提高功率。涡轮增压器为此具有一个带有叶片的高速转动的压缩机转子，利用它从周围环境吸入空气，在高压下在内燃机空气系统中被提供。

通过涡轮机驱动压缩机转子，涡轮机安装在内燃机的排气系之中，根据废气焓驱动压缩机转子。在内燃机空气系统中以高压提供的空气形成更高的燃烧室充气率，从而在相同容积下产生更大的扭矩和功率。

当今不仅愈来愈多地使用废气涡轮增压来提高功率，而且也通过小型化来节省消耗。在后一情况中提高的功率被用于、减小排量以及整个内燃机，并且延长变速箱寿命。一方面由于可向更加有效的燃烧的范围内移动内燃机的工作点，另一方面由于减小了结构和发动机转速，从而减小了摩擦功率，因此可降低燃料消耗。

废气涡轮增压器的特征在于，具有涡轮机、压气机的运转部(Laufzeug)以及将涡轮和压缩机转子连接在一起的轴可能完全无制动地旋转。可根据废气质量流的焓值以及压缩空气所吸收的功率得出运转部的转速。转速在压缩比较高以及/或者体积流量较高的工作点处将变得很高，因此压缩机转子周边处的离心力可能会导致压缩机转子的叶片发生变形。因此压缩机转子以及涡轮增压器其它高速运转部件极易磨损，及承受大的材料疲劳，所以涡轮增压器的使用寿命在很大程度上取决于其工作条件。

当涡轮增压器在接近喘振极限处运行或者处在喘振状态时，可能会激发压缩机转子的叶片产生机械振动，如果负荷过高或者持续承受负荷，可能会导致压缩机转子以及整个涡轮增压器损坏。叶片振动会加速材料疲劳，最终导致疲劳断裂，因此当出现喘振状态时，会严重影响涡轮增压器的使用寿命。若涡轮增压器经常超速运转，压缩机转子的外端可能会达到极高的轨迹速度，这将显著加大材料疲劳程度，从而缩短使用寿命。

当改装汽车以提高功率时，对发动机系统所做的任何改变均有可能造成涡轮增压器经常以超速运转。这是一种滥用涡轮增压器的行为，因为将会显著缩短其使用寿命。如果涡轮增压器损坏，那么涡轮增压器的制造商将要承担很高的费用，因为很难证明存在滥用情况。

此外在涡轮增压器运行过程中还会在涡轮增压器的轴承中出现磨损现象，使得旋转不均衡性在涡轮增压器的使用寿命中变化。使涡轮增压器各个部件产生磨损的速度也与涡轮增压器运转期间的工况有关。磨损程度在很大程度上决定剩余使用寿命。

由于要避免压缩机转子受损，因此适宜监测压缩机转子的转速，且必须保证不会达到使压缩机转子受损的转速范围。在传统型轿车内燃机中通常并非直接确定压缩机转子的转速，而是根据热力学参量进行推导，典型的热力学参量有压缩比和通过压气机的体积流量。压气机的运行特性通常均存在量产变化，此外所需参量(压力、质量流的温度等等)的检测与建模同样也有误差。为了兼顾这一点，通常要设定一个与最大允许转速之间的安全间距，但这又会导致无法完全利用涡轮增压器的潜力。此外还必须将涡轮增压器设计得比较大，这就会使其在功率范围较小尤其是发动机转速较小时的响应特性比较差。因此必须使得涡轮增压器尽可能接近其极限转速运转。

从另一方面来说，发动机系统中的其它误差也会导致上述间接计算转速的方式失效。例如当压气机后面的区域中出现泄漏时，就会提高体积流量，那么确定太低的涡轮增压器转速，视传感器配置而定，发动机控制系统有可能不准确地，或者甚至无法得到它。此外空气滤清器堵塞也有可能在压气机前引起压力降，从而会在空气质量流量相同的情况下引起压缩比增大，使得涡轮增压器的转速增大。因此应当直接检测涡轮增压器的转速，以避免上述缺点。

已知有一些方法所依赖的原理如下：测量压缩机转子的叶片经过某一个传感器元件的频率，从而检测出压缩机转子的旋转速度。传感器元件安装在叶片附近，当涡轮增压器的叶片经过时，就会扰动永久磁铁的磁场，传感器元件检测出电阻或电流的感应变化，从而探测出叶片正在经过。

这种转速检测方法的缺点在于，由于压气机内的温度很高，而传感器对温度很敏感，因此不适合在这里使用。此外压气机壳体上的可用结构空间非常狭窄，尤其当涡轮增压器很小时，很难将相应的传感器安装在压缩机转子的叶片附近。如果使用上述测量原理，还有很高的调校要求，因为在某些情况下，要求在亚毫米范围内定位传感器。