渦輪增壓汽油機廢氣旁通閥瞬態(tài)控制研究

龔金科 范文可 劉冠麟 陳長友 胡遼平 廖笑影

摘 要：在不同瞬態(tài)工況下使用不同的廢氣旁通閥PID目標控制策略，建立渦輪增壓汽油機瞬態(tài)計算模型.對發(fā)動機定轉矩加減速工況下的瞬態(tài)響應進行模擬計算，并與原機響應特性做對比分析.結果表明，在定轉矩加速工況下，以適當增大的各固定轉速下增壓壓力作為瞬態(tài)控制目標值，可以顯著改善發(fā)動機的瞬態(tài)響應.在發(fā)動機定轉矩減速工況下，采用前期適當延長廢氣旁通閥全開的時間，待轉速下降到1.25倍目標轉速后，控制目標切換到增壓壓力的控制策略能夠縮短發(fā)動機的響應時間.與此同時，采用廢氣旁通閥瞬態(tài)控制方法，不僅能夠提升渦輪增壓汽油機瞬態(tài)響應性能，而且可以防止瞬態(tài)工況下增壓器超速和喘振.

關鍵詞：汽油機；渦輪增壓；廢氣旁通閥；PID控制；瞬態(tài)響應；控制策略

中圖分類號：TK421.5 文獻標志碼：A

Abstract：The different PID control strategies of wastegate were used under different transient conditions to establish the transient calculation model of turbocharged gasoline engine. The transient response under constant torque acceleration and deceleration conditions was simulated and compared with the transient response of original engine. The results show that the transient response is improved remarkably when the transient control target value takes the greater boost pressure at each fixed speed. In constant torque deceleration condition， transient response time is shorten when using the strategy that makes the wastegate fully open in early stage until the speed reaches 1.25 times of the target speed， and then switches the control target to the boost pressure. At the same time， this way not only improves the transient response performance of the engine， but also prevents the turbocharger from surging and overspeeding under transient conditions.

Key words：gasoline engine；turbocharging； wastegate；PID control；transient response；control strategy

近些年隨著汽油機排量逐漸減小，渦輪增壓技術在汽油機上的使用也越來越普及.但汽油機應用廢氣渦輪增壓技術，在瞬態(tài)工況下與渦輪增壓器匹配方面會存在一定問題，即工況突變時，渦輪增壓器對突變的響應會有些延遲，影響汽油機的瞬態(tài)加減速性能[1-2].針對這一問題，國內(nèi)外學者開發(fā)了復合增壓、二級增壓、廢氣旁通渦輪增壓等新技術，以使增壓汽油機在突變工況下的瞬態(tài)響應性能得到改善[3-7].其中廢氣旁通渦輪增壓技術因具有結構簡單、成本較低等優(yōu)點，在渦輪增壓汽油機上得到了廣泛應用.廢氣旁通渦輪增壓通過調節(jié)渦輪端廢氣旁通閥開度使增壓汽油機達到不同工況下所需的進氣要求，從而實現(xiàn)增壓器與汽油機良好匹配.同時，通過對廢氣旁通閥進行瞬態(tài)控制可實現(xiàn)渦輪增壓汽油機在突變工況下快速達到性能目標值，并在保證不發(fā)生爆燃和增壓器喘振及堵塞的情況下提高汽油機的瞬態(tài)性能[8-9].綜上，渦輪增壓汽油機在突變工況下采用廢氣旁通閥瞬態(tài)控制對改善增壓汽油機瞬態(tài)響應特性具有很大實際價值.

本文在建立的增壓汽油機瞬態(tài)仿真模型的基礎上，研究了定轉矩加速工況下廢氣旁通閥瞬態(tài)控制的目標增壓壓力對汽油機瞬態(tài)加速響應特性的影響規(guī)律以及定轉矩減速工況中增壓器與汽油機匹配運行的變化規(guī)律，確定了瞬態(tài)工況下廢氣旁通閥的控制策略，進而對渦輪增壓汽油機瞬態(tài)加減速工況的性能進行了優(yōu)化.

1 發(fā)動機模型的建立

1.1 發(fā)動機基本參數(shù)

本研究基于一款小排量渦輪增壓汽油機，其基本參數(shù)見表1.

1.2 發(fā)動機仿真模型建立

圖1為在GTPower發(fā)動機性能開發(fā)軟件中構建0.8 L帶廢氣旁通閥的增壓汽油機模型[10].

依據(jù)研究機型的相關尺寸設置中冷器、節(jié)氣門、進排氣管路、氣缸、曲軸箱系統(tǒng)、噴油器等幾何模型的參數(shù)值；合理設置進、出口邊界中的環(huán)境溫度和環(huán)境壓力，以模擬空氣濾清器、消聲器及尾氣后處理系統(tǒng)等壓力損失元件對發(fā)動機動力性能的影響[11]；在進、排氣門模塊升程陣列中輸入進、排氣門升程隨曲軸轉角變化的規(guī)律曲線，分別設定各轉速下的進氣正時和排氣正時；在噴油器模塊中輸入噴油壓力隨曲軸轉角變化的規(guī)律曲線，并設定不同轉速下的噴油率和空燃比；發(fā)動機的點火順序和點火間隔角在曲軸箱系統(tǒng)中設置，并使用摩擦損失模塊計算發(fā)動機的摩擦損失隨轉速變化；在壓氣機和渦輪機單元中輸入選配增壓器對應的試驗MAP，經(jīng)插值后模擬增壓器的相關參數(shù)；設置目標增壓壓力為廢氣旁通閥控制系統(tǒng)模塊（PID控制器）的控制目標，并設定外特性工況下不同轉速對應的目標增壓壓力值.PID能夠對廢氣旁通閥開度大小實時調控以使壓氣機出口壓力達到目標值.

調試影響發(fā)動機性能的參數(shù)，并結合增壓汽油機的外特性實驗數(shù)據(jù)對該計算模型進行校正，結果如圖2所示.由圖2可知，發(fā)動機各轉速下功率和比油耗的計算結果與試驗結果曲線比較吻合，誤差均在5%范圍內(nèi)，因此，可以利用該計算模型對改善增壓汽油機瞬態(tài)工況下響應性能的廢氣旁通閥瞬態(tài)控制策略進行研究.

1.3 發(fā)動機瞬態(tài)計算模型參數(shù)設置

對所建立的可靠穩(wěn)態(tài)仿真模型進行瞬態(tài)設置.使用指針變量將進排氣正時、空燃比、穩(wěn)態(tài)外特性計算所得廢氣旁通閥開度等設置為隨發(fā)動機轉速變化的量[12-13].由于旁通閥的實際開閉速度對發(fā)動機瞬態(tài)響應有較大影響，需要在執(zhí)行器中對最大開閉速度進行設定.

2 瞬態(tài)工況計算與分析

Turbine模塊中Wastegate Diameter使用Profile Transient形式設定不同時刻廢氣旁通閥開度值，根據(jù)增壓壓力在不同廢氣旁通閥開度下的變化規(guī)律，編寫相關程序，從而實現(xiàn)對廢氣旁通閥及時有效的PID瞬態(tài)控制.

2.1 瞬態(tài)加速工況計算

使汽油機瞬態(tài)模型在速度模式下運行，將發(fā)動機轉速有效控制在固定轉速下.分別將倍數(shù)梯度變化的增壓壓力設定成PID控制器目標值對模型進行瞬態(tài)計算.得到各固定轉速下達到目標轉矩所用時間的對比.

由圖3可知，不同固定轉速下，隨著目標增壓壓力的提高，達到目標轉矩的時間不斷減少.同時，在固定轉速相對較小時，通過增大增壓壓力改善轉矩響應的效果更加明顯.因為當轉速較低時，驅動增壓器做功的廢氣流量很小，通過提高目標增壓壓力能夠相應延遲廢氣旁通閥在加速過程中的開啟時刻，增壓器獲得更多的廢氣能量從而實現(xiàn)增壓壓力快速上升.因此，增大目標增壓壓力能夠顯著減少汽油機定轉矩加速工況下的響應時間.但由于增壓汽油機容易發(fā)生爆燃，且增壓器可能發(fā)生超速，故對增壓壓力有一定限制，通常不大于200 kPa[14].采用這種方法確定發(fā)動機不同固定轉速對應的適當增大后的最佳增壓壓力.

在PID控制模塊中將目標控制值設置成XYTable定義的不同固定轉速下最佳增壓壓力隨轉速變化關系的指針變量.瞬態(tài)模型負載模式下，節(jié)氣門部分開啟時汽油機穩(wěn)定于2 000 r/min，25個運轉循環(huán)后節(jié)氣門突然增大到最大開度，發(fā)動機自2 000 r/min起進行定轉矩加速.圖4為定轉矩加速時發(fā)動機轉速瞬態(tài)響應的對比.

由圖4可知：定轉矩加速過程中，對廢氣旁通閥采用以不同轉速下最佳增壓壓力為目標控制值的PID控制，發(fā)動機轉速在0.32 s內(nèi)就開始上升，整個加速過程所用時間比原機縮短了1.5 s，性能提高36.1%.汽油機在定轉矩加速下的瞬態(tài)響應顯著改善.

圖5、圖6分別為定轉矩加速工況下增壓器轉速、廢氣旁通閥開度隨時間變化的對比.

通過對比可以看出，定轉矩加速工況下，采用PID對廢氣旁通閥進行瞬態(tài)控制，在相同空氣流量下其增壓壓力上升更快.這是因為在固定轉速下，隨著增壓壓力目標值的增大，當空氣流量相同時，渦輪端廢氣旁通閥的開度則相對減小，更多廢氣能量用以驅動增壓器工作，壓氣機出口壓力也隨之增大.同時，其聯(lián)合運行線依然遠離喘振線，增壓器轉速始終在增壓器正常運行轉速范圍內(nèi)，發(fā)動機與增壓器匹配良好.

2.2 瞬態(tài)減速工況計算

汽油機在額定轉速（6 000 r/min）下全負荷穩(wěn)定運轉，而后在加載轉矩不變的情況下，節(jié)氣門突然關閉到一定開度，此時發(fā)動機進入定轉矩減速工況.在仿真計算時設定瞬態(tài)模型處于負載模式下，節(jié)氣門保持最大開度，發(fā)動機在額定轉速平穩(wěn)運行50個循環(huán)后，節(jié)氣門在0.02 s內(nèi)急速減小到目標轉速（2 000 r/min）對應的開度值，發(fā)動機在定轉矩減速工況運行.為防止發(fā)動機減速工況下進氣量快速減少而引起的增壓器喘振，PID控制采用前期適當延長廢氣旁通閥全開的時間，待轉速下降某一值后，目標控制值切換為壓氣機出口增壓壓力的控制策略.由于發(fā)動機在定轉矩減速時，前期發(fā)動機轉速下降很快，為使控制策略切換后能實現(xiàn)良好的效果，需要確定適合的轉速切換點，本文中選定為1.25倍目標轉速.

圖8為定轉矩減速工況下廢氣旁通閥開度變化的對比.圖9為定轉矩減速工況下發(fā)動機轉速響應特性的對比.由圖8、圖9中可以看出，當采用此控制策略時，定轉矩減速前期廢氣旁通閥快速增大到最大開度并持續(xù)一段時間，發(fā)動機轉速也隨之快速下降.同時在整個定轉矩減速過程中采用該控制策略達到目標轉速的時間為3.1 s，而原機達到目標轉速的時間為5.6 s，瞬態(tài)響應提高了44.6%.

圖10為定轉矩減速工況下增壓器和汽油機之間聯(lián)合運行線的對比.

由圖10可知，定轉速減速工況下，聯(lián)合運行線向高效率區(qū)偏移，同時逐漸遠離喘振線.這是由于前期適當延長廢氣旁通閥全開的時間，在相同發(fā)動機轉速和空氣流量下，旁通閥開度相應增加，廢氣旁通量占比提高，增壓器對進氣的做功能力減弱，增壓比下降.整個減速過程中增壓器未發(fā)生喘振和超速，能夠正常高效運轉.

3 結 論

1）渦輪增壓汽油機在定轉矩加速工況時瞬態(tài)性能較差，達到目標轉速的響應時間為4.15 s，采用適當增大各轉速下增壓壓力作為瞬態(tài)控制目標值對廢氣旁通閥進行瞬態(tài)控制的方法，達到目標轉速的響應時間僅為1.5 s，瞬態(tài)加速性能提升了36.1%，同時發(fā)動機與增壓器之間能夠實現(xiàn)高效的匹配.

2）在定轉矩減速工況采用前期適當延長廢氣旁通閥全開的時間，待轉速下降到1.25倍目標轉速后，控制目標切換到增壓壓力的控制策略.結果表明這能夠使發(fā)動機轉速快速下降到目標值，同時聯(lián)合運行線逐漸遠離喘振線，保證了增壓器正常運行，同時極大地改善了定轉矩減速工況下增壓汽油機的瞬態(tài)響應.

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