高海拔柴油機(jī)兩級增壓控制研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

劉大川，張眾杰，劉瑞林，李浩，夏南龍

（陸軍軍事交通學(xué)院，天津300161）

我國高原具有海拔高，面積廣的特點，有“世界屋脊”之稱的青藏高原平均海拔在4000 m以上，占我國陸地面積24%[1]。與平原地區(qū)相比，高原地區(qū)大氣壓力減小，柴油機(jī)在高原工作進(jìn)氣流量減少，導(dǎo)致空燃比減小，燃燒惡化，進(jìn)而造成柴油機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性下降，排放增加等問題，嚴(yán)重影響柴油機(jī)性能[2]。隨著我國一帶一路戰(zhàn)略的實施以及西部地區(qū)日趨嚴(yán)峻的周邊環(huán)境，開展柴油機(jī)高原性能提升方面研究對我國具有十分重要的意義[3]，而增壓技術(shù)是提升柴油機(jī)高原性能的重要手段之一。

普通廢氣渦輪增壓器不能滿足更高海拔范圍內(nèi)柴油機(jī)各項性能要求，其與柴油機(jī)的匹配針對固定海拔，不能滿足柴油機(jī)變海拔、全工況的需求[4-5]?？勺兘孛鏈u輪增壓（VGT）可實現(xiàn)增壓比的連續(xù)可控調(diào)節(jié)，提高柴油機(jī)的高原環(huán)境適應(yīng)性。同樣受限于自身流量和壓比限制，在更高的海拔范圍內(nèi)，單級 VGT無法滿足柴油機(jī)性能要求。二級可調(diào)增壓通過對進(jìn)氣連續(xù)兩次增壓，能夠達(dá)到更高的增壓壓力，且高壓級轉(zhuǎn)動慣量小，瞬態(tài)響應(yīng)速度快[6]，但二級可調(diào)增壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性對控制系統(tǒng)提出了更高的要求。

增壓器結(jié)構(gòu)確定情況下，其性能優(yōu)劣取決于控制系統(tǒng)好壞。傳統(tǒng)PID控制已實現(xiàn)了應(yīng)用，并在平原能夠控制增壓器使發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)工作正常，但發(fā)動機(jī)大部分工作時間都是處于變化的環(huán)境與工況當(dāng)中，這就對控制系統(tǒng)提出更復(fù)雜的要求。通過改進(jìn)柴油機(jī)二級可調(diào)增壓控制可以改善燃燒，提高柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性、動力性，降低碳煙、NOx的排放。針對兩級增壓控制系統(tǒng)研究主要有控制策略研究及多系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制研究兩個方面。

1 高海拔增壓系統(tǒng)控制策略研究現(xiàn)狀

隨海拔的升高，環(huán)境大氣壓力降低，導(dǎo)致渦輪排氣背壓降低，進(jìn)而導(dǎo)致渦輪膨脹比增加，渦輪做功增加，壓氣機(jī)壓比上升[7]，柴油機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下，達(dá)到目標(biāo)增壓壓力所需能量變化值與渦輪端由于排氣背壓降低所帶來的膨脹功變化關(guān)系不確定。此外，發(fā)動機(jī)工況時刻變化，由于增壓器本身的遲滯性，都對增壓控制提出更高的要求，國內(nèi)外學(xué)者針對控制策略與控制算法進(jìn)行了深入的研究。

1.1 平原增壓系統(tǒng)控制策略

國外平均海拔在2000 m以下，增壓器控制策略研究主要集中在平原條件下提升柴油機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放特性，控制參數(shù)主要包括 VGT葉片開度、渦輪旁通閥開度及增壓壓力等。不同單位針對各類型二級可調(diào)增壓系統(tǒng)、控制目標(biāo)提出多種控制策略，見表 1。國內(nèi)外學(xué)者的研究以傳統(tǒng) PID及其改進(jìn)型控制方法為主，較為有代表性的如Buratti R[8]提出了一種基于模型的增壓壓力控制策略，針對不同工況分別采用不同控制策略，穩(wěn)態(tài)工況采用PI控制，瞬態(tài)工況采用PD控制，明顯改善了發(fā)動機(jī)性能。上海交通大學(xué)劉博[9-10]針對帶放氣閥的兩級固定截面渦輪增壓（WGT+WGT）系統(tǒng)，提出基于響應(yīng)速度開環(huán)前饋與基于增壓壓力的PID閉環(huán)反饋結(jié)合的控制方法。

表1 二級增壓可調(diào)增壓系統(tǒng)不同控制策略（0海拔）

從表1中可以看出，針對平原增壓系統(tǒng)控制策略研究主要采取PID控制，隨著排放法規(guī)日趨嚴(yán)格，智能控制算法逐漸應(yīng)用于平原增壓系統(tǒng)控制，如線性二次型高斯法控制（LQG）、內(nèi)?？刂坪湍Ｐ皖A(yù)測控制（MPC）等算法都開始在增壓控制方面有所應(yīng)用。Paul Dickinson[24]提出了實施模型預(yù)測控制，針對VGT瞬態(tài)工況控制算法進(jìn)行了研究，瞬態(tài)工況下實時模型預(yù)測控制相比PID升壓時間減少45%。

綜上所述，PID控制在平原增壓系統(tǒng)控制策略中已經(jīng)較為成熟，為進(jìn)一步提高增壓系統(tǒng)響應(yīng)速度、經(jīng)濟(jì)性及降低排放，智能控制算法將會更多應(yīng)用于平原增壓系統(tǒng)控制。

1.2 高原增壓系統(tǒng)控制策略

進(jìn)氣流量不降低是柴油機(jī)高原環(huán)境性能不下降的前提。試驗發(fā)現(xiàn)，海拔低于3000 m時，海拔的影響基本可以通過增壓器本身補(bǔ)償能力彌補(bǔ)。國內(nèi)針對0～5500 m海拔不同類型增壓系統(tǒng)進(jìn)行了研究。相對于平原增壓系統(tǒng)控制策略，高原條件下更加復(fù)雜，是一個綜合考慮進(jìn)氣壓力、進(jìn)氣溫度、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷的多輸入多輸出的非線性控制問題，國內(nèi)外高海拔二級增壓可調(diào)增壓系統(tǒng)不同控制策略研究見表2。

表2 高海拔二級增壓可調(diào)增壓系統(tǒng)不同控制策略

瓦倫西亞大學(xué)J. Galindo[25]針對0～2000 m海拔發(fā)動機(jī)工況波動，設(shè)計了對應(yīng)的一維波動模型，通過預(yù)測函數(shù)，實現(xiàn)不同工況平穩(wěn)過渡。北京理工大學(xué)劉系暠[26]設(shè)計了兩級WGT增壓系統(tǒng)，針對穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行了研究，提出了針對0～5500 m旁通閥調(diào)節(jié)策略。上海交通大學(xué)李華雷[27]為提高不同海拔下二級可調(diào)增壓系統(tǒng)增壓壓力的瞬態(tài)響應(yīng)特性，采用增量式閉環(huán)PID控制，以防止積分飽和，運(yùn)用歸一化參數(shù)整定法對PID參數(shù)整定。仿真表明，相比開環(huán)控制策略，該增量式閉環(huán) PID控制策略使柴油機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)時間少，超調(diào)量減小，海拔4500 m響應(yīng)時間減少32.6%，柴油機(jī)與壓氣機(jī)聯(lián)合運(yùn)行線處于壓氣機(jī)MAP圖效率較高區(qū)，且遠(yuǎn)離喘振線。利奇[28]將海拔因素考慮進(jìn)PI參數(shù)整定中，有效防止積分飽和。從穩(wěn)態(tài)工況抗干擾能力（脈沖信號和階躍信號）、瞬態(tài)工況下響應(yīng)時間和超調(diào)量等角度，分析比較了三種控制策略（開環(huán)控制、PI+前饋的閉環(huán)控制、增壓壓力PI反饋控制）的魯棒性、準(zhǔn)確性和快速性。張寶川[29-30]通過耦合仿真研究了 PID 控制參數(shù)對系統(tǒng)的響應(yīng)特性與穩(wěn)定性的影響。張慧龑[31]研究了變海拔條件下可變噴嘴開度控制策略，在全工況范圍內(nèi)，隨海拔的升高，柴油機(jī)對應(yīng)工況點的噴嘴環(huán)開度逐漸減小。

針對現(xiàn)有VGT+VGT和WGT+WGT兩級增壓系統(tǒng)，分別存在調(diào)節(jié)范圍窄和控制過于復(fù)雜的問題。劉瑞林[32-34]提出了高原型 VGT+WGT兩級可調(diào)增壓方案，以增壓壓力瞬態(tài)響應(yīng)時間最短為控制目標(biāo)，比較了瞬態(tài)工況下三種VGT葉片開度調(diào)節(jié)策略優(yōu)劣。

由表 2可以看出，針對高原增壓系統(tǒng)控制策略的研究主要集中在PID控制及穩(wěn)態(tài)開度MAP標(biāo)定，傳統(tǒng)PID控制比例、積分和微分系數(shù)都是固定的，不能根據(jù)柴油機(jī)工況進(jìn)行自整定。改進(jìn)型PID是為實現(xiàn)PID可調(diào)而設(shè)計出的控制方法。試驗與仿真結(jié)果表明，參數(shù)可調(diào)PID在不同海拔增壓系統(tǒng)控制中能改善發(fā)動機(jī)性能。先進(jìn)控制算法已經(jīng)逐漸應(yīng)用到平原條件下柴油機(jī)二級可調(diào)增壓控制中，與平原條件相比高原變量個數(shù)增加，變化幅值增大，PID控制本身的局限性將不能滿足消費者要求與日益嚴(yán)格排放法規(guī)。借鑒平原條件下柴油機(jī)先進(jìn)增壓控制方法，進(jìn)一步改善柴油機(jī)高海拔性能是下一步重要發(fā)展方向。

2 高海拔多系統(tǒng)協(xié)同控制策略研究

柴油機(jī)控制屬于多系統(tǒng)、多參數(shù)高度耦合控制問題。柴油機(jī)主要子系統(tǒng)包括：增壓系統(tǒng)、噴油系統(tǒng)、廢氣再循環(huán)（EGR）系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)之間存在強(qiáng)烈耦合。單獨考慮任何系統(tǒng)顯然無法實現(xiàn)精確控制，國內(nèi)外主要針對與增壓系統(tǒng)耦合關(guān)系最明顯的噴油、EGR系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究。

2.1 平原多系統(tǒng)協(xié)同控制策略

傳統(tǒng)控制方法忽略了各系統(tǒng)的耦合特性而通過獨立回路分別控制，這種方法顯然難以獲得理想控制效果。具有可行性的控制算法或者控制器需要保證穩(wěn)態(tài)工況控制參數(shù)盡量趨近于其目標(biāo)值，并能夠抵御各種干擾。瞬態(tài)工況中可以減少變化的過渡時長，盡量減少超調(diào)、發(fā)散和不穩(wěn)定情況出現(xiàn)。傳統(tǒng) PID 控制具有算法簡單、易于移植、技術(shù)成熟可靠等優(yōu)點，作為增壓壓力的控制算法，在WGT、VGT和VGT-EGR耦合系統(tǒng)[35-36]中應(yīng)用廣泛。

近年來，柴油機(jī)多系統(tǒng)協(xié)同控制受到國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)的重視，最具代表性的如博格華納公司[37]針對雙EGR耦合VGT系統(tǒng)采用進(jìn)氣壓力與EGR率反饋控制策略，以降低泵氣損失，并提高壓氣機(jī)效率。國內(nèi)北京理工大學(xué)杜巍[38]以最佳燃油經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)，計算了外特性條件下廢氣旁通閥開度與噴油提前角對柴油機(jī)性能的影響規(guī)律，得到兩者的優(yōu)化匹配規(guī)律。各單位的研究內(nèi)容見表3。

從表3可以看出，多系統(tǒng)協(xié)同控制主要采取多種控制策略相結(jié)合或某種較為先進(jìn)的控制算法，控制目標(biāo)主要集中在降低排放、提高經(jīng)濟(jì)性及響應(yīng)速度?；谏鲜鋈我欢嘧兞靠刂品椒ㄋ鶚?gòu)建的控制器，都可以實現(xiàn)對多輸入、輸出系統(tǒng)的控制，兩級可調(diào)增壓系統(tǒng)本身所具有的延遲性、非線性等特點使之更容易接受MPC控制。除此之外，MPC控制方法可以結(jié)合其他算法或理論，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等，在柴油機(jī)多系統(tǒng)協(xié)同控制方面具有很大的發(fā)展空間。

表3 柴油機(jī)多系統(tǒng)、多參數(shù)協(xié)同控制比較（0海拔）

2.2 高原多系統(tǒng)協(xié)同控制策略

隨海拔的升高，大氣壓力降低，進(jìn)氣環(huán)境發(fā)生改變，多系統(tǒng)協(xié)同控制更為復(fù)雜。目前針對高海拔柴油機(jī)多系統(tǒng)協(xié)同控制研究較少，針對增壓與噴油，增壓與EGR都有待進(jìn)一步研究。

上海交通大學(xué)李華雷[52]針對帶旁通閥的兩級WGT存在高海拔個別工況下增壓器效率下降和泵氣損失增加的問題，提出噴油補(bǔ)償與渦輪旁通閥控制相結(jié)合的控制策略控制增壓壓力。張立夫[53]基于二級可調(diào)增壓柴油機(jī)仿真模型，開展不同過量空氣系數(shù)和噴油量工況下柴油機(jī)高原性能仿真計算。結(jié)果表明，在海拔4500 m條件下，采用兩級可調(diào)增壓系統(tǒng)，并結(jié)合油氣協(xié)同控制，柴油機(jī)扭矩和功率可達(dá)到100%恢復(fù)。

北京理工大學(xué)劉系暠[26]在海拔 0～5500 m 范圍內(nèi)，建立以增壓壓力為反饋量的PID控制器，動態(tài)調(diào)節(jié)渦輪旁通閥開度與循環(huán)噴油量。李長江[54]針對不同海拔下轉(zhuǎn)矩突降問題，通過研究增壓系統(tǒng)旁通閥和噴油提前角調(diào)節(jié)特性，設(shè)計了瞬態(tài)工況壓氣機(jī)旁通閥晚關(guān)和延遲噴油兩種控制策略。朱振夏[55]提出了“邊界適應(yīng)度歸零”的懲罰參數(shù)取值方法，搭建了遺傳算法與柴油機(jī)性能仿真耦合優(yōu)化模型，并對噴油參數(shù)和壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速分別進(jìn)行優(yōu)化。

昆明理工大學(xué)陳貴升[56]為提升二級可調(diào)增壓柴油機(jī)高原適應(yīng)性，并降低排放，采用高壓級渦輪VGT葉片開度與 EGR率協(xié)同控制，并耦合后噴策略。王俊[57]通過遺傳算法優(yōu)化不同海拔條件下VNT/EGR耦合控制，改善柴油機(jī)在高海拔、全工況范圍內(nèi)的經(jīng)濟(jì)性與排放性。狄磊[58]基于柴油機(jī)熱力學(xué)模型，在0～4000 m海拔，分別研究了VGT葉片開度和后噴策略（后噴量、主后噴間隔）對柴油機(jī)進(jìn)氣特性、燃燒過程、能量流向和排放的影響規(guī)律。

以上幾篇文獻(xiàn)均是基于二級可調(diào)增壓控制參數(shù)優(yōu)化基礎(chǔ)上，對固定海拔下噴油參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。隨著供油參數(shù)的改變，壓氣機(jī)聯(lián)合運(yùn)行線必然發(fā)生變化，以上研究并未真正實現(xiàn)高海拔下增壓控制參數(shù)與噴油參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化。陸軍軍事交通學(xué)院梁志峰[59]進(jìn)行了變海拔柴油機(jī)增壓與噴油系統(tǒng)控制參數(shù)協(xié)同標(biāo)定仿真研究，分析VGT葉片開度、噴油提前角與噴油量三者協(xié)同調(diào)節(jié)對空燃比、最高燃燒壓力和轉(zhuǎn)矩的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，一定程度上增加VGT葉片開度與噴油量，同時減小噴油提前角，可有效避免最高燃燒壓力過高同時提升轉(zhuǎn)矩。

3 高海拔柴油機(jī)兩級增壓控制發(fā)展趨勢

上述研究反映了國內(nèi)外柴油機(jī)二級可調(diào)增壓及其與其他系統(tǒng)協(xié)同控制策略與控制方法方面的研究狀況。西方發(fā)達(dá)國家的地理特點，使其對增壓控制方面研究集中在3000 m以下，而我國特殊高原環(huán)境及國家安全與發(fā)展戰(zhàn)略決定必須開展3000 m海拔以上的研究。結(jié)合現(xiàn)階段研究情況，高海拔二級可調(diào)增壓控制還需在以下幾個方面深入研究。

3.1 兩級可調(diào)增壓系統(tǒng)高海拔先進(jìn)控制方法研究

目前針對高海拔下柴油機(jī)及增壓系統(tǒng)瞬態(tài)工況控制算法一般采用開環(huán)控制、閉環(huán)控制、PID等傳統(tǒng)的控制算法，但隨著海拔的升高，大氣壓力和大氣溫度對控制過程的影響是必須考慮的因素，PI控制易出現(xiàn)積分飽和問題，達(dá)不到高海拔柴油機(jī)瞬態(tài)過程控制效果。因此，在未來高海拔柴油機(jī)及增壓系統(tǒng)瞬態(tài)控制算法開發(fā)中，應(yīng)借鑒當(dāng)今航空發(fā)動機(jī)、人工智能領(lǐng)域先進(jìn)的控制思想和控制算法，提升控制精度和魯棒性，減少瞬態(tài)過程增壓壓力響應(yīng)時間和轉(zhuǎn)矩的波動性。對不同先進(jìn)控制算法的比較分析見表4[60]。

由表4可以看出，傳統(tǒng)PID控制及改進(jìn)型只具有較高魯棒性，其他控制理論也存在收斂速度、多目標(biāo)控制能力、非線性特性一項或多項水平較低的問題。國內(nèi)外學(xué)者為了改善控制系統(tǒng)的跟蹤和抗擾等特性，將自適應(yīng)技術(shù)、滑模變結(jié)構(gòu)控制、智能控制（模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制）等一系列先進(jìn)的控制算法融入到傳統(tǒng)的控制技術(shù)中，將是未來高海拔二級可調(diào)增壓系統(tǒng)控制算法的發(fā)展趨勢。

3.2 高海拔多系統(tǒng)、多參數(shù)協(xié)同控制

瞬態(tài)優(yōu)化控制更強(qiáng)調(diào)操縱靈活性，更重視排放及燃油經(jīng)濟(jì)性。柴油機(jī)瞬態(tài)工況下，進(jìn)氣-噴油-燃燒相互影響，為了同時優(yōu)化瞬態(tài)工況下柴油機(jī)的多個目標(biāo)參數(shù)，需要協(xié)同控制二級可調(diào)增壓系統(tǒng)、噴油系統(tǒng)、進(jìn)排氣門和 EGR等多個子系統(tǒng)，實現(xiàn)瞬態(tài)工況下多變量控制，多目標(biāo)優(yōu)化。因此柴油機(jī)高海拔多系統(tǒng)、多參數(shù)協(xié)同控制是增壓系統(tǒng)控制的重點研究方向。張眾杰[61]針對高海拔條件車用柴油機(jī)提出的多系統(tǒng)、多參數(shù)協(xié)同控制方案如圖1所示。其中采用的二級可調(diào)增壓系統(tǒng)高、低壓級增壓器均為 VGT，實現(xiàn)柴油機(jī)變海拔瞬態(tài)過程中增壓壓力自適應(yīng)控制，與噴油系統(tǒng)、EGR系統(tǒng)、排氣門協(xié)同控制，全面優(yōu)化柴油機(jī)高海拔各項性能指標(biāo)。

表4 先進(jìn)控制算法比較分析

圖1 變海拔柴油機(jī)瞬態(tài)工況下多系統(tǒng)、多參數(shù)協(xié)同控制路線

4 結(jié)語

文中總結(jié)了高海拔增壓系統(tǒng)策略和多系統(tǒng)協(xié)同控制策略的研究現(xiàn)狀，最后分析了高海拔二級可調(diào)增壓控制發(fā)展趨勢。

1）借鑒平原條件下柴油機(jī)先進(jìn)增壓控制方法進(jìn)一步改善柴油機(jī)高海拔性能是高海拔增壓系統(tǒng)控制策略下一步重要發(fā)展方向。

2）高海拔柴油機(jī)多系統(tǒng)協(xié)同控制方面具有很大的發(fā)展空間。

3）將先進(jìn)控制算法融入到傳統(tǒng)的控制技術(shù)中，將是未來高海拔二級可調(diào)增壓系統(tǒng)控制算法的發(fā)展趨勢。

4）柴油機(jī)高海拔多系統(tǒng)、多參數(shù)協(xié)同控制是增壓系統(tǒng)控制的重點研究方向。