商用汽車發(fā)動機電動增壓控制策略優(yōu)化研究

黃永鵬 杜宇 陳俊紅 魏超

摘 要：為了驗證電動增壓控制技術(shù)對使用常規(guī)的機械式渦輪增壓器的電控柴油機在低速動力性方面的影響，對電動增壓控制策略進行了優(yōu)化研究，使用快速控制原型實現(xiàn)了對電動增壓控制策略的開發(fā)，并與某款電動增壓器匹配應(yīng)用于一款8升國六電控柴油機上進行性能對比試驗。試驗結(jié)果表明，應(yīng)用了優(yōu)化后的電動增壓控制策略的電動增壓器可以根據(jù)電控柴油機的當(dāng)前運行工況，對其主增壓器起到較好的自動進氣補償作用，能明顯提升柴油機的低速扭矩，從而解決了柴油機瞬態(tài)急加速冒煙和低速段動力性差的問題。

關(guān)鍵詞：電動增壓器;電動增壓控制策略;快速控制原型;低速動力性

中圖分類號：U462.1 ?文獻標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）10-77-04

Research on the Optimization of Electric Turbocharging Control Strategyof Commercial Automobile Engine

Huang Yongpeng， Du Yu， Chen Junhong， Wei Chao

（Guangxi Yuchai Machinery Co.， Ltd.， Engineering Research Institute，?Guangxi Nanning 530007）

Abstract：?To validate the electric turbocharging control technology on the influence of the low speed performance of electronic control diesel engine with conventional turbocharger， studied the optimization of electric turbocharging control strategy， using the rapid control prototype realizes the development of the control strategy， and with an electric booster is applied to a performance comparative experiment on a 8 liter CN6 diesel engine. The test results show， the electric booster， that use the optimized electric turbocharging control strategy， can according to the current operation condition of electronic control diesel engine make a good automatic inlet compensation effect， can significantly improve diesel engine torque at low speed area， so as to solve problems of the diesel engine transient speed up smoking and poor performance at low speed area.

Keywords： Electric booster;?Electric turbocharging control strategy; Rapid control prototype;?Performance at low speed area

CLC NO.：?U462.1 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）10-77-04

前言

隨著增壓技術(shù)在內(nèi)燃機上的廣泛應(yīng)用，雖然有利于發(fā)動機熱效率的提高，但是增壓器響應(yīng)滯后的問題，導(dǎo)致發(fā)動機在煙度控制能力方面較差^[1]。但在當(dāng)前的汽車工業(yè)發(fā)展形勢下，對增壓技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)^[2]，而采用電動增壓技術(shù)對使用機械式渦輪增壓器的柴油機的瞬時加速工況有較明顯的改善作用^[3]。

1?電動增壓技術(shù)

電動增壓技術(shù)主要采用的是電動增壓器與機械式渦輪增壓器進行雙增壓協(xié)同工作的方案。

相比機械式渦輪增壓柴油機，電動增壓器具有提升低速扭矩、改善瞬態(tài)加速響應(yīng)性、多樣化增壓控制模式等優(yōu)點^[4-5]。

由于電動增壓器安裝位置的不同，會對柴油機的外圍零部件布局設(shè)計、可靠性、性能數(shù)據(jù)等產(chǎn)生影響^[6]，因此在進行臺架或整車試驗時，需要根據(jù)柴油機的邊界條件為電動增壓器選擇不同的安裝位置。

當(dāng)前電動增壓技術(shù)的研究現(xiàn)狀更多的是關(guān)注于電動增壓器對提升發(fā)動機低速性能和改善加速煙度的影響^[7-8]，而在如何結(jié)合發(fā)動機當(dāng)前的運行工況對電動增壓器進行實時的自適應(yīng)控制方面，特別是對電動增壓控制策略進行優(yōu)化開發(fā)方面研究得較少。天津大學(xué)徐廣蘭設(shè)計的電動增壓器的電控系統(tǒng)對發(fā)動機的油門位置信號、電機的冷卻水溫度信號和壓氣機的控制頻率信號進行了采集，并經(jīng)過工況判斷、電機冷卻、壓氣機轉(zhuǎn)速顯示等模塊計算控制后，驅(qū)動壓氣機和冷卻水泵的運行^[9]。北京理工大學(xué)韓冀寧等在對工況識別系統(tǒng)進行設(shè)計時，增加了對發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號的采集和識別。當(dāng)發(fā)動機達到目標(biāo)轉(zhuǎn)速時，旁通閥打開，電動增壓系統(tǒng)停止工作^[10]。

本研究結(jié)合目前的研究現(xiàn)狀和存在的問題，以MotoTron快速控制原型開發(fā)平臺為基礎(chǔ)及結(jié)合電動增壓器的控制特性，對電動增壓控制策略進行了優(yōu)化研究，并以一臺安裝了電動增壓器的8升國六電控發(fā)動機為試驗對象，對優(yōu)化的電動增壓控制策略進行了匹配標(biāo)定和性能試驗研究。

2 控制策略研究

2.1 電動增壓控制策略開發(fā)

電控柴油機在低速段的動力性差，主要是由于機械式渦輪增壓器在該區(qū)間的增壓壓力和進氣量都無法滿足需求，從而表現(xiàn)為柴油機運行無力。此時，引入電動增壓器將對柴油機中低速段的動力性提升會有所幫助。

由于電動增壓器是通過控制轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)增壓壓力的控制，因此在控制策略（圖1）中需要結(jié)合柴油機當(dāng)前的運行工況信息對柴油機需求的增壓壓力進行計算，并經(jīng)過上下限判斷、濾波處理等操作后，再將需求增壓壓力輸入到增壓壓力閉環(huán)控制模塊，進行電動增壓器需求轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。

相對于已有的研究方案使用油門踏板位置、油門踏板位置變化率、發(fā)動機轉(zhuǎn)速等作為電動增壓控制策略的輸入來說，圖1的控制策略不僅使用了柴油機循環(huán)噴油量來替代油門踏板位置和油門踏板位置變化率，而且還增加了對柴油機增壓溫度、增壓壓力、水溫、大氣壓力等參數(shù)的采集，從而使電動增壓控制策略能更快地掌握柴油機當(dāng)前的運行工況，實現(xiàn)對電動增壓器轉(zhuǎn)速更實時和更全面的控制。

2.2 增壓壓力需求計算模塊開發(fā)

因為柴油機的增壓壓力需求與發(fā)動機轉(zhuǎn)速、噴油量、大氣壓力、水溫、增壓溫度等參數(shù)有關(guān)，所以需要設(shè)計合理的控制策略用于計算柴油機當(dāng)前運行工況下的增壓壓力需求值。

由于柴油機的排量、功率、最大扭矩轉(zhuǎn)速等技術(shù)參數(shù)也會影響增壓壓力需求，因此需要根據(jù)柴油機當(dāng)前的轉(zhuǎn)速和噴油量設(shè)計增壓壓力需求脈譜，并結(jié)合柴油機的技術(shù)參數(shù)及經(jīng)過相應(yīng)的匹配標(biāo)定后，使之能夠查表獲得增壓壓力需求的基礎(chǔ)值。

在不同的海拔高度下，大氣壓力會有不同，增壓壓力需求也會有所變化。當(dāng)柴油機運行在高海拔地區(qū)時，則需要根據(jù)當(dāng)前的大氣壓力對增壓壓力需求的基礎(chǔ)值進行修正。

發(fā)動機水溫的不同，也會對增壓壓力需求有影響，特別是在寒區(qū)進行冷起動時，需要考慮水溫對柴油機性能的影響。此時，電動增壓控制策略需要根據(jù)柴油機當(dāng)前水溫情況對增壓壓力需求的基礎(chǔ)值進行實時的修正。

增壓溫度也是影響柴油機增壓壓力需求的一個要素。因為當(dāng)柴油機的增壓溫度較高時，進氣密度會有所降低，從而影響進氣質(zhì)量流量，所以需要設(shè)計增壓溫度修正曲線，對增壓壓力需求的基礎(chǔ)值進行補償。

如圖2所示，為已開發(fā)的增壓壓力需求計算控制策略，其根據(jù)當(dāng)前的發(fā)動機轉(zhuǎn)速和噴油量查脈譜（MAP）獲得增壓壓力需求的基礎(chǔ)值，然后經(jīng)過大氣壓力、水溫和增壓溫度查相應(yīng)的曲線（CUR）進行修正后，得到當(dāng)前工況下的增壓壓力需求計算值。

2.3 增壓壓力限值濾波模塊開發(fā)

由于選型的電動增壓器的轉(zhuǎn)速范圍是固定的，而且電動增壓器的轉(zhuǎn)速與其能產(chǎn)生的增壓壓力有直接的對應(yīng)關(guān)系，為了能讓開發(fā)的控制策略具有通用性，且能對不同型號的電動增壓器的轉(zhuǎn)速范圍進行限制，因此需要設(shè)計可標(biāo)定的標(biāo)定變量，對柴油機增壓壓力需求值的取值范圍進行上下限的限制。

為了防止增壓壓力需求值的變化過快，導(dǎo)致電動增壓器無法進行及時的響應(yīng)，需要對經(jīng)過上下限值處理的增壓壓力需求值進行必要的濾波，濾波常數(shù)的選擇也可以通過標(biāo)定變量來進行匹配標(biāo)定。經(jīng)過上下限值和濾波的處理，增壓壓力限值濾波模塊將輸出最終的需求增壓壓力。

2.4 增壓壓力閉環(huán)控制模塊開發(fā)

為了使實際的增壓壓力接近需求的增壓壓力，需要使用PID控制對需求增壓壓力和實際增壓壓力的偏差值進行電動增壓器的需求轉(zhuǎn)速修正。針對匹配不同柴油機功率的電動增壓器，可以通過對PID環(huán)節(jié)中相關(guān)標(biāo)定變量進行臺架或整車匹配標(biāo)定，以便在滿足動態(tài)響應(yīng)性的同時，減小增壓壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制偏差。

由于PID控制屬于反饋控制，只有當(dāng)實際值與需求值產(chǎn)生偏差時，其才會對產(chǎn)生的偏差進行修正，而且進氣增壓壓力的變化與噴油量的變化相比，又存在一定的滯后性，因此為了最大程度地消除這些不利因素的影響，需要考慮增加能進行自適應(yīng)修正的預(yù)控制環(huán)節(jié)。

因為發(fā)動機轉(zhuǎn)速和增壓壓力偏差值進行組合能較直觀地反映柴油機的當(dāng)前運行工況，為了實現(xiàn)對電動增壓器需求轉(zhuǎn)速的預(yù)控制，所以設(shè)計了使用發(fā)動機轉(zhuǎn)速與增壓壓力的偏差值組合一起查標(biāo)定MAP的控制環(huán)節(jié)，從而獲得當(dāng)前工況下電動增壓器的需求轉(zhuǎn)速基礎(chǔ)值。電動增壓器的需求轉(zhuǎn)速基礎(chǔ)值與需求轉(zhuǎn)速修正值相加后獲得需求轉(zhuǎn)速原始值，然后經(jīng)過可標(biāo)定的上下限值判斷，得到最終的電動增壓器的需求轉(zhuǎn)速。如圖3所示為柴油機電動增壓壓力閉環(huán)控制策略。

3 快速控制原型開發(fā)

3.1 快速控制原型系統(tǒng)開發(fā)

與傳統(tǒng)的開發(fā)模式相比，V模式開發(fā)流程有流程簡化、開發(fā)快捷等優(yōu)點。MotoTron快速控制原型開發(fā)平臺提供的產(chǎn)品級硬件和圖形化的控制軟件開發(fā)環(huán)境^[11]，使開發(fā)者僅需要遵循V模式開發(fā)流程及專注于應(yīng)用層控制策略的開發(fā)和一些外圍傳感器和執(zhí)行器的選型，就可完成整個控制系統(tǒng)的開發(fā)。

MotoHawk是基于MotoTron平臺的系統(tǒng)開發(fā)軟件，其使開發(fā)者可以在MATLAB/Simulink環(huán)境下進行控制策略開發(fā)、軟件編譯、標(biāo)定和測試驗證工作^[12]。

3.2 快速控制原型標(biāo)定開發(fā)

當(dāng)完成系統(tǒng)模型開發(fā)后，即可通過編譯器將C代碼自動生成可供刷寫的SRZ文件，然后通過刷寫/標(biāo)定軟件Moto?Tune將SRZ文件刷寫到MotoTron快速控制原型硬件中。

當(dāng)刷寫成功后，即可通過CAN總線線束連接柴油機ECU和MotoTron硬件，并使用MotoTune標(biāo)定軟件開展臺架或整車標(biāo)定工作。如圖4為MotoTune軟件下的柴油機電動增壓控制策略的變量監(jiān)控和標(biāo)定界面。

4 臺架試驗驗證

4.1 試驗樣機及方案

試驗柴油機使用博世高壓共軌燃油系統(tǒng)和電控系統(tǒng)，后處理系統(tǒng)為EGR+DOC+DPF+SCR，排放達到國六水平。該柴油機的基本技術(shù)參數(shù)見表1。

由于試驗柴油機應(yīng)用的是結(jié)構(gòu)緊湊的輕量化設(shè)計理念，因此在充分考慮了這個設(shè)計因素和安裝改動便利的前提下，使用了電動增壓器位于渦輪增壓器壓氣機上游的布置方案。柴油機的進氣首先經(jīng)過電動增壓器或單向進氣閥，然后再到渦輪增壓器。當(dāng)柴油機運行在高速段時，電動增壓器已無法滿足柴油機的進氣增壓需求，這時電動增壓器將停止工作，而主要的進氣增壓工作由渦輪增壓器完成。

快速控制原型通過CAN總線從發(fā)動機ECU中獲取必要的發(fā)動機運行參數(shù)，如發(fā)動機轉(zhuǎn)速、噴油量、增壓溫度、增壓壓力等，并從電動增壓器中獲取其當(dāng)前的運行狀態(tài)，然后通過電動增壓控制策略計算出電動增壓器的增壓需求轉(zhuǎn)速，最后再通過CAN總線控制電動增壓器的使能和按照計算的增壓需求轉(zhuǎn)速運行。由于電動增壓器的運轉(zhuǎn)需要24V直流電，因此將其與整車蓄電池進行連接。如圖5所示為電動增壓器的控制方案。

根據(jù)試驗方案，對位于電力測功機臺架上的試驗柴油機的進氣管路進行了改裝，并對電動增壓器、快速控制原型和上位機進行了電氣連接。

4.2 臺架標(biāo)定及性能驗證

首先對電動增壓控制策略中的所有功能模塊進行了在線標(biāo)定，以驗證各項控制功能都滿足開發(fā)需求，然后對增壓壓力需求MAP、增壓壓力修正CUR、閉環(huán)控制MAP、PID參數(shù)等進行了更進一步的臺架優(yōu)化標(biāo)定，最后對不帶電動增壓器和帶電動增壓器的柴油機進行了帶載加速性能對比試驗。

4.3 試驗結(jié)果及分析

在700r/min～1600r/min的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，對柴油機進行了帶載800N·m的加速性能對比試驗，測試的結(jié)果如表2所示。

根據(jù)試驗的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在帶載加速過程中，帶電動增壓器的柴油機的平均加速時間比不帶電動增壓器的柴油機的平均加速時間縮短了近1.4秒。此外，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)表明，帶電動增壓器的柴油機在轉(zhuǎn)速超過800r/min以后，實際的噴油量就已經(jīng)逐漸接近了柴油機的外特性油量，而不帶電動增壓器的柴油機需要在轉(zhuǎn)速超過1300r/min以后，才逐漸接近外特性油量。由此可看出，電動增壓器的應(yīng)用能對試驗柴油機的中低速段（700r/min～1600r/min），尤其是在低速段（700r/?min～1200r/min），起到了較好的進氣補償作用，對柴油機在中低速段的動力性的提升有較明顯的效果。

5 結(jié)論

（1）結(jié)合當(dāng)前的研究現(xiàn)狀，研究和優(yōu)化了柴油機電動

增壓控制策略，并使用產(chǎn)品級的快速控制原型開發(fā)和驗證了電動增壓器的增壓壓力控制策略，各項控制功能滿足開發(fā)需求，且開發(fā)的控制系統(tǒng)更有利于電動增壓器的工程化應(yīng)用。

（2）在一款8升國六發(fā)動機上應(yīng)用了優(yōu)化后的電動增壓控制策略，并進行了臺架標(biāo)定和帶載加速性能對比試驗。

（3）臺架試驗結(jié)果表明：優(yōu)化開發(fā)的電動增壓控制策略能有效地解決機械式渦輪增壓柴油機在中低速段增壓效果差的問題，并能有效提升試驗柴油機在700r/min～1600r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的動力性。

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