對(duì)渦輪增壓系統(tǒng)虛擬傳感器的算法研究

許存國(guó)，徐田

（東風(fēng)鼎新動(dòng)力系統(tǒng)科技有限公司，湖北武漢，430058）

0 前言

發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器作為發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)的信息源，是發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，也是汽車(chē)電子技術(shù)領(lǐng)域研究的核心內(nèi)容之一。由于日益嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)、和競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)對(duì)油耗的要求，使發(fā)動(dòng)機(jī)越來(lái)越復(fù)雜，發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)性能需相應(yīng)提高，這就要求不斷提高傳感器的數(shù)量和精度[1]。

在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中需要進(jìn)行各種信號(hào)的測(cè)量和分析，而發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)用傳感器是整個(gè)汽車(chē)傳感器的核心，種類(lèi)很多，包括溫度傳感器、壓力傳感器、位置和轉(zhuǎn)速傳感器、流量傳感器、氣體濃度傳感器和爆震傳感器等。

所謂虛擬傳感器就是利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)，加上特殊設(shè)計(jì)的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件及相應(yīng)算法來(lái)替代傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x表和裝置[2]。形成既有普通儀器的基本功能，又有一般儀器所沒(méi)有的具有特殊功能的高質(zhì)低價(jià)的新型傳感器[3]。

與傳統(tǒng)的傳感器相比，虛擬傳感器不僅具有面向?qū)ο髴?yīng)用程序的特點(diǎn)，而且具有真實(shí)傳感器的實(shí)用性和可操作性，其主要優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)可以比較容易地實(shí)現(xiàn)檢測(cè)功能。

(2)系統(tǒng)有很大的靈活性，可以根據(jù)需要修改和重新定義功能。

(3)開(kāi)發(fā)周期短，成本較低[4-5]。

1 渦輪增壓系統(tǒng)虛擬傳感器的算法

■1.1 渦輪出口壓力傳感器的算法

本模塊計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪機(jī)的排氣壓力。主要是根據(jù)渦輪增壓控制需求，來(lái)監(jiān)視渦輪的工作狀態(tài)，增壓值過(guò)低或過(guò)高都有可能是渦輪出現(xiàn)故障。

通過(guò)渦輪機(jī)的壓縮比的建模得出了PrT，再將所得到的壓比值與渦輪機(jī)出口處的壓力PT,out相乘即計(jì)算得到大氣壓力：

其中，PAT——大氣壓力；PT,out——渦輪出口壓力；PrT——渦輪出口壓力跟大氣壓比值。

根據(jù)有約束的可壓縮氣體流動(dòng)方程：

將公式變形為：

所以發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪出口壓力跟大氣壓的比值：

為了適合嵌入式硬件的需求將公式，將Ψ函數(shù)用一個(gè)表格來(lái)表示：

其中，TT,out——渦輪出口溫度；——約束區(qū)有效面積；PAT——大氣壓力；m˙exh——流經(jīng)渦輪的質(zhì)量流量；（m˙exh=mc+mfuel）；mc——空氣質(zhì)量流量；mfuel——噴油質(zhì)量流量。

■1.2 增壓器出口溫度傳感器的算法

本模塊是增壓器出口溫度預(yù)估模塊及節(jié)氣門(mén)前溫度預(yù)估模型。在建模過(guò)程中，認(rèn)為氣體各個(gè)成分組成保持恒定，通過(guò)增壓器的氣體質(zhì)量流量和壓縮機(jī)所吸收的能量來(lái)計(jì)算增壓器出口的氣體狀態(tài)。

如果增壓器內(nèi)的氣體是等熵流動(dòng)，則根據(jù)等熵公式可得：

Ti假設(shè)等熵情況下壓縮機(jī)出口的氣體溫度則等熵狀況下壓縮1kg充量氣體消耗增壓功為：

實(shí)際情況并非等熵流動(dòng)，所以實(shí)際壓縮1kg充量氣體消耗的功為：

增壓器的效率定義為[6]：

轉(zhuǎn)化后可得：

其中，Tbeh——增壓器出口的氣體溫度；Tbef——增壓器進(jìn)口的氣體溫度；mcorr——經(jīng)過(guò)溫度壓力修正的氣體質(zhì)量流量；η——增壓效率，該參數(shù)是由修正后的氣體質(zhì)量流量和壓縮機(jī)壓縮比經(jīng)二維查表得到；Pbeh增壓器出口的氣體壓力；T bef——增壓器進(jìn)口的氣體溫度；K——?dú)怏w絕熱指數(shù)。

本模塊的另一功能是計(jì)算節(jié)氣門(mén)上游處溫度，具體策略是利用兩種溫度不同的氣體混合的熱力學(xué)公式來(lái)建模，通過(guò)進(jìn)氣總管中氣體的溫度，EGR喉口溫度以及EGR率來(lái)計(jì)算節(jié)氣門(mén)前的空氣溫度[7]。混合氣體的熱力學(xué)公式為：

其中：m——?dú)怏w質(zhì)量；c——?dú)怏w比熱容；T——?dú)怏w溫度。

假設(shè)新鮮空氣與廢氣的比熱容相等，則有：

從而得出節(jié)氣門(mén)前的空氣溫度為：

2 虛擬傳感器模塊的測(cè)試

■2.1 渦輪出口壓力模型測(cè)試與結(jié)果

首先將發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，使其正常怠速，穩(wěn)定在800轉(zhuǎn)，然后在標(biāo)定軟件內(nèi)設(shè)置踏板開(kāi)度為20%，使得發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速RPM=1200轉(zhuǎn)（此為選取中低轉(zhuǎn)速區(qū)），此時(shí)改變不同的排氣泄壓閥開(kāi)度（Waste Gate）0-90%。模塊對(duì)流經(jīng)渦輪的質(zhì)量流量mexh，渦輪輪出口溫度TT,out，大氣壓力PAT，根據(jù)數(shù)學(xué)公式(1.6)計(jì)算后，進(jìn)行查表后求出渦輪出口壓力跟大氣壓比值PRT，再與大氣壓力PAT相乘后計(jì)算出渦輪出口壓力PT,out。

記錄模型渦輪出口壓力計(jì)算結(jié)果后，和HIL平臺(tái)sitc_s4_adv_WHU發(fā)動(dòng)機(jī)模型輸出值進(jìn)行對(duì)比分析，如圖1所示。

圖1 渦輪出口壓力對(duì)比（單位：Pa）

對(duì)比收集的數(shù)據(jù)，差異的峰值為6.73%，平均差異為4.78%，結(jié)果表明，待測(cè)模型有很高的估計(jì)精度，可以用來(lái)反饋渦輪出口壓力的真實(shí)值[8]。

在標(biāo)定軟件內(nèi)設(shè)置踏板開(kāi)度為75%，使得發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速RPM=3500轉(zhuǎn)（此為選取中高轉(zhuǎn)速區(qū)），此時(shí)改變不同的排氣泄壓閥開(kāi)度（Waste Gate）0-90%。同樣進(jìn)行查表求出渦輪出口壓力跟大氣壓比值PRT，再與大氣壓力PAT相乘后計(jì)算出渦輪出口壓力PT.out。

記錄模型渦輪出口壓力計(jì)算結(jié)果后，和HIL平臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)模型輸出值進(jìn)行對(duì)比分析，如圖2所示。

圖2 渦輪出口壓力對(duì)比（單位：Pa）

對(duì)比收集的數(shù)據(jù)，差異的峰值為5.11%，平均差異為3.96%，結(jié)果表明，待測(cè)模型有很高的估計(jì)精度，可以用來(lái)反饋渦輪出口壓力的真實(shí)值。

■2.2 增壓器出口溫度模型測(cè)試與結(jié)果

首先將發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，使其正常怠速，穩(wěn)定在800轉(zhuǎn)，然后在標(biāo)定軟件內(nèi)設(shè)置踏板開(kāi)度為10%-100%，使得發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速RPM=800-4900轉(zhuǎn)。模塊通過(guò)對(duì)增壓比和進(jìn)氣質(zhì)量流量進(jìn)行查表得到增壓效率,根據(jù)公式(11)計(jì)算后，得出增壓器出口的氣體溫度Tbeh。

記錄模型增壓器出口溫度計(jì)算結(jié)果后，和HIL平臺(tái)sitc_s4_adv_WHU發(fā)動(dòng)機(jī)模型輸出值進(jìn)行對(duì)比分析，如圖3所示。

圖3 增壓器出口溫度模擬值與發(fā)動(dòng)機(jī)模型對(duì)比（單位：℃）

對(duì)比收集的數(shù)據(jù)，差異的峰值為3.11%，平均差異為3.03%，結(jié)果表明，待測(cè)模型有很高的估計(jì)精度，可以用來(lái)反饋增壓器出口溫度的真實(shí)值[9]。

3 總結(jié)

虛擬傳感器改變了傳統(tǒng)傳感器的使用方式，提高了傳感器的功能和使用效率，大幅度地降低了傳感器的價(jià)格。用戶(hù)可使用相同的硬件系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)各類(lèi)的傳感器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)功能完全不同的各種測(cè)量?？梢?jiàn)，軟件系統(tǒng)是虛擬傳感器的核心，軟件可以定義各種傳感器。本文以熱力學(xué)和流體力學(xué)為理論基礎(chǔ)，搭建的模型具有明確的物理含義和很大的靈活性，比較容易地實(shí)現(xiàn)檢測(cè)功能，以及相應(yīng)的實(shí)際修正，而且開(kāi)發(fā)周期短，成本較低，同時(shí)獲得了客戶(hù)驗(yàn)收，全文主要完成了以下工作：

(1)研究了溫度，壓力，流量等物理模型和建模原理，根據(jù)各個(gè)虛擬傳感器的工作特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了以少數(shù)信號(hào)為輸入的建模和控制方案，充分發(fā)揮了模塊化建模和軟件化控制的優(yōu)勢(shì)，使得整個(gè)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定而高效的工作。

(2)根據(jù)收集到的真實(shí)臺(tái)架數(shù)據(jù)，在發(fā)動(dòng)機(jī)硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)中，對(duì)虛擬傳感器進(jìn)行詳細(xì)的標(biāo)定和測(cè)試，驗(yàn)證了其穩(wěn)定性能和準(zhǔn)確性。