倪計(jì)民， 李冬冬， 石秀勇， 沙長泓， 劉思， 王琦瑋

(同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院， 上海 201804)

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旁通閥控制策略對增壓汽油機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)性能的影響

倪計(jì)民， 李冬冬， 石秀勇， 沙長泓， 劉思， 王琦瑋

(同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院， 上海 201804)

針對帶旁通閥的廢氣渦輪增壓汽油機(jī)，采用試驗(yàn)和仿真相結(jié)合的方法建立基于GT-Power的汽油機(jī)穩(wěn)態(tài)模型。運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法建立燃燒模型，得到增壓汽油機(jī)瞬態(tài)模型。采用PID控制對原機(jī)旁通閥控制策略進(jìn)行優(yōu)化，通過優(yōu)化后的旁通閥控制策略對汽油機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)質(zhì)量參數(shù)——平均有效壓力、瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間和增壓器瞬態(tài)轉(zhuǎn)速進(jìn)行分析。結(jié)果表明：優(yōu)化后的旁通閥控制策略可以在汽油機(jī)的中高速范圍內(nèi)顯著地縮短發(fā)動機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)保證汽油機(jī)增壓壓力與增壓器轉(zhuǎn)速都處于安全范圍之內(nèi)。

增壓汽油機(jī)； 瞬態(tài)響應(yīng)； 旁通閥； 控制策略

隨著排放法規(guī)日益嚴(yán)苛，車用發(fā)動機(jī)節(jié)能減排顯得更加緊迫。汽車有害排放物中40%～80%來自瞬態(tài)工況，其中30%～70%來自加速工況[1]。增壓汽油機(jī)在瞬態(tài)工況下運(yùn)行時(shí)燃燒不充分，排放污染物增多，因此對增壓汽油機(jī)的瞬態(tài)性能進(jìn)行研究非常必要。目前，對增壓汽油機(jī)瞬態(tài)的研究主要集中在運(yùn)用商用軟件對瞬態(tài)過程建模計(jì)算[2-4]、旁通閥開度對渦輪流量及蝸殼溫度分布的影響[5-6]、廢氣穩(wěn)流和脈沖流動下旁通閥開度對渦輪效率的影響[7]等，而旁通閥控制策略對渦輪增壓汽油機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)性能的影響卻鮮有報(bào)道。

本研究采用試驗(yàn)與仿真相結(jié)合的方法，基于GT-Power建立汽油機(jī)穩(wěn)態(tài)模型，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法優(yōu)化汽油機(jī)缸內(nèi)燃燒模型，使之能更加準(zhǔn)確地模擬帶旁通閥渦輪增壓汽油機(jī)瞬態(tài)特性。采用PID控制對原機(jī)旁通閥控制策略進(jìn)行優(yōu)化，通過優(yōu)化后的旁通閥控制策略對汽油機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)質(zhì)量參數(shù)，包括平均有效壓力、瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間和增壓器瞬態(tài)轉(zhuǎn)速進(jìn)行研究。

1 增壓汽油機(jī)仿真建模與標(biāo)定

1.1 汽油機(jī)基本參數(shù)及瞬態(tài)優(yōu)化計(jì)算分析流程

試驗(yàn)機(jī)型為直列4缸四沖程汽油機(jī)，采用帶旁通閥廢氣渦輪增壓器。發(fā)動機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表1。帶旁通閥增壓汽油機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)性能優(yōu)化計(jì)算分析流程見圖1。

表1 發(fā)動機(jī)主要參數(shù)

圖1 汽油機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)性能優(yōu)化計(jì)算分析流程

1.2 增壓汽油機(jī)GT-Power一維穩(wěn)態(tài)仿真建模與標(biāo)定

針對該款增壓汽油機(jī)，在發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺架上對轉(zhuǎn)速1 000～6 000 r/min內(nèi)228個(gè)穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行了測量，為保證穩(wěn)態(tài)仿真模型精度以及穩(wěn)態(tài)模型向瞬態(tài)模型轉(zhuǎn)化時(shí)對數(shù)據(jù)點(diǎn)的需求量，選取其中220個(gè)穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定。針對3個(gè)影響發(fā)動機(jī)瞬態(tài)性能的主要狀態(tài)參數(shù)——平均有效壓力、有效燃油消耗率、發(fā)動機(jī)功率，在穩(wěn)態(tài)條件下進(jìn)行標(biāo)定。平均有效壓力標(biāo)定結(jié)果見圖2。

圖2 增壓汽油機(jī)平均有效壓力標(biāo)定

部分負(fù)荷下，功率誤差與平均有效壓力誤差類似，都在±1.4%以內(nèi)，有效燃油消耗率的仿真值與試驗(yàn)值誤差為±2.4%；全負(fù)荷下，所有參數(shù)誤差范圍均在5%以內(nèi)。由此認(rèn)為，該穩(wěn)態(tài)模型能夠準(zhǔn)確模擬該款增壓汽油機(jī)運(yùn)行情況。

1.3 增壓汽油機(jī)GT-Power一維瞬態(tài)仿真建模

發(fā)動機(jī)瞬態(tài)仿真中燃燒模型是整個(gè)模型的基礎(chǔ)，對發(fā)動機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)性能影響較大。然而影響汽油機(jī)燃燒的因素較多，且很難用精確的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述。因此通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法對燃燒模型的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行控制，將其擬合為隨發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)變化的函數(shù)，建立半預(yù)測燃燒模型。研究中對瞬態(tài)燃燒模型影響不大的參數(shù)，例如氣缸壁面溫度進(jìn)行了簡化，按定值處理，而將關(guān)注點(diǎn)主要放在對Wiebe燃燒模型中燃燒重心以及燃燒持續(xù)期的研究上。

本研究所使用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[8]，由輸入層、輸出層和2個(gè)隱藏層組成。輸入層包括k個(gè)輸入，2個(gè)隱藏層分別包含n個(gè)節(jié)點(diǎn)和m個(gè)節(jié)點(diǎn)，輸出層為 1 個(gè)輸出，其結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

設(shè)定BP前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)第一隱藏層數(shù)為15，第二隱藏層數(shù)為5，在GT-Power軟件中建立基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的燃燒模型(見圖4)。對Wiebe燃燒模型中的燃燒重心、10%～90%燃燒持續(xù)期進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，經(jīng)過BP前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練后通過圖5對其擬合精度進(jìn)行評價(jià)。從圖5中可見，所有點(diǎn)密集分布在零誤差線兩側(cè)，說明使用該三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以很好地根據(jù)汽油機(jī)狀態(tài)參數(shù)對缸內(nèi)燃燒進(jìn)行預(yù)測，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的燃燒模型可信度滿足研究要求。

圖4 帶旁通閥渦輪增壓汽油機(jī)GT-Power一維瞬態(tài)仿真模型

圖5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果

2 增壓汽油機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)工況分析與旁通閥

控制策略

2.1 增壓汽油機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)工況分析

對于汽油機(jī)瞬態(tài)工況，在變速箱擋位一定時(shí)，可以通過發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化量dn與節(jié)氣門開度變化量dkd的組合將瞬態(tài)工況分為三類：扭矩和轉(zhuǎn)速都隨時(shí)間變化的工況、定轉(zhuǎn)速變扭矩工況以及定扭矩變轉(zhuǎn)速工況[9-10]。根據(jù)發(fā)動機(jī)通用的評價(jià)指標(biāo)以及道路工況分析，主要對增壓汽油機(jī)定轉(zhuǎn)速變扭矩工況進(jìn)行瞬態(tài)響應(yīng)特性分析。

歐洲NEDC循環(huán)工況以及WLTC(全球輕型汽車測試)循環(huán)工況中規(guī)定的時(shí)間-車速要求見圖6，其中斜線覆蓋區(qū)域即為NEDC和WLTC循環(huán)中發(fā)動機(jī)工況點(diǎn)分布范圍。NDEC和WLTC循環(huán)工況轉(zhuǎn)速區(qū)域均包含1 000～3 000r/min，1 600r/min最為常用；就發(fā)動機(jī)負(fù)荷范圍而言，WLTC循環(huán)覆蓋到了75%以上，其發(fā)動機(jī)工況在整個(gè)發(fā)動機(jī)萬有特性圖中呈縱向分布。

圖6 NEDC，WLTC循環(huán)發(fā)動機(jī)運(yùn)行范圍

根據(jù)以上分析，以定轉(zhuǎn)速增扭矩作為發(fā)動機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)的研究方法；取特征發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速1 000，1 200，1 600，2 000，2 400，2 800r/min作為主要研究轉(zhuǎn)速；以發(fā)動機(jī)不同定轉(zhuǎn)速下平均有效壓力負(fù)荷率(即當(dāng)前平均有效壓力與同一轉(zhuǎn)速下最大平均有效壓力之比)按10%～100%階躍規(guī)律對發(fā)動機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)性能進(jìn)行研究。

2.2 旁通閥控制策略的優(yōu)化

實(shí)際應(yīng)用中，選取的渦輪增壓器與發(fā)動機(jī)低速良好匹配，隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速升高，廢氣旁通閥打開，從而可以限制渦輪轉(zhuǎn)速及增壓壓力，防止發(fā)動機(jī)爆震的發(fā)生。當(dāng)閥門打開時(shí)，排氣背壓降低，有利于降低發(fā)動機(jī)的排氣損失，減少通過渦輪的廢氣流量，使得渦輪做功減少，從而實(shí)現(xiàn)增壓壓力和流量與發(fā)動機(jī)工況的匹配。如果廢氣旁通閥開啟時(shí)刻不合理，將會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)增壓過度和增壓不足等問題的發(fā)生[11]。

原機(jī)旁通閥瞬態(tài)響應(yīng)速度較慢，而PID控制方式能夠提高旁通閥響應(yīng)速度[12]，因此，采用PID控制方式對原機(jī)旁通閥控制策略進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后的旁通閥控制策略見圖7，其中發(fā)動機(jī)輸出信號為節(jié)氣門開度、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、平均有效壓力、渦輪增壓器轉(zhuǎn)速以及增壓壓力，執(zhí)行量為實(shí)際旁通閥開度對應(yīng)GT-Power中旁通閥模塊的等效直徑。不同發(fā)動機(jī)工況下，控制系統(tǒng)以節(jié)氣門開度變化率作為關(guān)閉旁通閥的控制信號，對旁通閥的控制方法主要分為旁通閥的“關(guān)閉”信號控制與PID信號控制。

圖7 旁通閥控制策略示意

當(dāng)節(jié)氣門開度變化率大于45°/s，且實(shí)際平均有效壓力小于0.9倍目標(biāo)平均有效壓力時(shí)，關(guān)閉旁通閥，同時(shí)為了防止旁通閥關(guān)閉時(shí)間過長導(dǎo)致增壓器超速現(xiàn)象，系統(tǒng)通過監(jiān)測實(shí)際增壓器轉(zhuǎn)速加以控制。當(dāng)實(shí)際增壓器轉(zhuǎn)速小于0.9倍最高轉(zhuǎn)速時(shí)，控制放氣閥等效直徑持續(xù)減到最小值。值得注意的是，由于節(jié)氣門開啟過程的時(shí)間很短，因此控制旁通閥關(guān)閉的控制信號時(shí)間也很短。為了便于旁通閥關(guān)閉邏輯功能的實(shí)現(xiàn)，控制系統(tǒng)監(jiān)測與門邏輯信號變化率作為旁通閥關(guān)閉的另一控制信號，從而保證了PID控制信號與與門邏輯信號在時(shí)間上的同步，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

當(dāng)節(jié)氣門開度變化率小于45°/s，且與門判句為假時(shí)，系統(tǒng)處于PID控制。PID控制系統(tǒng)中預(yù)存了旁通閥開度MAP圖以及目標(biāo)增壓壓力MAP圖，通過不同工況點(diǎn)的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與平均有效壓力查得其對應(yīng)的旁通閥開度作為PID控制器的初值，查得的目標(biāo)增壓壓力作為PID目標(biāo)值。

對于節(jié)氣門開度變化率較小的情況，由于其瞬態(tài)遲滯現(xiàn)象并不明顯，且PID控制放氣閥自身具有調(diào)整放氣閥關(guān)閉的功能，與“關(guān)閉”信號控制策略的響應(yīng)時(shí)間差異不大；而對于與門判句為假時(shí)，PID控制系統(tǒng)首先輸出該工況對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)標(biāo)定的旁通閥開度值，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行增壓壓力的PID控制，可以很快地將整個(gè)發(fā)動機(jī)工況穩(wěn)定下來?？梢钥闯?，該控制策略在保證提升瞬態(tài)響應(yīng)性能的同時(shí)還兼顧著準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)以及穩(wěn)態(tài)工況下旁通閥的控制，可以在發(fā)動機(jī)多工況下進(jìn)行仿真。GT-Power中，上述旁通閥控制策略見圖8。

圖8 GT-Power中旁通閥控制策略建模

3 旁通閥控制策略對增壓汽油機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)

性能的影響

運(yùn)用PID控制與旁通閥“關(guān)閉”信號控制相結(jié)合的方法，對原機(jī)旁通閥控制策略進(jìn)行了優(yōu)化。將優(yōu)化后的旁通閥控制策略應(yīng)用于增壓汽油機(jī)GT-Power瞬態(tài)模型中，在發(fā)動機(jī)負(fù)荷變化率10%～100%的情況下，對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速1 000，1 200，1 600，2 000，2 400，2 800 r/min下的瞬態(tài)響應(yīng)性能進(jìn)行仿真計(jì)算分析。

3.1 平均有效壓力

在不同轉(zhuǎn)速下，發(fā)動機(jī)負(fù)荷變化率10%～100%，節(jié)氣門階躍開啟，運(yùn)用旁通閥瞬態(tài)控制策略進(jìn)行仿真，得到了增壓汽油機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下優(yōu)化前后平均有效壓力變化曲線與旁通閥等效直徑變化規(guī)律(見圖9)。

由圖9可以看出，優(yōu)化后的旁通閥控制策略在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速1 000～1 600 r/min范圍內(nèi)對瞬態(tài)性能優(yōu)化并不明顯，但在2 000～2 800 r/min范圍內(nèi)對原機(jī)的瞬態(tài)性能有很大幅度的提升。這主要是由于轉(zhuǎn)速較低時(shí)，旁通閥開度初始狀態(tài)與終了狀態(tài)在GT-Power軟件中對應(yīng)的等效直徑范圍僅為2～4 mm(實(shí)際狀態(tài)下的旁通閥開度可以忽略)，而隨著轉(zhuǎn)速的升高，旁通閥在瞬態(tài)過程末期對應(yīng)的等效直徑變大，因此通過關(guān)閉旁通閥達(dá)到提升瞬態(tài)響應(yīng)的效果更加明顯。

圖9 優(yōu)化前后旁通閥等效直徑、平均有效壓力變化對比

3.2 瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間

瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間是指節(jié)氣門開啟完成后汽油機(jī)平均有效壓力從當(dāng)前狀態(tài)達(dá)到目標(biāo)狀態(tài)90%時(shí)所用的時(shí)間。從圖10可以看出，優(yōu)化前后全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的汽油機(jī)響應(yīng)時(shí)間均較原機(jī)有所減少，在轉(zhuǎn)速2 000～2 800 r/min范圍內(nèi)，汽油機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間可以縮短2 s以上。另外，旁通閥控制策略優(yōu)化后響應(yīng)時(shí)間都在4 s以內(nèi)，除1 600～2 400 r/min范圍內(nèi)響應(yīng)時(shí)間較長以外，其他轉(zhuǎn)速下發(fā)動機(jī)響應(yīng)時(shí)間都在2 s以內(nèi)。低速改善不大的原因主要是因?yàn)榕酝ㄩy開啟等效直徑小，變化不明顯。

圖10 優(yōu)化旁通閥控制策略對響應(yīng)時(shí)間的影響

3.3 增壓器轉(zhuǎn)速

由于瞬態(tài)過程中旁通閥過長時(shí)間的關(guān)閉可能導(dǎo)致增壓器超速，因此對應(yīng)用旁通閥控制策略進(jìn)行瞬態(tài)仿真中的增壓器轉(zhuǎn)速變化進(jìn)行分析，其變化過程見圖11?？梢钥闯?，采用優(yōu)化后旁通閥控制策略，在不同工況下最高增壓器轉(zhuǎn)速都沒有超出150 000 r/min，距最大增壓器轉(zhuǎn)速220 000 r/min保留一定的超速裕度，渦輪增壓器正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

綜合而言，優(yōu)化后的旁通閥控制策略在較大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)有效地改善了增壓汽油機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)性能，然而在較低轉(zhuǎn)速時(shí)，由于旁通閥開度較小，該控制策略并不能很好地改善汽油機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)性能，仍需要在考慮增壓器轉(zhuǎn)動慣量、發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)影響的同時(shí)保證增壓器最高轉(zhuǎn)速在合理的范圍之內(nèi)。

圖11 瞬態(tài)過程中不同發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下增壓器轉(zhuǎn)速變化過程

4 結(jié)論

a) 基于GT-Power建立增壓汽油機(jī)一維穩(wěn)態(tài)響應(yīng)仿真模型，運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法建立燃燒模型，得到增壓發(fā)動機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)半預(yù)測仿真模型，結(jié)合燃燒重心和燃燒持續(xù)期神經(jīng)訓(xùn)練，結(jié)果表明增壓汽油機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)仿真模型較好地還原了原增壓發(fā)動機(jī)性能；

b) 采用PID控制對原機(jī)旁通閥控制策略進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的控制策略在保證提升瞬態(tài)響應(yīng)性能的同時(shí)還兼顧著準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)以及穩(wěn)態(tài)工況下旁通閥的控制，可以在發(fā)動機(jī)多工況下進(jìn)行仿真；

c) 通過優(yōu)化后的旁通閥控制策略對汽油機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)質(zhì)量參數(shù)(平均有效壓力、瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間和增壓器瞬態(tài)轉(zhuǎn)速)進(jìn)行研究，計(jì)算結(jié)果表明，優(yōu)化后的旁通閥控制策略可以在發(fā)動機(jī)中高速范圍內(nèi)顯著地縮短發(fā)動機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)該旁通閥控制策略還可同時(shí)保證發(fā)動機(jī)增壓壓力與增壓器轉(zhuǎn)速范圍都處于安全合理范圍之內(nèi)。

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[編輯： 潘麗麗]

Influence of Waste-gate Control Strategy on Transient Response Performance of Turbocharged Gasoline Engine

NI Jimin, LI Dongdong, SHI Xiuyong, SHA Changhong, LIU Si, WANG Qiwei

(School of Automotive Studies, Tongji University, Shanghai 201804, China)

For a turbocharged gasoline engine with waste-gate valve, the steady model was built with GT-Power software based on the combination of simulation and test. Transient simulation model of turbocharged gasoline engine was established by using the combustion model optimized by BP neural network. The waste-gate control strategy was optimized by adopting PID control method and the transient response parameters such as brake mean effective pressure (BMEP), transient response time and turbocharger transient speed were analyzed. The results show that the transient response time of the gasoline engine shortens obviously at medium and high engine speed after using the optimized waste-gate control strategy. Besides, the strategy guarantees turbocharger to operate within a safe range of boost pressure and turbocharger speed.

turbocharged gasoline engine; transient response; waste-gate valve; control strategy

2015-12-14；

2016-03-09

倪計(jì)民(1963—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動機(jī)節(jié)能與排放控制；njmwjyx@hotmail.com。

石秀勇(1979—)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動機(jī)節(jié)能與排放控制、CFD模擬仿真和FEA結(jié)構(gòu)優(yōu)化；shixy@#edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.02.015

TK411.8

B

1001-2222(2016)02-0081-07