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(biāo)控制策略，建立渦輪增壓汽油機(jī)瞬態(tài)計(jì)算模型.對發(fā)動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)矩加減速工況下的瞬態(tài)響應(yīng)進(jìn)行模擬計(jì)算，并與原機(jī)響應(yīng)特性做對比分析.結(jié)果表明，在定轉(zhuǎn)矩加速工況下，以適當(dāng)增大的各固定轉(zhuǎn)速下增壓壓力作為瞬態(tài)控制目標(biāo)值，可以顯著改善發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng).在發(fā)動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)矩減速工況下，采用前期適當(dāng)延長廢氣旁通閥全開的時(shí)間，待轉(zhuǎn)速下降到1.25倍目標(biāo)轉(zhuǎn)速后，控制目標(biāo)切換到增壓壓力的控制策略能夠縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的響應(yīng)時(shí)間.與此同時(shí)，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(jī)瞬態(tài)響應(yīng)性能，而且可以防止瞬態(tài)工況下增壓器超速和喘振.

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

中圖分類號：TK421.5 文獻(xiàn)標(biāo)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(jī)排量逐漸減小，渦輪增壓技術(shù)在汽油機(jī)上的使用也越來越普及.但汽油機(jī)應(yīng)用廢氣渦輪增壓技術(shù)，在瞬態(tài)工況下與渦輪增壓器匹配方面會(huì)存在一定問題，即工況突變時(shí)，渦輪增壓器對突變的響應(yīng)會(huì)有些延遲，影響汽油機(jī)的瞬態(tài)加減速性能[1-2].針對這一問題，國內(nèi)外學(xué)者開發(fā)了復(fù)合增壓、二級增壓、廢氣旁通渦輪增壓等新技術(shù)，以使增壓汽油機(jī)在突變工況下的瞬態(tài)響應(yīng)性能得到改善[3-7].其中廢氣旁通渦輪增壓技術(shù)因具有結(jié)構(gòu)簡單、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，在渦輪增壓汽油機(jī)上得到了廣泛應(yīng)用.廢氣旁通渦輪增壓通過調(diào)節(jié)渦輪端廢氣旁通閥開度使增壓汽油機(jī)達(dá)到不同工況下所需的進(jìn)氣要求，從而實(shí)現(xiàn)增壓器與汽油機(jī)良好匹配.同時(shí)，通過對廢氣旁通閥進(jìn)行瞬態(tài)控制可實(shí)現(xiàn)渦輪增壓汽油機(jī)在突變工況下快速達(dá)到性能目標(biāo)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(jī)的瞬態(tài)性能[8-9].綜上，渦輪增壓汽油機(jī)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(jī)瞬態(tài)響應(yīng)特性具有很大實(shí)際價(jià)值.

本文在建立的增壓汽油機(jī)瞬態(tài)仿真模型的基礎(chǔ)上，研究了定轉(zhuǎn)矩加速工況下廢氣旁通閥瞬態(tài)控制的目標(biāo)增壓壓力對汽油機(jī)瞬態(tài)加速響應(yīng)特性的影響規(guī)律以及定轉(zhuǎn)矩減速工況中增壓器與汽油機(jī)匹配運(yùn)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(jìn)而對渦輪增壓汽油機(jī)瞬態(tài)加減速工況的性能進(jìn)行了優(yōu)化.

1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型的建立

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

本研究基于一款小排量渦輪增壓汽油機(jī)，其基本參數(shù)見表1.

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型建立

圖1為在GTPower發(fā)動(dòng)機(jī)性能開發(fā)軟件中構(gòu)建0.8 L帶廢氣旁通閥的增壓汽油機(jī)模型[10].

依據(jù)研究機(jī)型的相關(guān)尺寸設(shè)置中冷器、節(jié)氣門、進(jìn)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(shè)置進(jìn)、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(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的影響[11]；在進(jìn)、排氣門模塊升程陣列中輸入進(jìn)、排氣門升程隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的規(guī)律曲線，分別設(shè)定各轉(zhuǎn)速下的進(jìn)氣正時(shí)和排氣正時(shí)；在噴油器模塊中輸入噴油壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的規(guī)律曲線，并設(shè)定不同轉(zhuǎn)速下的噴油率和空燃比；發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火順序和點(diǎn)火間隔角在曲軸箱系統(tǒng)中設(shè)置，并使用摩擦損失模塊計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦損失隨轉(zhuǎn)速變化；在壓氣機(jī)和渦輪機(jī)單元中輸入選配增壓器對應(yīng)的試驗(yàn)MAP，經(jīng)插值后模擬增壓器的相關(guān)參數(shù)；設(shè)置目標(biāo)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(biāo)，并設(shè)定外特性工況下不同轉(zhuǎn)速對應(yīng)的目標(biāo)增壓壓力值.PID能夠?qū)U氣旁通閥開度大小實(shí)時(shí)調(diào)控以使壓氣機(jī)出口壓力達(dá)到目標(biāo)值.

調(diào)試影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的參數(shù)，并結(jié)合增壓汽油機(jī)的外特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對該計(jì)算模型進(jìn)行校正，結(jié)果如圖2所示.由圖2可知，發(fā)動(dòng)機(jī)各轉(zhuǎn)速下功率和比油耗的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果曲線比較吻合，誤差均在5%范圍內(nèi)，因此，可以利用該計(jì)算模型對改善增壓汽油機(jī)瞬態(tài)工況下響應(yīng)性能的廢氣旁通閥瞬態(tài)控制策略進(jìn)行研究.

1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)計(jì)算模型參數(shù)設(shè)置

對所建立的可靠穩(wěn)態(tài)仿真模型進(jìn)行瞬態(tài)設(shè)置.使用指針變量將進(jìn)排氣正時(shí)、空燃比、穩(wěn)態(tài)外特性計(jì)算所得廢氣旁通閥開度等設(shè)置為隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的量[12-13].由于旁通閥的實(shí)際開閉速度對發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)有較大影響，需要在執(zhí)行器中對最大開閉速度進(jìn)行設(shè)定.

2 瞬態(tài)工況計(jì)算與分析

Turbine模塊中Wastegate Diameter使用Profile Transient形式設(shè)定不同時(shí)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(guān)程序，從而實(shí)現(xiàn)對廢氣旁通閥及時(shí)有效的PID瞬態(tài)控制.

2.1 瞬態(tài)加速工況計(jì)算

使汽油機(jī)瞬態(tài)模型在速度模式下運(yùn)行，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有效控制在固定轉(zhuǎn)速下.分別將倍數(shù)梯度變化的增壓壓力設(shè)定成PID控制器目標(biāo)值對模型進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算.得到各固定轉(zhuǎn)速下達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)矩所用時(shí)間的對比.

由圖3可知，不同固定轉(zhuǎn)速下，隨著目標(biāo)增壓壓力的提高，達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的時(shí)間不斷減少.同時(shí)，在固定轉(zhuǎn)速相對較小時(shí)，通過增大增壓壓力改善轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的效果更加明顯.因?yàn)楫?dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，驅(qū)動(dòng)增壓器做功的廢氣流量很小，通過提高目標(biāo)增壓壓力能夠相應(yīng)延遲廢氣旁通閥在加速過程中的開啟時(shí)刻，增壓器獲得更多的廢氣能量從而實(shí)現(xiàn)增壓壓力快速上升.因此，增大目標(biāo)增壓壓力能夠顯著減少汽油機(jī)定轉(zhuǎn)矩加速工況下的響應(yīng)時(shí)間.但由于增壓汽油機(jī)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(dòng)機(jī)不同固定轉(zhuǎn)速對應(yīng)的適當(dāng)增大后的最佳增壓壓力.

在PID控制模塊中將目標(biāo)控制值設(shè)置成XYTable定義的不同固定轉(zhuǎn)速下最佳增壓壓力隨轉(zhuǎn)速變化關(guān)系的指針變量.瞬態(tài)模型負(fù)載模式下，節(jié)氣門部分開啟時(shí)汽油機(jī)穩(wěn)定于2 000 r/min，25個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)后節(jié)氣門突然增大到最大開度，發(fā)動(dòng)機(jī)自2 000 r/min起進(jìn)行定轉(zhuǎn)矩加速.圖4為定轉(zhuǎn)矩加速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速瞬態(tài)響應(yīng)的對比.

由圖4可知：定轉(zhuǎn)矩加速過程中，對廢氣旁通閥采用以不同轉(zhuǎn)速下最佳增壓壓力為目標(biāo)控制值的PID控制，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在0.32 s內(nèi)就開始上升，整個(gè)加速過程所用時(shí)間比原機(jī)縮短了1.5 s，性能提高36.1%.汽油機(jī)在定轉(zhuǎn)矩加速下的瞬態(tài)響應(yīng)顯著改善.

圖5、圖6分別為定轉(zhuǎn)矩加速工況下增壓器轉(zhuǎn)速、廢氣旁通閥開度隨時(shí)間變化的對比.

通過對比可以看出，定轉(zhuǎn)矩加速工況下，采用PID對廢氣旁通閥進(jìn)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?yàn)樵诠潭ㄞD(zhuǎn)速下，隨著增壓壓力目標(biāo)值的增大，當(dāng)空氣流量相同時(shí)，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(qū)動(dòng)增壓器工作，壓氣機(jī)出口壓力也隨之增大.同時(shí)，其聯(lián)合運(yùn)行線依然遠(yuǎn)離喘振線，增壓器轉(zhuǎn)速始終在增壓器正常運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)與增壓器匹配良好.

2.2 瞬態(tài)減速工況計(jì)算

汽油機(jī)在額定轉(zhuǎn)速（6 000 r/min）下全負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，而后在加載轉(zhuǎn)矩不變的情況下，節(jié)氣門突然關(guān)閉到一定開度，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入定轉(zhuǎn)矩減速工況.在仿真計(jì)算時(shí)設(shè)定瞬態(tài)模型處于負(fù)載模式下，節(jié)氣門保持最大開度，發(fā)動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速平穩(wěn)運(yùn)行50個(gè)循環(huán)后，節(jié)氣門在0.02 s內(nèi)急速減小到目標(biāo)轉(zhuǎn)速（2 000 r/min）對應(yīng)的開度值，發(fā)動(dòng)機(jī)在定轉(zhuǎn)矩減速工況運(yùn)行.為防止發(fā)動(dòng)機(jī)減速工況下進(jìn)氣量快速減少而引起的增壓器喘振，PID控制采用前期適當(dāng)延長廢氣旁通閥全開的時(shí)間，待轉(zhuǎn)速下降某一值后，目標(biāo)控制值切換為壓氣機(jī)出口增壓壓力的控制策略.由于發(fā)動(dòng)機(jī)在定轉(zhuǎn)矩減速時(shí)，前期發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降很快，為使控制策略切換后能實(shí)現(xiàn)良好的效果，需要確定適合的轉(zhuǎn)速切換點(diǎn)，本文中選定為1.25倍目標(biāo)轉(zhuǎn)速.

圖8為定轉(zhuǎn)矩減速工況下廢氣旁通閥開度變化的對比.圖9為定轉(zhuǎn)矩減速工況下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)特性的對比.由圖8、圖9中可以看出，當(dāng)采用此控制策略時(shí)，定轉(zhuǎn)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(shí)間，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也隨之快速下降.同時(shí)在整個(gè)定轉(zhuǎn)矩減速過程中采用該控制策略達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速的時(shí)間為3.1 s，而原機(jī)達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速的時(shí)間為5.6 s，瞬態(tài)響應(yīng)提高了44.6%.

圖10為定轉(zhuǎn)矩減速工況下增壓器和汽油機(jī)之間聯(lián)合運(yùn)行線的對比.

由圖10可知，定轉(zhuǎn)速減速工況下，聯(lián)合運(yùn)行線向高效率區(qū)偏移，同時(shí)逐漸遠(yuǎn)離喘振線.這是由于前期適當(dāng)延長廢氣旁通閥全開的時(shí)間，在相同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和空氣流量下，旁通閥開度相應(yīng)增加，廢氣旁通量占比提高，增壓器對進(jìn)氣的做功能力減弱，增壓比下降.整個(gè)減速過程中增壓器未發(fā)生喘振和超速，能夠正常高效運(yùn)轉(zhuǎn).

3 結(jié) 論

1）渦輪增壓汽油機(jī)在定轉(zhuǎn)矩加速工況時(shí)瞬態(tài)性能較差，達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速的響應(yīng)時(shí)間為4.15 s，采用適當(dāng)增大各轉(zhuǎn)速下增壓壓力作為瞬態(tài)控制目標(biāo)值對廢氣旁通閥進(jìn)行瞬態(tài)控制的方法，達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速的響應(yīng)時(shí)間僅為1.5 s，瞬態(tài)加速性能提升了36.1%，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)與增壓器之間能夠?qū)崿F(xiàn)高效的匹配.

2）在定轉(zhuǎn)矩減速工況采用前期適當(dāng)延長廢氣旁通閥全開的時(shí)間，待轉(zhuǎn)速下降到1.25倍目標(biāo)轉(zhuǎn)速后，控制目標(biāo)切換到增壓壓力的控制策略.結(jié)果表明這能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速快速下降到目標(biāo)值，同時(shí)聯(lián)合運(yùn)行線逐漸遠(yuǎn)離喘振線，保證了增壓器正常運(yùn)行，同時(shí)極大地改善了定轉(zhuǎn)矩減速工況下增壓汽油機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng).

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