（载运工具运用工程专业论文）可变喷嘴涡轮增压器vnt与柴油机的匹配及其控制的研究.pdf

学位论文版权使用授权书 1 1 1 111 11 1 111 111 1 11 1u l y 1 7 8 0 2 6 1 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 桥磊 导师签名： 旁护 签字日期：y 产年石月阳签字日期：y 产年万月讪日 中图分类号： u d c ： 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 可变喷嘴涡轮增压器( y n t ) 与柴油机的匹配及其控制的研究 s t u d yo nt h em a t c h i n ga n dc o n t r o l l i n go fv a r i a b l en o z z l e t u r b o c h a r g e r ( 盯) a n dd i e s e le n g i n e 作者姓名：林磊 导师姓名：张欣 学位类别：工学 学号：0 8 1 2 1 9 6 7 职称：教授 学位级别：硕士 学科专业：载运工具运用工程研究方向：节能与环境保护 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 致谢 本论文的工作是在导师张欣教授的悉心指导下完成的，导师渊博的学识、严 谨求实、勤奋工作的态度和不断创新的精神使我受益匪浅。值此论文完成之际， 谨向导师致以衷心的感谢和敬意，感谢导师对我的指导和教诲! 在论文工作期间，得到了郭林福老师、张良老师、刘建华老师、陈宏伟老师 的热情帮助和指导，同时还得到了湖南大学汽车系的赵智超及杜标两位同学的热 情帮助，在此表示衷心地感谢! 在日常的学习中和实验室同学的交流探讨让我受益良多，在论文完成过程中 李从心师兄、郑士卓师姐、许健师兄以及实验室的同级同学赵立金、范龙飞、靳 彪等都给我提出了很多宝贵的意见和建议，对我论文工作的开展给予了很大的帮 助，在此一并表示衷心的感谢! 求学多年，离不开父母给予我的理解和支持，借此机会向家人表示深深的感 谢! 最后衷心感谢在百忙中评审本论文的诸位专家! i i i 中文摘要 中文摘要 摘要：由于在动力、节能和排放等方面的优势，柴油机已成为节能环保汽车的实 现技术选择，随着全球车用动力“柴油化趋势的形成，增压技术在柴油机上的 应用愈加广泛。本文结合国家科技部“8 6 3 ”项目“长丰新一代桥车用高效环保柴 油机研发 ，对可变喷嘴增压器( 叮t ) 与柴油机的匹配及其控制展开研究，以解 决常规涡轮增压柴油机存在低速转矩不足、部分负荷经济性差以及瞬态响应迟缓 等问题。 本文建立了涡轮增压柴油机各物理子系统工作过程的数学模型，在此基础上， 利用g t - p o w e r - - 维仿真软件，建立d 0 1 柴油机仿真计算模型，并与试验数据进行对 比，验证该模型的准确性。 利用仿真计算模型，开展了、t 与d 0 1 柴油机的匹配仿真研究，确定了全工况 下，可变喷嘴环的最佳开度以及相应的最佳增压压力。根据仿真计算结果，分析 了喷嘴环开度对发动机动力性与经济性的影响，并确定了最佳喷嘴环开度随发动 机转速及负荷的变化规律。 在对、t 与发动机的匹配结果进行深入分析的基础上，确定了叮t 在各工况 下的控制策略：稳态采用增压压力反馈p i d 控制；瞬态典型工况采用叶片位置式控 制；怠速工况通过水温判断来确定喷嘴开度的大小。在此基础上对控制算法进行 了研究，并利用s i m u l i n k 建立了v n t 控制系统模型。 在此基础上，进行了控制系统执行部件选型研究。利用d s p a c e 平台，搭建了 硬件在环系统，将执行机构与控制模型连接，对v n t 进行了位置式反馈控制，实 现软硬件联合调试。结果表明，系统误差较小，响应迅速，达到了控制要求。 关键词：可变喷嘴涡轮增压器( v n t ) ；匹配；控制；硬件在环 分类号： v a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：d u et ot h es u p e r i o r i t ya tp o w e r , e n e r g y - 姐v i n ga n de m i s s i o n , d i e s e l e n g i n eh a sb e c o m et e c h n o l o g yo fs a v i n ge n e r g yf o rc a r s a n dt h et r e n dt h a tm o s to f c a r s u s ed i e s e l 私e n e r g yh a sb e e nf o r m e d t u r b o c h a r g e dd i e s e le n g i n et e c h n o l o g yi sb e i n g a p p l i e dm o r ea n dm o r e 晰d e l y ms t u d yo ft h em a t c h i n ga n dc o n t r o l l i n go ft h e v a r i a b l en o z z l et u r b o c h a r g e ri 1 1t h i sp a p e ri sap a r to ft h ep r o j e c tt h a t “d e v e l o p m e n to f t h en e wg e n e r a t i o no fh i g h l ye f f i c i e n td i e s e le n g i n ef o rt h ec h a n gf e n gc a r s w h i c hi s s u p p o r t e db yt h em i n i s t r yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , a i m e dt oi m p r o v et h ew e a k n e s s o ft h ec o n v e n t i o n a lt u r b o c h a r g e dw h i c hc o n t a i n sn o te n o u g ht o r q u ea tl o ws p e e d ，p o o r e c o n o m y a tp a r tl o a da n ds l o wr e s p o n s ef o r t r a n s i e n tc o n d i t i o n i nt h i sp a p e r , p h y s i c a ls u b s y s t e mm o d e lo ft h et u r b o c h a r g e dd i e s e le n g i n ei sb u i l d a n dt h ew o r k i n gp r o c e s si sa n a l y z e d b a s e do nt h a t , c r e a t e sag t - p o w e rs i m u l a t i o n m o d e lo fd 0 1d i e s e le n g i n e a d j u s tt h em o d e lb yc o m p a r i n gt ot h ee x p e r i m e n td a t a w i t ht h es i m u l a t i o nc o m p u t a t i o nm o d e lo fv a r i a b l en o z z l et u r b o c h a r g e r ，t h e m a t c h i n gp r i n c i p l e sb e t w e e nv a r i a b l en o z z l et u r b o c h a r g e ra n dd o 1d i e s e le n g i n eh a v e b e e ni n v e s t i g a t e da n da n a l y z e di nt h i sp a p e r a n dg e tt h ed a t ao ft h en o z z l eo p e n i n ga n d b o o s tp r e s s u r e a n a l y s i st h ei n f l u e n c e so nt h ee n g i n ep o w e ra n de c o n o m i co ft h en o z z l e o p e n i n g ，a n dt h e nd e t e r m i n e st h eb e s tn o z z l eo p e n i n g 谢t ht h ee n g i n es p e e da n dl o a d v a r i a t i o n w i t ha n a l y s i so ft h em a t c h i n gr e s u l t sb e t w e e nt h ee n g i n ea n dt h ev n t , w e d e t e r m i n ec o n t r o ls t r a t e g yf o ra l lw o r k i n gc o n d i t i o n s ：p i df e e d b a c kc o n t r o lw i t hb o o s t p r e s s u r ef o rs t e a d ys t a t e ，r a c kp o s i t i o n 粥t h et a r g e tf o rt y p i c a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n so f t h et r a n s i e n ts t a t e ，a n dd e t e r m i n et h en o z z l eo p e n i n gb yj u d g i n gt h ew a t e rt e m p e r a t u r e o ni d l i n gc o n d i t i o n a f t e rt h a t ，w eb u i l dt h ev n tc o n t r o ls y s t e mm o d e li ns i m u l i n k a f t e rc o m p l e t e dt h ed e s i g no ft h ee x e c u t i v eb o d y , w ec h o o s et h em o t o ra n ds e n s o r a n dt h e nb u i l dt h eh a r d w a r ei i ll o o ps y s t e mw i t l lt h ep l a t f o r mo fd s p a c ew i t hw h i c h t h ee x e c u t i v eb o d yi sc o n n e c t e dt ot h ec o n t r o lm o d e l ；a c h i e v ed e b u g g i n gs o f t w a r ea n d h a r d w a r eb yt a k i n gp o s i t i o nf e e d b a c kc o n t r 0 1 a f t e rt h ee x p e r i m e n t , w ef i n dt h a tt h e s y s t e mi ss t e a d y ，a n dr e s p o n s ei sq u i c ke n o u g ht os a t i s f yt h es y s t e mr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：v a r i a b l en o z z l et u r b o c h a r g e r ( v n t ) ；m a t c h ；c o n t r o l ；h a r d w a r ei i ll o o p c l a s s n o ： v h 目录 目录 中文摘要v a b s t r a c t v i i l 绪论1 1 1 背景与意义1 1 2v n t 与柴油机匹配的研究现状2 1 3 盯控制技术的国内j l - 发展现状4 1 3 1 国外v n t 控制系统发展现状4 1 3 2 国内盯控制系统发展现状6 1 4 本论文的主要研究目标及研究内容8 1 4 1 本论文的主要研究目标8 1 4 2 本论文的主要研究内容8 2v n t 与柴油机匹配模型的建立9 2 1 柴油机仿真模型的建立9 2 1 1 柴油机燃烧系统仿真模型的建立1 0 2 1 2 柴油机进、排气系统仿真模型的建立1 7 2 1 3 中冷器仿真模型的建立一2 2 2 2 可变喷嘴涡轮增压器( 盯) 仿真模型的建立2 4 2 2 1 压气机仿真模型的建立2 4 2 2 2 涡轮仿真模型的建立一2 6 2 3 仿真模型的验证3 0 2 4 本章小结3 2 3 盯系统与柴油机匹配的仿真研究3 3 3 1 盯与柴油机匹配的研究3 3 3 1 1 常规涡轮增压器与发动机的匹配要求3 3 3 1 2v n t 的工作原理及与柴油机的匹配要求3 5 3 2 可变喷嘴涡轮增压器与柴油机的匹配计算及选型3 6 3 2 1v n t 与柴油机匹配各项参数的确定3 6 3 2 2b v 4 0 、g t i5 两款涡轮增压器与柴油机匹配选型分析。3 8 3 3 可调叶片位置m a p 及增压压力m a p 的确定。4 2 3 3 1g t l 5 与柴油机匹配的仿真研究4 2 3 3 2 可调叶片位置m a p 、增压压力m a p 的确定5 2 i x 北京交通大学硕士学位论文 3 4g t l 5 系统与柴油机匹配仿真结果分析5 3 3 4 1v n t 不同叶片位置对柴油机动力性、经济性的影响。5 3 3 4 2v n t 喷嘴开度、增压压力随发动机转速的变化规律研究。5 7 3 4 2 盯喷嘴开度、增压压力随发动机负荷的变化规律。5 8 3 5 本章小结6 0 4v n t 控制系统的仿真研究6 l 4 1 盯控制系统组成和执行机构设计、选型6 1 4 1 1 盯控制系统组成6 1 4 1 2 执行机构设计、选型6 2 4 2 盯系统控制策略的研究6 6 4 2 1 稳态工况下盯系统控制策略研究6 7 4 2 2 瞬态工况下v n t 系统控制策略研究7 1 4 2 3 怠速工况下盯系统控制策略研究7 4 4 3 盯控制系统模拟仿真研究7 4 4 3 1v n t 控制系统仿真模型建立7 4 4 3 2 、i t 控制系统仿真研究7 7 4 4 盯控制系统硬件在环仿真研究7 9 4 4 1 盯控制系统硬件在环仿真平台的建立。7 9 4 4 2v n t 控制系统硬件在环仿真研究8 2 4 5 本章小结8 6 5 全文总结及展望8 9 5 1 全文工作总结8 9 5 2 进一步工作展望9 0 参考文献9 l 附录a 9 3 作者简历9 5 独创性声明9 7 学位论文数据集9 9 x 技术瓶颈急需突破。为了迅速缩小与国际先进水平的差距，近十年来，国内柴油 机厂家通过购买产品技术、联合开发等方式探索先进柴油机的开发，使柴油机研 发的整体水平有所提高。但总体来说，核心技术仍然为外方控制，技术、产品的 成长没有连续性，性能指标难以达到预想水平，排放标准在欧上下徘徊。由于 未能掌握柴油机的核心技术，始终难以走出落后，引进，再落后，再引进的圈子。 为了填补国内轿车在柴油机领域的空白，提升国内对柴油轿车的研发能力，长丰 ( 集团) 有限责任公司联合北京交通大学、湖南大学申请了科技部8 6 3 项目“长丰 新一代轿车用环保高效柴油机研发”，准备开发出具有自主知识产权的国际一流 水平的1 6 l 柴油轿车，并掌握关键零部件的核心技术。 近年来，环境问题引起人们的日益重视。为保护环境，人们除积极开发新的 动力装置( 如l p g 和燃料电池) 外，对车用发动机的尾气排放制定了愈来愈严格 的标准。采用带废气放气阀的增压发动机，配合其他措施，可以使排放达到欧 标准，要进一步达到欧和欧标准，大都采用可变喷嘴涡轮增压器。与带废气 放气阀的固定喷嘴涡轮增压器相比，可变喷嘴涡轮增压器可以根据发动机工况的 不同连续调节进气流量，在保证稳态工况进气流量的同时，改善过渡过程的响应 速度，提高发动机的瞬态性能，降低瞬态过程排放。可变喷嘴技术正是所开发低 排放柴油轿车的技术关键之一，因此对可变喷嘴技术的开发、掌握是提高柴油轿 车经济性、动力性的有效途径【l 】。 北京交通大学硕士学位论文 1 2 盯与柴油机匹配的研究现状 发动机与涡轮增压器的匹配及增压系统的研究是增压技术的重要方面。普通 涡轮增压系统存在着的一个缺陷，即发动机在低速时不能产生所期望的高增压压 力。这种缺陷在转速和负荷都大幅度变化的增压车用发动机上尤为明显。具体到 普通涡轮增压器与车用柴油机的匹配，在实际应用中主要存在问题为【2 j ： 低速转矩不足； 低速和部分负荷时经济性差； 起动、加速性能差，瞬态响应性迟缓，冒烟严重。 其主要原因为：柴油机是容积式机械，活塞往复运动使其工质的流动是脉动 间歇的，而涡轮增压器是叶片机械，其工质的流动是连续而相对稳定的。另外， 柴油机与涡轮增压器之间只有气动连接，与机械连接相比响应速度要慢。因此， 涡轮增压器与柴油机的匹配从工作原理上就具有不稳定且反应迟缓的特性。车用 柴油机要求能够在很宽的转速和转矩变化范围内工作，但是，柴油机的输出功率 在很大程度上依赖于增压器所能够供给它的空气量，而常规增压器所能供给的空 气量又依赖于柴油机当时的转速【2 1 。这样，当柴油机在起动或低速下运行时，由于 排气能量不足，使增压器偏离设计工况点工作、效率显著下降、增压压力下降、 空气量不足、燃烧状况恶化，从而使柴油机的油耗上升、碳烟排放增加、转矩下 降。如果将柴油机与增压器的匹配点选在低速，则当柴油机在高速工况工作时， 又容易发生增压压力过高，柴油机热负荷和机械负荷过高的情况。当柴油机在加 速或改变工况时，由于气动连接的特性及增压器转子的惯性，增压压力不能立即 跟上，使得增加喷射的燃油燃烧所需要的瞬时空气量与当时的实际供气量之间存 在巨大差异，混合气过浓，燃烧状况恶化，致使柴油机严重冒烟、加速时间延长。 为了改善以上问题，人们提出了多种措施。其中一种是尽量降低转子的转动 惯量以提高瞬态响应性能，如采用陶瓷转子等 3 1 。但从上述分析可知，更关键的是 要实现对供气量的瞬时调节，以适应柴油机工况的变化【4 】，为此发展了多种增压系 统。如何改善增压发动机的低速性能以及发动机与涡轮增压器的匹配是增压系统 研究的主要方向。目前增压系统主要有以下几种发展趋势： ( 1 ) 高工况放气系统：又称放气阀调节系统1 5 j ，是改善车用增压柴油机低速 工况的最常用措施。为了确保低速性能，放气点一般选在最大转矩点处，柴油机 在高速工况工作时，通过旁通放气阀放出涡轮前的一部分废气，以降低增压器转 速和压比来限制最大爆发压力。这种系统的结构简单可靠，但由于其采用低速匹 配的特点，在高转速工况下放走了一部分废气，造成了排气能量损失，牺牲了增 压器的效率，且排气背压较高，使柴油机在高速工况下的油耗有所增加。 1 绪论 ( 2 ) 低工况进排气旁通系统：进排气旁通系统的原理是当柴油机低速运行时， 增压空气绕过气缸，直接进入涡轮前的排气管，由于流道缩短以及流通阻力明显 减少，气体流量增大，涡轮做功能力增强，因而可以提高增压压力。这样可以避 免低工况的喘振，改善发动机低速工况性能，如利用废气余热对旁通的空气加热 效果会更好。德国m t u 公司3 9 6 柴油机就采用了该系统以改善低速工况性能。但 是该系统控制调节部分的难度大，主要应用于大功率高增压柴油机。 ( 3 ) 电动放气涡轮增压系统：其原理是把带旁通放气阀的增压器的转子总成 和一台电机相连接，以便废气能量不足时用电机带动增压器转动来提高加速时的 运转速度，保证发动机的充气量；当涡轮增压器转子达到足以充分向发动机供气 的速度时，电机与供电系统断开。在高速工况，通过放气阀放走多余的废气，以 限制增压器的最高转速。该系统允许电机在发动机高速范围内成为发电机，使发 动机废气中过剩的能量转换成电能，电机向电路回输电流，通过合适的电子控制 装置，把电机中的电能分配给发动机有用的方面。该系统可显著改善发动机的低 速特性，特别是启动性能，消除涡轮滞后，大大减少车辆启动时的有害排放，改 善油耗，比较适用于城市客运车辆。 ( 4 ) 增压转换系统：增压转换系统是指顺序增压系统及两级增压系统，主要 为了解决发动机部分负荷特性问题，可在降低燃油消耗的同时使功率提高约1 0 。 在顺序增压系统中，通过转换阀把多个增压器并联起来，发动机低速时只有小增 压器在工作；中速时，小增压器关闭，大增压器打开；高速时，大、小增压器同 时工作，以此实现低速时的高转矩1 6 1 。与一般增压发动机相比，采用顺序增压的发 动机，可使多台增压器都处于压气机最佳效率区，使发动机在不同工况范围内有 不同的最佳匹配点。德国m t u 公司最早将顺序增压系统用于船用柴油机，使发动 机的低速转矩、加速性、排温、烟度和油耗等性能都得到改善。v o l v o 公司在其车 用柴油机上采用顺序增压系统，使发动机的瞬态响应性得到很大提高。两级增压 系统可使两级增压器都运行在压气机最佳效率区。 ( 5 ) 气体引射涡轮增压系统：气体引射涡轮增压器【7 】是由美国热力机械公司 研制出来的，这种增压器主要是利用排气能量改善压气机和涡轮效率，实现压气 机无喘振工作，进而改善发动机低速转矩和油耗，同时还能保持高速时的标定功 率。美国陆军的v h 8 6 l 柴油机上使用这种增压系统，低速转矩提高了1 5 ，且 油耗有所下降。这种系统的研究还处于初始阶段，其前景还取决于今后的发展。 ( 6 ) 可变几何涡轮( v a r i a b l eg e o m e t r yt u r b i n e ) 增压系统瞒j ：按照改变涡轮 流通截面方式的不同，该系统也有多种形式，最基本的有移动套式和可变喷嘴式。 经过多年的发展，可变喷嘴涡轮( v a r i a b l en o z z l et u r b i n e ，简称v t ) 增压系统 获得了多方面的良好评价和较广泛的应用。其结构示意图如图1 1 所示。 北京交通大学硕士学位论文 喷嘴枢轴 排气入口 片 图1 - 1v n t 结构不意图 f i g l - 1s t r u c t u r es c h e m eo f t h ev n t 喷嘴环由许多绕着各自枢轴转动的喷嘴环叶片组成，喷嘴环叶片之间的通道 决定着排气流通截面积的大小。喷嘴环叶片均匀地排列并与齿轮相连，齿轮受到 喷嘴控制环的控制，当执行机构的拉杆来回移动时，喷嘴控制环往复摆动，通过 啮合的齿轮，使得各喷嘴环叶片改变角度，从而实现改变喷嘴环出口截面积的目 的。 在发动机低速时，通过减小涡轮流通截面积而使增压压力提高，从而改善发 动机的低速特性；在发动机高速时，逐渐增大涡轮流通截面积，使增压压力比常 规的( 截面不可调) 涡轮增压器的增压压力小，使增压器不至于超速，发动机的 爆发压力不至于过大，同时还不会影响高工况时发动机的经济性。该系统还能扩 大低油耗运行区，提高发动机的加速性和瞬态响应性【9 】。因此，可变喷嘴涡轮增压 系统是车用发动机涡轮增压系统中较理想的一种方案，同时还具有结构紧凑，匹 配方式灵活，增压系统改动少，控制方式简单等优点，能基本解决增压器与柴油 机的匹配中存在的问题，因而极具吸引力【l 们。随着增压器材料、生产工艺水平和 控制系统性能的提高，这种增压系统的应用必将得到进一步应用。 1 3v n t 控制技术的国内外发展现状 1 3 1 国外盯控制系统发展现状 国外在可变截面涡轮增压器的研究方面一直处于领先地位，日本、美国、德 国等都已开发出了多种典型实用的可变截面涡轮增压器形式。国外对可变截面涡 4 1 绪论 轮增压器控制系统的研究最早从上世纪8 0 年代初便开始了，并且研制出了比较成 熟的控制系统。在这方面日本尼桑( n i s s a n ) 、美国通用( g m ) 、德国大众 ( v o l k s w a g e n ) 等公司处于研究的先进行列。 日本n i s s a n 公司与美国a l l i e ds i g a l 公司、g a r r e t ta u t o m o t i v eg r o u p 公司共同 开发了一种可变喷嘴涡轮增压器，主要用于n i s s a n 公司新型重型货车柴油机上。 图1 2 所示为该增压器的控制系统示意图。主要由喷嘴叶片执行器、p c m 单元阀 ( 压力控制阀) 、发电机、真空泵、控制单元及各种传感器和显示仪表等组成。其 中，喷嘴叶片执行器为膜片式负压执行器，它的动力源为安装于发电机后端的真 空泵，负压的大小由p c m 阀控制。控制单元根据发动机的各种传感器信号向p c m 阀发出控制信号，通过改变p c m 阀开启和关闭的时间比( 负载比) 来调节由真空 泵产生的负压的大小。负载比的确定是根据事先标定好的发动机运行m a p 图进行 比较和计算得到的【1 1 】。 图1 - 2n i s s a n 公司的司变截面涡轮增压器控制系统 f i g l - 2c o n t r o ls y s t e mo f v a r i a b l eg e o m e t r yt u r b i n et u r b o e h a r g i n gp r o d u c e db yn i s s a n 该控制系统的控制方法是对增压压力进行闭环反馈控制，采用p i ( 比例一积 分) 控制算法。考虑到发动机在瞬态工况下增压压力的响应较稳态工况明显变差， 为提高非稳态工况下系统的稳定性和平滑性，又加入了前馈控制作为p i 控制算法 的补充。其控制策略是将发动机稳态工况下由转速和负荷所决定的喷嘴开度负载 比事先以m a p 图形式存储于控制单元中，作为前馈控制值，并与p i 控制值共同 组成控制信号，以实现对p c m 阀的控制。 图1 - 3 所示为美国g m 公司开发的一种用于汽油机的可变截面涡轮增压器控 5 北京交通大学硕士学位论文 制系统。该系统由执行器、电子压力调节器( e p r ) 、电子真空调节器( e v r ) 、电 子控制包( e c b ) 、电子控制模块( e c m ) 及各种传感器等组成。其中，执行器被 设计为由膜片分隔成两个小气室的气动执行器，两个气室的压力分别来自于节气 门后压气机前的进气歧管和增压后的进气歧管，两个气室产生的压力差作为驱动 喷嘴叶片旋转的动力，由此可以保证气动执行器在各种工况下都能有效地克服来 自喷嘴拉杆的阻力。另外，执行器两个气室中的压力又分别受e p r 和e v r 的控制， 其控制信号来自于监控发动机转速、进气流量、节气门位置、中冷器温度等参数 的e c m 并受到e c b 的调节。电子控制包同时还接收增压压力反馈信号，进行闭 环控制。其控制策略是先制出稳态工况增压压力控制m a p 图并存储于e c m 中， 将当前增压压力与e c m 中的目标增压压力进行比较，电子控制包根据差值调节控 制信号使执行器动作，进而实现增压压力的优化控制【l 引。 来自进气歧曹 进气 图1 - 3 美国g m 可变截面涡轮增压器控制系统 f i g l 一3c o n t r o ls y s t e mo fv a r i a b l eg e o m e t r y t u r b i n et u b o c h a 唱i n gp r o d u c c db yg m 日本i h i 公司还将模糊控制应用于装有q t 的6 缸柴油机上，采用步进电机 驱动。由微控制器根据输入的齿杆位置、增压压力、转速和转速增量及增压压力 增量进行控制。模糊控制有两种模式，一种是在部分负荷下的开环控制模式，根 据稳定状态下得到的发动机试验数据由模糊推理确定最佳的喷嘴环开度；另一种 是全负荷工况下的反馈控制模式，在这种模式下，控制器根据稳态下的试验数据 确定最佳开度。两种模式的选择由油泵齿杆的位置决定【l 引。 1 3 2 国内盯控制系统发展现状 国内在可变截面涡轮增压器的研究方面落后于国外，只有清华大学、北京理 工大学等少数几家单位在从事着增压器材料、结构改进、参数匹配等方面的研究。 6 增压压力反馈 1 绪论 在控制系统研究方面，目前只有清华大学、北京理工大学做过这方面的初步研究。 北京理工大学马朝臣等人为j 6 1 1 0 z 柴油机匹配的盯设计了一种机械式气 动控制系统，其示意图如图1 - 4 所示。该增压器的喷嘴环叶片位置由一根摆杆控制， 摆杆上分别与弹簧和气动执行器的推杆相连，通过弹簧拉力与气动执行器膜片两 端压力差的平衡来驱动喷嘴环叶片旋转。涡轮增压器的设计点选在标定点，此时 弹簧的拉力与作用于膜片上的压气机出口压力相平衡。北京理工大学王军秋等人 研制了一种可变截面涡轮增压器电子控制系统【l4 1 ，该控制系统由电控单元e c u 、 涡轮截面开度执行器( 力矩电机) 、传感器及控制对象j 6 1 1 0 z 柴油机等组成，其 系统示意图如图1 5 所示。传感器采集的参数( 包括发动机转速以，压力p ，执行 器位移三) 输入e c u ；增压电控单元完成数据采集和工况判断后，把控制信号输 出到执行器；执行器把控制输出信号变为机械位移，从而改变涡轮截面的开度。 图l _ 4 机械式气动控制系统示意图 f i g l - 4s t r u c t u r es c h e m eo f t h em e c h a n i c a la n da e r o d y n a m i cc o n t r o ls y s t e m 喜 崮 手动控制信号 罗： 。三 乡： 、 工f l点 二彩 o n ，7 戒心1 k 一 墓琴多 至蔷一 一， 、- 、一 o 脚。 _ j _ 。一 压气机修正沉重 x 暑s * k 。0 f i k p a * 1 0 2 图3 8g t l 5 增压器匹配图( 三角形为工作点) f i 9 3 8o p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f t h ee n g i n em a t c h e dw i t hg t l 5 采用g t l 5 增压器时，压气机的工作点则大部分落在了高效率区，保证了发动 机常用工作点增压器有较高的效率。除了发动机1 0 0 0 r p m 外，其他点都落在了喘 振线里面，且具有一定的裕度。考虑到1 0 0 0 r p m 正处于发动机怠速，一般除了自 身的机械负荷外，其他不需要高的功率输出，所以也可不采取增压；同时由于m a p 数据读取范围的限制，导致该点落于m a p 之外。当发动机刚脱离怠速，到1 3 0 0 r p m 左右时，工作点即进入m a p 之内。 综上所述，针对d 0 1 发动机增压器选型，选用g t l 5 增压器既能保证发动机 达到预期的性能指标，同时也能使增压器本身高效稳定的工作，因此推荐使用 g t l 5 增压器。 3 3 可调叶片位置m a p 及增压压力m a p 的确定 3 3 1g t l 5 与柴油机匹配的仿真研究 在本文中，g t l 5 与发动机的匹配主要是寻求各个工况下可变喷嘴的最优开度 4 2 3v n t 系统与柴油机匹配的仿真研究 以及增压压力，为实现对可变喷嘴的精确控制提供保证。在g t - p o w e r 中，叮t 开度的控制有两种方法，一种是直接采用p i d 控制单元，另外一种是通过设置变 量参数( r a c k p o s i t i o n ) ，对其赋以v n t 的开度初值。初值的赋予在前期存在一定 的随机性，随着研究的进一步展开可以掌握盯开度的控制规律，缩小开度优化 范围，为开发节约时间。本文采用第二种方法。 g t l 5 与发动机的匹配研究由全负荷和部分负荷两大部分组成。为了考察呵t 对柴油机的稳态性能的影响，在仿真研究过程中保持发动机转速和循环喷油量稳 定不变，使其运转在某一特定稳态工况，然后改变v n t 开度的值，通过工作过程 仿真计算，分析各q t 开度对柴油机油耗、扭矩、增压压力等参数的影响规律， 寻求最优的v n t 开度。 对于全负荷工况，发动机转速变化范围由1 0 0 0 r p m , - 4 0 0 0 r p m ，以5 0 0 为一个 节点，将其分为7 个工况点，通过估算确定各工况的喷油量，从而进行各工况的 仿真计算。对于发动机的每一种转速，呵t 的开度都要执行o l 的开度变化，通 过对比来确定该工况下与发动机匹配最优的点，以满足发动机在全负荷时的设计 要求，图3 - 9 为d 0 1 发动机外特性图，也是全负荷工况的寻优标准。 埭 辑 转速( r ，m i n ) 图3 9d 0 1 发动机外特性 f i 9 3 - 9t h eh o r s ep o w e rc u r v eo f t h ed 0 1e n g i n e 在仿真运算开始以前要对仿真循环的收敛要求以及仿真循环数等参数进行设 定，图3 1 0 即为模型设置界面。 4 3 北京交通大学硕士学位论文 图3 1 0 模型参数设定界面 f i 醪一1 0t h ei n t e r f a c eo f p a r a m e t e rs e t t i n gf o r t h em o d e l 对于某一固定转速的工况首先将喷嘴环开度r a c k - p o s i t i o n 以o 1 的间隔分成十 一组，研究发动机与v n t 匹配的变化规律，并根据外特性的要求，缩小下一步仿 真运行时r a c k p o s i t i o n 的变化范围，图3 1 1 、3 1 2 分别为发动机转速为1 5 0 0 r p m 时模型设置、运行的情况。 回 国= 墨二j 嘲脚嘲朋，。一叠：芸：篡：兰： l “ ( o n ， 2 ( m )3 c 帅) 5c o n )b r 蚺i t 7团 团团回团 f r e 1 j d r 4 d 10 1 r jkv c e u b n m k蚺 5 ) 0 m 。| n e c v m v 2 0 f m t 0 n 5 b t t r n s b m a s s j u e c t旧v p c a k u t 与 r p 0 9 t 0 n 7 鼍秀 0 惦0 o 肝o 肺0 1 5 r 附 k竹 3 7 0 n o h n m衫 霆 1 3 l c s e s l l 掣l9 “l 图3 1115 0 0 r p m l 对，模型参数设置界面 f i 9 3 - 111 5 0 0 r p m ，t h ei n t e r f a c eo f p a r a m e t e rs e t t i n gf o rt h em o d e l 北京交通大学硕士学位论文 2 2 2 0 冒1 7 + 叟 “1 5 1 2 1 0 o 蛐n a ni m e p ，p a f tc 蛐 厂j 图3 1 42 0 0 0 r p m ，不同喷嘴开度下i m e p 的变化 f i 9 3 - 1 42 0 0 0 r p m ，c h a n g i n go f t h ei m e p w i t hd i f f e r e n ta r e a so f t h ev a r i a b l en o z z l e 图3 1 4 是发动机在2 0 0 0 r p m 时，平均指示有效压力随喷嘴开度的变化情况， 其变化趋势与发动机输出扭矩是基本一致的，即在c a s e 2 c a s e 5 之间出现最大值， 下一步的仿真则会将喷嘴开度的范围缩小到c a s e 2 c a s e 5 对应的区间内，并且根据 设计的外特性曲线来选取合适的喷嘴开度。 c o m p o s e r ：f _ f f l c i e n c ym a p u 0 m r e s s 0 r ：c o “坤s 窜0 r - u i a - 当瑚1 】a t j 凸柚 。 + 1 2 2 7r p m 05+ 2 7 0 0r p m 朕 05 增 压 比 一4 1 7 3r p m 0 5 一5 6 4 6r p m 朕 0 5 一7 1 1 9 砒m 0 5 + 8 5 9 1r p m 0 5 多 小 ， 广 p夕 7蓬 兰一 一t 二7 尸簇，：惑，+ 漶 7馕攀 。箨 ，“1 t 一弋y 孀 芦r ，必赫$ 舻鬻4 。，滋翊 未i 、? m 删泌 二骂：7 “。7 “ 压气机修正流置【( i 1 l s ) 耀0 5 1 k p a 图3 1 52 0 0 0 r p m ，不同喷嘴开度下压气机的工作情况 f i 驴一152 0 0 0 r p m ，o p e r a t es i t u a t i o no f t h ec o m p r e s s o rw i t hd i f f e r e n ta r e a so f t h ev a r i a b l en o z z l e 图3 1 5 是发动机在转速为2 0 0 0 r p m 时，压气机的工作特性图。可以看出所有 喷嘴开度对应的工况下，压气机的工作点与等效率线保持平行，覆盖了o 3 o 7 5 3 、t 系统与柴油机匹配的仿真研究 效率区，并且距离压气机的工作边界有一定的裕量，不会发生喘振，这也为下一 步缩小喷嘴开度范围提供了保障。 b s f c - b r a k es p e c i f i cf u e lc 砌m 咖o n p 越e n 晷” - ； 弋 。试? 臻i # 、“渤y 溜一 一鑫，。 ， om a x ：7 6 7 n | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |