【《国内外涡轮增压技术研究现状的文献综述》2900字】

国内外涡轮增压技术研究现状的文献综述1.1涡轮增压技术发展历程关于增压器在汽车的应用，最早在二十世纪初就发现了装有机械增压器的宾利、福特等汽车，但直到1962年才生产出装备废气涡轮驱动的涡轮增压器的车型，如美国奥兹莫比和雪佛兰。在欧洲市场柴油机比起汽油机更受欢迎，所以柴油机的普及率较高，增压技术的应用在全球处于领先地位。在涡轮增压器刚发展之初，市面上普遍流行机械增压、自然吸气涡轮增压，结构简单，制造工艺简易。但是发动机巨大的振动和涡轮迟滞等一系列问题给涡轮增压器的发展带来阻碍。为了解决相应的问题，许多新型结构形式应运而生(如图1-2)，例如复合增压、废气旁通增压、可变几何截面涡轮增压等。1950年，瑞士的一名工程师波希正式提出了涡轮增压的概念，利用发动机废气的能量提高发动机输出的功率。其原理就是利用发动机排出的废气带动涡轮转动提高进气量，从而提高发动机的功率和扭矩[5]。这一技术最先使用在飞机坦克上，在经过十几年的战争之后涡轮增压技术得到了完善和强化，战争后推广到火车轮船等民用领域。到了上世纪60年代，涡轮增压已经得到了充分的实践和考验，蠢蠢欲动的车企来了第一个的吃螃蟹的，那就是来自美国的通用集团。随着人们对细节要求程度更高，刚开始的涡轮出现故障多、可靠性低等一系列问题使得众多车型纷纷停产。直到上世纪70年代的石油危机，直接导致汽车和柴油价格在全球范围内疯涨，使得工程师们在考虑同样排量下怎么提高经济性和动力性，涡轮增压又重新回归工程师们的视野，但是他们必须解决涡轮增压后缸内压力过大导致的不安全问题。1977年，飞机制造商Saab萨博99汽车设计了一个废气旁通阀，在发动机缸内压力过大时卸掉部分压力，使这项废气涡轮增压技术的应用成为了可能[17]。由于该项技术的出现使得萨博99汽车成为了全球首款可大范围推广的涡轮增压车型。通用集团在得到这项技术后经过多年的优化改良加入了高压喷射、双涡轮增压中冷等技术，使得涡轮增压技术日益精良。图1-2机械增压、单涡轮双涡管增压、复合增压1.2国外VGT废气涡轮增压研究现状从上世纪80年代开始，全世界刮起了对VGT可变几何截面废气涡轮增压技术研究的热潮。刚开始都是在稳定状态下对VGT叶片的开度进行手动控制，并把发动机的控制参数设置为转速和负荷。随着第三次工业革命的开始，VGT的控制也由手动转为ECU控制，控制精度变高，效果变好。德国MTU公司设计出了一种安装在蜗壳内部的轴向移动活动壁的可变截面涡轮增压器，活动壁在蜗壳内部轴向移动以此来改变气体流动面积，实现转速改变的目的。日本三菱公司提出了一种在增压器进气口安装一个绕定轴转动的调节叶片的可变截面涡轮增压器，该方法通过调节叶片的位置改变气体流通面积从而调节气体流速。这种增压器的优势在于动作简单、操作方便、控制灵活、驱动力小等。缺点是吸气过程中气体相互干扰，影响进气效率。美国Garrett和德国KKK公司采用转动喷嘴环叶片的方式，通过执行机构来改变叶片之间的角度从而达到改变气流截面积的目的。日本IHI公司在柴油机上安装一台四步控制的可变几何截面废气涡轮增压器，采用步进电机驱动和模糊理论控制的方式，实验证明，这种增压系统在柴油机全工况下能实现连续的喷嘴开度调节，响应速度快效率高。上世纪90年代，日本Nissan柴油机公司与美国AlliedSigal和Garrett公司合作将无步距增压压力反馈系统控制应用到VGT上，这个控制系统采用比例积分（PI）控制算法，同时考虑柴油机瞬态工况响应速度慢的特点，并且加入了前反馈控制，从而系统控制变得更为平滑和稳定。ErikssonL等人在EGR和VGT耦合及控制方面进行了深入研究，并在早期提出了可调参数的PID控制算法，并且充分考虑了协调排放限制和低燃油消耗，其控制框图如图1-3。在后续的研究中ErikssonL等人又提出了非线性的VGT和EGR瞬态控制策略，把EGR率和排气歧管压力作为PI控制器的反馈值，将EGR率和氧气燃料比反馈同设置点比较，并且为了处理设置点模型误差采用了外部积分，闭环控制框架如图1-4[4]。国外增压技术起步早发展快，在内流场方向他们很早就已经开始研究，起初主要靠理论研究、实验探索、数学模型的方法进行研究。随着计算机科学技术的发展，各种流场分析软件出现，帮助研究人员们进行试验仿真，节省成本，提高效率。Meitner提出了VGT在非设计工况下的性能数值计算方法，在软件中对涡轮锅壳区域内的流场模型和叶轮区域的流场模型划分网格。图1-3VGT控制策略框图图1-4闭环控制框架图1.3国内VGT废气涡轮增压研究现状由于我国工业起步较晚，因此国内对于VGT研究比较滞后，国内各大高校在上世纪80年代开始从事VGT与柴油机的匹配、流场分析等传统方向的研究，而对于涡轮增压控制策略模型的仿真及建立、控制系统的软硬件方面的研究较少。2002年，清华大学汽车安全与节能国家重点实验室王恩华采用PID控制器，将压气机出口的增压压力作为控制目标，完成了六缸发动机的VGT匹配与稳态实验。在后续研究中又开发了一种以PIC单片机为ecu的VNT柴油机电控系统，采用了不同工况下不同的控制策略，并且PID控制器参数一直随着发动机转速和负荷变化而变化，最后用实验验证了该PID控制器控制系统的良好性能[4]。2010年，北京交通大学的林磊研究了关于在不同工况下VGT的控制策略，将PID闭环控制用于稳态工况下，叶片位置调节方式应用在瞬态工况下，而在怠速工况下利用发动机温度来判断喷嘴开度，使得VGT获得良好性能。2018年，广西玉柴机械有限公司王利民等人进行了基于多级闭环的柴油机VGT控制策略的研究。他们根据柴油机的结构特点设计了电控VGT系统,以增压压力和VGT推杆位置开度作为反馈信号,采用膜片-推杆执行机构进行控制,提高VGT系统的响应速度。然后基于上述拟定系统设计了基于进增压压力和位置开度的VGT多级闭环控制算法,实现柴油机全工况增压压力的闭环控制,提高VGT的控制精度。最后在柴油机台架上对VGT多级闭环控制策略[18]。2020年，吉林大学李娜研究关于电辅助涡轮增压柴油机非线性优化控制方法。电辅助涡轮增压（EAT）技术是将用于辅助的电机加在了涡轮增压器上，这样做的目的是为了改善涡轮迟滞带来的瞬态响应速度较慢、柴油机低转速时输出扭矩不足以及废气能量利用率不足等问题[19]。国内对于涡轮增压电控技术处于发展一般水平，但随着国内各大高校不断努力研究中，各种涡轮增压控制策略层出不穷。增压柴油机已作为柴油机基本型不断发展，VGT电控技术已得到充分发展。参考文献[1]HuB，YangJ，LiJ，LiS，BaiH.IntelligentControlStrategyforTransientResponseofaVariableGeometryTurbochargerSystemBasedonDeepReinforcementLearning[J].Processes,2019,7,601.[2]HAOLJ，HUANGY，ZHUANGFJ，etal．Ｒesearchonthecontrolstrategyofvariablenozzleturbochargerfornaturalgasengine[J]．JournalofBeijingInstituteofTechnology，2010，19(1):37-41．[3]HONGS，PAＲKI，SUNWOOM．Model-basedgainschedulingstrategyforaninternalmodelcontrol-basedboostpressurecontrollerinvariablegeometricturbochargersystemofdieselengines[J].JournalofDynamicSystemsMeasurementandControl，2016，138(3):031010．[4]艾丽思．高压共轨柴油机VNT控制策略研究[D]．昆明：昆明理工大学，2015.[5]杨小亮.基于柴油机的VGT/EGR涡轮增压[D].大庆：东北石油大学，2015.[6]刘朝阳，穆朝絮，孙长银.深度强化学习算法与应用研究现状综述[J].智能科学与技术学报，2020，2(4):210096.[7]SUTTONRS,BARTOAG.Reinforcementlearning:anintroduction[M].Cambridge:MITPress,2018.[8]张卫波，梁昆，朱清.基于非线性模型预测的可变截面涡轮增压器控制[J].信息技术，2021，01，032.[9]周鹏程，王银燕，王贺春，金鑫.可变截面涡轮增压瞬态性能仿真研究[J].船舶工程，2018，40(1):76-80[10]邢世凯，马朝臣，高建兵．可变喷嘴涡轮增压器与柴油机匹配的数值模拟[J]．内燃机工程，2016，37(3):139-143．[11]周龙保,内燃机学[M].北京机械工业出版社，2005.1[12]DépatureLWSPBAC.,BoulonL.Real-timebacksteppingcontrolforfuelcellvehicleusingsupercapacitors[J].IEEETransactionsonVehicularTechnology,2018,67(1):306–314.[13]HeywoodJB.Internalcombustionenginefundamentals[M].NewYor