電控柴油機(jī)VGT控制系統(tǒng)標(biāo)定策略

沈國華 李進(jìn)普 王亮 曹付廣 劉健

（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

電控柴油機(jī)VGT控制系統(tǒng)標(biāo)定策略

沈國華1，2李進(jìn)普1，2王亮1，2曹付廣1，2劉健1，2

（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

為了實(shí)現(xiàn)空氣系統(tǒng)對扭矩請求的迅速響應(yīng)，對不同發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況下可變截面增壓器（VGT）控制器的標(biāo)定策略進(jìn)行了試驗(yàn)研究。以GW4D20歐四電控柴油發(fā)動機(jī)為例，試驗(yàn)表明，在瞬態(tài)工況下，對VGT的開環(huán)控制具有較好的動態(tài)響應(yīng)和控制精度；在NEDC循環(huán)中，VGT在進(jìn)氣需求上的響應(yīng)速度比控制精度對發(fā)動機(jī)的性能影響更加明顯。

VGT控制標(biāo)定策略動態(tài)響應(yīng)

引言

柴油機(jī)歐五污染物排放法規(guī)在碳顆粒（PM）和氮氧化合物（NOx）限值上較歐四標(biāo)準(zhǔn)均有大幅削減，歐六標(biāo)準(zhǔn)中NOx的限值更是較歐五降低了56%。研究表明，柴油機(jī)尾氣排放中NOx的形成和燃燒時(shí)的富氧環(huán)境密切相關(guān)；而PM則和燃燒時(shí)進(jìn)氣不足有直接關(guān)聯(lián)[1]。為了嚴(yán)格控制尾氣中NOx的產(chǎn)生，同時(shí)盡量避免PM的大幅增加，必須準(zhǔn)確控制燃燒時(shí)的新鮮進(jìn)氣量；同時(shí)，考慮到整車駕駛性表現(xiàn)，要求發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)具備較迅速的扭矩請求響應(yīng)能力。本文以GW4D20歐四2.0L直列四缸柴油高壓共軌電控發(fā)動機(jī)為對象，對其VGT系統(tǒng)的標(biāo)定策略進(jìn)行了研究。

1 VGT系統(tǒng)控制策略介紹

GW4D20歐四發(fā)動機(jī)空氣系統(tǒng)控制主要由VGT的控制和EGR的控制組成（如圖1所示）。

圖1 GW4D20EIV發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)布置圖

電子控制單元（ECU）的軟件控制策略中，對EGR的控制是基于發(fā)動機(jī)新鮮進(jìn)氣量MAP的目標(biāo)設(shè)置值，而對VGT的控制是基于增壓壓力脈普（MAP）的目標(biāo)設(shè)置值。VGT通過對增壓器噴嘴環(huán)開度的控制，實(shí)現(xiàn)渦輪葉片的流通截面積的變化，進(jìn)而控制氣體流速達(dá)到增壓壓力的目的，如圖2所示。在發(fā)動機(jī)低轉(zhuǎn)速、小負(fù)荷時(shí)，通過減小渦輪流通截面積而使增壓壓力提高，從而增加發(fā)動機(jī)的新鮮空氣進(jìn)氣量，提高其低速扭矩性能；在發(fā)動機(jī)高轉(zhuǎn)速、大負(fù)荷時(shí)，通過逐漸增大渦輪流通截面積，使增壓壓力比常規(guī)的（固定截面）渦輪增壓器的增壓壓力小，使增壓器不至于超速。同時(shí)控制發(fā)動機(jī)缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力，減小排氣背壓，可以改善發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性。

圖2 VGT噴嘴環(huán)開度變化

2 VGT控制器性能分析

在電控柴油機(jī)ECU軟件中，通過合理的任務(wù)劃分，采用包括基于優(yōu)先級可搶占式、時(shí)間片輪轉(zhuǎn)等多種調(diào)度算法相結(jié)合的實(shí)時(shí)多任務(wù)機(jī)制，確保了電控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，尤其是在主循環(huán)中采用柔性時(shí)間片輪轉(zhuǎn)策略，有效提高了發(fā)動機(jī)的動態(tài)響應(yīng)性能[2]。在具體對象的控制方式上，則主要分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種方式（如圖3所示）。閉環(huán)控制通過比較運(yùn)行工況點(diǎn)目標(biāo)設(shè)定值和實(shí)際反饋值差異，采用PID（比例-積分-微分）控制算法得到最終輸出控制信號，其控制方程如下：

圖3 開、閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖

其中kp為比例系數(shù)，Ti為積分時(shí)間常數(shù)，Td為微分時(shí)間常數(shù)。

就VGT對象的響應(yīng)特性而言，其控制模型更逼近有延遲的n階慣性環(huán)節(jié)（PTn）函數(shù)（如圖4所示），其傳遞函數(shù)為

其中KP為比例增益，T為時(shí)間常數(shù)，n為系統(tǒng)階數(shù)[3]。通過GT-power建模仿真分析，VGT增壓壓力在PID控制器控制時(shí)達(dá)到90%設(shè)定值的響應(yīng)時(shí)間小于0.6s[4]。

考慮到發(fā)動機(jī)在瞬態(tài)工況下進(jìn)氣需求變化較快、同時(shí)系統(tǒng)增壓壓力需求轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際新鮮進(jìn)氣量的變化存在一定的延時(shí)，VGT控制系統(tǒng)引入了前饋控制（開環(huán)控制）作為PID控制算法的補(bǔ)充。其控制策略是將發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)工況下由轉(zhuǎn)速和負(fù)荷所決定的VGT噴嘴環(huán)開度控制信號輸出（100%對應(yīng)全關(guān)）預(yù)先以MAP形式存儲于ECU中，作為前饋控制值，并與PID控制值疊加得到最終控制輸出信號。

圖4 有延遲的n階慣性環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)

3 臺架試驗(yàn)設(shè)計(jì)及VGT性能分析

已有研究表明，采用基于VGT控制的EGR系統(tǒng)，調(diào)整VGT葉片位置，在可以有效降低NOx的同時(shí)油耗也有一定程度的降低[5]。對GW4D20選取不同發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷（油門開度）及不同的VGT噴嘴環(huán)開度進(jìn)行發(fā)動機(jī)性能測試并對結(jié)果進(jìn)行分析，如圖5、6所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，對于不同的發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)，VGT噴嘴環(huán)開度越大，增壓壓力越大、新鮮進(jìn)氣量增加；另一方面，VGT噴嘴環(huán)開度和發(fā)動機(jī)比油耗率存在一個(gè)類似拋物線的對應(yīng)關(guān)系，反映出發(fā)動機(jī)燃燒效率受VGT噴嘴環(huán)開度變化影響。從發(fā)動機(jī)性能標(biāo)定角度出發(fā)，設(shè)置VGT噴嘴環(huán)控制開度在該拋物線的極小點(diǎn)區(qū)間將會取得較好的燃油經(jīng)濟(jì)性。

圖5 燃油消耗率，2200r/min

圖6 新鮮進(jìn)氣量，2200r/min

考慮到整車駕駛動力性及減少PM排放，對VGT的控制應(yīng)優(yōu)先考慮及時(shí)提供發(fā)動機(jī)充足的新鮮進(jìn)氣；考慮到尾氣中NOx排放限值，須盡量控制發(fā)動機(jī)實(shí)際空燃比在一定合理范圍值內(nèi)[6]；考慮到整車燃油經(jīng)濟(jì)性，最好是VGT渦輪葉片穩(wěn)定在最佳噴嘴環(huán)開度位置。文獻(xiàn)[7]中提出了一種發(fā)動機(jī)瞬態(tài)工況時(shí)基于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、噴油量及其變化率來查表VGT葉片位置的控制方式。文獻(xiàn)[8]提出將EGR率和空燃比同時(shí)作為EGR和VGT控制的反饋輸入量，以實(shí)現(xiàn)泵氣損失最小化和排放控制。綜上分析及結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目，對VGT的控制在發(fā)動機(jī)瞬態(tài)工況時(shí)以開環(huán)控制為主，VGT預(yù)設(shè)噴嘴環(huán)開度須略大于該工況下最佳噴嘴環(huán)開度以補(bǔ)償進(jìn)氣系統(tǒng)延遲；在發(fā)動機(jī)回歸穩(wěn)態(tài)時(shí)，對VGT的控制將切換到基于目標(biāo)增壓壓力的PID閉環(huán)調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)對尾氣排放的精準(zhǔn)控制。

4 整車試驗(yàn)設(shè)計(jì)及標(biāo)定策略分析

通過對發(fā)動機(jī)排放及性能相關(guān)燃燒參數(shù)進(jìn)行DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)，得到發(fā)動機(jī)各運(yùn)行工況下的VGT增壓壓力最佳目標(biāo)設(shè)定值[9]。通過對VGT的PID控制器相關(guān)參數(shù)的調(diào)校標(biāo)定，使得實(shí)際增壓壓力能夠較好地跟隨設(shè)定增壓壓力目標(biāo)值。為研究VGT控制系統(tǒng)在開環(huán)控制、閉環(huán)控制及不同VGT噴嘴環(huán)開度前饋設(shè)置情形下對整車NEDC循環(huán)測試結(jié)果的影響，選取搭載GW4D20EIV發(fā)動機(jī)的某SUV作為試驗(yàn)對象；為分析對比數(shù)據(jù)方便，僅截取部分NEDC循環(huán)911～1180 s，如圖7所示。轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)室測量數(shù)據(jù)作為研究對象。

圖7 部分NEDC循環(huán)，911s～1180s

根據(jù)臺架試驗(yàn)摸底結(jié)果，對VGT前饋控制MAP實(shí)行了兩種不同的標(biāo)定策略，如圖8、9所示。

整車轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)計(jì)劃如表1所示。

圖8 VGT前饋開度MAP設(shè)置1

圖9 VGT前饋開度MAP設(shè)置2

表1 VGT標(biāo)定策略整車試驗(yàn)計(jì)劃[6]

試驗(yàn)1中使用的VGT開環(huán)控制MAP為在關(guān)閉EGR時(shí)測得的穩(wěn)定VGT開度值，試驗(yàn)2中使用的VGT前饋MAP設(shè)置1為VGT在該工況點(diǎn)喘振線內(nèi)所允許的最大開度位置。試驗(yàn)3中所使用的VGT前饋MAP設(shè)置2為VGT在該工況下對應(yīng)最低燃油消耗開度位置。圖8和圖9中Z軸曲線對應(yīng)著不同發(fā)動機(jī)負(fù)荷0～100%。

通過轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)室NEDC循環(huán)試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)分析如圖10所示。

由圖10數(shù)據(jù)分析可得，試驗(yàn)1的進(jìn)氣控制供需跟隨較試驗(yàn)2相對較好，說明VGT噴嘴環(huán)預(yù)設(shè)開度基本和VGT增壓壓力需求一致；試驗(yàn)2在高速區(qū)有明顯的進(jìn)氣量超調(diào)發(fā)生，且回調(diào)時(shí)間較長，說明VGT預(yù)設(shè)噴嘴環(huán)開度導(dǎo)致新鮮進(jìn)氣量大幅超過需求；試驗(yàn)2和試驗(yàn)3使用相同的PID控制器參數(shù)設(shè)置值，而試驗(yàn)3中進(jìn)氣的供需曲線基本吻合、在高速區(qū)略有超調(diào)，說明通過DOE試驗(yàn)得到的最佳增壓壓力設(shè)定值和VGT最佳油耗點(diǎn)對應(yīng)的噴嘴環(huán)開度基本接近。

試驗(yàn)測量結(jié)果表明：試驗(yàn)3比試驗(yàn)2的全NEDC循環(huán)油耗降低了5.7%，尾氣排放水平也有了較大改善，具體對比如表2所示（乘劣化系數(shù)后）。

表2 試驗(yàn)2、3排放情況對比%

基于以上數(shù)據(jù)分析：在發(fā)動機(jī)瞬態(tài)工況中，因進(jìn)氣需求變化較快，前饋控制部分的標(biāo)定設(shè)置對實(shí)際進(jìn)氣量的影響更為明顯；而閉環(huán)控制部分因?yàn)榇嬖谝欢ǖ恼{(diào)節(jié)及振蕩自穩(wěn)定時(shí)間（如試驗(yàn)3開始階段），在瞬態(tài)工況中的控制精度反而不如開環(huán)控制好。

5 結(jié)論

綜上所述，在發(fā)動機(jī)運(yùn)行各工況點(diǎn)空燃比已設(shè)置一定的前提下，對VGT控制的標(biāo)定策略及其進(jìn)氣控制表現(xiàn)差異對整車NEDC排放和油耗性能影響顯著，總體標(biāo)定原則如下：

1）VGT控制系統(tǒng)標(biāo)定策略的設(shè)計(jì)中，新鮮進(jìn)氣量的響應(yīng)速度和進(jìn)氣能力是評價(jià)標(biāo)定好壞的關(guān)鍵指標(biāo)；

2）VGT控制系統(tǒng)的前饋控制標(biāo)定在瞬態(tài)響應(yīng)性能中起著決定性作用，直接關(guān)系到整車油耗和尾氣排放水平；

3）VGT控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制標(biāo)定應(yīng)該盡量縮小自振蕩穩(wěn)定時(shí)間和超調(diào)量，對進(jìn)氣量的控制以小步微調(diào)為主。

1倪計(jì)民.汽車內(nèi)燃機(jī)原理[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1999

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Calibration Strategy on VGT Controller of Diesel Electronic Control Engine

Shen Guohua1，2，Li Jinpu1，2，Wang Liang1，2，Cao Fuguang1,2,Liu Jian1，2
1-Technical Center,Great Wall Motor Co.Ltd.(Baoding,Hebei,071000,China) 2-Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center

Introduced the calibration strategy study on the controller for the variable geometry turbo（VGT）on diesel engines，which reduces the air system response time to torque request.Research on GW4D20EIV engine indicates that open-loop control has a good dynamic response and acceptable accuracy in transient conditions；and in NEDC cycle the air system's response time has more influence than control accuracy on engine performance.

VGT control，Calibration strategy，Dynamic response

TK421+.8

A

2095-8234（2014）05-0019-05

2014-08-29）

沈國華（1980－），男，工程師，主要從事發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)的開發(fā)、匹配與標(biāo)定工作。