電控旁通閥渦輪增壓器匹配計算研究*

龔金科，陳長友?，胡遼平，楊　迪，劉冠麟

(1.湖南大學(xué) 汽車車身先進設(shè)計制造國家重點實驗室，湖南 長沙　410082; 2.湖南天雁機械有限責(zé)任公司，湖南 衡陽　421005； 3.湖南涉外經(jīng)濟學(xué)院 機械工程學(xué)院，湖南 長沙　410205)

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電控旁通閥渦輪增壓器匹配計算研究*

龔金科1，陳長友1?，胡遼平2，楊迪2，劉冠麟3

(1.湖南大學(xué) 汽車車身先進設(shè)計制造國家重點實驗室，湖南 長沙410082; 2.湖南天雁機械有限責(zé)任公司，湖南 衡陽421005； 3.湖南涉外經(jīng)濟學(xué)院 機械工程學(xué)院，湖南 長沙410205)

采用發(fā)動機性能仿真軟件GT-power建立了帶廢氣旁通閥電控系統(tǒng)的渦輪增壓汽油機模型，基于增壓壓力隨旁通閥開度變化的情況，確定了控制系統(tǒng)的特性參數(shù)值.根據(jù)不同增壓壓力下渦前壓力的變化規(guī)律以及汽油機動力性能的要求對廢氣旁通閥開度進行標(biāo)定，分析了增壓器與汽油機聯(lián)合運行性能并進行了實驗驗證.結(jié)果表明,選配的小尺寸渦輪確保了汽油機的低速性能；建立的控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對增壓壓力多目標(biāo)值的連續(xù)控制，高速時沒有發(fā)生因增壓壓力過高而導(dǎo)致爆燃和增壓器超速的現(xiàn)象.

汽油機；渦輪增壓器；電控旁通閥；匹配；數(shù)值仿真

渦輪增壓已成為發(fā)展內(nèi)燃機節(jié)能減排的關(guān)鍵技術(shù)之一，而汽油機采用渦輪增壓技術(shù)卻容易出現(xiàn)低速增壓壓力不足和高速增壓壓力過高的情況，為改善渦輪增壓器的響應(yīng)特性，國內(nèi)外研究者已提出了采用可變噴嘴渦輪增壓、電輔助渦輪增壓、二級渦輪增壓、廢氣旁通渦輪增壓、蒸汽輔助渦輪增壓等技術(shù)[1-5].采用廢氣旁通閥渦輪增壓器與汽油機匹配時，高速工況下采用廢氣旁通的方法改善增壓壓力過高的情況，機械控制的廢氣旁通閥不能根據(jù)工況的變化調(diào)整放氣量，要實現(xiàn)發(fā)動機各工況下對目標(biāo)增壓壓力的理想控制通常采用電磁廢氣旁通閥.由于旁通閥的開度會影響渦輪前排氣壓力，進而會導(dǎo)致進氣壓力的變化，因此對汽油機與電控旁通閥渦輪增壓器的標(biāo)定匹配進行計算研究具有十分重要的理論和實際意義.

本文使用發(fā)動機性能仿真軟件GT-power建立了電控旁通閥渦輪增壓汽油機模型；利用建立的PID Controller模塊對旁通閥執(zhí)行閉環(huán)控制，實現(xiàn)了對多目標(biāo)增壓壓力的控制；對發(fā)動機與電控執(zhí)行器參數(shù)進行標(biāo)定，避免了爆燃以及增壓器喘振和超速現(xiàn)象；得出外特性各轉(zhuǎn)速目標(biāo)增壓壓力下的功率、轉(zhuǎn)矩、燃油消耗率，并對仿真結(jié)果進行了實驗驗證，為渦輪增壓器與發(fā)動機匹配性能優(yōu)化提供了參考依據(jù).

1　發(fā)動機模型的建立

1.1發(fā)動機基本參數(shù)

研究采用的機型為0.8 L電控渦輪增壓汽油機，該發(fā)動機的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示.

表1　發(fā)動機基本參數(shù)

1.2發(fā)動機本體建模

渦輪增壓汽油機模型如圖1所示，該模型是結(jié)合實際增壓汽油機的構(gòu)造和布置，依次將進氣環(huán)境端、中冷器、進氣管路、氣缸、噴油器、曲軸箱、排氣管路、排氣環(huán)境端等用相應(yīng)的節(jié)流模塊進行連接，按照增壓汽油機的實際結(jié)構(gòu)尺寸對進排氣系統(tǒng)、中冷器、進排氣門、氣缸、噴油嘴、曲軸箱等模塊參數(shù)進行設(shè)置，其中，進排氣門升程曲線、噴油正時、燃燒模型等由已知數(shù)據(jù)直接輸入，燃燒模型采用雙韋伯燃燒模型，機械損失采用D.E.Winterbone經(jīng)驗公式進行計算.空濾器、尾氣后處理系統(tǒng)和消聲器等部件在模型中使用壓力損失元件計算其對發(fā)動機動力性能的影響[6].進排氣道流量系數(shù)由試驗參數(shù)標(biāo)定，由于缸內(nèi)壓力的變化和氣流的影響，燃燒持續(xù)期會有所不同，根據(jù)相關(guān)文獻和經(jīng)驗公式，將發(fā)動機全負荷下的空燃比設(shè)為12∶1，通過對氣門正時的調(diào)整來調(diào)節(jié)進氣量，改變各轉(zhuǎn)速下燃料燃燒50%對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角來調(diào)整發(fā)動機的功率輸出.

1-進氣環(huán)境端；2-中冷器；3-進氣管路；4-氣缸；5-噴油器；6-曲軸箱；7-排氣管路；8-排氣環(huán)境端

1.3渦輪增壓器廢氣旁通閥電控系統(tǒng)建模

渦輪增壓器廢氣旁通閥電控系統(tǒng)模型如圖2所示.

1-進氣環(huán)境端；2-壓氣機；3-傳感器連接模塊；4-PID Controller模塊；5-執(zhí)行器連接模塊；6-渦輪機；7-排氣環(huán)境端

建立的PID Controller模塊是基于增壓壓力的閉環(huán)控制，控制系統(tǒng)采用增量式數(shù)字PID算法與PWM方式相結(jié)合的方法對旁通閥開度進行控制.該控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)表達式為[7]：

ΔUk=Aek-Bek-1+Cek-2；

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：ΔUk為第k次的控制量輸出值；ek為目標(biāo)增壓壓力與實際增壓壓力的偏差；KP為比例系數(shù)；TI為積分時間常數(shù)；TD為微分時間常數(shù)；T為采樣周期；A，B和C為線性組合系數(shù).

在渦輪機主模塊內(nèi)，旁通閥的開度值用一個指針變量(Wastegate Diameter)來表示，設(shè)定采樣周期后運行，通過運行后得到Profile Transient文件作為輸出廢氣旁通閥的直徑隨時間的變化關(guān)系，從而得到一條仿真曲線. 根據(jù)渦輪機端廢氣旁通閥開度的改變導(dǎo)致壓氣機端出口壓力的變化情況，得出PID控制系統(tǒng)的應(yīng)答特性值，確定最佳的P，I和D參數(shù).

使用最佳P，I和D參數(shù)的控制系統(tǒng)通過計算自擬合生成一條擬合曲線，擬合曲線和仿真曲線如圖3所示.

時間/s

由圖3可知，兩條曲線能夠很好地貼合，說明在PID控制系統(tǒng)中所選用的比例、積分和微分值是適合的.

2　渦輪增壓器的選配

本文研究選擇在低速最大扭矩點匹配增壓器，將放氣點選在轉(zhuǎn)速為1 650 r/min上，確定一個最佳渦輪機流量特性，以確保汽油機的低速性能.調(diào)整增壓器與汽油機聯(lián)合運行線在壓氣機特性圖上的位置，可以實現(xiàn)流量、壓比和效率的匹配.在旁通閥不開啟的低速工況下設(shè)置不同渦輪設(shè)計流量，對增壓汽油機模型進行仿真.

圖4為增壓汽油機外特性分別為800，1 000，1 300，1 500，1 650 r/min工況下，不同渦輪設(shè)計流量的增壓器與汽油機聯(lián)合運行線 .

空氣流量/(kg·s-1)

從圖4中可以看出，隨著渦輪設(shè)計流量即渦輪尺寸的減小，聯(lián)合運行線逐漸靠近喘振線；當(dāng)汽油機轉(zhuǎn)速一定時，壓氣機提供的空氣流量和增壓比逐漸增大；隨著汽油機轉(zhuǎn)速的提高，渦輪設(shè)計流量對聯(lián)合運行點影響越來越明顯.這是因為渦輪尺寸減小則發(fā)動機的排氣阻力變大，發(fā)動機的負荷特性(轉(zhuǎn)速不變)在壓氣機特性圖上沿著空氣流量減少的方向移動，此時發(fā)動機所需的空氣流量要在較高的增壓壓力下才能達到；隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高，排氣能量增大，渦輪所獲得的功率增加，使得增壓器轉(zhuǎn)速變化增大，導(dǎo)致運行點變化較明顯.

選擇渦輪設(shè)計流量減少10%的渦輪特性數(shù)據(jù)，在旁通閥不開啟的情況下，對增壓發(fā)動機外特性800～1 650 r/min的工況進行仿真，其增壓壓力和空氣流量的仿真值與設(shè)計值的對比如圖5所示.

轉(zhuǎn)速/(r·min-1)

轉(zhuǎn)速/(r·min-1)

從圖5中可以看出,增壓壓力和空氣流量的仿真值與設(shè)計值誤差較小，通過對比計算可得：低速工況下增壓壓力的最大誤差為3.81%，最小誤差為1.99%；空氣流量的最大誤差為4.47%，最小誤差為2.67%，均在5%以內(nèi).說明選配的渦輪增壓器在低速工況下與汽油機匹配性能良好，達到了設(shè)計要求，可以進行廢氣旁通閥開度的標(biāo)定研究.

3　電控旁通閥開度的標(biāo)定及匹配分析

使用小尺寸渦輪提高了汽油機低速性能，但高速時會產(chǎn)生過高的增壓壓力而導(dǎo)致爆燃及增壓器超速的現(xiàn)象，采用廢氣旁通的方法調(diào)整渦輪獲得的排氣能量能達到控制增壓壓力的目的[8-10].

3.1調(diào)整目標(biāo)增壓壓力對渦前壓力的影響

在固定轉(zhuǎn)速下將目標(biāo)增壓壓力值設(shè)置為以5 kPa為步長由175 kPa變化至200 kPa，選取轉(zhuǎn)速分別為2 000，3 000，4 000，5 000，6 000 r/min的全負荷工況點進行仿真.

圖6、圖7和圖8分別為各轉(zhuǎn)速下渦前壓力、旁通閥的開度、發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩隨目標(biāo)增壓壓力變化的關(guān)系.

目標(biāo)增壓壓力/MPa

目標(biāo)增壓壓力/MPa

目標(biāo)增壓壓力/MPa

由圖6、圖7和圖8可知：隨著目標(biāo)增壓壓力值增大，旁通閥的開度逐漸縮小，渦前壓力逐漸增大，轉(zhuǎn)矩逐漸升高，且在高轉(zhuǎn)速時渦前壓力變化較明顯，對汽油機轉(zhuǎn)矩的輸出影響較大.

3.2渦輪增壓器電控旁通閥開度的標(biāo)定

渦輪增壓汽油機外特性動力性能要求在1 650～4 000 r/min的速度范圍內(nèi)應(yīng)具有125 N·m左右的轉(zhuǎn)矩，且在5 000～6 000 r/min的速度范圍內(nèi)要達到60 kW左右的功率.當(dāng)節(jié)氣門全開時，設(shè)定不同轉(zhuǎn)速下理想的增壓壓力進行外特性工況仿真.圖9為外特性工況各轉(zhuǎn)速下旁通閥開度的標(biāo)定曲線，圖10為旁通閥標(biāo)定開度下渦前壓力隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化.

轉(zhuǎn)速/(r·min-1)

轉(zhuǎn)速/(r·min-1)

由圖9可知：電控旁通閥在低速區(qū)關(guān)閉，旁通閥的開度隨著汽油機轉(zhuǎn)速的升高逐漸增大.由圖10可知：在低速區(qū)渦前壓力小，這是因為選擇在低速最大扭矩點匹配增壓器，排氣阻力小，保證了低速工況時發(fā)動機的動力性和加速響應(yīng)能力；渦前壓力理應(yīng)越小越好，但高速區(qū)渦前壓力大，因為渦前壓力和增壓壓力是相互關(guān)聯(lián)的一對參數(shù)，在高速區(qū)渦前壓力過低，則渦輪的功率降低，會導(dǎo)致壓氣機的增壓能力下降.利用電控旁通閥控制渦前壓力，可在渦前壓力和增壓壓力之間尋找到最佳的平衡點，使得汽油機與增壓器的匹配性能最佳.

3.3標(biāo)定開度下渦輪增壓器與汽油機的匹配分析

壓氣機與汽油機聯(lián)合運行仿真效率如圖11所示.

空氣流量/(kg·s-1)

由圖11可以看出，各個運行工況點均未出現(xiàn)在壓氣機的喘振區(qū)和阻塞區(qū)，運行工況曲線穿過壓氣機高效率區(qū)域內(nèi)，絕大多數(shù)工況點的效率在60%以上，說明壓氣機與汽油機匹配情況良好.

渦輪機與汽油機的聯(lián)合運行仿真效率如圖12所示.

膨脹比

由圖12可以看出，絕大多數(shù)工況點渦輪的效率均在50%以上，在高速、大負荷工況點的效率在60%以上，說明使用PID控制系統(tǒng)標(biāo)定廢氣旁通閥開度后渦輪增壓器與汽油機匹配效果良好.

4　實驗驗證

汽油機與廢氣旁通閥渦輪增壓器聯(lián)合運行測試是在某發(fā)動機廠工程實驗中心的測試臺架上完成的.將各傳感器、測功機、油耗儀、油門控制器等都連接到FC2000發(fā)動機測試系統(tǒng)上.

汽油機與廢氣旁通閥渦輪增壓器聯(lián)合運行測試臺架實物如圖13所示.將FC2000發(fā)動機測試系統(tǒng)設(shè)置成外特性模式，控制電渦流測功機的反向扭矩，使發(fā)動機轉(zhuǎn)速維持在測試轉(zhuǎn)速.汽油機在渦輪增壓器廢氣旁通閥標(biāo)定開度下運行，記錄800～6 000 r/min轉(zhuǎn)速下發(fā)動機功率、轉(zhuǎn)矩、油耗、進氣壓力和空氣流量等參數(shù).

圖13　實驗裝置

增壓汽油機全負荷工況下功率、轉(zhuǎn)矩、燃油消耗率及其與增壓器匹配性能的驗證，如圖14所示.

轉(zhuǎn)速/(r·min-1)

轉(zhuǎn)速/(r·min-1)

轉(zhuǎn)速/(r·min-1)

空氣流量/(kg·s-1)

由圖14可知，渦輪增壓汽油機在1 650～4 000 r/min的速度范圍內(nèi)達到了125 N·m左右的轉(zhuǎn)矩，在5 000～6 000 r/min的速度范圍內(nèi)達到了60 kW左右的最大功率，通過仿真值與實驗值對比計算可得：各轉(zhuǎn)速下的功率最大誤差為3.52 %，最小誤差為1.05 %，轉(zhuǎn)矩最大誤差為3.51 %，最小誤差為1.02 %，燃油消耗率最大誤差為4.31 %，最小誤差為2.36 %，誤差均在5 %以內(nèi).上述結(jié)果表明，建立的增壓汽油機模型能夠準確地反映實際發(fā)動機與增壓器的匹配情況；采用以增壓壓力為控制目標(biāo)對電控旁通閥開度進行標(biāo)定的方法來研究發(fā)動機與廢氣旁通閥渦輪增壓器匹配是可行的.

5　結(jié)　論

1)選配的渦輪增壓器在發(fā)動機低速工況下可提供足夠的空氣流量，確保了發(fā)動機的低速性能，增壓器未發(fā)生喘振；

2)建立以控制增壓壓力為目標(biāo)對電控廢氣旁通閥開度進行標(biāo)定的模型，實現(xiàn)了對廢氣旁通閥放氣量的連續(xù)調(diào)節(jié)，設(shè)定最佳的增壓壓力可以更加合理地確定廢氣旁通閥的開度；

3)采用PID控制旁通閥的開度來調(diào)整增壓壓力的方法確保了汽油機高速、高負荷工況不出現(xiàn)因增壓壓力過高而導(dǎo)致爆燃和增壓器超速的現(xiàn)象.通過臺架實驗與仿真結(jié)果的對比分析，可得本文研究控制增壓壓力的方法是正確可行的，能夠較為準確地預(yù)測增壓器與發(fā)動機的匹配性能；

4)建立的渦輪增壓汽油機和廢氣旁通閥電控系統(tǒng)模型具有較好的精度，可用于進一步對渦輪增壓器與汽油機的瞬態(tài)匹配過程進行研究.

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Matching Simulation of an Electronically Controlled Waste Valve Turbocharger

GONG Jin-ke1,CHEN Chang-you1?,HU Liao-ping2,YANG Di2,LIU Guan-lin3

(1. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body, Hunan Univ, Changsha,Hunan410082, China; 2. Hunan Tyen Machinery Co,Ltd, Hengyang,Hunan421005,China;3.Mechanical Engineering Academy, Hunan International Economics Univ, Changsha,Hunan410205,China)

A simulation model of turbocharged gasoline engine with electronically controlled waste valve system was built with the software of GT-power. Based on the condition of boost pressure changing with the waste valve opening, characteristic values of the control system were obtained. According to the change rules of exhaust back pressure under different boost pressures, the waste valve opening was calibrated on the basis of the requirements of power performance of the engine, the matching performance between the turbocharger and the gasoline engine was analyzed, and then, test verification was conducted.The results have shown that matching a small diameter turbine can ensure the engine performance at low speed condition; the electronically controlled system can realize the continuous control of boost pressure target value; and the problems of deflagration and turbocharger super speed caused by too high boost pressures can be resolved at high speed conditions.

gasoline engine; turbochargers; electronically controlled waste valve; matching; numerical simulation

1674-2974(2016)08-0001-07

2015-07-09

國家自然科學(xué)基金資助項目(51276056)，National Natural Science Foundation of China(51276056)；湖南省科技重大專項項目(2014FJ1013);湖南大學(xué)汽車車身先進設(shè)計制造國家重點實驗室自主課題資助項目(61075002)

龔金科(1954-)，男，湖南臨澧人，湖南大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師?通訊聯(lián)系人，E-mail:15084837152@163.com

TK411.8

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