CN101328831A

CN101328831A - 柴油机变海拔自适应增压控制方法及系统

Info

Publication number: CN101328831A
Application number: CNA2008101176814A
Authority: CN
Inventors: 张扬军; 张海雷; 诸葛伟林; 郑新前
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2008-08-04
Filing date: 2008-08-04
Publication date: 2008-12-24

Abstract

柴油机变海拔自适应增压控制方法及系统涉及柴油机增压控制技术领域。其特征是，在稳态工况下，根据压气机进气压力信号、发动机转速信号和油门位置信号查询最佳增压压力MAP图，得到最佳增压压力，并根据其与实际增压压力的差值，通过PI控制器来控制涡轮喷嘴环开度，得到最佳流通截面；在瞬态工况下，根据发动机转速信号和压气机进气压力信号查询最佳喷嘴环开度MAP图，得到最佳喷嘴环开度，从而控制最佳流通截面。该系统含有柴油机、中冷器、由压气机和可变截面涡轮组成的可变截面增压器、电子控制单元，压力传感器和温度传感器等部件。本发明可适应海拔变化，对可变截面涡轮流通截面进行调节，使柴油机在各海拔都具有最佳动力性和燃油经济性。

Description

柴油机变海拔自适应增压控制方法及系统

技术领域：

本发明涉及柴油机增压控制技术领域，尤其是一种能根据高原海拔高度变化，进行自适应调节的可变截面增压系统。

技术背景：

我国拥有世界上最大面积的高原地域，海拔高度1000米以上的高原面积约占全国总面积的58％，2000米以上的高原约占33％。青藏高原是我国乃至世界上最具代表性的高原，平均海拔4000米以上。青藏高原不仅平均海拔高，更具有海拔变化范围大的特点，进藏的青藏、川藏和新藏三条公路海拔变化范围最大可达4000米。

由于随海拔升高，大气压力下降，进气量减小，柴油机在高原工作会出现功率下降、油耗上升等问题。对于自然吸气柴油机，海拔每升高1000米，功率约下降8-10％，外特性最低燃油消耗率约增加3-4％，并且可靠性明显降低。柴油机匹配涡轮增压器能够提高进气量，同时辅以供油量调节，可以实现在固定海拔的性能恢复。工作在青藏高原的柴油机变海拔工作需求强烈，当柴油机运行海拔相对匹配海拔上升或下降时，进气量偏离最佳进气量，性能仍会下降。可变截面增压器能根据海拔变化，调整涡轮喷嘴环开度来改变涡轮流通截面。这相当于在不同海拔为柴油机匹配了一系列固定截面增压器，为柴油机提供各海拔下的最佳进气量，从而使柴油机适应海拔高度的变化，实现全海拔的最佳动力性和燃油经济性。经检索，国内外公开的文献中没有采用可变截面增压技术解决柴油机高原适应性问题的相关文献。

发明内容：

本发明目的在于，克服现有技术的不足，针对现有增压系统不能适应海拔变化的缺陷，设计一种柴油机变海拔自适应增压控制方法及系统。

柴油机变海拔自适应增压控制方法，其特征在于，含有由电子控制单元控制执行的以下步骤：

1)在稳态工况下：

1.1)电子控制单元接收压力传感器上传的压气机进气压力信号、发动机转速信号和油门位置信号，根据该上述三个信号查询最佳增压压力MAP图，得到最佳增压压力p_opt；

1.2)接收温度传感器上传的压气机进气口的温度值，根据该温度值对所述最佳增压压力p_opt进行修正，得到目标增压压力p_obj；

1.3)接收另一个压力传感器上传的中冷器出口处的实际增压压力p_act，计算目标增压压力p_obj与中冷器出口端的实际增压压力p_act的差值Δp；

1.4)利用PI控制器根据上述差值Δp控制涡轮喷嘴环开度r，使得可变截面涡轮具有最佳的流通截面；

2)在瞬态工况下：

电子控制单元接收发动机转速信号和压气机进气压力信号，根据该发动机转速信号和压气机进气压力信号查询最佳喷嘴环开度MAP图，得到最佳喷嘴环开度r_opt，使得可变截面涡轮具有最佳的流通截面。

在上述1.2)步中，以温度值对所述最佳增压压力p_opt进行修正的方法：进气温度相对25℃上升1℃，最佳增压压力p_opt修正-(0.002～0.003)bar；进气温度相对25℃下降1℃，最佳增压压力p_opt修正+(0.002～0.003)bar。

柴油机变海拔自适应增压系统，其特征在于，含有具有柴油机、中冷器、由压气机和可变截面涡轮组成的可变截面增压器，及电子控制单元，在该可变截面增压器内部有可绕自身轴心转动的喷嘴环叶片；所述柴油机的出气口连接可变截面涡轮的进气口，所述可变截面涡轮与所述压气机同轴，所述压气机的出气口连接中冷器的进气口，所述中冷器的出气口连接柴油机的进气口；在所述压气机的进气口装有压力传感器和温度传感器，将压力信号和温度信号传给电子控制单元；所述柴油机内部配备有转速传感器和油门位置传感器，将柴油机的转速和油门位置信号传输给所述电子控制单元；在中冷器的出气口装有另一个压力传感器，将中冷器出气口的实际增压压力传给电子控制单元；所述电子控制单元的控制信号输出端连接可变截面涡轮的控制信号输入端。

试验证明，在不同海拔高度，控制方法和系统能够根据进气条件及柴油机运行工况控制可变截面涡轮喷嘴环开度，使可变截面涡轮具有最佳的流通截面，达到了预期的目的。实现稳态及瞬态工况最佳的动力性和燃油经济性，同时避免压气机喘振、增压器超速及涡轮前排气温度过高等问题。

附图说明：

图1为本发明的系统结构示意图。

图2为稳态工况控制方法。

图3为瞬态工况控制方法。

具体实施方式：

如图1所示的柴油机高原变海拔自适应增压系统，具有柴油机6，中冷器4，由压气机2和可变截面涡轮9组成的可变截面增压器及电子控制单元16，柴油机具有进气口5、出气口7，可变截面增压器具有压气机2和可变截面涡轮9，压气机2和可变截面涡轮9同轴，压气机2具有进气口1和出气口3，可变截面涡轮9具有进气口8和出气口10，压气机出气口3与中冷器4相连，中冷器4与柴油机进气口5相连，可变截面涡轮进气口8与柴油机出气口7相连。可变截面涡轮9内部具有可绕自身轴心转动的喷嘴环叶片。11是柴油机的转速信号、12是油门位置信号、13是中冷器出口处的实际增压压力信号、14是压气机进气口的温度信号、15是压气机进气口的压力信号、17是控制可变截面涡轮喷嘴环开度的的控制信号。

从柴油机排出的高温、高压废气经可变截面涡轮的进气口8进入到可变截面涡轮9，可变截面涡轮9经废气驱动高速旋转，驱动与可变截面涡轮同轴的压气机2高速旋转。进气经压气机后，压力p升高，温度T升高，经中冷器4将温度T降低后进入柴油机6。

控制系统存在两种不同的控制方法，分别应用于稳态工况和瞬态工况。

如图2所示，在稳态工况，电子控制单元16根据压力传感器传来的压气机进气压力信号15、发动机转速信号11及油门位置信号12三个参量，查询最佳增压压力MAP图，得到最佳增压压力p_opt，根据温度传感器传来的压气机进气温度信号14对最佳增压压力p_opt进行修正，得到目标增压压力p_obj。PI控制器根据目标增压压力p_obj与中冷器出口处的实际增压压力p_act(压力信号13)的差值Δp，计算得到最佳涡轮喷嘴环开度r，使可变截面涡轮9具有最佳的流通截面A，驱动增压器达到最佳转速n，压气机2为柴油机提供最佳进气流量G，使柴油机功率P最大，燃油消耗率b_e最低。

如图3所示，在瞬态工况，为了简化控制逻辑、加快响应速度。采用仅以发动机转速和柴油机进气压力为控制变量的控制方法。具体地，电子控制单元16根据发动机转速信号11和压气机进气压力信号15查询最佳喷嘴环开度MAP图，得到最佳喷嘴环开度r_opt，对可变截面增压器进行直接控制。

在上述控制方法和系统中，压力传感器和温度传感器可以是常规的市售产品，柴油机本身配备有转速传感器和油门位置传感器，电子控制单元可以是单独的控制器，也可以与汽车发动机控制单元(ECU)集成。

在进气温度为25℃条件下，以动力性、燃油经济性最优为目标，以压气机不发生喘振、增压器不发生超速、涡轮前排温不过高以及最高燃烧压力不超过允许值为限制条件，试验得到不同进气压力p_in、发动机转速n及油门位置f下的最佳增压压力p_opt，进而得到以进气压力p_in、发动机转速n及油门位置f三个参量为查图变量的最佳增压压力MAP图。

最佳喷嘴环开度MAP图的制取方法为：

在进气温度为25℃条件下，以瞬态响应特性为目标，以压气机不发生喘振、增压器不发生超速、涡轮前排温不过高以及最高燃烧压力不超过允许值为限制条件，试验得到不同进气压力p_in和发动机转速n下的最佳喷嘴环开度r_opt，进而得到以进气压力p_in和发动机转速n两个参量为查图变量的最佳喷嘴环开度MAP图。

进气温度修正方法为：

进气温度相对25℃每上升/下降1℃，最佳增压压力p_opt修正-(0.002～0.003)bar/+(0.002～0.003)bar。

本方法和系统能够在不同海拔高度，根据进气条件及柴油机运行工况控制可变截面涡轮喷嘴环开度，使可变截面涡轮具有最佳的流通截面，达到了预期的目的。实现稳态及瞬态工况最佳的动力性和燃油经济性，同时避免压气机喘振、增压器超速及涡轮前排气温度过高等问题。

Claims

1、柴油机变海拔自适应增压控制方法，其特征在于，含有由电子控制单元控制执行的以下步骤：

1)在稳态工况下：

2)在瞬态工况下：

电子控制单元接收发动机转速信号和压气机进气压力信号，根据该发动机转速信号和进气压力信号查询最佳喷嘴环开度MAP图，得到最佳喷嘴环开度r_opt，使得可变截面涡轮具有最佳的流通截面。

2、如权利要求1所述的柴油机变海拔自适应增压控制方法，其特征在于，在上述1.2)步中，以温度值对所述最佳增压压力p_opt进行修正的方法：进气温度相对25℃上升1℃，最佳增压压力p_opt修正-(0.002～0.003)bar；进气温度相对25℃下降1℃，最佳增压压力p_opt修正+(0.002～0.003)bar。

3、柴油机变海拔自适应增压系统，其特征在于，含有具有柴油机、中冷器、由压气机和可变截面涡轮组成的可变截面增压器，及电子控制单元，在该可变截面增压器内部有可绕自身轴心转动的喷嘴环叶片；所述柴油机的出气口连接可变截面涡轮的进气口，所述可变截面涡轮与所述压气机同轴，所述压气机的出气口连接中冷器的进气口，所述中冷器的出气口连接柴油机的进气口；在所述压气机的进气口装有压力传感器和温度传感器，将压力信号和温度信号传给电子控制单元；所述柴油机内部配备有转速传感器和油门位置传感器，将柴油机的转速和油门位置信号传输给所述电子控制单元；在中冷器的出气口装有另一个压力传感器，将中冷器出气口的实际增压压力传给电子控制单元；所述电子控制单元的控制信号输出端连接可变截面涡轮的控制信号输入端。