CN103184927B - 基于模型的发动机涡轮增压控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于模型的发动机涡轮增压控制方法，其特征在于：压气机能量计算模型，涡轮机能量计算模型，压气机与涡轮机能量平衡模型，弹簧连杆以及废气旁通阀流量模型，通过建立压气机与涡轮机能量平衡模型来得到增压压力与流过废气旁通阀的废气流量的关系，之后利用弹簧连杆以及废气旁通阀流量模型来对这个废气流量进行控制，从而控制涡轮的能量输出，最终控制增压压力；其使增压控制系统实现更快的系统响应，同时进一步节省台架标定时间，并且增加控制算法的可移植性。

Description

基于模型的发动机涡轮增压控制方法
技术领域
本发明涉及一种基于模型的发动机涡轮增压控制方法，属于汽车电子控制系统开发领域。
背景技术
涡轮增压技术由于众多优点目前已广泛应用于内燃机领域。由于车用内燃机使用工况复杂多变，所以必须对增压压力进行调控以适应其较宽的转速和功率范围。随着发动机电控技术的逐步发展，使全工况内发动机与增压器之间的最佳配合成为可能。作为电子控制系统的重要组成部件，控制算法在很大程度决定了控制效果，成为增压器控制的关键技术之一，开发出更为先进的控制算法对发动机增压技术的发展与应用有着重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于模型的发动机涡轮增压控制方法，其使增压控制系统实现更快的系统响应，同时进一步节省台架标定时间，并且增加控制算法的可移植性。
本发明的技术方案是这样实现的：基于模型的发动机涡轮增压控制方法，其特征在于：由压气机能量计算模型，涡轮机能量计算模型，压气机与涡轮机能量平衡模型，弹簧连杆以及废气旁通阀流量模型组成，通过建立压气机与涡轮机能量平衡模型来得到增压压力与流过废气旁通阀的废气流量的关系，之后利用弹簧连杆以及废气旁通阀流量模型来对这个废气流量进行控制，从而控制涡轮的能量输出，最终控制增压压力；
具体计算方法如下:
建立压气机能量计算模型
压气机的功率可表示为：
式中，为压气机的功率；为流过压气机的空气质量流量；为绝热压缩功；为绝热效率；为空气比热容；为压缩机进口温度；为压气机压比；为空气绝热系数：为压气机入口压力；为压气机出口压力；为大气压力；为空气滤清器损失压力；为中冷器损失压力；为增压压力；
1.建立涡轮机能量模型
与压气机相似，涡轮机的功率可表示为：
式中，为涡轮机消耗功率；为涡轮机效率；为涡轮机膨胀比；为尾气绝热指数；为绝热压缩功； 为废气比热容；为涡轮机进口温度； 为涡轮机入口压力；为涡轮机出口压力；为流过涡轮的废气质量流量；
2.建立压气机与涡轮机能量平衡模型
在发动机稳态工况下，扣除机械损失，涡轮机的输出功率与压气机的消耗功率相等：
式中，为流过废气旁通阀的流量，为燃料流量；
这样就建立了增压压力与流过废气旁通阀废气量之间的关系，可以根据需求增压压力计算得到需求流过废气旁通阀的废气量；
3.建立弹簧连杆以及废气旁通阀流量模型
弹簧连杆机构处的力平衡是由废气旁通阀两端压力，大气压力，控制压力以及弹簧形变共同形成；弹簧形变即为连杆的移动，其决定了废气旁通阀开启程度从而决定其有效节流面积，根据气体流量公式，废气旁通阀的有效节流面积，与的压差直接决定了，因此，可以利用查表算法来描述与之间的关系，即：
通过以上步骤后,建立起目标增压压力与流过废气旁通阀废气量之间的关系以及流过废气旁通阀废气量与三通电磁阀出口端压力的关系,之后通过发动机控制单元发出PWM控制信号,控制三通电磁阀的开闭,进而控制其出出口端压力,最终达到控制增压压力的目的。
本发明的积极效果是可以缩短系统响应时间，利用增压器厂商提供数据进行基本参数的标定，节省发动机台架资源，有利于软件控制算法的平台化。
附图说明
图1为本发明的增压控制系统构成图。
图2为本发明的基于模型的控制算法结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：如图1、2所示，基于模型的发动机涡轮增压控制方法，其特征在于：压气机能量计算模型，涡轮机能量计算模型，压气机与涡轮机能量平衡模型，弹簧连杆以及废气旁通阀流量模型，通过建立压气机与涡轮机能量平衡模型来得到增压压力与流过废气旁通阀的废气流量的关系，之后利用弹簧连杆以及废气旁通阀流量模型来对这个废气流量进行控制，从而控制涡轮的能量输出，最终控制增压压力；
具体计算方法如下:
建立压气机能量模型
压气机的功率可表示为：
式中，为压缩机的功率；为流过压缩机的空气质量流量；为绝热压缩功；为绝热效率；为空气比热容；为压缩机进口温度；为压缩机压比；为空气绝热系数：为压缩机入口压力；为压缩机出口压力；为大气压力；为空气滤清器损失压力；为中冷器损失压力；为增压压力。
4.建立涡轮机能量模型
与压气机相似，涡轮机的功率可表示为：
式中，为涡轮机消耗功率；为涡轮机效率；为涡轮机膨胀比；为尾气绝热指数；为绝热压缩功； 为废气比热容；为涡轮机进口温度； 为涡轮机入口压力；为涡轮机出口压力；为流过涡轮的废气质量流量。
5.建立压气机与涡轮机能量平衡模型
在发动机稳态工况下，扣除机械损失，涡轮机的输出功率与压气机的消耗功率相等：
式中，为流过废气旁通阀的流量，为燃料流量。
这样就建立了增压压力与流过废气旁通阀废气量之间的关系，可以根据需求增压压力计算得到需求流过废气旁通阀的废气量。
6.建立弹簧连杆以及废气旁通阀流量模型
弹簧连杆机构处的力平衡是由废气旁通阀两端压力，大气压力，控制压力以及弹簧形变共同形成。
弹簧形变即为连杆的移动，其决定了废气旁通阀开启程度从而决定其有效节流面积，根据气体流量公式，废气旁通阀的有效节流面积，与的压差直接决定了。
因此，可以利用查表算法来描述与之间的关系，即：
通过以上步骤后,建立起目标增压压力与流过废气旁通阀废气量之间的关系以及流过废气旁通阀废气量与三通电磁阀出口端压力的关系,之后通过发动机控制单元发出PWM控制信号,控制三通电磁阀的开闭,进而控制其出出口端压力,最终达到控制增压压力的目的。
增压控制系统的主要构成为发动机电子控制单元，增压压力传感器，三通电磁阀，三通电磁阀出口压力传感器，弹簧连杆机构。与多数增压控制系统所采用的以增压压力作为驱动力的方式相比（见图1中虚线部分），这种方式的优点是在增压压力没有建立起之前，就可以开始对增压压力进行控制，在增压器匹配合理的前提下可以进一步的降低油耗，改善经济性和排放。
在图2中，根据目标增压压力计算出目标压气机能量，根据目标得到目标涡轮机，之后得到目标流过废气旁通阀废气量，最终得到目标三通电磁阀出口压力最为直接控制量。

Claims (1)

1.基于模型的发动机涡轮增压控制方法，其特征在于：由以下物理模型即压气机能量计算模型，涡轮机能量计算模型，压气机与涡轮机能量平衡模型，弹簧连杆以及废气旁通阀流量模型组成，通过建立压气机与涡轮机能量平衡模型来得到增压压力与流过废气旁通阀的废气流量的关系，之后利用弹簧连杆以及废气旁通阀流量模型来对这个废气流量进行控制，从而控制涡轮的能量输出，最终控制增压压力；
具体计算方法如下:
建立压气机能量计算模型
压气机的功率可表示为：
式中，为压气机的功率；为流过压气机的空气质量流量；为绝热压缩功；为绝热效率；为空气比热容；为压气机进口温度；为压气机压比；为空气绝热系数：为压气机入口压力；为压气机出口压力；为大气压力；为空气滤清器损失压力；为中冷器损失压力；为增压压力；
（1）.建立涡轮机能量模型
与压气机相似，涡轮机的功率可表示为：
式中，为涡轮机消耗功率；为涡轮机效率；为涡轮机膨胀比；为尾气绝热指数；为绝热压缩功； 为废气比热容；为涡轮机进口温度； 为涡轮机入口压力；为涡轮机出口压力；为流过涡轮的废气质量流量；
（2）.建立压气机与涡轮机能量平衡模型
在发动机稳态工况下，扣除机械损失，涡轮机的输出功率与压气机的消耗功率相等：
式中，为流过废气旁通阀的流量，为燃料流量；
这样就建立了增压压力与流过废气旁通阀废气量之间的关系，可以根据需求增压压力计算得到需求流过废气旁通阀的废气量；
（3）.建立弹簧连杆以及废气旁通阀流量模型
弹簧连杆机构处的力平衡是由废气旁通阀两端压力，大气压力，控制压力以及弹簧形变共同形成；弹簧形变即为连杆的移动，其决定了废气旁通阀开启程度从而决定其有效节流面积，根据气体流量公式，废气旁通阀的有效节流面积，与的压差直接决定了，因此，可以利用查表算法来描述与之间的关系，即：
通过以上步骤后,建立起目标增压压力与流过废气旁通阀废气量之间的关系以及流过废气旁通阀废气量与三通电磁阀出口端压力的关系,之后通过发动机控制单元发出PWM控制信号,控制三通电磁阀的开闭,进而控制其出口端压力,最终达到控制增压压力的目的。
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