CN105386857A - 内燃机二级增压控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内燃机二级增压控制系统及其控制方法，该系统在高压级涡轮端旁通管路上游增设了一个气动两位调节阀；取消了高压级压气机端旁通管路的布置。基于分区控制策略图提出的控制方法，主要针对瞬变加载过程，系统依靠关闭气动两位高压级涡轮调节阀，迅速建立涡前压力，提高瞬变响应速度，并在涡前压力超出预警值时及时放气。能在实现二级增压系统基本功能的基础上，充分优化管路布置，通过在高压级废气旁通蝶阀之前安装气动两位高压级涡轮调节阀，充分发挥高压级涡轮瞬变响应性好的优势，且减缓了高压级废气旁通蝶阀切换过程中受到高温高压废气的影响，有效提高了高压级废气旁通蝶阀的使用寿命，从而提升了整个二级增压系统的可靠性。

Description

内燃机二级增压控制系统及其控制方法

技术领域

本发明属于内燃机技术领域，具体涉及一种内燃机二级增压控制系统以及基于分区控制策略的二级增压系统控制方法。

背景技术

目前，内燃机的增压技术呈现多元化发展，主要可以分为废气涡轮增压、机械增压、谐振增压及气波增压。其中，废气涡轮增压凭借结构紧凑、能量利用率大、噪声较小等优点而得到广泛应用。进一步的，受到内燃机排放法规的限制和内燃机对于高升功率的追求，单级涡轮增压已满足不了这些需求。串联式二级增压系统应运而生，其具有高增压比、大流量范围、高定熵效率的特点，配合各级涡端和压端旁通阀的使用，二级增压系统几乎可以满足各种复杂工况下的进气需求。

二级增压系统虽然具有诸多优点，但是如果想要完全实现其功能，不可避免的需要配备复杂的旁通管路以及布置多个旁通阀，这些布置会占用大量空间；而且，高压级废气旁通蝶阀的工作条件极为恶劣，尤其是在瞬变切换过程中，旁通阀在高温高压气体的不断撞击下进行频繁切换，不仅影响了旁通阀切换过程中的灵敏度，又大大缩短了旁通阀的使用寿命。

二级增压系统将两个大小不同的涡轮增压器串联布置，由于高压级涡轮较小，改善了内燃机的低速性能，而且提高了瞬变响应性能。在瞬变切换过程中，通过控制高压级废气旁通蝶阀开度可以调节废气能量在高、低压级之间的分配。但是，研究发现：仅仅通过稳态下旁通阀的调节规律来制定瞬变下旁通阀的控制方法，并不能充分的利用高压级涡轮高瞬变响应的优点。

发明内容

为了解决上述现有技术二级增压系统存在的问题，本发明提出一种改进的内燃机的二级增压系统及其控制方法，该系统在高压级涡轮端旁通管路上游增设了一个气动两位调节阀；限定高压级废气旁通蝶阀的最大开度为80％，保证高压级涡轮具有最低的怠速流量，高压级压气机不会产生节流效应，取消了高压级压气机端旁通管路的布置。

本发明的技术方案是：

该装置包括内燃机、通过进气歧管连接在内燃机进气口上的进气总管、通过排气歧管连接在内燃机排气口上的排气总管、在高压级涡轮之前通过连接在排气总管上的高压级旁通管引出旁通管路、通过排气三通阀连接高压级旁通管，中压级排气管和低压级旁通管、在低压级旁通管上安装气动两位低压级涡轮调节阀、低压级旁通管与低压级涡轮的出口管路低压级排气管相连接、低压级压气机入口与低压级进气管相连接、低压级压气机出口与中压级进气管相连接、通过低压级压气机旁通管连接低压级进气管和中压级进气管、低压级压气机旁通管上安装气动两位低压级压气机调节阀、低压级压气机和高压级压气机通过中压级进气管相连接、中压级进气管上安装进气压间中冷器、高压级压气机和进气中冷器通过高压级进气管相连接、进气中冷器连接在高压级进气管和进气总管之间；

所述的高压级旁通管上安装气动两位高压级涡轮调节阀和高压级废气旁通蝶阀、气动两位高压级涡轮调节阀入口与排气总管相连接、气动两位高压级涡轮调节阀出口与高压级废气旁通蝶阀入口相连接、高压级废气旁通蝶阀出口与排气三通阀相连接；

所述的电子控制单元分别与内燃机、高速转速传感器、高速扭矩传感器、涡前压力传感器、气动两位高压级涡轮调节阀、高压级废气旁通蝶阀、气动两位低压级涡轮调节阀和气动两位低压级压气机调节阀控制连接。

增压系统的工作模式可实现转换：当气动两位低压级涡轮调节阀和气动两位低压级压气机调节阀同时打开时，增压系统工作在仅有高压级增压器工作的模式；当气动两位低压级涡轮调节阀和气动两位低压级压气机调节阀同时关闭时，增压系统工作在二级增压模式；当4个阀(气动两位高压级涡轮调节阀、气动两位低压级涡轮调节阀和气动两位低压级压气机调节阀、高压级废气旁通蝶阀)同时打开时，增压系统不工作，仅有高压级增压器保持怠速运转。

先前的稳态实验中，提出了一种以燃油消耗率最小为目标、基于经济性的旁通阀调节规律(参照附图2分区控制策略图)。基于稳态时旁通阀的调节规律，提出了本发明的控制思想。

本发明的主要思想是：在稳态及较低瞬变率的工况下，依据分区控制策略图(参见附图2)进行调节；在旁通阀的瞬变加载切换过程中，迅速的关闭气动两位高压级涡轮调节阀，使高压级增压器工作在高效率区，直至涡前压力超出预警值时立即打开气动两位高压级涡轮调节阀，与此同时，高压级废气旁通蝶阀利用气动两位高压级涡轮调节阀关闭和打开过程的时间差，调节到合适的旁通阀开度，由于气动两位高压级涡轮调节阀的阻断作用，整个调节过程不与高温高压废气直接接触；在瞬变卸载过程中，及时打开4个阀(气动两位高压级涡轮调节阀、气动两位低压级涡轮调节阀和气动两位低压级压气机调节阀、高压级废气旁通蝶阀)，以此减小排气的背压。

基于上述的内燃机二级增压控制系统以及主要思想，具体的控制方法通过下列步骤实现(参见附图3)：

1)电子控制单元采集内燃机的瞬时转速、转矩和气动两位高压级涡轮调节阀、气动两位低压级涡轮调节阀、气动两位低压级压气机调节阀、高压级废气旁通蝶阀的开度，并按以下两公式计算转速、转矩的瞬变率：

$dn=\frac{\mathrm{\Δ}n}{\mathrm{\Δ}t}$

${\mathrm{dT}}_{tq}=\frac{{\mathrm{\ΔT}}_{tq}}{\mathrm{\Δ}t}$

式中：dn为转速变化率，Δn为单位时间的终点转速与起点转速之差，dT_tq为转矩变化率，ΔT_tq为单位时间的终点转矩与起点转矩之差，Δt为单位时间。

2)根据开发要求，在电子控制单元中输入涡前压力预警值并设定转速、转矩瞬变率限值，定义当瞬时转速、转矩变化率超出设定限值时为高瞬变率过程。

3)判断当前工况是否属于高瞬变率过程(如果不是高瞬变率，则转接步骤9)。

4)如果是高瞬变率过程，判断瞬时转速是否大于1650r/min，如果小于1650r/min，则判断扭矩是否大于800N·M。

5)如果转速大于1650r/min则电子控制单元发出指令关闭气动两位低压级涡轮调节阀和气动两位低压级压气机调节阀；如果转速小于1650r/min且扭矩大于800N·M则电子控制单元发出指令关闭气动两位低压级涡轮调节阀和气动两位低压级压气机调节阀；如果转速小于1650r/min且扭矩小于800N·M，则电子控制单元发出指令打开气动两位低压级涡轮调节阀和气动两位低压级压气机调节阀。

6)电子控制单元发出指令关闭气动两位高压级涡轮调节阀，同时，电子控制单元(14)根据瞬时转速和转矩在分区控制策略图(参见附图2)上判定高压级废气旁通蝶阀的开度(参见附图4)并给伺服电机发出指令，将高压级废气旁通蝶阀调整到目标开度。

7)电子控制单元监测涡前压力值，当涡前压力值超出预警值时立即输出指令打开气动两位高压级涡轮调节阀，如果涡前压力值小于预警值，则在此处等待。

8)打开气动两位高压级涡轮调节阀后，等待1s后在继续执行。目的是防止气动两位高压级涡轮调节阀的频繁动作。

9)如果不是高瞬变率过程，判断当前工况是否是瞬变卸载过程(如果是卸载过程，则转到步骤12)。

10)如果不是瞬变卸载过程，则当前工况可能是稳态或者低瞬变率的过程，电子控制单元随时监测当前工况是否发生改变。

11)如果当前工况发生改变，电子控制单元根据分区控制策略图(参见附图2)，确定当前工况下各个阀的开度(参见附图4)并发出指令使阀打开到目标开度值；如果当前工况没有发生改变，则维持各个阀的开度不变。

12)如果是瞬变卸载过程，打开气动两位高压级涡轮调节阀、气动两位低压级涡轮调节阀、气动两位低压级压气机调节阀，并将高压级废气旁通蝶阀开度打开到最大(80％)。目的是减小卸载过程中的排气背压。

13)将气动两位高压级涡轮调节阀、气动两位低压级涡轮调节阀、气动两位低压级压气机调节阀、高压级废气旁通蝶阀的当前开度值反馈到电子控制单元，形成阀开度的反馈控制。

上述步骤2)中设定转速、转矩瞬变率限值的目的是鉴别高瞬变率的过程；设置涡前压力预警值的目的是防止涡前压力过大损坏高压级涡轮叶片的叶片，设置的预警值较大有利于提高瞬变过程的响应速度，但同时有可能产生较大涡前压力而损坏高压级涡轮的叶片。

所述步骤5)中的转速1650r/min和转矩800N·M是根据分区控制策略图(参见附图2)设定的，目的是把分区控制策略图划分成三大控制区、六小控制分区。

本发明的有益效果：

本发明设计合理、结构简单，在满足二级增压系统功能的基础上，极大的优化了管路的布置；提出的二级增压控制方法能适应内燃机运行过程中整个工况，尤其是瞬变过程中通过协同控制气动两位高压级涡轮调节阀和高压级废气旁通蝶阀，不仅能够提高瞬变响应速度，还保护了高压级废气旁通蝶阀切换过程中不受高温高压废气影响，提高了整个增压系统的工作可靠性。

该系统的显著特点是：在高压级涡轮端旁通管路上游增设了一个气动两位调节阀；取消了高压级压气机端旁通管路的布置。基于分区控制策略图提出的本发明控制方法，主要针对瞬变加载过程，系统依靠关闭气动两位高压级涡轮调节阀，迅速建立涡前压力，提高瞬变响应速度，并在涡前压力超出预警值时及时放气。本发明能在实现二级增压系统基本功能的基础上，充分优化管路布置，通过在高压级废气旁通蝶阀之前安装气动两位高压级涡轮调节阀，将高压级涡轮瞬变响应性好的优势充分挖掘出来，且减缓了高压级废气旁通蝶阀切换过程中受到高温高压废气的影响，有效提高了高压级废气旁通蝶阀的使用寿命，从而提升了整个二级增压系统的可靠性。

附图说明

图1是本发明内燃机二级增压控制系统结构图；

图2是旁通阀开度的分区控制策略图；

图3是内燃机二级增压系统控制方法流程图；

图4是电子控制单元确定旁通阀开度的插值法模型。

具体实施方式

以下结合附图1对本发明技术方案作进一步详细阐述。

参照图1，一种内燃机二级增压控制系统包括内燃机10、通过进气歧管11连接在内燃机进气口上的进气总管9、通过排气歧管15连接在内燃机排气口上的排气总管16、在高压级涡轮20之前通过连接在排气总管16上的高压级旁通管18引出旁通管路、通过排气三通阀22连接高压级旁通管18，中压级排气管21和低压级旁通管23、在低压级旁通管23上安装气动两位低压级涡轮调节阀24、低压级旁通管23与低压级涡轮1的出口管路低压级排气管25相连接、低压级压气机2入口与低压级进气管3相连接、低压级压气机2出口与中压级进气管5相连接、通过低压级压气机旁通管28连接低压级进气管3和中压级进气管5、低压级压气机旁通管28上安装气动两位低压级压气机调节阀4、低压级压气机2和高压级压气机6通过中压级进气管5相连接、中压级进气管5上安装进气压间中冷器27、高压级压气机6和进气中冷器8通过高压级进气管7相连接、进气中冷器8连接在高压级进气管7和进气总管9之间；

所述的高压级旁通管18上安装气动两位高压级涡轮调节阀17和高压级废气旁通蝶阀19、气动两位高压级涡轮调节阀17入口与排气总管16相连接、气动两位高压级涡轮调节阀17出口与高压级废气旁通蝶阀19入口相连接、高压级废气旁通蝶阀19出口与排气三通阀22相连接；

所述的电子控制单元14分别与内燃机10、高速转速传感器12、高速扭矩传感器13、涡前压力传感器26、气动两位高压级涡轮调节阀17、高压级废气旁通蝶阀19、气动两位低压级涡轮调节阀24和气动两位低压级压气机调节阀4控制连接。

参照图2和图3，基于上述内燃机二级增压控制系统的控制方法，通过以下两个实施例来解释其工作过程，实施例的运行条件如下：

某个柴油机按照恒转速增转矩过程运行，其中恒定转速为1680r/min，转矩为138N·M增加到690N·M(负荷从10％增加到50％)，加载时间分别为5s和60s；假设开发的需求为：涡前压力预警值为450kpa，设定转矩高低瞬变率界限为10N·M·s^-1(瞬时转矩变化率大于10N·M·s^-1则为高转矩瞬变率，反之则为低转矩瞬变率)。

实施例1

瞬变加载时间为5s时的详细工作过程如下：

(1)电子控制单元14采集内燃机的瞬时转速、转矩和气动两位高压级涡轮调节阀17、气动两位低压级涡轮调节阀24、气动两位低压级压气机调节阀4、高压级废气旁通蝶阀19的开度，并计算转速、转矩的瞬变率。本瞬变工况转矩变化率为110N·M·s^-1，大于10N·M·s^-1则为高转矩瞬变率。

(2)当前转速为1680r/min，大于1650r/min则关闭气动两位低压级涡轮调节阀24和气动两位低压级压气机调节阀4。

(3)电子控制单元14发出指令关闭气动两位高压级涡轮调节阀17，同时，电子控制单元14在分区控制策略图(参见图2)上判断高压级废气旁通蝶阀19的最终开度值为55％(参见图4)，指令伺服电机将高压级废气旁通蝶阀19调整到55％开度。

(4)约经历2.5s后，监测到涡前压力值大于涡前压力预警值450kpa，即刻打开气动两位高压级涡轮调节阀17。

(5)等待1s。

(6)将此时的气动两位高压级涡轮调节阀17、气动两位低压级涡轮调节阀24、气动两位低压级压气机调节阀4、高压级废气旁通蝶阀19开度值反馈给电子控制单元14，形成阀开度的闭环控制。

实施例2

瞬变加载时间为5s时的详细工作过程如下：

(1)电子控制单元14采集内燃机的瞬时转速、转矩和气动两位高压级涡轮调节阀17、气动两位低压级涡轮调节阀24、气动两位低压级压气机调节阀4、高压级废气旁通蝶阀19的开度，并计算转速、转矩的瞬变率。本瞬变工况转矩变化率为9.2N·M·s^-1，小于10N·M·s^-1则为非高转矩瞬变率。

(2)当前转矩变化率为正值，说明是低转矩瞬变率的加载过程。

(3)电子控制单元14监测到当前工况并未跳出初始分区。

(4)气动两位高压级涡轮调节阀17、气动两位低压级涡轮调节阀24、气动两位低压级压气机调节阀4、高压级废气旁通蝶阀19的开度保持不变。

(5)将此时的气动两位高压级涡轮调节阀17、气动两位低压级涡轮调节阀24、气动两位低压级压气机调节阀4、高压级废气旁通蝶阀19开度值反馈给电子控制单元14，形成旁通阀开度的闭环控制。

(6)反复执行步骤(1)至步骤(5)的操作，通过在分区控制策略图上插值获得阀的目标开度值，此过程中阀的开度变化缓慢，直至加载过程结束时，阀的最终开度为：气动两位高压级涡轮调节阀17开启、气动两位低压级涡轮调节阀24关闭、气动两位低压级压气机调节阀4关闭、高压级废气旁通蝶阀19开度为55％。

Claims (4)

1.一种内燃机二级增压控制系统包括内燃机(10)、通过进气歧管(11)连接在内燃机进气口上的进气总管(9)、通过排气歧管(15)连接在内燃机排气口上的排气总管(16)、在高压级涡轮(20)之前通过连接在排气总管(16)上的高压级旁通管(18)引出旁通管路、通过排气三通阀(22)连接高压级旁通管(18)，中压级排气管(21)和低压级旁通管(23)、在低压级旁通管(23)上安装气动两位低压级涡轮调节阀(24)、低压级旁通管(23)与低压级涡轮(1)的出口管路低压级排气管(25)相连接、低压级压气机(2)入口与低压级进气管(3)相连接、低压级压气机(2)出口与中压级进气管(5)相连接、通过低压级压气机旁通管(28)连接低压级进气管(3)和中压级进气管(5)、低压级压气机旁通管(28)上安装气动两位低压级压气机调节阀(4)、低压级压气机(2)和高压级压气机(6)通过中压级进气管(5)相连接、中压级进气管(5)上安装进气压间中冷器(27)、高压级压气机(6)和进气中冷器(8)通过高压级进气管(7)相连接、进气中冷器(8)连接在高压级进气管(7)和进气总管(9)之间，其特征在于：

所述的高压级旁通管(18)上安装气动两位高压级涡轮调节阀(17)和高压级废气旁通蝶阀(19)、气动两位高压级涡轮调节阀(17)入口与排气总管(16)相连接、气动两位高压级涡轮调节阀(17)出口与高压级废气旁通蝶阀(19)入口相连接、高压级废气旁通蝶阀(19)出口与排气三通阀(22)相连接；

所述的电子控制单元(14)分别与内燃机(10)、高速转速传感器(12)、高速扭矩传感器(13)、涡前压力传感器(26)、气动两位高压级涡轮调节阀(17)、高压级废气旁通蝶阀(19)、气动两位低压级涡轮调节阀(24)和气动两位低压级压气机调节阀(4)控制连接。

2.根据权利要求1所述的内燃机二级增压控制系统，其特征在于：

所述的述气动两位高压级涡轮调节阀(17)、气动两位低压级涡轮调节阀(24)和气动两位低压级压气机调节阀(4)为两位气动蝶阀，在切换过程中由控制电路发出指令，通过接通或中断高压气路与执行气缸之间的通路实现阀门的开启和关闭；所述的高压级废气旁通蝶阀(19)采用高温蝶阀，阀门的开度由伺服电机控制实现无级调节。

3.一种基于权利要求1所述的内燃机二级增压控制系统的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

1)电子控制单元(14)采集内燃机的瞬时转速、转矩和气动两位高压级涡轮调节阀(17)、气动两位低压级涡轮调节阀(24)、气动两位低压级压气机调节阀(4)、高压级废气旁通蝶阀(19)的开度，并按以下两公式计算转速、转矩的瞬变率：

$dn=\frac{\mathrm{\Δ}n}{\mathrm{\Δ}t}$

${\mathrm{dT}}_{tq}=\frac{{\mathrm{\ΔT}}_{tq}}{\mathrm{\Δ}t}$

式中：dn为转速变化率，Δn为单位时间的终点转速与起点转速之差，dT_tq为转矩变化率，ΔT_tq为单位时间的终点转矩与起点转矩之差，Δt为单位时间；

2)根据开发要求，在电子控制单元(14)中输入涡前压力预警值并设定转速、转矩瞬变率限值，定义当瞬时转速、转矩变化率超出设定限值时为高瞬变率过程；

3)判断当前工况是否属于高瞬变率过程，如果不是高瞬变率过程，则转接步骤9)；

4)如果是高瞬变率过程，判断瞬时转速是否大于1650r/min，如果小于1650r/min，则判断扭矩是否大于800N·M；

5)如果转速大于1650r/min则电子控制单元(14)发出指令关闭气动两位低压级涡轮调节阀(24)和气动两位低压级压气机调节阀(4)；如果转速小于1650r/min且扭矩大于800N·M则电子控制单元(14)发出指令关闭气动两位低压级涡轮调节阀(24)和气动两位低压级压气机调节阀(4)；如果转速小于1650r/min且扭矩小于800N·M，则电子控制单元(14)发出指令打开气动两位低压级涡轮调节阀(24)和气动两位低压级压气机调节阀(4)；

6)电子控制单元(14)发出指令关闭气动两位高压级涡轮调节阀(17)，同时，电子控制单元(14)根据瞬时转速和转矩在分区控制策略图上判定高压级废气旁通蝶阀(19)的开度并给伺服电机发出指令，将高压级废气旁通蝶阀(19)调整到目标开度；

7)电子控制单元(14)监测涡前压力值，当涡前压力值超出预警值时立即输出指令打开气动两位高压级涡轮调节阀(17)，如果涡前压力值小于预警值，则在此处等待；

8)打开气动两位高压级涡轮调节阀(17)后，等待1s后在继续执行；目的是防止气动两位高压级涡轮调节阀(17)的频繁动作；

9)如果不是高瞬变率过程，判断当前工况是否是瞬变卸载过程，如果是卸载过程，则转到步骤12)；

10)如果不是瞬变卸载过程，则当前工况可能是稳态或者低瞬变率的过程，电子控制单元(14)随时监测当前工况是否发生改变；

11)如果当前工况发生改变，电子控制单元(14)根据分区控制策略图确定当前工况下各个阀的开度并发出指令使阀打开到目标开度值；如果当前工况没有发生改变，则维持各个阀的开度不变；

12)如果是瞬变卸载过程，打开气动两位高压级涡轮调节阀(17)、气动两位低压级涡轮调节阀(24)、气动两位低压级压气机调节阀(4)，并将高压级废气旁通蝶阀(19)开度打开到最大为80％；目的是减小卸载过程中的排气背压；

13)将气动两位高压级涡轮调节阀(17)、气动两位低压级涡轮调节阀(24)、气动两位低压级压气机调节阀(4)、高压级废气旁通蝶阀(19)的当前开度值反馈到电子控制单元(14)，形成阀开度的反馈控制。

4.根据权利要求3所述的内燃机二级增压控制系统的控制方法，其特征在于：

所述步骤2)中设定转速、转矩瞬变率限值的目的是鉴别高瞬变率的过程；设置涡前压力预警值的目的是防止涡前压力过大损坏高压级涡轮叶片的叶片，设置的预警值较大有利于提高瞬变过程的响应速度，但同时有可能产生较大涡前压力而损坏高压级涡轮的叶片；

所述步骤5)中的转速1650r/min和转矩800N·M是根据分区控制策略图设定的，目的是把分区控制策略图划分成三大控制区、六小控制分区；分区控制策略图是在全工况下基于油耗最小的原则而绘制的二级增压系统旁通阀调节规律。