CN105673191A

CN105673191A - 柴油机变海拔增压压力控制方法

Info

Publication number: CN105673191A
Application number: CN201510303943.6A
Authority: CN
Inventors: 刘瑞林
Original assignee: Military Transportation University of PLA
Current assignee: ARMY MILITARY TRANSPORTATION University
Priority date: 2015-06-05
Filing date: 2015-06-05
Publication date: 2016-06-15
Anticipated expiration: 2035-06-05
Also published as: CN105673191B

Abstract

一种柴油机变海拔增压压力控制方法，通过二级可调增压器控制器ECU，根据海拔高度、柴油机转速和负荷的变化，实时控制二级可调增压器高压级VGT叶片的开度和高、低压级两个涡轮调节阀的开度，对增压压力进行变海拔、变工况的优化控制，实现在0m～5500m海拔范围内，柴油机的各项性能指标始终与平原条件下的性能保持相同。本发明采用前馈控制和模糊PID控制相结合的方式，增压压力可根据海拔和柴油机工况变化实时调节，满足了稳态和瞬态两种工况下最佳动力性和燃油经济性的要求，达到了柴油机在海拔5500m标定点功率恢复到平原95％以上的目标，缓解了涡轮迟滞问题，减少了泵气损失功，同时避免了压气机喘振、涡轮超速及涡前排温过高等问题。

Description

柴油机变海拔增压压力控制方法

技术领域

本发明涉及柴油机技术领域，特别是涉及一种高原条件下柴油机变海拔增压压力控制方法。

背景技术

我国2000m以上的高原地区约占国土面积的37％，其中平均海拔高于4000m的青藏高原就占到国土面积的25％。柴油机在高原运行时，随着大气压力降低，进气量减少，造成动力性、经济性下降，排温升高。为了使柴油机在5500m海拔高度恢复功率达到平原功率的目标，增压器总压比在最大扭矩点至标定点区间内至少达到4.8以上，因此，为满足柴油机高海拔动力性要求，必须保证足够的增压压力。目前，废气涡轮增压器对柴油机高原功率具有一定的自动补偿能力，但却不能在全工况范围内实现最佳匹配，当海拔超过3000m，低速区动力性下降20％以上，易出现“超温、超速”；可变截面增压(VGT)具有提升柴油机低速动力性、防止涡轮超温、超速等优点；但增压压力只能根据柴油机工况变化调节，不能随海拔变化实时控制；同时，受增压器自身压比(<3.5)和流量的限制，在高原条件下不能提供给柴油机足够的增压压力，高原功率恢复有限；在控制算法方面，该系统主要采用传统的PID控制，瞬态工况条件下，柴油机进排气系统具有严重的非线性特性，控制速率和控制精度较差。普通二级增压(TST)能够提供宽流量、高压比，极大地提高柴油机高海拔的动力性和经济性，但由于涡轮调节阀大多是机械式放气阀，只能针对单一海拔、单一工况进行匹配，高效率区流量范围较窄，低速涡轮迟滞问题严重，高速泵气功损失较大，不能够根据海拔和工况的变化实现准确控制，难以满足柴油机在变海拔、变工况具有最佳动力性和经济性的目的。

发明内容

针对现有高海拔增压系统存在的技术缺陷，本发明提出了一种柴油机变海拔增压压力控制方法，该系统的控制方法采用前馈控制和模糊PID控制相结合的方式，增压压力可根据海拔和柴油机工况变化实时调节，兼顾高压比、宽流量，满足了稳态和瞬态两种工况下最佳动力性和燃油经济性的要求，达到了柴油机在海拔5500m标定点功率恢复到平原95％以上的目标，缓解了涡轮迟滞问题，减少了泵气损失功，同时避免了压气机喘振、涡轮超速及涡前排温过高等问题。

如上构思，本发明的技术方案是：

一种柴油机变海拔增压压力控制方法，其特征在于：通过二级可调增压器控制单元ECU(23)，根据海拔高度、柴油机转速和负荷的变化，实时控制二级可调增压器高压级VGT叶片(8)的开度和高、低压级两个涡轮调节阀(7、16)的开度，对增压压力进行变海拔、变工况的优化控制，实现在0m～5500m海拔范围内，柴油机的各项性能指标始终与平原条件下的性能保持相同；为保证柴油机在海拔5500m各项性能指标与平原相比不变，海拔5500m增压压力应与0m海拔增压压力相同；具体不同海拔、不同工况条件下，二级可调增压器高压级VGT叶片(8)、高压级涡轮调节阀(7)、低压级涡轮调节阀(16)和压气机旁通阀(13)的控制策略是：

(1)在0m海拔

在0m海拔条件下，低压级涡轮调节阀(16)和压气机旁通阀(13)全开；在中低转速工况(＜1400r/min)，根据二级可调增压器控制单元ECU(23)中标定增压压力MAP，调节高压级VGT叶片(8)开度从30％调至100％；随着柴油机转速继续增大(≥1400r/min)，高压级VGT叶片(8)开度调至最大，为防止涡轮超速，限制增压压力，高压级涡轮调节阀(7)逐渐开启，在0～24％开度内进行调节；

(2)在0m～2500m海拔

随着海拔升高，大气压力下降，为保证高压级压气机进口处压力值不下降，低压级涡轮调节阀(16)开度从全开逐渐减小，至海拔2500m完全关闭。高压级VGT叶片(8)和涡轮调节阀(7)的控制策略与0m海拔相同；按照0m海拔标定增压压力MAP，高压级VGT叶片(8)开度从30％调至100％，高压级涡轮调节阀(7)开度从全关调至24％；

(3)在2500m～5500m海拔

随着海拔继续升高，低压级涡轮调节阀(16)和压气机旁通阀(13)完全关闭；高压级VGT叶片(8)和高压级涡轮调节阀(7)的控制策略与0m海拔相同；按照0m海拔标定增压压力MAP，高压级VGT叶片(8)开度从40％调至100％，高压级涡轮调节阀(7)开度从3％调至17％。

上述二级可调增压器控制单元ECU(23)根据柴油机工况的变化，变海拔增压压力控制算法采用前馈控制和模糊PID控制相结合的方式的控制算法:

(1)稳态工况和一般瞬态工况

根据控制策略，在0m～5500m海拔范围内，柴油机的增压压力不下降，因此，ECU(23)中只存储一张0m海拔增压压力MAP，随海拔升高，大气压力下降，实际增压压力降低，ECU(23)查询0m海拔增压压力MAP，采用模糊PID控制算法，按照设计的控制策略，实时控制VGT叶片(8)和高、低压级两个涡轮调节阀(7、16)开度，确保增压压力实际值对目标值的追踪；

(2)瞬态工况

在不同海拔条件下，柴油机在动加速、突然加载、突然增速强瞬态工况下，采用前馈控制算法，以0～5500m范围内柴油机增压压力不下降为优化目标，分别存储了一张高压级涡轮调节阀(7)、一张低压级涡轮调节阀(16)和多张不同海拔下的高压级VGT叶片(8)的开度MAP；ECU(23)接收环境压力信号，按照相应算法，转换为海拔值，ECU(23)采用数值插值确定当前海拔对应的高压级VGT叶片(8)和高、低压级两个涡轮调节阀(7、16)开度MAP，直接驱动高压级VGT叶片(8)和高、低压级两个涡轮调节阀(7、16)到目标开度。

本发明通过二级可调增压器控制单元ECU(23)，根据海拔高度、柴油机转速和负荷的变化，实时控制二级可调增压器高压级VGT叶片(8)开度和高、低压级两个涡轮调节阀(7、16)开度，对柴油机增压压力进行不同海拔(0m～5500m)环境条件下全工况优化控制，实现在0m～5500m海拔范围内，柴油机的动力性、经济性、热平衡等性能基本不发生变化。

高压级VGT叶片(8)开度和高、低压级两个涡轮调节阀(7、16)开度的控制采用前馈控制和模糊PID控制相结合的方法。前馈控制负责在强瞬态工况下快速调节高压级VGT叶片(8)和高、低压级两个涡轮调节阀(7、16)到目标位置，模糊PID反馈控制负责在一般瞬态和稳态工况下保持实际增压压力对目标增压压力的跟踪。

附图说明

图1所示为本发明的总体设计图；

图2所示为本发明的模糊PID控制系统的结构图；

图3所示为本发明权重因子函数曲线；

图4所示为本发明的PID控制与模糊PID控制动态特性对比曲线；

图5所示为本发明的系统软件控制流程示意图；

图6所示为本发明在不同海拔条件下高压级VGT叶片开度MAP图，其中：(a)为0m的MAP图、(b)为2500m的MAP图、(c)为3500m的MAP图、(d)为4500m的MAP图、(e)为5500m的MAP图；

图7所示为本发明在不同海拔条件下高压级涡轮调节阀开度MAP图；

图8所示为本发明在不同海拔条件下低压级涡轮调节阀开度MAP图。

图中：1-柴油机；2-排气温度传感器；3-排气压力传感器；4、26-进气温度传感器；5-增压压力传感器Ⅱ；6、12-中冷器；7-涡轮调节阀；8-VGT叶片；9-高压级压气机；10-高压级涡轮机；11-增压压力传感器Ⅰ；13-低压级压气机旁通阀；14-低压级压气机；15-低压级涡轮机；16-低压级涡轮调节阀；17-直流电机A；18-直流电机B；19-直流电机C；20-电磁阀；21-温度传感器采集卡；22-压力传感器采集卡；23-增压器控制器；24-电子控制单元ECU；25-上位机RS232、27-大气压力传感器。

具体实施方式：

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种柴油机变海拔增压压力控制方法，通过二级可调增压器控制单元ECU(23)，根据海拔高度、柴油机转速和负荷的变化，实时控制二级可调增压器高压级VGT叶片(8)的开度和高、低压级两个涡轮调节阀(7、16)的开度，对增压压力进行变海拔、变工况的优化控制，实现在0m～5500m海拔范围内，柴油机的各项性能指标始终与平原条件下的性能保持相同；为保证柴油机在海拔5500m各项性能指标与平原相比不变，海拔5500m增压压力应与0m海拔增压压力相同；具体不同海拔、不同工况条件下，二级可调增压器高压级VGT叶片(8)、高压级涡轮调节阀(7)、低压级涡轮调节阀(16)和压气机旁通阀(13)的控制策略是：

(1)在0m海拔

(2)在0m～2500m海拔

(3)在2500m～5500m海拔

(1)稳态工况和一般瞬态工况

(2)瞬态工况

如图1所示为柴油机变海拔增压压力控制系统，柴油机进排气管路安装二级可调增压器，高压级增压器为可变截面增压器VGT，低压级增压器为普通的废气涡轮增压器；系统的进气管路上串联安装有低压级压气机14、中冷器12、进气温度传感器26、增压压力传感器11、高压压气机9、中冷器6、增压压力传感器5、进气温度传感器4；在排气管路上安装有可调机构有高压级VGT叶片8、高压级涡轮调节阀7和低压级涡轮调节阀16，可调机构均与直流电机相连，由增压器控制器ECU23控制。增压器控制器ECU通过实时控制二级可调增压器高压级VGT叶片开度和高低压级两个涡轮调节阀开度，实现柴油机增压压力随海拔高度、柴油机转速和负荷工况变化的优化控制，保证在0m～5500m海拔范围内，柴油机的动力性、经济性、热平衡等性能基本不发生变化。

为了衡量柴油机的工作状态，增压器控制器ECU23通过与柴油机ECU24的CAN通信得到柴油机转速信号和油门位置信号；为了得到二级可调增压器的工作状态，采用三个温度传感器(2、4、26)、四个压力变送器(3、5、11、27)以及一个高压级涡轮调节阀7测量增压器进出口管道的温度、压力和涡轮转速；在涡前排温、最高燃烧压力和增压器转速等约束限制条件下，增压器控制器ECU23根据采集的柴油机工况和大气压力信号，查询增压压力MAP，并通过进气温度修正，得到增压压力目标值，再根据已设计的控制算法，将增压压力目标值与当前实际增压压力对比，根据误差值得到高压级VGT叶片(8)和高、低压级涡轮调节阀(7、16)开度调整的方向和幅度大小，由此对执行机构(三个直流电机17、18、19和一个电磁阀20)发出驱动信号使其达到目标位置。

如图2所示为调节阀模糊PID控制系统的结构图，可以看出该控制系统主要由三个部分组成：分别是PID控制器、模糊控制器以及用以平滑切换控制方式的权重因子。根据本发明的模糊PID算法的设计要求，采用根据误差的增压压力值判断控制方式的方法：选取两个数值作为上限压值和下限压值，当误差大于上限压值时，控制器只采用模糊控制方式，当调节阀误差小于下限压值时，只采用数字PID控制算法，为使两种控制方法之间实现更加平滑的切换，在上、下限压值之间的区域采用权重因子α(e)，模糊PID智能控制器的输出函数经过加权后为：

u＝α(e)u_Fuzzy+[1-α(e)]u_PID

由上式中α(e)构造为下面的形式：

α (e) = \{\begin{matrix} \begin{matrix} 0 L & L & L & L & L & L & L & L & L & L & L & | e | < m \end{matrix} \\ \begin{matrix} \frac{\exp (| e | ρ) - \exp (mρ)}{\exp (nρ) - \exp (mρ)} L & L & L & m < | e | < n \end{matrix} \\ \begin{matrix} 1 L & L & L & L & L & L & L & L & L & L & L & | e | > n \end{matrix} \end{matrix}

式中，m和n分别为下限压值和上限压值，也就是模糊控制规则和PID控制作用的分界点。从式中可以看出，当|e|＜m时，控制器只有PID控制作用；当m＜|e|＜n时，控制器中的模糊控制和PID控制共同作用；当|e|＞n时，控制器只有模糊控制作用。

图3为权重因子函数曲线。根据上述权重因子α(e)的公式，系数ρ的值决定了α(e)函数的形状，ρ值的大小调整可以改变模糊控制和PID控制对输出控制的影响，从而得到的控制效果也不同。图3中可以看出ρ的值过大或者过小时，随着误差变化接近上、下限阈值时权重因子α(e)的变化会比较剧烈，为了控制作用更加平缓，选择ρ＝1。

如图4所示，曲线1为单独的PID控制的动态响应曲线，曲线2为模糊PID控制的动态响应曲线，通过对比，可以看出模糊PID控制算法可以明显减小系统的超调，更快速的使系统达到稳定。因此，相较于普通PID算法，本发明采用的模糊PID控制可明显提高系统的响应速度，并减少超调。

如图5所示为二级可调增压系统软件控制流程示意图。柴油机启动后，增压器控制器ECU首先读取当前环境压力，若大于80kPa，查询低压级涡轮调节阀16开度MAP，而低压级进气旁通阀13全开，若小于80kPa，低压进气旁通阀13全闭，两级增压器同时投入工作。增压器控制器ECU读取当前的柴油机转速和负荷量和环境压力，通过MAP图得到当前状态下标定的增压压力，若增压压力传感器11测量压力值相对目标增压压力值升高，则判断低压级涡轮调节阀16是否全开，若没有全开则增大低压级涡轮调节阀16的开度，若低压级涡轮调节阀16已经全开则结束；若传感器11测量的压力值相对目标增压压力值降低，则判断低压级涡轮调节阀16是否全关，若没有全关则减小低压级涡轮调节阀16开度，若低压级涡轮调节阀16已经全关则结束。

若增压压力传感器5测量压力值相对目标压力值升高，则判断VGT叶片8是否全开，若没全开则增大VGT叶片8开度，若已经全开则判断高压级涡轮调节阀7是否全开，若高压级涡轮调节阀7没有全开则增大高压级涡轮调节阀7开度，若高压级涡轮调节阀7已然全开则结束。若压力传感器5测量的压力值相对目标增压压力值降低，则判断高压级涡轮调节阀7是否全闭，若没有全闭则关小高压级涡轮调节阀7开度，若高压级涡轮调节阀7关闭则判断VGT叶片8是否关闭，若已经关闭则结束，若没有关闭则减小VGT叶片8开度。

图6、图7、图8所示为本发明的二级可调增压系统高压级VGT叶片和高、低压级涡轮调节阀在不同海拔条件下开度MAP，存储在增压器ECU中。按照控制流程，二级可调增压控制系统读取ECU中开度MAP，实现不同海拔、不同工况下增压系统VGT叶片和涡轮调节阀开度的实时控制。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种柴油机变海拔增压压力控制方法，其特征在于：通过二级可调增压器控制单元ECU(23)，根据海拔高度、柴油机转速和负荷的变化，实时控制二级可调增压器高压级VGT叶片(8)的开度和高、低压级两个涡轮调节阀(7、16)的开度，对增压压力进行变海拔、变工况的优化控制，实现在0m～5500m海拔范围内，柴油机的各项性能指标始终与平原条件下的性能保持相同；为保证柴油机在海拔5500m各项性能指标与平原相比不变，海拔5500m增压压力应与0m海拔增压压力相同；具体不同海拔、不同工况条件下，二级可调增压器高压级VGT叶片(8)、高压级涡轮调节阀(7)、低压级涡轮调节阀(16)和压气机旁通阀(13)的控制策略是：

(1)在0m海拔

在0m海拔条件下，低压级涡轮调节阀(16)和压气机旁通阀(13)全开；在中低转速工况(＜1400r/min)，根据ECU(23)中标定增压压力MAP，调节高压级VGT叶片(8)开度从30％调至100％；随着柴油机转速继续增大(≥1400r/min)，高压级VGT叶片(8)开度调至最大，为防止涡轮超速，限制增压压力，高压级涡轮调节阀(7)逐渐开启，在0～24％开度内进行调节；

(2)在0m～2500m海拔

(3)在2500m～5500m海拔

2.根据权利要求1所述的柴油机变海拔增压压力控制方法，其特征在于：上述二级可调增压器控制单元ECU(23)根据柴油机工况的变化，变海拔增压压力控制算法采用前馈控制和模糊PID控制相结合的方式的控制算法:

(1)稳态工况和一般瞬态工况

根据控制策略，在0m～5500m海拔范围内，柴油机的增压压力不下降，因此，二级可调增压器控制单元ECU(23)中只存储一张0m海拔增压压力MAP，随海拔升高，大气压力下降，实际增压压力降低，二级可调增压器控制单元ECU(23)查询0m海拔增压压力MAP，采用模糊PID控制算法，按照设计的控制策略，实时控制VGT叶片(8)和高、低压级两个涡轮调节阀(7、16)开度，确保增压压力实际值对目标值的追踪；

(2)瞬态工况

在不同海拔条件下，柴油机在动加速、突然加载、突然增速强瞬态工况下，采用前馈控制算法，以0～5500m范围内柴油机增压压力不下降为优化目标，分别存储了一张高压级涡轮调节阀(7)、一张低压级涡轮调节阀(16)和多张不同海拔下的高压级VGT叶片(8)的开度MAP；二级可调增压器控制单元ECU(23)接收环境压力信号，按照相应算法，转换为海拔值，ECU(23)采用数值插值确定当前海拔对应的高压级VGT叶片(8)和高、低压级两个涡轮调节阀(7、16)开度MAP，直接驱动高压级VGT叶片(8)和高、低压级两个涡轮调节阀(7、16)到目标开度。