CN105927370A - 电辅助涡轮增压系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种电辅助涡轮增压系统，属于涡轮增压技术领域。本发明的目的是充分利用涡轮本体结构的优化的电辅助涡轮增压系统及其控制方法。本发明的电辅助涡轮增压器的一端安装在进气道入口端，另一端安装在出气道出口端，电辅助涡轮增压器是由辅助高速电机、压缩机、涡轮增压器旋转轴、涡轮、废气旁通阀装置构成，在进气道上安装有中冷器，进气道尾端连接有进气支管，在出气道入口端连接有出气支管，进气支管和排气支管之间直接连接汽油发动机气缸，排气支管之后的出气道分为两条并联的一号通路和二号通路，一号通路和二号通路尾端均与出口管路连通。本发明将高速电机与带废气旁通阀涡轮增压器相结合，最大限度地利用了废气涡轮增压对汽油发动机性能的影响。

Description

电辅助涡轮增压系统及其控制方法

技术领域

本发明属于涡轮增压技术领域。

背景技术

由于涡轮增压具有减小发动机尺寸，提高动力性且降低排放等优点，现已成为发动机技术的重要发展方向。涡轮增压器利用废气能量驱动涡轮做功，旋转的涡轮带动同轴压缩机叶轮压缩新鲜空气，因此增压空气被送入气缸，从而提高了发动机的动力输出。传统的涡轮增压器与发动机的匹配主要存在两个问题：发动机低速运行时废气能量不足，导致增压器转速低，不能提供足够的增压压力和进气量，因而产生发动机输出动力不足；高速运行时废气能量过剩，使得发动机过度增压，增压器有超速的危险；当汽油机处于瞬变工况，节气门开度突然变大时由于涡轮存在机械惯性会产生“增压延迟”现象，导致发动机动力输出迟钝，即“涡轮迟滞”效应。

为了解决以上出现的问题，研究人员对涡轮增压器进行了多种改进，其中采用的非常普遍的一种措施就是增加废气旁通阀机构。涡轮高速运转时，通过旁通放气阀放出涡轮前的一部分废气，以限制其转速和增压压强，然而如此会造成废气可用能量的浪费，经济性不佳。对涡轮滞后问题的改善程度也十分有限，为此，电辅助涡轮增压技术这种更灵活而有效的措施正逐渐受到越来越多的关注。

专利申请号ZL 200510104139.1，专利申请名称为“用于发动机的有效涡轮增压的方法和设备”，在此申请中提出了一种可作为电动机—发电机操作的涡轮增压器辅助装置，目的是帮助发动机加速或者限制涡轮增压器速度以避免发动机的喘振。专利申请号ZL200710013120，名称为“电辅助涡轮增压器”的专利申请提出了一种电辅助涡轮增压方案，将电机转子和增压器转子合二为一，通过控制直流无刷永磁电动机的磁场旋转速率及电流幅度、换向变换规律，来实现其辅助增压强度，或者利用过剩废气发电蓄能，稳定涡轮转速。专利申请号ZL 201310008654，专利申请名称为“转子离合式电动发电涡轮增压器及其辅助控制电路与控制方法”，在该专利中提出了一种带有转子离合装置的电动发电涡轮增压器，根据发动机的不同工况，在离合器及辅助控制电路控制下自动实现电动发电机转子与增压器转子的分离与结合，使涡轮增压器分别处于电动辅助增压、断电空载、发电蓄能三种工作状态。然而，以上专利只是针对电机的状态对涡轮增压器的作用，并没有具体而全面地考虑涡轮自身结构的改进，尤其是安装有废气旁通阀的涡轮增压器，这样就不能彻底利用涡轮的结构特点和优势，忽略了涡轮本身具有的可控性。

发明内容

本发明的目的是充分利用涡轮本体结构的优化，解决涡轮增压器存在的瞬态响应迟缓，低速扭矩不足问题的电辅助涡轮增压系统及其控制方法。

本发明的电辅助涡轮增压器的一端安装在进气道入口端，另一端安装在出气道出口端，电辅助涡轮增压器是由辅助高速电机、压缩机、涡轮增压器旋转轴、涡轮、废气旁通阀装置构成，压缩机安装在进气道入口，辅助高速电机安装于压缩机与涡轮之间，辅助高速电机转子、压缩机和涡轮通过涡轮增压器旋转轴同轴连接，辅助高速电机定子安装在电辅助涡轮增压器外壳上，辅助高速电机通过功率变换器连接有蓄电池；在进气道上安装有中冷器，进气道尾端连接有进气支管，在中冷器与进气支管之间的进气道内安装有节气门，在出气道入口端连接有出气支管，进气支管和排气支管之间直接连接汽油发动机气缸，排气支管之后的出气道分为两条并联的一号通路和二号通路，一号通路为涡轮管路，直接与涡轮相连，二号通路为废气旁通管路，在二号通路中安装有废气旁通阀装置，一号通路和二号通路尾端均与出口管路连通。

本发明的节气门和废气旁通阀的开度大小为0°到90°，即全关闭至全开启状态。

本发明的工作方法，

（一）当汽油发动机转速很低即0 rev/min至900 rev/min时，分两种情况：

①当发动机冷启动，即处于冷机怠速状态时，启动高速电机，根据电机控制信号，对功率变换器进行调节，改变电机定子绕组的电压和电流，控制电机处于电动机模式，废气旁通阀处于小开度状态即0°至15°；

②当发动机热启动，即处于暖机怠速状态时，控制电机处于电动机模式，调节废气旁通阀处于全开状态即90°；

（二）当汽油发动机转速超过怠速转速即超过900 rev/min时，把期望的扭矩值转化成期望的进气支管压强值，公式（1）所示：

（1）

式中为期望的进气支管压强值，单位Pa，具体地，P代表压强，下角标im代表进气支管，上角标sp表示期望的含义；表示驾驶员扭矩需求，即发动机输出的期望的扭矩值，单位Nm，具体地，代表扭矩，上角标sp表示期望的含义；N为汽油发动机转速，单位rev/min；表示所述的转换表格（MAP），完成由“期望的扭矩值”到“期望的进气支管压强值”的转换，为两输入一输出，即输入期望的扭矩值和汽油发动机转速N，通过该转换表格的查询，可输出期望的进气支管压强值，下角标map表示表格的含义；所述的表格通过发动机试验台架标定获得，对于不同的汽油发动机，该转换表格里的具体数据是不一样的。

本发明的控制方法，

①在发动机的一般工况下：采用节气门与废气旁通阀协调控制，高速电机为不工作模式；

②低速高负荷工况：发动机低速运行，但期望的扭转值较大，相应地，期望的进气支管压强值也较大，为了跟踪上较大的期望值，控制器输出的节气门开度接近90°，即节气门几乎全开启，废气旁通阀的开度接近0°，即废气旁通阀几乎全关闭，检测到在一小段时间内，节气门开度为90°，即节气门为全开启状态，废气旁通阀的开度为0°，即节气门为全关闭状态，控制器发出电机控制信号，控制功率变换器，改变电机定子绕组的电压和电流，调节高速电机处于电动机模式；

③高速高负荷工况：发动机高速运行，跟踪较大的进气支管期望压强值，当压缩机出口的增压压强超过压缩机背压限制值时，控制废气旁通阀处于较大开度状态，大部分废气流量不经过涡轮，调节高速电机为发电机模式，作用在旋转轴上的负转矩导致涡轮增压器转速下降，压缩机出口增压压强下降；当低于压缩机背压限制值后，切换至原来的①中节气门和废气旁通阀开度的控制，高速电机调节为不工作模式，继续跟踪期望的进气支管压强值，实现控制目标；

④高速低负荷工况：发动机高转速运转时，扭矩需求较小，跟踪的进气支管期望压强值也较小，而此时发动机排出的废气流量充足，涡轮提供的能量大于压缩机需要消耗的能量，调节高速电机为发电机模式，将这部分过剩的废气能量转化成电能并向蓄电池充电，并且限制旋转轴的转速，这种工况下，协调控制电机电压和节气门开度，跟踪进气支管期望压强值，废气旁通阀保持在某个中等开度的状态即45°开度；

⑤发动机处于瞬态工况时：利用辅助高速电机加快其瞬态响应，减少“涡轮迟滞”影响，当期望的扭矩值发生较大的上升的阶跃突变时，相应的期望进气支管压强值也发生突变，立即启动高速电机，并调节为电动机模式，在节气门和废气旁通阀控制的基础上，附加电动机的辅助作用，在这个过渡过程中，同时控制高速电机电压、节气门和废气旁通阀开度，促进进气支管压强快速地达到期望值，高速电机只在期望值突变后的一小段时间内进行辅助加速，这段时间在本发明中称为“附加电动机辅助时间”，辅助时间结束后，高速电机的辅助力矩消失，即调节为不工作模式，并切换至原来的①中的一般工况下节气门和废气旁通阀控制。

本发明的控制方法，压缩机背压限制值由汽油机试验台架标定，此限制值由发动机的转速决定，具体数值如表1所示，表格的输入变量是转速，单位rev/min，输出量是压缩机背压限制值，单位Pa

表1压缩机背压限制曲线表

。

本发明的控制方法，上升的阶跃突变是指控制器在这一时刻接收到的期望压强值与上一时刻的期望值相减，偏差大于零且差值大于所设定的数值。

本发明的控制方法，附加电动机辅助时间由无电机作用的涡轮增压器的加速过渡时间决定，因此与发动机当前工况和期望进气支管压强值的突变大小有关，通过标定电动机辅助时间MAP图得到，用公式（2）表示如下：

（2）

式中为电动机辅助时间，单位s；N为汽油发动机转速，单位rev/min；为期望进气支管压强值的突变大小，即当前时刻的期望压强值与上一时刻的期望值的偏差量，单位Pa。

本发明为了解决涡轮增压器存在的瞬态响应迟缓，低速扭矩不足的问题，并且为了克服现有技术的不足，充分利用涡轮本体结构的优化，本发明提供了一种汽油机带废气旁通阀的电辅助涡轮增压器，并且考虑电机与废气旁通阀的作用及与汽油机节气门的协调配合，提出一种气路系统的控制方法。具有以下有益效果：

（1）本发明利用高速电机的作用，并且充分考虑了涡轮自身结构改进和特点，将高速电机与带废气旁通阀涡轮增压器相结合，通过电机与废气旁通阀协调配合，两者的优势都能得到充分发挥，最大限度地利用了废气涡轮增压对汽油发动机性能的影响。

（2）本发明将带废气旁通阀的电辅助涡轮增压器运用于汽油机上，并提出一套针对汽油机气路系统的协调控制方法。根据发动机运行的工况，协调控制节气门和废气旁通阀的开度以及高速电机工作模式，快速准确地实现控制目标，满足驾驶员扭矩需求。

（3）废气旁通阀与电机的配合，可在发动机某工况下具有减小背压，利于高速电机充电的优势。

（4）高速电机在电动机、发电机和不工作三种模式中转换，以及废气旁通阀对废气流量的准确调节，实现了涡轮增压器与发动机在全工况下的良好匹配，控制方法更为灵活而有效。通过协调控制，缓解了发动机低速运行时进气量不足，提高低速扭矩输出；过剩的废气转化成电能，提高了废气利用率和发动机的燃油经济性；改善发动机启动和加速性能，并且提高涡轮增压器的瞬态响应性，缓解“涡轮迟滞”问题。

附图说明

图1是本发明安装带废气旁通阀的电辅助涡轮增压器的汽油机的整体结构简图；图中标号说明：1—电辅助涡轮增压器，2—高速电机，3—压缩机，4—涡轮增压器旋转轴，5—涡轮，6—废气旁通阀装置，7—逆变器，8—蓄电池，9—中冷器，10—节气门，11—进气支管，12—汽油发动机气缸，13—排气歧管；

图2是本发明所述的气路系统协调控制方法；

图3是基于协调控制规则的汽油机气路系统控制方案图；

图4是与发动机一般工况下节气门与废气旁通阀控制方法示意图。

具体实施方式

本发明的电辅助涡轮增压器1的一端安装在进气道14入口端，另一端安装在出气道15出口端，电辅助涡轮增压器1是由辅助高速电机2、压缩机3、涡轮增压器旋转轴4、涡轮5、废气旁通阀装置6构成，压缩机3安装在进气道入口，辅助高速电机2安装于压缩机3与涡轮5之间，辅助高速电机2转子、压缩机3和涡轮5通过涡轮增压器旋转轴4同轴连接，辅助高速电机2定子安装在电辅助涡轮增压器1外壳上，辅助高速电机2通过功率变换器7连接有蓄电池8；在进气道14上安装有中冷器9，进气道14尾端连接有进气支管11，在中冷器9与进气支管11之间的进气道14内安装有节气门10，在出气道15入口端连接有出气支管13，进气支管11和排气支管13之间直接连接汽油发动机气缸12，排气支管13之后的出气道15分为两条并联的一号通路A和二号通路B，一号通路A为涡轮管路，直接与涡轮5相连，二号通路B为废气旁通管路，在二号通路B中安装有废气旁通阀装置6，一号通路A和二号通路B尾端均与出口管路C连通。

本发明的节气门10和废气旁通阀6的开度大小为0°到90°，即全关闭至全开启状态。

本发明的工作方法，

（一）当汽油发动机转速很低即0 rev/min至900 rev/min时，分两种情况：

①当发动机冷启动，即处于冷机怠速状态时，启动高速电机，根据电机控制信号，对功率变换器进行调节，改变电机定子绕组的电压和电流，控制电机处于电动机模式，废气旁通阀处于小开度状态即0°至15°；

②当发动机热启动，即处于暖机怠速状态时，控制电机处于电动机模式，调节废气旁通阀处于全开状态即90°；

（二）当汽油发动机转速超过怠速转速即超过900 rev/min时，把期望的扭矩值转化成期望的进气支管压强值，公式（1）所示：

（1）

式中为期望的进气支管压强值，单位Pa，具体地，P代表压强，下角标im代表进气支管，上角标sp表示期望的含义；表示驾驶员扭矩需求，即发动机输出的期望的扭矩值，单位Nm，具体地，代表扭矩，上角标sp表示期望的含义；N为汽油发动机转速，单位rev/min；表示所述的转换表格（MAP），完成由“期望的扭矩值”到“期望的进气支管压强值”的转换，为两输入一输出，即输入期望的扭矩值和汽油发动机转速N，通过该转换表格的查询，可输出期望的进气支管压强值，下角标map表示表格的含义；所述的表格通过发动机试验台架标定获得，对于不同的汽油发动机，该转换表格里的具体数据是不一样的。

本发明的控制方法，

①在发动机的一般工况下：采用节气门与废气旁通阀协调控制，高速电机2为不工作模式；

②低速高负荷工况：发动机低速运行，但期望的扭转值较大，相应地，期望的进气支管压强值也较大，为了跟踪上较大的期望值，控制器输出的节气门开度接近90°，即节气门几乎全开启，废气旁通阀的开度接近0°，即废气旁通阀几乎全关闭，检测到在一小段时间内，节气门开度为90°，即节气门为全开启状态，废气旁通阀的开度为0°，即节气门为全关闭状态，控制器发出电机控制信号，控制功率变换器，改变电机定子绕组的电压和电流，调节高速电机处于电动机模式；

③高速高负荷工况：发动机高速运行，跟踪较大的进气支管期望压强值，当压缩机出口的增压压强超过压缩机背压限制值时，控制废气旁通阀处于较大开度状态，大部分废气流量不经过涡轮，调节高速电机为发电机模式，作用在旋转轴上的负转矩导致涡轮增压器转速下降，压缩机出口增压压强下降；当低于压缩机背压限制值后，切换至原来的①中节气门和废气旁通阀开度的控制，高速电机调节为不工作模式，继续跟踪期望的进气支管压强值，实现控制目标；

④高速低负荷工况：发动机高转速运转时，扭矩需求较小，跟踪的进气支管期望压强值也较小，而此时发动机排出的废气流量充足，涡轮提供的能量大于压缩机需要消耗的能量，调节高速电机为发电机模式，将这部分过剩的废气能量转化成电能并向蓄电池充电，并且限制旋转轴的转速，这种工况下，协调控制电机电压和节气门开度，跟踪进气支管期望压强值，废气旁通阀保持在某个中等开度的状态即45°开度；

⑤发动机处于瞬态工况时：利用辅助高速电机加快其瞬态响应，减少“涡轮迟滞”影响，当期望的扭矩值发生较大的上升的阶跃突变时，相应的期望进气支管压强值也发生突变，立即启动高速电机，并调节为电动机模式，在节气门和废气旁通阀控制的基础上，附加电动机的辅助作用，在这个过渡过程中，同时控制高速电机电压、节气门和废气旁通阀开度，促进进气支管压强快速地达到期望值，高速电机只在期望值突变后的一小段时间内进行辅助加速，这段时间在本发明中称为“附加电动机辅助时间”，辅助时间结束后，高速电机的辅助力矩消失，即调节为不工作模式，并切换至原来的①中的一般工况下节气门和废气旁通阀控制。

本发明的控制方法，压缩机背压限制值由汽油机试验台架标定，此限制值由发动机的转速决定，具体数值如表1所示，表格的输入变量是转速，单位rev/min，输出量是压缩机背压限制值，单位Pa

表1压缩机背压限制曲线表

。

本发明的控制方法，上升的阶跃突变是指控制器在这一时刻接收到的期望压强值与上一时刻的期望值相减，偏差大于零且差值大于所设定的数值。

根据权利要求书4所述的电辅助涡轮增压系统的控制方法，其特征在于：附加电动机辅助时间由无电机作用的涡轮增压器的加速过渡时间决定，因此与发动机当前工况和期望进气支管压强值的突变大小有关，通过标定电动机辅助时间MAP图得到，用公式（2）表示如下：

（2）

式中为电动机辅助时间，单位s；N为汽油发动机转速，单位rev/min；为期望进气支管压强值的突变大小，即当前时刻的期望压强值与上一时刻的期望值的偏差量，单位Pa。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

图1是具备本发明所述的带废气旁通阀的电辅助涡轮增压器的汽油发动机的整体结构简图。汽油发动机进气道包括压缩机3、中冷器9、节气门10和进气支管11。汽油发动机排气道包括排气支管13、涡轮5和废气旁通阀装置6。压缩机3安装在进气道入口，中冷器9紧接其后，节气门10安装于中冷器9和进气支管11之间。进气支管11和排气支管13之间直接连接汽油发动机气缸12，排气支管13之后有两条并联通路A和B，A通路为“涡轮管路”，直接与涡轮5相连，B通路为“废气旁通管路”，该通路中安装有废气旁通阀装置6，“废气旁通管路”末端与涡轮出口处C连通。压缩机3和涡轮5通过涡轮增压器旋转轴4同轴连接，压缩机转速和涡轮转速保持一致。

本发明的电辅助涡轮增压器1具备辅助高速电机2、压缩机3、涡轮增压器旋转轴4、涡轮5、废气旁通阀装置6。辅助高速电机2安装于压缩机3与涡轮5之间，并且电机转子与涡轮增压器旋转轴4同轴相连，将电机定子安装在增压器外壳上，功率变换器7用于实现高速电机2与蓄电池8之间的能量传递。所述高速电机可以是永磁同步电机、永磁直流无刷电机或者开关磁阻电机。在不同的发动机工况下，通过对该电机电压的控制，高速电机将处于电动机、发电机或不工作三种模式。

所述高速电机2处于电动机模式，是指在发动机低速运行废气能量不足时，蓄电池8向高速电机2供电，电机向涡轮增压器旋转轴4提供辅助转矩，为压缩机3增压提供能量；所述高速电机2处于发电机模式，是指在发动机处于高速或大负荷时，废气驱动电机转子旋转通过电磁感应产生电能，向蓄电池8充电，此时电机对涡轮增压器旋转轴4施加反作用的负扭矩，以此限制涡轮增压器转速，这样剩余的发动机废气能量通过高速电机2转化成了电能存储于蓄电池中；所述高速电机2处于不工作模式，是指高速电机2不对涡轮增压器旋转轴4施加任何作用力，此时电机完全不工作，内部电流为零，涡轮增压机单独自行运转。

所述的废气旁通阀6安装在如图1所示的位置上，其所在的“废气旁通管路”与“涡轮管路”并联，因此通过调节所述废气旁通阀6的开度可以控制通过“废气旁通管路”的废气流量，进而控制流经涡轮5的废气质量流量，从而调节增压压力的大小。当发动机低转速，增压压力不足时，废气旁通阀开度较小，导致通过“废气旁通管路”的废气流量较少，大部分的废气流经涡轮，提高涡轮增压器转速；当发动机高转速运行，废气能量过剩时，废气旁通阀开度较大，此时部分废气不经过涡轮而直接流入“废气旁通管路”，由涡轮入口前直接旁通至涡轮出口后，避免涡轮增压器超速，从而限制压缩机出口气体压强大小。

在图1中，中冷器9位于压缩机3之后，冷却增压的高温空气，以增大气体密度。节气门10处于所述中冷器9和进气支管11之间，其开度的大小控制进入气缸的空气流量。压缩空气经过所述节气门10后，进入所述进气支管11，接着流入汽油发动机12进行燃烧做功，排出的废气经过排气歧管13后有两个通道，一个是通过所述废气旁通阀6排出，即通过“废气旁通管路”，另一个是通过所述涡轮5，即通过“涡轮管路”，带动压缩机3对空气进行压缩。

根据上文所述的带废气旁通阀的电辅助涡轮增压器的工作原理，以及汽油发动机的整体结构和工作过程，节气门10和废气旁通阀6的开度大小（由于执行机构饱和，开度范围为0到90°，即废气旁通阀从全关闭到全开启状态）及高速电机2的工作模式共同决定发动机气路系统的工作状态和扭矩的输出，因此通过对这三者的调节，能够完成对汽油机气路系统的控制。下面详细说明带废气旁通阀的电辅助涡轮增压汽油机气路控制方法。

运用控制规则切换的思想，依据发动机的不同工况，提出相应的汽油发动机系统的控制策略，如图2所示。

（一）当汽油发动机转速很低（0rev/min至900 rev/min）时，涡轮增压效果并不明显。此时分两种情况：①当发动机冷启动，即处于冷机怠速状态时，其内部温度太低，燃油不容易汽化，且机油的流动性较差，润滑效果不佳，易造成较大的机械磨损，此时应启动高速电机，根据电机控制信号，对功率变换器进行调节，改变电机定子绕组的电压和电流，控制电机处于电动机模式，辅助涡轮增压旋转轴转动，废气旁通阀处于小开度状态（大约0°至15°），以此加速发动机预热，缩短暖机过程；②当发动机热启动，即处于暖机怠速状态时，其内部有较高的余温，发动机水温接近正常温度，此时仍控制电机处于电动机模式，促进涡轮加速，蓄电池消耗能量，增加进气量，并且调节废气旁通阀处于全开状态（90°），减小排气阻力，利于热启动的顺利进行。

二）当汽油发动机转速超过怠速转速（超过900 rev/min）时，希望通过对节气门、废气旁通阀及高速电机三者的协调控制，汽油机的动力输出能够迅速并且满足需求，即发动机产生的平均扭矩值能够跟踪上驾驶员期望的扭矩值。由于进气支管的压强可通过传感器直接测量，为便于控制，需要把期望的扭矩值转化成期望的进气支管压强值，这一过程通过查MAP表实现，如公式（1）所示：

（1）

式中为期望的进气支管压强值，单位Pa，具体地，P代表压强，下角标im代表进气支管，上角标sp表示期望的含义；表示驾驶员扭矩需求，即发动机输出的期望的扭矩值，单位Nm，具体地，代表扭矩，上角标sp表示期望的含义；N为汽油发动机转速，单位rev/min。表示所述的转换表格（MAP），完成由“期望的扭矩值”到“期望的进气支管压强值”的转换，为两输入一输出，即输入期望的扭矩值和汽油发动机转速N，通过该转换表格的查询，可输出期望的进气支管压强值，下角标map表示表格的含义。所述的表格通过发动机试验台架标定获得，对于不同的汽油发动机，该转换表格里的具体数据是不一样的。这样，通过对期望进气支管压强值的跟踪，实现期望扭矩值的跟踪控制。

本发明提出的基于协调控制规则的气路系统控制方案如图3所示，将发动机转速信号，期望的和实际的进气支管压强值，蓄电池SOC状态等信息输入到协调控制器中，此控制器根据图2所示的协调控制规则，决策出相应工况下节气门、废气旁通阀开度及高速电机的工作模式，以使汽油发动机输出的进气支管压强值能够跟踪上期望值。

发动机运行于不同转速和负荷区域时，对进气支管压强的跟踪控制方法也不相同，具体地，分情况说明如下：

（1）在发动机的一般工况下（除了下文所述的（2）、（3）、（4）、（5）的工况外），均采用节气门与废气旁通阀协调控制，此时，高速电机2为不工作模式。如图4所示，将实际的进气支管压强与期望的支管压强值作比较，两者的偏差分别输入到节气门和废气旁通阀两个PID神经网络控制器中，经过运算输出节气门和旁通阀的开度，以实现进气支管压强跟踪。所述的两个神经网络PID控制器包括在图2 的协调控制器中。

（2）低速高负荷工况。如果发动机低速运行，但期望的扭转值较大，相应地，期望的进气支管压强值也较大。由于低速时发动机废气流量较少，涡轮转速低，导致实际的进气支管压强值一直处于较低范围，无法达到期望的较高水平，因此为了跟踪上较大的期望值，控制器输出的节气门开度接近90°，即节气门几乎全开启，废气旁通阀的开度接近0°，即废气旁通阀几乎全关闭。因此，如果检测到在一小段时间内，节气门开度为90°，即节气门为全开启状态，废气旁通阀的开度为0°，即节气门为全关闭状态，同时实际的进气支管压强值无法达到期望目标值，此时控制器发出电机控制信号，控制功率变换器，改变电机定子绕组的电压和电流，调节高速电机处于电动机模式，辅助压缩机增压，并且最大限度利用涡轮，让废气全部流经涡轮做功。因此，此种工况下控制电机电压和节气门开度，废气旁通阀的开度保持为0°，使实际输出的进气支管压强跟踪上期望值。

（3）高速高负荷工况。如果发动机高速运行，跟踪较大的进气支管期望压强值，当压缩机出口的增压压强超过压缩机背压限制值时，控制废气旁通阀处于较大开度状态，大部分废气流量不经过涡轮，调节高速电机为发电机模式，作用在旋转轴上的负转矩导致涡轮增压器转速下降，压缩机出口增压压强下降。当低于压缩机背压限制值后，切换至原来的（1）中节气门和废气旁通阀开度的控制，高速电机调节为不工作模式，继续跟踪期望的进气支管压强值，实现控制目标。

所述的压缩机背压限制值由汽油机试验台架标定，此限制值由发动机的转速决定，具体数值如表1所示。表格的输入变量是转速，单位rev/min，输出量是压缩机背压限制值，单位Pa。

表1 压缩机背压限制曲线表

由此，通过检测发动机当前的转速，通过表1可以计算出当前工况下压缩机背压限制值，并与实际的压缩机出口的增压压强进行比较，作为控制策略切换的条件。针对不同的发动机，压缩机背压限制曲线表中各转速下的压强限制值是不相同的，由试验台架标定获得。

（4）高速低负荷工况。如果发动机高转速运转时，扭矩需求较小，跟踪的进气支管期望压强值也较小，而此时发动机排出的废气流量充足，涡轮提供的能量大于压缩机需要消耗的能量，调节高速电机为发电机模式，将这部分过剩的废气能量转化成电能并向蓄电池充电，并且限制旋转轴的转速。因此，在这种工况下，协调控制电机电压和节气门开度，跟踪进气支管期望压强值。废气旁通阀保持在某个中等开度的状态（大约45°），既有利于电机发电，又能减少排气阻力降低泵气损失。

（5） 发动机处于瞬态工况时利用辅助高速电机加快其瞬态响应，减少“涡轮迟滞”影响。当期望的扭矩值发生较大的上升的阶跃突变时，相应的期望进气支管压强值也发生突变。所述的“上升的阶跃突变”是指控制器在这一时刻接收到的期望压强值与上一时刻的期望值相减，偏差大于零且差值大于所设定的数值。此时，立即启动高速电机，并调节为电动机模式，在节气门和废气旁通阀控制的基础上，附加电动机的辅助作用，促进涡轮旋转轴的加速，使压缩机的增压压强在尽可能短的时间内达到更高的水平。在这个过渡过程中，同时控制高速电机电压、节气门和废气旁通阀开度，促进进气支管压强快速地达到期望值。高速电机只在期望值突变后的一小段时间内进行辅助加速，这段时间在本发明中称为“附加电动机辅助时间”，辅助时间结束后，高速电机的辅助力矩消失，即调节为不工作模式，并切换至原来的（1）中的一般工况下节气门和废气旁通阀控制，继续保持进气支管的压强跟踪。

所述的“附加电动机辅助时间”由无电机作用的涡轮增压器的加速过渡时间决定，因此与发动机当前工况和期望进气支管压强值的突变大小有关，可通过标定电动机辅助时间MAP图得到，用公式（2）表示如下：

（2）

式中为电动机辅助时间，单位s；N为汽油发动机转速，单位rev/min；为期望进气支管压强值的突变大小，即当前时刻的期望压强值与上一时刻的期望值的偏差量，单位Pa。

电池的荷电状态SOC用来反应电池的剩余电量，常用百分数表示，当SOC=0表示电量耗尽，当SOC=1表示电量充满状态。当高速电机为电动机模式时，蓄电池向电机供电，为避免耗尽电池存储的电量，设置电池SOC最低阈值，用表示；当高速电机为发电机模式时，过剩的废气能量通过发电机向蓄电池充电，为防止电池的过度充电，设置电池SOC最高阈值，用表示。因此，为保证电池工作在高效率区域，并减少对电池的使用损耗，通常设置为40%至60%， 设置为60%至90%，电池必须工作在与之间。当SOC上升到最高阈值时，停止电机的发电状态，切换至不工作模式；当SOC下降到最低阈值时，停止电机的电动状态，同样切换至不工作模式。

Claims (7)

1.一种电辅助涡轮增压系统，其特征在于：电辅助涡轮增压器（1）的一端安装在进气道（14）入口端，另一端安装在出气道（15）出口端，电辅助涡轮增压器（1）是由辅助高速电机（2）、压缩机（3）、涡轮增压器旋转轴（4）、涡轮（5）、废气旁通阀装置（6）构成，压缩机（3）安装在进气道入口，辅助高速电机（2）安装于压缩机（3）与涡轮（5）之间，辅助高速电机（2）转子、压缩机（3）和涡轮（5）通过涡轮增压器旋转轴（4）同轴连接，辅助高速电机（2）定子安装在电辅助涡轮增压器（1）外壳上，辅助高速电机（2）通过功率变换器（7）连接有蓄电池（8）；在进气道（14）上安装有中冷器（9），进气道（14）尾端连接有进气支管（11），在中冷器（9）与进气支管（11）之间的进气道（14）内安装有节气门（10），在出气道（15）入口端连接有出气支管（13），进气支管（11）和排气支管（13）之间直接连接汽油发动机气缸（12），排气支管（13）之后的出气道（15）分为两条并联的一号通路（A）和二号通路（B），一号通路（A）为涡轮管路，直接与涡轮（5）相连，二号通路（B）为废气旁通管路，在二号通路（B）中安装有废气旁通阀装置（6），一号通路（A）和二号通路（B）尾端均与出口管路（C）连通。

2.根据权利要求书1所述的电辅助涡轮增压系统，其特征在于：节气门（10）和废气旁通阀（6）的开度大小为0°到90°，即全关闭至全开启状态。

3.权利要求1所述电辅助涡轮增压系统的工作方法，其特征在于：

（一）当汽油发动机转速很低即0 rev/min至900 rev/min时，分两种情况：

①当发动机冷启动，即处于冷机怠速状态时，启动高速电机，根据电机控制信号，对功率变换器进行调节，改变电机定子绕组的电压和电流，控制电机处于电动机模式，废气旁通阀处于小开度状态即0°至15°；

②当发动机热启动，即处于暖机怠速状态时，控制电机处于电动机模式，调节废气旁通阀处于全开状态即90°；

（二）当汽油发动机转速超过怠速转速即超过900 rev/min时，把期望的扭矩值转化成期望的进气支管压强值，公式（1）所示：

（1）

式中为期望的进气支管压强值，单位Pa，具体地，P代表压强，下角标im代表进气支管，上角标sp表示期望的含义；表示驾驶员扭矩需求，即发动机输出的期望的扭矩值，单位Nm，具体地，代表扭矩，上角标sp表示期望的含义；N为汽油发动机转速，单位rev/min；表示所述的转换表格（MAP），完成由“期望的扭矩值”到“期望的进气支管压强值”的转换，为两输入一输出，即输入期望的扭矩值和汽油发动机转速N，通过该转换表格的查询，可输出期望的进气支管压强值，下角标map表示表格的含义；所述的表格通过发动机试验台架标定获得，对于不同的汽油发动机，该转换表格里的具体数据是不一样的。

4.权利要求1所述电辅助涡轮增压系统的控制方法，其特征在于：

①在发动机的一般工况下：采用节气门与废气旁通阀协调控制，高速电机（2）为不工作模式；

②低速高负荷工况：发动机低速运行，但期望的扭转值较大，相应地，期望的进气支管压强值也较大，为了跟踪上较大的期望值，控制器输出的节气门开度接近90°，即节气门几乎全开启，废气旁通阀的开度接近0°，即废气旁通阀几乎全关闭，检测到在一小段时间内，节气门开度为90°，即节气门为全开启状态，废气旁通阀的开度为0°，即节气门为全关闭状态，控制器发出电机控制信号，控制功率变换器，改变电机定子绕组的电压和电流，调节高速电机处于电动机模式；

③高速高负荷工况：发动机高速运行，跟踪较大的进气支管期望压强值，当压缩机出口的增压压强超过压缩机背压限制值时，控制废气旁通阀处于较大开度状态，大部分废气流量不经过涡轮，调节高速电机为发电机模式，作用在旋转轴上的负转矩导致涡轮增压器转速下降，压缩机出口增压压强下降；当低于压缩机背压限制值后，切换至原来的①中节气门和废气旁通阀开度的控制，高速电机调节为不工作模式，继续跟踪期望的进气支管压强值，实现控制目标；

④高速低负荷工况：发动机高转速运转时，扭矩需求较小，跟踪的进气支管期望压强值也较小，而此时发动机排出的废气流量充足，涡轮提供的能量大于压缩机需要消耗的能量，调节高速电机为发电机模式，将这部分过剩的废气能量转化成电能并向蓄电池充电，并且限制旋转轴的转速，这种工况下，协调控制电机电压和节气门开度，跟踪进气支管期望压强值，废气旁通阀保持在某个中等开度的状态即45°开度；

⑤发动机处于瞬态工况时：利用辅助高速电机加快其瞬态响应，减少“涡轮迟滞”影响，当期望的扭矩值发生较大的上升的阶跃突变时，相应的期望进气支管压强值也发生突变，立即启动高速电机，并调节为电动机模式，在节气门和废气旁通阀控制的基础上，附加电动机的辅助作用，在这个过渡过程中，同时控制高速电机电压、节气门和废气旁通阀开度，促进进气支管压强快速地达到期望值，高速电机只在期望值突变后的一小段时间内进行辅助加速，这段时间在本发明中称为“附加电动机辅助时间”，辅助时间结束后，高速电机的辅助力矩消失，即调节为不工作模式，并切换至原来的①中的一般工况下节气门和废气旁通阀控制。

5.根据权利要求书4所述的电辅助涡轮增压系统的控制方法，其特征在于：压缩机背压限制值由汽油机试验台架标定，此限制值由发动机的转速决定，具体数值如表1所示，表格的输入变量是转速，单位rev/min，输出量是压缩机背压限制值，单位Pa

表1压缩机背压限制曲线表

。

6.根据权利要求书4所述的电辅助涡轮增压系统的控制方法，其特征在于：上升的阶跃突变是指控制器在这一时刻接收到的期望压强值与上一时刻的期望值相减，偏差大于零且差值大于所设定的数值。

7.根据权利要求书4所述的电辅助涡轮增压系统的控制方法，其特征在于：附加电动机辅助时间由无电机作用的涡轮增压器的加速过渡时间决定，因此与发动机当前工况和期望进气支管压强值的突变大小有关，通过标定电动机辅助时间MAP图得到，用公式（2）表示如下：

（2）

式中为电动机辅助时间，单位s；N为汽油发动机转速，单位rev/min；为期望进气支管压强值的突变大小，即当前时刻的期望压强值与上一时刻的期望值的偏差量，单位Pa。