CN110748409B - 废气涡轮发动机增压闭环自适应系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了废气涡轮发动机增压闭环自适应系统，它的增压压力温度传感器感应节气门前的气体压力和温度，进气压力温度传感器感应节气门后的气体压力和温度，大气压力传感器感应压缩机进口实际气压，空滤后温度传感器感应增压器进气侧压缩机入口处的气体温度；发动机控制器在接收到增压闭环请求时，输出增压器总成的废气旁通阀控制占空比信号，从而控制增压器总成实际增压压力跟随增压器目标增压压力，同时在增压器总成实际增压压力跟随增压器目标增压压力的过程中进行增压器总成闭环控制机器学习来更新目标增压压比和发动机转速下的PID控制中的积分项；本发明能提高增压控制响应性效果，确保增压控制能够及时、准确和稳定。

Description

废气涡轮发动机增压闭环自适应系统及控制方法
技术领域
本发明涉及发动机控制技术领域，具体地指一种废气涡轮发动机增压闭环自适应系统及控制方法。
背景技术
废气涡轮增压利用排气能量推动涡轮实现进气侧气体压缩实现新鲜空气增压。增压控制系统配备有可电控的废气旁通阀，增压压力的控制通过控制废气旁通阀执行器来实现。废气旁通阀主要用于调整增压压力与防止涡轮增压器过载，其方法是控制进入涡轮的废气量来改变增压压力。由于废气涡轮运行时的温度很高，一般能达到900摄氏度，然而，由于电磁阀耐温性较低，因此直接采用电磁阀来控制涡轮的废气流量并不现实。由ECU发出电磁阀占空比的信号，电磁阀的开度将导致废气旁通阀中的压力室中的压力大小发生变化，从而使得推杆的行程发生变化，推杆行程的变化将导致进入涡轮的废气量变化，从而改变增压压力大小。
由于发动机生产差异，不同大气压力下发动机差异，发动机不同工况条件下的差异，以及增压系统和进气系统磨损、疲劳和老化造成的动态PID控制偏移，会导致增压控制响应性效果不一致，因此需要对增压控制算法提出自适应的方法，确保增压控制能够及时、准确和稳定。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种废气涡轮发动机增压闭环自适应系统及控制方法，本发明能提高增压控制响应性效果，确保增压控制能够及时、准确和稳定。
为实现此目的，本发明所设计的一种废气涡轮发动机增压闭环自适应系统，它包括增压器总成、发动机控制器、空滤后温度传感器、大气压力传感器、增压压力温度传感器和进气压力温度传感器；增压压力温度传感器用于感应节气门前的气体压力和温度，进气压力温度传感器用于感应节气门后的气体压力和温度，大气压力传感器用于感应压缩机进口实际气压，空滤后温度传感器用于感应增压器进气侧压缩机入口处的气体温度；
所述发动机控制器用于在接收到增压闭环请求时，输出增压器总成的废气旁通阀控制占空比信号，从而控制增压器总成实际增压压力a4跟随增压器目标增压压力a1，并最终达到增压器目标增压压力，同时在增压器总成实际增压压力a4跟随增压器目标增压压力a1的过程中进行增压器总成闭环控制机器学习来更新基于目标增压压比和发动机转速下的PID(比例proportion、积分integral、微分differential)控制中的积分项；
所述增压闭环请求的使能信号由增压器进气侧压缩机入口处的气体温度、压缩机进口实际气压、节气门前的气体压力和温度，以及节气门后的气体压力和温度进行增压闭环使能条件的判断得到。
一种废气涡轮发动机增压闭环自适应控制方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：在发动机控制器中进行增压闭环使能条件的判断；
当如下条件A～C同时满足时，向发动机控制器发送增压闭环使能信号；
条件A：增压器总成的压缩机出口目标压力a大于最小增压压力b；
条件B：发动机转速大于预设值；
条件C：增压器总成的电子泄压阀未开启；
步骤2：在发动机控制器中进行增压器总成闭环控制机器学习条件判断；
当如下条件1～7全部满足时，即可进行增压器总成闭环控制机器学习；
条件1：发动机控制器接收到增压闭环使能信号；
条件2：节气门全开；
条件3：节气门后的气体压力变化率在预设范围内；
条件4：发动机转速稳在预设范围内；
条件5：目标增压压力a1在预设范围内；
条件6：目标增压压力a1与实际增压压力a4差在预设范围内；
条件7：目标增压压力a1与实际增压压力a4差变化率ΔpErr在预设范围内；
步骤3：所述发动机控制器在接收到增压闭环请求时，输出增压器总成的废气旁通阀控制占空比信号，从而控制增压器总成实际增压压力a4跟随增压器目标增压压力a1，并最终达到增压器目标增压压力，同时在增压器总成实际增压压力a4跟随增压器目标增压压力a1的过程中进行增压器总成闭环控制机器学习来更新目标增压压比和发动机转速下的PID控制中的积分项；
发动机控制器在进行增压器总成闭环控制机器学习时，将当前目标增压压比和当前发动机转速下的PID控制中的积分项存储起来；待后续在同样的目标增压压比和同样发动机转速下时，将此时的目标增压压比和此时的发动机转速下的PID控制中的积分项与之前的积分项存储值进行一阶低通滤波，并将一阶低通滤波的结果作为后续同样的目标增压压比和发动机转速下的PID控制中的积分项。
本发明具有如下有益效果：
本发明的系统和方法不会由于发动机生产差异，不同大气压力下发动机差异，发动机不同工况条件下的差异，以及增压系统和进气系统磨损、疲劳和老化造成的动态PID控制偏移，而导致闭环控制效果有差异。不同产品的差异，会导致基于试验的标定数据不一定适用于该发动机不同状态，以及不同发动机不同状态，PID各控制参数会有一定差异，可能会导致闭环控制效果有差异，实际压力跟随目标增压压力的跟随性效果有差异，自适应的增压器总成闭环控制机器学习过程可根据这些不同的发动机特点而同样及时、准确和稳定控制增压，保证最终控制效果的一致性。
附图说明
图1为本发明的原理示意图；
图2为本发明的增压闭环自适应方法图；
图3为最小增压压力压力限值计算框图；
图4为最小压力条件的逻辑框图；
图2中，在I项允许条件使能时，即u1＝1,最终新的I项学习值取“I项值学习”输出的值；在I项允许条件不使能时，即u1＝0,最终新的I项学习值取“不更新”输出的值；merge的两个输入不会同时输出。在u1＝1的时候，merge采用“I项值学习”的输出作为merge的输入，作为“最终新的I项学习值”；在u1＝0的时候，merge采用“不更新”的输出作为merge的输入，作为“最终新的I项学习值”；
图3中，“基于大气压力和发动机转速的增压压力补偿”是输入信号“大气压力”和“发动机转速”查表得到；“温度补偿系数”是由输入信号“空滤后气体温度”查表得到。最终经过乘法和加法得到“最小增压压力”。
图4中，在目标压缩机出口压力与最小增压压力之差大于标定值p_BoostCL_Enbl时，最小压力条件等于1，即满足最小压力条件；在目标压缩机出口压力与最小增压压力之差小于标定值p_BoostCL_Disbl时，最小压力条件等于0，即不满足最小压力条件；
目标压缩机出口压力与最小增压压力之差在p_BoostCL_Disbl与p_BoostCL_Enbl之间时，最小压力条件取上一时刻值，特别地，初始值为0，在目标压缩机出口压力与最小增压压力之差大于标定值p_BoostCL_Enbl时，Threshold≠0，等于1，那么“最小压力条件”取的是Threshold模块上面的值(1)；其他情况，“最小压力条件”取的是Threshold模块下面的值，1/z表示最小压力条件上一时刻的值。
其中，1—发动机控制器、2—空滤后温度传感器、3—大气压力传感器、4—增压压力温度传感器、5—进气压力温度传感器、6—增压器总成。
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的详细说明：
如图1～4所示的一种废气涡轮发动机增压闭环自适应系统，它包括增压器总成6、发动机控制器1、空滤后温度传感器2、大气压力传感器3、增压压力温度传感器4和进气压力温度传感器5；增压压力温度传感器4用于感应节气门前的气体压力和温度，进气压力温度传感器5用于感应节气门后的气体压力和温度，大气压力传感器3用于感应压缩机进口实际气压(即环境大气压力)，空滤后温度传感器2用于感应增压器进气侧压缩机入口处的气体温度；
所述发动机控制器1用于在接收到增压闭环请求时，输出增压器总成6的废气旁通阀控制占空比信号，从而控制增压器总成6实际增压压力a4跟随增压器目标增压压力a1，并最终达到增压器目标增压压力，同时在增压器总成6实际增压压力a4跟随增压器目标增压压力a1的过程中进行增压器总成闭环控制机器学习来更新目标增压压比和发动机转速下的PID控制中的积分项；
所述增压闭环请求的使能信号由增压器进气侧压缩机入口处的气体温度、压缩机进口实际气压、节气门前的气体压力和温度，以及节气门后的气体压力和温度进行增压闭环使能条件的判断得到。
上述技术方案中，增压器总成6的废气旁通阀根据发动机控制器1输出的增压器总成6的废气旁通阀控制占空比信号，调节废气旁通阀的压力室压力，从而使得废气旁通阀推杆的行程发生变化，废气旁通阀推杆行程的变化将导致进入涡轮的废气量变化，从而改变增压压力大小。废气旁通阀的开启条件需要排气背压力与增压后的气体压力之和大于废气旁通阀的弹簧预紧力。因此增压气体压力需要大于某一标定值(称为最小增压压力)后才可以克服弹簧预紧力，该标定值由大气压力，发动机转速和空滤后温度共同决定，由台架标定得到，如图3所示；
上述技术方案中，所述发动机控制器1在车辆扭矩降低时，控制增压器总成6的电子泄压阀开启。电子泄压阀开启的条件是，在增压发动机在松油门或者发动机停机等扭矩降低时，为了响应降扭请求，节气门会快速关闭，减少进气量，达到扭矩降低的效果，泄压阀开启。
上述技术方案中，所述增压闭环使能条件的判断条件为：
条件A：增压器总成6的压缩机出口目标压力a大于最小增压压力b，为了避免增压压力波动导致的闭环标志位来回震荡，做迟滞处理，如图4；
条件B：发动机转速大于预设值，确保废气有足够能量控制增压，该预设值的确定方法是如果发动机转速过低，排气能量过小，导致增压控制不好，因此需要在一定发动机转速下才可以进行增压控制，本实施例采用的预设值为1000rpm；
条件C：增压器总成6的电子泄压阀未开启；
以上条件A～C同时满足则向发动机控制器1发送增压闭环使能信号，否则不发送。
上述技术方案中，所述增压器总成6的压缩机出口目标压力a，根据目标增压压力a1、增压器进气侧压缩机入口处的气体温度、节气门前的气体压力和温度计算得到。如果想要获得一定的目标增压压力，就必须提供相应的压缩机出口目标压力和温度。
压缩机进口实际压力，是指根据实际增压压力以及空滤后温度传感器和节气门前增压压力温度传感器值计算得到，如果想要一定的增压压力，就必须存在相应的压缩机出口实际压力。
上述技术方案中，所述目标增压压力a1，为计算增压闭环控制的目标压力，目标增压压力a1取目标进气压力a2(即节气门后的气体目标压力)与增压器喘振线得到的最大目标压力限值a3之间的最小值，防止增压器出现喘振而被损坏。压缩机出口目标压力，即根据目标增压压力以及各温度压力传感器值预估得到，如果想要获得一定的目标增压压力，就必须提供相应的压缩机出口目标压力。
上述技术方案中，在发动机控制器1中，控制增压器总成6实际增压压力a4跟随增压器目标增压压力a1时，进行增压器总成闭环控制机器学习：
增压器总成闭环控制机器学习需要满足以下条件才能启动：
条件1：发动机控制器1接收到增压闭环使能信号；
条件2：节气门全开；
条件3：节气门后的气体压力变化率在预设范围(0.3～0.5kpa/ms)内；
条件4：发动机转速稳在预设范围(7～8rpm/ms)内；
条件5：目标增压压力a1在预设范围(超过最小增压压力之差，在2～5kpa之间)内；
条件6：目标增压压力a1与实际增压压力a4差在预设范围(0.3～0.5kpa/ms)内，实际增压压力为节气门前的增压压力，即增压控制仅需要将节气门前的压力控制达到目标进气压力即可，节气门后的进气压力想要到达目标进气压力，可通过节气门全开来实现；
条件7：目标增压压力a1与实际增压压力a4差变化率ΔpErr在预设范围(0.1～0.3kpa/ms2)内；
当上述条件1～7全部满足后，将当前目标增压压比和当前发动机转速下的PID控制中的积分项存储起来；待后续在同样的目标增压压比和同样发动机转速下时，将此时的目标增压压比和此时的发动机转速下的PID控制中的积分项与之前的积分项存储值进行一阶低通滤波，并将一阶低通滤波的结果作为后续同样的目标增压压比和发动机转速下的PID控制中的积分项；
目标增压压比为压缩机出口目标压力a与压缩机进口实际气压之比。
上述技术方案中，所述目标增压压力a1与实际增压压力a4差变化率ΔpErr基于tustin变换计算：
Figure BDA0002237339300000081
式中，
Figure BDA0002237339300000082
为ΔpErr上一采样时刻的值，
Figure BDA0002237339300000083
为上一采样时刻的进气压力实际值，Δt为采样周期，tc为滤波的时间常数，pErr表示目标增压压力a1与实际增压压力a4的差。
上述技术方案中，所述增压压力温度传感器4安装在节气门与中冷器之间的管路中，进气压力温度传感器5安装在节气门后的进气歧管中，空滤后温度传感器2安装在空滤后与增压器进气侧压缩机入口之间的管路中。大气压力传感器3安装在空滤后或者控制器ECU内均可。
一种废气涡轮发动机增压闭环自适应控制方法，它包括如下步骤：
步骤1：在发动机控制器1中进行增压闭环使能条件的判断；
当如下条件A～C同时满足时，向发动机控制器1发送增压闭环使能信号；
条件A：增压器总成6的压缩机出口目标压力a大于最小增压压力b；
条件B：发动机转速大于预设值；
条件C：增压器总成6的电子泄压阀未开启；
步骤2：在发动机控制器1中进行增压器总成闭环控制机器学习条件判断；
当如下条件1～7全部满足时，即可进行增压器总成闭环控制机器学习；
条件1：发动机控制器1接收到增压闭环使能信号；
条件2：节气门全开；
条件3：节气门后的气体压力变化率在预设范围(0.3～0.5kpa/ms)内；
条件4：发动机转速稳在预设范围(7～8rpm/ms)内；
条件5：目标增压压力a1在预设范围(超过最小增压压力之差，在2～5kpa之间)内；
条件6：目标增压压力a1与实际增压压力a4差在预设范围(0.3～0.5kpa/ms)内；
条件7：目标增压压力a1与实际增压压力a4差变化率ΔpErr在预设范围(0.1～0.3kpa/ms2)内；
步骤3：所述发动机控制器1在接收到增压闭环请求时，输出增压器总成6的废气旁通阀控制占空比信号，从而控制增压器总成6实际增压压力a4跟随增压器目标增压压力a1，并最终达到增压器目标增压压力，同时在增压器总成6实际增压压力a4跟随增压器目标增压压力a1的过程中进行增压器总成闭环控制机器学习来更新目标增压压比和发动机转速下的PID控制中的积分项；
发动机控制器1在进行增压器总成闭环控制机器学习时，将当前目标增压压比和当前发动机转速下的PID控制中的积分项存储起来；待后续在同样的目标增压压比和同样发动机转速下时，将此时的目标增压压比和此时的发动机转速下的PID控制中的积分项与之前的积分项存储值进行一阶低通滤波，并将一阶低通滤波的结果作为后续同样的目标增压压比和发动机转速下的PID控制中的积分项。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种废气涡轮发动机增压闭环自适应系统，它包括增压器总成(6)，其特征在于：它还包括发动机控制器(1)、空滤后温度传感器(2)、大气压力传感器(3)、增压压力温度传感器(4)和进气压力温度传感器(5)；增压压力温度传感器(4)用于感应节气门前的气体压力和温度，进气压力温度传感器(5)用于感应节气门后的气体压力和温度，大气压力传感器(3)用于感应压缩机进口实际气压，空滤后温度传感器(2)用于感应增压器进气侧压缩机入口处的气体温度；
所述发动机控制器(1)用于在接收到增压闭环请求时，输出增压器总成(6)的废气旁通阀控制占空比信号，从而控制增压器总成(6)实际增压压力a4跟随增压器目标增压压力a1，并最终达到增压器目标增压压力，同时在增压器总成(6)实际增压压力a4跟随增压器目标增压压力a1的过程中进行增压器总成闭环控制机器学习来更新目标增压压比和发动机转速下的PID控制中的积分项；
所述增压闭环请求的使能信号由增压器进气侧压缩机入口处的气体温度、压缩机进口实际气压、节气门前的气体压力和温度，以及节气门后的气体压力和温度进行增压闭环使能条件的判断得到；
所述增压闭环使能条件的判断条件为：
条件A：增压器总成(6)的压缩机出口目标压力a大于最小增压压力b；
条件B：发动机转速大于预设值；
条件C：增压器总成(6)的电子泄压阀未开启；
以上条件A～C同时满足则向发动机控制器(1)发送增压闭环使能信号；
在发动机控制器(1)中，控制增压器总成(6)实际增压压力a4跟随增压器目标增压压力a1时，进行增压器总成闭环控制机器学习：
增压器总成闭环控制机器学习需要满足以下条件才能启动：
条件1：发动机控制器(1)接收到增压闭环使能信号；
条件2：节气门全开；
条件3：节气门后的气体压力变化率在预设范围内；
条件4：发动机转速稳在预设范围内；
条件5：目标增压压力a1在预设范围内；
条件6：目标增压压力a1与实际增压压力a4差在预设范围内；
条件7：目标增压压力a1与实际增压压力a4差变化率ΔpErr在预设范围内；
当上述条件1～7全部满足后，将当前目标增压压比和当前发动机转速下的PID控制中的积分项存储起来；待后续在同样的目标增压压比和同样发动机转速下时，将此时的目标增压压比和此时的发动机转速下的PID控制中的积分项与之前的积分项存储值进行一阶低通滤波，并将一阶低通滤波的结果作为后续同样的目标增压压比和发动机转速下的PID控制中的积分项；
目标增压压比为压缩机出口目标压力a与压缩机进口实际气压之比。
2.根据权利要求1所述的废气涡轮发动机增压闭环自适应系统，其特征在于：增压器总成(6)的废气旁通阀根据发动机控制器(1)输出的增压器总成(6)的废气旁通阀控制占空比信号，调节废气旁通阀的压力室压力，从而使得废气旁通阀推杆的行程发生变化，废气旁通阀推杆行程的变化将导致进入涡轮的废气量变化，从而改变增压压力大小。
3.根据权利要求1所述的废气涡轮发动机增压闭环自适应系统，其特征在于：所述发动机控制器(1)在车辆扭矩降低时，控制增压器总成(6)的电子泄压阀开启。
4.根据权利要求1所述的废气涡轮发动机增压闭环自适应系统，其特征在于：所述增压器总成(6)的压缩机出口目标压力a，根据目标增压压力a1、增压器进气侧压缩机入口处的气体温度、节气门前的气体压力和温度计算得到。
5.根据权利要求4所述的废气涡轮发动机增压闭环自适应系统，其特征在于：所述目标增压压力a1，为计算增压闭环控制的目标压力，目标增压压力a1取目标进气压力a2与增压器喘振线得到的最大目标压力限值a3之间的最小值。
6.根据权利要求1所述的废气涡轮发动机增压闭环自适应系统，其特征在于：所述目标增压压力a1与实际增压压力a4差变化率ΔpErr基于tustin变换计算：
Figure FDA0002554068910000031
式中，
Figure FDA0002554068910000032
为ΔpErr上一采样时刻的值，
Figure FDA0002554068910000033
为上一采样时刻的进气压力实际值，Δt为采样周期，tc为滤波的时间常数，pErr表示目标增压压力a1与实际增压压力a4的差。
7.根据权利要求1所述的废气涡轮发动机增压闭环自适应系统，其特征在于：所述增压压力温度传感器(4)安装在节气门与中冷器之间的管路中，进气压力温度传感器(5)安装在节气门后的进气歧管中，空滤后温度传感器(2)安装在空滤后与增压器进气侧压缩机入口之间的管路中。
8.一种废气涡轮发动机增压闭环自适应控制方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：在发动机控制器(1)中进行增压闭环使能条件的判断；
当如下条件A～C同时满足时，向发动机控制器(1)发送增压闭环使能信号；
条件A：增压器总成(6)的压缩机出口目标压力a大于最小增压压力b；
条件B：发动机转速大于预设值；
条件C：增压器总成(6)的电子泄压阀未开启；
步骤2：在发动机控制器(1)中进行增压器总成闭环控制机器学习条件判断；
当如下条件1～7全部满足时，即可进行增压器总成闭环控制机器学习；
条件1：发动机控制器(1)接收到增压闭环使能信号；
条件2：节气门全开；
条件3：节气门后的气体压力变化率在预设范围内；
条件4：发动机转速稳在预设范围内；
条件5：目标增压压力a1在预设范围内；
条件6：目标增压压力a1与实际增压压力a4差在预设范围内；
条件7：目标增压压力a1与实际增压压力a4差变化率ΔpErr在预设范围内；
步骤3：所述发动机控制器(1)在接收到增压闭环请求时，输出增压器总成(6)的废气旁通阀控制占空比信号，从而控制增压器总成(6)实际增压压力a4跟随增压器目标增压压力a1，并最终达到增压器目标增压压力，同时在增压器总成(6)实际增压压力a4跟随增压器目标增压压力a1的过程中进行增压器总成闭环控制机器学习来更新目标增压压比和发动机转速下的PID控制中的积分项；
发动机控制器(1)在进行增压器总成闭环控制机器学习时，将当前目标增压压比和当前发动机转速下的PID控制中的积分项存储起来；待后续在同样的目标增压压比和同样发动机转速下时，将此时的目标增压压比和此时的发动机转速下的PID控制中的积分项与之前的积分项存储值进行一阶低通滤波，并将一阶低通滤波的结果作为后续同样的目标增压压比和发动机转速下的PID控制中的积分项。
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