CN111911300A - 变海拔柴油机瞬态工况下二级可调增压系统vgt叶片控制路径优化方法 - Google Patents

变海拔柴油机瞬态工况下二级可调增压系统vgt叶片控制路径优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种变海拔柴油机瞬态工况下二级可调增压系统VGT叶片控制路径优化方法，二级可调增压系统包括串联的可变喷嘴截面高压级增压器(HVGT)和低压级增压器(LVGT)、电控单元(ECU)、增压系统控制器(TCU)和电控执行器，柴油机原机依次串联可变喷嘴截面高压级增压器以及低压级增压器，柴油机通过数据线连接电控单元，电控单元通过CAN总线连接增压系统控制器，增压系统控制器连接电控执行器，电控执行器连接高压级增压器。本方法根据二级可调增压系统包括串联的可变喷嘴截面高压级增压器(HVGT)和低压级增压器(LVGT)的特性，根据HVGT叶片开度在柴油机瞬态过程的调节特性，进而实现高压级VGT叶片开度的瞬态过程控制。

Description

变海拔柴油机瞬态工况下二级可调增压系统VGT叶片控制路 径优化方法
技术领域
本发明涉及发动机技术领域，特别是涉及一种变海拔柴油机瞬态工况下二级可调增压系统VGT叶片控制路径优化方法。
背景技术
随着海拔的升高，大气压力随之降低，发动机功率随之下降。为了使发动机在5500m海拔高度恢复功率达到平原功率90％的目标，压气机的压比在最大扭矩点至标定点区间内至少达到4.8以上。若采用单级增压方案，目前世界上没有任何一款压气机能够达到如此高的压比和流量范围要求，因此需要采用二级可调增压。
在高海拔下，柴油机瞬态过程是机械-热量-流动动态过程，喷油量的增加能够即时响应操作者的意图，但缸内新鲜空气增加到最终稳定值却要克服排气能量传递、涡轮增压器转动惯量以及进气管压力建立等多种惯性因素。提高增压器转速主要有两种方式，第一需要提高涡轮转矩，第二需要减小增压器转子的转动惯量。高压级涡轮采用小增压器就是为了提高涡轮转子的转动惯量，采用VGT形式就是为了提高高压级涡轮功。
然而，目前还未开展柴油机瞬态过程中二级增压系统控制参数(VGT叶片和涡轮旁通阀)路径规划方面的研究。本专利为提高变海拔柴油机瞬态工况的增压压力响应性，针对单VGT二级可调增压系统高压级VGT叶片在瞬态工况下的路径进行优化设计。
发明内容
针对现有二级增压系统存在的技术缺陷，本发明提供的一种变海拔柴油机瞬态工况下二级可调增压系统VGT叶片控制路径优化方法能够根据海拔和发动机工况的变化调节HVGT叶片开度，以提高高海拔柴油机增压压力和转矩的瞬态响应性。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种变海拔柴油机二级可调增压系统、喷油系统与冷却系统优化匹配方法，其特征在于：二级可调增压系统包括串联的可变喷嘴截面高压级增压器(HVGT)和低压级增压器(LVGT)、电控单元(ECU)、增压系统控制器(TCU)和电控执行器，柴油机原机依次串联可变喷嘴截面高压级增压器以及低压级增压器，柴油机通过数据线连接电控单元，电控单元通过CAN总线连接增压系统控制器，增压系统控制器连接电控执行器，电控执行器连接高压级增压器。
而且，电控单元(ECU)安装有有大气压力传感器及温度传感器；连接柴油机与高压级增压器之间的进气管安装有中冷器，并且在柴油机与中冷器之间的进气管上安装有增压压力传感器和温度传感器；高压级增压器(HVGT)与低压级增压器(LVGT)之间的进气管安装有中冷器，在该中冷器与高压级增压器之间的进气管上安装有增压压力传感器；在连接柴油机与高压级增压器之间的排气管上安装有涡前温度传感器、涡前压力传感器，在高压级增压器与低压级增压器之间的排气管上安装有涡中压力传感器；上述传感器分别通过数据线连接电控单元。
而且，本方法步骤如下：
(1)进行瞬态工况下二级可调增压系统HVGT叶片开度路径设计，将叶片开度路径设计为上凹型，下凸型和直线型三种；
(2)电控单元(ECU)确定所在海拔、转速和油门开度信号，并由电控单元确定高压级VGT叶片开度和增压压力信号，输出至增压系统控制器(TCU)，系统控制器TCU结合接收的实际增压压力和目标值信号，输出控制信号至电控执行器，实时控制高压级压级VGT叶片开度；实现高压级VGT叶片开度的瞬态过程控制。
而且，平原环境1500r/min等速加载工况下，选择HVGT叶片开度路径为下凸型，具体为加载开始至加载中段保持初期开度不变，加载中段至加载结束将开度增加至最大开度。
而且，海拔5500m恒载加速工况下，选择上凹型调节HVGT叶片开度路径作为柴油机恒载加速过程的调节策略，具体为加速初期开始增大HVGT叶片开度，至加载中段开度增加至最大转速对应开度，之后开度保持不变持续至加速结束。
本发明的优点和积极效果是：
1、本方法根据二级可调增压系统包括串联的可变喷嘴截面高压级增压器(HVGT)和低压级增压器(LVGT)的特性，根据HVGT叶片开度在柴油机瞬态过程的调节特性，进而实现高压级VGT叶片开度的瞬态过程控制。
2、本方法开展了0m，3500m和5500柴油机恒载加速过程HVGT叶片调节规律实验，进一步确定瞬态工况下二级可调增压系统HVGT叶片开度路径设计，路径包括上凹型，下凸型和直线型三种，分别进行不同海拔HVGT三种路径设计对柴油机瞬态工况下增压压力和转矩的影响，从而确定不同海拔柴油机瞬态工况下HVGT叶片开度最优控制路径。
附图说明
图1所示为本发明的变海拔单VGT二级可调增压系统；
图2所示为本发明的0m海拔1000r/min不同HVGT开度下等速加载工况仿真结果；
图3所示为本发明的HVGT叶片三种调节路径示意图；
图4所示为本发明的平原环境1500r/min等速加载工况HVGT控制方案对比；
图5所示为本发明的平原和5500m海拔下1000r/min等速加载工况对比；
图6所示为本发明的海拔5500m恒载加速工况VGT控制方案对比；
图7所示为本发明的0m和5500m海拔恒载加速工况对比。
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例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种变海拔柴油机瞬态工况下二级可调增压系统VGT叶片控制路径优化方法，二级可调增压系统包括串联的可变喷嘴截面高压级增压器(HVGT)和普通废气涡轮增压器(低压级增压器LVGT)、电控单元(ECU)、增压系统控制器(TCU)和电控执行器，柴油机原机依次串联可变喷嘴截面高压级增压器(HVGT)以及普通废气涡轮增压器(低压级增压器LVGT)，柴油机通过数据线连接电控单元(ECU)，电控单元(ECU)通过CAN总线连接增压系统控制器(TCU)，增压系统控制器(TCU)连接电控执行器，电控执行器连接高压级增压器(HVGT)；
电控单元(ECU)安装有有大气压力传感器及温度传感器；
连接柴油机与高压级增压器之间的进气管安装有中冷器，并且在柴油机与中冷器之间的进气管上安装有增压压力传感器和温度传感器；高压级增压器(HVGT)与低压级增压器(LVGT)之间的进气管安装有中冷器，在该中冷器与高压级增压器之间的进气管上安装有增压压力传感器；
在连接柴油机与高压级增压器之间的排气管上安装有涡前温度传感器、涡前压力传感器，在高压级增压器与低压级增压器之间的排气管上安装有涡中压力传感器；
上述传感器分别通过数据线连接电控单元。
本方法步骤如下：
进行瞬态工况下二级可调增压系统HVGT叶片开度路径设计，将叶片开度路径设计为上凹型，下凸型和直线型三种；
电控单元(ECU)确定所在海拔、转速和油门开度信号，并由电控单元确定高压级VGT叶片开度和增压压力信号，输出至增压系统控制器(TCU)，系统控制器TCU结合接收的实际增压压力和目标值信号，输出控制信号至电控执行器，实时控制高压级压级VGT叶片开度；实现高压级VGT叶片开度的瞬态过程控制。
平原环境1500r/min等速加载工况下，最优选择HVGT叶片开度路径为下凸型，具体为加载开始至加载中段保持30％开度不变，加载中段至加载结束将开度增加至60％；
海拔5500m恒载加速工况下，选择上凹型调节HVGT叶片开度路径作为柴油机恒载加速过程的调节策略，具体为加速初期开始增大HVGT叶片开度，至加载中段开度增加至最大转速对应开度，之后开度保持不变持续至加速结束。
如图2所示，本发明的0m海拔1000r/min不同HVGT开度下等速加载工况仿真结果。HVGT叶片开度设置为0.2、0.4、0.6、0.8、1.0五种，研究的优化参数包括转矩响应速度、增压压力响应速度、空燃比响应速度以及燃油消耗率响应速度。
在0m海拔等速加载工况下，HVGT叶片开度调节特性仿真结果如图所示，在图2(a)中，0.3-0.8s时间内，由于喷油量增加，柴油机转矩呈线性升高趋势；0.8s-1s转矩仍呈上升趋势，但速度减缓；1s后转矩呈缓慢增加趋势。这是由于共轨柴油机喷油量电控，能实现快速响应，转矩迅速提高。但增压器与柴油机是气动连接，涡轮转子自身有一定的惯性，瞬态响应不可避免会有延迟，从图2(b)中也可以看出，增压压力的响应曲线更平缓，在0.8s之后喷油量不变情况下仍能保持原增加速度至1.2s左右。0.8s之前转矩的增加是喷油量增加的结果，0.8s之后则是增压压力持续升高使得进气量增加，空燃比上升。因此，在图2(c)中，空燃比先降低后升高，图2(d)中燃油消耗率先升高后降低。其中，HVGT在0.2开度时的燃油消耗率稍大于HVGT为0.4开度时的燃油消耗率，这是因为当HVGT叶片小开度时，虽能提高涡轮膨胀比，增加进气压力，但开度过小将导致泵气损失增加，损失掉一部分燃油经济性。
如图3所示，本发明的HVGT叶片三种调节路径示意图，包括上凹型，下凸型和直线型三种，选择平原环境下1500r/min等速加载工况，制定三种HVGT开度调节策略，考察柴油机加载过程瞬态性能，
先在0-0.3s之内使柴油机运行在1500r/min，50％负荷工况至稳定，试验得出该稳态工况对应HVGT最佳开度为30％，加载结束开度按照加载结束时对应稳态工况最佳开度设置，试验得出的该稳态工况最佳开度为60％。
方案一在加载开始(0.3s)至加载中段(0.55s)保持30％开度不变，0.55s至加载结束(0.8s)将开度增加至60％，调节路径为下凸型；
方案二在开始加载至加载结束HVGT开度从30％线性增加至60％，调节路径为直线型；
方案三在加载开始至加载中段(0.55s)VGT开度线性增加至60％，加载中段至加载结束保持60％开度不变，调节路径为上凹型。
如图4所示，本发明的平原环境1500r/min等速加载工况HVGT控制方案对比。3种方案的仿真结果如图4所示。
从图4(a)中可以看出，0.32s～0.72s加载时间内三种方案转矩升高速度基本一致，方案三对应转矩略大于方案一和方案二，但转矩最大差值不超过10N·m。0.72s之后方案一的优势逐渐显现，0.88s方案一对应转矩达到1433N·m，与方案三相比提高了2.0％。0.8s之前转矩迅速增加是喷油量增加的结果。加载结束后，喷油量恒定，转矩的增加使增压压力继续升高，空燃比增加，燃烧改善的缘故。0.8s之后方案一对应转矩明显高于方案二和方案三，从图4(b)和4(c)中可以看出，整个过程方案一的增压压力和空燃比都高于其他两个方案，保证了柴油机中高负荷有充足的进气量，转矩响应值快速上升。从图4(d)可知，加载初期方案三的泵气损失较小，燃油经济性优于另两个方案，但加载后期由于方案一的增压压力和空燃比的快速升高，经济性优于另两个方案。此外，整个过程方案一的空燃比最高，对加载过程瞬态烟度排放的改善也是可以预期的。
如图5所示，本发明的平原和5500m海拔下1000r/min等速加载工况对比，选择0和5500m，1000r/min进行原机和二级可调增压柴油机等速加载仿真计算。HVGT叶片调节规律按照上节结论设置(见图5方案一)，即从50％负荷稳态工况对应开度保持至加载中段，之后增加至100％负荷稳态开度。平原环境循环喷油量67mg/cycle增加至134mg/cycle。5500m海拔循环喷油量50mg/cycle增加至100mg/cycle计算结果如图5所示。0和5500m二级可调增压柴油机加载性能均优于原机，海拔5500m优势更明显，加载过程转矩平均提高了6.2％。此外，两个海拔下二级可调增压柴油机的增压压力都大幅度高于原机，增压压力的提高会带来进气量的提高，可以预见，二级可调增压柴油机在等速加载瞬态工况下烟度排放要明显优于原机。
如图6所示，本发明的海拔5500m恒载加速工况VGT控制方案对比。加速过程中方案三的转速增加最快。喷油量增加初期三个方案增压压力基本相等，0.5s之后方案一增压压力才高于另两个方案，但0.8s之后出现了压力波动。随着转速的升高，方案一初期较小的HVGT开度导致柴油机泵气损失增加，转速上升速度最慢；而方案三加速过程开度最大，泵气损失最小，转速上升速度最快。此外，加速过程柴油机进排气流量增加幅度很大，较小的HVGT叶片开度容易导致最高燃烧压力超过限值，因此加速工况选择方案三作为柴油机恒载加速过程的调节策略，即：加速初期开始增大HVGT叶片开度，至加载中段开度增加至最大转速对应开度，之后开度保持不变持续至加速结束。
如图7所示，本发明的0m和5500m海拔恒载加速工况对比，两个海拔下二级可调增压柴油机的转速增加速度均优于原机，海拔5500m差距非常明显，加速至最终稳定转速时间从2.03s缩短至1.12s，缩短了44.8％。两个海拔的加速过程增压压力同样是二级可调增压柴油机大幅度高于原机，体现高海拔下二级可调增压系统改善柴油机恒载加速瞬态特性的优越性。
综上所述，本发明创造的实施方式，仅为本发明创造实施方式的一部分，但发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在发明创造揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明创造的保护范围应以所属权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种变海拔柴油机瞬态工况下二级可调增压系统VGT叶片控制路径优化方法，其特征在于：二级可调增压系统包括串联的可变喷嘴截面高压级增压器(HVGT)和低压级增压器(LVGT)、电控单元(ECU)、增压系统控制器(TCU)和电控执行器，柴油机原机依次串联可变喷嘴截面高压级增压器以及低压级增压器，柴油机通过数据线连接电控单元，电控单元通过CAN总线连接增压系统控制器，增压系统控制器连接电控执行器，电控执行器连接高压级增压器。
2.根据权利要求1所述的变海拔柴油机瞬态工况下二级可调增压系统VGT叶片控制路径优化方法，其特征在于：电控单元(ECU)安装有有大气压力传感器及温度传感器；连接柴油机与高压级增压器之间的进气管安装有中冷器，并且在柴油机与中冷器之间的进气管上安装有增压压力传感器和温度传感器；高压级增压器(HVGT)与低压级增压器(LVGT)之间的进气管安装有中冷器，在该中冷器与高压级增压器之间的进气管上安装有增压压力传感器；在连接柴油机与高压级增压器之间的排气管上安装有涡前温度传感器、涡前压力传感器，在高压级增压器与低压级增压器之间的排气管上安装有涡中压力传感器；上述传感器分别通过数据线连接电控单元。
3.根据权利要求1所述的变海拔柴油机瞬态工况下二级可调增压系统VGT叶片控制路径优化方法，其特征在于：本方法步骤如下：
(1)进行瞬态工况下二级可调增压系统HVGT叶片开度路径设计，将叶片开度路径设计为上凹型，下凸型和直线型三种；
(2)电控单元(ECU)确定所在海拔、转速和油门开度信号，并由电控单元确定高压级VGT叶片开度和增压压力信号，输出至增压系统控制器(TCU)，系统控制器TCU结合接收的实际增压压力和目标值信号，输出控制信号至电控执行器，实时控制高压级压级VGT叶片开度；实现高压级VGT叶片开度的瞬态过程控制。
4.根据权利要求3所述的变海拔柴油机瞬态工况下二级可调增压系统VGT叶片控制路径优化方法，其特征在于：平原环境1500r/min等速加载工况下，选择HVGT叶片开度路径为下凸型，具体为加载开始至加载中段保持初期开度不变，加载中段至加载结束将开度增加至最大开度。
5.根据权利要求3所述的变海拔柴油机瞬态工况下二级可调增压系统VGT叶片控制路径优化方法，其特征在于：海拔5500m恒载加速工况下，选择上凹型调节HVGT叶片开度路径作为柴油机恒载加速过程的调节策略，具体为加速初期开始增大HVGT叶片开度，至加载中段开度增加至最大转速对应开度，之后开度保持不变持续至加速结束。
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