CN113738519B - 柴油机变海拔自适应能量调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内燃机技术领域的柴油机变海拔自适应能量调控方法，包括以下步骤：第一，根据柴油机进气量与运行参数，以及与平均有效压力的对应关系，获得平均有效压力与进气压力的对应关系；第二，选取增压器等效涡轮面积作为控制变量，得到涡轮废气流量关系；第三，根据增压器能量平衡方程，得到涡轮膨胀比以及等效涡轮面积与压气机压比、增压器系统效率的对应关系；第四，联立以上计算式得到等效涡轮面积与海拔高度和柴油机工况对应关系；第五，引入当量等效涡轮面积。本发明解决了增压系统变海拔多因素耦合调节需求特性与增压系统海拔调节能力问题，同时可以推广到不同型号的发动机，适用于发动机与增压系统变海拔协同控制方法的优化设计。

Description

柴油机变海拔自适应能量调控方法

技术领域

本发明涉及一种内燃机技术领域的增压调控方法，特别是一种通过调节涡轮等效面积改变涡轮增压器与柴油机的匹配，满足不同海拔下柴油机的进气需求的柴油机变海拔自适应能量调控方法。

背景技术

涡轮增压技术的应用显著提升了柴油机的动力性能，但对于流通特性不同而且没有机械功传递的两个独立热力系统，其配合运行会产生一些矛盾，而且随柴油机增压度的提高更加突出。在传统的增压系统匹配中，选择合适的柴油机工况点作为匹配点，根据匹配点处柴油机的耗气需求进行压气机选型，再选择合适的涡轮来满足在压气机上实现较高效率的耗气运行点所需的排气做功能力，从而实现涡轮增压器与柴油机的匹配。增压系统的匹配过程导致只有在匹配点处压气机耗功与涡轮做功能力达到了最佳的平衡状态。但对于车用柴油机而言，复杂多变的全工况运行范围使得所选配的涡轮增压器并未运行在最佳平衡状态，这就需要增压系统采用调节控制手段来适应柴油机的不同工况需求，实现性能优化。而柴油机的变海拔运行需求，使柴油机的运行范围从二维的全工况升级到不同转速、负荷和海拔高度的三维空间，这给增压系统控制策略的制定增加了很大的难度。由于传统的增压系统匹配很少考虑到海拔高度变化的因素，故在变海拔运行时动力性和经济性下降，排放性能恶化。

发明内容

本发明针对上述技术的不足，提出了一种柴油机变海拔自适应能量调控方法，通过系统等效涡轮面积需求与海拔高度和柴油机工况的关系进行涡轮能量调控，达到不同海拔下涡轮增压器与柴油机较好的匹配效果。

为解决以上技术问题，本发明通过建立增压系统海拔自补偿、主动调节能力与增压系统参数的对应关系，获得增压系统的运行海拔调节能力的控制方法。本发明包括以下步骤：第一，根据柴油机进气量与运行参数的对应计算式，以及柴油机进气量与平均有效压力的对应计算式，获得四冲程柴油机平均有效压力与进气压力需求值的对应计算式；第二，选取增压系统的等效涡轮面积作为控制变量，采用双喷嘴的涡轮通流特性模型，得到流经涡轮的废气流量计算式；第三，根据增压器的能量平衡方程，得到涡轮膨胀比以及等效涡轮面积与压气机压比、增压器系统效率的对应计算式；第四，联立以上计算式得到等效涡轮面积需求与海拔高度和柴油机工况的对应计算式；第五，引入当量等效涡轮面积的概念，将增压系统的等效涡轮面积与柴油机的排量解耦。

进一步地，在本发明中，柴油机进气量与运行参数的对应计算式为：

柴油机进气量与平均有效压力的对应计算式为：

四冲程柴油机平均有效压力与柴油机进气压力需求值的对应计算式为：

式中m_c为柴油机进气量，单位kg/s，p_in为柴油机进气压力需求值，单位Pa，φ_c为柴油机充量系数，表征进气过程的完善程度，V_s为柴油机的排量，单位cm³，n_e为柴油机转速，单位r/min，R为气体常数；T_in为柴油机进气温度，单位K，V_s为柴油机的排量，单位cm³，α为过量空气系数，η_e为柴油机的有效热效率，p_me为平均有效压力，单位Pa，τ为冲程数，H_u为柴油的低位热值，单位KJ/kg，η_i为指示热效率，η_m为机械效率，l₀为冲程，单位cm。

更进一步地，在本发明中，流经涡轮的废气流量计算式为：

式中m_T为流经涡轮的废气流量,单位kg/s，A_T,S为等效涡轮面积，单位cm²，k_T燃气绝热指数，P₀为环境压力，单位Pa，π_T为涡轮膨胀比，T_T为涡轮进口温度，单位K，R为气体常数。

更进一步地，在本发明中，涡轮膨胀比与压气机压比、增压器系统效率的对应计算式为：

等效涡轮面积与压气机压比、增压器系统效率的对应计算式为：

其中，压气机压比的计算公式为

式中A_T,S为等效涡轮面积，单位cm²，π_T为涡轮膨胀比，m_c为柴油机进气量，单位kg/s，m_T为流经涡轮的废气流量，单位kg/s，P₀为环境压力，单位Pa，T₀为环境温度，单位K，T_T为涡轮进口温度，单位K，η_TC为增压器系统效率，π_C为压气机压比，k_C为空气绝热指数，k_T为燃气绝热指数，R为气体常数，l₀为冲程，单位cm，α为过量空气系数，K＝C_pa/C_pe，p_in为柴油机进气压力需求值，单位Pa；K＝C_pa/C_pe，C_pa空气定压比热容，单位J/(kg·K)，C_pe废气定压比热容，单位J/(kg·K)。

更进一步地，在本发明中，等效涡轮面积需求与海拔高度和柴油机工况对应的计算式为：

式中A_T,S为等效涡轮面积，单位cm²，

H_u为柴油的低位热值，单位KJ/kg，l₀为冲程，单位cm，α为过量空气系数，V_s为柴油机的排量，单位cm³，n_e为柴油机转速，单位r/min，p_me为平均有效压力，单位Pa，η_i为指示热效率，η_m为机械效率，η_TC为增压器系统效率，P₀为环境压力，单位Pa，k_C为空气绝热指数，k_T为燃气绝热指数，R为气体常数，T₀为环境温度，单位K，T_in为柴油机进气温度，单位K，T_T为涡轮进口温度，单位K，φ_c为柴油机充量系数；K＝C_pa/C_pe，C_pa空气定压比热容，单位J/(kg·K)，C_pe废气定压比热容，单位J/(kg·K)。

更进一步地，在本发明中，当量等效涡轮面积对应的计算式为：

式中

为当量等效涡轮面积，为无量纲系数，A_T,S为等效涡轮面积，单位cm²，A_Cy为气缸的截面积，单位cm²。

更进一步地，在本发明中，

和A_T,S的调节是通过调整涡轮增压器旁通阀的开度来实现的。

本发明采用以上技术方案后，与现有技术相比，具有以下优点：本发明设计合理，方法简单有效，该方法解决了增压系统变海拔多因素耦合调节需求特性与增压系统海拔调节能力问题，同时可以推广到不同型号的发动机，适用于发动机与增压系统变海拔协同控制方法的优化设计。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明具体实施例理论计算值与实验结果的对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。凡本技术领域技术人员依据本发明的构思，在现有技术基础上通过逻辑分析、推理或有限实验可以得到的流程方案，均在本发明权利要求书所确定的保护范围内。

实施例

具体实施例如图1和图2所示。首先，根据柴油机进气量与运行参数的对应计算式，以及柴油机进气量与平均有效压力的对应计算式，获得四冲程柴油机平均有效压力与进气压力需求值的对应计算式；

其中，柴油机进气量与运行参数的对应计算式为：

柴油机进气量与平均有效压力的对应计算式为：

联立公式(1)、(2)，得到四冲程柴油机平均有效压力与柴油机进气压力需求值的对应计算式：

式中m_c为柴油机进气量，单位kg/s，p_in为柴油机进气压力需求值，单位Pa，φ_c为柴油机充量系数，表征进气过程的完善程度，V_s为柴油机的排量，单位cm³，n_e为柴油机转速，单位r/min，R为气体常数；T_in为柴油机进气温度，单位K，V_s为柴油机的排量，单位cm³，α为过量空气系数，η_e为柴油机的有效热效率，p_me为平均有效压力，单位Pa，τ为冲程数，H_u为柴油的低位热值，单位KJ/kg，η_i为指示热效率，η_m为机械效率，l₀为冲程，单位cm。

其次，选取增压系统的等效涡轮面积作为控制变量，采用双喷嘴的涡轮通流特性模型，得到流经涡轮的废气流量计算式：

式中m_T为流经涡轮的废气流量,单位kg/s，A_T,S为等效涡轮面积，单位cm²，k_T燃气绝热指数，P₀为环境压力，单位Pa，π_T为涡轮膨胀比，T_T为涡轮进口温度，单位K，R为气体常数。

而后，根据增压器的能量平衡方程，得到涡轮膨胀比与压气机压比、增压器系统效率的对应计算式(5)，以及等效涡轮面积与压气机压比、增压器系统效率的对应计算式(6)：

其中，压气机压比的计算公式为

式中A_T,S为等效涡轮面积，单位cm²，π_T为涡轮膨胀比，m_c为柴油机进气量，单位kg/s，m_T为流经涡轮的废气流量，单位kg/s，C_pa空气定压比热容，单位J/(kg·K)，C_pe废气定压比热容，单位J/(kg·K)，P₀为环境压力，单位Pa，T₀为环境温度，单位K，T_T为涡轮进口温度，单位K，η_TC为增压器系统效率，π_C为压气机压比，k_C为空气绝热指数，k_T为燃气绝热指数，R为气体常数，l₀为冲程，单位cm，α为过量空气系数，K＝C_pa/C_pe，C_pa空气定压比热容，单位J/(kg·K)，C_pe废气定压比热容，单位J/(kg·K)，p_in为柴油机进气压力需求值，单位Pa。

而后，联立计算式(3)、(4)、(5)、(6)、(7)得到等效涡轮面积需求与海拔高度和柴油机工况的对应计算式：

式中A_T,S为等效涡轮面积，单位cm²，

H_u为柴油的低位热值，单位KJ/kg，l₀为冲程，单位cm，α为过量空气系数，V_s为柴油机的排量，单位cm³，n_e为柴油机转速，单位r/min，p_me为平均有效压力，单位Pa，η_i为指示热效率，η_m为机械效率，η_TC为增压器系统效率，P₀为环境压力，单位Pa，k_C为空气绝热指数，k_T为燃气绝热指数，R为气体常数，T₀为环境温度，单位K，T_in为柴油机进气温度，单位K，T_T为涡轮进口温度，单位K，φ_c为柴油机充量系数；K＝C_pa/C_pe，C_pa空气定压比热容，单位J/(kg·K)，C_pe废气定压比热容，单位J/(kg·K)。

最后，引入当量等效涡轮面积

的概念，将增压系统的等效面积与柴油机的排量解耦，即：

式中

为当量等效涡轮面积，为无量纲系数，A_T,S为等效涡轮面积，单位cm²，A_Cy为气缸的截面积，单位cm²。

和A_T,S的调节是通过调整涡轮增压器旁通阀的开度来实现的。由于关联了发动机排量，使得无量纲系数

可以用来表示匹配不同型号发动机。

通过控制涡轮等效面积调节涡轮能量，进而调节涡轮增压器与柴油机变海拔下的匹配。在不同海拔下，随着柴油机转速和平均有效压力的升高，增压系统的进气量需求增大，需采用较小的增压系统等效涡轮面积，满足柴油机的进气需求；随着海拔的升高，相同工况的压比需求增大，同样需要采用较小的增压系统等效涡轮面积。增压系统等效面积调节量主要取决于柴油机运行工况以及运行海拔，同时增压系统的匹配和调节过程中，等效面积需求值与柴油机的排量正相关。

图2给出了三种增压柴油机在变海拔运行时，以最大扭矩点工况的当量等效面积需求值试验结果与理论计算值的对比，本发明实验结果与理论计算值差别不大，因此本发明能够准确的反映位移变海拔能量调节需求。

Claims (3)

1.一种柴油机变海拔自适应能量调控方法，其特征在于包括以下步骤：

第一，根据柴油机进气量与运行参数的对应计算式，以及柴油机进气量与平均有效压力的对应计算式，获得四冲程柴油机平均有效压力与进气压力需求值的对应计算式；

第二，选取增压系统的等效涡轮面积作为控制变量，采用双喷嘴的涡轮通流特性模型，得到流经涡轮的废气流量计算式；

第三，根据增压器的能量平衡方程，得到涡轮膨胀比以及等效涡轮面积与压气机压比、增压器系统效率的对应计算式；

第四，联立以上计算式得到等效涡轮面积需求与海拔高度和柴油机工况的对应计算式；

第五，引入当量等效涡轮面积的概念，将增压系统的等效涡轮面积与柴油机的排量解耦；

其中，所述柴油机进气量与运行参数的对应计算式为：

所述柴油机进气量与平均有效压力的对应计算式为：

所述四冲程柴油机平均有效压力与柴油机进气压力需求值的对应计算式为：

，

式中

为柴油机进气量，单位kg/s ，

为柴油机进气压力需求值，单位Pa，

为柴油机充量系数，表征进气过程的完善程度，

为柴油机的排量，单位cm³，

为柴油机转速，单位r/min，R为气体常数；

为柴油机进气温度，单位K，

为柴油机的排量，单位cm³，α为过量空气系数，

为柴油机的有效热效率，

为平均有效压力，单位Pa ，

为冲程数，

为柴油的低位热值，单位KJ/kg，

为指示热效率，

为机械效率，

为冲程，单位cm；

其中，所述流经涡轮的废气流量计算式为：

式中

为流经涡轮的废气流量,单位kg/s，

为等效涡轮面积，单位cm²，

燃气绝热指数，

为环境压力，单位Pa，

为涡轮膨胀比，

为涡轮进口温度，单位K， R为气体常数；

其中，所述涡轮膨胀比与压气机压比、增压器系统效率的对应计算式为：

所述等效涡轮面积与压气机压比、增压器系统效率的对应计算式为：

其中，压气机压比的计算公式为：

式中

为等效涡轮面积，单位cm²，

为涡轮膨胀比，

为柴油机进气量，单位kg/s，

为为流经涡轮的废气流量，单位kg/s，

为环境压力，单位Pa ，

为环境温度，单位K，

为涡轮进口温度，单位K，

为增压器系统效率，

为压气机压比，

为空气绝热指数，

为燃气绝热指数，R为气体常数，

为冲程，单位cm，α为过量空气系数，

，

空气定压比热容，单位J/(kg·K)，

废气定压比热容，单位J/(kg·K)，

为柴油机进气压力需求值，单位Pa；

其中，所述等效涡轮面积需求与海拔高度和柴油机工况对应的计算式为：

式中

为等效涡轮面积，单位cm²，

，

，

为柴油的低位热值，单位KJ/kg，

为冲程，单位cm，α为过量空气系数，

为柴油机的排量，单位cm³，

为柴油机转速，单位r/min，

为平均有效压力，单位Pa ，

为指示热效率，

为机械效率，

为增压器系统效率，

为环境压力，单位Pa ，

为空气绝热指数，

为燃气绝热指数，R为气体常数，

为环境温度，单位K，

为柴油机进气温度，单位K，

为涡轮进口温度，单位K，

为柴油机充量系数，

，

空气定压比热容，单位J/(kg·K)，

废气定压比热容，单位J/(kg·K)。

2.根据权利要求1所述的柴油机变海拔自适应能量调控方法，其特征在于所述当量等效涡轮面积对应的计算式为：

，

式中

为当量等效涡轮面积，为无量纲系数，

为等效涡轮面积，单位cm²，

为气缸的截面积，单位cm²。

3.根据权利要求2所述的柴油机变海拔自适应能量调控方法，其特征在于所述

和

的调节是通过调整涡轮增压器旁通阀的开度来实现的。

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