CN113982745A - 适用于航空活塞增压发动机的复合增压系统及控制方法 - Google Patents
适用于航空活塞增压发动机的复合增压系统及控制方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113982745A CN113982745A CN202110741947.8A CN202110741947A CN113982745A CN 113982745 A CN113982745 A CN 113982745A CN 202110741947 A CN202110741947 A CN 202110741947A CN 113982745 A CN113982745 A CN 113982745A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- engine
- supercharging
- control
- supercharging system
- air
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 51
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 23
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims abstract description 9
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims description 42
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 25
- 238000013528 artificial neural network Methods 0.000 claims description 24
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims description 22
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims description 22
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 19
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims description 16
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims description 15
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 claims description 12
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 claims description 11
- 238000011217 control strategy Methods 0.000 claims description 9
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 9
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 claims description 5
- 239000002356 single layer Substances 0.000 claims description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 26
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 19
- 230000006870 function Effects 0.000 description 15
- 210000002569 neuron Anatomy 0.000 description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 3
- 230000009194 climbing Effects 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000012886 linear function Methods 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- 239000010724 circulating oil Substances 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000004886 process control Methods 0.000 description 2
- 238000007142 ring opening reaction Methods 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 239000002912 waste gas Substances 0.000 description 2
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 230000011218 segmentation Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
- F02B37/12—Control of the pumps
- F02B37/22—Control of the pumps by varying cross-section of exhaust passages or air passages, e.g. by throttling turbine inlets or outlets or by varying effective number of guide conduits
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
- F01D17/10—Final actuators
- F01D17/12—Final actuators arranged in stator parts
- F01D17/14—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
- G06F30/27—Design optimisation, verification or simulation using machine learning, e.g. artificial intelligence, neural networks, support vector machines [SVM] or training a model
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
- Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Software Systems (AREA)
- Artificial Intelligence (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Geometry (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Supercharger (AREA)
Abstract
本发明提供了一种适用于航空活塞增压发动机的复合增压系统及控制方法，包括：机械增压模块，与发动机曲轴通过增速装置、离合装置建立机械联系，接收发动机曲轴输出功率带动机械增压器高速旋转实现进气增压；涡轮增压模块，其压气机进气口通过管路连接机械增压模块的出气口，涡轮与压气机同轴，其作用是接收来自发动机排气的能量，作为压气机实现进气增压的动力来源，可通过可变截面涡轮执行装置与排气放气装置实现涡轮接收发动机排气能量的精确控制；航空活塞发动机与复合增压系统通过进、排气管路建立气路联系；控制模块，实现航空活塞发动机与增压系统的工作状态的实时监测与控制，本发明能提高发动机的经济性，满足长航时需求。
Description
【技术领域】
本发明涉及发动机增压技术领域，尤其涉及一种适用于航空活塞增压发动 机的复合增压系统及控制方法。
【背景技术】
随着无人机对高升限、高海拔短距离起飞、长航时等综合指标要求提升， 对航空活塞发动机的高空动力性、燃油经济性等指标要求与日俱增。
随着海拔升高，大气压力随之降低，导致自然吸气发动机的功率衰减严重， 高空动力性差。故传统自然吸气发动机无法满足飞行器高升限及高海拔地区短 距离起飞的动力需求。废气涡轮增压技术通过提高发动机进气压力，补偿因海 拔升高气造成的发动机进气量衰减，起到高空功率恢复作用。而单级涡轮增压 无法满足发动机高空超高压比(4.5及以上)的需求。本发明提到的机械+涡 轮复合增压技术可以满足发动机在高升限、高海拔短距离起飞工况的动力需 求。
由于航空活塞发动机与废气涡轮增压器的工作特性不同，固定截面涡轮增 压器的涡轮增压器的高效率区无法兼顾发动机全部耗气特性工况点。不同于车 用发动机，航空活塞发动机增压系统匹配设计点为最大功率点的高负荷工况 (起飞、爬升及大空速平飞工况)，若采用固定截面涡轮增压器，当发动机处 于中低负0荷等非设计工况时，增压器压气机效率低，无法满足发动机当前 工况进气需求，导致发动机中低负荷工况经济性差，无法满足飞行器长航时要 求。
因此，有必要研究一种适用于航空活塞增压发动机的复合增压系统及控制 方法来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。
【发明内容】
有鉴于此，本发明提供了一种适用于航空活塞增压发动机的复合增压系统 及控制方法，通过调节涡轮喷嘴环角度改变涡轮入口流通面积拓宽涡轮增压器 高效率区范围，满足发动机中低负荷工况的进气需求，在满足中低负荷工况动 力的同时，能提高发动机的经济性，满足长航时需求,此外，为保证航空活塞 发动机在高负荷工况下发动机、增压器不发生超温及超速运转，本发明中的复 合增压系统中加装涡轮废气放气装置，当发动机及增压器即将发生超温或超速 时，控制器通过执行单元将放气阀开启适当角度限制进气压力，确保发动机及 增压器运转安全。
一方面，本发明提供一种适用于航空活塞增压发动机的复合增压系统，所述 复合增压系统包括：
机械增压模块，所述机械增压模块与发动机曲轴通过增速装置、离合装置建 立机械联系，接收发动机曲轴输出功率带动机械增压器高速旋转实现进气增压；
涡轮增压模块，其压气机进气口通过管路连接机械增压模块的出气口，涡轮 与压气机同轴，其作用是接收来自发动机排气的能量，作为压气机实现进气增压 的动力来源，可通过可变截面涡轮执行装置与排气放气装置实现涡轮接收发动机 排气能量的精确控制；
航空活塞发动机与复合增压系统通过进、排气管路建立气路联系；
控制模块，通过采集各传感器相关信号经由执行器实现航空活塞发动机与增 压系统的工作状态的实时监测与控制。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述控 制模块包括：
数据采集单元，用于采集环境数据、涡轮增压数据、机械增压数据和发动机 数据；
数据处理单元，用于确定当前工况增压系统的工作模式，并计算当前工况的 目标进气量及最优空燃比；
指令单元，用于控制发动机、机械增压模块和涡轮增压模块；
执行单元，用于执行发动机、机械增压模块和涡轮增压模块；
所述数据采集单元通过数据处理单元连接指令单元，所述指令单元与执行单 元连接。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述环 境数据包括环境压力和环境温度，机械增压数据包括进气压力、进气温度和排气 温度，发动机数据包括节气门位置、发动机转速和发动机气缸温度，涡轮增压数 据包括涡轮增压器转速。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述指 令单元包括发动机控制器和增压系统控制器。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述执 行单元包括发动机节气门开度执行器、可变截面涡轮增压器喷嘴环执行机构、涡 轮增压器放气阀执行机构、机械增压器离合执行机构和增压模式切换机构，所述 发动机控制器连接发动机节气门开度执行器，所述增压系统控制器连接可变截面 涡轮增压器喷嘴环执行机构、涡轮增压器放气阀执行机构、机械增压器离合执行 机构和增压模式切换机构。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述数 据处理单元包括：
基于局部线性预测模型的径向基函数神经网络的控制模型，用于协调控制 发动机节气门开度、可变截面涡轮增压器喷嘴环开度及涡轮放气阀开度实现发 动机进气压力闭环控制，同时为保证发动机在整个工作过程中混合气空燃比满 足当前工况，在预测模型中加入实时循环喷油量闭环自学习策略；
单层神经网络预控模型，用于将不同海拔高度的气路、油路的修正量记录并 存储，作为预控的修正，当发动机再次工作相应海拔工况时，会进行气路及油路 参数的修正，使发动机性能参数满足当前工况需求。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种适用于航空活塞增 压发动机的复合增压系统的控制方法，所述复合增压方法包括以下步骤。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，S1：控
制模块通过接收来自飞行器控制计算机的目标转速和扭矩；
S2：确定当前工况增压系统的工作模式；
S3：计算当前工况的目标进气量及最优空燃比；
S4：切换控制增压系统模式。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述 S2中当发动机处于中低负荷工况时，发动机控制器将指令传给增压系统控制器， 通过执行器将增压系统中涡轮放气阀关闭，并将机械增压器离合装置断开连接， 仅可变截面涡轮增压器投入工作，通过基于局部线性预测模型的径向基函数神经 网络的控制策略使发动机控制器和增压系统控制器协调工作。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述 S2中当发动机处于高负荷工况时，发动机控制器将指令传给增压系统控制器， 通过执行器连接机械增压器离合装置与可变截面涡轮增压器同时工作，通过基于 局部线性预测模型的径向函数神经网络的控制策略使发动机控制器和增压系统 控制器协调工作。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述 S4具体为：
当发动机由高负荷工况切换至中低负荷工况时，增压系统控制器接收发动机 控制器控制指令，断开机械增压离合装置并开启增压模式切换阀，该瞬态过程发 动机与增压器的匹配运行点向小流量方向运动，通过实时监测增压器的流量、压 比参数调节放气阀开度使运行点远离喘振线，判定原则为：喘振裕度小于5％， 即当前发动机进气流量不高于压气机喘振流量的5％；
当发动机由中低负荷工况切换至高负荷工况时，增压系统控制器接收发动机 控制器控制指令，连接机械增压离合装置并关闭增压模式切换阀，该瞬态过程发 动机与增压器的匹配运行点向大流量方向运动，通过实时监测增压器的流量、压 比参数，并调节涡轮放气阀开度使运行点远离阻塞线，判定原则为：裕度小于8％， 即当前发动机进气流量不低于压气机阻塞流量的8％。
与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：
1)：本发明基于LOLIMOT预测模型的RBF神经网络来实现可调VGT 复合增压发动机进气压力与循环喷油量双闭环控制，实现发动机进气量、缸内 混合气空燃比的精确控制，保证发动机不同海拔不同工况下增压器均能高效率 工作，实现缸内工作过程的最优化控制，可兼顾发动机高空高负荷工况动力性、 中低负荷工况经济性及极限工况下的安全性；
2)：本发明中发动机及增压系统控制器基于LOLIMOT预测模型的RBF 神经网络，减轻了控制器的运算负荷，提高控制过程的运算效率；
3)：本发明中可调VGT复合增压系统控制方法可以在发动机高负荷运转 时通过调节涡轮放气阀限制进气压力，防止发动机与涡轮增压器发生超温超速 运转，提高了系统工作安全性；
4)：本发明中可调VGT复合增压系统具备复合增压(机械增压+涡轮增 压)、涡轮增压两种工作模式切换可控，可满足发动机不同飞行工况需求；
5)：本发明中增压模式切换阀可以在机械增压器退出工作后，将进气引 入旁通管路不经机械增压器压气机直接进入发动机，有效避免进气流动损失。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术 效果。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使 用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些 实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可 以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明一个实施例提供的适用于航空活塞发动机的复合增压系统 原理图；
图2是本发明一个实施例提供的基于LOLIMOT预测模型的RBF神经网 络系统控制框架；
图3是本发明一个实施例提供的基于LOLIMOT预测模型的RBF神经网 络流程图；
图4是本发明一个实施例提供的进气压力与循环喷油量双闭环控制方法 流程图；
图5是本发明一个实施例提供的高负荷工况发动机与增压器运行安全控 制流程图；
图6本发明一个实施例提供的瞬态工作模式切换过程控制流程图。
【具体实施方式】
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详 细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实 施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前 提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨 在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一 种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含 义。
本发明提供一种适用于航空活塞增压发动机的复合增压系统及控制方法， 通过调节涡轮喷嘴环角度改变涡轮入口流通面积拓宽涡轮增压器高效率区范 围，满足发动机中低负荷工况的进气需求，在满足中低负荷工况动力的同时， 能提高发动机的经济性，满足长航时需求,此外，为保证航空活塞发动机在高 负荷工况下发动机、增压器不发生超温及超速运转，本发明中的VGT复合增 压系统中加装涡轮废气放气装置，当发动机及增压器即将发生超温或超速时， 控制器通过执行单元将放气阀开启适当角度限制进气压力，确保发动机及增压 器运转安全。
所述复合增压系统包括：
机械增压模块，所述机械增压模块与发动机曲轴通过增速装置、离合装置建 立机械联系，接收发动机曲轴输出功率带动机械增压器高速旋转实现进气增压；
涡轮增压模块，其压气机进气口通过管路连接机械增压模块的出气口，涡轮 与压气机同轴，其作用是接收来自发动机排气的能量，作为压气机实现进气增压 的动力来源，可通过可变截面涡轮执行装置与排气放气装置实现涡轮接收发动机 排气能量的精确控制；
航空活塞发动机与复合增压系统通过进、排气管路建立气路联系；
控制模块，通过采集各传感器相关信号经由执行器实现航空活塞发动机与增 压系统的工作状态的实时监测与控制。
所述控制模块包括：
数据采集单元，用于采集环境数据，涡轮增压数据、机械增压数据和发动机 数据；所述环境数据信号包括环境压力和环境温度，增压系统数据信号包括进气 压力、进气温度、排气温度、涡轮增压器转速、涡轮增压器VGT喷嘴环开度、 涡轮放气阀开度等；发动机数据包括节气门位置、发动机转速和发动机气缸温度 等。
数据处理单元，用于确定当前工况增压系统的工作模式，并计算当前工况的 目标进气量及最优空燃比；
指令单元，用于控制发动机、机械增压模块和涡轮增压模块；所述指令单元 包括发动机控制器和增压系统控制器。
执行单元，用于执行发动机、机械增压模块和涡轮增压模块；所述执行单元 包括发动机节气门开度执行器、可变截面涡轮增压器喷嘴环执行机构、涡轮增压 器放气阀执行机构、机械增压器离合执行机构和增压模式切换机构，所述发动机 控制器连接发动机节气门开度执行器，所述增压系统控制器连接可变截面涡轮增 压器喷嘴环执行机构、涡轮增压器放气阀执行机构、机械增压器离合执行机构和 增压模式切换机构
所述指令单元与执行单元连接。
所述数据处理单元包括：
基于LOLIMOT预测模型的RBF神经网络的控制模型，用于协调控制发 动机节气门开度、可变截面涡轮增压器喷嘴环开度及涡轮放气阀开度实现发动 机进气压力闭环控制，同时为保证发动机在整个工作过程中混合气空燃比满足 当前工况，在预测模型中加入实时循环喷油量闭环自学习策略；
单层神经网络预控模型，用于将不同海拔高度的气路、油路的修正量记录并 存储，作为预控的修正，当发动机再次工作相应海拔工况时，会进行气路及油路 参数的修正，使发动机性能参数满足当前工况需求。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种适用于航空活塞增 压发动机的复合增压系统的控制方法，所述复合增压方法包括以下步骤。
S1：控制模块通过接收来自飞行器控制计算机的目标转速和扭矩；
S2：确定当前工况增压系统的工作模式；
S3：计算当前工况的目标进气量及最优空燃比；
S4：切换控制增压系统模式。
所述S2中当发动机处于中低负荷工况时，ECU将指令传给TCU，通过执 行器将增压系统中涡轮放气阀关闭，并将机械增压器离合装置断开连接，仅VGT 涡轮增压器投入工作，通过基于LOLIMOT预测模型的RBF神经网络的控制策 略使ECU和TCU协调工作。
所述S2中当发动机处于高负荷工况时，ECU将指令传给TCU，通过执行 器连接机械增压器离合装置与VGT涡轮增压器同时工作，通过基于LOLIMOT 预测模型的RBF神经网络的控制策略使ECU和TCU协调工作。
所述S4具体为：
当发动机由高负荷工况切换至中低负荷工况时，TCU接收ECU控制指令， 断开机械增压离合装置并开启增压模式切换阀，该瞬态过程发动机与增压器的匹 配运行点向小流量方向运动，通过实时监测增压器的流量、压比参数调节放气阀 开度使运行点远离喘振线，判定原则为：喘振裕度小于5％，即当前发动机进气 流量不高于压气机喘振流量的5％；
当发动机由中低负荷工况切换至高负荷工况时，TCU接收ECU控制指令， 连接机械增压离合装置并关闭增压模式切换阀，该瞬态过程发动机与增压器的匹 配运行点向大流量方向运动，通过实时监测增压器的流量、压比参数，并调节涡 轮放气阀开度使运行点远离阻塞线，判定原则为：裕度小于8％，即当前发动机 进气流量不低于压气机阻塞流量的8％。
本发明一种适用于航空活塞发动机的复合增压系统及其控制方法的原理图 如图1所示，复合增压系统包括：航空活塞发动机、可变截面涡轮增压器(以下 简称“VGT”)、机械增压器、机械增压离合装置、控制系统。其中，控制系统 主要由三部分组成，包括：数据采集单元、控制单元、执行单元。其中，数据采 集单元包括环境压力、环境温度、进气压力、进气温度、排气温度、节气门位置、 发动机转速、发动机气缸温度、涡轮增压器转速等相关传感器；控制单元包括发 动机控制器(以下简称“ECU”)、增压系统控制器(以下简称“TCU”)；执行 单元包括发动机节气门开度执行器、可变截面涡轮增压器喷嘴环执行机构、涡轮 增压器放气阀执行机构、机械增压器离合执行机构与增压模式切换机构等。
本发明基于LOLIMOT预测模型的RBF神经网络来实现可调VGT复合增压发动 机进气压力与循环喷油量双闭环控制，实现发动机进气量、缸内混合气空燃比的 精确控制，实现缸内工作过程最优化控制，保证不同海拔不同工况下发动机与增 压器均高效率工作，可兼顾发动机高空高负荷工况动力性、中低负荷工况经济性 及极限工况下的安全性；本发明中发动机及增压系统控制器基于LOLIMOT预测模 型的RBF神经网络，减轻了控制器的运算负荷，提高控制过程的运算效率；本发 明中可调VGT复合增压系统的自学习VGT控制策略提高了涡轮增压器的瞬态响应 性；可调VGT复合增压系统具备复合增压(机械增压+涡轮增压)、涡轮增压两 种工作模式切换可控，可满足发动机不同飞行工况需求；增压模式切换阀可以在 机械增压器退出工作后，将进气引入旁通管路不经机械增压器压气机直接进入发动机，有效避免进气流动损失。
本发明中数据处理单元的计算内容如下：
1.发动机进气压力与循环喷油量双闭环控制
本发明基于LOLIMOT(Local Linear Model Tree)预测模型的径向基函数(Radial Basis Function)神经网络(以下简称“RBF神经网络”)协调控制发 动机节气门开度、可变截面涡轮增压器喷嘴环开度及涡轮放气阀开度实现发动机 进气压力闭环控制，同时为保证发动机在整个工作过程中混合气空燃比满足当前 工况，在预测模型中加入实时循环喷油量闭环自学习策略。选取发动机转速、节 气门开度、进气温度、进气压力、涡轮前压力、涡轮前排温、环境温度、环境压 力等作为神经元输入参数，自学习采用LOLIMOT方法，框架如图2和图3所示。 LOLIMOT模型含有多个神经元，不同于其他神经网络结构，LOLIMOT模型每一个 神经元代表一个局部子模块，每个局部子模块包含一个高维高斯函数λi和一个线性函数LLMm，局部子模型的输出是高斯函数输出φi和线性函数 输出
的乘积，LOLIMOT模型总输出
为各局部模型归一化输出之和。 设为模型维输入向量，设LOLOMOT网络中局部子模型总个数为M，则第m个(1 ≤m≤M)个局部子模型的高斯有效函数输出为：
其中，cm，i为第m个局部子模型第i(1≤i≤p)维数据的高斯函数中心，σm，i为 第m个子模型第i维数据的高斯函数方差.第m个局部子模型的线性函数LLMm输出 为：
其中，ωm，i为第m个局部子模型第i维数据的线性方程系数，μm，i为第m个局部子 模高斯函数输出的权重系数，LOLIMOT模型的输出为：
以上公式中，LOLIMOT子模型中高斯函数中心的更新以一种数据轴向分割的 方式进行，局部模型线性参数采取加权最小二乘法进行估计。
搭建单层神经网络预控模型。该模型首先基于离线测量数据(通过不同海拔 不同工况的大量标定试验获得)，训练模型中的参数、高斯函数以及各神经元之 间的权重系数；并通过在线反馈的方法，学习模型中的权重系数，并评价模型的 计算精度。从而实现发动机在不同海拔高度不同工况工作过程中，可以自动将气 路(发动机节气门开度、增压器VGT喷嘴环开度及涡轮放气阀开度)、油路(喷 油器喷油脉宽)的修正量记录并存储，作为预控的修正。当发动机再次工作到该 海拔工况时，会快速进行气路及油路参数的修正，快速且精准地使发动机性能参 数满足当前工况需求。
ECU根据发动机当前工况的功率及扭矩需求，调用ECU软件程序中的MAP查 取当前工况的进气流量(通过气体状态方程及发动机进气管路结构参数可算得当 前工况下实际进气流量，进气流量与发动机功率的对应关系可通过试验标定并写 入程序作为控制目标)与空燃比(衡量当前发动机气缸内工作过程的指标，通过 试验标定)作为目标值，同时接收传感器采集到的环境压力、环境温度、进气压 力、进气温度、发动机转速、喷油量、节气门开度、空燃比信号，并反馈至ECU， 根据实际进气流量、空燃比与目标值的差异，修正循环喷油量及节气门开度，同 时TCU控制放气阀开度和喷嘴环开度来协同节气门调节进气压力。
2.增压系统模式及切换控制
(1)稳态工况
当发动机工作处在高海拔地区起飞、爬升及大空速飞行工况下时，仅机械增 压器投入使用不足以满足功率需求。为保证输出足够的动力输出，增压系统处于 机械增压器与涡轮增压器同时运行(以下简称“复合增压”)工作模式。此时， 即机械增压离合器处于接合状态。该过程控制控制系统基于最大功率输出原则， 即在发动机、涡轮增压器不发生超温、超速的前提下，VGT喷嘴环开度、涡轮废 气放气阀开度的控制均以发动机最大功率输出状态为目标。
当发动机处在在飞行器指定高度的巡航(中、低负荷)工况时。为保证飞行 器长航时要求，此时发动机在满足飞行功率输出的前提下保证最低油耗。因机械 增压器为发动机曲轴驱动，工作时需消耗一部分发动机功率，导致油耗升高，故 增压系统需切换到涡轮增压工作模式。同时，基于油耗最低原则，即在发动机输 出功率不变的前提下耗油率最低。
(2)瞬态工况
当增压发动机处于中、低负荷工况时，由于增压系统处于单独涡轮增压模式， 而机械增压器退出工作，若发动机进气继续通过机械增压器压气机，其叶轮会对 进气产生流动阻力，影响发动机进气。故在结构中增加增压模式切换阀，其作用 是机械增压器退出工作后，将进气引入旁通管路不经机械增压器压气机直接进入 发动机，避免了进气流动损失。
(3)运行安全控制
当发动机处于高负荷工况(起飞、爬升)运转过程中，发动机及涡轮增压器 可能出现超温超速运行，部件存在失效风险。控制系统可通过对发动机缸温、发 动机转速、增压器涡轮前温度、增压器转速等信号的监测，通过适当开启涡轮放 气阀将限制进气压力，使发动机与增压器的工作温度、转速在允许范围内，保证 运行安全。
本发明一种适用于航空活塞发动机的复合增压系统及控制方法，涉及到的发 动机进气压力与循环喷油量双闭环控制流程图如图4所示。
具体控制方法为：ECU通过接收来自飞行器控制计算机的目标转速、扭矩， 确定当前工况增压系统的工作模式，并查取当前工况的目标进气量及空燃比。
1.中低负荷工况工作过程
当发动机处于中低负荷工况(巡航模式)时，ECU将指令传给TCU，通过执 行器将增压系统中涡轮放气阀关闭，并将机械增压器离合装置断开连接，仅VGT 涡轮增压器投入工作。ECU通过接收传感器采集到的环境压力、环境温度、进气 压力、进气温度、发动机转速、喷油量、节气门开度、空燃比信号判断当前工况 下发动机进气流量及空燃比是否满足控制程序MAP中的目标值(当前模式下空燃 比目标基于最小油耗原则给定，即在保证发动机输出功率满足需求的同时实现最 低油耗)，经ECU程序中的实时修正函数函数模块计算并确定发动机节气门开度、 循环喷油量的目标修正量，并通过执行单元节气门开度及喷油执行器修正发动机 进气量与喷油量以满足当前工况需求，同时ECU将当前进气压力与涡轮前压力信 号传输至TCU，TCU查取增压器特性MAP计算出VGT喷嘴环目标开度并通过执行 器将喷嘴环开度目标修正至目标值。最后将修正后的进气压力、进气温度、涡轮 前压力、空燃比等信号反馈至ECU，判断是否满足当前工况下要求。通过基于 LOLIMOT预测模型的RBF神经网络的控制策略使ECU、TCU协调工作，实现了发动 机进气量、混合气空燃比关于节气门开度、循环喷油量、VGT喷嘴环开度的精确 闭环控制过程。
2.高负荷工况工作过程
如图5所示，当发动机处于高负荷工况(起飞、爬升模式)时，ECU将指令 传给TCU，通过执行器连接机械增压器离合装置与VGT涡轮增压器同时工作。ECU 通过接收传感器采集到的环境压力、环境温度、进气压力、进气温度、发动机转 速、喷油量、节气门开度、空燃比信号判断当前工况下发动机进气流量及空燃比 是否满足控制程序MAP中的目标值(当前模式下空燃比目标基于最大功率原则给 定，即在保证发动机稳定工作的前提下实现最大功率输出)，经ECU程序中的实 时修正函数模块计算并确定发动机节气门开度、循环喷油量的目标值，并通过执 行单元节气门开度及喷油执行器修正发动机进气量与喷油量以满足当前工况需 求，同时ECU将当前进气压力与涡轮前压力信号传输至TCU，TCU查取增压器特性MAP计算出VGT喷嘴环目标开度并通过执行器将喷嘴环开度目标修正至目标 值，与此同时ECU通过对发动机缸温、发动机转速、增压器涡轮前温度、增压器 转速等信号的监测，判断当前工况发动机及增压器是否发生超速运行，并计算出 目标放气阀开度传输至TCU，通过执行器开启放气阀。最后将修正后的进气压力、 进气温度、涡轮前压力、空燃比等信号反馈至ECU，判断是否满足当前工况下要 求。
通过基于LOLIMOT预测模型的RBF神经网络的控制策略使ECU、TCU协调工 作，实现了发动机进气量、混合气空燃比关于节气门开度、循环喷油量、VGT喷 嘴环开度及涡轮废气放气阀的精确闭环控制过程。
3.增压模式切换过程
如图6所示，当发动机由高负荷工况切换至中低负荷工况时，即由复合增压 模式向涡轮增压模式切换，TCU接收ECU控制指令，断开机械增压离合装置并开 启增压模式切换阀，该瞬态过程发动机与增压器的匹配运行点向小流量方向(喘 振线方向)运动，控制系统通过实时监测增压器的流量、压比参数(通过程序间 接计算得到)，并调节放气阀开度使运行点远离喘振线(降压比)，以避免瞬态 过程压气机发生喘振，判定原则为：喘振裕度小于5％(即当前发动机进气流量不 高于压气机喘振流量的5％)。
当发动机由中低负荷工况切换至高负荷工况时，即由涡轮增压模式向复合增 压模式切换，TCU接收ECU控制指令，连接机械增压离合装置并关闭增压模式切 换阀，该瞬态过程发动机与增压器的匹配运行点向大流量方向(阻塞线方向)运 动，控制系统通过实时监测增压器的流量、压比参数，并调节涡轮放气阀开度使 运行点远离阻塞线(减流量)，以避免瞬态过程压气机发生阻塞，判定原则为： 裕度小于8％(即当前发动机进气流量不低于压气机阻塞流量的8％)。
以上对本申请实施例所提供的一种适用于航空活塞增压发动机的复合增 压系统及控制方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本 申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的 思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内 容不应理解为对本申请的限制。
如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技 术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书 及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上 的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包 含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大 致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决 所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳 实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申 请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖 非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要 素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统 所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要 素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联 关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同 时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示 前后关联对象是一种“或”的关系。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解 本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可 用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上 述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化 不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。
Claims (10)
1.一种适用于航空活塞增压发动机的复合增压系统，其特征在于，所述复合增压系统包括：
机械增压模块，所述机械增压模块与发动机曲轴通过增速装置、离合装置建立机械联系，接收发动机曲轴输出功率带动机械增压器高速旋转实现进气增压；
涡轮增压模块，其压气机进气口通过管路连接机械增压模块的出气口，涡轮与压气机同轴，其作用是接收来自发动机排气的能量，作为压气机实现进气增压的动力来源，可通过可变截面涡轮执行装置与排气放气装置实现涡轮接收发动机排气能量的精确控制；
航空活塞发动机与复合增压系统通过进、排气管路建立气路联系；
控制模块，通过采集各传感器相关信号经由执行器实现航空活塞发动机与增压系统的工作状态的实时监测与控制。
2.根据权利要求1所述的复合增压系统，其特征在于，所述控制模块包括：
数据采集单元，用于采集环境数据、涡轮增压数据、机械增压数据和发动机数据；
数据处理单元，用于确定当前工况增压系统的工作模式，并计算当前工况的目标进气量及最优空燃比；
指令单元，用于控制发动机、机械增压模块和涡轮增压模块；
执行单元，用于执行发动机、机械增压模块和涡轮增压模块；
所述数据采集单元通过数据处理单元连接指令单元，所述指令单元与执行单元连接。
3.根据权利要求2所述的复合增压系统，其特征在于，所述环境数据包括环境压力和环境温度，机械增压数据包括进气压力、进气温度和排气温度，发动机数据包括节气门位置、发动机转速和发动机气缸温度，涡轮增压数据包括涡轮增压器转速。
4.根据权利要求2所述的复合增压系统，其特征在于，所述指令单元包括发动机控制器和增压系统控制器。
5.根据权利要求4所述的复合增压系统，其特征在于，所述执行单元包括发动机节气门开度执行器、可变截面涡轮增压器喷嘴环执行机构、涡轮增压器放气阀执行机构、机械增压器离合执行机构和增压模式切换机构，所述发动机控制器连接发动机节气门开度执行器，所述增压系统控制器连接可变截面涡轮增压器喷嘴环执行机构、涡轮增压器放气阀执行机构、机械增压器离合执行机构和增压模式切换机构。
6.根据权利要求5所述的复合增压系统，其特征在于，所述数据处理单元包括：
基于局部线性预测模型的径向基函数神经网络的控制模型，用于协调控制发动机节气门开度、可变截面涡轮增压器喷嘴环开度及涡轮放气阀开度实现发动机进气压力闭环控制，同时为保证发动机在整个工作过程中混合气空燃比满足当前工况，在预测模型中加入实时循环喷油量闭环自学习策略；
单层神经网络预控模型，用于将不同海拔高度的气路、油路的修正量记录并存储，作为预控的修正，当发动机再次工作相应海拔工况时，会进行气路及油路参数的修正，使发动机性能参数满足当前工况需求。
7.一种适用于航空活塞增压发动机的复合增压系统的控制方法，基于上述权利要求1-6之一所述的复合增压系统，其特征在于，所述复合增压方法包括以下步骤：
S1：控制模块通过接收来自飞行器控制计算机的目标转速和扭矩；
S2：确定当前工况增压系统的工作模式；
S3：计算当前工况的目标进气量及最优空燃比；
S4：切换控制增压系统模式。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述S2中当发动机处于中低负荷工况时，发动机控制器将指令传给增压系统控制器，通过执行器将增压系统中涡轮放气阀关闭，并将机械增压器离合装置断开连接，仅可变截面涡轮增压器投入工作，通过基于局部线性预测模型的径向基函数神经网络的控制策略使发动机控制器和增压系统控制器协调工作。
9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述S2中当发动机处于高负荷工况时，发动机控制器将指令传给增压系统控制器，通过执行器连接机械增压器离合装置与可变截面涡轮增压器同时工作，通过基于局部线性预测模型的径向函数神经网络的控制策略使发动机控制器和增压系统控制器协调工作。
10.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述S4具体为：
当发动机由高负荷工况切换至中低负荷工况时，增压系统控制器接收发动机控制器控制指令，断开机械增压离合装置并开启增压模式切换阀，该瞬态过程发动机与增压器的匹配运行点向小流量方向运动，通过实时监测增压器的流量、压比参数调节放气阀开度使运行点远离喘振线，判定原则为：喘振裕度小于5％，即当前发动机进气流量不高于压气机喘振流量的5％；
当发动机由中低负荷工况切换至高负荷工况时，增压系统控制器接收发动机控制器控制指令，连接机械增压离合装置并关闭增压模式切换阀，该瞬态过程发动机与增压器的匹配运行点向大流量方向运动，通过实时监测增压器的流量、压比参数，并调节涡轮放气阀开度使运行点远离阻塞线，判定原则为：裕度小于8％，即当前发动机进气流量不低于压气机阻塞流量的8％。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110741947.8A CN113982745B (zh) | 2021-06-30 | 2021-06-30 | 适用于航空活塞增压发动机的复合增压系统及控制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110741947.8A CN113982745B (zh) | 2021-06-30 | 2021-06-30 | 适用于航空活塞增压发动机的复合增压系统及控制方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113982745A true CN113982745A (zh) | 2022-01-28 |
| CN113982745B CN113982745B (zh) | 2022-11-15 |
Family
ID=79735004
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110741947.8A Active CN113982745B (zh) | 2021-06-30 | 2021-06-30 | 适用于航空活塞增压发动机的复合增压系统及控制方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113982745B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114576017A (zh) * | 2022-03-11 | 2022-06-03 | 浙江吉利控股集团有限公司 | 无进气泄压阀的增压发动机控制方法、设备和车辆 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08284668A (ja) * | 1995-04-19 | 1996-10-29 | Mazda Motor Corp | 機械式過給機付きエンジン |
| DE29708696U1 (de) * | 1997-05-16 | 1997-07-10 | DEUTZ Aktiengesellschaft, 51063 Köln | Aufgeladene Hubkolbenbrennkraftmaschine |
| CN101592090A (zh) * | 2009-07-14 | 2009-12-02 | 天津大学 | 一种降低轻型车柴油机排放的方法及其装置 |
| CN102444466A (zh) * | 2010-09-30 | 2012-05-09 | 现代自动车株式会社 | 排除增压滞后的系统 |
| US20140331656A1 (en) * | 2013-05-10 | 2014-11-13 | Achates Power, Inc. | Air Handling Constructions With Turbo-Compounding For Opposed-Piston Engines |
-
2021
- 2021-06-30 CN CN202110741947.8A patent/CN113982745B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08284668A (ja) * | 1995-04-19 | 1996-10-29 | Mazda Motor Corp | 機械式過給機付きエンジン |
| DE29708696U1 (de) * | 1997-05-16 | 1997-07-10 | DEUTZ Aktiengesellschaft, 51063 Köln | Aufgeladene Hubkolbenbrennkraftmaschine |
| CN101592090A (zh) * | 2009-07-14 | 2009-12-02 | 天津大学 | 一种降低轻型车柴油机排放的方法及其装置 |
| CN102444466A (zh) * | 2010-09-30 | 2012-05-09 | 现代自动车株式会社 | 排除增压滞后的系统 |
| US20140331656A1 (en) * | 2013-05-10 | 2014-11-13 | Achates Power, Inc. | Air Handling Constructions With Turbo-Compounding For Opposed-Piston Engines |
| CN105189970A (zh) * | 2013-05-10 | 2015-12-23 | 阿凯提兹动力公司 | 用于对置活塞发动机的涡轮复合式空气处理结构 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114576017A (zh) * | 2022-03-11 | 2022-06-03 | 浙江吉利控股集团有限公司 | 无进气泄压阀的增压发动机控制方法、设备和车辆 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113982745B (zh) | 2022-11-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105673191B (zh) | 柴油机变海拔增压压力控制方法 | |
| WO2015083611A1 (ja) | 過給システムの制御装置 | |
| US10428748B2 (en) | Control device for supercharging system | |
| US7047740B2 (en) | Boost pressure estimation apparatus for internal combustion engine with supercharger | |
| CN103233825B (zh) | 二级可调增压控制系统的控制方法 | |
| JP4306703B2 (ja) | 過給機付き内燃機関の制御装置 | |
| US8919120B2 (en) | Wastegate control system and method | |
| US20040118117A1 (en) | Control system and method for turbocharged throttled engine | |
| JPH09195782A (ja) | 過給機の過給圧制御装置 | |
| US8769949B2 (en) | Superturbocharger control systems | |
| US9528432B2 (en) | System for controlling an air handling system including an electric motor assisted variable geometry turbocharger | |
| JPH11255199A (ja) | 航空機の推力制御装置 | |
| JPH0450433A (ja) | 直列２段過給内燃機関の排気ガス再循環装置 | |
| US10526957B2 (en) | Control device for internal combustion engine including turbocharger | |
| CN102758687A (zh) | 内燃机控制装置 | |
| CN110529275B (zh) | 柴油机双vgt二级可调增压系统与燃油共轨系统变海拔协同控制方法 | |
| CN103883388A (zh) | 双级涡轮增压器废气门控制 | |
| CN110748409B (zh) | 废气涡轮发动机增压闭环自适应系统及控制方法 | |
| CN110529234A (zh) | 涡轮旁通阀可调的两级电控气动增压系统及其变海拔控制方法 | |
| CN113027596B (zh) | 一种涡轮增压系统、控制方法、存储介质及汽车 | |
| CN111042910A (zh) | 一种发动机用增压系统及控制方法 | |
| CN109611193A (zh) | 一种小型航空活塞二冲程涡轮增压发动机控制方法 | |
| CN113982745B (zh) | 适用于航空活塞增压发动机的复合增压系统及控制方法 | |
| US20210102545A1 (en) | Method for controlling an electrically supported exhaust gas turbocharger | |
| CN113530666B (zh) | 涡轮增压器转速调控方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20240626 Address after: No. 58 Xindong Road, Huaqiao Town, Kunshan City, Suzhou City, Jiangsu Province, 215332 Patentee after: Feihong (Kunshan) Energy Power Technology Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: Room 149, building 2, East Ring Road, Yanqing Park, Zhongguancun, Yanqing District, Beijing 102100 Patentee before: AEROSPACE TIMES FEIHONG TECHNOLOGY Co.,Ltd. Country or region before: China |