CN114060143A - 基于旁通阀流通特性的变海拔增压压力稳定性控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内燃机技术领域的基于旁通阀流通特性的变海拔增压压力稳定性控制方法，包括以下步骤：第一，把柴油机转速、负荷、海拔参数以及性能恢复目标作为输入变量，根据等效涡轮面积计算公式，预测出增压系统的等效涡轮面积；第二，进行增压系统效率的神经网络训练和预测；第三，把预测的等效涡轮面积，训练出的增压系统效率，以及调节边界对旁通阀开度的限制作为输入变量，根据增压系统变海拔控制模型计算公式，把计算出的低压级旁通阀开度控制变量和高压级旁通阀开度控制变量作为控制系统的输出，得到需要的增压压力。本发明能够满足柴油机变海拔运行时对增压系统的稳态和瞬态控制要求，能够实现增压系统的变海拔有效控制。

Description

基于旁通阀流通特性的变海拔增压压力稳定性控制方法

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，特别是一种能够实现两级增压系统变海拔有效控制的基于旁通阀流通特性的变海拔增压压力稳定性控制方法。

背景技术

我国高原地区面积约占国土面积的37％，其中，青藏高原面积约为240万km²，平均海拔高于4 000m。柴油机在高原运行时，由于大气压力、空气密度降低，导致柴油机进气质量减少、空燃比降低、燃烧恶化，造成柴油机动力性与燃油经济性下降。采用涡轮增压技术能有效的恢复柴油机功率，提升发动机性能。但由于柴油机与涡轮增压器之间没有直接的机械连接，且往复机械与回转机械的流通特性和工作原理不同，使得柴油机和增压器无法在变海拔全工况范围内实现高效的联合运行。同时由于海拔的增加，涡轮出口被压降低使得增压器容易超速，同时由于柴油机的进气量随着海拔的升高而下降，燃油燃烧不充分，后燃现象逐渐加剧，涡轮前排气温度上升，严重影响柴油机的安全运行。

采用废气旁通阀结构的涡轮增压器，通过调整流柴油机及涡轮增压器的参数，能有效的避免增压器发生超速或者柴油机排温过高的现象发生，但不同海拔高度及工况对应的涡轮流通特性都有所不同，同时柴油机变海拔功率恢复时对应了最优的流通特性，调节合适的涡轮流通特性过程中会造成导致增压压力发生波动，影响发动机的稳定运行，基于数据的增压系统控制方法适用于固定海拔和工况运行范围较小的增压系统，高原运行时，控制器参数整定困难，抗干扰性下降，基于数据的传统控制方法难以满足增压系统的稳态和瞬态控制要求。

发明内容

本发明针对上述技术的不足，提出了一种基于旁通阀流通特性的变海拔增压压力稳定性控制方法，在发动机变海拔不同工况下指导涡轮流通特性调节值，实现柴油机功率快速调节，使发动机高效稳定运行。

为解决以上技术问题，本发明包括以下步骤：包括以下步骤：第一，把柴油机的转速、负荷、海拔参数以及性能恢复目标作为输入变量，根据等效涡轮面积计算公式，预测出增压系统的等效涡轮面积；第二，进行增压系统效率的神经网络训练和预测；第三，把预测的等效涡轮面积，训练出的增压系统效率，以及调节边界对旁通阀开度的限制作为输入变量，根据增压系统变海拔控制模型计算公式，把计算出的低压级旁通阀开度控制变量和高压级旁通阀开度控制变量作为控制系统的输出，得到需要的增压压力。

进一步地，在本发明中，等效涡轮面积计算公式为：

式中：A_T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，增压系统效率的神经网络训练和预测，首先选取平原不同工况的实验数据，构建神经网络进行数据训练，而后开展不同海拔高压级和低压级增压器效率的神经网络方法训练和预测；在平原进行神经网络训练和预测时的输入参数包括发动机转速、负荷、高压级涡轮入口温度、低压级压气机入口温度、旁通阀开度；在高原进行神经网络训练和预测时的输入参数包括发动机转速、负荷、高压级涡轮入口温度、低压级压气机入口温度、低压级涡轮出口温度、进气量恢复比例、低压级压气机入口压力。

更进一步地，在本发明中，增压系统变海拔控制模型计算公式由高压级涡轮增压器和低压级涡轮增压器分别应用增压系统能量平衡计算公式和增压系统质量平衡计算公式，并应用奇异摄动法解除不同变量变化率的耦合关系及系统刚性得到。

更进一步地，在本发明中，增压系统能量平衡计算公式为：

式中：P_T为涡轮的膨胀功，单位J,P_C为压气机的压缩功，单位J，J_TC为涡轮增压器的转动惯量，单位kg·m²，N_TC为增压器转速，单位r/min；

其中增压器转速N_TC的计算公式为：

式中：π_C为压气机压比，c和d为根据增压器转速的平方与压气机压比之间存在的线性关系由实验值拟合得到的系数。

更进一步地，在本发明中，增压系统质量平衡计算公式为：

式中：m_c是发动机的进气流量，单位kg/s，m_f为发动机的供油量，单位kg/s，m_T为通过涡轮的流量，单位kg/s，m_v为通过旁通阀的流量，单位kg/s，p_ex排气管出口压力，单位pa,T_ex排气管出口温度，单位K，V_ex排气管容积，单位cm³；

其中通过旁通阀的流量m_v的计算公式为：

式中：π_V为旁通阀前后的压比，可以近似等于对应的涡轮膨胀比π_T；p_vout为阀门的出口压力，单位Pa，T_vin为阀门的入口温度，单位K，A_val为阀门的等效流通面积，单位cm²，γ为气体绝热指数，R为气体常量。

更进一步地，在本发明中，增压器转速N_TC的计算公式为：

式中：π_C为压气机压比。

更进一步地，在本发明中，增压系统变海拔控制模型的计算公式为：

其中，

式中：a₁至a₇与增压器和柴油机的工况参数有关，π_LT为低压级涡轮膨胀比，π_LC低压级压气机压比，π_HT为高压级涡轮膨胀比，π_HC高压级压气机压比，A_Val,max为阀门的最大等效流通面积，函数

为涡轮能量函数，函数

为压气机能量函数，函数f_tur(π_T)为涡轮质量函数，函数f_val(π_T)为废气旁通阀质量函数；C_pe废气定压比热容，单位J/(kg·K)，J_TC,H为高压级涡轮增压器的转动惯量，单位kg·m²，J_TC,L为低压级涡轮增压器的转动惯量，单位kg·m²，η_HT高压级涡轮效率，η_HC高压级压气机效率，R为气体常数，n_e为柴油机转速，单位r/min，V_s为柴油机的排量，单位cm³，m_f空气质量流量，kg/s，η_v为柴油机有效热效率，A_T为等效涡轮面积，单位cm²，π_T涡轮膨胀比，π_C压气机压比；p₁、p₂、p₃、p₄、p₅为应用奇异摄动法时五个工况下涡前压力，单位pa，T₁、T₂、T₃、T₄、T₅为应用奇异摄动法时五个工况下涡前温度，单位K，c₁，c₂拟合系数；π_V为旁通阀前后的压比，可以近似等于对应的涡轮膨胀比π_T；γ为气体绝热指数，u_H为高压级废气旁通阀开度控制变量，u_L为低压级废气旁通阀开度控制变量。

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：本发明基于可调两级增压系统的质量平衡和能量平衡关系，建立了可调两级增压系统的控制模型，求解不同海拔下两级增压系统的高压级旁通量和低压级旁通量。该控制方法能够满足柴油机变海拔运行时对增压系统的稳态和瞬态控制要求，能够实现增压系统的变海拔有效控制。

附图说明

图1为本发明的控制方法流程图；

图2为本发明中函数

f_tur(π_T)与f_val(π_T)与其变量的关系；

图3为本发明具体实施例中增压器转速的平方与压气机压比之间的线性关系图；

图4为平原工况增压系统效率的变海拔增压压力控制误差对比图；

图5为本发明具体实施例中采用本发明的控制模型后变海拔增压压力控制误差对比图。

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至图5所示。首先，把柴油机的转速和负荷、海拔参数以及性能恢复目标作为控制系统的输入变量，由公式

预测出增压系统等效涡轮面积的调节量，式中A_T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)。

而后，进行增压系统效率的神经网络训练和预测：首先选取平原不同工况的实验数据，构建神经网络进行数据训练，预测增压器效率的结果主要的影响因素包括发动机转速、负荷、高压级涡轮入口温度、低压级压气机入口温度，旁通阀开度。在完成平原工况高压级和低压级增压器效率的神经网络预测后，开展不同海拔运行时，高压级和低压级增压器效率的神经网络方法训练和预测。对于变海拔运行，主要的影响因素除了发动机转速、负荷、高压级涡轮入口温度、低压级压气机入口温度、低压级涡轮出口温度，还包括了进气量恢复比例和低压级压气机入口压力。

最后，以预测出增压系统等效涡轮面积，以及神经网络方法训练出高精度的增压器效率作为增压系统变海拔控制模型输入值，通过以下公式计算出高压级废气旁通阀开度控制变量u_H和低压级废气旁通阀开度控制变量u_L，考虑到调节边界对开度的限制，将合理的旁通阀控制变量u_H或u_L作为控制系统的输出，得到需要的增压压力。

式中：a₁至a₇与增压器和柴油机的工况参数有关，π_LT为低压级涡轮膨胀比，π_LC低压级压气机压比，π_HT为高压级涡轮膨胀比，π_HC高压级压气机压比，A_Val,max为阀门的最大等效流通面积，函数

为涡轮能量函数，函数

为压气机能量函数，函数f_tur(π_T)为涡轮质量函数，函数f_val(π_T)为废气旁通阀质量函数，u_H为高压级废气旁通阀开度控制变量，u_L为低压级废气旁通阀开度控制变量。

其中，a₁至a₇，以及

f_val(π_T)的计算公式如下：

其中，

式中：C_pe废气定压比热容，单位J/(kg·K)，J_TC,H为高压级涡轮增压器的转动惯量，单位kg·m²，J_TC,L为低压级涡轮增压器的转动惯量，单位kg·m²，η_HT高压级涡轮效率，η_HC高压级压气机效率，R为气体常数，n_e为柴油机转速，单位r/min，V_s为柴油机的排量，单位cm³，m_f空气质量流量，kg/s，η_v为柴油机有效热效率，A_T为等效涡轮面积，单位cm²，π_T涡轮膨胀比，π_C压气机压比；p₁、p₂、p₃、p₄、p₅为应用奇异摄动法时五个工况下涡前压力，单位pa，T₁、T₂、T₃、T₄、T₅为应用奇异摄动法时五个工况下涡前温度，单位K，c₁，c₂拟合系数，π_V为旁通阀前后的压比，可以近似等于对应的涡轮膨胀比π_T；γ为气体绝热指数。

在增压系统变海拔控制模型中，a₁至a₇与增压器和柴油机的工况参数有关。在增压系统控制过程中，需对增压系统的运行参数进行实时监测和计算，以满足实际控制需求。

f_tur(π_T)与f_val(π_T)与其变量的关系，如图2所示，从图中可以看出，控制模型中的各个函数均为单点递增且可逆，控制方程有解，故可以通过此控制方程求解控制变量u_H和u_L。

以某柴油机的具体试验结果为例，应用本发明的控制方法后，在不同海拔下，柴油机的进气量恢复程度，见表1。从表1中可以看出，柴油机在2000m、3000m和4500m 三个典型海拔运行时，1400r/min以上转速点均能实现进气量100％恢复。1200r/min转速点在3000m以上海拔运行时，尽管增压系统采用了最小的等效面积，柴油机进气量在 4500m海拔的恢复比例为96.3％。

表1高原运行时外特性工况进气量恢复比例

不同负荷工况，采用平原工况增压器效率的变海拔增压压力控制误差，如图4所示。从图4中可以看出，在不同负荷下，增压压力的控制误差随海拔的升高而不断变大，超过了增压压力的最大控制误差。由此可知，采用固定海拔的增压器系效率作为控制模型的输入变量将引起不可接受的变海拔增压压力控制误差。采用本发明的神经网络方法预测的增压器效率作为输入变量的增压压力控制效果，如图5所示。从图5中可以看出，不同负荷变海拔增压压力的控制结果与控制目标吻合，在不同工况下，变海拔增压压力控制误差均小于5KPa，且控制误差并未随海拔升高而增大。试验结果表明，作为增压压力控制误差的主要来源，增压器效率对增压压力的控制误差存在明显影响，而神经网络预测的增压器系统效率能够满足增压系统变海拔自适应控制精度的需求。

Claims (8)

1.一种基于旁通阀流通特性的变海拔增压压力稳定性控制方法，其特征在于包括以下步骤：

第一，把柴油机的转速、负荷、海拔参数以及性能恢复目标作为输入变量，根据等效涡轮面积计算公式，预测出增压系统的等效涡轮面积；

第二，进行增压系统效率的神经网络训练和预测；

第三，把预测的等效涡轮面积，训练预测出的增压系统效率，以及调节边界对旁通阀开度的限制作为输入变量，根据增压系统变海拔控制模型计算公式，计算出低压级旁通阀开度控制变量和高压级旁通阀开度控制变量，并把这两个开度变量作为控制系统的输出，得到需要的增压压力。

2.根据权利要求1所述的基于旁通阀流通特性的变海拔增压压力稳定性控制方法，其特征在于所述等效涡轮面积计算公式为：

式中：A_T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)。

3.根据权利要求1所述的基于旁通阀流通特性的变海拔增压压力稳定性控制方法，其特征在于所述增压系统效率的神经网络训练和预测，首先选取平原不同工况的实验数据，构建神经网络进行数据训练，而后开展不同海拔高压级和低压级增压器效率的神经网络方法训练和预测；在平原进行神经网络训练和预测时的输入参数包括发动机转速、负荷、高压级涡轮入口温度、低压级压气机入口温度、旁通阀开度；在高原进行神经网络训练和预测时的输入参数包括发动机转速、负荷、高压级涡轮入口温度、低压级压气机入口温度、低压级涡轮出口温度、进气量恢复比例、低压级压气机入口压力。

4.根据权利要求1所述的基于旁通阀流通特性的变海拔增压压力稳定性控制方法，其特征在于所述增压系统变海拔控制模型计算公式由高压级涡轮增压器和低压级涡轮增压器分别应用增压系统能量平衡计算公式和增压系统质量平衡计算公式，并应用奇异摄动法解除不同变量变化率的耦合关系及系统刚性得到。

5.根据权利要求4所述的基于旁通阀流通特性的变海拔增压压力稳定性控制方法，其特征在于所述增压系统能量平衡计算公式为：

式中：P_T为涡轮的膨胀功，单位J，P_C为压气机的压缩功，单位J，J_TC为涡轮增压器的转动惯量，单位kg·m²，N_TC为增压器转速，单位r/min；

其中增压器转速N_TC的计算公式为：

式中：π_C为压气机压比，c和d为根据增压器转速的平方与压气机压比之间存在的线性关系由实验值拟合得到的系数。

6.根据权利要求4所述的基于旁通阀流通特性的变海拔增压压力稳定性控制方法，其特征在于所述增压系统质量平衡计算公式为：

式中：m_c是发动机的进气流量，单位kg/s，m_f为发动机的供油量，单位kg/s，m_T为通过涡轮的流量，单位kg/s，m_v为通过旁通阀的流量，单位kg/s，p_ex排气管出口压力，单位pa,T_ex排气管出口温度，单位K，V_ex排气管容积，单位cm³；

其中通过旁通阀的流量m_v的计算公式为：

式中：π_V为旁通阀前后的压比，可以近似等于对应的涡轮膨胀比π_T；p_vout为阀门的出口压力，单位Pa，T_vin为阀门的入口温度，单位K，A_val为阀门的等效流通面积，单位cm²，γ为气体绝热指数，R为气体常量。

7.根据权利要求4所述的基于旁通阀流通特性的变海拔增压压力稳定性控制方法，其特征在于所述增压系统变海拔控制模型的计算公式为：

其中，

式中：a₁至a₇与增压器和柴油机的工况参数有关，π_LT为低压级涡轮膨胀比，π_LC低压级压气机压比，π_HT为高压级涡轮膨胀比，π_HC高压级压气机压比，A_Val,max废气旁通阀的最大等效流通面积，函数

为涡轮能量函数，函数

为压气机能量函数，函数f_tur(π_T)为涡轮质量函数，函数f_val(π_T)为废气旁通阀质量函数；C_pe废气定压比热容，单位J/(kg·K)，J_TC,H为高压级涡轮增压器的转动惯量，单位kg·m²，J_TC,L为低压级涡轮增压器的转动惯量，单位kg·m²，η_HT高压级涡轮效率，η_HC高压级压气机效率，R为气体常数，n_e为柴油机转速，单位r/min，V_s为柴油机的排量，单位cm³，m_f空气质量流量，kg/s，η_v为柴油机有效热效率，A_T为等效涡轮面积，单位cm²，π_T涡轮膨胀比，π_C压气机压比；p₁、p₂、p₃、p₄、p₅为应用奇异摄动法时五个工况下涡前压力，单位pa，T₁、T₂、T₃、T₄、T₅为应用奇异摄动法时五个工况下涡前温度，单位K，c₁，c₂拟合系数，π_V为旁通阀前后的压比，可以近似等于对应的涡轮膨胀比π_T；γ为绝热指数，u_H为高压级废气旁通阀开度控制变量，u_L为低压级废气旁通阀开度控制变量。

8.根据权利要求5所述的基于旁通阀流通特性的变海拔增压压力稳定性控制方法，其特征在于所述增压器转速N_TC的计算公式为：

式中：π_C为压气机压比。

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