CN1162611C - 一种车用发动机可变喷嘴涡轮增压控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

一种车用发动机可变喷嘴涡轮增压控制方法及系统，涉及一种发动机涡轮增压电控系统。其特征是在采用可变喷嘴涡轮增压器的电控系统中，通过采集发动机的转速、油门位置、发动机增压压力和进气温度信号，判断发动机工作工况，得到目标增压压力值。该系统采用步进电机为执行器，通过连杆直接与涡轮喷嘴环调节曲柄相连。在过渡过程采用开环预测控制，直接驱动执行器，调节喷嘴环叶片开度到一定值；在稳态时，采用以进气歧管内增压压力信号为控制目标的闭环数字PID控制。该电控系统与现有技术相比，瞬态过程响应速度快，执行元件少，系统结构简单，可实现与各种不同增压发动机的匹配，尤其是车用可变喷嘴涡轮增压柴油机。

Description

一种车用发动机可变喷嘴涡轮增压控制方法及系统
技术领域
本发明涉及一种发动机涡轮增压系统，特别涉及一种车用可变喷嘴涡轮增压系统，通过电子控制单元和软件控制算法实现可变截面喷嘴位置的最佳控制。
背景技术
车用涡轮增压器要适应发动机宽广的转速变化范围。固定截面涡轮增压器存在的缺点有：(1)在发动机低速运转时，由于废气提供的能量很少，涡轮增压器的转速过低，难以提供合适的增压压力和足够的进气量，发动机难以产生大的低速扭矩，导致其低速性能难以有明显的提高。(2)发动机高速运转时，由于排气温度和压力很高，可能会造成增压器超速。(3)增压器与发动机之间仅存在气动联系，在加速过程中增压器的响应滞后。由于发动机油量供给的响应比进气量供给的响应快，会导致发动机的加速性能不好，产生加速冒烟现象。
因此固定截面涡轮增压器与发动机的匹配比较困难，如果涡轮增压器按照发动机高速工况进行设计匹配，就会出现低速时转速过低，增压压力过低，如果按照低速工况进行设计匹配，则在高速时，为避免出现增压器超速，在发动机排气管处需要安装一个废气放气阀，浪费了一部分的废气能量。
采用可变喷嘴涡轮增压器可以很好地解决涡轮增压器与发动机的匹配问题。车用发动机可变喷嘴涡轮增压器是在固定截面涡轮增压器上增加了一个可调节喷嘴截面的喷嘴环，喷嘴环一圈上有多个叶片，它们可以绕自己的轴心转动从而改变喷嘴截面，其调节通过喷嘴环上的操纵环实现，操纵环的转动由涡轮壳外的调节曲柄控制。转动调节曲柄，带动操纵环旋转，使喷嘴环叶片各自绕自己的轴心同时旋转。通过改变喷嘴环叶片的角度，改变涡轮入口的流通截面积。车用可变喷嘴涡轮增压器的工作原理如下：(1)发动机低速时，让喷嘴环叶片开度减小，涡轮流通截面积减小，废气流出速度相应提高，增压器转速上升，压气机出口压力增大，发动机进气量增加；(2)高速时，让喷嘴环叶片开度增加，涡轮流通截面积增加，废气流出速度相对减小，增压器转速相对减小，增压压力降低，防止增压过量。(3)在加速时，减小喷嘴环开度，在短时间内迅速提高增压器转速，提高发动机增压压力，提供足够的进气量，改善其加速性能。
目前车用发动机可变喷嘴涡轮增压器的喷嘴环开度的调节是通过一个膜片式的气动执行器来实现的，通过改变膜片弹簧的一面的气体压力值来调节膜片位移，从而调节喷嘴环开度的调节曲柄。气体压力通过电磁阀或真空泵来控制。电子控制单元根据发动机所处的工况，控制真空执行器中膜片弹簧的位移，从而控制进气管中增压压力值。该机构的好处是真空度可以连续变化从而可以连续的调节喷嘴环的开度。
其缺点主要有：(1)由于执行元件多，系统结构复杂，增加制造的成本。(2)通过膜片弹簧的真空度来调节，在发动机瞬态变化时，喷嘴环动作的快速响应性能不够。
发明内容
本发明的目的和任务是提供一种车用发动机可变喷嘴涡轮增压控制方法及系统，实现对涡轮喷嘴环开度的调节。对发动机各种工况都能调节涡轮增压器的喷嘴截面。硬件系统安装方便，成本低，可靠性高。能与不同的发动机和增压器匹配。
本发明的目的和任务是通过以下技术方案来实现的：
一种车用发动机可变喷嘴涡轮增压控制方法，该控制方法的特征在于：
(1)用电控单元，采用单片机为微控制器，通过储存在单片机中的软件控制程序采集转速传感器、油门位置传感器，增压压力传感器和进气温度传感器的信号，根据油门位置信号的变化率判断发动机工作在稳态还是过渡工况，根据发动机的性能通过发动机台架试验确定油门位置变化率的临界值，当油门位置信号的变化率绝对值小于该临界值时为稳态工况，否则为过渡工况；
(2)当油门位置信号的变化率的绝对值小于该临界值时，发动机工作在稳态工况，采用以增压压力为控制目标的数字PID闭环控制，增压压力的理想目标值根据油门位置和发动机转速信号，查稳态增压压力MAP图得到，该临界值和稳态增压压力MAP图中的值以及PID参数均由发动机匹配试验确定，直接存储在单片机中；
(3)当油门位置信号的变化率大于该临界值时，发动机工作在加速过渡工况，采用开环预测控制，根据该时刻的油门位置和发动机转速信号，查开环位置MAP图得到喷嘴环位置值，再根据该时刻油门位置的变化率得到位置修正值，两者相加得到目标位置值，直接驱动执行器调节喷嘴环开度到该目标值，开环位置MAP图值和变化率修正值由发动机匹配实验得到，直接存储在单片机中；
(4)当油门位置信号的变化率的负值大于该临界值时，发动机工作在减速过渡工况，保持喷嘴环位置开度不变。
本发明提供了实施所述方法的一种车用发动机可变喷嘴涡轮增压控制系统，主要包括电子控制单元，为系统提供电力的供电电源，执行器，传感器，可变喷嘴涡轮增压器，其特征在于：所述电子控制单元采用单片机为微控制器，还包括存储器扩展芯片，用于驱动执行器的驱动电路，用于进行故障诊断的故障显示电路，实现单片机与计算机之间串行通讯的通讯电路，电源电路以及预先储存在存储器扩展芯片中的软件控制程序，所述的执行器采用步进电机，该步进电机通过连杆与涡轮的喷嘴环调节曲柄相连，所述的传感器包括采集发动机转速的转速传感器，采集发动机油门位置的油门位置传感器，采集发动机增压压力的压力传感器，采集发动机进气温度的温度传感器。
本发明的单片机采用MC68HC11E9；所述的存储器扩展芯片采用27256；所述的驱动电路采用集成芯片L297和L298；所述的通讯电路采用MAX232芯片。
本发明的转速传感器安装在发动机飞轮壳处；油门位置传感器安装在喷油泵齿条处；增压压力传感器和进气温度传感器安装在发动机进气歧管处。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：(1)由于采用步进电机为执行器和实时性的控制软件，瞬态过程响应速度快，能充分发挥发动机性能，提高动力性，降低排放水平(2)执行元件少，系统结构简单，成本低，可靠性高。(2)能独立工作，只需改动软件少量匹配MAP图参数，即可实现与各种不同发动机的匹配。
附图说明
图1为电控系统硬件连接结构简图。
图2为主单片机电路。
图3为驱动电路。
图4为存储器扩展电路。
图5为复位电路。
图6为故障显示电路。
图7为通讯电路。
图8为软件控制策略图。
图9为程序总体流程图。
图10为工作循环流程图。
图11为闭环控制子程序流程图。
图12为开环控制子程序流程图。
图13为增压系统安装图。
具体实施方式
下面结合附图具体说明本发明的工作原理、具体结构及实施例。
图1为电子控制单元的硬件结构连接简图。微控制器采用MC68HC11E9单片机，油门位置、增压后的进气温度和进气压力为模拟信号，其值输给单片机的AD采集口，发动机转速、起动开关和故障诊断开关为数字信号，输给单片机的数字检测口。存储器扩展电路中存放控制软件，其与单片机直接相连。电源电路为单片机和其它芯片提供5伏电压，同时为驱动电路提供12伏驱动电压，其供电由外部蓄电池提供。时钟电路为单片机提供8M晶振信号。复位电路与单片机的复位口相连，用于手动复位控制软件。通讯电路与单片机通讯口相连，实现与监控计算机的串口通讯。故障显示电路由单片机驱动，显示电子控制单元的硬件或传感器故障。驱动电路由单片机提供驱动的逻辑信号，其产生驱动信号驱动步进电机。步进电机直接与可变喷嘴涡轮增压器的调节曲柄相连。
图2为主单片机电路，晶振Y1为8M，VCC为电源电路提供的5伏信号。IGNSW为点火开关连接信号，ERRVIEW为故障显示开关连接信号。RESET与复位电路相连。RXD和TXD与通讯电路相连，RXD接受计算机传来信号，TXD给计算机发出信号。LRESET、STEPCL、DIRECT和LENABLE与驱动电路相连，LRESET为驱动电路复位信号，LENABLE为驱动电路使能信号，DIRECT为步进电机运动方向控制信号，STEPCL为上升沿触发的脉冲信号，控制步进电机步进运动。ERRLT为故障显示电路驱动信号。SOUT为发动机转速输入信号。PE0口采集油门位置信号，PE2口采集进气温度信号，PE1口采集进气压力信号。AD0到AD7、A8到A15、E、AS、R/-W与存储扩展电路相连。
图3为驱动电路，L297芯片一端与单片机相连，一端与L298芯片相连，提供驱动的逻辑信号。L298为大功率双H桥驱动芯片，提供执行器的功率驱动。O1和O2接在步进电机的一相绕组的两端，O3和O4接在另一相绕组的两端。
图4为存储器扩展电路，AD0到AD7为数据和低八位地址线复用信号，A8到A14为高位地址信号。E和R/-W提供27256的读写控制信号，AS提供74HC373地址数据锁存控制信号。27256为EPROM存储器，控制软件存储在其中。
图5为复位电路，实现单片机的硬件复位功能。MC34064为低电压检测芯片，当电子控制单元供电电压低于一定值时自动复位单片机。开关S1用于手动复位操作。
图6为故障显示电路，ERRLT由单片机的PA6口输出，程序控制该信号的高低电平时间及转换次数，来控制发光二极管LS1的亮灭，不同的故障有不同的亮灭方式，对比故障码表就可以知道出故障否。
图7为RS232通讯电路，与PC机的串口实现数据通讯。RXD和TXD接单片机相应管脚，YTXD和YRXD分别接计算机COM口的数据发送和数据接收脚。
图8为软件控制方法图，结合该图介绍控制方法原理和结构如下：
a为转速信号，t为油门位置信号，b和s分别对它们进行了数字滤波处理，r为计算油门位置变化率，判断油门变化快慢，q对油门变化率进行了数字滤波。d为发动机稳瞬态判断逻辑，油门变化率小于绝对值预先设定的临界值时，发动机工作在稳态，否则为瞬态。该临界值针对具体的发动机由匹配试验确定。
瞬态时采用开环控制：c为以油门和转速为输入，执行器驱动步数为输出的一个三维MAP图插值，e根据油门变化率进行开环瞬态步数修正，o为发动机进气歧管内进气温度信号，n根据进气温度进行开环瞬态步数修正，最后得到驱动步数Y＝Y1+Y1′+Y1″。g为执行器，本发明中采用步进电机。
稳态时采用以进气歧管内的增压压力为控制目标的闭环数字PID控制：p为以油门和转速为输入，增压压力为输出的一个三维MAP图插值，f根据油门变化率进行了稳态压力修正，n根据进气温度进行了闭环增压压力修正，
i为采集的增压压力值，j对其进行了数字滤波，增压压力目标值P和实际值Pr′得出差值ΔP，k为根据实际驱动步数选择的一个可变的PID控制比例参数值，l为根据实际驱动步数选择的一个可变的PID控制积分参数值，m为根据实际驱动步数选择的一个可变的PID控制微分参数值。其闭环PID控制算法公式(1)如下：
S f = K P ΔP n + K I Σ k = 1 n Δ P k + K D ( ΔP n - ΔP n - 1 ) - - - - - - ( 1 )
ΔPn当前测量增压压力和目标增压压力差值，ΔPn-1上一次测量增压压力和目标增压压力差值，KP、KI、KD分别是PID控制的比例、积分和微分参数，Sf步进电机控制步数。
PID参数根据发动机不同的工况采用不同的值，其确定过程如下：首先选出发动机工作的一些典型工况，在这些稳态工况点，通过发动机试验得到相应的一组最佳的PID参数值，在其它的稳态工况点，通过线性插值确定它们的PID参数值。
图9为根据控制算法编写的控制软件的总程序流程图，单片机在初始化部分完成系统寄存器和RAM控制参数区的初始化、中断定时器初始化和执行器驱动电路的初始化工作。接着判断启动开关状态，若接通进入中断循环工作程序，若断开进入等待循环程序。等待循环程序执行阶段发动机没有工作，程序可以进行与计算机的串口通讯和故障显示处理，同时不断检测启动开关状态。当检测到启动开关接通后，表明发动机已经开始转动，程序会立即跳转到中断循环工作程序。
图10为中断工作循环流程图，该中断由单片机输出比较定时器TOC1设定，每4ms产生一次。进入中断程序后，首先清定时器中断标志位以允许下一次中断。在故障诊断部分，程序检测故障开关接通否，若接通则进入故障诊断子程序，该子程序对采用的进气温度、增压压力、油门位置和转速四个传感器以及单片机的RAM和ROM分别进行诊断处理，若发现传感器采集值超出该值的下常工作范围，或者单片机RAM或ROM区出现故障，则设定相应的故障码，通过故障显示电路显示出来，同时在程序中对系统进行保护处理，以防止出现意外。若断开则不进行故障诊断，直接进入下一步程序。SCI通讯处理部分首先判断与监控计算机有数据通讯否，若收到计算机端发来的数据，则根据该值的不同，进行向计算机发送单片机采集到的发动机转速、油门位置、增压压力等信号，或是接受计算机端发过来的对RAM参数区进行修改的数据。采集滤波增压压力部分采集增压压力信号并进行低通数字滤波，由于该信号为控制的目标参数，所以每次中断都执行一次。转速计算部分实时计算发动机的转速值，通过单片机PA7口的外部脉冲累加计时器中断实现，设发动机每转三分之一圈产生一次中断，两次连续中断之间的单片机E时钟个数为M，则计算的发动机转速n为：
n = 40000000 M (转/分)
计算出的发动机转速值存放在单片机的RAM区。之后程序根据设定的一个循环计数器的值的大小进行不同的任务处理。当循环计数器的值为1时，程序采集发动机油门位置信号，判断是稳态还是瞬态，以进入相应的闭环或是开环处理程序；当循环计数器的值为2时，程序根据发动机转速和油门位置两个参数查找MAP图，得出需要的控制目标压力值，之后进入与第一分支相同的处理程序；循环计数器的值为3时，对采集的增压压力和进气温度进行修正处理，该数据和修正方法由发动机厂家提供；循环计数器的值为4时，进行一次故障诊断处理，之后第三分支和第四分支也执行与第一和第二分支相同的程序。当循环计数器的值为5到200之间时，程序只调用闭环控制子程序，该情况只在发动机工作在稳态时执行，也即当在瞬态开环时，只进行前四个分支的循环。
图11为闭环控制子程序流程图。根据图10中查三维增压压力MAP图得出目标增压压力值，实际采集到的增压压力值减去目标增压压力值得出增压压力误差，根据公式(1)分别计算出数字PID控制的比例项，积分项和微分项，当出现积分饱和时，进行遇限削弱。对三项求和算出的位置值，驱动步进电机到该位置，之后程序返回。
图12为开环控制子程序流程图。根据油门位置变化率的正负判断是加速工况还是减速工况，当油门位置变化率为正时为加速工况，根据油门位置和发动机转速查三维开环位置MAP图，得出一步进电机位置值，再进行开环加速修正，根据油门位置变化率查开环修正MAP图，得出开环修正量，二者相加得到步进电机目标位置值，驱动步进电机到该位置后返回，当油门位置变化率为负时为减速工况，此时保持步进电机位置不变，直接返回。
图13为本发明的增压系统连接图。
下面结合该图说明本发明的具体实施：采集转速信号的传感器16安装在发动机飞轮17处。采集油门位置信号的传感器14安装在油门处，与其同轴旋转。采集进气歧管内增压压力13和进气温度12的传感器均安装在进气歧管11上。可变喷嘴涡轮增压器安装在发动机排气管一侧，可变喷嘴涡轮3的进气口7与发动机排气歧管9相连，增压器轴6的另一端压气机8的进气口5与空气滤清器相连，压气机出口10与发动机进气歧管11相连，执行器1为步进电机，安装在压气机一侧并通过连杆2与涡轮可变喷嘴调节曲柄相连。
电子控制单元15安装在驾驶室座椅下，18为启动开关，其接通以后电子控制单元开始工作，它采集油门和转速信号，计算出油门变化率。根据油门变化率的值判断进入稳态闭环或是进入瞬态开环，两种情况下都需要采集进气温度信号进行温度修正。19为故障显示开关，其接通以后在系统工作时可以通过故障显示电路进行故障诊断。
本发明的工作过程如下：
发动机开始起动，电子控制单元上电，驱动执行器到最大喷嘴环位置，防止增压器超速。电子控制单元检测转速、油门位置、增压压力和进气温度传感器的信号，判断发动机的工况。
发动机加速时，喷油量增加，电子控制单元驱动执行器，减小可变喷嘴环叶片开度，迅速提高增压器转速，加大压气机端的进气量，与喷油量的增加相协调，使发动机提供大的输出扭矩，避免一般发动机加速过程产生的冒烟现象。
发动机减速时，喷油量减少，此时保持喷嘴环开度不变，发动机进气量随转速下降略有减少，但油量的减少更快，因此不会出现冒烟现象。
发动机稳态运转时，需要恒定的增压压力，以保证定量的进气，对发动机油门和转速的扰动，以及进气温度的变化，采用闭环PID控制以保证恒定的增压压力值。当实际增压压力值低于目标值时，减小喷嘴环叶片开度提高增压压力，实际增压压力值高于目标值时，增大喷嘴环叶片开度减小增压压力。
本发明应用范围：各种车用增压发动机，尤其是车用可变喷嘴涡轮增压柴油机。

Claims (7)

1.一种车用发动机可变喷嘴涡轮增压控制方法，该控制方法的特征在于：
(1)利用电控单元，采用单片机为微控制器，通过储存在单片机中的软件控制程序采集转速传感器、油门位置传感器，增压压力传感器和进气温度传感器的信号，根据油门位置信号的变化率判断发动机工作在稳态还是过渡工况，根据发动机的性能通过发动机台架试验确定油门位置变化率的临界值，当油门位置信号的变化率绝对值小于该临界值时为稳态工况，否则为过渡工况；
(2)当油门位置信号的变化率的绝对值小于该临界值时，发动机工作在稳态工况，采用以增压压力为控制目标的数字PID闭环控制，增压压力的理想目标值根据油门位置和发动机转速信号，查稳态增压压力MAP图得到，该临界值和稳态增压压力MAP图中的值以及PID参数均由发动机匹配试验确定，直接存储在单片机中；
(3)当油门位置信号的变化率大于该临界值时，发动机工作在加速过渡工况，采用开环预测控制，根据该时刻的油门位置和发动机转速信号，查开环位置MAP图得到喷嘴环位置值，再根据该时刻油门位置的变化率得到位置修正值，两者相加得到目标位置值，直接驱动执行器调节喷嘴环开度到该目标值，开环位置MAP图值和变化率修正值由发动机匹配实验得到，直接存储在单片机中；
(4)当油门位置信号的变化率的负值大于该临界值时，发动机工作在减速过渡工况，保持喷嘴环位置开度不变。
2.实施如权利要求1所述方法的一种车用发动机可变喷嘴涡轮增压控制系统，主要包括电子控制单元，为系统提供电力的供电电源，执行器，传感器，可变喷嘴涡轮增压器，其特征在于：所述电子控制单元采用单片机为微控制器，还包括存储器扩展芯片，用于驱动执行器的驱动电路，用于进行故障诊断的故障显示电路，实现单片机与计算机之间串行通讯的通讯电路，电源电路以及预先储存在存储器扩展芯片中的软件控制程序，所述的执行器采用步进电机，该步进电机通过连杆与涡轮的喷嘴环调节曲柄相连，所述的传感器包括采集发动机转速的转速传感器，采集发动机油门位置的油门位置传感器，采集发动机增压压力的压力传感器，采集发动机进气温度的温度传感器。
3.按照权利要求2所述的一种车用发动机可变喷嘴涡轮增压控制系统，其特征在于：所述的单片机采用MC68HC11E9。
4.按照权利要求2所述的一种车用发动机可变喷嘴涡轮增压控制系统，其特征在于：所述的存储器扩展芯片采用27256。
5.按照权利要求2所述的一种车用发动机可变喷嘴涡轮增压控制系统，其特征在于：所述的驱动电路采用集成芯片L297和L298。
6.按照权利要求2所述的一种车用发动机可变喷嘴涡轮增压控制系统，其特征在于：所述的通讯电路采用MAX232芯片。
7.按照权利要求2至6中任一权利要求所述的一种车用发动机可变喷嘴涡轮增压控制系统，其特征在于：转速传感器安装在发动机飞轮壳处，油门位置传感器安装在喷油泵齿条处，增压压力传感器和进气温度传感器安装在发动机进气歧管处。
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