变截面涡轮增压器控制系统仿真研究
高强化柴油机性能优化及可调涡轮增压系统匹配的仿真研究
中图分类号：学校代码：10004UDC：北京交通大学硕士学位论文高强化柴油机性能优化及可调涡轮增压系统匹配的仿真研究Simulation on Performance Optimization and Matching of Variable Geometry Turbocharger for Highly-intensified Diesel Engine作者姓名：芮鹏学号：04121296导师姓名：李国岫职称：教授学位类别：工学学位级别：硕士学科专业：动力机械及工程研究方向：内燃机燃烧与排放北京交通大学2007年5月致谢本论文的工作是在我的导师李国岫教授的悉心指导下完成的，李国岫教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。
在此衷心感谢两年多来李国岫老师对我的关心和指导。
导师李国岫教授渊博的知识、开阔的视野、新颖的思路、洞察分析问题的能力、对事业的追求和科学的治学态度，给我留下了深刻的印象。
两年多的学习和工作使我的专业知识和科研能力得到了很大的丰富和提高，为今后从事科研工作奠定了坚实的基础。
在撰写论文期间，姚宝锋、虞育松、张艳、刘斌彬、郑亚银等同学对我论文的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。
另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。
最后衷心感谢在百忙中评审本论文的诸位专家。
摘要随着世界范围内石油资源的日益匮乏和需求者要求的日益提高，世界各大柴油机生产厂商都在不断改进自己的产品以满足下一代交通工具对柴油机功率密度和功率质量比的要求。
目前国内设计生产的高强化柴油机在升功率、油耗和可靠性方面与国外同类机型还有较大差距。
本文以国外某型高强化柴油机为研究对象，进行了该高强化柴油机性能的仿真研究与分析，并开展了高强化柴油机与可调涡轮增压系统匹配的研究。
本文首先针对柴油机各物理子系统进行了数学描述，建立了高强化柴油机工作过程的数学模型，采用一维不定常流描述进排气系统的气体流动。
微型涡轮发动机控制系统仿真及台架试验_张天宏
2006年10月第27卷 第5期推 进 技 术J OURNAL OF PRO PUL SI ON TECHNOLOGYOct 2006V ol 27 No 5微型涡轮发动机控制系统仿真及台架试验*张天宏,黄向华,曹 谦(南京航空航天大学能源与动力学院,江苏南京210016)摘 要:在某微型涡轮发动机控制系统开发过程中,为研究该发动机控制规律,提出一种半物理仿真和台架试验结合的研究方法。
设计了包含电子控制器在回路的半物理仿真试验,通过分析原控制逻辑以及起动过程存在的问题,提出对起动控制规律的改进和优化,开展了基于原配电子控制单元和工控机的台架试验,验证了优化后的控制规律,并将其应用于控制器开发。
本文提出的方法可避免大量的实物台架试验,缩短控制器的研制周期。
关键词:微型涡轮发动机+;控制系统;半物理仿真;台架试验中图分类号:V 235 1 文献标识码:A 文章编号:1001-4055(2006)05-0445-05* 收稿日期:2005-10-15;修订日期:2005-12-29。
基金项目:国防科研基金(K1601060711)。
作者简介:张天宏(1968 ),男,副教授,博士,研究领域为航空发动机控制、建模与故障诊断。
Control syste m si m ulati on and bed test for m icro tur bi ne e ngi neZHANG T ian -hong ,HUANG X i a ng -hua ,CAO Q i a n(Coll of Energy and Pow er ,N an jing U niv of A e ronautics and A stronautics ,N an ji ng ,210016,Chi na)Abstrac t : A m ethod co m bini ng se m -i physical s i m u l a tion and bed test w as proposed for study i ng the contro l sche m e i n the deve lopment process o f the contro l syste m fo rM icro T urb i ne Eng ine(M TE).The exper i m ent p l a tfor m w as deve loped w it h E l ectronic Contro lU n it(EC U )i n l oop .A fter ana l y zi ng the o rig i nal contro l log ic and t he prob l em s encounte red i n the startup process ,t he i m provem ent and opti m i za ti on o f t he sta rt control schem e w ere proposed and ver ified by the bed testw it h the or i g-i nal EC U and an i ndustry co m puter i n l oop ,respecti ve l y.T he who l e control sche m e i m proved w as adopted by the ne w l y deve-l oped contro ll e r .The me t hod proposed has sho rt deve l op m ent per i od for the fact that a l o t of i gn iti on expe ri m ents are avo ided .K ey word s : M icro turb i ne eng i ne +;Contro l syste m;Se m -i phy si ca l si m u lati on ;B ed test1 引 言微型涡轮发动机(MTE )体积小、重量轻、结构紧凑,在高速微型无人驾驶飞机上具有重要的应用前景[1~4]。
涡轮增压模拟实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的本次实验旨在通过模拟涡轮增压系统的工作原理，了解涡轮增压技术对内燃机性能的影响，掌握涡轮增压系统的主要组成部分及其工作过程，并分析涡轮增压系统的优缺点。
二、实验原理涡轮增压系统是一种利用发动机排气能量来驱动涡轮增压器，从而增加进气量的技术。
当发动机工作时，排出的废气会进入涡轮增压器，推动涡轮旋转，进而带动同轴的叶轮，增加进气量，提高发动机的功率和扭矩。
三、实验设备1. 涡轮增压器模拟实验装置2. 发动机测试台3. 数据采集系统4. 控制系统5. 计时器6. 温度计7. 压力计四、实验步骤1. 系统安装与调试：将涡轮增压器模拟实验装置安装在发动机测试台上，确保所有连接正确无误。
启动发动机，调整控制系统，使发动机运行在稳定状态。
2. 实验数据采集：启动数据采集系统，记录发动机在不同工况下的进气压力、排气压力、转速、扭矩等数据。
3. 实验方案实施：a. 将涡轮增压系统关闭，记录发动机在不进行涡轮增压时的进气压力、排气压力、转速、扭矩等数据。
b. 打开涡轮增压系统，记录发动机在涡轮增压状态下的进气压力、排气压力、转速、扭矩等数据。
4. 数据对比与分析：将涡轮增压关闭和开启时的数据进行分析对比，观察涡轮增压对发动机性能的影响。
5. 实验结果整理与报告撰写：整理实验数据，分析实验结果，撰写实验报告。
五、实验结果与分析1. 涡轮增压对进气压力的影响：实验结果显示，在相同转速下，涡轮增压状态下的进气压力明显高于关闭涡轮增压状态。
这说明涡轮增压能够显著提高进气压力，增加进气量。
2. 涡轮增压对排气压力的影响：实验结果显示，涡轮增压状态下的排气压力略有下降。
这是由于涡轮增压器的工作原理所致，涡轮增压器利用发动机排气能量来驱动涡轮旋转，从而降低排气压力。
3. 涡轮增压对转速的影响：实验结果显示，在相同负荷下，涡轮增压状态下的转速略高于关闭涡轮增压状态。
这是由于涡轮增压能够提高进气量，使发动机在相同负荷下达到更高的转速。
基于涡轮蜗杆效率的研究及控制系统仿真
基于涡轮蜗杆效率的研究及控制系统仿真周全;白国振;熊友;顾凯凯【摘要】设计了一套基于涡轮蜗杆的性能试验台,通过一系列实验准确测量出涡轮蜗杆的传动效率.并在此基础上建立控制系统数学模型,对控制系统进行仿真.%This paper designs a test bench of performance test based on the worm gear, through a series experiments and measure the transmission efficiency of worm gear accurately. Based on this, this paper establishes the control system mathematical modeling to simulate the control system. The actual experiments shows that the precision meet the requirements, and the system is stable and reliable.【期刊名称】《计算机系统应用》【年(卷),期】2012(021)007【总页数】5页(P60-64)【关键词】涡轮蜗杆;效率;控制系统仿真;数学模型;系统稳定性【作者】周全;白国振;熊友;顾凯凯【作者单位】上海理工大学机械工程学院,上海200093;上海理工大学机械工程学院,上海200093;上海理工大学机械工程学院,上海200093;上海理工大学机械工程学院,上海200093【正文语种】中文1 引言当前齿轮减速器在各行各业中的应用十分广泛，是一种不可缺少的机械传动装置，但减速器普遍存在着体积大、重量大，或者传动比大而机械效率过低的问题。
国外的减速器，以德国、丹麦和日本处于领先地位，特别在材料和制造工艺方面占据优势，减速器工作可靠性好，使用寿命长，但其传动形式仍以定轴齿轮传动为主，体积和重量问题，也未解决好。
涡轮增压器压气机级性能仿真预测研究
高 实物 增压 器 配机过 程 的效率 与 成功率 。 本 研 究 进 行 了涡 轮 增 压 器 压 气 机 级 建 模 及 分 析 ， 气机 模 型选用 安 装 有 叶扩 压 器 及 蜗壳 的整 机 压 模型 ， 完整 体现 涡轮 增压 器 的结构 ， 并分 析 了不 同模 拟 方法 对最 终模 拟 结 果 的影 响 ， 定 增 压器 压 气 机 确
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图 ７ 静压截面云 图
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２１ ０ １年第 ６ 期
转速下 计算 一系列 不 同流量计 算点 。每 条工况线 在
确定 喘振点 时 ， 若计 算残 差 收敛 曲线 出现扰 动 ， 出 进
口流量 、 比及效 率收敛 曲线 不为恒 值 ， 压 出现周期 性
波动 ， 由此 可判 断该流量 下压气 机 出现 了喘振 现象 ， 相对应 的计 算流 量 即为该转 速下 的喘振 流量 点 。对 实物样 机 在 台架 上 进行 了压 气 机特 性 试 验 ， 对试 验
图 ３ 压 气 机 级 三 维 网格
数据 与仿 真计算 结果进 行 了 比较 （ 图 ４及 图 ５ 。 见 ）
１３ 边 界 界 面 条 件 的 检 索 及 设 定 ．
压气 机级 网格 制 作 完 成 后 ， Ｉ ｇ中进 行 网格 在 ｇ
边 界条件 的设 定 ， 后 进行 网格 质 量检 查 。本 研 究 最
随着 Ｃ Ｄ仿 真技 术 的迅猛 发展 ， 压器 性能 预测 技 Ｆ 增 术 有 了长 足 的发展 ， 压 器 的配 机 过 程 已从 传 统 的 增 单 一试 验验 证 向预测 分 析结合 试 验验证 转 变 。在 增 压 器性 能 预测 中 ， 确 的压 气 机 级 性 能 预测 是 关 键 准
涡轮增压器内部流场仿真与性能优化
涡轮增压器内部流场仿真与性能优化涡轮增压器是一种常见的发动机增压系统，通过利用废气能量驱动涡轮来增加进气量，并提高发动机的功率输出和燃烧效率。
在涡轮增压器的设计和优化过程中，内部流场的仿真和性能优化是非常重要的一环。
内部流场的仿真是指通过计算流体力学（CFD）方法对涡轮增压器内不同工况下的流动进行模拟和分析。
通过仿真可以获得流速、压力、温度等关键参数的分布情况，深入了解涡轮增压器内部的复杂流动现象。
同时，仿真还能够帮助设计师分析和评估不同设计参数对性能的影响，为优化设计提供重要参考。
在涡轮增压器内部流场的仿真中，需要考虑一系列的物理现象，如涡旋流、回落流、湍流等。
而为了准确模拟这些现象，仿真过程中需使用合适的数值模型和边界条件。
例如，通过选择适当的湍流模型，可以更精确地模拟湍流的能量传递和涡旋的生成与消散。
同时，设置合适的边界条件也是保证仿真结果准确性的关键。
在完成涡轮增压器内部流场的仿真后，就可以进行性能优化的工作。
性能优化的目标是通过调整设计参数，改进涡轮增压器的流动特性，提高其效率和性能。
基于仿真结果，可以通过参数敏感度分析和多目标优化等方法，确定最佳设计方案。
例如，可以调整涡轮叶片的几何形状、降低流阻损失、提高涡轮的转动效率等。
涡轮增压器内部流场的仿真和性能优化对于发动机的性能提升具有重要意义。
通过优化设计，可以使涡轮增压器在各种工况下都能够实现高效、稳定的运行。
同时，性能优化还能够减少发动机的能耗和排放，并提高其可靠性和使用寿命。
然而，要实现涡轮增压器内部流场的仿真和性能优化并不是一件容易的事情。
这涉及到复杂的流动现象和数值计算方法，需要设计师具备扎实的理论基础和丰富的经验。
同时，仿真计算的时间和资源消耗也是一个挑战，需要设计师在保证准确性的前提下，尽可能地提高计算的效率。
总结一下，涡轮增压器内部流场的仿真与性能优化是提高发动机性能的重要手段之一。
通过仿真和优化，可以深入了解涡轮增压器内部流动的特性，并改进设计以提高其性能。
基于amesim涡轮增压器试验台恒温恒压供气控制系统仿真研究
精度为490±10 kPa 的要求。在此基础上利用PID控制器进行校正及优化分析。仿真结果表明，该控制系统能够满足出口压
力恒定的要求。
关键词：恒压控制系统；AMEsim；PID;动态特性；出口压力
中图分类号:U 461
文献标志码:粤
文章编号：员园园圆原圆猿猿猿（圆园员9）11原园018原园4
Simulation Research of Constant Temperature and Pressure Air Supply Control System
本文主要对供气设备控制系统进行如下分析。 1 涡轮增压器试验台恒温恒压供气控制系统的组成及 原理分析 1.1 基本组成
供气设备由空气供气及恒压控制系统、空气加热及 温度控制系统、PLC电气控制系统构成。每个部分之间由
对应的管道及电缆 连接，如图1所示。
1）恒压控 制
管道
空气供气及恒压
空气加热及温度
电缆
of Based on AMESim Turbocharger Test Bench LIU Yuting
(School of Mechanical, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)
Abstract:This paper introduces the basic composition and working principle of the constant temperature and constant pressure air supply control system for turbocharger test bench. The AMESim simulation model of the constant pressure air supply control system is established using PCD pneumatic element library, and the model parameters are set. The dynamic characteristics of the outlet pressure are simulated and analyzed to ensure that the control system meet the requirements of the outlet absolute pressure and accuracy of 49 010 kPa. On this basis, the PID controller is used for correction and optimization analysis. Simulation results show that the control system can meet the requirement of constant outlet pressure. Keywords: constant pressure control system;AMESim; PID;dynamic characteristics of outlet pressure
基于DRL的可变几何截面涡轮增压器控制及仿真分析
Category Number：Level of Secrecy：Serial Number ： Student Number：52160404119Master's Dissertation of Chongqing University ofTechnologyControl and Simulation Analysis of Variable Geometry Turbocharger Basedon DRLPostgraduate: YangJieSupervisor: Professor Chengguang LaiDegree Category: Professional DegreeSpecialty: Master of Engineering（Vehicle Engineering）Research Direction: Vehicle Body Design andAerodynamicsTraining Unit: Vehicle EngineeringInstituteThesis Deadline: March 25, 2020Oral Defense Date: June 9, 2020摘要摘要涡轮增压有“涡轮迟滞”的问题，可变几何截面涡轮增压器（Variable Geometry Turbocharger，VGT）是解决“涡轮迟滞”的一个好方法，但配备VGT的柴油发动机的升压控制很困难，主要是因为它与废气再循环（Exhaust Gas Recirculation，EGR）系统紧密耦合，同时还因为发动机气体交换系统的输入和输出时间延迟会导致较大的滞后。
传统上VGT是由比例-积分-微分控制器（Proportion Integration Differentiation，PID）进行控制的，PID控制会出现超调和跟随性差等问题。
为解决上述问题，本文将擅长解决各种Atari游戏和棋盘游戏的深度强化学习（Deep Reinforcement Learning，DRL）算法运用到VGT的控制中。
涡轮增压汽油机进气系统建模与控制
涡轮增压汽油机进气系统建模与控制涡轮增压汽油机进气系统建模与控制导言在当今汽车工业的快速发展之下，涡轮增压汽油机已经成为了一种被广泛应用的动力系统。
涡轮增压技术通过增加发动机的进气量，提高了功率和扭矩输出，同时还能降低燃油消耗和排放。
然而，要想实现对涡轮增压汽油机的高效控制，建模与控制技术显得尤为重要。
一、涡轮增压汽油机进气系统建模1.1 涡轮增压器的作用涡轮增压器是涡轮增压汽油机进气系统的核心组件之一。
它通过利用发动机排出的废气的动能，驱动涡轮转动，进而带动压缩机工作，提高进气量和压力。
1.2 进气流量建模为了准确描述涡轮增压汽油机的进气系统工作特性，需要对进气流量进行建模。
进气流量受到多种因素的影响，包括环境气压、环境温度、涡轮增压器工作特性以及节气门的开度等。
1.3 涡轮增压器特性建模涡轮增压器的工作特性对于进气系统的性能有着至关重要的影响。
通过建立涡轮增压器的特性曲线，可以更好地了解其在不同工况下的压比、效率、压力损失等参数。
这些参数对于进一步优化增压系统至关重要。
1.4 压缩机特性和进气道特性建模在涡轮增压系统中，压缩机的特性和进气道的特性也需要进行建模。
压缩机特性包括压比-流量曲线、效率-流量曲线等，这些特性直接影响着进气量和压力。
进气道特性则是描述进气管道的阻力和流量分布情况，对于进气系统的响应速度和动态特性有着重要的影响。
1.5 进气系统建模的综合分析通过对涡轮增压汽油机进气系统的各个组件进行建模，可以综合分析系统的整体性能，并对不同工况下的性能进行预测和优化。
这些模型可以为进气系统的控制策略提供指导，实现对涡轮增压汽油机的精准控制。
二、涡轮增压汽油机进气系统控制2.1 传统PID控制策略传统的PID控制策略在涡轮增压汽油机的进气系统控制中得到了广泛应用。
通过对实际数据进行反馈控制，可以使进气量和压力更好地跟踪期望值，提高系统的响应速度和稳定性。
2.2 基于模型的控制策略基于模型的控制策略在涡轮增压汽油机进气系统控制中也具有重要的地位。
CAE仿真技术在涡轮增压器产品设计中的应用
CAE仿真技术在涡轮增压器产品设计中的应用涡轮增压器是一种用于增加内燃机功率输出的装置，通过给予发动机更多的空气，实现提高燃烧效率和输出功率的目的。
在涡轮增压器的设计过程中，CAE（计算机辅助工程）仿真技术发挥了重要作用，能够帮助工程师更准确地预测产品性能和优化设计方案，加快产品研发周期，降低成本，提高产品质量。
在涡轮增压器产品设计中，CAE仿真技术主要应用在以下几个方面：1.流场分析：涡轮增压器内部气流对性能起着关键作用，流场分析能够帮助工程师分析气流流动状态、速度分布、压力分布等情况，预测涡轮增压器的性能指标如效率、压缩比等。
通过CFD（计算流体力学）仿真技术，工程师可以快速准确地模拟涡轮增压器内部流动情况，优化设计参数，提高性能。
2.结构分析：涡轮增压器在工作时承受着高速旋转、高温高压等复杂工况，结构分析能够帮助工程师评估涡轮增压器叶轮、轴承、壳体等结构的强度、刚度、疲劳寿命等性能，确保产品在使用过程中具有足够的安全性和可靠性。
有限元分析（FEA）技术可以模拟产品在各种工况下的受力情况，为工程师提供设计改进的依据。
3.热传递分析：涡轮增压器在工作时会产生大量热量，热传递分析能够帮助工程师评估涡轮增压器各组件的温度分布、散热效果等情况，防止因高温导致组件失效或性能下降。
通过热仿真技术，工程师可以对不同的方案进行比较，选择最优的散热设计。
4.噪声振动分析：涡轮增压器在工作时会产生各种噪音和振动，影响产品的舒适性和可靠性。
CAE仿真技术能够帮助工程师预测涡轮增压器在不同工况下的噪声、振动情况，找出产生噪声和振动的原因，并采取相应措施进行改进。
以上是涡轮增压器产品设计中CAE仿真技术的主要应用方面，通过利用这些技术，工程师可以更准确地预测产品性能，加快设计优化过程，提高产品质量和竞争力。
随着科学技术的不断进步，CAE仿真技术将在涡轮增压器设计领域发挥越来越重要的作用，为涡轮增压器制造商带来更多的发展机遇。
可变几何涡轮增压器的研究与设计
题目可变几何涡轮增压器的研究与设计可变几何涡轮增压器的研究与设计摘要：普通发动机在低速时不能产生所期望的高增压压力。
普通涡轮增压器与车用柴油机的匹配，在实际应用中主要存在问题为：低速转矩不足；低速和部分负荷时经济性差；起动、加速性能差；瞬态响应性迟缓；冒烟严重。
对可变几何涡轮增压器(VGT)展开研究，可以解决常规涡轮增压柴油机存在低速转矩不足、部分负荷经济性差以及瞬态响应迟缓等问题这些问题对发动机都有着十分重大的意义，如果将解决了这些问题，对发动机性能的提升将会是十分巨大的，这也正是可变几何发动机的巨大潜力所在。
增压器的设计内容复杂，一般方法需要梳理和总结。
本文系统总结增压器设计的一般方法，利用这些方法和国家标准设计出可变几何涡轮增压器的各个参数。
关键词：增压器；涡轮增压器设计；可调喷嘴环控制；可变几何涡轮增器（VGT）；The variable geometry turbocharger research and designAbstract：Ordinary turbocharged system exist many problems; engine speed cannot produce expected high pressurization pressure. Specific to ordinary turbocharger and automotive diesel engine matching, in actual application the main existing problems is: low torque is insufficient;Low Performance in the partial load moment; Startup, acceleration performance is poor; The transient response large delay;Smoked excessively Research for variable geometry turbochargers (VGT), which can solve the existing conventional turbocharged diesel engine torque insufficiency at low speed, part load performance is poor, and slow transient response etc. These problems in engine are very important sense, if will solve these problems, the ascension of engine performance will be improve largely, and this is why variable geometry engine in the huge potential.The general method of turbocharger design, requires to comb and to summarize. This paper summarizes the general method of turbocharger design. Design the various parameters of the variable geometry turbocharger, by of these methods and national standard.Keywords: supercharger; Turbocharger design; Adjustable nozzle ring; Variable geometry turbochargers（VGT）;目录摘要及关键词 (I)Abstract and keywords (I)1 绪论 (1)1.1增压技术以及主要的增压类型 (1)1.2涡轮增压器的发展现状 (2)1.2.1 涡轮增压器历史 (2)1.2.2 现今车用涡轮增压器的特点 (3)1.2.3 车用涡轮增压器零部件改动与革新 (4)1.3传统涡轮增压器与可变几何涡轮增压器 (5)1.3.1 传统涡轮增压器的问题 (5)1.3.2 解决这些问题曾经采用过的方法 (6)1.3.3 可变几何涡轮增压器 (7)1.3.4 可变几何涡轮增压器的优势 (9)1.3.5 可变几何涡轮增压器的国内外研究现状： (9)1.4本文研究内容 (11)2 一般径流涡轮增压器的设计方法 (12)2.1设计思路 (12)2.1.2 径流涡轮增压器基本工作原理 (12)2.2静子初步设计 (13)2.2.1 涡壳 (13)2.2.2 导流叶片 (15)2.2.3 叶轮设计 (17)2.2.4 叶轮进口设计 (18)2.2.5 比转速在设计中的应用 (23)2.2.6 本章小结 (25)3 涡轮增压器和发动机的匹配 (26)3.1常规涡轮增压器与发动机的匹配 (26)3.1.1 发动机与涡轮的匹配 (26)3.1.2 压气机与涡轮的匹配 (26)3.1.3 发动机与增压器的匹配 (27)3.2VGT与发动机的匹配要求 (27)3.3可变喷嘴环和发动机匹配 (28)3.4本章小结 (29)4涡轮增压器设计 (30)4.1设计基本初始数据 (30)4.2涡轮轮径与原始最大叶高的选择 (30)4.2.1 涡轮进气参数的确定 (30)4.2.2 轮径的算选与确定............................................ 31 4.3 涡轮叶片按高度分档的方案选择 ................................... 32 4.4 叶片扭曲规律的选择 ............................................. 34 4.5 叶栅设计与叶片造型 ............................................. 34 4.5.1 沿叶高各截面叶栅的设计...................................... 34 4.5.2 导叶和动叶数目的选取........................................ 35 4.5.3 叶片各截面轴向宽度B 的选取.................................. 35 4.5.4 攻角和落后角的选取.......................................... 36 4.5.5 叶形进、出气半径1r 和2r 的选取 ................................ 36 4.5.6导叶径向线的选取 ............................................ 36 4.6 涡轮叶片的强度计算 ............................................. 36 4.7 本章小结 ....................................................... 38 5 总结与结论 ......................................................... 38 6 结束语 ............................................................. 39 参考文献 ............................................................. 41 附件1 实习报告附件2 柴油机外形图(CAD, 1#) 附件3 涡轮涡壳(CAD, 3#) 附件4 涡轮叶片(CAD, 3#)符号说明A 面积，m2B 叶栅轴向宽度，mC 压气机D 直径，mE 杨氏模量，PaF，f 截面积，m2G 质量流量，kg/m3J 热功当量，W/m2·KH 绝对总焓，JL 高度或长度，mM 马赫数P压力，NQ 热通量，w/m2Re雷诺数T 绝对温度，Ka 音速，m/sb 叶形的弦长，mc 比热；绝热流速，m/sg 重力加速度，m/s2h 焓，Ji进气攻角，n 转速，rpmn g比转速，P压强，J/kgr 半径，ms 熵，J/Kt 栅距，m2u 圆周速度，m2/sv比容，kJ/kg·°C，w 相对速度z 叶片数希腊文ω每秒钟转速，rad/mη效率α绝对气流角β相对气流角π增压比或膨胀比ρ密度，kg/m3ξ损失系数θ导风轮叶片张角λ速度比γ比重ν运动粘性系数，m2/sμ动力粘性系数，kg/m·s 上角标* 滞止度“_”表示流面微分下脚标ax 轴向ad 绝热状态C 压气机cr 临界状态mean 平均值max 最大min 最小n 法向o 进口状态P 定压；叶栅压力s 等熵，叶片吸力面t 顶部T 涡轮v 定容ω表示相对坐标0 涡轮进口状态1 涡轮导叶出口2 涡轮动叶出口1 绪论1.1增压技术以及主要的增压类型增压的主要作用就是提高发动机进气量，从而提高发动机的功率和扭矩，让车子更有劲。
变截面涡轮增压器控制系统仿真研究
系数 # 摩擦损失扭矩
!+ 有如下关系 !!+ ’$%#"!+ &""+ ’$%#"!+ &# 根据涡轮
特性曲线 "将两组曲线整理成二维数组存放在计算 机内存中 " 给出涡轮的转速 # 和流量 !+ " 即可得出 涡轮的膨胀比 !+ 和效率 "+ # 由 !+ $"+ $#$!+ 和 ’) " 根据牛顿定律 " 可求出涡轮所发出的扭矩 (+ " 即 %% & (+ ) )* $ !+ *’) "+ #"(%" + !+ & $ !# $(" 式中 " * 为气体常数 ’" 为等熵指数 ’’) 为燃烧室出
又由于增压器系统的时滞特性 $引入时间延迟 环节 6 !" ("*& " 利用 -./0.1 中的 23’4 近似技术对时间延 迟系统进行更精确的线性化 # 图 # 中不但有输入和输出端子 $此外从控制系 统工具箱的 567896:; 库中取输入和输出端子连到 系统上 # 在 -./0.1 环境下得出非线性时间延 迟涡轮增压系统线性化模型传递函数 #
收稿日期 &’))%Z!)$)[
作者简介 & 杨 !"\%,1&] ? # 男 # 黑龙江工程学院汽车工程系助教 # 硕士 # 研究方向 & 电子控制技术 $
万方数据
第!期
杨龑虓等 ! 变截面涡轮增压器控制系统仿真研究
车用涡轮增压器离线仿真研究
ｏ仃＿ ｎ ｉ ｌ ｅ ｓｍｕｌ ｔｏ ｒ ａ ｅ ｃ ｏ ｅ ｈ ｃ ｅ ｔ ｒ ｏ ｈａ ｇ ｒ ｉ ａ ｉ ｎ ｅ ｓ ｒ ｈ ｎ ｖ ｃ ｉ ｌ ｕ ｂ ｃ ｒ ｅ
ＹＵ Ｈａ — ｈ ｏ ＨＡＯ Ｌ ｎ — ｉ ｇ ｎ ｃ ａ ，Ｚ ｏ ｇｑｎ
（ｏｌ ｅｏ ｃ ｉ ｒ ｄＴａ ｓｏｔｔ ｎ Ｓｕｈ ｅｔ ｏｅｔ ｎｖｒ ｔ， ｎ ｉ ５ ２ ４ Ｃ ｉａ Ｃ ｌ ｇ ｅ ｆＭａｈｎ ｙａ ｒｎｐ ｒ ｉ ， ｏｔｗ ｓ Ｆ ｒ ｒ Ｕ ｉ ｓｙ Ｋｕ ｍ ｎ ６ ０ ２ ， ｈｎ ） ｅ ｎ ａｏ ｓｙ ｅｉ ｇ
从 １６ ９ １年 人 们 开 始 尝 试 性 将 涡 轮 增 压 器 用 于 汽 车 开
始 ． 着 涡 轮 增 压 技 术 日趋 成 熟 ． 在 越 来 越 多 的 汽 车 开 始 随 现
使 用 涡轮 增压 技 术 。采 用 废 气 涡轮 增 压技 术 不 仅 可 以 大 幅 度 提 高 内 燃 机 的升 功 率 ． 且 对 降 低 内 燃 机 的 排 放 、 声 和 提 而 噪 高经 济 性 也 有 积 极 的 影 响 。 者 涡 轮 增 压 器 工 作 原 理 决 定 了 再 其 经 常 要 在 高 机 械 负 荷 和 高 热 负 荷 条 件 下 工 作 ， 际工 作 环 实
Ａ ｓｒｃ： ｈ ｏ ｅ ｎ ｕ ｓＬｎ ａ ｒｏｈ ｒｅ ａ ｒｓｎｅ ａｅ ｎＭａ ａ／ｉ ｕｉｋ ｔｅｓ ｌｔ ｎｏ ｒｏｈｒｅ ｂｔａ ｔＴ ｅｍ ｄ ｌ ｇ ｆ ａｉ ｉｅｒｕｂｃ ａｇｒ ｓ ｅｅ ｔ ｂ ｓｄｏ ｔｂＳｍ ｌ ，ｈ ｍｕａ ｏ ｔ ｂｃ ａ ｒ ｉ ｏＱ － ｔ ｗ ｐ ｄ ｌ ｎ ｉ ｉ ｆｕ ｇ
随 机 动 态 系 统 的 认 知 能 力 。
可变截面废气涡轮增压器控制系统数学建型
可变截面废气涡轮增压器控制系统数学建型作者：董霏方存光来源：《科技资讯》 2014年第35期董霏方存光（沈阳理工大学辽宁沈阳110159）摘要:废气涡轮增压技术是内燃机节能减排、提高升功率的重要途径之一。
该文针对特定结构可变截面废气涡轮增压器，采用解析法，建立了永磁直流电机数学模型、减速机构数学模型、复位弹簧扭矩模型、摩擦阻力力矩模型、四杆连接机构的数学模型，并在上述工作的基础上，基于牛顿第二定律，建立了可变喷嘴废气涡轮增压器控制系统数学模型，为可变截面废气涡轮增压器控制系统的结构设计、性能分析，控制律的设计奠定了理论基础。
关键词:可变截面废气涡轮增压器控制系统建模中图分类号:U464文献标识码:A文章编号:1672-3791（2014）12（b）-0081-01涡轮增压技术通过涡轮提高进气密度，在提高内燃机升功率及扭矩特性的同时，可降低柴油机油耗的16.4%，NOx的80％，微粒的90%，是今天民用内燃机节能环保的主要技术途径之一。
在国外，废气涡轮增压器在柴油机上的装机率达80％以上，正逐渐向汽油机领域普及，并由机械调压式废气涡轮增压技术向电动增压、可变喷嘴废气涡轮增压等新一代增压技术过渡。
在国内，增压技术同样受到内燃机厂家及整车厂的高度重视，如今95％的重型柴油机配置了机械调压式涡轮增压器[1]。
但由于内燃机排量越小，其对涡轮转动惯量引起的增压器响应滞后越敏感，增压技术在中小排量柴油机尤其是汽油机领域的装机率仍然较低，如2007年我国汽车产量达888.25万辆，而增压器销售量仅为200万台。
开发钛合金等轻质低转动惯量涡轮，采用电动增压、可变喷嘴废气涡轮增压等新一代增压技术成为目前解决机械调压式涡轮增压技术中响应滞后问题，促进增压技术向有巨大市场空间潜力的中小排量柴油机尤其是汽油机领域应用的有效途径。
可变喷嘴废气涡轮增压器根据内燃机不同转速下的最佳进气量需求，通过调节拨盘叶片的角度，改变废气气流对涡轮叶片的压力及方向，达到控制废气气流对涡轮叶片冲量矩的目的，以获得增压气流的目标压力，可使内燃机在全工况范围内与增压器实现最佳匹配，可以很好地克服传统机械调压式废气增压器由于涡轮转动惯量产生的时滞，带来内燃机启动困难，加速性差的问题，达到进一步节能减排的目的，是目前民用内燃机废气涡轮增压系统发展的主要方向。
满足多限定要求的两级增压系统瞬变过程的仿真方法研究的开题报告
满足多限定要求的两级增压系统瞬变过程的仿真方法研究的开题报告一、研究背景和意义随着高速、高功率发动机的需求增加，涡轮增压发动机已成为现代汽车发动机的重要形式之一。
在设计涡轮增压系统时，必须考虑多种因素，如瞬变过程、稳态工作条件、发动机的工作特点等。
尤其是在涡轮增压发动机低速、低负荷工况下，出现的失速现象更是增加了系统设计的难度。
因此，涡轮增压系统瞬变过程的仿真研究成为了解决这些问题的关键。
本研究将针对涡轮增压系统的瞬变过程，结合多限定要求，研究一种高效的仿真方法，为涡轮增压系统的性能优化和设计提供参考。
二、研究内容（1）熟悉涡轮增压系统的基本原理和工作特点。
（2）对涡轮增压系统进行建模，包括流体力学模型和热传输模型。
（3）研究不同工况下涡轮增压系统的稳态工作特性，并对限制因素进行分析。
（4）基于ANSYS仿真软件，建立涡轮增压系统瞬变过程的仿真模型，刻画其瞬变过程。
（5）采用模拟退火方法优化模型参数，以获得最佳的涡轮增压系统设计方案。
三、研究方法和技术路线（1）研究方法：理论分析和实验仿真相结合的研究方法。
（2）技术路线：详细了解涡轮增压系统基本原理和工作特点建立涡轮增压系统的流体力学模型和热传输模型建立涡轮增压系统瞬态仿真模型，对其瞬变过程进行刻画采用模拟退火算法对系统进行优化四、预期成果本研究旨在研究一种高效的涡轮增压系统瞬变过程仿真方法，为涡轮增压系统的性能优化和设计提供参考。
预期成果包括：涡轮增压系统的稳态工作特性研究，为系统设计提供依据。
涡轮增压系统瞬态仿真模型的建立，为系统瞬变过程研究提供基础。
模拟退火算法的应用，优化涡轮增压系统设计方案。
五、研究计划（1）第一年：研究涡轮增压系统的基本原理和工作特点；建立流体力学模型和热传输模型；对不同工况下的系统稳态工作特性进行分析。
（2）第二年：基于ANSYS软件，建立涡轮增压系统瞬态仿真模型；对系统瞬变过程进行刻画并进行仿真分析。
（3）第三年：采用模拟退火算法，优化仿真模型参数，获得最佳设计方案；完成毕业论文的撰写。
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m2 =
"1 p2 1lsh 120RT2
5
式中 "1 为气缸充气效率 仅是发动机转速的函数 可由发动机台架实验测得 1 为 发 动 机 气 缸 排 压压力 T2 为增压温度 变
截面涡轮增压控制的根本目的是要根据发动机的 工作状态提供一定的进气量 发动机的进气量可在
Computer !imulation "evelopment of VGT #lectronic $ontrol %urbochargering %echnology
YANG Yan-xiao, ZHANG Jin-zhu
(heibbngjiang Institute bf Engineering, -arbin 150050, China)
Mc = 1 # 30 mc RT1 [!c "c $-1 !l
度
式 中 R 为 气 体 常 数 $ 为 等 熵 指 数 T1 为 环 境 温
1.2 涡轮模型
涡轮的质量流量 mI 效率 %I 转速 l 和膨胀比
系数 摩擦损失扭矩
!I 有如下关系 mI =f l !I
"I =f l !I
根据涡轮
特性曲线 将两组曲线整理成二维数组存放在计算 机内存中 给出涡轮的转速 l 和流量 mI 即可得出 涡轮的膨胀比 !I 和效率 "I 由 mI " I l ! I 和 T 3
$-1 $
Mf =
pf 1 4!
7
4 发动机动力学模型
发动机转动的平衡方程
根据牛顿定律 可求出涡轮所发出的扭矩 MI 即
Mi -Mf -ML =
式中 ML 为负载扭矩
sh
sh
MI = 30 $ mI RT3 "I [1- 1 / !I ] 2 !l $-1 式中 R 为气体常数 " 为等熵指数 T3 为燃烧室出
$S
!" S(t) !"
!"# !"# !"#
! ! !
又由于增压器系统的时滞特性 a引入时间延迟 环节 (" =0.3 ) 利用 MATLAB 中的 Pade 近似技术对时间延 迟系统进行更精确的线性化 O 图 2 中不但有输入和输出端子 a此外从控制系 统工具箱的 Simulink 库中取输入和输出端子连到 系统上 O 在 MATLAB 环境下得出非线性时间延 迟涡轮增压系统线性化模型传递函数 O
第 19 卷 第 1 期 2005 年 03 月
黑龙江工程学院学报 ! 自然科学版 $
Journal of -eilongjiang Institute of Technology
Vol.19, No.1 MAR., 2005
文章编号 !1671-4679 (2004)04-0044-04
变截面涡轮增压器控制系统仿真研究
$-1 $
6
发动机转速和燃空
可由台架实验测得 mf 为单位时间喷入
气缸内的燃油量 HLHV 为燃油低热值
3 摩擦扭矩 本文不考虑复杂的摩擦扭矩模 -1] 1
型 只采用一个反映平均摩擦压力与转速间函数关 系的经验公式
2 pf =c+ 48l +0.4sp 1000 式中 p f 为平均摩擦压力 s p 为活塞平均速度 c 为
杨龑虓 ! 张金柱
! 黑龙江工程学院 汽车工程系 " 黑龙江 哈尔滨 150050# 摘要 ! 电控变截面涡轮增压系统 ! 可充分利用柴油机的废气能量 ! 克服常规增压存在的低速扭矩不足 " 瞬态响应迟缓等问题 ! 能在不改变高转速性能的同时 ! 改善低速性能 # 以涡轮增压柴油机为研究对象 ! 在 MATLAB / SIMULINK 仿真环境下建立电控可变喷嘴涡轮增压柴油机的动力 学 模 型 ! 对 电 控 变 截 面涡轮增压柴油机的低速性能 " 控制方法进行研究 $ 关键词 ! 变截面涡轮增压 % 电子控制 % 动态仿真 中图分类号 !U464.135 文献标识码 !A
式中 "i 为发动机指示热效率 比的函数
" c =f l ! c
根据
增压器生产厂家提供的压气机特性曲线 可将这两 组曲线整理成二维数组存放在计算机内存中 给出 压气机的转速 l 和 mc 流量 即可得出压气机的压 比 !c 和效率 "c 由 !c mc "c l 和 T1 根据牛顿定 律 可求出压气机消耗的扭矩 Mc 即
口燃气温度
1.3 增压器动力学模型
废气对涡轮所做的功一部分用于压气机压缩空 气 另一部分则消耗于摩擦损失 不计散热损失 得增压器转子扭矩的平衡方程
MI -Mc -Mf =
Ic
! dlIc 30 dI
2
3 4
Mf =c1 lIc +c2 lIc
式中
Ic
为增压器的转动惯量 c1 c2 为摩擦系数
!.4 发动机模型 1 发动机流量 忽略残余废气系数 进入气缸
0
引言
常规涡轮增压普遍存在着低速转矩不足 a瞬态
器等改进措施 a 其结构见图 1O 在各种改进方法中 a 采用可变喷嘴涡轮增压器的方法对增压器和内燃 机性能的改善最明显 O 可变喷嘴涡轮的喷嘴环叶片 通过机械连杆机构与操纵环相连 a 操纵环通过一个 轴与涡轮壳外的曲柄相连 a 转动曲柄 a 带动操纵环 旋转 a 从而使喷嘴环叶片绕各自的轴心同时旋转 O 改变喷嘴环叶片的角度 a 进而改变涡轮进口的流通 截面面积 O 发动机低速时 a减小喷嘴环开度 a则涡轮 进口截面面积减小 a 废气流出速度相应提高 a 增压 器转速上升 a 压气机出口压力增大 a 从而使发动机 进气量增加 S 发动机高速时 a 增大喷嘴环开度 a 涡轮 进口截面积增加 a 废气流出速度减小 a 增压器转速
tc
表 1 稳定边界法 !"# 整定公式
K"
PID 0.6Km
TI 0.5#2pi/#m
TD 0.125#2pi/#m
c2 =0.2a有 MTC -0.3ntc -0.2ntc =0.5
-!S 2
用 MATLAB 编写求解 PID 控制参数程序 a程
dntc dt
序执行时 a 先画出根轨迹 (见图 3)a并提示用户在 图形窗口中选择根轨迹上的一点 a 此时将十字光标 放在根轨迹与虚轴的交叉点上并单击 a 得到结果 O 并求得 PID 控制参数 :Kp=0.52549ki=0.31879kd=
1nsh = 1.2 ! S S sh 30
(12)
涡轮增压柴油机系统的动力学传递函数
G (S )=
-2.4 (s-6.667) s (s+6.667 )(s+2.6)
(13)
Ttg =Ttgs
p2 p2S
(9 )
3
电控变截面涡轮增压柴油机 PID 控制系统仿真
当置 PID 调节器的 TI 等于无穷 ~TD 等于零时 a
0.2165 O 3.2 电控变截面涡轮增压柴油机控制系统的组成
采用可变喷嘴涡轮增压器的优势是可以在各 种工况下自由控制发动机的进气压力 a 从而控制进
图 3 涡轮增压系统闭环根轨迹
转速
图 2 涡轮增压时间延迟系统的 simulink 表示
!" 油门 MAP
(k)+ r(k)
$p(k) PID !" !"
式 中 ap 2 为 增 压 压 力 9T tgs 为 稳 态 工 况 有 效 扭 矩 9
p2S 为稳态工况增压压力 9Ttg 为发动机有效扭矩 O
3.1 稳定边界法的 PID 控制器设计
增加 Kp 值直至系统开始振荡 a此时系统闭环极点 应在复平面的虚轴上 a 确定系统闭环根轨迹与虚轴 交点 a求出交点的振荡角频率 #m 及其对应的系统 增益 Km a 则其 PID 调节器参数整定计算公式如表
2
涡轮增压柴 油 机 系 统 的 动 力 学 传 递函数
设 增 压 器 的 有 效 扭 矩 为 M TC =M t -M c a 由 式
2.1 增压器的动力学传递函数
(3)~(4) 有
1 所示 O
2
! dntc (10) 30 dt 代入增压器转动惯量 tc =4.77 和摩擦系数 c1 =0.3a MTC -c1 ntc +c2 ntc =
响应性差 a加速冒烟 a 冷起动困难等缺陷 O 这是由于 涡轮增压器和柴油机匹配时 a 由于活塞式发动机和 叶片式增压器的气体流通特性不同 a它们只能在一 定工作范围内有最佳的匹配性能 O 而车用柴油机负 载和转速变化频繁 a 在整个工作范围内 a 要求涡轮 增压器与柴油机有良好的匹配 a对于常规内燃机增 压匹配点选在额定工况的发动机来说 a 是不可能 的 O 为改进增压器的性能 a 人们采用了减小增压器 转动惯量 a 加废气放气阀 a 采用可变喷嘴涡轮增压
GTc (S )=
-2s+13.33 2 s +9.267s+17.33
(11)
2.2 发动机的动力学传递函数 式 (8 )中 !令 :Ttg =Mi -Mf 为发动机的有效转矩 9
负载扭矩 ML =0a 代入转动惯量
sh
=7.96 O 所以发
动机的有效转矩动力学传递函数为 :
Gtg (S)=
nsh = Ttg
收稿日期 12004-10-08
作者简介 1 杨 !"(1973~ ) a 男 a 黑龙江工程学院汽车工程系助教 a 硕士 a 研究方向 1 电子控制技术 O
第!期
杨龑虓等 变截面涡轮增压器控制系统仿真研究
$"#$
减小 从而将增压压力控制在一定范围内 防止增 压过量 在加速时 ,通过调节喷嘴环开度 也可以在 短时间内提供足够的进气量 改善其加速性能 在 发动机上采用可变喷嘴涡轮增压器 用步进电机作 为电子控制系统的执行器 通过一个连杆与增压器 涡轮的操纵环调节曲柄相连 电控系统采集发动机 的油门开度 增压压力 进气温度和发动机转速等 信号 根据发动机工作工况的不同 采用不同的控 制策略驱动步进电机调节喷嘴环的开度到相应的 最佳位置