变截面涡轮增压器控制系统仿真研究

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
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
$-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
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
$S
!" S(t) !"
!"# !"# !"#
! ! !
Abstract: The Variable Geometry Turbocharger Electronic control System may take full advantage of the exhaust gas energy of Diesel Engine and get over the problem in general gained press Which is in short of Wrest rules in the time of loW speed and the transient response remains sloW. The diesel engine of Turbocharger is the object of research. We set up the dynamic model of the Variable Geometry Turbocharger Electronic control diesel engine in MATLAB and study its capability of loW speed and the means of control. Key words: VGT; electronic control; dynamic simulation
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
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
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=
的气体流量可按下式计算
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 量

lsh 为发动机转速 p2 为增压压力 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
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
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 =
! dlsh 30 dI
8
为发动机转动惯量
通常计算稳定工况时 将柴油机的燃烧过程作
.46.
黑龙江工程学院学报 ( 自然科学版 )
2005 年 3 月
为完全燃烧处理 O 但是在瞬态工况 a当负荷突然增 加时 a 缸内过量空气系数急剧下降 , 可能出现不完 全燃烧现象 O 因此计算瞬态工况时 a要考虑不完全 燃烧的情况 O 一般是将不完全燃烧的程度与过量空 气系数联系起来 a 然而究竟产生不完全燃烧的过量 空气系数的界限是多少 a至今尚无统一看法 O 从稳 态试验得到的转速 ~循环喷油量和有效扭矩关系数 据插值求得动态工况有效扭矩 a考虑到影响过量空 气系数的主要因素是油量和空气量 a油量由发动机 工况所决定 a 空气量的多少主要取决于增压压力 a 所以假定稳态工况有效扭矩与瞬态工况有效扭矩 的差别是由增压压力的差别引起的 a得到 :
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
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
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 !" !"
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
[1][2]
图 1 变截面涡轮增压器结构

1
涡轮增压柴油机系统模型描述
确定的发动机工况下 方法来控制进气量
根据增压压力和温度由式
1.1 压气机模型
压气机 的 质 量 流 量 m c 效 率 ! c 转 速 l 和 压 比 !c 有如下关系 mc =f l !c
5 估计进气量 因而也可以通过控制增压压力的 2 指示扭矩 指示扭矩按下式计算 30mf HLHV !i Mi = !lsh
收稿日期 12004-10-08
作者简介 1 杨 !"(1973~ ) Βιβλιοθήκη Baidu 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
$-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
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
Computer !imulation "evelopment of VGT #lectronic $ontrol %urbochargering %echnology
YANG Yan-xiao, ZHANG Jin-zhu
(heibbngjiang Institute bf Engineering, -arbin 150050, China)