路海波++方存光

摘 要：文章針對(duì)目前內(nèi)燃機(jī)行業(yè)快速發(fā)展的可變噴嘴廢氣渦輪增壓技術(shù)，從其控制系統(tǒng)方面闡述了國外霍尼韋爾國際公司、美國通用汽車公司及日本石川島播磨重工業(yè)公司可變噴嘴廢氣渦輪增壓技術(shù)特點(diǎn)，以及清華大學(xué)、北京理工大學(xué)在可變噴嘴廢氣渦輪增壓技術(shù)方面做了嘗試，指出可變噴嘴廢氣渦輪增壓技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)節(jié)能減排方面具有比傳統(tǒng)廢氣渦輪增壓器更為廣闊的空間，是目前增壓技術(shù)的發(fā)展方向，其研發(fā)對(duì)促進(jìn)我國增壓器行業(yè)的升級(jí)具有重要意義。

關(guān)鍵詞：可變噴嘴廢氣渦輪增壓技術(shù) 控制系統(tǒng) 綜述

中圖分類號(hào)：U464 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）12（b）-0084-01

傳統(tǒng)機(jī)械式廢氣渦輪增壓器由于渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的存在，瞬態(tài)響應(yīng)差，可變截面渦輪增壓器（VGT）可以很好克服上述問題，達(dá)到進(jìn)一步節(jié)能減排的目的，是目前民用內(nèi)燃機(jī)廢氣渦輪增壓系統(tǒng)發(fā)展的主要方向。

1 國外VGT增壓器控制系統(tǒng)發(fā)展概況

國外在VGT增壓器控制系統(tǒng)的研究與創(chuàng)新方面一直處于領(lǐng)先地位，美國、德國、日本等都已經(jīng)開發(fā)了多種典型實(shí)用的可變噴嘴渦輪增壓器控制系統(tǒng)。

上個(gè)世紀(jì)霍尼韋爾國際公司Honeywell[1]，該系統(tǒng)主要由噴嘴葉片執(zhí)行器、PCM閥、真空泵、控制單元和傳感器及各種儀表組成。噴嘴葉片執(zhí)行器采用膜片式負(fù)壓執(zhí)行器，執(zhí)行器由安裝于發(fā)電機(jī)后端的真空泵提供動(dòng)力。在執(zhí)行器與真空泵中間安裝有PCM閥，用來控制執(zhí)行器負(fù)壓大小。控制單元根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器信號(hào)向PCM閥發(fā)出控制信號(hào)，通過改變PCM閥開啟和關(guān)閉的時(shí)間比來調(diào)節(jié)由真空泵產(chǎn)生的負(fù)壓，從而控制噴嘴葉片角度。該控制系統(tǒng)以增壓壓力為控制目標(biāo)參數(shù)，為了提高非穩(wěn)態(tài)工況下系統(tǒng)的穩(wěn)定性和平滑性，采用有前饋的PI控制算法：將發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工況下由轉(zhuǎn)速和負(fù)荷所決定的噴嘴開度負(fù)載比值做為前饋，加入PI控制算法中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)PCM閥的控制。

美國GM公司也開發(fā)了一種用于汽油機(jī)的VGT控制系統(tǒng)[2]。該系統(tǒng)由執(zhí)行器、電子壓力調(diào)節(jié)器（EPR）、電子真空調(diào)節(jié)器（EVR）、電控單元和傳感器組成。系統(tǒng)膜片式壓力執(zhí)行器與以往膜片式執(zhí)行器不同之處在于執(zhí)行器氣室被膜片一分為二，且膜片同時(shí)受來自于節(jié)氣門后壓氣機(jī)前的進(jìn)氣歧管和增壓后的進(jìn)氣歧管兩個(gè)氣室壓力，該壓力差推動(dòng)膜片驅(qū)動(dòng)噴嘴環(huán)葉片旋轉(zhuǎn)，以保證氣動(dòng)執(zhí)行器在各種工況下都能有效克服來自噴嘴拉桿的阻力。另外，兩個(gè)氣室中的壓力又分別受EPR和EVR的控制。其控制策略是先制出穩(wěn)態(tài)工況增壓壓力控制MAP圖并存儲(chǔ)于ECM中，把當(dāng)前增壓壓力與ECM中的目標(biāo)增壓壓力進(jìn)行比較，電子控制包根據(jù)差值調(diào)節(jié)控制信號(hào)，使執(zhí)行器動(dòng)作進(jìn)而實(shí)現(xiàn)增壓壓力的優(yōu)化控制。

此外，日本石川島播磨重工業(yè)公司還將模糊控制應(yīng)用于裝有VNT增壓器的六缸柴油機(jī)上采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器，并取得了很好的控制效果[3]。

2 國內(nèi)VNT增壓器控制系統(tǒng)研究狀況

國內(nèi)在VNT增壓器的研究方面稍落后于國外，從事這方面研究的單位很少，其中清華大學(xué)、北京理工大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等高校在VGT控制系統(tǒng)方面做了一些工作。

1995年，北京理工大學(xué)王軍秋等人研制了一種VGT控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由電控單元ECU、渦輪截面開度執(zhí)行器（力矩電機(jī)）、傳感器及控制對(duì)象J6110Z柴油機(jī)等組成[4]。系統(tǒng)接受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、壓氣機(jī)端增壓壓力、渦輪端噴嘴葉片執(zhí)行器位移等信號(hào)，通過一定算法，控制信號(hào)輸出到噴嘴葉片執(zhí)行器，改變噴嘴環(huán)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)角度，進(jìn)而控制渦輪噴嘴開度。

2000年，北京理工大學(xué)馬朝臣等人為J6110Z六缸柴油機(jī)匹配的VGT設(shè)計(jì)了一種機(jī)械式啟動(dòng)控制系統(tǒng)[5]。該增壓器的噴嘴環(huán)葉片位置由一根擺桿控制，采用杠桿原理，擺桿兩端分別為噴嘴環(huán)葉片和彈簧，擺桿中間與氣動(dòng)膜片執(zhí)行器推桿相連，通過彈簧拉力與氣動(dòng)執(zhí)行器膜片兩端壓力差的平衡來推動(dòng)噴嘴環(huán)葉片旋轉(zhuǎn)。渦輪增壓器的設(shè)計(jì)點(diǎn)選在標(biāo)定點(diǎn)，此時(shí)彈簧的拉力與作用于膜片上的壓氣機(jī)出口壓力相平衡。

清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，在大眾TDI發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了VGT控制系統(tǒng)的開發(fā)[6]，特點(diǎn)是：采用以步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行器，通過發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器和油門位置傳感器兩個(gè)信號(hào)查MAP圖，得到目標(biāo)增壓壓力，進(jìn)行PID控制。在穩(wěn)態(tài)工況時(shí)，采用隨可變噴嘴開度變化的PID控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)增壓壓力的良好控制。在瞬態(tài)工況時(shí)，采用不同于穩(wěn)態(tài)的PID參數(shù)并引入預(yù)測(cè)函數(shù)的控制方法，加強(qiáng)系統(tǒng)在瞬態(tài)工況時(shí)的響應(yīng)速度，并在研制的軟硬件系統(tǒng)上進(jìn)行了試驗(yàn)。

3 結(jié)語

可變噴嘴廢氣渦輪增壓技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)節(jié)能減排方面具有比傳統(tǒng)廢氣渦輪增壓器更為廣闊的空間，是目前增壓技術(shù)的發(fā)展方向，其研發(fā)對(duì)促進(jìn)我國增壓器行業(yè)的升級(jí)具有重要意義。國外經(jīng)過幾十年的技術(shù)積累，可變噴嘴渦輪增壓器無論是整體技術(shù)還是控制技術(shù)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)走在我國的前面，而我國對(duì)于可變噴嘴渦輪增壓器的研究僅僅處于理論研究階段。

參考文獻(xiàn)

[1] H·Ogawa，M·Hayash，M·Yashiro.重型貨車可調(diào)噴嘴渦輪增壓系統(tǒng)連續(xù)反饋控制的發(fā)展[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，1998（1）：9-15.

[2] Joseph F·Moody.Variable Geometry Turbocharging with Electronic Control[J].SAE Paper，860107.

[3] M.J.van Nieuwstadt，I.V.Kolmanovsky， P.E.Moraal.Coordinated EGR-VGT Control for Diesel Engines：an ExPerimental Comarison[J].SAE Paper 2000-01-0266.

[4] 王軍秋，王延生，劉毅，等.電控可變幾何渦輪增壓器與J6110Z柴油機(jī)匹配性能研究[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，1995（3）：6-10.

[5] 馬朝臣，吳中佐.渦輪調(diào)節(jié)方式對(duì)增壓柴油機(jī)匹配性能的影響[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào).2000，18（2）：165-167.

[6] J.B.Heywood.Internal combustion engine fundamentals[M].McGraw-Hill Book ComPany，1998.endprint