張眾杰，劉瑞林，楊春浩，張君儀，焦宇飛

（1.陸軍軍事交通學(xué)院，天津 300161； 2.海軍工程大學(xué)，武漢 430000； 3.南開區(qū)新聞中心，天津 300161）

前言

增壓技術(shù)是改善柴油機(jī)高海拔性能最重要的技術(shù)手段之一。相比單級(jí)增壓系統(tǒng)，兩級(jí)增壓系統(tǒng)具有高壓比、寬流量的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效提高柴油機(jī)高海拔（＞3 000 m）各項(xiàng)性能指標(biāo)［1］。但兩級(jí)增壓系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的高海拔控制策略也更加復(fù)雜，既要保證柴油機(jī)穩(wěn)態(tài)工況下的動(dòng)力性，又要兼顧柴油機(jī)增壓壓力瞬態(tài)響應(yīng)特性。國(guó)內(nèi)外針對(duì)高海拔兩級(jí)可調(diào)增壓系統(tǒng)控制策略開展不同程度的研究，見表1。其中，并聯(lián)式WGT為兩個(gè)廢氣渦輪增壓器并聯(lián)；WGT＋WGT為兩個(gè)廢氣旁通式渦輪增壓器串聯(lián)；VGT＋WGT為一個(gè)可變截面渦輪增壓器與一個(gè)廢氣旁通式渦輪增壓器串聯(lián)。

Galindo等［2］針對(duì)0-2 000 m海拔發(fā)動(dòng)機(jī)工況波動(dòng)，建立并聯(lián)式WGT系統(tǒng)一維波動(dòng)模型，通過預(yù)測(cè)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)不同工況的平穩(wěn)過渡。劉系暠等［3］設(shè)計(jì)了WGT＋WGT系統(tǒng)，針對(duì)穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行了研究，提出了針對(duì)0-5 500 m渦輪旁通閥調(diào)節(jié)策略。李華雷等［4］為提高不同海拔下兩級(jí)可調(diào)增壓系統(tǒng)增壓壓力瞬態(tài)響應(yīng)特性，采用增量式閉環(huán)PID控制以防止積分飽和，歸一化參數(shù)整定法對(duì)PID參數(shù)整定，仿真表明：相比開環(huán)控制策略，該增量式閉環(huán)PID控制策略使柴油機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，超調(diào)量減小，海拔4 500 m響應(yīng)時(shí)間減少32.6%，柴油機(jī)與壓氣機(jī)聯(lián)合運(yùn)行線處于壓氣機(jī)MAP圖效率較高區(qū)，且遠(yuǎn)離喘振線。利奇［5］將海拔因素考慮進(jìn)兩級(jí)可調(diào)增壓系統(tǒng)的PI參數(shù)整定中，有效防止積分飽和，從穩(wěn)態(tài)工況抗干擾能力（脈沖信號(hào)和階躍信號(hào)）、瞬態(tài)工況下響應(yīng)時(shí)間和超調(diào)量等角度，分析比較了3種控制策略（開環(huán)控制、PI＋前饋的閉環(huán)控制、增壓壓力PI反饋控制）的魯棒性、準(zhǔn)確性和快速性。文獻(xiàn)［9］和文獻(xiàn)［10］中針對(duì)現(xiàn)有WGT＋WGT系統(tǒng)存在調(diào)節(jié)范圍較窄和控制方法過于復(fù)雜的問題，提出了面向高原的VGT＋WGT系統(tǒng)，以增壓壓力瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間最短為控制目標(biāo)，比較了瞬態(tài)工況下3種VGT葉片開度調(diào)節(jié)策略優(yōu)劣。

表1 高海拔兩級(jí)增壓可調(diào)增壓系統(tǒng)不同控制策略

以上文獻(xiàn)針對(duì)兩級(jí)可調(diào)增壓系統(tǒng)控制策略的研究均采用仿真手段，無法反映控制策略的有效性和真實(shí)性。同時(shí)，兩級(jí)增壓系統(tǒng)控制策略設(shè)計(jì)是一個(gè)需要綜合考慮海拔、增壓壓力、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)荷的多輸入多輸出的非線性控制問題，僅靠渦輪旁通閥控制難以實(shí)現(xiàn)變海拔全工況下排氣能量和膨脹比的有效分配［11］，無法全面提升柴油機(jī)高海拔性能指標(biāo)。鑒于此，本文中為某型柴油機(jī)匹配多閥兩級(jí)可調(diào)增壓器，設(shè)計(jì)了兩級(jí)增壓系統(tǒng)變海拔全工況控制策略，采用試驗(yàn)與仿真相結(jié)合的手段，分析比較了基于增壓壓力PID閉環(huán)反饋控制和基于渦輪旁通閥開環(huán)控制對(duì)增壓壓力瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間的影響。最后，提出了增壓壓力閉環(huán)反饋與渦輪旁通閥開環(huán)控制相結(jié)合的控制算法。

1 兩級(jí)可調(diào)增壓柴油機(jī)變海拔工作模型建立及驗(yàn)證

1.1 GT-POWER穩(wěn)態(tài)模型建立

利用GT-POWER建立兩級(jí)渦輪旁通閥可調(diào)增壓柴油機(jī)穩(wěn)態(tài)工作過程模型。模型主要包括氣缸模型、噴油器模型、曲軸箱模型、配氣機(jī)構(gòu)模型、高壓與低壓級(jí)增壓器和進(jìn)排氣管路模型等［12］，圖1所示為兩級(jí)可調(diào)增壓柴油機(jī)高海拔工作過程示意圖。采用韋伯模型來模擬缸內(nèi)燃燒，渦輪增壓器采用圖譜離散數(shù)據(jù)形式輸入，其中，兩級(jí)可調(diào)渦輪增壓系統(tǒng)包括3個(gè)旁通閥，即高壓級(jí)渦輪旁通閥、低壓級(jí)渦輪旁通閥和高壓級(jí)壓氣機(jī)旁通閥；高、低壓級(jí)渦輪旁通閥開度可自由調(diào)節(jié)，高壓級(jí)壓氣機(jī)旁通閥只有開和關(guān)兩種狀態(tài)。

圖1 兩級(jí)增壓柴油機(jī)高海拔工作過程示意圖

1.2 模型驗(yàn)證

兩級(jí)可調(diào)增壓柴油機(jī)高海拔性能試驗(yàn)系統(tǒng)由柴油機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、高海拔進(jìn)／排氣壓力模擬系統(tǒng)和冷卻恒溫系統(tǒng)等組成（如圖2所示），該系統(tǒng)能夠模擬0～6 000 m大氣壓力和溫度，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)冷卻水流量、冷卻水溫度、轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的實(shí)時(shí)控制［10］。

選取0、3 000、5 000 m 3個(gè)海拔下，進(jìn)氣流量、轉(zhuǎn)矩、燃油消耗量和爆發(fā)壓力對(duì)仿真模型進(jìn)行試驗(yàn)校核，對(duì)比結(jié)果如圖3～圖6所示。由圖可見：仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差在5%以內(nèi)，滿足了模型精度要求。

圖2 兩級(jí)渦輪增壓柴油機(jī)高海拔模擬試驗(yàn)系統(tǒng)

圖3 進(jìn)氣流量仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖4 轉(zhuǎn)矩仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖5 燃油消耗量仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖6 爆發(fā)壓力仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

1.3 兩級(jí)可調(diào)增壓柴油機(jī)變海拔瞬態(tài)工作模型建立

穩(wěn)態(tài)兩級(jí)可調(diào)增壓柴油機(jī)仿真模型向瞬態(tài)模型轉(zhuǎn)化前，需要對(duì)受柴油機(jī)工況變化影響較大的參數(shù)，如燃燒參數(shù)、噴油參數(shù)、廢氣旁通閥開度等，處理成轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的函數(shù)，形成隨轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩變化的MAP。采用Simulink軟件搭建兩級(jí)可調(diào)增壓系統(tǒng)控制器，通過數(shù)據(jù)連接與GT-POWER進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，最終建立兩級(jí)可調(diào)增壓柴油機(jī)瞬態(tài)工作過程模型。

選取0、3 000和5 000 m 3個(gè)海拔，比較了恒速加載瞬態(tài)工況下增壓壓力和轉(zhuǎn)矩仿真值和試驗(yàn)值，如圖7所示，負(fù)載以油門開度衡量，恒轉(zhuǎn)速負(fù)載從5 s開始，在10 s內(nèi)負(fù)載按照設(shè)定曲線從50%線性增加至100%。

圖8為增壓壓力和轉(zhuǎn)矩的瞬態(tài)過程試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比圖。試驗(yàn)中增壓壓力響應(yīng)延遲時(shí)間略大于仿真（如圖8（a）所示）。增壓壓力遲滯來自兩個(gè)方面：（1）渦輪增壓器本身的遲滯效應(yīng)；（2）渦輪旁通閥調(diào)節(jié)裝置采用電控氣動(dòng)方式，空氣傳遞管路較長(zhǎng)導(dǎo)致能量傳導(dǎo)遲滯。試驗(yàn)過程中，5 000 m增壓壓力開始上升點(diǎn)遲于仿真0.22 s；達(dá)到目標(biāo)壓力點(diǎn)遲于仿真0.13 s，但分別只占恒速加載時(shí)間的2.2%和1.3%，延遲較小。

圖7 恒速加載瞬態(tài)曲線

圖8 不同海拔下恒速加載仿真值和試驗(yàn)值比較

試驗(yàn)中增壓壓力遲滯效應(yīng)直接影響轉(zhuǎn)矩的輸出，見圖8（b）。但對(duì)比圖8（a），轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度略為快于增壓壓力，主要原因在于仿真與試驗(yàn)過程中，設(shè)定柴油機(jī)穩(wěn)態(tài)工作中空燃比高于空燃比下限，導(dǎo)致試驗(yàn)過程中噴油量增加提前于進(jìn)氣壓力上升，轉(zhuǎn)矩增加時(shí)刻提前于進(jìn)氣增加。總體來看，柴油機(jī)瞬態(tài)仿真模型與恒轉(zhuǎn)速加載試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，誤差在5%以內(nèi)，仿真模型可用于瞬態(tài)仿真研究。

2 變海拔兩級(jí)增壓系統(tǒng)渦輪旁通閥全工況控制策略設(shè)計(jì)

本文中研究的兩級(jí)可調(diào)增壓系統(tǒng)中高、低壓級(jí)渦輪旁通閥具有氣路耦合作用，為全面提升柴油機(jī)變海拔、全工況條件下動(dòng)力性，需要設(shè)計(jì)兩級(jí)增壓系統(tǒng)渦輪旁通閥控制策略［13］。

2.1 兩級(jí)增壓系統(tǒng)渦輪旁通閥控制策略

在不同海拔下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)排氣流量的影響最大，基于此，根據(jù)轉(zhuǎn)速變化，設(shè)計(jì)兩級(jí)渦輪旁通閥對(duì)應(yīng)的控制策略。低轉(zhuǎn)速工況，高、低壓級(jí)渦輪旁通閥全閉，高壓級(jí)壓氣機(jī)旁通閥關(guān)閉，以提高高海拔柴油機(jī)低速轉(zhuǎn)矩；中低轉(zhuǎn)速到中高轉(zhuǎn)速，隨著排氣流量增加，為減少泵氣損失、防止渦輪超速，高壓渦輪旁通閥開啟，高壓級(jí)壓氣機(jī)旁通閥和低壓級(jí)渦輪旁通閥關(guān)閉；高轉(zhuǎn)速工況，高壓級(jí)渦輪和壓氣機(jī)旁通閥完全開啟，僅低壓級(jí)增壓器工作（見表2）。同時(shí)考慮海拔變化過程中排氣溫度和膨脹比升高，為防止渦輪超速，根據(jù)工況變化對(duì)低壓級(jí)渦輪旁通閥開度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

表2 變海拔兩級(jí)可調(diào)增壓系統(tǒng)控制策略

試驗(yàn)中旁通閥開度調(diào)節(jié)裝置依靠匹配氣動(dòng)執(zhí)行器位移實(shí)現(xiàn)，執(zhí)行器內(nèi)氣體壓力通過涉水盒內(nèi)電磁閥控制氣體流入／出。涉水盒主要包括電磁閥和高壓空氣罐和管路，外部與柴油機(jī)控制系統(tǒng)連接，其內(nèi)部空氣來自柴油機(jī)匹配的空氣壓縮機(jī)。涉水盒原理如圖9所示。

2.2 兩級(jí)可調(diào)增壓系統(tǒng)最佳渦輪旁通閥開度和增壓壓力MAP標(biāo)定

基于兩級(jí)可調(diào)增壓柴油機(jī)穩(wěn)態(tài)工作過程模型，在滿足柴油機(jī)限制條件下（最高燃燒壓力、排溫、渦輪轉(zhuǎn)速），以柴油機(jī)動(dòng)力性最大為目標(biāo)，進(jìn)行不同海拔下增壓壓力、渦輪旁通閥開度和噴油量MAP標(biāo)定。其中，渦輪旁通閥開度定義為：當(dāng)前渦輪旁通閥開啟角度／旁通閥完全開啟角度。為減少工作量，除標(biāo)定點(diǎn)以外數(shù)據(jù)采用插值生成，最終得到循環(huán)噴油量MAP、高／低壓級(jí)渦輪旁通閥最佳開度MAP和最佳增壓壓力MAP，如圖10所示。

由圖10（a）可見，相同海拔下高壓級(jí)渦輪旁通閥開度隨轉(zhuǎn)速升高逐漸增大。轉(zhuǎn)速4 000 r／min，高壓級(jí)渦輪旁通閥開度100%；轉(zhuǎn)速800 r／min，高壓級(jí)渦輪旁通閥開度0；相同轉(zhuǎn)速，旁通閥開度隨海拔升高逐漸減小，其主要原因在于，隨海拔升高，達(dá)到相同進(jìn)氣壓力所需壓縮功增加，渦輪端膨脹功需求增加，減小旁通閥開度可增加排氣能量利用效率，在海拔5 000 m，轉(zhuǎn)速2 000 r／min時(shí)高壓級(jí)渦輪旁通開度較平原工況減小了3%。

由圖10（b）可見，柴油機(jī)低轉(zhuǎn)速工況，低壓級(jí)渦輪旁通閥全關(guān)，全負(fù)荷高速工況一定程度開啟低壓級(jí)渦輪旁通閥。低壓級(jí)渦輪旁通閥開啟隨海拔升高逐漸減小，因?yàn)檫_(dá)到相同增壓壓力，對(duì)應(yīng)的渦輪膨脹功增加［14］。柴油機(jī)循環(huán)噴油量基本不隨海拔變化（見圖10（c）），但為保證柴油機(jī)工作正常，防止排氣溫度過高、渦輪超速，高海拔下適當(dāng)減小循環(huán)噴油量。相同轉(zhuǎn)速下，增壓壓力隨海拔升高整體呈下降趨勢(shì)（見圖10（d））；同一海拔下，增壓壓力隨轉(zhuǎn)速升高逐漸增加。

圖9 增壓系統(tǒng)旁通閥控制設(shè)備原理

3 變海拔兩級(jí)可調(diào)增壓系統(tǒng)瞬態(tài)工況控制算法設(shè)計(jì)

李華雷等［4］相關(guān)研究表明：海拔高度的變化對(duì)增壓系統(tǒng)的瞬態(tài)性能影響較大，海拔4 500 m與0海拔相比，增壓壓力瞬態(tài)最大響應(yīng)時(shí)間達(dá)0.47 s。因此，有必要進(jìn)行變海拔兩級(jí)增壓系統(tǒng)瞬態(tài)控制算法設(shè)計(jì)，減少增壓壓力瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間，提高其控制精度。目前，相比其他先進(jìn)的控制算法［15］，PID控制發(fā)展更為成熟、應(yīng)用最廣，仍然是目前柴油機(jī)增壓系統(tǒng)控制首選算法。

3.1 基于增壓壓力的PID閉環(huán)反饋控制

PID閉環(huán)反饋控制策略如圖11所示，柴油機(jī)ECU接收油門位置和柴油機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，查詢最佳增壓壓力MAP，根據(jù)環(huán)境大氣壓力對(duì)MAP進(jìn)行修正得到目標(biāo)增壓壓力，PID控制算法根據(jù)實(shí)際增壓壓力和目標(biāo)增壓壓力差值，得到控制渦輪旁通閥的控制信號(hào)。

以增壓壓力增加到壓力增幅的90%的時(shí)間作為增壓壓力響應(yīng)時(shí)間。在2 000 r／min工況，柴油機(jī)油門開度由50%瞬間增加至100%的增壓壓力響應(yīng)曲線如圖12所示。從圖中可以看出，隨海拔升高，增壓壓力響應(yīng)時(shí)間略微延長(zhǎng)，相較平原工況，3 000、5 000 m海拔首次達(dá)到目標(biāo)值90%時(shí)間分別增加0.11、0.19 s。

圖12 仿真環(huán)境下閉環(huán)反饋控制增壓壓力響應(yīng)曲線

采用臺(tái)架試驗(yàn)手段對(duì)以上閉環(huán)反饋控制算法進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)過程中，在1.5 s瞬間增加油門開度至100%?；谠鰤簤毫Φ腜ID閉環(huán)反饋控制增壓壓力響應(yīng)曲線如圖13所示。圖中可以看出，增壓壓力響應(yīng)延遲大于仿真值，且隨海拔升高延遲逐漸增大，主要原因在于旁通閥調(diào)節(jié)裝置管路及氣動(dòng)執(zhí)行器位移時(shí)間較長(zhǎng)。去除執(zhí)行器延遲（約0.4 s），0、3 000和5 000 m海拔下增壓壓力瞬時(shí)響應(yīng)時(shí)間分別為0.26、0.34和0.41 s。

圖13 試驗(yàn)環(huán)境下閉環(huán)控制增壓壓力響應(yīng)曲線

3.2 基于渦輪旁通閥開度的開環(huán)控制

瞬態(tài)工況下，PID控制中積分環(huán)節(jié)的存在導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢，開環(huán)控制具有快速、穩(wěn)定和可靠的優(yōu)點(diǎn)，受海拔和工況的影響較小。如圖14所示，柴油機(jī)ECU根據(jù)油門位置和柴油機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，查詢最佳渦輪旁通閥門開度MAP，并根據(jù)大氣壓力對(duì)MAP進(jìn)行修正，得到目標(biāo)旁通閥開度MAP，直接輸出控制信號(hào)控制高、低壓級(jí)渦輪旁通閥開度。

圖14 基于渦輪旁通閥開度MAP的開環(huán)控制

圖15為不同海拔開環(huán)控制下，增壓壓力瞬態(tài)響應(yīng)曲線。通過渦輪旁通閥開環(huán)控制，對(duì)比圖13發(fā)現(xiàn)：隨油門突增，增壓壓力曲線產(chǎn)生下凹現(xiàn)象，主要原因在于100%與50%油門開度下，高壓級(jí)渦輪旁通閥開度相差較大，高壓級(jí)渦輪旁通閥隨油門開度的突增同時(shí)增大，導(dǎo)致廢氣能量利用率下降，增壓效果變差。開環(huán)控制首次達(dá)到各海拔工況點(diǎn)標(biāo)定增壓壓力時(shí)間較快，但最終增壓壓力與實(shí)際標(biāo)定增壓壓力略有偏差。與閉環(huán)PID控制相比較，0、3 000和5 000 m首次達(dá)到目標(biāo)增壓壓力時(shí)間分別縮短大約0.09、0.197和0.14 s。

同樣采用試驗(yàn)手段對(duì)基于渦輪旁通閥的開環(huán)控制進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如圖16所示。對(duì)比圖13增壓壓力閉環(huán)反饋響應(yīng)曲線，開環(huán)控制首次達(dá)到各海拔工況點(diǎn)標(biāo)定增壓壓力時(shí)間較快。但最終增壓壓力與實(shí)際標(biāo)定增壓壓力略有偏差。試驗(yàn)與仿真結(jié)果整體趨勢(shì)一致。

圖15 仿真環(huán)境下增壓壓力開環(huán)控制響應(yīng)曲線

圖16 試驗(yàn)環(huán)境下開環(huán)控制增壓壓力響應(yīng)曲線

3.3 渦輪旁通閥開環(huán)與增壓壓力閉環(huán)相結(jié)合的控制算法設(shè)計(jì)

結(jié)合PID閉環(huán)控制和開環(huán)控制優(yōu)缺點(diǎn)，提出開環(huán)與PID閉環(huán)相結(jié)合的控制算法，在穩(wěn)態(tài)工況下，以PID閉環(huán)控制為主，實(shí)現(xiàn)增壓壓力控制的準(zhǔn)確性和魯棒性；在瞬態(tài)工況下，首先采用渦輪旁通閥開環(huán)控制實(shí)現(xiàn)閥門快速到達(dá)指定開度，再利用PID閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)增壓壓力精確控制（如圖17所示）。

圖17 開環(huán)＋閉環(huán)PID控制原理

4 結(jié)論

本文中主要進(jìn)行了柴油機(jī)兩級(jí)可調(diào)增壓系統(tǒng)變海拔兩級(jí)渦輪旁通閥控制策略設(shè)計(jì)及優(yōu)化。建立了兩級(jí)可調(diào)增壓柴油機(jī)高海拔穩(wěn)態(tài)工作過程模型，在穩(wěn)態(tài)模型的基礎(chǔ)上，將GT-POWER與Simulink耦合，建立了兩級(jí)可調(diào)增壓柴油機(jī)瞬態(tài)工作過程模型，進(jìn)行了PID閉環(huán)控制和開環(huán)控制對(duì)柴油機(jī)高海拔瞬態(tài)性能的影響研究，主要結(jié)論如下。

（1）設(shè)計(jì)了變海拔全工況兩級(jí)可調(diào)增壓系統(tǒng)高、低壓級(jí)渦輪旁通閥的控制策略。其中800～1 600 r／min，高、低壓級(jí)渦輪旁通閥關(guān)閉，兩級(jí)增壓器聯(lián)合工作；1 600～3 200 r／min，為防止渦前壓力過大，高壓級(jí)渦輪旁通閥調(diào)節(jié)；3 200～4 200 r／min，高壓級(jí)壓氣機(jī)和渦輪旁通閥完全開啟，僅低壓級(jí)增壓器工作。

（2）以柴油機(jī)動(dòng)力性最優(yōu)為目標(biāo)，標(biāo)定得到了0～5 000 m海拔柴油機(jī)全工況下最佳增壓壓力、高低壓級(jí)旁通閥最佳開度MAP。

（3）相比PID閉環(huán)控制，渦輪旁通閥開環(huán)控制在0、3 000和5 000 m海拔首次達(dá)到目標(biāo)增壓壓力時(shí)間分別縮短了0.09、0.197和0.14 s，但實(shí)際增壓壓力與目標(biāo)增壓壓力略有偏差。因此，采用渦輪旁通閥開環(huán)與增壓壓力閉環(huán)相結(jié)合的控制算法能同時(shí)兼顧瞬態(tài)工況增壓壓力控制的魯棒性和精度，是未來兩級(jí)增壓系統(tǒng)控制算法的發(fā)展趨勢(shì)。