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)
增壓技術(shù)是改善柴油機高海拔性能最重要的技術(shù)手段之一。相比單級增壓系統(tǒng),兩級增壓系統(tǒng)具有高壓比、寬流量的優(yōu)點,能夠有效提高柴油機高海拔(>3 000 m)各項性能指標[1]。但兩級增壓系統(tǒng)對應(yīng)的高海拔控制策略也更加復(fù)雜,既要保證柴油機穩(wěn)態(tài)工況下的動力性,又要兼顧柴油機增壓壓力瞬態(tài)響應(yīng)特性。國內(nèi)外針對高海拔兩級可調(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為兩個廢氣渦輪增壓器并聯(lián);WGT+WGT為兩個廢氣旁通式渦輪增壓器串聯(lián);VGT+WGT為一個可變截面渦輪增壓器與一個廢氣旁通式渦輪增壓器串聯(lián)。
Galindo等[2]針對0-2 000 m海拔發(fā)動機工況波動,建立并聯(lián)式WGT系統(tǒng)一維波動模型,通過預(yù)測函數(shù),實現(xiàn)不同工況的平穩(wěn)過渡。劉系暠等[3]設(shè)計了WGT+WGT系統(tǒng),針對穩(wěn)態(tài)工況進行了研究,提出了針對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控制策略使柴油機的瞬態(tài)響應(yīng)時間短,超調(diào)量減小,海拔4 500 m響應(yīng)時間減少32.6%,柴油機與壓氣機聯(lián)合運行線處于壓氣機MAP圖效率較高區(qū),且遠離喘振線。利奇[5]將海拔因素考慮進兩級可調(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(脈沖信號和階躍信號)、瞬態(tài)工況下響應(yīng)時間和超調(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、準確性和快速性。文獻[9]和文獻[10]中針對現(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)時間最短為控制目標,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 高海拔兩級增壓可調(diào)增壓系統(tǒng)不同控制策略
以上文獻針對兩級可調(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性。同時,兩級增壓系統(tǒng)控制策略設(shè)計是一個需要綜合考慮海拔、增壓壓力、柴油機轉(zhuǎn)速與負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高海拔性能指標。鑒于此,本文中為某型柴油機匹配多閥兩級可調(diào)增壓器,設(shè)計了兩級增壓系統(tǒng)變海拔全工況控制策略,采用試驗與仿真相結(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)控制對增壓壓力瞬態(tài)響應(yīng)時間的影響。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。
利用GT-POWER建立兩級渦輪旁通閥可調(diào)增壓柴油機穩(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、配氣機構(gòu)模型、高壓與低壓級增壓器和進排氣管路模型等[12],圖1所示為兩級可調(diào)增壓柴油機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,兩級可調(diào)渦輪增壓系統(tǒng)包括3個旁通閥,即高壓級渦輪旁通閥、低壓級渦輪旁通閥和高壓級壓氣機旁通閥;高、低壓級渦輪旁通閥開度可自由調(diào)節(jié),高壓級壓氣機旁通閥只有開和關(guān)兩種狀態(tài)。
圖1 兩級增壓柴油機高海拔工作過程示意圖
兩級可調(diào)增壓柴油機高海拔性能試驗系統(tǒng)由柴油機監(jiān)控系統(tǒng)、高海拔進/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,實現(xiàn)柴油機冷卻水流量、冷卻水溫度、轉(zhuǎn)速和負荷的實時控制[10]。
選取0、3 000、5 000 m 3個海拔下,進氣流量、轉(zhuǎn)矩、燃油消耗量和爆發(fā)壓力對仿真模型進行試驗校核,對比結(jié)果如圖3~圖6所示。由圖可見:仿真結(jié)果與試驗結(jié)果誤差在5%以內(nèi),滿足了模型精度要求。
圖2 兩級渦輪增壓柴油機高海拔模擬試驗系統(tǒng)
圖3 進氣流量仿真與試驗結(jié)果對比
圖4 轉(zhuǎn)矩仿真與試驗結(jié)果對比
圖5 燃油消耗量仿真與試驗結(jié)果對比
圖6 爆發(fā)壓力仿真與試驗結(jié)果對比
穩(wěn)態(tài)兩級可調(diào)增壓柴油機仿真模型向瞬態(tài)模型轉(zhuǎn)化前,需要對受柴油機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軟件搭建兩級可調(diào)增壓系統(tǒng)控制器,通過數(shù)據(jù)連接與GT-POWER進行數(shù)據(jù)交換,最終建立兩級可調(diào)增壓柴油機瞬態(tài)工作過程模型。
選取0、3 000和5 000 m 3個海拔,比較了恒速加載瞬態(tài)工況下增壓壓力和轉(zhuǎn)矩仿真值和試驗值,如圖7所示,負載以油門開度衡量,恒轉(zhuǎn)速負載從5 s開始,在10 s內(nèi)負載按照設(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)過程試驗與仿真結(jié)果對比圖。試驗中增壓壓力響應(yīng)延遲時間略大于仿真(如圖8(a)所示)。增壓壓力遲滯來自兩個方面:(1)渦輪增壓器本身的遲滯效應(yīng);(2)渦輪旁通閥調(diào)節(jié)裝置采用電控氣動方式,空氣傳遞管路較長導(dǎo)致能量傳導(dǎo)遲滯。試驗過程中,5 000 m增壓壓力開始上升點遲于仿真0.22 s;達到目標壓力點遲于仿真0.13 s,但分別只占恒速加載時間的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值比較
試驗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過程中,設(shè)定柴油機穩(wěn)態(tài)工作中空燃比高于空燃比下限,導(dǎo)致試驗過程中噴油量增加提前于進氣壓力上升,轉(zhuǎn)矩增加時刻提前于進氣增加??傮w來看,柴油機瞬態(tài)仿真模型與恒轉(zhuǎn)速加載試驗數(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。
本文中研究的兩級可調(diào)增壓系統(tǒng)中高、低壓級渦輪旁通閥具有氣路耦合作用,為全面提升柴油機變海拔、全工況條件下動力性,需要設(shè)計兩級增壓系統(tǒng)渦輪旁通閥控制策略[13]。
在不同海拔下,發(fā)動機轉(zhuǎn)速對排氣流量的影響最大,基于此,根據(jù)轉(zhuǎn)速變化,設(shè)計兩級渦輪旁通閥對應(yīng)的控制策略。低轉(zhuǎn)速工況,高、低壓級渦輪旁通閥全閉,高壓級壓氣機旁通閥關(guān)閉,以提高高海拔柴油機低速轉(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,高壓級壓氣機旁通閥和低壓級渦輪旁通閥關(guān)閉;高轉(zhuǎn)速工況,高壓級渦輪和壓氣機旁通閥完全開啟,僅低壓級增壓器工作(見表2)。同時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)工況變化對低壓級渦輪旁通閥開度進行適當(dāng)調(diào)整。
表2 變海拔兩級可調(diào)增壓系統(tǒng)控制策略
試驗中旁通閥開度調(diào)節(jié)裝置依靠匹配氣動執(zhí)行器位移實現(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,外部與柴油機控制系統(tǒng)連接,其內(nèi)部空氣來自柴油機匹配的空氣壓縮機。涉水盒原理如圖9所示。
基于兩級可調(diào)增壓柴油機穩(wěn)態(tài)工作過程模型,在滿足柴油機限制條件下(最高燃燒壓力、排溫、渦輪轉(zhuǎn)速),以柴油機動力性最大為目標,進行不同海拔下增壓壓力、渦輪旁通閥開度和噴油量MAP標定。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,除標定點以外數(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,高壓級渦輪旁通閥開度100%;轉(zhuǎn)速800 r/min,高壓級渦輪旁通閥開度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,達到相同進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時高壓級渦輪旁通開度較平原工況減小了3%。
由圖10(b)可見,柴油機低轉(zhuǎn)速工況,低壓級渦輪旁通閥全關(guān),全負荷高速工況一定程度開啟低壓級渦輪旁通閥。低壓級渦輪旁通閥開啟隨海拔升高逐漸減小,因為達到相同增壓壓力,對應(yīng)的渦輪膨脹功增加[14]。柴油機循環(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(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
李華雷等[4]相關(guān)研究表明:海拔高度的變化對增壓系統(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)時間達0.47 s。因此,有必要進行變海拔兩級增壓系統(tǒng)瞬態(tài)控制算法設(shè)計,減少增壓壓力瞬態(tài)響應(yīng)時間,提高其控制精度。目前,相比其他先進的控制算法[15],PID控制發(fā)展更為成熟、應(yīng)用最廣,仍然是目前柴油機增壓系統(tǒng)控制首選算法。
PID閉環(huán)反饋控制策略如圖11所示,柴油機ECU接收油門位置和柴油機轉(zhuǎn)速信號,查詢最佳增壓壓力MAP,根據(jù)環(huán)境大氣壓力對MAP進行修正得到目標增壓壓力,PID控制算法根據(jù)實際增壓壓力和目標增壓壓力差值,得到控制渦輪旁通閥的控制信號。
以增壓壓力增加到壓力增幅的90%的時間作為增壓壓力響應(yīng)時間。在2 000 r/min工況,柴油機油門開度由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)時間略微延長,相較平原工況,3 000、5 000 m海拔首次達到目標值90%時間分別增加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
采用臺架試驗手段對以上閉環(huán)反饋控制算法進行驗證。試驗過程中,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)裝置管路及氣動執(zhí)行器位移時間較長。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響應(yīng)時間分別為0.26、0.34和0.41 s。
圖13 試驗環(huán)境下閉環(huán)控制增壓壓力響應(yīng)曲線
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,受海拔和工況的影響較小。如圖14所示,柴油機ECU根據(jù)油門位置和柴油機轉(zhuǎn)速信號,查詢最佳渦輪旁通閥門開度MAP,并根據(jù)大氣壓力對MAP進行修正,得到目標旁通閥開度MAP,直接輸出控制信號控制高、低壓級渦輪旁通閥開度。
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,高壓級渦輪旁通閥開度相差較大,高壓級渦輪旁通閥隨油門開度的突增同時增大,導(dǎo)致廢氣能量利用率下降,增壓效果變差。開環(huán)控制首次達到各海拔工況點標定增壓壓力時間較快,但最終增壓壓力與實際標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首次達到目標增壓壓力時間分別縮短大約0.09、0.197和0.14 s。
同樣采用試驗手段對基于渦輪旁通閥的開環(huán)控制進行驗證,結(jié)果如圖16所示。對比圖13增壓壓力閉環(huán)反饋響應(yīng)曲線,開環(huán)控制首次達到各海拔工況點標定增壓壓力時間較快。但最終增壓壓力與實際標定增壓壓力略有偏差。試驗與仿真結(jié)果整體趨勢一致。
圖15 仿真環(huán)境下增壓壓力開環(huán)控制響應(yīng)曲線
圖16 試驗環(huán)境下開環(huán)控制增壓壓力響應(yīng)曲線
結(jié)合PID閉環(huán)控制和開環(huán)控制優(yōu)缺點,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,實現(xiàn)增壓壓力控制的準確性和魯棒性;在瞬態(tài)工況下,首先采用渦輪旁通閥開環(huán)控制實現(xiàn)閥門快速到達指定開度,再利用PID閉環(huán)控制實現(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
本文中主要進行了柴油機兩級可調(diào)增壓系統(tǒng)變海拔兩級渦輪旁通閥控制策略設(shè)計及優(yōu)化。建立了兩級可調(diào)增壓柴油機高海拔穩(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,建立了兩級可調(diào)增壓柴油機瞬態(tài)工作過程模型,進行了PID閉環(huán)控制和開環(huán)控制對柴油機高海拔瞬態(tài)性能的影響研究,主要結(jié)論如下。
(1)設(shè)計了變海拔全工況兩級可調(diào)增壓系統(tǒng)高、低壓級渦輪旁通閥的控制策略。其中800~1 600 r/min,高、低壓級渦輪旁通閥關(guān)閉,兩級增壓器聯(lián)合工作;1 600~3 200 r/min,為防止渦前壓力過大,高壓級渦輪旁通閥調(diào)節(jié);3 200~4 200 r/min,高壓級壓氣機和渦輪旁通閥完全開啟,僅低壓級增壓器工作。
(2)以柴油機動力性最優(yōu)為目標,標定得到了0~5 000 m海拔柴油機全工況下最佳增壓壓力、高低壓級旁通閥最佳開度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海拔首次達到目標增壓壓力時間分別縮短了0.09、0.197和0.14 s,但實際增壓壓力與目標增壓壓力略有偏差。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,是未來兩級增壓系統(tǒng)控制算法的發(fā)展趨勢。