英语原文共 13 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

---

直喷式柴油机可变几何涡轮增压器（VGT）：

基于模型的增压压力控制策略

摘要：使用可变几何涡轮增压器（VGT）是一种来提高乘用车直喷（DI）柴油发动机性能的技术。为了发挥VGT的潜在的全部优点，不受油耗和驾驶性能的限制，增压压力的电子控制是可取的。标准控制技术（比如比例-积分）不保证可靠的VGT行为。本文介绍一种新开发的增压压力的控制策略来改善PI的技术，和基于简化VGT建模的操作。进行了多次关于发动机哪些物理量直接影响VGT的动态试验，并找出了VGT操作模式（OMS）。对每个OM简化模型开发和模型参数进行了鉴定。实验测试提供了能够满足一般控制策略的性能要求基础设计。由于两个不同的OMS回收机构，开发了两个独立的调速器，保证都能在一定条件下运转。从而创造一种在两个调速器之间的转换的开关逻辑管理。最后，对新的控制策略进行了验证并取得了良好的效果。

关键词：控制策略，涡轮增压器，压燃式，内燃机，自动应用程序。

1.介绍

在未来的几年中，柴油发动机有望增加其市场份额，由于其低油耗，因此产生低二氧化碳排放量，而且这种趋势主要与用DI柴油发动机的发展相关联。汽车制造商正在做很大的努力来开发能够满足非常严格的低排放要求的新一代直喷式柴油机引擎，而不因性能，驾驶性能，噪声和燃料消耗等问题而受处罚。此外，对于一个非常灵活的燃烧过程的精确控制，正在开发一个新的电控高压燃料喷射系统（FIS），并且在未来几年内，这将形成一个产业规模。

为了获得高的性能，许多这些新的发动机将配备有可变几何涡轮增压器（VGT），为了达到最佳的性能，需要精确控制增压压力。

新的电子FIS系统已经把增压压力闭环控制，尽管如此，标准的比例-积分（PI）调速器并不总是能在稳定性和瞬态性能方面保证VGT正确行为。

为了提高增压压力控制和保证满足要求，基于VGT模型操作，必须开发新的控制策略。有关应用大量生产电子控制单元（ECU），这些模型和相对的策略必须体现有效性和成本之间的最佳折衷。在更广泛的意义上说，成本意味着软件要求，校准的复杂性，以及需要专用或附加的传感器。

本文介绍了一种基于可变喷嘴涡轮增压器模型的增压压力控制的开发和验证策略。实验活动是在Ricerche菲亚特中心（CRF）一个动态试验台进行的。

2.实验装置

2.1. 发动机

实验活动是在一个FIAT4缸、1.9升TCI/ DI柴油机[2]上进行的，配备有共轨FIS和盖瑞特VNT25的可变几何涡轮增压器。这个发动机是菲亚特汽车的Croma标准产件，并修改为新喷射系统。其主要特点是：

-- 2个气阀/气缸,

-- 容积1929立方厘米，

-- 钻孔times;行程：82.6times;90毫米，

-- 压缩比18：1，

-- EGR，

-- 冷却器。

该发动机安装在AVL PUMA/ ISAC动态引擎试验台。 通过试验台的灵活性和强大的引擎，这种方式可能监测发动机并执行高度重复的测试模式，并保持一个准确的汽车负载模拟。

直喷式柴油机可变几何涡轮增压器（VGT）

2.2.喷射系统

燃料喷射由一个原型的unijet喷射系统操作演示的。这是一种轨菲亚特从1980年代中期发展到1993年底的共轨技术FIS [3]。

在一个非常简化的unijet喷射系统中，包括一个高压泵，容量罐（轨道本身）和电动液压喷油器。喷射压力可以由安装在泵上的一个压力调节器调节，调制的范围从150到1300巴泵。一个ECU控制系统监测多个发动机参数，以确保精确喷射定时和供油操作。这些参数可以被记录，随后用于阐述并给予发动机工作点的精确描述。

2.3.涡轮增压器系统

图1示意性给出了发动机涡轮增压器系统的布局。

在这项研究中所用的可变几何形状的涡轮增压器是一个盖瑞特VNT 25（参照图2），其中，所述涡轮机定子包括多个靠近涡轮的可变节距叶片，为了改变两个气体流动方向。还有喷嘴喉部区域中的涡轮机叶轮。

叶片的位置由通过链接到叶片控制环的隔膜式致动器设置杆，使喉部面积可以连续地变化。制动器移动所述杆为一个函数对反应弹簧的真空度抵消过程。

真空调制得到控制Borg–Warner电磁阀，它提供了一个线性电流与真空度。真空由真空泵供给制动助力器得到。电流由电池供给并由ECU调制通过使用脉冲宽度（PWM）技术完成。通过增加PWM指令的占空比（简称作为VGT命令），可以减少喷嘴区域，随后以提高升压压力。上部和一个下限占空比的（分别对应于最小和最大喷嘴区）定义了VGT命令的活动范围。

增压压力的监测是通过ECU经安装在进气歧管传感器并由应变计马瑞利执行。

图2.盖瑞特涡轮增压器VNT25

2.4.仪器仪表

测定并记录了许多参数。相关传感器的示意图名单如下：

-- 压电KISTLER传感器用于监测气缸内部燃烧期间的压力，

-- 应变仪传感器被用来监测上游和下游的压缩机和涡轮的压力，

-- 电阻式位置传感器被用于跟踪叶片控制杆的位置，

-- 温度用热电偶监测，

-- 一个AVL Indimaster用于执行快速数据采集，

-- 如瞬时扭矩发动机负荷数据由AVL ISAC计算。

3.系统建模

一个VGT控制策略的设计需要对一个VGT配备的发动机进行初步调查。本研究的目的是要指出一个模型，其能够描述增压压力的演变。

一种增压模式是由下列各项定义：输入，输出和I / O的关系：

-- 输入：其在输出上显著影响量。投入的个性化是第3.1节的话题，

-- 输出：增压压力，待控制的数量，

-- I / O的关系：输入和输出之间的动态链接。这样做的特殊性链接在第3.2和3.3进行了研究。

3.1.显著变量

一项进行了的研究确定了其物理量在增压压力有直接影响。该组这样的“显著变量”是受不同的取舍：变量必须尽可能少，但提供了一个简单而准确的模型；而且在ECU只有数量可以被提供选择下，这两个必要的约束是建立一个能够在面向ECU运行的VGT控制策略。

三个量被认为是“显著变数”，即对增压压力有着直接的影响：

-- 燃油输送（燃料[立方毫米/冲程]）和发动机转速（rpm [转]）。他们代表了发动机的当前工作点，

-- ECU命令的VGT制动器（COM [％占空比]）。此命令驱动的适当制动器，它允许修改涡轮叶片桨距，从而提高涡轮机的效率。这提供了调整过充电压力的装置，

-- 增压压力（P [毫巴]）被假定为要受监视和控制的输出信号。

3.2.该VGT系统的运转情况：操作模式

VGT系统的复杂性主要是与两个热机之间的直接耦合有关：即发动机的涡轮增压器。这就是为什么燃料和转速被认为是作为用于VGT系统显著变量的原因。

为了研究所述VGT系统的行为，选择了两种不同的测试模式：

-- 一组的目的是为了测试在发动机表征稳定（或准稳态）状态下的VGT运转情况。这是假设燃料和转速的缓慢变化发生的情况。其结果是影响增压压力p唯一显著的变量是ECU命令，

-- 一组为了测试全球系统（发动机加VGT）的反应进行调查，导致快速瞬态（快速尖项）。在瞬态操作燃料具有尖锐的变化，以及发动机迅速变化的工作点。因此增压压力是受在前面的段落中列出的三个显著变量而影响的。

测试结果显示，该VGT系统有两个基本的工作条件，这些将被称为操作模式（OMS）：

-- 当发动机处于准稳定状态，一个线性关系可以假定持有VGT命令和增压压力，这种情况将被称为“线性OM”。VGT系统在这种模式下工作的一个物理点可以通过一个线性模型来描述：对于p与任何固定发动机点COM有一个微分方程，

-- 当发动机受三个显著变量快速瞬态一起影响动态的增压压力。这种情况被称为“非线性OM”。在此模式下增压压力从先前列出的三个显著变量的依赖关系不是线性关系，而是一个未被研究的复杂的函数。相反，被用来描述瞬态期间增压压力动态的是简单且一般方程。

3.3.型号标识

3.3.1.线性操作模式

在这种模式下，可以表示增压压力和ECU命令给VGT制动器之间发生的关系，在小的近似信号下，作为具有一个变体的稳态增益KST一阶低通滤波器（转速，燃料） [毫巴/％]获得一个固定带宽（截止频率fc[Hz]中）。在一个拉普拉斯变换空间中，这对应于下面的表达式：

稳态增益是一个发动机工作点的函数，实验结果如由（见图3）中清楚所示。这个增益的解析表达式超过了这项工作的范围，因为这会导致涉及通过ECU命令到达博格华纳电阀的执行机构VGT整个链条复杂的模型。一个映射是比较有效的方法。这就是为什么增益值实验用MATLABcopy;系统辨识工具箱[4]来确定，并映射为转速和燃料的功能的原因。

实验显示该截止频率fc几乎是恒定的，独立于发动机的工作点（见图3）。Fc（fc~0.4赫兹）的数值基本上取决于涡轮增压器（可用于给定涡轮机数据），并且在旋转过程中它会由于摩擦而损失转动惯量。

3.3.2.非线性操作模式

在这种模式下，VGT系统的输入输出模型将会太复杂。一种简化的方法从增压压力P（RPM，燃料，COM）的一阶自回归（AR）模型[5]，其中必须考虑在ECU运行算法开始采样的时间T [S]。AR模型涉及的步骤i时，透过下面的表达式步骤i 1到它的价值增压数值：

其中，增压压力的一阶导数被计算以下面的方式：

引入“本地近似”为p相对于com，有可能改写增压压力在样品I如下：

其中，com是围绕数值COMI而引起的ECU命令的变化。

等式（2）-（4）是有意义的暂态控制策略的设计，因为它们表示来描述在瞬态增压压力的演变的装置和在ECU的指令来检测VGT制动器的变化对增压压力的效果。这些方程给出了一个简单而有效的解释，这将在第四节提出通过瞬时控制策略所获得的增压压力的影响。

4. VGT控制策略的设计

前一节专门讨论研究了VGT系统的动态特性。该分析的结果被用于本节描述的VGT控制策略设计。这种策略可以被称为“基于模型”，因为它是建立在VGT的简化模型--发动机耦合。

4.1.性能要求

该增压压力控制策略设计，满足一系列要求。这些要求是不同的，这取决于涡轮增压器的电流OM。

以下规定被认为是当VGT在其线性OM工作：

-- 跟踪误差：当基准增压具有阶跃变化，压力跟踪误差必须趋近向零，

-- 稳定性：当增压跟踪其参考价值，在稳态条件没有波动允许，

-- 简单：控制必须足够简单，因为它必须在一个正常的ECU软件运行。

以下规范被认为是当VGT在其非线性OM工作：

-- 快速瞬态响应，

-- 增压压力超过规定的阈值，

-- 快速收敛到参考压力增压后，没有广泛的振荡。

4.2。控制策略说明

增压压力控制策略是基于图4设计的程序框图。

两个独立设计的调速器：

-- 默认的控制策略，设计适合于稳态运行;，

-- 控制策略管理快速瞬态条件。

从一个调速器向另一个的过渡取决于合适的开关的逻辑。

4.2.1.稳态调速器

稳态调速器（图5）是专为VGT在其线性OM工作的模型。它是一个简单的比例-积分（PI）算法；其比例和积分系数（分别为Kp和Ki）是发动机的工作点的功能，但它们的比例是恒定的。这是因为，由等式描述的VGT模型的结构（1）而知：具有恒定的带宽的一个模型安排在发动机操作点的增益（即，转速和燃料）必然导致具有相同功能的依赖关系的控制器。

因此，比例系数Kp为下图所示：

而积分系数KI如下：

并且

取决于系统截止频率在等式1中出现的恒定值。

PI控制处于活动状态时，VGT是在其线性OM工作，直到检测到的增压压力快速瞬态，不可避免产生一种不同的瞬态期间管理增压压力方法。

4.2.2.瞬态调速器

在某些条件下，增压压力的提高是非常迅速的。这种情况通常发生在快速瞬变加速期间；在这些条件下，PI控制器，设计为准稳定操作，是对太慢和不足的系统的行为进行补偿。

实验表明，在这种情况下，PI策略的唯一用途无法避免过充电压的峰值；越快的加速器瞬态，则会有更高的增压压力的峰值（该峰将被称作“增压过冲”）。出于这个原因，检测快速瞬变的条件时，控制策略必须有一个非常快速的响应。

已经发现了一个非常简单的并有效控制瞬变期间的增压压力增加的方法，即引入具有该表达衍生物的调速器：

如果等式（8）在等式（4）被取代的和在等式（2），后者的原因与该调速器获得了良好的结果是明确的。简单的操作后，很容易地发现：

该衍生物选择系数Kd值以获得关于方程的右侧的第二个因素（9）小于1。换句话说，其衍生物组分的存在确保了更快过充电压力的动力过程，该控制系统校正更强。

在图6中作为草图比例控制器已经出台限制提高压力过冲相对于参考压力不同的值。

4.2.3.开关逻辑

一个正确的快速瞬变检测是控制正确行为的策略

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

---

资料编号：[146295]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word