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 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
Computer !imulation "evelopment of VGT #lectronic $ontrol %urbochargering %echnology
YANG Yan-xiao, ZHANG Jin-zhu
(heibbngjiang Institute bf Engineering, -arbin 150050, China)
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
$-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
$S
!" S(t) !"
!"# !"# !"#
! ! !
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
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
$-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
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
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
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
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
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=
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
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 !" !"
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 =
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
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
收稿日期 12004-10-08
作者简介 1 杨 !"(1973~ ) a 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