電控旁通閥渦輪增壓器匹配計算研究

龔金科　陳長友　胡遼平　楊迪　劉冠麟

摘 要：采用發動機性能仿真軟件GT-power建立了帶廢氣旁通閥電控系統的渦輪增壓汽油機模型，基于增壓壓力隨旁通閥開度變化的情況，確定了控制系統的特性參數值.根據不同增壓壓力下渦前壓力的變化規律以及汽油機動力性能的要求對廢氣旁通閥開度進行標定，分析了增壓器與汽油機聯合運行性能并進行了實驗驗證.結果表明，選配的小尺寸渦輪確保了汽油機的低速性能；建立的控制系統實現了對增壓壓力多目標值的連續控制，高速時沒有發生因增壓壓力過高而導致爆燃和增壓器超速的現象.

關鍵詞：汽油機；渦輪增壓器；電控旁通閥；匹配；數值仿真

中圖分類號：TK411.8 文獻標識碼：A

Abstract： A simulation model of turbocharged gasoline engine with electronically controlled waste valve system was built with the software of GT-power. Based on the condition of boost pressure changing with the waste valve opening， characteristic values of the control system were obtained. According to the change rules of exhaust back pressure under different boost pressures， the waste valve opening was calibrated on the basis of the requirements of power performance of the engine， the matching performance between the turbocharger and the gasoline engine was analyzed， and then， test verification was conducted.The results have shown that matching a small diameter turbine can ensure the engine performance at low speed condition； the electronically controlled system can realize the continuous control of boost pressure target value； and the problems of deflagration and turbocharger super speed caused by too high boost pressures can be resolved at high speed conditions.

Key words：gasoline engine； turbochargers； electronically controlled waste valve； matching； numerical simulation

渦輪增壓已成為發展內燃機節能減排的關鍵技術之一，而汽油機采用渦輪增壓技術卻容易出現低速增壓壓力不足和高速增壓壓力過高的情況，為改善渦輪增壓器的響應特性，國內外研究者已提出了采用可變噴嘴渦輪增壓、電輔助渦輪增壓、二級渦輪增壓、廢氣旁通渦輪增壓、蒸汽輔助渦輪增壓等技術[1-5].采用廢氣旁通閥渦輪增壓器與汽油機匹配時，高速工況下采用廢氣旁通的方法改善增壓壓力過高的情況，機械控制的廢氣旁通閥不能根據工況的變化調整放氣量，要實現發動機各工況下對目標增壓壓力的理想控制通常采用電磁廢氣旁通閥.由于旁通閥的開度會影響渦輪前排氣壓力，進而會導致進氣壓力的變化，因此對汽油機與電控旁通閥渦輪增壓器的標定匹配進行計算研究具有十分重要的理論和實際意義.

本文使用發動機性能仿真軟件GT-power建立了電控旁通閥渦輪增壓汽油機模型；利用建立的PID Controller模塊對旁通閥執行閉環控制，實現了對多目標增壓壓力的控制；對發動機與電控執行器參數進行標定，避免了爆燃以及增壓器喘振和超速現象；得出外特性各轉速目標增壓壓力下的功率、轉矩、燃油消耗率，并對仿真結果進行了實驗驗證，為渦輪增壓器與發動機匹配性能優化提供了參考依據.

1 發動機模型的建立

1.1 發動機基本參數

研究采用的機型為0.8 L電控渦輪增壓汽油機，該發動機的基本結構參數如表1所示.

1.2 發動機本體建模

渦輪增壓汽油機模型如圖1所示，該模型是結合實際增壓汽油機的構造和布置，依次將進氣環境端、中冷器、進氣管路、氣缸、噴油器、曲軸箱、排氣管路、排氣環境端等用相應的節流模塊進行連接，按照增壓汽油機的實際結構尺寸對進排氣系統、中冷器、進排氣門、氣缸、噴油嘴、曲軸箱等模塊參數進行設置，其中，進排氣門升程曲線、噴油正時、燃燒模型等由已知數據直接輸入，燃燒模型采用雙韋伯燃燒模型，機械損失采用D.E.Winterbone經驗公式進行計算.空濾器、尾氣后處理系統和消聲器等部件在模型中使用壓力損失元件計算其對發動機動力性能的影響[6].進排氣道流量系數由試驗參數標定，由于缸內壓力的變化和氣流的影響，燃燒持續期會有所不同，根據相關文獻和經驗公式，將發動機全負荷下的空燃比設為12∶1，通過對氣門正時的調整來調節進氣量，改變各轉速下燃料燃燒50%對應的曲軸轉角來調整發動機的功率輸出.

1.3 渦輪增壓器廢氣旁通閥電控系統建模

渦輪增壓器廢氣旁通閥電控系統模型如圖2所示.

建立的PID Controller模塊是基于增壓壓力的閉環控制，控制系統采用增量式數字PID算法與PWM方式相結合的方法對旁通閥開度進行控制.