电控旁通阀涡轮增压器匹配计算研究

龚金科　陈长友　胡辽平　杨迪　刘冠麟

摘 要：采用发动机性能仿真软件GT-power建立了带废气旁通阀电控系统的涡轮增压汽油机模型，基于增压压力随旁通阀开度变化的情况，确定了控制系统的特性参数值.根据不同增压压力下涡前压力的变化规律以及汽油机动力性能的要求对废气旁通阀开度进行标定，分析了增压器与汽油机联合运行性能并进行了实验验证.结果表明，选配的小尺寸涡轮确保了汽油机的低速性能；建立的控制系统实现了对增压压力多目标值的连续控制，高速时没有发生因增压压力过高而导致爆燃和增压器超速的现象.

关键词：汽油机；涡轮增压器；电控旁通阀；匹配；数值仿真

中图分类号：TK411.8 文献标识码：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

涡轮增压已成为发展内燃机节能减排的关键技术之一，而汽油机采用涡轮增压技术却容易出现低速增压压力不足和高速增压压力过高的情况，为改善涡轮增压器的响应特性，国内外研究者已提出了采用可变喷嘴涡轮增压、电辅助涡轮增压、二级涡轮增压、废气旁通涡轮增压、蒸汽辅助涡轮增压等技术[1-5].采用废气旁通阀涡轮增压器与汽油机匹配时，高速工况下采用废气旁通的方法改善增压压力过高的情况，机械控制的废气旁通阀不能根据工况的变化调整放气量，要实现发动机各工况下对目标增压压力的理想控制通常采用电磁废气旁通阀.由于旁通阀的开度会影响涡轮前排气压力，进而会导致进气压力的变化，因此对汽油机与电控旁通阀涡轮增压器的标定匹配进行计算研究具有十分重要的理论和实际意义.

本文使用发动机性能仿真软件GT-power建立了电控旁通阀涡轮增压汽油机模型；利用建立的PID Controller模块对旁通阀执行闭环控制，实现了对多目标增压压力的控制；对发动机与电控执行器参数进行标定，避免了爆燃以及增压器喘振和超速现象；得出外特性各转速目标增压压力下的功率、转矩、燃油消耗率，并对仿真结果进行了实验验证，为涡轮增压器与发动机匹配性能优化提供了参考依据.

1 发动机模型的建立

1.1 发动机基本参数

研究采用的机型为0.8 L电控涡轮增压汽油机，该发动机的基本结构参数如表1所示.

1.2 发动机本体建模

涡轮增压汽油机模型如图1所示，该模型是结合实际增压汽油机的构造和布置，依次将进气环境端、中冷器、进气管路、气缸、喷油器、曲轴箱、排气管路、排气环境端等用相应的节流模块进行连接，按照增压汽油机的实际结构尺寸对进排气系统、中冷器、进排气门、气缸、喷油嘴、曲轴箱等模块参数进行设置，其中，进排气门升程曲线、喷油正时、燃烧模型等由已知数据直接输入，燃烧模型采用双韦伯燃烧模型，机械损失采用D.E.Winterbone经验公式进行计算.空滤器、尾气后处理系统和消声器等部件在模型中使用压力损失元件计算其对发动机动力性能的影响[6].进排气道流量系数由试验参数标定，由于缸内压力的变化和气流的影响，燃烧持续期会有所不同，根据相关文献和经验公式，将发动机全负荷下的空燃比设为12∶1，通过对气门正时的调整来调节进气量，改变各转速下燃料燃烧50%对应的曲轴转角来调整发动机的功率输出.

1.3 涡轮增压器废气旁通阀电控系统建模

涡轮增压器废气旁通阀电控系统模型如图2所示.

建立的PID Controller模块是基于增压压力的闭环控制，控制系统采用增量式数字PID算法与PWM方式相结合的方法对旁通阀开度进行控制.