旁通阀控制策略对增压汽油机瞬态响应性能的影响

倪计民， 李冬冬， 石秀勇， 沙长泓， 刘思， 王琦玮

(同济大学汽车学院， 上海 201804)



旁通阀控制策略对增压汽油机瞬态响应性能的影响

倪计民， 李冬冬， 石秀勇， 沙长泓， 刘思， 王琦玮

(同济大学汽车学院， 上海 201804)

针对带旁通阀的废气涡轮增压汽油机，采用试验和仿真相结合的方法建立基于GT-Power的汽油机稳态模型。运用BP神经网络法建立燃烧模型，得到增压汽油机瞬态模型。采用PID控制对原机旁通阀控制策略进行优化，通过优化后的旁通阀控制策略对汽油机瞬态响应质量参数——平均有效压力、瞬态响应时间和增压器瞬态转速进行分析。结果表明：优化后的旁通阀控制策略可以在汽油机的中高速范围内显著地缩短发动机的瞬态响应时间，同时保证汽油机增压压力与增压器转速都处于安全范围之内。

增压汽油机； 瞬态响应； 旁通阀； 控制策略

随着排放法规日益严苛，车用发动机节能减排显得更加紧迫。汽车有害排放物中40%～80%来自瞬态工况，其中30%～70%来自加速工况[1]。增压汽油机在瞬态工况下运行时燃烧不充分，排放污染物增多，因此对增压汽油机的瞬态性能进行研究非常必要。目前，对增压汽油机瞬态的研究主要集中在运用商用软件对瞬态过程建模计算[2-4]、旁通阀开度对涡轮流量及蜗壳温度分布的影响[5-6]、废气稳流和脉冲流动下旁通阀开度对涡轮效率的影响[7]等，而旁通阀控制策略对涡轮增压汽油机瞬态响应性能的影响却鲜有报道。

本研究采用试验与仿真相结合的方法，基于GT-Power建立汽油机稳态模型，利用BP神经网络法优化汽油机缸内燃烧模型，使之能更加准确地模拟带旁通阀涡轮增压汽油机瞬态特性。采用PID控制对原机旁通阀控制策略进行优化，通过优化后的旁通阀控制策略对汽油机瞬态响应质量参数，包括平均有效压力、瞬态响应时间和增压器瞬态转速进行研究。

1 增压汽油机仿真建模与标定

1.1 汽油机基本参数及瞬态优化计算分析流程

试验机型为直列4缸四冲程汽油机，采用带旁通阀废气涡轮增压器。发动机的主要技术参数见表1。带旁通阀增压汽油机瞬态响应性能优化计算分析流程见图1。

表1 发动机主要参数

图1 汽油机瞬态响应性能优化计算分析流程

1.2 增压汽油机GT-Power一维稳态仿真建模与标定

针对该款增压汽油机，在发动机试验台架上对转速1 000～6 000 r/min内228个稳态数据点进行了测量，为保证稳态仿真模型精度以及稳态模型向瞬态模型转化时对数据点的需求量，选取其中220个稳态数据点进行标定。针对3个影响发动机瞬态性能的主要状态参数——平均有效压力、有效燃油消耗率、发动机功率，在稳态条件下进行标定。平均有效压力标定结果见图2。

图2 增压汽油机平均有效压力标定

部分负荷下，功率误差与平均有效压力误差类似，都在±1.4%以内，有效燃油消耗率的仿真值与试验值误差为±2.4%；全负荷下，所有参数误差范围均在5%以内。由此认为，该稳态模型能够准确模拟该款增压汽油机运行情况。

1.3 增压汽油机GT-Power一维瞬态仿真建模

发动机瞬态仿真中燃烧模型是整个模型的基础，对发动机的瞬态响应性能影响较大。然而影响汽油机燃烧的因素较多，且很难用精确的数学模型进行描述。因此通过神经网络的方法对燃烧模型的关键参数进行控制，将其拟合为随发动机运行状态参数变化的函数，建立半预测燃烧模型。研究中对瞬态燃烧模型影响不大的参数，例如气缸壁面温度进行了简化，按定值处理，而将关注点主要放在对Wiebe燃烧模型中燃烧重心以及燃烧持续期的研究上。

本研究所使用的神经网络为三层BP神经网络[8]，由输入层、输出层和2个隐藏层组成。输入层包括k个输入，2个隐藏层分别包含n个节点和m个节点，输出层为 1 个输出，其结构见图3。

图3 三层BP神经网络结构图

设定BP前馈神经网络第一隐藏层数为15，第二隐藏层数为5，在GT-Power软件中建立基于神经网络的燃烧模型(见图4)。对Wiebe燃烧模型中的燃烧重心、10%～90%燃烧持续期进行神经网络训练，经过BP前馈神经网络训练后通过图5对其拟合精度进行评价。从图5中可见，所有点密集分布在零误差线两侧，说明使用该三层BP神经网络可以很好地根据汽油机状态参数对缸内燃烧进行预测，基于神经网络的燃烧模型可信度满足研究要求。

图4 带旁通阀涡轮增压汽油机GT-Power一维瞬态仿真模型

图5 神经网络训练结果

2 增压汽油机瞬态响应工况分析与旁通阀

控制策略

2.1 增压汽油机瞬态响应工况分析

对于汽油机瞬态工况，在变速箱挡位一定时，可以通过发动机转速变化量dn与节气门开度变化量dkd的组合将瞬态工况分为三类：扭矩和转速都随时间变化的工况、定转速变扭矩工况以及定扭矩变转速工况[9-10]。根据发动机通用的评价指标以及道路工况分析，主要对增压汽油机定转速变扭矩工况进行瞬态响应特性分析。

欧洲NEDC循环工况以及WLTC(全球轻型汽车测试)循环工况中规定的时间-车速要求见图6，其中斜线覆盖区域即为NEDC和WLTC循环中发动机工况点分布范围。NDEC和WLTC循环工况转速区域均包含1 000～3 000r/min，1 600r/min最为常用；就发动机负荷范围而言，WLTC循环覆盖到了75%以上，其发动机工况在整个发动机万有特性图中呈纵向分布。

图6 NEDC，WLTC循环发动机运行范围

根据以上分析，以定转速增扭矩作为发动机瞬态响应的研究方法；取特征发动机转速1 000，1 200，1 600，2 000，2 400，2 800r/min作为主要研究转速；以发动机不同定转速下平均有效压力负荷率(即当前平均有效压力与同一转速下最大平均有效压力之比)按10%～100%阶跃规律对发动机瞬态响应性能进行研究。

2.2 旁通阀控制策略的优化

实际应用中，选取的涡轮增压器与发动机低速良好匹配，随着发动机转速升高，废气旁通阀打开，从而可以限制涡轮转速及增压压力，防止发动机爆震的发生。当阀门打开时，排气背压降低，有利于降低发动机的排气损失，减少通过涡轮的废气流量，使得涡轮做功减少，从而实现增压压力和流量与发动机工况的匹配。如果废气旁通阀开启时刻不合理，将会导致发动机增压过度和增压不足等问题的发生[11]。

原机旁通阀瞬态响应速度较慢，而PID控制方式能够提高旁通阀响应速度[12]，因此，采用PID控制方式对原机旁通阀控制策略进行优化。优化后的旁通阀控制策略见图7，其中发动机输出信号为节气门开度、发动机转速、平均有效压力、涡轮增压器转速以及增压压力，执行量为实际旁通阀开度对应GT-Power中旁通阀模块的等效直径。不同发动机工况下，控制系统以节气门开度变化率作为关闭旁通阀的控制信号，对旁通阀的控制方法主要分为旁通阀的“关闭”信号控制与PID信号控制。

图7 旁通阀控制策略示意

当节气门开度变化率大于45°/s，且实际平均有效压力小于0.9倍目标平均有效压力时，关闭旁通阀，同时为了防止旁通阀关闭时间过长导致增压器超速现象，系统通过监测实际增压器转速加以控制。当实际增压器转速小于0.9倍最高转速时，控制放气阀等效直径持续减到最小值。值得注意的是，由于节气门开启过程的时间很短，因此控制旁通阀关闭的控制信号时间也很短。为了便于旁通阀关闭逻辑功能的实现，控制系统监测与门逻辑信号变化率作为旁通阀关闭的另一控制信号，从而保证了PID控制信号与与门逻辑信号在时间上的同步，增加系统的稳定性。

当节气门开度变化率小于45°/s，且与门判句为假时，系统处于PID控制。PID控制系统中预存了旁通阀开度MAP图以及目标增压压力MAP图，通过不同工况点的发动机转速与平均有效压力查得其对应的旁通阀开度作为PID控制器的初值，查得的目标增压压力作为PID目标值。

对于节气门开度变化率较小的情况，由于其瞬态迟滞现象并不明显，且PID控制放气阀自身具有调整放气阀关闭的功能，与“关闭”信号控制策略的响应时间差异不大；而对于与门判句为假时，PID控制系统首先输出该工况对应的稳态标定的旁通阀开度值，并以此为基础进行增压压力的PID控制，可以很快地将整个发动机工况稳定下来。可以看出，该控制策略在保证提升瞬态响应性能的同时还兼顾着准稳态以及稳态工况下旁通阀的控制，可以在发动机多工况下进行仿真。GT-Power中，上述旁通阀控制策略见图8。

图8 GT-Power中旁通阀控制策略建模

3 旁通阀控制策略对增压汽油机瞬态响应

性能的影响

运用PID控制与旁通阀“关闭”信号控制相结合的方法，对原机旁通阀控制策略进行了优化。将优化后的旁通阀控制策略应用于增压汽油机GT-Power瞬态模型中，在发动机负荷变化率10%～100%的情况下，对发动机转速1 000，1 200，1 600，2 000，2 400，2 800 r/min下的瞬态响应性能进行仿真计算分析。

3.1 平均有效压力

在不同转速下，发动机负荷变化率10%～100%，节气门阶跃开启，运用旁通阀瞬态控制策略进行仿真，得到了增压汽油机在不同转速下优化前后平均有效压力变化曲线与旁通阀等效直径变化规律(见图9)。

由图9可以看出，优化后的旁通阀控制策略在发动机转速1 000～1 600 r/min范围内对瞬态性能优化并不明显，但在2 000～2 800 r/min范围内对原机的瞬态性能有很大幅度的提升。这主要是由于转速较低时，旁通阀开度初始状态与终了状态在GT-Power软件中对应的等效直径范围仅为2～4 mm(实际状态下的旁通阀开度可以忽略)，而随着转速的升高，旁通阀在瞬态过程末期对应的等效直径变大，因此通过关闭旁通阀达到提升瞬态响应的效果更加明显。

图9 优化前后旁通阀等效直径、平均有效压力变化对比

3.2 瞬态响应时间

瞬态响应时间是指节气门开启完成后汽油机平均有效压力从当前状态达到目标状态90%时所用的时间。从图10可以看出，优化前后全转速范围内的汽油机响应时间均较原机有所减少，在转速2 000～2 800 r/min范围内，汽油机瞬态响应时间可以缩短2 s以上。另外，旁通阀控制策略优化后响应时间都在4 s以内，除1 600～2 400 r/min范围内响应时间较长以外，其他转速下发动机响应时间都在2 s以内。低速改善不大的原因主要是因为旁通阀开启等效直径小，变化不明显。

图10 优化旁通阀控制策略对响应时间的影响

3.3 增压器转速

由于瞬态过程中旁通阀过长时间的关闭可能导致增压器超速，因此对应用旁通阀控制策略进行瞬态仿真中的增压器转速变化进行分析，其变化过程见图11。可以看出，采用优化后旁通阀控制策略，在不同工况下最高增压器转速都没有超出150 000 r/min，距最大增压器转速220 000 r/min保留一定的超速裕度，涡轮增压器正常运转。

综合而言，优化后的旁通阀控制策略在较大转速范围内有效地改善了增压汽油机的瞬态响应性能，然而在较低转速时，由于旁通阀开度较小，该控制策略并不能很好地改善汽油机瞬态响应性能，仍需要在考虑增压器转动惯量、发动机结构影响的同时保证增压器最高转速在合理的范围之内。

图11 瞬态过程中不同发动机转速下增压器转速变化过程

4 结论

a) 基于GT-Power建立增压汽油机一维稳态响应仿真模型，运用BP神经网络法建立燃烧模型，得到增压发动机瞬态响应半预测仿真模型，结合燃烧重心和燃烧持续期神经训练，结果表明增压汽油机瞬态响应仿真模型较好地还原了原增压发动机性能；

b) 采用PID控制对原机旁通阀控制策略进行优化，优化后的控制策略在保证提升瞬态响应性能的同时还兼顾着准稳态以及稳态工况下旁通阀的控制，可以在发动机多工况下进行仿真；

c) 通过优化后的旁通阀控制策略对汽油机瞬态响应质量参数(平均有效压力、瞬态响应时间和增压器瞬态转速)进行研究，计算结果表明，优化后的旁通阀控制策略可以在发动机中高速范围内显著地缩短发动机的瞬态响应时间，同时该旁通阀控制策略还可同时保证发动机增压压力与增压器转速范围都处于安全合理范围之内。

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[编辑： 潘丽丽]

Influence of Waste-gate Control Strategy on Transient Response Performance of Turbocharged Gasoline Engine

NI Jimin, LI Dongdong, SHI Xiuyong, SHA Changhong, LIU Si, WANG Qiwei

(School of Automotive Studies, Tongji University, Shanghai 201804, China)

For a turbocharged gasoline engine with waste-gate valve, the steady model was built with GT-Power software based on the combination of simulation and test. Transient simulation model of turbocharged gasoline engine was established by using the combustion model optimized by BP neural network. The waste-gate control strategy was optimized by adopting PID control method and the transient response parameters such as brake mean effective pressure (BMEP), transient response time and turbocharger transient speed were analyzed. The results show that the transient response time of the gasoline engine shortens obviously at medium and high engine speed after using the optimized waste-gate control strategy. Besides, the strategy guarantees turbocharger to operate within a safe range of boost pressure and turbocharger speed.

turbocharged gasoline engine; transient response; waste-gate valve; control strategy

2015-12-14；

2016-03-09

倪计民(1963—)，男，教授，博士生导师，主要研究方向为发动机节能与排放控制；njmwjyx@hotmail.com。

石秀勇(1979—)，男，副教授，硕士生导师，主要研究方向为发动机节能与排放控制、CFD模拟仿真和FEA结构优化；shixy@tongji.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.02.015

TK411.8

B

1001-2222(2016)02-0081-07