电子辅助涡轮增压系统研究
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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、部分负荷经济性差和瞬态响应迟缓的问题，能在不改变高转速性能的同时，改善低速性能，在增压柴油机全工况范围内进行调节，提高发动机功率、改善燃料经济性，对降低内燃机的污染、噪声也有积极影响。电控可变喷嘴涡轮增压器已成为当今世界涡轮增压行业的最新发展趋势。本文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性能、控制方法和控制参数进行研究。
首先，对变截面涡轮增压器与柴油机的匹配要求作了说明，分析了变截面涡轮增压器的喷嘴环叶片转角与发动机各参数的关系。然后，介绍了PID控制方法及适合于对变截面涡轮增压器进行控制的数字增量式PID控制法。接着介绍计算机仿真技术及MATLAB仿真工具。MATLAB非常适用于控制理论的探讨与仿真试验的研究，其中SIMULINK是一个进行动态系统建模、仿真和综合分析的集成软件包。从分析研究角度讲，SIMULINK模型不仅能让用户知道具体环节的动态细节，而且能让用户清晰地了解各器件、各子系统、各系统间的信息交换，掌握各部分之间的交互影响。最后，阐述了变截面涡轮增压柴油机的工作原理并对其模型进行了系统描述，建立了涡轮增压柴油机系统的动力学模型。通过稳定边界法设计PID控制器，在MATLAB／SIMULINK仿真环境下对涡轮增压柴油机系统的动力学模型进行仿真分析。验证涡轮增压柴油机系统的性能以及采用电控变截面调节以后，对于柴油机性能的改善。并利用MATLAB仿真工具对增压器的非线性动力学模型进行线性化处理，利用适当简化的方法，建立的变截面涡轮增压柴油机准线性模型，在SIMULINK仿真环境下能满足动态仿真的实时性要求，方便快捷地分析仿真结果。可以通过仿真来研究变截面涡轮增压系统的控制方法及其可行性，并可以为不同的工况，确定不同的PID控制参数。通过仿真来研究电控变截面涡轮增压系统对增压柴油机的理论研究和现实应用都具有指导意义。
Turbocharger Electronic control System may take full advantage of the exhaust gas energy of Diesel Engine and get over the problem in general gained press which is fall short of wrest rules in the time of low speed and the problem that the engine can't works with full capacity when in part load, the transient response remains slow, it can improve the capability of low speed at the same time high speed and heighten the power of the engine and improve the fuel economy and reduce the influence of pollution and yawp. The Variable Geometry Turbocharger Electronic control System has become the development direction of Turbocharger nowadays, in this paper ,the diesel engine of Turbocharger is the object of research, we set up the dynamic model of the Variable Geometry Turbocharger Electronic control diesel engine in MATLAB and study its capability and the means and parameter of control.
In the first place ,we explain the matching between the VGT and the diesel engine and analyse between the parameter relation of engine and the nozzle area, then, we introduce the increment PID control method and MATLAB environment, at last ,a real time model for simulating transient conditions of vehicle turbocharged diesel engines has been presented to research and develop the electronic-controlled turbocharged diesel engines, the system is divided into four part, that is , compressor .engine ,variable geometry area ,and turbine from the viewpoint of system control, the time between two working cycles is taken as calculation time step, and the mean parameters of each working cycle as calculation purpose, the model has such advantages as shorter calculation time and better real time characteristics, the model is used to simulate the transient conditions of a vehicle turbocharged diesel engine with variable geometry area . the calculated results show that the calculation accuracy can meet the needs of real ti
me transient modeling and may analyze simulation result which is very convenience, this is very instruct significance in the theory and appliance field of turbocharged diesel engine too.
首先，对变截面涡轮增压器与柴油机的匹配要求作了说明，分析了变截面涡轮增压器的喷嘴环叶片转角与发动机各参数的关系。然后，介绍了PID控制方法及适合于对变截面涡轮增压器进行控制的数字增量式PID控制法。接着介绍计算机仿真技术及MATLAB仿真工具。MATLAB非常适用于控制理论的探讨与仿真试验的研究，其中SIMULINK是一个进行动态系统建模、仿真和综合分析的集成软件包。从分析研究角度讲，SIMULINK模型不仅能让用户知道具体环节的动态细节，而且能让用户清晰地了解各器件、各子系统、各系统间的信息交换，掌握各部分之间的交互影响。最后，阐述了变截面涡轮增压柴油机的工作原理并对其模型进行了系统描述，建立了涡轮增压柴油机系统的动力学模型。通过稳定边界法设计PID控制器，在MATLAB／SIMULINK仿真环境下对涡轮增压柴油机系统的动力学模型进行仿真分析。验证涡轮增压柴油机系统的性能以及采用电控变截面调节以后，对于柴油机性能的改善。并利用MATLAB仿真工具对增压器的非线性动力学模型进行线性化处理，利用适当简化的方法，建立的变截面涡轮增压柴油机准线性模型，在SIMULINK仿真环境下能满足动态仿真的实时性要求，方便快捷地分析仿真结果。可以通过仿真来研究变截面涡轮增压系统的控制方法及其可行性，并可以为不同的工况，确定不同的PID控制参数。通过仿真来研究电控变截面涡轮增压系统对增压柴油机的理论研究和现实应用都具有指导意义。
Turbocharger Electronic control System may take full advantage of the exhaust gas energy of Diesel Engine and get over the problem in general gained press which is fall short of wrest rules in the time of low speed and the problem that the engine can't works with full capacity when in part load, the transient response remains slow, it can improve the capability of low speed at the same time high speed and heighten the power of the engine and improve the fuel economy and reduce the influence of pollution and yawp. The Variable Geometry Turbocharger Electronic control System has become the development direction of Turbocharger nowadays, in this paper ,the diesel engine of Turbocharger is the object of research, we set up the dynamic model of the Variable Geometry Turbocharger Electronic control diesel engine in MATLAB and study its capability and the means and parameter of control.
In the first place ,we explain the matching between the VGT and the diesel engine and analyse between the parameter relation of engine and the nozzle area, then, we introduce the increment PID control method and MATLAB environment, at last ,a real time model for simulating transient conditions of vehicle turbocharged diesel engines has been presented to research and develop the electronic-controlled turbocharged diesel engines, the system is divided into four part, that is , compressor .engine ,variable geometry area ,and turbine from the viewpoint of system control, the time between two working cycles is taken as calculation time step, and the mean parameters of each working cycle as calculation purpose, the model has such advantages as shorter calculation time and better real time characteristics, the model is used to simulate the transient conditions of a vehicle turbocharged diesel engine with variable geometry area . the calculated results show that the calculation accuracy can meet the needs of real ti
me transient modeling and may analyze simulation result which is very convenience, this is very instruct significance in the theory and appliance field of turbocharged diesel engine too.
引文
[1] 朱大鑫，涡轮增压与涡轮增压器，机械工业出版社，176～330 1992．11
[2] 上海内燃机研究所，增压与增压器译文集，上海科学技术文献出版社，1980．10
[3] k．齐纳，内燃机增压与匹配—理论、计算及实例—，国防工业出版社，1982．7
[4] 沈权，内燃机增压技术，中国铁道出版社，1990．11
[5] 袁玉和，夏有禹，高广有，车辆用涡轮增压器，国防工业出版社，1990．8
[6] 王银燕，滕万庆等，采用电子控制系统的涡轮增压柴油机的模拟研究，船舶工程，1998．2
[7] 邱冬，赵金印，周海，应用系统工程方法改善增压柴油机性能的探索，大连理工学报，1996，9
[8] 王恩华，周明等，可变喷嘴涡轮增压器电控系统的设计与匹配，内燃机学报2002．6
[9] 张晋东，李洪武，车用柴油机涡轮增压技术的新发展，车用发动机，2002．2
[10] 刘淑艳，黄佑生，郑令仪，提高涡轮增压柴油机匹配性能的新方案，内燃机工程，1994，4
[11] 张然治，任继文，岳云，对带废气放气阀涡轮增压器应用分析，车用发动机，1997．4
[12] 曲秀华，车用涡轮增压柴油机低速和加速性能研究分析，重型汽车，1998．4
[13] H．Ogawa，M．Hayash，M．Yashiro，重型汽车可调喷嘴涡轮增压系统连续反馈控制的发展，车用发动机，1998．1
[14] 张汝坤，可变涡轮增压技术及其实验研究，汽车技术，2000．2
[15] 邓康耀，朱义伦等，涡轮增压柴油机废气再循环系统的发展，车用发动机，2000．10
[16] 顾宏中，杨世友，郭中朝，车用柴油机涡轮增压系统的选择，车用发动机，1998
[17] 翁祖亮，内燃机产业关键技术分析，内燃机工程，1999．2
[18] 张江城，顾宏中，涡轮增压系统在多缸发动机中的应用，中国造船，1999．8
[19] 吕植中等，493ZQ柴油机匹配气波增压器的研究，内燃机学报，2001．1
[20] 朱小慧，顾宏中，大功率高增压柴油机MIXPC-Scaby增压系统的研究，船舶工程，2000．4
[21] 朱小慧，顾宏中，车用涡轮增压柴油机V V E系统的模拟研究，车用发动机，2001．4
[22] 邓康耀，朱义伦等，增压柴油机实现废气再循环(EGR)系统的模拟计算研究，内燃机学报，2001．2
[23] 景国辉，安士杰，涡轮增压柴油机水下工况的研究，中国造船，2001．9
[24] 杨林，顾宏中，230柴油机超高增压选型研究，中国造船，1999．2
[25] 姜水生，潘秀明等，493柴油机增压前后对比分析，内燃机工程，1999．1
[26] 钱兴华，行驶风对机车柴油机增压压力影响的探讨，内燃机车，1998．7
[27] 沈颖刚，何保红等，大气压力对涡轮增压柴油机燃烧过程影响的试验研究，内燃机，2002．3
[28] 朱会田，彭生辉等，车用汽油机废气涡轮增压存在障碍及对策，小型内燃机与摩托车，2002．4
[29] 朱梅林，黄贤斌等，改善大功率涡轮增压柴油机性能的研究，华中理工大学学报，1994．9
[30] 杨世友，顾宏中，郭中朝，大功率16缸柴油机采用相继涡轮增压系统的模拟计算与研究，2002．3
[31] 肖民，姚寿广，涡轮增压柴油机图形化循环模拟技术研究，华东船舶工业学院学报2003．6
[32] 王应红，郑国璋，废气涡轮增压与发动机匹配的理论计算研究，内燃机2004．2
[33] 江光讯，朱梅林等，改善车用增压柴油机低速扭矩特性的技术途径，柴油机设计与制造2003．2
[34] 郝利君，张焕新等，电控可调涡轮增压天然气发动机开发，汽车工程2003．6
[35] 王恩华，周明等，基于PID单片机的变喷嘴涡轮增压器电控系统设计，内燃机工程，2003．1
[36] 段树林，欧阳明高等，16V204ZJD涡轮增压柴油机动态过程的实时仿真，武汉交通科技大学学报1999．6
[37] 段树林，欧阳明高，MATLAB／SIMULINK在涡轮增压器动态特性仿真中的应用，大连铁道学院学报，1999．12
[38] 龚振青，周明等，车用柴油机可变截面涡轮增压器控制系统研究，汽车工程2001．4
[39] 左承基，欧阳明高等，发动机台架试验的动态仿真，车用发动机，1997．3
[40] 郭林福，马朝臣等，可变几何涡轮增压器与发动机稳态匹配模型的研究，内燃机学报，2003．2
[41] 段树林，欧阳明高，涡轮增压柴油机动态仿真的研究，大连海事大学学报，1999．2
[42] 陈策，毕小平等，涡轮增压柴油机平均参数模型及其仿真，车用发动机2000．10
[43] 毕小平，欧阳明高，孙鸿等，一个车用增压柴油机的实时动态仿真模型，内燃机工程，2000．2
[44] 姚锡凡，用MATLAB语言设计铸造设备控制系统，铸造技术，2001．1
[45] 薛定宇，陈阳泉，基于MATLAB／SimuLink的系统仿真技术与应用，清华大学出版社，339～350 2002．4
[46] 张志涌，精通MATLAB 6.5，北京航空航天大学出版社，360～438 2003．1
[47] 陶永华，新型PID控制及其应用，机械工业出版社，1～10 2002．11
[48] 黄忠霖，控制系统MATLAB计算及仿真，国防工业出版社，394～417 2003．4
[49] Moody Joseph F, Variable Geometry Turbocharging with Electronic Control, SAE860107
[50] Zhang Hong, Ma Chao-chen, Development of Turbocharger for Improving Diesel Engine Matching performance, Journal of Beijing Institute of Technology, 2002.Vol.11, No.2
[51] YoshihamHort, MizuhaoFukuda, Yochikobayashi, Computer Simulation of Vehicle Fuel Economy andPerformance[c].SAE paper860364,1986
[2] 上海内燃机研究所，增压与增压器译文集，上海科学技术文献出版社，1980．10
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[37] 段树林，欧阳明高，MATLAB／SIMULINK在涡轮增压器动态特性仿真中的应用，大连铁道学院学报，1999．12
[38] 龚振青，周明等，车用柴油机可变截面涡轮增压器控制系统研究，汽车工程2001．4
[39] 左承基，欧阳明高等，发动机台架试验的动态仿真，车用发动机，1997．3
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[41] 段树林，欧阳明高，涡轮增压柴油机动态仿真的研究，大连海事大学学报，1999．2
[42] 陈策，毕小平等，涡轮增压柴油机平均参数模型及其仿真，车用发动机2000．10
[43] 毕小平，欧阳明高，孙鸿等，一个车用增压柴油机的实时动态仿真模型，内燃机工程，2000．2
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[47] 陶永华，新型PID控制及其应用，机械工业出版社，1～10 2002．11
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[50] Zhang Hong, Ma Chao-chen, Development of Turbocharger for Improving Diesel Engine Matching performance, Journal of Beijing Institute of Technology, 2002.Vol.11, No.2
[51] YoshihamHort, MizuhaoFukuda, Yochikobayashi, Computer Simulation of Vehicle Fuel Economy andPerformance[c].SAE paper860364,1986