可變噴嘴廢氣渦輪增壓器控制系統發展概述

路海波++方存光

摘 要：文章針對目前內燃機行業快速發展的可變噴嘴廢氣渦輪增壓技術，從其控制系統方面闡述了國外霍尼韋爾國際公司、美國通用汽車公司及日本石川島播磨重工業公司可變噴嘴廢氣渦輪增壓技術特點，以及清華大學、北京理工大學在可變噴嘴廢氣渦輪增壓技術方面做了嘗試，指出可變噴嘴廢氣渦輪增壓技術在內燃機節能減排方面具有比傳統廢氣渦輪增壓器更為廣闊的空間，是目前增壓技術的發展方向，其研發對促進我國增壓器行業的升級具有重要意義。

關鍵詞：可變噴嘴廢氣渦輪增壓技術 控制系統 綜述

中圖分類號：U464 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）12（b）-0084-01

傳統機械式廢氣渦輪增壓器由于渦輪轉動慣量的存在，瞬態響應差，可變截面渦輪增壓器（VGT）可以很好克服上述問題，達到進一步節能減排的目的，是目前民用內燃機廢氣渦輪增壓系統發展的主要方向。

1 國外VGT增壓器控制系統發展概況

國外在VGT增壓器控制系統的研究與創新方面一直處于領先地位，美國、德國、日本等都已經開發了多種典型實用的可變噴嘴渦輪增壓器控制系統。

上個世紀霍尼韋爾國際公司Honeywell[1]，該系統主要由噴嘴葉片執行器、PCM閥、真空泵、控制單元和傳感器及各種儀表組成。噴嘴葉片執行器采用膜片式負壓執行器，執行器由安裝于發電機后端的真空泵提供動力。在執行器與真空泵中間安裝有PCM閥，用來控制執行器負壓大小。控制單元根據發動機傳感器信號向PCM閥發出控制信號，通過改變PCM閥開啟和關閉的時間比來調節由真空泵產生的負壓，從而控制噴嘴葉片角度。該控制系統以增壓壓力為控制目標參數，為了提高非穩態工況下系統的穩定性和平滑性，采用有前饋的PI控制算法：將發動機穩態工況下由轉速和負荷所決定的噴嘴開度負載比值做為前饋，加入PI控制算法中，以實現對PCM閥的控制。

美國GM公司也開發了一種用于汽油機的VGT控制系統[2]。該系統由執行器、電子壓力調節器（EPR）、電子真空調節器（EVR）、電控單元和傳感器組成。系統膜片式壓力執行器與以往膜片式執行器不同之處在于執行器氣室被膜片一分為二，且膜片同時受來自于節氣門后壓氣機前的進氣歧管和增壓后的進氣歧管兩個氣室壓力，該壓力差推動膜片驅動噴嘴環葉片旋轉，以保證氣動執行器在各種工況下都能有效克服來自噴嘴拉桿的阻力。另外，兩個氣室中的壓力又分別受EPR和EVR的控制。其控制策略是先制出穩態工況增壓壓力控制MAP圖并存儲于ECM中，把當前增壓壓力與ECM中的目標增壓壓力進行比較，電子控制包根據差值調節控制信號，使執行器動作進而實現增壓壓力的優化控制。

此外，日本石川島播磨重工業公司還將模糊控制應用于裝有VNT增壓器的六缸柴油機上采用步進電機驅動執行器，并取得了很好的控制效果[3]。

2 國內VNT增壓器控制系統研究狀況

國內在VNT增壓器的研究方面稍落后于國外，從事這方面研究的單位很少，其中清華大學、北京理工大學、同濟大學等高校在VGT控制系統方面做了一些工作。

1995年，北京理工大學王軍秋等人研制了一種VGT控制系統。該系統由電控單元ECU、渦輪截面開度執行器（力矩電機）、傳感器及控制對象J6110Z柴油機等組成[4]。系統接受發動機轉速、壓氣機端增壓壓力、渦輪端噴嘴葉片執行器位移等信號，通過一定算法，控制信號輸出到噴嘴葉片執行器，改變噴嘴環葉片轉動角度，進而控制渦輪噴嘴開度。

2000年，北京理工大學馬朝臣等人為J6110Z六缸柴油機匹配的VGT設計了一種機械式啟動控制系統[5]。該增壓器的噴嘴環葉片位置由一根擺桿控制，采用杠桿原理，擺桿兩端分別為噴嘴環葉片和彈簧，擺桿中間與氣動膜片執行器推桿相連，通過彈簧拉力與氣動執行器膜片兩端壓力差的平衡來推動噴嘴環葉片旋轉。渦輪增壓器的設計點選在標定點，此時彈簧的拉力與作用于膜片上的壓氣機出口壓力相平衡。

清華大學汽車安全與節能國家重點實驗室，在大眾TDI發動機上進行了VGT控制系統的開發[6]，特點是：采用以步進電機作為執行器，通過發動機轉速傳感器和油門位置傳感器兩個信號查MAP圖，得到目標增壓壓力，進行PID控制。在穩態工況時，采用隨可變噴嘴開度變化的PID控制，從而實現對目標增壓壓力的良好控制。在瞬態工況時，采用不同于穩態的PID參數并引入預測函數的控制方法，加強系統在瞬態工況時的響應速度，并在研制的軟硬件系統上進行了試驗。

3 結語

可變噴嘴廢氣渦輪增壓技術在內燃機節能減排方面具有比傳統廢氣渦輪增壓器更為廣闊的空間，是目前增壓技術的發展方向，其研發對促進我國增壓器行業的升級具有重要意義。國外經過幾十年的技術積累，可變噴嘴渦輪增壓器無論是整體技術還是控制技術都遠遠走在我國的前面，而我國對于可變噴嘴渦輪增壓器的研究僅僅處于理論研究階段。

參考文獻

[1] H·Ogawa，M·Hayash，M·Yashiro.重型貨車可調噴嘴渦輪增壓系統連續反饋控制的發展[J].車用發動機，1998（1）：9-15.

[2] Joseph F·Moody.Variable Geometry Turbocharging with Electronic Control[J].SAE Paper，860107.

[3] M.J.van Nieuwstadt，I.V.Kolmanovsky， P.E.Moraal.Coordinated EGR-VGT Control for Diesel Engines：an ExPerimental Comarison[J].SAE Paper 2000-01-0266.

[4] 王軍秋，王延生，劉毅，等.電控可變幾何渦輪增壓器與J6110Z柴油機匹配性能研究[J].車用發動機，1995（3）：6-10.

[5] 馬朝臣，吳中佐.渦輪調節方式對增壓柴油機匹配性能的影響[J].內燃機學報.2000，18（2）：165-167.

[6] J.B.Heywood.Internal combustion engine fundamentals[M].McGraw-Hill Book ComPany，1998.endprint