發動機進氣壓力自動控制系統開發與研究

胡軍科，趙 存，牛奇斌，徐坤鴻

（1.中南大學 機電工程學院，2.高性能復雜制造國家重點實驗室，長沙 410083）

0 引言

我國國土地勢呈階梯狀分布，西高東低，其中海拔2000m以上的高原地區占33%左右，少數地區達5000 m以上[1]。高原地區的鐵路公路沿線路況復雜、氣候多變、海拔跨度較大，給各種車輛和發動機動力設備的正常使用帶來很多問題。隨著海拔升高，空氣越來越稀薄，導致發動機進氣壓力下降，進氣量不足，油料燃燒不充分，發動機動力下降，排放尾氣中的有害氣體增加，大大降低了發動機的各方面性能和使用壽命。

為解決高原環境下發動機進氣壓力下降問題，專家學者做了大量的研究工作，如廢氣渦輪增壓技術[2]，可調渦輪增壓技術[3]等。現有的各種增壓技術主要是通過對空氣進行壓縮，提高進氣壓力，但都只實現了一定海拔范圍的工況匹配，當海拔高度發生變化，則匹配失效，發動機增壓系統的自我調節能力和高原適應性較差[4]。

本文提出一套發動機進氣壓力自動控制系統，引入反饋校正環節，通過PID反饋調節控制發動機進氣壓力，可以有效提高發動機在高原環境下的進氣壓力，提高發動機的高原適應性。

1 系統方案設計

高原環境下發動機工作性能如何主要取決于缸內燃燒效果，油料與空氣的混合比是否合理至關重要，因此，需要對進氣量和燃燒耗氣量的匹配程度進行研究。

1）發動機與增壓器的匹配條件[5]

（1）能量平衡

式(1)中，PC是壓氣機功率，PT是渦輪功率。

（2）轉速平衡

式(2)中，nC是壓氣機轉速，nT是渦輪轉速。

（3）流量平衡

式(3)中，GC是壓氣機排氣量，GT是渦輪排氣量，Gf是燃燒所需空氣量。

2）壓氣機流量計算公式

式(4)中，VN是壓氣機額定排量，n是葉輪轉速。

根據以上公式可知，轉速n和流量Q是進行匹配計算的重要變量。壓氣機排量VN由葉輪結構決定，當排量VN一定，不考慮其他影響因素，則風量Q大小由轉速n決定，因此，控制進氣壓力和流量關鍵是實現對壓氣機轉速n的控制，現有的研究工作在這一方面涉及的很少。

本文提出一套新的發動機進氣壓力自動控制系統方案，如圖1所示。在發動機原系統上添加一套可以實現反饋調節的進氣壓力自動控制系統。在系統中引入反饋校正環節[6]，通過檢測發動機進氣壓力作為反饋校正信號，進行PID運算，輸出相應控制信號，改變輔助增壓機轉速，從而改變進氣壓力和流量。控制閥關閉，自動控制系統斷開，發動機系統不發生任何改變；控制閥開啟，自動控制系統開啟，輔助增壓機啟動，空氣經過可控的輔助增后進入主進氣道。輔助增壓系統具有模塊化特征，便于安裝拆卸。當輔助增壓機故障時，將控制閥關閉，輔助增壓機斷開，空氣直接進入主進氣道，發動機仍可正常運行。本文提出的發動機進氣壓力自動控制系統具有模塊化特征，便于安裝拆卸，適用于大部分高原地區運行的車輛和發動機動力設備。

圖1 進氣壓力自動控制系統原理圖

2 系統算法設計

在本文提出的自動控制系統采用反饋校正方式調節進氣壓力。反饋校正系統常用的算法是PID算法。采用PID算法進行反饋校正技術很成熟，現已在制造業和工程裝備領域得到廣泛應用[7]。PID算法公式如下：

式(1)中，u(t)為控制量，KP為比例系數，TI為積分系數，TD為微分系數，e(t)為系統偏差，e(t)=r(t)-c(t)，其中r(t)為系統給定值，c(t)為實際輸出值。

系統運行時，主要是根據采樣的進氣壓力數據與設定壓力計算出系統偏差，通過PID運算產生控制量，改變PWM脈沖的占空比D，改變電路輸出功率，改變電動機轉速，從而調節輔助增壓機轉速，調節進氣壓力和流量[8]。

本文采用數字增量式PID實現發動機進氣壓力的調節，計算公式如下：

式(2)中：KP為比例增益；KI=Kp(T/TI) 為積分系數；KD= Kp(TD/T) 為微分系數，且參數KP、KI、KD由實驗調試結果確定。

3 運算流程圖

系統運行時，先給定r(k)值，壓力傳感器采集進氣口的壓力數據，即實際輸出值c(k)，根據e(k)=r(k)-c(k)計算系統偏差e(k)，再通過PID計算得出控制量u(k)，計算出?D，改變通電時間，改變電路輸出功率，從而改變輔助增壓機轉速，調節發動機進氣壓力和流量，達到實際工況要求。

進氣壓力自動控制運算流程圖如圖2所示。

圖2 運算流程圖

圖2中，TxPR為寄存器，由控制量u(k)改變TxPR對應數據，得出?D，改變占空比D。為防止啟動過程設備反應滯后，計算得出過大的偏差，得出過大的u(k)，使系統產生很大的占空比D，引起電流過大燒壞元器件，設置限幅偏差eM。當計算偏差大于限幅偏差eM時，按限幅偏差eM進行運算。當系統進入穩態后，為避免過小的偏差引起系統發生頻繁的振顫，設置允許偏差e0，當計算偏差小于允許偏差e0時，不改變控制量，占空比D不變。

4 試驗驗證

在BF12L-513C型柴油發動機上進行試驗，設備型號如表1所示，實驗裝置如圖3所示。試驗地點位于青藏鐵路西寧工務段秀水河區域，海拔高度4670m，溫度290K，大氣壓力0.055MPa。

表1 試驗設備型號表

圖3 試驗臺

按照圖1原理圖對BF12L-513C型柴油機進氣管道進行改裝，在管路上設置三通控制球閥。當控制閥關閉時，輔助增壓機斷開，空氣直接進入主進氣管道，整個發動機進氣系統沒有任何改變。當控制閥打開時，輔助增壓機接通，空氣通過輔助增壓機增壓后進入主進氣管道。

實驗采用變頻器-電動機-鼓風機驅動方式，而非PWM脈寬調速，但原理相似。ATV610型變頻器具備PID模塊，預設PID給定值組合表如表2所示。通過數字輸入預設給定值（[PID預設給定值2]rP2、[PID預設給定值3]rP3、[PID 預設給定值4]rP4），給定值與控制量在最大最小值之間取值時成線性對應關系。

表2 預設PID給定值的組合表

在發動機進氣口裝壓力傳感器，檢測進氣壓力數據傳入變頻器，經過內部PID模塊運算得出控制量，調節電源輸入頻率。根據電機轉速與工作電源輸入頻率的關系：n=60f（1-s）/p，（n、f、s、p分別表示轉速、頻率、轉差率、磁極對數），當頻率發生改變時，轉速隨之改變，即通過PID運算調節電源頻率即可實現對轉速的控制。

進行試驗，試驗分兩種情況進行：第一種情況，三通球閥關閉，測試發動機原系統運行時的壓力參數；第二種情況，三通球閥開啟，測試使用進氣壓力自動控制系統后的壓力參數。

采集兩種情況下的進氣壓力數據，如圖4所示。三通球閥關閉，進氣壓力自動控制系統斷開時，壓力傳感器采集壓力數據如曲線1，發動機進氣壓力值與外界氣壓一致，穩定在0.055MPa左右。三通球閥閥開啟，輔助增壓機開啟，目標壓力0.065MPa，壓力傳感器采集壓力數據如曲線2，壓力值從0.055MPa提高至0.065MPa左右，壓力值有波動，但最終穩定在0.065MPa左右。試驗證明，可以將進氣壓力提高18%左右，壓力值得到明顯提高。

圖4 進氣壓力實驗數據曲線

在理論上，通過PID反饋校正可以調節發動機進氣壓力達到任意目標值，無論車輛處于什么海拔高度，外界大氣壓力值為多少，只要將目標壓力設置為0.1MPa（1個標準大氣壓），經過進氣壓力自動控制系統調節后，都可以將進氣壓力在0.1MPa左右，即實現發動機在任意海拔高度下的恒壓供氣，但因為試驗裝置功率的限制，現在還不具備將目標壓力設為0.1MPa的試驗條件。

5 結論

根據現有理論分析和試驗結果可以得出以下結論：

1）本文提出的進氣壓力自動控制系統可以有效提高發動機進氣壓力，提高發動機性能，在BF12L-513C型柴油發動機上進行試驗時可以進氣壓力提高18%左右。

2）進氣壓力自動控制系統通過PID反饋校正可以自動調節壓力，將進氣壓力穩定在設定壓力附近。理想條件下，可以實現發動機在高原地區的恒壓供氣，提高了發動機的高原適應性。