商用汽車發動機電動增壓控制策略優化研究

黃永鵬 杜宇 陳俊紅 魏超

摘 要：為了驗證電動增壓控制技術對使用常規的機械式渦輪增壓器的電控柴油機在低速動力性方面的影響，對電動增壓控制策略進行了優化研究，使用快速控制原型實現了對電動增壓控制策略的開發，并與某款電動增壓器匹配應用于一款8升國六電控柴油機上進行性能對比試驗。試驗結果表明，應用了優化后的電動增壓控制策略的電動增壓器可以根據電控柴油機的當前運行工況，對其主增壓器起到較好的自動進氣補償作用，能明顯提升柴油機的低速扭矩，從而解決了柴油機瞬態急加速冒煙和低速段動力性差的問題。

關鍵詞：電動增壓器;電動增壓控制策略;快速控制原型;低速動力性

中圖分類號：U462.1 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）10-77-04

Research on the Optimization of Electric Turbocharging Control Strategyof Commercial Automobile Engine

Huang Yongpeng， Du Yu， Chen Junhong， Wei Chao

（Guangxi Yuchai Machinery Co.， Ltd.， Engineering Research Institute，?Guangxi Nanning 530007）

Abstract：?To validate the electric turbocharging control technology on the influence of the low speed performance of electronic control diesel engine with conventional turbocharger， studied the optimization of electric turbocharging control strategy， using the rapid control prototype realizes the development of the control strategy， and with an electric booster is applied to a performance comparative experiment on a 8 liter CN6 diesel engine. The test results show， the electric booster， that use the optimized electric turbocharging control strategy， can according to the current operation condition of electronic control diesel engine make a good automatic inlet compensation effect， can significantly improve diesel engine torque at low speed area， so as to solve problems of the diesel engine transient speed up smoking and poor performance at low speed area.

Keywords： Electric booster;?Electric turbocharging control strategy; Rapid control prototype;?Performance at low speed area

CLC NO.：?U462.1 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）10-77-04

前言

隨著增壓技術在內燃機上的廣泛應用，雖然有利于發動機熱效率的提高，但是增壓器響應滯后的問題，導致發動機在煙度控制能力方面較差^[1]。但在當前的汽車工業發展形勢下，對增壓技術提出了新的挑戰^[2]，而采用電動增壓技術對使用機械式渦輪增壓器的柴油機的瞬時加速工況有較明顯的改善作用^[3]。

1?電動增壓技術

電動增壓技術主要采用的是電動增壓器與機械式渦輪增壓器進行雙增壓協同工作的方案。

相比機械式渦輪增壓柴油機，電動增壓器具有提升低速扭矩、改善瞬態加速響應性、多樣化增壓控制模式等優點^[4-5]。

由于電動增壓器安裝位置的不同，會對柴油機的外圍零部件布局設計、可靠性、性能數據等產生影響^[6]，因此在進行臺架或整車試驗時，需要根據柴油機的邊界條件為電動增壓器選擇不同的安裝位置。

當前電動增壓技術的研究現狀更多的是關注于電動增壓器對提升發動機低速性能和改善加速煙度的影響^[7-8]，而在如何結合發動機當前的運行工況對電動增壓器進行實時的自適應控制方面，特別是對電動增壓控制策略進行優化開發方面研究得較少。天津大學徐廣蘭設計的電動增壓器的電控系統對發動機的油門位置信號、電機的冷卻水溫度信號和壓氣機的控制頻率信號進行了采集，并經過工況判斷、電機冷卻、壓氣機轉速顯示等模塊計算控制后，驅動壓氣機和冷卻水泵的運行^[9]。北京理工大學韓冀寧等在對工況識別系統進行設計時，增加了對發動機轉速信號的采集和識別。當發動機達到目標轉速時，旁通閥打開，電動增壓系統停止工作^[10]。

本研究結合目前的研究現狀和存在的問題，以MotoTron快速控制原型開發平臺為基礎及結合電動增壓器的控制特性，對電動增壓控制策略進行了優化研究，并以一臺安裝了電動增壓器的8升國六電控發動機為試驗對象，對優化的電動增壓控制策略進行了匹配標定和性能試驗研究。

2 控制策略研究

2.1 電動增壓控制策略開發

電控柴油機在低速段的動力性差，主要是由于機械式渦輪增壓器在該區間的增壓壓力和進氣量都無法滿足需求，從而表現為柴油機運行無力。此時，引入電動增壓器將對柴油機中低速段的動力性提升會有所幫助。

由于電動增壓器是通過控制轉速來實現增壓壓力的控制，因此在控制策略（圖1）中需要結合柴油機當前的運行工況信息對柴油機需求的增壓壓力進行計算，并經過上下限判斷、濾波處理等操作后，再將需求增壓壓力輸入到增壓壓力閉環控制模塊，進行電動增壓器需求轉速的閉環控制。

相對于已有的研究方案使用油門踏板位置、油門踏板位置變化率、發動機轉速等作為電動增壓控制策略的輸入來說，圖1的控制策略不僅使用了柴油機循環噴油量來替代油門踏板位置和油門踏板位置變化率，而且還增加了對柴油機增壓溫度、增壓壓力、水溫、大氣壓力等參數的采集，從而使電動增壓控制策略能更快地掌握柴油機當前的運行工況，實現對電動增壓器轉速更實時和更全面的控制。

2.2 增壓壓力需求計算模塊開發

因為柴油機的增壓壓力需求與發動機轉速、噴油量、大氣壓力、水溫、增壓溫度等參數有關，所以需要設計合理的控制策略用于計算柴油機當前運行工況下的增壓壓力需求值。

由于柴油機的排量、功率、最大扭矩轉速等技術參數也會影響增壓壓力需求，因此需要根據柴油機當前的轉速和噴油量設計增壓壓力需求脈譜，并結合柴油機的技術參數及經過相應的匹配標定后，使之能夠查表獲得增壓壓力需求的基礎值。

在不同的海拔高度下，大氣壓力會有不同，增壓壓力需求也會有所變化。當柴油機運行在高海拔地區時，則需要根據當前的大氣壓力對增壓壓力需求的基礎值進行修正。

發動機水溫的不同，也會對增壓壓力需求有影響，特別是在寒區進行冷起動時，需要考慮水溫對柴油機性能的影響。此時，電動增壓控制策略需要根據柴油機當前水溫情況對增壓壓力需求的基礎值進行實時的修正。

增壓溫度也是影響柴油機增壓壓力需求的一個要素。因為當柴油機的增壓溫度較高時，進氣密度會有所降低，從而影響進氣質量流量，所以需要設計增壓溫度修正曲線，對增壓壓力需求的基礎值進行補償。

如圖2所示，為已開發的增壓壓力需求計算控制策略，其根據當前的發動機轉速和噴油量查脈譜（MAP）獲得增壓壓力需求的基礎值，然后經過大氣壓力、水溫和增壓溫度查相應的曲線（CUR）進行修正后，得到當前工況下的增壓壓力需求計算值。

2.3 增壓壓力限值濾波模塊開發

由于選型的電動增壓器的轉速范圍是固定的，而且電動增壓器的轉速與其能產生的增壓壓力有直接的對應關系，為了能讓開發的控制策略具有通用性，且能對不同型號的電動增壓器的轉速范圍進行限制，因此需要設計可標定的標定變量，對柴油機增壓壓力需求值的取值范圍進行上下限的限制。

為了防止增壓壓力需求值的變化過快，導致電動增壓器無法進行及時的響應，需要對經過上下限值處理的增壓壓力需求值進行必要的濾波，濾波常數的選擇也可以通過標定變量來進行匹配標定。經過上下限值和濾波的處理，增壓壓力限值濾波模塊將輸出最終的需求增壓壓力。

2.4 增壓壓力閉環控制模塊開發

為了使實際的增壓壓力接近需求的增壓壓力，需要使用PID控制對需求增壓壓力和實際增壓壓力的偏差值進行電動增壓器的需求轉速修正。針對匹配不同柴油機功率的電動增壓器，可以通過對PID環節中相關標定變量進行臺架或整車匹配標定，以便在滿足動態響應性的同時，減小增壓壓力閉環控制系統的控制偏差。

由于PID控制屬于反饋控制，只有當實際值與需求值產生偏差時，其才會對產生的偏差進行修正，而且進氣增壓壓力的變化與噴油量的變化相比，又存在一定的滯后性，因此為了最大程度地消除這些不利因素的影響，需要考慮增加能進行自適應修正的預控制環節。

因為發動機轉速和增壓壓力偏差值進行組合能較直觀地反映柴油機的當前運行工況，為了實現對電動增壓器需求轉速的預控制，所以設計了使用發動機轉速與增壓壓力的偏差值組合一起查標定MAP的控制環節，從而獲得當前工況下電動增壓器的需求轉速基礎值。電動增壓器的需求轉速基礎值與需求轉速修正值相加后獲得需求轉速原始值，然后經過可標定的上下限值判斷，得到最終的電動增壓器的需求轉速。如圖3所示為柴油機電動增壓壓力閉環控制策略。

3 快速控制原型開發

3.1 快速控制原型系統開發

與傳統的開發模式相比，V模式開發流程有流程簡化、開發快捷等優點。MotoTron快速控制原型開發平臺提供的產品級硬件和圖形化的控制軟件開發環境^[11]，使開發者僅需要遵循V模式開發流程及專注于應用層控制策略的開發和一些外圍傳感器和執行器的選型，就可完成整個控制系統的開發。

MotoHawk是基于MotoTron平臺的系統開發軟件，其使開發者可以在MATLAB/Simulink環境下進行控制策略開發、軟件編譯、標定和測試驗證工作^[12]。

3.2 快速控制原型標定開發

當完成系統模型開發后，即可通過編譯器將C代碼自動生成可供刷寫的SRZ文件，然后通過刷寫/標定軟件Moto?Tune將SRZ文件刷寫到MotoTron快速控制原型硬件中。

當刷寫成功后，即可通過CAN總線線束連接柴油機ECU和MotoTron硬件，并使用MotoTune標定軟件開展臺架或整車標定工作。如圖4為MotoTune軟件下的柴油機電動增壓控制策略的變量監控和標定界面。

4 臺架試驗驗證

4.1 試驗樣機及方案

試驗柴油機使用博世高壓共軌燃油系統和電控系統，后處理系統為EGR+DOC+DPF+SCR，排放達到國六水平。該柴油機的基本技術參數見表1。

由于試驗柴油機應用的是結構緊湊的輕量化設計理念，因此在充分考慮了這個設計因素和安裝改動便利的前提下，使用了電動增壓器位于渦輪增壓器壓氣機上游的布置方案。柴油機的進氣首先經過電動增壓器或單向進氣閥，然后再到渦輪增壓器。當柴油機運行在高速段時，電動增壓器已無法滿足柴油機的進氣增壓需求，這時電動增壓器將停止工作，而主要的進氣增壓工作由渦輪增壓器完成。

快速控制原型通過CAN總線從發動機ECU中獲取必要的發動機運行參數，如發動機轉速、噴油量、增壓溫度、增壓壓力等，并從電動增壓器中獲取其當前的運行狀態，然后通過電動增壓控制策略計算出電動增壓器的增壓需求轉速，最后再通過CAN總線控制電動增壓器的使能和按照計算的增壓需求轉速運行。由于電動增壓器的運轉需要24V直流電，因此將其與整車蓄電池進行連接。如圖5所示為電動增壓器的控制方案。

根據試驗方案，對位于電力測功機臺架上的試驗柴油機的進氣管路進行了改裝，并對電動增壓器、快速控制原型和上位機進行了電氣連接。

4.2 臺架標定及性能驗證

首先對電動增壓控制策略中的所有功能模塊進行了在線標定，以驗證各項控制功能都滿足開發需求，然后對增壓壓力需求MAP、增壓壓力修正CUR、閉環控制MAP、PID參數等進行了更進一步的臺架優化標定，最后對不帶電動增壓器和帶電動增壓器的柴油機進行了帶載加速性能對比試驗。

4.3 試驗結果及分析

在700r/min～1600r/min的轉速范圍內，對柴油機進行了帶載800N·m的加速性能對比試驗，測試的結果如表2所示。

根據試驗的結果發現，在帶載加速過程中，帶電動增壓器的柴油機的平均加速時間比不帶電動增壓器的柴油機的平均加速時間縮短了近1.4秒。此外，根據試驗數據表明，帶電動增壓器的柴油機在轉速超過800r/min以后，實際的噴油量就已經逐漸接近了柴油機的外特性油量，而不帶電動增壓器的柴油機需要在轉速超過1300r/min以后，才逐漸接近外特性油量。由此可看出，電動增壓器的應用能對試驗柴油機的中低速段（700r/min～1600r/min），尤其是在低速段（700r/?min～1200r/min），起到了較好的進氣補償作用，對柴油機在中低速段的動力性的提升有較明顯的效果。

5 結論

（1）結合當前的研究現狀，研究和優化了柴油機電動

增壓控制策略，并使用產品級的快速控制原型開發和驗證了電動增壓器的增壓壓力控制策略，各項控制功能滿足開發需求，且開發的控制系統更有利于電動增壓器的工程化應用。

（2）在一款8升國六發動機上應用了優化后的電動增壓控制策略，并進行了臺架標定和帶載加速性能對比試驗。

（3）臺架試驗結果表明：優化開發的電動增壓控制策略能有效地解決機械式渦輪增壓柴油機在中低速段增壓效果差的問題，并能有效提升試驗柴油機在700r/min～1600r/min轉速范圍內的動力性。

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