對渦輪增壓系統虛擬傳感器的算法研究

許存國，徐田

（東風鼎新動力系統科技有限公司，湖北武漢，430058）

0 前言

發動機傳感器作為發動機電子控制系統的信息源，是發動機電子控制系統的關鍵部件，也是汽車電子技術領域研究的核心內容之一。由于日益嚴格的環保法規、和競爭激烈的市場對油耗的要求，使發動機越來越復雜，發動機電子控制系統性能需相應提高，這就要求不斷提高傳感器的數量和精度[1]。

在汽車發動機工作過程中需要進行各種信號的測量和分析，而發動機控制系統用傳感器是整個汽車傳感器的核心，種類很多，包括溫度傳感器、壓力傳感器、位置和轉速傳感器、流量傳感器、氣體濃度傳感器和爆震傳感器等。

所謂虛擬傳感器就是利用現有的計算機，加上特殊設計的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件及相應算法來替代傳統測量儀表和裝置[2]。形成既有普通儀器的基本功能，又有一般儀器所沒有的具有特殊功能的高質低價的新型傳感器[3]。

與傳統的傳感器相比，虛擬傳感器不僅具有面向對象應用程序的特點，而且具有真實傳感器的實用性和可操作性，其主要優點如下：

(1)可以比較容易地實現檢測功能。

(2)系統有很大的靈活性，可以根據需要修改和重新定義功能。

(3)開發周期短，成本較低[4-5]。

1 渦輪增壓系統虛擬傳感器的算法

■1.1 渦輪出口壓力傳感器的算法

本模塊計算發動機渦輪機的排氣壓力。主要是根據渦輪增壓控制需求，來監視渦輪的工作狀態，增壓值過低或過高都有可能是渦輪出現故障。

通過渦輪機的壓縮比的建模得出了PrT，再將所得到的壓比值與渦輪機出口處的壓力PT,out相乘即計算得到大氣壓力：

其中，PAT——大氣壓力；PT,out——渦輪出口壓力；PrT——渦輪出口壓力跟大氣壓比值。

根據有約束的可壓縮氣體流動方程：

將公式變形為：

所以發動機渦輪出口壓力跟大氣壓的比值：

為了適合嵌入式硬件的需求將公式，將Ψ函數用一個表格來表示：

其中，TT,out——渦輪出口溫度；——約束區有效面積；PAT——大氣壓力；m˙exh——流經渦輪的質量流量；（m˙exh=mc+mfuel）；mc——空氣質量流量；mfuel——噴油質量流量。

■1.2 增壓器出口溫度傳感器的算法

本模塊是增壓器出口溫度預估模塊及節氣門前溫度預估模型。在建模過程中，認為氣體各個成分組成保持恒定，通過增壓器的氣體質量流量和壓縮機所吸收的能量來計算增壓器出口的氣體狀態。

如果增壓器內的氣體是等熵流動，則根據等熵公式可得：

Ti假設等熵情況下壓縮機出口的氣體溫度則等熵狀況下壓縮1kg充量氣體消耗增壓功為：

實際情況并非等熵流動，所以實際壓縮1kg充量氣體消耗的功為：

增壓器的效率定義為[6]：

轉化后可得：

其中，Tbeh——增壓器出口的氣體溫度；Tbef——增壓器進口的氣體溫度；mcorr——經過溫度壓力修正的氣體質量流量；η——增壓效率，該參數是由修正后的氣體質量流量和壓縮機壓縮比經二維查表得到；Pbeh增壓器出口的氣體壓力；T bef——增壓器進口的氣體溫度；K——氣體絕熱指數。

本模塊的另一功能是計算節氣門上游處溫度，具體策略是利用兩種溫度不同的氣體混合的熱力學公式來建模，通過進氣總管中氣體的溫度，EGR喉口溫度以及EGR率來計算節氣門前的空氣溫度[7]。混合氣體的熱力學公式為：

其中：m——氣體質量；c——氣體比熱容；T——氣體溫度。

假設新鮮空氣與廢氣的比熱容相等，則有：

從而得出節氣門前的空氣溫度為：

2 虛擬傳感器模塊的測試

■2.1 渦輪出口壓力模型測試與結果

首先將發動機點火，使其正常怠速，穩定在800轉，然后在標定軟件內設置踏板開度為20%，使得發動機轉速RPM=1200轉（此為選取中低轉速區），此時改變不同的排氣泄壓閥開度（Waste Gate）0-90%。模塊對流經渦輪的質量流量mexh，渦輪輪出口溫度TT,out，大氣壓力PAT，根據數學公式(1.6)計算后，進行查表后求出渦輪出口壓力跟大氣壓比值PRT，再與大氣壓力PAT相乘后計算出渦輪出口壓力PT,out。

記錄模型渦輪出口壓力計算結果后，和HIL平臺sitc_s4_adv_WHU發動機模型輸出值進行對比分析，如圖1所示。

圖1 渦輪出口壓力對比（單位：Pa）

對比收集的數據，差異的峰值為6.73%，平均差異為4.78%，結果表明，待測模型有很高的估計精度，可以用來反饋渦輪出口壓力的真實值[8]。

在標定軟件內設置踏板開度為75%，使得發動機轉速RPM=3500轉（此為選取中高轉速區），此時改變不同的排氣泄壓閥開度（Waste Gate）0-90%。同樣進行查表求出渦輪出口壓力跟大氣壓比值PRT，再與大氣壓力PAT相乘后計算出渦輪出口壓力PT.out。

記錄模型渦輪出口壓力計算結果后，和HIL平臺發動機模型輸出值進行對比分析，如圖2所示。

圖2 渦輪出口壓力對比（單位：Pa）

對比收集的數據，差異的峰值為5.11%，平均差異為3.96%，結果表明，待測模型有很高的估計精度，可以用來反饋渦輪出口壓力的真實值。

■2.2 增壓器出口溫度模型測試與結果

首先將發動機點火，使其正常怠速，穩定在800轉，然后在標定軟件內設置踏板開度為10%-100%，使得發動機轉速RPM=800-4900轉。模塊通過對增壓比和進氣質量流量進行查表得到增壓效率,根據公式(11)計算后，得出增壓器出口的氣體溫度Tbeh。

記錄模型增壓器出口溫度計算結果后，和HIL平臺sitc_s4_adv_WHU發動機模型輸出值進行對比分析，如圖3所示。

圖3 增壓器出口溫度模擬值與發動機模型對比（單位：℃）

對比收集的數據，差異的峰值為3.11%，平均差異為3.03%，結果表明，待測模型有很高的估計精度，可以用來反饋增壓器出口溫度的真實值[9]。

3 總結

虛擬傳感器改變了傳統傳感器的使用方式，提高了傳感器的功能和使用效率，大幅度地降低了傳感器的價格。用戶可使用相同的硬件系統來設計各類的傳感器系統，實現功能完全不同的各種測量。可見，軟件系統是虛擬傳感器的核心，軟件可以定義各種傳感器。本文以熱力學和流體力學為理論基礎，搭建的模型具有明確的物理含義和很大的靈活性，比較容易地實現檢測功能，以及相應的實際修正，而且開發周期短，成本較低，同時獲得了客戶驗收，全文主要完成了以下工作：

(1)研究了溫度，壓力，流量等物理模型和建模原理，根據各個虛擬傳感器的工作特點，實現了以少數信號為輸入的建模和控制方案，充分發揮了模塊化建模和軟件化控制的優勢，使得整個系統能夠穩定而高效的工作。

(2)根據收集到的真實臺架數據，在發動機硬件在環測試系統中，對虛擬傳感器進行詳細的標定和測試，驗證了其穩定性能和準確性。