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商用汽车发动机电动增压控制策略优化研究

黄永鹏 杜宇 陈俊红 魏超

摘 要：为了验证电动增压控制技术对使用常规的机械式涡轮增压器的电控柴油机在低速动力性方面的影响，对电动增压控制策略进行了优化研究，使用快速控制原型实现了对电动增压控制策略的开发，并与某款电动增压器匹配应用于一款8升国六电控柴油机上进行性能对比试验。试验结果表明，应用了优化后的电动增压控制策略的电动增压器可以根据电控柴油机的当前运行工况，对其主增压器起到较好的自动进气补偿作用，能明显提升柴油机的低速扭矩，从而解决了柴油机瞬态急加速冒烟和低速段动力性差的问题。
关键词：电动增压器;电动增压控制策略;快速控制原型;低速动力性
：U462.1  ：A  ：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
随着增压技术在内燃机上的广泛应用，虽然有利于发动机热效率的提高，但是增压器响应滞后的问题，导致发动机在烟度控制能力方面较差[1]。但在当前的汽车工业发展形势下，对增压技术提出了新的挑战[2]，而采用电动增压技術对使用机械式涡轮增压器的柴油机的瞬时加速工况有较明显的改善作用[3]。
1 电动增压技术
电动增压技术主要采用的是电动增压器与机械式涡轮增压器进行双增压协同工作的方案。
相比机械式涡轮增压柴油机，电动增压器具有提升低速扭矩、改善瞬态加速响应性、多样化增压控制模式等优点[4-5]。
由于电动增压器安装位置的不同，会对柴油机的外围零部件布局设计、可靠性、性能数据等产生影响[6]，因此在进行台架或整车试验时，需要根据柴油机的边界条件为电动增压器选择不同的安装位置。
当前电动增压技术的研究现状更多的是关注于电动增压器对提升发动机低速性能和改善加速烟度的影响[7-8]，而在如何结合发动机当前的运行工况对电动增压器进行实时的自适应控制方面，特别是对电动增压控制策略进行优化开发方面研究得较少。天津大学徐广兰设计的电动增压器的电控系统对发动机的油门位置信号、电机的冷却水温度信号和压气机的控制频率信号进行了采集，并经过工况判断、电机冷却、压气机转速显示等模块计算控制后，驱动压气机和冷却水泵的运行[9]。北京理工大学韩冀宁等在对工况识别系统进行设计时，增加了对发动机转速信号的采集和识别。当发动机达到目标转速时，旁通阀打开，电动增压系统停止工作[10]。
本研究结合目前的研究现状和存在的问题，以MotoTron快速控制原型开发平台为基础及结合电动增压器的控制特性，对电动增压控制策略进行了优化研究，并以一台安装了电动增压器的8升国六电控发动机为试验对象，对优化的电动增压控制策略进行了匹配标定和性能试验研究。
2 控制策略研究
2.1 电动增压控制策略开发
电控柴油机在低速段的动力性差，主要是由于机械式涡轮增压器在该区间的增压压力和进气量都无法满足需求，从而表现为柴油机运行无力。此时，引入电动增压器将对柴油机中低速段的动力性提升会有所帮助。
由于电动增压器是通过控制转速来实现增压压力的控制，因此在控制策略（图1）中需要结合柴油机当前的运行工况信息对柴油机需求的增压压力进行计算，并经过上下限判断、滤波处理等操作后，再将需求增压压力输入到增压压力闭环控制模块，进行电动增压器需求转速的闭环控制。
相对于已有的研究方案使用油门踏板位置、油门踏板位置变化率、发动机转速等作为电动增压控制策略的输入来说，图1的控制策略不仅使用了柴油机循环喷油量来替代油门踏板位置和油门踏板位置变化率，而且还增加了对柴油机增压温度、增压压力、水温、大气压力等参数的采集，从而使电动增压控制策略能更快地掌握柴油机当前的运行工况，实现对电动增压器转速更实时和更全面的控制。
2.2 增压压力需求计算模块开发
因为柴油机的增压压力需求与发动机转速、喷油量、大气压力、水温、增压温度等参数有关，所以需要设计合理的控制策略用于计算柴油机当前运行工况下的增压压力需求值。
由于柴油机的排量、功率、最大扭矩转速等技术参数也会影响增压压力需求，因此需要根据柴油机当前的转速和喷油量设计增压压力需求脉谱，并结合柴油机的技术参数及经过相应的匹配标定后，使之能够查表获得增压压力需求的基础值。
在不同的海拔高度下，大气压力会有不同，增压压力需求也会有所变化。当柴油机运行在高海拔地区时，则需要根据当前的大气压力对增压压力需求的基础值进行修正。
发动机水温的不同，也会对增压压力需求有影响，特别是在寒区进行冷起动时，需要考虑水温对柴油机性能的影响。此时，电动增压控制策略需要根据柴油机当前水温情况对增压压力需求的基础值进行实时的修正。
增压温度也是影响柴油机增压压力需求的一个要素。因为当柴油机的增压温度较高时，进气密度会有所降低，从而影响进气质量流量，所以需要設计增压温度修正曲线，对增压压力需求的基础值进行补偿。
如图2所示，为已开发的增压压力需求计算控制策略，其根据当前的发动机转速和喷油量查脉谱（MAP）获得增压压力需求的基础值，然后经过大气压力、水温和增压温度查相应的曲线（CUR）进行修正后，得到当前工况下的增压压力需求计算值。
2.3 增压压力限值滤波模块开发
由于选型的电动增压器的转速范围是固定的，而且电动增压器的转速与其能产生的增压压力有直接的对应关系，为了能让开发的控制策略具有通用性，且能对不同型号的电动增压器的转速范围进行限制，因此需要设计可标定的标定变量，对柴油机增压压力需求值的取值范围进行上下限的限制。
为了防止增压压力需求值的变化过快，导致电动增压器无法进行及时的响应，需要对经过上下限值处理的增压压力需求值进行必要的滤波，滤波常数的选择也可以通过标定变量来进行匹配标定。经过上下限值和滤波的处理，增压压力限值滤波模块将输出最终的需求增压压力。
2.4 增压压力闭环控制模块开发
为了使实际的增压压力接近需求的增压压力，需要使用PID控制对需求增压压力和实际增压压力的偏差值进行电动增压器的需求转速修正。针对匹配不同柴油机功率的电动增压器，可以通过对PID环节中相关标定变量进行台架或整车匹配标定，以便在满足动态响应性的同时，减小增压压力闭环控制系统的控制偏差。
由于PID控制属于反馈控制，只有当实际值与需求值产生偏差时，其才会对产生的偏差进行修正，而且进气增压压力的变化与喷油量的变化相比，又存在一定的滞后性，因此为了最大程度地消除这些不利因素的影响，需要考虑增加能进行自适应修正的预控制环节。
因为发动机转速和增压压力偏差值进行组合能较直观地反映柴油机的当前运行工况，为了实现对电动增压器需求转速的预控制，所以设计了使用发动机转速与增压压力的偏差值组合一起查标定MAP的控制环节，从而获得当前工况下电动增压器的需求转速基础值。电动增压器的需求转速基础值与需求转速修正值相加后获得需求转速原始值，然后经过可标定的上下限值判断，得到最终的电动增压器的需求转速。如图3所示为柴油机电动增压压力闭环控制策略。
3 快速控制原型开发
3.1 快速控制原型系统开发
与传统的开发模式相比，V模式开发流程有流程简化、开发快捷等优点。MotoTron快速控制原型开发平台提供的产品级硬件和图形化的控制软件开发环境[11]，使开发者仅需要遵循V模式开发流程及专注于应用层控制策略的开发和一些外围传感器和执行器的选型，就可完成整个控制系统的开发。
MotoHawk是基于MotoTron平台的系统开发软件，其使开发者可以在MATLAB/Simulink环境下进行控制策略开发、软件编译、标定和测试验证工作[12]。
3.2 快速控制原型标定开发
当完成系统模型开发后，即可通过编译器将C代码自动生成可供刷写的SRZ文件，然后通过刷写/标定软件Moto Tune将SRZ文件刷写到MotoTron快速控制原型硬件中。
当刷写成功后，即可通过CAN总线线束连接柴油机ECU和MotoTron硬件，并使用MotoTune标定软件开展台架或整车标定工作。如图4为MotoTune软件下的柴油机电动增压控制策略的变量监控和标定界面。
4 台架试验验证
4.1 试验样机及方案
试验柴油机使用博世高压共轨燃油系统和电控系统，后处理系统为EGR+DOC+DPF+SCR，排放达到国六水平。该柴油机的基本技术参数见表1。
由于试验柴油机应用的是结构紧凑的轻量化设计理念，因此在充分考虑了这个设计因素和安装改动便利的前提下，使用了电动增压器位于涡轮增压器压气机上游的布置方案。柴油机的进气首先经过电动增压器或单向进气阀，然后再到涡轮增压器。当柴油机运行在高速段时，电动增压器已无法满足柴油机的进气增压需求，这时电动增压器将停止工作，而主要的进气增压工作由涡轮增压器完成。
快速控制原型通过CAN总线从发动机ECU中获取必要的发动机运行参数，如发动机转速、喷油量、增压温度、增压压力等，并从电动增压器中获取其当前的运行状态，然后通过电动增压控制策略计算出电动增压器的增压需求转速，最后再通过CAN总线控制电动增压器的使能和按照计算的增压需求转速运行。由于电动增压器的运转需要24V直流电，因此将其与整车蓄电池进行连接。如图5所示为电动增压器的控制方案。
根据试验方案，对位于电力测功机台架上的试验柴油机的进气管路进行了改装，并对电动增压器、快速控制原型和上位机进行了电气连接。
4.2 台架标定及性能验证
首先对电动增压控制策略中的所有功能模块进行了在线标定，以验证各项控制功能都满足开发需求，然后对增压压力需求MAP、增压压力修正CUR、闭环控制MAP、PID参数等进行了更进一步的台架优化标定，最后对不带电动增压器和带电动增压器的柴油机进行了带载加速性能对比试验。
4.3 试验结果及分析
在700r/min～1600r/min的转速范围内，对柴油机进行了带载800N·m的加速性能对比试验，测试的结果如表2所示。
根据试验的结果发现，在带载加速过程中，带电动增压器的柴油机的平均加速时间比不带电动增压器的柴油机的平均加速时间缩短了近1.4秒。此外，根据试验数据表明，带电动增压器的柴油机在转速超过800r/min以后，实际的喷油量就已经逐渐接近了柴油机的外特性油量，而不带电动增压器的柴油机需要在转速超过1300r/min以后，才逐渐接近外特性油量。由此可看出，电动增压器的应用能对试验柴油机的中低速段（700r/min～1600r/min），尤其是在低速段（700r/ min～1200r/min），起到了較好的进气补偿作用，对柴油机在中低速段的动力性的提升有较明显的效果。
5 结论
（1）结合当前的研究现状，研究和优化了柴油机电动
增压控制策略，并使用产品级的快速控制原型开发和验证了电动增压器的增压压力控制策略，各项控制功能满足开发需求，且开发的控制系统更有利于电动增压器的工程化应用。
（2）在一款8升国六发动机上应用了优化后的电动增压控制策略，并进行了台架标定和带载加速性能对比试验。
（3）台架试验结果表明：优化开发的电动增压控制策略能有效地解决机械式涡轮增压柴油机在中低速段增压效果差的问题，并能有效提升试验柴油机在700r/min～1600r/min转速范围内的动力性。
参考文献
[1] 姚春德，周红秀.柴油机加速过程快速补气的电动增压器设计及其特性[J].机械工程学报，2006，42（6）：184-187.
[2] 张继忠，张树勇，吴建全，等.机电液辅助增压技术的发展及应用分析（一）[J].车用发动机，2019，241（2）：1-9.
[3] 韩伟强.电动增压器降低增压柴油机瞬态烟度研究[D].天津：天津大学，2012.
[4] 杨金鹏，杜田田，王岩，等.电子增压器可改善涡轮增压发动机低速性能[J].柴油机设计与制造，2019，25（1）：46-50.
[5] 张继忠，张树勇，吴建全，等.机电液辅助增压技术的发展及应用分析（二）[J].车用发动机，2019，242（3）：1-10.
[6] 许为亮，李乐，喻凡，等.汽车发动机电动增压技术研究[J].传动技术，2017，31（1）：15-17.
[7] 姚春德，韩伟强，徐广兰，等.电动增压器对废气涡轮增压器影响的试验研究[J].机械工程学报，2012，48（8）：188-193.
[8] 霍育强，周斌，张钊，等.电动补气策略对废气涡轮增压柴油机加速烟度影响的试验研究.车用发动机，2016（4）：33-37.
[9] 徐广兰.电动增压器电控系统的设计及实验研究[D].天津：天津大学，2010.
[10] 韩冀宁，张虹，段雪莹.电动复合增压系统工作策略对发动机加速特性的影响.车辆与动力技术[J].2019（4）：7-12，16.
[11] 张虎，王存磊，张建龙，等.基于MotoTron平台的汽油发动机控制器开发[J].上海交通大学学报，2014，48（6）： 845-849.
[12] 高海宇，陆文昌，商哲，等.基于MotoTron平台的发动机ECU快速原型开发[J].柴油机设计与制造，2008，15（3）：16-20.

-全文完-