柴油机变海拔增压压力控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及柴油机技术领域，特别是涉及一种高原条件下柴油机变海拔增压压力 控制方法。
【背景技术】
[0002] 我国2000m以上的高原地区约占国土面积的37%，其中平均海拔高于4000m的青藏 高原就占到国土面积的25%。柴油机在高原运行时，随着大气压力降低，进气量减少，造成 动力性、经济性下降，排温升高。为了使柴油机在5500m海拔高度恢复功率达到平原功率的 目标，增压器总压比在最大扭矩点至标定点区间内至少达到4.8以上，因此，为满足柴油机 高海拔动力性要求，必须保证足够的增压压力。目前，废气涡轮增压器对柴油机高原功率具 有一定的自动补偿能力，但却不能在全工况范围内实现最佳匹配，当海拔超过3000m，低速 区动力性下降20%以上，易出现"超温、超速"；可变截面增压(VGT)具有提升柴油机低速动 力性、防止涡轮超温、超速等优点；但增压压力只能根据柴油机工况变化调节，不能随海拔 变化实时控制；同时，受增压器自身压比（〈3.5)和流量的限制，在高原条件下不能提供给柴 油机足够的增压压力，高原功率恢复有限；在控制算法方面，该系统主要采用传统的PID控 制，瞬态工况条件下，柴油机进排气系统具有严重的非线性特性，控制速率和控制精度较 差。普通二级增压(TST)能够提供宽流量、高压比，极大地提高柴油机高海拔的动力性和经 济性，但由于涡轮调节阀大多是机械式放气阀，只能针对单一海拔、单一工况进行匹配，高 效率区流量范围较窄，低速涡轮迟滞问题严重，高速栗气功损失较大，不能够根据海拔和工 况的变化实现准确控制，难以满足柴油机在变海拔、变工况具有最佳动力性和经济性的目 的。
【发明内容】
[0003] 针对现有高海拔增压系统存在的技术缺陷，本发明提出了一种柴油机变海拔增压 压力控制方法，该系统的控制方法采用前馈控制和模糊PID控制相结合的方式，增压压力可 根据海拔和柴油机工况变化实时调节，兼顾高压比、宽流量，满足了稳态和瞬态两种工况下 最佳动力性和燃油经济性的要求，达到了柴油机在海拔5500m标定点功率恢复到平原95% 以上的目标，缓解了涡轮迟滞问题，减少了栗气损失功，同时避免了压气机喘振、涡轮超速 及涡前排温过高等问题。
[0004] 如上构思，本发明的技术方案是：
[0005] -种柴油机变海拔增压压力控制方法，其特征在于:通过二级可调增压器控制单 元ECU(23)，根据海拔高度、柴油机转速和负荷的变化，实时控制二级可调增压器高压级VGT 叶片(8)的开度和高、低压级两个涡轮调节阀（7、16)的开度，对增压压力进行变海拔、变工 况的优化控制，实现在Om~5500m海拔范围内，柴油机的各项性能指标始终与平原条件下的 性能保持相同；为保证柴油机在海拔5500m各项性能指标与平原相比不变，海拔5500m增压 压力应与Om海拔增压压力相同；具体不同海拔、不同工况条件下，二级可调增压器高压级 VGT叶片(8)、高压级涡轮调节阀（7)、低压级涡轮调节阀（16)和压气机旁通阀（13)的控制策 略是：
[0006] (1)在Om 海拔
[0007] 在Om海拔条件下，低压级涡轮调节阀（16)和压气机旁通阀（13)全开;在中低转速 工况（<1400r/min)，根据二级可调增压器控制单元ECU(23)中标定增压压力MAP，调节高压 级VGT叶片(8)开度从30%调至100% ;随着柴油机转速继续增大U 1400r/min)，高压级VGT 叶片(8)开度调至最大，为防止涡轮超速，限制增压压力，高压级涡轮调节阀（7)逐渐开启， 在0~24%开度内进行调节；
[0008] (2)在Om~25OOm 海拔
[0009]随着海拔升高，大气压力下降，为保证高压级压气机进口处压力值不下降，低压级 涡轮调节阀（16)开度从全开逐渐减小，至海拔2500m完全关闭。高压级VGT叶片(8)和涡轮调 节阀（7)的控制策略与Om海拔相同；按照Om海拔标定增压压力MAP，高压级VGT叶片（8)开度 从30%调至100%，高压级祸轮调节阀（7)开度从全关调至24% ;
[0010] (3)在 2500m ~5500m 海拔
[0011] 随着海拔继续升高，低压级涡轮调节阀（16)和压气机旁通阀（13)完全关闭；高压 级VGT叶片（8)和高压级涡轮调节阀（7)的控制策略与Om海拔相同；按照Om海拔标定增压压 力MAP，高压级VGT叶片（8)开度从40 %调至100 %，高压级涡轮调节阀（7)开度从3 %调至 17%。
[0012] 上述二级可调增压器控制单元ECU(23)根据柴油机工况的变化，变海拔增压压力 控制算法采用前馈控制和模糊PID控制相结合的方式的控制算法：
[0013] (1)稳态工况和一般瞬态工况
[0014]根据控制策略，在Om~5500m海拔范围内，柴油机的增压压力不下降，因此，E⑶ (23)中只存储一张 Om海拔增压压力MAP，随海拔升高，大气压力下降，实际增压压力降低， E⑶(23)查询Om海拔增压压力MAP，采用模糊PID控制算法，按照设计的控制策略，实时控制 VGT叶片(8)和高、低压级两个涡轮调节阀（7、16)开度，确保增压压力实际值对目标值的追 踪；
[0015] (2)瞬态工况
[0016] 在不同海拔条件下，柴油机在动加速、突然加载、突然增速强瞬态工况下，采用前 馈控制算法，以〇~5500m范围内柴油机增压压力不下降为优化目标，分别存储了一张高压 级涡轮调节阀（7)、一张低压级涡轮调节阀（16)和多张不同海拔下的高压级VGT叶片(8)的 开度MAP; E⑶(23)接收环境压力信号，按照相应算法，转换为海拔值，E⑶(23)采用数值插值 确定当前海拔对应的高压级VGT叶片(8)和高、低压级两个涡轮调节阀(7、16)开度MAP，直接 驱动高压级VGT叶片(8)和高、低压级两个涡轮调节阀（7、16)到目标开度。
[0017] 本发明通过二级可调增压器控制单元ECU(23)，根据海拔高度、柴油机转速和负荷 的变化，实时控制二级可调增压器高压级VGT叶片(8)开度和高、低压级两个涡轮调节阀（7、 16)开度，对柴油机增压压力进行不同海拔(Om~5500m)环境条件下全工况优化控制，实现 在Om~5500m海拔范围内，柴油机的动力性、经济性、热平衡等性能基本不发生变化。
[0018] 高压级VGT叶片(8)开度和高、低压级两个涡轮调节阀（7、16)开度的控制采用前馈 控制和模糊PID控制相结合的方法。前馈控制负责在强瞬态工况下快速调节高压级VGT叶片 (8)和高、低压级两个涡轮调节阀（7、16)到目标位置，模糊PID反馈控制负责在一般瞬态和 稳态工况下保持实际增压压力对目标增压压力的跟踪。
【附图说明】
[0019] 图1所示为本发明的总体设计图；
[0020] 图2所示为本发明的模糊PID控制系统的结构图；
[0021] 图3所示为本发明权重因子函数曲线；
[0022] 图4所示为本发明的PID控制与模糊PID控制动态特性对比曲线；
[0023] 图5所示为本发明的系统软件控制流程示意图；
[0024]图6所示为本发明在不同海拔条件下高压级VGT叶片开度MAP图，其中：（a)为Om的 MAP图、（b)为2500m的MAP图、（c)为3500m的MAP图、（d)为4500m的MAP图、（e)为5500m的MAP 图；
[0025] 图7所示为本发明在不同海拔条件下高压级涡轮调节阀开度MAP图；
[0026] 图8所示为本发明在不同海拔条件下低压级涡轮调节阀开度MAP图。
[0027]图中：1-柴油机；2-排气温度传感器;3-排气压力传感器;4、26-进气温度传感器； 5-增压压力传感器Π ;6、12_中冷器;7-涡轮调节阀；8-VGT叶片;9-高压级压气机；10-高压 级涡轮机;11-增压压力传感器I; 13-低压级压气机旁通阀；14-低压级压气机;15-低压级涡 轮机；16-低压级涡轮调节阀；17-直流电机A; 18-直流电机B; 19-直流电机C; 20-电磁阀；21-温度传感器采集卡;22-压力传感器采集卡;23-增压器控制器;24-电子控制单元ECU; 25-上 位机RS232、27-大气压力传感器。
【具体实施方式】：
[0028]以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述 的具体实施仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0029] 一种柴油机变海拔增压压力控制方法，通过二级可调增压器控制单元ECU(23)，根 据海拔高度、柴油机转速和负荷的变化，实时控制二级可调增压器高压级VGT叶片(8)的开 度和高、低压级两个涡轮调节阀（7、16)的开度，对增压压力进行变海拔、变工况的优化控 制，实现在Om~5500m海拔范围内，柴油机的各项性能指标始终与平原条件下的性能保持相 同；为保证柴油机在海拔5500m各项性能指标与平原相比不变，海拔5500m增压压力应与Om 海拔增压压力相同；具体不同海拔、不同工况条件下，二级可调增压器高压级VGT叶片(8)、 高压级涡轮调节阀（7)、低压级涡轮调节阀（16)和压气机旁通阀（13)的控制策略是：
[0030] (1)在Om 海拔
[0031] 在Om海拔条件下，低压级涡轮调节阀（16)和压气机旁通阀（13)全开;在中低转速 工况（<1400r/min)，根据二级可调增压器控制单元ECU(23)中标定增压压力MAP，调节高压 级VGT叶片(8)开度从30%调至100% ;随着柴油机转速继续增大U 1400r/min)，高压级VGT 叶片(8)开度调至最大，为防止涡轮超速，限制增压压力，高压级涡轮调节阀（7)逐渐开启， 在0~24%开度内进行调节；
[0032] (2)在Om~2500m 海拔
[0033]随着海拔升高，大气压力下降，为保证高压级压气机进口处压力值不下降，低压级 涡轮调节阀（16)开度从全开逐渐减小，至海拔2500m完全关闭。高压级VGT叶片(8)和涡轮调 节阀（7)的控制策略与Om海拔相同；按照Om海拔标定增压压力MAP，高压级VGT叶片（8)开度 从30%调至100%，高压级祸轮调节阀（7)开度从全关调至24% ;
[0034] (3)在2500m ~5500m 海拔
[0035] 随着海拔继续升高，低压级涡轮调节阀（16)和压气机旁通阀（13)完全关闭；高压 级VGT叶片（8)和高压级涡轮调节阀（7)的控制策略与Om海拔相同；按照Om海拔标定增压压 力MAP，高压级VGT叶片（8)开度从40 %调至100 %，高压级涡轮调节阀（7)开度从3 %调至 17%。
[0036] 上述二级可调增压器控制单元ECU(23)根据柴油机工况的变化，变海拔增压压力 控制算法采用前馈控制和模糊PID控制相结合的方式的控制算法：
[0037] (1)稳态工况和一般瞬态工况
[0038]根据控制策略，在Om~5500m海拔范围内，柴油机的增压压力不下降，因此，E⑶ (23)中只存储一张 Om海拔增压压力MAP，随海拔升高