废气旁通式涡轮增压器控制策略研究

废气旁通式涡轮增压器控制策略研究

赵强李玉龙张世昊吴哲吴代明

安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心安徽合肥230022

摘要：本文介绍了废气旁通式涡轮增压器的结构与原理，同时进一步分析该款增压器的具体控制策略，并且详细阐述了该款废气旁通式涡轮增压器的控制策略，最后成功地验证了该款增压器搭载在某款整车后的加速性能，同时能客观地得出实际增压压力与期望增压压力良好的跟随性，能使发动机在中小负荷下工作于非增压状态，而在增压状态下尽量使节气门全开，以减小泵气损失；能通过增压器控制模块进一步优化发动机工作状态，使其达到提升燃油经济性的目的，且效果明显。

关键词：涡轮增压器；控制策略；泵气损失；

ResearchonWasteGasBypassTurbochargerControlStrategy

ZHAOQiangLIyulongZHANGShiHaoWUZheWUDaiMing

（Techniquecenter,AnhuiJianghuaiAutomobileGroupCorp.,Ltd,Hefei230022China）

Abstract：Thispaperintroducesthestructureandprincipleoftheexhaustgasbypassturbocharger,andfurtheranalyzesthespecificcontrolstrategyoftheturbocharger,andelaboratesthecontrolstrategyofthewastegasbypassturbocharger,andfinallysuccessfullyItverifiedtheaccelerationperformanceoftheturbochargerafteritwasmountedonacertainvehicle,andobjectivelyobtainedthegoodfollowabilityoftheactualboostpressureandthedesiredboostpressure,enablingtheenginetoworkinnon-superchargingundermediumandlowloads.Inthestateofsupercharger,thethrottlevalveisfullyopenedtoreducethelossofheliumgas.Theboostercontrolmodulecanbeusedtofurtheroptimizetheworkingstateoftheenginetoachievethepurposeofimprovingfueleconomy,andtheeffectisobvious.

Keywords：Turbocharger,Controlstrategy,Pumpingloss

引言

内燃机是通过燃料在机器内部燃烧膨胀,对外输出机械功的动力机械。提高内燃机进气压力称为增压，提高增压效果的执行器称为增压器，当前主流的增压器为机械增压器与废气涡轮增压器两种。目前，国内外对增压器的研究可以概括为在向小型化、节能环保、高原功率补偿、高效率与燃油经济性逼近。废气涡轮增压器可以直接利用废气提供能量，在保持发动机低负荷工况性能不降低的同时，在中、高负荷工况的动力输出、燃油经济性及排放方面都可得到大幅度改善。再加上增压器的体积、重量和成本不断降低，多应用在家用乘用车上，因此，研究汽油内燃机搭载废气涡轮增压器对于车辆节能、减排、动力性提升都很有意义[1，2]。

1涡轮增压器结构与原理

1.1进气旁通阀控制原理

在整车在正常行驶时，新鲜空气通过空气滤清器进入增压前管路，经增压器增压后，进入增压后管路，通过中冷器、节气门、进气歧管，最后进入发动机参与燃烧[3]。

车辆在正常行驶中如果突然松开油门（例如换挡过程），此时节气门开度瞬间减小，而增压器叶轮高速旋转继续向后管路压入气体，在节气门之前的管路压力瞬间变高，高压气体可能会使管路损坏，同时对叶轮产生很大反作用力（回压），使叶轮转速剧烈下降。同时节气门开度变小，节气门前后压力的变化，导致进气歧管内形成一个负压（即真空），负压通过管路控制进气旁通阀并与节气门前的高压共同作用将旁通阀（真空控制隔膜式结构）打开，使旁通管路接通，使节气门前的高压气体排到压前管路，实现泄压的目的[3.4]。

1.2排气旁通阀（三通阀）原理：

在废气阀压力控制管路上安装一个电磁阀，电磁阀在物理结构上为三通形式，一路为增压压力，一路为大气压力，第三路接在膜片弹簧控制管路上。通过其占空比变化使得作用在膜片弹簧上的压力在大气压力与增压压力之间调节，从而达到控制增压压力的目的。

压壳连接软管，连接增压器压壳的取气管，将涡后压力（正压力，作为驱动压力）导入增压压力控制阀，发动机控制单元根据标定的数据控制增压压力控制阀（发动机控制单元输出的是一个占空比数据），控制阀输出一个压力，并通过排气旁通阀连接软管控制执行器的动作，相连接的拉杆、摇臂、阀门依次进行动作传递，从而实现对增压器压力的实时控制。

增压压力控制阀另一个压力输出的气体通过连接软管流入压前管路（即空滤后管路）。增压压力控制阀是一种比例阀，即分配压力值。执行器是气体压力控制膜片式结构，类似进气旁通阀，执行器要实现的是拉杆移动，而进气旁通阀实现的是两个管路的连通[3]。

2涡轮增压器控制策略

通过调整排气阀开度，使得实际增压压力达到期望增压压力。优势在于发动机在中小负荷下工作于非增压状态，而在增压状态下尽量使节气门全开，以减小泵气损失，优化发动机工作状态，达到提升燃油经济性的目的[5]。

增压控制逻辑通过计算废气旁通阀的占空比来控制实际增压器压力达到期望的目标增压压力。

实际的废气阀开度占空比策略：

1）由发动机保护最大压力与增压器保护最大压力得到最大期望增压压力，经过滤波达到目标增压压力。

2）废气旁通阀预设压力。

废气阀预设压力可以理解为在废气旁通阀全开条件下的需求的最小增压压力。

A、增压压力小于或等于预设压力的情况下，系统不运行增压控制，废气阀控制线圈不作动，膜片弹簧处压力等于增压压力，排气阀全开，排气直接从旁通气道排出，此时增压器不作动。

B、在增压压力高于预设压力的情况下，系统开始运行增压控制，通过增大废气阀控制线圈的占空比减小膜片弹簧压力，在弹簧的预紧力作用下，废气阀开度减小，排气进入增压气道，增压器开始作动。

整车上，通过对废气旁通阀开度的占空比进行标定来控制增压器，使其得到最佳的实时增压压力，具体占空比需要标定。

3增压器在整车上的验证分析

结合上述控制策略分析，同时针对某款配T+发动机的商务车型进行实车的增压器测试，可以看出：在油门开度逐渐增大过程中，增压器废气旁通阀在刚开始时即介入工作过程，当达到最大负荷工况时，节气门全开，目的是减小节流损失；加速过程中，废气旁通阀开度逐步变大；继续加速时，此时已经达到大负荷工况，调节废气旁通阀开度，保证增压器实际增压压力与目标增压压力具有很高的跟随性，提高加速性。

燃油经济性方面，将搭载废气旁通式涡轮增压器的T+发动机的商务车型与搭载自然进气发动机的同一款商务车型进行非起停模式下油耗测定，百公里油耗结果如表1所示(某2.0L自然进气发动机与搭载增压器后的该款发动机)：

表1两款发动机油耗对比表格

动力性性方面，搭载该款某2.0L自然进气发动机最大净扭矩为190Nm，而搭载增压器后的该款发动机最大净扭矩达到280Nm，动力性方面有明显提升。

通过试验测定及整车性能参数对比：配置废气旁通式涡轮增压器的T+发动机节油效果明显，且动力性方面有明显提升，实际增压压力跟随性良好，达到了提升发动机的动力性与燃油经济性的目的。

4结论

文章通过对废气旁通式涡轮增压器的控制策略研究，并通过实车验证发现：

调整闭环控制对排气阀开度进行适时调节，使得实际增压压力与期望增压压力保持一致，提高跟随性。

可使发动机在中小负荷工况工作于非增压状态，而在增压状态下尽量使节气门全开，以减小泵气损失。

能通过增压器控制模块进一步优化发动机工作状态，使其达到提升整车动力性及燃油经济性的目的。

参考文献：

[1]陈家瑞.汽车构造[M].机械工业出版社，2010.06.

[2]张炳力.汽车设计[M].合肥工业大学出版社，2011.03

[3]林建生.燃气机轮与涡轮增压器内燃机原理与应用[M].天津大学出版社,2005

[4]徐立汉.废气涡轮增压器的正确使用[J]北方交通大学学报，2001.04

[5]王磊.史艳彬.基于物理模型的涡轮增压器放气阀工作特性研究[C]中国汽车工程学会年会论文集,2015