基于增压器转速的两级增压能量高效自适应控制方法

1.本发明涉及的是一种柴油机增压技术领域的能量高效自适应控制方法，特别是一种能够对增压器转速进行自适应控制的基于增压器转速的两级增压能量高效自适应控制方法。


背景技术：

2.我国的高原地形具有面积大、平均海拔高和变化范围广的特点。由于海拔升高导致的大气压力和密度降低，将引起柴油机进气量减少，从而引起柴油机相关性能的下降，如循环效率下降、热负荷变大、燃油消耗率上升等。可调两级涡轮增压技术利用利用废气能量驱动涡轮膨胀做功，通过调节与高、低压级涡轮并联的旁通阀开度调节废气流量，兼顾了高压比和宽流量范围的性能要求，提升了柴油机变海拔适应性。然而柴油机变海拔运行时，涡轮做功能力和压气机耗功需求在不同运行工况下的矛盾问题为转速、转矩和海拔高度的三维变量问题，从而变海拔增压系统的调节措施变得更加复杂，通过实验获得的调节随海拔变化调节规律不适于推广到其他机型。设计一种基于增压器转速的两级增压能量高效自适应控制方法，实现兼顾增压压力恢复和可调两级增压系统总效率的能量均衡性调整，在解决柴油机变海拔功率恢复等方面存在一定的优势和应用潜力。但是在现有技术中，还没有相关的专利。


技术实现要素：

3.本发明针对现有技术的不足，提出一种基于增压器转速的两级增压能量高效自适应控制方法，基于两级增压能量利用效率分析模型，根据高、低压级增压器转速，通过调节涡轮增压器旁通阀的开度，在两级增压器间合理分配利用排气能量，达到不同海拔下增压系统等熵效率最高，实现排气能量高效自适应控制。
4.本发明是通过以下技术方案来实现的，本发明包括以下步骤：步骤一，根据柴油机运行工况点的目标总压比、当前海拔环境以及实测高低压级增压器转速，分别计算得到变海拔环境下高、低压级压气机压比和折合进气流量，通过查询两级压气机图谱，计算相应的压气机效率；步骤二，在高、低压级压气机效率的基础上，通过迭代得到高、低压级涡轮效率和涡轮膨胀比；步骤三，根据计算得到的高低压级压气机和涡轮效率，考虑机械效率，计算得到高压级和低压级增压器效率；根据可调两级增压系统的等熵效率计算公式，计算出变海拔两级增压系统等熵效率；步骤四，基于可调两级增压系统的等熵效率分析模型，遵循排气能量利用效率最优原则获取满足目标总压比下的高、低压级涡轮实时旁通阀开度，对变海拔柴油机全工况范围的增压器转速进行自适应控制，在两级增压器间合理分配利用排气能量，实现能量均衡性调整。
5.进一步地，在本发明的步骤一中，所述变海拔环境下高、低压级压气机压比和折合进气流量可以分别用下列两式计算：
6.π
ch
＝πcp0/p
0h
[0007][0008]
式中，πc为平原工况所需的高低压级压比，mc为平原工况流经压气机质量流量，单位为kg/s；π
ch
和m
ch,cor
为变海拔工况下高、低压级压气机压比和折合进气流量；p
ref
和t
ref
分别为绘制压气机图谱时采用的参考压力和温度，单位分别为pa和k；p0为平原环境压力，为101325pa；p
0h
为高原环境压力，单位为pa；t
0h
为高原环境温度，单位为k。
[0009]
更进一步地，在本发明中，平原工况下高低压级压比可根据不同工况高低压级增压器转速计算得到，不同柴油机转速下增压器转速的平方与压比之间的线性关系为：
[0010][0011]
式中n
tc
为增压器转速，单位为r/min，α和β为拟合系数。
[0012]
更进一步地，在本发明的步骤二中，所述高、低压级涡轮效率的计算公式为：
[0013][0014]
η
t
＝η
t,max
[-0.105+2.685(u
t
/c0)-0.76(u
t
/c0)
2-1.17(u
t
/c0)3]
[0015]
式中，u
t
为叶轮入口处的叶轮线速度，单位为m/s；n
t
为涡轮转速，单位为r/min；c0为排气从进口状态不对外做功而定熵膨胀到涡轮出口压力所能达到的速度，单位为m/s；d
t
为涡轮直径，单位为m；
△hst
为涡轮等熵焓降，单位为j/kg；c
pe
为排气定压比热，单位为j/(kg
·
k)；t4为涡轮入口温度，单位为k；π
t
为涡轮膨胀比；k
t
为废气绝热指数，取1.33；η
t,max
为涡轮最高效率，可视涡轮特性来确定。
[0016]
更进一步地，在本发明的步骤三中，所述可调两级增压系统的等熵效率计算公式为：
[0017][0018]
式中，η
tc
为增压器总效率，下标h和l分别代表高压级和低压级增压器；η
rts
为可调两级增压系统的等熵效率，π
cl
为低压级压气机压比，π
ch
为高压级压气机压比；κc为空气绝热指数，取1.4；
[0019]
其中，增压器总效率分为压气机效率、涡轮效率和机械效率三部分，高、低压级增压器总效率的计算公式为：
[0020]
η
tc，h
＝η
c，h
·
η
t，h
·
η
m，h
[0021]
η
tc，l
＝η
c，l
·
η
t，l
·
η
m，l
[0022]
式中，ηc、η
t
和ηm分别为压气机效率、涡轮效率以及机械效率，下标h和l分别代表高压级和低压级增压器。
[0023]
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果为：本发明设计合理，方法简单有效，该方法解决了实现兼顾增压压力恢复和可调两级增压系统总效率的能量均衡性调整，在解决柴油机变海拔功率恢复等方面存在一定的优势和应用潜力。同时控制方法可推广到不同型号的发动机，适用于可调两级增压系统变海拔高效自适应控制方法的设计。
附图说明
[0024]
图1为本发明方法流程图；
[0025]
图2为本发明实施例中可调两级增压系统结构示意图；
[0026]
图3为本发明实施例中涡轮增压器转速与压比的关系；
[0027]
图4为本发明实施例中高压级涡轮效率计算流程；
[0028]
图5为本发明实施例中低压级涡轮效率计算流程；
[0029]
其中，1、柴油机，2、高压级中冷器，3、高压级压气机，4、低压级中冷器，5、低压级涡轮，6、高压级涡轮，7、高压级涡轮旁通阀，8、低压级涡轮旁通阀，9、阀门控制系统，10、电子控制单元，11、高压级中冷后压力温度传感器，12、高压级中冷器前压力温度传感器，13、低压级中冷后压力温度传感器，14、低压级中冷器前压力温度传感器，15、进气压力温度传感器，16、低压级增压器转速传感器，17、涡轮后压力温度传感器，18、涡轮间压力温度传感器，19、涡轮前压力温度传感器，20、高压级增压器转速传感器，21、低压级压气机，22、柴油机进气管路，23、柴油机排气管路。
具体实施方式
[0030]
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0031]
实施例
[0032]
本发明的流程图如图1所示，本发明实施例的结构图如图2所示。
[0033]
如图2所示，本发明的实施例包括柴油机1、高压级中冷器2、高压级压气机3、低压级中冷器4、低压级涡轮5、高压级涡轮6、高压级涡轮旁通阀7、低压级涡轮旁通阀8、阀门控制系统9、电子控制单元10、高压级中冷后压力温度传感器11、高压级中冷器前压力温度传感器12、低压级中冷后压力温度传感器13、低压级中冷器前压力温度传感器14、进气压力温度传感器15、低压级增压器转速传感器16、低压级涡轮后压力温度传感器17、涡轮间压力温度传感器18、高压级涡轮前压力温度传感器19、高压级增压器转速传感器20、低压级压气机21、柴油机进气管路22、柴油机排气管路23，柴油机进气管路22的出气口与柴油机1的进气道相连通，柴油机排气管路23的进气口与柴油机1的排气道相连通；沿进气流向低压级压气机21、低压级中冷器4、高压级压气机3、高压级中冷器2依次串接在柴油机进气管路22上，沿排气流向高压级涡轮6、低压级涡轮5依次串接在柴油机排气管路23上，低压级压气机21、低压级涡轮5同轴相连，高压级压气机3、高压级涡轮6同轴相连，高压级涡轮旁通阀7的进出口分别与高压级涡轮6前后的柴油机排气管路23相连通，低压级涡轮旁通阀8的进出口分别与低压级涡轮5前后的柴油机排气管路23相连通，高压级涡轮旁通阀7、低压级涡轮旁通阀8均通过线束与阀门控制系统9相连接。高压级中冷后压力温度传感器11布置在高压级中冷器2下游的柴油机进气管路22上，高压级中冷器前压力温度传感器12布置在高压级中冷器2、高
压级压气机3之间的柴油机进气管路22上，低压级中冷后压力温度传感器13布置在高压级压气机3、低压级中冷器4之间的柴油机进气管路22上，低压级中冷器前压力温度传感器14布置在低压级中冷器4、低压级压气机21之间的柴油机进气管路22上，进气压力温度传感器15布置在低压级压气机21上游的柴油机进气管路22上。低压级涡轮后压力温度传感器17布置在低压级涡轮5下游的柴油机排气管路23上，涡轮间压力温度传感器18布置在低压级涡轮5、高压级涡轮6之间的柴油机排气管路23上，高压级涡轮前压力温度传感器19布置在高压级涡轮6上游的柴油机排气管路23上；低压级增压器转速传感器16布置在低压级压气机21、低压级涡轮5之间的连接轴上，高压级增压器转速传感器20布置在高压级压气机3、高压级涡轮6之间的连接轴上；高压级中冷后压力温度传感器11、高压级中冷器前压力温度传感器12、低压级中冷后压力温度传感器13、低压级中冷器前压力温度传感器14、进气压力温度传感器15、低压级增压器转速传感器16、低压级涡轮后压力温度传感器17、涡轮间压力温度传感器18、高压级涡轮前压力温度传感器19、高压级增压器转速传感器20均通过线束与电子控制单元相连接。
[0034]
本发明的实施过程如下：
[0035]
首先，根据不同发动机转速下，增压器转速的平方与压比之间存在线性关系如图3所示。对比实验结果和拟合结果表明模型能够较好地反映增压器转速和压比的映射关系。
[0036][0037]
式中n
tc
为增压器转速，单位为r/min；πc为压气机压比，α和β为拟合系数，拟合参数由系统辨识的方法确定，在此例中，α＝8.586
×
109，β＝-7.125
×
109。则可根据不同工况高、低压级增压器转速计算得到平原下高、低压级压比信息。
[0038]
根据柴油机典型工况在平原时的压比和流量参数，以及变海拔运行范围，变海拔工况下所需的压比和折合流量可以用下列两式计算：
[0039]
π
ch
＝πcp0/p
0h
[0040][0041]
式中，πc为平原工况所需的高低压级压比，mc为平原工况流经压气机质量流量，单位为kg/s；π
ch
和m
ch,cor
为变海拔工况下增压系统的压比和折合流量；p
ref
和t
ref
分别为绘制压气机图谱时采用的参考压力和温度，单位分别为pa和k；p0为平原环境压力，为101325pa；p
0h
为高原环境压力，单位为pa；t
0h
为高原环境温度，单位为k。
[0042]
径流式涡轮效率计算公式：
[0043][0044]
η
t
＝η
t,max
[-0.105+2.685(u
t
/c0)-0.76(u
t
/c0)
2-1.17(u
t
/c0)3]
[0045]
式中，u
t
为叶轮入口处的叶轮线速度，单位为m/s；n
t
为涡轮转速，单位为r/min；c0为排气从进口状态不对外做功而定熵膨胀到涡轮出口压力所能达到的速度，单位为m/s；d
t
为涡轮直径，单位为m；
△hst
为涡轮等熵焓降，单位为j/kg；c
pe
为排气定压比热，单位为j/
(kg
·
k)；t4为涡轮入口温度，单位为k；π
t
为涡轮膨胀比；k
t
为废气绝热指数，取1.33；η
t,max
为涡轮最高效率，可视涡轮特性来确定，此经验公式适用于膨胀比小于3.0的径流式涡轮。
[0046]
将系统总效率分为压气机效率、涡轮效率和机械效率三部分。首先，根据运行工况点的总压比、进气流量和高、低压级涡轮增压器转速，计算高、低压级的压比和折合流量，根据两级压气机图谱，计算相应的压气机效率。在高、低压级压气机效率的基础上，通过图4的迭代过程得到高压级涡轮效率和涡轮膨胀比，通过图5的迭代过程得到低压级涡轮效率和涡轮膨胀比。然后计算两级增压器效率，公式为：
[0047]
η
tc,h
＝η
c,h
·
η
t,h
·
η
m,h
[0048]
η
tc，l
＝η
c，l
·
η
t，l
·
η
m，l
[0049]
其中，η
tc
为增压器总效率，ηc，η
t
和ηm分别为压气机效率、涡轮效率以及机械效率，下标h和l分别代表高压级和低压级增压器。
[0050]
而后，根据高、低压级压比和增压器效率，计算可调两级增压系统的等熵效率。
[0051][0052]
式中，η
rts
为可调两级增压系统的等熵效率，π
cl
为低压级压气机压比，π
ch
为高压级压气机压比；κc为空气绝热指数，取1.4。
[0053]
最后，基于可调两级增压系统的等熵效率分析模型，遵循排气能量利用效率最优原则获取满足目标总压比下的高、低压级涡轮实时旁通阀开度，对变海拔柴油机全工况范围的增压器转速进行自适应控制，在两级增压器间合理分配利用排气能量，实现能量均衡性调整。
[0054]
在本发明中，柴油机安装有转速和油门位置传感器，进气流量、温度及压力传感器，高、低压级涡轮增压器转速传感器，传感器测量信号实时发送至电子控制单元10进行信号处理，根据转速、扭矩和进气压力温度，确定满足变海拔条件进气需求的增压压力目标值，进而根据两级增压能量利用效率分析模型，计算得到最高增压系统效率所对应的高、低压级旁通阀开度，将旁通阀开度控制信号传至废气旁通阀阀门控制执行器；废气旁通阀阀门控制执行器输出控制信号至高、低压级废气旁通阀，并接受实际增压压力信号进行反馈控制，实现变海拔两级增压排气能量合理分配及高效自适应控制。
[0055]
上述实施例仅例示性说明本发明的设计原理及用途作用，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

技术特征：
1.一种基于增压器转速的两级增压能量高效自适应控制方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一，根据柴油机运行工况点的目标总压比、当前海拔环境以及实测高低压级增压器转速，分别计算得到变海拔环境下高、低压级压气机压比和折合进气流量，通过查询两级压气机图谱，计算相应的压气机效率；步骤二，在高、低压级压气机效率的基础上，通过迭代得到高、低压级涡轮效率和涡轮膨胀比；步骤三，根据计算得到的高低压级压气机和涡轮效率，考虑机械效率，计算得到高压级和低压级增压器效率；根据可调两级增压系统的等熵效率计算公式，计算出变海拔两级增压系统等熵效率；步骤四，基于可调两级增压系统的等熵效率分析模型，遵循排气能量利用效率最优原则获取满足目标总压比下的高、低压级涡轮实时旁通阀开度，对变海拔柴油机全工况范围的增压器转速进行自适应控制，在两级增压器间合理分配利用排气能量，实现能量均衡性调整。2.根据权利要求1所述的基于增压器转速的两级增压能量高效自适应控制方法，其特征在于在步骤一中，所述变海拔环境下高、低压级压气机压比和折合进气流量可以分别用下列两式计算：π
ch
＝π
c
p0/p
0h
式中，π
c
为平原工况所需的高、低压级压气机压比，m
c
为平原工况流经压气机质量流量，单位为kg/s；π
ch
和m
ch,cor
为变海拔工况下高、低压级压气机压比和折合进气流量；p
ref
和t
ref
分别为绘制压气机图谱时采用的参考压力和温度，单位分别为pa和k；p0为平原环境压力，为101325pa；p
0h
为高原环境压力，单位为pa；t
0h
为高原环境温度，单位为k。3.根据权利要求2所述的基于增压器转速的两级增压能量高效自适应控制方法，其特征在于所述平原工况下高低压级压比可根据不同工况高低压级增压器转速计算得到，不同柴油机转速下增压器转速的平方与压比之间的线性关系为：式中n
tc
为增压器转速，单位为r/min，α和β为拟合系数。4.根据权利要求1所述的基于增压器转速的两级增压能量高效自适应控制方法，其特征在于在步骤二中，所述高、低压级涡轮效率的计算公式为：η
t
＝η
t,max
[-0.105+2.685(u
t
/c0)-0.76(u
t
/c0)
2-1.17(u
t
/c0)3]式中，u
t
为叶轮入口处的叶轮线速度，单位为m/s；n
t
为涡轮转速，单位为r/min；c0为排
气从进口状态不对外做功而定熵膨胀到涡轮出口压力所能达到的速度，单位为m/s；d
t
为涡轮直径，单位为m；
△
h
st
为涡轮等熵焓降，单位为j/kg；c
pe
为排气定压比热，单位为j/(kg
·
k)；t4为涡轮入口温度，单位为k；π
t
为涡轮膨胀比；k
t
为废气绝热指数，取1.33；η
t,max
为涡轮最高效率，可视涡轮特性来确定。5.根据权利要求1所述的基于增压器转速的两级增压能量高效自适应控制方法，其特征在于在步骤三中，所述可调两级增压系统的等熵效率计算公式为：式中，η
tc
为增压器总效率，下标h和l分别代表高压级和低压级增压器；η
rts
为可调两级增压系统的等熵效率，π
cl
为低压级压气机压比，π
ch
为高压级压气机压比；κ
c
为空气绝热指数，取1.4；其中，增压器总效率分为压气机效率、涡轮效率和机械效率三部分，高、低压级增压器总效率的计算公式为：η
tc，h
＝η
c，h
·
η
t，h
·
η
m，h
η
tc，l
＝η
c，l
·
η
t，l
·
η
m，l
式中，η
c
、η
t
和η
m
分别为压气机效率、涡轮效率以及机械效率，下标h和l分别代表高压级和低压级增压器。

技术总结
一种柴油机增压技术领域的基于增压器转速的两级增压能量高效自适应控制方法，包括以下步骤：根据柴油机运行工况点目标总压比、当前海拔环境以及实测高低压级增压器转速，分别计算得到变海拔环境下高低压级压气机压比和折合进气流量；在高低压级压气机效率基础上，计算高低压级涡轮效率和膨胀比；根据计算得到的高低压级压气机和涡轮效率，计算高低压级增压器效率；根据等熵效率计算公式算出变海拔两级增压系统等熵效率；基于可调两级增压系统的等熵效率分析模型，遵循排气能量利用效率最优原则获取满足目标总压比下的高、低压级涡轮实时旁通阀开度。本发明能够对变海拔柴油机全工况范围的增压器转速进行自适应控制，实现能量均衡性调整的自适应控制。均衡性调整的自适应控制。均衡性调整的自适应控制。


技术研发人员：冷泠 石磊 章雍 陈自强 邓康耀
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2023.06.16
技术公布日：2023/9/20