电辅助可变喷嘴涡轮增压系统及其控制方法
阅读：318发布：2020-08-24
专利汇可以提供电辅助可变喷嘴涡轮增压系统及其控制方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种电辅助可变 喷嘴 涡轮 增压 系统，属于 涡轮 增压器 技术领域。本 发明 的目的是利用 电机 与涡轮可变喷嘴环对 发动机 性能的影响，对两者进行协调配合的电辅助可变喷嘴涡轮增压系统及其控制方法。本发明的进气支管和排气支管之间直接连接柴油机 气缸 ，进气管连接在进气支管上，排气管连接在排气支管上，在进气管上安装有中冷器，电辅助可变喷嘴 涡轮增压器 安装在进气管的进口和排气管的出口处。本发明基于柴油机 空燃比 和 蓄 电池 状态，对高速电机进行控制，能够有效而迅速地调节气缸进气量，以配合喷油量的变化，达到油和气的协调同步，确保柴油机在各种工况下保持合适的空燃比值，同时也保证了电池工作在高效率区域。，下面是电辅助可变喷嘴涡轮增压系统及其控制方法专利的具体信息内容。
1.一种电辅助可变喷嘴涡轮增压系统，其特征在于：进气支管（6）和排气支管（8）之间直接连接柴油机气缸（7），进气管（5）连接在进气支管（6）上，排气管（9）连接在排气支管（8）上，在进气管（5）上安装有中冷器（4），电辅助可变喷嘴涡轮增压器（1）安装在进气管（5）的进口和排气管（9）的出口处，电辅助可变喷嘴涡轮增压器（1）：是由辅助压缩机（1a）、涡轮（1b）、可变喷嘴机构（1c）、辅助高速电机（2）、涡轮增压器旋转轴（3）构成，压缩机（1a）安装在进气管（5）入口处，涡轮（1b）安装在排气管（9）出口处，在涡轮（1b）内安装有可变喷嘴机构（1c），压缩机（1a）与涡轮（1b）通过涡轮增压器旋转轴（3）同轴连接，辅助高速电机（2）安装于压缩机（1a）与涡轮（1b）之间，并且电机转子与涡轮增压器旋转轴（3）同轴相连。
2.权利要求1所述的电辅助可变喷嘴涡轮增压系统，其特征在于：瞬态工况下气路控制方法是：
当喷油量增大，进气量相对不足时，空燃比值偏小，即小于 时，调节高速电机为电动机模式，以增加进气量；
当空燃比超过 处于 与 范围内，此时关闭电机，即调节为不工作模式；
当喷油量较小，进气量相对充足时，空燃比值偏大，即大于 时，调节高速电机为发电机模式，降低涡轮的转速，以减少进气量，并且同时利用多余的废气能量转化成电能存储起来；是指空燃比。
3. 根据权利要求2所述的电辅助可变喷嘴涡轮增压系统，其特征在于：柴油机处于瞬态工况时，最佳喷嘴叶片开度用公式（1）表示如下：
（1）
式中 为最佳喷嘴开度， 代表喷嘴开度，下角标 表示最佳的含义，F代表喷油
量，N为柴油机转速， 表示所述的查询表格， 表格通过发动机试验台架标定获得，下角标 表示表格的含义。
4.根据权利要求书1所述的电辅助可变喷嘴涡轮增压系统，其特征在于：稳态工况下气路控制方法：
在瞬态控制方法的基础上，增加进气支管压强的闭环PID控制，先由查表得到此工况下的最佳喷嘴开度和由电机控制器决策出的电机控制信号，再根据以进气支管压强为控制目标的闭环回路对这两者进行修正，以经过修正后的喷嘴开度和电机控制信号作为最终气路控制的输入；
通过查表获得进气支管压强目标值 ，用公式（2）表达如下：
（2）
式中 为进气支管压强目标值，单位 ，具体地， 代表压强，下角标 代表进气
支管，上角标 表示目标的含义；代表喷油量，即循环喷油量，单位mg/cyc； 为柴油机转速，单位 ； 表示所述的查询表格，为两输入一输出，即输入喷油量 和
柴油机转速 ，通过表格 的查询，可输出进气支管压强目标值 ，下角标 表示表
格的含义。
5.根据权利要求书1所述的电辅助可变喷嘴涡轮增压系统，其特征在于：怠速工况下气路控制方法：
喷嘴开度和电机控制信号将直接被设定为固定的值，并且取消进气支管压强的闭环回路控制，启动高速电机，控制电机处于电动机模式，辅助涡轮增压旋转轴转动，同时喷嘴开度接近全关闭，即设定为0.1；
当柴油机热启动，即处于暖机怠速状态时，其内部有较高的余温，控制电机处于电动机模式，喷嘴开度全开，即直接设定为1。
电辅助可变喷嘴涡轮增压系统及其控制方法
技术领域
背景技术
[0002] 如今涡轮增压技术已被广泛运用于车用柴油机上，它利用柴油机排出的废气能量来驱动涡轮，并带动同轴的压气机叶轮旋转压缩新鲜空气，成为有效提高发动机输出功率的重要手段。由于柴油机运行具有转速和负荷变化范围较大、工况变化频繁的特点，普通涡轮增压器与柴油机的匹配将出现以下几个问题：首先增压柴油机低速动力性差。柴油机在低速运转时，废气流量较小因而可用能量不足，导致增压器转速较低，无法提供足够的增压压力和进气量，使得发动机的输出转矩和功率不足。其次当柴油机在高速工况运转时，废气能量过剩，易造成增压器超速及发动机增压压力过高的后果。另外，涡轮增压柴油机最突出的一点就是“涡轮迟滞”现象，当柴油机处于急加速等瞬变工况时，喷油量突增，由于增压器与发动机为气动联系及涡轮本身的机械惯性，压缩机不能立即提供对应的较高进气压力，导致空气的供给明显滞后于燃油量的供应，空燃比过小，燃烧状况恶化，甚至出现排气管短时冒黑烟的现象。
[0003] 为了解决上述问题，人们提出了多种改善措施。其中的可变喷嘴涡轮增压系统以其良好的特性而获得了较广泛的关注和应用。该技术通过改变喷嘴环叶片角度来改变涡轮喷嘴环流通截面积的大小，导致流经涡轮排气的流通特性发生变化，以此来调整增压器的转速和增压压力。在发动机低速时，通过减小涡轮流通截面积而使排气背压增大，从而提高涡轮转速，高速时增大涡轮流通截面积，降低排气流速，防止增压过度。然而涡轮流通截面积过小会导致泵气损失的增加，发动机动力性下降，并且对“涡轮迟滞”的改善程度有限。另一方面，增加流通面积必然会导致废气可用能量的浪费。因而此措施并不能彻底解决增压器与柴油机的匹配问题。为满足更高的要求，电辅助涡轮增压技术这种更灵活而有效的措施正逐渐受到越来越多的关注并成为许多企业和高校的研究对象。
[0004] 专利申请号ZL 200710013120，名称为“电辅助涡轮增压器”的专利申请提出了一种电辅助涡轮增压方案，将辅助增压电机与涡轮增压器装配在一起，通过控制电动机的磁场旋转速率及电流幅度、换向变换规律，来实现其辅助增压强度的调节，或者利用过剩废气发电蓄能，避免涡轮转速过高，然而该专利只是关注电机的状态对涡轮增压器的作用，并没有考虑涡轮自身结构的改进。专利申请号ZL 201310343844.1，专利申请名称为“用于改进涡轮增压发动机的停止和起动的方法和系统”，在此申请中通过调节涡轮叶片位置，或者由电动机器施加于涡轮增压器的负转矩，来增加发动机背压，以改进涡轮增压发动机的停止和起动性能。专利申请号ZL 200680041850.x，专利申请名称为“用于内燃机的控制装置”，在该专利中提出一种能够抑制具有多个不同类型的增压压力调节致动器的内燃机中发生增压压力过调、欠调和振荡的可能性。根据给涡轮转动提供电动机助力的大小，改变可变喷嘴开度反馈控制灵敏度，使实际增压压力快速而平稳地收敛于目标值。上述的两个专利只是针对发动机的某个运行工况提出相应的控制方法，并没有结合电机的各个状态和可变喷嘴涡轮增压器的调节，针对发动机不同工况提出较为全面的控制方法。
发明内容
[0005] 本发明的目的是利用电机与涡轮可变喷嘴环对发动机性能的影响，对两者进行协调配合的电辅助可变喷嘴涡轮增压系统及其控制方法。
[0006] 本发明的进气支管和排气支管之间直接连接柴油机气缸，进气管连接在进气支管上，排气管连接在排气支管上，在进气管上安装有中冷器，电辅助可变喷嘴涡轮增压器安装在进气管的进口和排气管的出口处，电辅助可变喷嘴涡轮增压器：是由辅助压缩机、涡轮、可变喷嘴机构、辅助高速电机、涡轮增压器旋转轴构成，压缩机安装在进气管入口处，涡轮安装在排气管出口处，在涡轮内安装有可变喷嘴机构，压缩机与涡轮通过涡轮增压器旋转轴同轴连接，辅助高速电机安装于压缩机与涡轮之间，并且电机转子与涡轮增压器旋转轴同轴相连。
[0007] 本发明电辅助可变喷嘴涡轮增压系统瞬态工况下气路控制方法，当喷油量增大，进气量相对不足时，空燃比值偏小，即小于 时，调节高速电机为电动机模式，以增加进气量；
当空燃比超过 处于 与 范围内，此时关闭电机，即调节为不工作模式；
当喷油量较小，进气量相对充足时，空燃比值偏大，即大于 时，调节高速电机为发电机模式，降低涡轮的转速，以减少进气量，并且同时利用多余的废气能量转化成电能存储起来； 是指空燃比。
当空燃比超过 处于 与 范围内，此时关闭电机，即调节为不工作模式；
当喷油量较小，进气量相对充足时，空燃比值偏大，即大于 时，调节高速电机为发电机模式，降低涡轮的转速，以减少进气量，并且同时利用多余的废气能量转化成电能存储起来； 是指空燃比。
[0008] 本发明柴油机处于瞬态工况时，最佳喷嘴叶片开度用公式（1）表示如下： （1）
式中 为最佳喷嘴开度， 代表喷嘴开度，下角标 表示最佳的含义，F代表喷油量，N为柴油机转速， 表示所述的查询表格， 表格通过发动机试验台架标定获得，下角标 表示表格的含义。
式中 为最佳喷嘴开度， 代表喷嘴开度，下角标 表示最佳的含义，F代表喷油量，N为柴油机转速， 表示所述的查询表格， 表格通过发动机试验台架标定获得，下角标 表示表格的含义。
[0009] 本发明稳态工况下气路控制方法：在瞬态控制方法的基础上，增加进气支管压强的闭环PID控制，先由查表得到此工况下的最佳喷嘴开度和由电机控制器决策出的电机控制信号，再根据以进气支管压强为控制目标的闭环回路对这两者进行修正，以经过修正后的喷嘴开度和电机控制信号作为最终气路控制的输入；
通过查表获得进气支管压强目标值 ，用公式（2）表达如下：
（2）
式中 为进气支管压强目标值，单位 ，具体地， 代表压强，下角标 代表进气支管，上角标 表示目标的含义； 代表喷油量，即循环喷油量，单位mg/cyc； 为柴油机转速，单位 ； 表示所述的查询表格，为两输入一输出，即输入喷油量 和柴油机转速 ，通过表格 的查询，可输出进气支管压强目标值 ，下角标 表示表格的含义。
通过查表获得进气支管压强目标值 ，用公式（2）表达如下：
（2）
式中 为进气支管压强目标值，单位 ，具体地， 代表压强，下角标 代表进气支管，上角标 表示目标的含义； 代表喷油量，即循环喷油量，单位mg/cyc； 为柴油机转速，单位 ； 表示所述的查询表格，为两输入一输出，即输入喷油量 和柴油机转速 ，通过表格 的查询，可输出进气支管压强目标值 ，下角标 表示表格的含义。
[0010] 本发明怠速工况下气路控制方法：喷嘴开度和电机控制信号将直接被设定为固定的值，并且取消进气支管压强的闭环回路控制，启动高速电机，控制电机处于电动机模式，辅助涡轮增压旋转轴转动，同时喷嘴开度接近全关闭，即设定为0.1；
当柴油机热启动，即处于暖机怠速状态时，其内部有较高的余温，控制电机处于电动机模式，喷嘴开度全开，即直接设定为1。
当柴油机热启动，即处于暖机怠速状态时，其内部有较高的余温，控制电机处于电动机模式，喷嘴开度全开，即直接设定为1。
[0011] 本发明具有以下有益效果：（1）本发明利用高速电机的辅助、发电作用，并且充分考虑可变喷嘴环涡轮对排气流通特性的影响，将高速电机与可变喷嘴涡轮增压器相结合，通过电机与可变喷嘴开度的协调配合，两者的优势都能得到充分发挥，最大限度地利用了涡轮增压对柴油机性能的影响。
[0012] （2）本发明根据柴油机的工况运行特点，从满足控制需求的角度出发，分别针对柴油机瞬态工况和稳态工况提出两种气路控制方法，协调控制喷嘴开度和高速电机工作模式。瞬态工况控制方法可实现快速提高进气量，改善柴油机瞬态响应特性的目标。而稳态工况控制方法则加入了闭环反馈，既满足了当前工况性能要求，又能够精确调节进气量。
[0013] （3）高速电机在电动机、发电机和不工作三种模式中切换，以及喷嘴叶片开度的准确调节，实现了涡轮增压器与发动机在全工况下的良好匹配，控制方法更为灵活而有效。通过协调控制，缓解了柴油机低速运行时进气量不足，提高低速扭矩输出；过剩的废气转化成电能，提高了废气利用率和柴油机的燃油经济性；改善柴油机启动和加速性能，并且提高涡轮增压器的瞬时特性，缓解“涡轮迟滞”问题。
[0014] （4）基于柴油机空燃比和蓄电池状态，对高速电机进行控制，能够有效而迅速地调节气缸进气量，以配合喷油量的变化，达到油和气的协调同步，确保柴油机在各种工况下保持合适的空燃比值，同时也保证了电池工作在高效率区域。
[0016] 图1为具备电辅助可变喷嘴涡轮增压器的柴油机的系统结构简图；图2为本发明所述的柴油机瞬态工况下的气路控制方案图；
图3为电机控制规则示意图；
图4为电机控制器执行电机控制规则的流程图；
图5为本发明所述的柴油机稳态工况下的气路控制方案图；
图中标号说明：1—电辅助可变喷嘴涡轮增压器，1a—压缩机，1b—涡轮，1c—可变喷嘴机构，2—高速电机，3—涡轮增压器旋转轴，4—中冷器，5—进气管，6—进气支管，7—柴油机气缸，8—排气支管，9—排气管，10—功率变换器，11—蓄电池。
图3为电机控制规则示意图；
图4为电机控制器执行电机控制规则的流程图；
图5为本发明所述的柴油机稳态工况下的气路控制方案图；
图中标号说明：1—电辅助可变喷嘴涡轮增压器，1a—压缩机，1b—涡轮，1c—可变喷嘴机构，2—高速电机，3—涡轮增压器旋转轴，4—中冷器，5—进气管，6—进气支管，7—柴油机气缸，8—排气支管，9—排气管，10—功率变换器，11—蓄电池。
具体实施方式
[0017] 本发明的进气支管6和排气支管8之间直接连接柴油机气缸7，进气管5连接在进气支管6上，排气管9连接在排气支管8上，在进气管5上安装有中冷器4，电辅助可变喷嘴涡轮增压器1安装在进气管5的进口和排气管9的出口处，电辅助可变喷嘴涡轮增压器1：是由辅助压缩机1a、涡轮1b、可变喷嘴机构1c、辅助高速电机2、涡轮增压器旋转轴3构成，压缩机1a安装在进气管5入口处，涡轮1b安装在排气管9出口处，在涡轮1b内安装有可变喷嘴机构1c，压缩机1a与涡轮1b通过涡轮增压器旋转轴3同轴连接，辅助高速电机2安装于压缩机1a与涡轮1b之间，并且电机转子与涡轮增压器旋转轴3同轴相连。
[0018] 本发明电辅助可变喷嘴涡轮增压系统瞬态工况下气路控制方法，其步骤是：当喷油量增大，进气量相对不足时，空燃比值偏小，即小于 时，调节高速电机为电动机模式，以增加进气量；
当空燃比超过 处于 与 范围内，此时关闭电机，即调节为不工作模式；
当喷油量较小，进气量相对充足时，空燃比值偏大，即大于 时，调节高速电机为发电机模式，降低涡轮的转速，以减少进气量，并且同时利用多余的废气能量转化成电能存储起来；是指空燃比。
当空燃比超过 处于 与 范围内，此时关闭电机，即调节为不工作模式；
当喷油量较小，进气量相对充足时，空燃比值偏大，即大于 时，调节高速电机为发电机模式，降低涡轮的转速，以减少进气量，并且同时利用多余的废气能量转化成电能存储起来；是指空燃比。
[0019] 本发明柴油机处于瞬态工况时，最佳喷嘴叶片开度用公式（1）表示如下： （1）
式中 为最佳喷嘴开度， 代表喷嘴开度，下角标 表示最佳的含义，F代表喷油量，N为柴油机转速， 表示所述的查询表格， 表格通过发动机试验台架标定获得，下角标 表示表格的含义。
式中 为最佳喷嘴开度， 代表喷嘴开度，下角标 表示最佳的含义，F代表喷油量，N为柴油机转速， 表示所述的查询表格， 表格通过发动机试验台架标定获得，下角标 表示表格的含义。
[0020] 本发明稳态工况下气路控制方法：在瞬态控制方法的基础上，增加进气支管压强的闭环PID控制，先由查表得到此工况下的最佳喷嘴开度和由电机控制器决策出的电机控制信号，再根据以进气支管压强为控制目标的闭环回路对这两者进行修正，以经过修正后的喷嘴开度和电机控制信号作为最终气路控制的输入；
通过查表获得进气支管压强目标值 ，用公式（2）表达如下：
（2）
式中 为进气支管压强目标值，单位 ，具体地， 代表压强，下角标 代表进气支管，上角标 表示目标的含义； 代表喷油量，即循环喷油量，单位mg/cyc； 为柴油机转速，单位 ； 表示所述的查询表格，为两输入一输出，即输入喷油量 和柴油机转速 ，通过表格 的查询，可输出进气支管压强目标值 ，下角标 表示表格的含义。
通过查表获得进气支管压强目标值 ，用公式（2）表达如下：
（2）
式中 为进气支管压强目标值，单位 ，具体地， 代表压强，下角标 代表进气支管，上角标 表示目标的含义； 代表喷油量，即循环喷油量，单位mg/cyc； 为柴油机转速，单位 ； 表示所述的查询表格，为两输入一输出，即输入喷油量 和柴油机转速 ，通过表格 的查询，可输出进气支管压强目标值 ，下角标 表示表格的含义。
[0021] 本发明怠速工况下气路控制方法：喷嘴开度和电机控制信号将直接被设定为固定的值，并且取消进气支管压强的闭环回路控制，启动高速电机，控制电机处于电动机模式，辅助涡轮增压旋转轴转动，同时喷嘴开度接近全关闭，即设定为0.1；
当柴油机热启动，即处于暖机怠速状态时，其内部有较高的余温，控制电机处于电动机模式，喷嘴开度全开，即直接设定为1。
当柴油机热启动，即处于暖机怠速状态时，其内部有较高的余温，控制电机处于电动机模式，喷嘴开度全开，即直接设定为1。
[0022] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：图1是具备本发明所述的电辅助可变喷嘴涡轮增压器的柴油机的系统结构简图。柴油机进气道包括压缩机1a、中冷器4、进气管5和进气支管6。柴油机排气道包括排气支管8、排气管9、涡轮1b和可变喷嘴机构1c。压缩机1a安装在进气道入口，中冷器4紧接其后，并通过进气管5连通到进气支管6。进气支管6和排气支管8之间直接连接柴油机气缸7，排气管9连接着排气支管8和涡轮1b，压缩机1a和涡轮1b通过涡轮增压器旋转轴3同轴连接，压缩机转速和涡轮转速保持一致。
[0023] 本发明的电辅助可变喷嘴涡轮增压器1具备辅助压缩机1a、涡轮1b、可变喷嘴机构1c、高速电机2、涡轮增压器旋转轴3。
[0024] 可变喷嘴机构1c所包括的喷嘴环由一系列均匀环绕一周的喷嘴环叶片组成，这些叶片可以绕着各自的轴心共同旋转，具有导流功能，喷嘴环叶片之间的流通路径决定着流过涡轮的排气流通截面积的大小，因此通过转动各喷嘴环叶片使其角度发生变化，来实现喷嘴环流通截面积的改变，进而控制涡轮增压器的转速。当发动机低速运行时，发动机排出的废气流量不足，此时应减小喷嘴环叶片角度，即减小了涡轮喷嘴流通截面积，使得排气背压增加、废气流速增大，从而提高了涡轮增压器的转速，增加进入气缸的空气量，从而改善发动机的低速特性；当发动机高速运行时，废气流量过剩，此时应增大喷嘴环叶片角度，即增加了涡轮喷嘴流通截面积，使排气背压和废气流速降低，相应的减小了涡轮增压器的转速。由此控制器能够根据发动机工况来精确调节喷嘴环叶片角度的大小，从而获得满足当前需求的增压压力和进气流量。
[0025] 辅助高速电机2安装于压缩机1a与涡轮1b之间，并且电机转子与涡轮增压器旋转轴3同轴相连，将电机定子安装在增压器外壳上，功率变换器10用于实现高速电机2与蓄电池11之间的能量传递。所述高速电机可以是永磁同步电机或者永磁直流无刷电机。在不同的发动机工况下，通过对该电机电压的控制，高速电机将处于电动机、发电机或不工作三种模式。所述高速电机2处于电动机模式，是指在发动机低速运行废气能量不足时，蓄电池11向高速电机2供电，电机向涡轮增压器旋转轴3提供辅助正转矩，为压缩机1a增加进气压力提供能量，进而能够提高柴油机的扭矩输出；所述高速电机2处于发电机模式，是指在发动机处于高速或大负荷时，废气通过涡轮驱动电机转子旋转并通过电磁感应产生电能，向蓄电池11充电，此时电机对涡轮增压器旋转轴3施加反作用的负转矩，以此限制涡轮增压器转速和增压压力，这样剩余的发动机废气能量通过高速电机2转化成了电能存储于蓄电池中；所述高速电机2处于不工作模式，是指高速电机2不对涡轮增压器旋转轴3施加任何作用力，此时电机完全不工作，内部电流为零，涡轮增压机单独自行运转。
[0026] 在图1中，中冷器4位于压缩机1a之后，冷却增压的高温空气，以增大空气密度。气体经过冷却后通过进气管5进入所述进气支管6，接着流入柴油机气缸7进行燃烧做功，从气缸排出的废气经过排气歧管8后排入排气管9，最后流入涡轮1b中，驱动涡轮1b转动以带动压缩机1a对空气进行压缩。
[0027] 根据上文所述的电辅助可变喷嘴涡轮增压器的工作原理，以及柴油机的整体结构和工作过程，可变喷嘴机构1c的喷嘴环叶片角度（以下称为“喷嘴开度”，由全关到全开对应取值范围0到1，即涡轮喷嘴流通截面积由最小到最大）和高速电机2的工作模式共同决定了柴油机气路系统的工作状态和扭矩的输出，因此通过对这二者的调节，能够完成对柴油机气路系统的控制，提供满足发动机当前工况所需的进气量，使得空气量与喷油量相协调，保持合适的空燃比（柴油机气缸的可燃混合气中空气质量与燃油质量的比值）。
[0028] 车用柴油机的工况变化较频繁，对扭矩需求或动力输出要求处于变化中，导致喷油量也随之发生改变，为实现气和油的同步，进气量应快速而准确地达到相应值。因此需要根据柴油机不同的运行工况设计合理而可靠的控制方法。在柴油机瞬态工况下，应尽量减少 “涡轮迟滞”影响，缓解空气的供给滞后，提高增压器的瞬态响应特性；而当柴油机处于稳态工况时，应精确地控制进气压力，从而精确地控制柴油机进气量和空燃比。
[0029] 由于开环控制具有较高的可靠性，且瞬态响应迅速，但稳定性较差，适用于可变喷嘴涡轮增压器的瞬态控制；采用闭环控制，可以精确地控制进气压力，但瞬态响应较差，系统复杂性较高，更适合于可变喷嘴涡轮增压器的稳态控制。
[0030] 基于不同工况下柴油机的控制需求以及上述两种控制方法的特点，针对柴油机瞬态工况和稳态工况，本发明采用两种不同的控制方法。此外，柴油机的启动怠速工况也采取相应的控制策略。下面将详细说明电辅助可变喷嘴涡轮增压柴油机气路控制方法。
[0031] （一）瞬态工况下气路控制方法瞬态工况下的控制方案图如图2所示。驾驶员对于发动机的动力输出要求体现在油门踏板的操控上，进而直接影响喷油量的变化，因此，根据油门踏板位置信号和柴油机转速，经过查表可以获得对应的喷油量，如图2的MAP1所示，输入信号是油门踏板位置和转速，输出信号是喷油量。
[0032] 柴油机处于瞬态工况时，其喷油量或者转速变化明显。当发动机转速处于某个区域时，驾驶员突然踩下油门踏板，这时喷油量从某个值突然上升到一个更高的值，同时为了增大进气量需要提高增压压力，根据当前的柴油机转速和喷油量，会得到喷嘴叶片最佳开度，此开度有利于增压压力上升。最佳喷嘴叶片开度可以通过查表确定，用公式（1）表示如下： （1）
式中 为最佳喷嘴开度，无单位，具体地， 代表喷嘴开度，下角标 表示最佳的含义；代表喷油量，即循环喷油量，单位mg/cyc；为柴油机转速，单位 。 表示所述的查询表格，如图2的“MAP2”所示，为两输入一输出，即输入喷油量 和柴油机转速，通过表格 的查询，可输出最佳喷嘴开度 ，下角标 表示表格的含义。根据柴油机工况确定最佳喷嘴开度的原则将在后文作描述。所述的 表格通过发动机试验台架标定获得，对于不同的柴油机，该转换表格里的具体数据是不一样的。
式中 为最佳喷嘴开度，无单位，具体地， 代表喷嘴开度，下角标 表示最佳的含义；代表喷油量，即循环喷油量，单位mg/cyc；为柴油机转速，单位 。 表示所述的查询表格，如图2的“MAP2”所示，为两输入一输出，即输入喷油量 和柴油机转速，通过表格 的查询，可输出最佳喷嘴开度 ，下角标 表示表格的含义。根据柴油机工况确定最佳喷嘴开度的原则将在后文作描述。所述的 表格通过发动机试验台架标定获得，对于不同的柴油机，该转换表格里的具体数据是不一样的。
[0033] 在柴油机转速不高的情况下，随着喷油量的增加，喷嘴开度迅速减小，以提高排气背压，若之后转速上升，则喷嘴开度也相应有所增大。
[0034] 根据柴油机空燃比的大小，确定高速电机的工作模式。具体地，瞬态工况下，喷油量突然增加，而由于“涡轮迟滞”的影响进气量并没有立即增大，导致气缸中空气质量与燃油质量的比值迅速减小，也就是空燃比过小，这样非常不利于柴油机动力输出和排放，因此应立刻启动高速电机，根据电机控制信号，对功率变换器进行调节，改变电机定子绕组的电压和电流，控制电机处于电动机模式，辅助涡轮旋转轴加速，使压缩机的增压压力在尽可能短的时间内达到更高的水平，进而快速提高进气量，空燃比将会上升，直到处于一个合适的空燃比范围。如图3（a）所示的 和 之间的区域②（用符号 表示空燃比）。显然，电机工作状态对空燃比的变化起到调节作用，而空燃比可作为判断柴油机的喷油量和进气量是否同步协调的依据，因此确保空燃比处于适当的值也就实现了喷油量和进气量的协调控制。
[0035] 下面描述图2中的电机控制器的工作过程。将柴油机的空燃比信号和图1中蓄电池11的荷电状态SOC信号输入到电机控制器中，控制器依据如图3所示的“电机控制规则”进行决策，输出相应的电机控制信号，调节高速电机的工作模式。
[0036] 参考图3，下面对所述的“电机控制规则”作详细叙述。当喷油量增大，进气量相对不足时，空燃比值偏小，一旦小于 处于图3（a）的区域①时，调节高速电机为电动机模式，以增加进气量。并且空燃比值越小，说明进气量越缺乏，电动机向涡轮增压器旋转轴提供的辅助正转矩就越大，促进空燃比的迅速上升。此外，电机对涡轮增压器施加的作用程度与空燃比大小有关，也就是电动机输出的辅助正转矩会随着空燃比的上升相应减小。当空燃比超过 处于区域②时，已处于合适的范围内，此时关闭电机，即调节为不工作模式。当喷油量较小，进气量相对充足时，空燃比值偏大，若大于 处于图3（a）的区域③时，调节高速电机为发电机模式，降低涡轮的转速，以减少进气量，并且同时利用多余的废气能量转化成电能存储起来，空燃比值越大，表明油和气的不匹配程度越深，此时废气能量过剩的也越多，发电机对涡轮增压器旋转轴所施加反作用的负转矩也越大，实现了空燃比值的降低，同时将一部分废气能量转化成电能。同样，电动机输出的反作用负转矩大小会随着空燃比的下降相应减小。当空燃比小于 处于区域②时，调节电机为不工作模式。
[0037] 所述的蓄电池的荷电状态SOC用来反应电池的剩余电量，常用百分数表示，当SOC=0表示电量耗尽，当SOC=1表示电量充满状态。当高速电机为电动机模式时，蓄电池向电机供电，为避免蓄电池耗尽存储的电量，设置电池SOC最低阈值，用 表示，若当前SOC低于此值时电机将不工作；当高速电机为发电机模式时，过剩的废气能量通过发电机向蓄电池充电，为防止蓄电池的过度充电，设置电池SOC最高阈值，用 表示，若当前SOC高于此值时电机将不工作。因此，为保证电池工作在高效率区域，并减少对电池的使用损耗，通常设置为40%至60%， 设置为60%至90%，电池必须工作在 与 之
间，如图3（b）的区域④所示，当SOC上升到最高阈值 时，即到达图3（b）的区域⑤时，停止电机的发电状态，切换至不工作模式；当SOC下降到最低阈值 时，即到达图3（b）的区域⑥时，停止电机的电动状态，同样切换至不工作模式。
间，如图3（b）的区域④所示，当SOC上升到最高阈值 时，即到达图3（b）的区域⑤时，停止电机的发电状态，切换至不工作模式；当SOC下降到最低阈值 时，即到达图3（b）的区域⑥时，停止电机的电动状态，同样切换至不工作模式。
[0038] 图4为电机控制器执行电机控制规则的流程图。控制器先判断蓄电池的SOC状态，若处于电机工作区域，即 与 之间，则继续进行空燃比的判断，决策出相应的电机工作模式；若SOC处于电机不工作的区域，即图3（b）的区域⑤和区域⑥，则关闭电机，不进行空燃比的分析判断。
[0039] 综上，柴油机处于瞬态工况下，采取图2的控制方法。由油门踏板信号和转速通过MAP1得到喷油量，这过程诠释了驾驶员对柴油机的动力需求，再将此喷油量和转速输入到MAP2中，确定出当前瞬态工况下最佳喷嘴开度；柴油机空燃比和蓄电池SOC作为电机控制器的判断输入信号，经过上述的“电机控制规则”的决策，最终控制器发出电机控制信号，对功率变换器进行调节，改变电机定子绕组的电压和电流，调整高速电机处于不同的工作模式。如此，根据当前柴油机工况获得的最佳喷嘴开度和电机控制信号，共同完成对气路系统的控制。这种控制方式主要为了实现瞬态过程的快速性，以达到减少“涡轮迟滞”，加快增压器瞬态响应，协调控制进气量和喷油量的目的。
[0040] 稳态工况下气路控制方法瞬态工况时，要求迅速提高进气量，缩短压缩机响应建立增压压力的时间。而当柴油机进入稳态工况后，转速和喷油量基本保持不变，发动机处于较为稳定的运行状态。此时，需要精确地控制进入气缸的空气量，满足当前工况下柴油机的动力需求。因此，稳态工况下应采取不同于瞬态工况的气路控制方法。
[0041] 稳态工况下的控制方案图如图5所示。根据柴油机的工作过程，进气支管压强反映了进气量的多少，两者存在正相关的关系，即进气量越大则进气支管压强越大，因此通过控制进气支管压强能够达到控制进气量的目的。为了精确调节进气量，在上述的瞬态控制方法的基础上，增加进气支管压强的闭环PID控制。先由查表得到此工况下的最佳喷嘴开度和由电机控制器决策出的电机控制信号，再根据以进气支管压强为控制目标的闭环回路对这两者进行修正，以经过修正后的喷嘴开度和电机控制信号作为最终气路控制的输入。
[0042] 依据柴油机工况确定出的最佳喷嘴开度（由MAP1获得的喷嘴开度）遵循一定的原则（以下称为“最佳喷嘴开度的确定原则”）。具体地，于转速方面，随着柴油机转速的增加喷嘴开度逐渐增大，低速喷嘴开度较小以保证足够的增压压力，高速喷嘴开度较大以降低增压器转速。于负荷方面（用喷油量代表柴油机负荷，喷油量越大负荷也相应越大），总体趋势是，在某一转速下喷嘴开度随着负荷的增加先迅速减小到一定程度后逐渐增加，喷嘴开度减小使增压器转速得以提高，保证为气缸提供充足的进气量，在喷油量增加情况下，燃料可以充分燃烧，输出足够的动力。当负荷继续增加，处于大负荷时，喷嘴开度若持续减小，排气背压将增大，影响发动机动力性和经济性，同时为避免增压器超速，喷嘴开度应有所增大。在柴油机小负荷时，即喷油量较小，由于此时空气量相对较为充足，可以尽量降低排气背压，所以喷嘴开度几乎全开。
[0043] 对于电机的控制，于稳态工况下同样遵循所述的电机控制规则，电机控制器根据空燃比和蓄电池SOC的大小，输出相应的电机控制信号。因此，基于最佳喷嘴开度的确定原则与电机控制规则，柴油机运行于不同的转速和负荷工况时，所对应的控制策略也将不同，包括以下几种典型工况（假设蓄电池SOC处于图3（b）的区域④）：（1）低速高负荷，即低速大喷油量。柴油机在低转速下运行，废气流量不足，导致涡轮转速较低，无法提供足够的增压压力，因而进入气缸的空气量较少，而此时喷油量较大，根据最佳喷嘴开度的确定原则，在负荷增加并且柴油机低速的情况下应减小喷嘴开度，使得排气流通截面积减小，以此增大废气流经的速度，提高排气背压，进而提高涡轮转速，因此由MAP1确定的最佳喷嘴开度较小，此开度作为闭环回路修正前的基础值；由于气缸中空气量不足，喷油量较大，油和气不协调同步，混合气中的空燃比值偏小，处于图3（a）的区域①，基于电机控制规则，此时控制高速电机为电动机模式，给涡轮增压器旋转轴提供驱动助力，帮助涡轮加速，辅助压缩机增压。此过程由电机控制器输出的电机控制信号完成，此信号同样作为闭环回路修正前的基础值，即图5中的基本电机控制信号。由于此工况需保持喷嘴开度为较小值，排气阻力和泵气损失增加，但是电机的辅助作用会部分抵消这种不利影响。同时为了确保进气量的精确控制，稳态工况下还需要保证进气支管压强值的跟踪，因此，PID控制器输出的修正量将分别对由MAP1和电机控制器输出的最佳喷嘴开度和基本电机控制信号进行修正，最终得到的修正喷嘴开度和修正电机控制信号共同完成对电辅助涡轮增压器的控制。
[0044] （2）高速高负荷，即高速大喷油量。柴油机在高转速下工作，排气流量充足，涡轮的转速较高，压缩机能够建立较高的增压压力，因而进入气缸的空气量充足，根据最佳喷嘴开度的确定原则，处于大负荷并且柴油机高速的情况下应增大喷嘴开度，使得排气流通截面积增加，以此减少排气阻碍、降低排气背压，并且降低涡轮增压器转速以防止其超速，因此最佳喷嘴开度应保持一个较大值；由于气缸中空气量非常充足，喷油量较大，混合气中的空燃比值偏大，可能大于图3（a）的 值，同时废气能量过剩，基于电机控制规则，此时控制高速电机为发电机模式，作用在旋转轴上的负转矩导致涡轮增压器转速下降，限制增压压力，并且将多余的废气能量转化成电能向蓄电池充电。同时保证进气支管压强跟踪的闭环PID回路将对基础值进行修正，若进气支管压强实际值大于目标值，表明进入气缸的空气量偏多，为使支管压强下降，应降低涡轮转速，因此PID控制器输出的修正量作用于原先输出的最佳喷嘴开度，即在MAP2输出的开度基础上增大一个修正值，进气支管压强实际值超过目标值越多，此修正值越大；对于电机控制，PID控制器输出的修正量将使高速电机输出的负转矩增加，增加的幅度也与压强实际值和目标值的偏差有关，最终通过对喷嘴开度和电机控制信号的修正，实现进气支管压强实际值的降低以趋于目标值。
[0045] （3）高速低负荷，即高速小喷油量。柴油机在高转速下运行，废气流量充足，涡轮转速较高，因而进气量充足，依据最佳喷嘴开度的确定原则，柴油机处于小负荷并且高速的情况下喷嘴开度应保持为几乎全开的状态。以此减小排气背压，限制涡轮转速，提高柴油机经济性和动力性；由于气缸中空气量充足，而喷油量较小，油和气不协调同步，混合气中的空燃比值偏大，大于 处于图3（a）的区域③，此时调节高速电机为发电机模式，降低涡轮转速和压缩机的增压压力。此工况下喷嘴开度并非全开状态，而是比全开稍微关闭一个小角度，保留部分排气背压，这样更有利于电机充电。
[0046] 其他工况同样由喷嘴开度和电机模式控制原则实现控制目标，在本发明中不予详细描述。
[0047] 通过查表获得进气支管压强目标值 ，如图5的“MAP3”所示，用公式（2）表达如下： （2）
式中 为进气支管压强目标值，单位 ，具体地，代表压强，下角标 代表进气支管，上角标 表示目标的含义；代表喷油量，即循环喷油量，单位mg/cyc； 为柴油机转速，单位 ； 表示所述的查询表格，为两输入一输出，即输入喷油量 和
柴油机转速 ，通过表格 的查询，可输出进气支管压强目标值 ，下角标 表示表格的含义。
式中 为进气支管压强目标值，单位 ，具体地，代表压强，下角标 代表进气支管，上角标 表示目标的含义；代表喷油量，即循环喷油量，单位mg/cyc； 为柴油机转速，单位 ； 表示所述的查询表格，为两输入一输出，即输入喷油量 和
柴油机转速 ，通过表格 的查询，可输出进气支管压强目标值 ，下角标 表示表格的含义。
[0048] 对比参考图2和图5，稳态工况下的气路控制方法与瞬态气路控制方法的区别在于增加了进气支管压强的闭环回路控制。由柴油机喷油量和转速经过MAP３查询得到进气支管压强目标值，此值反映了当前工况下柴油机的最佳进气量。将进气支管压强目标值与反馈的实际值作比较，两者的偏差作为PID控制器的输入，经过PID控制器运算输出修正量，之后将修正量分别与最佳喷嘴开度和基本电机控制信号的基础值相叠加，以此作为稳态工况下气路控制的最终输入量。增加以进气支管压强为目标的闭环回路，使得在满足柴油机当前工况性能要求的基础上，实现进气量的精确控制，因此能够抑制外界对柴油机气路系统稳定运行的干扰。
[0049] 怠速工况下气路控制方法与瞬态和稳态控制方法不同，若柴油机处于以下特殊工况时，喷嘴开度和电机控制信号将直接被设定为固定的值。并且取消进气支管压强的闭环回路控制。
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