电辅助涡轮增压柴油机进气氧浓度控制研究

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电辅助涡轮增压器(eTurbo,Electrically Assisted Turbocharger)既可以工作在电辅助模式,加快发动机增压压力的响应速度,提高发动机的低速动力性,也可以工作在电回收模式,回收废气中多余的能量。但是eTurbo的介入使废气再循环柴油机的进气氧浓度除了受发动机转速、喷油量等因素影响外,还会受到eTurbo工作状态的影响,这对进气氧浓度控制算法的抗干扰能力提出了更高要求,而且eTurbo提高了增压压力的响应速度,需要进气氧浓度的瞬态控制更加快速准确。为此,本文首先研究了eTurbo对柴油机热效率和进气氧浓度的综合影响,然后在此基础上开展了电辅助涡轮增压柴油机进气氧浓度控制算法的研究。首先,搭建了电辅助涡轮增压柴油机的实验及仿真平台。将eTurbo集成在一台6.7L柴油机上,利用自主ECU实现了发动机的正常运转。建立了eTurbo柴油机的平均值模型和GT-SUITE模型,利用实验数据进行了标定和验证,模型核心指标的精度在96.7%以上,为控制算法的开发和测试提供了有效的对象模型。其次,基于eTurbo柴油机实验平台,研究了eTurbo对柴油机热效率和进气氧浓度的调控规律。结果表明:通过调节VGT开度和电辅助水平,存在最佳的涡轮机和电机的功率分配,使得发动机-e Tturbo系统的等效热效率最高,与传统涡轮增压柴油机相比,系统等效热效率提升率可达38.8%。eTurbo可以提高增压器的响应速度,相比于传统的VGT喷嘴环调节方式,eTurbo使增压器转速的响应速度最高提升63%。通过eTurbo直接控制增压器转速时,会使进气氧浓度发生较大的变化,且变化速度更快。当使能eTurbo的电辅助功能时,相同的VGT开度变化条件下,进气氧浓度的变化幅度可达传统增压器的2.9倍,变化速率可达1.46倍。最后,设计了电辅助涡轮增压柴油机进气氧浓度抗扰控制算法。提出了一种柴油机进排气氧浓度观测算法,利用仿真和实验平台进行了验证,在发动机和eTurbo状态变化过程中,进气氧浓度观测的相对误差小于2%,可作为虚拟氧传感器使用。在此基础上设计了电辅助涡轮增压柴油机进气氧浓度主动抗扰控制算法,利用仿真平台进行了测试,相比于PID控制算法,响应时间最高缩短了43.5%,增压器转速和VGT开度变化时,进气氧浓度的超调量最高降低了22.6%,恢复稳定时间最高缩短了43.5%,稳定性和抗扰能力有了较大提升。基于实验平台测试了发动机工况变化过程中进气氧浓度的控制效果,结果表明,该算法可以实现对柴油机进气氧浓度的快速准确控制。
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