双涡轮增压系统匹配方法和优化控制的研究

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1、申请上海交通大学博士学位论文双涡轮增压系统匹配方法和优化控制的研究十一五国防预研项目（62301020302）十一五国防预研项目（40402040107）专业：动力机械及工程博士生：钱跃华导师：邓康耀教授上海交通大学机械与动力工程学院2015年3月Ph.D.DissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversitySTUDYONTHEMATCHINGMETHODANDOPTIMALCONTROLSTRATEGYOFTWINTURBOCHARGINGSYSTEMTheEleventhFive-YearPlanforNationalDefensePr

2、e-ResearchProject(No.62301020302)TheEleventhFive-YearPlanforNationalDefensePre-ResearchProject(No.40402040107)Specialty:PowerMachineryandEngineeringAuthor:QianYuehuaAdvisor:Prof.DengKangyaoSchoolofMechanicalEngineeringShanghaiJiaoTongUniversityMarch,2015上海交通大学博士学位论文双涡轮增压系统匹配方法和优化控制的研究摘要涡轮增压技术是实现

3、柴油机高功率、小型化、低油耗目标的一项重要手段，但涡轮增压器与柴油机联合运行时由于两者流通特性的不同和涡轮增压器的迟滞效应，导致两者稳态匹配和瞬态控制上的矛盾。本文研究的双涡轮增压系统包括顺序增压和可调两级增压系统，是解决上述矛盾的一种有效手段。但该技术又产生了新的问题：一是匹配传统增压系统的试凑法或迭代法，由于计算量过于庞大，难以适用于双涡轮增压系统；二是双涡轮增压系统中的控制变量大幅增加，增加了瞬态过程控制的难度。针对上述问题，本文通过求解增压系统匹配变量的方法解决双涡轮增压系统的稳态匹配问题，并应用优化控制理论对双涡轮增压系统瞬态过程的控制策略进行优化。针对双涡轮增压系统匹配变量

4、多的特点，提出变量解析法用于解决其匹配问题。建立增压系统与柴油机联合运行的热力学方程，得到增压系统匹配变量与柴油机性能参数之间的关系式。针对顺序增压匹配，提出判断系统阶段数、计算等效涡轮流通面积的可用范围以及最优等效涡轮流通面积的方法，并将优化匹配问题转换为带有非线性约束的函数极小值问题。针对可调两级增压匹配，依据其常用匹配原则建立方程，推导了求解其匹配变量的一般方法。运用变量解析法针对D6114柴油机分别匹配顺序增压和可调两级增压系统，并通过GT-Power对匹配结果验证。仿真结果显示匹配结果完全满足柴油机的设计要求，涡轮增压器的运行点都处于较高的效率区域，预测的顺序增压切换边界与仿

5、真结果接近，相对误差为2.5%，解析法得到的可调两级增压柴油机性能参数与GT-Power计算结果的最大误差小于6%。对顺序增压切换过程的阀门控制策略进行仿真研究。在Matlab/Simulink软件中建立顺序增压切换过程阀门控制策略的平均第I页摘要参数模型并通过试验结果对模型进行了标定，确定了切换过程阀门动作的合理顺序。对压气机不同开启和关闭时刻的策略进行了研究，确定压气机开启时刻在压气机后阀门前后压力相等的时刻，关闭时刻在压气机流量接近零流量的时刻。对不同环境下顺序增压切换策略的变化规律进行了研究，并对高原环境下的顺序增压切换策略进行了预测。通过仿真结果发现在柴油机转速和循环喷油量不

6、变的情况下，压气机打开的延迟时间随着环境压力和温度的降低分别为升高和降低；压气机关闭的延迟时间随着环境压力和温度的降低而降低。对顺序增压系统在切换过程中的阀门控制策略和双涡轮增压系统加速加载过程中的阀门和供油量联合优化控制进行研究。对于顺序增压切换过程的优化控制，将其简化为求解各个阀门动作之间的最佳延迟时间，并采用分段梯度法求解。对于双涡轮增压系统加速加载过程的优化控制，则将其简化为带约束的非线性优化问题，并通过序列二次规划法进行求解。顺序增压切换过程仿真结果表明，其优化控制都落在喘振和倒流的约束边界上。而双涡轮加速加载过程的优化控制规律为：采用较大的供油量保证柴油机性能参数的响应速度

7、，在接近或达到目标值时及时修正；顺序增压系统切出增压器在加速加载过程中迅速关闭，而切入增压器在柴油机性能参数接近目标值时再切入；可调两级增压的高压级涡轮旁通阀在需要关闭时立刻关闭，而在需要打开时该旁通阀在柴油机性能参数接近目标值时再打开。在双涡轮增压系统试验台架上对其切换过程和加速加载过程的控制策略进行了试验研究。通过试验得到柴油机和增压器的稳态和瞬态数据，用于仿真模型的标定。研究不同阀门开启和关闭时刻在顺序增压切换过程中对柴油机和增压器性能的