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，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影响，并验证仿真优化控制的可靠性。通过双涡轮增压系统的加速加载试验，研究增压系统阀门和供油量联合控制对柴油机瞬态性能的影响，并对仿真优化控制进行验证。

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第一章 绪论

1.1引言方程段

1.2增压系统技术发展

1.3涡轮增压系统匹配方法的研究现状

1.4涡轮增压系统控制技术的研究现状

1.5本课题的研究意义及内容

第二章 双涡轮增压系统的匹配方法研究

2.1柴油机性能参数与几何涡轮当量流通面积的关系方程段

2.2顺序增压系统的匹配方法

2.3可调两级增压的匹配方法

2.4本章小结

第三章 顺序增压系统切换过程控制策略的仿真研究

3.1双涡轮顺序增压系统柴油机的数学模型方程段

3.2平均参数模型的仿真验证

3.3顺序增压控制阀切换顺序的研究

3.4压气机喘振和倒流对切换策略的限制

3.5环境对顺序增压控制策略的影响

3.6本章小结

第四章 双涡轮增压系统优化控制的仿真研究

4.1顺序增压切换过程优化控制问题的数学描述和建模方程段

4.2顺序增压系统切换过程的优化控制

4.3双涡轮增压系统加速加载过程优化控制问题的数学描述和建模

4.4双涡轮加速加载过程优化控制问题的简化和求解方法

4.5顺序增压加速加载过程优化控制

4.6可调两级增压加速加载过程优化控制

4.7本章小结

第五章 双涡轮增压系统控制策略的试验研究

5.1试验台架及测试的系统总体介绍方程段

5.2顺序增压切换过程的优化控制验证

5.3顺序增压加速加载过程的优化控制验证

5.4可调两级增压加速加载过程的优化控制验证

5.5本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1全文总结

6.2研究展望

6.3创新点说明

参考文献

附录 符号与标记

攻读博士学位期间已发表或录用的论文

攻读博士学位期间参与的科研项目

致谢

答辩决议书