CN108167068A - 一种涡轮增压器电子执行器标定方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡轮增压控制方法和控制系统，以及发动机，该控制方法包括步骤：读取发动机转速和油门踏板位置信号，通过油门踏板位置信号计算油门踏板位置信号变化率；若油门踏板位置信号变化率大于信号阈值，或者发动机转速变化率大于转速阈值，涡轮增压器进入瞬态工况，否则进入稳态工况；若涡轮增压器处于稳态工况，发动机管理单元读取需求信号，计算出增压压力；在确定增压压力比情况下，通过电子执行器改变涡轮增压器工作点；若涡轮增压器处于瞬态工况，发动机管理单元读取需求信号，计算出增压压力；在确定增压压力比情况下，通过电子执行器进行闭环控制，增强涡轮增压效率。本发明能够提高控制精度和响应效率。

Description

一种涡轮增压器电子执行器标定方法及系统

技术领域

本发明涉及一种涡轮技术领域，特别是涉及一种涡轮增压控制方法和控制系统，以及发动机。

背景技术

现有技术中，涡轮增压控制系统主要包括主流旁通阀涡轮增压器控制系统和可变几何涡轮增压器控制系统，两者主要区别在于旁通废气阀改为了可变喷嘴的喷嘴环。

但两者均是通过增压压力限制阀和发动机管理单元调节气动执行器的气体压力，使得气动执行器驱动废气旁通阀或者可变喷嘴环改变位置，控制进入涡轮的废气的流量和角度，最终控制增压压力为目标增压压力的；

整个驱动涡轮增压器的过程冗长，使得控制系统响应速度慢，不能有效控制涡轮增压器的迟滞效应。而且，气动执行器的控制精度较差。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能够提高控制精度，提升控制系统响应效率的涡轮增压控制方法和控制系统，以及发动机。

为实现上述目的，本发明提供了一种涡轮增压控制系统的控制方法，包括步骤：

读取发动机转速和油门踏板位置信号，通过油门踏板位置信号计算油门踏板位置信号变化率；

若油门踏板位置信号变化率大于信号阈值，或者发动机转速变化率大于转速阈值，涡轮增压器进入瞬态工况，否则进入稳态工况；

若涡轮增压器处于稳态工况，发动机管理单元读取需求信号，计算出增压压力；在确定增压压力比情况下，通过电子执行器改变涡轮增压器工作点；

若涡轮增压器处于瞬态工况，发动机管理单元读取需求信号，计算出增压压力；在确定增压压力比情况下，通过电子执行器进行闭环控制，增强涡轮增压效率。

进一步的，所述需求信号至少包括油门踏板开度，空气温度，进气流量，增压压力，电子节气门开度；

所述增压压力是在根据理论空燃比计算喷油量后，根据发动机特性图计算得到的。本方案中，该需求信号主要是通过发动机管理单元采集得到的，基于此将计算得到增压压力，从而为控制系统后续的控制提供依据；发动机特性图，其实指的是典型涡轮增压器压气机MAP图，该图由效率等高线和等转速线组成，由于涡轮增压器在运行时是必须处于一定的流量范围和增压比范围内的，该范 围由喘振线、最大转速线和堵塞线所围成的区域组成，该区域内，相同增压比情况下，存在效率最大点(最优点)，该效率最大点(最优点)将用于后续的计算当中，具体的图等资料属于现有技术，在此不予赘述。

进一步的，所述油门踏板位置信号变化率计算公式如下：

其中AccPed_rate为油门踏板变化率，ΔAccPed_position为油门踏板变化量以百分比表示，Δt为采集时间。本方案中，给出了油门踏板位置信号变化率的计算公式，该公式计算得到的油门踏板变化率将用于判断涡轮增压器是否进入瞬态，是涡轮增压控制系统的重要参考参数。

进一步的，当涡轮增压器处于稳态工况时，在确定增压比情况下；

通过迭代查找的方法在涡轮增压器特性图上寻找效率最优点，将效率最优点的流量计算出来；

通过控制电子执行器动作改变喷嘴环或者废气旁通阀的位置，改变涡轮增压器工作点。本方案中，通过寻找效率最优点，并计算其流量，用于后续的喷嘴环或者废气旁通阀的位置控制，从而改变涡轮增压器工作点，该控制过程以增压压力为控制目标，没有利用到电子执行器的位置信号，整个控制过程紧凑，避免了不必要的动作，改善了现在控制系统过于冗长的问题。

进一步的，当涡轮增压器处于瞬态工况时，在确定增压比情况下；

通过迭代查找方法在涡轮增压器特性图上寻找效率最优点，同时把效率最优点的流量计算出来；

根据流量计算出电子执行器的目标位置，通过电子执行器的位置信号进行闭环控制，达到涡轮增压效率最优点。本方案中，通过寻找效率最优点，并计 算其流量，并通过该流量计算出电子执行器的目标位置，通过电子执行器的位置信号进行闭环控制，该控制过程以喷嘴环或者废气旁通阀位置为控制目标，利用电子执行器的位置信号，提高了涡轮增压器的瞬态响应特性；而且，位置反馈闭环控制更精确控制增压器，适用与瞬态控制，瞬态控制效率和精度得到有效提升。

进一步的，所述电子执行器是根据发动机管理单元生成的PWM信号完成控制的；

所述电子执行器的位置信号是通过控制器局域网络(CAN总线)、PWM信号和模拟信号中的任一一种发送给发动机管理单元的。本方案中，该电子执行器和发动机管理单元之间的通讯，以及整个控制系统主要改为了电子控制，实现了线控，省去了空气管路和阀体，使得系统更加简洁紧凑，降低了成本。

本发明还提供了一种使用如本发明任一公开的控制方法的涡轮增压控制系统，包括：

涡轮增压器，包括压气机，以及与压气机配合工作的涡轮；

所述压气机连接于发动机进气系统，以及发动机管理单元；所述涡轮连接于发动机排气系统，以及电子执行器的一端；

所述电子执行器的另一端耦合于发动机管理单元。本方案中，该控制系统采用机电系统直接控制，减少了气体控制等机制，响应效率也得到了相应提升；而且，机电结合系统相对于气动系统，不受橡胶等材料老化影响，使用寿命提升，控制精度也大大提高；另外，其中的供气设备和接气设备等部分地器件不属于本发明的主要发明点，在此仅做简要介绍，不再一一赘述。

进一步的，所述控制系统还包括用于控制所述压气机的空气循环的空气循 环阀，以及四连杆机构；

所述电子执行器包括电机驱动减速机构和减速机构驱动输出轴；所述涡轮包括废气旁通阀或喷嘴环；

所述电机驱动减速机构、减速机构驱动输出轴、输出轴废气旁通阀或喷嘴环共同组成所述四连杆机构。当油门突然松开，电子节气门关闭，此时涡轮增压器会由于惯性继续工作，而此时会在涡轮增压器和电子节气门之间形成空气堵塞，压气机端流量急剧缩小，从而引起涡轮增压器喘振，本方案中，为了避免此现象发声，在涡轮增压器压气机前后设置空气循环阀，当出现这种情况时，发动机管理单元打开空气循环阀使得涡轮增压前后形成通路，有效避免了喘振；另外，该四连杆结构取代了原有的气动执行器，没有气体控制过程，采用电机和减速机构直接驱动，提高了控制精度。

进一步的，所述电子执行器还包括控制电路，所述控制电路用于完成电机驱动控制和位置信号采集，以及与发动机管理单元进行通讯。其中，电子执行器是根据发动机管理单元生成的PWM信号或者CAN信号完成控制的；电子执行器的位置信号是通过控制器局域网络(CAN总线)、PWM信号和模拟信号中的任一一种发送给发动机管理单元的。

本发明还公开了一种发动机，使用了本发明任一公开的控制系统。本方案中，该发动机适用与涡轮增压器发动机的控制，包括船用发动机，车用发动机等，可以实现涡轮增压器精确位置控制，能够使涡轮增压器工作在高效区域，从而提高燃油经济性；由于系统响应速度快，能够有效的改善涡轮增压器的迟滞效应从而改善动力性。

本发明的有益效果是：本发明使用电子执行器替代气动执行器，气动执行 器由于不能反应自己的位置，使得控制系统的控制精度不高，特别是在瞬态时，随着使用寿命的延长，气动执行器还会随着老化而进一步降低控制精度，而电子执行器能够避免这些问题；而且，电子执行器打开的压力无需通过设置弹簧预紧力实现，因此无需通过专门标定设备进行标定，在生产过程和维修过程中降低了成本，而且，由控制算法实现，减少了涡轮增压器生产步骤，可以提高生产效率；另外，正是因为基于电子执行器和发动机管理单元的配合电子控制工作，实现了线控，省去了空气管路和阀体，使得系统简洁紧凑的同时，避免了驱动涡轮增压器过程过于冗长、控制系统响应速度慢，不能有效控制涡轮增压器迟滞效应的问题。

参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

所包括的附图用来提供对本申请实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本申请的实施方式，并与文字描述一起来阐释本申请的原 理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1是本发明一种涡轮增压控制系统的控制方法的第一流程图；

图2是本发明一种涡轮增压控制系统的控制方法的第二流程图

图3是本发明一种控制系统的示意图；

图4是本发明一种发动机的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都应当属于本申请保护的范围。

图1是本发明一种涡轮增压控制系统的控制方法的第一流程图，图2是本发明一种涡轮增压控制系统的控制方法的第二流程图，参见图1和图2所示的实施例可知，该涡轮增压控制系统的控制方法，包括步骤：

S1:读取发动机转速和油门踏板位置信号，通过油门踏板位置信号计算油门踏板位置信号变化率；

S2:若油门踏板位置信号变化率大于信号阈值，或者发动机转速变化率大于转速阈值，涡轮增压器进入瞬态工况，否则进入稳态工况；

S3-1:若涡轮增压器处于稳态工况，发动机管理单元读取需求信号，计算出 增压压力；在确定增压压力比情况下，通过电子执行器改变涡轮增压器工作点；

S3-2:若涡轮增压器处于瞬态工况，发动机管理单元读取需求信号，计算出增压压力；在确定增压压力比情况下，通过电子执行器进行闭环控制，增强涡轮增压效率。

本发明的有益效果是：本发明使用电子执行器替代气动执行器，气动执行器由于不能反应自己的位置，使得控制系统的控制精度不高，特别是在瞬态时，随着使用寿命的延长，气动执行器还会随着老化而进一步降低控制精度，而电子执行器能够避免这些问题；而且，电子执行器打开的压力无需通过设置弹簧预紧力实现，因此无需通过专门标定设备进行标定，在生产过程和维修过程中降低了成本，而且，由控制算法实现，减少了涡轮增压器生产步骤，可以提高生产效率；另外，正是因为基于电子执行器和发动机管理单元的配合电子控制工作，实现了线控，省去了空气管路和阀体，使得系统简洁紧凑的同时，避免了驱动涡轮增压器过程过于冗长、控制系统响应速度慢，不能有效控制涡轮增压器迟滞效应的问题。

本实施例优选的，步骤S3-1和S3-2中，该需求信号至少包括油门踏板开度，空气温度，进气流量，增压压力，电子节气门开度；

所述增压压力是在根据理论空燃比计算喷油量后，根据发动机特性图计算得到的。

即步骤S3-1-1或步骤S3-2-1包括过程，发动机管理单元读取至少包括油门踏板开度，空气温度，进气流量，增压压力，电子节气门开度的需求信号；其中，在步骤S3-2-1中还需读取电子执行器的位置信号。

即步骤S3-1-2或步骤S3-2-2中，根据理论空燃比计算喷油量后，根据喷 油量和发动机特性图计算增压压力。本方案中，该需求信号主要是通过发动机管理单元采集得到的，基于此将计算得到增压压力，从而为控制系统后续的控制提供依据；发动机特性图，其实指的是典型涡轮增压器压气机MAP图，该图由效率等高线和等转速线组成，由于涡轮增压器在运行时是必须处于一定的流量范围和增压比范围内的，该范围由喘振线、最大转速线和堵塞线所围成的区域组成，该区域内，相同增压比情况下，存在效率最大点(最优点)，该效率最大点(最优点)将用于后续的计算当中，具体的图等资料属于现有技术，在此不予赘述。

本实施例优选的，油门踏板位置信号变化率计算公式如下：

其中AccPed_rate为油门踏板变化率，ΔAccPed_position为油门踏板变化量以百分比表示，Δt为采集时间。本方案中，给出了油门踏板位置信号变化率的计算公式，该公式计算得到的油门踏板变化率将用于判断涡轮增压器是否进入瞬态，是涡轮增压控制系统的重要参考参数。

本实施例优选的，当涡轮增压器处于稳态工况时，在确定增压比情况下；

即步骤S3-1-3包括过程：通过迭代查找方法在涡轮增压器特性图上寻找效率最优点，将效率最优点的流量计算出来；

即步骤S3-1-4包括过程：通过控制电子执行器动作改变喷嘴环或者废气旁通阀的位置，改变涡轮增压器工作点。本方案中，通过寻找效率最优点，并计算其流量，用于后续的喷嘴环或者废气旁通阀的位置控制，从而改变涡轮增压器工作点，该控制过程以增压压力为控制目标，没有利用到电子执行器的位置信号，整个控制过程紧凑，避免了不必要的动作，改善了现在控制系统过于冗 长的问题。

本实施例优选的，当涡轮增压器处于瞬态工况时，在确定增压比情况下；

即步骤S3-2-3包括过程：通过迭代查找方法在涡轮增压器特性图上寻找效率最优点，同时把效率最优点的流量计算出来；

即步骤S3-2-4包括过程：根据流量计算出电子执行器的目标位置，通过电子执行器的位置信号进行闭环控制，达到涡轮增压效率最优点。本方案中，通过寻找效率最优点，并计算其流量，并通过该流量计算出电子执行器的目标位置，通过电子执行器的位置信号进行闭环控制，该控制过程以喷嘴环或者废气旁通阀位置为控制目标，利用电子执行器的位置信号，提高了涡轮增压器的瞬态响应特性；而且，位置反馈闭环控制更精确控制增压器，适用与瞬态控制，瞬态控制效率和精度得到有效提升。

本实施例优选的，电子执行器是根据发动机管理单元生成的PWM信号完成控制的；

所述电子执行器的位置信号是通过控制器局域网络(CAN总线)、PWM信号和模拟信号中的任一一种发送给发动机管理单元的。本方案中，该电子执行器和发动机管理单元之间的通讯，以及整个控制系统主要改为了电子控制，实现了线控，省去了空气管路和阀体，使得系统更加简洁紧凑，降低了成本。

图3是本发明涡轮增压控制系统的示意图，参考图3所示的实施例可知，本发明提供了一种使用如本发明任一公开的控制方法的涡轮增压控制系统，包括：

涡轮增压器(图中未标示)，包括压气机10，以及与压气机10配合工作的涡轮20；

所述压气机10连接于发动机进气系统(图中未示出)，以及发动机管理单元30；所述涡轮20连接于发动机排气系统(图中未示出)，以及电子执行器40的一端；

所述电子执行器40的另一端耦合于发动机管理单元30。

本发明的有益效果是：本发明使用电子执行器替代气动执行器，气动执行器由于不能反应自己的位置，使得控制系统的控制精度不高，特别是在瞬态时，随着使用寿命的延长，气动执行器还会随着老化而进一步降低控制精度，而电子执行器能够避免这些问题；而且，电子执行器打开的压力无需通过设置弹簧预紧力实现，因此无需通过专门标定设备进行标定，在生产过程和维修过程中降低了成本，而且，由控制算法实现，减少了涡轮增压器生产步骤，可以提高生产效率；另外，正是因为基于电子执行器和发动机管理单元的配合电子控制工作，实现了线控，省去了空气管路和阀体，使得系统简洁紧凑的同时，避免了驱动涡轮增压器过程过于冗长、控制系统响应速度慢，不能有效控制涡轮增压器迟滞效应的问题。本方案中，该控制系统采用机电系统直接控制，减少了气体控制等机制，响应效率也得到了相应提升；而且，机电结合系统相对于气动系统，不受橡胶等材料老化影响，使用寿命提升，控制精度也大大提高；另外，其中的供气设备和接气设备等部分地器件不属于本发明的主要发明点，在此仅做简要介绍，不再一一赘述。

本实施例优选的，所述控制系统还包括用于控制所述压气机的空气循环的空气循环阀50，以及四连杆机构60；

所述电子执行器40包括电机驱动减速机构(图中未标示)和减速机构驱动输出轴(图中未标示)；所述涡轮包括废气旁通阀或喷嘴环(图中未标示)；

所述电机驱动减速机构、减速机构驱动输出轴、输出轴废气旁通阀或喷嘴环共同组成所述四连杆机构60。当油门突然松开，电子节气门关闭，此时涡轮增压器会由于惯性继续工作，而此时会在涡轮增压器和电子节气门之间形成空气堵塞，压气机端流量急剧缩小，从而引起涡轮增压器喘振，本方案中，为了避免此现象发声，在涡轮增压器压气机前后设置空气循环阀，当出现这种情况时，发动机管理单元打开空气循环阀使得涡轮增压前后形成通路，有效避免了喘振；另外，该四连杆结构取代了原有的气动执行器，没有气体控制过程，采用电机和减速机构直接驱动，提高了控制精度。

本实施例优选的，电子执行器还包括控制电路，所述控制电路用于完成电机驱动控制和位置信号采集，以及与发动机管理单元进行通讯。其中，电子执行器是根据发动机管理单元生成的PWM信号或者CAN信号完成控制的；电子执行器的位置信号是通过控制器局域网络(CAN总线)、PWM信号和模拟信号中的任一一种发送给发动机管理单元的。

图4是本发明一种发动机的示意图，参考图4所示的实施例可知，本发明还公开了一种发动机100，使用了本发明任一公开的控制系统200。本方案中，该发动机适用与涡轮增压器发动机的控制，包括船用发动机，车用发动机等，可以实现涡轮增压器精确位置控制，能够使涡轮增压器工作在高效区域，从而提高燃油经济性；由于系统响应速度快，能够有效的改善涡轮增压器的迟滞效应从而改善动力性。

本发明的有益效果是：本发明使用电子执行器替代气动执行器，气动执行器由于不能反应自己的位置，使得控制系统的控制精度不高，特别是在瞬态时，随着使用寿命的延长，气动执行器还会随着老化而进一步降低控制精度，而电子执行器能够避免这些问题；而且，电子执行器打开的压力无需通过设置弹簧预紧力实现，因此无需通过专门标定设备进行标定，在生产过程和维修过程中降低了成本，而且，由控制算法实现，减少了涡轮增压器生产步骤，可以提高生产效率；另外，正是因为基于电子执行器和发动机管理单元的配合电子控制工作，实现了线控，省去了空气管路和阀体，使得系统简洁紧凑的同时，避免了驱动涡轮增压器过程过于冗长、控制系统响应速度慢，不能有效控制涡轮增压器迟滞效应的问题。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种涡轮增压控制方法，其中，包括步骤：

读取发动机转速和油门踏板位置信号，通过油门踏板位置信号计算油门踏板位置信号变化率；

若油门踏板位置信号变化率大于信号阈值，或者发动机转速变化率大于转速阈值，涡轮增压器进入瞬态工况，否则进入稳态工况；

若涡轮增压器处于稳态工况，发动机管理单元读取需求信号，计算出增压压力；在确定增压压力比情况下，通过电子执行器改变涡轮增压器工作点；

若涡轮增压器处于瞬态工况，发动机管理单元读取需求信号，计算出增压压力；在确定增压压力比情况下，通过电子执行器进行闭环控制，增强涡轮增压效率。

2.如权利要求1所述的控制方法，其中：所述需求信号至少包括油门踏板开度，空气温度，进气流量，增压压力，电子节气门开度；

所述增压压力是在根据理论空燃比计算喷油量后，根据发动机特性图计算得到的。

3.如权利要求1所述的控制方法，其中：所述油门踏板位置信号变化率计算公式如下：

其中AccPed_rate为油门踏板变化率，ΔAccPed_position为油门踏板变化量以百分比表示，Δt为采集时间。

4.如权利要求1-3任一所述的控制方法，其中：当涡轮增压器处于稳态工况时，在确定增压比情况下；

通过迭代查找的方法在涡轮增压器特性图上寻找效率最优点，将效率最优点的流量计算出来；

通过控制电子执行器动作改变喷嘴环或者废气旁通阀的位置，改变涡轮增压器工作点。

5.如权利要求1-3任一所述的控制方法，其中：当涡轮增压器处于瞬态工况时，在确定增压比情况下；

通过迭代查找方法在涡轮增压器特性图上寻找效率最优点，同时把效率最优点的流量计算出来；

根据流量计算出电子执行器的目标位置，通过电子执行器的位置信号进行闭环控制，达到涡轮增压效率最优点。

6.如权利要求5所述的控制方法，其中：所述电子执行器是根据发动机管理单元生成的PWM信号完成控制的；

所述电子执行器的位置信号是通过控制器局域网络(CAN总线)、PWM信号和模拟信号中的任一一种发送给发动机管理单元的。

7.一种使用如权利要求1-6任一所述的控制方法的涡轮增压控制系统，其中，包括：

涡轮增压器，包括压气机，以及与压气机配合工作的涡轮；

所述压气机连接于发动机进气系统，以及发动机管理单元；所述涡轮连接于发动机排气系统，以及电子执行器的一端；所述电子执行器的另一端耦合于发动机管理单元。

8.如权利要求7所述的控制系统，其中，所述控制系统还包括用于控制所述压气机的空气循环的空气循环阀，以及四连杆机构；

所述电子执行器包括电机驱动减速机构和减速机构驱动输出轴；所述涡轮包括废气旁通阀或喷嘴环；

所述电机驱动减速机构、减速机构驱动输出轴、输出轴废气旁通阀或喷嘴环共同组成所述四连杆机构。

9.如权利要求8所述的控制系统，其中，所述电子执行器还包括控制电路，所述控制电路用于完成电机驱动控制和位置信号采集，以及与发动机管理单元进行通讯。

10.一种发动机，使用了如权利要求7-9任一所述的控制系统。