发动机进气压力自动控制系统开发与研究

胡军科，赵 存，牛奇斌，徐坤鸿

（1.中南大学 机电工程学院，2.高性能复杂制造国家重点实验室，长沙 410083）

0 引言

我国国土地势呈阶梯状分布，西高东低，其中海拔2000m以上的高原地区占33%左右，少数地区达5000 m以上[1]。高原地区的铁路公路沿线路况复杂、气候多变、海拔跨度较大，给各种车辆和发动机动力设备的正常使用带来很多问题。随着海拔升高，空气越来越稀薄，导致发动机进气压力下降，进气量不足，油料燃烧不充分，发动机动力下降，排放尾气中的有害气体增加，大大降低了发动机的各方面性能和使用寿命。

为解决高原环境下发动机进气压力下降问题，专家学者做了大量的研究工作，如废气涡轮增压技术[2]，可调涡轮增压技术[3]等。现有的各种增压技术主要是通过对空气进行压缩，提高进气压力，但都只实现了一定海拔范围的工况匹配，当海拔高度发生变化，则匹配失效，发动机增压系统的自我调节能力和高原适应性较差[4]。

本文提出一套发动机进气压力自动控制系统，引入反馈校正环节，通过PID反馈调节控制发动机进气压力，可以有效提高发动机在高原环境下的进气压力，提高发动机的高原适应性。

1 系统方案设计

高原环境下发动机工作性能如何主要取决于缸内燃烧效果，油料与空气的混合比是否合理至关重要，因此，需要对进气量和燃烧耗气量的匹配程度进行研究。

1）发动机与增压器的匹配条件[5]

（1）能量平衡

式(1)中，PC是压气机功率，PT是涡轮功率。

（2）转速平衡

式(2)中，nC是压气机转速，nT是涡轮转速。

（3）流量平衡

式(3)中，GC是压气机排气量，GT是涡轮排气量，Gf是燃烧所需空气量。

2）压气机流量计算公式

式(4)中，VN是压气机额定排量，n是叶轮转速。

根据以上公式可知，转速n和流量Q是进行匹配计算的重要变量。压气机排量VN由叶轮结构决定，当排量VN一定，不考虑其他影响因素，则风量Q大小由转速n决定，因此，控制进气压力和流量关键是实现对压气机转速n的控制，现有的研究工作在这一方面涉及的很少。

本文提出一套新的发动机进气压力自动控制系统方案，如图1所示。在发动机原系统上添加一套可以实现反馈调节的进气压力自动控制系统。在系统中引入反馈校正环节[6]，通过检测发动机进气压力作为反馈校正信号，进行PID运算，输出相应控制信号，改变辅助增压机转速，从而改变进气压力和流量。控制阀关闭，自动控制系统断开，发动机系统不发生任何改变；控制阀开启，自动控制系统开启，辅助增压机启动，空气经过可控的辅助增后进入主进气道。辅助增压系统具有模块化特征，便于安装拆卸。当辅助增压机故障时，将控制阀关闭，辅助增压机断开，空气直接进入主进气道，发动机仍可正常运行。本文提出的发动机进气压力自动控制系统具有模块化特征，便于安装拆卸，适用于大部分高原地区运行的车辆和发动机动力设备。

图1 进气压力自动控制系统原理图

2 系统算法设计

在本文提出的自动控制系统采用反馈校正方式调节进气压力。反馈校正系统常用的算法是PID算法。采用PID算法进行反馈校正技术很成熟，现已在制造业和工程装备领域得到广泛应用[7]。PID算法公式如下：

式(1)中，u(t)为控制量，KP为比例系数，TI为积分系数，TD为微分系数，e(t)为系统偏差，e(t)=r(t)-c(t)，其中r(t)为系统给定值，c(t)为实际输出值。

系统运行时，主要是根据采样的进气压力数据与设定压力计算出系统偏差，通过PID运算产生控制量，改变PWM脉冲的占空比D，改变电路输出功率，改变电动机转速，从而调节辅助增压机转速，调节进气压力和流量[8]。

本文采用数字增量式PID实现发动机进气压力的调节，计算公式如下：

式(2)中：KP为比例增益；KI=Kp(T/TI) 为积分系数；KD= Kp(TD/T) 为微分系数，且参数KP、KI、KD由实验调试结果确定。

3 运算流程图

系统运行时，先给定r(k)值，压力传感器采集进气口的压力数据，即实际输出值c(k)，根据e(k)=r(k)-c(k)计算系统偏差e(k)，再通过PID计算得出控制量u(k)，计算出∆D，改变通电时间，改变电路输出功率，从而改变辅助增压机转速，调节发动机进气压力和流量，达到实际工况要求。

进气压力自动控制运算流程图如图2所示。

图2 运算流程图

图2中，TxPR为寄存器，由控制量u(k)改变TxPR对应数据，得出∆D，改变占空比D。为防止启动过程设备反应滞后，计算得出过大的偏差，得出过大的u(k)，使系统产生很大的占空比D，引起电流过大烧坏元器件，设置限幅偏差eM。当计算偏差大于限幅偏差eM时，按限幅偏差eM进行运算。当系统进入稳态后，为避免过小的偏差引起系统发生频繁的振颤，设置允许偏差e0，当计算偏差小于允许偏差e0时，不改变控制量，占空比D不变。

4 试验验证

在BF12L-513C型柴油发动机上进行试验，设备型号如表1所示，实验装置如图3所示。试验地点位于青藏铁路西宁工务段秀水河区域，海拔高度4670m，温度290K，大气压力0.055MPa。

表1 试验设备型号表

图3 试验台

按照图1原理图对BF12L-513C型柴油机进气管道进行改装，在管路上设置三通控制球阀。当控制阀关闭时，辅助增压机断开，空气直接进入主进气管道，整个发动机进气系统没有任何改变。当控制阀打开时，辅助增压机接通，空气通过辅助增压机增压后进入主进气管道。

实验采用变频器-电动机-鼓风机驱动方式，而非PWM脉宽调速，但原理相似。ATV610型变频器具备PID模块，预设PID给定值组合表如表2所示。通过数字输入预设给定值（[PID预设给定值2]rP2、[PID预设给定值3]rP3、[PID 预设给定值4]rP4），给定值与控制量在最大最小值之间取值时成线性对应关系。

表2 预设PID给定值的组合表

在发动机进气口装压力传感器，检测进气压力数据传入变频器，经过内部PID模块运算得出控制量，调节电源输入频率。根据电机转速与工作电源输入频率的关系：n=60f（1-s）/p，（n、f、s、p分别表示转速、频率、转差率、磁极对数），当频率发生改变时，转速随之改变，即通过PID运算调节电源频率即可实现对转速的控制。

进行试验，试验分两种情况进行：第一种情况，三通球阀关闭，测试发动机原系统运行时的压力参数；第二种情况，三通球阀开启，测试使用进气压力自动控制系统后的压力参数。

采集两种情况下的进气压力数据，如图4所示。三通球阀关闭，进气压力自动控制系统断开时，压力传感器采集压力数据如曲线1，发动机进气压力值与外界气压一致，稳定在0.055MPa左右。三通球阀阀开启，辅助增压机开启，目标压力0.065MPa，压力传感器采集压力数据如曲线2，压力值从0.055MPa提高至0.065MPa左右，压力值有波动，但最终稳定在0.065MPa左右。试验证明，可以将进气压力提高18%左右，压力值得到明显提高。

图4 进气压力实验数据曲线

在理论上，通过PID反馈校正可以调节发动机进气压力达到任意目标值，无论车辆处于什么海拔高度，外界大气压力值为多少，只要将目标压力设置为0.1MPa（1个标准大气压），经过进气压力自动控制系统调节后，都可以将进气压力在0.1MPa左右，即实现发动机在任意海拔高度下的恒压供气，但因为试验装置功率的限制，现在还不具备将目标压力设为0.1MPa的试验条件。

5 结论

根据现有理论分析和试验结果可以得出以下结论：

1）本文提出的进气压力自动控制系统可以有效提高发动机进气压力，提高发动机性能，在BF12L-513C型柴油发动机上进行试验时可以进气压力提高18%左右。

2）进气压力自动控制系统通过PID反馈校正可以自动调节压力，将进气压力稳定在设定压力附近。理想条件下，可以实现发动机在高原地区的恒压供气，提高了发动机的高原适应性。