本文關鍵詞：雙渦輪增壓系統(tǒng)匹配方法和優(yōu)化控制的研究

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【摘要】：渦輪增壓技術是實現(xiàn)柴油機高功率、小型化、低油耗目標的一項重要手段,但渦輪增壓器與柴油機聯(lián)合運行時由于兩者流通特性的不同和渦輪增壓器的遲滯效應,導致兩者穩(wěn)態(tài)匹配和瞬態(tài)控制上的矛盾。本文研究的雙渦輪增壓系統(tǒng)包括順序增壓和可調(diào)兩級增壓系統(tǒng),是解決上述矛盾的一種有效手段。但該技術又產(chǎn)生了新的問題:一是匹配傳統(tǒng)增壓系統(tǒng)的試湊法或迭代法,由于計算量過于龐大,難以適用于雙渦輪增壓系統(tǒng);二是雙渦輪增壓系統(tǒng)中的控制變量大幅增加,增加了瞬態(tài)過程控制的難度。針對上述問題,本文通過求解增壓系統(tǒng)匹配變量的方法解決雙渦輪增壓系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)匹配問題,并應用優(yōu)化控制理論對雙渦輪增壓系統(tǒng)瞬態(tài)過程的控制策略進行優(yōu)化。針對雙渦輪增壓系統(tǒng)匹配變量多的特點,提出變量解析法用于解決其匹配問題。建立增壓系統(tǒng)與柴油機聯(lián)合運行的熱力學方程,得到增壓系統(tǒng)匹配變量與柴油機性能參數(shù)之間的關系式。針對順序增壓匹配,提出判斷系統(tǒng)階段數(shù)、計算等效渦輪流通面積的可用范圍以及最優(yōu)等效渦輪流通面積的方法,并將優(yōu)化匹配問題轉(zhuǎn)換為帶有非線性約束的函數(shù)極小值問題。針對可調(diào)兩級增壓匹配,依據(jù)其常用匹配原則建立方程,推導了求解其匹配變量的一般方法。運用變量解析法針對D6114柴油機分別匹配順序增壓和可調(diào)兩級增壓系統(tǒng),并通過GT-Power對匹配結果驗證。仿真結果顯示匹配結果完全滿足柴油機的設計要求,渦輪增壓器的運行點都處于較高的效率區(qū)域,預測的順序增壓切換邊界與仿真結果接近,相對誤差為2.5%,解析法得到的可調(diào)兩級增壓柴油機性能參數(shù)與GT-Power計算結果的最大誤差小于6%。對順序增壓切換過程的閥門控制策略進行仿真研究。在Matlab/Simulink軟件中建立順序增壓切換過程閥門控制策略的平均參數(shù)模型并通過試驗結果對模型進行了標定,確定了切換過程閥門動作的合理順序。對壓氣機不同開啟和關閉時刻的策略進行了研究,確定壓氣機開啟時刻在壓氣機后閥門前后壓力相等的時刻,關閉時刻在壓氣機流量接近零流量的時刻。對不同環(huán)境下順序增壓切換策略的變化規(guī)律進行了研究,并對高原環(huán)境下的順序增壓切換策略進行了預測。通過仿真結果發(fā)現(xiàn)在柴油機轉(zhuǎn)速和循環(huán)噴油量不變的情況下,壓氣機打開的延遲時間隨著環(huán)境壓力和溫度的降低分別為升高和降低;壓氣機關閉的延遲時間隨著環(huán)境壓力和溫度的降低而降低。對順序增壓系統(tǒng)在切換過程中的閥門控制策略和雙渦輪增壓系統(tǒng)加速加載過程中的閥門和供油量聯(lián)合優(yōu)化控制進行研究。對于順序增壓切換過程的優(yōu)化控制,將其簡化為求解各個閥門動作之間的最佳延遲時間,并采用分段梯度法求解。對于雙渦輪增壓系統(tǒng)加速加載過程的優(yōu)化控制,則將其簡化為帶約束的非線性優(yōu)化問題,并通過序列二次規(guī)劃法進行求解。順序增壓切換過程仿真結果表明,其優(yōu)化控制都落在喘振和倒流的約束邊界上。而雙渦輪加速加載過程的優(yōu)化控制規(guī)律為:采用較大的供油量保證柴油機性能參數(shù)的響應速度,在接近或達到目標值時及時修正;順序增壓系統(tǒng)切出增壓器在加速加載過程中迅速關閉,而切入增壓器在柴油機性能參數(shù)接近目標值時再切入;可調(diào)兩級增壓的高壓級渦輪旁通閥在需要關閉時立刻關閉,而在需要打開時該旁通閥在柴油機性能參數(shù)接近目標值時再打開。在雙渦輪增壓系統(tǒng)試驗臺架上對其切換過程和加速加載過程的控制策略進行了試驗研究。通過試驗得到柴油機和增壓器的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)數(shù)據(jù),用于仿真模型的標定。研究不同閥門開啟和關閉時刻在順序增壓切換過程中對柴油機和增壓器性能的影響,并驗證仿真優(yōu)化控制的可靠性。通過雙渦輪增壓系統(tǒng)的加速加載試驗,研究增壓系統(tǒng)閥門和供油量聯(lián)合控制對柴油機瞬態(tài)性能的影響,并對仿真優(yōu)化控制進行驗證。
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TK423

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