电控柴油机VGT控制系统标定策略

沈国华 李进普 王亮 曹付广 刘健

（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北保定0710002-河北省汽车工程技术研究中心）

电控柴油机VGT控制系统标定策略

沈国华1，2李进普1，2王亮1，2曹付广1，2刘健1，2

（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北保定0710002-河北省汽车工程技术研究中心）

为了实现空气系统对扭矩请求的迅速响应，对不同发动机运行工况下可变截面增压器（VGT）控制器的标定策略进行了试验研究。以GW4D20欧四电控柴油发动机为例，试验表明，在瞬态工况下，对VGT的开环控制具有较好的动态响应和控制精度；在NEDC循环中，VGT在进气需求上的响应速度比控制精度对发动机的性能影响更加明显。

VGT控制标定策略动态响应

引言

柴油机欧五污染物排放法规在碳颗粒（PM）和氮氧化合物（NOx）限值上较欧四标准均有大幅削减，欧六标准中NOx的限值更是较欧五降低了56%。研究表明，柴油机尾气排放中NOx的形成和燃烧时的富氧环境密切相关；而PM则和燃烧时进气不足有直接关联[1]。为了严格控制尾气中NOx的产生，同时尽量避免PM的大幅增加，必须准确控制燃烧时的新鲜进气量；同时，考虑到整车驾驶性表现，要求发动机进气系统具备较迅速的扭矩请求响应能力。本文以GW4D20欧四2.0L直列四缸柴油高压共轨电控发动机为对象，对其VGT系统的标定策略进行了研究。

1 VGT系统控制策略介绍

GW4D20欧四发动机空气系统控制主要由VGT的控制和EGR的控制组成（如图1所示）。

图1 GW4D20EIV发动机进气系统布置图

电子控制单元（ECU）的软件控制策略中，对EGR的控制是基于发动机新鲜进气量MAP的目标设置值，而对VGT的控制是基于增压压力脉普（MAP）的目标设置值。VGT通过对增压器喷嘴环开度的控制，实现涡轮叶片的流通截面积的变化，进而控制气体流速达到增压压力的目的，如图2所示。在发动机低转速、小负荷时，通过减小涡轮流通截面积而使增压压力提高，从而增加发动机的新鲜空气进气量，提高其低速扭矩性能；在发动机高转速、大负荷时，通过逐渐增大涡轮流通截面积，使增压压力比常规的（固定截面）涡轮增压器的增压压力小，使增压器不至于超速。同时控制发动机缸内最大爆发压力，减小排气背压，可以改善发动机燃油经济性。

图2 VGT喷嘴环开度变化

2 VGT控制器性能分析

在电控柴油机ECU软件中，通过合理的任务划分，采用包括基于优先级可抢占式、时间片轮转等多种调度算法相结合的实时多任务机制，确保了电控系统的实时性要求，尤其是在主循环中采用柔性时间片轮转策略，有效提高了发动机的动态响应性能[2]。在具体对象的控制方式上，则主要分为开环控制和闭环控制两种方式（如图3所示）。闭环控制通过比较运行工况点目标设定值和实际反馈值差异，采用PID（比例-积分-微分）控制算法得到最终输出控制信号，其控制方程如下：

图3 开、闭环控制系统原理图

其中kp为比例系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数。

就VGT对象的响应特性而言，其控制模型更逼近有延迟的n阶惯性环节（PTn）函数（如图4所示），其传递函数为

其中KP为比例增益，T为时间常数，n为系统阶数[3]。通过GT-power建模仿真分析，VGT增压压力在PID控制器控制时达到90%设定值的响应时间小于0.6s[4]。

考虑到发动机在瞬态工况下进气需求变化较快、同时系统增压压力需求转变为实际新鲜进气量的变化存在一定的延时，VGT控制系统引入了前馈控制（开环控制）作为PID控制算法的补充。其控制策略是将发动机稳态工况下由转速和负荷所决定的VGT喷嘴环开度控制信号输出（100%对应全关）预先以MAP形式存储于ECU中，作为前馈控制值，并与PID控制值叠加得到最终控制输出信号。

图4 有延迟的n阶惯性环节阶跃响应

3 台架试验设计及VGT性能分析

已有研究表明，采用基于VGT控制的EGR系统，调整VGT叶片位置，在可以有效降低NOx的同时油耗也有一定程度的降低[5]。对GW4D20选取不同发动机转速、负荷（油门开度）及不同的VGT喷嘴环开度进行发动机性能测试并对结果进行分析，如图5、6所示。试验结果表明，对于不同的发动机运行工况点，VGT喷嘴环开度越大，增压压力越大、新鲜进气量增加；另一方面，VGT喷嘴环开度和发动机比油耗率存在一个类似抛物线的对应关系，反映出发动机燃烧效率受VGT喷嘴环开度变化影响。从发动机性能标定角度出发，设置VGT喷嘴环控制开度在该抛物线的极小点区间将会取得较好的燃油经济性。

图5 燃油消耗率，2200r/min

图6 新鲜进气量，2200r/min

考虑到整车驾驶动力性及减少PM排放，对VGT的控制应优先考虑及时提供发动机充足的新鲜进气；考虑到尾气中NOx排放限值，须尽量控制发动机实际空燃比在一定合理范围值内[6]；考虑到整车燃油经济性，最好是VGT涡轮叶片稳定在最佳喷嘴环开度位置。文献[7]中提出了一种发动机瞬态工况时基于发动机转速、喷油量及其变化率来查表VGT叶片位置的控制方式。文献[8]提出将EGR率和空燃比同时作为EGR和VGT控制的反馈输入量，以实现泵气损失最小化和排放控制。综上分析及结合实际项目，对VGT的控制在发动机瞬态工况时以开环控制为主，VGT预设喷嘴环开度须略大于该工况下最佳喷嘴环开度以补偿进气系统延迟；在发动机回归稳态时，对VGT的控制将切换到基于目标增压压力的PID闭环调节，以实现对尾气排放的精准控制。

4 整车试验设计及标定策略分析

通过对发动机排放及性能相关燃烧参数进行DOE试验设计，得到发动机各运行工况下的VGT增压压力最佳目标设定值[9]。通过对VGT的PID控制器相关参数的调校标定，使得实际增压压力能够较好地跟随设定增压压力目标值。为研究VGT控制系统在开环控制、闭环控制及不同VGT喷嘴环开度前馈设置情形下对整车NEDC循环测试结果的影响，选取搭载GW4D20EIV发动机的某SUV作为试验对象；为分析对比数据方便，仅截取部分NEDC循环911～1180 s，如图7所示。转鼓试验室测量数据作为研究对象。

图7 部分NEDC循环，911s～1180s

根据台架试验摸底结果，对VGT前馈控制MAP实行了两种不同的标定策略，如图8、9所示。

整车转鼓试验计划如表1所示。

图8 VGT前馈开度MAP设置1

图9 VGT前馈开度MAP设置2

表1 VGT标定策略整车试验计划[6]

试验1中使用的VGT开环控制MAP为在关闭EGR时测得的稳定VGT开度值，试验2中使用的VGT前馈MAP设置1为VGT在该工况点喘振线内所允许的最大开度位置。试验3中所使用的VGT前馈MAP设置2为VGT在该工况下对应最低燃油消耗开度位置。图8和图9中Z轴曲线对应着不同发动机负荷0～100%。

通过转鼓试验室NEDC循环试验采集数据分析如图10所示。

由图10数据分析可得，试验1的进气控制供需跟随较试验2相对较好，说明VGT喷嘴环预设开度基本和VGT增压压力需求一致；试验2在高速区有明显的进气量超调发生，且回调时间较长，说明VGT预设喷嘴环开度导致新鲜进气量大幅超过需求；试验2和试验3使用相同的PID控制器参数设置值，而试验3中进气的供需曲线基本吻合、在高速区略有超调，说明通过DOE试验得到的最佳增压压力设定值和VGT最佳油耗点对应的喷嘴环开度基本接近。

试验测量结果表明：试验3比试验2的全NEDC循环油耗降低了5.7%，尾气排放水平也有了较大改善，具体对比如表2所示（乘劣化系数后）。

表2 试验2、3排放情况对比%

基于以上数据分析：在发动机瞬态工况中，因进气需求变化较快，前馈控制部分的标定设置对实际进气量的影响更为明显；而闭环控制部分因为存在一定的调节及振荡自稳定时间（如试验3开始阶段），在瞬态工况中的控制精度反而不如开环控制好。

5 结论

综上所述，在发动机运行各工况点空燃比已设置一定的前提下，对VGT控制的标定策略及其进气控制表现差异对整车NEDC排放和油耗性能影响显著，总体标定原则如下：

1）VGT控制系统标定策略的设计中，新鲜进气量的响应速度和进气能力是评价标定好坏的关键指标；

2）VGT控制系统的前馈控制标定在瞬态响应性能中起着决定性作用，直接关系到整车油耗和尾气排放水平；

3）VGT控制系统的闭环控制标定应该尽量缩小自振荡稳定时间和超调量，对进气量的控制以小步微调为主。

1倪计民.汽车内燃机原理[M].上海：同济大学出版社，1999

2谢辉，王国强，张震，等.共轨柴油机ECU的软件分层模型及实时多任务机制[J].内燃机学报，2002，20（1）：31～35

3Dr.Ing.Jürgen Köhler，Dipl.-Ing.Achim Haas，Dipl.-Ing. Jürgen Stütz，et al.EDC training material E-TRQ[C]. Esslingen：Steinbeis Transfer Centre，April，2010

4尹凌.基于VGT技术的乘用车柴油机性能提高分析及其优化研究[D].长沙：湖南大学，2012

5王浒，尧命发，郑尊清，等.基于VGT的EGR对电控柴油机影响的试验研究[J].内燃机学报，2009，27（2）：109～115

6Jean Balland，Bart Schreurs，Michel Peters，et al.A super clean diesel vehicle for US LEV-III SULEV category：Second report；advanced A/F control for NOx reduction and for SCR heat Uup[C].Beijing：Proceedings of the FISITA 2012 World Automotive Congress，Volume 1：F2012-A01-031，2012.11

7林磊.可变喷嘴涡轮增压器（VNT）与柴油机的匹配及其控制的研究[D].北京：北京交通大学，2010

8Johan Wahlström，Lars Eriksson，Lars Nielsen.EGR-VGT control and tuning for pumping work minimization and emission control[J]：IEEE Transactions on Control Systems Technology，2010，l18（4）：993-1003

9沈国华，任向飞，李进普，等.DOE在发动机性能标定中的应用研究[J].内燃机工程，2014，35（4）：85～90

10 M.J.Van Nieuwstadt，I.V.Kolmanovsky，P.E.Moraal，et al.EGR-VGT control schemes：experimental comparison for a high speed diesel engine[J].IEEE Control System，2000，20（3）：63～79

Calibration Strategy on VGT Controller of Diesel Electronic Control Engine

Shen Guohua1，2，Li Jinpu1，2，Wang Liang1，2，Cao Fuguang1,2,Liu Jian1，2
1-Technical Center,Great Wall Motor Co.Ltd.(Baoding,Hebei,071000,China) 2-Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center

Introduced the calibration strategy study on the controller for the variable geometry turbo（VGT）on diesel engines，which reduces the air system response time to torque request.Research on GW4D20EIV engine indicates that open-loop control has a good dynamic response and acceptable accuracy in transient conditions；and in NEDC cycle the air system's response time has more influence than control accuracy on engine performance.

VGT control，Calibration strategy，Dynamic response

TK421+.8

A

2095-8234（2014）05-0019-05

2014-08-29）

沈国华（1980－），男，工程师，主要从事发动机电控系统的开发、匹配与标定工作。