基于增压器转速的两级增压能量高效自适应控制方法

本发明涉及的是一种柴油机增压的能量高效自适应控制方法，特别是一种能够对增压器转速进行自适应控制的基于增压器转速的两级增压能量高效自适应控制方法。

背景技术：

1、我国的高原地形具有面积大、平均海拔高和变化范围广的特点。由于海拔升高导致的大气压力和密度降低，将引起柴油机进气量减少，从而引起柴油机相关性能的下降，如循环效率下降、热负荷变大、燃油消耗率上升等。可调两级涡轮增压技术利用利用废气能量驱动涡轮膨胀做功，通过调节与高、低压级涡轮并联的旁通阀开度调节废气流量，兼顾了高压比和宽流量范围的性能要求，提升了柴油机变海拔适应性。然而柴油机变海拔运行时，涡轮做功能力和压气机耗功需求在不同运行工况下的矛盾问题为转速、转矩和海拔高度的三维变量问题，从而变海拔增压系统的调节措施变得更加复杂，通过实验获得的调节随海拔变化调节规律不适于推广到其他机型。设计一种基于增压器转速的两级增压能量高效自适应控制方法，实现兼顾增压压力恢复和可调两级增压系统总效率的能量均衡性调整，在解决柴油机变海拔功率恢复等方面存在一定的优势和应用潜力。但是在现有技术中，还没有相关的专利。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术的不足，提出一种基于增压器转速的两级增压能量高效自适应控制方法，基于两级增压能量利用效率分析模型，根据高、低压级增压器转速，通过调节涡轮增压器旁通阀的开度，在两级增压器间合理分配利用排气能量，达到不同海拔下增压系统等熵效率最高，实现排气能量高效自适应控制。

2、本发明是通过以下技术方案来实现的，本发明包括以下步骤：步骤一，根据柴油机运行工况点的目标总压比、当前海拔环境以及实测高低压级增压器转速，分别计算得到变海拔环境下高、低压级压气机压比和折合进气流量，通过查询两级压气机图谱，计算相应的压气机效率；步骤二，在高、低压级压气机效率的基础上，通过迭代得到高、低压级涡轮效率和涡轮膨胀比；步骤三，根据计算得到的高低压级压气机和涡轮效率，考虑机械效率，计算得到高压级和低压级增压器效率；根据可调两级增压系统的等熵效率计算公式，计算出变海拔两级增压系统等熵效率；步骤四，基于可调两级增压系统的等熵效率分析模型，遵循排气能量利用效率最优原则获取满足目标总压比下的高、低压级涡轮实时旁通阀开度，对变海拔柴油机全工况范围的增压器转速进行自适应控制，在两级增压器间合理分配利用排气能量，实现能量均衡性调整。

3、进一步地，在本发明的步骤一中，所述变海拔环境下高、低压级压气机压比和折合进气流量可以分别用下列两式计算：

4、πch＝πcp0/p0h

5、

6、式中，πc为平原工况所需的高低压级压比，mc为平原工况流经压气机质量流量，单位为kg/s；πch和mch,cor为变海拔工况下高、低压级压气机压比和折合进气流量；pref和tref分别为绘制压气机图谱时采用的参考压力和温度，单位分别为pa和k；p0为平原环境压力，为101325pa；p0h为高原环境压力，单位为pa；t0h为高原环境温度，单位为k。

7、更进一步地，在本发明中，平原工况下高低压级压比可根据不同工况高低压级增压器转速计算得到，不同柴油机转速下增压器转速的平方与压比之间的线性关系为：

8、

9、式中ntc为增压器转速，单位为r/min，α和β为拟合系数。

10、更进一步地，在本发明的步骤二中，所述高、低压级涡轮效率的计算公式为：

11、

12、ηt＝ηt,max[-0.105+2.685(ut/c0)-0.76(ut/c0)2-1.17(ut/c0)3]

13、式中，ut为叶轮入口处的叶轮线速度，单位为m/s；nt为涡轮转速，单位为r/min；c0为排气从进口状态不对外做功而定熵膨胀到涡轮出口压力所能达到的速度，单位为m/s；dt为涡轮直径，单位为m；△hst为涡轮等熵焓降，单位为j/kg；cpe为排气定压比热，单位为j/(kg·k)；t4为涡轮入口温度，单位为k；πt为涡轮膨胀比；kt为废气绝热指数，取1.33；ηt,max为涡轮最高效率，可视涡轮特性来确定。

14、更进一步地，在本发明的步骤三中，所述可调两级增压系统的等熵效率计算公式为：

15、

16、式中，ηtc为增压器总效率，下标h和l分别代表高压级和低压级增压器；ηrts为可调两级增压系统的等熵效率，πcl为低压级压气机压比，πch为高压级压气机压比；κc为空气绝热指数，取1.4；

17、其中，增压器总效率分为压气机效率、涡轮效率和机械效率三部分，高、低压级增压器总效率的计算公式为：

18、ηtc，h＝ηc，h·ηt，h·ηm，h

19、ηtc，l＝ηc，l·ηt，l·ηm，l

20、式中，ηc、ηt和ηm分别为压气机效率、涡轮效率以及机械效率，下标h和l分别代表高压级和低压级增压器。

21、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果为：本发明设计合理，方法简单有效，该方法解决了实现兼顾增压压力恢复和可调两级增压系统总效率的能量均衡性调整，在解决柴油机变海拔功率恢复等方面存在一定的优势和应用潜力。同时控制方法可推广到不同型号的发动机，适用于可调两级增压系统变海拔高效自适应控制方法的设计。

技术特征：

1.一种基于增压器转速的两级增压能量高效自适应控制方法，其特征在于包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于增压器转速的两级增压能量高效自适应控制方法，其特征在于在步骤一中，所述变海拔环境下高、低压级压气机压比和折合进气流量可以分别用下列两式计算：

3.根据权利要求2所述的基于增压器转速的两级增压能量高效自适应控制方法，其特征在于所述平原工况下高低压级压比可根据不同工况高低压级增压器转速计算得到，不同柴油机转速下增压器转速的平方与压比之间的线性关系为：

4.根据权利要求1所述的基于增压器转速的两级增压能量高效自适应控制方法，其特征在于在步骤二中，所述高、低压级涡轮效率的计算公式为：

5.根据权利要求1所述的基于增压器转速的两级增压能量高效自适应控制方法，其特征在于在步骤三中，所述可调两级增压系统的等熵效率计算公式为：

技术总结
一种柴油机增压技术领域的基于增压器转速的两级增压能量高效自适应控制方法，包括以下步骤：根据柴油机运行工况点目标总压比、当前海拔环境以及实测高低压级增压器转速，分别计算得到变海拔环境下高低压级压气机压比和折合进气流量；在高低压级压气机效率基础上，计算高低压级涡轮效率和膨胀比；根据计算得到的高低压级压气机和涡轮效率，计算高低压级增压器效率；根据等熵效率计算公式算出变海拔两级增压系统等熵效率；基于可调两级增压系统的等熵效率分析模型，遵循排气能量利用效率最优原则获取满足目标总压比下的高、低压级涡轮实时旁通阀开度。本发明能够对变海拔柴油机全工况范围的增压器转速进行自适应控制，实现能量均衡性调整的自适应控制。

技术研发人员：冷泠,石磊,章雍,陈自强,邓康耀
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15