本文關(guān)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(shù)是實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)高功率、小型化、低油耗目標(biāo)的一項(xiàng)重要手段,但渦輪增壓器與柴油機(jī)聯(lián)合運(yùn)行時(shí)由于兩者流通特性的不同和渦輪增壓器的遲滯效應(yīng),導(dǎo)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(jí)增壓系統(tǒng),是解決上述矛盾的一種有效手段。但該技術(shù)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(jì)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(duì)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(yīng)用優(yōu)化控制理論對(duì)雙渦輪增壓系統(tǒng)瞬態(tài)過程的控制策略進(jìn)行優(yōu)化。針對(duì)雙渦輪增壓系統(tǒng)匹配變量多的特點(diǎn),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(jī)聯(lián)合運(yùn)行的熱力學(xué)方程,得到增壓系統(tǒng)匹配變量與柴油機(jī)性能參數(shù)之間的關(guān)系式。針對(duì)順序增壓匹配,提出判斷系統(tǒng)階段數(shù)、計(jì)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(duì)可調(diào)兩級(jí)增壓匹配,依據(jù)其常用匹配原則建立方程,推導(dǎo)了求解其匹配變量的一般方法。運(yùn)用變量解析法針對(duì)D6114柴油機(jī)分別匹配順序增壓和可調(diào)兩級(jí)增壓系統(tǒng),并通過GT-Power對(duì)匹配結(jié)果驗(yàn)證。仿真結(jié)果顯示匹配結(jié)果完全滿足柴油機(jī)的設(shè)計(jì)要求,渦輪增壓器的運(yùn)行點(diǎn)都處于較高的效率區(qū)域,預(yù)測(cè)的順序增壓切換邊界與仿真結(jié)果接近,相對(duì)誤差為2.5%,解析法得到的可調(diào)兩級(jí)增壓柴油機(jī)性能參數(shù)與GT-Power計(jì)算結(jié)果的最大誤差小于6%。對(duì)順序增壓切換過程的閥門控制策略進(jìn)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(yàn)結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行了標(biāo)定,確定了切換過程閥門動(dòng)作的合理順序。對(duì)壓氣機(jī)不同開啟和關(guān)閉時(shí)刻的策略進(jìn)行了研究,確定壓氣機(jī)開啟時(shí)刻在壓氣機(jī)后閥門前后壓力相等的時(shí)刻,關(guān)閉時(shí)刻在壓氣機(jī)流量接近零流量的時(shí)刻。對(duì)不同環(huán)境下順序增壓切換策略的變化規(guī)律進(jìn)行了研究,并對(duì)高原環(huán)境下的順序增壓切換策略進(jìn)行了預(yù)測(cè)。通過仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)在柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和循環(huán)噴油量不變的情況下,壓氣機(jī)打開的延遲時(shí)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(jī)關(guān)閉的延遲時(shí)間隨著環(huán)境壓力和溫度的降低而降低。對(duì)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(jìn)行研究。對(duì)于順序增壓切換過程的優(yōu)化控制,將其簡(jiǎn)化為求解各個(gè)閥門動(dòng)作之間的最佳延遲時(shí)間,并采用分段梯度法求解。對(duì)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(jiǎn)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(jìn)行求解。順序增壓切換過程仿真結(jié)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(jī)性能參數(shù)的響應(yīng)速度,在接近或達(dá)到目標(biāo)值時(shí)及時(shí)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(guān)閉,而切入增壓器在柴油機(jī)性能參數(shù)接近目標(biāo)值時(shí)再切入;可調(diào)兩級(jí)增壓的高壓級(jí)渦輪旁通閥在需要關(guān)閉時(shí)立刻關(guān)閉,而在需要打開時(shí)該旁通閥在柴油機(jī)性能參數(shù)接近目標(biāo)值時(shí)再打開。在雙渦輪增壓系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架上對(duì)其切換過程和加速加載過程的控制策略進(jìn)行了試驗(yàn)研究。通過試驗(yàn)得到柴油機(jī)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(biāo)定。研究不同閥門開啟和關(guān)閉時(shí)刻在順序增壓切換過程中對(duì)柴油機(jī)和增壓器性能的影響,并驗(yàn)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(yàn),研究增壓系統(tǒng)閥門和供油量聯(lián)合控制對(duì)柴油機(jī)瞬態(tài)性能的影響,并對(duì)仿真優(yōu)化控制進(jìn)行驗(yàn)證。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TK423

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