摘要：為快速評(píng)價(jià)增壓器瞬態(tài)響應(yīng)性，以汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的電磁閥氣動(dòng)式旁通控制的渦輪增壓器為例，從發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定參數(shù)、外圍相關(guān)零部件及裝配、增壓器運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)遲滯三方面分析影響渦輪增壓器瞬態(tài)響應(yīng)的主要因素，提出轉(zhuǎn)矩斜率臺(tái)架快速評(píng)價(jià)方法。結(jié)果表明：采用比例積分微分（proportional integral differential，PID）預(yù)控策略，電磁閥占空比偏置為2.5%～5.0%對(duì)增壓預(yù)控的結(jié)果影響較大；增壓系統(tǒng)積分時(shí)間常數(shù)偏差系數(shù)大于0，增壓壓力有欠調(diào)趨勢(shì)；增壓系統(tǒng)積分時(shí)間常數(shù)小于0，增壓壓力有超調(diào)趨勢(shì)；廢氣旁通閥關(guān)閉裕度比較適宜的區(qū)域?yàn)?0.05～0.20 mm；轉(zhuǎn)矩斜率方法操作性強(qiáng)，可在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上快速評(píng)價(jià)增壓器瞬態(tài)響應(yīng)性能。

關(guān)鍵詞：渦輪增壓器； 瞬態(tài)響應(yīng)；PID預(yù)控；關(guān)閉裕度；轉(zhuǎn)矩斜率

中圖分類號(hào)：TK417文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1673-6397（2023）04-0013-07

引用格式：劉曉東.渦輪增壓器瞬態(tài)響應(yīng)性的影響因素［J］.內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2023，40（4）：13-19.

LIU Xiaodong.Influencing factors of transient response of turbochargers［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2023，40（4）：13-19.

0 引言

在內(nèi)燃機(jī)技術(shù)向小型化、高效化發(fā)展的趨勢(shì)下，對(duì)比傳統(tǒng)自然吸氣方式，發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓技術(shù)提高了內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性，減少了污染排放，得到廣泛應(yīng)用。采用渦輪增壓技術(shù)后，汽油機(jī)熱效率提高了將近20%，柴油機(jī)熱效率提高了40%[1]。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況復(fù)雜，瞬態(tài)工況占比較大，要求氣路、油路、火路能夠根據(jù)工況變化及時(shí)、快速響應(yīng)。渦輪增壓器通常存在反應(yīng)遲滯的缺點(diǎn)，即增壓過(guò)程不能根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的變化快速響應(yīng)，影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能。在工程應(yīng)用中，若渦輪增壓器壓力不能達(dá)到目標(biāo)壓力，瞬態(tài)響應(yīng)不良，可能造成發(fā)動(dòng)機(jī)故障，因此增壓器瞬態(tài)響應(yīng)性是評(píng)價(jià)增壓器性能的核心要素。

劉必華等[2]分析了汽油機(jī)節(jié)氣門和廢氣旁通閥對(duì)增壓汽油機(jī)瞬態(tài)特性的影響，研究了廢氣旁通閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)的影響程度，為廢氣旁通閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。馬朝臣等[3]通過(guò)分析內(nèi)燃機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)與渦輪遲滯之間的關(guān)系，提出了一種獨(dú)立評(píng)價(jià)渦輪增壓器瞬態(tài)響應(yīng)性的測(cè)試方法。倪計(jì)民等[4]采用比例積分微分（proportional integral differential，PID）對(duì)旁通閥控制策略進(jìn)行優(yōu)化，明顯縮短了汽油機(jī)中、高轉(zhuǎn)速時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間，且汽油機(jī)增壓壓力與增壓器轉(zhuǎn)速都在安全范圍。張正華等[5]對(duì)渦輪增壓器旁通閥預(yù)緊力設(shè)置狀態(tài)進(jìn)行受力分析，采用曲率計(jì)算和最小二乘方法，得到旁通閥預(yù)緊力動(dòng)態(tài)設(shè)置的位移方程，增壓器旁通閥在給定位移的情況下，完成增壓器旁通閥的動(dòng)態(tài)設(shè)置。

本文中以汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的電磁閥氣動(dòng)式旁通控制的渦輪增壓器為研究對(duì)象，從發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定參數(shù)、外圍相關(guān)零部件及裝配、增壓器運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)遲滯三方面分析汽油發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓器瞬態(tài)響應(yīng)性的主要影響因素，并提出轉(zhuǎn)矩斜率方法，快速評(píng)價(jià)增壓器瞬態(tài)響應(yīng)性。

1 渦輪增壓器結(jié)構(gòu)與瞬態(tài)響應(yīng)性評(píng)價(jià)

1.1 渦輪增壓器結(jié)構(gòu)

某汽油機(jī)渦輪增壓器主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，增壓器瞬態(tài)響應(yīng)控制原理如圖2所示。

該增壓器采用電磁閥氣動(dòng)式旁通控制，在真空比例電磁閥作用下，通過(guò)調(diào)節(jié)真空度實(shí)現(xiàn)廢氣旁通閥位移的改變，使其打開(kāi)或關(guān)閉，實(shí)時(shí)調(diào)控增壓器壓力。渦輪增壓器壓力控制和調(diào)節(jié)的過(guò)程為[6-8]：1）發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)（engine management system，EMS）根據(jù)進(jìn)氣模型換算目標(biāo)增壓壓力，內(nèi)置PID控制器根據(jù)壓氣模型、渦輪模型、廢氣旁通閥模型等計(jì)算電磁閥占空比，調(diào)節(jié)執(zhí)行器壓力，控制廢氣旁通閥開(kāi)度；2）進(jìn)氣壓力傳感器將實(shí)際增壓壓力反饋給EMS，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況，若實(shí)際增壓壓力和目標(biāo)增壓壓力存在偏差，PID控制器根據(jù)偏差調(diào)節(jié)電磁閥占空比，通過(guò)調(diào)節(jié)執(zhí)行器壓力，調(diào)節(jié)廢氣旁通閥開(kāi)度；3）通過(guò)反復(fù)調(diào)節(jié)廢氣旁通閥開(kāi)度，使實(shí)際增壓壓力調(diào)整至目標(biāo)增壓壓力允許范圍；4）當(dāng)系統(tǒng)壓力過(guò)高時(shí)，進(jìn)氣泄壓閥自動(dòng)打開(kāi)，將多余的進(jìn)氣重新返回到增壓器進(jìn)氣管中，循環(huán)進(jìn)入壓氣機(jī)，保持系統(tǒng)壓力平衡。

1.2 增壓瞬態(tài)響應(yīng)性評(píng)價(jià)

經(jīng)典控制理論采用零輸入階躍響應(yīng)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)特性，即從開(kāi)始時(shí)刻到輸出達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)的響應(yīng)時(shí)間作為瞬態(tài)響應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)性評(píng)價(jià)曲線如圖3所示，其中，t為響應(yīng)時(shí)間，x0（t）為系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間函數(shù)，x0（t）=1.0代表系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)，主要評(píng)價(jià)指標(biāo)包括：上升時(shí)間tr，即從開(kāi)始時(shí)刻到系統(tǒng)首次達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所用的時(shí)間；峰值時(shí)間tp，即從開(kāi)始時(shí)刻到第一個(gè)峰值所用時(shí)間；最大超調(diào)量Mp，即第一個(gè)函數(shù)峰值與系統(tǒng)函數(shù)穩(wěn)態(tài)值的差，如果欠調(diào)，Mp為負(fù)；調(diào)整時(shí)間ts，即從開(kāi)始時(shí)刻到系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)所允許的誤差范圍內(nèi)（根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的不同，誤差為±2%或±5%）所用的時(shí)間[7]。

結(jié)合工程應(yīng)用，增壓器的瞬態(tài)響應(yīng)性指從增壓器響應(yīng)時(shí)刻開(kāi)始，至達(dá)到目標(biāo)壓力允許誤差范圍的響應(yīng)時(shí)間。考慮增壓系統(tǒng)遲滯性及不同廠家零件的差異，簡(jiǎn)化其他參數(shù)的影響，通常tr =2～3 s，ts-tp≤3 s，Mp≤25 kPa，增壓器瞬態(tài)響應(yīng)性診斷激活條件為廢氣旁通閥處于工作狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大于2 000 r/min，且增壓比大于1.20。發(fā)動(dòng)機(jī)故障報(bào)警條件為實(shí)際增壓壓力和目標(biāo)增壓壓力的差的絕對(duì)值大于25 kPa，即Mp＞25 kPa；實(shí)際占空比和目標(biāo)占空比的差大于3%；且ts-tp＞3 s。

2 增壓瞬態(tài)響應(yīng)性影響因素

發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定控制策略、外圍相關(guān)零部件及裝配、增壓器運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)遲滯是影響增壓器瞬態(tài)響應(yīng)性的主要因素。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定控制策略

通常采用PID算法作為發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定控制策略，控制系統(tǒng)的理想PID控制規(guī)律[8-10]為：

式中：t為響應(yīng)時(shí)間；u（t）為PID控制器輸出量；e（t）為系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)與實(shí)際函數(shù)的差；Kp為比例增益，代表系統(tǒng)的調(diào)整速率，與比例度成倒數(shù)，增大Kp，可減小誤差，但過(guò)大會(huì)造成系統(tǒng)不穩(wěn)定；ti為積分時(shí)間常數(shù)，代表控制精度，反映系統(tǒng)的累積偏差，可消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差；td為微分時(shí)間常數(shù)，對(duì)Kp、ti進(jìn)行修正，反映系統(tǒng)偏差變化率，可預(yù)測(cè)系統(tǒng)偏差變化趨勢(shì)。

由于排氣周期波動(dòng)及系統(tǒng)阻尼，增壓壓力通常存在滯后，基于電磁閥占空比預(yù)控結(jié)果，結(jié)合PID控制調(diào)整真空比例電磁閥占空比，實(shí)現(xiàn)增壓壓力輸出占空比的調(diào)節(jié)，從而影響廢氣旁通閥開(kāi)度。電磁閥預(yù)控占空比過(guò)大，實(shí)際增壓壓力容易出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，動(dòng)力過(guò)于突出，車輛出現(xiàn)聳動(dòng)；預(yù)控占空比過(guò)小，實(shí)際增壓壓力容易出現(xiàn)欠調(diào)現(xiàn)象，動(dòng)力過(guò)于延遲，加速遲滯；實(shí)際占空比和目標(biāo)占空比差異較大且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，易觸發(fā)故障報(bào)警。

在開(kāi)發(fā)某增壓發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，真空比例電磁閥占空比預(yù)控偏置量原始狀態(tài)與偏置狀態(tài)對(duì)比如圖4所示。采用發(fā)動(dòng)機(jī)軟件開(kāi)發(fā)工具INCA采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5所示，由圖4、5可知：電磁閥占空比預(yù)控偏置量為2.5%～5.0%對(duì)PID增壓預(yù)控結(jié)果產(chǎn)生較大的影響；黑色虛框內(nèi)實(shí)際增壓壓力高于目標(biāo)增壓壓力，且持續(xù)3 s以上；電磁閥占空比預(yù)控偏置后出現(xiàn)增壓超調(diào)現(xiàn)象。

滿油門負(fù)荷時(shí)，對(duì)比占空比預(yù)控原始狀態(tài)及偏置狀態(tài)下ti絕對(duì)偏差、壓力跟隨偏差與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖6所示。由圖6可知：增壓器預(yù)控占空比未超出最終穩(wěn)態(tài)占空比時(shí)，ti絕對(duì)偏差大于0，即增壓預(yù)控占空比小于實(shí)際需求占空比，增壓壓力欠調(diào)；增壓器的預(yù)控占空比超出最終穩(wěn)態(tài)占空比時(shí)，ti絕對(duì)偏差小于0，即增壓預(yù)控占空比大于實(shí)際需求占空比，增壓壓力超調(diào)，此時(shí)車輛加速性能較好，但壓力差變化率增大，容易造成瞬態(tài)響應(yīng)壓力報(bào)警故障；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速小于3 000 r/min時(shí)，增壓壓力持續(xù)上升，實(shí)際增壓壓力小于目標(biāo)增壓壓力，不會(huì)出現(xiàn)超調(diào)故障；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大于4 000 r/min時(shí)，容易出現(xiàn)超調(diào)故障。

2.2 外圍相關(guān)零部件及裝配

發(fā)動(dòng)機(jī)增壓系統(tǒng)示意如圖7所示，外圍零部件失效及裝配因素（如真空泵真空度不足、真空比例電磁閥調(diào)節(jié)故障、真空管氣流擾動(dòng)、進(jìn)氣泄壓閥故障、增壓器裝配等）影響增壓瞬態(tài)響應(yīng)性[11-12]。

2.2.1 真空泵堵塞

真空泵堵塞會(huì)造成真空度不足，影響執(zhí)行器拉桿的動(dòng)作，造成廢氣旁通閥位移出現(xiàn)偏差，瞬態(tài)響應(yīng)出現(xiàn)偏差。常見(jiàn)失效原因主要有：1）使用不合格的機(jī)油或者過(guò)長(zhǎng)時(shí)間未更換機(jī)油，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油結(jié)焦膠化，造成真空泵潤(rùn)滑油路過(guò)濾裝置堵塞，真空泵潤(rùn)滑不良引起葉片卡滯或破損，導(dǎo)致真空度不足；2）制造過(guò)程中鋁屑卡在常閉彈簧下，總成真空腔排氣不暢，導(dǎo)致真空度不足。應(yīng)使用規(guī)定型號(hào)的機(jī)油，并按時(shí)更換機(jī)油，控制清潔度。

2.2.2 真空比例電磁閥故障

真空比例電磁閥用于控制（打開(kāi)或切斷）真空度信號(hào)傳遞給執(zhí)行器，如果出現(xiàn)故障，影響執(zhí)行器工作，造成廢氣旁通閥位移及瞬態(tài)響應(yīng)出現(xiàn)偏差。常見(jiàn)失效原因主要有：1）電壓過(guò)高、電流過(guò)大或線圈老化造成電磁鐵線圈溫升過(guò)大，造成電磁鐵的輸出力不夠；2）異物導(dǎo)致閥芯卡住、閥門無(wú)法關(guān)閉或推桿導(dǎo)桿與銜鐵不同心，造成阻滯力增大，引起卡滯；3）工程塑料焊接不良或密封圈破損而導(dǎo)致密封腔漏氣，氣密性不良。應(yīng)確定電磁鐵線圈及密封圈選型，結(jié)合電路進(jìn)行排查，同時(shí)檢查推桿與銜鐵同軸度、推桿與銜鐵間隙、密封焊接性，控制清潔度。

2.2.3 真空管氣流擾動(dòng)

真空管是真空度氣流傳遞的載體，若連接不良會(huì)產(chǎn)生泄漏，造成真空度不足；真空管材質(zhì)選擇不當(dāng)引起氣流的擾動(dòng)，造成真空度不足。

原真空管材質(zhì)為尼龍PA66，耐溫性好，成本低，但尼龍管吸收振動(dòng)性能不足，如果車輛高速運(yùn)轉(zhuǎn)，尼龍管內(nèi)氣流擾動(dòng)造成較大壓力脈動(dòng)，導(dǎo)致真空比例電磁閥膜片破裂，真空度不足，無(wú)法控制執(zhí)行器動(dòng)作。應(yīng)將管材由尼龍管改為橡膠管，同時(shí)優(yōu)化真空管走向和管路截面積，在真空管吸收振動(dòng)的同時(shí)消除氣流壓力脈動(dòng)，減少氣流擾動(dòng)，保護(hù)電磁閥膜片。

2.2.4 進(jìn)氣泄壓閥失效

進(jìn)氣泄壓閥有2種失效形式：關(guān)閉式、提前打開(kāi)式（泄漏式）。進(jìn)氣泄壓閥關(guān)閉式是指泄壓氣路不通暢，在節(jié)氣門關(guān)閉后不能正常泄壓，造成增壓管路過(guò)度加壓，極端情況下形成增壓器喘振；進(jìn)氣泄壓閥提前打開(kāi)式（泄漏式）造成增壓壓力滯后或不能達(dá)到目標(biāo)，瞬態(tài)響應(yīng)出現(xiàn)異常。常見(jiàn)失效原因主要有：電磁閥內(nèi)部損壞、電路連接不良或插頭松動(dòng)導(dǎo)致泄壓閥關(guān)閉；管路連接不良或管路內(nèi)部泄漏造成密封不良。應(yīng)檢查電磁閥線圈、電路連接、管路連接、密封圈等。

2.2.5 增壓器裝配不當(dāng)

在增壓器裝配過(guò)程中，由于工裝夾具磨損，可能造成壓殼出口與蝸殼進(jìn)口的相對(duì)角度出現(xiàn)偏移，當(dāng)偏移超出公差時(shí)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)偏離，廢氣旁通閥不能完全關(guān)閉，瞬態(tài)響應(yīng)出現(xiàn)偏差。因在增壓器生產(chǎn)線線末冷試臺(tái)架上不能充分識(shí)別該問(wèn)題，應(yīng)結(jié)合熱試臺(tái)架增加抽檢頻次。

執(zhí)行器金屬管接頭和橡膠真空管連接時(shí)，可能出現(xiàn)連接松脫，真空管內(nèi)無(wú)法形成真空。常見(jiàn)原因主要有：金屬管接頭凸起竹節(jié)過(guò)小，拉拔力不夠；金屬管和橡膠管連接過(guò)緊，為減小裝配力，涂抹油性潤(rùn)滑劑，造成抗拉拔力不夠。應(yīng)優(yōu)化金屬管接頭凸起竹節(jié)，將油性潤(rùn)滑劑改為水性潤(rùn)滑劑。

2.3 增壓器運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)遲滯

2.3.1 影響因素

增壓器運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)遲滯影響因素如圖8所示。通常由于廢氣旁通閥關(guān)閉異常導(dǎo)致增壓器運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)遲滯，造成增壓瞬態(tài)響應(yīng)出現(xiàn)偏差。該故障在冷態(tài)下表現(xiàn)不明顯，但在熱態(tài)下表現(xiàn)比較突出。

2.3.2 模型分析

以電磁式氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)為例，系統(tǒng)組件如圖9所示。該機(jī)構(gòu)由真空腔、彈簧、氣膜、拉桿、搖臂、轉(zhuǎn)軸和廢氣旁通閥門等組成，在真空腔中的控制吸力作用在氣膜上的力Fv，彈簧壓縮力Fs，渦輪前、后的排氣壓差作用在旁通閥門上的力Fw 的作用下，執(zhí)行器通過(guò)EMS調(diào)節(jié)廢氣旁通閥開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)增壓壓力控制[13-14]。

閥門關(guān)閉時(shí)，F(xiàn)v>Fs+ Fwl1/l2；閥門打開(kāi)時(shí)，F(xiàn)v

2.3.3 關(guān)閉裕度

通常渦輪增壓器蝸殼處的廢氣排溫約為900 ℃，考慮到材料熱膨脹變形和廢氣積碳堆積的影響，為保證廢氣旁通閥在高溫狀態(tài)下關(guān)閉良好，需要在廢氣旁通閥蓋與蝸殼旁通閥座平面間預(yù)留一定的間隙，稱為廢氣旁通閥的關(guān)閉裕度。關(guān)閉裕度

d=d1-d2-d3，

式中：d1為搖臂軸安裝孔中心到蝸殼旁通閥座平面之間的距離，d2為搖臂軸安裝孔中心到廢氣旁通閥蓋上端面之間的距離，d3為廢氣旁通閥蓋的厚度。

關(guān)閉裕度的設(shè)計(jì)示意如圖10所示，圖10中d′為搖臂組件的活動(dòng)間隙，一般為0.3～0.4 mm。

為使旁通閥組件徹底關(guān)閉，一般要求冷態(tài)關(guān)閉裕度d≥0 mm，考慮魯棒性及熱態(tài)材料膨脹，冷態(tài)下d應(yīng)大于0.1 mm。如果d過(guò)小，廢氣閥與蝸殼旁通閥座平面之間產(chǎn)生干涉，無(wú)法完全關(guān)閉；如果d過(guò)大，廢氣閥和蝸殼旁通閥座平面之間有間隙，無(wú)法完全關(guān)閉；廢氣旁通閥d設(shè)置不當(dāng)如圖11所示，d過(guò)小或過(guò)大均會(huì)引起廢氣泄漏，造成瞬態(tài)響應(yīng)偏差。

d′受溫度、廢氣積碳堆積、制造公差累積產(chǎn)生變化，執(zhí)行器在最大位移時(shí)，d′分別為0.35、0.20、0.15、0.10、0.05 mm，d與廢氣旁通閥處的泄漏量關(guān)系如圖12所示。

由圖12可知：通常將泄漏量小于等于30 mL/min作為信任區(qū)，d=-0.05～0.20 mm時(shí)，不同d′對(duì)應(yīng)的泄漏量均在信任區(qū)內(nèi)（藍(lán)色虛框），為適宜范圍。

3 瞬態(tài)響應(yīng)性評(píng)價(jià)方法

3.1 試驗(yàn)方法

對(duì)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行臺(tái)架性能試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)滿足油冷、水冷、中冷器等冷卻調(diào)控，轉(zhuǎn)矩精度良好。用INCA軟件測(cè)量轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、油門踏板負(fù)荷[15]。常規(guī)熱機(jī)10～15 min，使發(fā)動(dòng)機(jī)水溫為90 ℃左右，油溫高于120 ℃。結(jié)合測(cè)功機(jī)定轉(zhuǎn)速功能，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速分別為1 250、1 500、2 000、2 500、3 000、3 500 r/min時(shí)，油門開(kāi)度在1 s內(nèi)從0增加到100%，穩(wěn)定15 s，松油門至開(kāi)度為0，間隔60 s后進(jìn)行下一輪試驗(yàn)，每個(gè)轉(zhuǎn)速重復(fù)3次。采集不同轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩開(kāi)始上升位置和最大拐點(diǎn)位置，計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)矩變化，評(píng)價(jià)渦輪增壓器瞬態(tài)響應(yīng)特性。

3.2 數(shù)據(jù)處理

結(jié)合開(kāi)發(fā)階段和日常生產(chǎn)所測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)約60輛同款發(fā)動(dòng)機(jī)采用轉(zhuǎn)矩斜率k評(píng)價(jià)渦輪增壓器增壓瞬態(tài)響應(yīng)特性，該款發(fā)動(dòng)機(jī)k的判斷標(biāo)準(zhǔn)kb如表1所示，若發(fā)動(dòng)機(jī)6個(gè)轉(zhuǎn)速下的k均大于等于對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)kb，則判定瞬態(tài)響應(yīng)符合要求；反之，若有1個(gè)轉(zhuǎn)速下的k小于kb，則判定瞬態(tài)響應(yīng)不符合要求。

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)，該增壓器k評(píng)價(jià)示意如圖13所示。由圖13可知：A點(diǎn)為轉(zhuǎn)矩曲線開(kāi)始上升位置，B點(diǎn)為轉(zhuǎn)矩曲線最大拐點(diǎn)位置。

k=Δ（Tq）/Δ（t），（1）

式中：Δ（Tq）為B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩與A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩的差；Δ（t）為A點(diǎn)到B點(diǎn)的時(shí)間。

如圖13所示，試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)，Δ（Tq）=179.829 N·m，Δ（t）=3.18 s，k=56.55 N·m/s。轉(zhuǎn)速分別為1 250、2 000、2 500、3 000、3 500 r/min時(shí)，根據(jù)式（1）計(jì)算k分別為41.57、85.54、117.24、130.46、152.40 N·m/s。將數(shù)據(jù)結(jié)果與表1對(duì)比，各轉(zhuǎn)速均大于評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，判定該增壓器瞬態(tài)響應(yīng)性合格。

4 結(jié)論

1）在PID預(yù)控中，電磁閥占空比預(yù)控偏置量為2.5%～5.0%對(duì)增壓預(yù)控的結(jié)果產(chǎn)生較大影響。當(dāng)增壓系統(tǒng)積分時(shí)間常數(shù)偏差大于0，增壓壓力有欠調(diào)趨勢(shì)；當(dāng)增壓系統(tǒng)積分時(shí)間常數(shù)偏差小于0，增壓壓力有超調(diào)趨勢(shì)。壓力超調(diào)故障一般在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大于4 000 r/min的工況。

2）外圍相關(guān)零部件及裝配對(duì)增壓瞬態(tài)響應(yīng)性的影響普遍存在，真空泵真空度不足、真空比例電磁閥調(diào)節(jié)、真空管氣流擾動(dòng)、進(jìn)氣泄壓閥故障、裝配不良等失效模式均造成影響。

3）關(guān)閉裕度過(guò)小或過(guò)大都造成廢氣旁通閥不能關(guān)閉良好，導(dǎo)致瞬態(tài)響應(yīng)性降低；關(guān)閉裕度為-0.05～0.20 mm是比較適宜的區(qū)域。

4）采用轉(zhuǎn)矩斜率評(píng)價(jià)渦輪增壓器的瞬態(tài)響應(yīng)特性操作性強(qiáng)，可在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上對(duì)增壓器瞬態(tài)響應(yīng)性做出快速有效評(píng)價(jià)。

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Influencing factors of transient response of turbochargers

LIU Xiaodong

Technique Quality Department of Dongfeng Peugeot Citroen Automobile Company，Wuhan 430056，China

Abstract：To quickly evaluate the transient response of turbochargers， taking the turbochargers controlled by solenoid pneumatic bypass in gasoline engines as an example， the main factors affecting the transient response of turbochargers are analyzed from three aspects： engine calibration parameters， peripheral related components and assembly， and turbocharger motion mechanism hysteresis. A torque slope bench rapid evaluation method isproposed. The results show that using the proportional integral differential （PID） control strategy， the bias of the solenoid valve duty cycle between 2.5% and 5.0% has a significant impact on the results of the boost control. The deviation coefficient of the integral time constant of the turbocharging system is greater than 0， and there is a tendency for the turbocharging pressure to be under regulated. The integral time constant of the boost system is less than 0， and the boost pressure tends to overshoot. The closing margin of the exhaust bypass valve is -0.05～0.20 mm， which is a relatively suitable. The torque slope method is effective and could quickly evaluate the transient response performance of turbochargers on an engine bench.

Key words： turbocharger; transient response; PID pre-control;closing margin; torque slope

（責(zé)任編輯：胡曉燕）

收稿日期：2023-06-21

作者簡(jiǎn)介：劉曉東（1974—），男，湖北鐘祥人，工程碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)閯?dòng)力總成設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，E-mail：Liuxiaodong@dpca.com.cn。