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高海拔柴油机两级增压控制研究现状与发展趋势

刘大川;张众杰;刘瑞林;李浩;夏南龙

【摘要】总结了我国高原气候环境特点,分析了传统废气涡轮增压器存在的弊端与

高海拔柴油机两级增压控制研究需求.综述了国内外平原与高原条件下柴油机增压

系统及多系统协同控制研究现状,并讨论了其下一步控制系统发展方向.最后,针对柴

油机高海拔、全工况的运行特点,指出二级可调增压系统先进控制算法与多系统、

多参数协同控制研究为下一步重要发展方向.

【期刊名称】《装备环境工程》

【年(卷),期】2019(016)001

【总页数】7页(P82-88)

【关键词】高海拔;柴油机;两级增压;协同控制;多系统

【作者】刘大川;张众杰;刘瑞林;李浩;夏南龙

【作者单位】陆军军事交通学院,天津300161;陆军军事交通学院,天津300161;陆

军军事交通学院,天津300161;陆军军事交通学院,天津300161;陆军军事交通学院,

天津300161

【正文语种】中文

【中图分类】TJ07;TK421+.8

我国高原具有海拔高，面积广的特点，有“世界屋脊”之称的青藏高原平均海拔在

4000m以上，占我国陆地面积24%[1]。与平原地区相比，高原地区大气压力减

小，柴油机在高原工作进气流量减少，导致空燃比减小，燃烧恶化，进而造成柴油

机动力性、经济性下降，排放增加等问题，严重影响柴油机性能[2]。随着我国一

带一路战略的实施以及西部地区日趋严峻的周边环境，开展柴油机高原性能提升方

面研究对我国具有十分重要的意义[3]，而增压技术是提升柴油机高原性能的重要

手段之一。

普通废气涡轮增压器不能满足更高海拔范围内柴油机各项性能要求，其与柴油机的

匹配针对固定海拔，不能满足柴油机变海拔、全工况的需求[4-5]。可变截面涡轮

增压（VGT）可实现增压比的连续可控调节，提高柴油机的高原环境适应性。同样

受限于自身流量和压比限制，在更高的海拔范围内，单级VGT无法满足柴油机性

能要求。二级可调增压通过对进气连续两次增压，能够达到更高的增压压力，且高

压级转动惯量小，瞬态响应速度快[6]，但二级可调增压系统结构的复杂性对控制

系统提出了更高的要求。

增压器结构确定情况下，其性能优劣取决于控制系统好坏。传统PID控制已实现

了应用，并在平原能够控制增压器使发动机稳态工作正常，但发动机大部分工作时

间都是处于变化的环境与工况当中，这就对控制系统提出更复杂的要求。通过改进

柴油机二级可调增压控制可以改善燃烧，提高柴油机经济性、动力性，降低碳烟、

NOx的排放。针对两级增压控制系统研究主要有控制策略研究及多系统协调控制

研究两个方面。

1高海拔增压系统控制策略研究现状

随海拔的升高，环境大气压力降低，导致涡轮排气背压降低，进而导致涡轮膨胀比

增加，涡轮做功增加，压气机压比上升[7]，柴油机在不同转速下，达到目标增压

压力所需能量变化值与涡轮端由于排气背压降低所带来的膨胀功变化关系不确定。

此外，发动机工况时刻变化，由于增压器本身的迟滞性，都对增压控制提出更高的

要求，国内外学者针对控制策略与控制算法进行了深入的研究。

1.1平原增压系统控制策略

国外平均海拔在2000m以下，增压器控制策略研究主要集中在平原条件下提升

柴油机动力性、经济性和排放特性，控制参数主要包括VGT叶片开度、涡轮旁通

阀开度及增压压力等。不同单位针对各类型二级可调增压系统、控制目标提出多种

控制策略，见表1。国内外学者的研究以传统PID及其改进型控制方法为主，较

为有代表性的如BurattiR[8]提出了一种基于模型的增压压力控制策略，针对不同

工况分别采用不同控制策略，稳态工况采用PI控制，瞬态工况采用PD控制，明

显改善了发动机性能。上海交通大学刘博[9-10]针对带放气阀的两级固定截面涡轮

增压（WGT+WGT）系统，提出基于响应速度开环前馈与基于增压压力的PID闭

环反馈结合的控制方法。

表1二级增压可调增压系统不同控制策略（0海拔）?

从表1中可以看出，针对平原增压系统控制策略研究主要采取PID控制，随着排

放法规日趋严格，智能控制算法逐渐应用于平原增压系统控制，如线性二次型高斯

法控制（LQG）、内模控制和模型预测控制（MPC）等算法都开始在增压控制方

面有所应用。PaulDickinson[24]提出了实施模型预测控制，针对VGT瞬态工况

控制算法进行了研究，瞬态工况下实时模型预测控制相比PID升压时间减少45%。

综上所述，PID控制在平原增压系统控制策略中已经较为成熟，为进一步提高增压

系统响应速度、经济性及降低排放，智能控制算法将会更多应用于平原增压系统控

制。

1.2高原增压系统控制策略

进气流量不降低是柴油机高原环境性能不下降的前提。试验发现，海拔低于3000

m时，海拔的影响基本可以通过增压器本身补偿能力弥补。国内针对0～5500m

海拔不同类型增压系统进行了研究。相对于平原增压系统控制策略，高原条件下更

加复杂，是一个综合考虑进气压力、进气温度、发动机转速、负荷的多输入多输出

的非线性控制问题，国内外高海拔二级增压可调增压系统不同控制策略研究见表2。

表2高海拔二级增压可调增压系统不同控制策略研究单位（人员）海拔/m增压

系统控制目标控制策略瓦伦西亚大学0～2000并联式WGT平稳过渡面

工况分为五个区，不同海拔分区不同增压压力PID闭环反馈控制+开环控制；标定

不同海拔面工况涡轮旁通阀开度MAP陆军军事交通学院0～5500VGT+WGT

增压压力瞬态响应时间最短北京理工大学0～5500WGT+WGT空燃比不变

增压压力PID闭环反馈；涡轮旁通阀随海拔增加逐渐关闭上海交通大学0～4500

WGT+WGT4500m功率恢复至平原85%比较了瞬态工况下三种VGT叶片开度

调节策略

瓦伦西亚大学o[25]针对0～2000m海拔发动机工况波动，设计了对应

的一维波动模型，通过预测函数，实现不同工况平稳过渡。北京理工大学刘系暠

[26]设计了两级WGT增压系统，针对稳态工况进行了研究，提出了针对0～5500

m旁通阀调节策略。上海交通大学李华雷[27]为提高不同海拔下二级可调增压系

统增压压力的瞬态响应特性，采用增量式闭环PID控制，以防止积分饱和，运用

归一化参数整定法对PID参数整定。仿真表明，相比开环控制策略，该增量式闭

环PID控制策略使柴油机的瞬态响应时间少，超调量减小，海拔4500m响应时

间减少32.6%，柴油机与压气机联合运行线处于压气机MAP图效率较高区，且远

离喘振线。利奇[28]将海拔因素考虑进PI参数整定中，有效防止积分饱和。从稳

态工况抗干扰能力（脉冲信号和阶跃信号）、瞬态工况下响应时间和超调量等角度，

分析比较了三种控制策略（开环控制、PI+前馈的闭环控制、增压压力PI反馈控

制）的鲁棒性、准确性和快速性。张宝川[29-30]通过耦合仿真研究了PID控制参

数对系统的响应特性与稳定性的影响。张慧龑[31]研究了变海拔条件下可变喷嘴开

度控制策略，在全工况范围内，随海拔的升高，柴油机对应工况点的喷嘴环开度逐

渐减小。

针对现有VGT+VGT和WGT+WGT两级增压系统，分别存在调节范围窄和控制

过于复杂的问题。刘瑞林[32-34]提出了高原型VGT+WGT两级可调增压方案，

以增压压力瞬态响应时间最短为控制目标，比较了瞬态工况下三种VGT叶片开度

调节策略优劣。

由表2可以看出，针对高原增压系统控制策略的研究主要集中在PID控制及稳态

开度MAP标定，传统PID控制比例、积分和微分系数都是固定的，不能根据柴油

机工况进行自整定。改进型PID是为实现PID可调而设计出的控制方法。试验与

仿真结果表明，参数可调PID在不同海拔增压系统控制中能改善发动机性能。先

进控制算法已经逐渐应用到平原条件下柴油机二级可调增压控制中，与平原条件相

比高原变量个数增加，变化幅值增大，PID控制本身的局限性将不能满足消费者要

求与日益严格排放法规。借鉴平原条件下柴油机先进增压控制方法，进一步改善柴

油机高海拔性能是下一步重要发展方向。

2高海拔多系统协同控制策略研究

柴油机控制属于多系统、多参数高度耦合控制问题。柴油机主要子系统包括：增压

系统、喷油系统、废气再循环（EGR）系统等，这些系统之间存在强烈耦合。单独

考虑任何系统显然无法实现精确控制，国内外主要针对与增压系统耦合关系最明显

的喷油、EGR系统进行了深入的研究。

2.1平原多系统协同控制策略

传统控制方法忽略了各系统的耦合特性而通过独立回路分别控制，这种方法显然难

以获得理想控制效果。具有可行性的控制算法或者控制器需要保证稳态工况控制参

数尽量趋近于其目标值，并能够抵御各种干扰。瞬态工况中可以减少变化的过渡时

长，尽量减少超调、发散和不稳定情况出现。传统PID控制具有算法简单、易于

移植、技术成熟可靠等优点，作为增压压力的控制算法，在WGT、VGT和VGT-

EGR耦合系统[35-36]中应用广泛。

近年来，柴油机多系统协同控制受到国内外科研机构的重视，最具代表性的如博格

华纳公司[37]针对双EGR耦合VGT系统采用进气压力与EGR率反馈控制策略，

以降低泵气损失，并提高压气机效率。国内北京理工大学杜巍[38]以最佳燃油经济

性为目标，计算了外特性条件下废气旁通阀开度与喷油提前角对柴油机性能的影响

规律，得到两者的优化匹配规律。各单位的研究内容见表3。

从表3可以看出，多系统协同控制主要采取多种控制策略相结合或某种较为先进

的控制算法，控制目标主要集中在降低排放、提高经济性及响应速度。基于上述任

一多变量控制方法所构建的控制器，都可以实现对多输入、输出系统的控制，两级

可调增压系统本身所具有的延迟性、非线性等特点使之更容易接受MPC控制。除

此之外，MPC控制方法可以结合其他算法或理论，如神经网络、模糊控制等，在

柴油机多系统协同控制方面具有很大的发展空间。

表3柴油机多系统、多参数协同控制比较（0海拔）?

2.2高原多系统协同控制策略

随海拔的升高，大气压力降低，进气环境发生改变，多系统协同控制更为复杂。目

前针对高海拔柴油机多系统协同控制研究较少，针对增压与喷油，增压与EGR都

有待进一步研究。

上海交通大学李华雷[52]针对带旁通阀的两级WGT存在高海拔个别工况下增压器

效率下降和泵气损失增加的问题，提出喷油补偿与涡轮旁通阀控制相结合的控制策

略控制增压压力。张立夫[53]基于二级可调增压柴油机仿真模型，开展不同过量空

气系数和喷油量工况下柴油机高原性能仿真计算。结果表明，在海拔4500m条

件下，采用两级可调增压系统，并结合油气协同控制，柴油机扭矩和功率可达到

100%恢复。

北京理工大学刘系暠[26]在海拔0～5500m范围内，建立以增压压力为反馈量的

PID控制器，动态调节涡轮旁通阀开度与循环喷油量。李长江[54]针对不同海拔下

转矩突降问题，通过研究增压系统旁通阀和喷油提前角调节特性，设计了瞬态工况

压气机旁通阀晚关和延迟喷油两种控制策略。朱振夏[55]提出了“边界适应度归零”

的惩罚参数取值方法，搭建了遗传算法与柴油机性能仿真耦合优化模型，并对喷油

参数和压气机转速分别进行优化。

昆明理工大学陈贵升[56]为提升二级可调增压柴油机高原适应性，并降低排放，采

用高压级涡轮VGT叶片开度与EGR率协同控制，并耦合后喷策略。王俊[57]通过

遗传算法优化不同海拔条件下VNT/EGR耦合控制，改善柴油机在高海拔、全工况

范围内的经济性与排放性。狄磊[58]基于柴油机热力学模型，在0～4000m海拔，

分别研究了VGT叶片开度和后喷策略（后喷量、主后喷间隔）对柴油机进气特性、

燃烧过程、能量流向和排放的影响规律。

以上几篇文献均是基于二级可调增压控制参数优化基础上，对固定海拔下喷油参数

进行优化。随着供油参数的改变，压气机联合运行线必然发生变化，以上研究并未

真正实现高海拔下增压控制参数与喷油参数的协同优化。陆军军事交通学院梁志峰

[59]进行了变海拔柴油机增压与喷油系统控制参数协同标定仿真研究，分析VGT

叶片开度、喷油提前角与喷油量三者协同调节对空燃比、最高燃烧压力和转矩的影

响。结果发现，一定程度上增加VGT叶片开度与喷油量，同时减小喷油提前角，

可有效避免最高燃烧压力过高同时提升转矩。

3高海拔柴油机两级增压控制发展趋势

上述研究反映了国内外柴油机二级可调增压及其与其他系统协同控制策略与控制方

法方面的研究状况。西方发达国家的地理特点，使其对增压控制方面研究集中在

3000m以下，而我国特殊高原环境及国家安全与发展战略决定必须开展3000m

海拔以上的研究。结合现阶段研究情况，高海拔二级可调增压控制还需在以下几个

方面深入研究。

3.1两级可调增压系统高海拔先进控制方法研究

目前针对高海拔下柴油机及增压系统瞬态工况控制算法一般采用开环控制、闭环控

制、PID等传统的控制算法，但随着海拔的升高，大气压力和大气温度对控制过程

的影响是必须考虑的因素，PI控制易出现积分饱和问题，达不到高海拔柴油机瞬

态过程控制效果。因此，在未来高海拔柴油机及增压系统瞬态控制算法开发中，应

借鉴当今航空发动机、人工智能领域先进的控制思想和控制算法，提升控制精度和

鲁棒性，减少瞬态过程增压压力响应时间和转矩的波动性。对不同先进控制算法的

比较分析见表4[60]。

由表4可以看出，传统PID控制及改进型只具有较高鲁棒性，其他控制理论也存

在收敛速度、多目标控制能力、非线性特性一项或多项水平较低的问题。国内外学

者为了改善控制系统的跟踪和抗扰等特性，将自适应技术、滑模变结构控制、智能

控制（模糊控制、神经网络控制）等一系列先进的控制算法融入到传统的控制技术

中，将是未来高海拔二级可调增压系统控制算法的发展趋势。

3.2高海拔多系统、多参数协同控制

瞬态优化控制更强调操纵灵活性，更重视排放及燃油经济性。柴油机瞬态工况下，

进气-喷油-燃烧相互影响，为了同时优化瞬态工况下柴油机的多个目标参数，需要

协同控制二级可调增压系统、喷油系统、进排气门和EGR等多个子系统，实现瞬

态工况下多变量控制，多目标优化。因此柴油机高海拔多系统、多参数协同控制是

增压系统控制的重点研究方向。张众杰[61]针对高海拔条件车用柴油机提出的多系

统、多参数协同控制方案如图1所示。其中采用的二级可调增压系统高、低压级

增压器均为VGT，实现柴油机变海拔瞬态过程中增压压力自适应控制，与喷油系

统、EGR系统、排气门协同控制，全面优化柴油机高海拔各项性能指标。

表4先进控制算法比较分析注：“+”的多少分别表示改善或恶化的程度?

图1变海拔柴油机瞬态工况下多系统、多参数协同控制路线

4结语

文中总结了高海拔增压系统策略和多系统协同控制策略的研究现状，最后分析了高

海拔二级可调增压控制发展趋势。

1）借鉴平原条件下柴油机先进增压控制方法进一步改善柴油机高海拔性能是高海

拔增压系统控制策略下一步重要发展方向。

2）高海拔柴油机多系统协同控制方面具有很大的发展空间。

3）将先进控制算法融入到传统的控制技术中，将是未来高海拔二级可调增压系统

控制算法的发展趋势。

4）柴油机高海拔多系统、多参数协同控制是增压系统控制的重点研究方向。

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