不同海拔下柴油机瞬变工况与可变喷嘴涡轮增压器响应特性的协调控制研究

Due to the frequently changes of operating conditions and the lag of air system, the engine emission will worsen sharply under transient conditions. The air is thin at the high altitude, the problem become more prominent. Variable nozzle turbocharger (VNT) can not only improve the transient response of the internal combustion engine, but also meet the air admission requirement of diesel engine at different altitudes, while it also can prevent the occurrence of turbocharger over-speed phenomenon effectively at high altitude. This project will study the relationship of the engine performance with the engine operation parameters and combustion control parameters at different altitudes in allusion to high pressure common rail diesel engine equipped with variable nozzle turbocharger (VNT). Meanwhile, it will study the change rule of VNT’s dynamic response and the law of change with altitude. In addition, it will study the relationship and the effects on the power performance and economic performance when the diesel engine work with VNT together in different operating conditions and different operating environments (including high altitude) from the perspective of coordinated control, in particular with respect to the emission performance. The inherent relationship and coordinated control strategy will be hunted between diesel engine and VNT under transient condition at different altitudes. These studies will provide the theoretical support for the transient condition optimization of common rail high pressure diesel engine and VNT control strategy, as well as the coordinated operation between diesel engine and VNT.

由于内燃机工况的实时变更，加之空气系统的滞后性，内燃机在瞬变工况下的排放急剧恶化，在高原地区，空气稀薄，这一问题更加突出。可变喷嘴涡轮增压器（VNT）不仅能改善内燃机的瞬态响应，而且可以满足不同海拔下柴油机的进气需求，同时还能有效防止高原地区增压器超速现象的发生。针对匹配VNT的高压共轨柴油机，研究不同海拔下运转参数、燃烧控制参数对其性能的影响关系；深入研究VNT自身动态响应以及随海拔变化的规律；在不同工况、不同运行环境（包括高原环境）下，从协调控制的角度深入研究柴油机与VNT联合工作时对其动力性、经济性，尤其是瞬变工况对排放性能的影响关系与变化规律；寻找不同海拔下柴油机瞬变工况与VNT响应特性的内在变化关系与协调控制策略。为不同工况与不同海拔下的高压共轨柴油机瞬变工况优化、VNT控制策略以及柴油机与VNT的协调运行的提供理论支持。

运行在高原地区的柴油机面临着海拔升高，大气压力下降，进气量减少引起动力性和经济性下降，部分污染物增加等问题。VNT通过调节喷嘴环开度，不仅能够满足平原运行时不同柴油机转速的进气需求，而且可以适应海拔变化，满足不同大气压力下的进气需求，还能有效防止高原地区增压器超速现象发生。在VNT自身性能优良的条件下，充分发挥VNT的作用，其关键在是根据柴油机当前运行工况的需求，迅速有效地控制可变喷嘴环处于最佳的开度，这就需要研究喷嘴环开度与柴油机工况之间的最佳匹配关系。由于柴油机是一个多变量、时变的非线性系统，其瞬变过程涉及到复杂的流动、燃烧以及动力学等过程，瞬态性能明显偏离稳态工况，瞬态工况下VNT与柴油机的协调控制机理也将完全不同于稳态工况。在柴油机运行的瞬变过程中，空气系统存在滞后，VNT控制的优劣直接影响瞬时空燃比，进而影响柴油机在高原地区运行时的良好特性，为了获得柴油机在高原地区运行时的良好特性，并满足不同国家和地区针对运行在高原地区柴油机工作能力与排放的要求，基于项目组已有的研究基础和条件，提出了不同海拔下柴油机瞬变工况与VNT协调控制机理的研究内容，主要包括：根据柴油机的运行边界条件，进行高压共轨柴油机与VNT的匹配选型与研究；不同海拔下，试验研究稳态工况下不同VNT开度、EGR率、主喷正时、喷油压力等燃烧控制参数对整机动力性、经济性和排放特性的影响；不同VNT不同喷嘴环开度对燃烧过程、动力性、经济性和排放特性的影响；燃烧的各控制参数与VNT响应对发动机性能的影响关系与变化规律；不同VNT开度对排放特性与瞬态响应的影响；瞬态工况下，试验研究分析燃烧差异性、燃烧过程与瞬变工况的变化关系、海拔高度对瞬变工况的影响以及海拔高度对燃烧过程的影响。为运行在平原和高原地区的高压共轨柴油机与VNT的协调控制电机基础，不同工况与不同海拔下高压共轨柴油机瞬变工况优化提供基础支持，不同海拔下的高压共轨柴油机与VNT的协调运行提供一定的理论依据。