解決可變截面渦輪增壓器喘振問題的研究

引言：現代國內外乘用汽車柴油發動機幾乎全部采用進氣增壓器的方式，應用最廣泛的是廢氣渦輪增壓器。渦輪增壓器的型式主要有放氣閥式渦輪增壓器（WGT）、可變截面渦輪增壓器（VGT）、多級增壓器等。可變截面渦輪增壓器由于其較寬的流量范圍、不同工況的多適應性、較高的性價比，越來越受到各柴油機廠的親睞。在增壓器給發動機帶來明顯動力提升的同時，也伴隨著一些本身的質量問題，其中增壓器喘振是諸多增壓器問題中普遍存在的一項問題。文章將通過一個簡單的實例，對相關的控制策略進行一個簡單的分析，供增壓器設計及試驗人員參考。

雖然可變截面渦輪增壓器在乘用車市場應用越來越廣泛，但相對于普通放氣閥式渦輪增壓器而言在成本和故障率上同樣存在著一定的劣勢，開發成本較高、開發周期較長。一款柴油發動機在搭載不同車輛時，會由于車輛進氣系統的差異或動力性的需求不同對增壓器控制和增壓壓力的需求也不同，這樣就有可能出現某款車型出現增壓器喘振的問題。為了節省開發成本、縮短開發周期，一般主機廠會采取優化ECU控制策略來解決此問題。因此，在不損失車輛動力性、不更改增壓器硬件設計的條件下，通過優化ECU標定控制策略，控制不同工況下VGT噴嘴環的開度、EGR閥的開度來解決VGT的喘振問題是每個柴油機標定人員一直研究的工作。

一、問題描述

國內某自主品牌一款自動檔SUV搭載2.0L柴油發動機，在車輛行駛過程中，個別工況出現急加速收油門增壓器喘振的問題，嚴重影響車輛的駕駛舒適性。

二、原因分析

（一）增壓器喘振問題的機理

車輛在行駛過程中，由于工況或負荷的變化導致增壓器進氣流量突然變小，當壓氣機的流量小到一定值后，氣體進入工作葉輪和擴壓器的方向偏離設計工況，葉片背面氣流出現分離并且不斷擴大，同時產生強烈的脈動并有氣體倒流，引起壓氣機氣流的流量、壓力出現波動，導致壓氣機產生強烈的振動并發出異常的響聲

（二）ECU數據測量、分析

通過監控發動機ECU參數確認增壓器問題真因。通過監控在出現喘振問題時的進氣流量及增壓壓力發現，當車輛在急加速收油時，發動機噴油量迅速減小至零，進氣流量有原來的160g/s減小到17g/s，下降了越10倍，但增壓壓力變化不大，只由原來的2.3bar減小到2.1bar。導致進氣流量變小的原因為：發動機由于快速斷油，渦輪端做功能力減小，增壓器轉速迅速降低，同時由于增壓后管路中高的增壓壓力無法快速卸掉，給壓氣機葉輪一個反作用力，這樣導致了進氣流量過小，出現增壓器喘振的問題。

（三）明確真因

通過以上數據分析，確定導致增壓器喘振問題的原因為收油門時增壓器后壓力無法迅速卸掉，影響進氣流量。

三、解決對策

根據以上原因分析，初步制定以下兩項解決對策：降低增壓壓力需求值、優化VGT及EGR控制策略。

（一）降低增壓壓力需求值

通過降低增壓器壓力需求，來實現減小增壓比的目的，這樣的措施是會犧牲車輛的動力性，也失去了VGT可變截面增壓器的設計理念。將增壓壓力需求值減小到增壓器無喘振后，車輛動力性下降了越30%，此方案不可行。

（二）優化VGT及EGR控制策略

優化VGT及EGR控制策略的理念是：在車輛加速收油門時，讓進氣管路中高增壓壓力快速通過排氣側排出。保證排氣通暢的方式有：加大VGT渦輪噴嘴環的開度，降低發動機排氣阻力；開啟EGR閥，使進氣管路的空氣通過EGR閥排出。

控制策略簡述：首先，根據發動機轉速門檻值、扭矩門檻值、轉速變化率、進氣流量變化率來確定增壓器出現喘振的工況，在滿足特定的條件下激活防喘振的策略。其次，通過控制VGT的噴嘴環開度、EGR開度來實現降低增壓壓力。

標定測試方法：

1.防喘振策略激活條件標定：在不同的檔位、不同的路況、不同的環境條件下駕駛車輛，持續監控ECU數據，綜合所有易出現喘振的工況條件來標定激活條件；

2.VGT、EGR開度掃描：激活條件標定完成后，找出適當的VGT及EGR開度組合。將VGT開度、EGR開度從0至100分別等分10份進行排列組合，然后在車上分別驗證，找出最優的排列組合；

3.防喘振策略結果驗證：標定完成后，駕駛不同車輛在不同環境條件下（低溫、高溫、高海拔）、不同路況（市區工況、市郊工況、高速路、平路、顛簸路、山路等）進行充分驗證。

四、案例總結

各整車廠在解決增壓器喘振問題時，出于開發費用和周期考慮一般優先采用優化控制的方法。本文講解的案例主要闡述了如何確定喘振的真因、防喘振策略的簡單描述、具體的標定和驗證方法，這些方法已應用過很多實際項目，實用性很強，對增壓器標定人員有很好的指導作用。

五、小結

增壓器喘振是壓氣機的固有特性，是沒有辦法從根本上解決的，尤其是車輛進排氣系統變化較大時，如果增壓器的控制不進行調整，會出現很多不匹配的問題。針對增壓器的防喘振策略也需進行相應的調整，這樣才能保證增壓器的正常使用。增壓器標定人員在進行防喘振標定后，需進行充分的驗證。本文針對VGT及EGR的防喘振策略進行了描述，希望對廣大標定人員起到一定的幫助。

參考文獻

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