渦輪增壓器瞬態響應性的影響因素

摘要：為快速評價增壓器瞬態響應性，以汽油發動機的電磁閥氣動式旁通控制的渦輪增壓器為例，從發動機標定參數、外圍相關零部件及裝配、增壓器運動機構遲滯三方面分析影響渦輪增壓器瞬態響應的主要因素，提出轉矩斜率臺架快速評價方法。結果表明：采用比例積分微分（proportional integral differential，PID）預控策略，電磁閥占空比偏置為2.5%～5.0%對增壓預控的結果影響較大；增壓系統積分時間常數偏差系數大于0，增壓壓力有欠調趨勢；增壓系統積分時間常數小于0，增壓壓力有超調趨勢；廢氣旁通閥關閉裕度比較適宜的區域為-0.05～0.20 mm；轉矩斜率方法操作性強，可在發動機臺架上快速評價增壓器瞬態響應性能。

關鍵詞：渦輪增壓器； 瞬態響應；PID預控；關閉裕度；轉矩斜率

中圖分類號：TK417文獻標志碼：A文章編號：1673-6397（2023）04-0013-07

引用格式：劉曉東.渦輪增壓器瞬態響應性的影響因素［J］.內燃機與動力裝置，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

在內燃機技術向小型化、高效化發展的趨勢下，對比傳統自然吸氣方式，發動機渦輪增壓技術提高了內燃機動力性、經濟性，減少了污染排放，得到廣泛應用。采用渦輪增壓技術后，汽油機熱效率提高了將近20%，柴油機熱效率提高了40%[1]。發動機運行工況復雜，瞬態工況占比較大，要求氣路、油路、火路能夠根據工況變化及時、快速響應。渦輪增壓器通常存在反應遲滯的缺點，即增壓過程不能根據發動機轉速和負荷的變化快速響應，影響發動機性能。在工程應用中，若渦輪增壓器壓力不能達到目標壓力，瞬態響應不良，可能造成發動機故障，因此增壓器瞬態響應性是評價增壓器性能的核心要素。

劉必華等[2]分析了汽油機節氣門和廢氣旁通閥對增壓汽油機瞬態特性的影響，研究了廢氣旁通閥的結構參數對發動機瞬態響應的影響程度，為廢氣旁通閥的結構設計提供了理論指導。馬朝臣等[3]通過分析內燃機瞬態響應與渦輪遲滯之間的關系，提出了一種獨立評價渦輪增壓器瞬態響應性的測試方法。倪計民等[4]采用比例積分微分（proportional integral differential，PID）對旁通閥控制策略進行優化，明顯縮短了汽油機中、高轉速時的瞬態響應時間，且汽油機增壓壓力與增壓器轉速都在安全范圍。張正華等[5]對渦輪增壓器旁通閥預緊力設置狀態進行受力分析，采用曲率計算和最小二乘方法，得到旁通閥預緊力動態設置的位移方程，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態設置。

本文中以汽油發動機的電磁閥氣動式旁通控制的渦輪增壓器為研究對象，從發動機標定參數、外圍相關零部件及裝配、增壓器運動機構遲滯三方面分析汽油發動機渦輪增壓器瞬態響應性的主要影響因素，并提出轉矩斜率方法，快速評價增壓器瞬態響應性。

1 渦輪增壓器結構與瞬態響應性評價

1.1 渦輪增壓器結構

某汽油機渦輪增壓器主要結構如圖1所示，增壓器瞬態響應控制原理如圖2所示。

該增壓器采用電磁閥氣動式旁通控制，在真空比例電磁閥作用下，通過調節真空度實現廢氣旁通閥位移的改變，使其打開或關閉，實時調控增壓器壓力。渦輪增壓器壓力控制和調節的過程為[6-8]：1）發動機管理系統（engine management system，EMS）根據進氣模型換算目標增壓壓力，內置PID控制器根據壓氣模型、渦輪模型、廢氣旁通閥模型等計算電磁閥占空比，調節執行器壓力，控制廢氣旁通閥開度；2）進氣壓力傳感器將實際增壓壓力反饋給EMS，實時監測發動機運行工況，若實際增壓壓力和目標增壓壓力存在偏差，PID控制器根據偏差調節電磁閥占空比，通過調節執行器壓力，調節廢氣旁通閥開度；3）通過反復調節廢氣旁通閥開度，使實際增壓壓力調整至目標增壓壓力允許范圍；4）當系統壓力過高時，進氣泄壓閥自動打開，將多余的進氣重新返回到增壓器進氣管中，循環進入壓氣機，保持系統壓力平衡。

1.2 增壓瞬態響應性評價

經典控制理論采用零輸入階躍響應評價系統的瞬態響應特性，即從開始時刻到輸出達到系統穩態時的響應時間作為瞬態響應的評價標準。系統瞬態響應性評價曲線如圖3所示，其中，t為響應時間，x0（t）為系統響應時間函數，x0（t）=1.0代表系統穩定狀態，主要評價指標包括：上升時間tr，即從開始時刻到系統首次達到穩定狀態所用的時間；峰值時間tp，即從開始時刻到第一個峰值所用時間；最大超調量Mp，即第一個函數峰值與系統函數穩態值的差，如果欠調，Mp為負；調整時間ts，即從開始時刻到系統達到穩態所允許的誤差范圍內（根據評價指標的不同，誤差為±2%或±5%）所用的時間[7]。

結合工程應用，增壓器的瞬態響應性指從增壓器響應時刻開始，至達到目標壓力允許誤差范圍的響應時間?？紤]增壓系統遲滯性及不同廠家零件的差異，簡化其他參數的影響，通常tr =2～3 s，ts-tp≤3 s，Mp≤25 kPa，增壓器瞬態響應性診斷激活條件為廢氣旁通閥處于工作狀態，發動機轉速大于2 000 r/min，且增壓比大于1.20。發動機故障報警條件為實際增壓壓力和目標增壓壓力的差的絕對值大于25 kPa，即Mp＞25 kPa；實際占空比和目標占空比的差大于3%；且ts-tp＞3 s。

2 增壓瞬態響應性影響因素

發動機標定控制策略、外圍相關零部件及裝配、增壓器運動執行機構遲滯是影響增壓器瞬態響應性的主要因素。

2.1 發動機標定控制策略

通常采用PID算法作為發動機標定控制策略，控制系統的理想PID控制規律[8-10]為：

式中：t為響應時間；u（t）為PID控制器輸出量；e（t）為系統目標函數與實際函數的差；Kp為比例增益，代表系統的調整速率，與比例度成倒數，增大Kp，可減小誤差，但過大會造成系統不穩定；ti為積分時間常數，代表控制精度，反映系統的累積偏差，可消除系統穩態誤差；td為微分時間常數，對Kp、ti進行修正，反映系統偏差變化率，可預測系統偏差變化趨勢。

由于排氣周期波動及系統阻尼，增壓壓力通常存在滯后，基于電磁閥占空比預控結果，結合PID控制調整真空比例電磁閥占空比，實現增壓壓力輸出占空比的調節，從而影響廢氣旁通閥開度。電磁閥預控占空比過大，實際增壓壓力容易出現超調現象，動力過于突出，車輛出現聳動；預控占空比過小，實際增壓壓力容易出現欠調現象，動力過于延遲，加速遲滯；實際占空比和目標占空比差異較大且持續時間長，易觸發故障報警。

在開發某增壓發動機時，真空比例電磁閥占空比預控偏置量原始狀態與偏置狀態對比如圖4所示。采用發動機軟件開發工具INCA采集試驗數據如圖5所示，由圖4、5可知：電磁閥占空比預控偏置量為2.5%～5.0%對PID增壓預控結果產生較大的影響；黑色虛框內實際增壓壓力高于目標增壓壓力，且持續3 s以上；電磁閥占空比預控偏置后出現增壓超調現象。

滿油門負荷時，對比占空比預控原始狀態及偏置狀態下ti絕對偏差、壓力跟隨偏差與發動機轉速的關系如圖6所示。由圖6可知：增壓器預控占空比未超出最終穩態占空比時，ti絕對偏差大于0，即增壓預控占空比小于實際需求占空比，增壓壓力欠調；增壓器的預控占空比超出最終穩態占空比時，ti絕對偏差小于0，即增壓預控占空比大于實際需求占空比，增壓壓力超調，此時車輛加速性能較好，但壓力差變化率增大，容易造成瞬態響應壓力報警故障；發動機轉速小于3 000 r/min時，增壓壓力持續上升，實際增壓壓力小于目標增壓壓力，不會出現超調故障；發動機轉速大于4 000 r/min時，容易出現超調故障。

2.2 外圍相關零部件及裝配

發動機增壓系統示意如圖7所示，外圍零部件失效及裝配因素（如真空泵真空度不足、真空比例電磁閥調節故障、真空管氣流擾動、進氣泄壓閥故障、增壓器裝配等）影響增壓瞬態響應性[11-12]。

2.2.1 真空泵堵塞

真空泵堵塞會造成真空度不足，影響執行器拉桿的動作，造成廢氣旁通閥位移出現偏差，瞬態響應出現偏差。常見失效原因主要有：1）使用不合格的機油或者過長時間未更換機油，發動機機油結焦膠化，造成真空泵潤滑油路過濾裝置堵塞，真空泵潤滑不良引起葉片卡滯或破損，導致真空度不足；2）制造過程中鋁屑卡在常閉彈簧下，總成真空腔排氣不暢，導致真空度不足。應使用規定型號的機油，并按時更換機油，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（打開或切斷）真空度信號傳遞給執行器，如果出現故障，影響執行器工作，造成廢氣旁通閥位移及瞬態響應出現偏差。常見失效原因主要有：1）電壓過高、電流過大或線圈老化造成電磁鐵線圈溫升過大，造成電磁鐵的輸出力不夠；2）異物導致閥芯卡住、閥門無法關閉或推桿導桿與銜鐵不同心，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致密封腔漏氣，氣密性不良。應確定電磁鐵線圈及密封圈選型，結合電路進行排查，同時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

真空管是真空度氣流傳遞的載體，若連接不良會產生泄漏，造成真空度不足；真空管材質選擇不當引起氣流的擾動，造成真空度不足。

原真空管材質為尼龍PA66，耐溫性好，成本低，但尼龍管吸收振動性能不足，如果車輛高速運轉，尼龍管內氣流擾動造成較大壓力脈動，導致真空比例電磁閥膜片破裂，真空度不足，無法控制執行器動作。應將管材由尼龍管改為橡膠管，同時優化真空管走向和管路截面積，在真空管吸收振動的同時消除氣流壓力脈動，減少氣流擾動，保護電磁閥膜片。

2.2.4 進氣泄壓閥失效

進氣泄壓閥有2種失效形式：關閉式、提前打開式（泄漏式）。進氣泄壓閥關閉式是指泄壓氣路不通暢，在節氣門關閉后不能正常泄壓，造成增壓管路過度加壓，極端情況下形成增壓器喘振；進氣泄壓閥提前打開式（泄漏式）造成增壓壓力滯后或不能達到目標，瞬態響應出現異常。常見失效原因主要有：電磁閥內部損壞、電路連接不良或插頭松動導致泄壓閥關閉；管路連接不良或管路內部泄漏造成密封不良。應檢查電磁閥線圈、電路連接、管路連接、密封圈等。

2.2.5 增壓器裝配不當

在增壓器裝配過程中，由于工裝夾具磨損，可能造成壓殼出口與蝸殼進口的相對角度出現偏移，當偏移超出公差時導致運動機構偏離，廢氣旁通閥不能完全關閉，瞬態響應出現偏差。因在增壓器生產線線末冷試臺架上不能充分識別該問題，應結合熱試臺架增加抽檢頻次。

執行器金屬管接頭和橡膠真空管連接時，可能出現連接松脫，真空管內無法形成真空。常見原因主要有：金屬管接頭凸起竹節過小，拉拔力不夠；金屬管和橡膠管連接過緊，為減小裝配力，涂抹油性潤滑劑，造成抗拉拔力不夠。應優化金屬管接頭凸起竹節，將油性潤滑劑改為水性潤滑劑。

2.3 增壓器運動執行機構遲滯

2.3.1 影響因素

增壓器運動執行機構遲滯影響因素如圖8所示。通常由于廢氣旁通閥關閉異常導致增壓器運動執行機構遲滯，造成增壓瞬態響應出現偏差。該故障在冷態下表現不明顯，但在熱態下表現比較突出。

2.3.2 模型分析

以電磁式氣動執行機構為例，系統組件如圖9所示。該機構由真空腔、彈簧、氣膜、拉桿、搖臂、轉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，執行器通過EMS調節廢氣旁通閥開度，實現增壓壓力控制[13-14]。

閥門關閉時，Fv>Fs+ Fwl1/l2；閥門打開時，Fv

2.3.3 關閉裕度

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下關閉良好，需要在廢氣旁通閥蓋與蝸殼旁通閥座平面間預留一定的間隙，稱為廢氣旁通閥的關閉裕度。關閉裕度

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。

關閉裕度的設計示意如圖10所示，圖10中d′為搖臂組件的活動間隙，一般為0.3～0.4 mm。

為使旁通閥組件徹底關閉，一般要求冷態關閉裕度d≥0 mm，考慮魯棒性及熱態材料膨脹，冷態下d應大于0.1 mm。如果d過小，廢氣閥與蝸殼旁通閥座平面之間產生干涉，無法完全關閉；如果d過大，廢氣閥和蝸殼旁通閥座平面之間有間隙，無法完全關閉；廢氣旁通閥d設置不當如圖11所示，d過小或過大均會引起廢氣泄漏，造成瞬態響應偏差。

d′受溫度、廢氣積碳堆積、制造公差累積產生變化，執行器在最大位移時，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，d=-0.05～0.20 mm時，不同d′對應的泄漏量均在信任區內（藍色虛框），為適宜范圍。

3 瞬態響應性評價方法

3.1 試驗方法

對增壓發動機進行臺架性能試驗，發動機滿足油冷、水冷、中冷器等冷卻調控，轉矩精度良好。用INCA軟件測量轉速、轉矩、油門踏板負荷[15]。常規熱機10～15 min，使發動機水溫為90 ℃左右，油溫高于120 ℃。結合測功機定轉速功能，發動機轉速分別為1 250、1 500、2 000、2 500、3 000、3 500 r/min時，油門開度在1 s內從0增加到100%，穩定15 s，松油門至開度為0，間隔60 s后進行下一輪試驗，每個轉速重復3次。采集不同轉速下發動機轉矩開始上升位置和最大拐點位置，計算單位時間內轉矩變化，評價渦輪增壓器瞬態響應特性。

3.2 數據處理

結合開發階段和日常生產所測數據，對約60輛同款發動機采用轉矩斜率k評價渦輪增壓器增壓瞬態響應特性，該款發動機k的判斷標準kb如表1所示，若發動機6個轉速下的k均大于等于對應評價標準kb，則判定瞬態響應符合要求；反之，若有1個轉速下的k小于kb，則判定瞬態響應不符合要求。

發動機轉速為1 500 r/min時，該增壓器k評價示意如圖13所示。由圖13可知：A點為轉矩曲線開始上升位置，B點為轉矩曲線最大拐點位置。

k=Δ（Tq）/Δ（t），（1）

式中：Δ（Tq）為B點對應的轉矩與A點對應的轉矩的差；Δ（t）為A點到B點的時間。

如圖13所示，試驗發動機在轉速為1 500 r/min時，Δ（Tq）=179.829 N·m，Δ（t）=3.18 s，k=56.55 N·m/s。轉速分別為1 250、2 000、2 500、3 000、3 500 r/min時，根據式（1）計算k分別為41.57、85.54、117.24、130.46、152.40 N·m/s。將數據結果與表1對比，各轉速均大于評價標準，判定該增壓器瞬態響應性合格。

4 結論

1）在PID預控中，電磁閥占空比預控偏置量為2.5%～5.0%對增壓預控的結果產生較大影響。當增壓系統積分時間常數偏差大于0，增壓壓力有欠調趨勢；當增壓系統積分時間常數偏差小于0，增壓壓力有超調趨勢。壓力超調故障一般在發動機轉速大于4 000 r/min的工況。

2）外圍相關零部件及裝配對增壓瞬態響應性的影響普遍存在，真空泵真空度不足、真空比例電磁閥調節、真空管氣流擾動、進氣泄壓閥故障、裝配不良等失效模式均造成影響。

3）關閉裕度過小或過大都造成廢氣旁通閥不能關閉良好，導致瞬態響應性降低；關閉裕度為-0.05～0.20 mm是比較適宜的區域。

4）采用轉矩斜率評價渦輪增壓器的瞬態響應特性操作性強，可在發動機臺架上對增壓器瞬態響應性做出快速有效評價。

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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

（責任編輯：胡曉燕）

收稿日期：2023-06-21

作者簡介：劉曉東（1974—），男，湖北鐘祥人，工程碩士，高級工程師，主要研究方向為動力總成設計與開發，E-mail：Liuxiaodong@dpca.com.cn。