2 渦輪發動機的控制技術

2.1 渦輪系統

在SKYACTIV-G 2.5T發動機上，馬自達第一次使用了電子排氣旁通閥和進氣旁通閥。傳統機械式閥門必須根據進氣管的壓力設定來工作，使用會受到一些局限性，電子式閥門不受物理性制約，能夠在很廣泛的區間內運行，因此，現在主流廠商都會使用電子式閥門。另外，在中冷器和節氣門之間設置壓力傳感器，通過監測壓氣機后端的壓力，實現對渦輪壓力和排氣背壓的控制。

2.2 控制技術

馬自達在SKYACTIV-G 2.5T發動機上新開發了一套壓氣機/渦輪控制模型、增壓和S-VT/EGR閥門的協同控制邏輯、排氣旁通閥控制邏輯、掃氣量預測邏輯，在下面會逐一介紹。

(1) 壓氣機/渦輪控制模型

在之前的馬自達SKYACTIV-G發動機上，發動機控制單元會根據駕駛員踩油門的力度來提供合適的驅動力，這個目標驅動力參數反映在發動機上就是當前轉速下的目標扭矩，然后再根據目標扭矩換算目標充填效率（進氣量），更進一步計算流經進氣歧管的空氣量。簡單來說，對于渦輪增壓發動機，就是依靠控制壓氣機后端壓力值和進氣歧管內壓力值，來分析控制進氣量，從而提供合適的驅動力。詳細運行流程如圖13所示，首先人踩下油門（accelerator），PCM（ECU）根據油門踩下的深度和速度以及當前車速以及其他相關輔助單元信號（電瓶是否要充電？空調狀態？大燈？等等）來計算目標扭矩（Target torque calculation）和目標充填效率（target charging efficiency）,從而根據空氣模型得到需要的進氣歧管流量（Target intake manifold air mass）；知道了進氣歧管流量后，我通過目前的空氣流量和進氣歧管溫度和其他諸如大氣壓力的參數來計算目標空氣流量（Target air flow）和需要的增壓壓力(Target boost pressure)，得到節氣門前端目標壓力；進一步，我通過以及標定好的壓縮效率map和進氣溫度等參數，計算需要的壓縮驅動力；然后根據渦輪前后壓力差和排氣溫度等參數，計算我需要的流過渦輪的廢氣流量（Target gas flow to turbine）和排氣旁通閥的流量（Target gas flow to wastegate），計算我需要打開旁通閥的角度，由此，一套模型計算完成了。

為了精確控制壓氣機后端壓力，就必須建立一套壓氣機/渦輪控制模型，只有建立了這套數學模型才能夠編程實現控制。

首先，壓氣機后端的壓力值是由壓氣機的工作量決定的，壓氣機的工作量又是由渦輪提供的，他們是相等的。這里，壓氣機的工作量Lcd的公式為式1，渦輪工作量Ltd的公式為式2。壓氣機和渦輪的平衡公式如式3。

……公式1

Ra：進氣氣體常量

ka：進氣比熱容

T1：壓氣機上游溫度

Ga：壓氣機流量

P2：壓氣機上游壓力

P1：壓氣機后端壓力

……公式2

Ra：排氣氣體常量

ka：排氣比熱容

T1：渦輪上游溫度

Ga：渦輪流量

P2：渦輪上游壓力

P1：渦輪后端壓力

……公式3

nc：壓氣機效率

nt：渦輪效率

公式內容比較復雜，簡單來說，就是我要控制壓氣機后端壓力的話，我就要先控制流經渦輪的廢氣流量。如果實際的排氣氣體比需要引入的廢氣量多的話，就要控制排氣旁通閥把不需要的廢氣導出，這個排氣旁通閥開的大小就要根據需要氣體的比例來計算。同時，預測值和實際值肯定有偏差，所以裝了一個壓力傳感器，通過反饋來實時調整目標增壓系數。

關于這個系統的運行流程為，行車電腦根據駕駛員油門踏板的程度，自動演算壓氣機后端所需要的壓力，然后控制排氣旁通閥，對流過渦輪的廢氣進行控制，調整進入燃燒室的空氣量。至于如何規避海拔與環境溫度的影響，可以通過后面的S-VT和EGR的協調控制來實現。

S-VT：馬自達的可變氣門正時控制系統，同VVT。

另外，在某些不需要渦輪增壓的巡航工況下，考慮到排氣背壓，會打開部分排氣旁通閥，減少泵氣損失，提高燃油經濟性。自動變速箱在變速時或者駕駛員要減速時，排氣旁通閥會關閉，保持壓氣機壓力在某設計闕值以上，保證隨后有加速需要時能夠瞬間響應。

(2) 增壓和S-VT/外部EGR間的協同控制

駕駛員需要急加速的時候，有可能存在實際廢氣流量不足導致增壓不夠的情況（這個就是很多主機廠的發動機存在渦輪遲滯現象的原因之一）。在前文中計算出所需的流量后，為了補充這部分廢氣流量，S-VT和EGR控制閥的工作與正常模式下有所區別。

A．S-VT協同控制

當發生排氣流量不足的情況下，先計算出單位氣門打開時刻下進入氣缸的空氣流量速度，然后判斷所需要追加的空氣量，通過對S-VT可變氣門的調整，進氣門提前打開，補充這部分進氣量。

另外，通過增加進氣量提高有效壓縮比，要求的點火角會推遲，導致排氣溫度上升。利用這個排氣能量讓渦輪的工作能力得到提高。但是，點火角推遲后，熱效率降低，扭矩也會降低，所以S-VT時刻的變化量有一個限度，需要經過大量標定來確認。

B．外部EGR協同控制

在外部EGR導入的駕駛工況下，一般來說，會對排氣門流出的尾氣進行分配，多少量流經渦輪增壓器，多少量流經EGR。當需要流經渦輪增壓器的排氣不足時，會通過計算調整EGR控制閥，改變閥門的開度，將EGR的流量有限供給渦輪增壓器，如圖15所示。

通過上述渦輪壓力和S-VT/外部EGR相互間的協同控制，實際渦輪增壓和目標高度吻合，實現了駕駛者隨心所欲的駕駛。如圖16紅色所示，當加速踏板位置瞬間到25%時，在帶有S-VT協同控制下，通過提前打開進氣門，增壓壓力得到提高（進氣量提高），扭矩的響應變快了。

同理，如圖17紅色所示，在某些急加速工況下，本來正常打開的EGR閥被強制關閉，優先確保尾氣進入渦輪中，提高進氣效率，扭矩輸出得到提高。

（3）排氣旁通閥控制

排氣旁通閥最大的作用時防止壓氣機的激振導致的機械噪音和壓氣機的損壞。激振時由于氣體流動路線不穩定發生的自激振動，主要受到壓氣機前后的壓力差還有流過壓氣機的空氣流量影響。

因此，SKYACTIV-G 2.5T做了一個讓排氣旁通閥時刻運行的閉環控制邏輯，時刻保持壓氣機后端的壓力，提高加速時扭矩輸出的響應性。

（4）掃氣量預測邏輯

在前面硬件設計中提到，這款發動機采用的4-3-1排氣管加上排氣旁通閥的結構，提高了低轉速的扭矩。通過進排氣門的氣門重疊角（overlap），讓新鮮空氣直接流到排氣管中，積極的利用掃氣效果，如圖18所示。

為了控制氣缸內的空燃比，必須要對氣門重疊角中掃氣量進行預測。因此，設計了一套預測邏輯，其原理為獲取進排氣門的截面面積、進排氣門壓力差，氣門重疊角的實際開閉實際，大氣壓力等參數，通過標定計算模擬出這個控制系統。

2.3 控制模型可靠性驗證

對于發動機的研發來說，一個新的系統，必然要設計一套控制邏輯，但是理論往往很抽象，不能真實反映實際情況。一般在開發早期，對模型進行建模，通過 Simulink 分析邏輯上是否有BUG，然后給出一套參數化基礎模型，這個模型必然很多參數是缺失的，所以，為了讓模型邏輯實用化，必須對設計的控制邏輯進行訓練，驗證其可靠性。

（1）增壓控制邏輯驗證

馬自達在對控制系統的開發中，主要用臺架進行控制模型的驗證，包括一臺發動機，各種傳感器，油門等標準化模型，并且在臺架上精確仿真實際駕駛工況。針對增壓控制系統的驗證，為了全面可靠的進行，必須先對影響渦輪系統的各個因素進行定量，具體來說，包括但不局限于渦輪的效率、旁通閥的流量特性等，使用控制變量法，對某個變量進行下限至上限的調整，獲取零件的關鍵參數，從而制定出常量系數。并且，會進行各種各樣運行工況的模擬，訓練系統的可信度。在臺架上進行完整全面的模擬后，得出該系統足夠可信時，再進行整車試驗，大幅度縮短了驗證時間。具體設定的時間是漫長的，需要標定工程師做大量的工作，并且，標定的質量直接決定了這套算法的可信度，這塊，也是一個難點。

（2）掃氣量預測驗證

對于掃氣量的預測，采用非色散紅外吸收法（NDIR：Non-dispersive infrared absorption method）進行掃氣氣體測量，在臺架上測得大量數據之后，對其進行模型自學習，對模型中的系數進行逆推，制作出標定用map，通過NDIR的重復性再現性驗證，得到誤差在1%的范圍內，大幅度縮減了開發周期。如圖19所示，橫軸為進氣歧管壓力，縱軸為旁通閥打開角度，紅色為控制模型計算值，藍色為實測值，這款發動機在不同的進氣壓力下，控制模型的計算與實測幾乎一致，具有很高的可信度。

2.4 小結

對于渦輪增壓發動機來說，最難的就是保證加速的線性。自然吸氣發動機其進氣相對結構簡單，空氣模型預估具有可控性；但是渦輪增壓發動機進氣的組成單元復雜，相互間受到的影響很大，實際進氣量和目標進氣量難以吻合。這也就是很多品牌都有渦輪增壓發動機，但是加減速很難控制，感覺油門不跟腳的原因。馬自達為了讓渦輪增壓發動機和自然吸氣一樣的線性，在發動機控制上、空氣模型建立上投入了很多精力。當然，這些都是看不見的領域，我們從外界也很難了解。本文就是對其做一個簡單的介紹，供大家參考交流。