2 涡轮发动机的控制技术

2.1 涡轮系统

在SKYACTIV-G 2.5T发动机上，马自达第一次使用了电子排气旁通阀和进气旁通阀。传统机械式阀门必须根据进气管的压力设定来工作，使用会受到一些局限性，电子式阀门不受物理性制约，能够在很广泛的区间内运行，因此，现在主流厂商都会使用电子式阀门。另外，在中冷器和节气门之间设置压力传感器，通过监测压气机后端的压力，实现对涡轮压力和排气背压的控制。

2.2 控制技术

马自达在SKYACTIV-G 2.5T发动机上新开发了一套压气机/涡轮控制模型、增压和S-VT/EGR阀门的协同控制逻辑、排气旁通阀控制逻辑、扫气量预测逻辑，在下面会逐一介绍。

(1) 压气机/涡轮控制模型

在之前的马自达SKYACTIV-G发动机上，发动机控制单元会根据驾驶员踩油门的力度来提供合适的驱动力，这个目标驱动力参数反映在发动机上就是当前转速下的目标扭矩，然后再根据目标扭矩换算目标充填效率（进气量），更进一步计算流经进气歧管的空气量。简单来说，对于涡轮增压发动机，就是依靠控制压气机后端压力值和进气歧管内压力值，来分析控制进气量，从而提供合适的驱动力。详细运行流程如图13所示，首先人踩下油门（accelerator），PCM（ECU）根据油门踩下的深度和速度以及当前车速以及其他相关辅助单元信号（电瓶是否要充电？空调状态？大灯？等等）来计算目标扭矩（Target torque calculation）和目标充填效率（target charging efficiency）,从而根据空气模型得到需要的进气歧管流量（Target intake manifold air mass）；知道了进气歧管流量后，我通过目前的空气流量和进气歧管温度和其他诸如大气压力的参数来计算目标空气流量（Target air flow）和需要的增压压力(Target boost pressure)，得到节气门前端目标压力；进一步，我通过以及标定好的压缩效率map和进气温度等参数，计算需要的压缩驱动力；然后根据涡轮前后压力差和排气温度等参数，计算我需要的流过涡轮的废气流量（Target gas flow to turbine）和排气旁通阀的流量（Target gas flow to wastegate），计算我需要打开旁通阀的角度，由此，一套模型计算完成了。

为了精确控制压气机后端压力，就必须建立一套压气机/涡轮控制模型，只有建立了这套数学模型才能够编程实现控制。

首先，压气机后端的压力值是由压气机的工作量决定的，压气机的工作量又是由涡轮提供的，他们是相等的。这里，压气机的工作量Lcd的公式为式1，涡轮工作量Ltd的公式为式2。压气机和涡轮的平衡公式如式3。

……公式1

Ra：进气气体常量

ka：进气比热容

T1：压气机上游温度

Ga：压气机流量

P2：压气机上游压力

P1：压气机后端压力

……公式2

Ra：排气气体常量

ka：排气比热容

T1：涡轮上游温度

Ga：涡轮流量

P2：涡轮上游压力

P1：涡轮后端压力

……公式3

nc：压气机效率

nt：涡轮效率

公式内容比较复杂，简单来说，就是我要控制压气机后端压力的话，我就要先控制流经涡轮的废气流量。如果实际的排气气体比需要引入的废气量多的话，就要控制排气旁通阀把不需要的废气导出，这个排气旁通阀开的大小就要根据需要气体的比例来计算。同时，预测值和实际值肯定有偏差，所以装了一个压力传感器，通过反馈来实时调整目标增压系数。

关于这个系统的运行流程为，行车电脑根据驾驶员油门踏板的程度，自动演算压气机后端所需要的压力，然后控制排气旁通阀，对流过涡轮的废气进行控制，调整进入燃烧室的空气量。至于如何规避海拔与环境温度的影响，可以通过后面的S-VT和EGR的协调控制来实现。

S-VT：马自达的可变气门正时控制系统，同VVT。

另外，在某些不需要涡轮增压的巡航工况下，考虑到排气背压，会打开部分排气旁通阀，减少泵气损失，提高燃油经济性。自动变速箱在变速时或者驾驶员要减速时，排气旁通阀会关闭，保持压气机压力在某设计阙值以上，保证随后有加速需要时能够瞬间响应。

(2) 增压和S-VT/外部EGR间的协同控制

驾驶员需要急加速的时候，有可能存在实际废气流量不足导致增压不够的情况（这个就是很多主机厂的发动机存在涡轮迟滞现象的原因之一）。在前文中计算出所需的流量后，为了补充这部分废气流量，S-VT和EGR控制阀的工作与正常模式下有所区别。

A．S-VT协同控制

当发生排气流量不足的情况下，先计算出单位气门打开时刻下进入气缸的空气流量速度，然后判断所需要追加的空气量，通过对S-VT可变气门的调整，进气门提前打开，补充这部分进气量。

另外，通过增加进气量提高有效压缩比，要求的点火角会推迟，导致排气温度上升。利用这个排气能量让涡轮的工作能力得到提高。但是，点火角推迟后，热效率降低，扭矩也会降低，所以S-VT时刻的变化量有一个限度，需要经过大量标定来确认。

B．外部EGR协同控制

在外部EGR导入的驾驶工况下，一般来说，会对排气门流出的尾气进行分配，多少量流经涡轮增压器，多少量流经EGR。当需要流经涡轮增压器的排气不足时，会通过计算调整EGR控制阀，改变阀门的开度，将EGR的流量有限供给涡轮增压器，如图15所示。

通过上述涡轮压力和S-VT/外部EGR相互间的协同控制，实际涡轮增压和目标高度吻合，实现了驾驶者随心所欲的驾驶。如图16红色所示，当加速踏板位置瞬间到25%时，在带有S-VT协同控制下，通过提前打开进气门，增压压力得到提高（进气量提高），扭矩的响应变快了。

同理，如图17红色所示，在某些急加速工况下，本来正常打开的EGR阀被强制关闭，优先确保尾气进入涡轮中，提高进气效率，扭矩输出得到提高。

（3）排气旁通阀控制

排气旁通阀最大的作用时防止压气机的激振导致的机械噪音和压气机的损坏。激振时由于气体流动路线不稳定发生的自激振动，主要受到压气机前后的压力差还有流过压气机的空气流量影响。

因此，SKYACTIV-G 2.5T做了一个让排气旁通阀时刻运行的闭环控制逻辑，时刻保持压气机后端的压力，提高加速时扭矩输出的响应性。

（4）扫气量预测逻辑

在前面硬件设计中提到，这款发动机采用的4-3-1排气管加上排气旁通阀的结构，提高了低转速的扭矩。通过进排气门的气门重叠角（overlap），让新鲜空气直接流到排气管中，积极的利用扫气效果，如图18所示。

为了控制气缸内的空燃比，必须要对气门重叠角中扫气量进行预测。因此，设计了一套预测逻辑，其原理为获取进排气门的截面面积、进排气门压力差，气门重叠角的实际开闭实际，大气压力等参数，通过标定计算模拟出这个控制系统。

2.3 控制模型可靠性验证

对于发动机的研发来说，一个新的系统，必然要设计一套控制逻辑，但是理论往往很抽象，不能真实反映实际情况。一般在开发早期，对模型进行建模，通过 Simulink 分析逻辑上是否有BUG，然后给出一套参数化基础模型，这个模型必然很多参数是缺失的，所以，为了让模型逻辑实用化，必须对设计的控制逻辑进行训练，验证其可靠性。

（1）增压控制逻辑验证

马自达在对控制系统的开发中，主要用台架进行控制模型的验证，包括一台发动机，各种传感器，油门等标准化模型，并且在台架上精确仿真实际驾驶工况。针对增压控制系统的验证，为了全面可靠的进行，必须先对影响涡轮系统的各个因素进行定量，具体来说，包括但不局限于涡轮的效率、旁通阀的流量特性等，使用控制变量法，对某个变量进行下限至上限的调整，获取零件的关键参数，从而制定出常量系数。并且，会进行各种各样运行工况的模拟，训练系统的可信度。在台架上进行完整全面的模拟后，得出该系统足够可信时，再进行整车试验，大幅度缩短了验证时间。具体设定的时间是漫长的，需要标定工程师做大量的工作，并且，标定的质量直接决定了这套算法的可信度，这块，也是一个难点。

（2）扫气量预测验证

对于扫气量的预测，采用非色散红外吸收法（NDIR：Non-dispersive infrared absorption method）进行扫气气体测量，在台架上测得大量数据之后，对其进行模型自学习，对模型中的系数进行逆推，制作出标定用map，通过NDIR的重复性再现性验证，得到误差在1%的范围内，大幅度缩减了开发周期。如图19所示，横轴为进气歧管压力，纵轴为旁通阀打开角度，红色为控制模型计算值，蓝色为实测值，这款发动机在不同的进气压力下，控制模型的计算与实测几乎一致，具有很高的可信度。

2.4 小结

对于涡轮增压发动机来说，最难的就是保证加速的线性。自然吸气发动机其进气相对结构简单，空气模型预估具有可控性；但是涡轮增压发动机进气的组成单元复杂，相互间受到的影响很大，实际进气量和目标进气量难以吻合。这也就是很多品牌都有涡轮增压发动机，但是加减速很难控制，感觉油门不跟脚的原因。马自达为了让涡轮增压发动机和自然吸气一样的线性，在发动机控制上、空气模型建立上投入了很多精力。当然，这些都是看不见的领域，我们从外界也很难了解。本文就是对其做一个简单的介绍，供大家参考交流。