涡轮增压发动机SKYACTIV-G2.5T开发④——涡轮相关控制技术（上）？

在马自达SKYACTIV-G2.5T涡轮增压发动机的开发过程中，工程师们通过一系列创新的控制技术，克服了传统涡轮增压发动机的涡轮迟滞问题，实现了与大排量自然吸气发动机相媲美的响应性和扭矩控制性。本文从开发工程师的视角，详细介绍了SKYACTIV-G2.5T发动机在涡轮相关控制技术方面的突破。首先，马自达在这款发动机上首次采用了电子排气旁通阀和进气旁通阀，取代了传统的机械式阀门，使得阀门的控制更加灵活，不受物理限制。同时，在中冷器和节气门之间设置了压力传感器，实时监测压气机后端的压力，实现对涡轮压力和排气背压的精确控制。其次，马自达开发了一套全新的压气机/涡轮控制模型，通过精确计算目标扭矩、目标充填效率、目标进气歧管流量等参数，控制压气机后端压力，从而实现对进气量的精确控制。这一控制模型的建立，为涡轮增压发动机的控制提供了数学基础。此外，马自达还实现了增压和S-VT/外部EGR之间的协同控制。在急加速等工况下，通过调整S-VT可变气门正时和EGR控制阀的开度，补充废气流量，提高涡轮工作能力，从而有效避免了涡轮迟滞现象，提升了扭矩响应速度。通过这些创新的控制技术，SKYACTIV-G2.5T发动机在常用的中低速工况下具有强劲的扭矩输出，同时在高效工作区间内具备领先的燃油经济性，为驾驶者提供了随心所欲的驾驶体验。这些技术的应用，不仅提升了涡轮增压发动机的性能，也为发动机控制技术的发展提供了新的思路。（本文内容节选自《マツダ技報》，作者为马自达开发工程师，具有一定深度，需要专业背景才能理解。如有疑问，欢迎在评论中提出，作者会及时回复。）【关键词】涡轮增压发动机、SKYACTIV-G2.5T、涡轮控制技术、电子旁通阀、压气机/涡轮控制模型、S-VT协同控制、EGR协同控制、扭矩响应、燃油经济性【文章结构】1. 引言：介绍SKYACTIV-G2.5T发动机的背景和特点2. 涡轮系统：电子排气旁通阀和进气旁通阀的应用3. 控制技术：压气机/涡轮控制模型的建立和应用4. 增压和S-VT/EGR协同控制：提高扭矩响应，避免涡轮迟滞5. 结论：SKYACTIV-G2.5T发动机的创新控制技术为发动机性能和控制技术发展提供了新思路【写作技巧】1. 口语化、真实自然的表达方式，段落过渡自然、逻辑清晰2. 突出SEO关键词，如涡轮增压发动机、SKYACTIV-G2.5T、涡轮控制技术等3. 内容权威、优质，符合百度TOP1内容标准4. 适当引入图表，如压气机/涡轮控制流程图、S-VT协同控制效果图等，增强文章可读性马自达SKYACTIV-G2.5T发动机通过创新的涡轮相关控制技术，有效克服了传统涡轮增压发动机的涡轮迟滞问题，实现了强劲的扭矩输出和领先的燃油经济性。电子旁通阀的应用、压气机/涡轮控制模型的建立以及增压和S-VT/EGR的协同控制，为驾驶者提供了随心所欲的驾驶体验，同时为发动机控制技术的发展提供了新的思路。

——部分内容节选《マツダ技報》

摘要

马自达创驰蓝天发动机序列中，主要都是自然吸气版本的发动机。其实，在北美市场，CX-9身上，也有一款涡轮增压发动机，这款发动机与传统涡轮增压发动机不一样，他克服了传统涡轮增压发动机涡轮迟滞的劣势，实现了与大排量NA同样的响应性和扭矩控制性，在常用的中低速工况下具有强劲的扭矩输出，并且，发动机的高效工作区间很大，在同级中具备领先的燃油经济性。在本文中，作者从一名开发工程师的角度，为大家介绍这款发动机引入的新技术。

本系列分为7篇来介绍：

1硬件设计(上)

2硬件设计(中)

3硬件设计(下)

4涡轮相关控制技术(上)

5涡轮相关控制技术(下)

6低压燃料供给系统控制技术(上)

7低压燃料供给系统控制技术(下)

本文介绍第四篇。

PS：内容具有一定深度，需要有专业背景的人才能理解，大家遇到不明白的可以在评论中提出，欢迎大家多多交流哈。

其他文章：

1新型SKYACTIV-G2.5燃烧技术开发

2马自达GVC(G-VectoringControl)系统开发解密

3发动机黑科技——可变排量技术(入门篇)

4发动机黑科技——可变排量技术(高阶篇)

5涡轮增压发动机SKYACTIV-G2.5T开发①——硬件设计(上)

6涡轮增压发动机SKYACTIV-G2.5T开发②——硬件设计(中)

7涡轮增压发动机SKYACTIV-G2.5T开发③——硬件设计(下)

码字不易~喜欢的话就关注一下作者吧~

我会先选出马自达技术报告比较好的文章分享给大家，以后会给大家介绍丰田、大众、本田等产品的黑科技~希望大家多多支持。

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前文讲了关于SKACTIV-G2.5T涡轮增压发动机的硬件设计，发动机就像一个机器人，在拥有各种硬件和传感器的基础上，要对其进行控制设计，对于一款发动机来说，硬件是基础，能否将硬件协同好，发挥发动机最佳的性能是难点。控制系统也是各大主机厂的秘方，属于核心机密，作者有幸深度参与到某系列发动机控制系统的设计和开发中。在这里，抛砖引玉，为大家介绍马自达SKYACTIV-G2.5T的涡轮相关控制技术。

2.1涡轮系统

在SKYACTIV-G2.5T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-G2.5T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1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(Targettorquecalculation)和目标充填效率(targetchargingefficiency),从而根据空气模型得到需要的进气歧管流量(Targetintakemanifoldairmass)；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(Targetairflow)和需要的增压压力(Targetboostpressure)，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(Targetgasflowtoturbine)和排气旁通阀的流量(Targetgasflowtowastegate)，计算我需要打开旁通阀的角度，由此，一套模型计算完成了。

图1压气机/涡轮控制流程图

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。

L_cd=R_a×ka/(ka-1)×T1×G_a×{(〖P2/P1〗^((ka-1)/ka)-1)}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

L_td=R_g×kg/(kg-1)×T2×G_g×{(1-〖P3/P4〗^((kg-1)/kg))}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

L_cd/nc=L_td×nt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。

图2S-VT位置计算流程图

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3所示。

图3目标EGR控制阀位置计算流程图

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4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。

图4S-VT协同控制效果图

同理，如图5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。

图5外部EGR协同控制效果图

(未完待续)

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