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多級閉環(huán)的燃氣發(fā)動機管理策略研究的論文
摘 要：針對重型增壓燃氣發(fā)動機的控制要求和更高的排放標準，采用以轉(zhuǎn)矩為核心控制發(fā)動機進氣量和燃料噴射量的方法，設(shè)計多級閉環(huán)的燃氣發(fā)動機管理系統(tǒng)。發(fā)動機臺架試驗結(jié)果表明，通過對轉(zhuǎn)矩、空燃比、增壓廢氣閥和電子節(jié)氣門（Electronic Throttle Valve Control，ETC）等的多級閉環(huán)控制，改善了發(fā)動機的動力性和燃料經(jīng)濟性，達到了國Ⅴ排放水平。
關(guān)鍵詞：天然氣發(fā)動機；電子節(jié)氣門；增壓閥；稀薄燃燒；多級閉環(huán)
中圖分類號：TK432文獻標文獻標識碼：A文獻標DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.06.03
Abstract：In order to meet the higher emission standards for heavy-duty CNG engines， a multi-level closed-loop control system was designed， using a torque relation to control the intake air amount and the fuel injection. Experimental data indicate that the dynamic character and economic efficiency of engine were improved by the closed-loop control of torque， air-fuel ratio， turbocharger waste gate and ETC， and the emissions meet the stage -Ⅴstandards in China.
Key words： CNG engine； electronic throttle valve control； turbocharger waste gate； lean burn； multi-level closed-loop
采用電子控制燃料供給、電子控制增壓、稀薄燃燒技術(shù)、高能點火和催化后處理等技術(shù)是燃氣發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展方向[1-2]，也是提高燃氣發(fā)動機動力性和經(jīng)濟性，達到國Ⅴ及以上排放標準的必然途徑。采用這些控制技術(shù)的燃氣發(fā)動機管理系統(tǒng)需要精確控制發(fā)動機的進氣、燃料供給和點火正時等，在滿足駕駛員的轉(zhuǎn)矩要求的前提下，同時符合有關(guān)廢氣排放、燃料消耗、功率輸出、舒適性和安全性的嚴格要求。然而，在很多條件下，諸多要求是相互矛盾的，很難兼顧發(fā)動機的動力輸出與排放性能。目前國內(nèi)對燃氣發(fā)動機控制策略的研究主要集中在空燃比控制上[3]，未考慮轉(zhuǎn)矩、進氣量、空燃比、增壓壓力和進氣壓力之間的協(xié)同管理。因此，本文在傳統(tǒng)燃氣發(fā)動機排放控制策略和轉(zhuǎn)矩管理的基礎(chǔ)上[4]，研究了一種從轉(zhuǎn)矩到進氣量、進氣壓力以及增壓壓力的多級閉環(huán)管理策略，實現(xiàn)了ETC開度目標值與實際值、目標進氣壓力與實際進氣壓力、目標進氣量與實際進氣量之間的閉環(huán)控制，并通過發(fā)動機試驗和臺架標定驗證了其控制方式的有效性。
1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
燃氣發(fā)動機電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個系統(tǒng)主要由燃氣發(fā)動機控制器（Electronic Control Unit，ECU）、電子油門踏板、ETC、增壓器、溫度壓力傳感器、燃氣噴嘴、點火線圈、減壓器和CNG氣瓶等組成。
ECU按照AUTOSAR架構(gòu)設(shè)計，整體軟件包括基礎(chǔ)軟件和應(yīng)用層兩大部分�；A(chǔ)軟件提供各種信號采集、數(shù)據(jù)通訊、繼電器和電磁閥等驅(qū)動的接口函數(shù)；應(yīng)用層調(diào)用基礎(chǔ)軟件訪問硬件，實現(xiàn)各種控制算法。當前平臺采用32位微處理器MPC5534為主控芯片，內(nèi)部集成了FlexCAN2（CAN2.0B通信控制模塊）、eQADC（增強型隊列式AD轉(zhuǎn)換）、eSCI（增強型串行異步通訊）和eTPU（增強型時間處理單元）等多個智能模塊，將轉(zhuǎn)速同步與噴射點火等對時序要求很高的工作交給eTPU完成[7]。兩路FlexCAN2，一路采用XCP協(xié)議和OBD通訊協(xié)議（ISO 15765），用于發(fā)動機標定和故障診斷；另外一路采用J1939通訊協(xié)議，用于整車網(wǎng)絡(luò)通訊。
2 基于轉(zhuǎn)矩的多級閉環(huán)管理策略
發(fā)動機控制系統(tǒng)最重要的任務(wù)是控制發(fā)動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，要做到這一點，ETC、增壓系統(tǒng)、燃料供給、點火控制等子系統(tǒng)中所有影響轉(zhuǎn)矩的量都需要進行控制。這種形式控制的目的是為駕駛員提供要求的轉(zhuǎn)矩，同時符合有關(guān)廢氣排放、燃料消耗、功率輸出、舒適性和安全性的嚴格要求，把大量各不相同的目標聯(lián)系在一起，將原來可能出現(xiàn)的相互矛盾的要求按照優(yōu)先順序排列的原則加以協(xié)調(diào)，首先執(zhí)行最重要的一個，使所有功能都能獨立提供對轉(zhuǎn)矩的要求，如圖2所示。在請求轉(zhuǎn)矩的協(xié)調(diào)完成后，系統(tǒng)就根據(jù)當前的轉(zhuǎn)矩要求，分別對進氣系統(tǒng)、點火系統(tǒng)和燃料供給系統(tǒng)進行控制，完成最佳轉(zhuǎn)矩的實現(xiàn)。
2.1 進氣管理系統(tǒng)
燃氣發(fā)動機屬于量調(diào)節(jié)式，其負荷量大小主要取決于進氣量[5]，在計算機控制中，進氣量可根據(jù)目標轉(zhuǎn)矩和實際轉(zhuǎn)速查表計算。自然吸氣式發(fā)動機的進氣量通過ETC調(diào)節(jié)，對電控增壓發(fā)動機來說，通過增壓閥也可調(diào)節(jié)進氣量。進氣系統(tǒng)的輸入為目標轉(zhuǎn)矩，輸出為ETC開度和增壓閥開度，其控制原理如圖3所示。在燃燒充分的條件下，發(fā)動機的燃燒轉(zhuǎn)矩與進氣量存在一一對應(yīng)的關(guān)系。根據(jù)轉(zhuǎn)矩控制要求，發(fā)動機的目標進氣量由目標轉(zhuǎn)矩和實際轉(zhuǎn)速查表計算。
在發(fā)動機負荷變化時，節(jié)氣門和增壓閥協(xié)同調(diào)節(jié)，ECU首先將目標轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換為目標進氣量，然后通過增壓預(yù)控，將目標進氣量轉(zhuǎn)換成目標進氣壓力，然后確定節(jié)氣門的目標開度，最后通過節(jié)氣門電機的閉環(huán)控制，確保節(jié)氣門目標位置與實際位置的一致。
2.1.1 進氣模型
在發(fā)動機穩(wěn)定運轉(zhuǎn)狀態(tài)期間，根據(jù)進氣歧管內(nèi)進氣量的守恒，每個工作循環(huán)進入氣缸的空氣量是[6]： 。
式中，為充氣效率系數(shù)，mg/Pa；為實際采集的進氣壓力，Pa；m0為工作循環(huán)內(nèi)進氣道的殘余廢氣量，mg。為兼顧高負荷和高海拔環(huán)境的使用，在計算充氣效率和殘余廢氣量m0的過程中都引入大氣壓力、進氣溫度、可變氣門和節(jié)氣門前后壓力比的修正。
根據(jù)進氣模型的充氣效率和殘余廢氣量，反過來可以根據(jù)目標進氣量得到目標進氣壓力，有
2.1.2 ETC閉環(huán)控制
目標進氣壓力的控制主要由ETC實現(xiàn)，ETC的作用是通過不同的開度對進氣管內(nèi)空氣流通的有效面積進行調(diào)節(jié)，進而調(diào)節(jié)進氣歧管的壓力[8]。
表示節(jié)氣門前后壓力比，其中pup為節(jié)氣門前壓力，對于增壓發(fā)動機來說即增壓壓力。
節(jié)氣門的開度越小，其節(jié)流作用越明顯，pq越小，在pq接近1的時候，節(jié)氣門開度都比較大甚至處于全開狀態(tài)。則節(jié)氣門的目標開度可由pqdes和其固有特性計算得到。在節(jié)氣門的目標開度設(shè)定以后，采用帶前饋的PID算法調(diào)節(jié)電機驅(qū)動占空比，確保節(jié)氣門實際開度與目標一致，如圖4所示。
2.1.3 增壓系統(tǒng)控制
對于電控增壓發(fā)動機來說，增壓壓力即節(jié)氣門前壓力pup，ECU可通過控制增壓控制閥開度來準確控制增壓壓力，控制閥開度變化，用于增壓的能量亦發(fā)生變化，增壓壓力隨之變化[8]。由于增壓系統(tǒng)的響應(yīng)有一定的滯后，因此發(fā)動機工況之間的變化主要通過節(jié)氣門來調(diào)節(jié)，增壓系統(tǒng)對進氣量的調(diào)節(jié)起修正的作用。增壓器控制原理如圖5所示，考慮到工況之間的快速變化，在不同工況下，首先預(yù)置了一個廢氣閥開度，然后在這個基礎(chǔ)上，根據(jù)實際進氣量和目標進氣量對廢氣閥開度進行閉環(huán)修正。
2.2 燃氣供給系統(tǒng)
系統(tǒng)采用多點噴射方式，各缸單獨擁有一個噴嘴。采用非對稱PI控制策略[3]，在稀薄燃燒方式下，根據(jù)目標空燃比和實際空燃比的偏差判斷混合氣過濃或過稀。
天然氣的噴射量根據(jù)各缸的進氣量和目標空燃比精確控制，基本燃料量的計算公式為
式中，flam為空燃比修正量；C為天然氣的空燃比轉(zhuǎn)換常數(shù)（17.2）。在基本燃料量的基礎(chǔ)上，再計算暖機修正、過渡工況修正、燃料自適應(yīng)修正、氣路補償?shù)葏?shù)，實現(xiàn)燃料的精確控制。
2.3 點火系統(tǒng)控制
點火驅(qū)動集成在ECU中，可實現(xiàn)點火能量和點火時刻的精確控制。點火能量跟點火線圈充電時間和點火電壓相關(guān)。點火時刻主要指點火提前角，在基本點火提前角的基礎(chǔ)上增加溫度、空燃比、功率、爆震等修正因子，如圖6所示，基本點火提前角根據(jù)當前轉(zhuǎn)速和負荷設(shè)定。
3 試驗結(jié)果分析
利用設(shè)計的電控系統(tǒng)，以WT615發(fā)動機為原型，針對增壓稀燃的要求開發(fā)了燃氣發(fā)動機。發(fā)動機基本參數(shù)見表1。
通過燃料供給系統(tǒng)的集成，增壓器選型與匹配，催化器的選型與匹配，標定參數(shù)的優(yōu)化，該系統(tǒng)實現(xiàn)了全工況的閉環(huán)稀薄燃燒，圖7為標定所得的最佳空燃比脈譜，空燃比為1～1.5，穩(wěn)態(tài)空燃比誤差在0.03以下。圖8是采用稀薄燃燒方式的發(fā)動機試驗結(jié)果，在該試驗方案下，發(fā)動機額定功率為213.5 kW/2 200 （r?min-1），最大轉(zhuǎn)矩為1 166.3 （N?m）/1 400 （r?min-1），最低燃氣消耗率為193.3 g/（kW?h）。
根據(jù)GB17691―2005的要求[9]，進行了瞬態(tài)工況的發(fā)動機排氣污染物測量（ETC循環(huán)），試驗結(jié)果見表2。
4 結(jié)論
在轉(zhuǎn)矩控制策略下，采用稀薄燃燒、空燃比閉環(huán)、負荷閉環(huán)、進氣壓力閉環(huán)等技術(shù)，通過ETC和增壓閥實現(xiàn)了燃氣發(fā)動機進氣量的精確控制，從多角度提高發(fā)動機負荷的控制精度。使發(fā)動機的輸出轉(zhuǎn)矩最佳，改善了燃氣發(fā)動機排放，保證了發(fā)動機的動力性能，燃料經(jīng)濟性高。搭載了該系統(tǒng)的燃氣發(fā)動機，最低燃氣消耗率小于200 g/（kW?h），排放滿足國Ⅴ標準。
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