燃氣發(fā)動機節(jié)氣門與放氣閥耦合控制分析

□ 王文霞 □ 曹 石 □ 王 龍 □ 查小輝

1.內(nèi)燃機可靠性國家重點實驗室 山東濰坊 2610612.濰柴動力股份有限公司 山東濰坊 261061

1 整體控制思路

相比柴油發(fā)動機[1],燃氣發(fā)動機需要精確控制空燃比來控制燃燒,因而對進氣量的控制要求更高。滿足國六排放標準的燃氣發(fā)動機,采用當量燃燒技術(shù),結(jié)合三元催化器和廢氣再循環(huán)技術(shù),其動力性和響應性的控制主要體現(xiàn)在對進氣量的控制上。

增壓器的匹配及控制是發(fā)動機進氣控制的關(guān)鍵,也是發(fā)動機領(lǐng)域的研究熱點[2-5]。通過控制放氣閥的開度來改變被旁通的廢氣量,進而控制增壓，是常用的方法。

放氣閥的控制和應用呈現(xiàn)多樣化發(fā)展,其與節(jié)氣門的聯(lián)合控制一直是業(yè)內(nèi)的難點[6-9]。通常，在低負荷狀態(tài)下，將廢氣旁通閥全開，用節(jié)氣門來控制進氣量；在高負荷狀態(tài)下，適當關(guān)閉廢氣旁通閥，以實現(xiàn)更強的增壓能力。

燃氣發(fā)動機的控制以內(nèi)扭矩為基本需求,根據(jù)機型與實際工況,計算得到所需的進氣量。根據(jù)所需的進氣量，控制節(jié)氣門的開度。根據(jù)所需的進氣壓力，控制放氣閥的開度[10-12]。節(jié)氣門和放氣閥被控制于一定開度后,基于由進氣量傳感器采集到的實際進氣量或由進氣溫度、壓力和發(fā)動機排量推算得到實際進氣量，以及所需的過量空氣因數(shù),可以推算出實際需要的燃氣量,進而控制燃氣噴射和點火。在不考慮三元催化器中儲氧調(diào)制時,過量空氣因數(shù)值為1。燃氣發(fā)動機的整體控制思路如圖1所示。

▲圖1 燃氣發(fā)動機整體控制思路

2 節(jié)氣門控制

根據(jù)燃氣發(fā)動機所需的進氣量來控制節(jié)氣門的開度，分為節(jié)流區(qū)控制和非節(jié)流區(qū)控制,不同區(qū)域適用不同的方法。由節(jié)氣門位置采集傳感器可以測得節(jié)氣門的實際開度,基于實際開度與所需開度，選擇合適的比例積分微分參數(shù)進行閉環(huán)控制,可以計算出控制節(jié)氣門的占空比[13]。節(jié)氣門采用H橋控制,不驅(qū)動時會保持一定的默認開度,即使節(jié)氣門發(fā)生故障，還可留有一定的進氣量,保證發(fā)動機能跛行至服務站點或其它安全地方。

2.1 節(jié)流區(qū)控制

當由節(jié)氣門后的壓力與節(jié)氣門前的壓力相除得到的壓比小于0.95時,通過控制節(jié)氣門的流量滿足小孔節(jié)流方程,對應壓比區(qū)域通常稱為節(jié)流區(qū)[14]，0.95為臨界壓比。節(jié)流公式為:

(1)

式中:Qm為進氣量；c為流出因數(shù);β為直徑比;ε為膨脹因數(shù);ρ為氣體密度;d為節(jié)氣門流通截面直徑;Δp為節(jié)氣門前后壓差。

由式(1)可知,通過節(jié)氣門的進氣量與節(jié)氣門的流通截面積、節(jié)氣門前后壓差存在一定關(guān)系，節(jié)氣門的流通截面積可以用節(jié)氣門的開度來表征,節(jié)氣門前后壓差可以用壓比來表征。

實際控制中,將進氣量轉(zhuǎn)化為一個標準大氣壓、絕對溫度為273.15 K時的流量，進氣量與節(jié)氣門開度、壓比的關(guān)系可基于發(fā)動機臺架上的數(shù)據(jù)通過脈譜圖標定得到。得到脈譜圖的標定數(shù)據(jù)后,如果已知流經(jīng)節(jié)氣門的進氣量、節(jié)氣門的開度和節(jié)氣門前后壓比三個量中的任意兩個,那么都可以通過查詢脈譜圖得到第三個量。與此相對應,如果已知所需進氣量和實際節(jié)氣門前后的壓比,那么可以在脈譜圖中查得所需的節(jié)氣門開度。發(fā)動機運行過程中，進氣量和壓比的數(shù)值不一定是脈譜圖中的坐標值,此時如需求出節(jié)氣門開度，可在脈譜圖中通過流量與壓比對應的數(shù)據(jù)進行線性插值得到。

2.2 非節(jié)流區(qū)控制

與節(jié)流區(qū)相對應,非節(jié)流區(qū)通常定義為節(jié)氣門后壓力除以節(jié)氣門前壓力得到的壓比大于0.95的區(qū)域。在非節(jié)流區(qū),節(jié)氣門的節(jié)流特性不再適用，而是由當前進氣量在臨界進氣量和最大進氣量之間進行線性插值，得到所需的節(jié)氣門開度。非節(jié)流區(qū)所需的進氣量QDes對應的節(jié)氣門需求開度rDes為:

(2)

式中:Qmax為最大進氣量,即節(jié)氣門全開時節(jié)氣門前后壓力相等時刻的進氣量;Q0為臨界進氣量，由Qmax乘以0.95得到;r0為通過節(jié)流區(qū)公式計算得到的臨界壓比時刻節(jié)氣門開度;rmax為最大節(jié)氣門開度。

3 放氣閥控制

所需的不同增壓可以通過控制放氣閥的開度來實現(xiàn)[15-16]。當放氣閥開度變大時,被旁通的廢氣減少,增壓能力提高。根據(jù)所需的進氣量,結(jié)合發(fā)動機排量和當前轉(zhuǎn)速，可以計算得到所需的進氣壓力。當進氣壓力大于各轉(zhuǎn)速下的基礎(chǔ)增壓時,需要打開放氣閥來減小廢氣旁通量，以實現(xiàn)更大的增壓?；A(chǔ)增壓是在發(fā)動機臺架上標定得到的,標定方法為將放氣閥關(guān)閉,控制節(jié)氣門全開,遍歷各個轉(zhuǎn)速點,得到的實際進氣壓力即為基礎(chǔ)增壓。放氣閥不帶位置傳感器,通過壓力閉環(huán)來得到輸出占空比，壓力控制方法為典型比例積分微分控制。放氣閥控制邏輯如圖2所示。

▲圖2 放氣閥控制邏輯

在進氣壓力的閉環(huán)控制過程中,需對進氣溫度和大氣壓力進行修正,以適應不同環(huán)境溫度和海拔高度。由于增壓器增壓后的氣體到達缸內(nèi)要經(jīng)過一段進氣管道,因此進氣控制難免存在滯后性,可以根據(jù)需要提前打開放氣閥來消除這一滯后,以提高發(fā)動機的動力響應性[17]。

4 耦合控制

節(jié)氣門與放氣閥的控制順序一般為,中低負荷采用節(jié)氣門控制,當節(jié)氣門全開以后,放氣閥控制介入,繼續(xù)提高增壓,這一控制順序理論上可行。實際使用過程中,當負荷逐漸上升時,節(jié)氣門后壓力也逐漸上升,與節(jié)氣門前壓力之比逐漸增大,節(jié)氣門由節(jié)流區(qū)控制切換為非節(jié)流區(qū)控制,節(jié)氣門全開以后放氣閥打開。當放氣閥打開以后,由于節(jié)氣門前壓力升高,節(jié)氣門后與節(jié)氣門前的壓比減小,節(jié)氣門控制由非節(jié)流區(qū)控制又切換回節(jié)流區(qū)控制。切換過程如果頻繁,會導致節(jié)氣門抖動,從而引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。

節(jié)氣門全開以后，放氣閥打開的控制效果如圖3所示。

▲圖3 節(jié)氣門全開后放氣閥打開控制效果

由圖3可以看出,負荷突增時,節(jié)氣門立即打開并經(jīng)過非節(jié)流區(qū)開啟到100%,之后放氣閥開始打開,進氣量緩慢上升。由于節(jié)氣門前壓力升高,壓比變小,節(jié)氣門又回到節(jié)流區(qū)控制。整個過程中節(jié)氣門和放氣閥控制都發(fā)生了抖動,導致進氣量產(chǎn)生波動。

針對進氣量波動問題,通過標定壓比參考值來調(diào)整放氣閥控制介入的時刻,進行發(fā)動機臺架試驗,得到兼顧發(fā)動機動力響應性與經(jīng)濟性的數(shù)據(jù),優(yōu)化進氣控制效果。

節(jié)氣門還沒有全開時提前打開放氣閥進行增壓的效果如圖4所示。通過減小放氣閥開啟的壓比點,提前在節(jié)氣門還沒有全開時打開放氣閥,使進氣量較快上升,從而優(yōu)化發(fā)動機的動力響應性。

▲圖4 節(jié)氣門未全開時放氣閥提前打開控制效果

由圖4可以看出,放氣閥打開一定程度以后,節(jié)氣門逐漸打開到接近全開狀態(tài),之后節(jié)氣門和放氣閥控制都比較平穩(wěn),進氣量穩(wěn)定,且滿足負荷要求。

綜合以上分析可以確認,在負荷上升階段,節(jié)氣門控制仍處在節(jié)流區(qū)時,提前打開放氣閥,可以提高系統(tǒng)的響應性,緩解系統(tǒng)振蕩。通過圖3和圖4對比可以看出,提前打開放氣閥,沒有導致進氣量明顯增大,因此燃油經(jīng)濟性得到了保證。負荷下降時,放氣閥和節(jié)氣門關(guān)閉緩慢,同樣可以減輕系統(tǒng)振蕩,進而維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語

對于燃氣發(fā)動機而言,節(jié)氣門的控制與放氣閥的控制至關(guān)重要，兩者密不可分。對節(jié)氣門和放氣閥分別進行單獨控制,并通過調(diào)整兩者開啟的耦合控制時刻,由標定試驗得出最優(yōu)的控制數(shù)據(jù),可以兼顧發(fā)動機的動力響應性和經(jīng)濟性,同時保證發(fā)動機系統(tǒng)在不同工況運行時的平穩(wěn)過渡。