壓縮天然氣發動機空氣管理執行器驅動控制研究

宋君花，王 都，冒曉建，卓 斌

（1.上海海能汽車電子有限公司技術中心，上海 200240；2.上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240）

隨著石油能源日益緊張以及尾氣排放造成的環境污染問題日益加劇，代用燃料動力技術成為汽車領域的研究熱點。天然氣因為其低成本、低污染以及高熱效率成為最具發展潛力和最清潔的替代能源。目前我國雖然有滿足國Ⅲ、國Ⅳ及以上排放標準的高性能氣體發動機，但這些發動機基本上都是采用進口的燃氣供給系統，特別是電控系統的核心技術和控制器基本上被國外公司壟斷。因此，開發具有自主知識產權的天然氣發動機電子控制系統具有十分重要的意義。

1 壓縮天然氣發動機系統功能

本研究以YC6G260N天然氣發動機為研究對象，該發動機應用于重型商用車，其主要參數見表1。該發動機采用增壓中冷、稀薄燃燒、單缸高能點火的技術路線，控制系統采用如圖1所示的單點噴射系統方案，該系統具有穩態性能好、易于實現等優點［1］。

表1 YC6G260N天然氣發動機主要技術參數

天然氣發動機控制器（ECU）的主要功能包括：及時采集各種傳感器和開關的信號參數，處理后傳送給上層控制軟件；同時從上層控制軟件接收控制指令從而驅動執行器運行；與系統監測軟件通信；與系統標定軟件通信，實現在線標定的功能；與診斷工具通信等。

CNG發動機空氣管理系統由進氣量控制、增壓壓力控制以及防喘振控制三部分組成，相應的執行器由電子節氣門、廢氣旁通閥、旁通控制閥、防喘振閥、增壓器等部件組成（見圖2）。CNG發動機空氣管理系統的作用是根據發動機工況提供適宜的空氣量，同時向ECU傳遞此信息，并根據ECU的指令完成空氣量的調節。

CNG稀燃增壓發動機需要對缸內的空燃比進行閉環控制，因而需要對節氣門、增壓器和旁通閥進行靈活、快速地控制。CNG稀燃增壓發動機的瞬態特性與空氣量、燃氣量、空燃比、增壓壓力等的瞬態控制密切相關，對控制系統硬件驅動的瞬態控制要求是硬件能夠在瞬態工況下做到實時精確反應：

1）電子節氣門控制滿足瞬態響應的需求，節氣門的實際開度可以實時瞬態跟隨其目標開度；在任何工況點的任意階躍響應的建立時間應該在100ms［2］以內；

2）增壓壓力的控制在執行器響應的范圍內，滿足增壓壓力的控制需求。

本研究重點針對空氣管理關鍵執行器電子節氣門和旁通閥的控制。

2 電子節氣門驅動控制

2.1 電子節氣門非線性分析

電子節氣門是一個機電傳動系統，直流電機是執行元件，減速齒輪組、復位彈簧、節氣門閥組成執行機構。

電子節氣門是一個非線性的執行器，其非線性表現在以下幾個方面［3］：

1）減速齒輪機構之間齒間隙是非線性的。節氣門總成上設有一套齒輪減速機構，由于齒輪嚙合存在間隙，產生了齒間隙非線性，使得電機扭矩和節氣門輸出之間是非線性關系。

2）復位彈簧是非線性的。該彈簧是非線性扭轉彈簧，當節氣門需要從較大開度位置降到較小開度或回到節氣門關閉位置時，可以提供一個較大的扭轉力矩，使節氣門閥片可以快速地回到要求的位置。

3）節氣門閥片在運動過程中的摩擦力矩是非線性的。節氣門閥片在運動過程中會受到庫侖摩擦力和黏滑摩擦力的雙重作用，在動態過程中摩擦力變化是非線性的。

4）進氣道的氣流沖擊是非線性的。發動機工作時進氣道內的空氣對節氣門沖擊力隨節氣門開度不同而不同。

2.2 硬件驅動信號對電子節氣門動態響應性的影響

節氣門驅動軟件設計主要是控制節氣門的旋轉方向和驅動扭矩。硬件驅動信號PWM信號直接決定著電子節氣門直流電機的旋轉扭矩。在進行電子節氣門驅動軟件設計之前，首先需要對硬件驅動信號對電子節氣門動態響應性的影響進行研究。

2.2.1 PWM頻率對電子節氣門動態響應性的影響

PWM信號的頻率主要影響電子節氣門控制的抗干擾性。對電子節氣門在不同PWM頻率下進行了試驗分析，不同PWM信號頻率時的電流波形見圖3。由圖可看出，節氣門電樞中的電流為連續的波浪形式，提高PWM信號的頻率可在減小電流峰值的同時減小電流的脈動。PWM頻率選得過高，驅動電路容易受到干擾，會出現尖厲的噪聲；若PWM頻率選得過低，電機工作時電流波形比較粗糙，噪聲較大，平均電流較大，從而造成驅動電路的發熱比較嚴重。為了研究硬件驅動信號對電子節氣門動態響應性的影響，進行了一系列階躍響應試驗。圖4和5分別示出在不同頻率下節氣門開度目標值TPS＿Tgt從12%到40%以及從5%到100%在不同頻率下節氣門實際開度TPS＿Value的階躍響應曲線。由圖4可以看出，在較小的階躍變化時，硬件驅動信號頻率對節氣門開度的動態響應性的影響很小。由圖5可看出，在較大的階躍變化時，2kHz硬件驅動信號表現出的動態響應性最好。考慮到驅動電流的波動以及硬件電路的發熱等問題，根據試驗中節氣門的實際控制效果和節氣門驅動芯片可承受的最高頻率（10kHz），在本研究CNG電控系統ECU硬件設計中，選用PWM信號的頻率為4kHz。

2.2.2 PWM驅動信號有效驅動脈寬的確定

電子節氣門驅動PWM信號并不是在0～100%的占空比范圍內都可以，在實際的電子節氣門PWM占空比控制中，還需要考慮節氣門供電電壓的變化，從而對PWM有效驅動脈寬進行修正。同時為了提高節氣門的瞬態響應性，還需要研究最大有效占空比對節氣門動態響應的影響，以最終確定節氣門閉環控制時有效占空比的范圍。在CNG稀燃增壓發動機功能測試臺上，在4kHz的控制信號下，將最大有效占空比分別設為20%，30%，40%，50%，對節氣門動態響應作了大開度階躍（開度從20%到100%）和小開度階躍（開度從12%到40%）的一系列試驗，試驗結果見圖6和圖7。

由圖6和圖7的試驗曲線可看出：對于大開度階躍響應，20%占空比的響應時間約為0.5s，響應時間不能滿足要求；隨著占空比的增大，階躍響應時間變小，其中40%和50%占空比的響應時間都小于100ms，滿足階躍響應時間要求；在小開度階躍響應時，最大有效占空比對節氣門動態響應的影響趨勢相同，其中50%占空比表現出的響應時間和超調量最好。

本研究選擇的電子節氣門允許的最大占空比為50%，同時結合考慮控制信號頻率和最大有效占空比對電子節氣門動態響應的影響，最終確定電子節氣門閉環控制信號為4kHz、最大有效占空比為50%的PWM信號。

3 旁通閥驅動控制

3.1 旁通閥控制特性分析

稀燃發動機的渦輪遲滯時間比自然吸氣的當量發動機要大得多，減少時間遲滯的一個可行方法是使渦輪始終保持在較高的轉速，然后通過節氣門減少進入進氣歧管的進氣流量和壓力。但是進氣管壓力增大會導致油耗增加。旁通閥最簡單的控制是在空氣路到旁通執行器之間直接提供增壓壓力。當增壓壓力推開旁通閥執行器的彈簧時，旁通閥打開。旁通控制閥根據PWM控制信號提供給旁通閥執行器所需的壓力，然后旁通閥執行器將此壓力轉化為線性運動以驅動旁通閥。

旁通閥位置是作用在執行機構（旁通控制閥）上壓力的直接結果，該壓力在執行器上產生一個力F＝pwgA，A為執行器的有效作用面積，pwg為旁通閥的輸出壓力，F為執行機構的彈簧反作用力。彈簧力通常可以建立形如F＝－ksx的線性表達式，x為彈簧距離平衡點的位置，ks為彈簧的彈性系數。當廢氣旁通閥完全關閉時，一個最小的力F0可以使彈簧壓縮，從而使得執行機構動作。

通過發動機臺架試驗，在壓力源為0.16MPa下，得出CNG稀燃增壓發動機的旁通控制閥輸出壓力有效時的占空比為22%～54%（見圖8），而對于旁通閥執行機構而言其行程有效占空比為umin＝38%，umax＝50% 。

3.2 旁通閥控制模型

增壓器前后之間的壓力由線性插值得到。旁通控制閥占空比的范圍是0～100%，執行器壓力有效時的占空比范圍是 ［umin，umax］，這個占空比區間之外對應的執行器壓力為增壓器前或者增壓器后的壓力。旁通閥輸出壓力可以采用如下的靜態模型描述：

式中：pac為增壓器后的壓力；pbc為增壓器前的壓力；Wdc為旁通控制閥的占空比。

4 試驗驗證

為了驗證CNG稀燃增壓發動機ECU空氣管理執行器瞬態控制的效果，在發動機試驗臺架上對電子節氣門、旁通閥、防喘振閥等執行器進行了相應的試驗。由圖9可見，在發動機運行過程中，ECU控制的電子節氣門實際開度能夠實時跟隨節氣門的目標開度，響應快、超調量小、穩態精度高，能夠滿足發動機進氣量實時調整的需要，從而可以精確控制CNG發動機的進氣量，確保滿足CNG發動機功率精確控制的要求。

對于旁通閥的瞬態控制效果，可以從增壓壓力的閉環控制看出（見圖10），在發動機瞬態工況變化中，增壓壓力閉環使能后，ECU通過精確控制旁通閥的開度可以實現增壓壓力的閉環控制。

CNG稀燃增壓發動機空氣管理執行器電子節氣門、旁通閥、防喘振閥的聯動試驗結果見圖11，圖中橢圓形區域示出發動機高速卸載時，由于節氣門突然關閉，導致節氣門前壓力迅速增加，為了防止增壓器喘振，此時需要打開防喘振閥（即標志為1），通過該閥將節氣門前的壓力釋放掉，以達到保護增壓器的目的。在這一過程中，不需要增壓，即廢氣旁通閥的位置在100%。

5 結束語

在分析CNG稀燃增壓發動機系統功能和空氣管理系統作用的基礎上，重點展開對空氣管理執行器關鍵執行器電子節氣門和旁通閥的動態響應性的研究。基于電子節氣門系統的非線性分析，研究了硬件PWM驅動信號的頻率及最大有效的驅動脈寬對電子節氣門動態響應性的影響，可以實現階躍響應時間約為80ms，超調量小于1%，穩態誤差小于1%的控制效果，從而滿足對節氣門開度的精確控制和快速調節控制的要求。通過分析旁通閥控制特性，建立旁通閥位置的動態模型，可以實現對旁通閥的控制，從而在發動機運行過程中實現對增壓壓力的閉環控制。

［1］ 盛 利，宋君花，王 都，等.CNG發動機控制器SPI通信多節點設計與應用［J］.車用發動機，2009（4）：68－71.

［2］ Josko Deur，Pavkovic D，Pericn N，et al.An Electron－ic throttle control strategy including compensation of friction and limp－home effects［J］.IEEE transactions of industry application，2004，40（3）：821－834.

［3］ 楊振東.基于模糊PID電子節氣門控制系統的研究與開發［D］.長沙：湖南大學，2008.