燃氣發動機節氣門與放氣閥耦合控制分析

□ 王文霞 □ 曹 石 □ 王 龍 □ 查小輝

1.內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

相比柴油發動機[1],燃氣發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動機,采用當量燃燒技術,結合三元催化器和廢氣再循環技術,其動力性和響應性的控制主要體現在對進氣量的控制上。

增壓器的匹配及控制是發動機進氣控制的關鍵,也是發動機領域的研究熱點[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多樣化發展,其與節氣門的聯合控制一直是業內的難點[6-9]。通常，在低負荷狀態下，將廢氣旁通閥全開，用節氣門來控制進氣量；在高負荷狀態下，適當關閉廢氣旁通閥，以實現更強的增壓能力。

燃氣發動機的控制以內扭矩為基本需求,根據機型與實際工況,計算得到所需的進氣量。根據所需的進氣量，控制節氣門的開度。根據所需的進氣壓力，控制放氣閥的開度[10-12]。節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、壓力和發動機排量推算得到實際進氣量，以及所需的過量空氣因數,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制時,過量空氣因數值為1。燃氣發動機的整體控制思路如圖1所示。

▲圖1 燃氣發動機整體控制思路

2 節氣門控制

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

2.1 節流區控制

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

(1)

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

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

實際控制中,將進氣量轉化為一個標準大氣壓、絕對溫度為273.15 K時的流量，進氣量與節氣門開度、壓比的關系可基于發動機臺架上的數據通過脈譜圖標定得到。得到脈譜圖的標定數據后,如果已知流經節氣門的進氣量、節氣門的開度和節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氣門前后的壓比,那么可以在脈譜圖中查得所需的節氣門開度。發動機運行過程中，進氣量和壓比的數值不一定是脈譜圖中的坐標值,此時如需求出節氣門開度，可在脈譜圖中通過流量與壓比對應的數據進行線性插值得到。

2.2 非節流區控制

與節流區相對應,非節流區通常定義為節氣門后壓力除以節氣門前壓力得到的壓比大于0.95的區域。在非節流區,節氣門的節流特性不再適用，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，得到所需的節氣門開度。非節流區所需的進氣量QDes對應的節氣門需求開度rDes為:

(2)

式中:Qmax為最大進氣量,即節氣門全開時節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為通過節流區公式計算得到的臨界壓比時刻節氣門開度;rmax為最大節氣門開度。

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[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。根據所需的進氣量,結合發動機排量和當前轉速，可以計算得到所需的進氣壓力。當進氣壓力大于各轉速下的基礎增壓時,需要打開放氣閥來減小廢氣旁通量，以實現更大的增壓?；A增壓是在發動機臺架上標定得到的,標定方法為將放氣閥關閉,控制節氣門全開,遍歷各個轉速點,得到的實際進氣壓力即為基礎增壓。放氣閥不帶位置傳感器,通過壓力閉環來得到輸出占空比，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,以適應不同環境溫度和海拔高度。由于增壓器增壓后的氣體到達缸內要經過一段進氣管道,因此進氣控制難免存在滯后性,可以根據需要提前打開放氣閥來消除這一滯后,以提高發動機的動力響應性[17]。

4 耦合控制

節氣門與放氣閥的控制順序一般為,中低負荷采用節氣門控制,當節氣門全開以后,放氣閥控制介入,繼續提高增壓,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,節氣門后壓力也逐漸上升,與節氣門前壓力之比逐漸增大,節氣門由節流區控制切換為非節流區控制,節氣門全開以后放氣閥打開。當放氣閥打開以后,由于節氣門前壓力升高,節氣門后與節氣門前的壓比減小,節氣門控制由非節流區控制又切換回節流區控制。切換過程如果頻繁,會導致節氣門抖動,從而引起系統不穩定。

節氣門全開以后，放氣閥打開的控制效果如圖3所示。

▲圖3 節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,節氣門立即打開并經過非節流區開啟到100%,之后放氣閥開始打開,進氣量緩慢上升。由于節氣門前壓力升高,壓比變小,節氣門又回到節流區控制。整個過程中節氣門和放氣閥控制都發生了抖動,導致進氣量產生波動。

針對進氣量波動問題,通過標定壓比參考值來調整放氣閥控制介入的時刻,進行發動機臺架試驗,得到兼顧發動機動力響應性與經濟性的數據,優化進氣控制效果。

節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,提前在節氣門還沒有全開時打開放氣閥,使進氣量較快上升,從而優化發動機的動力響應性。

▲圖4 節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,節氣門逐漸打開到接近全開狀態,之后節氣門和放氣閥控制都比較平穩,進氣量穩定,且滿足負荷要求。

綜合以上分析可以確認,在負荷上升階段,節氣門控制仍處在節流區時,提前打開放氣閥,可以提高系統的響應性,緩解系統振蕩。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,因此燃油經濟性得到了保證。負荷下降時,放氣閥和節氣門關閉緩慢,同樣可以減輕系統振蕩,進而維持系統的穩定性。

5 結束語

對于燃氣發動機而言,節氣門的控制與放氣閥的控制至關重要，兩者密不可分。對節氣門和放氣閥分別進行單獨控制,并通過調整兩者開啟的耦合控制時刻,由標定試驗得出最優的控制數據,可以兼顧發動機的動力響應性和經濟性,同時保證發動機系統在不同工況運行時的平穩過渡。