基于非道路柴油機的進氣節流閥預判控制研究

谷雨

摘要：進氣節流閥在非道路柴油機的熱管理系統中有著重要的作用，在目前基于多參數閉環控制的策略下，采用進氣節流閥位置MAP預判控制進行輔助控制。試驗表明，該措施減少了進氣節流閥的遲滯時間，控制精度提高了91.5%，后處理熱管理效果有所提高，尤其在低速低負荷工況改善效果明顯：NRTC循環平均排氣溫度提升10.8%，旋耕機實際工作循環平均排氣溫度提升30%以上。預判控制的介入，燃油消耗量和CO、NOX的排放量有一定的升高，HC有下降趨勢，PM增幅比較明顯。

關鍵詞：進氣節流閥;非道路柴油機;預判控制;熱管理

0? 引言

近年來，以柴油機為主要動力源的非道路機械在排放污染貢獻上不容忽視。僅2018年，非道路移動源排放HC （碳氫化合物）76.2萬噸，NOX（氮氧化物）562.1萬噸，PM（顆粒物）48.5萬噸[1]。為了應對環境污染壓力，排放法規也日益加嚴，各種后處理技術不可避免地應用于非道路柴油機。無論是采用SCR（選擇性催化還原）還是DPF（柴油顆粒捕集器），兩種技術路線都需要對整個后處理系統進行熱管理控制[2]。熱管理技術主要通過增加噴油量或者減少進氣量，來實現對后處理系統的溫度提升，而進氣節流閥被認為是在熱管理控制和性能排放影響上比較均衡的一種策略[3-9]。目前的進氣節流閥普遍采用直流電機進行驅動，為滿足發動機工況需要，從最初的固定工況MAP，到PID閉環控制調節，再到現在的空氣量控制模型，研究人員對其控制策略進行了不斷的改進。非道路移動源特別是農用柴油機由于其獨特的因素，在發動機排放控制技術上比較落后。本文將基于一臺采用進氣節流閥PID閉環控制的農用非道路機械，輔以進氣節流閥位置MAP預判控制策略，研究在發動機試驗臺和機械實際運行中進氣節流閥控制精度以及對性能和排放的影響。

1? 試驗樣品及設備

試驗選用一臺搭載于某農用旋耕機上的非道路柴油機，試驗樣機參數如表1所示，試驗用設備如表2所示。

2? 預判控制

為了進行預判控制，我們需要獲得較為準確的節流閥位置MAP圖，該MAP圖是基于對排放和性能影響，通過進氣量、增壓壓力、EGR閥開度等參數進行精細化標定。

圖1所示為預判控制的原理，發動機工況在A點進行瞬態變化的時候，進氣節流閥會根據PID閉環控制從位置A移動至位置C，在PID反饋作用下，期間存在（Ta+Tb）的時間滯后。加入預判控制后，進氣節流閥會首先根據發動機工況參數，讀取節流閥位置MAP圖，并且迅速地從A點位移至靠近目標位置的B點，隨后開始加載PID閉環控制。由于同一個進氣節流閥回位彈簧在不同位置所產生的拉力大致相等，因此在相同位移速度下，進氣節流閥只需要Ta的時間即可到達C點。

從圖1可以看出，Ta2>Ta1、Tb2>Tb1，這是因為事件1中發動機負荷變大，在高速高負荷的情況下進氣節流閥需要向開啟方向位移。相反，事件2為發動機負荷變小，低速低負荷時節氣門需要向關閉方向位移。由于節氣門的零位處于全開狀態，進氣節流閥向關閉方向位移時需要克服回位彈簧的拉力。因此，預判控制在發動機負荷變小，節氣門向關閉方向位移的時候，能減少更多的時間。

3? 試驗分析

3.1 控制精度? NRTC（non-road transient cycle）包含1238個逐秒變化的瞬態試驗工況，是非道路柴油機的典型試驗循環[10]。利用驅動電壓信號獲得進氣節流閥位置，可以得到在NRTC循環每個工況下閥門目標位置和實際位置的偏差。

從圖2和圖3可以看出，在未進行預判控制的NRTC試驗循環下，進氣節流閥的位置偏差（絕對值）平均為23.4%，在加入預判控制后，位置偏差（絕對值）平均為2.0%，降幅91.5%。由此可見，通過預判控制輔助后，NRTC循環中的每個工況，進氣節流閥都能更快地達到目標位置，控制精度得到了顯著的提高。

3.2 對排氣溫度的影響? 圖4和圖5分別為NRTC循環工況中截取的兩個30秒區間，其中190～220秒處于低速低負荷運行，500～530秒在高速高負荷運行。

如圖4、圖5所示，在加入預判控制后，排氣溫度均有不同程度的升高。這是因為，加入預判控制后，每工況下的進氣節流閥能夠更加迅速地達到目標位置，并及時地減少了進氣量，從而滯燃期延長，更多的可燃混合氣在隨后的急燃期迅速燃燒，最高燃燒壓力和放熱量都增加，最終導致排溫升高。

另外，從圖4可以看到預判控制將平均排溫從253.4℃提升至303.2℃，漲幅19.7%;而圖5中的預判控制將平均排溫從454.8℃提升至459.6℃，漲幅僅有1.1%。主要原因是熱管理的需要，相較于高速高負荷，進氣節流閥開度在低速低負荷處于較小的狀態，閥的位移量較大，控制精度對其產生的影響更為明顯[11-12]。

3.3 對燃油消耗量的影響

從圖6和圖7看出，加入預判控制后，低速低負荷運行的30秒平均燃油消耗量由1.66kg/h增加到1.87kg/h，增幅12.7%。這是因為在低速低負荷時，壓縮行程終點的缸內溫度較低，燃油霧化較差，此時關閉進氣節流閥會使缸內局部過濃區進一步增加，造成燃燒惡化，燃燒效率急劇下降，為保持柴油機動力性，此時會增加循環供油量。在未進行預判控制的情況下，進氣節流閥并沒有及時地達到目標位置，所產生的油耗增加量也并沒有按照預定的情況發生。

而高速高負荷運行的30秒平均燃油消耗量基本沒有變化。這是因為在高速工況，進氣節流閥的關閉程度并不大，控制精度對燃油消耗產生的影響并不大;其次，此時的空燃比較大，適量地減少進氣量，反而能提高燃燒效率。

4? NRTC循環

雖然預判控制在低速低負荷對控制精度提升很大，但是NRTC循環中轉速百分比低于60%的工況僅有350個，占整個循環的28%。這說明在發動機試驗臺進行的NRTC瞬態循環主要還是由高速高負荷的工況構成。由表3可以看出，經過預判控制后，整個NRTC循環的平均排溫和平均燃油消耗量有不同程度的升高，但并不明顯。

發動機原始排放中的CO由0.422g/kWh增加到0.475g/kWh。這是因為進氣量更精確地減小，使得缸內空燃比減小，缸內混合氣變濃，造成局部燃燒不充分，生成了更多的CO。

NOX由3.034g/kWh增加到3.357g/kWh，增幅10.6%。這是因為NOX主要在高溫富氧的情況生成，進氣量更精確地減小，使得缸內空燃比減小，雖然氧濃度也隨之減小，但缸內溫度在滯燃期的作用下大幅增加，并占據了主導地位。

HC由0.163g/kWh減少到0.139g/kWh，減幅14.7%。HC的排放主要來自于未燃的燃油，而滯燃期的延長使得缸內油氣混合時間加長，再加上缸內溫度的升高降低了缸內部分區域失火的概率，從而減少了不完全燃燒的燃油量，導致的HC排放量的減少。

PM由0.035g/kWh增至0.044g/kWh，增幅25.7%，這是因為進氣節流閥更快地達到目標位置，進氣量更精確地減小，使得缸內燃燒惡化加劇，滯燃期的延長導致燃燒持續期縮短，同時擴散燃燒時高溫裂解生成的soot增加。

5? 實際作業

將進氣節流閥預判控制應用于旋耕機田間實際工作中，選取三個具有代表性的工作時段，均包含怠速模式、行走模式、旋耕模式三種典型工況。三個工作時段分別在是否帶有預判控制的作用下進行兩次，同時通過ECU讀取后處理前的排氣溫度和燃油消耗量，通過PEMS（便攜式排放分析儀）測量排放污染物的值。

從表4可以看出，預判控制對實際作業所產生的影響與對NRTC循環的影響基本一致。三個時段中的排氣溫度增幅都超過了30%，這是因為三個時段中怠速和行走模式占比都超過了50%，低速低負荷的工作時間占比遠遠大于NRTC試驗循環。除此之外，時段1中的怠速和行走模式占比78.2%，是三個時段中占比最大的，因此預判控制對平均排溫、平均燃油消耗量以及排放污染物的影響也是最大的。

6? 結論

①采用進氣節流閥位置MAP預判控制策略，輔助PID閉環控制，能極大地提高進氣節流閥控制精度。②在瞬態工況中，預判控制對燃油消耗量的影響并不顯著;CO、NOX和HC有不同程度的增加或減少，但影響不大，顆粒物增幅比較明顯。預判控制所帶來的最大影響是可以提高排氣溫度，提升后處理熱管理效果，尤其在低速低負荷工況改善明顯，這對于實際作業中經常處于低速低負荷的機械更有幫助。③針對排放控制手段相對落后的農用非道路機械的改造，該方案成本較低，且同時適用于試驗室法規標準試驗和機械實際作業，具有一定的參考價值。

參考文獻：

[1]中華人民共和國生態環境部.中國移動源環境管理年報（2019）[J].2019.

[2]鄭貴聰，顏傳武，陸勝旗，許智強.發動機排氣熱管理試驗研究[J].內燃機工程，2017.

[3]王建昕.汽車發動機原理[M].背景：清華大學出版社，2011.

[4]姚廣濤，趙國斌，鄧成林，等.進氣節流對柴油機性能影響的試驗研究[J].汽車工程，2016（5）：521-525.

[5]YAN S， ROMZEK M， MEDA L G， Thermal analysis of diesel after-treatment system[C]// SAE Paper. Detroit， Michigan， USA， 2010， 2010-01-2015.

[6]Gabrich B， Andre JRS， AMD Morais， et al. Study of the throttle valve flow rate to adapt a diesel engine for operation with ethanol[C]. SAE Paper 2014-36-0137.

[7]唐蛟，李國祥，孫少軍，等.基于歐Ⅵ柴油機排氣熱量管理主動控制措施研究[J].內燃機工程，2015，36（2）：120-125.

[8]STADLBAUER S.DOC temperature control for low temperature operating ranges with post and main injection actuation[C]//SAE Paper. Detroit， Michigan， 2013， 2013-01-1580.

[9]CHATTERJEE S， WALKER A P， BLAKEMAN P G.Emission Control Options to Achieve Euro IV and Euro V on Heavy Duty Diesel Engines[C]. SAE Paper 2008-28-0021.

[10]GB 20891-2014，非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法（中國第三、四階段）[S].

[11]王建，曹政，張多軍，劉勝吉.基于DPF主動再生溫度需求的柴油機進氣節流控制策略[J].農業工程學報，2018.

[12]黃開勝，張垚，劉剛，等.進氣壓力對發動機性能的影響研究[J].內燃機工程，2017，38（2）：73-78.