- 相關(guān)推薦
多級閉環(huán)的燃氣發(fā)動(dòng)機管理策略研究的論文
摘 要：針對重型增壓燃氣發(fā)動(dòng)機的控制要求和更高的排放標準，采用以轉矩為核心控制發(fā)動(dòng)機進(jìn)氣量和燃料噴射量的方法，設計多級閉環(huán)的燃氣發(fā)動(dòng)機管理系統。發(fā)動(dòng)機臺架試驗結果表明，通過(guò)對轉矩、空燃比、增壓廢氣閥和電子節氣門(mén)（Electronic Throttle Valve Control，ETC）等的多級閉環(huán)控制，改善了發(fā)動(dòng)機的動(dòng)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(dòng)機；電子節氣門(mén)；增壓閥；稀薄燃燒；多級閉環(huán)
中圖分類(lèi)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(diǎn)火和催化后處理等技術(shù)是燃氣發(fā)動(dòng)機技術(shù)的發(fā)展方向[1-2]，也是提高燃氣發(fā)動(dòng)機動(dòng)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(dòng)機管理系統需要精確控制發(fā)動(dòng)機的進(jìn)氣、燃料供給和點(diǎn)火正時(shí)等，在滿(mǎn)足駕駛員的轉矩要求的前提下，同時(shí)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(dòng)機的動(dòng)力輸出與排放性能。目前國內對燃氣發(fā)動(dòng)機控制策略的研究主要集中在空燃比控制上[3]，未考慮轉矩、進(jìn)氣量、空燃比、增壓壓力和進(jìn)氣壓力之間的協(xié)同管理。因此，本文在傳統燃氣發(fā)動(dòng)機排放控制策略和轉矩管理的基礎上[4]，研究了一種從轉矩到進(jìn)氣量、進(jìn)氣壓力以及增壓壓力的多級閉環(huán)管理策略，實(shí)現了ETC開(kāi)度目標值與實(shí)際值、目標進(jìn)氣壓力與實(shí)際進(jìn)氣壓力、目標進(jìn)氣量與實(shí)際進(jìn)氣量之間的閉環(huán)控制，并通過(guò)發(fā)動(dòng)機試驗和臺架標定驗證了其控制方式的有效性。
1 控制系統結構
燃氣發(fā)動(dòng)機電控系統結構如圖1所示，整個(gè)系統主要由燃氣發(fā)動(dòng)機控制器（Electronic Control Unit，ECU）、電子油門(mén)踏板、ETC、增壓器、溫度壓力傳感器、燃氣噴嘴、點(diǎn)火線(xiàn)圈、減壓器和CNG氣瓶等組成。
ECU按照AUTOSAR架構設計，整體軟件包括基礎軟件和應用層兩大部分�；A軟件提供各種信號采集、數據通訊、繼電器和電磁閥等驅動(dòng)的接口函數；應用層調用基礎軟件訪(fǎng)問(wèn)硬件，實(shí)現各種控制算法。當前平臺采用32位微處理器MPC5534為主控芯片，內部集成了FlexCAN2（CAN2.0B通信控制模塊）、eQADC（增強型隊列式AD轉換）、eSCI（增強型串行異步通訊）和eTPU（增強型時(shí)間處理單元）等多個(gè)智能模塊，將轉速同步與噴射點(diǎn)火等對時(shí)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(dòng)機標定和故障診斷；另外一路采用J1939通訊協(xié)議，用于整車(chē)網(wǎng)絡(luò )通訊。
2 基于轉矩的多級閉環(huán)管理策略
發(fā)動(dòng)機控制系統最重要的任務(wù)是控制發(fā)動(dòng)機產(chǎn)生的轉矩，要做到這一點(diǎn)，ETC、增壓系統、燃料供給、點(diǎn)火控制等子系統中所有影響轉矩的量都需要進(jìn)行控制。這種形式控制的目的是為駕駛員提供要求的轉矩，同時(shí)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(lái)可能出現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，首先執行最重要的一個(gè)，使所有功能都能獨立提供對轉矩的要求，如圖2所示。在請求轉矩的協(xié)調完成后，系統就根據當前的轉矩要求，分別對進(jìn)氣系統、點(diǎn)火系統和燃料供給系統進(jìn)行控制，完成最佳轉矩的實(shí)現。
2.1 進(jìn)氣管理系統
燃氣發(fā)動(dòng)機屬于量調節式，其負荷量大小主要取決于進(jìn)氣量[5]，在計算機控制中，進(jìn)氣量可根據目標轉矩和實(shí)際轉速查表計算。自然吸氣式發(fā)動(dòng)機的進(jìn)氣量通過(guò)ETC調節，對電控增壓發(fā)動(dòng)機來(lái)說(shuō)，通過(guò)增壓閥也可調節進(jìn)氣量。進(jìn)氣系統的輸入為目標轉矩，輸出為ETC開(kāi)度和增壓閥開(kāi)度，其控制原理如圖3所示。在燃燒充分的條件下，發(fā)動(dòng)機的燃燒轉矩與進(jìn)氣量存在一一對應的關(guān)系。根據轉矩控制要求，發(fā)動(dòng)機的目標進(jìn)氣量由目標轉矩和實(shí)際轉速查表計算。
在發(fā)動(dòng)機負荷變化時(shí)，節氣門(mén)和增壓閥協(xié)同調節，ECU首先將目標轉矩轉換為目標進(jìn)氣量，然后通過(guò)增壓預控，將目標進(jìn)氣量轉換成目標進(jìn)氣壓力，然后確定節氣門(mén)的目標開(kāi)度，最后通過(guò)節氣門(mén)電機的閉環(huán)控制，確保節氣門(mén)目標位置與實(shí)際位置的一致。
2.1.1 進(jìn)氣模型
在發(fā)動(dòng)機穩定運轉狀態(tài)期間，根據進(jìn)氣歧管內進(jìn)氣量的守恒，每個(gè)工作循環(huán)進(jìn)入氣缸的空氣量是[6]： 。
式中，為充氣效率系數，mg/Pa；為實(shí)際采集的進(jìn)氣壓力，Pa；m0為工作循環(huán)內進(jìn)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(guò)程中都引入大氣壓力、進(jìn)氣溫度、可變氣門(mén)和節氣門(mén)前后壓力比的修正。
根據進(jìn)氣模型的充氣效率和殘余廢氣量，反過(guò)來(lái)可以根據目標進(jìn)氣量得到目標進(jìn)氣壓力，有
2.1.2 ETC閉環(huán)控制
目標進(jìn)氣壓力的控制主要由ETC實(shí)現，ETC的作用是通過(guò)不同的開(kāi)度對進(jìn)氣管內空氣流通的有效面積進(jìn)行調節，進(jìn)而調節進(jìn)氣歧管的壓力[8]。
表示節氣門(mén)前后壓力比，其中pup為節氣門(mén)前壓力，對于增壓發(fā)動(dòng)機來(lái)說(shuō)即增壓壓力。
節氣門(mén)的開(kāi)度越小，其節流作用越明顯，pq越小，在pq接近1的時(shí)候，節氣門(mén)開(kāi)度都比較大甚至處于全開(kāi)狀態(tài)。則節氣門(mén)的目標開(kāi)度可由pqdes和其固有特性計算得到。在節氣門(mén)的目標開(kāi)度設定以后，采用帶前饋的PID算法調節電機驅動(dòng)占空比，確保節氣門(mén)實(shí)際開(kāi)度與目標一致，如圖4所示。
2.1.3 增壓系統控制
對于電控增壓發(fā)動(dòng)機來(lái)說(shuō)，增壓壓力即節氣門(mén)前壓力pup，ECU可通過(guò)控制增壓控制閥開(kāi)度來(lái)準確控制增壓壓力，控制閥開(kāi)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]。由于增壓系統的響應有一定的滯后，因此發(fā)動(dòng)機工況之間的變化主要通過(guò)節氣門(mén)來(lái)調節，增壓系統對進(jìn)氣量的調節起修正的作用。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，首先預置了一個(gè)廢氣閥開(kāi)度，然后在這個(gè)基礎上，根據實(shí)際進(jìn)氣量和目標進(jìn)氣量對廢氣閥開(kāi)度進(jìn)行閉環(huán)修正。
2.2 燃氣供給系統
系統采用多點(diǎn)噴射方式，各缸單獨擁有一個(gè)噴嘴。采用非對稱(chēng)PI控制策略[3]，在稀薄燃燒方式下，根據目標空燃比和實(shí)際空燃比的偏差判斷混合氣過(guò)濃或過(guò)稀。
天然氣的噴射量根據各缸的進(jìn)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換常數（17.2）。在基本燃料量的基礎上，再計算暖機修正、過(guò)渡工況修正、燃料自適應修正、氣路補償等參數，實(shí)現燃料的精確控制。
2.3 點(diǎn)火系統控制
點(diǎn)火驅動(dòng)集成在ECU中，可實(shí)現點(diǎn)火能量和點(diǎn)火時(shí)刻的精確控制。點(diǎn)火能量跟點(diǎn)火線(xiàn)圈充電時(shí)間和點(diǎn)火電壓相關(guān)。點(diǎn)火時(shí)刻主要指點(diǎn)火提前角，在基本點(diǎn)火提前角的基礎上增加溫度、空燃比、功率、爆震等修正因子，如圖6所示，基本點(diǎn)火提前角根據當前轉速和負荷設定。
3 試驗結果分析
利用設計的電控系統，以WT615發(fā)動(dòng)機為原型，針對增壓稀燃的要求開(kāi)發(fā)了燃氣發(fā)動(dòng)機。發(fā)動(dòng)機基本參數見(jiàn)表1。
通過(guò)燃料供給系統的集成，增壓器選型與匹配，催化器的選型與匹配，標定參數的優(yōu)化，該系統實(shí)現了全工況的閉環(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(dòng)機試驗結果，在該試驗方案下，發(fā)動(dòng)機額定功率為213.5 kW/2 200 （r?min-1），最大轉矩為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GB17691―2005的要求[9]，進(jìn)行了瞬態(tài)工況的發(fā)動(dòng)機排氣污染物測量（ETC循環(huán)），試驗結果見(jiàn)表2。
4 結論
在轉矩控制策略下，采用稀薄燃燒、空燃比閉環(huán)、負荷閉環(huán)、進(jìn)氣壓力閉環(huán)等技術(shù)，通過(guò)ETC和增壓閥實(shí)現了燃氣發(fā)動(dòng)機進(jìn)氣量的精確控制，從多角度提高發(fā)動(dòng)機負荷的控制精度。使發(fā)動(dòng)機的輸出轉矩最佳，改善了燃氣發(fā)動(dòng)機排放，保證了發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力性能，燃料經(jīng)濟性高。搭載了該系統的燃氣發(fā)動(dòng)機，最低燃氣消耗率小于200 g/（kW?h），排放滿(mǎn)足國Ⅴ標準。
【多級閉環(huán)的燃氣發(fā)動(dòng)機管理策略研究的論文】相關(guān)文章：
船舶制造業(yè)車(chē)間管理策略措施研究論文03-19
學(xué)校管理策略論文03-30
生產(chǎn)成本管理中的內控缺失與優(yōu)化策略研究論文12-03
基于燃氣企業(yè)的資金管理研究12-07
創(chuàng )建小學(xué)班級文化的策略研究論文03-11
團隊管理研究論文08-29
員工管理研究論文06-12