壓縮天然氣發(fā)動機空氣管理執(zhí)行器驅(qū)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(shù)中心，上海 200240；2.上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，上海 200240）

隨著石油能源日益緊張以及尾氣排放造成的環(huán)境污染問題日益加劇，代用燃料動力技術(shù)成為汽車領(lǐng)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(fā)展?jié)摿妥钋鍧嵉奶娲茉础Ｄ壳拔覈m然有滿足國Ⅲ、國Ⅳ及以上排放標準的高性能氣體發(fā)動機，但這些發(fā)動機基本上都是采用進口的燃氣供給系統(tǒng)，特別是電控系統(tǒng)的核心技術(shù)和控制器基本上被國外公司壟斷。因此，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的天然氣發(fā)動機電子控制系統(tǒng)具有十分重要的意義。

1 壓縮天然氣發(fā)動機系統(tǒng)功能

本研究以YC6G260N天然氣發(fā)動機為研究對象，該發(fā)動機應(yīng)用于重型商用車，其主要參數(shù)見表1。該發(fā)動機采用增壓中冷、稀薄燃燒、單缸高能點火的技術(shù)路線，控制系統(tǒng)采用如圖1所示的單點噴射系統(tǒng)方案，該系統(tǒng)具有穩(wěn)態(tài)性能好、易于實現(xiàn)等優(yōu)點［1］。

表1 YC6G260N天然氣發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)

天然氣發(fā)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(guān)的信號參數(shù)，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(qū)動執(zhí)行器運行；與系統(tǒng)監(jiān)測軟件通信；與系統(tǒng)標定軟件通信，實現(xiàn)在線標定的功能；與診斷工具通信等。

CNG發(fā)動機空氣管理系統(tǒng)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(yīng)的執(zhí)行器由電子節(jié)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(fā)動機空氣管理系統(tǒng)的作用是根據(jù)發(fā)動機工況提供適宜的空氣量，同時向ECU傳遞此信息，并根據(jù)ECU的指令完成空氣量的調(diào)節(jié)。

CNG稀燃增壓發(fā)動機需要對缸內(nèi)的空燃比進行閉環(huán)控制，因而需要對節(jié)氣門、增壓器和旁通閥進行靈活、快速地控制。CNG稀燃增壓發(fā)動機的瞬態(tài)特性與空氣量、燃氣量、空燃比、增壓壓力等的瞬態(tài)控制密切相關(guān)，對控制系統(tǒng)硬件驅(qū)動的瞬態(tài)控制要求是硬件能夠在瞬態(tài)工況下做到實時精確反應(yīng)：

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

2）增壓壓力的控制在執(zhí)行器響應(yīng)的范圍內(nèi)，滿足增壓壓力的控制需求。

本研究重點針對空氣管理關(guān)鍵執(zhí)行器電子節(jié)氣門和旁通閥的控制。

2 電子節(jié)氣門驅(qū)動控制

2.1 電子節(jié)氣門非線性分析

電子節(jié)氣門是一個機電傳動系統(tǒng)，直流電機是執(zhí)行元件，減速齒輪組、復(fù)位彈簧、節(jié)氣門閥組成執(zhí)行機構(gòu)。

電子節(jié)氣門是一個非線性的執(zhí)行器，其非線性表現(xiàn)在以下幾個方面［3］：

1）減速齒輪機構(gòu)之間齒間隙是非線性的。節(jié)氣門總成上設(shè)有一套齒輪減速機構(gòu)，由于齒輪嚙合存在間隙，產(chǎn)生了齒間隙非線性，使得電機扭矩和節(jié)氣門輸出之間是非線性關(guān)系。

2）復(fù)位彈簧是非線性的。該彈簧是非線性扭轉(zhuǎn)彈簧，當(dāng)節(jié)氣門需要從較大開度位置降到較小開度或回到節(jié)氣門關(guān)閉位置時，可以提供一個較大的扭轉(zhuǎn)力矩，使節(jié)氣門閥片可以快速地回到要求的位置。

3）節(jié)氣門閥片在運動過程中的摩擦力矩是非線性的。節(jié)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(tài)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(fā)動機工作時進氣道內(nèi)的空氣對節(jié)氣門沖擊力隨節(jié)氣門開度不同而不同。

2.2 硬件驅(qū)動信號對電子節(jié)氣門動態(tài)響應(yīng)性的影響

節(jié)氣門驅(qū)動軟件設(shè)計主要是控制節(jié)氣門的旋轉(zhuǎn)方向和驅(qū)動扭矩。硬件驅(qū)動信號PWM信號直接決定著電子節(jié)氣門直流電機的旋轉(zhuǎn)扭矩。在進行電子節(jié)氣門驅(qū)動軟件設(shè)計之前，首先需要對硬件驅(qū)動信號對電子節(jié)氣門動態(tài)響應(yīng)性的影響進行研究。

2.2.1 PWM頻率對電子節(jié)氣門動態(tài)響應(yīng)性的影響

PWM信號的頻率主要影響電子節(jié)氣門控制的抗干擾性。對電子節(jié)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(jié)氣門電樞中的電流為連續(xù)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(qū)動電路容易受到干擾，會出現(xiàn)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(qū)動電路的發(fā)熱比較嚴重。為了研究硬件驅(qū)動信號對電子節(jié)氣門動態(tài)響應(yīng)性的影響，進行了一系列階躍響應(yīng)試驗。圖4和5分別示出在不同頻率下節(jié)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(jié)氣門實際開度TPS＿Value的階躍響應(yīng)曲線。由圖4可以看出，在較小的階躍變化時，硬件驅(qū)動信號頻率對節(jié)氣門開度的動態(tài)響應(yīng)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(qū)動信號表現(xiàn)出的動態(tài)響應(yīng)性最好。考慮到驅(qū)動電流的波動以及硬件電路的發(fā)熱等問題，根據(jù)試驗中節(jié)氣門的實際控制效果和節(jié)氣門驅(qū)動芯片可承受的最高頻率（10kHz），在本研究CNG電控系統(tǒng)ECU硬件設(shè)計中，選用PWM信號的頻率為4kHz。

2.2.2 PWM驅(qū)動信號有效驅(qū)動脈寬的確定

電子節(jié)氣門驅(qū)動PWM信號并不是在0～100%的占空比范圍內(nèi)都可以，在實際的電子節(jié)氣門PWM占空比控制中，還需要考慮節(jié)氣門供電電壓的變化，從而對PWM有效驅(qū)動脈寬進行修正。同時為了提高節(jié)氣門的瞬態(tài)響應(yīng)性，還需要研究最大有效占空比對節(jié)氣門動態(tài)響應(yīng)的影響，以最終確定節(jié)氣門閉環(huán)控制時有效占空比的范圍。在CNG稀燃增壓發(fā)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(shè)為20%，30%，40%，50%，對節(jié)氣門動態(tài)響應(yīng)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(jié)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(yīng)，20%占空比的響應(yīng)時間約為0.5s，響應(yīng)時間不能滿足要求；隨著占空比的增大，階躍響應(yīng)時間變小，其中40%和50%占空比的響應(yīng)時間都小于100ms，滿足階躍響應(yīng)時間要求；在小開度階躍響應(yīng)時，最大有效占空比對節(jié)氣門動態(tài)響應(yīng)的影響趨勢相同，其中50%占空比表現(xiàn)出的響應(yīng)時間和超調(diào)量最好。

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

3 旁通閥驅(qū)動控制

3.1 旁通閥控制特性分析

稀燃發(fā)動機的渦輪遲滯時間比自然吸氣的當(dāng)量發(fā)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(zhuǎn)速，然后通過節(jié)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(dǎo)致油耗增加。旁通閥最簡單的控制是在空氣路到旁通執(zhí)行器之間直接提供增壓壓力。當(dāng)增壓壓力推開旁通閥執(zhí)行器的彈簧時，旁通閥打開。旁通控制閥根據(jù)PWM控制信號提供給旁通閥執(zhí)行器所需的壓力，然后旁通閥執(zhí)行器將此壓力轉(zhuǎn)化為線性運動以驅(qū)動旁通閥。

旁通閥位置是作用在執(zhí)行機構(gòu)（旁通控制閥）上壓力的直接結(jié)果，該壓力在執(zhí)行器上產(chǎn)生一個力F＝pwgA，A為執(zhí)行器的有效作用面積，pwg為旁通閥的輸出壓力，F(xiàn)為執(zhí)行機構(gòu)的彈簧反作用力。彈簧力通?？梢越⑿稳鏔＝－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(shù)。當(dāng)廢氣旁通閥完全關(guān)閉時，一個最小的力F0可以使彈簧壓縮，從而使得執(zhí)行機構(gòu)動作。

通過發(fā)動機臺架試驗，在壓力源為0.16MPa下，得出CNG稀燃增壓發(fā)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(zhí)行機構(gòu)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(zhí)行器壓力有效時的占空比范圍是 ［umin，umax］，這個占空比區(qū)間之外對應(yīng)的執(zhí)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(tài)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(fā)動機ECU空氣管理執(zhí)行器瞬態(tài)控制的效果，在發(fā)動機試驗臺架上對電子節(jié)氣門、旁通閥、防喘振閥等執(zhí)行器進行了相應(yīng)的試驗。由圖9可見，在發(fā)動機運行過程中，ECU控制的電子節(jié)氣門實際開度能夠?qū)崟r跟隨節(jié)氣門的目標開度，響應(yīng)快、超調(diào)量小、穩(wěn)態(tài)精度高，能夠滿足發(fā)動機進氣量實時調(diào)整的需要，從而可以精確控制CNG發(fā)動機的進氣量，確保滿足CNG發(fā)動機功率精確控制的要求。

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

CNG稀燃增壓發(fā)動機空氣管理執(zhí)行器電子節(jié)氣門、旁通閥、防喘振閥的聯(lián)動試驗結(jié)果見圖11，圖中橢圓形區(qū)域示出發(fā)動機高速卸載時，由于節(jié)氣門突然關(guān)閉，導(dǎo)致節(jié)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(jié)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(jié)束語

在分析CNG稀燃增壓發(fā)動機系統(tǒng)功能和空氣管理系統(tǒng)作用的基礎(chǔ)上，重點展開對空氣管理執(zhí)行器關(guān)鍵執(zhí)行器電子節(jié)氣門和旁通閥的動態(tài)響應(yīng)性的研究?；陔娮庸?jié)氣門系統(tǒng)的非線性分析，研究了硬件PWM驅(qū)動信號的頻率及最大有效的驅(qū)動脈寬對電子節(jié)氣門動態(tài)響應(yīng)性的影響，可以實現(xiàn)階躍響應(yīng)時間約為80ms，超調(diào)量小于1%，穩(wěn)態(tài)誤差小于1%的控制效果，從而滿足對節(jié)氣門開度的精確控制和快速調(diào)節(jié)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(tài)模型，可以實現(xiàn)對旁通閥的控制，從而在發(fā)動機運行過程中實現(xiàn)對增壓壓力的閉環(huán)控制。

［1］ 盛 利，宋君花，王 都，等.CNG發(fā)動機控制器SPI通信多節(jié)點設(shè)計與應(yīng)用［J］.車用發(fā)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－h(huán)ome effects［J］.IEEE transactions of industry application，2004，40（3）：821－834.

［3］ 楊振東.基于模糊PID電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)［D］.長沙：湖南大學(xué)，2008.