基于Simulink的柴油引燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)控制模型開(kāi)發(fā)

褚全紅， 賈利， 胡勇， 陳志瑞， 智海峰， 穆林

(1. 中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)， 天津 300400； 2. 北京易控凌博汽車(chē)電子技術(shù)有限公司， 北京 100098)

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基于Simulink的柴油引燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)控制模型開(kāi)發(fā)

褚全紅1， 賈利1， 胡勇1， 陳志瑞1， 智海峰1， 穆林2

(1. 中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)， 天津 300400； 2. 北京易控凌博汽車(chē)電子技術(shù)有限公司， 北京 100098)

為了提高柴油引燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在中小負(fù)荷的熱效率，采用具備電子節(jié)氣門(mén)的電子控制系統(tǒng)，利用Simulink軟件開(kāi)發(fā)了針對(duì)該系統(tǒng)的具有電子節(jié)氣門(mén)控制功能的發(fā)動(dòng)機(jī)控制模型，通過(guò)自動(dòng)代碼生成工具生成嵌入式代碼，并下載至發(fā)動(dòng)機(jī)控制器進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該節(jié)氣門(mén)控制算法具有較好的控制效果，發(fā)動(dòng)機(jī)控制算法能夠有效控制發(fā)動(dòng)機(jī)中小負(fù)荷的混合氣空燃比，明顯提高熱效率。

柴油引燃； 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)； 電子節(jié)氣門(mén)； 控制模型； 代碼生成

全球能源危機(jī)日益嚴(yán)峻，迫使柴油機(jī)行業(yè)向著節(jié)能方向發(fā)展。特別是對(duì)于中重型柴油機(jī)，由于其工作負(fù)荷大，燃油消耗高，涉及國(guó)家能源安全，節(jié)能要求更加迫切。各項(xiàng)節(jié)能方案中，使用替代燃料和高效燃燒方式是極具潛力的兩種方案。

替代燃料中，天然氣具有熱值高、抗暴性好、易于形成均質(zhì)混合氣、安全性高等特點(diǎn)[1-4]，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)可以達(dá)到相同排量柴油機(jī)的動(dòng)力水平[5]，通過(guò)采用高壓縮比能達(dá)到較高的熱效率，而且我國(guó)的天然氣儲(chǔ)量豐富[6]，價(jià)格低于柴油，因此天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)呈現(xiàn)出快速發(fā)展和普及的趨勢(shì)。另一方面，以柴油引燃天然氣為代表的準(zhǔn)均質(zhì)充量壓燃(QHCCI)燃燒方式快速發(fā)展，在壓縮上止點(diǎn)前使用少量柴油大面積引燃缸內(nèi)的天然氣和空氣混合氣，繼承了均質(zhì)充量壓燃(HCCI)燃燒方式的均質(zhì)、稀燃、大面積同時(shí)著火的優(yōu)良特性，同時(shí)又保證了引燃的可靠性，大大提高了實(shí)用性。柴油引燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)綜合了上述兩方面優(yōu)勢(shì)，因而具有明顯的高效節(jié)能優(yōu)勢(shì)和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

目前，柴油引燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)仍存在一些問(wèn)題亟待解決，其中比較突出的問(wèn)題是中小負(fù)荷熱效率和經(jīng)濟(jì)性明顯低于柴油機(jī)[7-8]。本研究將1臺(tái)增壓中冷柴油機(jī)改裝為柴油引燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，增加電子節(jié)氣門(mén)以調(diào)整中小負(fù)荷的空燃比，針對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)了集成有電子節(jié)氣門(mén)控制功能的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了最大柴油替代率下的經(jīng)濟(jì)性研究。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)燃料供給系統(tǒng)改造

試驗(yàn)用柴油引燃式天然氣發(fā)動(dòng)的原機(jī)是1臺(tái)高壓共軌柴油機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

在保留原機(jī)柴油供給系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，柴油引燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)增加了進(jìn)氣道噴射天然氣供給系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)、電子節(jié)氣門(mén)和柴油引燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。

柴油引燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元采集原機(jī)配備的各種傳感器的信號(hào)(如曲軸信號(hào)、凸輪軸信號(hào)、水溫、增壓壓力溫度、軌壓等)和天然氣系統(tǒng)的相關(guān)信號(hào)(如天然氣溫度、壓力等)，并控制柴油供給噴射系統(tǒng)(如計(jì)量閥、噴油器等)、天然氣供給噴射系統(tǒng)(如噴氣閥、截止閥等)和電子節(jié)氣門(mén)。本研究的柴油引燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)控制模型是在上述燃料供給系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略與模型搭建

2.1 控制策略

柴油引燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)控制軟件框架見(jiàn)圖2。其中，電子節(jié)氣門(mén)采用PID閉環(huán)控制算法，控制邏輯見(jiàn)圖3。首先根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和指示扭矩查表得到節(jié)氣門(mén)目標(biāo)開(kāi)度，然后進(jìn)行PID閉環(huán)控制，輸出變量為PWM占空比，控制信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路輸出給電子節(jié)氣門(mén)。

2.2 模型搭建

根據(jù)上述控制策略，利用Simulink軟件搭建發(fā)動(dòng)機(jī)控制模型，模型見(jiàn)圖4。模型由硬件配置部分、部件信號(hào)采集部分、發(fā)動(dòng)機(jī)控制部分、部件驅(qū)動(dòng)部分組成。其中硬件配置部分可以在Simulink中對(duì)控制器各輸入通道的參數(shù)進(jìn)行配置；部件信號(hào)采集部分將控制器采集到的各個(gè)傳感器原始信號(hào)轉(zhuǎn)換為物理值；發(fā)動(dòng)機(jī)控制部分根據(jù)傳感器信號(hào)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)，并計(jì)算控制輸出；部件驅(qū)動(dòng)部分將控制輸出轉(zhuǎn)換為控制器硬件的輸出信號(hào)并輸出控制信號(hào)。

借助Simulink提供的代碼生成功能和自主開(kāi)發(fā)的自動(dòng)代碼生成工具箱，將上述模型自動(dòng)轉(zhuǎn)換為嵌入式代碼，并自動(dòng)調(diào)用CodeWarrior集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中的編譯器進(jìn)行代碼編譯，然后使用下載器將代碼下載至控制器中。上述流程見(jiàn)圖5。

3 試驗(yàn)設(shè)備和方法

試驗(yàn)臺(tái)架采用HD460電渦流測(cè)功機(jī)、KMA 4000智能油耗儀、CMF025M319NQBPMZZZ質(zhì)量流量計(jì)和TOCEIL-20N150進(jìn)氣熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)。試驗(yàn)選用了兩種燃料，分別是國(guó)產(chǎn)0號(hào)柴油以及車(chē)用天然氣。

試驗(yàn)工況點(diǎn)選擇了中低轉(zhuǎn)速1 200 r/min和中高轉(zhuǎn)速1 800 r/min兩條轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)，每條轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)從100 N·m開(kāi)始以100 N·m為增加步長(zhǎng)進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)于每個(gè)工況點(diǎn)，首先保持節(jié)氣門(mén)100%開(kāi)度，進(jìn)行柴油機(jī)原機(jī)性能試驗(yàn)和雙燃料試驗(yàn)，在雙燃料試驗(yàn)中逐漸減小節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，并相應(yīng)減少引燃油量和燃?xì)饬浚员３职l(fā)動(dòng)機(jī)扭矩不變，直至出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出無(wú)明顯變化或工作不正?；蚺艤剌^高等情況。調(diào)節(jié)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度時(shí)不對(duì)引燃油提前角進(jìn)行調(diào)節(jié)。試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量的參數(shù)包括發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、節(jié)氣門(mén)位置、進(jìn)氣空氣流量、燃油流量、天然氣流量等。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 電子節(jié)氣門(mén)控制

電子節(jié)氣門(mén)控制效果見(jiàn)圖6?？梢钥吹?，電子節(jié)氣門(mén)開(kāi)度的穩(wěn)態(tài)誤差幾乎為0；為保證響應(yīng)的快速性，在瞬態(tài)響應(yīng)過(guò)程存在一定超調(diào)量?？刂菩Ч梢詽M(mǎn)足本試驗(yàn)對(duì)穩(wěn)態(tài)高精度的要求。

4.2 過(guò)量空氣系數(shù)

柴油引燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的主要燃料為天然氣，相較于柴油，天然氣對(duì)混合氣濃度較為敏感，過(guò)濃或過(guò)稀都不利于火焰?zhèn)鞑?，從而影響燃燒效率甚至燃燒穩(wěn)定性。

混合氣過(guò)量空氣系數(shù)的定義為

φa=qair/(qair，gas+qair，die)。

式中：φa為混合氣過(guò)量空氣系數(shù)；qair為空氣進(jìn)氣量；qair，gas為天然氣完全燃燒所需空氣量；qair，die為柴油完全燃燒所需空氣量。

發(fā)動(dòng)機(jī)燃用純柴油和柴油引燃天然氣時(shí)的混合氣過(guò)量空氣系數(shù)見(jiàn)圖7?？梢钥闯?，在柴油引燃天然氣模式下，當(dāng)節(jié)氣門(mén)全開(kāi)時(shí)，雖然過(guò)量空氣系數(shù)相較于使用純柴油有所降低，但仍然超過(guò)2，此時(shí)天然氣火焰已經(jīng)無(wú)法傳播，只有引燃柴油附近區(qū)域的天然氣才能燃燒。隨著節(jié)氣門(mén)開(kāi)度的減小，并相應(yīng)減少燃?xì)饬?，過(guò)量空氣系數(shù)可以減小至1.6附近，這有利于燃?xì)獾娜紵⑶一旌蠚馊匀惶幱谙∪紶顟B(tài)。

4.3 發(fā)動(dòng)機(jī)有效熱效率

發(fā)動(dòng)機(jī)燃用純柴油和柴油引燃天然氣時(shí)的有效熱效率見(jiàn)圖8?？梢钥闯?，在1 200 r/min和1 800 r/min下的中小負(fù)荷，當(dāng)節(jié)氣門(mén)全開(kāi)，即不通過(guò)節(jié)氣門(mén)控制空燃比時(shí)，由于混合氣偏稀，有效熱效率最低。隨著節(jié)氣門(mén)開(kāi)度減小，混合氣濃度得到改善，有利于天然氣火焰?zhèn)鞑?，有效熱效率逐漸增加，且中高轉(zhuǎn)速(1 800 r/min)下的增幅高于中低轉(zhuǎn)速(1 200 r/min)，平均提高約5%。雙燃料模式下，中高轉(zhuǎn)速的絕大部分中小負(fù)荷點(diǎn)所能達(dá)到的最高有效熱效率基本與使用純柴油時(shí)持平。

為了更清晰地反映柴油引燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)于原柴油機(jī)有效熱效率的變化，可以定義雙燃料工作效率：

η=ηDF/ηDie×100%。

式中：η為雙燃料工作效率；ηDF為雙燃料模式的有效熱效率；ηDie為純柴油模式的有效熱效率。當(dāng)η>100%時(shí)，說(shuō)明雙燃料模式下的有效熱效率高于純柴油模式；當(dāng)η<100%時(shí)，說(shuō)明雙燃料模式下的有效熱效率低于純柴油模式。

雙燃料工作效率見(jiàn)圖9。可以看出，1 200r/min時(shí)，相同負(fù)荷下，通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，雙燃料工作效率提升了2%～8%，最高達(dá)到90%。1 800r/min下除最小負(fù)荷點(diǎn)外，雙燃料工作效率提升了10%～20%，最高達(dá)到97%，基本與柴油機(jī)原機(jī)持平。這說(shuō)明通過(guò)節(jié)氣門(mén)控制空燃比可以有效提高柴油引燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的有效熱效率，使其達(dá)到原柴油機(jī)的熱效率水平。

5 結(jié)論

a) 使用由Simulink軟件搭建的柴油引燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)控制模型，可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的柴油供給系統(tǒng)、天然氣供給系統(tǒng)、節(jié)氣門(mén)進(jìn)行控制，穩(wěn)態(tài)控制效果良好；

b) 使用自主開(kāi)發(fā)的基于Simulink的自動(dòng)代碼生成工具可以方便地將Simulink模型轉(zhuǎn)換為嵌入式代碼并自動(dòng)下載至控制器；

c) 通過(guò)控制節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，并相應(yīng)調(diào)節(jié)引燃油量和燃?xì)饬?，可以有效調(diào)節(jié)混合氣的過(guò)量空氣系數(shù)，顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)中小負(fù)荷的有效熱效率，達(dá)到柴油機(jī)原機(jī)水平；

d) 柴油引燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的過(guò)量空氣系數(shù)最優(yōu)值在1.6附近。

[1] 歐陽(yáng)明高,李建秋,楊福源，等.汽車(chē)新型動(dòng)力系統(tǒng)：構(gòu)型、建模與仿真[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008.

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[編輯： 潘麗麗]

Development of Control Model for Diesel Ignited NG Engine Based on Simulink

CHU Quanhong1， JIA Li1， HU Yong1， CHEN Zhirui1， ZHI Haifeng1， MU Lin2

(1. China North Engine Research Institute (Tianjin)， Tianjin 300400， China；2. ECTEK Automotive Electronics, Co., Ltd.， Beijing 100098， China)

In order to improve the thermal efficiency of diesel ignited natural gas engine at medium and low load, an electronic control system equipped with electronic throttle valve was introduced. The engine control model with electronic throttle valve control function for the system was developed with Simulink software. Then embedded code was generated with code generation tool and was downloaded to the controller for test use. The results show that the control algorithm of throttle valve is effective. The engine control algorithm can control the air-fuel ratio of mixture effectively at medium and low load so that the engine thermal efficiency improves obviously.

diesel ignited； natural gas engine; electronicthrottlevalve; control model； code generation

2015-08-27；

2015-12-01

褚全紅(1968—)，男，研究員，研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)及內(nèi)燃機(jī)測(cè)試儀器等；dtaddz@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.06.005

TK464

B

1001-2222(2015)06-0023-04