多級(jí)閉環(huán)的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)管理策略研究

黃國(guó)鈞　葛曉成　鄒博文　田青云

摘 要：針對(duì)重型增壓燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的控制要求和更高的排放標(biāo)準(zhǔn)，采用以轉(zhuǎn)矩為核心控制發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量和燃料噴射量的方法，設(shè)計(jì)多級(jí)閉環(huán)的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)矩、空燃比、增壓廢氣閥和電子節(jié)氣門(mén)（Electronic Throttle Valve Control，ETC）等的多級(jí)閉環(huán)控制，改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和燃料經(jīng)濟(jì)性，達(dá)到了國(guó)Ⅴ排放水平。

關(guān)鍵詞：天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)；電子節(jié)氣門(mén)；增壓閥；稀薄燃燒；多級(jí)閉環(huán)

中圖分類號(hào)：TK432文獻(xiàn)標(biāo)文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文獻(xiàn)標(biāo)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?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展方向[1-2]，也是提高燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，達(dá)到國(guó)Ⅴ及以上排放標(biāo)準(zhǔn)的必然途徑。采用這些控制技術(shù)的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)需要精確控制發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣、燃料供給和點(diǎn)火正時(shí)等，在滿足駕駛員的轉(zhuǎn)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(yán)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(jī)的動(dòng)力輸出與排放性能。目前國(guó)內(nèi)對(duì)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)控制策略的研究主要集中在空燃比控制上[3]，未考慮轉(zhuǎn)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(tǒng)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)排放控制策略和轉(zhuǎn)矩管理的基礎(chǔ)上[4]，研究了一種從轉(zhuǎn)矩到進(jìn)氣量、進(jìn)氣壓力以及增壓壓力的多級(jí)閉環(huán)管理策略，實(shí)現(xiàn)了ETC開(kāi)度目標(biāo)值與實(shí)際值、目標(biāo)進(jìn)氣壓力與實(shí)際進(jìn)氣壓力、目標(biāo)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(jī)試驗(yàn)和臺(tái)架標(biāo)定驗(yàn)證了其控制方式的有效性。

1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)主要由燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)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?xì)鈬娮?、點(diǎn)火線圈、減壓器和CNG氣瓶等組成。

ECU按照AUTOSAR架構(gòu)設(shè)計(jì)，整體軟件包括基礎(chǔ)軟件和應(yīng)用層兩大部分?；A(chǔ)軟件提供各種信號(hào)采集、數(shù)據(jù)通訊、繼電器和電磁閥等驅(qū)動(dòng)的接口函數(shù)；應(yīng)用層調(diào)用基礎(chǔ)軟件訪問(wèn)硬件，實(shí)現(xiàn)各種控制算法。當(dāng)前平臺(tái)采用32位微處理器MPC5534為主控芯片，內(nèi)部集成了FlexCAN2（CAN2.0B通信控制模塊）、eQADC（增強(qiáng)型隊(duì)列式AD轉(zhuǎn)換）、eSCI（增強(qiáng)型串行異步通訊）和eTPU（增強(qiáng)型時(shí)間處理單元）等多個(gè)智能模塊，將轉(zhuǎn)速同步與噴射點(diǎn)火等對(duì)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(jī)標(biāo)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(zhuǎn)矩的多級(jí)閉環(huán)管理策略

發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)最重要的任務(wù)是控制發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，要做到這一點(diǎn)，ETC、增壓系統(tǒng)、燃料供給、點(diǎn)火控制等子系統(tǒng)中所有影響轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yán)格要求，把大量各不相同的目標(biāo)聯(lián)系在一起，將原來(lái)可能出現(xiàn)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(diào)，首先執(zhí)行最重要的一個(gè)，使所有功能都能獨(dú)立提供對(duì)轉(zhuǎn)矩的要求，如圖2所示。在請(qǐng)求轉(zhuǎn)矩的協(xié)調(diào)完成后，系統(tǒng)就根據(jù)當(dāng)前的轉(zhuǎn)矩要求，分別對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)和燃料供給系統(tǒng)進(jìn)行控制，完成最佳轉(zhuǎn)矩的實(shí)現(xiàn)。

2.1 進(jìn)氣管理系統(tǒng)

燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)屬于量調(diào)節(jié)式，其負(fù)荷量大小主要取決于進(jìn)氣量[5]，在計(jì)算機(jī)控制中，進(jìn)氣量可根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩和實(shí)際轉(zhuǎn)速查表計(jì)算。自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量通過(guò)ETC調(diào)節(jié)，對(duì)電控增壓發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，通過(guò)增壓閥也可調(diào)節(jié)進(jìn)氣量。進(jìn)氣系統(tǒng)的輸入為目標(biāo)轉(zhuǎn)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(jī)的燃燒轉(zhuǎn)矩與進(jìn)氣量存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。根據(jù)轉(zhuǎn)矩控制要求，發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)進(jìn)氣量由目標(biāo)轉(zhuǎn)矩和實(shí)際轉(zhuǎn)速查表計(jì)算。

在發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷變化時(shí)，節(jié)氣門(mén)和增壓閥協(xié)同調(diào)節(jié)，ECU首先將目標(biāo)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換為目標(biāo)進(jìn)氣量，然后通過(guò)增壓預(yù)控，將目標(biāo)進(jìn)氣量轉(zhuǎn)換成目標(biāo)進(jìn)氣壓力，然后確定節(jié)氣門(mén)的目標(biāo)開(kāi)度，最后通過(guò)節(jié)氣門(mén)電機(jī)的閉環(huán)控制，確保節(jié)氣門(mén)目標(biāo)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(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)期間，根據(jù)進(jìn)氣歧管內(nèi)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(shù)，mg/Pa；為實(shí)際采集的進(jìn)氣壓力，Pa；m0為工作循環(huán)內(nèi)進(jìn)氣道的殘余廢氣量，mg。為兼顧高負(fù)荷和高海拔環(huán)境的使用，在計(jì)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(jié)氣門(mén)前后壓力比的修正。

根據(jù)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(jù)目標(biāo)進(jìn)氣量得到目標(biāo)進(jìn)氣壓力，有

2.1.2 ETC閉環(huán)控制

目標(biāo)進(jìn)氣壓力的控制主要由ETC實(shí)現(xiàn)，ETC的作用是通過(guò)不同的開(kāi)度對(duì)進(jìn)氣管內(nèi)空氣流通的有效面積進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而調(diào)節(jié)進(jìn)氣歧管的壓力[8]。

表示節(jié)氣門(mén)前后壓力比，其中pup為節(jié)氣門(mén)前壓力，對(duì)于增壓發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)即增壓壓力。

節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度越小，其節(jié)流作用越明顯，pq越小，在pq接近1的時(shí)候，節(jié)氣門(mén)開(kāi)度都比較大甚至處于全開(kāi)狀態(tài)。則節(jié)氣門(mén)的目標(biāo)開(kāi)度可由pqdes和其固有特性計(jì)算得到。在節(jié)氣門(mén)的目標(biāo)開(kāi)度設(shè)定以后，采用帶前饋的PID算法調(diào)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)占空比，確保節(jié)氣門(mén)實(shí)際開(kāi)度與目標(biāo)一致，如圖4所示。

2.1.3 增壓系統(tǒng)控制

對(duì)于電控增壓發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，增壓壓力即節(jié)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(zhǔn)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(tǒng)的響應(yīng)有一定的滯后，因此發(fā)動(dòng)機(jī)工況之間的變化主要通過(guò)節(jié)氣門(mén)來(lái)調(diào)節(jié)，增壓系統(tǒng)對(duì)進(jìn)氣量的調(diào)節(jié)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(yù)置了一個(gè)廢氣閥開(kāi)度，然后在這個(gè)基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際進(jìn)氣量和目標(biāo)進(jìn)氣量對(duì)廢氣閥開(kāi)度進(jìn)行閉環(huán)修正。

2.2 燃?xì)夤┙o系統(tǒng)

系統(tǒng)采用多點(diǎn)噴射方式，各缸單獨(dú)擁有一個(gè)噴嘴。采用非對(duì)稱PI控制策略[3]，在稀薄燃燒方式下，根據(jù)目標(biāo)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(jù)各缸的進(jìn)氣量和目標(biāo)空燃比精確控制，基本燃料量的計(jì)算公式為

式中，flam為空燃比修正量；C為天然氣的空燃比轉(zhuǎn)換常數(shù)（17.2）。在基本燃料量的基礎(chǔ)上，再計(jì)算暖機(jī)修正、過(guò)渡工況修正、燃料自適應(yīng)修正、氣路補(bǔ)償?shù)葏?shù)，實(shí)現(xiàn)燃料的精確控制。

2.3 點(diǎn)火系統(tǒng)控制

點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)集成在ECU中，可實(shí)現(xiàn)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(chǔ)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(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)速和負(fù)荷設(shè)定。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

利用設(shè)計(jì)的電控系統(tǒng)，以WT615發(fā)動(dòng)機(jī)為原型，針對(duì)增壓稀燃的要求開(kāi)發(fā)了燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)見(jiàn)表1。

通過(guò)燃料供給系統(tǒng)的集成，增壓器選型與匹配，催化器的選型與匹配，標(biāo)定參數(shù)的優(yōu)化，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全工況的閉環(huán)稀薄燃燒，圖7為標(biāo)定所得的最佳空燃比脈譜，空燃比為1～1.5，穩(wěn)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(jī)試驗(yàn)結(jié)果，在該試驗(yàn)方案下，發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率為213.5 kW/2 200 （r·min-1），最大轉(zhuǎn)矩為1 166.3 （N·m）/1 400 （r·min-1），最低燃?xì)庀穆蕿?93.3 g/（kW·h）。

根據(jù)GB17691—2005的要求[9]，進(jìn)行了瞬態(tài)工況的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物測(cè)量（ETC循環(huán)），試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

4 結(jié)論

在轉(zhuǎn)矩控制策略下，采用稀薄燃燒、空燃比閉環(huán)、負(fù)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(xiàn)了燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量的精確控制，從多角度提高發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的控制精度。使發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩最佳，改善了燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)排放，保證了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能，燃料經(jīng)濟(jì)性高。搭載了該系統(tǒng)的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)，最低燃?xì)庀穆市∮?00 g/（kW·h），排放滿足國(guó)Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)。

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