基于非道路柴油機(jī)的進(jìn)氣節(jié)流閥預(yù)判控制研究

谷雨

摘要：進(jìn)氣節(jié)流閥在非道路柴油機(jī)的熱管理系統(tǒng)中有著重要的作用，在目前基于多參數(shù)閉環(huán)控制的策略下，采用進(jìn)氣節(jié)流閥位置MAP預(yù)判控制進(jìn)行輔助控制。試驗(yàn)表明，該措施減少了進(jìn)氣節(jié)流閥的遲滯時(shí)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(fù)荷工況改善效果明顯：NRTC循環(huán)平均排氣溫度提升10.8%，旋耕機(jī)實(shí)際工作循環(huán)平均排氣溫度提升30%以上。預(yù)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(shì)，PM增幅比較明顯。

關(guān)鍵詞：進(jìn)氣節(jié)流閥;非道路柴油機(jī);預(yù)判控制;熱管理

0? 引言

近年來(lái)，以柴油機(jī)為主要?jiǎng)恿υ吹姆堑缆窓C(jī)械在排放污染貢獻(xiàn)上不容忽視。僅2018年，非道路移動(dòng)源排放HC （碳?xì)浠衔铮?6.2萬(wàn)噸，NOX（氮氧化物）562.1萬(wàn)噸，PM（顆粒物）48.5萬(wàn)噸[1]。為了應(yīng)對(duì)環(huán)境污染壓力，排放法規(guī)也日益加嚴(yán)，各種后處理技術(shù)不可避免地應(yīng)用于非道路柴油機(jī)。無(wú)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(shù)路線(xiàn)都需要對(duì)整個(gè)后處理系統(tǒng)進(jìn)行熱管理控制[2]。熱管理技術(shù)主要通過(guò)增加噴油量或者減少進(jìn)氣量，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)后處理系統(tǒng)的溫度提升，而進(jìn)氣節(jié)流閥被認(rèn)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(jìn)氣節(jié)流閥普遍采用直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，為滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)工況需要，從最初的固定工況MAP，到PID閉環(huán)控制調(diào)節(jié)，再到現(xiàn)在的空氣量控制模型，研究人員對(duì)其控制策略進(jìn)行了不斷的改進(jìn)。非道路移動(dòng)源特別是農(nóng)用柴油機(jī)由于其獨(dú)特的因素，在發(fā)動(dòng)機(jī)排放控制技術(shù)上比較落后。本文將基于一臺(tái)采用進(jìn)氣節(jié)流閥PID閉環(huán)控制的農(nóng)用非道路機(jī)械，輔以進(jìn)氣節(jié)流閥位置MAP預(yù)判控制策略，研究在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)和機(jī)械實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)氣節(jié)流閥控制精度以及對(duì)性能和排放的影響。

1? 試驗(yàn)樣品及設(shè)備

試驗(yàn)選用一臺(tái)搭載于某農(nóng)用旋耕機(jī)上的非道路柴油機(jī)，試驗(yàn)樣機(jī)參數(shù)如表1所示，試驗(yàn)用設(shè)備如表2所示。

2? 預(yù)判控制

為了進(jìn)行預(yù)判控制，我們需要獲得較為準(zhǔn)確的節(jié)流閥位置MAP圖，該MAP圖是基于對(duì)排放和性能影響，通過(guò)進(jìn)氣量、增壓壓力、EGR閥開(kāi)度等參數(shù)進(jìn)行精細(xì)化標(biāo)定。

圖1所示為預(yù)判控制的原理，發(fā)動(dòng)機(jī)工況在A(yíng)點(diǎn)進(jìn)行瞬態(tài)變化的時(shí)候，進(jìn)氣節(jié)流閥會(huì)根據(jù)PID閉環(huán)控制從位置A移動(dòng)至位置C，在PID反饋?zhàn)饔孟拢陂g存在（Ta+Tb）的時(shí)間滯后。加入預(yù)判控制后，進(jìn)氣節(jié)流閥會(huì)首先根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況參數(shù)，讀取節(jié)流閥位置MAP圖，并且迅速地從A點(diǎn)位移至靠近目標(biāo)位置的B點(diǎn)，隨后開(kāi)始加載PID閉環(huán)控制。由于同一個(gè)進(jìn)氣節(jié)流閥回位彈簧在不同位置所產(chǎn)生的拉力大致相等，因此在相同位移速度下，進(jìn)氣節(jié)流閥只需要Ta的時(shí)間即可到達(dá)C點(diǎn)。

從圖1可以看出，Ta2>Ta1、Tb2>Tb1，這是因?yàn)槭录?中發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷變大，在高速高負(fù)荷的情況下進(jìn)氣節(jié)流閥需要向開(kāi)啟方向位移。相反，事件2為發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷變小，低速低負(fù)荷時(shí)節(jié)氣門(mén)需要向關(guān)閉方向位移。由于節(jié)氣門(mén)的零位處于全開(kāi)狀態(tài)，進(jìn)氣節(jié)流閥向關(guān)閉方向位移時(shí)需要克服回位彈簧的拉力。因此，預(yù)判控制在發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷變小，節(jié)氣門(mén)向關(guān)閉方向位移的時(shí)候，能減少更多的時(shí)間。

3? 試驗(yàn)分析

3.1 控制精度? NRTC（non-road transient cycle）包含1238個(gè)逐秒變化的瞬態(tài)試驗(yàn)工況，是非道路柴油機(jī)的典型試驗(yàn)循環(huán)[10]。利用驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)獲得進(jìn)氣節(jié)流閥位置，可以得到在NRTC循環(huán)每個(gè)工況下閥門(mén)目標(biāo)位置和實(shí)際位置的偏差。

從圖2和圖3可以看出，在未進(jìn)行預(yù)判控制的NRTC試驗(yàn)循環(huán)下，進(jìn)氣節(jié)流閥的位置偏差（絕對(duì)值）平均為23.4%，在加入預(yù)判控制后，位置偏差（絕對(duì)值）平均為2.0%，降幅91.5%。由此可見(jiàn)，通過(guò)預(yù)判控制輔助后，NRTC循環(huán)中的每個(gè)工況，進(jìn)氣節(jié)流閥都能更快地達(dá)到目標(biāo)位置，控制精度得到了顯著的提高。

3.2 對(duì)排氣溫度的影響? 圖4和圖5分別為NRTC循環(huán)工況中截取的兩個(gè)30秒?yún)^(qū)間，其中190～220秒處于低速低負(fù)荷運(yùn)行，500～530秒在高速高負(fù)荷運(yùn)行。

如圖4、圖5所示，在加入預(yù)判控制后，排氣溫度均有不同程度的升高。這是因?yàn)?，加入預(yù)判控制后，每工況下的進(jìn)氣節(jié)流閥能夠更加迅速地達(dá)到目標(biāo)位置，并及時(shí)地減少了進(jìn)氣量，從而滯燃期延長(zhǎng)，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(dǎo)致排溫升高。

另外，從圖4可以看到預(yù)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(yù)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(fù)荷，進(jìn)氣節(jié)流閥開(kāi)度在低速低負(fù)荷處于較小的狀態(tài)，閥的位移量較大，控制精度對(duì)其產(chǎn)生的影響更為明顯[11-12]。

3.3 對(duì)燃油消耗量的影響

從圖6和圖7看出，加入預(yù)判控制后，低速低負(fù)荷運(yùn)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?yàn)樵诘退俚拓?fù)荷時(shí)，壓縮行程終點(diǎn)的缸內(nèi)溫度較低，燃油霧化較差，此時(shí)關(guān)閉進(jìn)氣節(jié)流閥會(huì)使缸內(nèi)局部過(guò)濃區(qū)進(jìn)一步增加，造成燃燒惡化，燃燒效率急劇下降，為保持柴油機(jī)動(dòng)力性，此時(shí)會(huì)增加循環(huán)供油量。在未進(jìn)行預(yù)判控制的情況下，進(jìn)氣節(jié)流閥并沒(méi)有及時(shí)地達(dá)到目標(biāo)位置，所產(chǎn)生的油耗增加量也并沒(méi)有按照預(yù)定的情況發(fā)生。

而高速高負(fù)荷運(yùn)行的30秒平均燃油消耗量基本沒(méi)有變化。這是因?yàn)樵诟咚俟r，進(jìn)氣節(jié)流閥的關(guān)閉程度并不大，控制精度對(duì)燃油消耗產(chǎn)生的影響并不大;其次，此時(shí)的空燃比較大，適量地減少進(jìn)氣量，反而能提高燃燒效率。

4? NRTC循環(huán)

雖然預(yù)判控制在低速低負(fù)荷對(duì)控制精度提升很大，但是NRTC循環(huán)中轉(zhuǎn)速百分比低于60%的工況僅有350個(gè)，占整個(gè)循環(huán)的28%。這說(shuō)明在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行的NRTC瞬態(tài)循環(huán)主要還是由高速高負(fù)荷的工況構(gòu)成。由表3可以看出，經(jīng)過(guò)預(yù)判控制后，整個(gè)NRTC循環(huán)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(fā)動(dòng)機(jī)原始排放中的CO由0.422g/kWh增加到0.475g/kWh。這是因?yàn)檫M(jìn)氣量更精確地減小，使得缸內(nèi)空燃比減小，缸內(nèi)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?yàn)镹OX主要在高溫富氧的情況生成，進(jìn)氣量更精確地減小，使得缸內(nèi)空燃比減小，雖然氧濃度也隨之減小，但缸內(nèi)溫度在滯燃期的作用下大幅增加，并占據(jù)了主導(dǎo)地位。

HC由0.163g/kWh減少到0.139g/kWh，減幅14.7%。HC的排放主要來(lái)自于未燃的燃油，而滯燃期的延長(zhǎng)使得缸內(nèi)油氣混合時(shí)間加長(zhǎng)，再加上缸內(nèi)溫度的升高降低了缸內(nèi)部分區(qū)域失火的概率，從而減少了不完全燃燒的燃油量，導(dǎo)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?yàn)檫M(jìn)氣節(jié)流閥更快地達(dá)到目標(biāo)位置，進(jìn)氣量更精確地減小，使得缸內(nèi)燃燒惡化加劇，滯燃期的延長(zhǎng)導(dǎo)致燃燒持續(xù)期縮短，同時(shí)擴(kuò)散燃燒時(shí)高溫裂解生成的soot增加。

5? 實(shí)際作業(yè)

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

從表4可以看出，預(yù)判控制對(duì)實(shí)際作業(yè)所產(chǎn)生的影響與對(duì)NRTC循環(huán)的影響基本一致。三個(gè)時(shí)段中的排氣溫度增幅都超過(guò)了30%，這是因?yàn)槿齻€(gè)時(shí)段中怠速和行走模式占比都超過(guò)了50%，低速低負(fù)荷的工作時(shí)間占比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于NRTC試驗(yàn)循環(huán)。除此之外，時(shí)段1中的怠速和行走模式占比78.2%，是三個(gè)時(shí)段中占比最大的，因此預(yù)判控制對(duì)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(jié)論

①采用進(jìn)氣節(jié)流閥位置MAP預(yù)判控制策略，輔助PID閉環(huán)控制，能極大地提高進(jìn)氣節(jié)流閥控制精度。②在瞬態(tài)工況中，預(yù)判控制對(duì)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(yù)判控制所帶來(lái)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(fù)荷工況改善明顯，這對(duì)于實(shí)際作業(yè)中經(jīng)常處于低速低負(fù)荷的機(jī)械更有幫助。③針對(duì)排放控制手段相對(duì)落后的農(nóng)用非道路機(jī)械的改造，該方案成本較低，且同時(shí)適用于試驗(yàn)室法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)和機(jī)械實(shí)際作業(yè)，具有一定的參考價(jià)值。

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