增壓發(fā)動機高壓脫附系統(tǒng)研究和控制開發(fā)*

付亞豪 楊 帥 劉海然 董戰(zhàn)力 吳名芝

（1-同濟大學汽車學院 上海 201804 2-上海電子信息職業(yè)技術學院 3-菲亞特克萊斯勒動力科技研發(fā)（上海）有限公司 4-南昌智能新能源汽車研究院）

引言

隨著市場經濟和汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，增壓發(fā)動機已經得到廣泛應用，相比傳統(tǒng)自然吸氣發(fā)動機，增壓發(fā)動機能在相同排量上實現更高的轉矩和功率，從而在動力性和駕駛性方面更具優(yōu)勢?！遁p型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》法規(guī)已經于2019 年7 月1 日在我國大部分省市實施。其中，國VI 法規(guī)相較于國V 法規(guī)在蒸發(fā)排放限值方面加嚴到0.7 g/test，相較于國五排放標準中的2 g 蒸發(fā)污染物排放量[1]指標嚴苛至接近其1/3，并且測試時間延長至國五排放標準的2 倍，加嚴的部分基本需要由燃油系統(tǒng)自身完成[2]。碳罐是燃油蒸發(fā)排放系統(tǒng)的核心工作部件，而碳罐脫附流量的多少在燃油系統(tǒng)污染物排放中起主要作用[3-4]。

對于增壓發(fā)動機的相當于一部分工況處于增壓工作區(qū)域，故需要進行高壓脫附，如果脫附不足就會導致蒸發(fā)排放劣化。由于該項技術剛剛推出，目前關于該項技術的研究還不是很多，一些學者研究了高壓脫附關鍵部件文丘里管的工作原理和特性，也分析了文丘里管流場對空濾進氣的影響，但是最關鍵的高壓脫附控制系統(tǒng)的研究還屬空白。本文基于理論模型和工程應用，建立了一套具有實際應用價值的工程控制模型。

1 增壓脫附系統(tǒng)結構和原理

本文基于一款排量為2.0 L 的直噴增壓發(fā)動機進行研究和開發(fā)，發(fā)動機參數如表1 所示。

表1 發(fā)動機參數

1.1 碳罐油氣積累

當汽車運行或熄火時，燃油箱的汽油蒸氣通過管路進入活性碳罐的上部，新鮮空氣則從活性碳罐下部進入活性碳罐。發(fā)動機熄火后，汽油蒸氣與新鮮空氣在罐內混合并貯存在活性碳罐中，如圖1 所示[5]。

圖1 碳罐內部結構示意圖

1.2 碳罐油氣沖洗

碳罐的貯存能力并不是無限大的，需要經常對碳罐進行沖洗，否則碳罐一旦飽和就會溢出污染環(huán)境，并且蒸發(fā)排放試驗的關鍵因素就是碳罐的儲存能力和脫附能力，所以發(fā)動機控制單元需要盡可能多地對碳罐進行沖洗。當滿足程序設定的沖洗條件后，碳罐電磁閥按照程序需求打開，碳罐中從油箱吸附的油氣被吸入發(fā)動機進行燃燒。

1.3 沖洗途徑

如圖2 所示該國六增壓發(fā)動機脫附管路結構，空氣從空濾7 通過雙向通道閥體6 進入碳罐進行沖洗，新鮮空氣即可帶著附著在碳罐里面的油氣變成混合氣體通過管路2 進入碳罐電磁閥，一路經過管路1 進入歧管后進入發(fā)動機氣缸參與燃燒，一路經過管路8 進入空濾文丘里管再進入發(fā)動機氣缸進行燃燒。其中管路1 和8 都存在單向閥，防止脫附氣體倒流。

圖2 增壓發(fā)動機脫附系統(tǒng)示意圖

2 引射式文丘里脫附系統(tǒng)的研究和應用開發(fā)

2.1 高壓脫附的工作原理

由于發(fā)動機在非增壓工況部分負荷時歧管真空度為正，可直接進行抽吸，使得新鮮空氣進入碳罐，帶動油氣流向歧管，進而進入發(fā)動機進行燃燒；然而發(fā)動機增壓時歧管真空度為負，故不能用歧管進行沖洗。所以在空濾處引入了文丘里管的設計概念，如圖3 所示，把增壓器后的氣流導入到空濾文丘里管進口A，在文丘里管內產生高速噴射氣流，再引入碳罐電磁閥脫附管路進入文丘里管進口B 通過C 產生高速射流，從而產生一定的脫附能力，把油氣從碳罐中抽出。

圖3 高壓脫附文丘里引射系統(tǒng)示意圖

2.2 文丘里管的工作原理和數學模型

從流體力學和工程熱力學原理可知：在亞音速范圍內，氣體在收縮形通道內流動，氣流會加速，馬赫數增大，壓力、溫度和密度均會下降。文丘里管就是利用這個機理進行工作的，當氣體在收縮管內流動時，在喉管處會形成一個較低的壓力[6]。這樣就能對周圍的氣體產生吸附效應。

基于圖3 對該系統(tǒng)進行數學建模[7]，由伯努利方程：

連續(xù)方程：

式中：υ 為流體流速，m/s；g 為重力加速度；P 為流體壓力，Pa；γ 為流體比容，m3/kg；Z 為位置水頭，m；S 為過流截面積，m2。

根據高速氣體管道雷諾數判斷文丘里管內是湍流，因此根據管道內湍流水頭損失規(guī)律可得：

則文丘里管內的流量表示為

式中：Q 為文丘里管流量，m3/s；H 為文丘里管前后水頭損失，m；K2為與H 相對應總阻力綜合參數；P1為并聯(lián)文丘里管的入口壓力，Pa；P2為并聯(lián)文丘里管的出口壓力，Pa。

湍流管道內的局部損失可表示為：

推導出綜合阻力參數K2以及流速V1，V3

式中：d 為支管各處的直徑，m。

根據（2）、（4）得[7]

式中：v1為通過文丘里管支管的流速，m/s；v3為通過文丘里管喉部的流速，m/s。

流體經擴大會產生旋渦，對文丘里喉部3 和壓力表1 處使用伯努利方程[7]：

式中：P3為文丘里管的喉部壓力，Pa；Δh1為文丘里管逐步縮小的水頭損失，m；Δh2為壓力表1 與文丘里水頭管前端之間的水頭損失，m。

代入以上公式可計算出文丘里管引射壓力[8]：

式中：C 為與Δh1相對應的阻力系數；C1為與Δh3相對應的阻力系數。

推出3 處的真空度Vac3：

考慮到壓差流速對k2的影響，可以將上式簡化為[9]：

文丘里管喉部真空度Vac3與前后壓差P1-P2成線性關系，可以作為設計增壓脫附系統(tǒng)的重要理論基礎。

根據公式（3）可知，進入文丘里管的脫附流量取決于結喉與進口截面面積之比、B 點和C 點的壓力差。在文丘里管內布置傳感器困難且成本較大，目前增壓發(fā)動機已經布置有增壓前壓力傳感器和增壓后壓力傳感器，依據公式（1），考慮到K2隨著流量和壓差的變化而變化，可以考慮把修正因子簡化成參數標定，設計為如下控制邏輯來求得文丘里引射管道內的真空度，故只需通過標定試驗確定修正系數。

圖4 文丘里引射真空度計算模型

因此需要設計實驗對圖中修正系數進行標定以消除復雜繁瑣的結構參數參與到計算影響計算精度。設計實驗如下，在文丘里引射口加入傳感器進行測試得到文丘里管結構修正系數MAP，如表2、圖5所示。

圖5 文丘里管結構修正系數標定試驗結果

表2 文丘里管結構修正系數標定試驗結果

3 高壓脫附流量的控制和開發(fā)

為了達到工程應用的目的，需要通過碳罐電磁閥對來自對應某工況的脫附流量進行控制。將碳罐電磁閥簡化為圖6 所示的理論模型[7]：

圖6 碳罐電磁閥工作模型示意圖

由伯努利方程：

解出：

代入連續(xù)方程：

在不考慮大氣壓力變化的情況下，可將上式簡化為消除ζ 和Pa的影響

式中：Va、Vb為碳罐電磁閥前后流速，m/s；V 為結喉流速，m/s；S 為結喉面積，m2；Pa、Pb為碳罐電磁閥前后壓力，kPa；Q 為流量，m3/s；ζ 為阻力系數；γ 為密度，kg/cm3；g 為重力加速度，m/s2。

因此影響高壓脫附流量的兩個關鍵參數是碳罐電磁閥的開度和文丘里管的真空度，文丘里管的真空度已經建立了數學模型。碳罐電磁閥的開度則實行開環(huán)的占空比控制，當前工況文丘里管真空度和碳罐電磁閥開度即可控制高壓脫附系統(tǒng)的沖洗流量。根據公式（16）開環(huán)控制系統(tǒng)設計如圖7 所示。

圖7 高壓脫附流量控制模型

因此需要對流量控制MAP 進行標定。設計實驗如下，需要在碳罐空濾處引入流量傳感器，在不同碳罐電磁閥開度下，掃取不同的文丘里管真空度，獲取對應的脫附流量，多次實驗后獲得平均值填入流量控制MAP 中，如圖8 所示。

圖8 高壓脫附流量控制MAP

4 脫附流量控制結果

在整車條件下針對WLTC 循環(huán)[10]，檢查歧管壓力對應的抽氣真空度（包括非增壓歧管脫附和增壓文丘里管脫附），可見上文中關于文丘里管的邊界控制條件已經涵蓋發(fā)動機在WLTC 運行的所有工況，如圖9 所示。

圖9 WLTC 循環(huán)發(fā)動機脫附系統(tǒng)工況點

目標沖洗和實測沖洗流量測試結果如圖10、11所示?？梢钥闯鰧嶋H沖洗量在設計的高壓脫附系統(tǒng)應用下，基本上可以滿足目標沖洗流量，誤差在企業(yè)內控線15%以內，證明該高壓脫附系統(tǒng)有效、穩(wěn)定，該算法是增壓脫附系統(tǒng)動態(tài)控制的理想控制算法。

圖10 2 000 r/min、170 kPa 工況不同碳罐電磁閥開度脫附流量試驗

圖11 WLTC 循環(huán)發(fā)動機脫附動態(tài)試驗

5 結論

1）研究了國家排放法規(guī)和汽車市場發(fā)展方向，確定了高壓脫附系統(tǒng)的必要性和重要性，分析其工作特點，引入控制策略的開發(fā)的思路和構想。

2）研究了文丘里管的工作原理和數學模型，分析了影響文丘里引射管道壓力的關鍵參數，并且根據發(fā)動機現有的布置形式和傳感器設計了一套文丘里管的真空度計算方法并且對其進行了標定。結果表明：隨著增壓壓力的增加，引射式文丘里管的真空度逐漸增加，控制修正系數也隨之增加。

3）研究了節(jié)流裝置的工作原理和數學模型，分析了影響高壓脫附流量的關鍵參數，并且根據發(fā)動機現有的布置形式設計了一套高壓脫附流量控制系統(tǒng)并對其進行標定。結果表明：文丘里管真空度一定時，碳罐電磁閥開度和脫附流量正相關；碳罐電磁閥開度一定，文丘里管真空度和脫附流量正相關。

4）通過試驗驗證高壓脫附流量與目標高壓脫附流量。試驗表明，基于理論分析和試驗標定的開環(huán)控制高壓脫附系統(tǒng)同時兼顧魯棒性和準確性，能在WLTC 循環(huán)增壓工況穩(wěn)定地對碳罐進行沖洗，是增壓脫附系統(tǒng)控制的理想控制算法。