多級閉環的燃氣發動機管理策略研究的論文
摘 要：針對重型增壓燃氣發動機的控制要求和更高的排放標準，采用以轉矩為核心控制發動機進氣量和燃料噴射量的方法，設計多級閉環的燃氣發動機管理系統。發動機臺架試驗結果表明，通過對轉矩、空燃比、增壓廢氣閥和電子節氣門（Electronic Throttle Valve Control，ETC）等的多級閉環控制，改善了發動機的動力性和燃料經濟性，達到了國Ⅴ排放水平。
關鍵詞：天然氣發動機；電子節氣門；增壓閥；稀薄燃燒；多級閉環
中圖分類號：TK432文獻標文獻標識碼：A文獻標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、高能點火和催化后處理等技術是燃氣發動機技術的發展方向[1-2]，也是提高燃氣發動機動力性和經濟性，達到國Ⅴ及以上排放標準的必然途徑。采用這些控制技術的燃氣發動機管理系統需要精確控制發動機的進氣、燃料供給和點火正時等，在滿足駕駛員的轉矩要求的前提下，同時符合有關廢氣排放、燃料消耗、功率輸出、舒適性和安全性的嚴格要求。然而，在很多條件下，諸多要求是相互矛盾的，很難兼顧發動機的動力輸出與排放性能。目前國內對燃氣發動機控制策略的研究主要集中在空燃比控制上[3]，未考慮轉矩、進氣量、空燃比、增壓壓力和進氣壓力之間的協同管理。因此，本文在傳統燃氣發動機排放控制策略和轉矩管理的基礎上[4]，研究了一種從轉矩到進氣量、進氣壓力以及增壓壓力的多級閉環管理策略，實現了ETC開度目標值與實際值、目標進氣壓力與實際進氣壓力、目標進氣量與實際進氣量之間的閉環控制，并通過發動機試驗和臺架標定驗證了其控制方式的有效性。
1 控制系統結構
燃氣發動機電控系統結構如圖1所示，整個系統主要由燃氣發動機控制器（Electronic Control Unit，ECU）、電子油門踏板、ETC、增壓器、溫度壓力傳感器、燃氣噴嘴、點火線圈、減壓器和CNG氣瓶等組成。
ECU按照AUTOSAR架構設計，整體軟件包括基礎軟件和應用層兩大部分。基礎軟件提供各種信號采集、數據通訊、繼電器和電磁閥等驅動的接口函數；應用層調用基礎軟件訪問硬件，實現各種控制算法。當前平臺采用32位微處理器MPC5534為主控芯片，內部集成了FlexCAN2（CAN2.0B通信控制模塊）、eQADC（增強型隊列式AD轉換）、eSCI（增強型串行異步通訊）和eTPU（增強型時間處理單元）等多個智能模塊，將轉速同步與噴射點火等對時序要求很高的工作交給eTPU完成[7]。兩路FlexCAN2，一路采用XCP協議和OBD通訊協議（ISO 15765），用于發動機標定和故障診斷；另外一路采用J1939通訊協議，用于整車網絡通訊。
2 基于轉矩的多級閉環管理策略
發動機控制系統最重要的任務是控制發動機產生的轉矩，要做到這一點，ETC、增壓系統、燃料供給、點火控制等子系統中所有影響轉矩的量都需要進行控制。這種形式控制的目的是為駕駛員提供要求的轉矩，同時符合有關廢氣排放、燃料消耗、功率輸出、舒適性和安全性的嚴格要求，把大量各不相同的目標聯系在一起，將原來可能出現的相互矛盾的要求按照優先順序排列的原則加以協調，首先執行最重要的一個，使所有功能都能獨立提供對轉矩的要求，如圖2所示。在請求轉矩的協調完成后，系統就根據當前的轉矩要求，分別對進氣系統、點火系統和燃料供給系統進行控制，完成最佳轉矩的實現。
2.1 進氣管理系統
燃氣發動機屬于量調節式，其負荷量大小主要取決于進氣量[5]，在計算機控制中，進氣量可根據目標轉矩和實際轉速查表計算。自然吸氣式發動機的進氣量通過ETC調節，對電控增壓發動機來說，通過增壓閥也可調節進氣量。進氣系統的輸入為目標轉矩，輸出為ETC開度和增壓閥開度，其控制原理如圖3所示。在燃燒充分的條件下，發動機的燃燒轉矩與進氣量存在一一對應的關系。根據轉矩控制要求，發動機的目標進氣量由目標轉矩和實際轉速查表計算。
在發動機負荷變化時，節氣門和增壓閥協同調節，ECU首先將目標轉矩轉換為目標進氣量，然后通過增壓預控，將目標進氣量轉換成目標進氣壓力，然后確定節氣門的目標開度，最后通過節氣門電機的閉環控制，確保節氣門目標位置與實際位置的一致。
2.1.1 進氣模型
在發動機穩定運轉狀態期間，根據進氣歧管內進氣量的守恒，每個工作循環進入氣缸的空氣量是[6]： 。
式中，為充氣效率系數，mg/Pa；為實際采集的進氣壓力，Pa；m0為工作循環內進氣道的殘余廢氣量，mg。為兼顧高負荷和高海拔環境的使用，在計算充氣效率和殘余廢氣量m0的過程中都引入大氣壓力、進氣溫度、可變氣門和節氣門前后壓力比的修正。
根據進氣模型的充氣效率和殘余廢氣量，反過來可以根據目標進氣量得到目標進氣壓力，有
2.1.2 ETC閉環控制
目標進氣壓力的控制主要由ETC實現，ETC的作用是通過不同的開度對進氣管內空氣流通的有效面積進行調節，進而調節進氣歧管的壓力[8]。
表示節氣門前后壓力比，其中pup為節氣門前壓力，對于增壓發動機來說即增壓壓力。
節氣門的開度越小，其節流作用越明顯，pq越小，在pq接近1的時候，節氣門開度都比較大甚至處于全開狀態。則節氣門的目標開度可由pqdes和其固有特性計算得到。在節氣門的目標開度設定以后，采用帶前饋的PID算法調節電機驅動占空比，確保節氣門實際開度與目標一致，如圖4所示。
2.1.3 增壓系統控制
對于電控增壓發動機來說，增壓壓力即節氣門前壓力pup，ECU可通過控制增壓控制閥開度來準確控制增壓壓力，控制閥開度變化，用于增壓的能量亦發生變化，增壓壓力隨之變化[8]。由于增壓系統的響應有一定的滯后，因此發動機工況之間的變化主要通過節氣門來調節，增壓系統對進氣量的調節起修正的作用。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，首先預置了一個廢氣閥開度，然后在這個基礎上，根據實際進氣量和目標進氣量對廢氣閥開度進行閉環修正。
2.2 燃氣供給系統
系統采用多點噴射方式，各缸單獨擁有一個噴嘴。采用非對稱PI控制策略[3]，在稀薄燃燒方式下，根據目標空燃比和實際空燃比的偏差判斷混合氣過濃或過稀。
天然氣的噴射量根據各缸的進氣量和目標空燃比精確控制，基本燃料量的計算公式為
式中，flam為空燃比修正量；C為天然氣的空燃比轉換常數（17.2）。在基本燃料量的基礎上，再計算暖機修正、過渡工況修正、燃料自適應修正、氣路補償等參數，實現燃料的精確控制。
2.3 點火系統控制
點火驅動集成在ECU中，可實現點火能量和點火時刻的精確控制。點火能量跟點火線圈充電時間和點火電壓相關。點火時刻主要指點火提前角，在基本點火提前角的基礎上增加溫度、空燃比、功率、爆震等修正因子，如圖6所示，基本點火提前角根據當前轉速和負荷設定。
3 試驗結果分析
利用設計的電控系統，以WT615發動機為原型，針對增壓稀燃的要求開發了燃氣發動機。發動機基本參數見表1。
通過燃料供給系統的集成，增壓器選型與匹配，催化器的選型與匹配，標定參數的優化，該系統實現了全工況的閉環稀薄燃燒，圖7為標定所得的最佳空燃比脈譜，空燃比為1～1.5，穩態空燃比誤差在0.03以下。圖8是采用稀薄燃燒方式的發動機試驗結果，在該試驗方案下，發動機額定功率為213.5 kW/2 200 （r?min-1），最大轉矩為1 166.3 （N?m）/1 400 （r?min-1），最低燃氣消耗率為193.3 g/（kW?h）。
根據GB17691―2005的要求[9]，進行了瞬態工況的發動機排氣污染物測量（ETC循環），試驗結果見表2。
4 結論
在轉矩控制策略下，采用稀薄燃燒、空燃比閉環、負荷閉環、進氣壓力閉環等技術，通過ETC和增壓閥實現了燃氣發動機進氣量的精確控制，從多角度提高發動機負荷的控制精度。使發動機的輸出轉矩最佳，改善了燃氣發動機排放，保證了發動機的動力性能，燃料經濟性高。搭載了該系統的燃氣發動機，最低燃氣消耗率小于200 g/（kW?h），排放滿足國Ⅴ標準。
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