基于Simulink的柴油引燃式天然氣發動機控制模型開發

褚全紅， 賈利， 胡勇， 陳志瑞， 智海峰， 穆林

(1. 中國北方發動機研究所(天津)， 天津 300400； 2. 北京易控凌博汽車電子技術有限公司， 北京 100098)

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基于Simulink的柴油引燃式天然氣發動機控制模型開發

褚全紅1， 賈利1， 胡勇1， 陳志瑞1， 智海峰1， 穆林2

(1. 中國北方發動機研究所(天津)， 天津 300400； 2. 北京易控凌博汽車電子技術有限公司， 北京 100098)

為了提高柴油引燃式天然氣發動機在中小負荷的熱效率，采用具備電子節氣門的電子控制系統，利用Simulink軟件開發了針對該系統的具有電子節氣門控制功能的發動機控制模型，通過自動代碼生成工具生成嵌入式代碼，并下載至發動機控制器進行試驗。試驗結果表明，該節氣門控制算法具有較好的控制效果，發動機控制算法能夠有效控制發動機中小負荷的混合氣空燃比，明顯提高熱效率。

柴油引燃； 天然氣發動機； 電子節氣門； 控制模型； 代碼生成

全球能源危機日益嚴峻，迫使柴油機行業向著節能方向發展。特別是對于中重型柴油機，由于其工作負荷大，燃油消耗高，涉及國家能源安全，節能要求更加迫切。各項節能方案中，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、易于形成均質混合氣、安全性高等特點[1-4]，天然氣發動機可以達到相同排量柴油機的動力水平[5]，通過采用高壓縮比能達到較高的熱效率，而且我國的天然氣儲量豐富[6]，價格低于柴油，因此天然氣發動機呈現出快速發展和普及的趨勢。另一方面，以柴油引燃天然氣為代表的準均質充量壓燃(QHCCI)燃燒方式快速發展，在壓縮上止點前使用少量柴油大面積引燃缸內的天然氣和空氣混合氣，繼承了均質充量壓燃(HCCI)燃燒方式的均質、稀燃、大面積同時著火的優良特性，同時又保證了引燃的可靠性，大大提高了實用性。柴油引燃式天然氣發動機綜合了上述兩方面優勢，因而具有明顯的高效節能優勢和發展潛力。

目前，柴油引燃式天然氣發動機仍存在一些問題亟待解決，其中比較突出的問題是中小負荷熱效率和經濟性明顯低于柴油機[7-8]。本研究將1臺增壓中冷柴油機改裝為柴油引燃式天然氣發動機，增加電子節氣門以調整中小負荷的空燃比，針對該發動機開發了集成有電子節氣門控制功能的發動機控制系統，并進行了最大柴油替代率下的經濟性研究。

1 發動機燃料供給系統改造

試驗用柴油引燃式天然氣發動的原機是1臺高壓共軌柴油機，發動機相關參數見表1。

表1 發動機參數

在保留原機柴油供給系統的基礎上，柴油引燃式天然氣發動機增加了進氣道噴射天然氣供給系統(見圖1)、電子節氣門和柴油引燃式天然氣發動機控制系統。

柴油引燃式天然氣發動機電控單元采集原機配備的各種傳感器的信號(如曲軸信號、凸輪軸信號、水溫、增壓壓力溫度、軌壓等)和天然氣系統的相關信號(如天然氣溫度、壓力等)，并控制柴油供給噴射系統(如計量閥、噴油器等)、天然氣供給噴射系統(如噴氣閥、截止閥等)和電子節氣門。本研究的柴油引燃式天然氣發動機控制模型是在上述燃料供給系統的基礎上開發的。

2 發動機控制策略與模型搭建

2.1 控制策略

柴油引燃式天然氣發動機控制軟件框架見圖2。其中，電子節氣門采用PID閉環控制算法，控制邏輯見圖3。首先根據發動機轉速和指示扭矩查表得到節氣門目標開度，然后進行PID閉環控制，輸出變量為PWM占空比，控制信號經過驅動電路輸出給電子節氣門。

2.2 模型搭建

根據上述控制策略，利用Simulink軟件搭建發動機控制模型，模型見圖4。模型由硬件配置部分、部件信號采集部分、發動機控制部分、部件驅動部分組成。其中硬件配置部分可以在Simulink中對控制器各輸入通道的參數進行配置；部件信號采集部分將控制器采集到的各個傳感器原始信號轉換為物理值；發動機控制部分根據傳感器信號判斷發動機工作狀態，并計算控制輸出；部件驅動部分將控制輸出轉換為控制器硬件的輸出信號并輸出控制信號。

借助Simulink提供的代碼生成功能和自主開發的自動代碼生成工具箱，將上述模型自動轉換為嵌入式代碼，并自動調用CodeWarrior集成開發環境中的編譯器進行代碼編譯，然后使用下載器將代碼下載至控制器中。上述流程見圖5。

3 試驗設備和方法

試驗臺架采用HD460電渦流測功機、KMA 4000智能油耗儀、CMF025M319NQBPMZZZ質量流量計和TOCEIL-20N150進氣熱式氣體質量流量計。試驗選用了兩種燃料，分別是國產0號柴油以及車用天然氣。

試驗工況點選擇了中低轉速1 200 r/min和中高轉速1 800 r/min兩條轉速曲線，每條轉速曲線從100 N·m開始以100 N·m為增加步長進行試驗。對于每個工況點，首先保持節氣門100%開度，進行柴油機原機性能試驗和雙燃料試驗，在雙燃料試驗中逐漸減小節氣門開度，并相應減少引燃油量和燃氣量，以保持發動機扭矩不變，直至出現發動機輸出無明顯變化或工作不正常或排溫較高等情況。調節節氣門開度時不對引燃油提前角進行調節。試驗過程中測量的參數包括發動機轉速、扭矩、節氣門位置、進氣空氣流量、燃油流量、天然氣流量等。

4 試驗結果及分析

4.1 電子節氣門控制

電子節氣門控制效果見圖6。可以看到，電子節氣門開度的穩態誤差幾乎為0；為保證響應的快速性，在瞬態響應過程存在一定超調量。控制效果可以滿足本試驗對穩態高精度的要求。

4.2 過量空氣系數

柴油引燃式天然氣發動機的主要燃料為天然氣，相較于柴油，天然氣對混合氣濃度較為敏感，過濃或過稀都不利于火焰傳播，從而影響燃燒效率甚至燃燒穩定性。

混合氣過量空氣系數的定義為

φa=qair/(qair，gas+qair，die)。

式中：φa為混合氣過量空氣系數；qair為空氣進氣量；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。

發動機燃用純柴油和柴油引燃天然氣時的混合氣過量空氣系數見圖7。可以看出，在柴油引燃天然氣模式下，當節氣門全開時，雖然過量空氣系數相較于使用純柴油有所降低，但仍然超過2，此時天然氣火焰已經無法傳播，只有引燃柴油附近區域的天然氣才能燃燒。隨著節氣門開度的減小，并相應減少燃氣量，過量空氣系數可以減小至1.6附近，這有利于燃氣的燃燒，并且混合氣仍然處于稀燃狀態。

4.3 發動機有效熱效率

發動機燃用純柴油和柴油引燃天然氣時的有效熱效率見圖8。可以看出，在1 200 r/min和1 800 r/min下的中小負荷，當節氣門全開，即不通過節氣門控制空燃比時，由于混合氣偏稀，有效熱效率最低。隨著節氣門開度減小，混合氣濃度得到改善，有利于天然氣火焰傳播，有效熱效率逐漸增加，且中高轉速(1 800 r/min)下的增幅高于中低轉速(1 200 r/min)，平均提高約5%。雙燃料模式下，中高轉速的絕大部分中小負荷點所能達到的最高有效熱效率基本與使用純柴油時持平。

為了更清晰地反映柴油引燃式天然氣發動機相對于原柴油機有效熱效率的變化，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η>100%時，說明雙燃料模式下的有效熱效率高于純柴油模式；當η<100%時，說明雙燃料模式下的有效熱效率低于純柴油模式。

雙燃料工作效率見圖9。可以看出，1 200r/min時，相同負荷下，通過調節節氣門開度，雙燃料工作效率提升了2%～8%，最高達到90%。1 800r/min下除最小負荷點外，雙燃料工作效率提升了10%～20%，最高達到97%，基本與柴油機原機持平。這說明通過節氣門控制空燃比可以有效提高柴油引燃式天然氣發動機的有效熱效率，使其達到原柴油機的熱效率水平。

5 結論

a) 使用由Simulink軟件搭建的柴油引燃式天然氣發動機控制模型，可以對發動機的柴油供給系統、天然氣供給系統、節氣門進行控制，穩態控制效果良好；

b) 使用自主開發的基于Simulink的自動代碼生成工具可以方便地將Simulink模型轉換為嵌入式代碼并自動下載至控制器；

c) 通過控制節氣門開度，并相應調節引燃油量和燃氣量，可以有效調節混合氣的過量空氣系數，顯著提高發動機中小負荷的有效熱效率，達到柴油機原機水平；

d) 柴油引燃式天然氣發動機的過量空氣系數最優值在1.6附近。

[1] 歐陽明高,李建秋,楊福源，等.汽車新型動力系統：構型、建模與仿真[M].北京:清華大學出版社,2008.

[2] 林志強,蘇萬華.柴油引燃式天然氣發動機最佳引燃柴油量及過量空氣系數濃限、稀限的研究[J].內燃機學報,2002,20(6)：505-510.

[3] 李克,楊鐵皂,徐斌，等.天然氣/柴油雙燃料發動機研發現狀及發展[J].河南科技大學學報(自然科學版),2004,25(2):28-32.

[4] 姚春德,劉增勇,高昌卿，等.柴油引燃天然氣的雙燃料燃燒機理的研究[J].工程熱物理學報,2002,23(6)：761-763.

[5] 方成,楊福源,歐陽明高，等．重型柴油機柴油/天然氣雙燃料系統開發[C]//2012年度APC聯合學術年會論文集.廣州：中國內燃機學會，2012.

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[7] 劉杰,楊福源,穆林,等.基于最大燃油替代率的天然氣/柴油雙燃料發動機排放性能研究[C]//2012年度APC聯合學術年會論文集.廣州：中國內燃機學會，2012.

[8]SahooBB.Effectofengineparametersandtypeofgaseousfuelontheperformanceofdualfuelgasdieselengines：ACriticalReview[J].RenewableandSustainableEnergyReviews，2009，13：1151-1184.

[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，研究方向為發動機控制系統及內燃機測試儀器等；dtaddz@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.06.005

TK464

B

1001-2222(2015)06-0023-04