天然氣發(fā)動機進氣響應性能優(yōu)化

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1 研究背景

天然氣作為一種資源豐富的清潔代用燃料,具有價格低廉、安全高效、排放污染小等特點,能有效改善發(fā)動機的經濟性和排放性能[1-2]。天然氣發(fā)動機充氣效率較低,渦輪增壓器存在遲滯效應,導致增壓天然氣發(fā)動機存在低速扭矩不足和瞬態(tài)響應滯后等問題,動力性能比同排量的柴油機差且排溫高[3-4]。目前，行業(yè)內滿足國五排放法規(guī)要求的天然氣發(fā)動機多采用單點噴射+稀薄燃燒+氧化型催化器的技術路線[5],并采用基于空氣模型的方法實現對發(fā)動機的控制,即通過控制節(jié)氣門開度來影響節(jié)氣門后的進氣壓力,從而影響進入氣缸的空燃比。采用稀薄燃燒技術可以降低發(fā)動機排溫，提高壓縮比,從而提高天然氣發(fā)動機的可靠性和經濟性[6-7]。

天然氣發(fā)動機進氣量的多少直接影響發(fā)動機功率的大小,目前常用的發(fā)動機進氣量控制方法是將所需扭矩轉換為發(fā)動機設定進氣量MSet,根據設定進氣量使節(jié)氣門打開一定開度,通過節(jié)氣門后進氣系統(tǒng)得到實際進入氣缸的進氣量MAct,如圖1所示。在發(fā)動機穩(wěn)態(tài)工況下,功率輸出穩(wěn)定,控制效果較理想。但在瞬態(tài)過程中，發(fā)動機轉速和負荷變化頻繁,使燃氣供給、進氣速率、進排氣壓力隨之改變。加之從節(jié)氣門到發(fā)動機氣缸有一定距離,導致從設定進氣量到實際進入氣缸的進氣量有一定延遲,從而影響空燃比，以及空氣和燃氣的混合狀態(tài),最終影響發(fā)動機的進氣響應性能[8-9]。

▲圖1 發(fā)動機進氣量控制方法

筆者在當前常用的發(fā)動機進氣量控制方法的基礎上,尋求一種天然氣發(fā)動機進氣系統(tǒng)瞬態(tài)響應性能優(yōu)化方案,通過分析發(fā)動機節(jié)氣門后進氣系統(tǒng)的固有特性，結合理想氣體狀態(tài)方程,推導出進入氣缸內的實際進氣量與設定進氣量的邏輯關系,從而通過改變設定進氣量來加大天然氣和空氣混合氣的實際進氣量,以此達到提高天然氣發(fā)動機動力性能及瞬態(tài)進氣響應性能的目的[10]。

2 節(jié)氣門后進氣系統(tǒng)

節(jié)氣門后進氣系統(tǒng)如圖2所示，包含節(jié)氣門、進氣管和氣缸三個部件。Min為經過節(jié)氣門進入進氣管的進氣量,Mout為進氣管流出的進氣量,進氣管內的壓力、溫度和體積依次用Pm、Tm、Vm表示,氣缸內的壓力、溫度和體積依次用Pc、Tc、Vc表示。當發(fā)動機排量確定后,Vc和Vm為常量,根據氣體狀態(tài)方程，有：

PV=nRT

(1)

式中：P為氣體壓力；V為氣體體積；R為氣體常量；T為氣體溫度；n為氣體物質的量。

將式(1)中氣體物質的量n轉換為進氣量，則有：

PV=mR′T

(2)

式中：R′為摩爾質量與氣體常量R的乘積；m為氣體質量。

將式(2)應用于進氣系統(tǒng),進氣管及氣缸的各參數Pc、Tc、Vc、Mc滿足:

(3)

3 進氣響應性能優(yōu)化分析

在電子控制單元現有控制策略中,一般將所需扭矩轉換為充量,將充量通過物理模型轉換為設定進氣量?；谠O定進氣量，結合節(jié)流公式計算出設定節(jié)氣門開度。電子控制單元基于設定節(jié)氣門開度和實際節(jié)氣門開度進行閉環(huán)控制,從而保證流經節(jié)氣門的進氣量與設定進氣量一致。但在瞬態(tài)工況下，由于進氣管道的延遲,會導致實際進入氣缸的進氣量與設定進氣量存在一定差距,進而影響發(fā)動機的瞬態(tài)響應性能。筆者在不改變現有發(fā)動機機械結構的前提下,通過改變設定進氣量來最大限度保證實際進氣量滿足發(fā)動機瞬態(tài)響應性能的要求。

在發(fā)動機進氣系統(tǒng)中,將節(jié)氣門至氣缸的這段進氣管作為一個整體進行考慮,其壓力Pm滿足:

Pm(k)=ΔP(k)+Pm(k-1)

(4)

式中：ΔP為兩個步長的壓力差；k代表當前步長值；k-1代表上一步長值。

根據理想氣體狀態(tài)方程和式(3),有:

(5)

將式(5)代入式(4)，得:

Pm(k-1)

(6)

由式(3)可得:

(7)

在每次進氣終止時,假設進氣管內和氣缸內的壓力相等,且進氣管內的氣體都進入氣缸,則有:

(8)

將式(8)代入式(6)，得:

(9)

整理可得:

+Mout(k-1)

(10)

Mout(k)=[Min(k)-Mout(k-1)]dT/Tim

+Mout(k-1)

(11)

當發(fā)動機配置固定后,Tim近似為一個時間常數,因此可以將節(jié)氣門后進氣系統(tǒng)看作一個低通濾波系統(tǒng)。

由于節(jié)氣門響應快且控制精準,因此經過節(jié)氣門進入進氣管的進氣量與發(fā)動機控制器中的設定進氣量近似相等。假設系統(tǒng)節(jié)氣門后進氣系統(tǒng)等同于低通濾波系統(tǒng),則有:

MAct(k)=[MSet(k)-MAct(k-1)]dT/Tim

+MAct(k-1)

(12)

設定進氣量與實際進氣量的關系如圖3所示，設定進氣量、目標實際進氣量及原實際進氣量的關系如圖4所示。

▲圖3 設定進氣量與實際進氣量關系

若實際進氣量能夠達到圖4中的目標實際進氣量MAct′,則會提高發(fā)動機的進氣響應性能。假設該目標系統(tǒng)的時間常數為Tic,則有:

▲圖4 設定進氣量、目標實際進氣量和原實際進氣量關系

MAct′(k)=[MSet(k)-MAct(k-1)]dT/Tic

+MAct(k-1)

(13)

在不改變進氣系統(tǒng)機械結構的情況下,系統(tǒng)時間常數Tim是不變的。根據式(12),若要提高實際進氣量的響應，則只能通過改變設定進氣量來達到系統(tǒng)時間常數為Tic的效果。假設改變后的設定進氣量為MSet′，則有:

MAct′(k)=[MSet′(k)-MAct′(k-1)]dT/Tim

+MAct′(k-1)

(14)

由式(13)和式(14)整理得到優(yōu)化后設定進氣量MSet′:

MSet′(k)=MSet(k)+[MSet(k)-MAct′(k-1)]

(Tim/Tic-1)

(15)

根據上述推導分析,結合式(15),在電子控制單元進氣系統(tǒng)軟件中添加經過優(yōu)化后的設定進氣量MSet′控制策略，以此來提高節(jié)氣門后進氣系統(tǒng)的進氣響應性能。

設定進氣量控制策略如圖5所示。

▲圖5 設定進氣量控制策略

根據設定進氣量控制邏輯,在真實發(fā)動機臺架上進行詳細標定及性能優(yōu)化試驗。通過分析試驗數據發(fā)現,在原有設定進氣量基礎上進行修正，可以有效改善實際進氣量的響應性能。

優(yōu)化后,設定進氣量與實際進氣量的關系如圖6所示。

4 結束語

筆者在當前行業(yè)內常用的天然氣發(fā)動機進氣量控制方法基礎上,通過分析天然氣發(fā)動機節(jié)氣門后進氣系統(tǒng)的固有特性,結合理想氣體狀態(tài)方程,推導出進入氣缸的實際進氣量與設定進氣量的邏輯關系,從而通過改變設定進氣量來改變實際進氣量,以此達到提高天然氣發(fā)動機瞬態(tài)響應性能的目的。

▲圖6 優(yōu)化后設定進氣量與實際進氣量關系

通過理論分析、策略實現、臺架試驗及數據分析,確認在不改變發(fā)動機本體設計的基礎上,筆者的做法可以在一定程度上提高天然氣發(fā)動機進氣系統(tǒng)的瞬態(tài)響應性能。