天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣控制閥控制及性能匹配

楊兆山，李洪奎，趙宏恩，韓雨

1.濰柴西港新能源動(dòng)力有限公司，山東濰坊 261061；2.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東濰坊 261061

0 引言

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣控制閥通過脈寬調(diào)制(pulse width modulation，PWM)占空比RPWM調(diào)節(jié)出口壓力來控制增壓器的增壓能力，繼而由增壓器提供和發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷相適應(yīng)的可變的進(jìn)氣增壓壓力。廢氣控制閥的性能直接表現(xiàn)在增壓器的增壓能力控制上，其與增壓器的良好匹配，既能提升發(fā)動(dòng)機(jī)的低速性能，又能在增壓高效標(biāo)定區(qū)間改善增壓器的瞬態(tài)響應(yīng)性[1-4]。

1 廢氣控制閥的控制原理

廢氣控制閥按照結(jié)構(gòu)及形成原理可分為開關(guān)電磁閥和比例電磁閥。在相同的PWM信號(hào)控制下，流經(jīng)其內(nèi)部的流體(廢氣控制閥內(nèi)部介質(zhì)為氣體)流量對(duì)比如圖1所示。由圖1可知，與比例電磁閥相比，開關(guān)電磁閥有效工作區(qū)間較寬，電磁閥全開狀態(tài)下最大流量較小，放氣能力較弱。因?yàn)殚_關(guān)電磁閥是由普通開關(guān)結(jié)構(gòu)來控制流經(jīng)其內(nèi)部的氣體流量，而比例電磁閥的開關(guān)結(jié)構(gòu)是基于伯努利原理形成，其方程式為：

(1)

式中：p為氣體中某點(diǎn)的壓強(qiáng)，ρ為氣體密度，v為氣體中該點(diǎn)的流速，g為重力加速度，h為該點(diǎn)的高度，C為常量。

在高度h忽略不計(jì)的情況下，ρgh=0，式(1)變?yōu)?/p>

(2)

由式(2)可知，當(dāng)電磁閥全開放氣時(shí)，流經(jīng)其內(nèi)部的氣體流速最大，壓強(qiáng)最小。

廢氣控制閥在PWM信號(hào)控制下，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際進(jìn)氣壓力小于設(shè)定進(jìn)氣壓力時(shí)，電磁閥逐漸開啟更大角度(RPWM增大)，進(jìn)入控制閥內(nèi)的增壓空氣泄漏量變大，使增壓器廢氣旁通閥趨向關(guān)閉，排氣能量增大，直至發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際進(jìn)氣壓力與設(shè)定壓力相等；相反地，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際進(jìn)氣壓力大于設(shè)定進(jìn)氣壓力時(shí)，電磁閥開啟角度逐漸減小，進(jìn)入控制閥內(nèi)的增壓空氣泄漏量變小，更多的增壓氣體通過閥桿來推動(dòng)旁通閥開啟，使增壓器排氣能量減小，直至實(shí)際進(jìn)氣壓力與設(shè)定壓力相等。

2 廢氣控制閥與增壓器旁通閥控制關(guān)系

發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門前的增壓氣體(其壓力簡(jiǎn)稱為pPTP)進(jìn)入廢氣控制閥，由廢氣控制閥根據(jù)當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷需求控制其出口(與旁通閥氣室連通，簡(jiǎn)稱ACT端)的氣體流量，廢氣控制閥與增壓器旁通閥關(guān)系[5-8]簡(jiǎn)圖見圖2。ACT端氣體通過增壓器旁通閥氣室內(nèi)的彈性膜片及彈簧機(jī)構(gòu)，與作用在旁通閥閥蓋前后的渦前壓力及渦后壓力的合力最終轉(zhuǎn)化為閥桿的位移[9-11]。以旁通閥閥桿為研究對(duì)象，ACT端進(jìn)氣壓力與閥桿位移的關(guān)系可表示為：

pA=BL+p0,

(3)

式中：pA為ACT端進(jìn)氣壓力，B為彈簧系數(shù)，L為閥桿位移量，p0為彈簧預(yù)緊力。

旁通閥閥桿彈簧在常態(tài)下處于壓縮狀態(tài)，其彈簧預(yù)緊力p0方向如圖2所示，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及負(fù)荷的升高，旁通閥氣室的進(jìn)氣量及增壓壓力逐漸增大。當(dāng)pA>p0時(shí)，旁通閥打開，流經(jīng)增壓器的廢氣能量減小，增壓器的增壓能力降低，反之同理。所以，可以通過PWM控制信號(hào)控制廢氣控制閥的出口流量及ACT端壓力，通過閥桿調(diào)節(jié)閥蓋的關(guān)閉角度，從而提高或降低增壓器的增壓能力，以適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)各種不同工況的負(fù)荷需求。

在不同的ACT端壓力pA作用下，增壓器旁通閥閥桿響應(yīng)不同的位移L。當(dāng)ACT端進(jìn)氣為純壓縮空氣時(shí)，L隨ACT端壓力變化曲線如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)pA從0逐漸增大到53.33 kPa 時(shí)，由于彈簧預(yù)緊力的作用，L=0；當(dāng)pA=53.33～173.32 kPa時(shí)，pA>p0，閥桿伸長(zhǎng)，L>0；當(dāng)pA>173.32 kPa時(shí)，閥桿位移量最大，L≈15.5 mm。

當(dāng)pA逐漸減小，閥桿回落，其規(guī)律與上述同理。但是，在相同的pA作用下，閥桿回落時(shí)的位移大于其伸長(zhǎng)時(shí)，這是由彈簧的固有特性決定的，所以在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)中，隨著廢氣控制閥RPWM由0—100%—0變化，pPTP不同，間接反映出增壓器增壓能力的不同，因此，在廢氣控制閥控制下，增壓器旁通閥在其閥桿的伸長(zhǎng)及回落過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率表現(xiàn)不同。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1000 r/min時(shí)，pPTP隨RPWM的變化曲線如圖4所示。其中，當(dāng)RPWM=90%～100%，pPTP基本相同，這是因?yàn)椋诎l(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1000 r/min、RPWM≥90%時(shí)，旁通閥閥蓋已經(jīng)完全關(guān)閉，閥桿位移量始終為0，增壓器的增壓能力最大。

3 廢氣控制閥的性能指標(biāo)及匹配試驗(yàn)

由上述廢氣控制閥的控制機(jī)理可知，衡量廢氣控制閥性能的2個(gè)重要指標(biāo)是ACT端壓力穩(wěn)定性和廢氣控制閥放氣能力[12-15]。在臺(tái)架試驗(yàn)中，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)及配置如表1所示。廢氣控制閥樣件A、B、C分別來自不同廠家，相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表1 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)及配置

3.1 ACT端壓力穩(wěn)定性

表2 廢氣控制閥樣件相關(guān)信息

保持試驗(yàn)邊界條件一致，選擇在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1000 r/min的典型工況下進(jìn)行試驗(yàn)。在該轉(zhuǎn)速下，廢氣控制閥的RPWM可在0～100%內(nèi)任意設(shè)置。當(dāng)RPWM=0時(shí)，旁通閥閥蓋處于全開狀態(tài)，增壓器的增壓能力最小；當(dāng)RPWM=100%時(shí)，旁通閥閥蓋處于全關(guān)狀態(tài)，增壓器的增壓能力最大，且發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩在可控范圍之內(nèi)。因此，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1000 r/min，控制廢氣控制閥的RPWM在0～100%內(nèi)間隔10%變動(dòng)，記錄對(duì)應(yīng)ACT端壓力，并繪制ACT端壓力隨時(shí)間的變化曲線，如圖5～7所示。由圖5～7可知， 廢氣控制閥樣件A、B、C的ACT端最大壓力波動(dòng)分別為1.68、2.28、4.99 kPa，因此，樣件A的ACT端穩(wěn)定性較好，其次為樣件B、樣件C。

3.2 廢氣控制閥放氣能力

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為800 r/min時(shí)，隨著RPWM的變動(dòng)，廢氣控制閥樣件A、B、C的放氣能力對(duì)比曲線如圖8所示。由圖8可知，廢氣控制閥ACT端壓力對(duì)比為B>A>C，其放氣能力由強(qiáng)到弱依次為C、A、B，且隨著RPWM的變化，樣件A、B、C的pPTP基本穩(wěn)定在145 kPa左右，因?yàn)樵趐PTP≤145 kPa時(shí)，3個(gè)樣件的ACT端壓力均不能克服彈簧預(yù)緊力使閥桿運(yùn)動(dòng)，此時(shí)增壓器廢氣旁通閥處于完全關(guān)閉狀態(tài)。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1000 r/min時(shí)，隨著RPWM的變動(dòng)，廢氣控制閥樣件A、B、C的性能對(duì)比曲線如圖9所示，其放氣能力與轉(zhuǎn)速為800 r/min時(shí)一樣，由強(qiáng)到弱依次為C、A、B。由圖9還可知：(1)當(dāng)旁通閥閥蓋開始關(guān)閉時(shí)，ACT端壓力由大到小依次為B、A、C，且ACT端壓力越小，其放氣能力越強(qiáng)，有效工作區(qū)間越窄，如表3所示；(2)樣件A與樣件B的PTP基本相當(dāng)，其增壓高效區(qū)RPWM=15%～75%；增壓低效區(qū)為RPWM=75%～95%；(3)樣件C的放氣能力最強(qiáng)，當(dāng)旁通閥閥蓋全關(guān)時(shí)，增壓器的增壓能力表現(xiàn)最好，RPWM=25%～40%。但是，由于ACT端壓力穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致增壓器的增壓進(jìn)氣壓力波動(dòng)較大，發(fā)動(dòng)機(jī)工況波動(dòng)明顯。

表3 廢氣控制閥性能參數(shù)統(tǒng)計(jì)對(duì)比

4 結(jié)論

1)廢氣控制閥與增壓器旁通閥連接并控制旁通閥的開度，通過調(diào)節(jié)增壓器的增壓壓力來響應(yīng)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷需求。

2)廢氣控制閥的性能指標(biāo)包括ACT端壓力穩(wěn)定性和廢氣控制閥放氣能力。ACT端壓力越穩(wěn)定，對(duì)增壓器的控制精度越高；廢氣控制閥ACT端壓力越小，放氣能力越強(qiáng)，有效工作區(qū)間越窄。

3)通過性能指標(biāo)對(duì)比及分析，廢氣控制閥樣件A的ACT端壓力穩(wěn)定性最好、放氣能力較好，與增壓器性能匹配最佳；樣件B次之；樣件C的放氣能力相對(duì)較強(qiáng)，但有效工作區(qū)間較窄，需匹配壓力穩(wěn)定的氣源，且在其有效工作區(qū)間內(nèi)精確控制，則增壓器的增壓能力表現(xiàn)最好。

4)根據(jù)廢氣控制閥的放氣能力對(duì)增壓器的運(yùn)行區(qū)間的影響，在性能標(biāo)定時(shí)需要考慮增壓高效區(qū)和增壓低效區(qū)，以提升增壓器的低速性能及改善瞬態(tài)響應(yīng)性。