基于穩壓源廢氣控制閥的天然氣發動機性能研究

李玉帥 潘永傳 唐志剛 李哲 韓雨 趙令輝

摘要：基于穩壓源廢氣控制閥的控制機理，試驗研究不同工況下的穩壓源廢氣控制閥對發動機性能的影響，通過試驗得出：穩壓源廢氣控制閥可以降低發動機低負荷工況的泵氣損失，提高發動機經濟性1%～2%。

Abstract： Based on the control mechanism of the control valve， the influence of the control valve on the engine performance under different working conditions is studied experimentally. The results show that the control valve can reduce the pumping loss of the engine under low load condition and improve the engine economy by 1%～2%.

關鍵詞：穩壓源廢氣控制閥;天然氣發動機;負荷特性;瞬態響應

Key words： steady pressure wastegate control valve;natural gas engine;load characteristic curve;transient response

中圖分類號：U448.213? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）20-0039-05

0? 引言

隨著天然氣發動機國六時代的到來，對發動機增壓控制及排放要求也越來越嚴格;目前，國內市場普遍采用的是廢氣控制閥控制增壓器，天然氣發動機廢氣控制閥通過脈寬調制（Pulse width modulation，PWM）占空比（簡稱PWM_DC）調節其出口壓力來控制增壓器的增壓能力，繼而由增壓器提供一個和發動機負荷相適應的可變的進氣增壓壓力[1]。此方法存在問題較多，由于供氣位置是從進氣管或者節氣門前，發動機在低負荷工況下運行時，進氣管壓力較低導致廢氣閥進氣壓力值較低，無法推動增壓器調節閥，不利于增壓器控制;本文引入一種新的穩壓氣源廢氣控制閥，從整車空氣壓縮罐中取氣，氣源穩定，能夠更精確的控制增壓器壓力，達到控制排放和降低氣耗的作用。

1? 穩壓源廢氣控制閥的控制原理

穩壓源廢氣控制閥為開關電磁閥。在不同的PWM_DC信號控制下，流出其內部的流體（廢氣控制閥內部介質為氣體）壓力如圖1所示。由圖1可知，與傳統的電磁閥相比，穩壓源電磁閥有效工作區間較寬，出氣口壓力可以從0.5bar～1.8bar，能夠滿足不同類型的增壓器調壓閥使用需求。究其原因，穩定的供氣壓力是穩壓放氣閥工作的基礎，通過出口位置的壓力傳感器測出的實時壓力，經過芯片內部的PID控制，保證穩定的輸出壓力。

廢氣控制閥在PWM信號控制下，當發動機實際進氣壓力小于設定進氣壓力時，ECU輸出PWM_DC減小，穩壓源廢氣控制閥出氣口壓力變小，這樣推動增壓器廢氣旁通閥的壓力變小，排氣能量增大，直至發動機實際進氣壓力與設定壓力相等;相反地，當發動機實際進氣壓力大于設定進氣壓力時，ECU輸出PWM_DC減小，穩壓源廢氣控制閥出氣口壓力變大，這樣推動增壓器廢氣旁通閥的壓力變大，排氣能量減小，直至發動機實際進氣壓力與設定壓力相等[1]。

2? 穩壓源廢氣控制閥控制策略

穩壓源廢氣控制閥輸出壓力通過管路進入增壓器廢氣旁通閥，根據當前發動機負荷需求控制其出口的壓力，氣體通過增壓器旁通閥氣室內的彈性膜片及彈簧機構，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化為閥桿的位移，圖2為廢氣控制閥與增壓器旁通閥關系見圖進氣壓力與閥桿位移的關系可表示為[1]：

pA=B×L+p0（1）

其中：pA為進氣壓力;B為彈簧系數;L為閥桿位移量;p0為彈簧預緊力。

發動機運行后，穩壓源廢氣控制閥分為開環控制和閉環控制。開環控制為根據不同的轉速和負荷，向穩壓廢氣控制閥輸出固定的PWM_DC值，使增壓器廢氣旁通閥開啟相同的位置[2～5];閉環控制是ECU根據發動機運行的工況進行判定，當轉速及進氣壓力滿足設定需求時，增壓器進入閉環控制，以增壓器壓力設定值為導向，通過PID調整向穩壓廢氣控制閥輸出固定的PWM_DC值，調整實測的進氣管壓力和設定值之間的偏差，使發動機進氣量滿足當前負荷需求，具體的控制策略見圖3。

3? 穩壓源廢氣控制閥的性能研究試驗

在臺架試驗中，天然氣發動機的主要技術參數及配置如表1所示。

3.1 穩態工況下穩壓源廢氣控制閥研究

發動機運行在穩態工況特別是低負荷工況時，進氣管壓力（Manifold Air Pressure以下簡稱MAP）較小，絕對壓力低于大氣壓力，發動機主要通過節氣門的限流作用控制進氣量，使發動機維持在低扭矩;如果使用傳統的PWM廢氣控制閥，廢氣控制閥氣源從節氣門前取氣，導致輸出的壓力值較低，無法推動增壓器廢氣旁通閥，增壓器處于全增壓狀態，增加了泵氣損失，發動機經濟性降低[6～8];使用穩壓源廢氣控制閥時，在低負荷工況時，可以設定PWM_DC值，使增壓器廢氣旁通閥全部放氣，增壓器處于無增壓狀態，這樣降低了泵氣損失，相同的扭矩工況下，節氣門開度更大，能夠有效的降低節氣門的限流作用，提高發動機的經濟性[9～12]。分別選取發動機轉速在1200r/min和1600r/min，節氣門開度（Throttle Position Sensor以下簡稱TPS）為10%～30%時，驗證穩壓源廢氣控制閥在PWM_DC值在5%和90%（5%對應增壓器處于全增壓狀態，90%對應增壓器處于全放氣狀態）時發動機的運行情況;圖4和圖5分別是1200r/min，TPS為10%～30%對應的扭矩和MAP對比曲線，從結果分析得出，TPS在20%以下時，MAP與扭矩基本一致，對發動機性能無影響;當TPS在20%～30%時，隨著TPS的增加，MAP與扭矩增加明顯。根據試驗結果得出下一步驗證方案，針對TPS在20%～30%時，扭矩在200N·m～600N·m時，設定不同的PWM_DC值，驗證發動機經濟性。圖6和圖7分別是1600r/min，TPS為10%～30%對應的扭矩和MAP對比曲線，試驗結論與1200r/min一致。

根據上述試驗結果制定試驗方案，分別選取發動機轉速在1200r/min和1600r/min，扭矩分別為200N·m～600N·m時，驗證穩壓源廢氣控制閥在PWM_DC值在5%和90%時發動機的運行情況;圖8和圖9分別是1200r/min，扭矩分別為200N·m～600N·m時，MAP和TPS對比曲線，從結果分析得出隨著扭矩的增加，PWM_DC值在90%時需求的MAP值明顯小于5%時，節氣門開度明顯大于5%時，說明穩壓放氣閥在低扭矩時能夠提高進氣效率;圖10和圖11分別是扭矩分別為200N·m～600N·m時，燃氣消耗量（Specific Fuel Consumption以下簡稱SFC）和燃氣消耗率（Brake Specific Fuel Consumption以下簡稱BSFC）對比曲線，從結果分析得出，同樣的轉速和扭矩需求下，PWM_DC值在90%時SFC比PWM_DC值為10%時少了0.12kg～0.31kg，BSFC少了3.6g/kWh～4.9g/kWh;圖12～圖15為1600r/min，扭矩分別為200N·m～600N·m時，MAP和TPS對比曲線，從結果分析得出結論與1200r/min一致。

3.2 穩壓源廢氣控制閥對燃燒產生的影響

選取發動機轉速為800r/min，扭矩為600N·m，對比穩壓源放氣閥和傳統放氣閥在進氣沖程和排氣沖程的缸壓曲線，可以得出，相同的工況下，穩壓源廢氣控制閥進氣效率高，MAP值比傳統廢氣閥低，由于穩壓源放氣閥可以在該工況下將增壓器放氣閥全部打開，所以排氣壓力要比傳統廢氣閥低很多，通過圖16兩種廢氣閥的對比曲線可以看出，穩壓源放氣閥降低了泵氣損失，提高了經濟性[13～15]。

3.3 穩壓源廢氣控制閥對負荷特性產生的影響

發動機負荷特性表征在相同的轉速下，隨著油門開度的增加，發動機實際輸出扭矩的情況，傳統的廢氣閥，由于從PTP位置取氣，在增壓器開始介入工作時，無法實際控制輸出壓力將增壓器放氣閥打開，此狀態下增壓器開始工作時為全增壓狀態，增壓器在全增壓狀態與受控狀態之間切換時，會導致負荷變化太快，司機在實際駕駛過程中出現動力性猛增、整車突竄的問題，使用穩壓源廢氣控制閥可以避免在增壓器負荷變化時導致的負荷突變，由于增壓器全程受控，可以設定不同的Boost Reference值，使負荷特性平順過度，徹底解決該問題。圖17為穩壓源廢氣控制閥和傳統的廢氣控制閥負荷特性對比曲線，可以看出傳統廢氣閥在節氣門開度為20%～40%區間比較陡，穩壓源廢氣閥可以通過控制PWM_DC將負荷特性平順過度，提高了駕駛舒適性。

3.4 瞬態工況下穩壓源廢氣控制閥控制研究

發動機在整車運行時，特別是在公路上行駛時，運行工況主要為瞬態工況，即發動機轉速及負荷處于連續變化狀態，增壓器的瞬態控制對整車的響應性起著最主要的作用[16]，精確的瞬態控制直接影響了駕駛的動力性和舒適性。穩壓源廢氣控制閥結構采用PWM_DC前饋+PID調整的方式來進行瞬態調節，與傳統的廢氣控制閥相比，穩壓源廢氣控制閥有明顯的優勢，前饋表采用的是基于轉速和MAP的二維表，發動機運行到對應的工況時，ECU控制PWM_DC值首先從前饋表中差值計算得出，然后根據當前的進氣管壓力設定值（Boost Refrence）和MAP的差值進行PID控制調節，最終使得Boost error值控制在±1kPa，圖18穩壓源廢氣控制閥結構，在瞬態運行過程中的實際效果圖，可以看出，發動機負荷變化時，MAP迅速平穩的響應到Boost Reference值，提高了發動機的穩定性和響應性。

3.5 穩壓源廢氣控制閥對經濟性的影響

基于穩壓源廢氣控制閥的各項優勢，在臺架上分別對同一臺發動機更換為穩壓源廢氣閥和傳統廢氣閥進行標準的WHTC循環進行測試，對比循環氣耗率見表2，通過結果得出穩壓源廢氣控制閥能有效的降低WHTC循環氣耗率1%，明顯的降低了循環氣耗。

4? 結論

①穩壓源放氣閥降低了泵氣損失，有效的提高了經濟性，經濟性優勢提升1%～2%;

②穩壓源廢氣閥可以通過控制PWM_DC將負荷特性平順過度，提高了駕駛舒適性;

③穩壓源廢氣控制閥結構，能夠明顯提高了發動機的穩定性和響應性。

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