天然氣發(fā)動機(jī)混合器模塊模型設(shè)計

江楠，鹿文慧，王盼盼，呂憲勇，閆立冰

1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點試驗室,山東濰坊 261061; 2.濰柴動力股份有限公司,山東濰坊 261061

0 引言

為改善大氣環(huán)境質(zhì)量，作為主要綠色動力的天然氣發(fā)動機(jī)已經(jīng)率先實施了國六排放標(biāo)準(zhǔn)[1]。天然氣發(fā)動機(jī)滿足國六標(biāo)準(zhǔn)的排放控制方案較多[2]，其中，當(dāng)量燃燒-廢氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation，EGR)-三效催化方案應(yīng)用最普遍，該方案在發(fā)動機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放一致性和耐久性上具有明顯優(yōu)勢。中、重型天然氣發(fā)動機(jī)常采用進(jìn)氣道噴射方式，充氣效率比直噴發(fā)動機(jī)降低約10%，存在較大延遲性，空燃比控制是一個主要難題，精確控制空燃比對提高發(fā)動機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)型、動力性和降低后處理系統(tǒng)的貴金屬含量具有重要意義[3-4]。建立進(jìn)氣系統(tǒng)多組分模型，精確計算新鮮空氣進(jìn)氣量，是空燃比控制的關(guān)鍵[5]。本文中基于天然氣發(fā)動機(jī)混合器模塊的硬件結(jié)構(gòu)，通過對混合器部件的分析和物理建模，并結(jié)合歐拉修正方法，提高預(yù)混發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道混合器處新鮮進(jìn)氣量的計算精度，精確控制空燃比。

1 混合器模塊硬件結(jié)構(gòu)

天然氣發(fā)動機(jī)混合器模塊是多個零部件的集成，包括進(jìn)氣管路、節(jié)氣門、燃?xì)鈬姎夤堋u縮噴管、EGR入口管路等部件。安裝在混合器的傳感器有節(jié)氣門前的進(jìn)氣壓力溫度傳感器和漸縮噴管喉口處的壓力傳感器。新鮮空氣流經(jīng)節(jié)氣門，通過燃?xì)舛嗫讎姎夤車娚涮烊粴猓諝夂吞烊粴庠谥虚g混合管段混合，混合氣經(jīng)過漸縮噴管提速并進(jìn)行深度混合。噴管噴出的高速混合氣和此處進(jìn)入的EGR廢氣混合，形成空氣、燃?xì)夂虴GR廢氣的最終混合氣，最終混合氣進(jìn)入發(fā)動機(jī)進(jìn)行燃燒。天然氣發(fā)動機(jī)混合器硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 天然氣發(fā)動機(jī)混合器硬件結(jié)構(gòu)圖

混合器模塊能有效改善空氣、燃?xì)夂虴GR廢氣的混合程度，增大EGR驅(qū)動壓差，提高空氣和燃?xì)獾臏y量計算精度。漸縮噴管喉口處直徑較小，空氣和燃?xì)獾幕旌蠚饬鹘?jīng)此處時流速增加，壓力減小，能夠減小喉口后EGR背壓，增加EGR的驅(qū)動壓差，且各成分氣體在高速紊流條件下混合更加均勻[6]。該結(jié)構(gòu)可以分別計算空氣、燃?xì)饣旌蠚夂虴GR氣體的質(zhì)量流量，提高計算精度，進(jìn)而精確控制空燃比。

2 混合器軟件模型設(shè)計

基于混合器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建應(yīng)用流體力學(xué)和幾何抽象的物理模型來計算新鮮進(jìn)氣量。節(jié)氣門和漸縮噴管中部沒有壓力傳感器，在這兩處引入虛擬壓力，虛擬壓力可通過前后部件模型和管路模型迭代計算得到。EGR氣體流量可以通過EGR流量傳感器或EGR閥前、后壓差單獨計算得到，故構(gòu)建的計算模型中不包含EGR部分。

將混合器模塊系統(tǒng)劃分為節(jié)氣門、混合管段、漸縮噴管3個部分，混合管段是從節(jié)氣門安裝位置到燃?xì)鈬姎夤車娮烊肟诘墓芏危莘e不隨節(jié)氣門開度發(fā)生改變。

2.1 節(jié)氣門模型

對于節(jié)氣門結(jié)構(gòu)，采用節(jié)流公式構(gòu)建模型[7]。

節(jié)氣門處氣體的流函數(shù)

式中：λΤ為節(jié)氣門下游壓力和上游壓力之比，λT,0為空氣的臨界壓比，κ為氣體絕熱指數(shù)。

流過節(jié)氣門的新鮮空氣質(zhì)量流量

式中：AT為節(jié)氣門的有效流通面積，m2；μT新鮮空氣的為氣體流量摩擦修正因數(shù)；TT,I為流入氣體溫度，K；R為氣體常數(shù), J/(kg·K)。

2.2 漸縮噴管模型

可借鑒文丘里管等構(gòu)建漸縮噴管模型[8]，但漸縮噴管本身也是一種節(jié)流部件，為了便于構(gòu)建物理模型，采用節(jié)流公式來描述漸縮噴管，漸縮噴管內(nèi)流動氣體的流函數(shù)

式中：λC為漸縮噴管喉口壓力和混合管段虛擬壓力之比，λC,0為空氣和燃?xì)饣旌蠚獾呐R界壓比。

流過噴管的空氣和燃?xì)獾幕旌蠚饬髁?/p>

式中：AC為漸縮噴管的有效流通面積，m2；μC為混合氣的氣體流量摩擦修正因數(shù)；TC,I為混合氣體溫度，K。

2.3 混合管段

混合管段可看作一段理想的容積段，遵守理想空氣方程[9]：

pV=mRT，

式中：m為混合管段中氣體總質(zhì)量，kg；p為混合管段中氣體壓力，Pa；V為混合管段的容積，m3；T為混合管段中混合氣的溫度，K。

動態(tài)變化過程中，系統(tǒng)滿足

(1)

式中：mI為進(jìn)入混合管段的氣體(流經(jīng)節(jié)氣門的新鮮空氣和燃?xì)鈬娚涔車娙氲奶烊粴?總質(zhì)量，kg；mO為流出混合管段的混合氣，即流經(jīng)噴管的混合氣的總質(zhì)量，kg；Δp是混合管段的壓力變化，Pa。

采用式(1)可描述混合管段的流量和壓力關(guān)系，通過混合管段的流量變化來進(jìn)行壓力計算。

2.4 軟件模型結(jié)構(gòu)

綜合上述理論，整體天然氣發(fā)動機(jī)混合器的軟件模型如圖2所示。

圖2 天然氣發(fā)動機(jī)混合器軟件模型仿真結(jié)構(gòu)圖

節(jié)氣門模型中，根據(jù)節(jié)氣門前壓力傳感器測量的空氣壓力、空氣溫度和混合管段計算的節(jié)氣門后虛擬壓力及節(jié)氣門開度計算的有效流通面積，計算流經(jīng)節(jié)氣門的空氣質(zhì)量流量。

混合管段模型中，根據(jù)混合管段空氣和燃?xì)獾牧魅肓亢突旌掀髁鞒隽康牟钣嬎銐毫ψ兓缓髮毫ψ兓M(jìn)行累計得到混合管段的虛擬壓力。空氣流量可以采用節(jié)氣門模型算出的空氣流量或者采用混合氣流量減去燃?xì)饬髁糠椒ā?/p>

漸縮噴管模型中，根據(jù)混合管段計算出的噴管入口處虛擬壓力，即節(jié)氣門模型中的節(jié)氣門后壓力(和節(jié)氣門后虛擬壓力相同)、噴管喉口壓力傳感器測量的混合氣壓力以及混合器溫度計算流經(jīng)噴管的混合氣質(zhì)量流量。

2.5 歐拉修正的混合器模型

如圖2所示的軟件模型可以精確計算發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)時的進(jìn)氣流量。但在瞬態(tài)變化過程中，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的非線性變化及測量擾動導(dǎo)致氣體質(zhì)量流量波動及氣體質(zhì)量流量無法收斂。歐拉公式對于求解非線性離散系統(tǒng)問題具有結(jié)構(gòu)簡單、計算結(jié)果精度高的特點，因此采用歐拉修正方法對混合器物理模型進(jìn)行修正，提高瞬態(tài)流量計算的精確性、穩(wěn)定性和收斂性[10]。歐拉公式為：

yn+1=yn+hf(xn,yn)，

式中：h為計算步長周期，n為離散公式的步長，f(xn,yn)為(xn,yn)點的y對x的離散型倒數(shù)。

混合管段的氣體質(zhì)量流量為凈流量與計算步長周期的商，表達(dá)式如下：

設(shè)y為虛擬混合腔燃?xì)夂涂諝獾馁|(zhì)量流量qm，x為虛擬混合腔的壓力p，即可構(gòu)建混合管段的凈流入流量和混合管段內(nèi)壓力的歐拉關(guān)系式。

結(jié)合理論空氣方程和節(jié)流公式，得到當(dāng)前流量歐拉修正計算公式。混合管段內(nèi)的凈流入氣體變化量

計算過程中通過限制混合腔內(nèi)的氣體變化量，防止擾動特別是瞬態(tài)變化帶來的波動，降低整體系統(tǒng)發(fā)散可能性，實現(xiàn)混合腔內(nèi)壓力計算的穩(wěn)定性和收斂性，提高流量計算精度。

3 仿真與試驗驗證

3.1 仿真驗證

以某天然氣發(fā)動機(jī)為仿真機(jī)型，采集該發(fā)動機(jī)部分試驗工況的節(jié)氣門壓力、新鮮空氣溫度、節(jié)氣門開度、燃?xì)饬髁亢突旌蠚鉁囟鹊刃盘枺斎隨imulink軟件模型，進(jìn)行模型仿真驗證，未進(jìn)行歐拉修正的物理模型參數(shù)試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 未經(jīng)歐拉修正的的模型參數(shù)變化曲線

由圖3可知，未經(jīng)修正物理模型在節(jié)氣門開度從20%到70%的切換過程中，節(jié)氣門空氣質(zhì)量流量、噴嘴空氣質(zhì)量流量和混合管段壓力3個變量出現(xiàn)了波動和發(fā)散，甚至到節(jié)氣門開度穩(wěn)定在70%時，節(jié)氣門流量、噴嘴中空氣流量和混合管段壓力都一直處于發(fā)散狀態(tài)，無法收斂。

采用相同的方法對經(jīng)歐拉修正的物理模型進(jìn)行試驗，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，隨著節(jié)氣門開度變化，節(jié)氣門處氣體質(zhì)量流量和噴管流過的新鮮進(jìn)氣量都會發(fā)生波動變化，但是趨勢基本一致，并隨著節(jié)氣門控制的穩(wěn)定，2個進(jìn)氣流量都能達(dá)到穩(wěn)定且流量基本相同。

圖4 添加歐拉修正的模型參數(shù)變化曲線

3.2 臺架試驗驗證

將經(jīng)歐拉修正的混合器軟件模型集成到測試軟件中，并進(jìn)行臺架測試。在固定轉(zhuǎn)速工況下，設(shè)置節(jié)氣門開度為20%～30%進(jìn)行突增和突降的階躍測試，臺架實測的物理模型參數(shù)變化如圖5所示， 臺架采集的物理模型參數(shù)變化如圖6所示。

圖5 臺架實測的模型參數(shù)變化圖

圖6 臺架采集的模型參數(shù)變化曲線

由圖5、6可知：1)節(jié)氣門在23%～27%階躍變化時，實測的節(jié)氣門空氣質(zhì)量流量、噴管喉口處空氣質(zhì)量流量與采集的空氣質(zhì)量流量變化趨勢一致，偏差在5%以內(nèi)；2)混合腔內(nèi)壓力變化平滑，實測混合腔壓力與采集壓力的偏差小于4%。

4 結(jié)論

設(shè)計一種采用歐拉修正的天然氣發(fā)動機(jī)混合器物理模型，以提高新鮮進(jìn)氣量的計算精度。先根據(jù)節(jié)氣門、混合管段和漸縮噴管模型的特征，構(gòu)建了應(yīng)用流動特性和幾何抽象機(jī)理的EGR模塊物理模型；根據(jù)流量和壓力的離散化特征關(guān)系，構(gòu)建了歐拉修正系數(shù)，最終實現(xiàn)了整個進(jìn)氣系統(tǒng)模型的計算收斂和精確估算。通過試驗和仿真驗證，證明了歐拉修正方法的有效性。

1)節(jié)氣門、虛擬管段和噴管的物理特征比較明顯，可以采用節(jié)流公式和理論空氣方程構(gòu)建進(jìn)氣系統(tǒng)物理模型。

2)瞬態(tài)過程中，各部件系統(tǒng)計算會疊加系統(tǒng)擾動，導(dǎo)致整體物理模型產(chǎn)生計算發(fā)散現(xiàn)象，采用歐拉修正方法后，軟件模型計算的進(jìn)氣流量精度得到極大提高，沒有出現(xiàn)計算發(fā)散現(xiàn)象。