大氣濕度對天然氣發動機性能的影響

徐鵬，韓雨，潘永傳，王永健

濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

隨著發動機行業的快速發展，天然氣發動機的市場占比逐漸上漲，客戶對天然氣發動機整體性能的要求日益提高[1]。天然氣發動機輸出性能受空氣充量、廢氣再循環(exhaust gas recirculation,EGR)率、點火角、空燃比等參數的影響。發動機在臺架上進行性能標定時，進氣空調控制相對濕度為25%左右，而整車在實際運行過程中會受到大氣濕度的影響，出現功率不足、放炮、爆震等故障[2-3]。

本文中針對不同大氣濕度，提出一種天然氣發動機的模糊控制方法，分別建立修正模型，對理想條件下標定的空氣充量、EGR率和點火角等參數進行修正[4]，并模擬仿真，利用臺架發動機進行實際驗證。

1 大氣濕度表示方法

大氣濕度是空氣中含水量的一個度量，有相對濕度和含濕量2種表征方式[5]。

1.1 相對濕度

相對濕度φ是指某一狀態下，濕空氣中水蒸氣密度與該狀態下飽和濕空氣中水蒸氣密度的比，其表達式[6]為:

(1)

式中：ρh、ρhmax分別為濕空氣中和飽和濕空氣中水的密度，kg/m3；ph、phmax分別為濕空氣中和飽和濕空氣的中水的壓力，Pa。

1.2 含濕量

含濕量d是指某一狀態下，單位體積濕空氣中水蒸氣的質量mh與干空氣質量mk的比：

d=mh/mk。

(2)

1.3 相對濕度與含濕量之間關系

將濕空氣假設為由水蒸氣和干空氣組成的理想氣體，由理想氣體狀態方程[7-8]可得：

(3)

式中：ρk為干空氣的密度，kg/m3；pk為干空氣的壓力，Pa；Rk為干空氣的氣體常數，J/(mol·K)；Rh為水蒸氣的氣體常數，J/(mol·K)；p0為環境壓力，Pa。

將式(1)帶入式(3)，可得：

(4)

不同溫度下d與φ關系曲線如圖1所示。由圖1可知：溫度升高，d增大；φ增加，d增大；在高溫且相對濕度較大時，d更大。

圖1 不同溫度下d與φ關系曲線

2 模糊控制器建立

2.1 模糊控制原理

模糊控制原理如圖2所示，主要包括3部分：數字量模糊化過程、模糊規則建立以及輸出變量解模糊化過程[9-11]。

圖2 模糊控制原理

2.2 模糊量化處理

將傳感器所測的數字信號、模型得到的數字量利用論域劃分和最大隸屬度規則轉變成模糊控制器可以識別的模糊參量。

2.3 模糊控制規則

模糊規則是該控制方法的核心，精確數字量經過模糊化處理后，代入模糊規則，得到輸出的模糊參量[12]。這一規則是根據相關專家和測試人員的經驗建立。

2.4 解模糊化處理

輸出模糊參量后，利用隸屬度函數，采用某算法如重心法選出一個最具代表意義的數字量作為模型輸出。

發動機性能標定的φ與實際存在差異時，會直接影響發動機的輸出。φ增大時，設定的進氣中水蒸氣占比上升、干空氣占比降低，導致發動機輸出功率、轉矩不足；φ增大導致氣缸燃燒狀態變差，引發失火、排溫高、尾氣超標等故障。

以環境溫度t和空氣含濕量d作為模糊控制器輸入，輸出為相應參數修正系數，對發動機性能參數進行微量修正，滿足設計輸出要求。

t模糊集論域為[-25,35]，將該論域分為7段子集，負大(NB)、負中(NM)、負小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)；d模糊集論域為[0,80]，也分為7段子集，分別為負大(NB)、負中(NM)、負小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)；增壓壓力修正因數kp模糊集論域為[0.99,1.20]，分為4段，分別為負小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)；EGR率修正因數kegr模糊集論域為[0.70,1.01]，分為4段，分別為負中(NM)、負小(NS)、零(ZO)、正小(PS)；點火角修正因數kang模糊集論域為[0.99,1.20],分為4段，分別為負小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)。

隸屬度函數一般選擇三角形或者梯形。因為在一定條件或者范圍內，模糊控制方法的隸屬度具有一定的穩定性。從最大的隸屬向兩側延伸時，隸屬度不斷減小，而且是單調的，不具有波動性[13-15]。

t、d、kp、kegr和kang的隸屬度函數如圖3～7所示。隸屬度函數結果為[0,1]，意味著任一橫坐標x，經過隸屬度函數A(x)后，得到一個[0,1]的數，該數值代表橫坐標x隸屬于這個區間的程度。

圖3 t隸屬度函數 圖4 d隸屬度函數 圖5 kp隸屬度函數

圖6 kegr隸屬度函數 圖7 kang隸屬度函數

3 控制模型

3.1 增壓壓力控制模型

天然氣發動機實際進氣量由增壓器驅動、節氣門控制，因此利用修正增壓壓力來調節進氣充量[16]。假設天然氣發動機在沒有濕度修正前理想工況的大氣壓為101 kPa，t=25 ℃，d=10 g/kg，標定完成后，發動機能滿足各項設定指標。實際環境中，大氣濕度與理想狀態不同，此時，模型輸出對各參數進行修正。

t不變，d>10 g/kg時，進氣充量中干空氣占比下降，發動機輸出功率或轉矩不足，應增大增壓壓力；d<10 g/kg時，增壓壓力應適量減小。d不變，t升高時，進氣充量中干空氣占比上升，增壓壓力可適當減小，反之，增壓壓力可適當增大。

根據上述原則，制定基于t和d的kp模糊規則如表1所示。

表1 基于t和d的kp模糊規則

3.2 EGR率控制模型

EGR率在天然氣發動機氣缸燃燒過程中起相當重要的作用[17-18]。當d增大時，氣缸含水量增加，燃燒惡化，點火難度增大，應適當減小EGR率，有利于氣缸燃燒，同時降低點火難度；但若EGR修正太大，導致氣缸內EGR占比太小，發動機容易爆震。基于上述原則，制定基于t和d的EGR率修正系數kegr模糊規則如表2所示。

表2 基于t和d的kegr模糊規則

3.3 點火角控制模型

點火提前角對發動機氣缸燃燒有較大影響[19]。點火角太大，發動機容易爆震；點火角太小，容易后燃，排溫升高。d增加，適當增大點火角，在不發生爆震的前提下，有利于改善氣缸燃燒，提升輸出功率和轉矩。基于上述原則，制定基于t和d的點火角修正系數kang模糊規則如表3所示。

表3 基于t和d的kang模糊規則

修正原理為：修正進氣壓力，保證不同進氣濕度和溫度下，干空氣含量相等；空氣中的水分可以降低氣缸內的燃燒溫度，起到和EGR相似的效果，因此適當修正EGR率，可調節失火和爆震；通過調節點火角使氣缸燃燒平穩，改善排放。

4 模型仿真結果及驗證

4.1 仿真結果

仿真結果模糊控制輸出量進氣kp、kegr、kang與d、t之間的變化關系如圖8～10所示。

圖8 kp輸出曲線 圖9 kegr輸出曲線

由圖8可知：t=25 ℃，d=10 g/kg(濕度修正前理想工況)時，kp=1，進氣壓力不需修正；d不變，隨著t升高，壓力修正系數減小；t不變，隨著d增加，kp增大。變化規律與實際相符。

由圖9可知：t=25 ℃，d=10 g/kg(濕度修正前理想工況)時，kegr=1，ERG率不需修正；d不變，隨著t升高，kegr增大；t不變，隨著d增加，kegr下降。變化規律與實際相符。

由圖10可知：t=25 ℃，d=10 g/kg(濕度修正前理想工況)時，kang=1，點火角不需修正；d不變，隨著t升高，kang減小；t不變，隨著d增加，kang增大。變化規律與實際相符。

圖10 kang輸出曲線

4.2 臺架試驗驗證

發動機燃燒不好失火時，輸出轉矩波動大，導致轉速變化率增加。利用實際轉速變化率與標準限值比較，判定是否發生失火。失火率是指200個循環內，失火循環所占比例。失火率越大，對催化劑的影響越大。發動機燃燒太過猛烈，導致發動機造成振動較大，通常用爆震強度表征爆震的振幅和頻率。

使用進氣空調模擬不同的進氣溫度和大氣濕度，選取額定轉速為1900 r/min、額定功率為301 kW的某型號燃氣發動機，理想狀態下(t=25 ℃，d=10 g/kg)，不同進氣溫度和濕度下發動機功率、失火率以及爆震強度如圖11～14所示。

圖11 d=40 g/kg時發動機功率變化 圖12 t=32 ℃時發動機功率變化

由圖11可知：濕度增大時，發動機輸出功率下降；修正后的天然氣發動機輸出功率得到提升，更接近理想狀態下的標定功率。由圖12可知：溫度升高時，發動機輸出功率增大；修正后的天然氣發動機輸出功率下降，更接近理想狀態下的標定功率。由圖13可知：濕度增大時，發動機失火率上升；濕度修正后，失火率下降，比修正前更接近理想狀態下的失火率。由圖14可知：t升高時，發動機爆震強度增強；濕度修正后震強度下降，更接近理想狀態下的爆震強度。

圖13 d=40 g/kg時發動機失火率變化 圖14 t=32 ℃時發動機爆震強度變化

因此，發動機輸出功率、失火率以及爆震強度隨環境溫度和大氣濕度的變化趨勢與實際相符，模型準確、有效，該模糊控制策略可以提高不同濕度及溫度環境下天然氣發動機的輸出性能，降低發動機的失火率和爆震強度。

5 結語

本文中提出了一種基于大氣濕度的模糊控制方法，設計增壓壓力、EGR率以及點火角的修正控制，使天然氣發動機在不同的大氣濕度下特別是雨天等相對濕度較大的環境能夠達到設計的輸出效果；利用模糊控制方法，建立了空氣充量、EGR率及點火角的控制模型；利用MATLAB/Simulink軟件進行模擬仿真，通過臺架試驗進行發動機實際驗證，模型準確、有效，可以提高天然氣發動機在不同濕度和溫度下的輸出性能，降低失火率和爆震強度。