□ 王文霞 □ 曹 石 □ 王 龙 □ 查小辉

1.内燃机可靠性国家重点实验室 山东潍坊 2610612.潍柴动力股份有限公司 山东潍坊 261061

1 整体控制思路

相比柴油发动机[1],燃气发动机需要精确控制空燃比来控制燃烧,因而对进气量的控制要求更高。满足国六排放标准的燃气发动机,采用当量燃烧技术,结合三元催化器和废气再循环技术,其动力性和响应性的控制主要体现在对进气量的控制上。

增压器的匹配及控制是发动机进气控制的关键,也是发动机领域的研究热点[2-5]。通过控制放气阀的开度来改变被旁通的废气量,进而控制增压，是常用的方法。

放气阀的控制和应用呈现多样化发展,其与节气门的联合控制一直是业内的难点[6-9]。通常，在低负荷状态下，将废气旁通阀全开，用节气门来控制进气量；在高负荷状态下，适当关闭废气旁通阀，以实现更强的增压能力。

燃气发动机的控制以内扭矩为基本需求,根据机型与实际工况,计算得到所需的进气量。根据所需的进气量，控制节气门的开度。根据所需的进气压力，控制放气阀的开度[10-12]。节气门和放气阀被控制于一定开度后,基于由进气量传感器采集到的实际进气量或由进气温度、压力和发动机排量推算得到实际进气量，以及所需的过量空气因数,可以推算出实际需要的燃气量,进而控制燃气喷射和点火。在不考虑三元催化器中储氧调制时,过量空气因数值为1。燃气发动机的整体控制思路如图1所示。

▲图1 燃气发动机整体控制思路

2 节气门控制

根据燃气发动机所需的进气量来控制节气门的开度，分为节流区控制和非节流区控制,不同区域适用不同的方法。由节气门位置采集传感器可以测得节气门的实际开度,基于实际开度与所需开度，选择合适的比例积分微分参数进行闭环控制,可以计算出控制节气门的占空比[13]。节气门采用H桥控制,不驱动时会保持一定的默认开度,即使节气门发生故障，还可留有一定的进气量,保证发动机能跛行至服务站点或其它安全地方。

2.1 节流区控制

当由节气门后的压力与节气门前的压力相除得到的压比小于0.95时,通过控制节气门的流量满足小孔节流方程,对应压比区域通常称为节流区[14]，0.95为临界压比。节流公式为:

(1)

式中:Qm为进气量；c为流出因数;β为直径比;ε为膨胀因数;ρ为气体密度;d为节气门流通截面直径;Δp为节气门前后压差。

由式(1)可知,通过节气门的进气量与节气门的流通截面积、节气门前后压差存在一定关系，节气门的流通截面积可以用节气门的开度来表征,节气门前后压差可以用压比来表征。

实际控制中,将进气量转化为一个标准大气压、绝对温度为273.15 K时的流量，进气量与节气门开度、压比的关系可基于发动机台架上的数据通过脉谱图标定得到。得到脉谱图的标定数据后,如果已知流经节气门的进气量、节气门的开度和节气门前后压比三个量中的任意两个,那么都可以通过查询脉谱图得到第三个量。与此相对应,如果已知所需进气量和实际节气门前后的压比,那么可以在脉谱图中查得所需的节气门开度。发动机运行过程中，进气量和压比的数值不一定是脉谱图中的坐标值,此时如需求出节气门开度，可在脉谱图中通过流量与压比对应的数据进行线性插值得到。

2.2 非节流区控制

与节流区相对应,非节流区通常定义为节气门后压力除以节气门前压力得到的压比大于0.95的区域。在非节流区,节气门的节流特性不再适用，而是由当前进气量在临界进气量和最大进气量之间进行线性插值，得到所需的节气门开度。非节流区所需的进气量QDes对应的节气门需求开度rDes为:

(2)

式中:Qmax为最大进气量,即节气门全开时节气门前后压力相等时刻的进气量;Q0为临界进气量，由Qmax乘以0.95得到;r0为通过节流区公式计算得到的临界压比时刻节气门开度;rmax为最大节气门开度。

3 放气阀控制

所需的不同增压可以通过控制放气阀的开度来实现[15-16]。当放气阀开度变大时,被旁通的废气减少,增压能力提高。根据所需的进气量,结合发动机排量和当前转速，可以计算得到所需的进气压力。当进气压力大于各转速下的基础增压时,需要打开放气阀来减小废气旁通量，以实现更大的增压。基础增压是在发动机台架上标定得到的,标定方法为将放气阀关闭,控制节气门全开,遍历各个转速点,得到的实际进气压力即为基础增压。放气阀不带位置传感器,通过压力闭环来得到输出占空比，压力控制方法为典型比例积分微分控制。放气阀控制逻辑如图2所示。

▲图2 放气阀控制逻辑

在进气压力的闭环控制过程中,需对进气温度和大气压力进行修正,以适应不同环境温度和海拔高度。由于增压器增压后的气体到达缸内要经过一段进气管道,因此进气控制难免存在滞后性,可以根据需要提前打开放气阀来消除这一滞后,以提高发动机的动力响应性[17]。

4 耦合控制

节气门与放气阀的控制顺序一般为,中低负荷采用节气门控制,当节气门全开以后,放气阀控制介入,继续提高增压,这一控制顺序理论上可行。实际使用过程中,当负荷逐渐上升时,节气门后压力也逐渐上升,与节气门前压力之比逐渐增大,节气门由节流区控制切换为非节流区控制,节气门全开以后放气阀打开。当放气阀打开以后,由于节气门前压力升高,节气门后与节气门前的压比减小,节气门控制由非节流区控制又切换回节流区控制。切换过程如果频繁,会导致节气门抖动,从而引起系统不稳定。

节气门全开以后，放气阀打开的控制效果如图3所示。

▲图3 节气门全开后放气阀打开控制效果

由图3可以看出,负荷突增时,节气门立即打开并经过非节流区开启到100%,之后放气阀开始打开,进气量缓慢上升。由于节气门前压力升高,压比变小,节气门又回到节流区控制。整个过程中节气门和放气阀控制都发生了抖动,导致进气量产生波动。

针对进气量波动问题,通过标定压比参考值来调整放气阀控制介入的时刻,进行发动机台架试验,得到兼顾发动机动力响应性与经济性的数据,优化进气控制效果。

节气门还没有全开时提前打开放气阀进行增压的效果如图4所示。通过减小放气阀开启的压比点,提前在节气门还没有全开时打开放气阀,使进气量较快上升,从而优化发动机的动力响应性。

▲图4 节气门未全开时放气阀提前打开控制效果

由图4可以看出,放气阀打开一定程度以后,节气门逐渐打开到接近全开状态,之后节气门和放气阀控制都比较平稳,进气量稳定,且满足负荷要求。

综合以上分析可以确认,在负荷上升阶段,节气门控制仍处在节流区时,提前打开放气阀,可以提高系统的响应性,缓解系统振荡。通过图3和图4对比可以看出,提前打开放气阀,没有导致进气量明显增大,因此燃油经济性得到了保证。负荷下降时,放气阀和节气门关闭缓慢,同样可以减轻系统振荡,进而维持系统的稳定性。

5 结束语

对于燃气发动机而言,节气门的控制与放气阀的控制至关重要，两者密不可分。对节气门和放气阀分别进行单独控制,并通过调整两者开启的耦合控制时刻,由标定试验得出最优的控制数据,可以兼顾发动机的动力响应性和经济性,同时保证发动机系统在不同工况运行时的平稳过渡。