压缩天然气发动机空气管理执行器驱动控制研究

宋君花，王 都，冒晓建，卓 斌

（1.上海海能汽车电子有限公司技术中心，上海 200240；2.上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240）

随着石油能源日益紧张以及尾气排放造成的环境污染问题日益加剧，代用燃料动力技术成为汽车领域的研究热点。天然气因为其低成本、低污染以及高热效率成为最具发展潜力和最清洁的替代能源。目前我国虽然有满足国Ⅲ、国Ⅳ及以上排放标准的高性能气体发动机，但这些发动机基本上都是采用进口的燃气供给系统，特别是电控系统的核心技术和控制器基本上被国外公司垄断。因此，开发具有自主知识产权的天然气发动机电子控制系统具有十分重要的意义。

1 压缩天然气发动机系统功能

本研究以YC6G260N天然气发动机为研究对象，该发动机应用于重型商用车，其主要参数见表1。该发动机采用增压中冷、稀薄燃烧、单缸高能点火的技术路线，控制系统采用如图1所示的单点喷射系统方案，该系统具有稳态性能好、易于实现等优点［1］。

表1 YC6G260N天然气发动机主要技术参数

天然气发动机控制器（ECU）的主要功能包括：及时采集各种传感器和开关的信号参数，处理后传送给上层控制软件；同时从上层控制软件接收控制指令从而驱动执行器运行；与系统监测软件通信；与系统标定软件通信，实现在线标定的功能；与诊断工具通信等。

CNG发动机空气管理系统由进气量控制、增压压力控制以及防喘振控制三部分组成，相应的执行器由电子节气门、废气旁通阀、旁通控制阀、防喘振阀、增压器等部件组成（见图2）。CNG发动机空气管理系统的作用是根据发动机工况提供适宜的空气量，同时向ECU传递此信息，并根据ECU的指令完成空气量的调节。

CNG稀燃增压发动机需要对缸内的空燃比进行闭环控制，因而需要对节气门、增压器和旁通阀进行灵活、快速地控制。CNG稀燃增压发动机的瞬态特性与空气量、燃气量、空燃比、增压压力等的瞬态控制密切相关，对控制系统硬件驱动的瞬态控制要求是硬件能够在瞬态工况下做到实时精确反应：

1）电子节气门控制满足瞬态响应的需求，节气门的实际开度可以实时瞬态跟随其目标开度；在任何工况点的任意阶跃响应的建立时间应该在100ms［2］以内；

2）增压压力的控制在执行器响应的范围内，满足增压压力的控制需求。

本研究重点针对空气管理关键执行器电子节气门和旁通阀的控制。

2 电子节气门驱动控制

2.1 电子节气门非线性分析

电子节气门是一个机电传动系统，直流电机是执行元件，减速齿轮组、复位弹簧、节气门阀组成执行机构。

电子节气门是一个非线性的执行器，其非线性表现在以下几个方面［3］：

1）减速齿轮机构之间齿间隙是非线性的。节气门总成上设有一套齿轮减速机构，由于齿轮啮合存在间隙，产生了齿间隙非线性，使得电机扭矩和节气门输出之间是非线性关系。

2）复位弹簧是非线性的。该弹簧是非线性扭转弹簧，当节气门需要从较大开度位置降到较小开度或回到节气门关闭位置时，可以提供一个较大的扭转力矩，使节气门阀片可以快速地回到要求的位置。

3）节气门阀片在运动过程中的摩擦力矩是非线性的。节气门阀片在运动过程中会受到库仑摩擦力和黏滑摩擦力的双重作用，在动态过程中摩擦力变化是非线性的。

4）进气道的气流冲击是非线性的。发动机工作时进气道内的空气对节气门冲击力随节气门开度不同而不同。

2.2 硬件驱动信号对电子节气门动态响应性的影响

节气门驱动软件设计主要是控制节气门的旋转方向和驱动扭矩。硬件驱动信号PWM信号直接决定着电子节气门直流电机的旋转扭矩。在进行电子节气门驱动软件设计之前，首先需要对硬件驱动信号对电子节气门动态响应性的影响进行研究。

2.2.1 PWM频率对电子节气门动态响应性的影响

PWM信号的频率主要影响电子节气门控制的抗干扰性。对电子节气门在不同PWM频率下进行了试验分析，不同PWM信号频率时的电流波形见图3。由图可看出，节气门电枢中的电流为连续的波浪形式，提高PWM信号的频率可在减小电流峰值的同时减小电流的脉动。PWM频率选得过高，驱动电路容易受到干扰，会出现尖厉的噪声；若PWM频率选得过低，电机工作时电流波形比较粗糙，噪声较大，平均电流较大，从而造成驱动电路的发热比较严重。为了研究硬件驱动信号对电子节气门动态响应性的影响，进行了一系列阶跃响应试验。图4和5分别示出在不同频率下节气门开度目标值TPS＿Tgt从12%到40%以及从5%到100%在不同频率下节气门实际开度TPS＿Value的阶跃响应曲线。由图4可以看出，在较小的阶跃变化时，硬件驱动信号频率对节气门开度的动态响应性的影响很小。由图5可看出，在较大的阶跃变化时，2kHz硬件驱动信号表现出的动态响应性最好。考虑到驱动电流的波动以及硬件电路的发热等问题，根据试验中节气门的实际控制效果和节气门驱动芯片可承受的最高频率（10kHz），在本研究CNG电控系统ECU硬件设计中，选用PWM信号的频率为4kHz。

2.2.2 PWM驱动信号有效驱动脉宽的确定

电子节气门驱动PWM信号并不是在0～100%的占空比范围内都可以，在实际的电子节气门PWM占空比控制中，还需要考虑节气门供电电压的变化，从而对PWM有效驱动脉宽进行修正。同时为了提高节气门的瞬态响应性，还需要研究最大有效占空比对节气门动态响应的影响，以最终确定节气门闭环控制时有效占空比的范围。在CNG稀燃增压发动机功能测试台上，在4kHz的控制信号下，将最大有效占空比分别设为20%，30%，40%，50%，对节气门动态响应作了大开度阶跃（开度从20%到100%）和小开度阶跃（开度从12%到40%）的一系列试验，试验结果见图6和图7。

由图6和图7的试验曲线可看出：对于大开度阶跃响应，20%占空比的响应时间约为0.5s，响应时间不能满足要求；随着占空比的增大，阶跃响应时间变小，其中40%和50%占空比的响应时间都小于100ms，满足阶跃响应时间要求；在小开度阶跃响应时，最大有效占空比对节气门动态响应的影响趋势相同，其中50%占空比表现出的响应时间和超调量最好。

本研究选择的电子节气门允许的最大占空比为50%，同时结合考虑控制信号频率和最大有效占空比对电子节气门动态响应的影响，最终确定电子节气门闭环控制信号为4kHz、最大有效占空比为50%的PWM信号。

3 旁通阀驱动控制

3.1 旁通阀控制特性分析

稀燃发动机的涡轮迟滞时间比自然吸气的当量发动机要大得多，减少时间迟滞的一个可行方法是使涡轮始终保持在较高的转速，然后通过节气门减少进入进气歧管的进气流量和压力。但是进气管压力增大会导致油耗增加。旁通阀最简单的控制是在空气路到旁通执行器之间直接提供增压压力。当增压压力推开旁通阀执行器的弹簧时，旁通阀打开。旁通控制阀根据PWM控制信号提供给旁通阀执行器所需的压力，然后旁通阀执行器将此压力转化为线性运动以驱动旁通阀。

旁通阀位置是作用在执行机构（旁通控制阀）上压力的直接结果，该压力在执行器上产生一个力F＝pwgA，A为执行器的有效作用面积，pwg为旁通阀的输出压力，F为执行机构的弹簧反作用力。弹簧力通常可以建立形如F＝－ksx的线性表达式，x为弹簧距离平衡点的位置，ks为弹簧的弹性系数。当废气旁通阀完全关闭时，一个最小的力F0可以使弹簧压缩，从而使得执行机构动作。

通过发动机台架试验，在压力源为0.16MPa下，得出CNG稀燃增压发动机的旁通控制阀输出压力有效时的占空比为22%～54%（见图8），而对于旁通阀执行机构而言其行程有效占空比为umin＝38%，umax＝50% 。

3.2 旁通阀控制模型

增压器前后之间的压力由线性插值得到。旁通控制阀占空比的范围是0～100%，执行器压力有效时的占空比范围是 ［umin，umax］，这个占空比区间之外对应的执行器压力为增压器前或者增压器后的压力。旁通阀输出压力可以采用如下的静态模型描述：

式中：pac为增压器后的压力；pbc为增压器前的压力；Wdc为旁通控制阀的占空比。

4 试验验证

为了验证CNG稀燃增压发动机ECU空气管理执行器瞬态控制的效果，在发动机试验台架上对电子节气门、旁通阀、防喘振阀等执行器进行了相应的试验。由图9可见，在发动机运行过程中，ECU控制的电子节气门实际开度能够实时跟随节气门的目标开度，响应快、超调量小、稳态精度高，能够满足发动机进气量实时调整的需要，从而可以精确控制CNG发动机的进气量，确保满足CNG发动机功率精确控制的要求。

对于旁通阀的瞬态控制效果，可以从增压压力的闭环控制看出（见图10），在发动机瞬态工况变化中，增压压力闭环使能后，ECU通过精确控制旁通阀的开度可以实现增压压力的闭环控制。

CNG稀燃增压发动机空气管理执行器电子节气门、旁通阀、防喘振阀的联动试验结果见图11，图中椭圆形区域示出发动机高速卸载时，由于节气门突然关闭，导致节气门前压力迅速增加，为了防止增压器喘振，此时需要打开防喘振阀（即标志为1），通过该阀将节气门前的压力释放掉，以达到保护增压器的目的。在这一过程中，不需要增压，即废气旁通阀的位置在100%。

5 结束语

在分析CNG稀燃增压发动机系统功能和空气管理系统作用的基础上，重点展开对空气管理执行器关键执行器电子节气门和旁通阀的动态响应性的研究。基于电子节气门系统的非线性分析，研究了硬件PWM驱动信号的频率及最大有效的驱动脉宽对电子节气门动态响应性的影响，可以实现阶跃响应时间约为80ms，超调量小于1%，稳态误差小于1%的控制效果，从而满足对节气门开度的精确控制和快速调节控制的要求。通过分析旁通阀控制特性，建立旁通阀位置的动态模型，可以实现对旁通阀的控制，从而在发动机运行过程中实现对增压压力的闭环控制。

［1］ 盛 利，宋君花，王 都，等.CNG发动机控制器SPI通信多节点设计与应用［J］.车用发动机，2009（4）：68－71.

［2］ Josko Deur，Pavkovic D，Pericn N，et al.An Electron－ic throttle control strategy including compensation of friction and limp－home effects［J］.IEEE transactions of industry application，2004，40（3）：821－834.

［3］ 杨振东.基于模糊PID电子节气门控制系统的研究与开发［D］.长沙：湖南大学，2008.