天然气发动机进气响应性能优化

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1 研究背景

天然气作为一种资源丰富的清洁代用燃料,具有价格低廉、安全高效、排放污染小等特点,能有效改善发动机的经济性和排放性能[1-2]。天然气发动机充气效率较低,涡轮增压器存在迟滞效应,导致增压天然气发动机存在低速扭矩不足和瞬态响应滞后等问题,动力性能比同排量的柴油机差且排温高[3-4]。目前，行业内满足国五排放法规要求的天然气发动机多采用单点喷射+稀薄燃烧+氧化型催化器的技术路线[5],并采用基于空气模型的方法实现对发动机的控制,即通过控制节气门开度来影响节气门后的进气压力,从而影响进入气缸的空燃比。采用稀薄燃烧技术可以降低发动机排温，提高压缩比,从而提高天然气发动机的可靠性和经济性[6-7]。

天然气发动机进气量的多少直接影响发动机功率的大小,目前常用的发动机进气量控制方法是将所需扭矩转换为发动机设定进气量MSet,根据设定进气量使节气门打开一定开度,通过节气门后进气系统得到实际进入气缸的进气量MAct,如图1所示。在发动机稳态工况下,功率输出稳定,控制效果较理想。但在瞬态过程中，发动机转速和负荷变化频繁,使燃气供给、进气速率、进排气压力随之改变。加之从节气门到发动机气缸有一定距离,导致从设定进气量到实际进入气缸的进气量有一定延迟,从而影响空燃比，以及空气和燃气的混合状态,最终影响发动机的进气响应性能[8-9]。

▲图1 发动机进气量控制方法

笔者在当前常用的发动机进气量控制方法的基础上,寻求一种天然气发动机进气系统瞬态响应性能优化方案,通过分析发动机节气门后进气系统的固有特性，结合理想气体状态方程,推导出进入气缸内的实际进气量与设定进气量的逻辑关系,从而通过改变设定进气量来加大天然气和空气混合气的实际进气量,以此达到提高天然气发动机动力性能及瞬态进气响应性能的目的[10]。

2 节气门后进气系统

节气门后进气系统如图2所示，包含节气门、进气管和气缸三个部件。Min为经过节气门进入进气管的进气量,Mout为进气管流出的进气量,进气管内的压力、温度和体积依次用Pm、Tm、Vm表示,气缸内的压力、温度和体积依次用Pc、Tc、Vc表示。当发动机排量确定后,Vc和Vm为常量,根据气体状态方程，有：

PV=nRT

(1)

式中：P为气体压力；V为气体体积；R为气体常量；T为气体温度；n为气体物质的量。

将式(1)中气体物质的量n转换为进气量，则有：

PV=mR′T

(2)

式中：R′为摩尔质量与气体常量R的乘积；m为气体质量。

将式(2)应用于进气系统,进气管及气缸的各参数Pc、Tc、Vc、Mc满足:

(3)

3 进气响应性能优化分析

在电子控制单元现有控制策略中,一般将所需扭矩转换为充量,将充量通过物理模型转换为设定进气量。基于设定进气量，结合节流公式计算出设定节气门开度。电子控制单元基于设定节气门开度和实际节气门开度进行闭环控制,从而保证流经节气门的进气量与设定进气量一致。但在瞬态工况下，由于进气管道的延迟,会导致实际进入气缸的进气量与设定进气量存在一定差距,进而影响发动机的瞬态响应性能。笔者在不改变现有发动机机械结构的前提下,通过改变设定进气量来最大限度保证实际进气量满足发动机瞬态响应性能的要求。

在发动机进气系统中,将节气门至气缸的这段进气管作为一个整体进行考虑,其压力Pm满足:

Pm(k)=ΔP(k)+Pm(k-1)

(4)

式中：ΔP为两个步长的压力差；k代表当前步长值；k-1代表上一步长值。

根据理想气体状态方程和式(3),有:

(5)

将式(5)代入式(4)，得:

Pm(k-1)

(6)

由式(3)可得:

(7)

在每次进气终止时,假设进气管内和气缸内的压力相等,且进气管内的气体都进入气缸,则有:

(8)

将式(8)代入式(6)，得:

(9)

整理可得:

+Mout(k-1)

(10)

Mout(k)=[Min(k)-Mout(k-1)]dT/Tim

+Mout(k-1)

(11)

当发动机配置固定后,Tim近似为一个时间常数,因此可以将节气门后进气系统看作一个低通滤波系统。

由于节气门响应快且控制精准,因此经过节气门进入进气管的进气量与发动机控制器中的设定进气量近似相等。假设系统节气门后进气系统等同于低通滤波系统,则有:

MAct(k)=[MSet(k)-MAct(k-1)]dT/Tim

+MAct(k-1)

(12)

设定进气量与实际进气量的关系如图3所示，设定进气量、目标实际进气量及原实际进气量的关系如图4所示。

▲图3 设定进气量与实际进气量关系

若实际进气量能够达到图4中的目标实际进气量MAct′,则会提高发动机的进气响应性能。假设该目标系统的时间常数为Tic,则有:

▲图4 设定进气量、目标实际进气量和原实际进气量关系

MAct′(k)=[MSet(k)-MAct(k-1)]dT/Tic

+MAct(k-1)

(13)

在不改变进气系统机械结构的情况下,系统时间常数Tim是不变的。根据式(12),若要提高实际进气量的响应，则只能通过改变设定进气量来达到系统时间常数为Tic的效果。假设改变后的设定进气量为MSet′，则有:

MAct′(k)=[MSet′(k)-MAct′(k-1)]dT/Tim

+MAct′(k-1)

(14)

由式(13)和式(14)整理得到优化后设定进气量MSet′:

MSet′(k)=MSet(k)+[MSet(k)-MAct′(k-1)]

(Tim/Tic-1)

(15)

根据上述推导分析,结合式(15),在电子控制单元进气系统软件中添加经过优化后的设定进气量MSet′控制策略，以此来提高节气门后进气系统的进气响应性能。

设定进气量控制策略如图5所示。

▲图5 设定进气量控制策略

根据设定进气量控制逻辑,在真实发动机台架上进行详细标定及性能优化试验。通过分析试验数据发现,在原有设定进气量基础上进行修正，可以有效改善实际进气量的响应性能。

优化后,设定进气量与实际进气量的关系如图6所示。

4 结束语

笔者在当前行业内常用的天然气发动机进气量控制方法基础上,通过分析天然气发动机节气门后进气系统的固有特性,结合理想气体状态方程,推导出进入气缸的实际进气量与设定进气量的逻辑关系,从而通过改变设定进气量来改变实际进气量,以此达到提高天然气发动机瞬态响应性能的目的。

▲图6 优化后设定进气量与实际进气量关系

通过理论分析、策略实现、台架试验及数据分析,确认在不改变发动机本体设计的基础上,笔者的做法可以在一定程度上提高天然气发动机进气系统的瞬态响应性能。