天然气发动机废气控制阀控制及性能匹配

杨兆山，李洪奎，赵宏恩，韩雨

1.潍柴西港新能源动力有限公司，山东潍坊 261061；2.潍柴动力股份有限公司，山东潍坊 261061

0 引言

天然气发动机废气控制阀通过脉宽调制(pulse width modulation，PWM)占空比RPWM调节出口压力来控制增压器的增压能力，继而由增压器提供和发动机负荷相适应的可变的进气增压压力。废气控制阀的性能直接表现在增压器的增压能力控制上，其与增压器的良好匹配，既能提升发动机的低速性能，又能在增压高效标定区间改善增压器的瞬态响应性[1-4]。

1 废气控制阀的控制原理

废气控制阀按照结构及形成原理可分为开关电磁阀和比例电磁阀。在相同的PWM信号控制下，流经其内部的流体(废气控制阀内部介质为气体)流量对比如图1所示。由图1可知，与比例电磁阀相比，开关电磁阀有效工作区间较宽，电磁阀全开状态下最大流量较小，放气能力较弱。因为开关电磁阀是由普通开关结构来控制流经其内部的气体流量，而比例电磁阀的开关结构是基于伯努利原理形成，其方程式为：

(1)

式中：p为气体中某点的压强，ρ为气体密度，v为气体中该点的流速，g为重力加速度，h为该点的高度，C为常量。

在高度h忽略不计的情况下，ρgh=0，式(1)变为

(2)

由式(2)可知，当电磁阀全开放气时，流经其内部的气体流速最大，压强最小。

废气控制阀在PWM信号控制下，当发动机实际进气压力小于设定进气压力时，电磁阀逐渐开启更大角度(RPWM增大)，进入控制阀内的增压空气泄漏量变大，使增压器废气旁通阀趋向关闭，排气能量增大，直至发动机实际进气压力与设定压力相等；相反地，当发动机实际进气压力大于设定进气压力时，电磁阀开启角度逐渐减小，进入控制阀内的增压空气泄漏量变小，更多的增压气体通过阀杆来推动旁通阀开启，使增压器排气能量减小，直至实际进气压力与设定压力相等。

2 废气控制阀与增压器旁通阀控制关系

发动机节气门前的增压气体(其压力简称为pPTP)进入废气控制阀，由废气控制阀根据当前发动机负荷需求控制其出口(与旁通阀气室连通，简称ACT端)的气体流量，废气控制阀与增压器旁通阀关系[5-8]简图见图2。ACT端气体通过增压器旁通阀气室内的弹性膜片及弹簧机构，与作用在旁通阀阀盖前后的涡前压力及涡后压力的合力最终转化为阀杆的位移[9-11]。以旁通阀阀杆为研究对象，ACT端进气压力与阀杆位移的关系可表示为：

pA=BL+p0,

(3)

式中：pA为ACT端进气压力，B为弹簧系数，L为阀杆位移量，p0为弹簧预紧力。

旁通阀阀杆弹簧在常态下处于压缩状态，其弹簧预紧力p0方向如图2所示，随着发动机转速及负荷的升高，旁通阀气室的进气量及增压压力逐渐增大。当pA>p0时，旁通阀打开，流经增压器的废气能量减小，增压器的增压能力降低，反之同理。所以，可以通过PWM控制信号控制废气控制阀的出口流量及ACT端压力，通过阀杆调节阀盖的关闭角度，从而提高或降低增压器的增压能力，以适应发动机各种不同工况的负荷需求。

在不同的ACT端压力pA作用下，增压器旁通阀阀杆响应不同的位移L。当ACT端进气为纯压缩空气时，L随ACT端压力变化曲线如图3所示。由图3可知，当pA从0逐渐增大到53.33 kPa 时，由于弹簧预紧力的作用，L=0；当pA=53.33～173.32 kPa时，pA>p0，阀杆伸长，L>0；当pA>173.32 kPa时，阀杆位移量最大，L≈15.5 mm。

当pA逐渐减小，阀杆回落，其规律与上述同理。但是，在相同的pA作用下，阀杆回落时的位移大于其伸长时，这是由弹簧的固有特性决定的，所以在发动机台架试验中，随着废气控制阀RPWM由0—100%—0变化，pPTP不同，间接反映出增压器增压能力的不同，因此，在废气控制阀控制下，增压器旁通阀在其阀杆的伸长及回落过程中，发动机的输出功率表现不同。在发动机转速为1000 r/min时，pPTP随RPWM的变化曲线如图4所示。其中，当RPWM=90%～100%，pPTP基本相同，这是因为，在发动机转速为1000 r/min、RPWM≥90%时，旁通阀阀盖已经完全关闭，阀杆位移量始终为0，增压器的增压能力最大。

3 废气控制阀的性能指标及匹配试验

由上述废气控制阀的控制机理可知，衡量废气控制阀性能的2个重要指标是ACT端压力稳定性和废气控制阀放气能力[12-15]。在台架试验中，天然气发动机的主要技术参数及配置如表1所示。废气控制阀样件A、B、C分别来自不同厂家，相关参数如表2所示。

表1 天然气发动机主要技术参数及配置

3.1 ACT端压力稳定性

表2 废气控制阀样件相关信息

保持试验边界条件一致，选择在发动机转速为1000 r/min的典型工况下进行试验。在该转速下，废气控制阀的RPWM可在0～100%内任意设置。当RPWM=0时，旁通阀阀盖处于全开状态，增压器的增压能力最小；当RPWM=100%时，旁通阀阀盖处于全关状态，增压器的增压能力最大，且发动机输出扭矩在可控范围之内。因此，使发动机转速稳定在1000 r/min，控制废气控制阀的RPWM在0～100%内间隔10%变动，记录对应ACT端压力，并绘制ACT端压力随时间的变化曲线，如图5～7所示。由图5～7可知， 废气控制阀样件A、B、C的ACT端最大压力波动分别为1.68、2.28、4.99 kPa，因此，样件A的ACT端稳定性较好，其次为样件B、样件C。

3.2 废气控制阀放气能力

当发动机转速为800 r/min时，随着RPWM的变动，废气控制阀样件A、B、C的放气能力对比曲线如图8所示。由图8可知，废气控制阀ACT端压力对比为B>A>C，其放气能力由强到弱依次为C、A、B，且随着RPWM的变化，样件A、B、C的pPTP基本稳定在145 kPa左右，因为在pPTP≤145 kPa时，3个样件的ACT端压力均不能克服弹簧预紧力使阀杆运动，此时增压器废气旁通阀处于完全关闭状态。

当发动机转速为1000 r/min时，随着RPWM的变动，废气控制阀样件A、B、C的性能对比曲线如图9所示，其放气能力与转速为800 r/min时一样，由强到弱依次为C、A、B。由图9还可知：(1)当旁通阀阀盖开始关闭时，ACT端压力由大到小依次为B、A、C，且ACT端压力越小，其放气能力越强，有效工作区间越窄，如表3所示；(2)样件A与样件B的PTP基本相当，其增压高效区RPWM=15%～75%；增压低效区为RPWM=75%～95%；(3)样件C的放气能力最强，当旁通阀阀盖全关时，增压器的增压能力表现最好，RPWM=25%～40%。但是，由于ACT端压力稳定性较差，导致增压器的增压进气压力波动较大，发动机工况波动明显。

表3 废气控制阀性能参数统计对比

4 结论

1)废气控制阀与增压器旁通阀连接并控制旁通阀的开度，通过调节增压器的增压压力来响应不同的发动机负荷需求。

2)废气控制阀的性能指标包括ACT端压力稳定性和废气控制阀放气能力。ACT端压力越稳定，对增压器的控制精度越高；废气控制阀ACT端压力越小，放气能力越强，有效工作区间越窄。

3)通过性能指标对比及分析，废气控制阀样件A的ACT端压力稳定性最好、放气能力较好，与增压器性能匹配最佳；样件B次之；样件C的放气能力相对较强，但有效工作区间较窄，需匹配压力稳定的气源，且在其有效工作区间内精确控制，则增压器的增压能力表现最好。

4)根据废气控制阀的放气能力对增压器的运行区间的影响，在性能标定时需要考虑增压高效区和增压低效区，以提升增压器的低速性能及改善瞬态响应性。