基于非道路柴油机的进气节流阀预判控制研究

谷雨

摘要：进气节流阀在非道路柴油机的热管理系统中有着重要的作用，在目前基于多参数闭环控制的策略下，采用进气节流阀位置MAP预判控制进行辅助控制。试验表明，该措施减少了进气节流阀的迟滞时间，控制精度提高了91.5%，后处理热管理效果有所提高，尤其在低速低负荷工况改善效果明显：NRTC循环平均排气温度提升10.8%，旋耕机实际工作循环平均排气温度提升30%以上。预判控制的介入，燃油消耗量和CO、NOX的排放量有一定的升高，HC有下降趋势，PM增幅比较明显。

关键词：进气节流阀;非道路柴油机;预判控制;热管理

0  引言

近年来，以柴油机为主要动力源的非道路机械在排放污染贡献上不容忽视。仅2018年，非道路移动源排放HC （碳氢化合物）76.2万吨，NOX（氮氧化物）562.1万吨，PM（颗粒物）48.5万吨[1]。为了应对环境污染压力，排放法规也日益加严，各种后处理技术不可避免地应用于非道路柴油机。无论是采用SCR（选择性催化还原）还是DPF（柴油颗粒捕集器），两种技术路线都需要对整个后处理系统进行热管理控制[2]。热管理技术主要通过增加喷油量或者减少进气量，来实现对后处理系统的温度提升，而进气节流阀被认为是在热管理控制和性能排放影响上比较均衡的一种策略[3-9]。目前的进气节流阀普遍采用直流电机进行驱动，为满足发动机工况需要，从最初的固定工况MAP，到PID闭环控制调节，再到现在的空气量控制模型，研究人员对其控制策略进行了不断的改进。非道路移动源特别是农用柴油机由于其独特的因素，在发动机排放控制技术上比较落后。本文将基于一台采用进气节流阀PID闭环控制的农用非道路机械，辅以进气节流阀位置MAP预判控制策略，研究在发动机试验台和机械实际运行中进气节流阀控制精度以及对性能和排放的影响。

1  试验样品及设备

试验选用一台搭载于某农用旋耕机上的非道路柴油机，试验样机参数如表1所示，试验用设备如表2所示。

2  预判控制

为了进行预判控制，我们需要获得较为准确的节流阀位置MAP图，该MAP图是基于对排放和性能影响，通过进气量、增压压力、EGR阀开度等参数进行精细化标定。

图1所示为预判控制的原理，发动机工况在A点进行瞬态变化的时候，进气节流阀会根据PID闭环控制从位置A移动至位置C，在PID反馈作用下，期间存在（Ta+Tb）的时间滞后。加入预判控制后，进气节流阀会首先根据发动机工况参数，读取节流阀位置MAP图，并且迅速地从A点位移至靠近目标位置的B点，随后开始加载PID闭环控制。由于同一个进气节流阀回位弹簧在不同位置所产生的拉力大致相等，因此在相同位移速度下，进气节流阀只需要Ta的时间即可到达C点。

从图1可以看出，Ta2>Ta1、Tb2>Tb1，这是因为事件1中发动机负荷变大，在高速高负荷的情况下进气节流阀需要向开启方向位移。相反，事件2为发动机负荷变小，低速低负荷时节气门需要向关闭方向位移。由于节气门的零位处于全开状态，进气节流阀向关闭方向位移时需要克服回位弹簧的拉力。因此，预判控制在发动机负荷变小，节气门向关闭方向位移的时候，能减少更多的时间。

3  试验分析

3.1 控制精度  NRTC（non-road transient cycle）包含1238个逐秒变化的瞬态试验工况，是非道路柴油机的典型试验循环[10]。利用驱动电压信号获得进气节流阀位置，可以得到在NRTC循环每个工况下阀门目标位置和实际位置的偏差。

从图2和图3可以看出，在未进行预判控制的NRTC试验循环下，进气节流阀的位置偏差（绝对值）平均为23.4%，在加入预判控制后，位置偏差（绝对值）平均为2.0%，降幅91.5%。由此可见，通过预判控制辅助后，NRTC循环中的每个工况，进气节流阀都能更快地达到目标位置，控制精度得到了顯著的提高。

3.2 对排气温度的影响  图4和图5分别为NRTC循环工况中截取的两个30秒区间，其中190～220秒处于低速低负荷运行，500～530秒在高速高负荷运行。

如图4、图5所示，在加入预判控制后，排气温度均有不同程度的升高。这是因为，加入预判控制后，每工况下的进气节流阀能够更加迅速地达到目标位置，并及时地减少了进气量，从而滞燃期延长，更多的可燃混合气在随后的急燃期迅速燃烧，最高燃烧压力和放热量都增加，最终导致排温升高。

另外，从图4可以看到预判控制将平均排温从253.4℃提升至303.2℃，涨幅19.7%;而图5中的预判控制将平均排温从454.8℃提升至459.6℃，涨幅仅有1.1%。主要原因是热管理的需要，相较于高速高负荷，进气节流阀开度在低速低负荷处于较小的状态，阀的位移量较大，控制精度对其产生的影响更为明显[11-12]。

3.3 对燃油消耗量的影响

从图6和图7看出，加入预判控制后，低速低负荷运行的30秒平均燃油消耗量由1.66kg/h增加到1.87kg/h，增幅12.7%。这是因为在低速低负荷时，压缩行程终点的缸内温度较低，燃油雾化较差，此时关闭进气节流阀会使缸内局部过浓区进一步增加，造成燃烧恶化，燃烧效率急剧下降，为保持柴油机动力性，此时会增加循环供油量。在未进行预判控制的情况下，进气节流阀并没有及时地达到目标位置，所产生的油耗增加量也并没有按照预定的情况发生。

而高速高负荷运行的30秒平均燃油消耗量基本没有变化。这是因为在高速工况，进气节流阀的关闭程度并不大，控制精度对燃油消耗产生的影响并不大;其次，此时的空燃比较大，适量地减少进气量，反而能提高燃烧效率。

4  NRTC循环

虽然预判控制在低速低负荷对控制精度提升很大，但是NRTC循环中转速百分比低于60%的工况仅有350个，占整个循环的28%。这说明在发动机试验台进行的NRTC瞬态循环主要还是由高速高负荷的工况构成。由表3可以看出，经过预判控制后，整个NRTC循环的平均排温和平均燃油消耗量有不同程度的升高，但并不明显。

发动机原始排放中的CO由0.422g/kWh增加到0.475g/kWh。这是因为进气量更精确地减小，使得缸内空燃比减小，缸内混合气变浓，造成局部燃烧不充分，生成了更多的CO。

NOX由3.034g/kWh增加到3.357g/kWh，增幅10.6%。这是因为NOX主要在高温富氧的情况生成，进气量更精确地减小，使得缸内空燃比减小，虽然氧浓度也随之减小，但缸内温度在滞燃期的作用下大幅增加，并占据了主导地位。

HC由0.163g/kWh减少到0.139g/kWh，减幅14.7%。HC的排放主要来自于未燃的燃油，而滞燃期的延长使得缸内油气混合时间加长，再加上缸内温度的升高降低了缸内部分区域失火的概率，从而减少了不完全燃烧的燃油量，导致的HC排放量的减少。

PM由0.035g/kWh增至0.044g/kWh，增幅25.7%，这是因为进气节流阀更快地达到目标位置，进气量更精确地减小，使得缸内燃烧恶化加剧，滞燃期的延长导致燃烧持续期缩短，同时扩散燃烧时高温裂解生成的soot增加。

5  实际作业

将进气节流阀预判控制应用于旋耕机田间实际工作中，选取三个具有代表性的工作时段，均包含怠速模式、行走模式、旋耕模式三种典型工况。三个工作时段分别在是否带有预判控制的作用下进行两次，同时通过ECU读取后处理前的排气温度和燃油消耗量，通过PEMS（便携式排放分析仪）测量排放污染物的值。

从表4可以看出，预判控制对实际作业所产生的影响与对NRTC循环的影响基本一致。三个时段中的排气温度增幅都超过了30%，这是因为三个时段中怠速和行走模式占比都超过了50%，低速低负荷的工作时间占比远远大于NRTC试验循环。除此之外，时段1中的怠速和行走模式占比78.2%，是三个时段中占比最大的，因此预判控制对平均排温、平均燃油消耗量以及排放污染物的影响也是最大的。

6  结论

①采用进气节流阀位置MAP预判控制策略，辅助PID闭环控制，能极大地提高进气节流阀控制精度。②在瞬态工况中，预判控制对燃油消耗量的影响并不显著;CO、NOX和HC有不同程度的增加或减少，但影响不大，颗粒物增幅比较明显。预判控制所带来的最大影响是可以提高排气温度，提升后处理热管理效果，尤其在低速低负荷工况改善明显，这对于实际作业中经常处于低速低负荷的机械更有帮助。③针对排放控制手段相对落后的农用非道路机械的改造，该方案成本较低，且同时适用于试验室法规标准试验和机械实际作业，具有一定的参考价值。

参考文献：

[1]中华人民共和国生态环境部.中国移动源环境管理年报（2019）[J].2019.

[2]郑贵聪，颜传武，陆胜旗，许智强.发动机排气热管理试验研究[J].内燃机工程，2017.

[3]王建昕.汽车发动机原理[M].背景：清华大学出版社，2011.

[4]姚广涛，赵国斌，邓成林，等.进气节流对柴油机性能影响的试验研究[J].汽车工程，2016（5）：521-525.

[5]YAN S， ROMZEK M， MEDA L G， Thermal analysis of diesel after-treatment system[C]// SAE Paper. Detroit， Michigan， USA， 2010， 2010-01-2015.

[6]Gabrich B， Andre JRS， AMD Morais， et al. Study of the throttle valve flow rate to adapt a diesel engine for operation with ethanol[C]. SAE Paper 2014-36-0137.

[7]唐蛟，李國祥，孙少军，等.基于欧Ⅵ柴油机排气热量管理主动控制措施研究[J].内燃机工程，2015，36（2）：120-125.

[8]STADLBAUER S.DOC temperature control for low temperature operating ranges with post and main injection actuation[C]//SAE Paper. Detroit， Michigan， 2013， 2013-01-1580.

[9]CHATTERJEE S， WALKER A P， BLAKEMAN P G.Emission Control Options to Achieve Euro IV and Euro V on Heavy Duty Diesel Engines[C]. SAE Paper 2008-28-0021.

[10]GB 20891-2014，非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法（中国第三、四阶段）[S].

[11]王建，曹政，张多军，刘胜吉.基于DPF主动再生温度需求的柴油机进气节流控制策略[J].农业工程学报，2018.

[12]黄开胜，张垚，刘刚，等.进气压力对发动机性能的影响研究[J].内燃机工程，2017，38（2）：73-78.