渦輪增壓天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)氣模型研究

任亞丹,王龍,李濤,張穎,于平安,曾科

(1.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,710049,西安;2.西安熱工研究院有限公司,710054,西安;3.華為技術(shù)有限公司,710077,西安;4.第一拖拉機(jī)股份有限公司,471000,河南洛陽)

隨著汽車行業(yè)節(jié)能減排法規(guī)的日益嚴(yán)苛,新能源汽車及替代能源汽車成為新的研究趨勢(shì)。與傳統(tǒng)汽油、柴油等發(fā)動(dòng)機(jī)燃料相比,天然氣具有儲(chǔ)量豐富、抗爆性好、燃燒污染小的優(yōu)點(diǎn)[1]。目前,天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在國內(nèi)外都有廣泛的研究:Hutter等研究了稀薄燃燒天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的甲烷催化氧化現(xiàn)象,并提出了一套預(yù)測(cè)甲烷轉(zhuǎn)化效率的模型[2];楊博等對(duì)雙燃料天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的電控系統(tǒng)進(jìn)行了持續(xù)的研究,并提出了實(shí)用的電控系統(tǒng)控制策略[3-4];國內(nèi)大型汽車和發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)先后推出了單一天然氣燃料汽車和雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī),同時(shí)我國天然氣汽車的保有量也在逐漸增加,相應(yīng)的加氣站等基礎(chǔ)設(shè)施在不斷完善[5-6]。雖然國內(nèi)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的硬件開發(fā)與國外的差距已經(jīng)逐步縮小,但核心控制策略與控制算法與國外相比仍然存在較大差距。

為了更好地改善汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性、動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性,基于扭矩的控制策略被提出并被廣泛研究[7-8],該控制策略需要精確地控制空燃比,而進(jìn)氣量的精確計(jì)算和控制是空燃比控制的基礎(chǔ)[9]。

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量的精確控制和燃油量的預(yù)測(cè)控制都高度依賴新鮮進(jìn)氣量的準(zhǔn)確估計(jì),天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)目前普遍使用的進(jìn)氣量測(cè)量方法是根據(jù)轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣壓力來估算的。該方法有許多不足之處:標(biāo)定工作量大,標(biāo)定的準(zhǔn)確性直接影響整個(gè)電控噴射系統(tǒng);隨著發(fā)動(dòng)機(jī)部件的磨損老化,工作點(diǎn)發(fā)生偏移,性能會(huì)受到影響;帶有VVT(可變氣門正時(shí))系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定數(shù)據(jù)量巨大,且標(biāo)定數(shù)據(jù)只能針對(duì)一款發(fā)動(dòng)機(jī),難以移植。在火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)中,基于物理模型的進(jìn)氣充量模型標(biāo)定法因比傳統(tǒng)的標(biāo)定法得到的進(jìn)氣量具有更高的精度和可移植性,在汽油機(jī)中得到了廣泛應(yīng)用[10]。因此,研究適合天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)特點(diǎn)的基于物理模型的進(jìn)氣充量模型,是天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)研究的必然趨勢(shì)。

本文在平均值模型的假設(shè)[11]基礎(chǔ)上,針對(duì)渦輪增壓天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)建立了以進(jìn)氣歧管壓力為主負(fù)荷傳感器的進(jìn)氣充量模型。與臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,證明該模型的計(jì)算誤差在4%之內(nèi),具有良好的精度,可用來進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量的計(jì)算。

1 增壓天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣模型

1.1 進(jìn)氣模型概述

(1)

(2)

將實(shí)際進(jìn)氣過程分為4個(gè)階段,進(jìn)氣過程的缸壓簡化曲線如圖1所示。

圖1 氣門升程和缸內(nèi)氣體壓力與曲軸轉(zhuǎn)角的關(guān)系

第1階段(AB段):進(jìn)氣門打開前的強(qiáng)制排氣過程,缸內(nèi)壓力接近排氣背壓但略高于背壓。假設(shè)倒流廢氣與始終駐留廢氣在進(jìn)氣門打開前完全分開,但壓力相等約為排氣背壓。

第2階段(BC段):氣門重疊期間,若進(jìn)氣門打開初期進(jìn)氣歧管壓力小于排氣歧管壓力,即Ps

反之,若進(jìn)氣門打開初期進(jìn)氣歧管壓力大于排氣歧管壓力,即Ps>Pe(工況2),類似上述過程,部分新鮮折合氣體會(huì)流經(jīng)進(jìn)氣門、燃燒室、排氣門被掃出直接進(jìn)入排氣歧管,同時(shí)帶走部分缸內(nèi)廢氣,帶走的這部分廢氣稱為掃氣廢氣[12]。

第3階段(CD段):從排氣門關(guān)閉到進(jìn)氣門關(guān)閉前。假設(shè)在排氣門關(guān)閉瞬間,始終駐留廢氣經(jīng)絕熱膨脹后,壓力達(dá)到與進(jìn)氣歧管壓力平衡,且此后保持不變。對(duì)工況1,質(zhì)量為mfs的廢氣隨新鮮折合氣體重新進(jìn)入缸內(nèi),假設(shè)進(jìn)氣門關(guān)閉前進(jìn)入缸內(nèi)的各組分氣體互不混合,維持自身狀態(tài)。

第4階段:進(jìn)氣門關(guān)閉后,對(duì)工況1,假設(shè)此時(shí)質(zhì)量為mfs的廢氣先與始終駐留廢氣混合平衡后為質(zhì)量為mR的總廢氣,再與新鮮折合氣體混合;對(duì)工況2,始終駐留廢氣即為總廢氣。

基于上述分析假設(shè),認(rèn)為第4階段與總廢氣混合前的新鮮折合氣體即為發(fā)動(dòng)機(jī)一個(gè)循環(huán)的進(jìn)氣充量

(3)

由于天然氣不存在氣化吸熱,增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣充量多,倒流回流廢氣對(duì)新鮮充量溫度影響小,進(jìn)氣溫升主要是高溫件的傳熱[13],與廢氣混合前的缸內(nèi)新鮮充量溫度為

Tair=(Teng-Ts)[1-e-(1 200/n)]+Ts

(4)

式中Ts為進(jìn)氣門前的氣流溫度。

混合前缸內(nèi)新鮮充量體積為

VZ=VIVC-VR

(5)

式中:VIVC和VR分別是進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)的氣缸容積和廢氣所占缸內(nèi)體積,下面將通過計(jì)算廢氣量來求VR。

1.2 回流廢氣和掃氣廢氣的計(jì)算

如果不關(guān)注氣體流場在空間上的分布情況,而是集中于氣體流量的估計(jì),那么進(jìn)排氣門處的空氣流動(dòng)狀況適宜用氣體的一維流動(dòng)方程來描述[14],即用一維可壓縮流體的漸縮噴管模型來描述,噴管喉部是進(jìn)排氣門處的最小流通面At(φ),當(dāng)進(jìn)氣壓力大于排氣壓力時(shí),噴管進(jìn)口是進(jìn)氣管,背壓是排氣壓力,當(dāng)排氣壓力大于進(jìn)氣壓力時(shí),方向相反。假設(shè)流動(dòng)過程絕熱,噴管進(jìn)口處流速為0。

(6)

(7)

當(dāng)Pe

1.3 缸內(nèi)駐留廢氣量計(jì)算

當(dāng)排氣壓力大于進(jìn)氣壓力時(shí),進(jìn)氣門打開瞬間

VIVO=VIVO1+VIVO2

(8)

式中:VIVO、VIVO1、VIVO2分別是進(jìn)氣門打開瞬間氣缸體積和倒流廢氣、始終駐留廢氣的體積。由氣體狀態(tài)方程可計(jì)算出穩(wěn)態(tài)工況下缸內(nèi)的總駐留廢氣質(zhì)量

(9)

排氣門關(guān)閉瞬間,始終駐留廢氣的溫度由下式計(jì)算

(10)

(11)

(12)

式中VEVC為排氣門關(guān)閉時(shí)缸內(nèi)始終駐留氣體的體積。聯(lián)立式(8)～(12),可求得m1和VIVO1。

當(dāng)排氣壓力小于進(jìn)氣壓力時(shí)

m1=0

(13)

(14)

基于1.1小節(jié)的分析,倒流廢氣和始終駐留廢氣的熱力過程簡化如下:始終駐留廢氣經(jīng)絕熱膨脹做功W2將倒流廢氣推入進(jìn)氣歧管中,倒流廢氣在進(jìn)氣歧管內(nèi)絕熱膨脹推開體積為VIVO1的新鮮折合氣體做功W1。以倒流廢氣為研究對(duì)象,假定其膨脹前后的熱力學(xué)能分別是U10、U11,由熱力學(xué)第一定律有

Q=ΔU+W=(U11-U10)+(W1-W2)=0

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

1.4 新鮮折合氣體流量計(jì)算

回流廢氣經(jīng)過理想噴管絕熱膨脹進(jìn)入進(jìn)氣歧管,其溫度的計(jì)算式如下

(20)

回流廢氣、倒流廢氣和始終駐留廢氣的效率和相對(duì)熱量為

(21)

Qi=ηiTi

(22)

(23)

回流廢氣和倒流廢氣混合后的氣體溫度為

(24)

其被新鮮充量冷卻后的溫度為

(25)

缸內(nèi)總廢氣的平均溫度和質(zhì)量為

(26)

mR=m1+m2+mre

(27)

缸內(nèi)總廢氣與新鮮折合氣體混合前的體積為

(28)

將式(28)(4)和(5)代入式(3),得出新鮮折合氣體充量mz。

1.5 渦輪增壓器的特性及計(jì)算

排氣壓力Pe和排氣溫度Te在充量模型中是重要參數(shù),本文通過以下渦輪增壓器模型求得。

增壓器壓比

(29)

式中:Ptv1、Pu、Paf分別是節(jié)氣門前壓力、大氣壓力和空濾壓降。增壓器的質(zhì)量流量

(30)

(31)

式中Atv(α)是節(jié)氣門處等效流通截面積。

(32)

由增壓器壓比和流過增壓器的空氣質(zhì)量流量查增壓器特性曲線得到增壓器轉(zhuǎn)速,即為渦輪轉(zhuǎn)速。流經(jīng)渦輪的質(zhì)量流量

(33)

式中δ是流經(jīng)渦輪的廢氣與混合氣的體積比,根據(jù)渦輪和增壓器功率平衡迭代計(jì)算得到。由渦輪轉(zhuǎn)速和流過渦輪的廢氣質(zhì)量流量查渦輪特性表可得渦輪壓比,渦后壓力PT2用傳感器測(cè)得,由增壓器壓比可得渦前壓力PT1,簡化排氣歧管模型,則排氣壓力Pe近似為渦前壓力PT1。渦前溫度為

(34)

式中:TT2是渦輪后排溫;ηT是渦輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率。

2 模型試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

試驗(yàn)所用發(fā)動(dòng)機(jī)是濰柴WP10NG336渦輪增壓全電控天然氣發(fā)動(dòng)機(jī),主要性能參數(shù)見表1。

表1 WP10NG336天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)由DW400型測(cè)功機(jī)控制,該測(cè)功機(jī)可實(shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩、功率、溫度等,天然氣氣耗量由精度為0.12%的湘儀動(dòng)測(cè)FC2212L瞬態(tài)氣耗儀測(cè)量。

為了驗(yàn)證本文提出的進(jìn)氣模型,檢驗(yàn)其是否能較準(zhǔn)確地估計(jì)各種工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際進(jìn)氣充量,選取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為800～2 200 r/min,步長為200 r/min;進(jìn)氣歧管壓力范圍為40～200 kPa,步長為20 kPa,覆蓋了發(fā)動(dòng)機(jī)怠速、小負(fù)荷、中等負(fù)荷、大負(fù)荷。需要說明的是,對(duì)于小負(fù)荷低轉(zhuǎn)速工況,最大進(jìn)氣歧管壓力無法達(dá)到200 kPa的,則取其所能達(dá)到的最大進(jìn)氣歧管壓力為該轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣歧管壓力上限工作點(diǎn)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及模型修正

圖2給出了不同轉(zhuǎn)速和扭矩下由實(shí)測(cè)天然氣氣耗量計(jì)算得到的實(shí)際折合氣體流量。從圖中可以看出,在發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)轉(zhuǎn)速下,折合氣體流量和進(jìn)氣歧管壓力近似呈線性相關(guān)。

圖2 試驗(yàn)折合氣體流量曲線

實(shí)際工作中進(jìn)排氣過程受到進(jìn)排氣慣性的影響。在排氣過程中,廢氣由排氣方向轉(zhuǎn)為進(jìn)氣倒流方向有一定的慣性延遲,使實(shí)際的mre和m1值小于模型的計(jì)算值。排氣慣性對(duì)充量的影響主要與排氣門關(guān)閉角和轉(zhuǎn)速有關(guān),由于試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣相位固定,進(jìn)排氣門重疊角僅為40°,計(jì)算出的mre非常小,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)影響可忽略不計(jì)。對(duì)于VVT發(fā)動(dòng)機(jī),可通過對(duì)mre和m1乘以一定的修正系數(shù)進(jìn)行修正。

進(jìn)氣過程中,由于進(jìn)氣門遲閉活塞開始緩慢上行,部分新鮮折合氣體在氣流慣性的作用下繼續(xù)進(jìn)入氣缸,使進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)缸內(nèi)實(shí)際壓力略高于進(jìn)氣壓力,在模型計(jì)算中假設(shè)從排氣門關(guān)閉到進(jìn)氣門關(guān)閉缸內(nèi)氣體壓力始終等于進(jìn)氣壓力,因此計(jì)算的充氣效率要小于實(shí)際充氣效率。進(jìn)氣慣性對(duì)于充量的影響主要與進(jìn)氣門關(guān)閉角和轉(zhuǎn)速有關(guān),由于本文所用發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣相位固定,進(jìn)氣慣性僅與轉(zhuǎn)速有關(guān),故需要對(duì)計(jì)算的新鮮折合氣體流量乘以修正系數(shù)。該修正系數(shù)要在臺(tái)架上進(jìn)行仔細(xì)標(biāo)定,調(diào)整修正系數(shù)使模型計(jì)算結(jié)果逐漸接近實(shí)際測(cè)量結(jié)果,根據(jù)線性插值擬合得到的修正系數(shù)如圖3所示。

圖3 進(jìn)氣慣性對(duì)充氣效率的修正

轉(zhuǎn)速較小和較大時(shí)修正系數(shù)都小,因?yàn)檗D(zhuǎn)速較小時(shí)進(jìn)氣慣性較小,使進(jìn)氣量減小,而轉(zhuǎn)速過大時(shí)增加了空氣阻力,也導(dǎo)致進(jìn)氣量減小。

將前述物理模型在MATLAB/Simulink中建模并進(jìn)行離線仿真,經(jīng)進(jìn)氣慣性修正后,Simulink模型計(jì)算的折合氣體流量與實(shí)際折合氣體流量的對(duì)比曲線如圖4所示。從圖中可知,Simulink模型計(jì)算的折合氣體流量與實(shí)際折合氣體流量已非常接近,除極個(gè)別工況外,計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的誤差范圍在4%以內(nèi),說明本文建立的基于物理模型的充氣模型經(jīng)過簡單修正后,即可用來估計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際穩(wěn)態(tài)進(jìn)氣充量。

(a)轉(zhuǎn)速范圍800～1 400 r·min-1

(b)轉(zhuǎn)速范圍1 600～2 200 r·min-1

3 結(jié) 論

本文建立了適合天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的基于物理模型的進(jìn)氣充量模型,并在一臺(tái)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,得到如下結(jié)論:

(1)本文建立了以進(jìn)氣歧管壓力傳感器為主負(fù)荷傳感器的充量模型,經(jīng)進(jìn)氣慣性修正后,計(jì)算誤差范圍在4%以內(nèi),與傳統(tǒng)測(cè)量方法相比,可在占用較少計(jì)算資源的條件下準(zhǔn)確地估計(jì)各種工作條件下發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際穩(wěn)態(tài)進(jìn)氣充量。

(2)節(jié)氣門前噴射天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料體積不可忽略,采用折合氣體流量描述進(jìn)氣過程簡便可行。

(3)當(dāng)進(jìn)氣壓力大于排氣壓力時(shí),將換氣過程中的氣體分為新鮮折合氣體、掃氣廢氣和始終駐留廢氣;反之,換氣過程中的氣體分為新鮮折合氣體、回流廢氣、倒流廢氣和始終駐留廢氣,這種缸內(nèi)氣體分類方法對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)可行。