基于穩(wěn)壓源廢氣控制閥的天然氣發(fā)動機性能研究

李玉帥 潘永傳 唐志剛 李哲 韓雨 趙令輝

摘要：基于穩(wěn)壓源廢氣控制閥的控制機理，試驗研究不同工況下的穩(wěn)壓源廢氣控制閥對發(fā)動機性能的影響，通過試驗得出：穩(wěn)壓源廢氣控制閥可以降低發(fā)動機低負荷工況的泵氣損失，提高發(fā)動機經(jīng)濟性1%～2%。

Abstract： Based on the control mechanism of the control valve， the influence of the control valve on the engine performance under different working conditions is studied experimentally. The results show that the control valve can reduce the pumping loss of the engine under low load condition and improve the engine economy by 1%～2%.

關(guān)鍵詞：穩(wěn)壓源廢氣控制閥;天然氣發(fā)動機;負荷特性;瞬態(tài)響應

Key words： steady pressure wastegate control valve;natural gas engine;load characteristic curve;transient response

中圖分類號：U448.213? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）20-0039-05

0? 引言

隨著天然氣發(fā)動機國六時代的到來，對發(fā)動機增壓控制及排放要求也越來越嚴格;目前，國內(nèi)市場普遍采用的是廢氣控制閥控制增壓器，天然氣發(fā)動機廢氣控制閥通過脈寬調(diào)制（Pulse width modulation，PWM）占空比（簡稱PWM_DC）調(diào)節(jié)其出口壓力來控制增壓器的增壓能力，繼而由增壓器提供一個和發(fā)動機負荷相適應的可變的進氣增壓壓力[1]。此方法存在問題較多，由于供氣位置是從進氣管或者節(jié)氣門前，發(fā)動機在低負荷工況下運行時，進氣管壓力較低導致廢氣閥進氣壓力值較低，無法推動增壓器調(diào)節(jié)閥，不利于增壓器控制;本文引入一種新的穩(wěn)壓氣源廢氣控制閥，從整車空氣壓縮罐中取氣，氣源穩(wěn)定，能夠更精確的控制增壓器壓力，達到控制排放和降低氣耗的作用。

1? 穩(wěn)壓源廢氣控制閥的控制原理

穩(wěn)壓源廢氣控制閥為開關(guān)電磁閥。在不同的PWM_DC信號控制下，流出其內(nèi)部的流體（廢氣控制閥內(nèi)部介質(zhì)為氣體）壓力如圖1所示。由圖1可知，與傳統(tǒng)的電磁閥相比，穩(wěn)壓源電磁閥有效工作區(qū)間較寬，出氣口壓力可以從0.5bar～1.8bar，能夠滿足不同類型的增壓器調(diào)壓閥使用需求。究其原因，穩(wěn)定的供氣壓力是穩(wěn)壓放氣閥工作的基礎(chǔ)，通過出口位置的壓力傳感器測出的實時壓力，經(jīng)過芯片內(nèi)部的PID控制，保證穩(wěn)定的輸出壓力。

廢氣控制閥在PWM信號控制下，當發(fā)動機實際進氣壓力小于設定進氣壓力時，ECU輸出PWM_DC減小，穩(wěn)壓源廢氣控制閥出氣口壓力變小，這樣推動增壓器廢氣旁通閥的壓力變小，排氣能量增大，直至發(fā)動機實際進氣壓力與設定壓力相等;相反地，當發(fā)動機實際進氣壓力大于設定進氣壓力時，ECU輸出PWM_DC減小，穩(wěn)壓源廢氣控制閥出氣口壓力變大，這樣推動增壓器廢氣旁通閥的壓力變大，排氣能量減小，直至發(fā)動機實際進氣壓力與設定壓力相等[1]。

2? 穩(wěn)壓源廢氣控制閥控制策略

穩(wěn)壓源廢氣控制閥輸出壓力通過管路進入增壓器廢氣旁通閥，根據(jù)當前發(fā)動機負荷需求控制其出口的壓力，氣體通過增壓器旁通閥氣室內(nèi)的彈性膜片及彈簧機構(gòu)，與作用在旁通閥閥蓋前后的渦前壓力及渦后壓力的合力最終轉(zhuǎn)化為閥桿的位移，圖2為廢氣控制閥與增壓器旁通閥關(guān)系見圖進氣壓力與閥桿位移的關(guān)系可表示為[1]：

pA=B×L+p0（1）

其中：pA為進氣壓力;B為彈簧系數(shù);L為閥桿位移量;p0為彈簧預緊力。

發(fā)動機運行后，穩(wěn)壓源廢氣控制閥分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制。開環(huán)控制為根據(jù)不同的轉(zhuǎn)速和負荷，向穩(wěn)壓廢氣控制閥輸出固定的PWM_DC值，使增壓器廢氣旁通閥開啟相同的位置[2～5];閉環(huán)控制是ECU根據(jù)發(fā)動機運行的工況進行判定，當轉(zhuǎn)速及進氣壓力滿足設定需求時，增壓器進入閉環(huán)控制，以增壓器壓力設定值為導向，通過PID調(diào)整向穩(wěn)壓廢氣控制閥輸出固定的PWM_DC值，調(diào)整實測的進氣管壓力和設定值之間的偏差，使發(fā)動機進氣量滿足當前負荷需求，具體的控制策略見圖3。

3? 穩(wěn)壓源廢氣控制閥的性能研究試驗

在臺架試驗中，天然氣發(fā)動機的主要技術(shù)參數(shù)及配置如表1所示。

3.1 穩(wěn)態(tài)工況下穩(wěn)壓源廢氣控制閥研究

發(fā)動機運行在穩(wěn)態(tài)工況特別是低負荷工況時，進氣管壓力（Manifold Air Pressure以下簡稱MAP）較小，絕對壓力低于大氣壓力，發(fā)動機主要通過節(jié)氣門的限流作用控制進氣量，使發(fā)動機維持在低扭矩;如果使用傳統(tǒng)的PWM廢氣控制閥，廢氣控制閥氣源從節(jié)氣門前取氣，導致輸出的壓力值較低，無法推動增壓器廢氣旁通閥，增壓器處于全增壓狀態(tài)，增加了泵氣損失，發(fā)動機經(jīng)濟性降低[6～8];使用穩(wěn)壓源廢氣控制閥時，在低負荷工況時，可以設定PWM_DC值，使增壓器廢氣旁通閥全部放氣，增壓器處于無增壓狀態(tài)，這樣降低了泵氣損失，相同的扭矩工況下，節(jié)氣門開度更大，能夠有效的降低節(jié)氣門的限流作用，提高發(fā)動機的經(jīng)濟性[9～12]。分別選取發(fā)動機轉(zhuǎn)速在1200r/min和1600r/min，節(jié)氣門開度（Throttle Position Sensor以下簡稱TPS）為10%～30%時，驗證穩(wěn)壓源廢氣控制閥在PWM_DC值在5%和90%（5%對應增壓器處于全增壓狀態(tài)，90%對應增壓器處于全放氣狀態(tài)）時發(fā)動機的運行情況;圖4和圖5分別是1200r/min，TPS為10%～30%對應的扭矩和MAP對比曲線，從結(jié)果分析得出，TPS在20%以下時，MAP與扭矩基本一致，對發(fā)動機性能無影響;當TPS在20%～30%時，隨著TPS的增加，MAP與扭矩增加明顯。根據(jù)試驗結(jié)果得出下一步驗證方案，針對TPS在20%～30%時，扭矩在200N·m～600N·m時，設定不同的PWM_DC值，驗證發(fā)動機經(jīng)濟性。圖6和圖7分別是1600r/min，TPS為10%～30%對應的扭矩和MAP對比曲線，試驗結(jié)論與1200r/min一致。

根據(jù)上述試驗結(jié)果制定試驗方案，分別選取發(fā)動機轉(zhuǎn)速在1200r/min和1600r/min，扭矩分別為200N·m～600N·m時，驗證穩(wěn)壓源廢氣控制閥在PWM_DC值在5%和90%時發(fā)動機的運行情況;圖8和圖9分別是1200r/min，扭矩分別為200N·m～600N·m時，MAP和TPS對比曲線，從結(jié)果分析得出隨著扭矩的增加，PWM_DC值在90%時需求的MAP值明顯小于5%時，節(jié)氣門開度明顯大于5%時，說明穩(wěn)壓放氣閥在低扭矩時能夠提高進氣效率;圖10和圖11分別是扭矩分別為200N·m～600N·m時，燃氣消耗量（Specific Fuel Consumption以下簡稱SFC）和燃氣消耗率（Brake Specific Fuel Consumption以下簡稱BSFC）對比曲線，從結(jié)果分析得出，同樣的轉(zhuǎn)速和扭矩需求下，PWM_DC值在90%時SFC比PWM_DC值為10%時少了0.12kg～0.31kg，BSFC少了3.6g/kWh～4.9g/kWh;圖12～圖15為1600r/min，扭矩分別為200N·m～600N·m時，MAP和TPS對比曲線，從結(jié)果分析得出結(jié)論與1200r/min一致。

3.2 穩(wěn)壓源廢氣控制閥對燃燒產(chǎn)生的影響

選取發(fā)動機轉(zhuǎn)速為800r/min，扭矩為600N·m，對比穩(wěn)壓源放氣閥和傳統(tǒng)放氣閥在進氣沖程和排氣沖程的缸壓曲線，可以得出，相同的工況下，穩(wěn)壓源廢氣控制閥進氣效率高，MAP值比傳統(tǒng)廢氣閥低，由于穩(wěn)壓源放氣閥可以在該工況下將增壓器放氣閥全部打開，所以排氣壓力要比傳統(tǒng)廢氣閥低很多，通過圖16兩種廢氣閥的對比曲線可以看出，穩(wěn)壓源放氣閥降低了泵氣損失，提高了經(jīng)濟性[13～15]。

3.3 穩(wěn)壓源廢氣控制閥對負荷特性產(chǎn)生的影響

發(fā)動機負荷特性表征在相同的轉(zhuǎn)速下，隨著油門開度的增加，發(fā)動機實際輸出扭矩的情況，傳統(tǒng)的廢氣閥，由于從PTP位置取氣，在增壓器開始介入工作時，無法實際控制輸出壓力將增壓器放氣閥打開，此狀態(tài)下增壓器開始工作時為全增壓狀態(tài)，增壓器在全增壓狀態(tài)與受控狀態(tài)之間切換時，會導致負荷變化太快，司機在實際駕駛過程中出現(xiàn)動力性猛增、整車突竄的問題，使用穩(wěn)壓源廢氣控制閥可以避免在增壓器負荷變化時導致的負荷突變，由于增壓器全程受控，可以設定不同的Boost Reference值，使負荷特性平順過度，徹底解決該問題。圖17為穩(wěn)壓源廢氣控制閥和傳統(tǒng)的廢氣控制閥負荷特性對比曲線，可以看出傳統(tǒng)廢氣閥在節(jié)氣門開度為20%～40%區(qū)間比較陡，穩(wěn)壓源廢氣閥可以通過控制PWM_DC將負荷特性平順過度，提高了駕駛舒適性。

3.4 瞬態(tài)工況下穩(wěn)壓源廢氣控制閥控制研究

發(fā)動機在整車運行時，特別是在公路上行駛時，運行工況主要為瞬態(tài)工況，即發(fā)動機轉(zhuǎn)速及負荷處于連續(xù)變化狀態(tài)，增壓器的瞬態(tài)控制對整車的響應性起著最主要的作用[16]，精確的瞬態(tài)控制直接影響了駕駛的動力性和舒適性。穩(wěn)壓源廢氣控制閥結(jié)構(gòu)采用PWM_DC前饋+PID調(diào)整的方式來進行瞬態(tài)調(diào)節(jié)，與傳統(tǒng)的廢氣控制閥相比，穩(wěn)壓源廢氣控制閥有明顯的優(yōu)勢，前饋表采用的是基于轉(zhuǎn)速和MAP的二維表，發(fā)動機運行到對應的工況時，ECU控制PWM_DC值首先從前饋表中差值計算得出，然后根據(jù)當前的進氣管壓力設定值（Boost Refrence）和MAP的差值進行PID控制調(diào)節(jié)，最終使得Boost error值控制在±1kPa，圖18穩(wěn)壓源廢氣控制閥結(jié)構(gòu)，在瞬態(tài)運行過程中的實際效果圖，可以看出，發(fā)動機負荷變化時，MAP迅速平穩(wěn)的響應到Boost Reference值，提高了發(fā)動機的穩(wěn)定性和響應性。

3.5 穩(wěn)壓源廢氣控制閥對經(jīng)濟性的影響

基于穩(wěn)壓源廢氣控制閥的各項優(yōu)勢，在臺架上分別對同一臺發(fā)動機更換為穩(wěn)壓源廢氣閥和傳統(tǒng)廢氣閥進行標準的WHTC循環(huán)進行測試，對比循環(huán)氣耗率見表2，通過結(jié)果得出穩(wěn)壓源廢氣控制閥能有效的降低WHTC循環(huán)氣耗率1%，明顯的降低了循環(huán)氣耗。

4? 結(jié)論

①穩(wěn)壓源放氣閥降低了泵氣損失，有效的提高了經(jīng)濟性，經(jīng)濟性優(yōu)勢提升1%～2%;

②穩(wěn)壓源廢氣閥可以通過控制PWM_DC將負荷特性平順過度，提高了駕駛舒適性;

③穩(wěn)壓源廢氣控制閥結(jié)構(gòu)，能夠明顯提高了發(fā)動機的穩(wěn)定性和響應性。

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