多级闭环的燃气发动机管理策略研究

黄国钧　葛晓成　邹博文　田青云

摘 要：针对重型增压燃气发动机的控制要求和更高的排放标准，采用以转矩为核心控制发动机进气量和燃料喷射量的方法，设计多级闭环的燃气发动机管理系统。发动机台架试验结果表明，通过对转矩、空燃比、增压废气阀和电子节气门（Electronic Throttle Valve Control，ETC）等的多级闭环控制，改善了发动机的动力性和燃料经济性，达到了国Ⅴ排放水平。

关键词：天然气发动机；电子节气门；增压阀；稀薄燃烧；多级闭环

中图分类号：TK432文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.06.03

Abstract：In order to meet the higher emission standards for heavy-duty CNG engines， a multi-level closed-loop control system was designed， using a torque relation to control the intake air amount and the fuel injection. Experimental data indicate that the dynamic character and economic efficiency of engine were improved by the closed-loop control of torque， air-fuel ratio， turbocharger waste gate and ETC， and the emissions meet the stage -Ⅴstandards in China.

Key words： CNG engine； electronic throttle valve control； turbocharger waste gate； lean burn； multi-level closed-loop

采用电子控制燃料供给、电子控制增压、稀薄燃烧技术、高能点火和催化后处理等技术是燃气发动机技术的发展方向[1-2]，也是提高燃气发动机动力性和经济性，达到国Ⅴ及以上排放标准的必然途径。采用这些控制技术的燃气发动机管理系统需要精确控制发动机的进气、燃料供给和点火正时等，在满足驾驶员的转矩要求的前提下，同时符合有关废气排放、燃料消耗、功率输出、舒适性和安全性的严格要求。然而，在很多条件下，诸多要求是相互矛盾的，很难兼顾发动机的动力输出与排放性能。目前国内对燃气发动机控制策略的研究主要集中在空燃比控制上[3]，未考虑转矩、进气量、空燃比、增压压力和进气压力之间的协同管理。因此，本文在传统燃气发动机排放控制策略和转矩管理的基础上[4]，研究了一种从转矩到进气量、进气压力以及增压压力的多级闭环管理策略，实现了ETC开度目标值与实际值、目标进气压力与实际进气压力、目标进气量与实际进气量之间的闭环控制，并通过发动机试验和台架标定验证了其控制方式的有效性。

1 控制系统结构

燃气发动机电控系统结构如图1所示，整个系统主要由燃气发动机控制器（Electronic Control Unit，ECU）、电子油门踏板、ETC、增压器、温度压力传感器、燃气喷嘴、点火线圈、减压器和CNG气瓶等组成。

ECU按照AUTOSAR架构设计，整体软件包括基础软件和应用层两大部分。基础软件提供各种信号采集、数据通讯、继电器和电磁阀等驱动的接口函数；应用层调用基础软件访问硬件，实现各种控制算法。当前平台采用32位微处理器MPC5534为主控芯片，内部集成了FlexCAN2（CAN2.0B通信控制模块）、eQADC（增强型队列式AD转换）、eSCI（增强型串行异步通讯）和eTPU（增强型时间处理单元）等多个智能模块，将转速同步与喷射点火等对时序要求很高的工作交给eTPU完成[7]。两路FlexCAN2，一路采用XCP协议和OBD通讯协议（ISO 15765），用于发动机标定和故障诊断；另外一路采用J1939通讯协议，用于整车网络通讯。

2 基于转矩的多级闭环管理策略

发动机控制系统最重要的任务是控制发动机产生的转矩，要做到这一点，ETC、增压系统、燃料供给、点火控制等子系统中所有影响转矩的量都需要进行控制。这种形式控制的目的是为驾驶员提供要求的转矩，同时符合有关废气排放、燃料消耗、功率输出、舒适性和安全性的严格要求，把大量各不相同的目标联系在一起，将原来可能出现的相互矛盾的要求按照优先顺序排列的原则加以协调，首先执行最重要的一个，使所有功能都能独立提供对转矩的要求，如图2所示。在请求转矩的协调完成后，系统就根据当前的转矩要求，分别对进气系统、点火系统和燃料供给系统进行控制，完成最佳转矩的实现。

2.1 进气管理系统

燃气发动机属于量调节式，其负荷量大小主要取决于进气量[5]，在计算机控制中，进气量可根据目标转矩和实际转速查表计算。自然吸气式发动机的进气量通过ETC调节，对电控增压发动机来说，通过增压阀也可调节进气量。进气系统的输入为目标转矩，输出为ETC开度和增压阀开度，其控制原理如图3所示。在燃烧充分的条件下，发动机的燃烧转矩与进气量存在一一对应的关系。根据转矩控制要求，发动机的目标进气量由目标转矩和实际转速查表计算。

在发动机负荷变化时，节气门和增压阀协同调节，ECU首先将目标转矩转换为目标进气量，然后通过增压预控，将目标进气量转换成目标进气压力，然后确定节气门的目标开度，最后通过节气门电机的闭环控制，确保节气门目标位置与实际位置的一致。

2.1.1 进气模型

在发动机稳定运转状态期间，根据进气歧管内进气量的守恒，每个工作循环进入气缸的空气量是[6]：

。

式中，为充气效率系数，mg/Pa；为实际采集的进气压力，Pa；m0为工作循环内进气道的残余废气量，mg。为兼顾高负荷和高海拔环境的使用，在计算充气效率和残余废气量m0的过程中都引入大气压力、进气温度、可变气门和节气门前后压力比的修正。

根据进气模型的充气效率和残余废气量，反过来可以根据目标进气量得到目标进气压力，有

2.1.2 ETC闭环控制

目标进气压力的控制主要由ETC实现，ETC的作用是通过不同的开度对进气管内空气流通的有效面积进行调节，进而调节进气歧管的压力[8]。

表示节气门前后压力比，其中pup为节气门前压力，对于增压发动机来说即增压压力。

节气门的开度越小，其节流作用越明显，pq越小，在pq接近1的时候，节气门开度都比较大甚至处于全开状态。则节气门的目标开度可由pqdes和其固有特性计算得到。在节气门的目标开度设定以后，采用带前馈的PID算法调节电机驱动占空比，确保节气门实际开度与目标一致，如图4所示。

2.1.3 增压系统控制

对于电控增压发动机来说，增压压力即节气门前压力pup，ECU可通过控制增压控制阀开度来准确控制增压压力，控制阀开度变化，用于增压的能量亦发生变化，增压压力随之变化[8]。由于增压系统的响应有一定的滞后，因此发动机工况之间的变化主要通过节气门来调节，增压系统对进气量的调节起修正的作用。增压器控制原理如图5所示，考虑到工况之间的快速变化，在不同工况下，首先预置了一个废气阀开度，然后在这个基础上，根据实际进气量和目标进气量对废气阀开度进行闭环修正。

2.2 燃气供给系统

系统采用多点喷射方式，各缸单独拥有一个喷嘴。采用非对称PI控制策略[3]，在稀薄燃烧方式下，根据目标空燃比和实际空燃比的偏差判断混合气过浓或过稀。

天然气的喷射量根据各缸的进气量和目标空燃比精确控制，基本燃料量的计算公式为

式中，flam为空燃比修正量；C为天然气的空燃比转换常数（17.2）。在基本燃料量的基础上，再计算暖机修正、过渡工况修正、燃料自适应修正、气路补偿等参数，实现燃料的精确控制。

2.3 点火系统控制

点火驱动集成在ECU中，可实现点火能量和点火时刻的精确控制。点火能量跟点火线圈充电时间和点火电压相关。点火时刻主要指点火提前角，在基本点火提前角的基础上增加温度、空燃比、功率、爆震等修正因子，如图6所示，基本点火提前角根据当前转速和负荷设定。

3 试验结果分析

利用设计的电控系统，以WT615发动机为原型，针对增压稀燃的要求开发了燃气发动机。发动机基本参数见表1。

通过燃料供给系统的集成，增压器选型与匹配，催化器的选型与匹配，标定参数的优化，该系统实现了全工况的闭环稀薄燃烧，图7为标定所得的最佳空燃比脉谱，空燃比为1～1.5，稳态空燃比误差在0.03以下。图8是采用稀薄燃烧方式的发动机试验结果，在该试验方案下，发动机额定功率为213.5 kW/2 200 （r·min-1），最大转矩为1 166.3 （N·m）/1 400 （r·min-1），最低燃气消耗率为193.3 g/（kW·h）。

根据GB17691—2005的要求[9]，进行了瞬态工况的发动机排气污染物测量（ETC循环），试验结果见表2。

4 结论

在转矩控制策略下，采用稀薄燃烧、空燃比闭环、负荷闭环、进气压力闭环等技术，通过ETC和增压阀实现了燃气发动机进气量的精确控制，从多角度提高发动机负荷的控制精度。使发动机的输出转矩最佳，改善了燃气发动机排放，保证了发动机的动力性能，燃料经济性高。搭载了该系统的燃气发动机，最低燃气消耗率小于200 g/（kW·h），排放满足国Ⅴ标准。

参考文献（References）：

马凡华，汪俊君，程伟，等. 增压稀燃天然气发动机排放特性 [J]. 内燃机工程，2008，29（2）：10-14.

Ma Fanhua，Wang Junjun，Cheng Wei，et al. Emission Characteristic of Turbocharged Lean Burn CNG Engine [J]. Chinese Internal Combustion Engine Engineering， 2008，29（2）：10-14. （in Chinese）

孙慧慧，王天友，张海岩. 高压缩比稀薄燃烧天然气发动机的燃烧与排放特性[J]. 天然气工业， 2013，33（2）：90-94.

Sun Huihui，Wang Tianyou，Zhang Haiyan. Combustion and Emission Characteristics of Lean-Burn Natural Gas Engines with a High Compression Ratio [J]. Natural Gas Industry，2013，33（2）：90-94. （in Chinese）

郭文军，李静波，邹博文，等. 天然气汽车的国Ⅳ排放控制策略研究[J]. 汽车工程学报，2014，4（6）：407-410.

Guo Wenjun，Li Jingbo，Zou Bowen，et al. NGV Air-Fuel Ratio Control Strategy for China StageⅣ Emission [J]. Chinese Journal of Automotive Engineering，2014， 4（6）：407-410. （in Chinese）

任金霞，何富江，曹威锋. 基于RBF神经网络的电喷燃气发动机空燃比控制 [J]. 小型内燃机与摩托车， 2014，43（3）：77-80.

Ren Jinxia，He Fujiang，Cao Weifeng. Research on Air-Fuel Ratio Control of Electron-Controlled CNG Engine Based on RBF Neural Networks [J]. Small Internal Combustion Engine and Motorcycle，2014，43（3）：77-80. （in Chinese）

BRUNO D，ARNAUD D，LAURENT L，et al. Direct Injection Diesel Engine Simulation：a Combined Nume-rical and Experimental Approach from Aerodynamics to Combustion [C]// SAE Paper 970880， 1997.

史春涛，秦德，唐琦，等. 内燃机燃烧模型的发展现状[J]. 农业机械学报，2007，38（4）：181-186.

Shi Chuntao，Qin De，Tang Qi，et al. Developments in Combustion Modeling in ICE [J]. Transactions of the

Chinese Society for Agricultural Machinery，2007，38（4）：181-186. （in Chinese）

邹博文，李静波，葛晓成，等. 缸内直喷天然气发动机时序控制策略研究[J]. 汽车工程学报，2011，1（1）：60-63.

Zou Bowen，Li Jingbo，Ge Xiaocheng，et al. Research of Timing Control Strategy for Direct Injection Natural Gas Engines[J]. Chinese Journal of Automotive Engineering， 2011，1（1）：60-63. （in Chinese）

王都，宋君华，冒晓建，等. 基于电控调压器的压缩天然气发动机电控系统 [J]. 农业机械学报，2009，40（3）：46-50.

Wang Du，Song Junhua，Mao Xiaojian，et al. Design and Experiment on Electric Control System Based on EPR for CNG Engine [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2009，40（3）：46-50. （in Chinese）

GB 17691—2005. 车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段） [S].北京：中国标准出版社，2005.

GB 17691—2005. Limits and Measurement Methods for Exhaust Pollutants from Compression an Gas Fuelled Positive Ignition Engines of Vehicles （ Ⅲ， Ⅳ，Ⅴ ） [S]. Beijing：China Standard Press，2005.（in Chinese）