熊興旺，皇甫娟，王錄波，馬凡華，黃 躍

增壓天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量建模研究★

熊興旺1，皇甫娟2，王錄波3，馬凡華1，黃 躍1

（1.清華大學(xué)安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084；2.中國空空導(dǎo)彈研究院，洛陽471001；3.凱邁機(jī)電有限公司，洛陽471003）

增壓天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)中進(jìn)氣流量對于燃?xì)鈬娚涿}寬和空燃比控制都有重要作用，對進(jìn)氣流量的計(jì)算與預(yù)測很有必要。而目前廣泛應(yīng)用在汽油機(jī)上的進(jìn)氣流量模型是平均值模型中節(jié)氣門流量子模型，不適用于增壓天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)。本文基于平均值模型中節(jié)氣門流量子模型和進(jìn)氣歧管子模型，依據(jù)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過擬合經(jīng)驗(yàn)公式提出了一種改進(jìn)模型，將改進(jìn)后的模型用于增壓天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量的預(yù)測，并進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)工況和動(dòng)態(tài)工況的驗(yàn)證。結(jié)果表明，新模型可以用于穩(wěn)態(tài)工況和動(dòng)態(tài)工況的流量預(yù)測。

增壓天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)；流量預(yù)測；混合氣進(jìn)氣流量；經(jīng)驗(yàn)公式

傳統(tǒng)車用內(nèi)燃機(jī)對環(huán)保及可持續(xù)發(fā)展造成了巨大壓力。氣體代用燃料如天然氣、天然氣摻氫（HCNG）、焦?fàn)t氣等氣體燃料能更好的燃燒，排放少，具有更大的節(jié)能減排潛力，世界各國政府和內(nèi)燃機(jī)工作者越來越重視對燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的研究。借助成熟的柴油機(jī)和汽油機(jī)技術(shù)， 燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)也得到飛速發(fā)展。

電控系統(tǒng)是天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的核心技術(shù)，電控程序中采用速度密度法得到空氣進(jìn)氣量，然后根據(jù)當(dāng)前目標(biāo)空燃比，計(jì)算得到噴射脈寬［1］。所以空氣進(jìn)氣流量是一個(gè)重要參數(shù)，對于計(jì)算噴射脈寬和空燃比的閉環(huán)控制都有關(guān)鍵作用。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于過渡工況時(shí)［2］，由于進(jìn)氣系統(tǒng)存在動(dòng)態(tài)的充排氣現(xiàn)象，此時(shí)進(jìn)氣歧管壓力和轉(zhuǎn)速都處于波動(dòng)狀態(tài)，速度密度法計(jì)算得到的空氣量與實(shí)際值有較大偏差，會(huì)引起經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和排放的變差，因此需要對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量進(jìn)行預(yù)測。

Hendricks［3］建立的汽油機(jī)平均值模型對節(jié)氣門處進(jìn)氣流量進(jìn)行了建模，文獻(xiàn)［4］［5］分別基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和混合遺傳算法建立了汽油機(jī)過渡工況進(jìn)氣流量預(yù)測模型，進(jìn)行實(shí)時(shí)進(jìn)氣流量預(yù)測。本文根據(jù)Hendricks建立的平均值模型，對天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門處進(jìn)氣流量進(jìn)行改進(jìn)建模，并進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)工況驗(yàn)證，將該模型用于燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量的預(yù)測。文獻(xiàn)［7］對點(diǎn)燃式增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)分為壓縮機(jī)、中冷器等幾個(gè)子系統(tǒng)分別進(jìn)行建模，需要標(biāo)定的參數(shù)很多，模型較復(fù)雜。文獻(xiàn)［8］對一臺(tái)預(yù)混合點(diǎn)燃式非增壓氣體機(jī)進(jìn)行了建模，文中將空氣和燃?xì)庾酉到y(tǒng)分別進(jìn)行建模，模型中需要標(biāo)定的參數(shù)、擬合的公式很多，仍然較復(fù)雜。本文試圖把空氣和燃?xì)獾幕旌蠚庾鳛橐粋€(gè)整體進(jìn)行建模，以得到一個(gè)簡化的增壓天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣流量預(yù)測數(shù)學(xué)模型。

1　平均值模型進(jìn)氣子模型

Hendricks［3］針對自然吸氣汽油機(jī)節(jié)氣門處空氣流動(dòng)提出雙通道節(jié)氣門空氣流動(dòng)模型，其描述節(jié)氣門處空氣質(zhì)量流量的方程為：

描述進(jìn)入氣缸的空氣質(zhì)量流量的方程為：

Hendricks針對自然吸氣汽油機(jī)提出的模型中p1=0.4404， p2=2.3143，（ prp1- prp2）一項(xiàng)中必須要求pr≤ 1，而天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)是增壓的，在大負(fù)荷時(shí)，其進(jìn)氣歧管壓力是大于周圍大氣壓的，即pr＞ 1，此時(shí)公式（3）失效，所以，公式（3）不適用于增壓發(fā)動(dòng)機(jī)。

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)為節(jié)氣門前多點(diǎn)集中噴射［1］，如圖1所示，流經(jīng)節(jié)氣門處的氣體為天然氣和空氣混合氣，得到混合氣的質(zhì)量流量at為CNG+Air，根據(jù)當(dāng)前查得的目標(biāo)空燃比就可以計(jì)算得到空氣流量和天然氣噴射量。

臺(tái)架試驗(yàn)中，由于流經(jīng)節(jié)氣門的混合氣體流量不容易直接測量，但是穩(wěn)態(tài)工況下，由空氣流量計(jì)和燃?xì)饬髁坑?jì)得到的混合氣流量之和等于流經(jīng)節(jié)氣門的混合氣體流量。公式（4）描述的是進(jìn)入氣缸的氣體流量，而在穩(wěn)態(tài)工況時(shí)，在平均意義上，流經(jīng)節(jié)氣門的混合氣流量和進(jìn)入氣缸的混合氣量是相等的，所以可以采用公式（4）對進(jìn)氣流量進(jìn)行預(yù)測，Vd和 Tm可 以認(rèn)為是常數(shù)，但充氣效率ηvol難 以直接測量，如果單獨(dú)對其進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)擬合又會(huì)增加模型復(fù)雜度，R是按照理想氣體混合物計(jì)算得出的折合氣體常數(shù)：

下圖給出了折合氣體常數(shù)和空燃比的關(guān)系，可以看到，在空燃比［16，32］范圍內(nèi)變化時(shí)，R變化范圍是［301，293］，變化較小。

將（5）代入（4）中得到：

2　增壓天然氣進(jìn)氣模型的修正

2.1進(jìn)氣流量與進(jìn)氣歧管壓力的關(guān)系

由公式（6）可以看到進(jìn)氣流量和Pmann存在一定關(guān)系。為了研究同其他參數(shù)之間的關(guān)系，at在一臺(tái)某公司生產(chǎn)的WP6NG240E50六缸天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了壓縮天然氣（CNG）實(shí)驗(yàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)如表1所示：

表1　WP6NG240E50天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)表

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的測功機(jī)系統(tǒng)采用洛陽南峰機(jī)電設(shè)備制造有限公司生產(chǎn)的CW260型電渦流測功機(jī)系統(tǒng)。CW260型電渦流測功機(jī)性能參數(shù)如下表2：

表2　CW260電渦流測功機(jī)測量指標(biāo)

發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流量測量采用上海同圓環(huán)保科技有限公司生產(chǎn)的熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)Toceil 20N100114LI，測量范圍0～1 000 m3/h，測量精度±1%，重復(fù)精度±0.24%，響應(yīng)時(shí)間10 ms。CNG流量測量采用首科石化的DFM-1-1-5科氏質(zhì)量流量計(jì)，量程為0～40 kg/h，精度為±0.2%。

圖3給出了在800rpm、1 000rpm、1 200rpm、1 400rpm、1 600rpm、1 800rpm、2 000rpm、2 300rpm各轉(zhuǎn)速下流經(jīng)節(jié)氣門的混合氣體流量t隨節(jié)氣門開度α的變化。

從中可以看出，在任一轉(zhuǎn)速下，較小節(jié)氣門開度下，隨著節(jié)氣門開度α變大，at增加速度較快，at增大到一定值后，節(jié)氣門開度α繼續(xù)增加a只有微小幅度增加，已基本趨于平緩。

內(nèi)燃機(jī)的工況［6］由一組（n，T）來唯一確load定，負(fù)荷的大小和進(jìn)氣歧管壓力是正相關(guān)的。在某一轉(zhuǎn)速下，節(jié)氣門開度和進(jìn)氣歧管壓力是正相關(guān)的。發(fā)動(dòng)機(jī)在某個(gè)工況下運(yùn)行時(shí)，對應(yīng)著唯一的轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣歧管壓力，（n，Pman）可以作為一個(gè)工況點(diǎn)的一組表征變量。

從公式（4）中我們可以看到，Pman對于流經(jīng)節(jié)氣門的混合氣體流量有影響。圖4為各轉(zhuǎn)速下流經(jīng)節(jié)氣門的混合氣體流量t與進(jìn)氣歧管壓力Pman之間的關(guān)系。

由圖中可以看到，在某個(gè)確定轉(zhuǎn)速下，流經(jīng)節(jié)氣門的混合氣體流量 mat與 進(jìn)氣歧管壓力Pman之間呈近似的線性關(guān)系。

2.2進(jìn)氣流量關(guān)于轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣歧管壓力的擬合關(guān)系式：

上文把（n，Pman） 作為工況點(diǎn)的一組表征變量，進(jìn)一步考慮將轉(zhuǎn)速n和進(jìn)氣歧管壓力Pman的 乘積作為一個(gè)工況點(diǎn)的一組表征變量，觀察800rpm、1 000rpm、1 200rpm、1 400rpm、1 600rpm、1 800rpm、2 000rpm、2 300rpm等各轉(zhuǎn)速下的n·Pman與混合氣進(jìn)氣流量mat的關(guān)系，我們可以得到圖5：

atf（n，p）=n·Pman，kPa·kprm；b1和b0為系數(shù)。

經(jīng)過相關(guān)性檢驗(yàn)，其相關(guān)系數(shù)R2為0.9965，反映出二者之間具有較強(qiáng)的線性正相關(guān)關(guān)系。

基于上述擬合關(guān)系式的增壓天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣進(jìn)氣流量數(shù)學(xué)模型形式簡單，所需輸入變量少，根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)速n和當(dāng)前進(jìn)氣歧管壓力Pman， 可預(yù)測當(dāng)前的混合氣進(jìn)氣流量mat。其中的系數(shù)b1和 b0要通過實(shí)驗(yàn)來標(biāo)定。

3　穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)工況驗(yàn)證

該線性關(guān)系式是在穩(wěn)態(tài)工況下得到的經(jīng)驗(yàn)公式，可以用于穩(wěn)態(tài)工況下天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)流經(jīng)節(jié)氣門的混合氣流量預(yù)測，也可以嘗試動(dòng)態(tài)工況下預(yù)測，下面分別進(jìn)行穩(wěn)態(tài)工況和動(dòng)態(tài)工況的驗(yàn)證。

3.1穩(wěn)態(tài)工況驗(yàn)證

在900rpm、2 200rpm下，按照不同節(jié)氣門開度，將計(jì)算得到的at1與實(shí)際的at對比如下圖6、圖7。

在低轉(zhuǎn)速900rpm時(shí)計(jì)算流量偏小，與實(shí)際流量存在一定的靜差。高轉(zhuǎn)速2 200rpm時(shí)，節(jié)氣門開度小于50%時(shí)，計(jì)算流量與實(shí)際流量較為接近，大于50%時(shí)，計(jì)算流量偏大，與低轉(zhuǎn)速時(shí)偏小的趨勢相反。

3.2動(dòng)態(tài)工況驗(yàn)證：

分別在900rpm、1 500rpm轉(zhuǎn)速下，節(jié)氣門開度從20%連續(xù)調(diào)節(jié)到40%，觀察混合氣進(jìn)氣流量的動(dòng)態(tài)變化，與計(jì)算流量進(jìn)行對比如圖8：

動(dòng)態(tài)工況下，計(jì)算流量對實(shí)際流量的跟隨性較好，但計(jì)算值均較實(shí)際值偏大。900rpm時(shí)，在調(diào)節(jié)節(jié)氣門末期，誤差逐漸縮小，最后誤差基本消除。1 500rpm時(shí)，隨著節(jié)氣門調(diào)節(jié)，誤差先是逐漸增大，接著有所減小，最后存在一個(gè)靜差?？梢钥吹?，該修正后的模型也可以為動(dòng)態(tài)工況下的流量預(yù)測提供參考。

4　結(jié)論

原平均值模型中節(jié)氣門流量子模型不適用于天然氣增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，經(jīng)過改進(jìn)后的混合氣進(jìn)氣流量預(yù)測模型專門針對于增壓天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可以看出，其對于預(yù)測穩(wěn)態(tài)工況的混合氣流量精度較高，用于預(yù)測動(dòng)態(tài)工況下的混合氣流量精度相對較低。本模型的預(yù)測結(jié)果可以為計(jì)算燃?xì)鈬娚涿}寬和空燃比閉環(huán)控制提供一定參考。

［1］陳仁哲.燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)［D］.北京:清華大學(xué)，2011.

［2］歐陽明高，李建秋，楊福源.汽車新型動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型，建模與控制［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2008.191-193.

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XIONG Xing-wang1，HUANG Fu-juan2，WANGLu-bo3，MA Fan-hua1，HUANG-Yue1
（
1. State KeyLaboratory of Automotive Safety and Energy，Tsinghua University，Beijing100084；2.China Airborne Missile Academy，Luoyang471001；3. CAMA（Luo Yang）Electromechanic Co.，LTD，Luoyang471003）

Intake mixture mass flow rate of turbocharged CNG engine is of great importance to injection pulse width and AF control. Thus， prediction of intake mixture mass flow rate is necessary. Currently widely used model of intake mass flow rate of gasoline engine is derived from Throttle and Intake manifold sub-models of the Mean Value Engine Models. But， it's not fit for turbocharged CNG engines. Based on the Mean Value Engine Models and data collected， empirically equations were proposed to predict the intake mixture mass flow rate of turbocharged CNG engine in this article. Steady state and transient performances between measured data and simulation was compared. Results show that the model can be used in steady state and transient intake flow prediction.

turbocharged CNG engine； intake mixture flow； empirical equation； intake flow prediction

TK43

A

1005-2550（2015）02-0005-05

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.02.002

2014-11-25

★國家自然科學(xué)基金（51276095） 。