江楠，鹿文慧，王盼盼，呂憲勇，閆立冰

1.內(nèi)燃機可靠性國家重點試驗室,山東濰坊 261061; 2.濰柴動力股份有限公司,山東濰坊 261061

0 引言

為改善大氣環(huán)境質量，作為主要綠色動力的天然氣發(fā)動機已經(jīng)率先實施了國六排放標準[1]。天然氣發(fā)動機滿足國六標準的排放控制方案較多[2]，其中，當量燃燒-廢氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation，EGR)-三效催化方案應用最普遍，該方案在發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性、排放一致性和耐久性上具有明顯優(yōu)勢。中、重型天然氣發(fā)動機常采用進氣道噴射方式，充氣效率比直噴發(fā)動機降低約10%，存在較大延遲性，空燃比控制是一個主要難題，精確控制空燃比對提高發(fā)動機的燃油經(jīng)濟型、動力性和降低后處理系統(tǒng)的貴金屬含量具有重要意義[3-4]。建立進氣系統(tǒng)多組分模型，精確計算新鮮空氣進氣量，是空燃比控制的關鍵[5]。本文中基于天然氣發(fā)動機混合器模塊的硬件結構，通過對混合器部件的分析和物理建模，并結合歐拉修正方法，提高預混發(fā)動機進氣道混合器處新鮮進氣量的計算精度，精確控制空燃比。

1 混合器模塊硬件結構

天然氣發(fā)動機混合器模塊是多個零部件的集成，包括進氣管路、節(jié)氣門、燃氣噴氣管、漸縮噴管、EGR入口管路等部件。安裝在混合器的傳感器有節(jié)氣門前的進氣壓力溫度傳感器和漸縮噴管喉口處的壓力傳感器。新鮮空氣流經(jīng)節(jié)氣門，通過燃氣多孔噴氣管噴射天然氣，空氣和天然氣在中間混合管段混合，混合氣經(jīng)過漸縮噴管提速并進行深度混合。噴管噴出的高速混合氣和此處進入的EGR廢氣混合，形成空氣、燃氣和EGR廢氣的最終混合氣，最終混合氣進入發(fā)動機進行燃燒。天然氣發(fā)動機混合器硬件結構如圖1所示。

圖1 天然氣發(fā)動機混合器硬件結構圖

混合器模塊能有效改善空氣、燃氣和EGR廢氣的混合程度，增大EGR驅動壓差，提高空氣和燃氣的測量計算精度。漸縮噴管喉口處直徑較小，空氣和燃氣的混合氣流經(jīng)此處時流速增加，壓力減小，能夠減小喉口后EGR背壓，增加EGR的驅動壓差，且各成分氣體在高速紊流條件下混合更加均勻[6]。該結構可以分別計算空氣、燃氣混合氣和EGR氣體的質量流量，提高計算精度，進而精確控制空燃比。

2 混合器軟件模型設計

基于混合器系統(tǒng)結構，構建應用流體力學和幾何抽象的物理模型來計算新鮮進氣量。節(jié)氣門和漸縮噴管中部沒有壓力傳感器，在這兩處引入虛擬壓力，虛擬壓力可通過前后部件模型和管路模型迭代計算得到。EGR氣體流量可以通過EGR流量傳感器或EGR閥前、后壓差單獨計算得到，故構建的計算模型中不包含EGR部分。

將混合器模塊系統(tǒng)劃分為節(jié)氣門、混合管段、漸縮噴管3個部分，混合管段是從節(jié)氣門安裝位置到燃氣噴氣管噴嘴入口的管段，容積不隨節(jié)氣門開度發(fā)生改變。

2.1 節(jié)氣門模型

對于節(jié)氣門結構，采用節(jié)流公式構建模型[7]。

節(jié)氣門處氣體的流函數(shù)

式中：λΤ為節(jié)氣門下游壓力和上游壓力之比，λT,0為空氣的臨界壓比，κ為氣體絕熱指數(shù)。

流過節(jié)氣門的新鮮空氣質量流量

式中：AT為節(jié)氣門的有效流通面積，m2；μT新鮮空氣的為氣體流量摩擦修正因數(shù)；TT,I為流入氣體溫度，K；R為氣體常數(shù), J/(kg·K)。

2.2 漸縮噴管模型

可借鑒文丘里管等構建漸縮噴管模型[8]，但漸縮噴管本身也是一種節(jié)流部件，為了便于構建物理模型，采用節(jié)流公式來描述漸縮噴管，漸縮噴管內(nèi)流動氣體的流函數(shù)

式中：λC為漸縮噴管喉口壓力和混合管段虛擬壓力之比，λC,0為空氣和燃氣混合氣的臨界壓比。

流過噴管的空氣和燃氣的混合氣流量

式中：AC為漸縮噴管的有效流通面積，m2；μC為混合氣的氣體流量摩擦修正因數(shù)；TC,I為混合氣體溫度，K。

2.3 混合管段

混合管段可看作一段理想的容積段，遵守理想空氣方程[9]：

pV=mRT，

式中：m為混合管段中氣體總質量，kg；p為混合管段中氣體壓力，Pa；V為混合管段的容積，m3；T為混合管段中混合氣的溫度，K。

動態(tài)變化過程中，系統(tǒng)滿足

(1)

式中：mI為進入混合管段的氣體(流經(jīng)節(jié)氣門的新鮮空氣和燃氣噴射管噴入的天然氣)總質量，kg；mO為流出混合管段的混合氣，即流經(jīng)噴管的混合氣的總質量，kg；Δp是混合管段的壓力變化，Pa。

采用式(1)可描述混合管段的流量和壓力關系，通過混合管段的流量變化來進行壓力計算。

2.4 軟件模型結構

綜合上述理論，整體天然氣發(fā)動機混合器的軟件模型如圖2所示。

圖2 天然氣發(fā)動機混合器軟件模型仿真結構圖

節(jié)氣門模型中，根據(jù)節(jié)氣門前壓力傳感器測量的空氣壓力、空氣溫度和混合管段計算的節(jié)氣門后虛擬壓力及節(jié)氣門開度計算的有效流通面積，計算流經(jīng)節(jié)氣門的空氣質量流量。

混合管段模型中，根據(jù)混合管段空氣和燃氣的流入量和混合器流出量的差計算壓力變化，然后將壓力變化進行累計得到混合管段的虛擬壓力?？諝饬髁靠梢圆捎霉?jié)氣門模型算出的空氣流量或者采用混合氣流量減去燃氣流量方法。

漸縮噴管模型中，根據(jù)混合管段計算出的噴管入口處虛擬壓力，即節(jié)氣門模型中的節(jié)氣門后壓力(和節(jié)氣門后虛擬壓力相同)、噴管喉口壓力傳感器測量的混合氣壓力以及混合器溫度計算流經(jīng)噴管的混合氣質量流量。

2.5 歐拉修正的混合器模型

如圖2所示的軟件模型可以精確計算發(fā)動機穩(wěn)態(tài)時的進氣流量。但在瞬態(tài)變化過程中，發(fā)動機進氣系統(tǒng)的非線性變化及測量擾動導致氣體質量流量波動及氣體質量流量無法收斂。歐拉公式對于求解非線性離散系統(tǒng)問題具有結構簡單、計算結果精度高的特點，因此采用歐拉修正方法對混合器物理模型進行修正，提高瞬態(tài)流量計算的精確性、穩(wěn)定性和收斂性[10]。歐拉公式為：

yn+1=yn+hf(xn,yn)，

式中：h為計算步長周期，n為離散公式的步長，f(xn,yn)為(xn,yn)點的y對x的離散型倒數(shù)。

混合管段的氣體質量流量為凈流量與計算步長周期的商，表達式如下：

設y為虛擬混合腔燃氣和空氣的質量流量qm，x為虛擬混合腔的壓力p，即可構建混合管段的凈流入流量和混合管段內(nèi)壓力的歐拉關系式。

結合理論空氣方程和節(jié)流公式，得到當前流量歐拉修正計算公式。混合管段內(nèi)的凈流入氣體變化量

計算過程中通過限制混合腔內(nèi)的氣體變化量，防止擾動特別是瞬態(tài)變化帶來的波動，降低整體系統(tǒng)發(fā)散可能性，實現(xiàn)混合腔內(nèi)壓力計算的穩(wěn)定性和收斂性，提高流量計算精度。

3 仿真與試驗驗證

3.1 仿真驗證

以某天然氣發(fā)動機為仿真機型，采集該發(fā)動機部分試驗工況的節(jié)氣門壓力、新鮮空氣溫度、節(jié)氣門開度、燃氣流量和混合氣溫度等信號，輸入Simulink軟件模型，進行模型仿真驗證，未進行歐拉修正的物理模型參數(shù)試驗結果如圖3所示。

圖3 未經(jīng)歐拉修正的的模型參數(shù)變化曲線

由圖3可知，未經(jīng)修正物理模型在節(jié)氣門開度從20%到70%的切換過程中，節(jié)氣門空氣質量流量、噴嘴空氣質量流量和混合管段壓力3個變量出現(xiàn)了波動和發(fā)散，甚至到節(jié)氣門開度穩(wěn)定在70%時，節(jié)氣門流量、噴嘴中空氣流量和混合管段壓力都一直處于發(fā)散狀態(tài)，無法收斂。

采用相同的方法對經(jīng)歐拉修正的物理模型進行試驗，結果如圖4所示。由圖4可知，隨著節(jié)氣門開度變化，節(jié)氣門處氣體質量流量和噴管流過的新鮮進氣量都會發(fā)生波動變化，但是趨勢基本一致，并隨著節(jié)氣門控制的穩(wěn)定，2個進氣流量都能達到穩(wěn)定且流量基本相同。

圖4 添加歐拉修正的模型參數(shù)變化曲線

3.2 臺架試驗驗證

將經(jīng)歐拉修正的混合器軟件模型集成到測試軟件中，并進行臺架測試。在固定轉速工況下，設置節(jié)氣門開度為20%～30%進行突增和突降的階躍測試，臺架實測的物理模型參數(shù)變化如圖5所示， 臺架采集的物理模型參數(shù)變化如圖6所示。

圖5 臺架實測的模型參數(shù)變化圖

圖6 臺架采集的模型參數(shù)變化曲線

由圖5、6可知：1)節(jié)氣門在23%～27%階躍變化時，實測的節(jié)氣門空氣質量流量、噴管喉口處空氣質量流量與采集的空氣質量流量變化趨勢一致，偏差在5%以內(nèi)；2)混合腔內(nèi)壓力變化平滑，實測混合腔壓力與采集壓力的偏差小于4%。

4 結論

設計一種采用歐拉修正的天然氣發(fā)動機混合器物理模型，以提高新鮮進氣量的計算精度。先根據(jù)節(jié)氣門、混合管段和漸縮噴管模型的特征，構建了應用流動特性和幾何抽象機理的EGR模塊物理模型；根據(jù)流量和壓力的離散化特征關系，構建了歐拉修正系數(shù)，最終實現(xiàn)了整個進氣系統(tǒng)模型的計算收斂和精確估算。通過試驗和仿真驗證，證明了歐拉修正方法的有效性。

1)節(jié)氣門、虛擬管段和噴管的物理特征比較明顯，可以采用節(jié)流公式和理論空氣方程構建進氣系統(tǒng)物理模型。

2)瞬態(tài)過程中，各部件系統(tǒng)計算會疊加系統(tǒng)擾動，導致整體物理模型產(chǎn)生計算發(fā)散現(xiàn)象，采用歐拉修正方法后，軟件模型計算的進氣流量精度得到極大提高，沒有出現(xiàn)計算發(fā)散現(xiàn)象。