宋君花，王 都，冒曉建，卓 斌

（1.上海海能汽車電子有限公司技術(shù)中心，上海 200240；2.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240）

隨著石油能源日益緊張以及尾氣排放造成的環(huán)境污染問題日益加劇，代用燃料動(dòng)力技術(shù)成為汽車領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。天然氣因?yàn)槠涞统杀?、低污染以及高熱效率成為最具發(fā)展?jié)摿妥钋鍧嵉奶娲茉?。目前我?guó)雖然有滿足國(guó)Ⅲ、國(guó)Ⅳ及以上排放標(biāo)準(zhǔn)的高性能氣體發(fā)動(dòng)機(jī)，但這些發(fā)動(dòng)機(jī)基本上都是采用進(jìn)口的燃?xì)夤┙o系統(tǒng)，特別是電控系統(tǒng)的核心技術(shù)和控制器基本上被國(guó)外公司壟斷。因此，開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)具有十分重要的意義。

1 壓縮天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)功能

本研究以YC6G260N天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，該發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用于重型商用車，其主要參數(shù)見表1。該發(fā)動(dòng)機(jī)采用增壓中冷、稀薄燃燒、單缸高能點(diǎn)火的技術(shù)路線，控制系統(tǒng)采用如圖1所示的單點(diǎn)噴射系統(tǒng)方案，該系統(tǒng)具有穩(wěn)態(tài)性能好、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)［1］。

表1 YC6G260N天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)控制器（ECU）的主要功能包括：及時(shí)采集各種傳感器和開關(guān)的信號(hào)參數(shù)，處理后傳送給上層控制軟件；同時(shí)從上層控制軟件接收控制指令從而驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器運(yùn)行；與系統(tǒng)監(jiān)測(cè)軟件通信；與系統(tǒng)標(biāo)定軟件通信，實(shí)現(xiàn)在線標(biāo)定的功能；與診斷工具通信等。

CNG發(fā)動(dòng)機(jī)空氣管理系統(tǒng)由進(jìn)氣量控制、增壓壓力控制以及防喘振控制三部分組成，相應(yīng)的執(zhí)行器由電子節(jié)氣門、廢氣旁通閥、旁通控制閥、防喘振閥、增壓器等部件組成（見圖2）。CNG發(fā)動(dòng)機(jī)空氣管理系統(tǒng)的作用是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況提供適宜的空氣量，同時(shí)向ECU傳遞此信息，并根據(jù)ECU的指令完成空氣量的調(diào)節(jié)。

CNG稀燃增壓發(fā)動(dòng)機(jī)需要對(duì)缸內(nèi)的空燃比進(jìn)行閉環(huán)控制，因而需要對(duì)節(jié)氣門、增壓器和旁通閥進(jìn)行靈活、快速地控制。CNG稀燃增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)特性與空氣量、燃?xì)饬俊⒖杖急?、增壓壓力等的瞬態(tài)控制密切相關(guān)，對(duì)控制系統(tǒng)硬件驅(qū)動(dòng)的瞬態(tài)控制要求是硬件能夠在瞬態(tài)工況下做到實(shí)時(shí)精確反應(yīng)：

1）電子節(jié)氣門控制滿足瞬態(tài)響應(yīng)的需求，節(jié)氣門的實(shí)際開度可以實(shí)時(shí)瞬態(tài)跟隨其目標(biāo)開度；在任何工況點(diǎn)的任意階躍響應(yīng)的建立時(shí)間應(yīng)該在100ms［2］以內(nèi)；

2）增壓壓力的控制在執(zhí)行器響應(yīng)的范圍內(nèi)，滿足增壓壓力的控制需求。

本研究重點(diǎn)針對(duì)空氣管理關(guān)鍵執(zhí)行器電子節(jié)氣門和旁通閥的控制。

2 電子節(jié)氣門驅(qū)動(dòng)控制

2.1 電子節(jié)氣門非線性分析

電子節(jié)氣門是一個(gè)機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)，直流電機(jī)是執(zhí)行元件，減速齒輪組、復(fù)位彈簧、節(jié)氣門閥組成執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

電子節(jié)氣門是一個(gè)非線性的執(zhí)行器，其非線性表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面［3］：

1）減速齒輪機(jī)構(gòu)之間齒間隙是非線性的。節(jié)氣門總成上設(shè)有一套齒輪減速機(jī)構(gòu)，由于齒輪嚙合存在間隙，產(chǎn)生了齒間隙非線性，使得電機(jī)扭矩和節(jié)氣門輸出之間是非線性關(guān)系。

2）復(fù)位彈簧是非線性的。該彈簧是非線性扭轉(zhuǎn)彈簧，當(dāng)節(jié)氣門需要從較大開度位置降到較小開度或回到節(jié)氣門關(guān)閉位置時(shí)，可以提供一個(gè)較大的扭轉(zhuǎn)力矩，使節(jié)氣門閥片可以快速地回到要求的位置。

3）節(jié)氣門閥片在運(yùn)動(dòng)過程中的摩擦力矩是非線性的。節(jié)氣門閥片在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)受到庫(kù)侖摩擦力和黏滑摩擦力的雙重作用，在動(dòng)態(tài)過程中摩擦力變化是非線性的。

4）進(jìn)氣道的氣流沖擊是非線性的。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)進(jìn)氣道內(nèi)的空氣對(duì)節(jié)氣門沖擊力隨節(jié)氣門開度不同而不同。

2.2 硬件驅(qū)動(dòng)信號(hào)對(duì)電子節(jié)氣門動(dòng)態(tài)響應(yīng)性的影響

節(jié)氣門驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)主要是控制節(jié)氣門的旋轉(zhuǎn)方向和驅(qū)動(dòng)扭矩。硬件驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM信號(hào)直接決定著電子節(jié)氣門直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)扭矩。在進(jìn)行電子節(jié)氣門驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)之前，首先需要對(duì)硬件驅(qū)動(dòng)信號(hào)對(duì)電子節(jié)氣門動(dòng)態(tài)響應(yīng)性的影響進(jìn)行研究。

2.2.1 PWM頻率對(duì)電子節(jié)氣門動(dòng)態(tài)響應(yīng)性的影響

PWM信號(hào)的頻率主要影響電子節(jié)氣門控制的抗干擾性。對(duì)電子節(jié)氣門在不同PWM頻率下進(jìn)行了試驗(yàn)分析，不同PWM信號(hào)頻率時(shí)的電流波形見圖3。由圖可看出，節(jié)氣門電樞中的電流為連續(xù)的波浪形式，提高PWM信號(hào)的頻率可在減小電流峰值的同時(shí)減小電流的脈動(dòng)。PWM頻率選得過高，驅(qū)動(dòng)電路容易受到干擾，會(huì)出現(xiàn)尖厲的噪聲；若PWM頻率選得過低，電機(jī)工作時(shí)電流波形比較粗糙，噪聲較大，平均電流較大，從而造成驅(qū)動(dòng)電路的發(fā)熱比較嚴(yán)重。為了研究硬件驅(qū)動(dòng)信號(hào)對(duì)電子節(jié)氣門動(dòng)態(tài)響應(yīng)性的影響，進(jìn)行了一系列階躍響應(yīng)試驗(yàn)。圖4和5分別示出在不同頻率下節(jié)氣門開度目標(biāo)值TPS＿Tgt從12%到40%以及從5%到100%在不同頻率下節(jié)氣門實(shí)際開度TPS＿Value的階躍響應(yīng)曲線。由圖4可以看出，在較小的階躍變化時(shí)，硬件驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率對(duì)節(jié)氣門開度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性的影響很小。由圖5可看出，在較大的階躍變化時(shí)，2kHz硬件驅(qū)動(dòng)信號(hào)表現(xiàn)出的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性最好?？紤]到驅(qū)動(dòng)電流的波動(dòng)以及硬件電路的發(fā)熱等問題，根據(jù)試驗(yàn)中節(jié)氣門的實(shí)際控制效果和節(jié)氣門驅(qū)動(dòng)芯片可承受的最高頻率（10kHz），在本研究CNG電控系統(tǒng)ECU硬件設(shè)計(jì)中，選用PWM信號(hào)的頻率為4kHz。

2.2.2 PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)有效驅(qū)動(dòng)脈寬的確定

電子節(jié)氣門驅(qū)動(dòng)PWM信號(hào)并不是在0～100%的占空比范圍內(nèi)都可以，在實(shí)際的電子節(jié)氣門PWM占空比控制中，還需要考慮節(jié)氣門供電電壓的變化，從而對(duì)PWM有效驅(qū)動(dòng)脈寬進(jìn)行修正。同時(shí)為了提高節(jié)氣門的瞬態(tài)響應(yīng)性，還需要研究最大有效占空比對(duì)節(jié)氣門動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響，以最終確定節(jié)氣門閉環(huán)控制時(shí)有效占空比的范圍。在CNG稀燃增壓發(fā)動(dòng)機(jī)功能測(cè)試臺(tái)上，在4kHz的控制信號(hào)下，將最大有效占空比分別設(shè)為20%，30%，40%，50%，對(duì)節(jié)氣門動(dòng)態(tài)響應(yīng)作了大開度階躍（開度從20%到100%）和小開度階躍（開度從12%到40%）的一系列試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖6和圖7。

由圖6和圖7的試驗(yàn)曲線可看出：對(duì)于大開度階躍響應(yīng)，20%占空比的響應(yīng)時(shí)間約為0.5s，響應(yīng)時(shí)間不能滿足要求；隨著占空比的增大，階躍響應(yīng)時(shí)間變小，其中40%和50%占空比的響應(yīng)時(shí)間都小于100ms，滿足階躍響應(yīng)時(shí)間要求；在小開度階躍響應(yīng)時(shí)，最大有效占空比對(duì)節(jié)氣門動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響趨勢(shì)相同，其中50%占空比表現(xiàn)出的響應(yīng)時(shí)間和超調(diào)量最好。

本研究選擇的電子節(jié)氣門允許的最大占空比為50%，同時(shí)結(jié)合考慮控制信號(hào)頻率和最大有效占空比對(duì)電子節(jié)氣門動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響，最終確定電子節(jié)氣門閉環(huán)控制信號(hào)為4kHz、最大有效占空比為50%的PWM信號(hào)。

3 旁通閥驅(qū)動(dòng)控制

3.1 旁通閥控制特性分析

稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪遲滯時(shí)間比自然吸氣的當(dāng)量發(fā)動(dòng)機(jī)要大得多，減少時(shí)間遲滯的一個(gè)可行方法是使渦輪始終保持在較高的轉(zhuǎn)速，然后通過節(jié)氣門減少進(jìn)入進(jìn)氣歧管的進(jìn)氣流量和壓力。但是進(jìn)氣管壓力增大會(huì)導(dǎo)致油耗增加。旁通閥最簡(jiǎn)單的控制是在空氣路到旁通執(zhí)行器之間直接提供增壓壓力。當(dāng)增壓壓力推開旁通閥執(zhí)行器的彈簧時(shí)，旁通閥打開。旁通控制閥根據(jù)PWM控制信號(hào)提供給旁通閥執(zhí)行器所需的壓力，然后旁通閥執(zhí)行器將此壓力轉(zhuǎn)化為線性運(yùn)動(dòng)以驅(qū)動(dòng)旁通閥。

旁通閥位置是作用在執(zhí)行機(jī)構(gòu)（旁通控制閥）上壓力的直接結(jié)果，該壓力在執(zhí)行器上產(chǎn)生一個(gè)力F＝pwgA，A為執(zhí)行器的有效作用面積，pwg為旁通閥的輸出壓力，F(xiàn)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的彈簧反作用力。彈簧力通?？梢越⑿稳鏔＝－ksx的線性表達(dá)式，x為彈簧距離平衡點(diǎn)的位置，ks為彈簧的彈性系數(shù)。當(dāng)廢氣旁通閥完全關(guān)閉時(shí)，一個(gè)最小的力F0可以使彈簧壓縮，從而使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。

通過發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，在壓力源為0.16MPa下，得出CNG稀燃增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的旁通控制閥輸出壓力有效時(shí)的占空比為22%～54%（見圖8），而對(duì)于旁通閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)而言其行程有效占空比為umin＝38%，umax＝50% 。

3.2 旁通閥控制模型

增壓器前后之間的壓力由線性插值得到。旁通控制閥占空比的范圍是0～100%，執(zhí)行器壓力有效時(shí)的占空比范圍是 ［umin，umax］，這個(gè)占空比區(qū)間之外對(duì)應(yīng)的執(zhí)行器壓力為增壓器前或者增壓器后的壓力。旁通閥輸出壓力可以采用如下的靜態(tài)模型描述：

式中：pac為增壓器后的壓力；pbc為增壓器前的壓力；Wdc為旁通控制閥的占空比。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證CNG稀燃增壓發(fā)動(dòng)機(jī)ECU空氣管理執(zhí)行器瞬態(tài)控制的效果，在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上對(duì)電子節(jié)氣門、旁通閥、防喘振閥等執(zhí)行器進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)。由圖9可見，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，ECU控制的電子節(jié)氣門實(shí)際開度能夠?qū)崟r(shí)跟隨節(jié)氣門的目標(biāo)開度，響應(yīng)快、超調(diào)量小、穩(wěn)態(tài)精度高，能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量實(shí)時(shí)調(diào)整的需要，從而可以精確控制CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量，確保滿足CNG發(fā)動(dòng)機(jī)功率精確控制的要求。

對(duì)于旁通閥的瞬態(tài)控制效果，可以從增壓壓力的閉環(huán)控制看出（見圖10），在發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)工況變化中，增壓壓力閉環(huán)使能后，ECU通過精確控制旁通閥的開度可以實(shí)現(xiàn)增壓壓力的閉環(huán)控制。

CNG稀燃增壓發(fā)動(dòng)機(jī)空氣管理執(zhí)行器電子節(jié)氣門、旁通閥、防喘振閥的聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果見圖11，圖中橢圓形區(qū)域示出發(fā)動(dòng)機(jī)高速卸載時(shí)，由于節(jié)氣門突然關(guān)閉，導(dǎo)致節(jié)氣門前壓力迅速增加，為了防止增壓器喘振，此時(shí)需要打開防喘振閥（即標(biāo)志為1），通過該閥將節(jié)氣門前的壓力釋放掉，以達(dá)到保護(hù)增壓器的目的。在這一過程中，不需要增壓，即廢氣旁通閥的位置在100%。

5 結(jié)束語(yǔ)

在分析CNG稀燃增壓發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)功能和空氣管理系統(tǒng)作用的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)展開對(duì)空氣管理執(zhí)行器關(guān)鍵執(zhí)行器電子節(jié)氣門和旁通閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性的研究?；陔娮庸?jié)氣門系統(tǒng)的非線性分析，研究了硬件PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率及最大有效的驅(qū)動(dòng)脈寬對(duì)電子節(jié)氣門動(dòng)態(tài)響應(yīng)性的影響，可以實(shí)現(xiàn)階躍響應(yīng)時(shí)間約為80ms，超調(diào)量小于1%，穩(wěn)態(tài)誤差小于1%的控制效果，從而滿足對(duì)節(jié)氣門開度的精確控制和快速調(diào)節(jié)控制的要求。通過分析旁通閥控制特性，建立旁通閥位置的動(dòng)態(tài)模型，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)旁通閥的控制，從而在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中實(shí)現(xiàn)對(duì)增壓壓力的閉環(huán)控制。

［1］ 盛 利，宋君花，王 都，等.CNG發(fā)動(dòng)機(jī)控制器SPI通信多節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2009（4）：68－71.

［2］ Josko Deur，Pavkovic D，Pericn N，et al.An Electron－ic throttle control strategy including compensation of friction and limp－h(huán)ome effects［J］.IEEE transactions of industry application，2004，40（3）：821－834.

［3］ 楊振東.基于模糊PID電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)［D］.長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2008.