基于节气门修正函数CNG发动机瞬态空燃比仿真分析

严浩铭，孙仁云，汪科任，张晟恺

（西华大学 交通与汽车工程学院，四川 成都610039）

基于节气门修正函数CNG发动机瞬态空燃比仿真分析

严浩铭，孙仁云，汪科任，张晟恺

（西华大学 交通与汽车工程学院，四川 成都610039）

分析了天然气发动机瞬态工况空燃比偏差较大的原因；提出了利用节气门修正函数，补偿每循环进入气缸的空气质量流量；基于Matlab/Simulink建立了发动机瞬态空燃比控制仿真模型。结果表明：瞬态工况下，节气门修正函数能够快速补偿空气质量流量，使空燃比能够迅速回到理论空燃比，该方法在实际工程中有一定的应用价值。

发动机；瞬态工况；节气门；修正函数；空燃比

随着日趋严格的汽车尾气排放法规、日益严峻的能源危机，各公司对发动机电子控制技术提出了更高的要求，其中瞬态（加、减速）空燃比控制是难点与热点。有关研究发现，CNG发动机引起瞬态空燃比偏差较大的主要原因：1）进气管的压力波动造成的进气计量装置对实际进气量测量不准而出现偏差；2）空燃比的控制是基于上一缸的状态来计算当前的喷油量；3）进气歧管压力传感器、氧传感器以及随后的信号处理造成的系统延迟。

结合点燃式发动机平均值模型，提出了易于实现的节气门瞬态工况修正函数；基于 Matlab/ Simulink建立了发动机瞬态空燃比控制仿真模型，对瞬态工况下每循环空气质量流量进行补偿，以便快速精确控制瞬态工况空燃比。

1 节气门瞬态修正函数的定义

电子节气门在现代发动机管理系统具有重要作用，由于进气系统的气流扰动、电子节气门的的非线性等原因，其精确控制与瞬态补偿有着非常重要的意义。

以德国Bosch公司生产的电子节气门为对象进行分析。在瞬态加减速过程中，由于上述原因造成加速（减速）时空气量测量值小于（大于）实际进气量造成混合气过稀（过浓）。为了最大限度的减小这种延迟，基于节气门开度的变化率，结合自动控制理论，提出一个可用于修正瞬态空气质量流量的节气门修正系数，它是一个离散传递函数，输入为节气门开度；输出为空气流量修正系数。

式中：参数k1、k2、k3先通过仿真设定初值，通过实验确定终值k1和k2为0.01，k为0.8，该采样周期T为10ms。节气门开度变化率dθ/dt→0时，Trottle（Z）→0；节气门开度变化率越大，修正值就越大。

2 CNG发动机空燃比模型分析

传统的点燃式发动机空燃比控制主要分为稳态闭环PI控制和瞬态前馈开环控制。稳态工况要求过量空气系数均值（500个工作循环）波动范围平均值小于0.1%，瞬态工况允许短时间内3%以内的偏差，短时间几个百分点的偏差不会使经过催化剂转化后的发动机排放恶化。本系统结合Elbert Hendricks总结完善的点燃式发动机平均值模型，以理论空燃比为主要控制目标，进行发动机瞬态空燃比控制建模。该空燃比控制模型主要包括建立进气歧管动态模型、简化的混合与燃烧子模型、进气流量前馈估计子模型等。根据节气门修正函数，对发动机瞬态进气流量进行补偿，对比有进气流量补偿和无进气流量补偿的瞬态空燃比的控制效果。

2.1 空气流量前馈估计子模型

点燃式发动机平均值模型此处不再赘述，该前馈控制具有必要性是因为空燃比控制的动态性能受到发动机滞后时间、进气管压力波动等因数影响，导致瞬态工况下实际的空燃比至少需要几秒钟才能回到理论空燃比，由此将导致发动机排放的恶化。

目前空气流量测量主要有2种手段：1）空气流量计 比较精确但延迟时间长（约20ms～0.5s）；2）速度密度法 根据进气歧管压力传感器（不够精确，延迟0.5ms）、转速等建立模型计算空气流量。

综合这2种测量手段，实际中常考虑成本与精确性等因数，在台架实验的时候用空气流量计修正模型计算值，调整发动机工况并记录数据，通过对模型的不断修正将空气流量计测量值与模型计算值的误差控制在3%以内，发动机量产时经常不安装空气流量计。

综上，本系统采用进气歧管压力传感器计量进气量。进入气缸的空气流量计算公式如式（2）～（4）：

式中：N为发动机转速；Pm为进气歧管压力；k为简化系数；Vd为发动机排量；R为气体常数；Tm为进气温度；ηvol为充气效率；basic为进入气缸基本空气流量；correction为瞬态工况下空气流量修正系数；为修正后的空气流量。

实验得到发动机转速、进气歧管压力、简化系数k的MAP图如图1所示。

结合式（2）～（3），建立模型如图2所示。

图1 简化系数的MAP图

图2 空气流量前馈估计模型

2.2 简化的混合与燃烧模型

有关研究发现：天然气被喷入进气歧管，滞留一段时间后被吸入气缸中压缩点燃做功经排气管到达氧传感器处，形成的系统延迟可以看成采用具有一阶延迟环节来近似，其公式：

系统采用二氧化锆氧传感器，用于测量排气管内氧气温度，传感器安装在来自每个气缸的排气管所汇集的排气总管内。当处于理论空燃比处时一个微小的空燃比变化将使输出电压急剧变化。根据氧传感器技术资料，可知道其电气特性，为便于建模分析，通过近似处理的方法可以得到其输出电压与空燃比的关系图（图3）和函数关系式：

式中：λ为空燃比；U为传感器输出电压。

图3 近似处理后氧传感器输出特性曲线

基于以上分析，该简化的燃烧子模型输入为节气门开度、发动机转速、燃气质量流量，输出为AFR（Air Fuel Ratio）、氧传感器电压信号。建立简化的混合与燃烧模型如图4所示。

图4 简化的混合与燃烧模型

2.3 空燃比闭环PI修正模型

根据上述双态氧传感器、进气质量流量、天然气的理论空燃比来计算燃气质量流量。模型输入为氧传感器电压信号，输出为天然气燃气量。建立空燃比闭环控制模型，瞬态工况下天然气流量计算公式：

式中：AFR为理论空燃比；ΔF为天气然流量修正系数（闭环PI控制自动修正）。根据式（7）建立空燃比闭环模型，如图5所示。

图5 空燃比闭环模型

3 基于Matlab/Simulink模型整合与仿真分析

综上所述，整合各子模型并对参数进行初始化，得到CNG发动机空燃比控制模型如图6所示。

图6 CNG发动机空燃比控制模型

模型输入为N（300rad·s-1）、节气门开度。模型输出为空气流量修正值变化图（节气门修正）、修正后进气流量与实际进气流量对比图、瞬态工况带节气门补偿的空燃比变化图。仿真结果见图7～10。

通过仿真实验得出：1）当节气门处于瞬变过程中，该修正函数给出的进气流量修正值变化明显；2）节气门修正后的空气流量与根据速度密度法模型计算值误差3%以内；3）瞬态工况空燃比偏差3%以内，而且时间比较短。通过仿真结果分析，证明了节气门瞬态修正函数的快速性与有效性，为今后研究发动机瞬态工况空燃比控制提供了参考。

图7 节气门开度信号图

图8 空气流量修正值变化图

图9 修正后进气流量与实际进气流量对比图

图10 带节气门补偿的空燃比变化图

4 结束语

提出利用节气门修正函数，前馈补偿控制瞬态工况空气流量，达到对空燃比的快速而精确的控制。文献中不少学者对瞬态空燃比的研究多采用神经网络、扩展卡尔曼滤波、滑膜变结构等对进气歧管压力或者进气量进行估计来控制瞬态空燃比。上述算法由于结构复杂计算量大与处理器瓶颈等原因，实际应用很少。该控制算法易于实现，并且通过Simulink/RTW自动代码生成结合总体的控制策略进行台架验证，有着一定应用与参考价值。

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Simulation Analysis on CNG Engine Transient Air-fuel Ratio Based on Throttle Correction Function

Yan Haoming,Sun Renyun,Wang Keren,Zhang Shengkai
(School of Transportation and Automotive Engineering,Xihua University,Chengdu 610039,China)

The natural gas engine’s transient condition of air-fuel ratio control was investigated.A way of compensating air mass flow into the cylinder per cycle by using the throttle correction function was presented.A simulation model of the engine transient air-fuel ratio control was established based on the Matlab/Simulink.The results show that the throttle correction function can compensate the rate of air mass flow quickly under the transient operating conditions of the engine,with the air-fuel ratio back to that of the theory quickly.This method has considerable application value in the practical engineering.

engine;transient condition;throttle;correction function;air-fuel ratio

TK433.4+4

A

1008－5483（2014）01－0014－04

2013-11-15

严浩铭（1988-），男，四川广安人，硕士生，从事发动机电子控制技术研究。

10.3969/j.issn.1008-5483.2014.01.004