廣告
汽油機稀燃燃燒穩(wěn)定性控制
2019-10-15 00:23:49· 來源：內燃機學報
汽油機稀燃燃燒穩(wěn)定性控制汽油機稀燃能夠最大限度提升發(fā)動機經(jīng)濟性以及降低油耗，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：在發(fā)動機不出現(xiàn)失火或者火焰中斷的情況下，發(fā)動
汽油機稀燃燃燒穩(wěn)定性控制
汽油機稀燃能夠最大限度提升發(fā)動機經(jīng)濟性以及降低油耗，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：在發(fā)動機不出現(xiàn)失火或者火焰中斷的情況下，發(fā)動機的熱效率隨著過量空氣系數(shù)的增加而增加。因為隨著過量空氣系數(shù)的增加，參與燃燒的燃油量變小，缸內最大爆發(fā)壓力降低，缸內溫度變低，發(fā)動機壁面熱傳導變少。缸內燃油霧化效果更好，在不出現(xiàn)失火的條件下，混合氣燃燒更完全；在稀燃模式下，由于缸內氧濃度增加，如果反應時間足夠，CO和THC容易被氧化，CO和THC排放明顯減少，由于缸內溫度變低，NOx濃度也降低。同時缸內直噴發(fā)動機在稀燃模式下，不存在局部過濃混合區(qū)，形成的聚集態(tài)微粒較少，同時核態(tài)微粒在氧氣充足且滯留時間長的情況下容易氧化，所以采用稀燃模式可以減少微粒排放；傳統(tǒng)汽油機一般通過改變節(jié)氣門開度來控制進氣量調節(jié)發(fā)動機的功率輸出，但是稀燃模式可以通過改變噴油來調節(jié)發(fā)動機負荷，減少泵氣損失，發(fā)動機熱效率增加，油耗率降低。
但是汽油機稀燃也存在著明顯的劣勢，具體體現(xiàn)在以下幾個方面：在稀燃模式下，如果過量空氣系數(shù)過大，會出現(xiàn)發(fā)動機燃燒惡化，火焰?zhèn)鞑霈F(xiàn)中斷，甚至出現(xiàn)失火；在稀燃模式下，缸內最大爆發(fā)壓力隨著過量空氣系數(shù)的增大而減小，在稀燃模式下發(fā)動機動力性較低，所以稀燃模式一般只用于中小負荷，在高速大負荷很難保證發(fā)動機的功率輸出；在稀燃模式下，稀混合氣相對較難點燃，這對火花塞點火能量以及噴油時刻和點火時刻的配合提出了更高的要求。本期推送將介紹汽油機稀燃燃燒穩(wěn)定性控制的技術措施。
圖1為不同空燃比時IMEP以及COV（IMEP）分布圖，當空燃比為1.1時，IMEP的循環(huán)波動率最低，其后隨著空燃比的增加持續(xù)增加?？杖急葘θ紵辔坏挠绊懸妶D2。圖1的結果與圖2的結果很相似，CA10、CA50以及CA90的變化范圍增加，這是由于混合氣較稀使得初期火核形成困難以及火焰?zhèn)鞑ニ俣容^慢。因此為了充分發(fā)揮稀燃燃燒的潛力，需要合理權衡燃燒穩(wěn)定性以及熱效率之間的關系，這也是該研究的主要目的，實現(xiàn)較高熱效率的同時，提升燃燒的穩(wěn)定性。研究中定義了以下參數(shù)：
圖1 不同空燃比時IMEP以及COV（IMEP）分布圖
圖2 不同空燃比時燃燒相位分布圖
圖3為不同工況下最優(yōu)熱效率分布圖，當空燃比為理論空燃比時圖中所描述的最佳熱效率的問題是清晰明了的，這是因為最佳點火提前角通常與最小燃燒波動率保持一致。在這種情況下，可以將最佳熱效率隨點火時刻變化關系劃分為兩個區(qū)，一個區(qū)為內部空間（如圖3a所示），一個區(qū)為外部空間（如圖3b所示），在外部空間由于燃燒變化率增加使得在相同燃燒變化標準下可行的區(qū)域縮小。在這種情況下，最佳的點火時刻提前可能無法實現(xiàn)并達到飽和，這是因為點火時刻提前超出了可行范圍。因此，只有在邊界點上達到較為理想的結果。總而言之，無論在何種情況下，本研究期望開發(fā)一種算法能可以實現(xiàn)盡可能高的熱效率，同時避免燃燒波動率惡化。
圖3 不同工況下最優(yōu)熱效率分布圖
控制策略分析
為了降低燃燒波動，構建了雙回路（點火提前回路和燃油噴射回路）反饋控制方案。除了基本的變量約束功能外，在點火提前回路中增加了ES模塊，以提高熱效率，具體控制器結構見圖4。
圖4 控制器整體結構圖
變量限制模塊
在變量限制模塊中點火提前角和燃油噴射參數(shù)是主要控制的參數(shù)，用于控制CA50以及IMEP，這是因為這個兩個參數(shù)與輸入和輸出條件有著強烈的線性關系。每缸的連續(xù)循環(huán)IMEP和CA50值進行取平均，然后作為每缸實際計算的設定值，具體公式如下：
上式中k為循環(huán)數(shù)量；α，β為相關的系數(shù)（0,1）。為了保證每缸循環(huán)變動限值合理，采用基于柱態(tài)統(tǒng)計假設檢驗的控制器求取參照平均值對每缸的IMEP和CA50進行調節(jié)。圖5給出了基于假設檢驗的控制器的示意圖。
圖5 假設檢驗控制的邏輯框圖
圖6為空燃比控制器的詳細程序框圖，在該框圖中輸入控制的燃油噴射量信號是前饋信號，這樣能夠保證排氣歧管處的空燃比（在本研究中該值為1.5），而且點火提前角信號也是前饋信號，已經(jīng)預先校準了MBT的正時。除了前面提到的前饋和反饋結構外，ES功能還包括在火花提前控制回路中，其詳細信息將在下一部分介紹。
圖6 空燃比控制器的詳細程序框圖
效率最優(yōu)模塊
ES模塊被認為是有效的在線優(yōu)化方法，尤其是確定了對應參數(shù)的限制條件。該模塊是基于梯度迭代的優(yōu)化方法，該方法已經(jīng)在確定靜態(tài)圖和動態(tài)系統(tǒng)的極值方面被廣泛應用和證明。具體而言，如果系統(tǒng)的輸入與輸出之間存在某些映射的假設，就可以執(zhí)行ES模塊。在新數(shù)據(jù)到來之前完成最近輸入-輸出數(shù)據(jù)梯度計算，輸入調整將持續(xù)進行直到計算的梯度收斂為零為止，此時獲得了輸入的極值。極值尋找控制器的邏輯框圖見圖7。
圖7極值尋找控制器的邏輯框圖
實驗驗證
實驗是在一臺豐田普銳斯發(fā)動機上開展的，該發(fā)動機采用氣口噴射的方式，通過控制燃油噴射以及節(jié)氣門開度發(fā)動機可以運行在空燃比1.0-1.6的區(qū)間。圖8為實驗設備框圖，表1為實驗工況點選擇表。
圖8 實驗設備框圖
表1 實驗工況點
實驗結果分析
實驗過程中保持發(fā)動機轉速恒定，節(jié)氣門開度恒定，λ保持在1.55。開始實驗時，首先開展冷卻水溫度實驗，用于驗證ES控制器的自我優(yōu)化性能。在開始進行算法試驗時，需要進行該工況MBT定時以及可行工作區(qū)域摸索實驗（分別在80℃和95℃冷卻水溫度套件下開展）。
正如引言中所述，當通過調節(jié)點火角來優(yōu)化熱效率時，最佳的點火角度可能會落在某些約束定義的點火角可行區(qū)域之外。雖然在驗證實驗期間沒有發(fā)生該現(xiàn)象，但是確實發(fā)生了“邊界情況”（最佳的點火角位于可行區(qū)域的邊界），如圖9所示。
圖9 內部區(qū)域以及外部區(qū)域實驗數(shù)據(jù)范例
圖10 點火角以及燃油控制過程
圖11 為了更好地闡述氣缸輸出響應變化的平滑控制過程
圖12 發(fā)動機熱效率數(shù)據(jù)
圖13 輸出結果對比圖
圖14 放熱率曲線對比圖
圖10到14為一個實驗工況的結果。其中，圖10a和圖10b展示了點火角以及燃油控制過程，上游數(shù)據(jù)為輸入命令，下游數(shù)據(jù)為循環(huán)輸出響應。為了便于比較，在最初的650個循環(huán)中，兩路控制輸入均保持恒定（SA回路中保持MBT正時，在燃油噴射回路，保證歧管λ為1.55）。然后，控制器開始工作，氣缸輸入指令開始變化。為了更好地闡述輸出響應，對輸出數(shù)據(jù)進行濾波，結果如圖11。優(yōu)化的CA50變化范圍小于4°ATDC，這明顯小于在理論當量比時的最佳窗口數(shù)據(jù)（8-10°ATDC）。因為在稀薄燃燒下火焰的產(chǎn)生和快速燃燒持續(xù)時間都被延長了，因此需要更長的燃燒過程以達到最佳效率。啟動控制器后，可以明顯觀察到氣缸輸出信號的收斂趨勢，各缸的CA50以及IMEP的明顯失衡現(xiàn)象大大減少，但是熱效率數(shù)據(jù)沒有類似的趨勢，如圖12所示。為了更好地比較控制前后燃燒性能變化，對每缸數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析，結果見圖13所示。通過比較CA50和IMEP的標準化直方圖，可以得出結論，控制后輸出響應的方差減小。假設數(shù)據(jù)是高斯分布，那么直方圖的分布可以支持上述結論?？刂坪蟮臄?shù)據(jù)的擬合方差明顯小于控制前的數(shù)據(jù)。所有實驗點的總體評估結果見表2和表3。
表2 變量約束評估結果
表3 效率提升結果
結論
雖然稀燃燃燒能夠提升發(fā)動機熱效率，但是燃燒波動的增加使混合氣濃度變稀受到了限制；高度稀釋的混合氣會使IMEP以及CA50的循環(huán)波動增加，這不僅對熱效率提升有害，同時也危害駕駛性能。
燃油噴射的控制以及點火時刻的提前是控制IMEP和CA50的關鍵參數(shù)，控制器初始化之后，各缸不均勻性明顯降低。統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析可以很好證明上述結論，引入控制器后燃燒關鍵參數(shù)的變化范圍明顯減少，降幅可達28%。
一種ES算法被用于提升發(fā)動機熱效率，但是該算法是基于預先標定的MAP運行，在實際應用過程中由于環(huán)境的變化以及發(fā)動機老化，離線標定不能保證發(fā)動機達到最佳的熱效率。
廣告 編輯推薦
最新資訊
-
開年豪擲1.8億搶用戶，又一車企加入“價格
2026-03-04 16:05
-
聯(lián)合國法規(guī)R60對兩輪車操縱件與指示裝置的
2026-03-04 12:08
-
標準立項|《汽車異種材料鉚接接頭拉伸性能
2026-03-04 11:40
-
“汽車大角度座椅 第1部分：通用要求”將有
2026-03-04 11:39
-
“汽車大角度座椅 第2部分：可靠性要求”將
2026-03-04 11:39
