廣告
汽油機(jī)稀燃燃燒穩(wěn)定性控制
2019-10-15 00:23:49· 來源：內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)
汽油機(jī)稀燃燃燒穩(wěn)定性控制汽油機(jī)稀燃能夠最大限度提升發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)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(jī)不出現(xiàn)失火或者火焰中斷的情況下，發(fā)動
汽油機(jī)稀燃燃燒穩(wěn)定性控制
汽油機(jī)稀燃能夠最大限度提升發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)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(jī)不出現(xiàn)失火或者火焰中斷的情況下，發(fā)動機(jī)的熱效率隨著過量空氣系數(shù)的增加而增加。因?yàn)殡S著過量空氣系數(shù)的增加，參與燃燒的燃油量變小，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力降低，缸內(nèi)溫度變低，發(fā)動機(jī)壁面熱傳導(dǎo)變少。缸內(nèi)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(nèi)氧濃度增加，如果反應(yīng)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(nèi)溫度變低，NOx濃度也降低。同時缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)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(jī)一般通過改變節(jié)氣門開度來控制進(jìn)氣量調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)的功率輸出，但是稀燃模式可以通過改變噴油來調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)負(fù)荷，減少泵氣損失，發(fā)動機(jī)熱效率增加，油耗率降低。
但是汽油機(jī)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(jī)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(nèi)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(jī)動力性較低，所以稀燃模式一般只用于中小負(fù)荷，在高速大負(fù)荷很難保證發(fā)動機(jī)的功率輸出；在稀燃模式下，稀混合氣相對較難點(diǎn)燃，這對火花塞點(diǎn)火能量以及噴油時刻和點(diǎn)火時刻的配合提出了更高的要求。本期推送將介紹汽油機(jī)稀燃燃燒穩(wěn)定性控制的技術(shù)措施。
圖1為不同空燃比時IMEP以及COV（IMEP）分布圖，當(dāng)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。空燃比對燃燒相位的影響見圖2。圖1的結(jié)果與圖2的結(jié)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(quán)衡燃燒穩(wěn)定性以及熱效率之間的關(guān)系，這也是該研究的主要目的，實(shí)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(dāng)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?yàn)樽罴腰c(diǎn)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(diǎn)火時刻變化關(guān)系劃分為兩個區(qū)，一個區(qū)為內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)下可行的區(qū)域縮小。在這種情況下，最佳的點(diǎn)火時刻提前可能無法實(shí)現(xiàn)并達(dá)到飽和，這是因?yàn)辄c(diǎn)火時刻提前超出了可行范圍。因此，只有在邊界點(diǎn)上達(dá)到較為理想的結(jié)果?？偠灾?，無論在何種情況下，本研究期望開發(fā)一種算法能可以實(shí)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(gòu)建了雙回路（點(diǎn)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(diǎn)火提前回路中增加了ES模塊，以提高熱效率，具體控制器結(jié)構(gòu)見圖4。
圖4 控制器整體結(jié)構(gòu)圖
變量限制模塊
在變量限制模塊中點(diǎn)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?yàn)檫@個兩個參數(shù)與輸入和輸出條件有著強(qiáng)烈的線性關(guān)系。每缸的連續(xù)循環(huán)IMEP和CA50值進(jìn)行取平均，然后作為每缸實(shí)際計(jì)算的設(shè)定值，具體公式如下：
上式中k為循環(huán)數(shù)量；α，β為相關(guān)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(jì)假設(shè)檢驗(yàn)的控制器求取參照平均值對每缸的IMEP和CA50進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖5給出了基于假設(shè)檢驗(yàn)的控制器的示意圖。
圖5 假設(shè)檢驗(yàn)控制的邏輯框圖
圖6為空燃比控制器的詳細(xì)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(diǎn)火提前角信號也是前饋信號，已經(jīng)預(yù)先校準(zhǔn)了MBT的正時。除了前面提到的前饋和反饋結(jié)構(gòu)外，ES功能還包括在火花提前控制回路中，其詳細(xì)信息將在下一部分介紹。
圖6 空燃比控制器的詳細(xì)程序框圖
效率最優(yōu)模塊
ES模塊被認(rèn)為是有效的在線優(yōu)化方法，尤其是確定了對應(yīng)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(yīng)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(shè)，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(jì)算，輸入調(diào)整將持續(xù)進(jìn)行直到計(jì)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
實(shí)驗(yàn)是在一臺豐田普銳斯發(fā)動機(jī)上開展的，該發(fā)動機(jī)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(jī)可以運(yùn)行在空燃比1.0-1.6的區(qū)間。圖8為實(shí)驗(yàn)設(shè)備框圖，表1為實(shí)驗(yàn)工況點(diǎn)選擇表。
圖8 實(shí)驗(yàn)設(shè)備框圖
表1 實(shí)驗(yàn)工況點(diǎn)
實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
實(shí)驗(yàn)過程中保持發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，節(jié)氣門開度恒定，λ保持在1.55。開始實(shí)驗(yàn)時，首先開展冷卻水溫度實(shí)驗(yàn)，用于驗(yàn)證ES控制器的自我優(yōu)化性能。在開始進(jìn)行算法試驗(yàn)時，需要進(jìn)行該工況MBT定時以及可行工作區(qū)域摸索實(shí)驗(yàn)（分別在80℃和95℃冷卻水溫度套件下開展）。
正如引言中所述，當(dāng)通過調(diào)節(jié)點(diǎn)火角來優(yōu)化熱效率時，最佳的點(diǎn)火角度可能會落在某些約束定義的點(diǎn)火角可行區(qū)域之外。雖然在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)期間沒有發(fā)生該現(xiàn)象，但是確實(shí)發(fā)生了“邊界情況”（最佳的點(diǎn)火角位于可行區(qū)域的邊界），如圖9所示。
圖9 內(nèi)部區(qū)域以及外部區(qū)域?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)范例
圖10 點(diǎn)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(yīng)變化的平滑控制過程
圖12 發(fā)動機(jī)熱效率數(shù)據(jù)
圖13 輸出結(jié)果對比圖
圖14 放熱率曲線對比圖
圖10到14為一個實(shí)驗(yàn)工況的結(jié)果。其中，圖10a和圖10b展示了點(diǎn)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(yīng)。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(yīng)，對輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，結(jié)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(dāng)量比時的最佳窗口數(shù)據(jù)（8-10°ATDC）。因?yàn)樵谙”∪紵禄鹧娴漠a(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(dá)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(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見圖13所示。通過比較CA50和IMEP的標(biāo)準(zhǔn)化直方圖，可以得出結(jié)論，控制后輸出響應(yīng)的方差減小。假設(shè)數(shù)據(jù)是高斯分布，那么直方圖的分布可以支持上述結(jié)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(shí)驗(yàn)點(diǎn)的總體評估結(jié)果見表2和表3。
表2 變量約束評估結(jié)果
表3 效率提升結(jié)果
結(jié)論
雖然稀燃燃燒能夠提升發(fā)動機(jī)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(diǎn)火時刻的提前是控制IMEP和CA50的關(guān)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(jì)數(shù)據(jù)分析可以很好證明上述結(jié)論，引入控制器后燃燒關(guān)鍵參數(shù)的變化范圍明顯減少，降幅可達(dá)28%。
一種ES算法被用于提升發(fā)動機(jī)熱效率，但是該算法是基于預(yù)先標(biāo)定的MAP運(yùn)行，在實(shí)際應(yīng)用過程中由于環(huán)境的變化以及發(fā)動機(jī)老化，離線標(biāo)定不能保證發(fā)動機(jī)達(dá)到最佳的熱效率。
廣告 編輯推薦
最新資訊
-
“汽車爬坡試驗(yàn)方法”將有國家標(biāo)準(zhǔn)
2026-03-03 12:44
-
十年耐久監(jiān)管時代：電池系統(tǒng)開發(fā)策略將如何
2026-03-03 12:44
-
聯(lián)合國法規(guī)R59對機(jī)動車備用消聲系統(tǒng)的工程
2026-03-03 12:08
-
聯(lián)合國法規(guī)R58對后下部防護(hù)裝置的工程化約
2026-03-03 12:07
-
聯(lián)合國法規(guī)R57對摩托車前照燈配光性能的工
2026-03-03 12:07
