论文部分内容阅读
摘 要：增压天然气发动机中进气流量对于燃气喷射脉宽和空燃比控制都有重要作用，对进气流量的计算与预测很有必要。而目前广泛应用在汽油机上的进气流量模型是平均值模型中节气门流量子模型，不适用于增压天然气发动机。本文基于平均值模型中节气门流量子模型和进气歧管子模型，依据大量实验数据，通过拟合经验公式提出了一种改进模型，将改进后的模型用于增压天然气发动机进气流量的预测，并进行了稳态工况和动态工况的验证。结果表明，新模型可以用于稳态工况和动态工况的流量预测。
关键词：增压天然气发动机；流量预测；混合气进气流量；经验公式
中图分类号：TK43 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2015）02-0005-05
Abstract： Intake mixture mass flow rate of turbocharged CNG engine is of great importance to injection pulse width and AF control. Thus， prediction of intake mixture mass flow rate is necessary. Currently widely used model of intake mass flow rate of gasoline engine is derived from Throttle and Intake manifold sub-models of the Mean Value Engine Models. But， it’s not fit for turbocharged CNG engines. Based on the Mean Value Engine Models and data collected， empirically equations were proposed to predict the intake mixture mass flow rate of turbocharged CNG engine in this article. Steady state and transient performances between measured data and simulation was compared. Results show that the model can be used in steady state and transient intake flow prediction.
传统车用内燃机对环保及可持续发展造成了巨大压力。气体代用燃料如天然气、天然气掺氢（HCNG）、焦炉气等气体燃料能更好的燃烧，排放少，具有更大的节能减排潜力，世界各国政府和内燃机工作者越来越重视对燃气发动机的研究。借助成熟的柴油机和汽油机技术， 燃气发动机技术也得到飞速发展。
电控系统是天然气发动机的核心技术，电控程序中采用速度密度法得到空气进气量，然后根据当前目标空燃比，计算得到喷射脉宽[1]。所以空气进气流量是一个重要参数，对于计算喷射脉宽和空燃比的闭环控制都有关键作用。
当发动机处于过渡工况时[2]，由于进气系统存在动态的充排气现象，此时进气歧管压力和转速都处于波动状态，速度密度法计算得到的空气量与实际值有较大偏差，会引起经济性、动力性和排放的变差，因此需要对发动机进气流量进行预测。
Hendricks[3]建立的汽油机平均值模型对节气门处进气流量进行了建模，文献[4][5]分别基于BP神经网络和混合遗传算法建立了汽油机过渡工况进气流量预测模型，进行实时进气流量预测。本文根据Hendricks建立的平均值模型，对天然气发动机节气门处进气流量进行改进建模，并进行稳态和动态工况验证，将该模型用于燃气发动机进气流量的预测。文献[7]对点燃式增压发动机进气系统分为压缩机、中冷器等几个子系统分别进行建模，需要标定的参数很多，模型较复杂。文献[8]对一台预混合点燃式非增压气体机进行了建模，文中将空气和燃气子系统分别进行建模，模型中需要标定的参数、拟合的公式很多，仍然较复杂。本文试图把空气和燃气的混合气作为一个整体进行建模，以得到一个简化的增压天然气发动机混合气流量预测数学模型。
1 平均值模型进气子模型
Hendricks[3]针对自然吸气汽油机节气门处空气流动提出双通道节气门空气流动模型，其描述节气门处空气质量流量的方程为：
其中： 为进入气缸的空气质量流量，kg/s；Vd为发动机排量，m3；R为气体常数，J/（kg?K）； Tm为进气歧管内气体温度，K；ηVo1充气效率；n发动机转速，rpm。
Hendricks针对自然吸气汽油机提出的模型中p1=0.4404， p2 =2.3143， 一项中必须要求pr≤1，而天然气发动机是增压的，在大负荷时，其进气歧管压力是大于周围大气压的，即pr>1，此时公式（3）失效，所以，公式（3）不适用于增压发动机。
天然气发动机为节气门前多点集中喷射[1]，如图1所示，流经节气门处的气体为天然气和空气混合气，得到混合气的质量流量 为 ，根据当前查得的目标空燃比就可以计算得到空气流量和天然气喷射量。
图1 增压天然气发动机进气系统和燃气供给系统
台架试验中，由于流经节气门的混合气体流量不容易直接测量，但是稳态工况下，由空气流量计和燃气流量计得到的混合气流量之和等于流经节气门的混合气体流量。公式（4）描述的是进入气缸的气体流量，而在稳态工况时，在平均意义上，流经节气门的混合气流量和进入气缸的混合气量是相等的，所以可以采用公式（4）对进气流量进行预测，Vd和 Tm可以认为是常数，但充气效率ηvol难以直接测量，如果单独对其进行经验拟合又会增加模型复杂度，R是按照理想气体混合物计算得出的折合气体常数： 下图给出了折合气体常数和空燃比的关系，可以看到，在空燃比[16，32]范围内变化时，R变化范围是[301，293]，变化较小。
2 增压天然气进气模型的修正
2.1进气流量与进气歧管压力的关系
由公式（6）可以看到进气流量和Pman、n存在一定关系。为了研究 同其他参数之间的关系，在一台某公司生产的WP6NG240E50六缸天然气发动机上进行了压缩天然气（CNG）实验。发动机的性能参数如表1所示：
试验发动机的测功机系统采用洛阳南峰机电设备制造有限公司生产的CW260型电涡流测功机系统。CW260型电涡流测功机性能参数如下表2：
发动机空气流量测量采用上海同圆环保科技有限公司生产的热式气体质量流量计Toceil 20N100114LI，测量范围0～1 000 m3/h，测量精度±1%，重复精度±0.24%，响应时间10 ms。CNG流量测量采用首科石化的DFM-1-1-5科氏质量流量计，量程为0～40 kg/h，精度为±0.2%。
图3给出了在800 rpm、1 000 rpm、1 200 rpm、1 400 rpm、1 600 rpm、1 800 rpm、2 000 rpm、2 300 rpm各转速下流经节气门的混合气体流量 随节气门开度α的变化。
从中可以看出，在任一转速下，较小节气门开度下，随着节气门开度α变大， 增加速度较快， 增大到一定值后，节气门开度α继续增加， 只有微小幅度增加，已基本趋于平缓。
内燃机的工况[6]由一组（n，Tload）来唯一确定，负荷的大小和进气歧管压力是正相关的。在某一转速下，节气门开度和进气歧管压力是正相关的。发动机在某个工况下运行时，对应着唯一的转速和进气歧管压力，（n，Pman）可以作为一个工况点的一组表征变量。
从公式（4）中我们可以看到，Pman对于流经节气门的混合气体流量有影响。图4为各转速下流经节气门的混合气体流量 与进气歧管压力Pman之间的关系。
由图中可以看到，在某个确定转速下，流经节气门的混合气体流量 与进气歧管压力Pman之间呈近似的线性关系。
2.2 进气流量关于转速、进气歧管压力的拟合关系式：
上文把（n，Pman）作为工况点的一组表征变量，进一步考虑将转速n和进气歧管压力Pman的乘积作为一个工况点的一组表征变量，观察800 rpm、1 000 rpm、1 200 rpm、1 400 rpm、1 600 rpm、1 800 rpm、2 000 rpm、2 300 rpm等各转速下的n?Pman与混合气进气流量 的关系，我们可以得到图5：
图5中可以看到 与n·Pman之间可能具有线性关系，因此考虑将其拟合为线性关系式：
式中： 为混合气质量流量，kg/h；
f（n， p）=n·Pman，kPa·kprm；b1和b0为系数。
经过相关性检验，其相关系数R2为0.9965，反映出二者之间具有较强的线性正相关关系。
关系式（7）与公式（6）对比，拟合得到的一次项系数b1对应于（6）中n·Pman项的系数 ，
由于其中ηvol和AF不是常数，b1是在平均意义上对所有实验工况点进行的拟合得到的系数，所以存在一定误差，b0即是对上述拟合后的误差进行的平均修正。
基于上述拟合关系式的增压天然气发动机混合气进气流量数学模型形式简单，所需输入变量少，根据当前转速n和当前进气歧管压力Pman，可预测当前的混合气进气流量 。其中的系数b1和b0要通过实验来标定。
3 稳态和动态工况验证
该线性关系式是在稳态工况下得到的经验公式，可以用于稳态工况下天然气发动机流经节气门的混合气流量预测，也可以尝试动态工况下预测，下面分别进行稳态工况和动态工况的验证。
3.1 稳态工况验证
在900 rpm、2 200 rpm下，按照不同节气门开度，将计算得到的 与实际的 对比如下图6、图7。
在低转速900 rpm时计算流量偏小，与实际流量存在一定的静差。高转速2 200 rpm时，节气门开度小于50%时，计算流量与实际流量较为接近，大于50%时，计算流量偏大，与低转速时偏小的趋势相反。
3.2 动态工况验证：
分别在900 rpm、1 500 rpm转速下，节气门开度从20%连续调节到40%，观察混合气进气流量的动态变化，与计算流量进行对比如图8：
动态工况下，计算流量对实际流量的跟随性较好，但计算值均较实际值偏大。900 rpm时，在调节节气门末期，误差逐渐缩小，最后误差基本消除。1 500 rpm时，随着节气门调节，误差先是逐渐增大，接着有所减小，最后存在一个静差。可以看到，该修正后的模型也可以为动态工况下的流量预测提供参考。
4 结论
原平均值模型中节气门流量子模型不适用于天然气增压发动机，经过改进后的混合气进气流量预测模型专门针对于增压天然气发动机，通过实验验证可以看出，其对于预测稳态工况的混合气流量精度较高，用于预测动态工况下的混合气流量精度相对较低。本模型的预测结果可以为计算燃气喷射脉宽和空燃比闭环控制提供一定参考。
参考文献：
[1]陈仁哲.燃气发动机电控系统的软硬件开发[D].北京：清华大学，2011.
[2]欧阳明高，李建秋，杨福源.汽车新型动力系统构型，建模与控制[M].北京：清华大学出版社，2008.191-193.
[3]Hendricks，E.，Chevalier，A.，Jensen，M.，etal.ModellingoftheIntakeManifoldFillingDynamics[C].SAEPaper960037.1996.02.
[4]宫唤春，吴义虎.汽油机过渡工况进气流量的神经网络预测研究[J].车用发动机，2007（04）.
[5]李河清，侯志祥.车用汽油机过渡工况进气流量预测研究[J].汽车工程，2007（07）.
[6]周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，2005， P：268-269.
[7]Müller， M.， Hendricks， E.， Sorenson， S.Mean Value Modelling of Turbocharged Spark Ignition Engines[C]. SAE Paper 980784，1998，02.
[8]石军平.一种预混合点燃式气体燃料发动机的平均值建模[D].合肥：合肥工业大学，2009.
关键词：增压天然气发动机；流量预测；混合气进气流量；经验公式
中图分类号：TK43 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2015）02-0005-05
Abstract： Intake mixture mass flow rate of turbocharged CNG engine is of great importance to injection pulse width and AF control. Thus， prediction of intake mixture mass flow rate is necessary. Currently widely used model of intake mass flow rate of gasoline engine is derived from Throttle and Intake manifold sub-models of the Mean Value Engine Models. But， it’s not fit for turbocharged CNG engines. Based on the Mean Value Engine Models and data collected， empirically equations were proposed to predict the intake mixture mass flow rate of turbocharged CNG engine in this article. Steady state and transient performances between measured data and simulation was compared. Results show that the model can be used in steady state and transient intake flow prediction.
传统车用内燃机对环保及可持续发展造成了巨大压力。气体代用燃料如天然气、天然气掺氢（HCNG）、焦炉气等气体燃料能更好的燃烧，排放少，具有更大的节能减排潜力，世界各国政府和内燃机工作者越来越重视对燃气发动机的研究。借助成熟的柴油机和汽油机技术， 燃气发动机技术也得到飞速发展。
电控系统是天然气发动机的核心技术，电控程序中采用速度密度法得到空气进气量，然后根据当前目标空燃比，计算得到喷射脉宽[1]。所以空气进气流量是一个重要参数，对于计算喷射脉宽和空燃比的闭环控制都有关键作用。
当发动机处于过渡工况时[2]，由于进气系统存在动态的充排气现象，此时进气歧管压力和转速都处于波动状态，速度密度法计算得到的空气量与实际值有较大偏差，会引起经济性、动力性和排放的变差，因此需要对发动机进气流量进行预测。
Hendricks[3]建立的汽油机平均值模型对节气门处进气流量进行了建模，文献[4][5]分别基于BP神经网络和混合遗传算法建立了汽油机过渡工况进气流量预测模型，进行实时进气流量预测。本文根据Hendricks建立的平均值模型，对天然气发动机节气门处进气流量进行改进建模，并进行稳态和动态工况验证，将该模型用于燃气发动机进气流量的预测。文献[7]对点燃式增压发动机进气系统分为压缩机、中冷器等几个子系统分别进行建模，需要标定的参数很多，模型较复杂。文献[8]对一台预混合点燃式非增压气体机进行了建模，文中将空气和燃气子系统分别进行建模，模型中需要标定的参数、拟合的公式很多，仍然较复杂。本文试图把空气和燃气的混合气作为一个整体进行建模，以得到一个简化的增压天然气发动机混合气流量预测数学模型。
1 平均值模型进气子模型
Hendricks[3]针对自然吸气汽油机节气门处空气流动提出双通道节气门空气流动模型，其描述节气门处空气质量流量的方程为：
其中： 为进入气缸的空气质量流量，kg/s；Vd为发动机排量，m3；R为气体常数，J/（kg?K）； Tm为进气歧管内气体温度，K；ηVo1充气效率；n发动机转速，rpm。
Hendricks针对自然吸气汽油机提出的模型中p1=0.4404， p2 =2.3143， 一项中必须要求pr≤1，而天然气发动机是增压的，在大负荷时，其进气歧管压力是大于周围大气压的，即pr>1，此时公式（3）失效，所以，公式（3）不适用于增压发动机。
天然气发动机为节气门前多点集中喷射[1]，如图1所示，流经节气门处的气体为天然气和空气混合气，得到混合气的质量流量 为 ，根据当前查得的目标空燃比就可以计算得到空气流量和天然气喷射量。
图1 增压天然气发动机进气系统和燃气供给系统
台架试验中，由于流经节气门的混合气体流量不容易直接测量，但是稳态工况下，由空气流量计和燃气流量计得到的混合气流量之和等于流经节气门的混合气体流量。公式（4）描述的是进入气缸的气体流量，而在稳态工况时，在平均意义上，流经节气门的混合气流量和进入气缸的混合气量是相等的，所以可以采用公式（4）对进气流量进行预测，Vd和 Tm可以认为是常数，但充气效率ηvol难以直接测量，如果单独对其进行经验拟合又会增加模型复杂度，R是按照理想气体混合物计算得出的折合气体常数： 下图给出了折合气体常数和空燃比的关系，可以看到，在空燃比[16，32]范围内变化时，R变化范围是[301，293]，变化较小。
2 增压天然气进气模型的修正
2.1进气流量与进气歧管压力的关系
由公式（6）可以看到进气流量和Pman、n存在一定关系。为了研究 同其他参数之间的关系，在一台某公司生产的WP6NG240E50六缸天然气发动机上进行了压缩天然气（CNG）实验。发动机的性能参数如表1所示：
试验发动机的测功机系统采用洛阳南峰机电设备制造有限公司生产的CW260型电涡流测功机系统。CW260型电涡流测功机性能参数如下表2：
发动机空气流量测量采用上海同圆环保科技有限公司生产的热式气体质量流量计Toceil 20N100114LI，测量范围0～1 000 m3/h，测量精度±1%，重复精度±0.24%，响应时间10 ms。CNG流量测量采用首科石化的DFM-1-1-5科氏质量流量计，量程为0～40 kg/h，精度为±0.2%。
图3给出了在800 rpm、1 000 rpm、1 200 rpm、1 400 rpm、1 600 rpm、1 800 rpm、2 000 rpm、2 300 rpm各转速下流经节气门的混合气体流量 随节气门开度α的变化。
从中可以看出，在任一转速下，较小节气门开度下，随着节气门开度α变大， 增加速度较快， 增大到一定值后，节气门开度α继续增加， 只有微小幅度增加，已基本趋于平缓。
内燃机的工况[6]由一组（n，Tload）来唯一确定，负荷的大小和进气歧管压力是正相关的。在某一转速下，节气门开度和进气歧管压力是正相关的。发动机在某个工况下运行时，对应着唯一的转速和进气歧管压力，（n，Pman）可以作为一个工况点的一组表征变量。
从公式（4）中我们可以看到，Pman对于流经节气门的混合气体流量有影响。图4为各转速下流经节气门的混合气体流量 与进气歧管压力Pman之间的关系。
由图中可以看到，在某个确定转速下，流经节气门的混合气体流量 与进气歧管压力Pman之间呈近似的线性关系。
2.2 进气流量关于转速、进气歧管压力的拟合关系式：
上文把（n，Pman）作为工况点的一组表征变量，进一步考虑将转速n和进气歧管压力Pman的乘积作为一个工况点的一组表征变量，观察800 rpm、1 000 rpm、1 200 rpm、1 400 rpm、1 600 rpm、1 800 rpm、2 000 rpm、2 300 rpm等各转速下的n?Pman与混合气进气流量 的关系，我们可以得到图5：
图5中可以看到 与n·Pman之间可能具有线性关系，因此考虑将其拟合为线性关系式：
式中： 为混合气质量流量，kg/h；
f（n， p）=n·Pman，kPa·kprm；b1和b0为系数。
经过相关性检验，其相关系数R2为0.9965，反映出二者之间具有较强的线性正相关关系。
关系式（7）与公式（6）对比，拟合得到的一次项系数b1对应于（6）中n·Pman项的系数 ，
由于其中ηvol和AF不是常数，b1是在平均意义上对所有实验工况点进行的拟合得到的系数，所以存在一定误差，b0即是对上述拟合后的误差进行的平均修正。
基于上述拟合关系式的增压天然气发动机混合气进气流量数学模型形式简单，所需输入变量少，根据当前转速n和当前进气歧管压力Pman，可预测当前的混合气进气流量 。其中的系数b1和b0要通过实验来标定。
3 稳态和动态工况验证
该线性关系式是在稳态工况下得到的经验公式，可以用于稳态工况下天然气发动机流经节气门的混合气流量预测，也可以尝试动态工况下预测，下面分别进行稳态工况和动态工况的验证。
3.1 稳态工况验证
在900 rpm、2 200 rpm下，按照不同节气门开度，将计算得到的 与实际的 对比如下图6、图7。
在低转速900 rpm时计算流量偏小，与实际流量存在一定的静差。高转速2 200 rpm时，节气门开度小于50%时，计算流量与实际流量较为接近，大于50%时，计算流量偏大，与低转速时偏小的趋势相反。
3.2 动态工况验证：
分别在900 rpm、1 500 rpm转速下，节气门开度从20%连续调节到40%，观察混合气进气流量的动态变化，与计算流量进行对比如图8：
动态工况下，计算流量对实际流量的跟随性较好，但计算值均较实际值偏大。900 rpm时，在调节节气门末期，误差逐渐缩小，最后误差基本消除。1 500 rpm时，随着节气门调节，误差先是逐渐增大，接着有所减小，最后存在一个静差。可以看到，该修正后的模型也可以为动态工况下的流量预测提供参考。
4 结论
原平均值模型中节气门流量子模型不适用于天然气增压发动机，经过改进后的混合气进气流量预测模型专门针对于增压天然气发动机，通过实验验证可以看出，其对于预测稳态工况的混合气流量精度较高，用于预测动态工况下的混合气流量精度相对较低。本模型的预测结果可以为计算燃气喷射脉宽和空燃比闭环控制提供一定参考。
参考文献：
[1]陈仁哲.燃气发动机电控系统的软硬件开发[D].北京：清华大学，2011.
[2]欧阳明高，李建秋，杨福源.汽车新型动力系统构型，建模与控制[M].北京：清华大学出版社，2008.191-193.
[3]Hendricks，E.，Chevalier，A.，Jensen，M.，etal.ModellingoftheIntakeManifoldFillingDynamics[C].SAEPaper960037.1996.02.
[4]宫唤春，吴义虎.汽油机过渡工况进气流量的神经网络预测研究[J].车用发动机，2007（04）.
[5]李河清，侯志祥.车用汽油机过渡工况进气流量预测研究[J].汽车工程，2007（07）.
[6]周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，2005， P：268-269.
[7]Müller， M.， Hendricks， E.， Sorenson， S.Mean Value Modelling of Turbocharged Spark Ignition Engines[C]. SAE Paper 980784，1998，02.
[8]石军平.一种预混合点燃式气体燃料发动机的平均值建模[D].合肥：合肥工业大学，2009.