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摘要：基于稳压源废气控制阀的控制机理，试验研究不同工况下的稳压源废气控制阀对发动机性能的影响，通过试验得出：稳压源废气控制阀可以降低发动机低负荷工况的泵气损失，提高发动机经济性1%～2%。
Abstract： Based on the control mechanism of the control valve， the influence of the control valve on the engine performance under different working conditions is studied experimentally. The results show that the control valve can reduce the pumping loss of the engine under low load condition and improve the engine economy by 1%～2%.
关键词：稳压源废气控制阀;天然气发动机;负荷特性;瞬态响应
Key words： steady pressure wastegate control valve;natural gas engine;load characteristic curve;transient response
中图分类号：U448.213 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）20-0039-05
0 引言
隨着天然气发动机国六时代的到来，对发动机增压控制及排放要求也越来越严格;目前，国内市场普遍采用的是废气控制阀控制增压器，天然气发动机废气控制阀通过脉宽调制（Pulse width modulation，PWM）占空比（简称PWM_DC）调节其出口压力来控制增压器的增压能力，继而由增压器提供一个和发动机负荷相适应的可变的进气增压压力[1]。此方法存在问题较多，由于供气位置是从进气管或者节气门前，发动机在低负荷工况下运行时，进气管压力较低导致废气阀进气压力值较低，无法推动增压器调节阀，不利于增压器控制;本文引入一种新的稳压气源废气控制阀，从整车空气压缩罐中取气，气源稳定，能够更精确的控制增压器压力，达到控制排放和降低气耗的作用。
1 稳压源废气控制阀的控制原理
稳压源废气控制阀为开关电磁阀。在不同的PWM_DC信号控制下，流出其内部的流体（废气控制阀内部介质为气体）压力如图1所示。由图1可知，与传统的电磁阀相比，稳压源电磁阀有效工作区间较宽，出气口压力可以从0.5bar～1.8bar，能够满足不同类型的增压器调压阀使用需求。究其原因，稳定的供气压力是稳压放气阀工作的基础，通过出口位置的压力传感器测出的实时压力，经过芯片内部的PID控制，保证稳定的输出压力。
废气控制阀在PWM信号控制下，当发动机实际进气压力小于设定进气压力时，ECU输出PWM_DC减小，稳压源废气控制阀出气口压力变小，这样推动增压器废气旁通阀的压力变小，排气能量增大，直至发动机实际进气压力与设定压力相等;相反地，当发动机实际进气压力大于设定进气压力时，ECU输出PWM_DC减小，稳压源废气控制阀出气口压力变大，这样推动增压器废气旁通阀的压力变大，排气能量减小，直至发动机实际进气压力与设定压力相等[1]。
2 稳压源废气控制阀控制策略
稳压源废气控制阀输出压力通过管路进入增压器废气旁通阀，根据当前发动机负荷需求控制其出口的压力，气体通过增压器旁通阀气室内的弹性膜片及弹簧机构，与作用在旁通阀阀盖前后的涡前压力及涡后压力的合力最终转化为阀杆的位移，图2为废气控制阀与增压器旁通阀关系见图进气压力与阀杆位移的关系可表示为[1]：
pA=B×L+p0（1）
其中：pA为进气压力;B为弹簧系数;L为阀杆位移量;p0为弹簧预紧力。
发动机运行后，稳压源废气控制阀分为开环控制和闭环控制。开环控制为根据不同的转速和负荷，向稳压废气控制阀输出固定的PWM_DC值，使增压器废气旁通阀开启相同的位置[2～5];闭环控制是ECU根据发动机运行的工况进行判定，当转速及进气压力满足设定需求时，增压器进入闭环控制，以增压器压力设定值为导向，通过PID调整向稳压废气控制阀输出固定的PWM_DC值，调整实测的进气管压力和设定值之间的偏差，使发动机进气量满足当前负荷需求，具体的控制策略见图3。
3 稳压源废气控制阀的性能研究试验
在台架试验中，天然气发动机的主要技术参数及配置如表1所示。
3.1 稳态工况下稳压源废气控制阀研究
发动机运行在稳态工况特别是低负荷工况时，进气管压力（Manifold Air Pressure以下简称MAP）较小，绝对压力低于大气压力，发动机主要通过节气门的限流作用控制进气量，使发动机维持在低扭矩;如果使用传统的PWM废气控制阀，废气控制阀气源从节气门前取气，导致输出的压力值较低，无法推动增压器废气旁通阀，增压器处于全增压状态，增加了泵气损失，发动机经济性降低[6～8];使用稳压源废气控制阀时，在低负荷工况时，可以设定PWM_DC值，使增压器废气旁通阀全部放气，增压器处于无增压状态，这样降低了泵气损失，相同的扭矩工况下，节气门开度更大，能够有效的降低节气门的限流作用，提高发动机的经济性[9～12]。分别选取发动机转速在1200r/min和1600r/min，节气门开度（Throttle Position Sensor以下简称TPS）为10%～30%时，验证稳压源废气控制阀在PWM_DC值在5%和90%（5%对应增压器处于全增压状态，90%对应增压器处于全放气状态）时发动机的运行情况;图4和图5分别是1200r/min，TPS为10%～30%对应的扭矩和MAP对比曲线，从结果分析得出，TPS在20%以下时，MAP与扭矩基本一致，对发动机性能无影响;当TPS在20%～30%时，随着TPS的增加，MAP与扭矩增加明显。根据试验结果得出下一步验证方案，针对TPS在20%～30%时，扭矩在200N·m～600N·m时，设定不同的PWM_DC值，验证发动机经济性。图6和图7分别是1600r/min，TPS为10%～30%对应的扭矩和MAP对比曲线，试验结论与1200r/min一致。 根据上述试验结果制定试验方案，分别选取发动机转速在1200r/min和1600r/min，扭矩分别为200N·m～600N·m时，验证稳压源废气控制阀在PWM_DC值在5%和90%时发动机的运行情况;图8和图9分别是1200r/min，扭矩分别为200N·m～600N·m时，MAP和TPS对比曲线，从结果分析得出随着扭矩的增加，PWM_DC值在90%时需求的MAP值明显小于5%时，节气门开度明显大于5%时，说明稳压放气阀在低扭矩时能够提高进气效率;图10和图11分别是扭矩分别为200N·m～600N·m时，燃气消耗量（Specific Fuel Consumption以下简称SFC）和燃气消耗率（Brake Specific Fuel Consumption以下简称BSFC）对比曲线，从结果分析得出，同样的转速和扭矩需求下，PWM_DC值在90%时SFC比PWM_DC值为10%时少了0.12kg～0.31kg，BSFC少了3.6g/kWh～4.9g/kWh;图12～图15为1600r/min，扭矩分别为200N·m～600N·m时，MAP和TPS对比曲线，从结果分析得出结论与1200r/min一致。
3.2 稳压源废气控制阀对燃烧产生的影响
选取发动机转速为800r/min，扭矩为600N·m，对比稳压源放气阀和传统放气阀在进气冲程和排气冲程的缸压曲线，可以得出，相同的工况下，稳压源废气控制阀进气效率高，MAP值比传统废气阀低，由于稳压源放气阀可以在该工况下将增压器放气阀全部打开，所以排气压力要比传统废气阀低很多，通过图16两种废气阀的对比曲线可以看出，稳压源放气阀降低了泵气损失，提高了经济性[13～15]。
3.3 稳压源废气控制阀对负荷特性产生的影响
发动机负荷特性表征在相同的转速下，随着油门开度的增加，发动机实际输出扭矩的情况，传统的废气阀，由于从PTP位置取气，在增压器开始介入工作时，无法实际控制输出压力将增压器放气阀打开，此状态下增压器开始工作时为全增压状态，增压器在全增压状态与受控状态之间切换时，会导致负荷变化太快，司机在实际驾驶过程中出现动力性猛增、整车突窜的问题，使用稳压源废气控制阀可以避免在增压器负荷变化时导致的负荷突变，由于增压器全程受控，可以设定不同的Boost Reference值，使负荷特性平顺过度，彻底解决该问题。图17为稳压源废气控制阀和传统的废气控制閥负荷特性对比曲线，可以看出传统废气阀在节气门开度为20%～40%区间比较陡，稳压源废气阀可以通过控制PWM_DC将负荷特性平顺过度，提高了驾驶舒适性。
3.4 瞬态工况下稳压源废气控制阀控制研究
发动机在整车运行时，特别是在公路上行驶时，运行工况主要为瞬态工况，即发动机转速及负荷处于连续变化状态，增压器的瞬态控制对整车的响应性起着最主要的作用[16]，精确的瞬态控制直接影响了驾驶的动力性和舒适性。稳压源废气控制阀结构采用PWM_DC前馈+PID调整的方式来进行瞬态调节，与传统的废气控制阀相比，稳压源废气控制阀有明显的优势，前馈表采用的是基于转速和MAP的二维表，发动机运行到对应的工况时，ECU控制PWM_DC值首先从前馈表中差值计算得出，然后根据当前的进气管压力设定值（Boost Refrence）和MAP的差值进行PID控制调节，最终使得Boost error值控制在±1kPa，图18稳压源废气控制阀结构，在瞬态运行过程中的实际效果图，可以看出，发动机负荷变化时，MAP迅速平稳的响应到Boost Reference值，提高了发动机的稳定性和响应性。
3.5 稳压源废气控制阀对经济性的影响
基于稳压源废气控制阀的各项优势，在台架上分别对同一台发动机更换为稳压源废气阀和传统废气阀进行标准的WHTC循环进行测试，对比循环气耗率见表2，通过结果得出稳压源废气控制阀能有效的降低WHTC循环气耗率1%，明显的降低了循环气耗。
4 结论
①稳压源放气阀降低了泵气损失，有效的提高了经济性，经济性优势提升1%～2%;
②稳压源废气阀可以通过控制PWM_DC将负荷特性平顺过度，提高了驾驶舒适性;
③稳压源废气控制阀结构，能够明显提高了发动机的稳定性和响应性。
参考文献：
[1]周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，2005.
[2]朱昌吉，王立军，邢喜村，等.旁通阀开度对增压中冷CNG发动机性能影响的研究[J].车用发动机，2009（2）：39-41.
[3]彭成成，李德刚，韩晓梅，等.废气涡轮增压器旁通阀开度优化研究[J].科学技术与工程，2014，14（19）：233-237.
[4]龚金科，陈长友，胡辽平，等.电控旁通阀涡轮增压器匹配计算研究[J].湖南大学学报（自然科学版），2016，43（8）：1-7.
[5]汪恩波，吴敏，黄贤龙，等.国Ⅴ天然气发动机增压器匹配试验研究[J].内燃机，2017（6）：41-44.
[6]倪计民，李冬冬，石秀勇，等.旁通阀控制策略对增压汽油机瞬态响应性能的影响[J].车用发动机，2016（2）：81-87.
[7]张帆，张孔明，刘敬平，等.天然气发动机增压器分析与匹配优化研究[J].内燃机，2014（5）：31-33.
[8]刘博，胡志龙，李华雷，等.可调二级机构增压柴油机旁通阀特性和调节规律的试验[J].内燃机学报，2012，30（1）：72-78.
[9]郭凡，刘然，王义夫，等.废气旁通阀初始开度对部分负荷性能影响的研究[J].小型内燃机与车辆技术，2015，44（1）：13-17.
[10]SUZUKI T， HIRAI Y， IKEYA N. Electrically assisted turbo-charger as an enabling technology for improved fuel economy in new European driving cycle operation[C]//11th International Conference on Turbochargers and Turbocharging， London，UK：British Museum，2014：217-226.
[11]V D BELLIS， S MARELLI， F BOZZA， et al. 1D simulation and experimental analysis of turbocharger turbine for automotive engines under steady and unsteady flow conditions[J]. Italy：University of Genoa，2014，909-918.
[12]高惠蛟，范凤雷，孙霞，等.某天然气发动机增压器废气旁通阀失效故障的解决[J].汽车零部件，2017（12）：60-64.
[13]王腾飞.天然气发动机涡轮增压器旁通阀的开度优化研究[C].四川省汽车工程学会、成都市汽车工程学会.四川省第十三届汽车学术年会论文集.四川省汽车工程学会、成都市汽车工程学会：四川省汽车工程学会，2017：158-168.
[14]刘廷.增压车用天然气发动机增压器匹配及性能优化[D].湖南大学，2016.
[15]范文可.小排量增压汽油机增压系统匹配与性能优化[D]. 湖南大学，2017.
[16]罗修超，施崇槐，余波，等.重型增压预混天然气发动机动力性和排放性试验研究[J].内燃机，2015（6）：35-37.
Abstract： Based on the control mechanism of the control valve， the influence of the control valve on the engine performance under different working conditions is studied experimentally. The results show that the control valve can reduce the pumping loss of the engine under low load condition and improve the engine economy by 1%～2%.
关键词：稳压源废气控制阀;天然气发动机;负荷特性;瞬态响应
Key words： steady pressure wastegate control valve;natural gas engine;load characteristic curve;transient response
中图分类号：U448.213 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）20-0039-05
0 引言
隨着天然气发动机国六时代的到来，对发动机增压控制及排放要求也越来越严格;目前，国内市场普遍采用的是废气控制阀控制增压器，天然气发动机废气控制阀通过脉宽调制（Pulse width modulation，PWM）占空比（简称PWM_DC）调节其出口压力来控制增压器的增压能力，继而由增压器提供一个和发动机负荷相适应的可变的进气增压压力[1]。此方法存在问题较多，由于供气位置是从进气管或者节气门前，发动机在低负荷工况下运行时，进气管压力较低导致废气阀进气压力值较低，无法推动增压器调节阀，不利于增压器控制;本文引入一种新的稳压气源废气控制阀，从整车空气压缩罐中取气，气源稳定，能够更精确的控制增压器压力，达到控制排放和降低气耗的作用。
1 稳压源废气控制阀的控制原理
稳压源废气控制阀为开关电磁阀。在不同的PWM_DC信号控制下，流出其内部的流体（废气控制阀内部介质为气体）压力如图1所示。由图1可知，与传统的电磁阀相比，稳压源电磁阀有效工作区间较宽，出气口压力可以从0.5bar～1.8bar，能够满足不同类型的增压器调压阀使用需求。究其原因，稳定的供气压力是稳压放气阀工作的基础，通过出口位置的压力传感器测出的实时压力，经过芯片内部的PID控制，保证稳定的输出压力。
废气控制阀在PWM信号控制下，当发动机实际进气压力小于设定进气压力时，ECU输出PWM_DC减小，稳压源废气控制阀出气口压力变小，这样推动增压器废气旁通阀的压力变小，排气能量增大，直至发动机实际进气压力与设定压力相等;相反地，当发动机实际进气压力大于设定进气压力时，ECU输出PWM_DC减小，稳压源废气控制阀出气口压力变大，这样推动增压器废气旁通阀的压力变大，排气能量减小，直至发动机实际进气压力与设定压力相等[1]。
2 稳压源废气控制阀控制策略
稳压源废气控制阀输出压力通过管路进入增压器废气旁通阀，根据当前发动机负荷需求控制其出口的压力，气体通过增压器旁通阀气室内的弹性膜片及弹簧机构，与作用在旁通阀阀盖前后的涡前压力及涡后压力的合力最终转化为阀杆的位移，图2为废气控制阀与增压器旁通阀关系见图进气压力与阀杆位移的关系可表示为[1]：
pA=B×L+p0（1）
其中：pA为进气压力;B为弹簧系数;L为阀杆位移量;p0为弹簧预紧力。
发动机运行后，稳压源废气控制阀分为开环控制和闭环控制。开环控制为根据不同的转速和负荷，向稳压废气控制阀输出固定的PWM_DC值，使增压器废气旁通阀开启相同的位置[2～5];闭环控制是ECU根据发动机运行的工况进行判定，当转速及进气压力满足设定需求时，增压器进入闭环控制，以增压器压力设定值为导向，通过PID调整向稳压废气控制阀输出固定的PWM_DC值，调整实测的进气管压力和设定值之间的偏差，使发动机进气量满足当前负荷需求，具体的控制策略见图3。
3 稳压源废气控制阀的性能研究试验
在台架试验中，天然气发动机的主要技术参数及配置如表1所示。
3.1 稳态工况下稳压源废气控制阀研究
发动机运行在稳态工况特别是低负荷工况时，进气管压力（Manifold Air Pressure以下简称MAP）较小，绝对压力低于大气压力，发动机主要通过节气门的限流作用控制进气量，使发动机维持在低扭矩;如果使用传统的PWM废气控制阀，废气控制阀气源从节气门前取气，导致输出的压力值较低，无法推动增压器废气旁通阀，增压器处于全增压状态，增加了泵气损失，发动机经济性降低[6～8];使用稳压源废气控制阀时，在低负荷工况时，可以设定PWM_DC值，使增压器废气旁通阀全部放气，增压器处于无增压状态，这样降低了泵气损失，相同的扭矩工况下，节气门开度更大，能够有效的降低节气门的限流作用，提高发动机的经济性[9～12]。分别选取发动机转速在1200r/min和1600r/min，节气门开度（Throttle Position Sensor以下简称TPS）为10%～30%时，验证稳压源废气控制阀在PWM_DC值在5%和90%（5%对应增压器处于全增压状态，90%对应增压器处于全放气状态）时发动机的运行情况;图4和图5分别是1200r/min，TPS为10%～30%对应的扭矩和MAP对比曲线，从结果分析得出，TPS在20%以下时，MAP与扭矩基本一致，对发动机性能无影响;当TPS在20%～30%时，随着TPS的增加，MAP与扭矩增加明显。根据试验结果得出下一步验证方案，针对TPS在20%～30%时，扭矩在200N·m～600N·m时，设定不同的PWM_DC值，验证发动机经济性。图6和图7分别是1600r/min，TPS为10%～30%对应的扭矩和MAP对比曲线，试验结论与1200r/min一致。 根据上述试验结果制定试验方案，分别选取发动机转速在1200r/min和1600r/min，扭矩分别为200N·m～600N·m时，验证稳压源废气控制阀在PWM_DC值在5%和90%时发动机的运行情况;图8和图9分别是1200r/min，扭矩分别为200N·m～600N·m时，MAP和TPS对比曲线，从结果分析得出随着扭矩的增加，PWM_DC值在90%时需求的MAP值明显小于5%时，节气门开度明显大于5%时，说明稳压放气阀在低扭矩时能够提高进气效率;图10和图11分别是扭矩分别为200N·m～600N·m时，燃气消耗量（Specific Fuel Consumption以下简称SFC）和燃气消耗率（Brake Specific Fuel Consumption以下简称BSFC）对比曲线，从结果分析得出，同样的转速和扭矩需求下，PWM_DC值在90%时SFC比PWM_DC值为10%时少了0.12kg～0.31kg，BSFC少了3.6g/kWh～4.9g/kWh;图12～图15为1600r/min，扭矩分别为200N·m～600N·m时，MAP和TPS对比曲线，从结果分析得出结论与1200r/min一致。
3.2 稳压源废气控制阀对燃烧产生的影响
选取发动机转速为800r/min，扭矩为600N·m，对比稳压源放气阀和传统放气阀在进气冲程和排气冲程的缸压曲线，可以得出，相同的工况下，稳压源废气控制阀进气效率高，MAP值比传统废气阀低，由于稳压源放气阀可以在该工况下将增压器放气阀全部打开，所以排气压力要比传统废气阀低很多，通过图16两种废气阀的对比曲线可以看出，稳压源放气阀降低了泵气损失，提高了经济性[13～15]。
3.3 稳压源废气控制阀对负荷特性产生的影响
发动机负荷特性表征在相同的转速下，随着油门开度的增加，发动机实际输出扭矩的情况，传统的废气阀，由于从PTP位置取气，在增压器开始介入工作时，无法实际控制输出压力将增压器放气阀打开，此状态下增压器开始工作时为全增压状态，增压器在全增压状态与受控状态之间切换时，会导致负荷变化太快，司机在实际驾驶过程中出现动力性猛增、整车突窜的问题，使用稳压源废气控制阀可以避免在增压器负荷变化时导致的负荷突变，由于增压器全程受控，可以设定不同的Boost Reference值，使负荷特性平顺过度，彻底解决该问题。图17为稳压源废气控制阀和传统的废气控制閥负荷特性对比曲线，可以看出传统废气阀在节气门开度为20%～40%区间比较陡，稳压源废气阀可以通过控制PWM_DC将负荷特性平顺过度，提高了驾驶舒适性。
3.4 瞬态工况下稳压源废气控制阀控制研究
发动机在整车运行时，特别是在公路上行驶时，运行工况主要为瞬态工况，即发动机转速及负荷处于连续变化状态，增压器的瞬态控制对整车的响应性起着最主要的作用[16]，精确的瞬态控制直接影响了驾驶的动力性和舒适性。稳压源废气控制阀结构采用PWM_DC前馈+PID调整的方式来进行瞬态调节，与传统的废气控制阀相比，稳压源废气控制阀有明显的优势，前馈表采用的是基于转速和MAP的二维表，发动机运行到对应的工况时，ECU控制PWM_DC值首先从前馈表中差值计算得出，然后根据当前的进气管压力设定值（Boost Refrence）和MAP的差值进行PID控制调节，最终使得Boost error值控制在±1kPa，图18稳压源废气控制阀结构，在瞬态运行过程中的实际效果图，可以看出，发动机负荷变化时，MAP迅速平稳的响应到Boost Reference值，提高了发动机的稳定性和响应性。
3.5 稳压源废气控制阀对经济性的影响
基于稳压源废气控制阀的各项优势，在台架上分别对同一台发动机更换为稳压源废气阀和传统废气阀进行标准的WHTC循环进行测试，对比循环气耗率见表2，通过结果得出稳压源废气控制阀能有效的降低WHTC循环气耗率1%，明显的降低了循环气耗。
4 结论
①稳压源放气阀降低了泵气损失，有效的提高了经济性，经济性优势提升1%～2%;
②稳压源废气阀可以通过控制PWM_DC将负荷特性平顺过度，提高了驾驶舒适性;
③稳压源废气控制阀结构，能够明显提高了发动机的稳定性和响应性。
参考文献：
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[4]龚金科，陈长友，胡辽平，等.电控旁通阀涡轮增压器匹配计算研究[J].湖南大学学报（自然科学版），2016，43（8）：1-7.
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[9]郭凡，刘然，王义夫，等.废气旁通阀初始开度对部分负荷性能影响的研究[J].小型内燃机与车辆技术，2015，44（1）：13-17.
[10]SUZUKI T， HIRAI Y， IKEYA N. Electrically assisted turbo-charger as an enabling technology for improved fuel economy in new European driving cycle operation[C]//11th International Conference on Turbochargers and Turbocharging， London，UK：British Museum，2014：217-226.
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[15]范文可.小排量增压汽油机增压系统匹配与性能优化[D]. 湖南大学，2017.
[16]罗修超，施崇槐，余波，等.重型增压预混天然气发动机动力性和排放性试验研究[J].内燃机，2015（6）：35-37.