基于Simulink的柴油引燃式天然气发动机控制模型开发

褚全红， 贾利， 胡勇， 陈志瑞， 智海峰， 穆林

(1. 中国北方发动机研究所(天津)， 天津 300400； 2. 北京易控凌博汽车电子技术有限公司， 北京 100098)



基于Simulink的柴油引燃式天然气发动机控制模型开发

褚全红1， 贾利1， 胡勇1， 陈志瑞1， 智海峰1， 穆林2

(1. 中国北方发动机研究所(天津)， 天津 300400； 2. 北京易控凌博汽车电子技术有限公司， 北京 100098)

为了提高柴油引燃式天然气发动机在中小负荷的热效率，采用具备电子节气门的电子控制系统，利用Simulink软件开发了针对该系统的具有电子节气门控制功能的发动机控制模型，通过自动代码生成工具生成嵌入式代码，并下载至发动机控制器进行试验。试验结果表明，该节气门控制算法具有较好的控制效果，发动机控制算法能够有效控制发动机中小负荷的混合气空燃比，明显提高热效率。

柴油引燃； 天然气发动机； 电子节气门； 控制模型； 代码生成

全球能源危机日益严峻，迫使柴油机行业向着节能方向发展。特别是对于中重型柴油机，由于其工作负荷大，燃油消耗高，涉及国家能源安全，节能要求更加迫切。各项节能方案中，使用替代燃料和高效燃烧方式是极具潜力的两种方案。

替代燃料中，天然气具有热值高、抗暴性好、易于形成均质混合气、安全性高等特点[1-4]，天然气发动机可以达到相同排量柴油机的动力水平[5]，通过采用高压缩比能达到较高的热效率，而且我国的天然气储量丰富[6]，价格低于柴油，因此天然气发动机呈现出快速发展和普及的趋势。另一方面，以柴油引燃天然气为代表的准均质充量压燃(QHCCI)燃烧方式快速发展，在压缩上止点前使用少量柴油大面积引燃缸内的天然气和空气混合气，继承了均质充量压燃(HCCI)燃烧方式的均质、稀燃、大面积同时着火的优良特性，同时又保证了引燃的可靠性，大大提高了实用性。柴油引燃式天然气发动机综合了上述两方面优势，因而具有明显的高效节能优势和发展潜力。

目前，柴油引燃式天然气发动机仍存在一些问题亟待解决，其中比较突出的问题是中小负荷热效率和经济性明显低于柴油机[7-8]。本研究将1台增压中冷柴油机改装为柴油引燃式天然气发动机，增加电子节气门以调整中小负荷的空燃比，针对该发动机开发了集成有电子节气门控制功能的发动机控制系统，并进行了最大柴油替代率下的经济性研究。

1 发动机燃料供给系统改造

试验用柴油引燃式天然气发动的原机是1台高压共轨柴油机，发动机相关参数见表1。

表1 发动机参数

在保留原机柴油供给系统的基础上，柴油引燃式天然气发动机增加了进气道喷射天然气供给系统(见图1)、电子节气门和柴油引燃式天然气发动机控制系统。

柴油引燃式天然气发动机电控单元采集原机配备的各种传感器的信号(如曲轴信号、凸轮轴信号、水温、增压压力温度、轨压等)和天然气系统的相关信号(如天然气温度、压力等)，并控制柴油供给喷射系统(如计量阀、喷油器等)、天然气供给喷射系统(如喷气阀、截止阀等)和电子节气门。本研究的柴油引燃式天然气发动机控制模型是在上述燃料供给系统的基础上开发的。

2 发动机控制策略与模型搭建

2.1 控制策略

柴油引燃式天然气发动机控制软件框架见图2。其中，电子节气门采用PID闭环控制算法，控制逻辑见图3。首先根据发动机转速和指示扭矩查表得到节气门目标开度，然后进行PID闭环控制，输出变量为PWM占空比，控制信号经过驱动电路输出给电子节气门。

2.2 模型搭建

根据上述控制策略，利用Simulink软件搭建发动机控制模型，模型见图4。模型由硬件配置部分、部件信号采集部分、发动机控制部分、部件驱动部分组成。其中硬件配置部分可以在Simulink中对控制器各输入通道的参数进行配置；部件信号采集部分将控制器采集到的各个传感器原始信号转换为物理值；发动机控制部分根据传感器信号判断发动机工作状态，并计算控制输出；部件驱动部分将控制输出转换为控制器硬件的输出信号并输出控制信号。

借助Simulink提供的代码生成功能和自主开发的自动代码生成工具箱，将上述模型自动转换为嵌入式代码，并自动调用CodeWarrior集成开发环境中的编译器进行代码编译，然后使用下载器将代码下载至控制器中。上述流程见图5。

3 试验设备和方法

试验台架采用HD460电涡流测功机、KMA 4000智能油耗仪、CMF025M319NQBPMZZZ质量流量计和TOCEIL-20N150进气热式气体质量流量计。试验选用了两种燃料，分别是国产0号柴油以及车用天然气。

试验工况点选择了中低转速1 200 r/min和中高转速1 800 r/min两条转速曲线，每条转速曲线从100 N·m开始以100 N·m为增加步长进行试验。对于每个工况点，首先保持节气门100%开度，进行柴油机原机性能试验和双燃料试验，在双燃料试验中逐渐减小节气门开度，并相应减少引燃油量和燃气量，以保持发动机扭矩不变，直至出现发动机输出无明显变化或工作不正常或排温较高等情况。调节节气门开度时不对引燃油提前角进行调节。试验过程中测量的参数包括发动机转速、扭矩、节气门位置、进气空气流量、燃油流量、天然气流量等。

4 试验结果及分析

4.1 电子节气门控制

电子节气门控制效果见图6。可以看到，电子节气门开度的稳态误差几乎为0；为保证响应的快速性，在瞬态响应过程存在一定超调量。控制效果可以满足本试验对稳态高精度的要求。

4.2 过量空气系数

柴油引燃式天然气发动机的主要燃料为天然气，相较于柴油，天然气对混合气浓度较为敏感，过浓或过稀都不利于火焰传播，从而影响燃烧效率甚至燃烧稳定性。

混合气过量空气系数的定义为

φa=qair/(qair，gas+qair，die)。

式中：φa为混合气过量空气系数；qair为空气进气量；qair，gas为天然气完全燃烧所需空气量；qair，die为柴油完全燃烧所需空气量。

发动机燃用纯柴油和柴油引燃天然气时的混合气过量空气系数见图7。可以看出，在柴油引燃天然气模式下，当节气门全开时，虽然过量空气系数相较于使用纯柴油有所降低，但仍然超过2，此时天然气火焰已经无法传播，只有引燃柴油附近区域的天然气才能燃烧。随着节气门开度的减小，并相应减少燃气量，过量空气系数可以减小至1.6附近，这有利于燃气的燃烧，并且混合气仍然处于稀燃状态。

4.3 发动机有效热效率

发动机燃用纯柴油和柴油引燃天然气时的有效热效率见图8。可以看出，在1 200 r/min和1 800 r/min下的中小负荷，当节气门全开，即不通过节气门控制空燃比时，由于混合气偏稀，有效热效率最低。随着节气门开度减小，混合气浓度得到改善，有利于天然气火焰传播，有效热效率逐渐增加，且中高转速(1 800 r/min)下的增幅高于中低转速(1 200 r/min)，平均提高约5%。双燃料模式下，中高转速的绝大部分中小负荷点所能达到的最高有效热效率基本与使用纯柴油时持平。

为了更清晰地反映柴油引燃式天然气发动机相对于原柴油机有效热效率的变化，可以定义双燃料工作效率：

η=ηDF/ηDie×100%。

式中：η为双燃料工作效率；ηDF为双燃料模式的有效热效率；ηDie为纯柴油模式的有效热效率。当η>100%时，说明双燃料模式下的有效热效率高于纯柴油模式；当η<100%时，说明双燃料模式下的有效热效率低于纯柴油模式。

双燃料工作效率见图9。可以看出，1 200r/min时，相同负荷下，通过调节节气门开度，双燃料工作效率提升了2%～8%，最高达到90%。1 800r/min下除最小负荷点外，双燃料工作效率提升了10%～20%，最高达到97%，基本与柴油机原机持平。这说明通过节气门控制空燃比可以有效提高柴油引燃式天然气发动机的有效热效率，使其达到原柴油机的热效率水平。

5 结论

a) 使用由Simulink软件搭建的柴油引燃式天然气发动机控制模型，可以对发动机的柴油供给系统、天然气供给系统、节气门进行控制，稳态控制效果良好；

b) 使用自主开发的基于Simulink的自动代码生成工具可以方便地将Simulink模型转换为嵌入式代码并自动下载至控制器；

c) 通过控制节气门开度，并相应调节引燃油量和燃气量，可以有效调节混合气的过量空气系数，显著提高发动机中小负荷的有效热效率，达到柴油机原机水平；

d) 柴油引燃式天然气发动机的过量空气系数最优值在1.6附近。

[1] 欧阳明高,李建秋,杨福源，等.汽车新型动力系统：构型、建模与仿真[M].北京:清华大学出版社,2008.

[2] 林志强,苏万华.柴油引燃式天然气发动机最佳引燃柴油量及过量空气系数浓限、稀限的研究[J].内燃机学报,2002,20(6)：505-510.

[3] 李克,杨铁皂,徐斌，等.天然气/柴油双燃料发动机研发现状及发展[J].河南科技大学学报(自然科学版),2004,25(2):28-32.

[4] 姚春德,刘增勇,高昌卿，等.柴油引燃天然气的双燃料燃烧机理的研究[J].工程热物理学报,2002,23(6)：761-763.

[5] 方成,杨福源,欧阳明高，等．重型柴油机柴油/天然气双燃料系统开发[C]//2012年度APC联合学术年会论文集.广州：中国内燃机学会，2012.

[6] 宋明智．中国天然气产业发展策略研究[J]．资源与产业，2012,14(4):12-18.

[7] 刘杰,杨福源,穆林,等.基于最大燃油替代率的天然气/柴油双燃料发动机排放性能研究[C]//2012年度APC联合学术年会论文集.广州：中国内燃机学会，2012.

[8]SahooBB.Effectofengineparametersandtypeofgaseousfuelontheperformanceofdualfuelgasdieselengines：ACriticalReview[J].RenewableandSustainableEnergyReviews，2009，13：1151-1184.

[编辑： 潘丽丽]

Development of Control Model for Diesel Ignited NG Engine Based on Simulink

CHU Quanhong1， JIA Li1， HU Yong1， CHEN Zhirui1， ZHI Haifeng1， MU Lin2

(1. China North Engine Research Institute (Tianjin)， Tianjin 300400， China；2. ECTEK Automotive Electronics, Co., Ltd.， Beijing 100098， China)

In order to improve the thermal efficiency of diesel ignited natural gas engine at medium and low load, an electronic control system equipped with electronic throttle valve was introduced. The engine control model with electronic throttle valve control function for the system was developed with Simulink software. Then embedded code was generated with code generation tool and was downloaded to the controller for test use. The results show that the control algorithm of throttle valve is effective. The engine control algorithm can control the air-fuel ratio of mixture effectively at medium and low load so that the engine thermal efficiency improves obviously.

diesel ignited； natural gas engine; electronicthrottlevalve; control model； code generation

2015-08-27；

2015-12-01

褚全红(1968—)，男，研究员，研究方向为发动机控制系统及内燃机测试仪器等；dtaddz@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.06.005

TK464

B

1001-2222(2015)06-0023-04