關(guān)于封閉式靜音發(fā)電機(jī)低溫燃燒／壓燃（LTC／CI）燃燒模式切換過(guò)程中的瞬態(tài)控制問(wèn)題，提出并開(kāi)發(fā)了組合燃燒模式下的燃油機(jī)構(gòu)和空氣裝置協(xié)調(diào)控制方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用油氣協(xié)調(diào)的控制措施，燃燒模式轉(zhuǎn)換快速平穩(wěn)，保證了LTC的減排效果。

　　靜音發(fā)電機(jī)低溫燃燒（LTC），既能夠產(chǎn)生較低的排放，又能夠保持較高的燃燒效率，在最近10多年來(lái)，成為學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)［1－3］。一般可以通過(guò)燃料早噴、小錐角噴油器噴油和燃料晚噴的方式實(shí)現(xiàn)LTC。燃料晚噴的方式是通過(guò)在上止點(diǎn)附近噴射柴油和高廢氣再循環(huán)（EGR）率來(lái)提升預(yù)混合比例和降低燃燒溫度。這種方式不需要對(duì)燃燒室進(jìn)行重新匹配，燃燒相位可以通過(guò)噴油定期控制［4－6］。本文采用燃料晚噴來(lái)實(shí)現(xiàn) LTC。但是，這種LTC局限在中低負(fù)荷工況，其他工況仍然需要使用傳統(tǒng)的壓燃（CI）:EGR會(huì)致使燃燒惡化，使燃油經(jīng)濟(jì)性變差，噪音增加；高EGR率雖然可以延遲滯燃期，當(dāng)負(fù)荷變大，噴油持續(xù)期變長(zhǎng)，燃燒惡化的程度也會(huì)使碳煙排放量增大［7］。當(dāng)LTC使用區(qū)域的邊界時(shí)，需要切換回CI燃燒。

　　國(guó)內(nèi)外對(duì)集裝箱發(fā)電機(jī)LTC／CI燃燒模式轉(zhuǎn)換及其控制舉措探求的報(bào)道并不多。Michigan大學(xué)的Busch等［8］在一臺(tái)四缸1.9L室外型靜音發(fā)電機(jī)上探求了LTC／CI燃燒模式轉(zhuǎn)換時(shí)的NOx排放，指出快速的燃油壓力建立流程是燃燒模式轉(zhuǎn)換過(guò)程的一個(gè)關(guān)鍵控制點(diǎn)。但是該文的切換途徑并沒(méi)有對(duì)LTC和CI各自燃燒所需油氣混合需求進(jìn)行優(yōu)化。

　　美國(guó)西南研討院的王俊敏等［9］采用基于模型的空氣系統(tǒng)控制界面，以氣體組分和增壓壓力為控制目標(biāo)，關(guān)于LTC和傳統(tǒng)CI設(shè)計(jì)了兩組滑模監(jiān)控系統(tǒng)以獲得更加快速和平順的空氣裝置響應(yīng)，同時(shí)設(shè)計(jì)了監(jiān)督控制器（Supervisory controller）在LTC／CI燃燒模式轉(zhuǎn)換瞬態(tài)中來(lái)協(xié)調(diào)兩組滑模控制系統(tǒng)的作業(yè)。利用基于模型的控制舉措使EGR和VNT的控制解耦，得到了良好的轉(zhuǎn)矩跟隨和空燃比跟隨效果。但是，該文中采用的空氣機(jī)構(gòu)模型過(guò)于復(fù)雜，燃油系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制也沒(méi)有加入控制框架中。

　　Wisconsin－Madison大學(xué)的 Burton等［10］在一臺(tái)四缸1.9L預(yù)制艙式靜音發(fā)電機(jī)上對(duì)發(fā)電機(jī)組穩(wěn)態(tài)點(diǎn)LTC／CI燃燒模式轉(zhuǎn)換和發(fā)電機(jī)組瞬間步驟中LTC／CI燃燒模式轉(zhuǎn)換進(jìn)行了探討，發(fā)現(xiàn)從LTC到CI的轉(zhuǎn)換致使NOx排放尖峰，而從CI到LTC的切換則致使HC排放尖峰，Burton認(rèn)為這是燃油和空氣系統(tǒng)不協(xié)調(diào)致使的。但是，該文并沒(méi)有提出HCCI瞬態(tài)控制中油氣綜合控制的對(duì)策，只是在發(fā)電機(jī)組ECM上進(jìn)行了大概的MAP圖的標(biāo)定。

　　本文在研討各個(gè)油氣參數(shù)對(duì)LTC燃燒影響的基本上，提出了一套油氣協(xié)調(diào)切換控制方案，對(duì)LTC／CI燃燒模式切換步驟進(jìn)行控制。

　　系統(tǒng)所用的發(fā)電機(jī)組控制單元，靜音發(fā)電機(jī)基于Freescale MPC5634M32位高性能單片機(jī)開(kāi)發(fā)。該單片機(jī)使用LQFP 144封裝，CPU頻率達(dá)到80MHz，具有2路CAN總線(xiàn)位AD、Nexus調(diào)試接口支持、DMA支持和浮點(diǎn)運(yùn)算支持等多種用途［11］?？刂茊卧布蚣苋鐖D1所示。

　　該操作系統(tǒng)支持6～32V寬電壓輸入范圍，可以消除32路模擬信號(hào)、20路開(kāi)關(guān)信號(hào)、4路PWM信號(hào)和2路速度信號(hào)，能夠驅(qū)動(dòng)20路開(kāi)關(guān)型負(fù)荷、8路PKW負(fù)載、1路直流發(fā)電機(jī)負(fù)荷和8缸噴油嘴。配備的智能?chē)娪推黩?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠?qū)崟r(shí)閉環(huán)控制充電泵電壓和噴油嘴驅(qū)動(dòng)電流。該控制面板能夠滿(mǎn)足降噪型發(fā)電機(jī)燃油機(jī)構(gòu)控制、空氣機(jī)構(gòu)控制和后排除系統(tǒng)控制的硬件資源需求。

　　開(kāi)發(fā)的發(fā)電機(jī)組控制途徑如圖2所示。在原有的基于扭矩的控制框架基本上，加入LTC低溫燃燒控制和LTC／CI燃燒模式轉(zhuǎn)換控制。

　?。?）在燃燒模式協(xié)調(diào)控制面板中，得到當(dāng)前的目標(biāo)IMEP和燃燒模式，通過(guò)IMEP和油量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系得到目標(biāo)油量。

　　圖2中，TFLT和QFLT分別是濾波后的扭矩和濾波后的油量，用于燃油系統(tǒng)的控制；TADV和QADV相對(duì)于TFLT和QFLT，動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快，用于空氣機(jī)構(gòu)控制。燃油系統(tǒng)支持軌壓控制和多段噴射；空氣裝置采用PID控制系統(tǒng)對(duì)EGR和VNT進(jìn)行獨(dú)立控制。

　　該發(fā)電機(jī)組使用高壓共軌型燃油噴射機(jī)構(gòu)。對(duì)原機(jī)整改后，加裝了VNT系統(tǒng)和EGR機(jī)構(gòu)。該發(fā)電機(jī)組為直列四沖程、直噴、水冷、增壓、中冷發(fā)電機(jī)組，4缸，缸徑×沖程為92mm×94mm，總排氣量為2.499L，壓縮比為17.5，額定容量／額定速度為87kW／4000r·min－1，最大扭矩／最大扭矩轉(zhuǎn)速為280N·m／2000r·min－1，EGR系統(tǒng)為外部、水冷中冷。

　　本文使用的燃料晚噴方式注重燃燒步驟的改善，它的技術(shù)特性是在上止點(diǎn)附近高壓噴射燃油，配合使用大EGR率。柴油晚噴和EGR的應(yīng)用使得燃燒滯燃期增長(zhǎng)，為燃油和空氣爭(zhēng)取更多的混合時(shí)間，使得預(yù)混合燃燒的比例增大；使用過(guò)高的燃油噴射壓力也會(huì)促進(jìn)油氣均勻混合；同時(shí)由于大EGR率的使用，氧氣濃度下降，燃燒溫度降低。這些方案，能夠使得NOx和PM排放同時(shí)減小。

　?。?，扭矩為78.2N·m，預(yù)噴油量為3.0mm3，主噴油量為16.0mm3，預(yù)噴定期為－19.5℃A（上止點(diǎn)前），主噴定時(shí)為2.9℃A（上止點(diǎn)后），噴射壓力為120MPa，EGR率為20%，燃燒放熱重心CA50為20℃A，NOx排放體積濃度為98×10－6。

　　EGR從0%～28%的變化，其對(duì)LTC燃燒狀態(tài)的影響如圖7所示，圖中虛線(xiàn)表示LTC基準(zhǔn)工況點(diǎn)對(duì)應(yīng)的傳統(tǒng)CI燃燒的排放水平。

　　x排放大幅度下降。因?yàn)榇罅扛變?nèi)燃燒產(chǎn)生的廢氣通過(guò)EGR裝置再次循環(huán)進(jìn)入氣缸，廢氣渦輪增壓裝置所能利用的排煙能量降低，缺少必要的驅(qū)動(dòng)能量，增壓機(jī)構(gòu)在整個(gè)LTC適用工況范圍內(nèi)基本沒(méi)有調(diào)控空氣裝置的能力。

　　燃燒模式從CI切換到LTC時(shí)，要保證轉(zhuǎn)換過(guò)渡流程轉(zhuǎn)矩輸出平滑則需要避免燃燒的不穩(wěn)定，而不穩(wěn)定燃燒源于大EGR率下低壓噴油噴射，此時(shí)燃油霧化程度不良，部分區(qū)域嚴(yán)重缺氧致使燃燒分布不均勻且發(fā)生大量碳煙，故而噴射定期控制屏應(yīng)當(dāng)在燃燒切換初期立刻轉(zhuǎn)換到晚噴，同時(shí)保證噴油壓力快速建立至高壓狀態(tài)；此外，在切換過(guò)程中，可以利用VNT增加排氣背壓以增強(qiáng)EGR閥的流通速率，加快EGR機(jī)構(gòu)的響應(yīng)。因此，可制定噴油模式和燃油噴射壓力控制器迅速響應(yīng)，VNT輔助EGR機(jī)構(gòu)的控制時(shí)序，如圖8所示。

　　當(dāng)確認(rèn)燃燒模式切換命令后，噴射壓力控制和EGR控制系統(tǒng)使用經(jīng)過(guò)優(yōu)化的滿(mǎn)足快速響應(yīng)要求的控制數(shù)據(jù)，而VNT子系統(tǒng)在切換過(guò)程初期使用降性能控制，通過(guò)利用VNT和EGR機(jī)構(gòu)的耦合效應(yīng)，減少渦輪流通截面，增加排煙背壓，在短時(shí)間內(nèi)輔助EGR裝置迅速穩(wěn)定到目標(biāo)值，當(dāng)EGR率接近預(yù)定目標(biāo)時(shí)，VNT自動(dòng)切換控制目標(biāo)和控制參數(shù)（轉(zhuǎn)換因素見(jiàn)圖8，其中Δ為標(biāo)定量）。

　　燃燒模式從LTC切換到CI燃燒模式初期，EGR閥立刻關(guān)閉，并將VNT控制切換到CI狀態(tài)下的控制目標(biāo)和控制參數(shù)，使得進(jìn)氣壓力和新鮮空氣量迅速上升，拖車(chē)發(fā)電機(jī)組當(dāng)進(jìn)氣壓力到達(dá)轉(zhuǎn)換條件時(shí)（見(jiàn)圖9），EGR控制進(jìn)行狀態(tài)切換（因?yàn)榇藭r(shí)EGR率需求較小，EGR閥從完全關(guān)閉到達(dá)控制目標(biāo)所需時(shí)間不長(zhǎng)，這種簡(jiǎn)單的控制邏輯的目的是以犧牲短時(shí)間NO

　　x排放來(lái)減少控制辦法復(fù)雜度）。噴油模式的轉(zhuǎn)換時(shí)刻應(yīng)保證滿(mǎn)足兩個(gè)要素:一是要保證足夠的空氣量，二是應(yīng)等待噴射壓力下降到適當(dāng)?shù)某潭?，防止發(fā)生燃燒噪音。整個(gè)切換步驟的協(xié)調(diào)控制時(shí)序如圖9所示。

　　1，L1）、（n2，L2）、（n1，L2）和（n2，L1）的燃燒模式?jīng)Q定。從該MAP圖得到的燃燒模式，要么是傳統(tǒng)壓燃，要么是低溫燃燒，沒(méi)有中間模式，故而，一般只進(jìn)行查表運(yùn)算，而不需要進(jìn)行插值運(yùn)算。

　　1＋n2）／2附近波動(dòng)（這種波動(dòng)在發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)轉(zhuǎn)程序中很正常），將會(huì)致使查表得到的值D（n，L）來(lái)回波動(dòng)，這種波動(dòng)會(huì)致使燃燒模式在CI與LTC之間來(lái)回切換。所以本文使用滯回式查表辦法來(lái)清除這種潛在的高頻燃燒模式切換。

　?。?速度、80N·m扭矩工況下從CI切換到LTC（圖中HCCI）的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖12所示為1800r·min－1速度、80N·m扭矩工況下從LTC切換到CI的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖11和圖12中策略1為使用基于模型的軌壓控制方法［12］的控制結(jié)果，步驟2為使用普通PID的軌壓控制對(duì)策的控制結(jié)果。

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