预混式燃气机混合燃气流量估计技术改进_江兵.pdf

第 45 卷（2023）第 2 期Vol.45（2023）No.2柴油机Diesel EngineDOI：10.12374/j.issn.1001-4357.2023.02.004预混式燃气机混合燃气流量估计技术改进江兵1，赵和军2，张建敏1（1.上海船用柴油机研究所，上海201108；2.上海齐耀动力技术有限公司，上海201203）摘要：主流预混式燃气发动机空燃比控制依赖混合燃气流量估计。为克服既有估计技术弊端，参考控制阀流量基本模型，将估计位置前移至节气门处，使混合燃气流量估计值更加准确、及时地反映转速或负荷调节需要。分析节气门工作条件和流经介质，依据控制阀标准定义简明的广义系数，并提出变量优选和数据拟合的广义系数标定方法，完善节气门混合燃气流量估计模型应用模式。通过预混式燃气发动机实测数据分析计算，验证节气门流量模型估计精度。通过在转速波动期间两种模型估计的混合燃气流量对比表明，节气门流量模型估计值与节气门开度是同步变化的，并超前于进气门均值模型估计值。关键词：燃气发动机；空燃比；预混；流量；均值模型中图分类号：TK434.6文献标志码：A文章编号：1001-4357（2023）02-0016-06Improvement of Mixed Gas Flow Estimation Technology for Premixed Gas EngineJIANG Bing1，ZHAO Hejun2，ZHANG Jianmin1（1.Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute，Shanghai 201108，China；2.Shanghai MicroPowers Co.，Ltd.，Shanghai 201203，China）Abstract：The air-fuel ratio control of mainstream premixed gas engine depends on the mixed gas flow estimation.In order to overcome the disadvantages of the existing estimation technology，and referred to the basic flow model of the control valve，the estimated position was moved forward to the throttle，so that the estimated value of the mixed gas flow can more accurately and timely reflect the needs of speed or load regulation.The service conditions and flowing medium of the throttle valve was analyzed，the simple generalized coefficient was defined according to control valve standard，and the calibration method of the generalized coefficient through variable optimization and data fitting was proposed，which improved the application mode of the throttle mixed gas flow estimation model.The estimation accuracy of the throttle flow model was verified by analyzing and calculating the measured data of the premixed gas engine.Through the comparison of the mixed gas flow estimated by the two models during the speed fluctuation，it is showed that the estimated value of the throttle flow model changes synchronously with the throttle opening，and was ahead of the estimated value of the intake valve mean model.Key words：gas engine；air fuel ratio；premix；flow；mean value model智能化与控制收稿日期：2022-01-21；修回日期：2022-02-21基金项目：船舶与海洋工程特种装备和动力系统国家工程研究中心资助项目2023 年 3 月 17 江兵等：预混式燃气机混合燃气流量估计技术改进0引言预混式燃气发动机通常采用增压前混合燃气的方式，具有进气系统结构简单、成本低、可靠性高、适用气源广等优点，在天然气发电、沼气等绿色可再生气体能源利用以及煤层气和填埋气等废气能源回收再利用领域具有广泛的应用前景。主流预混式燃气发动机空燃比控制依赖进气门处均值模型估计混合燃气流量，所得数值准确性欠佳，对此展开相关研究。1预混式燃气发动机空燃比控制系统预混式燃气发动机空燃比(air fuel ratio，AFR)控制系统除了传感器电子控制单元（electronic control unit，ECU）以外，通常还包括燃气计量阀、混合器、节气门等。图1为主流预混式燃气发动机AFR控制算法结构示意图。图1中ECU为发动机控制单元，speed 为速度，MAP 为歧管绝对压力，MAT为歧管绝对温度。燃气计量阀是AFR控制的核心部件，用于计量和控制参与混合的燃气流量。节气门是影响燃气混合比的重要执行器，用于控制入缸混合燃气流量，以满足转速调节和负荷控制需要。燃气与空气进入混合器中充分混合，形成可压缩的混合燃气；经过涡轮增压器加压的混合燃气注入中冷器；经过两级冷却的混合燃气至节气门前端时，已经呈紊流状态，并储备一定的静压和动压。2空燃比控制中混合燃气流量估计技术2.1均值模型介绍AFR控制核心算法模型1是一种均值模型，该模型（以下称为“均值模型”）被各主流预混式燃气发动机整机厂商和发动机控制设备专业厂商普遍采用。均值模型基于“发动机均值建模思想”和“速度密度法”构建，用于进气门处混合燃气（在标准状态下）体积流量估计。均值模型的计算方式如式(1)所示：Qs=n Vd vol Ts PMAP120 Ps TMAT （1）式中：Qs为在标准状态下进气门处混合燃气体积流量；Ts为标准状态热力学温度；PMAP为歧管绝对压力；Ps为在标准状态下的绝对压力；n为转速；Vd为排量；vol为充气效率；TMAT为歧管绝对温度。主流预混式燃气发动机整机和独立的燃气机控制设备大多选择均值模型输出作为前馈信息构建核心控制算法，均值模型在AFR控制中扮演非常重要的角色。采用均值模型的AFR控制通常工作在闭环模式，与图1所示的算法结构类似。控制算法作用过程大致为：烟气测量和分析子系统实时、在线反馈实测值，用于修正目标AFR；基于实际的AFR与由均值模型估算的混合燃气流量进行运算，得到燃气流量的目标设定值，传递至以计量阀为核心的燃气流量闭环控制系统；计量阀在完成精确的燃气流量闭环控制任务的同时，也可实现AFR的闭环控制。2.2均值模型技术优势均值模型的技术优势主要包括以下3个方面：（1）物理意义鲜明的充气效率和过量空气系数是AFR控制算法须整定的主要参数，具备燃气发动机燃烧知识的调试人员容易理解并掌握其整定方法，有利于缩短开发和调试周期。（2）基于均值模型的AFR控制算法，可以适应燃气成分的缓慢变化，维持燃气发动机的高效燃烧和清洁排放。（3）基于均值模型的AFR控制算法，可以在开/闭环控制之间快速切换，以适应复杂的控制目的和应用条件需要。2.3均值模型技术劣势均值模型的技术劣势主要包括以下3个方面：（1）均值模型中的“充气效率”参数不易测量或精确计算，也不适宜用简单的函数式表达2-4。主流AFR控制系统多用三维映射图来近似表达充气效率随转速/负荷变化的规律3。拟合曲面虽然可以回避充气效率的精确计算或表达问题，但是拟合过程和结果仍然比较复杂，仅限于发动图1主流预混式燃气发动机AFR控制算法结构示意图第 45 卷第 2 期 18 柴 油 机机建模和仿真应用4。（2）在进气门处1采用均值模型估计混合燃气流量；在燃气计量阀处（混合器前）进行燃气流量调节和AFR闭环控制。混合器与进气门之间的介质流量因节气门转速负荷的调整而变化。气体的可压缩性及节气门的流量调节作用经常造成混合燃气流量在进气门处的模型估计值与同一时刻混合器处的实际值不一致，进而导致燃气流量闭环控制回路目标设定值计算误差和AFR控制误差。在转速/负荷波动过程中，AFR控制精度下降更加明显。为此，主流AFR控制系统普遍配置烟气测量和分析子系统，提供过量空气系数反馈信息，实现AFR闭环控制。闭环AFR控制效果的改善仅对转速/负荷状态稳定的发动机有效。闭环AFR控制还会增加系统硬件复杂程度、提高系统造价、降低发动机可用性。在填埋气、沼气等复杂气源应用场景中，烟气测量和分析子系统中易损的宽域氧传感器经常造成AFR控制策略不得不退出闭环运行状态。（3）用三维映射图表达和设置充气效率，未充分利用标定试验所测数据包含的有用信息，导致数据资源、燃气能源和标定试验台位占用时间的浪费。3节气门处基本流量模型引入计算原理及计量位置不同的混合燃气流量估计模型，可克服既有混合燃气流量估计技术均值模型的不足，成为燃气发动机AFR控制技术改进的期望方向之一1。控制阀相关标准表明，当流经的介质满足规定条件时，利用其流量模型可以估计控制阀处介质流量。主流预混式燃气发动机的节气门均为碟式控制阀，因此节气门在进行混合燃气流量控制、完成转速/负荷调节的同时，还可实现混合燃气流量的实时、在线精确估计。节气门这种双重功能的开发利用为预混式燃气发动机混合燃气流量估计及AFR控制技术的改进创造条件。3.1基本流量模型理论基础控制阀相关标准规定的可压缩流体介质流量模型应用条件5为：（1）流经的介质处于紊流状态。（2）介质是非阻塞流。可压缩的燃气和助燃空气经混合器充分预混合后，流至节气门时通常呈紊流状态。节气门口径经优化设计后，即使在最大负荷条件下，也能保证流经的混合燃气脱离“阻塞流”状态。当满足相关标准规定的应用条件时，节气门处的混合燃气在标准状态下的体积流量Qgs可用可压缩流体基本流量模型（以下简称“基本流量模型”）计算。基本流量模型原型5如式（2）所示：Qgs=N9 FP P1 Y C xM T1 Z1 （2）式中：N9为与计量单位相关的常数5；FP为管道几何形状系数；P1为上游取压口绝对静压力，与涡轮增压有关；Y为膨胀系数；C为流量系数，表征流通能力；x为实际压差比；M为混合燃气等效分子量；T1为入口绝对温度；Z1为混合燃气压缩系数，是P1、T1的函数6。其中：Y=1-x3 Fr xT（3）M=R TsPs gs（4）式(3)中：Fr为比热比系数（近似常数）；x为实际压差比，即上下游取压口绝对静压力差与上游取压口绝对静压力的比值；xT为压差比系数，是一个与阀型结构相关的常数。式(4)中：R为理想气体常数；gs为标准状态混合燃气密度。gs=as+11+raf (fs-as)（5）式中：as为标准状态空气密度。fs为标准状态天然气密度；raf为以体积流量计算的空气与天然气化学当量比（8.98）；为过量空气系数。控制阀的普及使得基本流量模型的估计精度和广泛适用性得到普遍认可。主流预混式燃气发动机普遍配置燃气计量阀是基本流量模型有效性的实证。燃气计量阀通常与前后测量管件集成一体，以保证其使用条件与标定条件及标准规定的应用条件一致，从而保证燃气流量计算精度。3.2基本流量模型常规应用模式的不足基本流量模型常规应用模式主要存在以下不足：（1）使用条件难以完全满足。节气门安装位置都比较紧凑，通常无法充分满足标准规定的安装条件，将引入额外误差。（2）标定、校准过程复杂且耗费较大。需要用不可压缩流体（如：水）标定流量系数C；还须计算C在可压缩流体应用条件下的实时修正值7。（3）模型各项系数算式复杂（如Z1），不便于发动机控制单元ECU软件在线表达和实时计算。2023 年 3 月 19 江兵等：预混式燃气机混合燃气流量估计技术改进总之，只有对基本流量模型常规应用模式加以改进，才能以合理的精度和计算复杂程度高效、便捷地估计节气门处混合燃气流量。4基本流量模型应用模式改进将混合燃气等效分子量M代入式(2)，重新排列常系数和变系数顺序，并定义广义系数k=N9FPPsR TsP1T1Y CZ1，得到基本流量模型的等效格式(6)：Qgs=k Pgs （6）广义系数k的常系数项N9、FP、Ps、Ts和R与被测流体介质物理性质或节气门及附接管件结构、通径相关5。节气门在调整开度以响应转速或负荷变化时，同时调整其前后两端静压损失P和有效流通面积会导致混合燃气的流通能力相应变化。因此，流量系数C可以表达为P（或P1和P2）的函数。综上，广义系数k不因人为设定或其他外在因素影响而变化，仅反映介质流通面积、沿途阻力等影响节气门及其附接管件流通能力的内在规律以及混合燃气黏性、可压缩性等介质固有的物理特性。其标定结果可以表达为实测参数P、T1、P1或P2的某种函数形式，即：k=k(P，T1，P1，P2)。为标定k函数，将式（6）改写成式（7）：k(P，T1，P1，P2)=QgsgsP （7）k函数标定方法大致为：按实测空气流量和期望设置燃气流量闭环控制回路目标设定值；从最低约10%至最高100%额定负荷平稳调节预混式燃气发动机负荷；全程测试并记录空气流量和燃气流量以及对应的T1、P1、P2（Qgs、P、和gs在线计算、记录）；离线用不同的自变量分别拟合k函数；以混合燃气流量计算精度满足需要、计算量需求小、k函数形式简单为约束条件，以判定系数R2最接近1（且小于1）为目标，优选拟合结果，得到最佳k函数表达形式及配对的自变量，完成标定。5k函数标定试验数据处理及基本流量模型验证实例借助预混式燃气发动机首台样机性能测试试验数据，按上述方法完成广义系数k函数的标定；同时验证实用化的节气门基本流量模型对混合燃气流量的估计精度。在样机性能测试开始前，已经初步优化。测试试验历时近2.5 h，采集、记录全负荷运行数据，包括转速、功率、节气门开度、T1、P1、P2等。数据记录间隔时间为1 s。将测试记录或间接处理的数据中与k函数标定相关的部分绘制成图2所示的折线图。借助MATLAB或Execl等工具软件处理测试数据，得到广义系数k和相关变量或相关变量组合的样本数据。以k为纵轴变量，并以各相关变量或相关变量组合为横轴变量，分别绘制出如图3所示的一系列散点图（图3仅列出部分有价值的变量或组合变量的散点）。图3（j）展示的纵轴与横轴样本数据对之间近似呈现出比较简单的线性函数关系，并且与横轴变量任意取值点对应的纵轴变量的数值均相对集中，即：图3（j）所选横轴变量与k匹配组成的样本数据对最适合用一元线性回归方程表示，并且当用最小二乘法计算该回归方程时，结果较优（R2小于且更接近于1）。将图3（j）放大如图4所示。纵轴变量为广义系数k，横轴变量为组合变量P2P。当判定系数R2=0.980 5时，用最小二乘法估计的系数代入一元线性方程，得到k(P2P)函数的回归模型为：k(P2P)=1 137.6 P2P-54.429 （8）将式（8）代入式（6），并用Qgs表示混合燃气流量的模型估计值，得到参数化节气门基本流量模型的等效公式（9）：Qgs=1 137.6 P2gs-54.429 Pgs (9)计算实测Qgs与Qgs的相对误差eQ(Qgs)，并将eQ(Qgs)与Qgs、Qgs一同绘制成图5。图2在样机性能标定试验中与k函数计算相关数据折线图第 45 卷第 2 期 20 柴 油 机节气门基本流量模型估计值与估计精度如图5所示。由图5可知：（1）在测试开始后和结束前一段时间，混合燃气流量估计值的相对误差eQ(Qgs)较大，甚至有|eQ(Qgs)|5.0%。原因是在这段时间内，燃气发动机空载或负荷较轻（10%额定功率），AFR控制和模型估计功能尚未投用。模型估计功能一旦投用后，eQ(Qgs)将显著降低，并且在其 余 试 验 时 间 内（含 负 荷 变 化 过 程），都 有|eQ(Qgs)|5.0%。（2）剔除模型估计功能投用前的无效数据后，用回归模型常用的评价指标“平均绝对误差（mean absolute error，MAE）”和“平均绝对百分比误差（mean absolute percentage error，MAPE）”来衡量参数化节气门基本流量模型（等效格式）的估计精度，计算结果如下：QMAE=15.498 m3heMAPE=0.755%对于预混式燃气发动机在研样机而言，混合燃气流量需求通常在500m3h（对应10%额定功率）以上，而估计值的QMAE仅为15.498m3h，说明模型精度足够高。模型估计值的MAPE则以更加直观的方式表明，参数化节气门基本流量模型（等效格式）的估计精度已满足控制模型常规计算精度的要求。借用均值模型进行混合燃气流量估计时，受人为设定参数充气效率的影响很大，所以其估计精度无法与本文提出并加以改进的参数化节气门基本流量模型（等效格式）做全面比较。式（9）表示的节气门基本流量模型与进气门处均值模型估计值在时间维度的比较实例如下：将样机标定试验前（控制参数优化尚未完成）收集的测试数据输入模型式（9），并取转速失稳期间模型输出的混合燃气流量估计值Qgs与进气门处均值模型对应时刻混合燃气流量估计值Qgs一同绘图3广义系数k与相关/组合变量样本数据散点图图4广义系数k与组合变量(P2P)样本数据散点图图5节气门基本流量模型估计值与估计精度2023 年 3 月 21 江兵等：预混式燃气机混合燃气流量估计技术改进制成图6进行比较。由图6可见：节气门开度快速调整，正确响应转速波动。在转速波动期间，Qgs随着节气门开度调整的频率和相位同步变化，并且比Qgs明显提早一定相位。这个结果与预期的改进目标一致，即：将混合燃气流量估计位置由进气门处前移至节气门处，促使AFR控制策略能够及时、准确地调整燃气流量闭环控制回路目标设定值，辅助实现AFR动态控制精度的提高。6结论（1）借助控制阀基本流量模型实现节气门处混合燃气流量估计的研究方案切实可行。（2）节气门基本流量模型消除了既有混合燃气流量估计技术中未知且不可测参数“充气效率”的制约，克服了人为设定对混合燃气流量估计精度及AFR控制效果的干扰。（3）基 于“流 量 系 数”定 义 的 广 义 系 数k(P，T1，P1，P2)函数物理意义清晰，不仅易于表达、标定和在线计算，而且将期望的过量空气系数剥离，避免多参数耦合，使得模型结构简单易用。尝试利用样机性能标定试验既有数据拟合模型系数，取代标定流量系数加计算修正系数的传统应用方式，不仅减少了模型参数获取环节、降低了算法实现难度和模型应用复杂程度，还能保证模型估计精度。（4）将混合燃气流量估计位置由进气门前移至节气门，使模型估计值能及时、准确地反映节气门调节后混合燃气流量的变化，有利于克服均值模型估计滞后的弊端，避免燃气流量闭环控制回路目标设定值延误。这些措施将帮助预混式燃气发动机控制系统摆脱对烟气在线测量和分析子系统的依赖、简化AFR控制结构、降低成本，提高AFR动态控制精度。（5）通过深度挖掘样机性能标定试验数据隐含信息的价值并优选k(P，T1，P1，P2)函数自变量，可降低自变量维度、简化估计模型表达形式、降低模型校验和维护难度，还可减少模型算法实时、在线计算量需求。（6）将管路形状的影响考虑在广义系数k中，并用参数拟合方式得到的混合燃气流量估计模型，满足标准中压力的测点位置要求，但不具备通用性。（7）尽管在预混式燃气发动机正常工作期间以及常用的负荷范围内，经过压缩、中冷后的混合燃气温度变化范围有限，发动机的进气量与进气温度仍有一定关系。本研究受台架试验测试、收集的样本数量限制，所提出的混合燃气流量估计模型没有体现出进气温度的影响，有一定的局限性。参考文献1 任亚丹，王龙，李涛，等.涡轮增压天然气发动机电控系统进气模型研究 J.西安交通大学学报，2018，52（12）：93-98.2 滕勤，杨瑜，左承基，等.煤层气发动机混合气充量系数模型的辨识 J.农业机械学报，2007，38（3）：47-51.3 周栋，苏铁熊，李闯，等.基于发动机平均值模型的进气歧管模型仿真精度分析研究J.科学技术与工程，2016，16（32）：238-242.4 黄粉莲，纪威，周炜.涡轮增压柴油机进气流量的计算与仿真 J.农业工程学报，2013，29（3）：62-68.5 中国机械工业联合会.工业过程控制阀 第 2-1部分：流通能力 安装条件下流体流量的计算公式：GB/T 17213.22017S.北京：中国标准出版社，2017：2-11.6 全国天然气标准化技术委员会.天然气压缩因子的计算 第2部分：用摩尔组成进行计算：GB/T 17747.22011 S.北京：中国标准出版社，2011：13-15.7 陈彦娟，张志军.可压缩流体流量系数计算公式的分析与比较J.自动化技术与应用，2007，26（9）：121-123.图6转速波动期间转速与基本流量模型输出、均值模型估值之间时序关系