天然氣發(fā)動機電控噴射系統(tǒng)分析

方淑娟++唐海龍

摘 要：天然氣因具有資源充足、價格低的特點而被稱為“最具前途的清潔能源”。隨著天然氣汽車的普及和電子技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)領(lǐng)域?qū)μ烊粴獍l(fā)動機電控系統(tǒng)的要求越來越高，因此，完善天然氣發(fā)動機的性能具有重要的學(xué)術(shù)價值和應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：天然氣；發(fā)動機；電控噴射系統(tǒng)；單點噴射系統(tǒng)

中圖分類號：TK48 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.20.094

隨著天然氣應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，噴射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)被分析得更加清楚，對天然氣發(fā)動機的噴射系統(tǒng)進行改裝已不再是不可能完成的任務(wù)。在使用過程中，我們可以通過分析發(fā)動機的特點，采用不同的控制方式，利用閉環(huán)控制算法理論進行策略研究并開發(fā)軟件，利用信號發(fā)生器與電位器對開發(fā)的噴射系統(tǒng)進行軟件模擬實驗，最后再對噴射脈寬進行模擬實驗。運用這種方式可以檢驗天然氣發(fā)動機的實際效果。

1 天然氣發(fā)動機電控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

我國早在20世紀(jì)初就已經(jīng)著手研究天然氣發(fā)動機，并于2000年步入天然氣發(fā)動機高速發(fā)展階段。到目前為止，壓縮天然氣已經(jīng)成為技術(shù)上很成熟的能源之一，解決了我國車用燃料單一的問題。車用天然氣技術(shù)已由最初的點火燃料噴射發(fā)展到廢氣再循環(huán)利用。在逐步發(fā)展過程中，車用天然氣技術(shù)的控制功能變得更加復(fù)雜，發(fā)動機電控系統(tǒng)也日益升級，控制功能、速度、精度日臻完美。

目前，我國已經(jīng)進入利用電控噴氣的實驗階段——根據(jù)不同的燃料發(fā)展不同的技術(shù)。由于天然氣汽車在環(huán)保方面具有突出的優(yōu)勢，因此，只使用天然氣的汽車是日后發(fā)展的主要方向。在應(yīng)用天然氣發(fā)動機的過程中，要革新天然氣的供給方式。這是因為天然氣的供給方式影響著發(fā)動機的動力和運行安全。由于我國的研究起步較晚，因此在理論與技術(shù)層面都與國外有很大差距。在保護環(huán)境的前提下，我國加大了對天然氣發(fā)動機的研究投入。在國家資金注入之后，我國的天然氣發(fā)動機缸內(nèi)噴氣技術(shù)已被成功研發(fā)，并對天然氣發(fā)動機的電控技術(shù)進行了研究與嘗試。可以說，我國對天然氣發(fā)動機產(chǎn)業(yè)化的開發(fā)已經(jīng)開始，但是大部分性能較好的電控系統(tǒng)仍然需要進口，成本非常高。荷蘭某公司的雙燃料發(fā)動機和美國某公司的柴油天然氣雙燃料發(fā)動機是我國主要進口的發(fā)動機。隨著電控技術(shù)的發(fā)展，美國的公司為奔馳汽車改裝了雙燃料發(fā)動機。20世紀(jì)末，國外天然氣汽車的發(fā)展已經(jīng)具有了一定的規(guī)模，許多生產(chǎn)廠家推出具有強勁的動力、強大的排放性能的新型汽車，同時將進氣道混合氣預(yù)混合供氣方式、電控單點噴射系統(tǒng)、電控多點噴射系統(tǒng)、缸內(nèi)直接噴射等充分應(yīng)用于這些新型汽車的發(fā)動機上。

2 天然氣發(fā)動機電控單點噴射系統(tǒng)設(shè)計

天然氣進氣管采用單點噴射方式供氣，因此，可以將噴射閥門安裝于總進氣管附近，不僅實用，而且可以降低成本。這種由軟件嚴(yán)格控制的方式可以準(zhǔn)確控制空燃比。在天然氣的儲氣瓶中，打開手動閥門，天然氣就會流出，并通過過濾器濾去其中的雜質(zhì)。天然氣流可以減壓，在電控單元的控制下被噴入共軌塊，與空氣混合后開啟氣缸。對于發(fā)動機電控系統(tǒng)，要確定最優(yōu)的燃料噴射量，由傳感器采集信號。電控系統(tǒng)的核心部件是ECU，這是開發(fā)設(shè)計的難點。ECU的設(shè)計方式?jīng)Q定了故障類型，影響著發(fā)動機的性能。ECU的主要性能是控制設(shè)計策略與實現(xiàn)方式，完成單元選型設(shè)計，在滿足精準(zhǔn)度要求的同時，降低成本。ECU的主芯片性價比高，能正確讀取信號、驅(qū)動多種執(zhí)行器，具有軟件數(shù)據(jù)監(jiān)控功能和良好的兼容性。隨著控制系統(tǒng)的日益完善，ECU需要檢測更多的信號，這對它的實時性提出了更高的要求，對中斷資源的要求也在不斷提高。要選用適宜的微控制器，要有通道脈寬調(diào)制模塊、輸入捕捉定時器、輸出比較定時器及獨立的數(shù)字FO口。片內(nèi)要有閃速存儲器，應(yīng)用鎖相環(huán)要保持良好的兼容性，使用簡單的開發(fā)方式，以降低成本。傳感器要將工況信號輸入到計算機里面，通過參數(shù)修正傳感器信號，并通過執(zhí)行器反饋信號。

天然氣發(fā)動機電控單元要檢測發(fā)動機的運行狀態(tài)，就要正確利用霍爾效應(yīng)的原理進行霍爾傳感；天然氣發(fā)動機要靠執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)控制功能，就要在選擇時進行準(zhǔn)確的分享計算。對于天然氣噴射系統(tǒng)來說，執(zhí)行器也是天然氣噴射閥。天然氣噴射閥主要有兩種形式，即低壓噴射閥和高壓噴射閥。前者簡單，后者復(fù)雜，但是二者都需要較大的流通截面，以保證足夠的氣體流量。氣體噴射閥具有高可靠性、高一致性、高耐久性、高安全性等特性，且要有適宜的噴射壓力，既不能過大，也不能過小。噴射頻率在最高轉(zhuǎn)速時要保證每秒有20個工作循環(huán)。這里所說的噴射器閥芯，質(zhì)量小，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，可以通過標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動級觸發(fā)電磁閥。電磁閥的表面要作涂層處理，使不含油的氣體可以共同使用。將節(jié)氣門轉(zhuǎn)化為電量變化，實現(xiàn)節(jié)氣門位置的測定。天然氣發(fā)動機的燃氣噴射量可以采用直接測量法與間接測量法計算得出。另外，要有連續(xù)、精確的溫度傳感器，用以測量冷卻水溫和進氣溫度。

從控制的角度來看，單點噴射天然氣發(fā)動機電控系統(tǒng)具有以下三個特點：①時變系統(tǒng)的參數(shù)變化范圍大；②天然氣噴射脈寬輸出與輸入具有非線性關(guān)系；③該系統(tǒng)是一個多輸入、輸出系統(tǒng)。單燃料天然氣發(fā)動機的自適應(yīng)控制方式是近幾年提出的一種新型控制方式。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是類似于人腦單元的基本處理動力系統(tǒng)，在處理過程中具有很大的優(yōu)越性，可以給非線性的控制系統(tǒng)帶來統(tǒng)一模型。這是一個尚未建立的體系，有待進一步研究。

3 結(jié)束語

通過制訂電控噴射系統(tǒng)總體方案，可以完成天然氣發(fā)動機單點噴射系統(tǒng)的改裝和調(diào)試，并根據(jù)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速信號，實現(xiàn)對發(fā)動機運行工況的判斷，從而采用不同的空燃比控制，根據(jù)霍爾傳感器同步信號實現(xiàn)對噴射時序的控制。對天然氣發(fā)動機電控噴射系統(tǒng)的分析可以使天然氣的應(yīng)用更加廣泛，因此，對該系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)具有極其重要的現(xiàn)實意義。

參考文獻

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〔編輯：劉曉芳〕