多點(diǎn)噴射點(diǎn)燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)研究

湯正翔

摘 要：隨著社會(huì)大眾環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)以及政府出臺(tái)的一系列環(huán)保政策的有效執(zhí)行，越來越多的清潔能源被廣泛地應(yīng)用在日常的生產(chǎn)活動(dòng)之中。天然氣能源因其儲(chǔ)量充足、市場(chǎng)價(jià)格便宜、排放污染較少等優(yōu)點(diǎn)，被視為最具有發(fā)展前途的清潔能源。近年來，天然氣汽車以及電子技術(shù)等領(lǐng)域的發(fā)展，使市場(chǎng)對(duì)于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的要求不斷提高，在此背景下，對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行更加深入的理論和實(shí)踐研究顯得尤為重要。本文將對(duì)多點(diǎn)噴射點(diǎn)燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的整體構(gòu)成和電子控制系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，力求設(shè)計(jì)出滿足應(yīng)用需求的多點(diǎn)噴射點(diǎn)燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：多點(diǎn)噴射；天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)；電控系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TK48 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

天然氣供電系統(tǒng)經(jīng)過幾十年的研究發(fā)展，相關(guān)技術(shù)得到了很大程度的完善，車用天然氣的供給系統(tǒng)發(fā)展經(jīng)歷了從機(jī)械控制式混合器供氣系統(tǒng)到電子控制式混合器供氣系統(tǒng)，最后發(fā)展為電控天然氣噴射系統(tǒng)，而電控天然氣噴射系統(tǒng)中多點(diǎn)噴射也是一種較為先進(jìn)的混合氣控方式。

1 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)采用多點(diǎn)噴射的必要性

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的噴射方式有單點(diǎn)噴射與多點(diǎn)噴射之分，多點(diǎn)噴射和單點(diǎn)噴射相對(duì)應(yīng)，又被稱為多氣門噴射或者順序燃油噴射。此噴射方式的運(yùn)行特點(diǎn)為：每個(gè)氣缸都會(huì)放置一個(gè)噴油器，各自向自己所對(duì)應(yīng)的氣缸進(jìn)氣道進(jìn)行噴油，它是現(xiàn)階段應(yīng)用較為廣泛的一種噴射系統(tǒng)。

多點(diǎn)噴射方式又可以細(xì)致的劃分為：同時(shí)噴射、分組噴射以及順序噴射等類別。比如多點(diǎn)順序噴射方式作為現(xiàn)階段研制出的最先進(jìn)的混合氣控制方式，在運(yùn)行的過程中能夠通過對(duì)每一個(gè)氣缸進(jìn)行定時(shí)定量的供氣，進(jìn)而降低因?yàn)闅忾T重疊而產(chǎn)生的天然氣，避免了直接溢出導(dǎo)致HC排放量加大和燃?xì)赓Y源浪費(fèi)問題，而且在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的過程中也可以通過分析發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速以及負(fù)荷對(duì)空燃比來進(jìn)行更加精準(zhǔn)的管控。

多點(diǎn)噴射系統(tǒng)在使用的過程中，不僅具有燃燒效率高，同排量能釋放出更大的動(dòng)力等優(yōu)點(diǎn)，而且多點(diǎn)噴射系統(tǒng)能夠使用順序噴射，這種噴射方法中空燃比的控制更加精準(zhǔn)，因此在運(yùn)行過程中排放更好，更加地經(jīng)濟(jì)高效?？偠灾?，多點(diǎn)噴射在使用過程中，保養(yǎng)會(huì)更加的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)也會(huì)相對(duì)比較成熟。

2 多點(diǎn)噴射點(diǎn)燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)

2.1 整體構(gòu)成

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的整體構(gòu)成主要包括機(jī)體以及氣缸蓋組件、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)以及進(jìn)排氣系統(tǒng)、燃?xì)夤┙o系統(tǒng)（其以天然氣穩(wěn)壓裝置、調(diào)壓閥、燃?xì)鉃V清器、燃?xì)饪刂崎y以及電磁閥、混合器等一系列部件組成）、點(diǎn)火裝置、調(diào)速控制系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)等。筆者通過對(duì)汽油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行相關(guān)的改造，將燃料供給系統(tǒng)進(jìn)行單燃料設(shè)計(jì)，改造出新的燃料供給系統(tǒng)。改造好的新天然氣供給系統(tǒng)的組成部分有：氣瓶、噴嘴、濾清器、減壓閥、壓力表、電磁閥，此燃?xì)夤┙o系統(tǒng)將壓力20MPa的壓縮天然氣降低為0.1MPa左右的低壓系統(tǒng)。設(shè)計(jì)的電控噴射系統(tǒng)的壓縮天然氣經(jīng)過兩級(jí)調(diào)壓器減壓后，通過噴嘴噴入相對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣道，并與空氣混合進(jìn)入氣缸，而節(jié)氣門位置、進(jìn)氣壓力等傳感器則將現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)的工作信號(hào)傳輸至ECU，同時(shí)ECU會(huì)依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作情況，控制燃?xì)鈬娚鋾r(shí)序以及噴射脈寬，完成發(fā)動(dòng)機(jī)電控噴射過程。

2.2 電子控制系統(tǒng)

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的整體構(gòu)成包括硬件和軟件兩個(gè)部分。

電控系統(tǒng)的硬件電路的構(gòu)成有：中央處理模塊、電源模塊、信號(hào)采集模塊、輸出驅(qū)動(dòng)模塊，硬件電路的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中曲軸位置信號(hào)處理電路是60-2齒磁電式傳感器，它的輸出是正弦信號(hào)，需要波濾、整形為0-5V的方波信號(hào)，再送入ECU，在此結(jié)構(gòu)中，波濾、整形電路由LM324電壓比較器等元器件構(gòu)成，同時(shí)電路中電容、電阻會(huì)使兩個(gè)輸入端保持平衡以及低通濾波。對(duì)于噴嘴驅(qū)動(dòng)的電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，采用L298N芯片作為驅(qū)動(dòng)電路，L298N芯片由15個(gè)引腳組成，筆者在設(shè)計(jì)時(shí)，選取4個(gè)輸入引腳來接入MC9SX128單片機(jī)的4個(gè)PP口，再將4個(gè)輸出引腳分別接4個(gè)噴嘴。因?yàn)閱纹瑱C(jī)內(nèi)有線圈會(huì)導(dǎo)致噴嘴電磁閥在通電以及斷電時(shí)造成反電動(dòng)勢(shì)，所以在此可增加二極管對(duì)L298N芯片進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)。

電控系統(tǒng)的軟件由控制程序以及數(shù)據(jù)兩個(gè)組成部分構(gòu)成。主控程序任務(wù)是由于整個(gè)系統(tǒng)初始化、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的工作時(shí)序、控制模式來設(shè)定的，常用工況以及其他各工況模式下噴油信號(hào)以及點(diǎn)火信號(hào)輸出程序。為了實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)各種工況以及運(yùn)行條件下最佳的綜合性能，電子控制系統(tǒng)必須以最佳的相應(yīng)控制參數(shù)控制發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳運(yùn)行狀況下運(yùn)轉(zhuǎn)，這些控制參數(shù)的最佳數(shù)據(jù)預(yù)先全部存儲(chǔ)在微型計(jì)算機(jī)只讀存儲(chǔ)器之中。

3 試驗(yàn)建模與仿真調(diào)試

本文將采用AMESim仿真軟件對(duì)噴嘴開展物理模型構(gòu)建，利用此仿真軟件構(gòu)建出來的噴嘴包括電磁線圈、頂桿、彈簧、針閥、針閥體等部分。其運(yùn)行原理為：天然氣通過減壓閥進(jìn)入噴嘴之后，然后等到電控單元發(fā)出噴射信號(hào)并且電磁線圈通上電之后，就會(huì)生成電磁作用力，這時(shí)需要使用銜鐵把針閥吸起來，讓天然氣通過軸針頭部環(huán)形間隙，然后噴進(jìn)進(jìn)氣道之內(nèi)。為了確保構(gòu)建的控制模型擁有相對(duì)較為優(yōu)良的模塊化、層次化結(jié)構(gòu)，所構(gòu)建的控制模型可以劃分為PWM驅(qū)動(dòng)模型、空燃比控制模型、工況判斷模型等。發(fā)動(dòng)機(jī)工況根據(jù)其自身運(yùn)行特點(diǎn)分為啟動(dòng)、怠速、穩(wěn)態(tài)部分負(fù)荷、瞬態(tài)還有大負(fù)荷工況，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)工況中大負(fù)荷工況不是主要工況，因此我們對(duì)于前4種工況進(jìn)行建模分析，最后我們通過之前構(gòu)建的噴嘴模型、PWM驅(qū)動(dòng)模型以及工況判斷模型構(gòu)成一個(gè)完整的控制器。

在將AMESim仿真軟件構(gòu)建的模型轉(zhuǎn)化成在Simulink環(huán)境中運(yùn)行的S-Function模塊的過程中，首先需要對(duì)聯(lián)合仿真環(huán)境進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)設(shè)置，通過設(shè)置相關(guān)的仿真條件，可以得出如下的數(shù)據(jù)結(jié)果：若轉(zhuǎn)速為2500r/min，進(jìn)氣壓為0.5bar時(shí)，噴嘴針閥的最大升程為0.35mm，這個(gè)數(shù)值和其他的噴嘴針閥升程相比是比較合理的，若轉(zhuǎn)速為2500r/min，進(jìn)氣壓為0.5bar的時(shí)候，噴射時(shí)間為10.9ms，這個(gè)數(shù)值和理論設(shè)計(jì)的模型所計(jì)算出的數(shù)值也是較為一致的，因此充分說明所設(shè)計(jì)的控制器是可以滿足要求的。

結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)多點(diǎn)噴射點(diǎn)燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)和電子控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析，最終完成對(duì)其的實(shí)驗(yàn)建模以及仿真調(diào)試，希望此項(xiàng)研究能夠?yàn)樘岣咛烊粴獍l(fā)動(dòng)機(jī)在天然氣汽車和電子技術(shù)等領(lǐng)域的應(yīng)用成效做出一定的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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