天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制與試驗(yàn)研究

趙春生

摘要：分析了精確控制天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)量空氣系數(shù)控制策略，進(jìn)行了過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和排放性影響的試驗(yàn)，標(biāo)定出發(fā)動(dòng)機(jī)理想過(guò)量空氣系數(shù)控制Map。對(duì)開(kāi)、閉環(huán)進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，閉環(huán)控制精度和穩(wěn)定性優(yōu)于開(kāi)環(huán)控制;過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響非常明顯，經(jīng)濟(jì)性最好時(shí)的過(guò)量空氣系數(shù)大于NOx排放量最大時(shí)對(duì)應(yīng)的過(guò)量空氣系數(shù)，HC排放隨著過(guò)量空氣系數(shù)增大而增大。通過(guò)優(yōu)化，該發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能達(dá)到較理想狀態(tài)。

Abstract： The effect of mixer structure on sufficient mixing and appropriate scale between compressed natural gas and air are very important. Academic calculation and analysis result show the equation of mixer throat pipe and natural gas intake diameter in engine normal work process. Based relation between Air excess /CNG ratio and mean effective pressure， structure of mixer pipe is improved and designed for a 3.7 liter displacement engine. Rationality of mixer design is validated by air excess ratio test with the engine experiment.

關(guān)鍵詞：閉環(huán)控制;過(guò)量空氣系數(shù);性能;排放

0? 引言

近幾年，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)由于燃料來(lái)源豐富、排放性能好、辛烷值高、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)獲得了巨大的發(fā)展，其排放性能能夠滿足越來(lái)越嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)要求，是最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵈萌剂习l(fā)動(dòng)機(jī)。雖然天然氣是清潔燃料，但它不可能自動(dòng)地、無(wú)條件地使發(fā)動(dòng)機(jī)滿足日益嚴(yán)格的排放要求。因此，如何在保證氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的前提下，使氣體燃料最大限度的發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)成為各國(guó)科學(xué)家研究的一個(gè)熱點(diǎn)課題[1]。

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)研究中的一個(gè)重要問(wèn)題是如何在保證天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能的前提下，盡量降低發(fā)動(dòng)機(jī)的有害排放物，以滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)要求。發(fā)動(dòng)機(jī)的排放與其工作時(shí)的空燃比有密切的關(guān)系，為了滿足更嚴(yán)格的排放法規(guī)，必須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比進(jìn)行精確的控制。

1? 發(fā)動(dòng)機(jī)及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)研究所用發(fā)動(dòng)機(jī)為4缸增壓中冷發(fā)動(dòng)機(jī)，具體參數(shù)見(jiàn)表1;天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)系統(tǒng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、天然氣供給系統(tǒng)、電控單元、測(cè)功機(jī)和缸壓采集及燃燒分析系統(tǒng)等幾個(gè)部分組成。試驗(yàn)采集了反饋控制前后的實(shí)際空燃比和性能參數(shù)等數(shù)據(jù)，用于研究在不同轉(zhuǎn)速、不同節(jié)氣門開(kāi)度情況下空燃比閉環(huán)控制的效果?？刂葡到y(tǒng)示意圖見(jiàn)圖1。

2? 空燃比控制策略

閉環(huán)控制是指在開(kāi)環(huán)控制的基礎(chǔ)上，增加了反饋環(huán)節(jié)的雙向操作，ECU不斷地將待控制參數(shù)與優(yōu)化的控制目標(biāo)進(jìn)行比較，由此不斷地調(diào)節(jié)輸出指令，使兩者差別達(dá)到最小。由于其控制精度高，工作穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)，得到廣泛應(yīng)用。

實(shí)現(xiàn)空燃比閉環(huán)控制的關(guān)鍵傳感器是寬域氧傳感器，雖然氧傳感器的輸出是電流信號(hào)，但經(jīng)過(guò)Lambda儀表可以得到過(guò)量空氣系數(shù)相對(duì)應(yīng)的電壓。0.7～8.2V的輸出電壓對(duì)應(yīng)的過(guò)量空氣系數(shù)是0.7～8.2。

空燃比控制流程如圖2所示。在穩(wěn)定工況下啟動(dòng)閉環(huán)控制程序，首先進(jìn)行ADC初始化，然后開(kāi)啟ADC讀取輸入到單片機(jī)內(nèi)的實(shí)際空燃比的值，再與試驗(yàn)設(shè)定的目標(biāo)空燃比進(jìn)行比較，通過(guò)ECU自動(dòng)調(diào)整燃?xì)獾y控制開(kāi)度，使發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比保持在目標(biāo)值附近。

3? 計(jì)算與標(biāo)定試驗(yàn)

3.1 燃?xì)饬髁?/p>

為了精確測(cè)量和控制燃?xì)饬髁?，采用蝶閥控制燃?xì)饬髁?，蝶閥管道及傳感器布置見(jiàn)圖3。

噴管中的壓強(qiáng)沿流向不斷減小，流速在收縮管內(nèi)是不斷增加的，但在管出口處未能達(dá)到聲速，出口為亞音速，出口壓強(qiáng)等于背壓。

3.3 空氣流量

3.4 理想空燃比Map的標(biāo)定

為了考察發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速和不同負(fù)荷下的過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)其性能的影響，兼顧為了減輕試驗(yàn)工作量，試驗(yàn)中選擇了1300r/min、1800r/min和2100r/min三個(gè)轉(zhuǎn)速，在每個(gè)工況點(diǎn)下，測(cè)功機(jī)在恒轉(zhuǎn)模式下運(yùn)行，不同轉(zhuǎn)速下，節(jié)氣門位置控制為100%、80%、50%不變，調(diào)整通過(guò)在線標(biāo)定系統(tǒng)將蝶閥位置從小逐步變大，使所進(jìn)燃?xì)饬恐饾u增多，從而使過(guò)量空氣系數(shù)減小。為防止爆震，試驗(yàn)時(shí)外特性工況使過(guò)量空氣系數(shù)由1.4左右變到1.8左右;部分負(fù)荷工況為防止失火，使過(guò)量空氣系數(shù)由1.1左右變到1.4左右。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定后，記錄發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、燃?xì)庀穆屎团欧诺葏?shù)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5-圖8。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，不同轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率隨過(guò)量空氣系數(shù)而變化的趨勢(shì)相同，即先上升后下降，外特性工況不同轉(zhuǎn)速存在一個(gè)輸出功率最大的過(guò)量空氣系數(shù)，其值隨著轉(zhuǎn)速不同有所差異，在1.5到1.7之間。說(shuō)明高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷情況下更有利于發(fā)動(dòng)機(jī)稀薄燃燒的實(shí)現(xiàn)。

各試驗(yàn)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)NOx、HC排放濃度隨過(guò)量空氣系數(shù)的變化情況如圖7、圖8所示。從圖7看，NOx隨過(guò)量空氣系數(shù)的變化呈下降的趨勢(shì)，但NOx排放量最大時(shí)對(duì)應(yīng)的過(guò)量空氣系數(shù)在1.4，比最佳經(jīng)濟(jì)性所對(duì)應(yīng)的過(guò)量空氣系數(shù)要小。這說(shuō)明NOx排放與經(jīng)濟(jì)性之間存在一定的矛盾。當(dāng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能要求較高時(shí)，可通過(guò)適當(dāng)加大過(guò)量空氣系數(shù)，犧牲一部分經(jīng)濟(jì)性來(lái)較大幅度地降低NOx排放。圖8顯示，HC排放隨著過(guò)量空氣系數(shù)增大而增大，這是因?yàn)殡S著過(guò)量空氣系數(shù)的增加，混合氣變稀，點(diǎn)火燃燒情況變差，所以未燃HC增加[2]。

由部分負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，隨著負(fù)荷的降低，發(fā)動(dòng)機(jī)最佳過(guò)量空氣系數(shù)呈下降趨勢(shì)，為避免失火，50%節(jié)氣門開(kāi)度以下，過(guò)量空氣系數(shù)控制為1.2。

利用差值法繪制發(fā)動(dòng)機(jī)理想過(guò)量空氣系數(shù)Map見(jiàn)圖9。

4? 開(kāi)、閉環(huán)對(duì)比試驗(yàn)

試驗(yàn)采集了反饋控制前后的實(shí)際空燃比，用于研究在不同轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開(kāi)度，空燃比閉環(huán)控制的效果及其對(duì)循環(huán)波動(dòng)的影響。圖10～圖13分別給出了轉(zhuǎn)速為1300r/min、節(jié)氣門開(kāi)度為50%;轉(zhuǎn)速為1300r/min、節(jié)氣門開(kāi)度為100%;轉(zhuǎn)速為2100r/min、節(jié)氣門開(kāi)度50%;轉(zhuǎn)速為2100r/min、節(jié)氣門開(kāi)度100%工況下實(shí)際空燃比的變化情況。

從試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，閉環(huán)控制比開(kāi)環(huán)控制時(shí)的實(shí)際空燃比要穩(wěn)定很多，主要是因?yàn)殚]環(huán)控制時(shí)電控單元ECU能檢測(cè)到每個(gè)循環(huán)的氧傳感器信號(hào)，并能根據(jù)這一反饋信號(hào)修正噴氣量，從而提高了空燃比的控制精度，使其更加接近目標(biāo)空燃比。如轉(zhuǎn)速為2100r/min、節(jié)氣門開(kāi)度為50%，目標(biāo)空燃比為1.3時(shí)，開(kāi)環(huán)控制的實(shí)際空燃比波動(dòng)變化大約是3.1%，而閉環(huán)控制的實(shí)際空燃比波動(dòng)變化大約是0.8%，控制精度提高了74%。

5? 結(jié)論

①稀燃對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性的改善非常明顯。對(duì)于該發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)大于1.8時(shí)，其輸出功率隨過(guò)量空氣系數(shù)增加將下降。②NOx排放量最大時(shí)對(duì)應(yīng)的過(guò)量空氣系數(shù)在1.4，比最佳經(jīng)濟(jì)性所對(duì)應(yīng)的過(guò)量空氣系數(shù)要小。③HC排放隨著過(guò)量空氣系數(shù)增大而增大，在過(guò)量空氣系數(shù)大于1.7以后開(kāi)始急劇增加。④綜合排放性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性，試驗(yàn)標(biāo)定出該發(fā)動(dòng)機(jī)的理想過(guò)量空氣系數(shù)Map，為全工況優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。⑤發(fā)動(dòng)機(jī)采用閉環(huán)反饋控制空燃比，其精度和穩(wěn)定性優(yōu)于開(kāi)環(huán)控制。

參考文獻(xiàn)：

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[3]電控CNG發(fā)動(dòng)機(jī)性能分析與試驗(yàn)研究[J].天津汽車，2006（5）：27-29.