防止火花塞結(jié)冰策略的研究與應(yīng)用

朱耀文，徐士, 張騰，史小平，朱名欣，史祥東

1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濰坊 261061；2.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

天然氣重卡與傳統(tǒng)燃油卡車相比，污染物排放明顯降低；與純電動卡車相比，成本更低、技術(shù)更成熟。推廣天然氣汽車可以更好地保護(hù)環(huán)境，緩解能源壓力[1]。我國新疆、內(nèi)蒙、四川等地區(qū)天然氣資源相對豐富[2-3]，天然氣汽車普及較廣。但是我國新疆、內(nèi)蒙古、遼寧等北方地區(qū)冬季氣溫經(jīng)常低于-20 ℃，導(dǎo)致天然氣汽車停車一段時(shí)間后再次起動困難[4]，因此有必要對該問題進(jìn)行分析研究。

1 問題分析

1.1 問題描述

根據(jù)某公司天然氣重卡市場反饋，當(dāng)天然氣重卡起動時(shí)，起動機(jī)正常工作，但發(fā)動機(jī)無法起動。對車輛初步檢查，儀表無故障碼，表明起動時(shí)電控信息交互沒有問題，燃?xì)鈮毫半娖侩妷壕?，且車輛停車前各項(xiàng)狀態(tài)也都正常[5-7]。對車輛進(jìn)行拆檢，發(fā)現(xiàn)火花塞電極附近大量結(jié)冰，如圖1所示，并且不同氣缸內(nèi)的火花塞結(jié)冰狀況不一致，當(dāng)活塞處于下止點(diǎn)時(shí)，火花塞結(jié)冰最為嚴(yán)重?；鸹ㄈ?jīng)加熱除冰重新安裝到車輛后，發(fā)動機(jī)起動成功。

圖1 火花塞電極處結(jié)冰

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，不同類型的火花塞以及其他公司的天然氣汽車也普遍存在該問題，由此可見，停車后，燃燒室內(nèi)的水蒸氣在低溫環(huán)境下冷凝成水，繼而在火花塞電極處積聚結(jié)冰，造成車輛再次起動困難是天然氣發(fā)動機(jī)的一個(gè)共性問題。

1.2 火花塞點(diǎn)火機(jī)理

火花塞的主要作用是在發(fā)動機(jī)電子控制單元(electronic control unit，ECU)控制下，把點(diǎn)火線圈產(chǎn)生的高壓電引入發(fā)動機(jī)氣缸，在火花塞電極的間隙之間產(chǎn)生電火花點(diǎn)燃混合氣，從而推動活塞運(yùn)動，使發(fā)動機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)?；鸹ㄈ慕Y(jié)構(gòu)如圖2所示，其中側(cè)電極與中心電極在火花塞軸向上的距離即為火花塞間隙[8]。火花塞的點(diǎn)火過程分為4個(gè)階段：1)點(diǎn)火線圈在火花塞電極兩端產(chǎn)生高壓電，高壓擊穿電極間的介質(zhì)產(chǎn)生電火花；2)電弧高溫加熱混合氣后產(chǎn)生火焰核；3)火焰核變大(火花塞電極結(jié)構(gòu)會影響這個(gè)過程，從而影響火花塞點(diǎn)火性能)；4)火焰核溫度上升至混合氣燃點(diǎn)時(shí)混合氣被點(diǎn)燃[9]。

圖2 火花塞結(jié)構(gòu)

2 火花塞結(jié)冰原因及試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 火花塞結(jié)冰原因

天然氣發(fā)動機(jī)缸內(nèi)水蒸氣的主要來源有空氣中的水蒸氣、天然氣中的水蒸氣、天然氣燃燒生成的水蒸氣[10]。天然氣的主要成分是甲烷，在發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒時(shí)產(chǎn)生大量的水蒸氣，是水蒸氣的主要來源。當(dāng)發(fā)動機(jī)停止運(yùn)行后，若活塞處于下止點(diǎn)并且處于排氣行程開始時(shí)刻，缸內(nèi)容積最大，水蒸氣較多，冷卻后易于形成液態(tài)水。

天然氣發(fā)動機(jī)在寒區(qū)運(yùn)行時(shí)，發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)存有大量的水蒸氣，極易吸附聚集在火花塞電極處液化結(jié)冰，所以環(huán)境溫度直接影響火花塞電極處是否結(jié)冰。發(fā)動機(jī)停機(jī)時(shí)活塞位置是隨機(jī)變化的，具有不可控的特點(diǎn)。

因此天然氣發(fā)動機(jī)在寒區(qū)運(yùn)行時(shí)，停機(jī)前應(yīng)將燃燒后的廢氣盡可能排出，減少缸內(nèi)的水蒸氣，可降低火花塞結(jié)冰的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 試驗(yàn)方案及結(jié)果

選擇相同型號的3輛汽車進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證車輛停機(jī)前排出燃燒廢氣對防止火花塞結(jié)冰的效果。試驗(yàn)方案及結(jié)果如表1所示，試驗(yàn)環(huán)境溫度為-20 ℃。

表1 試驗(yàn)方案及結(jié)果

由表1可知：怠速工況，天然氣噴射量減少，燃燒產(chǎn)生的水蒸氣減少；怠速運(yùn)轉(zhuǎn)超過10 min，發(fā)動機(jī)缸內(nèi)及火花塞溫度逐步降低，同時(shí)將缸內(nèi)溫度較高的廢氣排出，不利于水蒸氣液化形成水滴。因此天然氣發(fā)動機(jī)在寒區(qū)運(yùn)行時(shí)，在停機(jī)前怠速運(yùn)行10 min或者更長時(shí)間可有效減少缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生的水蒸氣，避免火花塞結(jié)冰。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，天然氣發(fā)動機(jī)在寒區(qū)運(yùn)行時(shí)，發(fā)動機(jī)在停機(jī)前有必要怠速運(yùn)行一段時(shí)間，然后關(guān)閉天然氣氣瓶閥門，使發(fā)動機(jī)因缺少燃料自行熄火，熄火后重新轉(zhuǎn)動鑰匙，起動機(jī)拖動發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)15 s。采取上述措施后，火花塞處結(jié)冰現(xiàn)象減少，車輛可正常起動，市場反饋效果良好。

但是冬季極寒環(huán)境中，駕駛員需要在車輛每次起動時(shí)開啟天然氣氣瓶閥門，停車時(shí)關(guān)閉閥門，增大了閥門漏氣的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)起動機(jī)拖動發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間過長容易導(dǎo)致起動機(jī)燒壞。為簡化駕駛員操作和降低氣瓶閥門、起動機(jī)的故障率，有必要開發(fā)發(fā)動機(jī)控制策略，自動排空氣缸內(nèi)高溫水蒸氣。

3 自動排氣控制策略

3.1 邏輯策略

以某天然氣發(fā)動機(jī)為研究對象，研究其控制策略，在發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)中增加冬季寒區(qū)怠速排氣功能，自動排空氣缸內(nèi)的高溫水蒸氣。

天然氣發(fā)動機(jī)自動排氣控制策略流程圖如圖3所示。

圖3 自動排氣控制策略流程圖

安全判定條件包括：1)油門踏板開度為0；2)車速為0；3)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速低于700 r/min；4)鑰匙開關(guān)狀態(tài)為“on”；5)遠(yuǎn)程油門為關(guān)閉狀態(tài)；6)空擋狀態(tài)或離合斷開狀態(tài)至少滿足一個(gè)；7)無故障動作。

t1、t2、t3、t4及判定條件均為可標(biāo)定量[11]。其中，t1、t2、t3、t4可借助在寒區(qū)或冷艙環(huán)境下的試驗(yàn)，綜合考慮試驗(yàn)過程中排氣效果及對起動機(jī)的壽命影響，多次修改數(shù)值，以達(dá)到最佳匹配效果。安全條件判定，應(yīng)優(yōu)先保證車輛處于安全狀態(tài)，如：不允許車輛行走，車速應(yīng)當(dāng)標(biāo)定為0，為保證起動機(jī)只拖動發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，動力傳遞系統(tǒng)必須切斷，因此車輛處于空擋或離合，至少滿足其一。

3.2 軟件功能

基于前述電控邏輯，開發(fā)軟件對應(yīng)功能，如功能開關(guān)、指示燈屬性設(shè)置，功能使能激活安全門檻條件(油門踏板開度、車速、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、鑰匙開關(guān)位置狀態(tài)、空擋或離合位置狀態(tài)等)設(shè)置，起動機(jī)工作與間歇時(shí)間設(shè)置，以及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、天然氣壓力、油門踏板開度、車速信號的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)值顯示。司機(jī)停車前，只需在駕駛室內(nèi)按一下冬季怠速停機(jī)排氣開關(guān)按鈕，即可一鍵自動排出氣缸內(nèi)高溫水蒸氣。

3.3 應(yīng)用測試

完成電控邏輯與軟件開發(fā)標(biāo)定后，在車輛上試驗(yàn)驗(yàn)證怠速停機(jī)自動排氣控制策略的防結(jié)冰效果，實(shí)測車輛自動排氣相關(guān)參數(shù)狀態(tài)變化曲線如圖4所示。

圖4 車輛自動排氣實(shí)測相關(guān)參數(shù)狀態(tài)變化曲線

車輛停車處于駐車怠速狀態(tài)時(shí)，發(fā)動機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后，打開冬季怠速停機(jī)排氣開關(guān)，排氣指示燈閃爍(圖5中細(xì)密豎線區(qū)域)，怠速運(yùn)行時(shí)間t1后，程序自動控制燃?xì)馇袛嚅y斷電關(guān)閉，發(fā)動機(jī)因缺少燃料而熄火，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸變?yōu)?。因發(fā)動機(jī)繼續(xù)運(yùn)行的時(shí)間t小于軟件標(biāo)定的時(shí)間t2，則間隔時(shí)間t3后，起動機(jī)第1次拖動發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)間t4，按照程序設(shè)定，再次間隔t3后，起動機(jī)第2次拖動發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)間t4，完成高溫蒸氣排氣動作，此動作共執(zhí)行2次，之后關(guān)閉怠速停機(jī)排氣開關(guān)。

車輛ECU刷寫上述改進(jìn)的新程序后，停車前打開冬季怠速停機(jī)排氣開關(guān)，使車輛按照程序控制，可自動將燃燒室內(nèi)殘留高溫氣體排出。根據(jù)市場反饋結(jié)果，該方法可解決冬季火花塞結(jié)冰導(dǎo)致的起動難問題，而且簡化了司機(jī)的操作，一定程度上也保證了相關(guān)零部件的可靠性。

4 結(jié)語

分析冬季由于火花塞結(jié)冰導(dǎo)致發(fā)動機(jī)難以起動的原因，提出停機(jī)時(shí)排空氣缸內(nèi)殘留水蒸氣的解決方案，同時(shí)為了提升操作實(shí)用性，設(shè)計(jì)天然氣發(fā)動機(jī)停機(jī)怠速自動排氣控制策略，開發(fā)軟件相應(yīng)功能，由人為操作改為一鍵自動操作，經(jīng)實(shí)際應(yīng)用測試，火花塞結(jié)冰故障率降低明顯。天然氣車輛在我國廣泛使用，區(qū)域性氣候差異巨大，本文中的解決措施可為今后快速排除此類故障提供參考。