林 建

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基于噴射動(dòng)力學(xué)的壓縮天然氣多點(diǎn)噴射系統(tǒng)開發(fā)

林 建

福建戴姆勒汽車工業(yè)有限公司區(qū)域設(shè)計(jì)中心

燃料噴射動(dòng)力學(xué)模型較好地給出了精確控制發(fā)動(dòng)機(jī)燃料供給的主要控制參數(shù)。本文介紹了應(yīng)用燃料噴射動(dòng)力學(xué)模型,在原車汽油控制單元控制數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上開發(fā)壓縮天然氣—汽油兩用燃料汽車的天然氣多點(diǎn)噴射系統(tǒng),達(dá)到了在滿足排放要求的前提條件下，有效減少動(dòng)力損失并達(dá)到較好的燃料經(jīng)濟(jì)性。

燃料噴射動(dòng)力學(xué)模型；壓縮天然氣；兩用燃料；多點(diǎn)噴射；動(dòng)力損失

目前在汽車上使用的壓縮天然氣單燃料或汽油—壓縮天然氣兩用燃料系統(tǒng)多采用混合器預(yù)混合式或者稍微先進(jìn)點(diǎn)的多點(diǎn)噴射式燃料供給方式，這樣不僅不能達(dá)到與原來(lái)的燃用汽油相比降低排放污染物之目的，而且還會(huì)使排放進(jìn)一步惡化，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性顯著下降，同時(shí)燃料經(jīng)濟(jì)性沒(méi)有得到應(yīng)有的發(fā)揮。本文介紹了基于燃料噴射動(dòng)力學(xué)模型的壓縮天然氣多點(diǎn)噴射系統(tǒng)的開發(fā)，通過(guò)采集發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況參數(shù)和精確計(jì)算、修正及補(bǔ)償壓縮天然氣的噴射量和噴射時(shí)刻，在滿足排放法規(guī)的基礎(chǔ)上，達(dá)到最好的動(dòng)力性和燃料經(jīng)濟(jì)性。

1 燃料噴射動(dòng)力學(xué)模型介紹

四沖程火花塞點(diǎn)火非直噴發(fā)動(dòng)機(jī)有3個(gè)狀態(tài)變量：進(jìn)氣歧管內(nèi)的空氣質(zhì)量或者是進(jìn)氣歧管內(nèi)的空氣壓力，進(jìn)入燃燒室的燃料質(zhì)量流動(dòng)速率和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

第一個(gè)狀態(tài)變量，即進(jìn)入進(jìn)氣歧管內(nèi)的空氣質(zhì)量流動(dòng)速率可用如下模型表示

第二個(gè)狀態(tài)變量，即進(jìn)入燃燒室的燃料質(zhì)量流動(dòng)速率。對(duì)于非直噴的發(fā)動(dòng)機(jī)，我們考慮燃料從進(jìn)氣歧管噴入，并且噴入進(jìn)氣歧管的燃料全部進(jìn)入燃燒室。這時(shí)考慮燃料噴射系統(tǒng)兩個(gè)因素：噴射器的滯后和燃料在輸送過(guò)程中的延遲，于是可建立燃料噴射過(guò)程的動(dòng)力學(xué)模型

為空燃比，為可控參數(shù)；為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，即第3個(gè)狀態(tài)變量[1]。

2 壓縮天然氣供給系統(tǒng)介紹

點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)目前普遍使用汽油為燃料，其燃燒產(chǎn)物中的有害成分所帶來(lái)的環(huán)保問(wèn)題已經(jīng)為人類所重視，同時(shí)人類正面臨著能源危機(jī)，于是人們紛紛研究并已經(jīng)開始使用清潔能源和替代能源。作為燃燒特性與汽油比較接近，燃燒產(chǎn)物比汽油環(huán)保，價(jià)格相對(duì)低廉的天然氣已經(jīng)在一定范圍內(nèi)作為汽車替代燃料進(jìn)行使用。人們已經(jīng)對(duì)汽油—壓縮天然氣兩用燃料車進(jìn)行研究、開發(fā)、制造并使用，目前常見的有混合器預(yù)混合式和多點(diǎn)噴射式天然氣供給系統(tǒng)。

2.1 混合器預(yù)混合式壓縮天然氣供給系統(tǒng)

圖1 混合器預(yù)混合式壓縮天然氣供給系統(tǒng)

這種混合氣生成方式無(wú)法保證進(jìn)入氣缸內(nèi)的混合氣能夠?qū)崿F(xiàn)均質(zhì)燃燒，無(wú)法確保其燃燒產(chǎn)物達(dá)到環(huán)保要求，也不能得到較好的燃?xì)饨?jīng)濟(jì)性，未能充分發(fā)揮天然氣燃料的優(yōu)勢(shì)；而且容易在氣缸內(nèi)部形成積碳和不正常燃燒，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出特性，特別是動(dòng)力性下降較嚴(yán)重，功率損失一般在15%左右，扭矩?fù)p失在10%左右，熱效率低，尤其在低速中小負(fù)荷工況燃料利用率低。由于天然氣是氣態(tài)，當(dāng)采用混合器預(yù)混合供氣方式時(shí)，天然氣就會(huì)占據(jù)進(jìn)入氣缸的部分空氣量，使得充氣系數(shù)比使用汽油液體燃料大約降低10%，使發(fā)動(dòng)機(jī)功率及扭矩有所下降[2]。還由于天然氣密度比空氣小，進(jìn)氣管內(nèi)的天然氣很容易漂浮在進(jìn)氣管內(nèi)壁的上表層，容易產(chǎn)生回火，甚至發(fā)生爆炸等危險(xiǎn)。

2.2 多點(diǎn)噴射式天然氣供給系統(tǒng)

多點(diǎn)噴射式天然氣供給系統(tǒng)是一種較混合器預(yù)混合式更進(jìn)一步的供氣系統(tǒng)（如圖2）。

該系統(tǒng)是將氣體噴射器布置在各缸進(jìn)氣歧管靠近進(jìn)氣門的前端，可以對(duì)每一缸進(jìn)行定時(shí)定量供氣，通常叫多點(diǎn)氣體噴射系統(tǒng)。它實(shí)現(xiàn)了對(duì)天然氣供給進(jìn)行質(zhì)的控制，使天然氣在氣缸中得到較充分地燃燒，使它作為氣體燃料的燃燒特性和低排放特性得到較好地發(fā)揮，因而一定程度上改善了天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性（比汽油約降低8%）、排放水平（一般實(shí)車可達(dá)到EURO-Ⅱ）和經(jīng)濟(jì)性。該系統(tǒng)對(duì)天然氣行分缸供給，相比混合器預(yù)混合式可以減輕和消除由于氣門重疊角存在所造成的燃?xì)庵苯右绯觥夯欧藕腿剂侠速M(fèi)的問(wèn)題，而且可以有效地解決發(fā)動(dòng)機(jī)回火進(jìn)而導(dǎo)致進(jìn)氣管爆炸等問(wèn)題。該系統(tǒng)在進(jìn)氣門前端進(jìn)行噴氣，可以降低供氣對(duì)進(jìn)氣沖量的影響（與汽油相比下降6%～8%）[2]，提高了充氣效率，因而發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出特性也有所提高。

圖2 多點(diǎn)噴射式壓縮天然氣供給系統(tǒng)

多點(diǎn)噴射式天然氣供給系統(tǒng)僅僅將發(fā)動(dòng)機(jī)原來(lái)的汽油信號(hào)簡(jiǎn)單地轉(zhuǎn)換成噴氣信號(hào)，即CNG控制單元只采集原控制單元的噴油信號(hào)，然后根據(jù)天然氣與汽油的熱值換算關(guān)系，未經(jīng)任何的修正而將噴油量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的噴氣量并指示燃?xì)鈬娚淦飨虬l(fā)動(dòng)機(jī)各缸噴氣；同樣噴射正時(shí)也是直接沿用原來(lái)的汽油噴射正時(shí)信號(hào)，空燃比控制也直接沿用原來(lái)的汽油燃料的控制策略。氣體燃料的天然氣與液體燃料的汽油相比，其燃料特性和燃燒特性有較大的差異，它們的物相、熱值、辛烷值、著火極限、著火點(diǎn)、火焰?zhèn)鞑ニ俣纫约叭紵郎囟群腿紵a(chǎn)物等均有所不同[2]，因此它們的控制參數(shù)：空燃比和燃料供應(yīng)時(shí)間τ應(yīng)有所不同。從式（3）可以知道，該多點(diǎn)噴射式天然氣供給系統(tǒng)未對(duì)天然氣供給進(jìn)行精確控制。

2.3 基于燃料噴射動(dòng)力學(xué)模型的天然氣多點(diǎn)噴射系統(tǒng)

由燃料噴射動(dòng)力學(xué)模型可知，要實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣供給的精確控制，首先要知道發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫、節(jié)氣門開度、進(jìn)氣溫度和壓力等，乃至車輛的運(yùn)行狀態(tài)：車速、氧傳感器信號(hào)、加速減速等以及天然氣供給系統(tǒng)的狀態(tài)：燃?xì)鉁囟?、燃?xì)鈱?dǎo)軌內(nèi)壓力等（見圖3）；再根據(jù)以上狀態(tài)參數(shù)，對(duì)原來(lái)的汽油噴油脈譜進(jìn)行修正得到最優(yōu)的有效天然氣供應(yīng)時(shí)間τ，在保證排放的前提下，以得到最好的動(dòng)力性輸出和燃?xì)饨?jīng)濟(jì)性為目標(biāo)對(duì)空燃比λ進(jìn)行調(diào)整，從而得到精確控制的天然氣噴射量M，最后實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣噴射系統(tǒng)的精確控制。

圖3 基于動(dòng)力學(xué)模型的天然氣多點(diǎn)噴射系統(tǒng)

3 基于噴射動(dòng)力學(xué)模型的多點(diǎn)天然氣噴射系統(tǒng)開發(fā)

3.1 天然氣噴射系統(tǒng)匹配標(biāo)定

基于噴射動(dòng)力學(xué)模型的多點(diǎn)天然氣噴射系統(tǒng)是CNG控制單元以原車控制單元中的噴油信號(hào)為基礎(chǔ)，接收發(fā)動(dòng)機(jī)、天然氣系統(tǒng)和車輛各相關(guān)傳感器的輸入信號(hào)，然后根據(jù)這些信號(hào)和原車控制單元中的自學(xué)習(xí)值并結(jié)合算法對(duì)原車噴油信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、修正等處理，最終確定該時(shí)刻的噴氣時(shí)間，并驅(qū)動(dòng)燃?xì)鈬娮煜蛳鄳?yīng)的氣缸供氣（見圖4）。

圖4 天然氣控制單元信號(hào)處理

3.1.1系統(tǒng)信號(hào)處理

要實(shí)現(xiàn)對(duì)CNG噴射量的精確控制，噴射系統(tǒng)就要接收如下的輸入信號(hào)并進(jìn)行利用：

噴油時(shí)間信號(hào)：原來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元中的噴油信號(hào)，是控制噴氣量的最主要基礎(chǔ)參數(shù)。

轉(zhuǎn)速信號(hào)：作為發(fā)動(dòng)機(jī)重要狀態(tài)參數(shù)，轉(zhuǎn)速信號(hào)有兩項(xiàng)功能，一是作為噴油信號(hào)轉(zhuǎn)化為噴氣信號(hào)的校正參數(shù)之一；二是用于判斷發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)是否處于運(yùn)行還是靜止?fàn)顟B(tài)。

發(fā)動(dòng)機(jī)水溫：確定汽油-燃?xì)廪D(zhuǎn)換時(shí)間和在運(yùn)行中作為修正噴氣時(shí)間的重要參數(shù)。

燃?xì)鉁囟龋河糜谛拚龂姎鈺r(shí)間。當(dāng)燃?xì)鉁囟茸兓瘯r(shí)，燃?xì)饷芏燃澳芰繉?huì)發(fā)生變化，噴氣時(shí)間也需要相應(yīng)地延長(zhǎng)或縮短。

燃?xì)鈮毫Γ河糜谛拚龂姎鈺r(shí)間。當(dāng)燃?xì)鈮毫ψ兓瘯r(shí)燃?xì)饷芏燃澳芰繉?huì)變化，噴氣時(shí)間也需要相應(yīng)地延長(zhǎng)或縮短。當(dāng)氣瓶?jī)?nèi)壓力過(guò)低或過(guò)濾器堵塞時(shí)系統(tǒng)將自動(dòng)切換為汽油運(yùn)行。

氣量傳感器：該信號(hào)取自減壓閥上的壓力傳感器，用于感知?dú)馄恐刑烊粴鈨?chǔ)量。

3.1.2噴氣信號(hào)匹配

系統(tǒng)工作時(shí)CNG控制單元以原車噴油信號(hào)為基礎(chǔ)輸入信號(hào)，讀取每個(gè)汽油噴嘴的控制信號(hào)，并實(shí)時(shí)采集氧傳感器反饋的信號(hào)、水溫信號(hào)、轉(zhuǎn)速信號(hào)、節(jié)氣門開度信號(hào)等，計(jì)算燃?xì)鈬娚鋾r(shí)間基本量，再經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、燃?xì)鉁囟燃叭細(xì)鈮毫Φ葏?shù)校正后，確定該工況下的噴氣時(shí)間，最終將其轉(zhuǎn)化為燃?xì)鈬娮斓目刂菩盘?hào)向相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸供氣。 天然氣作為氣體具有可壓縮性，其密度受到環(huán)境及其物理特性的影響而在很大范圍內(nèi)變化，這些因素必須對(duì)天然氣噴射總量加以補(bǔ)償，確定補(bǔ)償系數(shù)時(shí)考慮以下參數(shù)：導(dǎo)軌內(nèi)天然氣壓力P，進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力P和天然氣溫度T，由他們可得條件參數(shù)：壓力差D=P–P和壓力比* =P/P。

相對(duì)于汽油，天然氣的燃料特性有些不同，在將原車的噴油時(shí)間轉(zhuǎn)化為噴氣時(shí)間信號(hào)時(shí)需考慮這個(gè)因素。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于冷態(tài)及急加速狀態(tài)時(shí)，噴油時(shí)間將會(huì)比正常狀態(tài)下延長(zhǎng)，用于補(bǔ)償由于燃油未充分霧化所造成的燃料不足；但對(duì)于氣態(tài)的天然氣來(lái)說(shuō)不存在霧化不充分的問(wèn)題，因此噴氣時(shí)間需進(jìn)行較大程度的校正。

當(dāng)天然氣通過(guò)噴嘴的氣流速度為音速時(shí)，最容易獲得最佳空燃比，氣體流速為音速的必要條件是* < 0.5，即導(dǎo)軌內(nèi)天然氣壓力P為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力P的二倍以上。

對(duì)于天然氣溫度T，我們可以從天然氣量與其溫度的平方根成反比可以進(jìn)行燃?xì)鉁囟妊a(bǔ)償。

對(duì)于天然氣系統(tǒng)穩(wěn)定流量、噴嘴開啟及關(guān)閉時(shí)間對(duì)實(shí)際噴氣時(shí)間的影響，系統(tǒng)在軟件上進(jìn)行了補(bǔ)償：天然氣噴嘴在氣缸處于進(jìn)氣沖程或稍微提前開啟，以達(dá)到最佳的進(jìn)氣時(shí)刻。

由于實(shí)現(xiàn)了由噴油時(shí)間對(duì)噴氣時(shí)間的精確轉(zhuǎn)換與匹配，CNG控制單元可使用原車控制單元的各項(xiàng)修正信號(hào)及自適應(yīng)值，并保留原來(lái)所有對(duì)信號(hào)的處理及計(jì)算方式。

3.1.3汽油、天然氣切換匹配

汽油—天然氣兩用燃料車正常情況下使用汽油進(jìn)行起動(dòng)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行且油/氣轉(zhuǎn)換開關(guān)置于CNG位置時(shí)，CNG控制單元自動(dòng)檢測(cè)存儲(chǔ)器內(nèi)的轉(zhuǎn)換條件。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫到達(dá)轉(zhuǎn)換條件時(shí)，控制單元首先指示氣瓶電磁閥開啟，CNG經(jīng)減壓閥減壓并經(jīng)濾清器過(guò)濾后到達(dá)氣軌。其次檢測(cè)當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、加速或減速、燃?xì)鉁囟燃稗D(zhuǎn)換最短時(shí)間均達(dá)到要求時(shí)，系統(tǒng)切換到天然氣工作狀況：CNG控制單元驅(qū)動(dòng)燃?xì)鈬娮旃ぷ?，同時(shí)汽油噴嘴被切斷防止混燃。

當(dāng)車輛CNG氣量不足時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)切換至汽油狀態(tài)，并伴隨蜂鳴器響聲提醒司機(jī)加氣。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)熄火或轉(zhuǎn)換為汽油運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)將電磁閥關(guān)閉轉(zhuǎn)回汽油模式。

當(dāng)汽油系統(tǒng)出現(xiàn)故障或汽油用光而無(wú)法啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，可按照以下方式進(jìn)行CNG直接啟動(dòng)：先打開點(diǎn)火開關(guān)但不起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)；再將燃料轉(zhuǎn)換開關(guān)按鈕置于汽油位置，然后再置于CNG位置也不起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)；等到CNG狀態(tài)指示燈持續(xù)亮?xí)r就可以直接以CNG啟動(dòng)。

3.1.4自診斷系統(tǒng)

該系統(tǒng)具有自診斷功能，當(dāng)系統(tǒng)使用CNG出現(xiàn)故障時(shí)，CNG狀態(tài)指示燈將會(huì)慢閃，以顯示故障。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)的故障影響到正常的CNG運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為汽油行駛，這時(shí)汽油狀態(tài)指示燈亮，CNG狀態(tài)指示燈慢閃，同時(shí)蜂鳴器報(bào)警。

4.2 基于動(dòng)力學(xué)模型的多點(diǎn)噴射天然氣—汽油兩用燃料車開發(fā)

我們采用得利卡（車輛基本參數(shù)見表1）為基礎(chǔ)車型進(jìn)行天然氣—汽油兩用燃料車型的技術(shù)開發(fā)工作，對(duì)其發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改造：進(jìn)、排氣門座、進(jìn)氣門、活塞及活塞銷組、活塞環(huán)組和進(jìn)氣歧管采用CNG專用件，在進(jìn)氣歧管下端靠近進(jìn)氣門處加裝天然氣噴咀；對(duì)其電路進(jìn)行了改造：加入油氣轉(zhuǎn)換器和天然氣控制單元并與原來(lái)的汽油控制單元建立起信息溝通和信號(hào)共享的通訊；在燃料供給系統(tǒng)上加入一套天然氣供給系統(tǒng),包含氣瓶組、氣瓶閥、充氣閥、壓力表、減壓閥、濾清器、氣軌及相應(yīng)的管路等，具體見圖3。

得利卡基礎(chǔ)車型滿足排放EURO-Ⅲ要求，在對(duì)其進(jìn)行兩用燃料車型匹配標(biāo)定時(shí)采用的策略：使用CNG的條件下，以保證滿足排放EURO-Ⅲ作為約束條件，以整車的動(dòng)力性作為第一目標(biāo)，燃?xì)饨?jīng)濟(jì)性作為次目標(biāo)。最后按照三菱汽車的測(cè)試規(guī)范ES-M950300C進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)性能測(cè)試，獲得發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性（帶整車進(jìn)排氣系統(tǒng)）參數(shù)，見表2。從表2可見燃用天然氣時(shí)與燃用汽油時(shí)相比：低速扭矩特性比較接近，約降低3%，在最大扭矩點(diǎn)時(shí)約降4%，最大功率點(diǎn)約降4.3%，而且可以看出隨著轉(zhuǎn)速的升高，功率和扭矩下降趨勢(shì)越大越明顯，這主要是由于天然氣占用了氣缸內(nèi)的部分體積，導(dǎo)致充氣效率降低所致，但是整個(gè)動(dòng)力損失能夠在5%以內(nèi)。由于天然氣的燃點(diǎn)比較高，抗爆性比較好，如果進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火能量，并加大點(diǎn)火提前角，那么發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出特性將會(huì)進(jìn)一步提高。

表1 車輛基本參數(shù)

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)外特性對(duì)比

表3 整車動(dòng)力性對(duì)比

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 12543-2009等（見表3），從整車的動(dòng)力性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，也可以看出類似的趨勢(shì)，但是整車動(dòng)力損失比較大，除了與使用CNG后發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出特性有所降低有關(guān)以外，還有另外一個(gè)原因就是增加了CNG供氣系統(tǒng)零部件，整車的質(zhì)量增加，車輛的整車動(dòng)力匹配性沒(méi)有得到較好地匹配，要想得到理想的整車動(dòng)力性，就要對(duì)整車的傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行重新優(yōu)化匹配。

4 結(jié)論

（1）基于噴射動(dòng)力學(xué)模型的多點(diǎn)天然氣噴射系統(tǒng)能夠較精確地對(duì)天然氣噴射量進(jìn)行控制，從而較有效地降低發(fā)動(dòng)機(jī)在動(dòng)力性方面的損失，同時(shí)能夠確保良好的排放性能。

（2）為了提高使用天然氣的兩用燃料車整車動(dòng)力性，除了采用基于噴射動(dòng)力學(xué)模型的多點(diǎn)天然氣噴射系統(tǒng)外，還需要對(duì)整車的傳動(dòng)系統(tǒng)和點(diǎn)火系統(tǒng)等進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化匹配。

[1] 莊繼德.汽車電子控制系統(tǒng)工程[M].北京：北京理工大學(xué)出版社,1998.

[2] 孫濟(jì)美.天然氣和液化石油氣汽車[M].北京：北京理工大學(xué)出版社,1999.

Development of CNG Multi-point Injection System Based on the Fuel Injection Dynamic Model

Lin Jian

(Research and Development Center, Fujian Daimler Automobile Co., Ltd., Fuzhou 350119, China)

The fuel injection dynamic model can well describe how to accurately control the fuel supplied to the engine and can provide the main control parameters. The development and application of the compressed natural gas (CNG) multipoint injection (MPI) system based on the fuel injection dynamic model for the gasoline and CNG bi-fuel vehicle are discussed. The results indicate that the compressed natural gas multipoint injection system can meet the emission requirement and can effectively reduce the power loss and fuel consumption.

fuel injection dynamic model; compressed natural gas; bi-fuel; multi-point injection; dynamic loss