趙春生

摘要：分析了精確控制天然氣發(fā)動機過量空氣系數(shù)控制策略，進(jìn)行了過量空氣系數(shù)對發(fā)動機經(jīng)濟性、動力性和排放性影響的試驗，標(biāo)定出發(fā)動機理想過量空氣系數(shù)控制Map。對開、閉環(huán)進(jìn)行了對比試驗，試驗結(jié)果表明，閉環(huán)控制精度和穩(wěn)定性優(yōu)于開環(huán)控制;過量空氣系數(shù)對于發(fā)動機經(jīng)濟性的影響非常明顯，經(jīng)濟性最好時的過量空氣系數(shù)大于NOx排放量最大時對應(yīng)的過量空氣系數(shù)，HC排放隨著過量空氣系數(shù)增大而增大。通過優(yōu)化，該發(fā)動機綜合性能達(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;過量空氣系數(shù);性能;排放

0? 引言

近幾年，天然氣發(fā)動機由于燃料來源豐富、排放性能好、辛烷值高、經(jīng)濟性好等優(yōu)點獲得了巨大的發(fā)展，其排放性能能夠滿足越來越嚴(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)動機。雖然天然氣是清潔燃料，但它不可能自動地、無條件地使發(fā)動機滿足日益嚴(yán)格的排放要求。因此，如何在保證氣體燃料發(fā)動機動力性能的前提下，使氣體燃料最大限度的發(fā)揮其優(yōu)勢成為各國科學(xué)家研究的一個熱點課題[1]。

天然氣發(fā)動機電控系統(tǒng)研究中的一個重要問題是如何在保證天然氣發(fā)動機動力性能和經(jīng)濟性能的前提下，盡量降低發(fā)動機的有害排放物，以滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)要求。發(fā)動機的排放與其工作時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)，必須對發(fā)動機的空燃比進(jìn)行精確的控制。

1? 發(fā)動機及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

試驗研究所用發(fā)動機為4缸增壓中冷發(fā)動機，具體參數(shù)見表1;天然氣發(fā)動機的試驗系統(tǒng)主要由發(fā)動機、天然氣供給系統(tǒng)、電控單元、測功機和缸壓采集及燃燒分析系統(tǒng)等幾個部分組成。試驗采集了反饋控制前后的實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)氣門開度情況下空燃比閉環(huán)控制的效果?？刂葡到y(tǒng)示意圖見圖1。

2? 空燃比控制策略

閉環(huán)控制是指在開環(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，得到廣泛應(yīng)用。

實現(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，但經(jīng)過Lambda儀表可以得到過量空氣系數(shù)相對應(yīng)的電壓。0.7～8.2V的輸出電壓對應(yīng)的過量空氣系數(shù)是0.7～8.2。

空燃比控制流程如圖2所示。在穩(wěn)定工況下啟動閉環(huán)控制程序，首先進(jìn)行ADC初始化，然后開啟ADC讀取輸入到單片機內(nèi)的實際空燃比的值，再與試驗設(shè)定的目標(biāo)空燃比進(jìn)行比較，通過ECU自動調(diào)整燃?xì)獾y控制開度，使發(fā)動機的空燃比保持在目標(biāo)值附近。

3? 計算與標(biāo)定試驗

3.1 燃?xì)饬髁?/p>

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

噴管中的壓強沿流向不斷減小，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)動機不同轉(zhuǎn)速和不同負(fù)荷下的過量空氣系數(shù)對其性能的影響，兼顧為了減輕試驗工作量，試驗中選擇了1300r/min、1800r/min和2100r/min三個轉(zhuǎn)速，在每個工況點下，測功機在恒轉(zhuǎn)模式下運行，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，從而使過量空氣系數(shù)減小。為防止爆震，試驗時外特性工況使過量空氣系數(shù)由1.4左右變到1.8左右;部分負(fù)荷工況為防止失火，使過量空氣系數(shù)由1.1左右變到1.4左右。當(dāng)發(fā)動機穩(wěn)定后，記錄發(fā)動機的功率、燃?xì)庀穆屎团欧诺葏?shù)。試驗結(jié)果見圖5-圖8。

由試驗結(jié)果可知，不同轉(zhuǎn)速下發(fā)動機輸出功率隨過量空氣系數(shù)而變化的趨勢相同，即先上升后下降，外特性工況不同轉(zhuǎn)速存在一個輸出功率最大的過量空氣系數(shù)，其值隨著轉(zhuǎn)速不同有所差異，在1.5到1.7之間。說明高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷情況下更有利于發(fā)動機稀薄燃燒的實現(xiàn)。

各試驗工況下發(fā)動機NOx、HC排放濃度隨過量空氣系數(shù)的變化情況如圖7、圖8所示。從圖7看，NOx隨過量空氣系數(shù)的變化呈下降的趨勢，但NOx排放量最大時對應(yīng)的過量空氣系數(shù)在1.4，比最佳經(jīng)濟性所對應(yīng)的過量空氣系數(shù)要小。這說明NOx排放與經(jīng)濟性之間存在一定的矛盾。當(dāng)對發(fā)動機排放性能要求較高時，可通過適當(dāng)加大過量空氣系數(shù)，犧牲一部分經(jīng)濟性來較大幅度地降低NOx排放。圖8顯示，HC排放隨著過量空氣系數(shù)增大而增大，這是因為隨著過量空氣系數(shù)的增加，混合氣變稀，點火燃燒情況變差，所以未燃HC增加[2]。

由部分負(fù)荷試驗結(jié)果可見，隨著負(fù)荷的降低，發(fā)動機最佳過量空氣系數(shù)呈下降趨勢，為避免失火，50%節(jié)氣門開度以下，過量空氣系數(shù)控制為1.2。

利用差值法繪制發(fā)動機理想過量空氣系數(shù)Map見圖9。

4? 開、閉環(huán)對比試驗

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

從試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，閉環(huán)控制比開環(huán)控制時的實際空燃比要穩(wěn)定很多，主要是因為閉環(huán)控制時電控單元ECU能檢測到每個循環(huán)的氧傳感器信號，并能根據(jù)這一反饋信號修正噴氣量，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)氣門開度為50%，目標(biāo)空燃比為1.3時，開環(huán)控制的實際空燃比波動變化大約是3.1%，而閉環(huán)控制的實際空燃比波動變化大約是0.8%，控制精度提高了74%。

5? 結(jié)論

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

參考文獻(xiàn)：

[1]宋均，黃震.車用天然氣發(fā)動機技術(shù)及其應(yīng)用[J].天然氣工業(yè)，2002，6（6）：88-91.

[2]Ralph D.Nine，Nigel N.Clark，Brian E.Mace.Hydrocarbon speeiation of a lean—burn，spark—ignited engine，SAE Paper 972971，1997.

[3]電控CNG發(fā)動機性能分析與試驗研究[J].天津汽車，2006（5）：27-29.