天然气发动机电控喷射系统分析

方淑娟++唐海龙

摘 要：天然气因具有资源充足、价格低的特点而被称为“最具前途的清洁能源”。随着天然气汽车的普及和电子技术的发展，相关领域对天然气发动机电控系统的要求越来越高，因此，完善天然气发动机的性能具有重要的学术价值和应用价值。

关键词：天然气；发动机；电控喷射系统；单点喷射系统

中图分类号：TK48 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.20.094

随着天然气应用技术的发展，喷射系统的结构已经被分析得更加清楚，对天然气发动机的喷射系统进行改装已不再是不可能完成的任务。在使用过程中，我们可以通过分析发动机的特点，采用不同的控制方式，利用闭环控制算法理论进行策略研究并开发软件，利用信号发生器与电位器对开发的喷射系统进行软件模拟实验，最后再对喷射脉宽进行模拟实验。运用这种方式可以检验天然气发动机的实际效果。

1 天然气发动机电控系统的研究现状

我国早在20世纪初就已经着手研究天然气发动机，并于2000年步入天然气发动机高速发展阶段。到目前为止，压缩天然气已经成为技术上很成熟的能源之一，解决了我国车用燃料单一的问题。车用天然气技术已由最初的点火燃料喷射发展到废气再循环利用。在逐步发展过程中，车用天然气技术的控制功能变得更加复杂，发动机电控系统也日益升级，控制功能、速度、精度日臻完美。

目前，我国已经进入利用电控喷气的实验阶段——根据不同的燃料发展不同的技术。由于天然气汽车在环保方面具有突出的优势，因此，只使用天然气的汽车是日后发展的主要方向。在应用天然气发动机的过程中，要革新天然气的供给方式。这是因为天然气的供给方式影响着发动机的动力和运行安全。由于我国的研究起步较晚，因此在理论与技术层面都与国外有很大差距。在保护环境的前提下，我国加大了对天然气发动机的研究投入。在国家资金注入之后，我国的天然气发动机缸内喷气技术已被成功研发，并对天然气发动机的电控技术进行了研究与尝试。可以说，我国对天然气发动机产业化的开发已经开始，但是大部分性能较好的电控系统仍然需要进口，成本非常高。荷兰某公司的双燃料发动机和美国某公司的柴油天然气双燃料发动机是我国主要进口的发动机。随着电控技术的发展，美国的公司为奔驰汽车改装了双燃料发动机。20世纪末，国外天然气汽车的发展已经具有了一定的规模，许多生产厂家推出具有强劲的动力、强大的排放性能的新型汽车，同时将进气道混合气预混合供气方式、电控单点喷射系统、电控多点喷射系统、缸内直接喷射等充分应用于这些新型汽车的发动机上。

2 天然气发动机电控单点喷射系统设计

天然气进气管采用单点喷射方式供气，因此，可以将喷射阀门安装于总进气管附近，不仅实用，而且可以降低成本。这种由软件严格控制的方式可以准确控制空燃比。在天然气的储气瓶中，打开手动阀门，天然气就会流出，并通过过滤器滤去其中的杂质。天然气流可以减压，在电控单元的控制下被喷入共轨块，与空气混合后开启气缸。对于发动机电控系统，要确定最优的燃料喷射量，由传感器采集信号。电控系统的核心部件是ECU，这是开发设计的难点。ECU的设计方式决定了故障类型，影响着发动机的性能。ECU的主要性能是控制设计策略与实现方式，完成单元选型设计，在满足精准度要求的同时，降低成本。ECU的主芯片性价比高，能正确读取信号、驱动多种执行器，具有软件数据监控功能和良好的兼容性。随着控制系统的日益完善，ECU需要检测更多的信号，这对它的实时性提出了更高的要求，对中断资源的要求也在不断提高。要选用适宜的微控制器，要有通道脉宽调制模块、输入捕捉定时器、输出比较定时器及独立的数字FO口。片内要有闪速存储器，应用锁相环要保持良好的兼容性，使用简单的开发方式，以降低成本。传感器要将工况信号输入到计算机里面，通过参数修正传感器信号，并通过执行器反馈信号。

天然气发动机电控单元要检测发动机的运行状态，就要正确利用霍尔效应的原理进行霍尔传感；天然气发动机要靠执行机构实现控制功能，就要在选择时进行准确的分享计算。对于天然气喷射系统来说，执行器也是天然气喷射阀。天然气喷射阀主要有两种形式，即低压喷射阀和高压喷射阀。前者简单，后者复杂，但是二者都需要较大的流通截面，以保证足够的气体流量。气体喷射阀具有高可靠性、高一致性、高耐久性、高安全性等特性，且要有适宜的喷射压力，既不能过大，也不能过小。喷射频率在最高转速时要保证每秒有20个工作循环。这里所说的喷射器阀芯，质量小，结构简单、紧凑，可以通过标准驱动级触发电磁阀。电磁阀的表面要作涂层处理，使不含油的气体可以共同使用。将节气门转化为电量变化，实现节气门位置的测定。天然气发动机的燃气喷射量可以采用直接测量法与间接测量法计算得出。另外，要有连续、精确的温度传感器，用以测量冷却水温和进气温度。

从控制的角度来看，单点喷射天然气发动机电控系统具有以下三个特点：①时变系统的参数变化范围大；②天然气喷射脉宽输出与输入具有非线性关系；③该系统是一个多输入、输出系统。单燃料天然气发动机的自适应控制方式是近几年提出的一种新型控制方式。人工神经网络控制系统是类似于人脑单元的基本处理动力系统，在处理过程中具有很大的优越性，可以给非线性的控制系统带来统一模型。这是一个尚未建立的体系，有待进一步研究。

3 结束语

通过制订电控喷射系统总体方案，可以完成天然气发动机单点喷射系统的改装和调试，并根据发动机的转速信号，实现对发动机运行工况的判断，从而采用不同的空燃比控制，根据霍尔传感器同步信号实现对喷射时序的控制。对天然气发动机电控喷射系统的分析可以使天然气的应用更加广泛，因此，对该系统的设计、开发具有极其重要的现实意义。

参考文献

[1]葛文庆.一种大功率气体燃料发动机电控喷射装置的研究[D].南京：南京理工大学，2012.

[2]范岚岚.多点顺序喷射电控系统的开发及天然气发动机的实验研究[D].天津：天津大学，2007.

[3]吴新潮.满足国3排放的电控喷射单燃料CNG发动机开发和燃烧性能的研究[D].上海：上海交通大学，2007.

〔编辑：刘晓芳〕