（机械工程专业论文）稀燃增压cng发动机控制器关键技术的研究.pdf

j 汽交通人学博l j 后研究 1 ) 告 稀燃增压c n g 发动机控制器关键技术的研究 摘要 作为国家“8 6 3 ”课题重要组成部分，本文对新型稀燃增压电控c n g 发动机控制器各项关键技术进行了自主开发。主要涉及电控稀燃增压 c n g 发动机控制系统总体方案设计、基于扭矩的开放型软件平台设计 以及基于模型的控制策略研究等，具体内容包括： 1 ) 首先比较了电控c n g 发动机控制系统的发展现状及异同之处， 总结并明确了基于燃气喷射作为车用c n g 发动机控制系统研发的必要 性及优势，并结合整车以及发动机控制功能需求，确定了稀燃增压电控 c n g 发动机控制系统的总体设计方案。 2 ) 在对比分析电控柴油机与电控稀燃增压c n g 发动机电控系统各 项控制功能基础上，明确了基于扭矩的开放型软件结构设计开发电控 c n g 发动机控制系统软件的可行性与优势，最终应用于c n g 发动机控 制软件的研发。 3 ) 建立了基于扭矩的发动机转速模型，以转速闭环控制作为研究对 象，研发了转速闭环控制策略，经模型仿真对控制效果进行了验证，明 确了具体可行的控制方法。 4 ) 由于车用电子节气门具有非线性、大迟滞的特点，研究并确立了 电子节气门的参数模型，并有针对性地研发了非线性补偿、分段增益的 数字p i d 控制方法，经实际应用验证取得了较好的控制效果。 5 ) 由于c n g 电控系统需要应用于不同的发动机，信号盘的设置多 种多样。为缩短电控系统匹配不同的信号盘方案，设计了一种通用型发 动机转速信号发生器，以验证各种工况下的判缸控制策略与故障诊断。 关键词：c n g 发动机，稀燃，增压，建模仿真，非线性控制 第1 i 页 第一章绪论 1 1 天然气发动机作为车用动力的优势 在全世界致力于降低c 0 2 排放的背景下，为了满足更加严格的排放法规，天然 气作为代用燃料显得越来越重要。而且，稀燃增压c n g 发动机作为车用动力，与 常规柴油机与汽油机相比有一定的排放及经济性优势。鉴于c n g 发动机的局限性， 天然发动机几乎全部用于公共交通车辆( 例如：公共汽车和出租车) 。可方便地进 行天然气及汽油的双燃料切换的喷射系统则主要应用于轿车发动机。 1 1 1 天然气可利用资源丰富 天然气资源丰富，伴随着新油气田的发现及深海探测技术的进步，天然气储量 将不断提高。近年来，我国天然气勘探开发工作的发展非常迅速，探明储量不断提 升，对于天然气在发动机上的应用有深远影响。 在世界石油理事会中国国家委员会和国家科技部联合举办的2 0 0 8 中国油气论 坛天然气专题研讨会上，原石油工业部部长王涛指出，中国的天然气资源非常丰富。 最新的油气资源评价表明，全国天然气资源量为4 7 万亿立方米，可探明的资源量 为2 2 万亿立方米( 按可探明率4 6 8 计) ，天然气可采资源量为1 4 万亿立方米( 按可 采率6 3 6 计) ，体现了中国天然气雄厚的资源潜力和良好的发展前景。根据预测， 从现在到2 0 2 0 年中国可新增天然气可采储量3 万亿立方米以上，到2 0 2 0 年，中国 累计天然气探明可采储量可达6 万亿立方米以上。天然气年产量将从目前的7 0 0 亿 立方米增加到1 2 0 0 亿立方米1 5 0 0 亿立方米。 2 0 1 0 年9 月1 0 日，中石油在昆明宣布，3 0 年内每年输送2 2 0 0 万吨原油、1 2 0 亿立方米天然气的中缅油气管道工程中国境内段在云南昆明开工，此举标志着中国 规划布局的东北、西北、西南陆上和海上四大油气战略通道已全部进入具体实施阶 段。中国在建将建的天然气管线，除了西气东输二线、三线、四线，还有中亚、中 缅、川气东送，中俄、海气登陆、l n g ( 液化天然气) 干线管道。此外，中国还将构 筑沿海管网，扩展和完善珠江三角洲、长江三角洲以及环渤海地区的天然气管网。 从上述数据上看，天然气在中国能源战略上的重要意义及雄厚的发展潜力不言 第l页 l ：、衍交通大学 i ；t 丘， i , r t l 之告 而喻。如果深入研发天然气燃料汽车，进一步提高天然气的使用效率及天然气汽车 的各项性能，就会使得天然气汽车的应用范围不断扩展，那将极大地拓宽汽车动力 能源的来源，有效弥补未来石油燃料的不足。天然气以其长期可获得性和均匀的地 域分布优势而成为最有前途的车用代用燃料。 1 1 2 易于形成混合气 大多数c n g 喷射系统采用类似于传统多点汽油喷射系统，气体被喷射到进气 歧管中。经过减压的天然气通过一根低压气轨分配到各个电控喷嘴阀，然后间歇喷 射入进气歧管。由于供应的燃料完全是气体，而且天然气不会冷凝在进气歧管壁上 形成膜，所以混合气的形成大大简化。这些对发动机排放，特别是暖机阶段的排放 非常有利。 与汽油发动机相比，由于实现理论空燃比( 1 7 2 ：1 ) 的燃料需求量低和容积效 率低，所以天然气发动机的功率输出约低1 0 1 5 。若采用增压，即高压缩l i , n 可 同时提高发动机的性能和功率。天然气具有非常好的抗爆性能( 1 2 0 r o n ) ，所以发 动机的压缩比可以提高到约1 3 ：1 ( 普通汽油机为8 ：1 ) 。因此，天然气发动机非常适 合于涡轮增压。当气缸排量减少时，由于节流降低和摩擦减少，发动机的效率增加。 在过量空气系数高达1 7 的稀薄混合气燃烧时，发动机效率可进一步提高。稀 薄混合气既降低了燃烧温度，又降低了发动机的节流损失。 1 1 3 排放低 天然气成为汽车燃料的重要来源的另一个关键因素是，天然气发动机的排放性 能很好，主要表现在c o 排放量较小、未燃h c 成分引起的光化学反应低、燃料几 乎不含硫的成分、微粒的排放量几乎为零。相同压缩比情况下，改变发动机的燃料 和燃料供给方式时的废气排放结果表明：天然气发动机的n o x 的排放量比汽油机约 低3 0 ，n m h c 的排放量比汽油机低5 0 - 6 0 ，c 0 2 的排放量比汽油机约低2 0 ； 天然气发动机排放废气中h c 的大部分是甲烷，而甲烷在空气中比较稳定，光化学 反应低，而且天然气发动机不向大气排放高分子量的硫、苯、烯类、醛类废气。天 然气发动机与柴油发动机的排放对比如图1 1 所示。 天然气车辆c 0 2 排放低的特点是得益于它的碳氢比例几乎为4 ：1 ( 汽油为2 ：1 ) ， 因此导致主要燃烧产物c 0 2 和h 2 0 的变化。除了无微粒燃烧之外，通过与一个三 第2 页 i ：海交通人学博i 后i i j f 宄报告 效闭环催化转化器结合使用，只有很少量的污染物n o x ，c o 和n m h c ( “非甲烷 碳氢”：所有的碳氢化合物总和减去甲烷) 被排出。甲烷被认为是无毒的，所以不 作为污染物。 在稀薄混合燃烧模式时，n o x 的排放要高于三效催化转化器的l a m b d a = l 的模 式。与汽油发动机相同，这个缺点可以使用更昂贵的废气处理方案得到消除( 比如： n o x 催化转化器) 。 天然气不会造成润滑油稀释，从而可延长发动机的使用寿命，另外还可降低汽 车的振动和噪声。天然气开采运输方便，价格比汽油、柴油便宜，因此，在较长一 段时间内，天然气燃料将是最为现实和技术上成熟的石油代用能源之一。 h cc o 微粒 图1 1 柴油机和天然气发动机的排放物对比 f i g 1 1c o m p a r i s o no fe m i s s i o n sb e t w e e nc n ge n g i n ea n dd i e s e le n g i n e 天然气发动机 i i 点燃方式燃料种类吸气方式 燃料存储形式燃烧方式 i f 火花点燃fi 单燃料ll 增压iic n g i 当量燃烧l i 预喷引燃il 双燃料ii 自然吸气i l n g li 稀薄燃烧i 两用燃料 a n g 图1 2天然气发动机分类 f i g 1 - 2 c l a s s i f i c a t i o no f n a t u r a lg a se n g i n e s 第3 页 0 8 6 4 2 o ，一c每_一uoukoz j ：洵交通人j 1 4i 后 f 究j i _ l 告 1 2 车用天然气发动机分类 车用天然气燃料以其存储形式不同可分为液化天然气( l n g ) 、压缩天然气 ( c n g ) 和吸附天然气( a n g ) 。车用天然气发动机以其燃料种类不同可分为两用 燃料发动机、双燃料发动机和单燃料发动机。天然气发动机分类如图1 2 所示。 压缩天然气以气态储于高压( 通常为2 0 m p a ) 气瓶中。工作时天然气经降压、 计量和混合后进入气缸，也可以直接喷入气缸或迸气管。压缩天然气以其优越的经 济性和安全性成为目前天然气汽车最主要的储气方式。 两用燃料天然气发动机主要应用在点燃式发动机上，在保留原来汽油机燃油供 给系统的基础上，另外增加一套天然气供给系统，在发动机工作时使用其中一种燃 料。两用燃料发动机中的天然气供给方式有缸外供气和缸内供气两种，缸外供气包 括进气道混合器预混合供气和缸外进气门处喷射供气，缸内供气包括缸内高压直接 喷射和低压喷射供气。 双燃料天然气发动机主要应用在压燃式发动机上，在发动机工作时同时使用两 种燃料，气体燃料通过喷入的少量的柴油压燃。双燃料发动机中的天然气供给方式 包括缸外供气和缸内直喷，其中，缸外供气包括进气管混合器供气和进气歧管喷射。 根据引燃油量的多少，双燃料发动机还可分为常规双燃料发动机和微引燃天然气发 动机。 单燃料天然气发动机是指仅使用天然气作为燃料的发动机。根据车用天然气的 物化特性进行设计和优化单燃料车用天然气发动机的结构，通过增强缸内紊流、提 高压缩比、调整点火参数等措施，充分满足天然气的燃烧要求，从而获得更好的动 力性、经济性及排放性。 1 3c n g 发动机及其电控技术的发展现状 1 3 1 国外发展概述 从1 8 7 2 年奥托循环天然气发动机问世以来的很长一段时间内，天然气发动机 作为车用动力的发展非常缓慢。直到2 0 世纪3 0 年代，才由意大利首次推出天然气 汽车。直到上个世纪末，世界天然气汽车技术_ 才进入快速发展的轨道。天然气汽车 不仅在动力性和燃料经济性方面有显著提高，而且在排放性能方面已进入绿色汽车 第4 页 l ：河交通入学博l j 丘i 研歹e 6 2 青 行列。按燃料供给系统类型划分，天然气发动机大致经历了机械控制式混合器、机 电控制式混合器、电控喷射式这三个发展阶段。 第一阶段的天然气发动机采用机械式混合器，在原化油器火花点燃式发动机的 基础上，仅增加一套由减压器以及混合器等组成的供气系统。减压器为杠杆膜片机 械式结构，借助发动机进气管真空度的变化来调节燃气供给量，从而存在着与传统 化油器汽车同样的缺点，如混合气浓度控制精度差、各缸均匀性差、易回火、易放 炮等，而且只能应用于自然吸气式气体发动机上。虽然与汽油机相比，排放有一定 改善，但动力性明显不足。目前国内改装的燃气车辆所采用的技术基本都是此类技 术。 图1 3i s u z u4 b e i 发动机电控系统不意图 f i g 1 3 t h ee l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mo fi s u z u4 b e ie n g i n e 第二阶段采用电控混合器，增加了电子控制单元、氧传感器以及后处理装置， 从而控制在混合器前设置的步进电机配气阀或比例电磁线圈，自动调节燃气供给 量，使发动机的空燃比控制在理论配比值。相对机械式燃气系统，发动机稳态工况 下的燃料控制精度得到有效提高，排放性能进一步改善，动力性也略有提高。但发 动机瞬态控制效果仍较差。图l 一3 为日本i s u z u 公司4 b e i 柴油机改装成点燃式天 然气单燃料发动机的电子控制系统示意图。它是混合器机电控制式的典型代表，包 含天然气供给系统，空燃比控制系统，并且采用三元催化器降低排放。其流量调节 阀受控于电子控制单元，改变天然气供给量，并结合排气氧传感器，保证发动机在 各工况下都运行在理论空燃比附近。 第三阶段采用电控喷射，匹配闭环控制和专用三元催化净化装置，排放性能可 达到欧i i i 、欧法规限值，动力性已接近于汽油机和柴油机。而且，绝大部分为专 用天然气汽车。新车所占比例很高。因此，采用电控喷射并研发专用天然气发动机 第5 页 上海交通人学博一l j 后研究撒告 才是今后发展的方向。图l 一4 为w o o d w a r do h l 2 单点喷射控制系统。 国外对天然气发动机喷射系统电控技术的研究较多，已经开发出以天然气为单 一燃料的电控燃料喷射发动机，其在动力性和经济性方面均有显著提高，而且排放 性能也很优越。尤其是进入二十世纪九十年代后，国外天然气汽车发展呈现出专业 化、规模化的趋势，许多罔外汽车生产厂纷纷推出装配大功率电控c n g 发动机的 天然气汽车( n g v ) ，其发动机采用先进的电控技术，具有强劲的动力和优良的排放 性能。 图l _ 4w o o d w a r do h l 2 单点喷射控制系统 f i g 1 - 4 t h es i n g l e p o i n ti n j e c t i o ne l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mo fw o o d w a r do h1 2 1 3 2 国内发展概述 我国2 0 世纪5 0 年代就已开展对天然气汽车的研究，五六十年代在我国四川省 开始局部推广使用常压天然气汽车。2 0 世纪6 0 年代初我国就完成了压缩天然气汽 车试验。随天然气汽车不断推广，至今国内车用天然气发动机调压减压器装置、混 合器、c n g 高压储气瓶等都已具有一定的生产能力，然而天然气汽车的电控技术却 仍较为落后，基本依赖国外电控系统产品。 近几年，由于能源危机和环境保护压力逐渐加大，国内各大发动机厂商，在借 第6 页 l ：衍交通人7 ；博l j 后 i 冗j 【 卉 鉴国外先进技术的基础上，加快了电控天然气发动机的研制步伐。目前国内燃气系 统的技术路线主要有： 1 ) 基于国外汽油机电控系统改造。 该方案所采用的e c u 大多是国外成熟汽油机e c u 基础上，通过增减硬件驱动模 块，修改控制软件来满足天然气发动机的需求，传感器、执行器等均借用或参考原 汽油机方案。通过自主开发或集成国内外燃气系统零部件完成燃气供给系统集成， 其主要形式有：机械式调压器、混合器+ 电控微调、单点喷射、多点喷射。该方案 控制系统运行稳定，成本比较低，目前应用比较广泛；但控制功能和标定功能的权 限、灵活度有限，且只是对燃气发动机的电控单元作局部改造。采用该方案的有东 风公司、重庆汽研所、鼎辉燃气、江苏汇动、深圳港鹏等单位。 2 ) 自主开发电控系统。 许多文献介绍了自主开发的燃气发动机电控系统，并多采用多点喷射。但这些 电控系统目前仍停留在高校及科研院所试验台架上，一些关键技术问题，如稀空燃 比的精确控制、增压燃气发动机的空气管理、完善并可靠的全工况发动机控制策略 以及控制系统可靠性等等，尚未解决，因此未见有成熟产品投放市场。 3 ) 引进国外燃气发动机电控系统。 目前国内大多数企业采用引进国外控制系统的方式开发c n g 发动机。上海柴油 机股份有限公司在d 6 11 4 b 系列柴油机的基础上，重新设计发动机的燃料供给系统、 配气系统、供气系统和燃烧系统，开发出“琅驰”c n g 发动机，采用了美国 w o o d w a r d 公司的单点喷射电控系统。潍柴动力集团与美国w o o d w a r d 公司、 w i t c o 公司、澳大利亚a e c 公司合作开发了道依茨系列、斯太尔系列稀燃增压气体 发动机，并可选用单点或多点喷射系统。广西玉柴机器股份有限公司采用国外先进 电控技术，在原柴油机基础上进行燃烧室改进、增压器选型匹配、催化转化器选型 匹配以及电控标定，采用电控喷嘴+ 混合器形式作为燃气供给方式，发动机达到了 欧排放标准。这也证明了，电控喷射燃气供给系统的开发及应用前景十分乐观。 然而，这些国外比较先进的燃气电控系统供应商的研发和生产规模较小，主要的核 心和关键技术仍在不断开发和改进中，整个系统供应远远不能满足市场的需求。 第7 页 1 ：_ f ：f 交通人学博f j 后研究报告 曼曼皇曼t l 一 一_ i , l 皇曼曼曼曼曼皇曼曼 1 4 本文主要研究内容 本课题来源于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 节能与新能源汽车重大专 项“大型公交车用c n g 发动机产品开发。目标是开发出具有自主知识产权的 稀燃增压c n g 发动机电控单元( e c u ) ，并结合项目计划进行发动机性能优化、整 车匹配及市场推广应用等。本课题旨在对稀燃增压c n g 发动机电控系统的核心技 术问题进行研究，从丽拥有燃气发动机电控系统自主知识产权，建立燃气发动机电 控系统研发平台，研制出产品级燃气发动机电控系统，从而降低产品成本。由于该 项目是一个综合性的大工程，涉及到机械、电子、自动控制和通信等学科的知识， 需要进行系统传感器的选型、执行器的设计与模拟计算、控制策略的研究与程序编 制、控制系统的设计制作与调试以及匹配试验等工作，所以整个项目由多个项目小 组分工合作进行。 本文以稀燃增压c n g 发动机控制器软件开发过程中的关键技术，如基于扭矩 的开放式软件平台架构研究、转速闭环控制策略研究以及基于模型的电子节气门控 制软件开发为主要内容，以精确控制c n g 发动机的各项性能，完成基于计算机多 任务实时管理概念的软件设计与程序编制，完成发动机性能优化和标定，实现全面 的整车性能和驾驶性能，并使发动机满足国i v 及以上排放要求，主要研究内容如 下： 1 1 ) 研究c n g 作为车用发动机燃料的优势以及各种c n g 发动机电控系统的优 缺点和国内外发展现状。 2 ) 根据稀燃增压点燃式c n g 发动机特性，结合发动机和整车控制功能需求， 研究基于扭矩的开放型软件平台设计的可行性，确定c n g 发动机电控系统上层软 件设计方案。 3 ) 基于扭矩的发动机转速模型，对发动机怠速控制策略、发动机调速控制进 行仿真研究，确定发动机转速控制方案。 钔根据电子节气门的工作特性，提出了非线性补偿及分段增益p i d 控制算法， 改善了电子节气门的控制精度与响应性。 5 ) 针对稀燃增压c n g 发动机电控系统需要匹配多种转速信号盘方案，设计了 通用转速信号发生器，用于仿真输出各种复杂情况下的转速信号波形，以验证相关 转速计算及判缸策略。 第8 页 i ：汀交通人博i ：后研究报告 第二章稀燃增压c n g 发动机电控系统总体设计 天然气常温下为气态，与汽油、柴油的性质有着显著的区别；天然气与汽、柴 油相比，燃点高、工作温度高、燃烧速度慢，天然气发动机的工作特性与汽、柴油 发动机相比，也有着较大的区别。因此必须针对天然气的燃料特性、发动机的燃烧 特征，对发动机结构、电控系统、控制策略、标定参数进行全方面研究，设计出满 足发动机要求的电控系统方案。 2 1 天然气发动机特性概述 2 1 1 天然气的属性和储存 天然气的主要成分是甲烷( c h 4 ) ，占天然气成分的8 0 - - 9 9 。剩余的成分包 括一些惰性气体，比如二氧化碳、氮气和低序碳氢。根据气体品质天然气区分为l 型气体( 含8 0 0 旷9 0 甲烷) 和h 型气体( 含 9 0 甲烷) 。 天然气既可在16 2 温度以液态形式存储为l n g ( 液化天然气) ，也可在高达 2 0 0 b a r 压力下压缩存储为c n g ( 压缩天然气) 。由于气体存储为液态的成本很高， 所以在现实应用中天然气大都采用压缩形式。由于天然气能量密度低的缺点，所以 需要很大的储气罐。金属氢化物储气罐代表了更进一步的气体存储方式，但由于成 本的原因至今没有使用。 2 1 2 天然气发动机特点 与柴油机和汽油机相比，天然气发动机主要有如下不同之处： 燃料物理化学特性差异明显，具体参见下页表2 1 。 着火方式不同。柴油着火温度一般为2 5 0 ，故柴油机采用压燃方式；高 级汽油着火点一般为4 0 0 ，故汽油机采用点燃方式；天然气着火温度一 般高于6 0 0 ，故c n g 发动机也必须采用点燃方式，而且天然气火焰传播 速度慢，滞燃期长，因此需要比汽油机更大的点火能量。 实际应用的混合气热值存在较大差别。柴油理论混合气热值为3 6 7 m j m 3 ， 第9 页 1 ：淘交通人学博f - 后研究报告 汽油为3 8 1 m j m 3 ，而天然气为3 2 2 3 2 4 m j m 3 。在同样气缸容积与自然吸 气的情况下，天然气发动机发出的功率最小，柴油机功率最大。若采用稀 燃增压的方式，则c n g 发动机的功率则可以接近同等排量柴油机的功率。 燃烧特性差异。柴油机属于紊流燃烧( 扩散燃烧) ，而天然气发动机与汽油 机均为火焰传播的层流燃烧，分层燃烧的传播特性使得天然气发动机与汽 油机存在爆震及回火等不正常燃烧的可能。天然气主要成分为甲烷，抗爆 性好于汽油机，因此天然气发动机压缩比介于汽油机和柴油机之间。 有害物质的排放不同。c n g 发动机的c 0 2 及颗粒物排放有明显优势。 表2 1 燃料特性明细( 摘自b o s c h 汽车工程手册) t a b 2 - 1 c o m p a r i s o no f f u e lc h a r a c t e r i s t i c s 名称密度( 0主要成分沸点( 1比热值空气燃料着火理论空 与及质量比个大气 ( m j ，k g )混合气比 温度气量 1 b a r ，仅例( )压) ，( )热值 ( ) ( k g k g 对c n g )( m j ，m 3 ) ( k g m 3 ) 普通汽油 7 2 0 7 7 58 6 c1 4 h2 5 2 1 04 1 2 4 1 9 3 8 1 ( 抄) 3 0 01 4 8 高级汽油 7 2 0 7 7 58 6 c1 4 h2 5 2 1 04 0 1 - 4 1 64 0 01 4 7 柴油 8 2 0 8 4 58 6 c1 3 h1 8 0 3 6 04 2 9 4 3 1 3 6 7 ( 抄) 2 5 01 4 5 天然气h 0 8 3 8 7 0 h 4 1 6 24 6 75 8 41 6 1 ( 北海) 8 0 2 h 6 ( c h 4 ) 2 c 3 h 8 2 c 0 21n 2 天然气h 0 7 3 9 8 c h 4 1 6 24 9 13 46 1 91 6 9 ( 俄罗斯) 1 0 2 h 6 ( c h 4 ) 1n 2 天然气l 0 8 3 8 3 c h 4 1 6 24 0 33 36 0 01 4 4 c 2 h 6( c h 4 ) 1 c 3 h 8 2 c 0 2 1 0 n 2 甲烷c h 4 o 7 27 5 c2 5 h1 6 25 03 2 26 5 01 7 2 乙烷c 2 h 6 1 3 68 0 c2 0 h8 84 7 55 1 51 7 3 丙烷c 3 h 8 2 8 2 c1 8 h一4 34 6 33 3 54 7 01 5 6 丁烷c 4 h 1 0 2 _ 78 3 c1 7 h1 04 5 63 3 93 6 51 5 4 海交通人学博l j 后研究j 乏告 2 1 3 天然气发动机中的异常燃烧 2 1 3 1 爆震 爆震燃烧是指在燃烧过程中，火焰前锋还没有到达之前，缸内温度和压力已经 达到混合气的自燃条件，混合气发生强烈自燃，即爆燃。自燃火焰与j 下常燃烧火焰 相互作用，爆震燃烧的一部分做功抵消了正常燃烧部分的做功，使得发动机功率下 降，热负荷加剧。爆震过程采集的示功图曲线峰顶部分会呈现锯齿形高频波动。图 2 2 显示了稀燃增压c n g 发动机的爆震的影响因素。 2 毛 i hv- 图2 1稀燃增压天然气发动机的爆震特性 f i g 2 1 k n o c kc h a r a c t e r i s t i c so f t u r b o - c h a r g e dl e a n - b u mc n ge n g i n e 影响气体燃料发动机爆震的主要因素如下： 1 气态饱和烷烃燃料中，分子中碳链越长、热值越高、着火温度越低，越容 易爆震；所以，甲烷爆震倾向最小，乙烷、丙烷以及丁烷依次增大。 2 混合气浓度越大、温度越高、密度越大，越容易爆震； 3 混合气混合越不均匀，各缸进气越不均匀，越容易爆震； 4 压缩比越大，气门正时越不合适，缸径越大，越容易爆震； 5 火花塞点火能量越小，火花塞离末端可燃混合气越远，火花塞离排气门越 远，则越容易爆震； 第1 1 页 1 幻父迎人予：博i j 后研e 报告 6 发动机转速越高、负荷越大，则越容易爆震； 7 环境温度、水温和机油温度越高，则越容易爆震； a ) 压缩比从1 2 5 到9 5 减小，则爆震区域缩小； b ) 进气温度降低，则爆震区缩小；当进气温度低于一定值时，对应于某压 缩比，则不再发生爆震； c ) 混合气存在稀燃极限，当l a m b d a 为1 2 时最易爆震；l a m b d a 超过 1 5 时，任何进气温度下均不再爆震； 2 1 3 2 回火 回火现象主要是由于烷烃基燃料的燃烧速度比较慢，需要加大点火提前角和点 火能量，以利于燃烧速度的提高。但点火能量过大，则可能导致火花塞头部温度过 高，混合气在进气过程中即着火燃烧，这种现象成为回火现象。 回火火焰窜入进气管，致使进气管混合气燃烧，严重的甚至发生进气管内混合 气的爆炸现象。所以，火花塞绝缘体裙部温度一般宜控制在5 0 0 6 0 0 范围内，以 防止回火现象的发生。 2 1 3 3 热负荷 气体发动机的热负荷明显高于液体燃料发动机。排气温度大致可以反映发动机 的热负荷。就非增压天然气发动机而言，其排气温度通常高出柴油机1 5 0 , - - - 2 0 0 c ， 增压后可能会更高。原因在于： 1 天然气发动机存在爆震倾向，所以压缩比不能象柴油机那样高，导致燃气 膨胀不充分，膨胀终止温度较高； 2 与汽油机相比，天然气发动机缸径一般较大，强化程度高，导致热负荷较 高； 3 增压后混合气温度提高，即使采取中冷措施，也比环境温度高出1 0 - 2 0 ， 导致缸内燃烧温度提高； 4 增压后热损失增加，因此冷却水、机油及排气温度均随之提高。 5 天然气的可燃范围较小，所以发动机过量空气系数比柴油机小得多，发动 机只能燃用相对较浓的混合气，热负荷明显提高。 6 气体燃料发动机一般采用预混合进气方式，气缸吸入的是混合气，不能用 来扫气，因此充气系数减小，残余废气增加，热负荷提高。 由于上述原因，若进气和燃烧系统设计和计算不合理，增压天然气发动机的热 负荷可能会更高，同时由于气体发动机降低热负荷的措施受到限制，难度比柴油机 第1 2 页 f _ 海交通人学博 j 后研究报告 得大得多。 2 1 4 改善天然气发动机性能的技术措施 2 1 4 1 混合气浓度控制 国外发动机厂在气体燃料发动机上普遍采用稀燃技术。发动机燃用比例适当的 稀混合气时，可有效解决爆震和热负荷两大问题，同时气耗率明显下降，经济性提 高。当混合气浓度稀于理论混合气浓度后，发动机排气温度随之下降。结合图2 1 ， 当过量空气系数超过1 4 后，在较高的进气温度下不易发生爆震。所以，当发动机 能够发出要求功率的同时，尽量燃烧较稀的混合气是较为理想的。 2 1 4 2 压缩比的优选 压缩比越高发动机的热效率越高，但爆震倾向也越大，许用进气温度也越低。 并且，当压缩比超过1 2 后，热效率提高程度已经不十分明显。 天然气成分不同，发动机的许用压缩比也不同。根据气体成分确定发动机的压 缩比是避免爆震的有效方法之一。部分烷烃的辛烷值r o n 和许用压缩比如表2 2 所示。 为了使得天然气发动机有足够的防爆安全系数，实际使用压缩比要比上述数值 小2 个单位。如丙烷的临界压缩比为1 2 。实践证明，压缩比为1 0 的发动机，所燃 用天然气中丙烷成分不应大于5 ， 注意：含丙烷、丁烷或戊烷过多的天然气，若用于发动机燃料，发动机压缩比 不可太高，混合气浓度不能太大，发动机强化度不能过高。 表2 2气体临界压缩比 t a b 2 - 3r o n c o m p a r i s o no fg a sf u e l r o n 临界压缩比 甲烷 1 3 01 5 乙烷 1 0 31 4 丙烷 9 9 61 2 正丁烷 9 1 66 4 第1 3 页 i ：海交通j ：学博l j 后研究报告 2 1 4 3 点火提前角控制 表2 3 气体点火提前角 t a b 2 - 3s p a r ka d v a n c e a n g l eo fg a sf u e l 燃料种类压缩t ：l = 1 0压缩l i f _ , = 7 n a ( 自然吸气)t ( 增压)n a ( 自然吸气)t ( 增压) 天然气 2 51 7 53 03 0 丙烷 1 2 53 01 5 对于气体发动机，点火提前角过大会增加爆震倾向，过小又会增加后燃，从而 降低热量利用率，增大排气温度和排气门温度，使得排气门容易烧毁。 2 1 4 4 发动机转速 天然气燃烧速度较慢，且受混合气浓度、点火能量等的影响。若发动机转速过 高，可能会增加后燃现象发生，发动机的热效率下降，发动机受热部件和增压器涡 轮叶片的热负荷明显加剧。 2 1 4 5 增压器压比控制 增压后，发动机进气压力和温度都大为提高，混合气密度增大，爆震倾向加剧， 所以压比不宜过大。 2 1 4 6 提高中冷效率 气体发动机若采用增压技术，增压空气必须经中冷器冷却，降低发动机的进气 温度，从而降低气缸的压缩初始温度，改善爆震和热负荷的问题。 2 1 4 7 点火能量控制 点火系统必须保证在整个发动机运行工况范围内保证点火正常。天然气发动机 混合气的着火过程与汽油机显著不同。首先，层流燃烧火焰平均速度低于汽油机， 着火滞燃期也远比汽油机的长。又由于采用稀燃增压技术，缸内压力提高，火焰传 播速度下降，需要更加强烈的点火能量，因此点火能量要高于汽油机。 第1 4 页 i 沟变通人学博l j 后研歹e 报告 2 2 稀燃增压c n g 发动机对电控系统的要求 2 2 1 对空气管理系统的要求 预混合点燃式c n g 发动机采用量调节控制，因此其混合气控制是通过调节节 气门开度实现的。在传统的汽车上，驾驶员油门踏板和节气门阀是机械连接的，俗 称线控节气门，发动机节气门开度完全受控于油门踏板的开度。然而这种控制下， 发动机工况取决于驾驶员刘油门踏板的操作而并彳i 总是处于最佳运行状态。如今， 这种刚性连接方式己经被电子节气门控制技术( e l e c t r o n i ct h r o t t l ec o n t r o l ，简称 e t c ) 替代，简称电控节气门。通过电控节气门，发动机控制单元能够综合考虑油门 指令、发动机工况、加减速状态来调节节气门角度，以便实现复杂的负荷控制规律， 从而改善汽车的操纵灵活性和燃料经济性。然而，e t c 的使用也对节气门驱动、监 测、诊断系统，以及空气管理策略提出了更高的要求，以保证e t c 开度合理、e t c 运行精确可靠。 采用e t c 进行量调节的前提是精确控制其开度，即使节气门能够又快又精确 的到达期望的目标位置。但是在发动机实际运行中，e t c 经常会受到许多外界干扰， 如节气门的电气参数随着节气门体内部温度变化会有很大的变化，气道气流作用在 节气门盘片上时会产生未知的扰动扭矩。因此，这就要求节气门控制器在精确快速 地驱动节气门盘片的前提下，拥有鲁棒特性和自适应特性。 一般来说，由柴油机改装的火花塞点燃式天然气发动机与原机相比，动力性会 有所下降，这主要由于：天然气与空气形成混合气的热值为3 3 9 ，比柴油与空气形 成的混合气热值的3 7 8 6 低大约9 ；同质量的燃料完全燃烧时，柴油需要1 4 3 k g 空气，而天然气需要1 7 1 6 k g 空气；在同一空燃比范围内，天然气的主要成分甲烷 的层流火焰传播速度比柴油要低1 2 ，使得发动机总燃烧期增长，燃烧峰值偏离上 止点，从而造成气缸内压力和温度上升缓慢；加装节气门后，使得部分负荷时泵气 损失增加以及排气管处加装催化剂反应器，带来排气的损失。 为了恢复改用天然气后的发动机功率，需要对发动机结构、燃气供给、空气管 理、点火能量等做出优化，其中，最有效方法之一是采用涡轮增压技术。涡轮增压 一方面回收了发动机一部分废气能量，有利于发动机经济性能得到提高；另一方面 增加了进气密度，使充满气缸的空气或者混合气体的气量得到了提高，有利于发动 机功率的提升。然而，如果发动机与增压器匹配不佳，则增压发动机达不到预期的 第1 5 页 1 ：j 交通入学t 四l 丘t 硼报告 性能。因此需要进行增压器匹配试验，对增压器特性线进行调整，使其尽可能与发 动机整个运行区实现良好的匹配，且与喘振边界线保持合适的距离。 车用发动机运行区域较宽，在低速、低负荷工况下，废气能量过低，增压器往 往无法发挥性能；而在高速高负荷下，增压压力又会过高。因此，采用电控废气旁 通阀，调节通过涡轮的废气能量，以调节增压压力。这样虽然增压器的效率有所降 低，但可以保证在较宽的转速范围内改善发动机的性能；另外，还能补偿海拔高度 引起的进气量变化，避免动力的损失。 废气旁通阀和电子节气门的联合应用为空气管理策略带来了较大的困难。扭矩 或进气压力同时受到节气门，f ：度和废气旁通阀) l ：度的影响，两者的配置关系将影响 到发动机动力性、经济性和排放；特别是在瞬态工况下，两个开度之间的协调关系 会对发动机进气压力响应曲线产生影响，若匹配不合理，将导致进气压力响应曲线 滞后、超调甚至震荡，从而引起发动机转速失稳、排放物增加等严重后果。 2 2 2 对燃气供给系统的要求 本系统采用了基于电控喷嘴喷射天然气的预混合燃气供给方式，天然气在进气 管与空气混合后分配到各个气缸。从绪论中可知，该燃气供给方式有效率较高、稳 态和瞬态排放好、易实现稀燃等优点。另外，c n g 燃料以气态形式进入进气管，几 乎没有湿壁现象，并且容易与空气均匀混合，这使得起动燃料控制较汽油机容易。 但是预混合进气方式不可避免的存在一些不足：燃气占用了空气进气空间，降低了 充气效率；燃气的瞬态加浓滞后，导致发动机响应性不足；燃气切断滞后，增加了 减速断气工况的燃气消耗量。因此对瞬态策略提出了更高的要求。 另外c n g 气瓶压力高，在进入电控喷嘴之前的气轨之前需减压，因此需配置 减压器、温度压力传感器以及燃料切断阀。 2 2 3 对空燃比控制的要求 本文中发动机采用了稀薄燃烧技术。稀薄燃烧是在保证发动机对外输出扭矩变 动较小和n o x 排放不超过上限的前提下，控制空燃比在大于理论空燃比的稀燃情 况下运行的燃烧方式。稀燃、火花点火燃烧具有获得很低排放特别是低n o x 排放 的潜力，还具有高效运行潜力，以及良好的抗爆性和与柴油机相似的热负荷。先进 的稀燃天然气发动机在高负荷时过量空气系数达到1 5 1 6 ，部分负荷时由于燃烧恶 第1 6 页 1 ：海趸通人学博 j 丘珂l 歹e 报告 化的限制过量空气系数控制在1 1 1 3 。 图2 - 2 显示了过量空气系数( 九) 对排放产物的影响。当混合气较浓时，缸内燃 烧速度加快，使缸内峰值压力和峰值温度增大，导致爆震更易于发生且n o x 排放 量增加。当采用稀燃时，燃烧速度减慢，同时通过控制点火提前角，爆震与n o x 排放都得到了改善。同时，通过使用氧化型催化转换装置，可有效降低h c 、c o 排 放。这可使c n g 发动机的排放性能远优于燃油发动机。图2 3 显示了采用稀燃技术， c n g 发动机在热效率、排温及燃烧稳定性方面都有改善。 2 8 2 4 3 2 0 点1 6 吝挖 z 8 4 0 l1 11 21 31 41 51 61 71 81 92 入 图2 - 2过量空气系数对排放物的影响 f i g 2 - 2 e f f e c to fe x c e s s a i rr a t i oo ne m i s s i o n s 图2 3过量空气系数对燃烧、排温及热效率的影响 f i g 2 3 e f f e c to fe x c e s sa i rr a t i oo nb u m ，p r e - t u r b ot e m p e r a t u r e ，a n dt h e r m a le f f i c i e n c y 本文中发动机在所有工况下都运行在过量空气系数都大于1 状态下，且随着工 况有较大变化，过量空气系数目标会不断变化，因此对空燃比控制提出了苛刻的要 求： 1 ) 首先针对稀燃空燃比，需采用宽域氧传感器。该类氧传感器驱动电路、空 第1 7 页 ，2点一面京oll 7 6 5 4 3 2 l o f ：河交通大亍：博j 后例，e 报嚣 燃比采集与计算较为复杂，且需精确的加热控制。 2 ) 需要精确的燃气量调节系统，以适应宽范围变化的空燃比的精确控制。 3 ) 发动机大多情况下运行在稳态工况，此时虽然空燃比目标接近恒定，但是 实际中存在的负载变化、发动机循环变动等外部干扰，会造成实际空燃比 输出变化，此时需保证空燃比控制系统有较强鲁棒性。 4 ) 对于车用发动机，变工况工作经常发生，此时目标空燃比变化大、速度快， 因此要求空燃比控制系统需适应该变化，保证实际空燃比的跟随性。 2 2 4 对点火控制的要求 点火控制包含点火能量控制和点火提前角控制。点火能量是影响火焰核形成的 重要因素，在给定的可燃混合气中，引发传播火焰的最低能量称为最小点火能量。 点火能量过小，会导致发动机燃烧状况恶化，降低发动机的动力性和经济性，使发 动机的起动性能变差。提高点火能量能缩短着火延迟期，加快显燃期，缩短后燃期， 能使发动机在中小负荷工作时燃烧更稳定，并改善排放。对于稀燃增压c n g 发动 机来说，由于c n g 的燃点高于汽油，而且稀燃增压提高了进气密度的同时，减少 了每单位混合气可获得的点火能量，使得其必须采用单缸独立高能点火系统，以获 得更高的点火能量，保证可靠稳定的点火，确保稳定燃烧及较宽的稀燃边界。但是 高的点火能量，使击穿电压也高，要求点火系统产品的绝缘性能越高，使得制造困 难，容易造成火花塞电极的烧蚀，缩短火花塞使用寿命，工作可靠性降低，甚至引 发早燃爆震，使发动机功率下降，机件受损。因此，应将点火能量限制在适当的范 围内。 点火完成了燃烧的初始化，并使气缸压力进过着火滞燃期后随燃烧的进行而升 高。由于燃烧始点的不同，燃烧过程以及气缸压力变化都会不同，结果导致了发动 机性能的变化。点火提前角对燃气消耗率和爆震也有着很大的影响。因此，点火提 前角的控制需满足最大的发动机输出转矩、最好的燃气经济性、不发生爆震和良好 的排放。另外，由于磨损和积炭引起的活塞、气门等工作条件的变化，以及发动机 工作条件引起的变化，还要求点火系统有较强的适应性。 2 2 5 对控制策略及标定优化的要求 车用发动机需要运行在从怠速到高转速、高负荷的较宽区域内，经济性、排放、 第1 8 页 i ：海交通人学博f j 后 j _ 7 究j 【 告 动力性等诸多因素也希望发动机有较宽的运行区域。然而受到失火、爆震、增压器 效率、排气温度等限制，稀燃增压发动机运行区域大小十分有限，尤其对于点燃式 c n g 发动机来说，其工作区域通常被限制在较窄的范围内，如图2 4 所示。 图2 _ 4运行区域限制冈素 f i g 2 - 4 r e s t r i c t i o n so nt h er a n g eo fo p e r a t i n gc o n d i t i o n s 轻微爆震会增加发动机排放物、降低发动机效率、增大发动机气耗，爆震积累 或严重爆震可能造成发动机部件损坏；稀燃失火会导致发动机排放性能、动力性能 及驾驶性能下降；c n g 发动机的排温比柴油机高1 0 0 多度，如果不加以限制，将大 大增加增压器等部件的热负荷，影响其使用寿命。为了避免爆震、失火等现象的发 生，从而拓宽稀燃增压c n g 发动机的工作区域，需要对其充气、燃烧、排放等特 性进行试验研究，探寻发生失火、爆震、排温过高等不利状况的根源，从而在发动 机的机械结构、控制策略、标定方法等诸多方面做出优化。 2 3 稀燃增压c n g 发动机电控系统整体设计 根据稀燃增压点燃式c n g 发动机的要求，设计了c n g 发动机电控系统，主要 由燃气管理系统、空气管理系统以及电子控制系统组成，其结构如图2 5 所示。整 个系统主要由传感器及信号采集电路、控制器、执行机构及其驱动电路组成。燃气 供给系统包括气罐、高压阀和低压燃料切断阀、喷嘴以及一些附件，g e c u 通过控 制燃气喷嘴来控制燃料量；空气管理系统包括涡轮增压器、电子节气门、废气旁通 阀、防喘振阀等；电子控制系统包括各种系统所需的传感器、电控单元( g a se n g i n e e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ：g e c u ) 、各种执行器( 点火线圈、电子节气门、宽域氧传 感器、点火线圈、废气旁通阀、喷嘴) 等。 第 1 9 页 上海交通人学博l 后研究报告 图2 5 基于电控喷嘴的c n g 发动机电控系统 f i g 2 - 5 e l e c t r i cc o n t r o ls y s t e mf o rc n ge n g i n eb a s e do ne l e c t r o n i ci n j e c t o r 本文研究的c n g 稀燃增压发动机控制系统应实现以下功能： 电源管理及控制器上电控制 发动机高能独立点火控制 燃气量控制 进气量控i i i 卡i 关的电子：爷气