基于噴射動力學的壓縮天然氣多點噴射系統開發

林 建

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基于噴射動力學的壓縮天然氣多點噴射系統開發

林 建

福建戴姆勒汽車工業有限公司區域設計中心

燃料噴射動力學模型較好地給出了精確控制發動機燃料供給的主要控制參數。本文介紹了應用燃料噴射動力學模型,在原車汽油控制單元控制數據的基礎上開發壓縮天然氣—汽油兩用燃料汽車的天然氣多點噴射系統,達到了在滿足排放要求的前提條件下，有效減少動力損失并達到較好的燃料經濟性。

燃料噴射動力學模型；壓縮天然氣；兩用燃料；多點噴射；動力損失

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多采用混合器預混合式或者稍微先進點的多點噴射式燃料供給方式，這樣不僅不能達到與原來的燃用汽油相比降低排放污染物之目的，而且還會使排放進一步惡化，發動機的動力性顯著下降，同時燃料經濟性沒有得到應有的發揮。本文介紹了基于燃料噴射動力學模型的壓縮天然氣多點噴射系統的開發，通過采集發動機的運行狀況參數和精確計算、修正及補償壓縮天然氣的噴射量和噴射時刻，在滿足排放法規的基礎上，達到最好的動力性和燃料經濟性。

1 燃料噴射動力學模型介紹

四沖程火花塞點火非直噴發動機有3個狀態變量：進氣歧管內的空氣質量或者是進氣歧管內的空氣壓力，進入燃燒室的燃料質量流動速率和發動機轉速。

第一個狀態變量，即進入進氣歧管內的空氣質量流動速率可用如下模型表示

第二個狀態變量，即進入燃燒室的燃料質量流動速率。對于非直噴的發動機，我們考慮燃料從進氣歧管噴入，并且噴入進氣歧管的燃料全部進入燃燒室。這時考慮燃料噴射系統兩個因素：噴射器的滯后和燃料在輸送過程中的延遲，于是可建立燃料噴射過程的動力學模型

為空燃比，為可控參數；為發動機轉速，即第3個狀態變量[1]。

2 壓縮天然氣供給系統介紹

點燃式發動機目前普遍使用汽油為燃料，其燃燒產物中的有害成分所帶來的環保問題已經為人類所重視，同時人類正面臨著能源危機，于是人們紛紛研究并已經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，燃燒產物比汽油環保，價格相對低廉的天然氣已經在一定范圍內作為汽車替代燃料進行使用。人們已經對汽油—壓縮天然氣兩用燃料車進行研究、開發、制造并使用，目前常見的有混合器預混合式和多點噴射式天然氣供給系統。

2.1 混合器預混合式壓縮天然氣供給系統

圖1 混合器預混合式壓縮天然氣供給系統

這種混合氣生成方式無法保證進入氣缸內的混合氣能夠實現均質燃燒，無法確保其燃燒產物達到環保要求，也不能得到較好的燃氣經濟性，未能充分發揮天然氣燃料的優勢；而且容易在氣缸內部形成積碳和不正常燃燒，影響發動機的輸出特性，特別是動力性下降較嚴重，功率損失一般在15%左右，扭矩損失在10%左右，熱效率低，尤其在低速中小負荷工況燃料利用率低。由于天然氣是氣態，當采用混合器預混合供氣方式時，天然氣就會占據進入氣缸的部分空氣量，使得充氣系數比使用汽油液體燃料大約降低10%，使發動機功率及扭矩有所下降[2]。還由于天然氣密度比空氣小，進氣管內的天然氣很容易漂浮在進氣管內壁的上表層，容易產生回火，甚至發生爆炸等危險。

2.2 多點噴射式天然氣供給系統

多點噴射式天然氣供給系統是一種較混合器預混合式更進一步的供氣系統（如圖2）。

該系統是將氣體噴射器布置在各缸進氣歧管靠近進氣門的前端，可以對每一缸進行定時定量供氣，通常叫多點氣體噴射系統。它實現了對天然氣供給進行質的控制，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揮，因而一定程度上改善了天然氣發動機的動力性（比汽油約降低8%）、排放水平（一般實車可達到EURO-Ⅱ）和經濟性。該系統對天然氣行分缸供給，相比混合器預混合式可以減輕和消除由于氣門重疊角存在所造成的燃氣直接溢出、惡化排放和燃料浪費的問題，而且可以有效地解決發動機回火進而導致進氣管爆炸等問題。該系統在進氣門前端進行噴氣，可以降低供氣對進氣沖量的影響（與汽油相比下降6%～8%）[2]，提高了充氣效率，因而發動機的輸出特性也有所提高。

圖2 多點噴射式壓縮天然氣供給系統

多點噴射式天然氣供給系統僅僅將發動機原來的汽油信號簡單地轉換成噴氣信號，即CNG控制單元只采集原控制單元的噴油信號，然后根據天然氣與汽油的熱值換算關系，未經任何的修正而將噴油量轉換成相應的噴氣量并指示燃氣噴射器向發動機各缸噴氣；同樣噴射正時也是直接沿用原來的汽油噴射正時信號，空燃比控制也直接沿用原來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、火焰傳播速度以及燃燒溫度和燃燒產物等均有所不同[2]，因此它們的控制參數：空燃比和燃料供應時間τ應有所不同。從式（3）可以知道，該多點噴射式天然氣供給系統未對天然氣供給進行精確控制。

2.3 基于燃料噴射動力學模型的天然氣多點噴射系統

由燃料噴射動力學模型可知，要實現對天然氣供給的精確控制，首先要知道發動機的運行狀態：發動機轉速、水溫、節氣門開度、進氣溫度和壓力等，乃至車輛的運行狀態：車速、氧傳感器信號、加速減速等以及天然氣供給系統的狀態：燃氣溫度、燃氣導軌內壓力等（見圖3）；再根據以上狀態參數，對原來的汽油噴油脈譜進行修正得到最優的有效天然氣供應時間τ，在保證排放的前提下，以得到最好的動力性輸出和燃氣經濟性為目標對空燃比λ進行調整，從而得到精確控制的天然氣噴射量M，最后實現對天然氣噴射系統的精確控制。

圖3 基于動力學模型的天然氣多點噴射系統

3 基于噴射動力學模型的多點天然氣噴射系統開發

3.1 天然氣噴射系統匹配標定

基于噴射動力學模型的多點天然氣噴射系統是CNG控制單元以原車控制單元中的噴油信號為基礎，接收發動機、天然氣系統和車輛各相關傳感器的輸入信號，然后根據這些信號和原車控制單元中的自學習值并結合算法對原車噴油信號進行轉換、修正等處理，最終確定該時刻的噴氣時間，并驅動燃氣噴嘴向相應的氣缸供氣（見圖4）。

圖4 天然氣控制單元信號處理

3.1.1系統信號處理

要實現對CNG噴射量的精確控制，噴射系統就要接收如下的輸入信號并進行利用：

噴油時間信號：原來發動機控制單元中的噴油信號，是控制噴氣量的最主要基礎參數。

轉速信號：作為發動機重要狀態參數，轉速信號有兩項功能，一是作為噴油信號轉化為噴氣信號的校正參數之一；二是用于判斷發動機工作狀態是否處于運行還是靜止狀態。

發動機水溫：確定汽油-燃氣轉換時間和在運行中作為修正噴氣時間的重要參數。

燃氣溫度：用于修正噴氣時間。當燃氣溫度變化時，燃氣密度及能量將會發生變化，噴氣時間也需要相應地延長或縮短。

燃氣壓力：用于修正噴氣時間。當燃氣壓力變化時燃氣密度及能量將會變化，噴氣時間也需要相應地延長或縮短。當氣瓶內壓力過低或過濾器堵塞時系統將自動切換為汽油運行。

氣量傳感器：該信號取自減壓閥上的壓力傳感器，用于感知氣瓶中天然氣儲量。

3.1.2噴氣信號匹配

系統工作時CNG控制單元以原車噴油信號為基礎輸入信號，讀取每個汽油噴嘴的控制信號，并實時采集氧傳感器反饋的信號、水溫信號、轉速信號、節氣門開度信號等，計算燃氣噴射時間基本量，再經發動機水溫、燃氣溫度及燃氣壓力等參數校正后，確定該工況下的噴氣時間，最終將其轉化為燃氣噴嘴的控制信號向相應的發動機氣缸供氣。 天然氣作為氣體具有可壓縮性，其密度受到環境及其物理特性的影響而在很大范圍內變化，這些因素必須對天然氣噴射總量加以補償，確定補償系數時考慮以下參數：導軌內天然氣壓力P，進氣歧管絕對壓力P和天然氣溫度T，由他們可得條件參數：壓力差D=P–P和壓力比* =P/P。

相對于汽油，天然氣的燃料特性有些不同，在將原車的噴油時間轉化為噴氣時間信號時需考慮這個因素。當發動機處于冷態及急加速狀態時，噴油時間將會比正常狀態下延長，用于補償由于燃油未充分霧化所造成的燃料不足；但對于氣態的天然氣來說不存在霧化不充分的問題，因此噴氣時間需進行較大程度的校正。

當天然氣通過噴嘴的氣流速度為音速時，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，即導軌內天然氣壓力P為發動機進氣歧管絕對壓力P的二倍以上。

對于天然氣溫度T，我們可以從天然氣量與其溫度的平方根成反比可以進行燃氣溫度補償。

對于天然氣系統穩定流量、噴嘴開啟及關閉時間對實際噴氣時間的影響，系統在軟件上進行了補償：天然氣噴嘴在氣缸處于進氣沖程或稍微提前開啟，以達到最佳的進氣時刻。

由于實現了由噴油時間對噴氣時間的精確轉換與匹配，CNG控制單元可使用原車控制單元的各項修正信號及自適應值，并保留原來所有對信號的處理及計算方式。

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行起動。當發動機運行且油/氣轉換開關置于CNG位置時，CNG控制單元自動檢測存儲器內的轉換條件。當發動機水溫到達轉換條件時，控制單元首先指示氣瓶電磁閥開啟，CNG經減壓閥減壓并經濾清器過濾后到達氣軌。其次檢測當發動機轉速、加速或減速、燃氣溫度及轉換最短時間均達到要求時，系統切換到天然氣工作狀況：CNG控制單元驅動燃氣噴嘴工作，同時汽油噴嘴被切斷防止混燃。

當車輛CNG氣量不足時，系統將自動切換至汽油狀態，并伴隨蜂鳴器響聲提醒司機加氣。當發動機熄火或轉換為汽油運行時，系統將電磁閥關閉轉回汽油模式。

當汽油系統出現故障或汽油用光而無法啟動發動機時，可按照以下方式進行CNG直接啟動：先打開點火開關但不起動發動機；再將燃料轉換開關按鈕置于汽油位置，然后再置于CNG位置也不起動發動機；等到CNG狀態指示燈持續亮時就可以直接以CNG啟動。

3.1.4自診斷系統

該系統具有自診斷功能，當系統使用CNG出現故障時，CNG狀態指示燈將會慢閃，以顯示故障。當系統出現的故障影響到正常的CNG運行時，系統將會自動轉換為汽油行駛，這時汽油狀態指示燈亮，CNG狀態指示燈慢閃，同時蜂鳴器報警。

4.2 基于動力學模型的多點噴射天然氣—汽油兩用燃料車開發

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

得利卡基礎車型滿足排放EURO-Ⅲ要求，在對其進行兩用燃料車型匹配標定時采用的策略：使用CNG的條件下，以保證滿足排放EURO-Ⅲ作為約束條件，以整車的動力性作為第一目標，燃氣經濟性作為次目標。最后按照三菱汽車的測試規范ES-M950300C進行發動機性能測試，獲得發動機的外特性（帶整車進排氣系統）參數，見表2。從表2可見燃用天然氣時與燃用汽油時相比：低速扭矩特性比較接近，約降低3%，在最大扭矩點時約降4%，最大功率點約降4.3%，而且可以看出隨著轉速的升高，功率和扭矩下降趨勢越大越明顯，這主要是由于天然氣占用了氣缸內的部分體積，導致充氣效率降低所致，但是整個動力損失能夠在5%以內。由于天然氣的燃點比較高，抗爆性比較好，如果進一步提高發動機的點火能量，并加大點火提前角，那么發動機的輸出特性將會進一步提高。

表1 車輛基本參數

表2 發動機外特性對比

表3 整車動力性對比

根據國標GB/T 12543-2009等（見表3），從整車的動力性實驗數據，也可以看出類似的趨勢，但是整車動力損失比較大，除了與使用CNG后發動機的輸出特性有所降低有關以外，還有另外一個原因就是增加了CNG供氣系統零部件，整車的質量增加，車輛的整車動力匹配性沒有得到較好地匹配，要想得到理想的整車動力性，就要對整車的傳動系統進行重新優化匹配。

4 結論

（1）基于噴射動力學模型的多點天然氣噴射系統能夠較精確地對天然氣噴射量進行控制，從而較有效地降低發動機在動力性方面的損失，同時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力性，除了采用基于噴射動力學模型的多點天然氣噴射系統外，還需要對整車的傳動系統和點火系統等進行進一步優化匹配。

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

[2] 孫濟美.天然氣和液化石油氣汽車[M].北京：北京理工大學出版社,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