快速控制原型技術壓縮天然氣直噴發動機的研究分析

佛山職業技術學院 陳文波

前言

天然氣發動機主要存在兩種形式：一是由汽油機改裝成雙用燃料發動機；二是由柴油機改裝成單燃料發動機。當進氣道處要實施天然氣噴射時，將會存在諸多的問題，主要表現在四個方面：第一，降低了發動機充氣效率；第二，平均有效壓力出現降低；第三，動力性出現下降；第四，排放性能與原車水平保持一致。因此，必須要充分發揮天然氣能源優勢，不斷完善稀燃技術、缸內直接噴射技術以及電控多點順序噴射技術等新型的發動機控制技術，改善壓縮天然氣發動機的性能。

1 壓縮天然氣直噴發動機系統概述

1.1 高壓燃氣供給系統分析

當天然氣體積噴射量的能量處于相同狀態下，與汽油體積流量相比，前者大約是后者的770倍。由此可知，面對噴射時間短暫的狀況，要想在短時間內保障噴入適量的壓縮天然氣，必須要對燃氣供給系統給予必要的壓力。所以，在設計燃氣供給系統中必須要注意保障壓縮天然氣氣體體積的及時供給。就直噴噴嘴而言，其噴射壓力要高，流量要大，同時其響應時間也要把控在一定的范圍內。從整體上來看，要求其整體性能要優越。在結合汽油機直噴技術的前提下，從壓縮天然氣氣體燃料特性出發，筆者構建了一套穩定性能與安全性能均科學的燃料供給系統。

1.2 缸內直噴噴嘴流量特點分析

在設計的過程中，必須要結合具體的噴射壓力要求，聯系流量需求，設計直噴噴嘴。當發動機處于高負荷工作狀態時，燃料噴射需求量相對較大；當發電機處于怠速工作狀況時，為了促進發動機燃料消耗的降低，其噴射量要保持在較小的范圍內。基于對上述情形的考慮，要拓寬噴嘴流量特性工作范圍，借助發動機物理標準參數，計算噴嘴流量的實際需求范圍，需求值在33.7~1220.0mg/s之間。為了證實噴嘴的性能，筆者構建噴嘴流量特定實驗系統，試驗直噴噴嘴的特性。

在特定的標定階段中，借助壓縮空氣，作為試驗載體，考慮到燃氣在壓縮沖程前期就必須要實施噴射作業，因此運用壓力容器，虛擬缸內的背壓。在試驗測試中，其背壓取值在0.4~0.8MPa之間。應用汽車電控系統快速原型開發環境系統，在噴嘴驅動器的控制作用下，開閉氣體噴射器，讀取流量計上的顯示值，結合單次脈沖周期變化，從而完成氣體噴射量的計算工作。試驗結果表明，就噴射器流量特性來講，背壓的取值變化對其影響相對較小。

2 壓縮天然氣直噴發動機電控系統

在試驗過程中，壓縮天然氣直噴發動機的電控系統主要是以汽車電控系統快速原型開發環境系統為關鍵標準，筆者設計了壓縮天然氣直噴發動機功能控制模塊，其開發流程主要體現在四個方面：第一，控制功能設計；第二，代碼自動生成；第三，軟件與硬件的在環仿真；第四，系統測試。就其系統結構來看，MACS565快速原型系統主要有七個傳感器：一是曲軸位置傳感器，二是天然氣軌溫度壓力傳感器，三是進氣壓力傳感器，四是進氣溫度傳感器，五是冷卻液溫度傳感器，六是節氣門位置傳感器，七是凸輪軸位置傳感器。MACS565系統借助凸輪軸位置信號與發動機曲軸位置信號，從而截取轉速與時序，進而獲得點火提前角與基本噴射脈寬，借以冷卻液溫度、進氣溫度以及氧傳感器信號，完成脈寬修正量的計算工作。立足于節氣門位置傳感器信號角度，通過確定減速等瞬態工作狀況，控制燃料噴射量，實現實時密度補償目的。

3 壓縮天然氣直噴發動機實驗研究

基于轉速與負荷不同的條件下，構建缸內直接噴射性能實驗，運用缸內直接噴射方式，增大發動機輸出扭矩，發動機輸出動力性能得到進一步的上升。具體而言，其主要原因表現在兩個方面：第一，燃料沒有進入氣道，一定程度上提高了發動機充氣效率；第二，在壓縮沖程早期，燃料噴射成功進入氣缸，空氣進氣量得到了提高，提升了發動機的輸出動力性能。其次，運用原型機為汽油發動機，對比壓縮天然氣缸內直噴發動機性能，在這種性能對比試驗中發現，當轉速處于較低狀態下，進氣道噴射天然氣功率虧損較大，而缸內直接噴射天然氣方式的發動機功率與原汽油機水平具有一致性。

4 結束語

綜上所述，充分運用缸內直接噴射方式，有助于提高壓縮天然氣直噴發動機的動力性能，發動機實際功率與原汽油機水平具有一致性。由此可知，要加強對壓縮天然氣直噴發動機排放特性的研究，構建壓縮天然氣直噴發動機排放模型，進一步驗證缸內直接噴射方式的可靠性以及有效性。

[1]彭禹，曾金玲.噴油器安裝角度對缸內直噴汽油機混合氣的影響[J].汽車技術，2011（07）.

[2]楊向忠，安錦文，崔文革.快速控制原型仿真技術應用 [J].航天控制，2009（02）.