基于模型的壓縮天然氣發動機電控關鍵技術探究

賈厚東+王海濤+李越超

摘 要 隨著經濟和生活的不斷發展，人們對能源的需求也越來越大，同時，因為能源問題所引發的環境污染也越來越引起各方的重視。以天然氣為燃料的發動機，以能耗低、排放小，成為發動機研究的一個重點課題。

關鍵詞 模型；發動機；電控技術；邏輯

中圖分類號：TK4 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）10-0012-01

隨著經濟和生活的不斷發展，人們對能源的需求也越來越大，同時，因為能源問題所引發的環境污染也越來越引起各方的重視。世界范圍內各國都在積極尋找和開發可替代石油的新能源，而天然氣以其良好的可開采性、經濟性、低污染引起了各國科技人員的重視，而通過以天然氣為燃料的發動機，以能耗低、排放小，成為發動機研究的一個重點課題。

1 天然氣發動機概述

與柴油發動機一樣，天然氣發動機也是一種構造比較復雜的能量轉換機器，有許多機構和系統組成，主要包含有以下機構和系統組成：1）配氣機構和進排氣系統；2）曲柄連桿機構；3）機體和氣缸蓋組件；4）燃氣供給系統；還有天然氣穩壓裝置、調壓閥、燃氣濾清器、燃氣控制閥與電磁閥、混合器等部件組成。其功用是將燃氣進行濾清、凈化，并穩定其壓力，以一定流量送往燃氣進氣通道，使其與空氣均勻混合，送入氣缸內，實現燃燒過程。天然氣發動機最大的優點是排污染低：CO排入量是汽油機的1/15，HC排放量是汽油機的1/5，SO2排放量是汽油機的1/10，CO2的排放量是汽油機的4/5，另外，天然氣發動機不會造成潤滑油稀釋，可延長發動機壽命，同時還可降低噪聲等。盡管如此，天然氣發動機在使用中仍然存在一些問題，其中最為突出的是發動機功率下降、發動機腐蝕與早期磨損的問題。

2 CNG發動機電控技術面臨的難題

1）CNG發動機平均值模型存在一定缺陷：無法準確反映進、排氣門對輸出的影響 ，也忽略了各缸之間差異性，從而使得排放的變化無法反映出來。這一點主要因為大多數模型都是基于燃油發動機模型開發的，沒有考慮進氣管內氣體混后的特性化；

2）控制方法的研究多采用離散多變量非線性時滯系統，而發動機在空燃比的控制上面是離散系統，而轉速的控制則被認為是連續系統，這就需要通過正確的數學模型才能反映出來，但因為CNG發動機相關的技術也在不斷研究變化，相應技術資料可供參考的數量有限，這也給控制方面的研究造成難度。

3）在壓縮天然氣發動機控制技術中，針對閉環的控制多采用PID控制，開環控制則采用MAP 圖來實現，而針對發動機復雜的工況，在采用PID控制過程中，為提高控制的精度，需要標定大量數據和參數，有的甚至達到7000個以上，這個實驗過程不僅耗費資金，也增加了開發的周期。如何實現算法的高精度和可靠性，是開發的一個難點。

4）現有的控制策略和排放優化方案主要依靠臺架人工作業，其效率低、費用高、周期長。而提高控制優化效率，就需要依靠智能優化的方法來實現。

3 CNG發動機控制邏輯及優化

1）CNG發動機控制邏輯。相對早期的進氣負荷模型，燃油發動的扭矩模型對排放性能有了大幅提升，扭矩模型根據油門傳遞信息視為扭矩的需求信號，對通過扭矩大小來實現對各控制裝置的協調和管理，從而達到降低能耗的目的。為了使發動機扭矩波動減小，就需要對發出請求的扭矩進行核實，然后給予相應的響應。實現控制邏輯是CNG發動機控制邏輯的重點，根據需要，完成對需要空氣進氣量的計算，再通過依據當前進氣量，完成噴氣和點火，這三個控制邏輯模塊是發動機電控技術中最基本的模塊。

圖1 扭矩模型控制邏輯圖

2）工況的判斷。發動機需要經常處于不同的工況環境中工作，如低速、高速、怠速、坡道、彎道、農田、沼澤等，在不同工況運行時，需要通過檔位的切換來適應工況的變化，而發動機對工況的判斷是否正確、響應是靈敏，直接影響到控制系統的精準度，因此，對工況及時準確的判斷對發動機控制系統十分重要。工況一般劃分為兩大類：故障工況和常規工況。其中故障工況有：發動機溫度過高、極限速度斷氣、傳感器失效、綜合偏差過高等；常規工況主要根據油門踏板位置信號、冷卻溫度、進氣溫度、轉速變化等來綜合確定，主要包括：冷怠速、熱怠速、急加速、啟動、排放工況等。如發動機溫度過高：IF Tmot>120℃，出現溫度異常，就需要將CNG噴射控制脈寬相應減小，進入輕負荷狀態，降低水溫修正工況，對大負荷不響應。

3）點火提前交角計算。點火提前交角的計算，主要的難點在于如果點火提前交角不準確，出現偏差，就會對發動機本體造成較大的影響，甚至損壞發動機本體。在計算點火提前交角時，要考慮發動機空燃比、大氣壓力、轉速變化率、冷卻水溫等諸多因素。優秀的點火控制需要在滿足輸出扭矩盡可能大的前提下，綜合考慮各種因素影響。在CNG發動機方面，當其燃燒溫度高時，就會導致傳播火焰慢，缸內壓力上升遲緩，這時需要將提前角增加。但如果調節過大，又會影響到排放性能，導致NOx增加。

4）空氣流量計算。為了提高發動機可靠性，空氣流量信號設計有兩個通道：一路是在空氣流量計的基礎上，根據進氣溫度、進氣壓力等傳感器的輸出變化，控制進氣量和負載；另一路則根據轉速、水溫、氣門開度變化等，來計算和控制進氣流量?？諝饬髁康牟蓸右话悴扇?-10 ms的頻率，為降低其他信號的干擾，消除空氣流量計、進氣管壓力隨缸體工作所產生波動，在控制邏輯中加了二次濾波，來達到精確計算進氣量之目的?？諝饬髁啃盘枌Πl動機正常工作的影響非常大，當空氣流量信號丟失，發動機就無法正常工作。

4 結束語

CNG發動機電控技術在我國尚未形成自主知識產權的技術替代品，而委托國外技術公司開發的產品，又因價格高昂、周期長而受到限制，加之燃油發動機技術在我國尚未完全掌握，而CNG發動機相關技術比燃油發動機技術的研發困難更大。單從技術研發層面來看，發動機電控技術通過精確控制進氣流量、燃料噴射和點火，能夠大幅提升發動機綜合性能，是動力總成技術的核心和熱點之一。

參考文獻

[1]周龍保，高宗英.內燃機學[M].北京機械工業出版社，1999.

[2]陳飛.壓縮天然氣發動機電控系統的研究[D].西華大學，2006.

[3]帥英梅.渦輪增壓柴油機電控調速系統的建模與仿真[D].華中科技大學，2004.endprint

摘 要 隨著經濟和生活的不斷發展，人們對能源的需求也越來越大，同時，因為能源問題所引發的環境污染也越來越引起各方的重視。以天然氣為燃料的發動機，以能耗低、排放小，成為發動機研究的一個重點課題。

關鍵詞 模型；發動機；電控技術；邏輯

中圖分類號：TK4 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）10-0012-01

隨著經濟和生活的不斷發展，人們對能源的需求也越來越大，同時，因為能源問題所引發的環境污染也越來越引起各方的重視。世界范圍內各國都在積極尋找和開發可替代石油的新能源，而天然氣以其良好的可開采性、經濟性、低污染引起了各國科技人員的重視，而通過以天然氣為燃料的發動機，以能耗低、排放小，成為發動機研究的一個重點課題。

1 天然氣發動機概述

與柴油發動機一樣，天然氣發動機也是一種構造比較復雜的能量轉換機器，有許多機構和系統組成，主要包含有以下機構和系統組成：1）配氣機構和進排氣系統；2）曲柄連桿機構；3）機體和氣缸蓋組件；4）燃氣供給系統；還有天然氣穩壓裝置、調壓閥、燃氣濾清器、燃氣控制閥與電磁閥、混合器等部件組成。其功用是將燃氣進行濾清、凈化，并穩定其壓力，以一定流量送往燃氣進氣通道，使其與空氣均勻混合，送入氣缸內，實現燃燒過程。天然氣發動機最大的優點是排污染低：CO排入量是汽油機的1/15，HC排放量是汽油機的1/5，SO2排放量是汽油機的1/10，CO2的排放量是汽油機的4/5，另外，天然氣發動機不會造成潤滑油稀釋，可延長發動機壽命，同時還可降低噪聲等。盡管如此，天然氣發動機在使用中仍然存在一些問題，其中最為突出的是發動機功率下降、發動機腐蝕與早期磨損的問題。

2 CNG發動機電控技術面臨的難題

1）CNG發動機平均值模型存在一定缺陷：無法準確反映進、排氣門對輸出的影響 ，也忽略了各缸之間差異性，從而使得排放的變化無法反映出來。這一點主要因為大多數模型都是基于燃油發動機模型開發的，沒有考慮進氣管內氣體混后的特性化；

2）控制方法的研究多采用離散多變量非線性時滯系統，而發動機在空燃比的控制上面是離散系統，而轉速的控制則被認為是連續系統，這就需要通過正確的數學模型才能反映出來，但因為CNG發動機相關的技術也在不斷研究變化，相應技術資料可供參考的數量有限，這也給控制方面的研究造成難度。

3）在壓縮天然氣發動機控制技術中，針對閉環的控制多采用PID控制，開環控制則采用MAP 圖來實現，而針對發動機復雜的工況，在采用PID控制過程中，為提高控制的精度，需要標定大量數據和參數，有的甚至達到7000個以上，這個實驗過程不僅耗費資金，也增加了開發的周期。如何實現算法的高精度和可靠性，是開發的一個難點。

4）現有的控制策略和排放優化方案主要依靠臺架人工作業，其效率低、費用高、周期長。而提高控制優化效率，就需要依靠智能優化的方法來實現。

3 CNG發動機控制邏輯及優化

1）CNG發動機控制邏輯。相對早期的進氣負荷模型，燃油發動的扭矩模型對排放性能有了大幅提升，扭矩模型根據油門傳遞信息視為扭矩的需求信號，對通過扭矩大小來實現對各控制裝置的協調和管理，從而達到降低能耗的目的。為了使發動機扭矩波動減小，就需要對發出請求的扭矩進行核實，然后給予相應的響應。實現控制邏輯是CNG發動機控制邏輯的重點，根據需要，完成對需要空氣進氣量的計算，再通過依據當前進氣量，完成噴氣和點火，這三個控制邏輯模塊是發動機電控技術中最基本的模塊。

圖1 扭矩模型控制邏輯圖

2）工況的判斷。發動機需要經常處于不同的工況環境中工作，如低速、高速、怠速、坡道、彎道、農田、沼澤等，在不同工況運行時，需要通過檔位的切換來適應工況的變化，而發動機對工況的判斷是否正確、響應是靈敏，直接影響到控制系統的精準度，因此，對工況及時準確的判斷對發動機控制系統十分重要。工況一般劃分為兩大類：故障工況和常規工況。其中故障工況有：發動機溫度過高、極限速度斷氣、傳感器失效、綜合偏差過高等；常規工況主要根據油門踏板位置信號、冷卻溫度、進氣溫度、轉速變化等來綜合確定，主要包括：冷怠速、熱怠速、急加速、啟動、排放工況等。如發動機溫度過高：IF Tmot>120℃，出現溫度異常，就需要將CNG噴射控制脈寬相應減小，進入輕負荷狀態，降低水溫修正工況，對大負荷不響應。

3）點火提前交角計算。點火提前交角的計算，主要的難點在于如果點火提前交角不準確，出現偏差，就會對發動機本體造成較大的影響，甚至損壞發動機本體。在計算點火提前交角時，要考慮發動機空燃比、大氣壓力、轉速變化率、冷卻水溫等諸多因素。優秀的點火控制需要在滿足輸出扭矩盡可能大的前提下，綜合考慮各種因素影響。在CNG發動機方面，當其燃燒溫度高時，就會導致傳播火焰慢，缸內壓力上升遲緩，這時需要將提前角增加。但如果調節過大，又會影響到排放性能，導致NOx增加。

4）空氣流量計算。為了提高發動機可靠性，空氣流量信號設計有兩個通道：一路是在空氣流量計的基礎上，根據進氣溫度、進氣壓力等傳感器的輸出變化，控制進氣量和負載；另一路則根據轉速、水溫、氣門開度變化等，來計算和控制進氣流量?？諝饬髁康牟蓸右话悴扇?-10 ms的頻率，為降低其他信號的干擾，消除空氣流量計、進氣管壓力隨缸體工作所產生波動，在控制邏輯中加了二次濾波，來達到精確計算進氣量之目的?？諝饬髁啃盘枌Πl動機正常工作的影響非常大，當空氣流量信號丟失，發動機就無法正常工作。

4 結束語

CNG發動機電控技術在我國尚未形成自主知識產權的技術替代品，而委托國外技術公司開發的產品，又因價格高昂、周期長而受到限制，加之燃油發動機技術在我國尚未完全掌握，而CNG發動機相關技術比燃油發動機技術的研發困難更大。單從技術研發層面來看，發動機電控技術通過精確控制進氣流量、燃料噴射和點火，能夠大幅提升發動機綜合性能，是動力總成技術的核心和熱點之一。

參考文獻

[1]周龍保，高宗英.內燃機學[M].北京機械工業出版社，1999.

[2]陳飛.壓縮天然氣發動機電控系統的研究[D].西華大學，2006.

[3]帥英梅.渦輪增壓柴油機電控調速系統的建模與仿真[D].華中科技大學，2004.endprint

摘 要 隨著經濟和生活的不斷發展，人們對能源的需求也越來越大，同時，因為能源問題所引發的環境污染也越來越引起各方的重視。以天然氣為燃料的發動機，以能耗低、排放小，成為發動機研究的一個重點課題。

關鍵詞 模型；發動機；電控技術；邏輯

中圖分類號：TK4 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）10-0012-01

隨著經濟和生活的不斷發展，人們對能源的需求也越來越大，同時，因為能源問題所引發的環境污染也越來越引起各方的重視。世界范圍內各國都在積極尋找和開發可替代石油的新能源，而天然氣以其良好的可開采性、經濟性、低污染引起了各國科技人員的重視，而通過以天然氣為燃料的發動機，以能耗低、排放小，成為發動機研究的一個重點課題。

1 天然氣發動機概述

與柴油發動機一樣，天然氣發動機也是一種構造比較復雜的能量轉換機器，有許多機構和系統組成，主要包含有以下機構和系統組成：1）配氣機構和進排氣系統；2）曲柄連桿機構；3）機體和氣缸蓋組件；4）燃氣供給系統；還有天然氣穩壓裝置、調壓閥、燃氣濾清器、燃氣控制閥與電磁閥、混合器等部件組成。其功用是將燃氣進行濾清、凈化，并穩定其壓力，以一定流量送往燃氣進氣通道，使其與空氣均勻混合，送入氣缸內，實現燃燒過程。天然氣發動機最大的優點是排污染低：CO排入量是汽油機的1/15，HC排放量是汽油機的1/5，SO2排放量是汽油機的1/10，CO2的排放量是汽油機的4/5，另外，天然氣發動機不會造成潤滑油稀釋，可延長發動機壽命，同時還可降低噪聲等。盡管如此，天然氣發動機在使用中仍然存在一些問題，其中最為突出的是發動機功率下降、發動機腐蝕與早期磨損的問題。

2 CNG發動機電控技術面臨的難題

1）CNG發動機平均值模型存在一定缺陷：無法準確反映進、排氣門對輸出的影響 ，也忽略了各缸之間差異性，從而使得排放的變化無法反映出來。這一點主要因為大多數模型都是基于燃油發動機模型開發的，沒有考慮進氣管內氣體混后的特性化；

2）控制方法的研究多采用離散多變量非線性時滯系統，而發動機在空燃比的控制上面是離散系統，而轉速的控制則被認為是連續系統，這就需要通過正確的數學模型才能反映出來，但因為CNG發動機相關的技術也在不斷研究變化，相應技術資料可供參考的數量有限，這也給控制方面的研究造成難度。

3）在壓縮天然氣發動機控制技術中，針對閉環的控制多采用PID控制，開環控制則采用MAP 圖來實現，而針對發動機復雜的工況，在采用PID控制過程中，為提高控制的精度，需要標定大量數據和參數，有的甚至達到7000個以上，這個實驗過程不僅耗費資金，也增加了開發的周期。如何實現算法的高精度和可靠性，是開發的一個難點。

4）現有的控制策略和排放優化方案主要依靠臺架人工作業，其效率低、費用高、周期長。而提高控制優化效率，就需要依靠智能優化的方法來實現。

3 CNG發動機控制邏輯及優化

1）CNG發動機控制邏輯。相對早期的進氣負荷模型，燃油發動的扭矩模型對排放性能有了大幅提升，扭矩模型根據油門傳遞信息視為扭矩的需求信號，對通過扭矩大小來實現對各控制裝置的協調和管理，從而達到降低能耗的目的。為了使發動機扭矩波動減小，就需要對發出請求的扭矩進行核實，然后給予相應的響應。實現控制邏輯是CNG發動機控制邏輯的重點，根據需要，完成對需要空氣進氣量的計算，再通過依據當前進氣量，完成噴氣和點火，這三個控制邏輯模塊是發動機電控技術中最基本的模塊。

圖1 扭矩模型控制邏輯圖

2）工況的判斷。發動機需要經常處于不同的工況環境中工作，如低速、高速、怠速、坡道、彎道、農田、沼澤等，在不同工況運行時，需要通過檔位的切換來適應工況的變化，而發動機對工況的判斷是否正確、響應是靈敏，直接影響到控制系統的精準度，因此，對工況及時準確的判斷對發動機控制系統十分重要。工況一般劃分為兩大類：故障工況和常規工況。其中故障工況有：發動機溫度過高、極限速度斷氣、傳感器失效、綜合偏差過高等；常規工況主要根據油門踏板位置信號、冷卻溫度、進氣溫度、轉速變化等來綜合確定，主要包括：冷怠速、熱怠速、急加速、啟動、排放工況等。如發動機溫度過高：IF Tmot>120℃，出現溫度異常，就需要將CNG噴射控制脈寬相應減小，進入輕負荷狀態，降低水溫修正工況，對大負荷不響應。

3）點火提前交角計算。點火提前交角的計算，主要的難點在于如果點火提前交角不準確，出現偏差，就會對發動機本體造成較大的影響，甚至損壞發動機本體。在計算點火提前交角時，要考慮發動機空燃比、大氣壓力、轉速變化率、冷卻水溫等諸多因素。優秀的點火控制需要在滿足輸出扭矩盡可能大的前提下，綜合考慮各種因素影響。在CNG發動機方面，當其燃燒溫度高時，就會導致傳播火焰慢，缸內壓力上升遲緩，這時需要將提前角增加。但如果調節過大，又會影響到排放性能，導致NOx增加。

4）空氣流量計算。為了提高發動機可靠性，空氣流量信號設計有兩個通道：一路是在空氣流量計的基礎上，根據進氣溫度、進氣壓力等傳感器的輸出變化，控制進氣量和負載；另一路則根據轉速、水溫、氣門開度變化等，來計算和控制進氣流量。空氣流量的采樣一般采取5-10 ms的頻率，為降低其他信號的干擾，消除空氣流量計、進氣管壓力隨缸體工作所產生波動，在控制邏輯中加了二次濾波，來達到精確計算進氣量之目的。空氣流量信號對發動機正常工作的影響非常大，當空氣流量信號丟失，發動機就無法正常工作。

4 結束語

CNG發動機電控技術在我國尚未形成自主知識產權的技術替代品，而委托國外技術公司開發的產品，又因價格高昂、周期長而受到限制，加之燃油發動機技術在我國尚未完全掌握，而CNG發動機相關技術比燃油發動機技術的研發困難更大。單從技術研發層面來看，發動機電控技術通過精確控制進氣流量、燃料噴射和點火，能夠大幅提升發動機綜合性能，是動力總成技術的核心和熱點之一。

參考文獻

[1]周龍保，高宗英.內燃機學[M].北京機械工業出版社，1999.

[2]陳飛.壓縮天然氣發動機電控系統的研究[D].西華大學，2006.

[3]帥英梅.渦輪增壓柴油機電控調速系統的建模與仿真[D].華中科技大學，2004.endprint