煤層氣的發動機控制方案設計及性能仿真

趙 潔

（山西交通職業技術學院，晉中 030619）

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煤層氣的發動機控制方案設計及性能仿真

趙 潔

（山西交通職業技術學院，晉中 030619）

摘 要：本文在研究現階段代用燃料發動機的種類及各類燃料的物理化學性質對發動機性能的影響的基礎上，探析我國發展煤層氣發動機的可行性，提出了煤層氣發動機的控制設計方案，主要包括空氣和燃氣混合模型、用于控制空燃比的控制閥模型、進氣增壓系統模型和增壓中冷技術模型。

關鍵詞：煤層氣 增壓 控制

引言

近幾年來，中國的汽車工業發生了翻天覆地的變化。汽車產量和保有量急劇增長，城市機動車排放污染日趨嚴重。發動機的代用燃料應具有可以替代或部分替代汽油或柴油機等發動機常規燃料的作用，以緩解能源緊張的局面。

煤層氣的開發和使用對于充分利用能源，優化國內的能源結構，減少煤礦瓦斯事故，改善環境具有重大意義。近年來，煤層氣已列入我國能源發展計劃。煤層氣作為一種新型清潔能源，燃燒時熱值較高，不產生煙塵和硫化物氣體，可以作為發動機燃料的代用品。因此，研制燃用煤層氣將會有很廣的應用前景［1］。

1 煤層氣發動機的建模

工作中的發動機系統是一種非常復雜的非線性系統。它的空氣動態、燃料動態、排氣系統動態和傳感器動態等各種動態參數，隨著工況或者環境不斷變化。因此，對物理參數進行精確的數學描述存在一定困難，更不用說建立非線性系統精確的數學模型。但是，由于氣體燃料本身特有的屬性，燃氣發動機有一些因素可以不用考慮。鑒于此，結合煤層氣發動機的具體特點，我們提出建立一個預混合式煤層氣發動機的仿真模型。完整的系統子模型包括控制閥模型、空氣與燃氣混合模型、節氣門處混合氣流量模型、進氣歧管模型、混合氣充量系數模型、曲軸動力學模型、過量空氣系數模型等。本文主要對空氣燃氣混合模型、增壓中冷模型等主要進行設計分析，并對增壓比、點火提前角及空燃比進行簡單優選。

1.1 空氣和燃氣混合模型

由于煤層氣發動機進氣情況不太穩定，而進氣比例容易受控制，所以對此系統設計一個混合器十分必要。將空氣和燃氣按照一定比例混合，形成一定濃度的可燃混合氣，同時要求根據工作狀態時的轉速和負荷的不斷變化，增減混合氣的進入量，以保證發動機在不同工況下都能良好工作，這就是混合器的作用。

煤層氣發動機采用固定喉管式文丘里混合器，如圖1所示。空氣經由空氣通道從混合器的上方進氣口進入混合器，而來自燃氣通道的氣體燃料從混合器的前方進氣口進入混合器。混合器的喉管四周安裝有燃氣通道的小孔，小孔呈切向分布，使燃氣進入混合器形成環狀氣流，確保空氣和燃氣經由混合器后混合均勻。

1.燃氣進口；2.空氣進口；3.燃氣-空氣混合氣出口；4.連接到步進電機的連接桿；5.氣隙圖1 采用文丘里管的燃氣混合器

當空氣和燃料在混合器混合均勻后，不斷調整節氣門的開度。固定開度下，混合氣的比例不發生變化時，空燃比被認為是進氣空燃比。根據質量守恒定律，空氣與燃氣的質量流量總和就是混合氣的質量流量。因此，我們引用空氣和燃氣的質量流量方程為其建模。

圖2 空氣燃氣混合進氣圖

1.2 用于控制空燃比的控制閥模型

空氣和燃氣分別經過空氣閥及燃氣閥（氣隙）進入混合器。由于要控制空燃比，因此要知道二者的流量。要想利用閘閥控制空氣和燃氣的流量，應知道通過閥門的流量與閥門開度之間的關系。那么，在兩個閥門的控制中使用電控控制器，就如同加了一個電子控制單元，而實際空燃比的計算可用閥門后的瞬時流量比得出。對空燃比的控制，可同時使用氧傳感器和甲烷傳感器輸出的反饋控制。氧傳感器根據排氣含量的檢測間接對混合氣進行濃和稀的判斷。當實際空燃比大于1時，調節燃氣閥（可調氣隙）開度加大，使混合氣加濃，反之加大空氣閥的開度。通過燃氣閥位置傳感器與空氣閥位置傳感器來檢測燃氣閥（可調氣隙）與空氣的開度，并使用空氣和燃氣流量傳感器來檢測通過閥門的流量，從而控制閥門開度調節空燃比。氣門開度的檢測，可以應用氣門調節器來進行監測，表1、表2為WXD3-13-2W閥位置傳感檢測器的參數值［3］。

表1 空氣閥開度與檢測電阻數據

根據表1、表2數據可得到對應的一次函數關系：

這樣，通過簡單的電控設計，結合氧傳感器和燃氣（甲烷）傳感器，便可以對燃氣空氣進氣量進行檢測和控制。1.3 步進電機驅動系統

步進電機是一種完成增量運動的電磁機械，是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。本文中使用BYGH3002二相步進電機驅動燃氣閥（進氣氣隙）和空氣閥開度，其相關參數如表3所示。

對其進行SIMULINK建模，如圖3所示。

圖3 步進電機SIUMLINK圖

1.4 點火提前角的選擇

圖4 發動機計算模型［5］

C1～C16為氣缸，MP1～MP16為測量點，J1～J16為管路連接點，1～57為管路，CO1為中冷器，CL1為空氣濾清器，TC1、TC2為廢氣渦輪增壓器，SB1、SB2、SB3為環境邊界，PL1、PL2為進氣總管。

表2 燃氣閥門（氣隙）開度與檢測電阻數據

表3 BYGH3002二相步進電機技術參數

采用圖4的發動機計算模型，輸入發動機相關參數，對發動機進行模擬仿真。圖5、圖6為煤層氣發動機在1500r/min時，不同點火提前角條件下的發動機性能變化規律。

模擬結果表明點火提前角對功率和燃料消耗率的變化影響，可以得出該工況存在最佳點火提前角。

當點火提前角增大的時候，主燃期離上止點更近一些；燃燒結束的時候，氣缸容積逐漸變小，導致最高燃燒壓力逐步升高，功率逐步增加，同時燃氣迅速膨脹，排氣管的后燃減少，降低排溫，散熱損失同時減小，最終使燃料消耗逐漸降低。

圖5 點火提前角對發動機功率和油耗的影響關系

圖6 點火提前角對發動機最大爆發壓力和最高燃燒溫度的影響關系

當點火提前角越過最佳點后，引起混合氣早燃的后果，缸內的最高爆發壓力在上止點之前出現，此時的氣體壓力與活塞運動方向是相反的，發動機的有效功率下降。點火過早，缸內混合氣密度較小，火焰傳播速度低，燃燒放熱率降低，從而效率下降，燃料消耗率上升。

當點火提前角減小的時候，火焰傳播速度變慢，最高燃燒壓力點偏離上止點距離增加，引起后燃的情況，排溫也同時升高，導致有效功率減小，燃料消耗率變大，致使動力性、經濟性受到很大影響。但是，當點火提前角增大的時候，天然氣燃料火焰傳播速度慢所導致的熱效率下降的情況得到改善，從而極大改善發動機缸內的燃燒過程，同時功率增加，燃油消耗率變低，適當改善了發動機的動力性［6-7］。

結合煤層氣發動機排溫、燃油油耗率，煤層氣發動機點火提前角初選為23～25°CA。

1.5 壓縮比的選擇

采用圖4的發動機計算模型進行仿真。圖7、圖8為煤層氣發動機在轉速1500r/min、混合氣濃度5.5%時，不同壓縮比條件下的發動機性能變化規律。

圖7 壓縮比對發動機油耗和功率的影響關系

圖8 壓縮比對發動機壓力升高率和排溫的影響關系

壓縮比的提高是恢復功率的有效措施。因為煤層氣的辛烷值較高，抗爆性好，對提高壓縮比的限制小。所以，通過提高壓縮比來改善動力性的潛力較大。

由圖7和圖8表明：

（1）當壓縮比提高的時候，煤層氣發動機的最高燃燒壓力和有效功率逐步上升，可以表明壓縮比的提高對改善燃燒是有益的。同時，當壓縮比提高的時候，發動機的循環熱效率逐步變大。

（2）當壓縮比提高的時候，煤層氣發動機的輸出功率逐步變大，有效燃氣消耗率減少。說明提高壓縮比可以改善煤層氣發動機的動力性，同時提高經濟性。

（3）當壓縮比提高的時候，煤層氣發動機的排溫降低，且降幅比較大。

綜上，最高燃燒壓力越大，排溫越低。這是因為隨著壓縮比提高，發動機的膨脹比也會提高，循環的溫度階梯也隨之擴大，導致最高循環壓力急劇升高，且熱能轉化成有效功增加，此時排氣溫度大大降低。壓縮比的提高不僅可以改善發動機的熱負荷，而且可以降低排氣門及閥座處的溫度，這正是煤層氣發動機工作不可缺少的。這是因為煤層氣屬于氣體燃料，沒有汽化吸熱潤滑的作用，排氣門與閥座之間出現嚴重的摩擦熱負荷情況。如果最高燃燒壓力過大，會導致燃燒室器件熱負荷增大，同時引起爆燃現象。所以，需要考察其壓力升高率［8-9］。

提高壓縮比可使功率恢復到一定水平。事實上，壓縮比的大小應與燃料成分、點火方式、火花塞布置和氣缸直徑等相匹配。這里，本文只對壓縮比對發動機的功率恢復做了闡述。

2 結論

本文在了解和熟悉國內外代用燃料發動

機的基礎上，針對我國的實際情況進行了煤層氣發動機的設計研究。在原有的396煤層氣發動機模型的基礎上，提出了燃氣-空氣混合模型、空燃比控制模型增壓中冷模型，分析了點火提前角等主要參數對發動機性能的影響。分析結果表明，這不但可以提高研發煤層氣發動機的效率，也可以優化匹配發動機的整機參數，同時極大改善發動機的動力性和經濟性，并且對該煤層氣發動機的性能進行了很好的預測。此外，對396發動機的壓縮比、增壓比、點火提前角等進行了優選和確定［10］。

參考文獻

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Design and Performance Simulation of Engine Control Scheme for Coal Bed Gas

ZHAO Jie
（Shanxi Traffic Vocational and Technical College， Jinzhong 030619）

Abstract:Based on the present research on alternative fuels and various kinds of engine fuel chem ical and physical properties of engine performance， on the basis of the influence， and puts forward the feasibility of coal bed methane engine development in our country. The design scheme of the engine CBM as: the air and gas mixture model， used to control the air-fuel ratio of valves， air pressurization system model， turbocharged technology， ignition system and ignition timing model， the compression ratio and CBM engine theoretical calculation of air-fuel ratio.

Key words:coal-bed methane，Pressurization，control