防止天然氣發動機拉缸的方法

文/武迎迎 曹石 李苑瑋 趙國強

拉缸是發動機的一種重大故障，多見于發動機的磨合期，在成熟產品的運行中若使用不當也會發生。輕微拉缸時，氣缸套、活塞組件受損，嚴重的情況下會造成粘缸等惡性發動機損壞事故。本文主要研究了發動機特性與拉缸故障的相關性，由此提出了一種減少發動機拉缸故障的方法。

1 拉缸故障機理

圖1：發動機拉缸

活塞式內燃機將燃料和空氣混合，在其氣缸內燃燒，釋放出的熱能使氣缸內產生高溫高壓的燃氣。燃氣膨脹推動活塞做功，再通過曲軸連桿機構或其他機構將機械功輸出，驅動從動機械工作?；钊Q之為發動機的心臟，承受交變的機械負荷和熱負荷，是發動機中工作條件最惡劣的關鍵部件之一。

拉缸是指氣缸內壁油膜損壞，潤滑不良，在活塞和活塞環的運動范圍內出現明顯的縱向機械劃痕和刮傷，嚴重時發生粘連性磨損。發生拉缸后活塞、活塞環與氣缸壁摩擦時喪失密封性，從而導致氣缸壓縮壓力降低，動力性喪失，可燃混合氣下竄使曲軸箱壓力增大，嚴重時會引起曲軸箱爆炸、機油上竄到氣缸內引起燒機油現象、發動機噪聲異常，發動機不能正常工作甚至熄火，無法正常啟動。

圖2：進氣溫度-限值扭矩曲線

拉缸作為發動機常見故障之一，其產生的常見原因除了發動機活塞、氣缸等零部件因裝配不合適或者長時間使用導致損壞變形外，進氣溫度、冷卻液溫度、機油溫度過高以及機油量過低等外界因素也是產生拉缸的主要原因，特別是對于天然氣發動機來說，其燃燒溫度、發動機溫度、排氣溫度都比柴油機高，對溫度更加敏感，即使在低負荷下如果溫度過高同樣會發生拉缸等問題。發動機拉缸如圖1所示。

圖3：程序控制流程圖

圖4：疊加判斷

2 防止拉缸方法

為防止和降低發動機拉缸的故障，在發動機ECU中會增加一些保護策略，實現對發動機的保護。例如，當進氣溫度、水溫等參數過高時，ECU會根據溫度值的不同輸出不同的限制扭矩，將發動機的需求扭矩減小，從而減小發動機的輸出功率。該方法可以在一定程度上控制進氣溫度、水溫等參數，但由于天然氣發動機存在氣路的延遲，特別是對于單點噴射的發動機來說，從噴氣到缸內燃燒還有很長的一部分管路，且天然氣發動機對溫度較敏感，即使在低負荷時，如果溫度過高同樣會發生拉缸，所以僅限制發動機扭矩很難及時有效的控制上述參數的變化。在檢測到進氣溫度、水溫等參數急劇變化時，應立即采取有效措施限制發動機繼續工作直至停機?；谠撔枨?，本文提出了一種防止天然氣發動機拉缸的方法，以進氣溫度為例介紹一下詳細的控制方法。

步驟1：ECU根據獲取的傳感器電壓信號及內部診斷邏輯來判斷安裝在發動機節氣門后的進氣溫度傳感器是否正常，當傳感器正常時根據采集的電壓值獲取發動機的進氣溫度；當傳感器故障時，進氣溫度取一個合理的替代值，并報出進氣溫度傳感器故障及時通知駕駛人員維修。

步驟2：ECU獲取進氣溫度后，根據進氣溫度的數值查詢事先標定好的進氣溫度-限制扭矩曲線（圖2）以獲得當前進氣溫度下的限制扭矩。當進氣溫度在合理范圍內時限制扭矩數值很大并不對發動機的需求扭矩進行限制，隨著進氣溫度的增加，逐漸減小進氣溫度-限制扭矩曲線內的限制扭矩以此來限制發動機需求扭矩。

步驟3：計算進氣溫度在一定時間內的變化率，并判斷是否滿足進氣溫度值大于閥值1且溫度變化率大于閥值2，如果滿足則將噴射加電時間及點火加電時間置0或者直接將點火線圈及噴射閥的驅動禁止，如果不滿足則執行步驟1。

其詳細程序控制流程圖如圖3所示。

除進氣溫度外，發動機排溫、水溫、機油溫度、機油壓力等參數均基于上述策略做開發，上述幾種輸入做狀態的疊加判斷，有任何一個出現報警即會觸發降級甚至禁止點火，進而進一步實現對發動機的保護，最大限度降低發動機拉缸的可能性。具體實現方式見圖4。

3 控制方法驗證

該方法在燃氣發動機的控制系統中已集成實現，并在發動機上完成驗證。目前已經累計驗證超過25700h，無拉缸故障，驗證期間報出1次進氣溫度傳感器故障，2次水溫傳感器故障。試驗證明，該方法切實有效，可一定程度避免拉缸問題發生，降低發動機重大故障率。

4 結束語

本論文通過充分考慮了天然氣發動機的特點，在進氣溫度、水溫及機油液位漸變到異常情況時，逐漸限制發動機扭矩，當限制扭矩后仍然無法有效控制上述參數后，直接切斷點火及噴射，防止發動機拉缸。

該控制方法有效的解決了當中冷器、節氣門器堵塞、風扇故障、機油滲漏等突發問題發生時，發動機的進氣溫度，水溫以及潤滑情況在短時間發生異常造成發動機拉缸及損壞的情況。