天然氣發動機空燃比控制與試驗研究

趙春生

摘要：分析了精確控制天然氣發動機過量空氣系數控制策略，進行了過量空氣系數對發動機經濟性、動力性和排放性影響的試驗，標定出發動機理想過量空氣系數控制Map。對開、閉環進行了對比試驗，試驗結果表明，閉環控制精度和穩定性優于開環控制;過量空氣系數對于發動機經濟性的影響非常明顯，經濟性最好時的過量空氣系數大于NOx排放量最大時對應的過量空氣系數，HC排放隨著過量空氣系數增大而增大。通過優化，該發動機綜合性能達到較理想狀態。

Abstract： The effect of mixer structure on sufficient mixing and appropriate scale between compressed natural gas and air are very important. Academic calculation and analysis result show the equation of mixer throat pipe and natural gas intake diameter in engine normal work process. Based relation between Air excess /CNG ratio and mean effective pressure， structure of mixer pipe is improved and designed for a 3.7 liter displacement engine. Rationality of mixer design is validated by air excess ratio test with the engine experiment.

關鍵詞：閉環控制;過量空氣系數;性能;排放

0? 引言

近幾年，天然氣發動機由于燃料來源豐富、排放性能好、辛烷值高、經濟性好等優點獲得了巨大的發展，其排放性能能夠滿足越來越嚴格的排放標準要求，是最具發展潛力的清潔代用燃料發動機。雖然天然氣是清潔燃料，但它不可能自動地、無條件地使發動機滿足日益嚴格的排放要求。因此，如何在保證氣體燃料發動機動力性能的前提下，使氣體燃料最大限度的發揮其優勢成為各國科學家研究的一個熱點課題[1]。

天然氣發動機電控系統研究中的一個重要問題是如何在保證天然氣發動機動力性能和經濟性能的前提下，盡量降低發動機的有害排放物，以滿足日益嚴格的排放法規要求。發動機的排放與其工作時的空燃比有密切的關系，為了滿足更嚴格的排放法規，必須對發動機的空燃比進行精確的控制。

1? 發動機及系統結構

試驗研究所用發動機為4缸增壓中冷發動機，具體參數見表1;天然氣發動機的試驗系統主要由發動機、天然氣供給系統、電控單元、測功機和缸壓采集及燃燒分析系統等幾個部分組成。試驗采集了反饋控制前后的實際空燃比和性能參數等數據，用于研究在不同轉速、不同節氣門開度情況下空燃比閉環控制的效果。控制系統示意圖見圖1。

2? 空燃比控制策略

閉環控制是指在開環控制的基礎上，增加了反饋環節的雙向操作，ECU不斷地將待控制參數與優化的控制目標進行比較，由此不斷地調節輸出指令，使兩者差別達到最小。由于其控制精度高，工作穩定性好，抗干擾能力強，得到廣泛應用。

實現空燃比閉環控制的關鍵傳感器是寬域氧傳感器，雖然氧傳感器的輸出是電流信號，但經過Lambda儀表可以得到過量空氣系數相對應的電壓。0.7～8.2V的輸出電壓對應的過量空氣系數是0.7～8.2。

空燃比控制流程如圖2所示。在穩定工況下啟動閉環控制程序，首先進行ADC初始化，然后開啟ADC讀取輸入到單片機內的實際空燃比的值，再與試驗設定的目標空燃比進行比較，通過ECU自動調整燃氣蝶閥控制開度，使發動機的空燃比保持在目標值附近。

3? 計算與標定試驗

3.1 燃氣流量

為了精確測量和控制燃氣流量，采用蝶閥控制燃氣流量，蝶閥管道及傳感器布置見圖3。

噴管中的壓強沿流向不斷減小，流速在收縮管內是不斷增加的，但在管出口處未能達到聲速，出口為亞音速，出口壓強等于背壓。

3.3 空氣流量

3.4 理想空燃比Map的標定

為了考察發動機不同轉速和不同負荷下的過量空氣系數對其性能的影響，兼顧為了減輕試驗工作量，試驗中選擇了1300r/min、1800r/min和2100r/min三個轉速，在每個工況點下，測功機在恒轉模式下運行，不同轉速下，節氣門位置控制為100%、80%、50%不變，調整通過在線標定系統將蝶閥位置從小逐步變大，使所進燃氣量逐漸增多，從而使過量空氣系數減小。為防止爆震，試驗時外特性工況使過量空氣系數由1.4左右變到1.8左右;部分負荷工況為防止失火，使過量空氣系數由1.1左右變到1.4左右。當發動機穩定后，記錄發動機的功率、燃氣消耗率和排放等參數。試驗結果見圖5-圖8。

由試驗結果可知，不同轉速下發動機輸出功率隨過量空氣系數而變化的趨勢相同，即先上升后下降，外特性工況不同轉速存在一個輸出功率最大的過量空氣系數，其值隨著轉速不同有所差異，在1.5到1.7之間。說明高轉速、高負荷情況下更有利于發動機稀薄燃燒的實現。

各試驗工況下發動機NOx、HC排放濃度隨過量空氣系數的變化情況如圖7、圖8所示。從圖7看，NOx隨過量空氣系數的變化呈下降的趨勢，但NOx排放量最大時對應的過量空氣系數在1.4，比最佳經濟性所對應的過量空氣系數要小。這說明NOx排放與經濟性之間存在一定的矛盾。當對發動機排放性能要求較高時，可通過適當加大過量空氣系數，犧牲一部分經濟性來較大幅度地降低NOx排放。圖8顯示，HC排放隨著過量空氣系數增大而增大，這是因為隨著過量空氣系數的增加，混合氣變稀，點火燃燒情況變差，所以未燃HC增加[2]。

由部分負荷試驗結果可見，隨著負荷的降低，發動機最佳過量空氣系數呈下降趨勢，為避免失火，50%節氣門開度以下，過量空氣系數控制為1.2。

利用差值法繪制發動機理想過量空氣系數Map見圖9。

4? 開、閉環對比試驗

試驗采集了反饋控制前后的實際空燃比，用于研究在不同轉速、節氣門開度，空燃比閉環控制的效果及其對循環波動的影響。圖10～圖13分別給出了轉速為1300r/min、節氣門開度為50%;轉速為1300r/min、節氣門開度為100%;轉速為2100r/min、節氣門開度50%;轉速為2100r/min、節氣門開度100%工況下實際空燃比的變化情況。

從試驗結果可以發現，閉環控制比開環控制時的實際空燃比要穩定很多，主要是因為閉環控制時電控單元ECU能檢測到每個循環的氧傳感器信號，并能根據這一反饋信號修正噴氣量，從而提高了空燃比的控制精度，使其更加接近目標空燃比。如轉速為2100r/min、節氣門開度為50%，目標空燃比為1.3時，開環控制的實際空燃比波動變化大約是3.1%，而閉環控制的實際空燃比波動變化大約是0.8%，控制精度提高了74%。

5? 結論

①稀燃對于發動機經濟性的改善非常明顯。對于該發動機，當過量空氣系數大于1.8時，其輸出功率隨過量空氣系數增加將下降。②NOx排放量最大時對應的過量空氣系數在1.4，比最佳經濟性所對應的過量空氣系數要小。③HC排放隨著過量空氣系數增大而增大，在過量空氣系數大于1.7以后開始急劇增加。④綜合排放性、經濟性和可靠性，試驗標定出該發動機的理想過量空氣系數Map，為全工況優化奠定了基礎。⑤發動機采用閉環反饋控制空燃比，其精度和穩定性優于開環控制。

參考文獻：

[1]宋均，黃震.車用天然氣發動機技術及其應用[J].天然氣工業，2002，6（6）：88-91.

[2]Ralph D.Nine，Nigel N.Clark，Brian E.Mace.Hydrocarbon speeiation of a lean—burn，spark—ignited engine，SAE Paper 972971，1997.

[3]電控CNG發動機性能分析與試驗研究[J].天津汽車，2006（5）：27-29.