車用燃氣噴射系統介紹

任憲豐 王震華 盧朋珍

摘要：燃氣發動機燃氣系統設計及選型需考慮不同燃氣噴射閥的特性：連續流噴射閥對氣質清潔度要求不高，適用于重型單點發動機、低壓燃氣供給系統。PWM驅動噴嘴單價低，但對氣質清潔度要求高，中低流量噴射閥適用于輕中型發動機，大流量噴射閥適用于重型發動機，使用PWM型噴嘴要特別注意燃氣供給壓力與噴嘴流量關系。發動機設計時應綜合考慮噴射閥流量和燃氣壓力。通過不同燃氣噴射系統及其特點的介紹，為燃氣發動機設計燃氣系統選型提供依據。

關鍵詞：燃氣噴射系統;設計;連續流噴射閥;PWM驅動噴嘴

中圖分類號：TH162? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）10-0024-02

0? 引言

環境污染的加劇，推動更嚴格的排放法規的實施。為滿足排放法規需求，發動機必須使用更高質量的燃油，后處理系統也從國三階段的EGR系統，到國六階段的EGR+DOC+DPF+SCR+ASC，越來越復雜，這些都大大增加了使用成本。此外，隨著汽車保有量的增加，對石油的需求也不斷增加，而地球上石油資源日趨緊張。人們一直在尋求更廉價更環保的代用燃料。天然氣資源儲量大、安全可靠、經濟可行、污染較少、易存儲運輸、熱值高等優點，和柴油機相比，燃氣發動機使用理論空燃比+EGR+TWC，即可滿足國六法規，天然氣成為目前流行的車用代用燃料。

天然氣有兩種存儲方式：CNG和LNG。LNG以存儲密度大、甲烷純度高等優勢占據了主要市場份額。對發動機來講，二者只是存儲方式不同，整個燃氣供給系統無本質差別。燃氣經氣瓶、切斷閥、穩壓器、噴射系統進入發動機。

按照噴射方式的不同，噴射系統可分為連續流噴射閥和PWM噴嘴;按照燃氣噴射壓力的不同，可分為低壓閥和高壓閥;根據噴射閥流量的不同，可分為中小流量閥，大流量閥。各噴射系統都有其特點，下面就市場上常用的幾種噴射系統進行詳細介紹。

1? 連續流噴射閥

連續流噴射閥，主要代表有E_Control公司的CFV、WoodWard公司的PFAV。

CFV是智能閥，如圖1所示。ECU發送需求燃料流量命令，閥接到命令后，依據閥出口處的背壓，計算需求腔內壓力，和實際腔內壓力進行比較，控制一級電機，對腔內壓力進行調節。根據燃氣壓力、溫度、需求流量，計算出喉口目標有效流通面積，根據目標有效流通面積計算出閥芯的命令位置。根據高精度位移傳感器的反饋，使用二級電機對位置進行實時閉環控制，從而保證流量的輸出。

PFAV是非智能閥，如圖2所示。

PFAV包括切斷閥、穩壓器、計量閥、燃氣溫度壓力傳感器。ECU基于需求壓力、燃氣壓力、溫度、出口壓力，通過H橋控制計量閥的位置，調節燃氣流量。

連續流閥在整個流量控制期間，都需要保持著音速流，這樣流量控制才不受下游壓力影響，但同時又要盡可能的降低腔內壓力，以保證流量控制的線性，有助于閉環控制。

為保證燃料計算的精確性，CFV下游設計出口擴壓腔。此擴壓腔到混合器的容積會影響瞬態補償、斷氣控制等，在中小型機上使用，影響較大，而且成本上有沒有使用噴嘴型經濟。

連續流適用壓力廣泛，尤其是CFV，可以根據出口壓力調節入口壓力，可以適用較低的壓力。因采用非接觸式針閥控制燃氣流量，連續流閥對燃氣要求不高，可以適用于較臟的氣源。連續流噴射閥一般用于8L及以上機型，因只有一個噴孔，只能適用于單點噴射系統。

2? PWM噴射閥

在汽油機噴射閥開發經驗的基礎上，通過更改材料、電器參數等，開發出燃氣PWM噴射閥，ECU輸出PWM信號控制噴射閥的打開和關閉，其驅動電流如圖3（a）所示。為提高噴射閥響應性，一般都設計有boost驅動，如圖3（b）所示。通過調整peak電流，增大T2，來增大開啟驅動力。特別是在低溫時，因摩擦力增大，可以通過調整T2、peak電流來增加驅動力，改善冷啟動性能。但運行時間需要依據各噴射閥設計情況，不能長時間調整T2、peak電流來增加冷啟動能力，否則會對噴射閥壽命產生影響。此類噴射閥以BOSCH公司的NGI2系列、NIKKI公司的Q系列等為典型代表。

因為早期燃氣噴射閥生產線與汽油機噴嘴共線生產，噴射閥流量較小，在7bar的噴射壓力下，流量在7～10kg/h之間。此類噴射閥以BOSCH公司的NGI2噴射閥為代表。為滿足重型車輛燃氣流量需求，有些需要一缸配置多個噴射閥。隨著重型燃氣車輛市場逐漸擴大，小流量、高壓力噴射閥在成本、氣耗方面的弊端，越來越凸顯，大流量、低壓力閥的需求越來越強烈。Woodward公司推出了SFG系列噴射閥，如圖4（a）所示，NIKKI公司推出了Q系列噴射閥，如圖4（b）所示，這些中流量噴嘴流量可達15kg/h左右，可以滿足中重型發動機一缸一只噴射閥需求，降低了使用成本。但燃氣需求流量大時，仍需要噴射較長時間。

PWM噴射閥，響應速度快，但要求系統濾清能力高，并且因噴射氣體，不具備自潤滑功能，運動件易粘連磨損，易出現金屬碎屑卡滯在密封面使密封面密封不嚴或者卡滯，從而導致噴射閥漏氣或者打不開。使用一段時間后需要使用清洗設備對噴嘴進行清洗。為適應市場需求，較多公司開發了專用噴嘴清洗設備。如圖5所示。

在清洗數量較少時，也可以使用簡易燃氣噴射器閥清洗裝置（如圖6），用柴油或者專用清洗液進行清洗。清洗時，將清洗泵柴油出口連接燃氣噴射器進氣口，噴射閥出口連接回柴油罐。開關連接電瓶，控制柴油泵工作，電腦聯系ECU，調整ECU進入清洗模式，控制噴射閥工作。通過柴油將雜質清洗掉。不可直接使用電瓶連接噴射閥來打開噴射閥，避免噴射閥長時間通電導致噴射閥燒毀。

因噴嘴流量較小，為滿足大負荷需求，在大負荷時，噴嘴噴射脈寬可達600°曲軸轉角，噴嘴工作出現重疊情況，而小負荷時，噴射脈寬較小，會出現較長時間的無噴射情況，在設計時需充分考慮燃氣、空氣混合問題。中小流量噴嘴只能用于單點噴射發動機。

為滿足多點發動機需求，立創公司推出了流量超100kg/h的D系列噴射閥圖7（a），可以滿足開門噴射。但噴射閥體積較大，需要較大得驅動力。平時工作時采用二階段驅動方式，其驅動方式與圖3（b）所示相同。低溫下閥的摩擦力增大，需要更大的驅動力才能開啟。為加快閥的開啟，減小開啟階段燃氣流量的不確定性，采用三段式驅動圖7（b）。此種驅動方式可在開始較短的時間內輸出大電流以加快電磁閥響應時間，保證燃料供給的及時性和穩定性。驅動電路需對VBOOST階段和VPWR進行電流控制，以防止電流過大對電磁氣閥造成損傷。

D系列電磁氣閥主要應用于純然氣和雙燃料發動機，配套多點電噴系統時，每個缸安裝一個噴射閥，可安裝在進氣歧管位置，配套單點噴射系統時，可根據需要在適當的位置安裝。電磁噴氣閥精密度高，安裝過程應保持一定的清潔度，電磁氣閥工作時要求燃氣壓力與進氣壓力應有一定的壓差，以便燃氣能夠順利噴射進進氣歧管中。

3? 結語

①連續流單價較高，對氣質清潔度要求不高，適用于低壓系統，只能用于單點發動機，考慮到性價比，適用于重型發動機;②PWM噴嘴單價低，控制精確，對氣質清潔度要求高，需要定期清洗，中低流量噴射閥適用于輕中型發動機，大流量噴射閥適用于重型發動機。在噴射閥選型時，要綜合考慮噴射閥流量和燃氣壓力，以滿足發動機使用需求。

參考文獻：

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