防止火花塞結冰策略的研究與應用

朱耀文，徐士, 張騰，史小平，朱名欣，史祥東

1.內燃機可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊 261061；2.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

天然氣重卡與傳統燃油卡車相比，污染物排放明顯降低；與純電動卡車相比，成本更低、技術更成熟。推廣天然氣汽車可以更好地保護環境，緩解能源壓力[1]。我國新疆、內蒙、四川等地區天然氣資源相對豐富[2-3]，天然氣汽車普及較廣。但是我國新疆、內蒙古、遼寧等北方地區冬季氣溫經常低于-20 ℃，導致天然氣汽車停車一段時間后再次起動困難[4]，因此有必要對該問題進行分析研究。

1 問題分析

1.1 問題描述

根據某公司天然氣重卡市場反饋，當天然氣重卡起動時，起動機正常工作，但發動機無法起動。對車輛初步檢查，儀表無故障碼，表明起動時電控信息交互沒有問題，燃氣壓力及電瓶電壓均正常，且車輛停車前各項狀態也都正常[5-7]。對車輛進行拆檢，發現火花塞電極附近大量結冰，如圖1所示，并且不同氣缸內的火花塞結冰狀況不一致，當活塞處于下止點時，火花塞結冰最為嚴重。火花塞經加熱除冰重新安裝到車輛后，發動機起動成功。

圖1 火花塞電極處結冰

通過調查發現，不同類型的火花塞以及其他公司的天然氣汽車也普遍存在該問題，由此可見，停車后，燃燒室內的水蒸氣在低溫環境下冷凝成水，繼而在火花塞電極處積聚結冰，造成車輛再次起動困難是天然氣發動機的一個共性問題。

1.2 火花塞點火機理

火花塞的主要作用是在發動機電子控制單元(electronic control unit，ECU)控制下，把點火線圈產生的高壓電引入發動機氣缸，在火花塞電極的間隙之間產生電火花點燃混合氣，從而推動活塞運動，使發動機正常運轉。火花塞的結構如圖2所示，其中側電極與中心電極在火花塞軸向上的距離即為火花塞間隙[8]。火花塞的點火過程分為4個階段：1)點火線圈在火花塞電極兩端產生高壓電，高壓擊穿電極間的介質產生電火花；2)電弧高溫加熱混合氣后產生火焰核；3)火焰核變大(火花塞電極結構會影響這個過程，從而影響火花塞點火性能)；4)火焰核溫度上升至混合氣燃點時混合氣被點燃[9]。

圖2 火花塞結構

2 火花塞結冰原因及試驗驗證

2.1 火花塞結冰原因

天然氣發動機缸內水蒸氣的主要來源有空氣中的水蒸氣、天然氣中的水蒸氣、天然氣燃燒生成的水蒸氣[10]。天然氣的主要成分是甲烷，在發動機缸內燃燒時產生大量的水蒸氣，是水蒸氣的主要來源。當發動機停止運行后，若活塞處于下止點并且處于排氣行程開始時刻，缸內容積最大，水蒸氣較多，冷卻后易于形成液態水。

天然氣發動機在寒區運行時，發動機氣缸內存有大量的水蒸氣，極易吸附聚集在火花塞電極處液化結冰，所以環境溫度直接影響火花塞電極處是否結冰。發動機停機時活塞位置是隨機變化的，具有不可控的特點。

因此天然氣發動機在寒區運行時，停機前應將燃燒后的廢氣盡可能排出，減少缸內的水蒸氣，可降低火花塞結冰的風險。

2.2 試驗方案及結果

選擇相同型號的3輛汽車進行試驗，驗證車輛停機前排出燃燒廢氣對防止火花塞結冰的效果。試驗方案及結果如表1所示，試驗環境溫度為-20 ℃。

表1 試驗方案及結果

由表1可知：怠速工況，天然氣噴射量減少，燃燒產生的水蒸氣減少；怠速運轉超過10 min，發動機缸內及火花塞溫度逐步降低，同時將缸內溫度較高的廢氣排出，不利于水蒸氣液化形成水滴。因此天然氣發動機在寒區運行時，在停機前怠速運行10 min或者更長時間可有效減少缸內燃燒產生的水蒸氣，避免火花塞結冰。

根據試驗結果，天然氣發動機在寒區運行時，發動機在停機前有必要怠速運行一段時間，然后關閉天然氣氣瓶閥門，使發動機因缺少燃料自行熄火，熄火后重新轉動鑰匙，起動機拖動發動機運轉15 s。采取上述措施后，火花塞處結冰現象減少，車輛可正常起動，市場反饋效果良好。

但是冬季極寒環境中，駕駛員需要在車輛每次起動時開啟天然氣氣瓶閥門，停車時關閉閥門，增大了閥門漏氣的風險，同時起動機拖動發動機運轉時間過長容易導致起動機燒壞。為簡化駕駛員操作和降低氣瓶閥門、起動機的故障率，有必要開發發動機控制策略，自動排空氣缸內高溫水蒸氣。

3 自動排氣控制策略

3.1 邏輯策略

以某天然氣發動機為研究對象，研究其控制策略，在發動機控制系統中增加冬季寒區怠速排氣功能，自動排空氣缸內的高溫水蒸氣。

天然氣發動機自動排氣控制策略流程圖如圖3所示。

圖3 自動排氣控制策略流程圖

安全判定條件包括：1)油門踏板開度為0；2)車速為0；3)發動機轉速低于700 r/min；4)鑰匙開關狀態為“on”；5)遠程油門為關閉狀態；6)空擋狀態或離合斷開狀態至少滿足一個；7)無故障動作。

t1、t2、t3、t4及判定條件均為可標定量[11]。其中，t1、t2、t3、t4可借助在寒區或冷艙環境下的試驗，綜合考慮試驗過程中排氣效果及對起動機的壽命影響，多次修改數值，以達到最佳匹配效果。安全條件判定，應優先保證車輛處于安全狀態，如：不允許車輛行走，車速應當標定為0，為保證起動機只拖動發動機運轉，動力傳遞系統必須切斷，因此車輛處于空擋或離合，至少滿足其一。

3.2 軟件功能

基于前述電控邏輯，開發軟件對應功能，如功能開關、指示燈屬性設置，功能使能激活安全門檻條件(油門踏板開度、車速、發動機轉速、鑰匙開關位置狀態、空擋或離合位置狀態等)設置，起動機工作與間歇時間設置，以及發動機轉速、天然氣壓力、油門踏板開度、車速信號的實時狀態數值顯示。司機停車前，只需在駕駛室內按一下冬季怠速停機排氣開關按鈕，即可一鍵自動排出氣缸內高溫水蒸氣。

3.3 應用測試

完成電控邏輯與軟件開發標定后，在車輛上試驗驗證怠速停機自動排氣控制策略的防結冰效果，實測車輛自動排氣相關參數狀態變化曲線如圖4所示。

圖4 車輛自動排氣實測相關參數狀態變化曲線

車輛停車處于駐車怠速狀態時，發動機運行一段時間后，打開冬季怠速停機排氣開關，排氣指示燈閃爍(圖5中細密豎線區域)，怠速運行時間t1后，程序自動控制燃氣切斷閥斷電關閉，發動機因缺少燃料而熄火，發動機轉速逐漸變為0。因發動機繼續運行的時間t小于軟件標定的時間t2，則間隔時間t3后，起動機第1次拖動發動機旋轉運行時間t4，按照程序設定，再次間隔t3后，起動機第2次拖動發動機旋轉運行時間t4，完成高溫蒸氣排氣動作，此動作共執行2次，之后關閉怠速停機排氣開關。

車輛ECU刷寫上述改進的新程序后，停車前打開冬季怠速停機排氣開關，使車輛按照程序控制，可自動將燃燒室內殘留高溫氣體排出。根據市場反饋結果，該方法可解決冬季火花塞結冰導致的起動難問題，而且簡化了司機的操作，一定程度上也保證了相關零部件的可靠性。

4 結語

分析冬季由于火花塞結冰導致發動機難以起動的原因，提出停機時排空氣缸內殘留水蒸氣的解決方案，同時為了提升操作實用性，設計天然氣發動機停機怠速自動排氣控制策略，開發軟件相應功能，由人為操作改為一鍵自動操作，經實際應用測試，火花塞結冰故障率降低明顯。天然氣車輛在我國廣泛使用，區域性氣候差異巨大，本文中的解決措施可為今后快速排除此類故障提供參考。