快速控制原型技術(shù)壓縮天然氣直噴發(fā)動機的研究分析

佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陳文波

前言

天然氣發(fā)動機主要存在兩種形式：一是由汽油機改裝成雙用燃料發(fā)動機；二是由柴油機改裝成單燃料發(fā)動機。當進氣道處要實施天然氣噴射時，將會存在諸多的問題，主要表現(xiàn)在四個方面：第一，降低了發(fā)動機充氣效率；第二，平均有效壓力出現(xiàn)降低；第三，動力性出現(xiàn)下降；第四，排放性能與原車水平保持一致。因此，必須要充分發(fā)揮天然氣能源優(yōu)勢，不斷完善稀燃技術(shù)、缸內(nèi)直接噴射技術(shù)以及電控多點順序噴射技術(shù)等新型的發(fā)動機控制技術(shù)，改善壓縮天然氣發(fā)動機的性能。

1 壓縮天然氣直噴發(fā)動機系統(tǒng)概述

1.1 高壓燃氣供給系統(tǒng)分析

當天然氣體積噴射量的能量處于相同狀態(tài)下，與汽油體積流量相比，前者大約是后者的770倍。由此可知，面對噴射時間短暫的狀況，要想在短時間內(nèi)保障噴入適量的壓縮天然氣，必須要對燃氣供給系統(tǒng)給予必要的壓力。所以，在設(shè)計燃氣供給系統(tǒng)中必須要注意保障壓縮天然氣氣體體積的及時供給。就直噴噴嘴而言，其噴射壓力要高，流量要大，同時其響應(yīng)時間也要把控在一定的范圍內(nèi)。從整體上來看，要求其整體性能要優(yōu)越。在結(jié)合汽油機直噴技術(shù)的前提下，從壓縮天然氣氣體燃料特性出發(fā)，筆者構(gòu)建了一套穩(wěn)定性能與安全性能均科學(xué)的燃料供給系統(tǒng)。

1.2 缸內(nèi)直噴噴嘴流量特點分析

在設(shè)計的過程中，必須要結(jié)合具體的噴射壓力要求，聯(lián)系流量需求，設(shè)計直噴噴嘴。當發(fā)動機處于高負荷工作狀態(tài)時，燃料噴射需求量相對較大；當發(fā)電機處于怠速工作狀況時，為了促進發(fā)動機燃料消耗的降低，其噴射量要保持在較小的范圍內(nèi)?；趯ι鲜銮樾蔚目紤]，要拓寬噴嘴流量特性工作范圍，借助發(fā)動機物理標準參數(shù)，計算噴嘴流量的實際需求范圍，需求值在33.7~1220.0mg/s之間。為了證實噴嘴的性能，筆者構(gòu)建噴嘴流量特定實驗系統(tǒng)，試驗直噴噴嘴的特性。

在特定的標定階段中，借助壓縮空氣，作為試驗載體，考慮到燃氣在壓縮沖程前期就必須要實施噴射作業(yè)，因此運用壓力容器，虛擬缸內(nèi)的背壓。在試驗測試中，其背壓取值在0.4~0.8MPa之間。應(yīng)用汽車電控系統(tǒng)快速原型開發(fā)環(huán)境系統(tǒng)，在噴嘴驅(qū)動器的控制作用下，開閉氣體噴射器，讀取流量計上的顯示值，結(jié)合單次脈沖周期變化，從而完成氣體噴射量的計算工作。試驗結(jié)果表明，就噴射器流量特性來講，背壓的取值變化對其影響相對較小。

2 壓縮天然氣直噴發(fā)動機電控系統(tǒng)

在試驗過程中，壓縮天然氣直噴發(fā)動機的電控系統(tǒng)主要是以汽車電控系統(tǒng)快速原型開發(fā)環(huán)境系統(tǒng)為關(guān)鍵標準，筆者設(shè)計了壓縮天然氣直噴發(fā)動機功能控制模塊，其開發(fā)流程主要體現(xiàn)在四個方面：第一，控制功能設(shè)計；第二，代碼自動生成；第三，軟件與硬件的在環(huán)仿真；第四，系統(tǒng)測試。就其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來看，MACS565快速原型系統(tǒng)主要有七個傳感器：一是曲軸位置傳感器，二是天然氣軌溫度壓力傳感器，三是進氣壓力傳感器，四是進氣溫度傳感器，五是冷卻液溫度傳感器，六是節(jié)氣門位置傳感器，七是凸輪軸位置傳感器。MACS565系統(tǒng)借助凸輪軸位置信號與發(fā)動機曲軸位置信號，從而截取轉(zhuǎn)速與時序，進而獲得點火提前角與基本噴射脈寬，借以冷卻液溫度、進氣溫度以及氧傳感器信號，完成脈寬修正量的計算工作。立足于節(jié)氣門位置傳感器信號角度，通過確定減速等瞬態(tài)工作狀況，控制燃料噴射量，實現(xiàn)實時密度補償目的。

3 壓縮天然氣直噴發(fā)動機實驗研究

基于轉(zhuǎn)速與負荷不同的條件下，構(gòu)建缸內(nèi)直接噴射性能實驗，運用缸內(nèi)直接噴射方式，增大發(fā)動機輸出扭矩，發(fā)動機輸出動力性能得到進一步的上升。具體而言，其主要原因表現(xiàn)在兩個方面：第一，燃料沒有進入氣道，一定程度上提高了發(fā)動機充氣效率；第二，在壓縮沖程早期，燃料噴射成功進入氣缸，空氣進氣量得到了提高，提升了發(fā)動機的輸出動力性能。其次，運用原型機為汽油發(fā)動機，對比壓縮天然氣缸內(nèi)直噴發(fā)動機性能，在這種性能對比試驗中發(fā)現(xiàn)，當轉(zhuǎn)速處于較低狀態(tài)下，進氣道噴射天然氣功率虧損較大，而缸內(nèi)直接噴射天然氣方式的發(fā)動機功率與原汽油機水平具有一致性。

4 結(jié)束語

綜上所述，充分運用缸內(nèi)直接噴射方式，有助于提高壓縮天然氣直噴發(fā)動機的動力性能，發(fā)動機實際功率與原汽油機水平具有一致性。由此可知，要加強對壓縮天然氣直噴發(fā)動機排放特性的研究，構(gòu)建壓縮天然氣直噴發(fā)動機排放模型，進一步驗證缸內(nèi)直接噴射方式的可靠性以及有效性。

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