空氣預(yù)熱燃燒系統(tǒng)空燃比閉環(huán)控制及其實(shí)驗(yàn)研究

同濟(jì)大學(xué) 齊亞騰 馮 良 林立春 胡 標(biāo) 鄧鈺才

0 概述

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)在能源利用方面利用率低、排污高的問題日益凸現(xiàn)，不僅使環(huán)境日益惡化，更影響到經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。在當(dāng)今社會(huì)，節(jié)能環(huán)保成為我國(guó)繼煤炭、電力、石油和天然氣之后的“第五能源”。從我國(guó)2007～2014年天然氣產(chǎn)銷情況可以看出，考慮到天然氣需求量正逐年增大，但同時(shí)存在天然氣燃燒利用率低、污染物排放量高的能源利用現(xiàn)狀，因此燃?xì)馊紵I(lǐng)域存在巨大的節(jié)能環(huán)保潛力。預(yù)熱助燃空氣是余熱利用最直接的節(jié)能措施，其節(jié)能優(yōu)勢(shì)突出，但存在冷熱態(tài)空燃比漂移等控制難點(diǎn)，因此，實(shí)現(xiàn)空氣預(yù)熱燃燒系統(tǒng)節(jié)能減排的關(guān)鍵技術(shù)是空燃比精確控制。

空氣預(yù)熱燃燒系統(tǒng)的空燃比控制國(guó)內(nèi)外研究較少、研究水平不高、控制產(chǎn)品有限，本文在燃?xì)馄嚳杖急乳]環(huán)反饋控制系統(tǒng)的研究基礎(chǔ)上進(jìn)行分析，成功將其改裝到空氣預(yù)熱燃燒系統(tǒng)，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其控制的有效性。

1 預(yù)熱空氣燃燒系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)及控制難點(diǎn)

助燃空氣預(yù)熱可以有效回收煙氣中的熱量，使得熱效率明顯提高。圖1為導(dǎo)熱油爐熱效率隨助燃空氣溫度變化的曲線，從圖1中可以看出，排煙溫度為300 ℃，無空氣預(yù)熱時(shí)，熱效率僅為87%，預(yù)熱到150 ℃，效率達(dá)到92%，節(jié)能5%；排煙溫度為400 ℃，無空氣預(yù)熱時(shí)，熱效率為82%，空氣預(yù)熱到250 ℃，效率達(dá)到91%，節(jié)能9%。

圖1 導(dǎo)熱油爐熱效率隨助燃空氣溫度變化曲線

空氣預(yù)熱燃燒系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)勢(shì)突出，但在采用空氣預(yù)熱器對(duì)助燃空氣預(yù)熱之后，助燃空氣溫度升高會(huì)導(dǎo)致助燃空氣的密度變小，不僅增加了下游風(fēng)道的阻力，空氣的質(zhì)量流量也會(huì)隨之發(fā)生變化，空燃比發(fā)生漂移。助燃空氣溫度變化造成的空燃比漂移現(xiàn)象，對(duì)熱效率、燃燒穩(wěn)定性及污染物排放都造成不良影響。

(1)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，燃燒系統(tǒng)在熱態(tài)下調(diào)試完成，冷啟動(dòng)時(shí)就會(huì)出現(xiàn)冷空氣過剩的情況，導(dǎo)致點(diǎn)火成功率低，熱效率下降。根據(jù)蔡駿《改善帶空氣預(yù)熱器燃燒系統(tǒng)空燃比的簡(jiǎn)單方法》一文，煙氣溫度為300℃時(shí)熱效率隨助燃空氣溫度的變化，見圖2，其中虛線表示λ=1.15，穩(wěn)定不變時(shí)的情況，實(shí)線表示無溫度補(bǔ)償，λ發(fā)生偏移時(shí)的情況。一般在部分負(fù)荷或冷態(tài)下熱效率會(huì)下降2%～5%。

圖2 煙氣溫度為300 ℃時(shí)的熱效率

(2)空燃比變化也會(huì)影響到NOx等污染物的排放。以NOx為例，根據(jù)宋洪鵬等《過量空氣悉數(shù)對(duì)燃?xì)馊紵蠳Ox生成的影響》一文，過?？諝庀禂?shù)與NOx的生成關(guān)系，見圖3。

圖3 過剩空氣系數(shù)與NOx生成關(guān)系

從中可以看出，隨過?？諝庀禂?shù)的增大，NOx生成量先增大后減小。在實(shí)際運(yùn)行中，預(yù)熱空氣會(huì)導(dǎo)致理想空燃比漂移，影響NOx的排放。

2 空燃比閉環(huán)控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及控制原理

根據(jù)林祥輝等的《氧傳感器的檢測(cè)與常見故障分析》一文，可知理想的空燃比(14.7±0.147)對(duì)提高燃?xì)馄嚨钠骄行毫?、提高熱效率、改善排放特性有重要意義。通常，燃?xì)馄嚥捎们梆伩刂平Y(jié)合閉環(huán)反饋控制的方法，實(shí)現(xiàn)空燃比的控制優(yōu)化過程。閉環(huán)混合器式燃?xì)饪刂葡到y(tǒng)主要由轉(zhuǎn)換開關(guān)、模擬器、控制器、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、功率閥等部分組成，典型的系統(tǒng)示意圖見圖4，接線見圖5。其中，執(zhí)行器是可以控制循環(huán)噴氣的步進(jìn)電機(jī)功率閥，它位于混合器和減壓器之間。它與天然氣節(jié)流閥一體，由可以順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，受燃?xì)釫CU控制。

圖4 閉環(huán)燃?xì)饪刂葡到y(tǒng)示意

圖5 閉環(huán)燃?xì)饪刂葡到y(tǒng)控制器接線

燃?xì)馄嚨目杖急乳]環(huán)控制原理為:氧傳感器檢測(cè)排氣中的氧含量，并將信號(hào)反饋給電控單元ECU，ECU通過對(duì)傳感器送來的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，計(jì)算出需要的噴氣量，并將該命令信號(hào)傳遞給步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，功率閥閥芯上下移動(dòng)，從而改變節(jié)流閥的流通面積，實(shí)現(xiàn)空燃比的閉環(huán)控制。

3 車用電控單元ECU應(yīng)用于空氣預(yù)熱燃燒系統(tǒng)

3.1 空氣預(yù)熱燃燒系統(tǒng)閉環(huán)控制原理

圖6為燃燒系統(tǒng)氧傳感器反饋控制原理圖，與燃?xì)馄嚳杖急瓤刂葡到y(tǒng)類似，內(nèi)置于煙道中的氧傳感器測(cè)量煙氣中的氧含量，并將產(chǎn)生的電壓信號(hào)反饋至電控單元ECU中，從而驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(步進(jìn)機(jī))，調(diào)節(jié)燃?xì)馔返牧魍娣e，控制燃?xì)饬髁俊?/p>

圖6 燃燒系統(tǒng)氧傳感器反饋控制原理

3.2 氧傳感器輸出差異性理論分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.2.1 理論分析

汽車用氧傳感器與鍋爐等燃燒用氧傳感器的工作原理基本相同，只是測(cè)量氧氣分壓的范圍和精度不同:汽車發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，為保證三元催化轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最高，空燃比應(yīng)控制在14.7(過?？諝庀禂?shù)幾乎為1)附近很窄的范圍內(nèi)；而燃燒系統(tǒng)，為保證燃燒完全，過?？諝庀禂?shù)要求大于1，在1.1～1.5之間為宜。

理論過?？諝庀禂?shù)的差異導(dǎo)致氧傳感器輸出值在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和空氣預(yù)熱燃燒系統(tǒng)中有所不同，以氧化鋯式氧傳感器為例，如圖7所示，在接近14.7的理想空燃比狀態(tài)下，氧傳感器電壓在0～1 V間波動(dòng)。

圖7 氧化鋯式氧傳感器電壓特性

公式(1)為氧化鋯式氧傳感器的濃度差電勢(shì)能斯托公式:

式中:E——氧傳感器濃度差電勢(shì)，V；

R——?dú)怏w常數(shù)，8.314 J/(mol.k)；

T——工作溫度，K；

PO2(1)——參比空氣氧分壓值；

PO2(2)——被測(cè)煙氣氧分壓值。

在燃燒系統(tǒng)中，最佳空燃比范圍內(nèi)，氧傳感器電壓信號(hào)近似為0，即理想空燃比情況下，氧化鋯式氧傳感器存在輸出差異。

3.2.2 差異性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及改進(jìn)方法的提出

本實(shí)驗(yàn)氧傳感器采用車用二氧化鋯式氧傳感器；電控單元選用燃?xì)馄囬]環(huán)控制單元D01，其中，采用電壓信號(hào)發(fā)生器模擬0～5V線性電壓作為節(jié)氣門位置傳感器電信號(hào)，接入12V直流電壓模擬汽車燃?xì)鈺r(shí)的開關(guān)輸入。將上述實(shí)驗(yàn)裝置及其他輔助設(shè)備進(jìn)行連接搭建，形成實(shí)驗(yàn)測(cè)試臺(tái)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖如圖8所示:

圖8 氧傳感器作為反饋的燃燒系統(tǒng)閉環(huán)控制原理

差異性驗(yàn)證步驟為:

(1)調(diào)節(jié)伺服閥手動(dòng)螺絲改變空燃比，同時(shí)，測(cè)量二氧化鋯式氧傳感器電壓值、煙氣分析儀實(shí)測(cè)O2含量；

(2)根據(jù)以下公式計(jì)算過?？諝庀禂?shù)α:

根據(jù)組分濃度換算公式，將煙氣中組分濃度換算成規(guī)定的過?？諝庀禂?shù)(=1)下的組分濃度

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，只要過?？諝庀禂?shù)大于1.06，氧傳感器的電壓就會(huì)一直處于0.1 V以下，近似為0，而只有當(dāng)過?？諝庀禂?shù)幾乎為1時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)氧傳感器電壓在0～1V間的波動(dòng)。綜上，考慮到對(duì)汽車閉環(huán)控制單元D01的應(yīng)用，需對(duì)氧傳感器的電壓信號(hào)進(jìn)行仿真模擬，使放大后的電壓符合D01控制系統(tǒng)的要求，從而能夠進(jìn)行燃燒系統(tǒng)的空燃比控制。

假設(shè)煙氣中氧含量為4%，工作溫度為700℃，根據(jù)氧化鋯傳感器電壓計(jì)算公式(1)，計(jì)算得氧傳感器此時(shí)工作電壓:

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，此時(shí)過?？諝庀禂?shù)α=1.23，放大倍數(shù)為0.45/0.035=12.85。接入放大電路后，再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)氧傳感器電壓在0.332～0.588之間時(shí)，空燃比值適當(dāng)，此時(shí)，煙氣中氧含量控制對(duì)應(yīng)范圍為2.9%～6.5%。過?？諝庀禂?shù)的控制范圍為1.16～1.45。三者的對(duì)應(yīng)關(guān)系列入表1。

表1 實(shí)驗(yàn)控制范圍

3.3 電控單元D01空燃比控制有效性試驗(yàn)驗(yàn)證

測(cè)試仍然采用上述實(shí)驗(yàn)臺(tái)，以不同燃燒功率(7 kW、6 kW、5 kW)下的具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)，說明空燃比變化時(shí)，步進(jìn)機(jī)的位置變化，進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)的控制有效性。試驗(yàn)步驟為:

(1)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)占空比至設(shè)定的燃燒功率，穩(wěn)定燃燒時(shí)，測(cè)量氧傳感器電壓；

(2)調(diào)節(jié)燃?xì)獗壤y手動(dòng)螺絲使氧傳感器電壓升高(降低），并超出控制范圍上限，LovEco軟件采集步進(jìn)電機(jī)位置，測(cè)量氧傳感器相應(yīng)電壓值；

圖9和圖10為氧傳感器電壓變化時(shí)空燃比調(diào)節(jié)曲線。

圖9 燃?xì)饬髁孔冃⊙鮽鞲衅麟妷鹤兓瘯r(shí)空燃比調(diào)節(jié)曲線

圖10 燃?xì)饬髁孔兇髸r(shí)氧傳感器電壓變化時(shí)空燃比調(diào)節(jié)曲線

從圖9中的空燃比調(diào)節(jié)曲線可以看出:

(1)在不同燃燒功率下，當(dāng)調(diào)節(jié)燃?xì)獗壤y的手動(dòng)螺絲使氧傳感器電壓升高(降低)并超出控制范圍上(下)限后，電控單元判定燃?xì)?、空氣的混合氣體過濃(稀)，空燃比偏小(大)，隨后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)向下(上)運(yùn)動(dòng)，關(guān)小(開大)燃?xì)馔ǖ烂娣e，減少(增大)燃?xì)饬髁?，最終增大(減小)空燃比。

(2)不論何種燃燒功率下，只要氧化鋯式氧傳感器的反饋電壓超出范圍0.332～0.588 V，電控單元D01就會(huì)及時(shí)控制步進(jìn)電機(jī)上下動(dòng)作調(diào)節(jié)燃?xì)饬髁浚瑥亩刂瓶杖急确€(wěn)定在適當(dāng)范圍內(nèi)。

(3)理論上，在空氣預(yù)熱燃燒系統(tǒng)中，冷啟動(dòng)時(shí)，空燃比偏大，二氧化鋯式氧傳感器電壓會(huì)逐漸減小，電控單元D01就會(huì)據(jù)此發(fā)出指令，進(jìn)行空燃比控制。即，針對(duì)空氣預(yù)熱燃燒系統(tǒng)，該閉環(huán)控制系統(tǒng)有效。

4 結(jié)論

(1)車用氧傳感器和閉環(huán)控制器與鍋爐等燃燒用氧傳感器及閉環(huán)控制器的工作原理基本相同，是完全可以應(yīng)用到燃燒系統(tǒng)上的，特別是小型燃燒系統(tǒng)。燃?xì)馄嚳杖急乳]環(huán)控制在空氣預(yù)熱燃燒系統(tǒng)中的應(yīng)用具有可行性。

(2)燃?xì)馄嚭腿紵到y(tǒng)對(duì)空燃比的要求不一樣，車用空燃比閉環(huán)控制系統(tǒng)不能直接應(yīng)用于空氣預(yù)熱燃燒系統(tǒng)中，要針對(duì)系統(tǒng)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行修正。

(3)將天然氣汽車空燃比閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用于空氣預(yù)熱燃燒系統(tǒng)時(shí)，還需進(jìn)一步研究步進(jìn)電機(jī)的控制策略，并將其整合進(jìn)燃燒控制系統(tǒng)中。