煤層氣的發(fā)動(dòng)機(jī)控制方案設(shè)計(jì)及性能仿真

趙 潔

（山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，晉中 030619）

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煤層氣的發(fā)動(dòng)機(jī)控制方案設(shè)計(jì)及性能仿真

趙 潔

（山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，晉中 030619）

摘 要：本文在研究現(xiàn)階段代用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的種類(lèi)及各類(lèi)燃料的物理化學(xué)性質(zhì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響的基礎(chǔ)上，探析我國(guó)發(fā)展煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)的可行性，提出了煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)的控制設(shè)計(jì)方案，主要包括空氣和燃?xì)饣旌夏Ｐ?、用于控制空燃比的控制閥模型、進(jìn)氣增壓系統(tǒng)模型和增壓中冷技術(shù)模型。

關(guān)鍵詞：煤層氣 增壓 控制

引言

近幾年來(lái)，中國(guó)的汽車(chē)工業(yè)發(fā)生了翻天覆地的變化。汽車(chē)產(chǎn)量和保有量急劇增長(zhǎng)，城市機(jī)動(dòng)車(chē)排放污染日趨嚴(yán)重。發(fā)動(dòng)機(jī)的代用燃料應(yīng)具有可以替代或部分替代汽油或柴油機(jī)等發(fā)動(dòng)機(jī)常規(guī)燃料的作用，以緩解能源緊張的局面。

煤層氣的開(kāi)發(fā)和使用對(duì)于充分利用能源，優(yōu)化國(guó)內(nèi)的能源結(jié)構(gòu)，減少煤礦瓦斯事故，改善環(huán)境具有重大意義。近年來(lái)，煤層氣已列入我國(guó)能源發(fā)展計(jì)劃。煤層氣作為一種新型清潔能源，燃燒時(shí)熱值較高，不產(chǎn)生煙塵和硫化物氣體，可以作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的代用品。因此，研制燃用煤層氣將會(huì)有很廣的應(yīng)用前景［1］。

1 煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)的建模

工作中的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)是一種非常復(fù)雜的非線性系統(tǒng)。它的空氣動(dòng)態(tài)、燃料動(dòng)態(tài)、排氣系統(tǒng)動(dòng)態(tài)和傳感器動(dòng)態(tài)等各種動(dòng)態(tài)參數(shù)，隨著工況或者環(huán)境不斷變化。因此，對(duì)物理參數(shù)進(jìn)行精確的數(shù)學(xué)描述存在一定困難，更不用說(shuō)建立非線性系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型。但是，由于氣體燃料本身特有的屬性，燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)有一些因素可以不用考慮。鑒于此，結(jié)合煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)的具體特點(diǎn)，我們提出建立一個(gè)預(yù)混合式煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真模型。完整的系統(tǒng)子模型包括控制閥模型、空氣與燃?xì)饣旌夏Ｐ?、?jié)氣門(mén)處混合氣流量模型、進(jìn)氣歧管模型、混合氣充量系數(shù)模型、曲軸動(dòng)力學(xué)模型、過(guò)量空氣系數(shù)模型等。本文主要對(duì)空氣燃?xì)饣旌夏Ｐ?、增壓中冷模型等主要進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，并對(duì)增壓比、點(diǎn)火提前角及空燃比進(jìn)行簡(jiǎn)單優(yōu)選。

1.1 空氣和燃?xì)饣旌夏Ｐ?/p>

由于煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣情況不太穩(wěn)定，而進(jìn)氣比例容易受控制，所以對(duì)此系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)混合器十分必要。將空氣和燃?xì)獍凑找欢ū壤旌?，形成一定濃度的可燃混合氣，同時(shí)要求根據(jù)工作狀態(tài)時(shí)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的不斷變化，增減混合氣的進(jìn)入量，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下都能良好工作，這就是混合器的作用。

煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)采用固定喉管式文丘里混合器，如圖1所示。空氣經(jīng)由空氣通道從混合器的上方進(jìn)氣口進(jìn)入混合器，而來(lái)自燃?xì)馔ǖ赖臍怏w燃料從混合器的前方進(jìn)氣口進(jìn)入混合器?；旌掀鞯暮砉芩闹馨惭b有燃?xì)馔ǖ赖男】祝】壮是邢蚍植?，使燃?xì)膺M(jìn)入混合器形成環(huán)狀氣流，確?？諝夂腿?xì)饨?jīng)由混合器后混合均勻。

1.燃?xì)膺M(jìn)口；2.空氣進(jìn)口；3.燃?xì)?空氣混合氣出口；4.連接到步進(jìn)電機(jī)的連接桿；5.氣隙圖1 采用文丘里管的燃?xì)饣旌掀?/p>

當(dāng)空氣和燃料在混合器混合均勻后，不斷調(diào)整節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度。固定開(kāi)度下，混合氣的比例不發(fā)生變化時(shí)，空燃比被認(rèn)為是進(jìn)氣空燃比。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，空氣與燃?xì)獾馁|(zhì)量流量總和就是混合氣的質(zhì)量流量。因此，我們引用空氣和燃?xì)獾馁|(zhì)量流量方程為其建模。

圖2 空氣燃?xì)饣旌线M(jìn)氣圖

1.2 用于控制空燃比的控制閥模型

空氣和燃?xì)夥謩e經(jīng)過(guò)空氣閥及燃?xì)忾y（氣隙）進(jìn)入混合器。由于要控制空燃比，因此要知道二者的流量。要想利用閘閥控制空氣和燃?xì)獾牧髁?，?yīng)知道通過(guò)閥門(mén)的流量與閥門(mén)開(kāi)度之間的關(guān)系。那么，在兩個(gè)閥門(mén)的控制中使用電控控制器，就如同加了一個(gè)電子控制單元，而實(shí)際空燃比的計(jì)算可用閥門(mén)后的瞬時(shí)流量比得出。對(duì)空燃比的控制，可同時(shí)使用氧傳感器和甲烷傳感器輸出的反饋控制。氧傳感器根據(jù)排氣含量的檢測(cè)間接對(duì)混合氣進(jìn)行濃和稀的判斷。當(dāng)實(shí)際空燃比大于1時(shí)，調(diào)節(jié)燃?xì)忾y（可調(diào)氣隙）開(kāi)度加大，使混合氣加濃，反之加大空氣閥的開(kāi)度。通過(guò)燃?xì)忾y位置傳感器與空氣閥位置傳感器來(lái)檢測(cè)燃?xì)忾y（可調(diào)氣隙）與空氣的開(kāi)度，并使用空氣和燃?xì)饬髁總鞲衅鱽?lái)檢測(cè)通過(guò)閥門(mén)的流量，從而控制閥門(mén)開(kāi)度調(diào)節(jié)空燃比。氣門(mén)開(kāi)度的檢測(cè)，可以應(yīng)用氣門(mén)調(diào)節(jié)器來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，表1、表2為WXD3-13-2W閥位置傳感檢測(cè)器的參數(shù)值［3］。

表1 空氣閥開(kāi)度與檢測(cè)電阻數(shù)據(jù)

根據(jù)表1、表2數(shù)據(jù)可得到對(duì)應(yīng)的一次函數(shù)關(guān)系：

這樣，通過(guò)簡(jiǎn)單的電控設(shè)計(jì)，結(jié)合氧傳感器和燃?xì)猓淄椋﹤鞲衅鳎憧梢詫?duì)燃?xì)饪諝膺M(jìn)氣量進(jìn)行檢測(cè)和控制。1.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

步進(jìn)電機(jī)是一種完成增量運(yùn)動(dòng)的電磁機(jī)械，是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件。本文中使用BYGH3002二相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)燃?xì)忾y（進(jìn)氣氣隙）和空氣閥開(kāi)度，其相關(guān)參數(shù)如表3所示。

對(duì)其進(jìn)行SIMULINK建模，如圖3所示。

圖3 步進(jìn)電機(jī)SIUMLINK圖

1.4 點(diǎn)火提前角的選擇

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算模型［5］

C1～C16為氣缸，MP1～MP16為測(cè)量點(diǎn)，J1～J16為管路連接點(diǎn)，1～57為管路，CO1為中冷器，CL1為空氣濾清器，TC1、TC2為廢氣渦輪增壓器，SB1、SB2、SB3為環(huán)境邊界，PL1、PL2為進(jìn)氣總管。

表2 燃?xì)忾y門(mén)（氣隙）開(kāi)度與檢測(cè)電阻數(shù)據(jù)

表3 BYGH3002二相步進(jìn)電機(jī)技術(shù)參數(shù)

采用圖4的發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算模型，輸入發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行模擬仿真。圖5、圖6為煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)在1500r/min時(shí)，不同點(diǎn)火提前角條件下的發(fā)動(dòng)機(jī)性能變化規(guī)律。

模擬結(jié)果表明點(diǎn)火提前角對(duì)功率和燃料消耗率的變化影響，可以得出該工況存在最佳點(diǎn)火提前角。

當(dāng)點(diǎn)火提前角增大的時(shí)候，主燃期離上止點(diǎn)更近一些；燃燒結(jié)束的時(shí)候，氣缸容積逐漸變小，導(dǎo)致最高燃燒壓力逐步升高，功率逐步增加，同時(shí)燃?xì)庋杆倥蛎?，排氣管的后燃減少，降低排溫，散熱損失同時(shí)減小，最終使燃料消耗逐漸降低。

圖5 點(diǎn)火提前角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率和油耗的影響關(guān)系

圖6 點(diǎn)火提前角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)最大爆發(fā)壓力和最高燃燒溫度的影響關(guān)系

當(dāng)點(diǎn)火提前角越過(guò)最佳點(diǎn)后，引起混合氣早燃的后果，缸內(nèi)的最高爆發(fā)壓力在上止點(diǎn)之前出現(xiàn)，此時(shí)的氣體壓力與活塞運(yùn)動(dòng)方向是相反的，發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率下降。點(diǎn)火過(guò)早，缸內(nèi)混合氣密度較小，火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊停紵艧崧式档?，從而效率下降，燃料消耗率上升?/p>

當(dāng)點(diǎn)火提前角減小的時(shí)候，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兟?，最高燃燒壓力點(diǎn)偏離上止點(diǎn)距離增加，引起后燃的情況，排溫也同時(shí)升高，導(dǎo)致有效功率減小，燃料消耗率變大，致使動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性受到很大影響。但是，當(dāng)點(diǎn)火提前角增大的時(shí)候，天然氣燃料火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷鶎?dǎo)致的熱效率下降的情況得到改善，從而極大改善發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的燃燒過(guò)程，同時(shí)功率增加，燃油消耗率變低，適當(dāng)改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性［6-7］。

結(jié)合煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)排溫、燃油油耗率，煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提前角初選為23～25°CA。

1.5 壓縮比的選擇

采用圖4的發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算模型進(jìn)行仿真。圖7、圖8為煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速1500r/min、混合氣濃度5.5%時(shí)，不同壓縮比條件下的發(fā)動(dòng)機(jī)性能變化規(guī)律。

圖7 壓縮比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗和功率的影響關(guān)系

圖8 壓縮比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)壓力升高率和排溫的影響關(guān)系

壓縮比的提高是恢復(fù)功率的有效措施。因?yàn)槊簩託獾男镣橹递^高，抗爆性好，對(duì)提高壓縮比的限制小。所以，通過(guò)提高壓縮比來(lái)改善動(dòng)力性的潛力較大。

由圖7和圖8表明：

（1）當(dāng)壓縮比提高的時(shí)候，煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)的最高燃燒壓力和有效功率逐步上升，可以表明壓縮比的提高對(duì)改善燃燒是有益的。同時(shí)，當(dāng)壓縮比提高的時(shí)候，發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)熱效率逐步變大。

（2）當(dāng)壓縮比提高的時(shí)候，煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率逐步變大，有效燃?xì)庀穆蕼p少。說(shuō)明提高壓縮比可以改善煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性，同時(shí)提高經(jīng)濟(jì)性。

（3）當(dāng)壓縮比提高的時(shí)候，煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)的排溫降低，且降幅比較大。

綜上，最高燃燒壓力越大，排溫越低。這是因?yàn)殡S著壓縮比提高，發(fā)動(dòng)機(jī)的膨脹比也會(huì)提高，循環(huán)的溫度階梯也隨之?dāng)U大，導(dǎo)致最高循環(huán)壓力急劇升高，且熱能轉(zhuǎn)化成有效功增加，此時(shí)排氣溫度大大降低。壓縮比的提高不僅可以改善發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷，而且可以降低排氣門(mén)及閥座處的溫度，這正是煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作不可缺少的。這是因?yàn)槊簩託鈱儆跉怏w燃料，沒(méi)有汽化吸熱潤(rùn)滑的作用，排氣門(mén)與閥座之間出現(xiàn)嚴(yán)重的摩擦熱負(fù)荷情況。如果最高燃燒壓力過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致燃燒室器件熱負(fù)荷增大，同時(shí)引起爆燃現(xiàn)象。所以，需要考察其壓力升高率［8-9］。

提高壓縮比可使功率恢復(fù)到一定水平。事實(shí)上，壓縮比的大小應(yīng)與燃料成分、點(diǎn)火方式、火花塞布置和氣缸直徑等相匹配。這里，本文只對(duì)壓縮比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率恢復(fù)做了闡述。

2 結(jié)論

本文在了解和熟悉國(guó)內(nèi)外代用燃料發(fā)動(dòng)

機(jī)的基礎(chǔ)上，針對(duì)我國(guó)的實(shí)際情況進(jìn)行了煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)研究。在原有的396煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)模型的基礎(chǔ)上，提出了燃?xì)?空氣混合模型、空燃比控制模型增壓中冷模型，分析了點(diǎn)火提前角等主要參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。分析結(jié)果表明，這不但可以提高研發(fā)煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，也可以優(yōu)化匹配發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)參數(shù)，同時(shí)極大改善發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，并且對(duì)該煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)的性能進(jìn)行了很好的預(yù)測(cè)。此外，對(duì)396發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比、增壓比、點(diǎn)火提前角等進(jìn)行了優(yōu)選和確定［10］。

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Design and Performance Simulation of Engine Control Scheme for Coal Bed Gas

ZHAO Jie
（Shanxi Traffic Vocational and Technical College， Jinzhong 030619）

Abstract:Based on the present research on alternative fuels and various kinds of engine fuel chem ical and physical properties of engine performance， on the basis of the influence， and puts forward the feasibility of coal bed methane engine development in our country. The design scheme of the engine CBM as: the air and gas mixture model， used to control the air-fuel ratio of valves， air pressurization system model， turbocharged technology， ignition system and ignition timing model， the compression ratio and CBM engine theoretical calculation of air-fuel ratio.

Key words:coal-bed methane，Pressurization，control