防止天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)拉缸的方法

文/武迎迎 曹石 李苑瑋 趙國(guó)強(qiáng)

拉缸是發(fā)動(dòng)機(jī)的一種重大故障，多見于發(fā)動(dòng)機(jī)的磨合期，在成熟產(chǎn)品的運(yùn)行中若使用不當(dāng)也會(huì)發(fā)生。輕微拉缸時(shí)，氣缸套、活塞組件受損，嚴(yán)重的情況下會(huì)造成粘缸等惡性發(fā)動(dòng)機(jī)損壞事故。本文主要研究了發(fā)動(dòng)機(jī)特性與拉缸故障的相關(guān)性，由此提出了一種減少發(fā)動(dòng)機(jī)拉缸故障的方法。

1 拉缸故障機(jī)理

圖1：發(fā)動(dòng)機(jī)拉缸

活塞式內(nèi)燃機(jī)將燃料和空氣混合，在其氣缸內(nèi)燃燒，釋放出的熱能使氣缸內(nèi)產(chǎn)生高溫高壓的燃?xì)狻Ｈ細(xì)馀蛎浲苿?dòng)活塞做功，再通過曲軸連桿機(jī)構(gòu)或其他機(jī)構(gòu)將機(jī)械功輸出，驅(qū)動(dòng)從動(dòng)機(jī)械工作?；钊Q之為發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟，承受交變的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷，是發(fā)動(dòng)機(jī)中工作條件最惡劣的關(guān)鍵部件之一。

拉缸是指氣缸內(nèi)壁油膜損壞，潤(rùn)滑不良，在活塞和活塞環(huán)的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯的縱向機(jī)械劃痕和刮傷，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生粘連性磨損。發(fā)生拉缸后活塞、活塞環(huán)與氣缸壁摩擦?xí)r喪失密封性，從而導(dǎo)致氣缸壓縮壓力降低，動(dòng)力性喪失，可燃混合氣下竄使曲軸箱壓力增大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起曲軸箱爆炸、機(jī)油上竄到氣缸內(nèi)引起燒機(jī)油現(xiàn)象、發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲異常，發(fā)動(dòng)機(jī)不能正常工作甚至熄火，無法正常啟動(dòng)。

圖2：進(jìn)氣溫度-限值扭矩曲線

拉缸作為發(fā)動(dòng)機(jī)常見故障之一，其產(chǎn)生的常見原因除了發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、氣缸等零部件因裝配不合適或者長(zhǎng)時(shí)間使用導(dǎo)致?lián)p壞變形外，進(jìn)氣溫度、冷卻液溫度、機(jī)油溫度過高以及機(jī)油量過低等外界因素也是產(chǎn)生拉缸的主要原因，特別是對(duì)于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)來說，其燃燒溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)溫度、排氣溫度都比柴油機(jī)高，對(duì)溫度更加敏感，即使在低負(fù)荷下如果溫度過高同樣會(huì)發(fā)生拉缸等問題。發(fā)動(dòng)機(jī)拉缸如圖1所示。

圖3：程序控制流程圖

圖4：疊加判斷

2 防止拉缸方法

為防止和降低發(fā)動(dòng)機(jī)拉缸的故障，在發(fā)動(dòng)機(jī)ECU中會(huì)增加一些保護(hù)策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的保護(hù)。例如，當(dāng)進(jìn)氣溫度、水溫等參數(shù)過高時(shí)，ECU會(huì)根據(jù)溫度值的不同輸出不同的限制扭矩，將發(fā)動(dòng)機(jī)的需求扭矩減小，從而減小發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。該方法可以在一定程度上控制進(jìn)氣溫度、水溫等參數(shù)，但由于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)存在氣路的延遲，特別是對(duì)于單點(diǎn)噴射的發(fā)動(dòng)機(jī)來說，從噴氣到缸內(nèi)燃燒還有很長(zhǎng)的一部分管路，且天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)溫度較敏感，即使在低負(fù)荷時(shí)，如果溫度過高同樣會(huì)發(fā)生拉缸，所以僅限制發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩很難及時(shí)有效的控制上述參數(shù)的變化。在檢測(cè)到進(jìn)氣溫度、水溫等參數(shù)急劇變化時(shí)，應(yīng)立即采取有效措施限制發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)工作直至停機(jī)?；谠撔枨螅疚奶岢隽艘环N防止天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)拉缸的方法，以進(jìn)氣溫度為例介紹一下詳細(xì)的控制方法。

步驟1：ECU根據(jù)獲取的傳感器電壓信號(hào)及內(nèi)部診斷邏輯來判斷安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門后的進(jìn)氣溫度傳感器是否正常，當(dāng)傳感器正常時(shí)根據(jù)采集的電壓值獲取發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣溫度；當(dāng)傳感器故障時(shí)，進(jìn)氣溫度取一個(gè)合理的替代值，并報(bào)出進(jìn)氣溫度傳感器故障及時(shí)通知駕駛?cè)藛T維修。

步驟2：ECU獲取進(jìn)氣溫度后，根據(jù)進(jìn)氣溫度的數(shù)值查詢事先標(biāo)定好的進(jìn)氣溫度-限制扭矩曲線（圖2）以獲得當(dāng)前進(jìn)氣溫度下的限制扭矩。當(dāng)進(jìn)氣溫度在合理范圍內(nèi)時(shí)限制扭矩?cái)?shù)值很大并不對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的需求扭矩進(jìn)行限制，隨著進(jìn)氣溫度的增加，逐漸減小進(jìn)氣溫度-限制扭矩曲線內(nèi)的限制扭矩以此來限制發(fā)動(dòng)機(jī)需求扭矩。

步驟3：計(jì)算進(jìn)氣溫度在一定時(shí)間內(nèi)的變化率，并判斷是否滿足進(jìn)氣溫度值大于閥值1且溫度變化率大于閥值2，如果滿足則將噴射加電時(shí)間及點(diǎn)火加電時(shí)間置0或者直接將點(diǎn)火線圈及噴射閥的驅(qū)動(dòng)禁止，如果不滿足則執(zhí)行步驟1。

其詳細(xì)程序控制流程圖如圖3所示。

除進(jìn)氣溫度外，發(fā)動(dòng)機(jī)排溫、水溫、機(jī)油溫度、機(jī)油壓力等參數(shù)均基于上述策略做開發(fā)，上述幾種輸入做狀態(tài)的疊加判斷，有任何一個(gè)出現(xiàn)報(bào)警即會(huì)觸發(fā)降級(jí)甚至禁止點(diǎn)火，進(jìn)而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的保護(hù)，最大限度降低發(fā)動(dòng)機(jī)拉缸的可能性。具體實(shí)現(xiàn)方式見圖4。

3 控制方法驗(yàn)證

該方法在燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)中已集成實(shí)現(xiàn)，并在發(fā)動(dòng)機(jī)上完成驗(yàn)證。目前已經(jīng)累計(jì)驗(yàn)證超過25700h，無拉缸故障，驗(yàn)證期間報(bào)出1次進(jìn)氣溫度傳感器故障，2次水溫傳感器故障。試驗(yàn)證明，該方法切實(shí)有效，可一定程度避免拉缸問題發(fā)生，降低發(fā)動(dòng)機(jī)重大故障率。

4 結(jié)束語

本論文通過充分考慮了天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，在進(jìn)氣溫度、水溫及機(jī)油液位漸變到異常情況時(shí)，逐漸限制發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，當(dāng)限制扭矩后仍然無法有效控制上述參數(shù)后，直接切斷點(diǎn)火及噴射，防止發(fā)動(dòng)機(jī)拉缸。

該控制方法有效的解決了當(dāng)中冷器、節(jié)氣門器堵塞、風(fēng)扇故障、機(jī)油滲漏等突發(fā)問題發(fā)生時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣溫度，水溫以及潤(rùn)滑情況在短時(shí)間發(fā)生異常造成發(fā)動(dòng)機(jī)拉缸及損壞的情況。