多点喷射点燃式天然气发动机电控系统研究

汤正翔

摘 要：随着社会大众环境保护意识的增强以及政府出台的一系列环保政策的有效执行，越来越多的清洁能源被广泛地应用在日常的生产活动之中。天然气能源因其储量充足、市场价格便宜、排放污染较少等优点，被视为最具有发展前途的清洁能源。近年来，天然气汽车以及电子技术等领域的发展，使市场对于天然气发动机电控系统的要求不断提高，在此背景下，对天然气发动机电控系统进行更加深入的理论和实践研究显得尤为重要。本文将对多点喷射点燃式天然气发动机电控系统的整体构成和电子控制系统进行方案设计，力求设计出满足应用需求的多点喷射点燃式天然气发动机电控系统。

关键词：多点喷射；天然气发动机；电控系统

中图分类号：TK48 文献标志码：A

天然气供电系统经过几十年的研究发展，相关技术得到了很大程度的完善，车用天然气的供给系统发展经历了从机械控制式混合器供气系统到电子控制式混合器供气系统，最后发展为电控天然气喷射系统，而电控天然气喷射系统中多点喷射也是一种较为先进的混合气控方式。

1 天然气发动机采用多点喷射的必要性

天然气发动机的喷射方式有单点喷射与多点喷射之分，多点喷射和单点喷射相对应，又被称为多气门喷射或者顺序燃油喷射。此喷射方式的运行特点为：每个气缸都会放置一个喷油器，各自向自己所对应的气缸进气道进行喷油，它是现阶段应用较为广泛的一种喷射系统。

多点喷射方式又可以细致的划分为：同时喷射、分组喷射以及顺序喷射等类别。比如多点顺序喷射方式作为现阶段研制出的最先进的混合气控制方式，在运行的过程中能够通过对每一个气缸进行定时定量的供气，进而降低因为气门重叠而产生的天然气，避免了直接溢出导致HC排放量加大和燃气资源浪费问题，而且在发动机运行的过程中也可以通过分析发动机的转速以及负荷对空燃比来进行更加精准的管控。

多点喷射系统在使用的过程中，不仅具有燃烧效率高，同排量能释放出更大的动力等优点，而且多点喷射系统能够使用顺序喷射，这种喷射方法中空燃比的控制更加精准，因此在运行过程中排放更好，更加地经济高效。总而言之，多点喷射在使用过程中，保养会更加的经济、技术也会相对比较成熟。

2 多点喷射点燃式天然气发动机电控系统的整体方案设计

2.1 整体构成

天然气发动机的整体构成主要包括机体以及气缸盖组件、曲柄连杆机构、配气机构以及进排气系统、燃气供给系统（其以天然气稳压装置、调压阀、燃气滤清器、燃气控制阀以及电磁阀、混合器等一系列部件组成）、点火装置、调速控制系统、润滑系统等。笔者通过对汽油机发动机进行相关的改造，将燃料供给系统进行单燃料设计，改造出新的燃料供给系统。改造好的新天然气供给系统的组成部分有：气瓶、喷嘴、滤清器、减压阀、压力表、电磁阀，此燃气供给系统将压力20MPa的压缩天然气降低为0.1MPa左右的低压系统。设计的电控喷射系统的压缩天然气经过两级调压器减压后，通过喷嘴喷入相对应的进气道，并与空气混合进入气缸，而节气门位置、进气压力等传感器则将现有发动机的工作信号传输至ECU，同时ECU会依据发动机的工作情况，控制燃气喷射时序以及喷射脉宽，完成发动机电控喷射过程。

2.2 电子控制系统

天然气发动机电控系统的整体构成包括硬件和软件两个部分。

电控系统的硬件电路的构成有：中央处理模块、电源模块、信号采集模块、输出驱动模块，硬件电路的总体结构如图1所示，其中曲轴位置信号处理电路是60-2齿磁电式传感器，它的输出是正弦信号，需要波滤、整形为0-5V的方波信号，再送入ECU，在此结构中，波滤、整形电路由LM324电压比较器等元器件构成，同时电路中电容、电阻会使两个输入端保持平衡以及低通滤波。对于喷嘴驱动的电路进行设计时，采用L298N芯片作为驱动电路，L298N芯片由15个引脚组成，笔者在设计时，选取4个输入引脚来接入MC9SX128单片机的4个PP口，再将4个输出引脚分别接4个喷嘴。因为单片机内有线圈会导致喷嘴电磁阀在通电以及断电时造成反电动势，所以在此可增加二极管对L298N芯片进行相应的保护。

电控系统的软件由控制程序以及数据两个组成部分构成。主控程序任务是由于整个系统初始化、实现系统的工作时序、控制模式来设定的，常用工况以及其他各工况模式下喷油信号以及点火信号输出程序。为了实现发动机各种工况以及运行条件下最佳的综合性能，电子控制系统必须以最佳的相应控制参数控制发动机在最佳运行状况下运转，这些控制参数的最佳数据预先全部存储在微型计算机只读存储器之中。

3 试验建模与仿真调试

本文将采用AMESim仿真软件对喷嘴开展物理模型构建，利用此仿真软件构建出来的喷嘴包括电磁线圈、顶杆、弹簧、针阀、针阀体等部分。其运行原理为：天然气通过减压阀进入喷嘴之后，然后等到电控单元发出喷射信号并且电磁线圈通上电之后，就会生成电磁作用力，这时需要使用衔铁把针阀吸起来，让天然气通过轴针头部环形间隙，然后喷进进气道之内。为了确保构建的控制模型拥有相对较为优良的模块化、层次化结构，所构建的控制模型可以划分为PWM驱动模型、空燃比控制模型、工况判断模型等。发动机工况根据其自身运行特点分为启动、怠速、稳态部分负荷、瞬态还有大负荷工况，因为发动机工况中大负荷工况不是主要工况，因此我们对于前4种工况进行建模分析，最后我们通过之前构建的喷嘴模型、PWM驱动模型以及工况判断模型构成一个完整的控制器。

在将AMESim仿真软件构建的模型转化成在Simulink环境中运行的S-Function模块的过程中，首先需要对联合仿真环境进行相关的数据设置，通过设置相关的仿真条件，可以得出如下的数据结果：若转速为2500r/min，进气压为0.5bar时，喷嘴针阀的最大升程为0.35mm，这个数值和其他的喷嘴针阀升程相比是比较合理的，若转速为2500r/min，进气压为0.5bar的时候，喷射时间为10.9ms，这个数值和理论设计的模型所计算出的数值也是较为一致的，因此充分说明所设计的控制器是可以满足要求的。

结语

本文通过对多点喷射点燃式天然气发动机电控系统进行整体结构和电子控制系统的设计与分析，最终完成对其的实验建模以及仿真调试，希望此项研究能够为提高天然气发动机在天然气汽车和电子技术等领域的应用成效做出一定的贡献。

参考文献

[1]葛文慶.一种大功率气体燃料发动机电控喷射装置的研究[D].南京：南京理工大学，2012.

[2]周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，2005.endprint