防止天然气发动机拉缸的方法

文/武迎迎 曹石 李苑玮 赵国强

拉缸是发动机的一种重大故障，多见于发动机的磨合期，在成熟产品的运行中若使用不当也会发生。轻微拉缸时，气缸套、活塞组件受损，严重的情况下会造成粘缸等恶性发动机损坏事故。本文主要研究了发动机特性与拉缸故障的相关性，由此提出了一种减少发动机拉缸故障的方法。

1 拉缸故障机理

图1：发动机拉缸

活塞式内燃机将燃料和空气混合，在其气缸内燃烧，释放出的热能使气缸内产生高温高压的燃气。燃气膨胀推动活塞做功，再通过曲轴连杆机构或其他机构将机械功输出，驱动从动机械工作。活塞称之为发动机的心脏，承受交变的机械负荷和热负荷，是发动机中工作条件最恶劣的关键部件之一。

拉缸是指气缸内壁油膜损坏，润滑不良，在活塞和活塞环的运动范围内出现明显的纵向机械划痕和刮伤，严重时发生粘连性磨损。发生拉缸后活塞、活塞环与气缸壁摩擦时丧失密封性，从而导致气缸压缩压力降低，动力性丧失，可燃混合气下窜使曲轴箱压力增大，严重时会引起曲轴箱爆炸、机油上窜到气缸内引起烧机油现象、发动机噪声异常，发动机不能正常工作甚至熄火，无法正常启动。

图2：进气温度-限值扭矩曲线

拉缸作为发动机常见故障之一，其产生的常见原因除了发动机活塞、气缸等零部件因装配不合适或者长时间使用导致损坏变形外，进气温度、冷却液温度、机油温度过高以及机油量过低等外界因素也是产生拉缸的主要原因，特别是对于天然气发动机来说，其燃烧温度、发动机温度、排气温度都比柴油机高，对温度更加敏感，即使在低负荷下如果温度过高同样会发生拉缸等问题。发动机拉缸如图1所示。

图3：程序控制流程图

图4：叠加判断

2 防止拉缸方法

为防止和降低发动机拉缸的故障，在发动机ECU中会增加一些保护策略，实现对发动机的保护。例如，当进气温度、水温等参数过高时，ECU会根据温度值的不同输出不同的限制扭矩，将发动机的需求扭矩减小，从而减小发动机的输出功率。该方法可以在一定程度上控制进气温度、水温等参数，但由于天然气发动机存在气路的延迟，特别是对于单点喷射的发动机来说，从喷气到缸内燃烧还有很长的一部分管路，且天然气发动机对温度较敏感，即使在低负荷时，如果温度过高同样会发生拉缸，所以仅限制发动机扭矩很难及时有效的控制上述参数的变化。在检测到进气温度、水温等参数急剧变化时，应立即采取有效措施限制发动机继续工作直至停机。基于该需求，本文提出了一种防止天然气发动机拉缸的方法，以进气温度为例介绍一下详细的控制方法。

步骤1：ECU根据获取的传感器电压信号及内部诊断逻辑来判断安装在发动机节气门后的进气温度传感器是否正常，当传感器正常时根据采集的电压值获取发动机的进气温度；当传感器故障时，进气温度取一个合理的替代值，并报出进气温度传感器故障及时通知驾驶人员维修。

步骤2：ECU获取进气温度后，根据进气温度的数值查询事先标定好的进气温度-限制扭矩曲线（图2）以获得当前进气温度下的限制扭矩。当进气温度在合理范围内时限制扭矩数值很大并不对发动机的需求扭矩进行限制，随着进气温度的增加，逐渐减小进气温度-限制扭矩曲线内的限制扭矩以此来限制发动机需求扭矩。

步骤3：计算进气温度在一定时间内的变化率，并判断是否满足进气温度值大于阀值1且温度变化率大于阀值2，如果满足则将喷射加电时间及点火加电时间置0或者直接将点火线圈及喷射阀的驱动禁止，如果不满足则执行步骤1。

其详细程序控制流程图如图3所示。

除进气温度外，发动机排温、水温、机油温度、机油压力等参数均基于上述策略做开发，上述几种输入做状态的叠加判断，有任何一个出现报警即会触发降级甚至禁止点火，进而进一步实现对发动机的保护，最大限度降低发动机拉缸的可能性。具体实现方式见图4。

3 控制方法验证

该方法在燃气发动机的控制系统中已集成实现，并在发动机上完成验证。目前已经累计验证超过25700h，无拉缸故障，验证期间报出1次进气温度传感器故障，2次水温传感器故障。试验证明，该方法切实有效，可一定程度避免拉缸问题发生，降低发动机重大故障率。

4 结束语

本论文通过充分考虑了天然气发动机的特点，在进气温度、水温及机油液位渐变到异常情况时，逐渐限制发动机扭矩，当限制扭矩后仍然无法有效控制上述参数后，直接切断点火及喷射，防止发动机拉缸。

该控制方法有效的解决了当中冷器、节气门器堵塞、风扇故障、机油渗漏等突发问题发生时，发动机的进气温度，水温以及润滑情况在短时间发生异常造成发动机拉缸及损坏的情况。