天然气发动机空燃比控制与试验研究

赵春生

摘要：分析了精确控制天然气发动机过量空气系数控制策略，进行了过量空气系数对发动机经济性、动力性和排放性影响的试验，标定出发动机理想过量空气系数控制Map。对开、闭环进行了对比试验，试验结果表明，闭环控制精度和稳定性优于开环控制;过量空气系数对于发动机经济性的影响非常明显，经济性最好时的过量空气系数大于NOx排放量最大时对应的过量空气系数，HC排放随着过量空气系数增大而增大。通过优化，该发动机综合性能达到较理想状态。

Abstract： The effect of mixer structure on sufficient mixing and appropriate scale between compressed natural gas and air are very important. Academic calculation and analysis result show the equation of mixer throat pipe and natural gas intake diameter in engine normal work process. Based relation between Air excess /CNG ratio and mean effective pressure， structure of mixer pipe is improved and designed for a 3.7 liter displacement engine. Rationality of mixer design is validated by air excess ratio test with the engine experiment.

关键词：闭环控制;过量空气系数;性能;排放

0  引言

近几年，天然气发动机由于燃料来源丰富、排放性能好、辛烷值高、经济性好等优点获得了巨大的发展，其排放性能能够满足越来越严格的排放标准要求，是最具发展潜力的清洁代用燃料发动机。虽然天然气是清洁燃料，但它不可能自动地、无条件地使发动机满足日益严格的排放要求。因此，如何在保证气体燃料发动机动力性能的前提下，使气体燃料最大限度的发挥其优势成为各国科学家研究的一个热点课题[1]。

天然气发动机电控系统研究中的一个重要问题是如何在保证天然气发动机动力性能和经济性能的前提下，尽量降低发动机的有害排放物，以满足日益严格的排放法规要求。发动机的排放与其工作时的空燃比有密切的关系，为了满足更严格的排放法规，必须对发动机的空燃比进行精确的控制。

1  发动机及系统结构

试验研究所用发动机为4缸增压中冷发动机，具体参数见表1;天然气发动机的试验系统主要由发动机、天然气供给系统、电控单元、测功机和缸压采集及燃烧分析系统等几个部分组成。试验采集了反馈控制前后的实际空燃比和性能参数等数据，用于研究在不同转速、不同节气门开度情况下空燃比闭环控制的效果。控制系统示意图见图1。

2  空燃比控制策略

闭环控制是指在开环控制的基础上，增加了反馈环节的双向操作，ECU不断地将待控制参数与优化的控制目标进行比较，由此不断地调节输出指令，使两者差别达到最小。由于其控制精度高，工作稳定性好，抗干扰能力强，得到广泛应用。

实现空燃比闭环控制的关键传感器是宽域氧传感器，虽然氧传感器的输出是电流信号，但经过Lambda仪表可以得到过量空气系数相对应的电压。0.7～8.2V的输出电压对应的过量空气系数是0.7～8.2。

空燃比控制流程如图2所示。在稳定工况下启动闭环控制程序，首先进行ADC初始化，然后开启ADC读取输入到单片机内的实际空燃比的值，再与试验设定的目标空燃比进行比较，通过ECU自动调整燃气蝶阀控制开度，使发动机的空燃比保持在目标值附近。

3  计算与标定试验

3.1 燃气流量

为了精确测量和控制燃气流量，采用蝶阀控制燃气流量，蝶阀管道及传感器布置见图3。

喷管中的压强沿流向不断减小，流速在收缩管内是不断增加的，但在管出口处未能达到声速，出口为亚音速，出口压强等于背压。

3.3 空氣流量

3.4 理想空燃比Map的标定

为了考察发动机不同转速和不同负荷下的过量空气系数对其性能的影响，兼顾为了减轻试验工作量，试验中选择了1300r/min、1800r/min和2100r/min三个转速，在每个工况点下，测功机在恒转模式下运行，不同转速下，节气门位置控制为100%、80%、50%不变，调整通过在线标定系统将蝶阀位置从小逐步变大，使所进燃气量逐渐增多，从而使过量空气系数减小。为防止爆震，试验时外特性工况使过量空气系数由1.4左右变到1.8左右;部分负荷工况为防止失火，使过量空气系数由1.1左右变到1.4左右。当发动机稳定后，记录发动机的功率、燃气消耗率和排放等参数。试验结果见图5-图8。

由试验结果可知，不同转速下发动机输出功率随过量空气系数而变化的趋势相同，即先上升后下降，外特性工况不同转速存在一个输出功率最大的过量空气系数，其值随着转速不同有所差异，在1.5到1.7之间。说明高转速、高负荷情况下更有利于发动机稀薄燃烧的实现。

各试验工况下发动机NOx、HC排放浓度随过量空气系数的变化情况如图7、图8所示。从图7看，NOx随过量空气系数的变化呈下降的趋势，但NOx排放量最大时对应的过量空气系数在1.4，比最佳经济性所对应的过量空气系数要小。这说明NOx排放与经济性之间存在一定的矛盾。当对发动机排放性能要求较高时，可通过适当加大过量空气系数，牺牲一部分经济性来较大幅度地降低NOx排放。图8显示，HC排放随着过量空气系数增大而增大，这是因为随着过量空气系数的增加，混合气变稀，点火燃烧情况变差，所以未燃HC增加[2]。

由部分负荷试验结果可见，随着负荷的降低，发动机最佳过量空气系数呈下降趋势，为避免失火，50%节气门开度以下，过量空气系数控制为1.2。

利用差值法绘制发动机理想过量空气系数Map见图9。

4  开、闭环对比试验

试验采集了反馈控制前后的实际空燃比，用于研究在不同转速、节气门开度，空燃比闭环控制的效果及其对循环波动的影响。图10～图13分别给出了转速为1300r/min、节气门开度为50%;转速为1300r/min、节气门开度为100%;转速为2100r/min、节气门开度50%;转速为2100r/min、节气门开度100%工况下实际空燃比的变化情况。

从试验结果可以发现，闭环控制比开环控制时的实际空燃比要稳定很多，主要是因为闭环控制时电控单元ECU能检测到每个循环的氧传感器信号，并能根据这一反馈信号修正喷气量，从而提高了空燃比的控制精度，使其更加接近目标空燃比。如转速为2100r/min、节气门开度为50%，目標空燃比为1.3时，开环控制的实际空燃比波动变化大约是3.1%，而闭环控制的实际空燃比波动变化大约是0.8%，控制精度提高了74%。

5  结论

①稀燃对于发动机经济性的改善非常明显。对于该发动机，当过量空气系数大于1.8时，其输出功率随过量空气系数增加将下降。②NOx排放量最大时对应的过量空气系数在1.4，比最佳经济性所对应的过量空气系数要小。③HC排放随着过量空气系数增大而增大，在过量空气系数大于1.7以后开始急剧增加。④综合排放性、经济性和可靠性，试验标定出该发动机的理想过量空气系数Map，为全工况优化奠定了基础。⑤发动机采用闭环反馈控制空燃比，其精度和稳定性优于开环控制。

参考文献：

[1]宋均，黄震.车用天然气发动机技术及其应用[J].天然气工业，2002，6（6）：88-91.

[2]Ralph D.Nine，Nigel N.Clark，Brian E.Mace.Hydrocarbon speeiation of a lean—burn，spark—ignited engine，SAE Paper 972971，1997.

[3]电控CNG发动机性能分析与试验研究[J].天津汽车，2006（5）：27-29.