天然气发动机电控喷射系统的设计与实现.pdf

自动化与仪器仪表 2 0 1 4 年 5 期 总第 1 7 5 期 天然气发动机 电控喷射 系统的设计与 实现 周娟英 陕西职业技术 学院 陕西西安 。7 1 0 1 0 0 摘要 汽车作为主要的交通工具正服务于人们 的生活，但现今环境 问题和能源紧缺 问题是制约 当前发展的重要内容。正因此，新型、环保、绿色的天然气燃烧正逐渐替代传统能源，成为汽车、供 暖等的新能源。本文主要研究了天然气发动机电喷系统的原理、构造、软件设计、使用注意事项等 内容。 关键词天然气；发动机；电喷；新能源 Ab s t r a c t Au t o mo b i l e a s t he ma i n me a n s o f tra n s p o r t a r e s e r v i n g t h e p e o p l e ’ S l i v e s ， b u t t h e c u r r e n t e n v i r o n me n t a l p r o b l e ms a n d e n e r g y s h o a g e s a r e c u e n t l y r e s t r i c t i n g t h e d e v e l o p me n t o f i mp o a n t c o n t e n t ． P o s i t i v e r e s p o n s e t o t h i s ， n e w, e n v i r o n me n t a l l y f r i e n d l y , g r e e n n a t u r a l g a s c o mb u s t i o n a r e g r a d u a l l y r e p l a c e t r a d i t i o n a l e ne r g N be c o me ve hi c l e s ，h e a t i ng a nd o t he r ne w e ne r gy s ou r c e s ．Thi s pa pe r s tu d i e s t h e na tur a l ga s e n- g i n e f u e l i n j e c t i o n s y s t e ms t h e o r y , s t r u c t u r e ， s o ft wa r e d e s i g n ， c o n t e n t p r e c a u t i o n s ． Ke y wo r d s Na tur a l g a s ； E n g i n e ； EF I ； Ne w E n e r g y 中图分类号 T P 2 7 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 - 9 2 2 7 2 0 1 4 0 5 - 0 1 6 3 - 0 4 0 引 言 随着人民生活水平 的不断提高 ，汽车作为主要 的交通工具逐渐走进寻常普通百姓 的生活 中，但 随 之也带来 了能源短缺 、环境污染等相关问题 。各种 新型 、绿色 、环保 、节能的新能源不断走入人 民的 生活中，其 中以天然气的运用较为广泛。传统的能 源主要为石油 ，上世纪 以来 ，这类 能源的使用带来 了较为严重的空气污染 ，严重影响了人们的生活质 量 ，据有关研究表 明，在未来天然气等一些环保型 的能源将逐渐超越传统能源 ，占据世界能源 的主要 份额，成为主要能源产品。 1 天然气简介 天然气 的主要成分为 C H 和 H ，这些物质在空 气中燃烧后的产 品主要为 C O 和 H 0，但污染产物量 较传统能源产 品减少一半左右 、且燃烧值较高，是 一 种优 良的车用环保绿色能源 。我 国多地天然气资 源丰富 ，适宜推广普及汽 车改用天然气作为燃料 ， 在一 些天然气储 量较为丰 富 的地方 己进行 示范推 广 。这 一举措 也带来 了相 关机械 设备 的改进 与更 新 ，当前 ，世界多个 国家正着手研究天然气代替传 收稿 日期 2 0 1 3 1 2 1 5 作 者简介 周娟 英 1 9 8 3 一 ，女 ，汉族 ，陕西西安人 硕士 ，助教 ，主要研 究方向为汽车电子控制技术 。 统能源 的相关研 究工作 ，对于汽车而言主要 的机 械 构件是发动机部件的研发与改进 。 2 天然气发动机的使用 对于能源类型的变化后 ，相关机械构件也应进 行相应 的重新设计与改进 ，天然气能源主要 的使用 特点有 1 清 洁环保 。天然气燃烧产物 污染物较少 ， 是一种较为清洁 、环保、绿色的能源 。车辆使用后 能降低可吸入颗粒物、大气污染物 的产生，发动机 的噪声值也将有所 降低 。 2 使用市场庞大 。汽车作为代步工具已深入 百姓家庭 日常生活中，预计在未来我 国家庭用车量 将达到 4 0 ％。石油资源是不可再生资源 ，在当前不 断增长的使用要求下 ，新型能源的使用是未来 的必 然趋势。同时我国天然气储备丰富， 目前资源 的探 明率仅为 1 1 ％左右 ，可勘探潜力 巨大 。同时天然气 的分布区域也与能源需求相适应 ，天然气资源在我 国的东部、南部分布较为广泛 ，同时这一 区域也为 我国的经济发展速度较快的地方 ，对资源的需求也 相对较大。 3 天然气器件使用物美价廉 。天然气发动机 相较汽油发动机而言，不需要润滑油进行稀释 ，可 延 长发动 机 的使用 寿命和 效率 。天 然气燃烧值 较 1 6 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 天然气发动机电控喷射系统的设计与实现周娟英 高，与汽油相 比，运行使用的费用仅为汽油 的一半 左右 。 4 安全 系数较 高 。能源 的运输 转换使 用过 程 ，是关系着人 民生命财产安全的一项重要 内容 。 天然气密度较小，易分散 、挥发，不 易着火；爆炸 极限较汽油高， 自然温度 点也较高；可实现管道运 输，有效减少运输费用 ，提高运输安全系数。 3 天然气发动机电控喷射系统的设计 电控喷射技术是 目前在汽车行业 中广泛使用的 一 项 技术 ，国 内外众 多学者对 此进 行 了深入 的研 究，取得 了一定的阶段性成果 。此项研究中的关键 技术是天然气的供给方式不 同的影响，主要有 以下 两种电控喷射系统 1 电控单点喷射 。单点喷射主要是指由电脑 进行进行气料的配送 ，由 l 一 2只喷嘴对 进气管气 门 中的中央喷射嘴装置进行集 中喷射，气体喷入进气 管与空气混合后 由进气歧管分配到各个气缸 中进行 燃 烧作功 。进气 燃料使用 电脑进 行配料有 如下特 点燃料配 比均衡 、燃烧稳定性好 ，燃烧过程中稳 定性较好 。这类喷射系统设计 简单、安全可靠、维 修简易，改装交易、价格较低 ，较适宜于小排量 的 发动机 。 2 多点喷射系统 。由电控喷射单元按照 电脑 程序设定的模式对各气缸进行喷射 ，这种喷射方法 燃料前进程较短 ，燃料 响应性较好 。这类方法具有 燃料燃烧进程短 ，燃料空对 比较好 ，燃烧稳定性好 等优 点，但这类系统设计较为复杂 ，前期 设计制造 投入成本较大。 燃气喷射控制主要 由燃料 喷射单 片机 来实现 ， 当进气 门打开时 ，再吸入气缸燃烧做功电喷射系统 主要有 以下单元组成 传感器 、E C U 电子控制单 元 、喷气嘴等单元组合而成。其中传感器主要包含 有 曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、空气 门位 置传感器 、发动机温度传感器和空气温度传感器等 几种。通过各种传感器采集发动机 的转速信号 、进 气压力信号、节气 门位置信号和传感器信号等信号 输入 E C U后 ，E C U根据数 学计算和逻辑判 断结果 ， 发出脉冲信号指令控制喷射 阀实现对发动机燃气供 给量的控制 。当脉冲信号的高 电平 “ 1 ”加到驱动三 极管 的基极时 ，三极管导通 ，喷嘴线 圈电流接通 ， 产生 电磁吸力将阀门打开，喷嘴开始喷射燃料 ；当 脉冲信号的低 电平 “ 0 ”加到驱动三极管 的基极时， 1 64 三极管截止，喷嘴停止工作 。由于控制信号为脉冲 信号，因此阀门不断地开 闭，使燃料喷射在进气 门 附近，与吸入 空气混和形成可燃混和气 。发动机 电 喷系统示意图如图 1 所示。 l 些 堡 兰 堡 壁 堂1 ] 匝匦耍圈{ 匡 巫圃} - 医 巫圈I 唏 l E C U l 图 1 发动机 电喷系统示意 图 3 _ 1 传感器的选择与安装 传感器是发动机 电喷系统 中的重要装置，将 一 个 霍尔 开关量传感 器安装 在 曲轴 和 凸轮轴 传感 器 中，实时监控两传感器的工作状态，再通过固定的 小磁铁监控两传感器工作实时位置 。传感器设备体 积较小 ，在机械构件 中应设备好足够安全 的空间进 行安置 ，注重防尘、防污 ，切实保证传感器 的正常 工作 。这几种传感器都有各 自的工作 内容，例如空 气门位置传感器是一个线性 电阻，其主要通过 电位 计供 电，使用 A ／ D得到开度 ；发动机 温度传感器和 空气温度传感器是热敏 电阻式传感器，这类传感器 的 电阻变化与环境温度变化成正比，当发动机气缸 和周 围环境温 度升高 时 ，传感 器能有 效感应温 度 变化 。 3 ． 2 电子控制单元 E C U的设计 电子控制单元式发动机 电控 系统的核心部件 ， 其 中电控单元的硬件设备是实时工作 的平台，只有 硬件 的设计方 案确 定了 以后 ，才能进 行软件 的开 发 ，而且软件开发到 了一定 的阶段 ，必须结合硬件 以及发动机试验才 能继续进行 ，其工作原理如 图2 所示 。 1 使用多片式 E C U可以使控制和计算分别负 担给不同的 MC U，可 以既保证了控制的实时性，又 使负责计算的MC U具有充裕的时间和速度进行数据 处理和进行更复杂 的计算 ，从而使控制更加精细 ， 使发动机的工作性能达到更优。 2 可以实现部分或者大部分工况下的 自适应 调整功能。自适应功能是指在构成合适 的数学模型 后 ，程序可 以依据事先设立 的控制指标 自动在线调 整 实际工况 达到预 期指标 ，并生 成新 的控 制数据 表 。这样可 以大大节省 台架 工作量，特别是针对一 个新发动机进行标定的工作量将大大减少。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 自动化与仪器仪表 2 0 1 4 年5 期 总第1 7 5 期 图 2 E C U结构原理不意图 3 ． 3 电喷 系统软件设计 1 电控燃气喷射的基本原理 燃 气喷射 电控 的原理主要是根据理论空气量 、 燃气量和实际量进行 比控，在燃烧过程 中，应严格 控制气体与空气的比值 ，确保充分燃烧和能源 的节 能环保 。此过程 中，气体主要是通过 喷射的方式进 入气缸 中 ，故在此 过程 中应 控制喷射 压力 与喷射 时间。 2 燃气喷射时刻的调控 燃烧过程 中，燃气的喷射时刻 、时机对燃烧过 程的影响较为重要。通过安装在分 电器 内的霍尔传 感器获得转速和 曲轴相位信号，确定燃料喷射基准 时刻。每当分 电器 内的霍尔传感器捕获到下降沿信 号后，便会触发一次喷嘴 的动作 ，从而完成一次喷 气过程 。待捕 获到下次信号后则 由另一个喷嘴进行 动作，彼此循环交替完成喷气过程，可采用 了曲轴 每旋转一圈，两个喷嘴各动作一次的策略 ，从而完 成喷气系统的控制过程 。 3 燃气喷射量在不同工况时的控制策略 汽车发动机在实时不 同工作状态时，发动机气 缸做功情况不同，对燃气 的需求量也随之发生相应 的变化 。汽车在工作时 的主要工况有启动状态、 怠速状态 、提速状态和常用工作状态等，从理论上 应充分 了解汽车的不同工作状态的变化趋势。 ①启动状态 根据进气温度不同划分为冷起动和热起动两种 模式 ，热起动时，与冷起动相 比进气量减少 ，要求 的喷气量相应减少。为保证发动机在任何温度下都 能顺利起动 ，初始起动脉 宽随着冷却水温 的变化而 改变 。发动机低温起动后 ，需要在短时间内加浓混 合气 ，以保证工况的平稳过渡 。加浓程度由冷却水 温 决定 。在 发动机转速 达到预 先设定 的转 速极值 9 0 0 r ／ mi n 之前，喷气脉宽 由曲轴转角控制，当转速 达到或超过起动极值后，喷气脉宽由转速及冷却水 温控制。 ②怠速状态 怠速时 ，节气 门开度最小 ，该系统通过步进 电 机改变节气 门旁 的旁通气量来稳定怠速转速 。在 该 系统 中 ，设定 标准热机 怠速 目标 转速为 8 0 0 r ／ m i n ， 冷车怠速 目标转速为 1 2 0 0 r ／ mi n 。当发动机转速高于 标准 怠速转速 时步进 电机 向外动 作 ，旁通气量减 少 ，为使空燃比合适 ，同时相应地减少喷气量 ；反 之，发动机实际转速低于标准怠速转速时，步进电 机向里动作控制旁通气量增多，相应地增加喷气量。 ③提速状态 当节 气 门位置 处于 8 0 ％以下时 ，发动 机按 照 MA P的设定值按照最经济的空燃 比运行 ，当快踏油 门进 行加速 时 节 气 门位置 变化率大 于设定极 值 ， 为 了得到 良好的加速特性，发动机应随着节气 门的 急剧开大加大燃气供应量。在加速控制中，通过在 正常喷气脉宽上附加相应的脉宽来实现加浓控制。 ④常用工作状态 除上述几种特殊工况外 ，其余均按正常工况模 式控制。在此模式下 ，根据实测转速和进气压力查 取燃气喷射量 MA P图，得到相应 的燃气喷射脉 宽， 通过 O 传感器闭环控制判断混合气的浓稀实现对喷 射脉宽的修正。即通过 O 传感器检测出发动机的过 量空气系数 ，并将测到 的实测值反馈至 E C U，E C U 按实测值 与理论值之 间的差值确定输 出信号，来控 制喷射阀的动作，达到精确调节空燃比的 目的，使 发动机始终保持在理论空燃比附近工作。 4 燃气喷射的控制软件设计 燃气喷射中的软件主要对整个行车过程中的燃 气配给进行控制 ，这一软件是燃气发动机的核心部 件。在工作过程 中，经 由启动过程 中，先开始监控 工作器件 ，再初始化后 ，采集传感器信号和温度传 感器信 号 ，确定 点火时刻 ，输 出喷气信 号和喷气 量，直至结束 。如若不符合要求 ，则返回初始化阶 段，再重新开始 。其控制程序流程设计如图3 所示 。 图3 控制程序流程 1 6 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m