多點噴射點燃式天然氣發(fā)動機電控系統(tǒng)研究

湯正翔

摘 要：隨著社會大眾環(huán)境保護意識的增強以及政府出臺的一系列環(huán)保政策的有效執(zhí)行，越來越多的清潔能源被廣泛地應(yīng)用在日常的生產(chǎn)活動之中。天然氣能源因其儲量充足、市場價格便宜、排放污染較少等優(yōu)點，被視為最具有發(fā)展前途的清潔能源。近年來，天然氣汽車以及電子技術(shù)等領(lǐng)域的發(fā)展，使市場對于天然氣發(fā)動機電控系統(tǒng)的要求不斷提高，在此背景下，對天然氣發(fā)動機電控系統(tǒng)進行更加深入的理論和實踐研究顯得尤為重要。本文將對多點噴射點燃式天然氣發(fā)動機電控系統(tǒng)的整體構(gòu)成和電子控制系統(tǒng)進行方案設(shè)計，力求設(shè)計出滿足應(yīng)用需求的多點噴射點燃式天然氣發(fā)動機電控系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：多點噴射；天然氣發(fā)動機；電控系統(tǒng)

中圖分類號：TK48 文獻標志碼：A

天然氣供電系統(tǒng)經(jīng)過幾十年的研究發(fā)展，相關(guān)技術(shù)得到了很大程度的完善，車用天然氣的供給系統(tǒng)發(fā)展經(jīng)歷了從機械控制式混合器供氣系統(tǒng)到電子控制式混合器供氣系統(tǒng)，最后發(fā)展為電控天然氣噴射系統(tǒng)，而電控天然氣噴射系統(tǒng)中多點噴射也是一種較為先進的混合氣控方式。

1 天然氣發(fā)動機采用多點噴射的必要性

天然氣發(fā)動機的噴射方式有單點噴射與多點噴射之分，多點噴射和單點噴射相對應(yīng)，又被稱為多氣門噴射或者順序燃油噴射。此噴射方式的運行特點為：每個氣缸都會放置一個噴油器，各自向自己所對應(yīng)的氣缸進氣道進行噴油，它是現(xiàn)階段應(yīng)用較為廣泛的一種噴射系統(tǒng)。

多點噴射方式又可以細致的劃分為：同時噴射、分組噴射以及順序噴射等類別。比如多點順序噴射方式作為現(xiàn)階段研制出的最先進的混合氣控制方式，在運行的過程中能夠通過對每一個氣缸進行定時定量的供氣，進而降低因為氣門重疊而產(chǎn)生的天然氣，避免了直接溢出導(dǎo)致HC排放量加大和燃氣資源浪費問題，而且在發(fā)動機運行的過程中也可以通過分析發(fā)動機的轉(zhuǎn)速以及負荷對空燃比來進行更加精準的管控。

多點噴射系統(tǒng)在使用的過程中，不僅具有燃燒效率高，同排量能釋放出更大的動力等優(yōu)點，而且多點噴射系統(tǒng)能夠使用順序噴射，這種噴射方法中空燃比的控制更加精準，因此在運行過程中排放更好，更加地經(jīng)濟高效。總而言之，多點噴射在使用過程中，保養(yǎng)會更加的經(jīng)濟、技術(shù)也會相對比較成熟。

2 多點噴射點燃式天然氣發(fā)動機電控系統(tǒng)的整體方案設(shè)計

2.1 整體構(gòu)成

天然氣發(fā)動機的整體構(gòu)成主要包括機體以及氣缸蓋組件、曲柄連桿機構(gòu)、配氣機構(gòu)以及進排氣系統(tǒng)、燃氣供給系統(tǒng)（其以天然氣穩(wěn)壓裝置、調(diào)壓閥、燃氣濾清器、燃氣控制閥以及電磁閥、混合器等一系列部件組成）、點火裝置、調(diào)速控制系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)等。筆者通過對汽油機發(fā)動機進行相關(guān)的改造，將燃料供給系統(tǒng)進行單燃料設(shè)計，改造出新的燃料供給系統(tǒng)。改造好的新天然氣供給系統(tǒng)的組成部分有：氣瓶、噴嘴、濾清器、減壓閥、壓力表、電磁閥，此燃氣供給系統(tǒng)將壓力20MPa的壓縮天然氣降低為0.1MPa左右的低壓系統(tǒng)。設(shè)計的電控噴射系統(tǒng)的壓縮天然氣經(jīng)過兩級調(diào)壓器減壓后，通過噴嘴噴入相對應(yīng)的進氣道，并與空氣混合進入氣缸，而節(jié)氣門位置、進氣壓力等傳感器則將現(xiàn)有發(fā)動機的工作信號傳輸至ECU，同時ECU會依據(jù)發(fā)動機的工作情況，控制燃氣噴射時序以及噴射脈寬，完成發(fā)動機電控噴射過程。

2.2 電子控制系統(tǒng)

天然氣發(fā)動機電控系統(tǒng)的整體構(gòu)成包括硬件和軟件兩個部分。

電控系統(tǒng)的硬件電路的構(gòu)成有：中央處理模塊、電源模塊、信號采集模塊、輸出驅(qū)動模塊，硬件電路的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中曲軸位置信號處理電路是60-2齒磁電式傳感器，它的輸出是正弦信號，需要波濾、整形為0-5V的方波信號，再送入ECU，在此結(jié)構(gòu)中，波濾、整形電路由LM324電壓比較器等元器件構(gòu)成，同時電路中電容、電阻會使兩個輸入端保持平衡以及低通濾波。對于噴嘴驅(qū)動的電路進行設(shè)計時，采用L298N芯片作為驅(qū)動電路，L298N芯片由15個引腳組成，筆者在設(shè)計時，選取4個輸入引腳來接入MC9SX128單片機的4個PP口，再將4個輸出引腳分別接4個噴嘴。因為單片機內(nèi)有線圈會導(dǎo)致噴嘴電磁閥在通電以及斷電時造成反電動勢，所以在此可增加二極管對L298N芯片進行相應(yīng)的保護。

電控系統(tǒng)的軟件由控制程序以及數(shù)據(jù)兩個組成部分構(gòu)成。主控程序任務(wù)是由于整個系統(tǒng)初始化、實現(xiàn)系統(tǒng)的工作時序、控制模式來設(shè)定的，常用工況以及其他各工況模式下噴油信號以及點火信號輸出程序。為了實現(xiàn)發(fā)動機各種工況以及運行條件下最佳的綜合性能，電子控制系統(tǒng)必須以最佳的相應(yīng)控制參數(shù)控制發(fā)動機在最佳運行狀況下運轉(zhuǎn)，這些控制參數(shù)的最佳數(shù)據(jù)預(yù)先全部存儲在微型計算機只讀存儲器之中。

3 試驗建模與仿真調(diào)試

本文將采用AMESim仿真軟件對噴嘴開展物理模型構(gòu)建，利用此仿真軟件構(gòu)建出來的噴嘴包括電磁線圈、頂桿、彈簧、針閥、針閥體等部分。其運行原理為：天然氣通過減壓閥進入噴嘴之后，然后等到電控單元發(fā)出噴射信號并且電磁線圈通上電之后，就會生成電磁作用力，這時需要使用銜鐵把針閥吸起來，讓天然氣通過軸針頭部環(huán)形間隙，然后噴進進氣道之內(nèi)。為了確保構(gòu)建的控制模型擁有相對較為優(yōu)良的模塊化、層次化結(jié)構(gòu)，所構(gòu)建的控制模型可以劃分為PWM驅(qū)動模型、空燃比控制模型、工況判斷模型等。發(fā)動機工況根據(jù)其自身運行特點分為啟動、怠速、穩(wěn)態(tài)部分負荷、瞬態(tài)還有大負荷工況，因為發(fā)動機工況中大負荷工況不是主要工況，因此我們對于前4種工況進行建模分析，最后我們通過之前構(gòu)建的噴嘴模型、PWM驅(qū)動模型以及工況判斷模型構(gòu)成一個完整的控制器。

在將AMESim仿真軟件構(gòu)建的模型轉(zhuǎn)化成在Simulink環(huán)境中運行的S-Function模塊的過程中，首先需要對聯(lián)合仿真環(huán)境進行相關(guān)的數(shù)據(jù)設(shè)置，通過設(shè)置相關(guān)的仿真條件，可以得出如下的數(shù)據(jù)結(jié)果：若轉(zhuǎn)速為2500r/min，進氣壓為0.5bar時，噴嘴針閥的最大升程為0.35mm，這個數(shù)值和其他的噴嘴針閥升程相比是比較合理的，若轉(zhuǎn)速為2500r/min，進氣壓為0.5bar的時候，噴射時間為10.9ms，這個數(shù)值和理論設(shè)計的模型所計算出的數(shù)值也是較為一致的，因此充分說明所設(shè)計的控制器是可以滿足要求的。

結(jié)語

本文通過對多點噴射點燃式天然氣發(fā)動機電控系統(tǒng)進行整體結(jié)構(gòu)和電子控制系統(tǒng)的設(shè)計與分析，最終完成對其的實驗建模以及仿真調(diào)試，希望此項研究能夠為提高天然氣發(fā)動機在天然氣汽車和電子技術(shù)等領(lǐng)域的應(yīng)用成效做出一定的貢獻。

參考文獻

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