（安全技术及工程专业论文）增压单燃料天然气（CNG）发动机电控系统的研究与开发.pdf

北京交通大学硕士学位论文摘要 d e v e l o p m e n t o f e l e c t r o n i c a l l y c o n t r o l l e d s y s t e m f o r t h e t u r b o c h a r g e d d e d i c a t e d s e q u e n t i a l mu l t i - p o i n t i n j e c t i o n c n g e n g i n e ab s t r a c t wi t h t h e d e v e l o p m e n t o f g l o b a l e c o n o m y , e n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o n a n d o i l c r i s i s h a v e b e e n t w o m a i n p r o b l e m s t h a t f a c e d h u m a n i n t h e 2 1 s t c e n t u ry . i n o r d e r t o r e d u c e b a n e f u l e m i s s i o n a n d s a v e e n e r g y , m a n y c o u n t r i e s a r e a c t i v e l y d e v e l o p i n g n e w e n e r g y t e c h n o l o g y a n d s e a r c h i n g f o r a lt e r n a t i v e f u e l . b e c a u s e o f i t s e x c e l l e n t a d v a n t a g e s o n a v a i l a b i l i t y , l o w - e m i s s i o n a n d e c o n o m i c p e r f o r m a n c e , n a t u r a l g a s i s r e g a r d e d o n e o f t h e m o s t p r o m i s i n g a lt e r n a t i v e f u e l a n d t h e n a t u r a l g a s e n g i n e i s b e c o m i n g t h e h o t re s e a r c h d i r e c t i o n o f t h e w o r l d i n r e c e n t y e a r s . t h e r e s e a r c h w o r k o f t h i s p a p e r i s a p a rt o f c h i n e s e n a ti o n a l t e n t h f i v e - y e a r p l a n c o n s t r u c t i o n p r o j e c t t h e r e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t o f t h e e l e c t r o n i c a l l y c o n t r o l l e d i n j e c t i o n s i n g l e - f u e l c n g b u s , w h i c h u s e d wd 6 1 5 t u r b o c h a r g e d d i e s e l e n g i n e a s p r o t o t y p e a n d s t u d i e d t h e e l e c t r o n i c a l l y c o n t r o l l e d t h e o r i e s a n d t h e k e y t e c h n o l o g y o f g a s f u e l e n g i n e . i n t h i s p a p e r , w e f ir s t l y a n a l y z e d t h e p e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n t s o f t h e c n g s u p p l y s y s t e m a n d t h e s p a r k i g n i ti o n s y s t e m o f t h e t u r b o c h a r g e d d e d i c a t e d c n g e n g i n e . o n t h e b a s i s o f i t , w e w o r k o u t a t o t a l d e s i g n s c h e m e o f t h e e l e c t r o n i c a l l y c o n t r o l l e d s e q u e n t i a l m u l ti - p o i n t i n j e c ti o n s y s t e m a n d t h e h i g h - e n e r g y i g n iti o n s y s t e m o f t h e c n g e n g i n e . t h e n w e d e c i d e d t h e t y p e s o f t h e s e n s o r s , e c u a n d a c t u a t o r s . i n t h i s p a p e r , mc 9 s l 2 d p 2 5 6 1 6 b i t s m i c r o c o n t r o l l e r w a s t h e m o s t i m p o r ta n t p a r t o f t h e s y s t e m , i n w h i c h t h e e l e c t r o n i c a l l y c o n t r o l l e d s e q u e n ti a l m u l t i - p o in t g a s i n j e c t i o n t e c h n o l o g y a n d t h e e l e c t r o n i c a l l y c o n t r o l l e d h i g h - e n e r g y i g n i t i o n t e c h n o l o g y w e r e a d o p t e d t o i m p r o v e it s in t e g r a t e d 北京交通大学硕士学位论文摘要 p e r f o r m a n c e . we d e v e l o p e d t h e s o f t w a r e a n d t h e h a r d w a r e o f t h e e l e c t r o n i c a l l y c o n t r o l l e d s y s t e m a n d d e s i g n e d t h e r e l i a b i l i t y . f i n a l l y t h e e l e c t r o n i c a l l y c o n t r o l l e d s y s t e m w a s i n s t a l l e d i n t h e c n g e n g in e a n d t h e e l e m e n t a ry b e n c h e x p e r i m e n t w a s m a d e . t h e e x p e r i m e n t r e s u l t s d e m o n s t r a t e d t h a t t h e e l e c t r o n i c a l l y c o n t r o l l e d s e q u e n t i a l m u l t i - p o i n t i n j e c t i o n s y s t e m a n d t h e h i g h - e n e r g y i g n i t i o n s y s t e m o f t h e t u r b o c h a r g e d d e d i c a t e d c n g e n g i n e a r e r a t i o n a l ly d e s i g n e d a n d c a n e x a c t l y f i n i s h t h e s e q u e n t i a l m u l t i - p o i n t i n j e c t i o n a n d t h e h i g h - e n e r g y i 娜t i o n fu n c t i o n s . t h e s y s t e m s a r e o f h i g h r e l i a b i l i t y a n d s t a b i l i t y . t h e p o w e r , e x h a u s t t e m p e r a t u r e a n d t o r q u e o f t h e c n g e n g i n e r e a c h e d t h e d e s i g n r e q u i r e m e n t w h e n a d o p t e d t h e s y s t e m s . k e y w o r d s : c n g e n g in e , s e q u e n t i a l m u l t i - p o i n t i n j e c t i o n , h i g h - e n e r g y d i r e c t i g n i t i o n , e l e c t r o n i c c o n t r o l u n i t ( e c u ) i i i 北京交通大学硕学位论文 第一章绪论 1 1选题背景 第一章绪论 进入二十世纪以来，环境污染和能源紧缺始终是困扰人类发展的两个主 要问题。 一方面，伴随着人类物质文明的发展，世界范围内的汽车保有量迅速增 加，汽车尾气排放污染物c o 、h c 、n o x 和微粒成份已经取代工业污染而 成为对人类赖以生存的大气环境的主要污染源。这些排放物对人体和动植物 造成了相当大的危害，尤其是在汽车密集、交通拥挤的大城市中，发动机的 排放对人类居住环境的破坏更为严重。以二十世纪四十年代初发生在美国洛 杉矶的光化学烟雾事件为例，由于该城市汽车工业发达，每天排放大量汽车 尾气污染物，这些污染物在阳光作用下，与空气中其他成份起化学作用而产 生了一种新型的刺激性光化学烟雾，该烟雾强烈刺激人眼、喉、鼻，引起眼 病，喉头炎及不同程度的头痛，在严重情况下，还造成了死亡事件。 另一方面，由于1 9 7 3 年以来屡次发生石油危机造成的石油价格周期性 暴涨以及能源危机的冲击，人类可利用的石油资源日趋减少，全球现探明的 石油储藏量只能再开采4 0 年。 面对节能和环保两方面的严峻形势，为了保护人类生存环境及合理利用 资源，世界各国相继制订出严格的汽车尾气排放法规，并开始认真思考汽车 工业的能源结构调整问题，积极开发新型清洁能源，以期主动减少和控制汽 车污染物的排放。天然气以其资源丰富、价格低廉、排放污染低的突出优点 倍受人们青睐，被认为是很有发展前途的发动机替代燃料【2 j 。 天然气是一种优质的气体燃料，它常产于开采石油的油田或天然气田。 油田伴生的天然气中含有石油蒸气，被称为伴生气或石油气，它含有较多的 重碳氢化合物。纯粹气田产的天然气因不含石油蒸气被称为干天然气，其主 要成分为甲烷( c h 4 ) ，还包括少量乙烷( c 2 h 6 ) 、丙烷( c 3 h g ) 和丁烷( c 4 t l o ) 等 饱和碳氢化合物，其中甲烷含量约为9 0 以上。除了碳氢化合物以外，天然 北京交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 气中还含有少量的c 0 2 、n 2 、0 2 、h 2 s 等。 世界天然气资源非常丰富。据统计，全世界常规天然气的潜在储量在 3 5 0 万亿立方米以上，目前已探明储量约2 0 0 万亿立方米。此外，还有潜在 储量比常规储量大的多的非常规气，包括潜在储量为3 1 8 0 4 6 0 0 万亿立方米 的煤层气，2 0 0 0 万亿立方米的水溶气，5 0 5 7 万亿立方米的水合成物和1 5 0 0 万亿立方米的深源气。从地区分布来看，天然气储量最多的三个地区是俄罗 斯东欧、中东和亚太地区。 与传统发动机燃料柴油和汽油相比，天然气燃烧较完全，因而排出的有 害气体较少，能满足越来越严格的排放法规要求，对净化环境和缓解能源危 机颇为有益。不久前结束的“绿色柴油机研讨会”上，与会专家一致认为： 天然气发动机可以降低氮氧化物和颗粒物的排放，可以减少烟度。其在全球 储量丰富，目前使用成本不高，对集中添加燃料的车队比较容易进行配置和 供应。 表1 1 比较了天然气与汽油、柴油性能的差异。由表可知，天然气作为 内燃机燃料的主要优点有以下几方面： 1 天然气以甲烷为主，一般占9 0 以上，只含少量其它成分，h c 值高达 4 左右，且有较高辛烷值，约为1 3 0 ，所以不需加抗爆剂。 2 天然气在常温下为气态，以气态进入发动机，与空气相同，因此混合气 均匀，燃烧比较完全，从而可大大降低c o 、h c 和n o x 的排放，同时 也改善了颗粒排放。燃用天然气与汽油相比，c o 可降低7 0 ，n o x 和 非甲烷类可降低8 0 ，c 0 2 可降低3 0 ，h c 可降低7 0 。 3 发动机燃用天然气时，冷起动性能良好，运转平稳，天然气中不含柴油 中存在的胶质，在燃烧过程中不会产生焦油，无积碳，同样由于其硫含 量和机械杂质均远低于柴油，对气缸、活塞、活塞环和气门等零部件的 危害较小。气体燃料不会对机油产生稀释，因此发动机寿命长，汽车大 修里程可提高2 0 以上。与燃用常规燃料相比，可节约5 0 以上的维修 费用。此外，发动机运转平稳，噪声小( 比汽油机低4 0 ) ，发动机使用 寿命为汽油车的3 倍。 4 天然气是一种高燃点的低密度气体，在正常的温度和压力下，比汽油不 北京交通大学硕士学位论文第一童 绪论 易发生燃烧和爆炸，安全性较好。 5 操作方便，技术成熟，成本较低。 表卜1 天然气与汽油、柴油性能的比较 理化性质天然气汽油柴油 标准状态下密度k g m 3 o 7 1 57 0 0 7 8 08 4 0 沸点1 6 13 0 1 9 01 7 0 3 5 0 理论空 质量比 1 7 2 5 ：1 1 4 8 ：l 1 4 3 ：1 燃比 体积比 9 5 2 ：18 5 8 6 ：1；9 4 1 7 ；1 低热值m j ( k g ) 4 9 8 l4 3 ；9 0 4 2 5 0 混合气热值k j m 3 3 3 9 43 8 3 93 7 9 0 辛烷值( r o n ) 1 3 08 0 9 0 2 0 3 0 十六烷值 1 4 4 5 6 5 燃烧极限 5 1 51 3 7 6 1 5 8 2 ( 体积) 层流火焰传播速度v 3 1 5 3 5 0 4 7 0 c m s 、 火焰温度t 1 8 7 52 1 9 7 着火温度 5 3 73 9 0 4 2 0 ( 常压下) t 近年来天然气作为发动机替代燃料在国际上目益受到重视，世界各国都 在致力于这种气体燃料发动机和汽车的研究开发。 天然气汽车按天然气燃料贮存状态的不同可分为常压天然气( n g ) 汽 车、压缩天然气( c n g ) 汽车、液化天然气( l n g ) 汽车等悼j 。目前采用气 包存储天然气的常压天然气汽车已十分少见。l n g 汽车是将天然气深冷至 1 6 2 。c 后存储在低压低温绝热容器中，容器自重较小，但生产l n g 投资费 用及能耗高，且对存储容器的绝热保温性能要求高，因此，l n g 汽车尚处 于试验阶段，未能商品化。c n g 汽车将天然气压缩后存储至高压气瓶中， 存在天然气存储能力较小、气瓶自重较大的缺点，但其技术成熟，经济效益 好于l n g ，所以是目前应用最广泛的一种天然气汽车。 北京变通大学硕士学位论文第一章绪论 据不完全统计，目前全世界共有5 3 个国家和地区正在开发和推广c n g 汽车，共建设c n g 加气站1 0 0 3 3 座，其中小型加气装置4 6 9 3 个，c n g 汽 车保有量已经达到2 1 5 万辆。图1 1 所示为近年来c n g 汽车发展较快的国 家情况，由图可见，在天然气较丰富的阿根廷、巴西、俄罗斯、西欧和加拿 大等国家和地区，以及受环保法规和国家政策制约的美国、日本等国，以 c n g 为代用燃料的汽车得到了快速发展【2 】。以美国为例，1 9 8 9 年美国政府 制订政策鼓励发展和使用天然气汽车【3 】，1 9 9 2 年底美国c n g 汽车达到5 万 辆，c n g 加气站也以每周新建3 个的速度发展，到1 9 9 7 年时，美国c n g 汽车数量已超过6 6 0 0 0 辆，拥有加气站数量约为1 1 0 0 个。 图1 - 1 世界c n g 汽车保有量前十名( 到2 0 0 1 年底) 在我国，伴随着国民经济的迅速发展和人民生活水平的不断提高，汽车 的生产量和保有量也在逐年增长，我国的环境问题变得更为严峻。目前世界 上空气污染最为严重的1 0 个城市中有7 个在中国。由于我国的汽车生产技 术水平不高、道路条件差、交通拥挤以及油品质量低等因素，在城市烟雾、 地面扬尘和汽车尾气三种污染源中，尤以汽车尾气污染造成的危害最为严 重。按照国家环保中心预测，2 0 1 0 年汽车尾气排放量将占空气污染源的6 4 。 许多城市的大气污染已从煤烟型向煤烟- - 5 油混合型或机动车污染型转变， 甚至在有些大城市已出现了光化学烟雾。为了保护环境，我国从二十世纪八 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 十年代以后，也开始对汽车排放进行限制，2 0 0 0 年开始执行相当于e u r oi 排放标准的汽车排放法规。 汽车发动机是最主要的石油消耗源之一，而我国是石油消耗大国，从 1 9 9 3 年起己成为石油净进口国，石油进口量逐年递增，2 0 0 3 年我国进口原 油9 1 1 2 万吨，约占当年原油总消费量的3 0 ，石油资源的短缺已经相当严 重。据预测，中国未来能源供需的缺口将越来越大，2 0 1 0 年我国的石油供 求缺口将在1 亿吨以上，这个数字要占到我国2 0 1 0 年石油需求量的l 3 左 右，相当于科威特一年的总产量。这种对单一能源的过度依赖将对我国可持 续发展战略的实施造成极为不利的影响，必须进行能源结构的合理调整。 为适应日趋严格的汽车排放法规和能源结构调整的要求，开发具有节 能、环保优势的天然气发动机已成为我国汽车工业的发展趋势。 中国拥有丰富的天然气资源，约占世界资源量的1 1 ，这是我国开发天 然气发动机的物质基础和优势所在。经过第二轮油气资源评价，我国的常规 天然气总储量在3 8 万亿立方米左右，最终可探明的天然气地质储量约为2 2 万亿立方米，2 0 0 0 年底已累计探明储量2 6 万亿立方米，占资源总量的6 。 目前在四川、中西部和海上已形成了年产5 0 0 亿立方米的生产能力，2 0 1 0 年将为7 0 0 8 0 0 亿立方米，2 0 2 0 年为1 0 0 0 - - 1 1 0 0 亿立方米。中国大部分 天然气甲烷含量均在9 0 以上，是优质、清洁的汽车代用燃料。 与巨大的天然气储量相比，我国天然气利用率还很低，由于天然气在运 输过程中的复杂性，目前很多地区的天然气与油品价格相差不大，使得燃气 汽车的经济性不能满足用户期望，从而制约了燃气汽车的发展。 我国政府对发展燃气汽车是大力支持的，为推广燃气汽车，主要采取了 两方面措施。一方面，国家启动了“西气东输”工程。随着该工程的逐步实 施，天然气长输管道和加气站等配套设施的进一步建设，油气差价较小的矛 盾将得到解决。另一方面，国家在1 9 9 8 年成立了燃气汽车协调领导小组， 1 9 9 9 年科技部、国家环保总局、国家计委等1 3 个部委开始实施“清洁汽车 行动” 7 1 ，力图通过代用燃料汽车、电动汽车等的研究开发和推广应用，迅 速有效地改善我国城市大气环境质量。截止到2 0 0 2 年底，全国1 2 个清洁汽 车试点示范城市的燃气汽车保有量由1 9 9 9 年3 月的不足l 万辆，上升到1 5 - 3 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 万辆， c n g加气站1 3 0 座。在北京市，近两年来共有 1 6 0 0 多台公交客车采 用美国康明斯公司进口的天然气发动机， 还计划从2 0 0 1 年到2 0 0 5 年新增公 交车 1 万辆，其中9 0 %以上将是以天然气为燃料的车型。 近几年来我国天然气汽车数量增长较快， 但总体上缺乏对天然气发动机 控制技术的系统研究和试验， 使我国在该技术领域与国外水平相比仍有很大 差距， 因此深入开展车用天然气发动机的研究开发， 充分发挥天然气汽车的 技术潜力，己经成为我国天然气汽车工业发展的当务之急。 1 . 2 国内外天然气发动机电控技术的研究概况 由于对发动机日 益严格的节能、 排放等多方面的要求， 除了采用代用燃 料外， 对发动机的调节控制也提出了高精度、 多参数的要求， 采用传统的机 械式燃料喷射系统及点火系统是无法满足上述要求的， 而采用发动机电子控 制技术可以突破传统机械系统控制的弱点， 实现多参数化， 使发动机处于最 佳工况， 从而全面提高发动机的经济性、 动力性，降低排放污染， 大大增强 了天然气发动机的竟争能力。 随着微电子技术的发展， 在柴油机机械式燃油 喷射系统及点火系统逐渐为电子控制系统所代替的趋势下， 天然气发动机的 燃料喷射及点火系统也以 采用电 子控制技术为新的 研究热点 19 天然气发动机气体燃料供给方式以及空燃比控制方法在很大程度上影 响发动机的动力性、 经济性以及排放性， 国外对天然气发动机喷射系统电 控 技术的研究较多，己经开发出以天然气为单一燃料的电控燃料喷射发动机， 其在动力性和经济性方面均有显著提高，而且排放性能也很优越，如美国 c u mmi n s公司的 c系列天然气发动机和日 本本田 汽车公司推出的 c i v i c 系列天然气汽车等。 尤其是进入二十世纪九十年代后， 国外天然气汽车发展 呈现出专业化、 规模化的趋势， 许多国外汽车生产厂纷纷推出装配大功率电 控 c n g发动机的天然气汽车 ( n g v) ，其发动机采用先进的电控技术，具 有强劲的动力和优良的排放性能。例如i v e c o公司最新开发的6 缸9 . 5 升 8 4 6 0 t c c n g发动机采用了电 控多点顺序喷射系统， 功率为1 6 2 k w( 采用涡 轮增压) ， 广泛应用于公交车和垃圾车: 美国c u m m i n s 公司的b 5 .9 - 1 9 5 g 型、日 本的4 b e i 型、美国 卡特彼勒的3 3 0 6 型及福特3 8 0 型、底特律柴油 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 机公司的5 0 g系列等单燃料c n g发动机也都具有上述技术特点， 而底特律 柴油机公司的d d e c 天然气发动机和美国西南研究院研制的h d d n g e中型 天然气发动机等则采用天然气缸内直喷技术 ( n g d i ) 。本田公司研制的 n i s s a n q d 1 8 d e n天然气发动机由 于采用了 顺序多点喷 射技术， 发动机排放 性能的改善非常显著。 图1 - 2 给出的是该天然气发动机电控喷射系统的框图。 压 力 饭 解阴 图1 - 2 n is s a n q d 1 8 d e n天然气发动机电 控喷射系统结构 国外天然气发动机由于不断采用先进电控技术， 不仅有强劲的动力， 而 且排放性能得到更大的改善，表 1 - 2 所示为国外部分c n g发动机的详细技 术指标。 表1 - 2国外部分c n g发动机技术指标 机型 排量 l 功率 k w 燃气供给方式排放性能适用车型 依维柯8 4 6 0 t c 9 . 51 6 2顺序多点喷射欧1 1 以上1 2 米空调车 沃尔沃t h g 1 0 3 9 . 11 8 5电控单点喷射欧1 131 2 米公交车 m an e 2 8 6 61 1 . 91 7 7电控混合器欧1 131 2 米公交车 康明斯b 5 .9 5 . 8 81 4 5电控混合器 us a ( l e v ) 1 0 米空调车 加 wi 公司 6 v9 2 t a 9 . 12 2 4电控缸内直喷 n o x 降低 4 5 % 31 2 米公交车 北京交通大学硕士学位论文第一童绪论 国外天然气发动机的技术特点显示， 随着发动机电控技术的发展， 天然 气发动机供气系统控制由机械调节向电子控制调节方向发展， 当今第三代天 然气发动机技术是以电控喷射为特征， 匹配闭环控制， 并采用专用的三元催 化转化器， 使排放达到欧i i 法规要求或更高的标准1 s 。 天然气发动机电 控 系统采用顺序多点喷射、 缸内直喷、 高能直接点火以及稀燃闭环控制等先进 技术是气体燃料发动机电 控技术的发展趋势。 由于我国对天然气发动机及其电控技术的研究起步较晚， 无论在理论基 础研究方面还是技术应用水平上与国外相比都有很大的差距。 但是在环境保 护成为社会共识之后， 国家加大了对天然气发动机研究的投入， 从而促进了 国内天然气发动机电控技术研究的开展。其中开展研究较早的有天津大学、 北京交通大学、 吉林大学、 北京理工大学和清华大学等科研院所。 北京理工 大学开展了由 汽油机改造的 顺序多点喷射天然气发动机的研究 ， 刀 ，吉林大 学在 1 7 5 f汽油机的基础上进行了电控缸内直喷技术的研究，北京交通大学 自 1 9 9 7年起开展了天然气电控喷射技术和燃气发动机燃烧系统的研究工 作，1 9 9 9 年开始进行公交车用柴油机改为单燃料c n g电喷发动机的研究 工作3 1 。虽然这些研究工作取得了一定的 试验研究成果和开发经验， 但总 体来说国内 对天然气发动机电控技术的研究还处于电控混合器的研究完善 阶段， 单燃料天然气发动机的整体电控技术， 特别是大功率天然气发动机电 子控制技术方面与国外同行业水平相比尚有较大的差距。 国内对天然气发动机的产业化开发才刚刚开始， 天然气发动机多数是在 现有柴油机或汽油机上进行简单改装而成的， 大部分改装的天然气发动机采 用控制精度不高的机械式控制系统，性能较好的电控系统需要从国 外进口， 价格很高， 使天然气发动机无价格优势， 未能形成批量生产能力，限制了我 国天然气发动机的推广应用。国内市场迫切需要大功率、低排放的单燃料 c n g发动机， 特别是满足欧i ii 排放法规的大功率c n g发动机。 1 . 3 论文的主要内容及选题意义 本文的研究工作是国家 “ 十五”科技攻关项目“ 电控喷射单燃料 c n g 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 公交车研究开发”的部分研究内容，该项目 是在“ 九五” 科技攻关项目“ 大 型公交车用柴油机改为单一燃料天然气 ( c n g )电喷发动机研究与开发” 的基础上， 借鉴当前国际上先进的燃气发动机生产制造技术， 通过采用多点 顺序喷射、 稀薄燃烧、 排气再循环、增压中冷等多种先进技术， 进行公交车 用大功率c n g发动机的开发。 该项目 开发的wt 6 1 5 型 c n g发动机具有自 主知识产权，该机能实现c n g多点顺序喷射控制及高能点火控制，同时通 过采用天然气稀薄燃烧等技术，进一步完善c n g发动机的排放性能，使开 发机型满足欧m排放法规要求，达到国际同类先进机型的水平。 开展本论文研究工作将进一步深化系统控制理论、 汽车电子学等学科在 车用天然气发动机控制领域的基础理论研究工作， 为电控系统的进一步完善 奠定理论基础。 其次，对具有自 主知识产权的增压单燃料c n g发动机电控系统的开发 不仅可以 促进我国汽车工业的技术进步， 同时可实现国内 低排放天然气发动 机机型的新突破， 并使低排放天然气发动机迅速走向国内市场， 满足市场需 求。因此，本论文的研究工作具有明 显的学术意义和实用价值。 本文主要完成该课题中增压单燃料c n g发动机的电 控多点顺序喷射系 统及电控高能点火系统的研究与开发工作，具体研究工作包括: 在分析 c n g发动机整机特性的基础上，提出了c n g发动机电控多点 顺序喷射系统及电控高能电子点火系统的总体设计方案， 完成了电控多点顺 序喷射系统及电 控高能电 子点火系统的结构设计， 并在对供气系统和点火系 统主要部件特性分析的基础上，完成选型设计。 对c n g发动机电 控系统的主控芯片、 传感器及执行器进行选型， 进行 了c n g发动机电控系统的e c u的开发工作，采用标准化开放式设计方法 进行了e c u硬件系统设计，应用模块化设计方法开发了c n g电控系统的 实时控制软件，并对软、硬件进行了可靠性设计。 完成电控系统与c n g发动机的初步匹配试验工作，并对台架试验的结 果进行了分析研究。 北京交通大学硕士学位论文第二 章增压单燃料c n g发动机电控系统总体设计方案 第二章增压单燃料 c n g发动机电控系统总体 设计方案 2 . ， 增压电控单燃料c n g发动机总体构成 按照使用燃料的种类不同，天然气发动机分为单一燃料天然气发动机、 天然气一汽油两用燃料发动机及柴油一天然气双燃料发动机三种。 到目 前为 止，国内的车用天然气发动机都是将原有的汽油机或柴油机进行改装而成 的， 按天然气的燃烧特点专门设计、 制造的发动机还比较少。 无论是汽油机 或柴油机改造成天然气发动机都有两种改装方式: 一种是保留原有汽油或柴 油供给系统， 再增加一套天然气供给系统而改装成为可切换燃料的两用燃料 发动机或以柴油引燃的双燃料发动机; 另一种则完全去掉汽油或柴油供给系 统而改装成为完全以天然气为燃料的天然气发动机。 如果以柴油机改装成单 燃料天然气发动机，从压燃式改为点燃式，还必须增加一套点火系统。 本文研究的天然气发动机是以潍坊柴油机厂生产的wd 6 1 5 增压柴油机 改装成的增压单燃料多点顺序喷射c n g发动机，采用了稀燃技术。由 于本 文的原型机是柴油机，改装成c n g发动机去掉了原机的柴油供给与喷射系 统，增加c n g燃料供给系统和点火系统， 并综合考虑发动机的 排放性、 动 力性以及经济性要求，对进气系统进行了必要的改进。 新机型的主要技术指标如表2 - 1 所示: 表2 - 1发动机技术参数 发动机型号w t6 1 5 类型水冷直列四冲程千缸套 气缸直径 1 2 6 mm 活塞行程1 3 0 mm 额定功率 1 8 0 k w 北京交通大学硕士学位论文第二章增压单燃料c n g发动机电控系统总体设计 方案 最大扭矩9 0 0 nm ( 1 4 0 0 r / m ) 额定转速2 2 0 0 r / m 最高空转转速-2 3 0 0 i / m 空载最低稳定转速共8 0 q r / m 进气门开 、 _ _ _ 洲 尸 上止点前2 0 进气门闭下止点后2 6 0 排气门开下止点前 4 9 0 排气 门闭上止点后 5 . 排放性能满足欧m排放法规 2 . 1 . 1 空气供给系统的改装方案 空气供给系统简称为进气系统。 天然气在发动机内 燃烧时， 需要一定 数 量的空气，进气系统的功能就是为发动机可燃混合气的形成提供必需的空 气，并侧量出进入气缸的空气量。 由于天然气发动机的充气效率比原型机低，为了恢复发动机的动力性 能， 在发动机的改装中， 在进气系统中增加了涡轮增压器。 为了降低最高燃 烧温度， 本文在原机进气系统的基础上增加了增压空气中间冷却系统 ( 中冷 器) 。通过对增压后的空气进行冷却，降低了进气温度，从而可以降低最高 燃烧温度，将有利于降低排气中的n o x a 单燃料天然气发动机的燃烧过程为均质燃烧， 进入气缸的混合气的空 燃 比必须在可燃范围 ( 着火界限)内; 混合气过浓或过稀，电火花放电之后都 难以形成火焰中心及火焰传播。 因此， 为了将混合气空燃比 控制在着火界限 内， 在发动机的改装过程中， 在进气总管上安装了节气门， 使发动机负荷调 节方式由原柴油机的质调节方式改变为量调节。 当发动机怠速运转时， 如果空调压缩机等负载变化， 就会引起怠速转速 发生波动， 为了能够使怠速转速稳定， 在节气门 上加装了怠速旁通阀， 其功 能就是通过调节发动机怠速时的进气量来调节怠速转速。 北京交通大学硕土学位论文第二童增压单燃料 c n g发动机电控系统总体设计 方案 2 . 1 . 2 燃料供给系统设计 发动机燃料供给系统向发动机提供混合气燃烧所需的燃料量。 天然气发 动机的燃料供给系统对天然气发动机的综合性能提高起到至关重要的作用， 所以燃料供给方式的选择在天然气发动机改造技术中是一个很重要的环节。 对于天然气发动机， 其燃料供给系统按控制方式可分为进气总管混合器 方式、 进气总管单点喷射方式、 进气歧管多点喷射方式以及缸内直喷式等几 种方式。 混合器式天然气供给系统是燃气机发展初期的一种燃料供给系统， 一般 是在带化油器的汽油机改装成的汽油一 天然气两用燃料发动机或由柴油机改 装成的双燃料发动机上采用。 其原理是利用混合器前后的压力差来控制天然 气量， 并使天然气与空气在进气总管中以一定的比例混合成可燃棍合气， 然 后分配到各个气缸。 该系统具有汽油机的供气特征， 其供气装置结构简 单， 成本低， 容易改装， 并可使发动机的排放性能有一定的改善， 其不足之处在 于系统对天然气供给量的控制精度不高， 不能准确地控制空燃比， 发动机排 放性能改善有限， 并且由于发动机充气效率降低， 因而影响了发动机的动力 性和经济性。 进气管单点喷射系统。 又称为节气门体喷射系统。 其特点是在多缸发动 机上只用一个天然气喷射阀 安装在节气门体的上方， 在进气管的一处将天然 气直接喷入进气管中， 并与进气气流混合形成可燃混合气， 再通过进气歧管 分配到各个气缸。 单点喷射系统具有安装简单及成本低等特点， 对天然气的 控制精度比混合器供气方式的控制精度高， 可以使发动机的排放性能得到一 定的改善， 并且具有较好的经济性。 但它与混合器供气方式一样也存在着燃 气通道传播延迟较长以及对空气充量系数影响较大的缺点， 从而影响了发动 机整体排放指标的提高。 多点喷射系统是指在发动机每个气缸进气门前方的进气歧管上均安装 一个天然气喷射阀的燃料喷射系统。 发动机工作时， 燃料适时地喷射在进气 门附近的进气歧管内， 空气与燃料在进气门附近形成混合气。 该系统是一种 较进气道馄合器供气系统更先进的供气系统。 由于燃料喷射阀安装在各缸进 北京交通大学硕士学位论文第二章增压单燃料c n g发动机电控系统总体设计方案 气岐管靠近进气门处， 可实现对每一缸的定量供气和层状进气， 从而可根据 发动机转速和负荷更准确地控制对发动机性能有重要影响的空燃比指标， 实 现稀薄混合气燃烧， 使发动机的动力性、 经济性以及排放性能都得到很大的 改善。同时， 还可以减轻和消除由于气门重叠角的存在， 燃气直接逸出而导 致的排放恶化和燃料浪费等不良 影响， 另外， 多点喷射可以在一定程度上降 低燃气供给对发动机空气充量的影响。 缸内直喷系统将燃料喷射阀安装在气缸盖上， 并以较高的压力将燃料直 接喷入气缸。 该方式可实现燃料供给的质调节， 具有和缸外喷射方式相同的 优点， 并且它对空气充量几乎没有影响， 能部分地恢复天然气发动机的功率， 但其系统结构复杂， 需对发动机燃烧系统作较大的改动， 同时由 于喷射阀 处 于极恶劣的工作环境，对阀的密封、润滑和可靠性提出 很高的要求。 考虑到目 前我国的工业水平和加工工艺水平， 由于缸内直喷方式对天然 气喷射系统、 缸内流动混合及燃烧控制的要求较高， 特别是燃气喷射阀装于 气缸盖上对其耐高温和高压性能要求很高， 在目 前仍然是制约实现缸内 直喷 的主要因素，所以目 前柴油机改装单燃料c n g发动机一般采用进气管多点 喷射方式。 多点喷射方式可以对发动机各缸的进气量进行较为精确的控制， 其空燃 比控制精度比单点喷射的高， 更有利于组织缸内燃烧过程， 而且控制也比单 点喷射灵活， 减少了进气过程中各缸的相互干扰。 多点燃料喷射装置按各缸喷射起始时刻的不同， 又可分为同时喷射、 分 组喷射和顺序喷射等三种方式。 同时喷射在发动机运行的每个工作循环向 所 有气缸同时喷射一次或两次燃气，它不需要判缸信号，喷射控制较为简单。 分组喷射是把所有喷射器分成两组或三组， 发动机一转只有一组喷射， 各组 轮流进行喷射， 喷射时需要判缸信号。 顺序喷射是各缸分别按各自 的发火顺 序进行独立喷射， 四冲程发动机每工作循环每缸喷射一次， 喷射时需要有判 别向哪一缸喷射的判缸信号。 同时喷射虽然控制较简单， 但各缸喷射时刻不 能达到最佳， 造成各缸混合气品质不均匀; 分组喷射中混合气品质好于同时 喷射， 但依然不能达到准确控制; 顺序喷射可实现喷射时刻和喷射持续时间 的精确控制， 可以使空燃比的稀限扩大， 实现一定程度的 稀薄燃烧， 有利于 北京交通大学硕士学位论文第二章增压单燃料c n g发动机电控系统总体设计方案 降低发动机的排放特性，并改善发动机的燃料经济性。 根据以上分析，本论文开发的天然气发动机取消了原柴油机的燃油供给 系统及喷油泵、喷油器等零部件，增加了c n g供气系统，采用进气阀处喷 射供气方式， 将天然气喷射阀安装在进气管根部， 这样喷射阀不直接受气缸 内高温高压作用， 使其设计与制造容易进行，同时也容易安装， 无须对发动 机结构做大的改动， 便于实用化且成本低。 控制方式采用多点顺序喷射方式， 由软件严格控制天然气喷射量和喷射始点与进排气门及活塞运动的相位关 系， 实现对每一个气缸定时定量供气， 并根据发动机转速和负荷大小准确地 控制空燃比。 过滤器电磁阀 总控阀 _电控单元 手动 i周 高压 气瓶 发 动 机 图2 - 1 c n g发动机燃气供给系统61 改装后的天然气发动机燃气供给系统如图2 - 1 所示。由图可见， 单燃料 天然气发动机燃气供给系统主要由高压气瓶、总控阀、 过滤器、电磁阀、 减 压阀、 燃料喷射阀、电控单元 ( e c u ) 和相应的管路等组成。 压缩天然气以 2 0 mp a 的压力储存在c n g储气瓶内，发动机工作时，打开气瓶手动阀门， c n g从储气瓶内流出， 流过总控阀， 并经过过滤器滤去气体燃料中的杂质， 以防止杂质被带入减压阀和天然气喷射器使之无法正常工作。 天然气流经减 压阀减压至所要求的低压， 进入气轨， 最后在电控单元的控制下通过气轨上 的高速电磁阀喷入进气管的根部， 在进气管内天然气与空气混合， 随着进气 北京交通大学硕士学位论文第二章灌压单燃料 c n g发动机电控系统总体设计方案 门的开启， 混合后的气体被吸入气缸内。 在压缩过程中天然气与空气在气缸 中进一步混合，当活塞运行到压缩上止点时，火花塞点火引燃缸内混合气。 天然气喷射器安装在发动机进气管根部， 节气门是一个安装在进气管内的蝶 形阀，它用来调节不同工况下的空气进气量。 2 . 1 . 3 点火系统设计 由于天然气在常压下的着火温度为5 3 7 0c ，比柴油和汽油都高出很多， 所以单燃料天然气发动机不能采用压燃方式， 只能采用火花点火方式， 必须 在发动机中增加点火系统。根据天然气发动机热负荷高并且稀薄燃烧的特 点，点火系统应产生足以 击穿火花塞间隙的电压，并有足够的点火持续期， 点火时刻必须与发动机的工况相适应， 这些对发动机性能和工作的可靠性十 分重要。 点火系统是由点火控制系统和点火执行装置两大部分组成， 点火执行装 置主要包括点火线圈和火花塞，点火控制系统是基于微控制器的 e c u 。 点 火系统的作用是在适当的时刻点燃被压缩的混合气。 点燃式发动机点火形式 分为: 双燃料点燃式和火花点火式， 其中双燃料方式是由柴油引燃， 火花点 火式又可分为机械式及电子控制式等。 传统发动机采用的是机械式火花点火 装置， 它是靠装在分电器内的由飞块构成的离心式提前装置和靠进气管真空 度控制的真空点火提前装置来控制点火定时， 只能实现简单的点火提前角控 制。 新型的电 控点火系统由 于具有可精确控制点火定时的特性， 日 益受到 人 们的青睐。 电 控点火系统可分为模拟电子控制点火系统、 微机有分电器电子 点火系统和微机无分电器电 子点火系统等。 目 前国内的 汽油机点火系统多为 模拟电子控制点火系统， 先进的取消分电 器的e c u控制直接点火系统虽然 在新型车用发动机中处于上升趋势，但目 前在国产发动机中采用还较少。 分电器式点火系统在点火线圈的一次线圈上存储磁能， 点火时断电器触 点断开， 切断电流， 磁场消失， 从而在二次线圈上感应出点火所需的高电 压。 这一高电压经过高压线输送到分电器，再经过分电器分配到各个火花塞上， 击穿电极间的气隙产生火花， 将混合气点燃。 分电器式点火系统主要存在着 电器触点容易烧蚀， 点火不可靠， 次级绕组电压随发动机转速的提高及气缸 北京交通大学硕士学位论文第二童增压单燃料c n g发动机电控系统总体设计方案 数目的增加而下降， 容易造成高速缺火现象， 分电器凸轮及触点臂顶块等零 部件的加工误差及磨损会影响点火的精度等问题。 为了弥补这些缺陷， 出现了取消分电器的晶体管辅助触点式和无触点式 点火系统等多种新型电子点火系统。 在晶体管辅助触点点火系统中， 触点接 到三极管的基极，触点电流比分电器式点火系统中的触点电流减小了许多， 但是由于触点还存在， 点火性能仍然不是