葛文慶，劉 梁，孫賓賓，常思勤

(1.山東理工大學(xué)機械工程學(xué)院，山東淄博 255049;2.南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇南京 210094)

使用新型燃料替代石油基燃料，改善內(nèi)燃機的節(jié)能環(huán)保性能成為內(nèi)燃機的重要發(fā)展方向之一。天然氣和液化石油氣等作為高品質(zhì)氣體燃料，近年來在發(fā)動機上的應(yīng)用得到了發(fā)展，而煤層氣、高爐煤氣和沼氣等熱值較低的氣體燃料由于來源豐富和基于能源合理利用的需求，也得到了越來越多的關(guān)注［1-4］。但在實際應(yīng)用中，氣體燃料(特別是低熱值氣體燃料)發(fā)動機存在進氣管回火和掃氣階段氣體燃料流失等問題［1］，應(yīng)對其混合氣量和空燃比進行精確控制以實現(xiàn)發(fā)動機穩(wěn)定可靠地運行。筆者應(yīng)用電控噴射裝置進行氣體燃料發(fā)動機的試驗研究，驗證技術(shù)方案的可行性。

1 試驗裝置

為實現(xiàn)氣體燃料噴射量的精確控制，氣體燃料的供給采用多點順序間歇噴射方式［5-9］，噴射裝置分別安裝在發(fā)動機每個氣缸的進氣歧管上，根據(jù)發(fā)動機的運行工況實時、獨立地調(diào)節(jié)各工作氣缸的燃氣供給量。

氣體燃料電控噴射裝置如圖1所示，主要由電磁直線執(zhí)行器［10］和菌型氣門組成。菌型氣門［11］具有較大的流通截面積，從而保證發(fā)動機的大流量要求［12］。電磁直線執(zhí)行器作為驅(qū)動元件，其輸出軸直接與菌型氣門相連，通過控制電磁直線執(zhí)行器的工作電流，實現(xiàn)菌型氣門的開啟和關(guān)閉規(guī)律。

圖1 氣體燃料電控噴射裝置Fig.1 Electronically controlled gas fuel injection device

試驗臺是在一臺12缸天然氣發(fā)電機組的基礎(chǔ)上改進完成的，發(fā)動機的主要參數(shù)如下:缸徑D=190 mm，行程S=210 mm，功率P=600 kW，額定轉(zhuǎn)速n=1000 r/min。試驗裝置主要由氣體燃料管路、電控噴射裝置及其控制器、點火系統(tǒng)及其控制器、發(fā)動機控制/監(jiān)控平臺、氣體燃料發(fā)動機、發(fā)電機及其監(jiān)控平臺和負(fù)載電阻等組成，如圖2所示。發(fā)動機的燃料通過管道天然氣供給，通過減壓閥將燃氣壓力降至0.18 MPa，并經(jīng)過穩(wěn)壓箱進行穩(wěn)壓后供應(yīng)給發(fā)動機。

發(fā)動機控制/監(jiān)控平臺主要實現(xiàn)系統(tǒng)燃氣總開關(guān)控制、發(fā)動機的起動電機控制、潤滑和冷卻系統(tǒng)控制以及發(fā)動機運行狀態(tài)監(jiān)控和報警等功能。在發(fā)動機的實際運行過程中，通過缸體溫度傳感器、排氣溫度傳感器和磁電式轉(zhuǎn)速傳感器對發(fā)動機的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，并對發(fā)動機的每個工作氣缸的缸體溫度和排氣溫度進行檢測，以觀察各缸的工作均勻性。

電控噴射裝置控制器根據(jù)發(fā)動機目標(biāo)轉(zhuǎn)速以及采集的發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號和凸輪軸相位信號計算得到需要的噴射脈寬，對電控噴射裝置的氣門運動進行精確控制，從而實現(xiàn)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。電控噴射裝置控制器通過通信端口和PC之間建立通信關(guān)系，向PC發(fā)送電控噴射裝置的實際運行狀態(tài)(包括瞬態(tài)氣門升程和控制電流)，并接收來自于PC的控制指令?？刂破饔嬎愕玫降膰娚涿}寬為各缸統(tǒng)一的噴射脈寬，在發(fā)動機的實際運行過程中，受到管路壓力波動等因素的影響，各缸工作具有一定的不均勻性，觀測發(fā)動機控制/監(jiān)控平臺的缸溫和排氣溫度信號，通過PC監(jiān)控平臺發(fā)送噴射脈寬修正信號，對各缸均勻性進行補償修正。為了全面地分析電控噴射裝置對氣體燃料發(fā)動機燃燒過程的影響，電控噴射裝置控制器還采集了第12缸的缸內(nèi)壓力信號。

圖2 發(fā)動機試驗裝置Fig.2 Engine test-bed

2 試驗結(jié)果及其討論

2.1 發(fā)動機起動及怠速試驗

氣體燃料發(fā)動機的起動過程控制發(fā)動機從停機狀態(tài)切換到怠速狀態(tài)，是發(fā)動機工作必經(jīng)的一個瞬態(tài)過程。起動過程以怠速轉(zhuǎn)速為發(fā)動機控制的目標(biāo)，起動電機可帶動發(fā)動機轉(zhuǎn)速至約200 r/min，實際控制程序中設(shè)定當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速大于100 r/min時電控噴射裝置開始工作，隨著各個氣缸按照發(fā)火順序開始工作，發(fā)動機轉(zhuǎn)速開始上升。圖3給出了發(fā)動機起動過程的轉(zhuǎn)速變化曲線。怠速目標(biāo)轉(zhuǎn)速為700 r/min，從圖中可以看出，發(fā)動機起動過程平穩(wěn)，起動時間為7 s。怠速運轉(zhuǎn)時發(fā)動機的轉(zhuǎn)速波動約為±30 r/min，可見氣體燃料發(fā)動機在應(yīng)用電控噴射裝置時具有良好的平穩(wěn)性。

圖3 發(fā)動機起動過程轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.3 Speed change of engine start process

2.2 各缸均勻性的調(diào)整

發(fā)動機各缸制造誤差的差異和進氣系統(tǒng)的壓力波動都會引起各缸工作不均勻，從而使發(fā)動機轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)不均勻的波動。發(fā)動機工作過程中的缸體溫度可以反映各缸的均勻性。試驗過程中，對各缸缸溫進行實時監(jiān)控，通過PC監(jiān)控平臺向電控噴射裝置控制器發(fā)送控制指令，增加實測缸溫偏低的氣缸的供氣量，同時對實測缸溫偏高的氣缸減小供氣量。圖4給出了調(diào)整前后的缸溫。試驗表明，供氣量的調(diào)節(jié)可以有效地調(diào)整各缸均勻性，使各缸的缸溫保持在平均值±20 K的范圍內(nèi)。

圖4 發(fā)動機各缸均勻性調(diào)節(jié)Fig.4 Tuning of cylinder by cylinder uniformity

2.3 增減負(fù)荷時的轉(zhuǎn)速控制

發(fā)動機的額定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，從怠速工況開始控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速逐步上升，設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速分別為800、900和1000 r/min。實測的發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化曲線如圖5所示。試驗表明，當(dāng)發(fā)動機目標(biāo)轉(zhuǎn)速變化時，電控噴射裝置可以快速響應(yīng)，實現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速的跟隨。

當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1 000r/min時，對發(fā)電機組合閘加載，通過改變負(fù)載電阻來調(diào)節(jié)負(fù)荷。負(fù)載電阻為成組形式加載，每次變化25 kW，無法實現(xiàn)連續(xù)可調(diào)，加載過程中負(fù)荷為突然變化，且加載時應(yīng)保持發(fā)動機轉(zhuǎn)速不變。當(dāng)發(fā)動機負(fù)荷增加時，隨著燃氣噴射量的增加，減壓閥并不能保證燃氣壓力的恒定，而呈現(xiàn)壓力下降的趨勢;但從圖5可以看出，在加載和卸載過程中，發(fā)動機轉(zhuǎn)速均未出現(xiàn)明顯的波動，表明氣體燃料電控噴射裝置反應(yīng)迅速，有較強的供氣量調(diào)節(jié)能力。

圖5 增減負(fù)荷時的發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.5 Engine speed curve while load changing

2.4 示功圖的測試結(jié)果

發(fā)動機空載時第12缸在不同轉(zhuǎn)速下的示功圖見圖6。試驗結(jié)果表明，在相同負(fù)荷和點火提前角的條件下，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速增加，相同曲軸轉(zhuǎn)角對應(yīng)的持續(xù)時間縮短，導(dǎo)致點火時刻提前，缸內(nèi)氣體峰值壓力逐漸增大，峰值壓力的出現(xiàn)位置也越靠近上止點。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下的發(fā)動機示功圖Fig.6 Indicator diagram at different engine speed

圖7為額定轉(zhuǎn)速下不同負(fù)荷時的發(fā)動機第12缸示功圖。由試驗結(jié)果可知，在額定轉(zhuǎn)速下，缸內(nèi)氣體峰值壓力隨發(fā)動機負(fù)荷的增加而增大，峰值壓力出現(xiàn)的時刻也隨負(fù)荷的增加而提前。這是由于負(fù)荷增大使缸內(nèi)殘余廢氣量減小，同時影響點火時刻的缸內(nèi)氣體狀態(tài)，縮短著火延遲期，相當(dāng)于點火提前，引起較高的缸內(nèi)氣體峰值壓力。

圖8為額定轉(zhuǎn)速下發(fā)動機輸出功率為140 kW時第12缸連續(xù)10個工作循環(huán)的缸內(nèi)壓力曲線。通過對缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析得到峰值壓力循環(huán)波動率約為3%，表明發(fā)動機燃燒過程循環(huán)變動小，燃燒過程平穩(wěn)。

圖7 不同負(fù)荷下的發(fā)動機示功圖Fig.7 Indicator diagram at different engine load

圖8 試驗缸內(nèi)壓力曲線Fig.8 Pressure curve of experimental cylinder

3 電控噴射裝置應(yīng)用

氣體燃料電控噴射裝置的應(yīng)用為改善大功率發(fā)動機的性能提供了可能性，與應(yīng)用單點或多點連續(xù)供氣方式的發(fā)動機相比較，應(yīng)用多點順序間歇供氣方式可以通過加大發(fā)動機掃氣重疊角和提高壓縮比進一步改善發(fā)動機性能。

在連續(xù)供氣方式的發(fā)動機中，用于掃氣的是混合氣，受到燃料流失以及進氣管回火可能性的限制，只能取較小的掃氣重疊角。應(yīng)用電控噴射裝置可以實現(xiàn)應(yīng)用純空氣掃氣，使較大的發(fā)動機掃氣重疊角的應(yīng)用成為可能，可以更好地清除缸內(nèi)的殘余廢氣，降低燃燒室內(nèi)部以及壁面溫度，為下一工作循環(huán)的混合氣形成和燃燒提供良好的條件。加大發(fā)動機掃氣重疊角，通過電控噴射裝置精確地調(diào)節(jié)發(fā)動機混合氣濃度可以降低爆震燃燒的可能性，從而為提高發(fā)動機的壓縮比提供可能，進一步改善發(fā)動機的經(jīng)濟性能。

4 結(jié)論

(1)用氣體燃料電控噴射裝置實現(xiàn)了大功率氣體發(fā)動機的燃料多點順序間歇供給。

(2)應(yīng)用電控噴射裝置可以實現(xiàn)發(fā)動機的良好起動性能和運行穩(wěn)定性，通過供氣量的調(diào)節(jié)可以有效地調(diào)整各缸均勻性，發(fā)動機燃燒過程循環(huán)變動小，燃燒過程平穩(wěn)，電控噴射裝置反應(yīng)迅速，有較強的供氣量調(diào)節(jié)能力。

(3)在進一步的應(yīng)用中，可通過增大發(fā)動機掃氣重疊角和提高壓縮比開展發(fā)動機的性能改善研究。

［1］ 單沖.低熱值氣體燃料發(fā)動機的試驗研究［D］.北京:北京交通大學(xué)機械與電子控制工程學(xué)院，2011.SHAN Chong.The research on the performances of the low heating value gas fuel engine［D］.Beijing:School of Mechanical，Electronic and Control Engineering in Beijing Jiaotong University，2011.

［2］ 丁翔.低熱值煤氣分級著火燃燒技術(shù)及其應(yīng)用研究［D］.武漢:華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，2009.DING Xiang.Research on stepped ignition combustion technology and its application for low heat value gas［D］.Wuhan:School of Energy and Power Engineering，Huazhong University of Science and Technology，2009.

［3］ ZUO Cheng-ji，QIAN Ye-jian，TAN Jian，et al.An experimental study of combustion and emissions in a sparkignition engine fueled with coal-bed gas［J］.Energy，2008，33(3):455-461.

［4］ PARK Cheolwoong，PARK Seunghyun，LEE Yonggyu，et al.Performance and emission characteristics of a SI engine fueled by low calorific biogas blended with hydrogen［J］.Hydrogen Energy，2011，36(16):10080-10088.

［5］ 劉興華，陳永義，李鐵栓.天然氣發(fā)動機多點順序噴射技術(shù)的開發(fā)研究［J］.內(nèi)燃機工程，2003，24(3):16-19.LIU Xing-hua，CHEN Yong-yi，LI Tie-shuan.Development of an electronically controlled multi-point sequential injection CNG engines［J］.Chinese Internal Combustion Engine Engineering，2003，24(3):16-19.

［6］ CZERWINSKI Jan，COMTE Pierre，ZIMMERLI Yan.Investigations of the gas injection system on a HD-CNG-Engine［C］//SAE International.SAE Technical Paper Series.Warrendale PA:SAE International，2003:2003-01-0625.

［7］ KAIADI Mehrzad，TUNEST?L Per，JOHANSSON Bengt.Closed-loop combustion control for a 6-cylinder port-injected natural-gas engine［C］//SAE International.SAE Technical Paper Series.Warrendale PA:SAE International，2008:2008-01-1722.

［8］ 卜海永.電控液壓可變?nèi)細忾T的設(shè)計開發(fā)［D］.濟南:山東大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，2010.BU Hai-yong.Design and development of the electronically controlled hydraulically actuated variable valve system［D］.Jinan:School of Energy and Power Engineering，Shandong University，2010.

［9］ 杜喜云.電控多點噴射天然氣發(fā)動機的開發(fā)［D］.長春:吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院，2007.DU Xi-yun.Development of electronic controlled multipoint injection CNG engine［D］.Changchun:College of Automotive Engineering，Jilin University，2007.

［10］ 常思勤，劉梁.高功率密度的動圈式永磁直線電機:中國，CN101127474B［P］.2010-07-14.

［11］ 常思勤，葛文慶.一種氣體燃料電控噴射裝置:中國，201110332554.8［P］.2011-10-28.

［12］ 葛文慶，常思勤，孫賓賓，等.一種大功率發(fā)動機氣體燃料電控噴射裝置的流量特性研究［J］.南京理工大學(xué)學(xué)報，2012，36(4):699-673.GE Wen-qing，CHANG Si-qin，SUN Bin-bin，et al.Flow characteristics of electronically controlled gas fuel injection device for heavy-duty engine［J］.Journal of Nanjing University of Science and Technology，2012，36(4):699-673.