基于喷射动力学的压缩天然气多点喷射系统开发

[摘要] 燃料喷射动力学模型较好地给出了精确控制发动机燃料供给的主要控制参数。本文介绍了应用燃料喷射动力学模型,在原车汽油控制单元控制数据的基础上开发压缩天然气—汽油两用燃料汽车的天然气多点喷射系统,达到了在满足排放要求的前提条件下，有效减少动力损失并达到较好的燃料经济性。

[关键词] 燃料喷射动力学模型；压缩天然气；两用燃料；多点喷射；动力损失

目前在汽车上使用的压缩天然气单燃料或汽油—压缩天然气两用燃料系统多采用混合器预混合式或者稍微先进点的多点喷射式燃料供给方式，这样不仅不能达到与原来的燃用汽油相比降低排放污染物之目的，而且还会使排放进一步恶化，发动机的动力性显著下降，同时燃料经济性没有得到应有的发挥。本文介绍了基于燃料喷射动力学模型的压缩天然气多点喷射系统的开发，通过采集发动机的运行状况参数和精确计算、修正及补偿压缩天然气的喷射量和喷射时刻，在满足排放法规的基础上，达到最好的动力性和燃料经济性。

1 燃料喷射动力学模型介绍

四冲程火花塞点火非直喷发动机有3个状态变量：进气歧管内的空气质量或者是进气歧管内的空气压力，进入燃烧室的燃料质量流动速率和发动机转速。

第一个状态变量，即进入进气歧管内的空气质量流动速率可用如下模型表示

（1）

为进入进气歧管内的空气质量流动速率； 为最大的空气质量流动速率； 为标准化油门特性； 为标准化压力比影响函数，即进气歧管内的空气压力对大气压力比的函数。

第二个状态变量，即进入燃烧室的燃料质量流动速率。对于非直喷的发动机，我们考虑燃料从进气歧管喷入，并且喷入进气歧管的燃料全部进入燃烧室。这时考虑燃料喷射系统两个因素：喷射器的滞后和燃料在输送过程中的延迟，于是可建立燃料喷射过程的动力学模型

（2）

为进入燃烧室的真实燃料速率； 为控制单元发出指令所要求的燃料质量流动速率； 为有效燃料供应时间，它考虑了上述喷射系统的滞后因素，可用以下模型表示

（3）

λ为空燃比，为可控参数；n为发动机转速，即第3个状态变量[1]。

对于式（1）中，若某款已经定型的发动机，其油门特性已经确定，当油门开度最大时， 和 都为固定值，因此 就是全油门时的发动机进气空气质量流动速率，它表征了发动机的外特性状态。由式（3）可知：控制单元所要求的燃料喷射量 可由一个状态量发动机转速n和2个控制量：空燃比λ和有效燃料供应时间τf来决定。

2 压缩天然气供给系统介绍

点燃式发动机目前普遍使用汽油为燃料，其燃烧产物中的有害成分所带来的环保问题已经为人类所重视，同时人类正面临着能源危机，于是人们纷纷研究并已经开始使用清洁能源和替代能源。作为燃烧特性与汽油比较接近，燃烧产物比汽油环保，价格相对低廉的天然气已经在一定范围内作为汽车替代燃料进行使用。人们已经对汽油—压缩天然气两用燃料车进行研究、开发、制造并使用，目前常见的有混合器预混合式和多点喷射式天然气供给系统。

2.1 混合器预混合式压缩天然气供给系统

混合器预混合式压缩天然气供给系统只是简单地将压缩天然气进行减压，直接经由节气门前的混合器与空气进行混合后由发动机吸入气缸内进行燃烧，与汽油“化油器”相类似，具体见图1。由式（3）可知该天然气供给系统完全并未对燃料喷射量 的2个控制量：空燃比λ和有效燃料供应时间τf进行控制。

图1 混合器预混合式压缩天然气供给系统

这种混合气生成方式无法保证进入气缸内的混合气能够实现均质燃烧，无法确保其燃烧产物达到环保要求，也不能得到较好的燃气经济性，未能充分发挥天然气燃料的优势；而且容易在气缸内部形成积碳和不正常燃烧，影响发动机的输出特性，特别是动力性下降较严重，功率损失一般在15%左右，扭矩损失在10%左右，热效率低，尤其在低速中小负荷工况燃料利用率低。由于天然气是气态，当采用混合器预混合供气方式时，天然气就会占据进入气缸的部分空气量，使得充气系数比使用汽油液体燃料大约降低10%，使发动机功率及扭矩有所下降[2]。还由于天然气密度比空气小，进气管内的天然气很容易漂浮在进气管内壁的上表层，容易产生回火，甚至发生爆炸等危险。

2.2 多点喷射式天然气供给系统

多点喷射式天然气供给系统是一种较混合器预混合式更进一步的供气系统（如图2）。

该系统是将气体喷射器布置在各缸进气歧管靠近进气门的前端，可以对每一缸进行定时定量供气，通常叫多点气体喷射系统。它实现了对天然气供给进行质的控制，使天然气在气缸中得到较充分地燃烧，使它作为气体燃料的燃烧特性和低排放特性得到较好地发挥，因而一定程度上改善了天然气发动机的动力性（比汽油约降低8%）、排放水平（一般实车可达到EURO-Ⅱ）和经济性。该系统对天然气行分缸供给，相比混合器预混合式可以减轻和消除由于气门重叠角存在所造成的燃气直接溢出、恶化排放和燃料浪费的问题，而且可以有效地解决发动机回火进而导致进气管爆炸等问题。该系统在进气门前端进行喷气，可以降低供气对进气冲量的影响（与汽油相比下降6%～8%）[2]，提高了充气效率，因而发动机的输出特性也有所提高。

图2 多点喷射式压缩天然气供给系统

多点喷射式天然气供给系统仅仅将发动机原来的汽油信号简单地转换成喷气信号，即CNG控制单元只采集原控制单元的喷油信号，然后根据天然气与汽油的热值换算关系，未经任何的修正而将喷油量转换成相应的喷气量并指示燃气喷射器向发动机各缸喷气；同样喷射正时也是直接沿用原来的汽油喷射正时信号，空燃比控制也直接沿用原来的汽油燃料的控制策略。气体燃料的天然气与液体燃料的汽油相比，其燃料特性和燃烧特性有较大的差异，它们的物相、热值、辛烷值、着火极限、着火点、火焰传播速度以及燃烧温度和燃烧产物等均有所不同[2]，因此它们的控制参数：空燃比λ和燃料供应时间τf应有所不同。从式（3）可以知道，该多点喷射式天然气供给系统未对天然气供给进行精确控制。

2.3 基于燃料喷射动力学模型的天然气多点喷射系统

由燃料喷射动力学模型可知，要实现对天然气供给的精确控制，首先要知道发动机的运行状态：发动机转速、水温、节气门开度、进气温度和压力等，乃至车辆的运行状态：车速、氧传感器信号、加速减速等以及天然气供给系统的状态： 燃气温度、燃气导轨内压力等（见图3）；再根据以上状态参数，对原来的汽油喷油脉谱进行修正得到最优的有效天然气供应时间τf，在保证排放的前提下，以得到最好的动力性输出和燃气经济性为目标对空燃比λ进行调整，从而得到精确控制的天然气喷射量Mfc，最后实现对天然气喷射系统的精确控制。

图3 基于动力学模型的天然气多点喷射系统

3 基于喷射动力学模型的多点天然气喷射系统开发

3.1 天然气喷射系统匹配标定

基于喷射动力学模型的多点天然气喷射系统是CNG控制单元以原车控制单元中的喷油信号为基础，接收发动机、天然气系统和车辆各相关传感器的输入信号，然后根据这些信号和原车控制单元中的自学习值并结合算法对原车喷油信号进行转换、修正等处理，最终确定该时刻的喷气时间，并驱动燃气喷嘴向相应的气缸供气（见图4）。

图4 天然气控制单元信号处理

3.1.1系统信号处理

要实现对CNG喷射量的精确控制，喷射系统就要接收如下的输入信号并进行利用：

喷油时间信号：原来发动机控制单元中的喷油信号，是控制喷气量的最主要基础参数。

转速信号：作为发动机重要状态参数，转速信号有两项功能，一是作为喷油信号转化为喷气信号的校正参数之一；二是用于判断发动机工作状态是否处于运行还是静止状态。

发动机水温：确定汽油-燃气转换时间和在运行中作为修正喷气时间的重要参数。

燃气温度：用于修正喷气时间。当燃气温度变化时，燃气密度及能量将会发生变化，喷气时间也需要相应地延长或缩短。

燃气压力：用于修正喷气时间。当燃气压力变化时燃气密度及能量将会变化，喷气时间也需要相应地延长或缩短。当气瓶内压力过低或过滤器堵塞时系统将自动切换为汽油运行。

气量传感器：该信号取自减压阀上的压力传感器，用于感知气瓶中天然气储量。

3.1.2喷气信号匹配

系统工作时CNG控制单元以原车喷油信号为基础输入信号，读取每个汽油喷嘴的控制信号，并实时采集氧传感器反馈的信号、水温信号、转速信号、节气门开度信号等，计算燃气喷射时间基本量，再经发动机水温、燃气温度及燃气压力等参数校正后，确定该工况下的喷气时间，最终将其转化为燃气喷嘴的控制信号向相应的发动机气缸供气。

天然气作为气体具有可压缩性，其密度受到环境及其物理特性的影响而在很大范围内变化，这些因素必须对天然气喷射总量加以补偿，确定补偿系数时考虑以下参数：导轨内天然气压力Pu，进气歧管绝对压力Pd和天然气温度Tg，由他们可得条件参数：压力差 DP = Pu – Pd 和 压力比 P* = Pd / Pu 。

相对于汽油，天然气的燃料特性有些不同，在将原车的喷油时间转化为喷气时间信号时需考虑这个因素。当发动机处于冷态及急加速状态时，喷油时间将会比正常状态下延长，用于补偿由于燃油未充分雾化所造成的燃料不足；但对于气态的天然气来说不存在雾化不充分的问题，因此喷气时间需进行较大程度的校正。

当天然气通过喷嘴的气流速度为音速时，最容易获得最佳空燃比λ，气体流速为音速的必要条件是P* < 0.5，即导轨内天然气压力Pu为发动机进气歧管绝对压力Pd的二倍以上。

对于天然气温度Tg，我们可以从天然气量与其温度的平方根成反比可以进行燃气温度补偿。

对于天然气系统稳定流量、喷嘴开启及关闭时间对实际喷气时间的影响，系统在软件上进行了补偿：天然气喷嘴在气缸处于进气冲程或稍微提前开启，以达到最佳的进气时刻。

由于实现了由喷油时间对喷气时间的精确转换与匹配，CNG控制单元可使用原车控制单元的各项修正信号及自适应值，并保留原来所有对信号的处理及计算方式。

3.1.3汽油、天然气切换匹配

汽油—天然气两用燃料车正常情况下使用汽油进行起动。当发动机运行且油/气转换开关置于CNG位置时，CNG控制单元自动检测存储器内的转换条件。当发动机水温到达转换条件时，控制单元首先指示气瓶电磁阀开启，CNG经减压阀减压并经滤清器过滤后到达气轨。其次检测当发动机转速、加速或减速、燃气温度及转换最短时间均达到要求时，系统切换到天然气工作状况：CNG控制单元驱动燃气喷嘴工作，同时汽油喷嘴被切断防止混燃。

当车辆CNG气量不足时，系统将自动切换至汽油状态，并伴随蜂鸣器响声提醒司机加气。当发动机熄火或转换为汽油运行时，系统将电磁阀关闭转回汽油模式。

当汽油系统出现故障或汽油用光而无法启动发动机时，可按照以下方式进行CNG直接启动：先打开点火开关但不起动发动机；再将燃料转换开关按钮置于汽油位置，然后再置于CNG位置也不起动发动机；等到CNG状态指示灯持续亮时就可以直接以CNG启动。

3.1.4自诊断系统

该系统具有自诊断功能，当系统使用CNG出现故障时，CNG状态指示灯将会慢闪，以显示故障。当系统出现的故障影响到正常的CNG运行时，系统将会自动转换为汽油行驶，这时汽油状态指示灯亮，CNG状态指示灯慢闪，同时蜂鸣器报警。

4.2 基于动力学模型的多点喷射天然气—汽油两用燃料车开发

我们采用得利卡（车辆基本参数见表1）为基础车型进行天然气—汽油两用燃料车型的技术开发工作，对其发动机进行改造：进、排气门座、进气门、活塞及活塞销组、活塞环组和进气歧管采用CNG专用件，在进气歧管下端靠近进气门处加装天然气喷咀；对其电路进行了改造：加入油气转换器和天然气控制单元并与原来的汽油控制单元建立起信息沟通和信号共享的通讯；在燃料供给系统上加入一套天然气供给系统,包含气瓶组、气瓶阀、充气阀、压力表、减压阀、滤清器、气轨及相应的管路等，具体见图3。

得利卡基础车型满足排放EURO-Ⅲ要求，在对其进行两用燃料车型匹配标定时采用的策略：使用CNG的条件下，以保证满足排放EURO-Ⅲ作为约束条件，以整车的动力性作为第一目标，燃气经济性作为次目标。最后按照三菱汽车的测试规范ES-M950300C进行发动机性能测试，获得发动机的外特性（带整车进排气系统）参数，见表2。从表2可见燃用天然气时与燃用汽油时相比：低速扭矩特性比较接近，约降低3%，在最大扭矩点时约降4%，最大功率点约降4.3%，而且可以看出随着转速的升高，功率和扭矩下降趋势越大越明显，这主要是由于天然气占用了气缸内的部分体积，导致充气效率降低所致，但是整个动力损失能够在5%以内。由于天然气的燃点比较高，抗爆性比较好，如果进一步提高发动机的点火能量，并加大点火提前角，那么发动机的输出特性将会进一步提高。

根据国标GB/T 12543-2009等（见表3），从整车的动力性实验数据，也可以看出类似的趋势，但是整车动力损失比较大，除了与使用CNG后发动机的输出特性有所降低有关以外，还有另外一个原因就是增加了CNG供气系统零部件，整车的质量增加，车辆的整车动力匹配性没有得到较好地匹配，要想得到理想的整车动力性，就要对整车的传动系统进行重新优化匹配。

4 结论

（1）基于喷射动力学模型的多点天然气喷射系统能够较精确地对天然气喷射量进行控制，从而较有效地降低发动机在动力性方面的损失，同时能够确保良好的排放性能。

（2）为了提高使用天然气的两用燃料车整车动力性，除了采用基于喷射动力学模型的多点天然气喷射系统外，还需要对整车的传动系统和点火系统等进行进一步优化匹配。

参考文献：

[1] 庄继德.汽车电子控制系统工程[M].北京：北京理工大学出版社,1998.

[2] 孙济美.天然气和液化石油气汽车[M].北京：北京理工大学出版社,1999.

Development of CNG Multi-point Injection System Based on the Fuel Injection Dynamic Model

Lin Jian

(Research and Development Center, Fujian Daimler Automobile Co., Ltd., Fuzhou 350119, China)

Abstract: The fuel injection dynamic model can well describe how to accurately control the fuel supplied to the engine and can provide the main control parameters. The development and application of the compressed natural gas (CNG) multipoint injection (MPI) system based on the fuel injection dynamic model for the gasoline and CNG bi-fuel vehicle are discussed. The results indicate that the compressed natural gas multipoint injection system can meet the emission requirement and can effectively reduce the power loss and fuel consumption.

Keywords: fuel injection dynamic model; compressed natural gas; bi-fuel; multi-point injection; dynamic loss

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