基于柴油机的电控天然气发动机设计

第３期（总第１６９期）　２００７年６月　车用发动机　

ＶＥＨＩＣＬＥ　ＥＮＧＩＮＥ　Ｎｏ．３（Ｓｅｒｉａｌ　Ｎｏ．１６９）　

Ｊｕｎ．２００７　

・设计计算・　

基于柴油机的电控天然气发动机设计　冯国胜ｈ。，贾素梅。　（１．天津大学机械工程学院，天津３０００７２；　２．中国汽车技术研究中心，天津　３００１６２；３．河北省农机化研究所，河北石家庄０５００１１）　摘要：在某柴油机基础上通过改进燃烧系统和进气系统，设计高能点火系统、燃料供给系统、电控单元、传感器　及执行器，并加装三元催化转换器，采用闭环空燃比控制等措施，研制了压缩天然气（ＣＮＧ）单燃料电控多点顺序喷　射发动机。试验结果表明，天然气发动机的动力性能与排放性能达到了设计要求。　关键词：天然气；电控发动机；改进设计　匹配试验　中图分类号：ＴＫ４２１．２　文献标志码：Ｂ　文章编号：１００１－２２２２（２０Ｏ７）Ｏ３—０Ｏ３６一Ｏ４　

由于更加严格的排放法规的实施，如何进一步　降低汽车的污染物排放量是我国汽车工业面临的一　个问题。开发天然气发动机既可利用我国丰富的天　然气资源，又可降低污染，是我国汽车行业发展的一　个新方向。　在某柴油机基础上通过改进燃烧系统和进气系　统，设计高能点火系统、燃料供给系统、电控单元、传　感器及执行器，并加装三元催化转换器，采用闭环空　燃比控制等措施，研制了压缩天然气（ＣＮＧ）单燃料　电控多点喷射发动机，台架试验表明，在已有风冷增　压车用柴油机基础上改造而成的ＣＮＧ发动机，功　率损失较小，发动机尾气排放满足国家标准，运转平　稳，达到了设计要求。　

１　基于柴油机的ＣＮＧ发动机设计　原型机为增压中冷、６缸风冷柴油机，结构较为　简单，发动机性能优良，环境适应能力强，用于匹配　载货汽车和大型客车。主要技术参数为：缸径　ｌＯ２　ｍｍ，行程１２５　ｍｍ，压缩比１　７，标定功率　１４５　ｋＷ，标定功率转速２　５００　ｒ／ｍｉｎ，最大扭矩　６２０　Ｎ・ｍ，最大扭矩转速１　６００　ｒ／ｍｉｎ，燃油消耗率　２２０　ｇ／（ｋＷ・ｈ）。　１．１　点火系统　为把柴油机改装成单燃料ＣＮＧ发动机，首先　将原柴油机的燃油供给系统改成火花塞点火系统。　安装火花塞利用了柴油机原有的喷油孑Ｌ，采用电子　

点火电路，精确控制点火时刻，并提高点火能量。　ＣＮＧ发动机对点火系统有很高的要求，天然气　（ＮＧ）燃点高，在常压下的着火温度达５３７℃，燃烧　速度慢，不易点燃，因此点火线圈应给出足够的能　量。较高的点火能量有利于形成稳定的、体积较大　的火焰核心，以加快燃烧速度，提高热效率；为使　ＮＧ充分燃烧，火花持续时间也要长。现有的高能　点火系统能提供２００　ｍＪ以上的能量，基本满足要求Ⅱ］。　该点火系统包括点火线圈、高压线、火花塞、驱　动电路及电源。其中，点火线圈含３个线包，针对６　缸机，每个点火线包给两个火花塞提供能量。三线　包点火线圈相对单线包线圈，充电时间充足，不会出　现高速时充电不足的问题，并省去了分电器。点火　由电子电路控制，并根据转速作相应的调整，可以控　制点火能量、点火时刻。加装的电子点火系统选择　了合理的点火位置和火花塞间隙，有效地增加点火　效果，加快火焰的传播速度。经测量点火能量满足　ＣＮＧ发动机的点火要求。　１．２燃料供给系统　燃用ＣＮＧ后，去掉原柴油机的油泵及喷油嘴，　加装一套完整的ＣＮＧ燃料供给系统。所使用的　ＣＮＧ压力达到２０　ＭＰａ，气源由瓶装ＣＮＧ提供，气　瓶装满后可续航１００　ｋｍ。供气系统由气瓶、手动开　关阀、电磁开关阀、滤清器、减压阀、电控调压阀、连　接管路、电磁阀块和电磁阀以及喷嘴管路组成。图　１为燃料供给系统的示意图。　

收稿日期：２００６—１１－０１；修回日期：２００７—０３－２４　基金项目：河北省自然科学基金资助项目（Ｆ２ＯＯ４ＯＯＯ４２８）　作者简介：冯国胜（１９６２一），男，河北井陉县人，教授，博士，主要研究方向为发动机电控技术；Ｅ—ｍａｉｌ：ｆｇｓ２００５＠ｓｉｎａ．ＣＯｌＤ。　

维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年６月　冯国胜，等：基于柴油机的电控天然气发动机设计　阀　

图１燃料供给系统结构不意图　该气路系统的设计实现了高压ＣＮＧ的可靠存　储和ＣＮＧ压力的稳定转换，并对ＣＮＧ进行了过滤　和温度压力监测，在保证系统可靠供气的同时，加强　了气路元件安装调试的方便性。加装了电控调压阀　调节燃气压力，较低的燃气压力有利于发动机起动，　减少怠速排放；较高的燃气压力可保证发动机的动　力性要求。原机为增压中冷发动机，进气量随负荷　变化较大，燃气压力的调节增加了燃气量的控制范　围，有利于空燃比（ａ）的控制。　１．３压缩比（８ｃ）和燃烧室的改进　单燃料ＣＮＧ发动机的开发通常需要优化发动　机的燃烧系统，增强缸内挤流和紊流。原机ｅ　为　１７，较高的￡　对ＣＮＧ发动机不利，容易引起发动机　爆燃。ＮＧ的抗爆指标辛烷值较高，为１３０，但当￡　超过１４时，极易产生爆燃，增加了发动机工作的不　稳定性，加剧磨损和不可靠性；较高的ｅ　还会增加　缸内的最高压力和温度，对降低Ｎ　排放不利口］。　通过改变活塞顶部形状来改变ｅ　，与其他变ｅ　的方法相比简便可行，发动机的其他部件无须改动，　同时对燃烧室的形状进行了优化设计。根据ＮＧ燃　烧机理，ＮＧ的理论￡。为１２，实际开发中，曾经选用　ｅ。为１１．５，试验过程中发动机噪声较大，缸内最高　燃烧压力较高，整机工作不稳定，且高ｅ。对发动机　机械部件的要求也相应提高。另外，考虑到发动机　为增压中冷机型，进气压力较高，选用较低的ｅ。较　为合适，根据以往柴油机改ＣＮＧ发动机的成功实　例＿３］，将￡　定为１０．５。　由于ＮＧ与空气形成的可燃混合气的火焰传播　速度较慢，设计ＣＮＧ发动机燃烧室时主要考虑燃　烧室尽量紧凑，缩短火焰传播距离；组织适当强度的　气流运动以加快火焰传播速度。参考国外在气体燃　料发动机燃烧室结构研究方面的成功经验，开式燃　烧室具有排放低和热效率高的特点［４］。原柴油机燃　烧室为偏心∞型，改进后，加深、加宽了活塞顶部形　状，选择碗形开式燃烧室（见图２）。这样使缸内各　点到火花塞点火位置保持均匀，有益于燃烧的均匀　

与稳定。　ａ压缩比１７　ｂ压缩比１０．５　图２活塞改进示意图　１．４进排气系统的改进　为了实现发动机进气量的调节，在进气道加装　了节气门和怠速旁通阀，驾驶员通过控制节气门位　置调节进入发动机的空气量，电控系统采集节气门　位置信号作为主要参数控制发动机。通过怠速旁通　阀控制发动机怠速进气量，改善怠速排放和经济性。　燃气喷射位置设计在进气歧管与缸盖的连接处，喷　射方向正对进气门，该位置燃气喷射对进气效率影　响不大，而且有利于燃气与空气的混合。　在排气管加装ＣＮＧ发动机专用三元催化转换　器，电控系统根据各工况发动机的进空气量和Ｏｚ　传感器的反馈信号，确定燃气喷射量，将实际ａ调整　在理论空燃比１７．５附近，促使三元催化器有效工　作，降低大部分有害排放　］。　

２电控系统的开发　多点喷射点燃式ＣＮＧ发动机电控系统的设计　从系统控制功能的需要出发，包括电控单元、传感　器、执行器以及线束几个部分。电控系统采集并处　理传感器得到的各种发动机工况信号；通过微处理　器ＭＣＵ的运算处理，确定发动机在各工况下的控　制参数；通过执行器驱动电路输出的控制信号使各　个执行器按照要求有序工作。电控系统的总体结构　见图３。　传感器　转速信号（凸轮、　曲轴）　节气门位置　传感器信号　进气歧管压力　进、排气温度等信号　ＣＮＧ压力等信号　蓄电池电压信号　

传感器　惶　信号处理　执行器　微处理器ＭＣＵ　■一　点火线圈　ＭＣ６８ＨＣ９１２Ｄ６０Ａ　：喷气电磁阀　执行器　燃气压力调节颇　驱动电路　一　怠速旁通阀控葡　。—　气路控制等开　：报警信号　

图３　电控系统总体结构图　本系统选择ＭＣ６８ＨＣ９１２Ｄ６ＯＡ单片机进行系　统开发。通过硬件和软件采集发动机的工作参数，　判定发动机的工作状态。发动机运转状态由霍尔效　

维普资讯 http://www.cqvip.com 车用发动机　２００７年第３期　应式凸轮轴位置和曲轴位置传感器获得，ＭＣＵ捕　捉这两个传感器产生的方波信号，由程序计算发动　机转速并确定各缸的相位。通过电控单元的软件编　程来实现各项控制功能。控制软件根据反映发动机　工作状态的各个传感器信号，由节气门位置、进气压　力、转速查询喷气脉宽ＭＡＰ图，确定基本喷气脉　宽，再利用进气温度、ＣＮＧ压力、机体温度、排气温　度、Ｏ。传感器等信号对基本喷气脉宽进行修正，确　定实际喷气脉宽，最后发送给执行模块实现ＣＮＧ　多点顺序喷射。同样，控制软件根据发动机工作状　态控制点火提前角，输出点火信号。　完成喷气控制和点火控制是电控系统的基本功　能，为满足发动机不同工况的控制要求，还需要增加　针对性的工况控制功能。控制软件利用喷气量的调　整完成多项控制功能。　另外，为方便地调整控制参数，编写了能够实时　修改发动机控制参数的计算机监控程序。通过监控　程序监视发动机的控制参数，并在发动机工作过程　中调节喷射时刻和点火提前角，实时修改喷气时刻　和点火时刻的ＭＡＰ图。监控程序为发动机的动力　性、排放性匹配试验创造了良好的调试环境。　３电控ＣＮＧ发动机试验　３．１动力性能试验　试验的目的主要是考查改装后的ＣＮＧ发动机　所能达到的动力性能，并与原柴油机的动力性进行　了比较嘲。图４所示为ＣＮＧ发动机与原柴油机扭　矩外特性对比。　图４　ＣＮＧ发动机与原柴油机的外特性对比　试验结果表明，使用ＣＮＧ作为燃料后，发动机　的动力性有所下降，标定功率由原机的１４５　ｋＷ／　２　６００　ｒ・ｍｉｎ－１变为１３６　ｋＷ／２　６００　ｒ・ｍｉｎ＿。，最大　扭矩由原机的６２０　Ｎ・ｍ／１　６５０　ｒ・ｍｉｎ　变为　５８０　Ｎ・ｍ／１　７００　ｒ・ｍｉｎ～。考虑到使用ＣＮＧ燃料　后机械损失增加，热负荷增大，加上排放控制降低功　率等因素，功率下降６　，在允许范围内，动力性基　本满足设计要求（功率下降不超过１０　）。发动机　最低耗气量为２４７　ｇ／（ｋＷ・ｈ），与汽油机相当，具　有一定的经济实用性，满足设计要求。　３．２　加装催化器对比试验　柴油机燃用ＣＮＧ后，发动机工作较燃用柴油　时稳定，工作噪声大大降低。为验证三元催化器对　尾气后处理的效果，加装了１８０５１６０催化器并进行了　对比试验。表１列出发动机转速为２　０００　ｒ／ｒａｉｎ，扭　矩为１４６　Ｎ・ｍ时ＣＮＧ发动机的有害排放物的试　验结果。　从试验数据可以看出，电控单元通过Ｏ　传感　器的反馈信号，利用喷气量的闭环控制，将发动机控　制在理论空燃比附近。加装三元催化器进行反馈控　制之后，有害排放明显降低，ＨＣ排放降低８１　，　ＮＯ　排放降低９５　，ｃｏ排放下降５０　，发动机的　排放性能得到明显的改善。　表１　有无三元催化器排放对比