电控燃料喷射大功率气体发动机的试验研究

葛文庆，刘 梁，孙宾宾，常思勤

(1.山东理工大学机械工程学院，山东淄博 255049;2.南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094)

使用新型燃料替代石油基燃料，改善内燃机的节能环保性能成为内燃机的重要发展方向之一。天然气和液化石油气等作为高品质气体燃料，近年来在发动机上的应用得到了发展，而煤层气、高炉煤气和沼气等热值较低的气体燃料由于来源丰富和基于能源合理利用的需求，也得到了越来越多的关注［1-4］。但在实际应用中，气体燃料(特别是低热值气体燃料)发动机存在进气管回火和扫气阶段气体燃料流失等问题［1］，应对其混合气量和空燃比进行精确控制以实现发动机稳定可靠地运行。笔者应用电控喷射装置进行气体燃料发动机的试验研究，验证技术方案的可行性。

1 试验装置

为实现气体燃料喷射量的精确控制，气体燃料的供给采用多点顺序间歇喷射方式［5-9］，喷射装置分别安装在发动机每个气缸的进气歧管上，根据发动机的运行工况实时、独立地调节各工作气缸的燃气供给量。

气体燃料电控喷射装置如图1所示，主要由电磁直线执行器［10］和菌型气门组成。菌型气门［11］具有较大的流通截面积，从而保证发动机的大流量要求［12］。电磁直线执行器作为驱动元件，其输出轴直接与菌型气门相连，通过控制电磁直线执行器的工作电流，实现菌型气门的开启和关闭规律。

图1 气体燃料电控喷射装置Fig.1 Electronically controlled gas fuel injection device

试验台是在一台12缸天然气发电机组的基础上改进完成的，发动机的主要参数如下:缸径D=190 mm，行程S=210 mm，功率P=600 kW，额定转速n=1000 r/min。试验装置主要由气体燃料管路、电控喷射装置及其控制器、点火系统及其控制器、发动机控制/监控平台、气体燃料发动机、发电机及其监控平台和负载电阻等组成，如图2所示。发动机的燃料通过管道天然气供给，通过减压阀将燃气压力降至0.18 MPa，并经过稳压箱进行稳压后供应给发动机。

发动机控制/监控平台主要实现系统燃气总开关控制、发动机的起动电机控制、润滑和冷却系统控制以及发动机运行状态监控和报警等功能。在发动机的实际运行过程中，通过缸体温度传感器、排气温度传感器和磁电式转速传感器对发动机的运行状态进行实时监控，并对发动机的每个工作气缸的缸体温度和排气温度进行检测，以观察各缸的工作均匀性。

电控喷射装置控制器根据发动机目标转速以及采集的发动机转速信号和凸轮轴相位信号计算得到需要的喷射脉宽，对电控喷射装置的气门运动进行精确控制，从而实现发动机的转速闭环控制。电控喷射装置控制器通过通信端口和PC之间建立通信关系，向PC发送电控喷射装置的实际运行状态(包括瞬态气门升程和控制电流)，并接收来自于PC的控制指令。控制器计算得到的喷射脉宽为各缸统一的喷射脉宽，在发动机的实际运行过程中，受到管路压力波动等因素的影响，各缸工作具有一定的不均匀性，观测发动机控制/监控平台的缸温和排气温度信号，通过PC监控平台发送喷射脉宽修正信号，对各缸均匀性进行补偿修正。为了全面地分析电控喷射装置对气体燃料发动机燃烧过程的影响，电控喷射装置控制器还采集了第12缸的缸内压力信号。

图2 发动机试验装置Fig.2 Engine test-bed

2 试验结果及其讨论

2.1 发动机起动及怠速试验

气体燃料发动机的起动过程控制发动机从停机状态切换到怠速状态，是发动机工作必经的一个瞬态过程。起动过程以怠速转速为发动机控制的目标，起动电机可带动发动机转速至约200 r/min，实际控制程序中设定当发动机转速大于100 r/min时电控喷射装置开始工作，随着各个气缸按照发火顺序开始工作，发动机转速开始上升。图3给出了发动机起动过程的转速变化曲线。怠速目标转速为700 r/min，从图中可以看出，发动机起动过程平稳，起动时间为7 s。怠速运转时发动机的转速波动约为±30 r/min，可见气体燃料发动机在应用电控喷射装置时具有良好的平稳性。

图3 发动机起动过程转速变化曲线Fig.3 Speed change of engine start process

2.2 各缸均匀性的调整

发动机各缸制造误差的差异和进气系统的压力波动都会引起各缸工作不均匀，从而使发动机转速呈现不均匀的波动。发动机工作过程中的缸体温度可以反映各缸的均匀性。试验过程中，对各缸缸温进行实时监控，通过PC监控平台向电控喷射装置控制器发送控制指令，增加实测缸温偏低的气缸的供气量，同时对实测缸温偏高的气缸减小供气量。图4给出了调整前后的缸温。试验表明，供气量的调节可以有效地调整各缸均匀性，使各缸的缸温保持在平均值±20 K的范围内。

图4 发动机各缸均匀性调节Fig.4 Tuning of cylinder by cylinder uniformity

2.3 增减负荷时的转速控制

发动机的额定转速为1 000 r/min，从怠速工况开始控制发动机转速逐步上升，设定目标转速分别为800、900和1000 r/min。实测的发动机转速变化曲线如图5所示。试验表明，当发动机目标转速变化时，电控喷射装置可以快速响应，实现发动机转速的跟随。

当发动机转速稳定在1 000r/min时，对发电机组合闸加载，通过改变负载电阻来调节负荷。负载电阻为成组形式加载，每次变化25 kW，无法实现连续可调，加载过程中负荷为突然变化，且加载时应保持发动机转速不变。当发动机负荷增加时，随着燃气喷射量的增加，减压阀并不能保证燃气压力的恒定，而呈现压力下降的趋势;但从图5可以看出，在加载和卸载过程中，发动机转速均未出现明显的波动，表明气体燃料电控喷射装置反应迅速，有较强的供气量调节能力。

图5 增减负荷时的发动机转速变化曲线Fig.5 Engine speed curve while load changing

2.4 示功图的测试结果

发动机空载时第12缸在不同转速下的示功图见图6。试验结果表明，在相同负荷和点火提前角的条件下，随着发动机转速增加，相同曲轴转角对应的持续时间缩短，导致点火时刻提前，缸内气体峰值压力逐渐增大，峰值压力的出现位置也越靠近上止点。

图6 不同转速下的发动机示功图Fig.6 Indicator diagram at different engine speed

图7为额定转速下不同负荷时的发动机第12缸示功图。由试验结果可知，在额定转速下，缸内气体峰值压力随发动机负荷的增加而增大，峰值压力出现的时刻也随负荷的增加而提前。这是由于负荷增大使缸内残余废气量减小，同时影响点火时刻的缸内气体状态，缩短着火延迟期，相当于点火提前，引起较高的缸内气体峰值压力。

图8为额定转速下发动机输出功率为140 kW时第12缸连续10个工作循环的缸内压力曲线。通过对缸内压力数据进行统计分析得到峰值压力循环波动率约为3%，表明发动机燃烧过程循环变动小，燃烧过程平稳。

图7 不同负荷下的发动机示功图Fig.7 Indicator diagram at different engine load

图8 试验缸内压力曲线Fig.8 Pressure curve of experimental cylinder

3 电控喷射装置应用

气体燃料电控喷射装置的应用为改善大功率发动机的性能提供了可能性，与应用单点或多点连续供气方式的发动机相比较，应用多点顺序间歇供气方式可以通过加大发动机扫气重叠角和提高压缩比进一步改善发动机性能。

在连续供气方式的发动机中，用于扫气的是混合气，受到燃料流失以及进气管回火可能性的限制，只能取较小的扫气重叠角。应用电控喷射装置可以实现应用纯空气扫气，使较大的发动机扫气重叠角的应用成为可能，可以更好地清除缸内的残余废气，降低燃烧室内部以及壁面温度，为下一工作循环的混合气形成和燃烧提供良好的条件。加大发动机扫气重叠角，通过电控喷射装置精确地调节发动机混合气浓度可以降低爆震燃烧的可能性，从而为提高发动机的压缩比提供可能，进一步改善发动机的经济性能。

4 结论

(1)用气体燃料电控喷射装置实现了大功率气体发动机的燃料多点顺序间歇供给。

(2)应用电控喷射装置可以实现发动机的良好起动性能和运行稳定性，通过供气量的调节可以有效地调整各缸均匀性，发动机燃烧过程循环变动小，燃烧过程平稳，电控喷射装置反应迅速，有较强的供气量调节能力。

(3)在进一步的应用中，可通过增大发动机扫气重叠角和提高压缩比开展发动机的性能改善研究。

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