电控可调涡轮增压天然气发动机开发

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*国家自然科学基金资助项目（c50106001）和国家国防科工委基金资助项目（c172002c002）。

1原摈收到日期为2003年jfa月（20日修改稿收到日期为棚瓶年g2月日allrightsreserved，wwwki.net 1刖目天然气由于具有资源丰富、价格便宜、燃烧完全且排放污染少的突出优点，而倍受人们青睐。世界各大汽车公司也将天然气汽车作为一种优先发展的代用燃料汽车。但改用天然气后，发动机的最大功率和最大转矩与同排量的汽油机相比降低的幅度一般在1525%之间，因而对汽车的加速性能和最高车速都有明显的影响。采用电控可调增压技术可解决发动机与涡轮增压器的匹配问题，在较宽的转速范围内改善发动机的性能。

此文介绍的由ca488汽油机改装为天然气发动机，采用电控多点燃气顺序喷射技术、电控高能点火技术、可调喷嘴涡轮增压技术及中冷技术优化了天然气发动机的燃烧过程，改善了发动机的动力性与经济性。

2发动机结构改装方案2.1天然气供气系统用ca488汽油机改造成的天然气发动机供气系统主要由高压气瓶、天然气气路关断电磁阀、减压阀、天然气喷射阀组成。系统的布置如。

气瓶内储存的高压天然气（最高气压约20mpa）经减压阀后压力降为0. 5mpa左右，然后供入天然气分配气轨，在电控单元的控制下由天然气喷射阀喷入各缸进气歧管。为了保证减压阀不因气体减压产生结冰现象，在减压阀体内通入发动机循环水，保证减压阀维持一定的温度。系统中的天然气喷射阀选用了sp021型高速伺服喷气阀。

2.2可调涡轮增压系统控制系统完成对天然气顺序喷射、点火正时及可调喷嘴涡轮增压器的优化控制。控制系统主要由传感器、控制单元（ecu）和执行机构组成，系统主要组成如。

传感器包括发动机曲轴位置传感器、同步信号传感器、进气压力传感器等t3.曲轴位置传感器采用霍尔开关型元件，安装在发动机后端的飞轮壳体上。飞轮齿圈转动一周，霍尔传感器产生58个信号，以此确定发动机的曲轴转角位置。

废气涡轮增压器采用可调的有叶喷嘴结构方案，如。通过改变喷嘴环叶片角度来改变蜗壳喷嘴出口面积，同时改变了进入叶轮气流进气角，对废气有较好的引导作用，因此在整个工作范围内有较好的效率特性。实验过程中通过改变喷嘴环叶片的出口角来控制增压器转速，在发动机低速工作时，通过关小喷嘴环减少涡轮流通截面积，使增压压力提高，从而改善发动机的低速特性；发动机高速工作时，喷嘴环逐渐打开，涡轮流通截面积增大，使增压压力相对减小，解决增压过量的问题1.控制可调涡轮增压器的执行机构采用步进电机。

信号是ecu控制发动机点火和喷射天然气的基准，同时ecu利用它还可以计算出发动机的转速。

进气压力传感器用于测量发动机进气管内的绝对压力，它与发动机转速信号一起间接测量发动机的进气量大小。作为控制发动机点火提前角和天然气喷射量的主要依据。

节气门位置传感器用来测量节气门的位置，指示发动机的怠速、满负荷、加减速等工况。ecu根据节气门信号分别按照不同工况下点火提前角、混合气浓度控制发动机的运行。

进气温度和冷却水温度传感器用于测量发动机的进气温度和冷却水温度，当各自温度变化时对发动机的天然气喷射量进行修正。

增压压力传感器用于测量压气机出口处空气的绝对压力，作为可调增压器反馈控制的主要反馈信号。

控制系统的执行机构主要包括各缸的天然气喷射阀、用于驱动点火线圈的电子点火器、怠速控制阀以及控制可调涡轮增压器的步进电机等。

ecu以80c552微处理器为中心构成控制系统的核心，它接收到各种传感器的信号后，对发动机所处的工况和环境状况作出判断，并计算出与之相对应的最佳天然气喷射量和点火提前角，再根据曲轴位置信号和同步信号在适当时刻输出点火和各缸的喷气信号。另外，ecu通过增压压力传感器测量压气机出口处的增压压力，用来反馈控制涡轮喷嘴环叶片角度以实现对增压压力的控制。

3发动机性能测试及分析试验研究包括三阶段。第一阶段为原汽油机性能试验，测出原汽油机的动力性和经济性。第二阶段为非增压天然气发动机试验，即将原汽油机改装然气发动机的动力性和经济性。第三阶段为增压天然气发动机试验，改装非增压天然气发动机的进排气系统，加装可调喷嘴涡轮增压器和中冷器，测试该增压天然气发动机的动力性和经济性。

在增压天然气发动机试验中，涡轮喷嘴环开度的调控以最佳动力性为优化目标，以最高排气温度和最高增压压力为约束条件。考虑涡轮增压器涡轮材料的耐温限制，最高排气温度限制在900*c以内；且考虑发动机的机械负荷和热负荷限制，最高增压压比限定在1. 8以内。

为原汽油机、非增压天然气发动机、增压天然气发动机的动力性及经济性对比。天然气的消耗量是根据空气流量和过量空气系数计算得出的。

从三种发动机的转矩及功率对比可以看出，如果不采用增压技术，将原汽油机改装为天然气发动机，则发动机的功率大幅下降。这主要是由于单位体积天然气-空气混合气1）的热值比单位体积汽油-空气混合气1）的热值低，因而在发动机进气方式没有根本改变，即发动机缸内的充气系数变化不大的情况下，燃用天然气燃料时发动机的输出功率降低。而采用可调增压中冷技术以后的增压天然气发动机的低速转矩比原汽油机提高很多，最大转矩点转速降低，增压天然气发动机与原汽油机转矩及功率在标定点相当。与汽油机相比，增压天然气发动机的转矩适应性系数大幅提高。这主要得益于（）采用增压中冷技术后，发动机进气量大幅增加，从而天然气供气量可以增加，发动机功率得以恢复；（2）采用可调增压后，在发动机低速时，可通过适当关小喷嘴环开度，在一定程度上提高增压器转速和增压压比，从而提高发动机的低速转矩。

从（）可以看出，增压天然气发动机的经济性比非增压天然气发动机改善很多，尤其是在低速范围内，同时增压天然气发动机的天然气比消耗量曲线也更平缓，更适合于车用。

4结论由ca488汽油机改造成的天然气发动机，由于采用电控多点燃气顺序喷射技术、电控高能点火技术及可调喷嘴涡轮增压及中冷技米优化了天然气发动机的进气与燃烧过程，改善了发动机的动力性与经济性，尤其是可调增压系统使天然气发动机的动力性及经济性明显提高，甚至可以获得比同排量汽油机更优越的动力输出特性。

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