煤层气的发动机控制方案设计及性能仿真

赵 洁

（山西交通职业技术学院，晋中 030619）



煤层气的发动机控制方案设计及性能仿真

赵 洁

（山西交通职业技术学院，晋中 030619）

摘 要：本文在研究现阶段代用燃料发动机的种类及各类燃料的物理化学性质对发动机性能的影响的基础上，探析我国发展煤层气发动机的可行性，提出了煤层气发动机的控制设计方案，主要包括空气和燃气混合模型、用于控制空燃比的控制阀模型、进气增压系统模型和增压中冷技术模型。

关键词：煤层气 增压 控制

引言

近几年来，中国的汽车工业发生了翻天覆地的变化。汽车产量和保有量急剧增长，城市机动车排放污染日趋严重。发动机的代用燃料应具有可以替代或部分替代汽油或柴油机等发动机常规燃料的作用，以缓解能源紧张的局面。

煤层气的开发和使用对于充分利用能源，优化国内的能源结构，减少煤矿瓦斯事故，改善环境具有重大意义。近年来，煤层气已列入我国能源发展计划。煤层气作为一种新型清洁能源，燃烧时热值较高，不产生烟尘和硫化物气体，可以作为发动机燃料的代用品。因此，研制燃用煤层气将会有很广的应用前景［1］。

1 煤层气发动机的建模

工作中的发动机系统是一种非常复杂的非线性系统。它的空气动态、燃料动态、排气系统动态和传感器动态等各种动态参数，随着工况或者环境不断变化。因此，对物理参数进行精确的数学描述存在一定困难，更不用说建立非线性系统精确的数学模型。但是，由于气体燃料本身特有的属性，燃气发动机有一些因素可以不用考虑。鉴于此，结合煤层气发动机的具体特点，我们提出建立一个预混合式煤层气发动机的仿真模型。完整的系统子模型包括控制阀模型、空气与燃气混合模型、节气门处混合气流量模型、进气歧管模型、混合气充量系数模型、曲轴动力学模型、过量空气系数模型等。本文主要对空气燃气混合模型、增压中冷模型等主要进行设计分析，并对增压比、点火提前角及空燃比进行简单优选。

1.1 空气和燃气混合模型

由于煤层气发动机进气情况不太稳定，而进气比例容易受控制，所以对此系统设计一个混合器十分必要。将空气和燃气按照一定比例混合，形成一定浓度的可燃混合气，同时要求根据工作状态时的转速和负荷的不断变化，增减混合气的进入量，以保证发动机在不同工况下都能良好工作，这就是混合器的作用。

煤层气发动机采用固定喉管式文丘里混合器，如图1所示。空气经由空气通道从混合器的上方进气口进入混合器，而来自燃气通道的气体燃料从混合器的前方进气口进入混合器。混合器的喉管四周安装有燃气通道的小孔，小孔呈切向分布，使燃气进入混合器形成环状气流，确保空气和燃气经由混合器后混合均匀。

1.燃气进口；2.空气进口；3.燃气-空气混合气出口；4.连接到步进电机的连接杆；5.气隙图1 采用文丘里管的燃气混合器

当空气和燃料在混合器混合均匀后，不断调整节气门的开度。固定开度下，混合气的比例不发生变化时，空燃比被认为是进气空燃比。根据质量守恒定律，空气与燃气的质量流量总和就是混合气的质量流量。因此，我们引用空气和燃气的质量流量方程为其建模。

图2 空气燃气混合进气图

1.2 用于控制空燃比的控制阀模型

空气和燃气分别经过空气阀及燃气阀（气隙）进入混合器。由于要控制空燃比，因此要知道二者的流量。要想利用闸阀控制空气和燃气的流量，应知道通过阀门的流量与阀门开度之间的关系。那么，在两个阀门的控制中使用电控控制器，就如同加了一个电子控制单元，而实际空燃比的计算可用阀门后的瞬时流量比得出。对空燃比的控制，可同时使用氧传感器和甲烷传感器输出的反馈控制。氧传感器根据排气含量的检测间接对混合气进行浓和稀的判断。当实际空燃比大于1时，调节燃气阀（可调气隙）开度加大，使混合气加浓，反之加大空气阀的开度。通过燃气阀位置传感器与空气阀位置传感器来检测燃气阀（可调气隙）与空气的开度，并使用空气和燃气流量传感器来检测通过阀门的流量，从而控制阀门开度调节空燃比。气门开度的检测，可以应用气门调节器来进行监测，表1、表2为WXD3-13-2W阀位置传感检测器的参数值［3］。

表1 空气阀开度与检测电阻数据

根据表1、表2数据可得到对应的一次函数关系：

这样，通过简单的电控设计，结合氧传感器和燃气（甲烷）传感器，便可以对燃气空气进气量进行检测和控制。1.3 步进电机驱动系统

步进电机是一种完成增量运动的电磁机械，是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。本文中使用BYGH3002二相步进电机驱动燃气阀（进气气隙）和空气阀开度，其相关参数如表3所示。

对其进行SIMULINK建模，如图3所示。

图3 步进电机SIUMLINK图

1.4 点火提前角的选择

图4 发动机计算模型［5］

C1～C16为气缸，MP1～MP16为测量点，J1～J16为管路连接点，1～57为管路，CO1为中冷器，CL1为空气滤清器，TC1、TC2为废气涡轮增压器，SB1、SB2、SB3为环境边界，PL1、PL2为进气总管。

表2 燃气阀门（气隙）开度与检测电阻数据

表3 BYGH3002二相步进电机技术参数

采用图4的发动机计算模型，输入发动机相关参数，对发动机进行模拟仿真。图5、图6为煤层气发动机在1500r/min时，不同点火提前角条件下的发动机性能变化规律。

模拟结果表明点火提前角对功率和燃料消耗率的变化影响，可以得出该工况存在最佳点火提前角。

当点火提前角增大的时候，主燃期离上止点更近一些；燃烧结束的时候，气缸容积逐渐变小，导致最高燃烧压力逐步升高，功率逐步增加，同时燃气迅速膨胀，排气管的后燃减少，降低排温，散热损失同时减小，最终使燃料消耗逐渐降低。

图5 点火提前角对发动机功率和油耗的影响关系

图6 点火提前角对发动机最大爆发压力和最高燃烧温度的影响关系

当点火提前角越过最佳点后，引起混合气早燃的后果，缸内的最高爆发压力在上止点之前出现，此时的气体压力与活塞运动方向是相反的，发动机的有效功率下降。点火过早，缸内混合气密度较小，火焰传播速度低，燃烧放热率降低，从而效率下降，燃料消耗率上升。

当点火提前角减小的时候，火焰传播速度变慢，最高燃烧压力点偏离上止点距离增加，引起后燃的情况，排温也同时升高，导致有效功率减小，燃料消耗率变大，致使动力性、经济性受到很大影响。但是，当点火提前角增大的时候，天然气燃料火焰传播速度慢所导致的热效率下降的情况得到改善，从而极大改善发动机缸内的燃烧过程，同时功率增加，燃油消耗率变低，适当改善了发动机的动力性［6-7］。

结合煤层气发动机排温、燃油油耗率，煤层气发动机点火提前角初选为23～25°CA。

1.5 压缩比的选择

采用图4的发动机计算模型进行仿真。图7、图8为煤层气发动机在转速1500r/min、混合气浓度5.5%时，不同压缩比条件下的发动机性能变化规律。

图7 压缩比对发动机油耗和功率的影响关系

图8 压缩比对发动机压力升高率和排温的影响关系

压缩比的提高是恢复功率的有效措施。因为煤层气的辛烷值较高，抗爆性好，对提高压缩比的限制小。所以，通过提高压缩比来改善动力性的潜力较大。

由图7和图8表明：

（1）当压缩比提高的时候，煤层气发动机的最高燃烧压力和有效功率逐步上升，可以表明压缩比的提高对改善燃烧是有益的。同时，当压缩比提高的时候，发动机的循环热效率逐步变大。

（2）当压缩比提高的时候，煤层气发动机的输出功率逐步变大，有效燃气消耗率减少。说明提高压缩比可以改善煤层气发动机的动力性，同时提高经济性。

（3）当压缩比提高的时候，煤层气发动机的排温降低，且降幅比较大。

综上，最高燃烧压力越大，排温越低。这是因为随着压缩比提高，发动机的膨胀比也会提高，循环的温度阶梯也随之扩大，导致最高循环压力急剧升高，且热能转化成有效功增加，此时排气温度大大降低。压缩比的提高不仅可以改善发动机的热负荷，而且可以降低排气门及阀座处的温度，这正是煤层气发动机工作不可缺少的。这是因为煤层气属于气体燃料，没有汽化吸热润滑的作用，排气门与阀座之间出现严重的摩擦热负荷情况。如果最高燃烧压力过大，会导致燃烧室器件热负荷增大，同时引起爆燃现象。所以，需要考察其压力升高率［8-9］。

提高压缩比可使功率恢复到一定水平。事实上，压缩比的大小应与燃料成分、点火方式、火花塞布置和气缸直径等相匹配。这里，本文只对压缩比对发动机的功率恢复做了阐述。

2 结论

本文在了解和熟悉国内外代用燃料发动

机的基础上，针对我国的实际情况进行了煤层气发动机的设计研究。在原有的396煤层气发动机模型的基础上，提出了燃气-空气混合模型、空燃比控制模型增压中冷模型，分析了点火提前角等主要参数对发动机性能的影响。分析结果表明，这不但可以提高研发煤层气发动机的效率，也可以优化匹配发动机的整机参数，同时极大改善发动机的动力性和经济性，并且对该煤层气发动机的性能进行了很好的预测。此外，对396发动机的压缩比、增压比、点火提前角等进行了优选和确定［10］。

参考文献

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［5］王优生.煤层气发动机电控单元的软件设计及实验研究［D］.合肥：合肥工业大学，2007.

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［10］张惠明，张德福，张振明，等.预混合压燃式天然气发动机燃烧性能的初步试验研究［J］.燃烧科学与技术，2005，（5）：389-394.

Design and Performance Simulation of Engine Control Scheme for Coal Bed Gas

ZHAO Jie
（Shanxi Traffic Vocational and Technical College， Jinzhong 030619）

Abstract:Based on the present research on alternative fuels and various kinds of engine fuel chem ical and physical properties of engine performance， on the basis of the influence， and puts forward the feasibility of coal bed methane engine development in our country. The design scheme of the engine CBM as: the air and gas mixture model， used to control the air-fuel ratio of valves， air pressurization system model， turbocharged technology， ignition system and ignition timing model， the compression ratio and CBM engine theoretical calculation of air-fuel ratio.

Key words:coal-bed methane，Pressurization，control