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摘 要 随着经济和生活的不断发展，人们对能源的需求也越来越大，同时，因为能源问题所引发的环境污染也越来越引起各方的重视。以天然气为燃料的发动机，以能耗低、排放小，成为发动机研究的一个重点课题。
关键词 模型；发动机；电控技术；逻辑
中图分类号：TK4 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）10-0012-01
随着经济和生活的不断发展，人们对能源的需求也越来越大，同时，因为能源问题所引发的环境污染也越来越引起各方的重视。世界范围内各国都在积极寻找和开发可替代石油的新能源，而天然气以其良好的可开采性、经济性、低污染引起了各国科技人员的重视，而通过以天然气为燃料的发动机，以能耗低、排放小，成为发动机研究的一个重点课题。
1 天然气发动机概述
与柴油发动机一样，天然气发动机也是一种构造比较复杂的能量转换机器，有许多机构和系统组成，主要包含有以下机构和系统组成：1）配气机构和进排气系统；2）曲柄连杆机构；3）机体和气缸盖组件；4）燃气供给系统；还有天然气稳压装置、调压阀、燃气滤清器、燃气控制阀与电磁阀、混合器等部件组成。其功用是将燃气进行滤清、净化，并稳定其压力，以一定流量送往燃气进气通道，使其与空气均匀混合，送入气缸内，实现燃烧过程。天然气发动机最大的优点是排污染低：CO排入量是汽油机的1/15，HC排放量是汽油机的1/5，SO2排放量是汽油机的1/10，CO2的排放量是汽油机的4/5，另外，天然气发动机不会造成润滑油稀释，可延长发动机寿命，同时还可降低噪声等。尽管如此，天然气发动机在使用中仍然存在一些问题，其中最为突出的是发动机功率下降、发动机腐蚀与早期磨损的问题。
2 CNG发动机电控技术面临的难题
1）CNG发动机平均值模型存在一定缺陷：无法准确反映进、排气门对输出的影响 ，也忽略了各缸之间差异性，从而使得排放的变化无法反映出来。这一点主要因为大多数模型都是基于燃油发动机模型开发的，没有考虑进气管内气体混后的特性化；
2）控制方法的研究多采用离散多变量非线性时滞系统，而发动机在空燃比的控制上面是离散系统，而转速的控制则被认为是连续系统，这就需要通过正确的数学模型才能反映出来，但因为CNG发动机相关的技术也在不断研究变化，相应技术资料可供参考的数量有限，这也给控制方面的研究造成难度。
3）在压缩天然气发动机控制技术中，针对闭环的控制多采用PID控制，开环控制则采用MAP 图来实现，而针对发动机复杂的工况，在采用PID控制过程中，为提高控制的精度，需要标定大量数据和参数，有的甚至达到7000个以上，这个实验过程不仅耗费资金，也增加了开发的周期。如何实现算法的高精度和可靠性，是开发的一个难点。
4）现有的控制策略和排放优化方案主要依靠台架人工作业，其效率低、费用高、周期长。而提高控制优化效率，就需要依靠智能优化的方法来实现。
3 CNG发动机控制逻辑及优化
1）CNG发动机控制逻辑。相对早期的进气负荷模型，燃油发动的扭矩模型对排放性能有了大幅提升，扭矩模型根据油门传递信息视为扭矩的需求信号，对通过扭矩大小来实现对各控制装置的协调和管理，从而达到降低能耗的目的。为了使发动机扭矩波动减小，就需要对发出请求的扭矩进行核实，然后给予相应的响应。实现控制逻辑是CNG发动机控制逻辑的重点，根据需要，完成对需要空气进气量的计算，再通过依据当前进气量，完成喷气和点火，这三个控制逻辑模块是发动机电控技术中最基本的模块。
图1 扭矩模型控制逻辑图
2）工况的判断。发动机需要经常处于不同的工况环境中工作，如低速、高速、怠速、坡道、弯道、农田、沼泽等，在不同工况运行时，需要通过档位的切换来适应工况的变化，而发动机对工况的判断是否正确、响应是灵敏，直接影响到控制系统的精准度，因此，对工况及时准确的判断对发动机控制系统十分重要。工况一般划分为两大类：故障工况和常规工况。其中故障工况有：发动机温度过高、极限速度断气、传感器失效、综合偏差过高等；常规工况主要根据油门踏板位置信号、冷却温度、进气温度、转速变化等来综合确定，主要包括：冷怠速、热怠速、急加速、启动、排放工况等。如发动机温度过高：IF Tmot>120℃，出现温度异常，就需要将CNG喷射控制脉宽相应减小，进入轻负荷状态，降低水温修正工况，对大负荷不响应。
3）点火提前交角计算。点火提前交角的计算，主要的难点在于如果点火提前交角不准确，出现偏差，就会对发动机本体造成较大的影响，甚至损坏发动机本体。在计算点火提前交角时，要考虑发动机空燃比、大气压力、转速变化率、冷却水温等诸多因素。优秀的点火控制需要在满足输出扭矩尽可能大的前提下，综合考虑各种因素影响。在CNG发动机方面，当其燃烧温度高时，就会导致传播火焰慢，缸内压力上升迟缓，这时需要将提前角增加。但如果调节过大，又会影响到排放性能，导致NOx增加。
4）空气流量计算。为了提高发动机可靠性，空气流量信号设计有两个通道：一路是在空气流量计的基础上，根据进气温度、进气压力等传感器的输出变化，控制进气量和负载；另一路则根据转速、水温、气门开度变化等，来计算和控制进气流量。空气流量的采样一般采取5-10 ms的频率，为降低其他信号的干扰，消除空气流量计、进气管压力随缸体工作所产生波动，在控制逻辑中加了二次滤波，来达到精确计算进气量之目的。空气流量信号对发动机正常工作的影响非常大，当空气流量信号丢失，发动机就无法正常工作。
4 结束语
CNG发动机电控技术在我国尚未形成自主知识产权的技术替代品，而委托国外技术公司开发的产品，又因价格高昂、周期长而受到限制，加之燃油发动机技术在我国尚未完全掌握，而CNG发动机相关技术比燃油发动机技术的研发困难更大。单从技术研发层面来看，发动机电控技术通过精确控制进气流量、燃料喷射和点火，能够大幅提升发动机综合性能，是动力总成技术的核心和热点之一。
参考文献
[1]周龙保，高宗英.内燃机学[M].北京机械工业出版社，1999.
[2]陈飞.压缩天然气发动机电控系统的研究[D].西华大学，2006.
[3]帅英梅.涡轮增压柴油机电控调速系统的建模与仿真[D].华中科技大学，2004.
关键词 模型；发动机；电控技术；逻辑
中图分类号：TK4 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）10-0012-01
随着经济和生活的不断发展，人们对能源的需求也越来越大，同时，因为能源问题所引发的环境污染也越来越引起各方的重视。世界范围内各国都在积极寻找和开发可替代石油的新能源，而天然气以其良好的可开采性、经济性、低污染引起了各国科技人员的重视，而通过以天然气为燃料的发动机，以能耗低、排放小，成为发动机研究的一个重点课题。
1 天然气发动机概述
与柴油发动机一样，天然气发动机也是一种构造比较复杂的能量转换机器，有许多机构和系统组成，主要包含有以下机构和系统组成：1）配气机构和进排气系统；2）曲柄连杆机构；3）机体和气缸盖组件；4）燃气供给系统；还有天然气稳压装置、调压阀、燃气滤清器、燃气控制阀与电磁阀、混合器等部件组成。其功用是将燃气进行滤清、净化，并稳定其压力，以一定流量送往燃气进气通道，使其与空气均匀混合，送入气缸内，实现燃烧过程。天然气发动机最大的优点是排污染低：CO排入量是汽油机的1/15，HC排放量是汽油机的1/5，SO2排放量是汽油机的1/10，CO2的排放量是汽油机的4/5，另外，天然气发动机不会造成润滑油稀释，可延长发动机寿命，同时还可降低噪声等。尽管如此，天然气发动机在使用中仍然存在一些问题，其中最为突出的是发动机功率下降、发动机腐蚀与早期磨损的问题。
2 CNG发动机电控技术面临的难题
1）CNG发动机平均值模型存在一定缺陷：无法准确反映进、排气门对输出的影响 ，也忽略了各缸之间差异性，从而使得排放的变化无法反映出来。这一点主要因为大多数模型都是基于燃油发动机模型开发的，没有考虑进气管内气体混后的特性化；
2）控制方法的研究多采用离散多变量非线性时滞系统，而发动机在空燃比的控制上面是离散系统，而转速的控制则被认为是连续系统，这就需要通过正确的数学模型才能反映出来，但因为CNG发动机相关的技术也在不断研究变化，相应技术资料可供参考的数量有限，这也给控制方面的研究造成难度。
3）在压缩天然气发动机控制技术中，针对闭环的控制多采用PID控制，开环控制则采用MAP 图来实现，而针对发动机复杂的工况，在采用PID控制过程中，为提高控制的精度，需要标定大量数据和参数，有的甚至达到7000个以上，这个实验过程不仅耗费资金，也增加了开发的周期。如何实现算法的高精度和可靠性，是开发的一个难点。
4）现有的控制策略和排放优化方案主要依靠台架人工作业，其效率低、费用高、周期长。而提高控制优化效率，就需要依靠智能优化的方法来实现。
3 CNG发动机控制逻辑及优化
1）CNG发动机控制逻辑。相对早期的进气负荷模型，燃油发动的扭矩模型对排放性能有了大幅提升，扭矩模型根据油门传递信息视为扭矩的需求信号，对通过扭矩大小来实现对各控制装置的协调和管理，从而达到降低能耗的目的。为了使发动机扭矩波动减小，就需要对发出请求的扭矩进行核实，然后给予相应的响应。实现控制逻辑是CNG发动机控制逻辑的重点，根据需要，完成对需要空气进气量的计算，再通过依据当前进气量，完成喷气和点火，这三个控制逻辑模块是发动机电控技术中最基本的模块。
图1 扭矩模型控制逻辑图
2）工况的判断。发动机需要经常处于不同的工况环境中工作，如低速、高速、怠速、坡道、弯道、农田、沼泽等，在不同工况运行时，需要通过档位的切换来适应工况的变化，而发动机对工况的判断是否正确、响应是灵敏，直接影响到控制系统的精准度，因此，对工况及时准确的判断对发动机控制系统十分重要。工况一般划分为两大类：故障工况和常规工况。其中故障工况有：发动机温度过高、极限速度断气、传感器失效、综合偏差过高等；常规工况主要根据油门踏板位置信号、冷却温度、进气温度、转速变化等来综合确定，主要包括：冷怠速、热怠速、急加速、启动、排放工况等。如发动机温度过高：IF Tmot>120℃，出现温度异常，就需要将CNG喷射控制脉宽相应减小，进入轻负荷状态，降低水温修正工况，对大负荷不响应。
3）点火提前交角计算。点火提前交角的计算，主要的难点在于如果点火提前交角不准确，出现偏差，就会对发动机本体造成较大的影响，甚至损坏发动机本体。在计算点火提前交角时，要考虑发动机空燃比、大气压力、转速变化率、冷却水温等诸多因素。优秀的点火控制需要在满足输出扭矩尽可能大的前提下，综合考虑各种因素影响。在CNG发动机方面，当其燃烧温度高时，就会导致传播火焰慢，缸内压力上升迟缓，这时需要将提前角增加。但如果调节过大，又会影响到排放性能，导致NOx增加。
4）空气流量计算。为了提高发动机可靠性，空气流量信号设计有两个通道：一路是在空气流量计的基础上，根据进气温度、进气压力等传感器的输出变化，控制进气量和负载；另一路则根据转速、水温、气门开度变化等，来计算和控制进气流量。空气流量的采样一般采取5-10 ms的频率，为降低其他信号的干扰，消除空气流量计、进气管压力随缸体工作所产生波动，在控制逻辑中加了二次滤波，来达到精确计算进气量之目的。空气流量信号对发动机正常工作的影响非常大，当空气流量信号丢失，发动机就无法正常工作。
4 结束语
CNG发动机电控技术在我国尚未形成自主知识产权的技术替代品，而委托国外技术公司开发的产品，又因价格高昂、周期长而受到限制，加之燃油发动机技术在我国尚未完全掌握，而CNG发动机相关技术比燃油发动机技术的研发困难更大。单从技术研发层面来看，发动机电控技术通过精确控制进气流量、燃料喷射和点火，能够大幅提升发动机综合性能，是动力总成技术的核心和热点之一。
参考文献
[1]周龙保，高宗英.内燃机学[M].北京机械工业出版社，1999.
[2]陈飞.压缩天然气发动机电控系统的研究[D].西华大学，2006.
[3]帅英梅.涡轮增压柴油机电控调速系统的建模与仿真[D].华中科技大学，2004.