1.引言

    环保型气体燃料汽车已经成为当代汽车的主要发展趋势之一。在发展和应用清洁气体燃料的发动机的过程中，关键技术之一是气体燃料供给方式，它在很大程度上影响发动机的动力性、经济性、排放性能以及安全可靠性。电控喷气技术是气体燃料发动机先进的燃料供给形式，正处在研制和开发阶段.目前气体燃料供给形式可分为两大类：缸外供气方式和缸内供气方式。前者包括进气道混合器预混合式和进气道喷射式；后者主要包括缸内高压喷射式和低压喷射式。

    进气道混合器预混合供气方式是应用较早的方案，由于供气装置简单，现在仍然在应用。但是混合器预混合供气方式通常能减少空气充量达10%-15%，影响发动机燃烧及升功率。

    进气道喷射供气方式较混合器预混合供气方式更进一步，该供气方式将气体喷射器布置在各缸进气门前端，可实现对每一缸的定时定量供气和实施混合气浓度调节及分层供气，通常称之为电控多点气体喷气系统。

    缸内供气方式有缸内高压喷射式和低压喷射式两种。其中低压喷射供气方式主要用在压缩比低的点燃式气体燃料发动机上；高压喷射供气方式主要用在压缩比高和压缩终点喷射的气体燃料发动机上，对于大型发动机和高速发动机，往往采用高压喷射达到较高的燃料供给量及延续较短的供气喷射时刻。缸内气体喷射完全实现了燃料供给的质调节，不占据空气充量份额，为进一步完善发动机各项性能提供更有利的条件。

    电控喷气技术是气体燃料发动机最具优越性的供气方式，不论气体燃料的缸外喷气还是缸内喷气，都将比混合器预混合供气方式具有显著优点。特别是天然气/柴油双燃料发动机的电控喷气技术，尽管该技术实施比较复杂，技术难度较大，但它优良的气体燃料发动机工作性能和优越的排放性能，必将随着汽车工业的发展而被气体燃料发动机逐渐应用。

    2.喷气方式

    根据柴油机的工作特点，并保证发动机仍然可以完全恢复纯柴油工作，电控反馈信号主要选择发动机转速、空气流量和排气温度。控制方式如图1所示。

    本研究拟采用开环和闭环相结合的控制方式。以开环控制为基本量控制，以闭环控制实施控制量的修正微调。开环控制实现对天然气喷气量的基本控制调节，控制依据为双燃料发动机的试验脉谱图。闭环控制是在开环控制结构基础上，实施天然气量和空气量的进一步调节，使发动机运行工况稳定和完成混合气空燃比的控制。图2所示电控喷气的控制流程。

    气体喷射器的开闭和空气量的调节均由控制系统依据发动机转速、空气流量、天然气供气量、排气温度和脉谱图实施控制。气体喷射器开启时刻是在进气行程，且排气门关闭之后；喷射器关闭时刻最晚不迟于进气门关闭。

    控制系统在控制过程中完成信号采集与处理、控制决策和控制信号的生成与输出等工作。它主要是由以单片机为核心的ECU组件和外部组件组成。其硬件部分主要有控制单元、前置接口通道电路和后置接口通道电路，以及根据发动机工作过程要求设计的控制软件。

    3.电控喷气双燃料发动机性能分析

    电控喷气双燃料发动机性能试验在ZH1105W发动机上进行。试验系统如图3所示。试验主要包括两部分工况(见表1)：(Ⅰ)在一确定的发动机工况，实现不同的替代率及喷射相位和喷气压力，比较天然气混合器供气方式和电控喷气方式在双燃料发动机性能上的差异，研究电控喷气双燃料发动机的特点；(Ⅱ)在不同的转速和负荷工况下，进行电控喷气式双燃料发动机的试验比较。电控喷气选择不同的喷射压力和相位试验主要是出于对混合气调节浓度和分层供气的考虑，以实现一定程度的燃烧调控分析。

表1 电控喷气试验工况

    3.1.1燃烧速度

    双燃料发动机中，着火迟后和燃烧速度低是其存在的主要问题之一，寻求一定的解决方法也是急待研究的问题。试验中发现，不同的供气方式对燃烧速度有一定的影响。

    压力峰值P_max、最大压力升高率dP_max的变化在某种程度上反映了燃烧速度的变化。图4、图5分别是在同一发动机工况(1300r·min^-1/19.6N·m)下，混合器供气，喷射供气及不同参数(喷气压力、相位)的喷射对压力峰值、最大压力升高率和最大放热率影响的变化曲线，其中横坐标R为天然气对柴油的替代率。

    图4、图5可知，喷气压力和喷射相位角分别为0.3MPa和12°的喷射供气具有较高的P_max 、dP_max 数值。从而表明，在相同的替代率下，该喷射状态燃烧速率较高。其他喷射情况与混合器供气基本相近。

    由于0.3MPa和12°的喷射状态的喷射脉宽较大，并在吸气行程的较早时刻喷气，形成的混合气在缸内的浓度分布有利于迅速传播火焰，提高燃烧速度。

    3.1.2燃烧循环变动

    利用压力峰值标准差P_maxS.D.(100个循环采样)衡量双燃料燃烧过程的循环变动，分析燃烧稳定性。

    图6是混合器和3种状态电喷供气的压力峰值标准差变化情况。在替代率75%以下时，无论何种供气形式，双燃料燃烧的循环变动均较小，基本接近纯柴油燃烧的压力峰值标准差(柴油机试验结果为：P_maxS.D.=0.08-0.25MPa)。当替代率超过75%后，双燃料燃烧的循环变动明显加剧。不过在较高的替代率时，电喷供气的循环变动较混合器供气有降低的趋势。而且其中仍然是喷气压力和相位分别为0.3MPa和12°的喷射供气具有更稳定的燃烧特性，其压力峰值标准差降低50%左右。图中还反映出，若喷射参数组织不当，循环变动也许无法得到改善，甚至可能变差。

    3.2燃料经济性

    解决双燃料发动机的燃料经济性也是人们非常关注的重点。不同天然气供气形式可以一定程度改善燃料经济性，提高发动机热效率。

    如图7所示，在同一发动机工况和相同的替代率下，比较发动机的热效率可知，在较高的替代率时，喷射供气和混合器供气的热效率基本接近或略有偏高。随着替代率的降低，喷气方式明显地提高了热效率，而且变化趋势显著高于混合器供气。

    发动机热效率对供气形式比较敏感，分析其主要原因是喷射供气由于只在较短的脉宽时间内供气，使混合气在气缸内处于一定的分层状态，一定的浓度分布，更有利于高浓度区域的混合气先前被点燃，从而增加火焰传播能量，强化低浓度区域的混合气燃烧，使燃烧更加充分，减少局部熄火和燃烧不完全的产生程度。这种影响规律在引燃柴油量加大时更加明显，此时由于压燃柴油的着火点增加，也增加了着火点与混合气接触的可能性，从而表现出随替代率降低，热效率提高趋势更加明显的特性。

    图7中三种喷射状态的热效率结果还反映出，对于喷射供气，当喷射压力提高，喷射相位迟后，使天然气喷射过程处于吸气行程后半部分时，由于较高喷射压力导致更短时间的集中喷射，提高混合气的局域浓度，强化供气分层，加强燃烧，使热效率提高。在三种喷射情况中，喷射压力为0.425MPa、喷射相位角为42°的电控喷气的发动机热效率最高。

    因此，天然气喷射供气方式可以通过喷射压力和喷射相位的调整，达到一定程度的混合气分层供气和浓度分布，利于双燃料发动机中的混合气燃烧，提高燃烧效率。使电控喷气燃烧热效率可以超过混合器式供气方式，甚至有可能达到或超过柴油机水平。

    另外，喷射供气较混合器供气热效率高的另一原因是喷射供气基本消除了进排气重叠角造成扫气的燃料浪费现象。

    3.3燃烧排放

    双燃料发动机THC和CO的排放加剧是柴油机燃用天然气后面临的首要问题。目前，研究人员都在致力于解决这一问题。本研究采用可控喷气技术的主要出发点，是探索解决该问题的有效途径。

    图8和图9分别为在相同的发动机工况下，比较不同供气形式的CO和THC排放结果。显然，在相同工况和相同的替代率下，采用电控喷气后，CO和THC排放均较混合器供气有明显改善。其中CO在整个替代率范围内，有基本相同程度的改善；而THC排放的改善，随替代率的升高，其改善程度越发明显。因此，利用电控喷气技术，更有利于高替代率时的THC排放降低。

    在图8中，当替代率接近最大值时，CO有一定的降低现象。分析原因是较高替代率时柴油量下降，减少了后期与天然气混合气一同燃烧的柴油量，有利于降低后期柴油的不完全燃烧程度。因为双燃料燃烧过程中，燃烧压力和温度较低，往往不利于柴油着火燃烧，特别是对先前没能有效着火的剩余柴油，在后期更不利于它们的进一步扩散燃烧。因此，从CO的排放规律可以看出，CO排放由柴油和天然气两部分燃料的不完全燃烧所致。

    在电控喷气过程中，不同的喷射压力和喷射相位对排放的影响也是相当明显的。喷气状态调整不良，仍然可能造成CO或THC排放加剧。图8和图9表明，喷射压力和喷射相位分别为0.3MPa和12°的喷气形式具有较好的排放效果。其较混合器供气方式CO最大降低50%以上，THC最大降低50%以上。

    因此，采用电控喷气技术必须结合发动机的具体情况，调整喷射参数，使双燃料发动机实现最佳的排放状态。当然，由于CO和THC的排放生成机理不同，最佳喷射参数的调整有时需要综合协调各排放指标的变化情况。

    综上电控喷射供气双燃料燃烧试验研究结果可知，双燃料发动机采用天然气电控喷射供气，可以使双燃料发动机燃烧过程中的一些突出问题得到缓解和改善。通过合理组织喷射控制方案，可以提高燃烧速度，提高燃料经济性和改善排放。电控喷气技术是提高双燃料发动机性能的重要途径之一。

    4.结论

    研制成功的天然气电控喷气系统，应用于双燃料发动机的天然气供气系统上可行。试验表明电控喷气对双燃料发动机可以明显改善性能。

    电控喷气对燃烧速度和燃烧稳定性有明显作用。合理选择喷射压力和喷射相位可有效地提高燃烧速度和燃烧稳定性。电控喷气技术可以明显改善双燃料发动机的燃料经济性，提高发动机的热效率，以及改善双燃料发动机排放。

    电控喷气过程中，喷射压力和相位应合理确定。否则，可能使燃烧改善效果不明显，甚至造成燃烧变差。该项研究工作正在进一步发展，探讨更完善喷气规律和空燃比调节控制，利用喷射相位、频率和脉宽等调节的有机结合，达到混合气的有效组织，使双燃料发动机在各种工况下及时有效地燃烧，同时实施其它控制技术。