浅析燃气发动机的空燃比控制

浅析燃气发动机的空燃比控制

蒋继,韦霞军

广西玉柴机器股份有限公司工程研究院 广西玉林市  537000

摘要：燃气发动机控制系统属于发动机控制的一个细分领域，这种控制系统和汽油机的控制系统有较多的相似之处，但由于燃料压力、成份和供气时的物理状态不同又使得燃气发动机控制存在较多的独特之处。特别是燃气发动机的空燃比控制，由于燃料的供应由液态变成了气态，同时压力波动、气源成份变化，都与燃油发动机的控制有比较大的差异。采用天然气发动机替代原先的燃油发动机，对我国能源结构调整战略是一个重要支撑，同时，燃气汽车作为一种清洁能源汽车，污染物排放可以明显低于燃油汽车，开发性能优异的燃气发动机空燃比控制系统，对燃气汽车推广和节能减排具有重要意义。

关键词：然气；发动机；空燃比

发动机研究的目的就是在保证发动机动力性和经济性的同时，尽量降低发动机的有害排放物，以满足日益严格的排放法规的要求。而发动机的动力性、经济性和排放性能均与其瞬态空燃比密切相关。对天然气发动机空燃比控制系统的研究与开发，在保证发动机有效动力的同时可进一步提高燃料利用效率和发动机排放水平，具有较大的科研价值和应用价值。由于天然气发动机具有复杂的非线性和时变性，所以对其空燃比控制系统具有较高的控制要求。因此，空燃比控制方法的确定和实现发动机的关键技术。在燃气发动机空燃比控制系统中，数据采集系统是中心环节，也是最基础的部分，其采集量的实时性、精度与准度对发动机的运行及控制起着决定性的作用。

一、天然气发动机分类

1、单燃料发动机。只使用天然气作为燃料，根据天然气的燃料特性对发动机进行重新设计制造，优化发动机结构参数和控制参数，已达到较好的动力性、经济学和排放性能。

2、两用燃料发动机。使用天然气或汽油作为燃料，应用在点燃式发动机上。在保留原汽油机的供油系统和点火系统的基础上，新增一套天然气供给系统和油气转换装置。天然气供给方式分为赶外供气和紅内供气。

3、双燃料发动机。同时使用天然气和柴油两种燃料，应用在压燃式发动机

上。在原柴油机基础上增加一套天然气供气和气量控制系统，喷油泵控制柴油量。

天然气通过喷入的少量柴油压燃，天然气供给方式包括虹外供气和虹内直喷。

二、天然气发动机结构及工作特性

1、出于对发动机爆震及排放的考虑，由柴油机改造而成的天然气发动机，

压缩比一般会低于柴油发动机。为降低压缩比，一般会对气赶活塞顶部进行处理，如采取增大活塞顶部凹槽深度等措施。

2、为提高天然气发动机的经济性和动力性，天然气发动机多采用多气门技术和稀薄燃烧技术，通过提高发动机气赶充气效率，使混合燃气在气虹内充分燃烧，从而达到优化燃料经济性。

3、天然气发动机工作介质的物理特性与燃油发动机存在较大差异。由于经减压、过滤后的天然气会呈气态，在燃气喷射及混合时不存在汽化不良和油膜现象的发生，所以其空燃比控制过程不需要据此对供气量修正。

三、天然气发动机空燃比控制

1、天然气发动机平均值模型。通常情况下，对天然气空燃比的建模一般使用发动机的平均值模型。这种模型和汽油机的平均模型基本相同，不同之处在于发动机的燃料状态不同，喷射时间也不同，当气管中循环喷射的气体都进入到气缸后，天然气的平均模型就会发生改变。具体的变化数值如下：

2、控制方法。燃气发动机的空燃比控制方法一般分为，第一种是基于 PID 的控制算法，这种控制算法是在经典控制理论的基础上进行控制的；第二种是现代控制理论基础上的控制算法，主要是通过基于观测器的控制算法对发动机进行控制；第三种是借助于人工智能技术进行智能化的控制，主要是基于神经网络的控制算法。在一般控制过程中，会将这几种控制算法相结合进行全面控制以此来达到较好的控制效果。

1、前馈控制。对天然气发动机空燃比的控制主要是为了确保系统在变化的同时仍然能使得输出值能够跟踪期望值。该系统的反馈信号是氧传感器的测量数值，一般情况下，发动机内部存在的废气传输的时间延长时会导致传感器的信号发生变化，从而使得整个控制系统难以对进气量进行跟踪，在发动机内部出现空燃比波动，最终会导致发动机转速波动、熄火等现象发生。跟踪空气量的变化就需要在发动机的前馈环节适当控制天然气的喷射量，天然气的控制系统中加入前馈环节显得更加重要。发动机空燃比的前馈控制中主要使用的方法是查表法，使用表格存储的方式将发动机不同转速时进入到气缸中的理想空气量和燃气量进行存储，从而达到气体调节的目的。表格中储存的空气量应该也有一定的限度，在表中没有列出空气量和燃气量的应该采用插值的方法求出具体的数值。采用插值的算法对空气量和燃气量进行控制，当调速节气门出现较大的变化时，前馈控制器的输出数值就会和实际喷入气缸的数值出现一定的差距，使得空燃比出现较大的误差。采用模糊控制算法可以适当减少前馈控制的误差，减少其在瞬间出现的波动。模糊控制的算法主要是通过发动机节气门的变化控制天然气的喷射量和补偿量，在节气门出现变化的情况下可以采用合适的方法控制天然气量。

2、基于神经网络的空燃比控制。发动机空燃比控制的最基本的方法是PID，该种方法的主要优点是在进行工程调整的过程中方便调整，不需要较多的调整经验，这种方法是一般控制中使用最多的方法。发动机系统是一种非线性系统，其在运行过程中的范围相对广泛，具有复杂的运行工况，使用规定参数对其进行控制不能使所有的工况都能够适用。一般情况下，随着发动机工况的变化会使得空燃比信号在反馈的过程中出现延时现象，将 PID 的控制和预估器的控制相结合对空燃比进行控制可以适当提高其控制的效果。控制网络可以对控制参数进行适当的调整，随着发动机工况的不同神经网络的控制器会对其控制参数进行调整。由于发动机具有较强的动态时效性，所以在采用神经网络的算法进行学习时需要考虑到各种硬件设备的限制情况，采用单神经元可以实现 PID 的控制，通过调整加权系数可以使单神经元控制器适合控制器的功能。其中，单神经元本质上也是一个非线性的增量式控制器，其权系数具有多种算法，一定程度上可以提高计算的速率。

3、仿真结果解析。使用 PID 控制器进行控制不需要对被控制对象的控制模型进行了解，只需要根据控制经验对被控制参数进行调节，这样就可以使最终的结果符合具体的数据要求。但是这种控制器的不足之处在于被控参数具有敏感的变化。通常情况下可以通过软件编程的方式实现 PID控制，可以对 PID 参数实时实行调整，能够取得较好的控制效果。发动机在工作的过程中涉及到的范围相对广泛，各个工况之间的差值也较大，对各个工况条件下的空燃比进行仿真可以得到不同的仿真图和控制图，当节气门突然出现变化时，前馈环节会对天然气的喷射起到补偿的作用。从中可以得到结论，在神经网络作用下的控制器有较快的收敛速度，在工况变动的情况下可以对控制器的输出情况进行适当的调整，使得发动机空燃比输出的数值更加准确。

基于天然气发动机空燃比控制系统具有较好的控制效果和控制优势，在实际控制中能够更好的使用。相对于其他控制策略而言，神经网路控制策略只适用于对特定的发动机进行控制，当控制环境发生改变时需要重新对控制数值进行调整，根据实际的控制条件选择合适的硬件控制，这样就可以使得空燃比得到较好的控制。

参考文献：

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