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摘要：燃气发动机燃气系统设计及选型需考虑不同燃气喷射阀的特性：连续流喷射阀对气质清洁度要求不高，适用于重型单点发动机、低压燃气供给系统。PWM驱动喷嘴单价低，但对气质清洁度要求高，中低流量喷射阀适用于轻中型发动机，大流量喷射阀适用于重型发动机，使用PWM型喷嘴要特别注意燃气供给压力与喷嘴流量关系。发动机设计时应综合考虑喷射阀流量和燃气压力。通过不同燃气喷射系统及其特点的介绍，为燃气发动机设计燃气系统选型提供依据。
关键词：燃气喷射系统;设计;连续流喷射阀;PWM驱动喷嘴
中图分类号：TH162 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）10-0024-02
0 引言
环境污染的加剧，推动更严格的排放法规的实施。为满足排放法规需求，发动机必须使用更高质量的燃油，后处理系统也从国三阶段的EGR系统，到国六阶段的EGR+DOC+DPF+SCR+ASC，越来越复杂，这些都大大增加了使用成本。此外，随着汽车保有量的增加，对石油的需求也不断增加，而地球上石油资源日趋紧张。人们一直在寻求更廉价更环保的代用燃料。天然气资源储量大、安全可靠、经济可行、污染较少、易存储运输、热值高等优点，和柴油机相比，燃气发动机使用理论空燃比+EGR+TWC，即可满足国六法规，天然气成为目前流行的车用代用燃料。
天然气有两种存储方式：CNG和LNG。LNG以存储密度大、甲烷纯度高等优势占据了主要市场份额。对发动机来讲，二者只是存储方式不同，整个燃气供给系统无本质差别。燃气经气瓶、切断阀、稳压器、喷射系统进入发动机。
按照喷射方式的不同，喷射系统可分为连续流喷射阀和PWM喷嘴;按照燃气喷射压力的不同，可分为低压阀和高压阀;根据喷射阀流量的不同，可分为中小流量阀，大流量阀。各喷射系统都有其特点，下面就市场上常用的几种喷射系统进行详细介绍。
1 连续流喷射阀
连续流喷射阀，主要代表有E_Control公司的CFV、WoodWard公司的PFAV。
CFV是智能阀，如图1所示。ECU发送需求燃料流量命令，阀接到命令后，依据阀出口处的背壓，计算需求腔内压力，和实际腔内压力进行比较，控制一级电机，对腔内压力进行调节。根据燃气压力、温度、需求流量，计算出喉口目标有效流通面积，根据目标有效流通面积计算出阀芯的命令位置。根据高精度位移传感器的反馈，使用二级电机对位置进行实时闭环控制，从而保证流量的输出。
PFAV是非智能阀，如图2所示。
PFAV包括切断阀、稳压器、计量阀、燃气温度压力传感器。ECU基于需求压力、燃气压力、温度、出口压力，通过H桥控制计量阀的位置，调节燃气流量。
连续流阀在整个流量控制期间，都需要保持着音速流，这样流量控制才不受下游压力影响，但同时又要尽可能的降低腔内压力，以保证流量控制的线性，有助于闭环控制。
为保证燃料计算的精确性，CFV下游设计出口扩压腔。此扩压腔到混合器的容积会影响瞬态补偿、断气控制等，在中小型机上使用，影响较大，而且成本上有没有使用喷嘴型经济。
连续流适用压力广泛，尤其是CFV，可以根据出口压力调节入口压力，可以适用较低的压力。因采用非接触式针阀控制燃气流量，连续流阀对燃气要求不高，可以适用于较脏的气源。连续流喷射阀一般用于8L及以上机型，因只有一个喷孔，只能适用于单点喷射系统。
2 PWM喷射阀
在汽油机喷射阀开发经验的基础上，通过更改材料、电器参数等，开发出燃气PWM喷射阀，ECU输出PWM信号控制喷射阀的打开和关闭，其驱动电流如图3（a）所示。为提高喷射阀响应性，一般都设计有boost驱动，如图3（b）所示。通过调整peak电流，增大T2，来增大开启驱动力。特别是在低温时，因摩擦力增大，可以通过调整T2、peak电流来增加驱动力，改善冷启动性能。但运行时间需要依据各喷射阀设计情况，不能长时间调整T2、peak电流来增加冷启动能力，否则会对喷射阀寿命产生影响。此类喷射阀以BOSCH公司的NGI2系列、NIKKI公司的Q系列等为典型代表。
因为早期燃气喷射阀生产线与汽油机喷嘴共线生产，喷射阀流量较小，在7bar的喷射压力下，流量在7～10kg/h之间。此类喷射阀以BOSCH公司的NGI2喷射阀为代表。为满足重型车辆燃气流量需求，有些需要一缸配置多个喷射阀。随着重型燃气车辆市场逐渐扩大，小流量、高压力喷射阀在成本、气耗方面的弊端，越来越凸显，大流量、低压力阀的需求越来越强烈。Woodward公司推出了SFG系列喷射阀，如图4（a）所示，NIKKI公司推出了Q系列喷射阀，如图4（b）所示，这些中流量喷嘴流量可达15kg/h左右，可以满足中重型发动机一缸一只喷射阀需求，降低了使用成本。但燃气需求流量大时，仍需要喷射较长时间。
PWM喷射阀，响应速度快，但要求系统滤清能力高，并且因喷射气体，不具备自润滑功能，运动件易粘连磨损，易出现金属碎屑卡滞在密封面使密封面密封不严或者卡滞，从而导致喷射阀漏气或者打不开。使用一段时间后需要使用清洗设备对喷嘴进行清洗。为适应市场需求，较多公司开发了专用喷嘴清洗设备。如图5所示。 在清洗数量较少时，也可以使用简易燃气喷射器阀清洗装置（如图6），用柴油或者专用清洗液进行清洗。清洗时，将清洗泵柴油出口连接燃气喷射器进气口，喷射阀出口连接回柴油罐。开关连接电瓶，控制柴油泵工作，电脑联系ECU，调整ECU进入清洗模式，控制喷射阀工作。通过柴油将杂质清洗掉。不可直接使用电瓶连接喷射阀来打开喷射阀，避免喷射阀长时间通电导致喷射阀烧毁。
因喷嘴流量较小，为满足大负荷需求，在大负荷时，喷嘴喷射脉宽可达600°曲轴转角，喷嘴工作出现重叠情况，而小负荷时，喷射脉宽较小，会出现较长时间的无喷射情况，在设计时需充分考虑燃气、空气混合问题。中小流量喷嘴只能用于单点喷射发动机。
为满足多点发动机需求，立创公司推出了流量超100kg/h的D系列喷射阀图7（a），可以满足开门喷射。但喷射阀体积较大，需要较大得驱动力。平时工作时采用二阶段驱动方式，其驱动方式与图3（b）所示相同。低温下阀的摩擦力增大，需要更大的驱动力才能开启。为加快阀的开启，减小开启阶段燃气流量的不确定性，采用三段式驱动图7（b）。此种驱动方式可在开始较短的时间内输出大电流以加快电磁阀响应时间，保证燃料供给的及时性和稳定性。驱动电路需对VBOOST阶段和VPWR进行电流控制，以防止电流过大对电磁气阀造成损伤。
D系列电磁气阀主要应用于纯然气和双燃料发动机，配套多点电喷系统时，每个缸安装一个喷射阀，可安装在进气歧管位置，配套单点喷射系统时，可根据需要在适当的位置安装。电磁喷气阀精密度高，安装过程应保持一定的清洁度，电磁气阀工作时要求燃气压力与进气压力应有一定的压差，以便燃气能够顺利喷射进进气歧管中。
3 结语
①连续流单价较高，对气质清洁度要求不高，适用于低压系统，只能用于单点发动机，考虑到性价比，适用于重型发动机;②PWM喷嘴单价低，控制精确，对气质清洁度要求高，需要定期清洗，中低流量喷射阀适用于轻中型发动机，大流量喷射阀适用于重型发动机。在喷射阀选型时，要综合考虑喷射阀流量和燃气压力，以满足发动机使用需求。
参考文献：
[1]清华大学余志生主编.汽车理论.第5版[M].北京：機械工业出版社，2009.3（2015.1重印）.
[2]郑国勇，刘凯，等.天然气汽车的应用情况与发展动态研究[J].内燃机，2007（5）：1-4.
[3]吉林大学汽车工程系编著.汽车构造.第六版[M].北京：人民交通出版社，2013，6.
关键词：燃气喷射系统;设计;连续流喷射阀;PWM驱动喷嘴
中图分类号：TH162 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）10-0024-02
0 引言
环境污染的加剧，推动更严格的排放法规的实施。为满足排放法规需求，发动机必须使用更高质量的燃油，后处理系统也从国三阶段的EGR系统，到国六阶段的EGR+DOC+DPF+SCR+ASC，越来越复杂，这些都大大增加了使用成本。此外，随着汽车保有量的增加，对石油的需求也不断增加，而地球上石油资源日趋紧张。人们一直在寻求更廉价更环保的代用燃料。天然气资源储量大、安全可靠、经济可行、污染较少、易存储运输、热值高等优点，和柴油机相比，燃气发动机使用理论空燃比+EGR+TWC，即可满足国六法规，天然气成为目前流行的车用代用燃料。
天然气有两种存储方式：CNG和LNG。LNG以存储密度大、甲烷纯度高等优势占据了主要市场份额。对发动机来讲，二者只是存储方式不同，整个燃气供给系统无本质差别。燃气经气瓶、切断阀、稳压器、喷射系统进入发动机。
按照喷射方式的不同，喷射系统可分为连续流喷射阀和PWM喷嘴;按照燃气喷射压力的不同，可分为低压阀和高压阀;根据喷射阀流量的不同，可分为中小流量阀，大流量阀。各喷射系统都有其特点，下面就市场上常用的几种喷射系统进行详细介绍。
1 连续流喷射阀
连续流喷射阀，主要代表有E_Control公司的CFV、WoodWard公司的PFAV。
CFV是智能阀，如图1所示。ECU发送需求燃料流量命令，阀接到命令后，依据阀出口处的背壓，计算需求腔内压力，和实际腔内压力进行比较，控制一级电机，对腔内压力进行调节。根据燃气压力、温度、需求流量，计算出喉口目标有效流通面积，根据目标有效流通面积计算出阀芯的命令位置。根据高精度位移传感器的反馈，使用二级电机对位置进行实时闭环控制，从而保证流量的输出。
PFAV是非智能阀，如图2所示。
PFAV包括切断阀、稳压器、计量阀、燃气温度压力传感器。ECU基于需求压力、燃气压力、温度、出口压力，通过H桥控制计量阀的位置，调节燃气流量。
连续流阀在整个流量控制期间，都需要保持着音速流，这样流量控制才不受下游压力影响，但同时又要尽可能的降低腔内压力，以保证流量控制的线性，有助于闭环控制。
为保证燃料计算的精确性，CFV下游设计出口扩压腔。此扩压腔到混合器的容积会影响瞬态补偿、断气控制等，在中小型机上使用，影响较大，而且成本上有没有使用喷嘴型经济。
连续流适用压力广泛，尤其是CFV，可以根据出口压力调节入口压力，可以适用较低的压力。因采用非接触式针阀控制燃气流量，连续流阀对燃气要求不高，可以适用于较脏的气源。连续流喷射阀一般用于8L及以上机型，因只有一个喷孔，只能适用于单点喷射系统。
2 PWM喷射阀
在汽油机喷射阀开发经验的基础上，通过更改材料、电器参数等，开发出燃气PWM喷射阀，ECU输出PWM信号控制喷射阀的打开和关闭，其驱动电流如图3（a）所示。为提高喷射阀响应性，一般都设计有boost驱动，如图3（b）所示。通过调整peak电流，增大T2，来增大开启驱动力。特别是在低温时，因摩擦力增大，可以通过调整T2、peak电流来增加驱动力，改善冷启动性能。但运行时间需要依据各喷射阀设计情况，不能长时间调整T2、peak电流来增加冷启动能力，否则会对喷射阀寿命产生影响。此类喷射阀以BOSCH公司的NGI2系列、NIKKI公司的Q系列等为典型代表。
因为早期燃气喷射阀生产线与汽油机喷嘴共线生产，喷射阀流量较小，在7bar的喷射压力下，流量在7～10kg/h之间。此类喷射阀以BOSCH公司的NGI2喷射阀为代表。为满足重型车辆燃气流量需求，有些需要一缸配置多个喷射阀。随着重型燃气车辆市场逐渐扩大，小流量、高压力喷射阀在成本、气耗方面的弊端，越来越凸显，大流量、低压力阀的需求越来越强烈。Woodward公司推出了SFG系列喷射阀，如图4（a）所示，NIKKI公司推出了Q系列喷射阀，如图4（b）所示，这些中流量喷嘴流量可达15kg/h左右，可以满足中重型发动机一缸一只喷射阀需求，降低了使用成本。但燃气需求流量大时，仍需要喷射较长时间。
PWM喷射阀，响应速度快，但要求系统滤清能力高，并且因喷射气体，不具备自润滑功能，运动件易粘连磨损，易出现金属碎屑卡滞在密封面使密封面密封不严或者卡滞，从而导致喷射阀漏气或者打不开。使用一段时间后需要使用清洗设备对喷嘴进行清洗。为适应市场需求，较多公司开发了专用喷嘴清洗设备。如图5所示。 在清洗数量较少时，也可以使用简易燃气喷射器阀清洗装置（如图6），用柴油或者专用清洗液进行清洗。清洗时，将清洗泵柴油出口连接燃气喷射器进气口，喷射阀出口连接回柴油罐。开关连接电瓶，控制柴油泵工作，电脑联系ECU，调整ECU进入清洗模式，控制喷射阀工作。通过柴油将杂质清洗掉。不可直接使用电瓶连接喷射阀来打开喷射阀，避免喷射阀长时间通电导致喷射阀烧毁。
因喷嘴流量较小，为满足大负荷需求，在大负荷时，喷嘴喷射脉宽可达600°曲轴转角，喷嘴工作出现重叠情况，而小负荷时，喷射脉宽较小，会出现较长时间的无喷射情况，在设计时需充分考虑燃气、空气混合问题。中小流量喷嘴只能用于单点喷射发动机。
为满足多点发动机需求，立创公司推出了流量超100kg/h的D系列喷射阀图7（a），可以满足开门喷射。但喷射阀体积较大，需要较大得驱动力。平时工作时采用二阶段驱动方式，其驱动方式与图3（b）所示相同。低温下阀的摩擦力增大，需要更大的驱动力才能开启。为加快阀的开启，减小开启阶段燃气流量的不确定性，采用三段式驱动图7（b）。此种驱动方式可在开始较短的时间内输出大电流以加快电磁阀响应时间，保证燃料供给的及时性和稳定性。驱动电路需对VBOOST阶段和VPWR进行电流控制，以防止电流过大对电磁气阀造成损伤。
D系列电磁气阀主要应用于纯然气和双燃料发动机，配套多点电喷系统时，每个缸安装一个喷射阀，可安装在进气歧管位置，配套单点喷射系统时，可根据需要在适当的位置安装。电磁喷气阀精密度高，安装过程应保持一定的清洁度，电磁气阀工作时要求燃气压力与进气压力应有一定的压差，以便燃气能够顺利喷射进进气歧管中。
3 结语
①连续流单价较高，对气质清洁度要求不高，适用于低压系统，只能用于单点发动机，考虑到性价比，适用于重型发动机;②PWM喷嘴单价低，控制精确，对气质清洁度要求高，需要定期清洗，中低流量喷射阀适用于轻中型发动机，大流量喷射阀适用于重型发动机。在喷射阀选型时，要综合考虑喷射阀流量和燃气压力，以满足发动机使用需求。
参考文献：
[1]清华大学余志生主编.汽车理论.第5版[M].北京：機械工业出版社，2009.3（2015.1重印）.
[2]郑国勇，刘凯，等.天然气汽车的应用情况与发展动态研究[J].内燃机，2007（5）：1-4.
[3]吉林大学汽车工程系编著.汽车构造.第六版[M].北京：人民交通出版社，2013，6.