同濟大學 齊亞騰 馮 良 林立春 胡 標 鄧鈺才

0 概述

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國在能源利用方面利用率低、排污高的問題日益凸現(xiàn)，不僅使環(huán)境日益惡化，更影響到經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。在當今社會，節(jié)能環(huán)保成為我國繼煤炭、電力、石油和天然氣之后的“第五能源”。從我國2007～2014年天然氣產(chǎn)銷情況可以看出，考慮到天然氣需求量正逐年增大，但同時存在天然氣燃燒利用率低、污染物排放量高的能源利用現(xiàn)狀，因此燃氣燃燒領域存在巨大的節(jié)能環(huán)保潛力。預熱助燃空氣是余熱利用最直接的節(jié)能措施，其節(jié)能優(yōu)勢突出，但存在冷熱態(tài)空燃比漂移等控制難點，因此，實現(xiàn)空氣預熱燃燒系統(tǒng)節(jié)能減排的關鍵技術是空燃比精確控制。

空氣預熱燃燒系統(tǒng)的空燃比控制國內(nèi)外研究較少、研究水平不高、控制產(chǎn)品有限，本文在燃氣汽車空燃比閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)的研究基礎上進行分析，成功將其改裝到空氣預熱燃燒系統(tǒng)，并實驗驗證了其控制的有效性。

1 預熱空氣燃燒系統(tǒng)優(yōu)勢及控制難點

助燃空氣預熱可以有效回收煙氣中的熱量，使得熱效率明顯提高。圖1為導熱油爐熱效率隨助燃空氣溫度變化的曲線，從圖1中可以看出，排煙溫度為300 ℃，無空氣預熱時，熱效率僅為87%，預熱到150 ℃，效率達到92%，節(jié)能5%；排煙溫度為400 ℃，無空氣預熱時，熱效率為82%，空氣預熱到250 ℃，效率達到91%，節(jié)能9%。

圖1 導熱油爐熱效率隨助燃空氣溫度變化曲線

空氣預熱燃燒系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)勢突出，但在采用空氣預熱器對助燃空氣預熱之后，助燃空氣溫度升高會導致助燃空氣的密度變小，不僅增加了下游風道的阻力，空氣的質(zhì)量流量也會隨之發(fā)生變化，空燃比發(fā)生漂移。助燃空氣溫度變化造成的空燃比漂移現(xiàn)象，對熱效率、燃燒穩(wěn)定性及污染物排放都造成不良影響。

(1)實際運行時，燃燒系統(tǒng)在熱態(tài)下調(diào)試完成，冷啟動時就會出現(xiàn)冷空氣過剩的情況，導致點火成功率低，熱效率下降。根據(jù)蔡駿《改善帶空氣預熱器燃燒系統(tǒng)空燃比的簡單方法》一文，煙氣溫度為300℃時熱效率隨助燃空氣溫度的變化，見圖2，其中虛線表示λ=1.15，穩(wěn)定不變時的情況，實線表示無溫度補償，λ發(fā)生偏移時的情況。一般在部分負荷或冷態(tài)下熱效率會下降2%～5%。

圖2 煙氣溫度為300 ℃時的熱效率

(2)空燃比變化也會影響到NOx等污染物的排放。以NOx為例，根據(jù)宋洪鵬等《過量空氣悉數(shù)對燃氣燃燒中NOx生成的影響》一文，過?？諝庀禂?shù)與NOx的生成關系，見圖3。

圖3 過剩空氣系數(shù)與NOx生成關系

從中可以看出，隨過?？諝庀禂?shù)的增大，NOx生成量先增大后減小。在實際運行中，預熱空氣會導致理想空燃比漂移，影響NOx的排放。

2 空燃比閉環(huán)控制系統(tǒng)基本結(jié)構及控制原理

根據(jù)林祥輝等的《氧傳感器的檢測與常見故障分析》一文，可知理想的空燃比(14.7±0.147)對提高燃氣汽車的平均有效壓力、提高熱效率、改善排放特性有重要意義。通常，燃氣汽車采用前饋控制結(jié)合閉環(huán)反饋控制的方法，實現(xiàn)空燃比的控制優(yōu)化過程。閉環(huán)混合器式燃氣控制系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)換開關、模擬器、控制器、步進電動機、功率閥等部分組成，典型的系統(tǒng)示意圖見圖4，接線見圖5。其中，執(zhí)行器是可以控制循環(huán)噴氣的步進電機功率閥，它位于混合器和減壓器之間。它與天然氣節(jié)流閥一體，由可以順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)的步進電機驅(qū)動，受燃氣ECU控制。

圖4 閉環(huán)燃氣控制系統(tǒng)示意

圖5 閉環(huán)燃氣控制系統(tǒng)控制器接線

燃氣汽車的空燃比閉環(huán)控制原理為:氧傳感器檢測排氣中的氧含量，并將信號反饋給電控單元ECU，ECU通過對傳感器送來的信號進行運算處理，計算出需要的噴氣量，并將該命令信號傳遞給步進電機，步進電機旋轉(zhuǎn)，功率閥閥芯上下移動，從而改變節(jié)流閥的流通面積，實現(xiàn)空燃比的閉環(huán)控制。

3 車用電控單元ECU應用于空氣預熱燃燒系統(tǒng)

3.1 空氣預熱燃燒系統(tǒng)閉環(huán)控制原理

圖6為燃燒系統(tǒng)氧傳感器反饋控制原理圖，與燃氣汽車空燃比控制系統(tǒng)類似，內(nèi)置于煙道中的氧傳感器測量煙氣中的氧含量，并將產(chǎn)生的電壓信號反饋至電控單元ECU中，從而驅(qū)動執(zhí)行機構(步進機)，調(diào)節(jié)燃氣通路的流通面積，控制燃氣流量。

圖6 燃燒系統(tǒng)氧傳感器反饋控制原理

3.2 氧傳感器輸出差異性理論分析及實驗驗證

3.2.1 理論分析

汽車用氧傳感器與鍋爐等燃燒用氧傳感器的工作原理基本相同，只是測量氧氣分壓的范圍和精度不同:汽車發(fā)動機系統(tǒng)，為保證三元催化轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率達到最高，空燃比應控制在14.7(過?？諝庀禂?shù)幾乎為1)附近很窄的范圍內(nèi)；而燃燒系統(tǒng)，為保證燃燒完全，過?？諝庀禂?shù)要求大于1，在1.1～1.5之間為宜。

理論過剩空氣系數(shù)的差異導致氧傳感器輸出值在汽車發(fā)動機和空氣預熱燃燒系統(tǒng)中有所不同，以氧化鋯式氧傳感器為例，如圖7所示，在接近14.7的理想空燃比狀態(tài)下，氧傳感器電壓在0～1 V間波動。

圖7 氧化鋯式氧傳感器電壓特性

公式(1)為氧化鋯式氧傳感器的濃度差電勢能斯托公式:

式中:E——氧傳感器濃度差電勢，V；

R——氣體常數(shù)，8.314 J/(mol.k)；

T——工作溫度，K；

PO2(1)——參比空氣氧分壓值；

PO2(2)——被測煙氣氧分壓值。

在燃燒系統(tǒng)中，最佳空燃比范圍內(nèi)，氧傳感器電壓信號近似為0，即理想空燃比情況下，氧化鋯式氧傳感器存在輸出差異。

3.2.2 差異性實驗驗證及改進方法的提出

本實驗氧傳感器采用車用二氧化鋯式氧傳感器；電控單元選用燃氣汽車閉環(huán)控制單元D01，其中，采用電壓信號發(fā)生器模擬0～5V線性電壓作為節(jié)氣門位置傳感器電信號，接入12V直流電壓模擬汽車燃氣時的開關輸入。將上述實驗裝置及其他輔助設備進行連接搭建，形成實驗測試臺，實驗系統(tǒng)原理圖如圖8所示:

圖8 氧傳感器作為反饋的燃燒系統(tǒng)閉環(huán)控制原理

差異性驗證步驟為:

(1)調(diào)節(jié)伺服閥手動螺絲改變空燃比，同時，測量二氧化鋯式氧傳感器電壓值、煙氣分析儀實測O2含量；

(2)根據(jù)以下公式計算過?？諝庀禂?shù)α:

根據(jù)組分濃度換算公式，將煙氣中組分濃度換算成規(guī)定的過?？諝庀禂?shù)(=1)下的組分濃度

實驗數(shù)據(jù)顯示，只要過?？諝庀禂?shù)大于1.06，氧傳感器的電壓就會一直處于0.1 V以下，近似為0，而只有當過?？諝庀禂?shù)幾乎為1時，才會出現(xiàn)氧傳感器電壓在0～1V間的波動。綜上，考慮到對汽車閉環(huán)控制單元D01的應用，需對氧傳感器的電壓信號進行仿真模擬，使放大后的電壓符合D01控制系統(tǒng)的要求，從而能夠進行燃燒系統(tǒng)的空燃比控制。

假設煙氣中氧含量為4%，工作溫度為700℃，根據(jù)氧化鋯傳感器電壓計算公式(1)，計算得氧傳感器此時工作電壓:

實驗數(shù)據(jù)表明，此時過?？諝庀禂?shù)α=1.23，放大倍數(shù)為0.45/0.035=12.85。接入放大電路后，再次進行實驗測試，實驗結(jié)果表明，當氧傳感器電壓在0.332～0.588之間時，空燃比值適當，此時，煙氣中氧含量控制對應范圍為2.9%～6.5%。過?？諝庀禂?shù)的控制范圍為1.16～1.45。三者的對應關系列入表1。

表1 實驗控制范圍

3.3 電控單元D01空燃比控制有效性試驗驗證

測試仍然采用上述實驗臺，以不同燃燒功率(7 kW、6 kW、5 kW)下的具體試驗數(shù)據(jù)，說明空燃比變化時，步進機的位置變化，進一步驗證系統(tǒng)的控制有效性。試驗步驟為:

(1)調(diào)節(jié)風機占空比至設定的燃燒功率，穩(wěn)定燃燒時，測量氧傳感器電壓；

(2)調(diào)節(jié)燃氣比例閥手動螺絲使氧傳感器電壓升高(降低），并超出控制范圍上限，LovEco軟件采集步進電機位置，測量氧傳感器相應電壓值；

圖9和圖10為氧傳感器電壓變化時空燃比調(diào)節(jié)曲線。

圖9 燃氣流量變小氧傳感器電壓變化時空燃比調(diào)節(jié)曲線

圖10 燃氣流量變大時氧傳感器電壓變化時空燃比調(diào)節(jié)曲線

從圖9中的空燃比調(diào)節(jié)曲線可以看出:

(1)在不同燃燒功率下，當調(diào)節(jié)燃氣比例閥的手動螺絲使氧傳感器電壓升高(降低)并超出控制范圍上(下)限后，電控單元判定燃氣、空氣的混合氣體過濃(稀)，空燃比偏小(大)，隨后驅(qū)動步進電機向下(上)運動，關小(開大)燃氣通道面積，減少(增大)燃氣流量，最終增大(減小)空燃比。

(2)不論何種燃燒功率下，只要氧化鋯式氧傳感器的反饋電壓超出范圍0.332～0.588 V，電控單元D01就會及時控制步進電機上下動作調(diào)節(jié)燃氣流量，從而控制空燃比穩(wěn)定在適當范圍內(nèi)。

(3)理論上，在空氣預熱燃燒系統(tǒng)中，冷啟動時，空燃比偏大，二氧化鋯式氧傳感器電壓會逐漸減小，電控單元D01就會據(jù)此發(fā)出指令，進行空燃比控制。即，針對空氣預熱燃燒系統(tǒng)，該閉環(huán)控制系統(tǒng)有效。

4 結(jié)論

(1)車用氧傳感器和閉環(huán)控制器與鍋爐等燃燒用氧傳感器及閉環(huán)控制器的工作原理基本相同，是完全可以應用到燃燒系統(tǒng)上的，特別是小型燃燒系統(tǒng)。燃氣汽車空燃比閉環(huán)控制在空氣預熱燃燒系統(tǒng)中的應用具有可行性。

(2)燃氣汽車和燃燒系統(tǒng)對空燃比的要求不一樣，車用空燃比閉環(huán)控制系統(tǒng)不能直接應用于空氣預熱燃燒系統(tǒng)中，要針對系統(tǒng)傳感器輸出信號進行修正。

(3)將天然氣汽車空燃比閉環(huán)控制系統(tǒng)實際應用于空氣預熱燃燒系統(tǒng)時，還需進一步研究步進電機的控制策略，并將其整合進燃燒控制系統(tǒng)中。