天然氣發動機高溫停機保護策略測試

山曙光 張宗英 馬令然 劉近報

摘要： ?為解決常年高溫地區易出現的發動機高溫故障，分析發動機高溫原因及危害；通過邏輯分析，制定發動機保護機制，提出當發動機過熱時將轉矩強制置0、設置轉速限值觸發燃料供給限制、強制鎖定節氣門開度為初始狀態3種保護策略并進行測試；選擇最優控制策略增加延遲停機動作進行實車試驗驗證。結果表明：發動機出現高溫故障時，3種控制策略中，設置轉速限值觸發燃料供給的保護策略效果最好；在此策略基礎上延遲停機時間為150 s，停機后冷卻水的最高溫度為98.5 ℃，滿足使用需求。

關鍵詞： 高溫故障；發動機保護；延遲停機；控制策略

中圖分類號：TK438 文獻標志碼：A 文章編號：1673-6397（2024）01-0081-06

引用格式： ?山曙光，張宗英，馬令然，等. 天然氣發動機高溫停機保護策略測試［J］.內燃機與動力裝置，2024，41（1）：81-86.

SHAN Shuguang， ZHANG Zongying， MA Lingran， et al. Test on protection strategy for high temperature shutdown of a natural gas engine［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2024，41（1）：81-86.

0 引言

為減少環境污染，清潔燃料逐漸取代化石燃料成為一種必然[1]。天然氣具有資源、成本和應用技術日趨完善等方面的優勢，天然氣作為石油的替代燃料，不僅可以降低燃料成本，而且作為清潔能源，還可以大大降低環境污染，因此很多國家使用天然氣代替了化石燃料[2]。

近年來非洲某國一批舊的公交車改制，將柴油機更換為天然氣發動機，由于該國家常年處于高溫狀態，車輛交付時，個別車輛出現發動機水溫過高故障。雖然車輛觸發了限制轉矩動作且故障燈點亮，但司機并沒有停車檢查，而是繼續行駛，導致發動機嚴重損壞。當前在用的發動機內部控制策略為：當發動機出現高溫報警時，限制發動機轉矩、不停機。高溫環境加速了發動機損壞，因此該控制策略不適用于全年高溫地區，應設計新的控制策略保護發動機。本文中針對常年高溫國家易出現的發動機水溫過高的原因進行分析，設計安全可靠的發動機保護控制策略，解決高溫環境下發動機水溫過高故障，降低發動機故障率，延長發動機使用壽命，保障人員出行安全。

1 發動機高溫原因分析及控制邏輯

發動機水溫過高故障現象主要包括水溫超過報警水溫、膨脹水箱出現噴水的開鍋情況、行駛中發動機發出清脆的爆震敲擊聲、發動機易熄火等[3-5]。

1.1 高溫危害

發動機水溫過高的危害主要包括：1）冷卻液溫度過高，進入缸內的燃氣提前燃燒，發動機做功能力下降，功率減??；2）高溫使發動機部件膨脹，配合空隙發生改變，如發動機襯套與缸蓋是過盈配合，在高溫時部件膨脹，溫度降低后部件收縮，造成密封不嚴，容易導致氣缸進水，嚴重時導致發動機損壞；3）發動機溫度過高，機油黏度減小，導致各部件的潤滑不足，加劇運動副磨損，降低發動機運行壽命；4）發動機溫度過高使橡膠材料的密封件燒化、變形，導致密封不良，氣缸容易進水或進油[4-9]。

1.2 原因分析

發動機水溫過高的原因可以從冷卻系統的機械結構和電控單元兩方面進行分析。

1.2.1 冷卻系統機械結構

冷卻系統機械結構故障大多由冷卻系統的水泄漏引起，冷卻效果不足，導致發動機油溫、水溫迅速升高[10-12]，水溫過高的主要原因為：1） 發動機中冷器內部污垢堵塞、風扇柵格堵塞，散熱能力降低，水溫散熱器和發動機水套水垢太多，導致散熱不良，水溫升高；2）節溫器故障，導致在水溫過高時，無法正常打開，不能由小循環切換到大循環，水溫快速升高，發動機過熱；3） 發動機與風扇的傳動皮帶處配合不良，皮帶打滑，風扇不能正常運轉，散熱能力減弱，導致發動機溫度迅速升高；4）發動機水管漏水，無法冷卻；5） 冷卻系統水循環內有氣體，水循環不流暢；6）氣缸密封件老化破壞，導致缸內的高熱量燃氣進入冷卻系統，造成水溫快速升高；7）冷卻系統密封不好，水管卡箍連接處的冷卻液泄露。

1.2.2 冷卻系統電控單元

冷卻系統電控單元導致的水溫過高原因主要包括：1） 風扇匹配不當，風扇轉速達不到冷卻要求，散熱效果不佳，風扇沒有擋位轉換，強風冷無效，水溫升高；2）電子控制單元（electronic control unit，ECU）中的數據標定錯誤，電控風扇等冷卻設備不能正常運轉，發動機散熱不足，導致發動機溫度過高；3）電控風扇接插件損壞，或繼電器存在故障，需要散熱時風扇不能運轉，水溫升高；4）空調故障，電控風扇不按正常的轉速運轉，發動機載荷增加，冷卻系統散熱不足，導致水溫升高，空調內部缺少制冷劑導致散熱能力不足；5） 水溫傳感器故障，傳感器將錯誤的水溫發送給ECU，發動機不響應散熱，導致發動機水溫不正常[13-15]。

1.3 高溫保護邏輯對比

經過現場排查，該天然氣發動機冷卻系統缺少冷卻液，溫度過高，導致發動機損壞。若檢查水箱中是否有水，需安裝液位傳感器；但考慮到成本，客戶拒絕安裝液位傳感器。因此根據市場應用需求，初步制定以下保護策略：當水溫傳感器或油壓傳感器損壞以及水溫 t 過高報警時，發動機由高轉速直接回落到怠速轉速，并在一定時間內停機。修改前、后發動機保護策略流程圖如圖1所示，圖中 T 為發動機轉矩， T ?m為發動機額定轉矩。

原發動機保護邏輯是：當 t ≥96 ℃時，限制發動機轉矩為額定轉矩的60%；當 t ≥100 ℃時，過熱故障報警，限制發動機轉矩為額定轉矩的20%。修改后發動機保護邏輯是：當 t ≥96 ℃時，限制發動機轉矩為額定轉矩的60%；當 t ≥100 ℃時，發動機過熱故障報警，發動機轉速回落到怠速轉速并在一定時間內停機。

2 測試方案及結果

2.1 測試方案

本次測試實現在觸發高溫故障時，轉速回落到怠速轉速并延遲停機。經研究及邏輯分析，初步確定3種發動機由高轉速回落至怠速轉速的方案。方案1：當發動機出現高溫故障時，觸發發動機轉矩為0的動作。方案2：設置發動機怠速模式下燃料供給的轉速上限及非怠速模式的轉速下限，當轉速高于非怠速模式下的轉速下限時，發動機停止燃料供給，低于該轉速下限時，發動機恢復燃料供給；即當轉速高于怠速模式轉速上限時停止燃料供給，低于該轉速上限時恢復燃料供給；當發動機出現高溫故障時，高轉速下停止燃料供給，低轉速下恢復燃料供給。方案3：當觸發高溫故障時，使發動機節氣門鎖定為初始狀態。

高溫狀態下的發動機不能立刻停機，應使發動機在怠速模式下運轉一定時間，待發動機熱量散出后再熄火，因此設定發動機延遲停機時間。

2.2 測試過程及結果

2.2.1 方案1

在ECU數據中標定4級轉矩限值為0，測試時標定水溫報警溫度為70 ℃，標定油壓傳感器損壞及水溫高于限值時均觸發該動作。拔掉油壓傳感器，起動發動機測試，記錄相關路譜，測試結果如圖2所示。

由圖2可知：當拔掉油壓傳感器后，起動車輛后，觸發限制轉矩動作，增大油門，發動機轉速不上升，節氣門開度基本沒有變化，滿足要求。分析原因為：當拔掉油壓傳感器后，增大油門開度，發動機轉矩無法增大，根據發動機外特性map圖可知，轉矩與節氣門開度相對應，節氣門開度不變進入氣缸內的空氣量不變，空燃比不變，使得發動機轉速保持在怠速轉速，不增大。

恢復油壓傳感器，將油門增加至最大，測試水溫超上限時發動機轉速，測試結果如圖3所示。

由圖3可知：當水溫上升到水溫報警溫度70 ℃時，發動機轉速迅速下降，并在450～650 r/min波動；油門開度為0時，發動機轉速劇烈波動。這種轉速波動容易造成發動機熄火，效果不理想。因為當觸發動作時，發動機高轉速運行時強制將轉矩置0，限制了節氣門開度，沒有維持高轉速的燃料供給，發動機轉速迅速下降，此時受比例積分微分（proportional integral derivative，PID）控制，轉速降低幅度較大，如果此時車輛掛擋行駛，因轉速較低導致車輛熄火。

2.2.2 方案2

在ECU中標定：非怠速模式下，燃料供給轉速上限為800 r/min；怠速模式下，燃料供給轉速上限為750 r/min；水溫報警溫度為70 ℃；油壓傳感器損壞及水溫超上限時均觸發該動作。拔掉油壓傳感器，起動發動機測試，測試結果如圖4所示。

由圖4可知：拔掉油壓傳感器觸發燃料供給限制動作，油門開度為0時，發動機轉速穩定在630 r/min，當油門開度增大時，發動機轉速波動，最大轉速不超過1 000 r/min，滿足測試要求。分析原因為：發動機因故障觸發該動作時，發動機為怠速運行模式，增大油門后，發動機轉速高于750 r/min時，發動機停止燃料供給，導致轉速下降，轉速低于750 r/min時恢復燃料供給，增大油門時發動機轉速波動，不增大油門時轉速穩定。

恢復油壓傳感器，增大油門，測試水溫超過70 ℃時發動機轉速變化，測試結果如圖5所示。

由圖5可知：當發動機水溫達到臨界報警溫度時，發動機轉速迅速降低，踩油門踏板，發動機轉速在1 000 r/min以下波動；停止踩油門踏板時，發動機轉速穩定在630 r/min左右，結果符合要求。

當發動機高轉速時觸發該動作時，發動機處于非怠速模式，停止燃料供給，發動機轉速直線下降；當轉速下降到800 r/min時，恢復燃料供給；當穩定在800 r/min時，進入怠速控制模式，停止燃料供給，轉速低于750 r/min，恢復燃料供給，使發動機轉速穩定在怠速轉速。

2.2.3 方案3

在ECU數據中標定油壓傳感器損壞及水溫超上限時觸發切斷節氣門動作。拔掉油壓傳感器，起動發動機測試，結果如圖6所示。由圖6可知：發動機轉速穩定在580 r/min，踩油門，轉速不變。分析原因為：鎖定節氣門初始開度，無論油門如何變化，節氣門開度不變，發動機轉矩不變，使轉速穩定在怠速轉速。

恢復油壓傳感器，增大油門，測試當水溫超過報警溫度70 ℃時的發動機轉速，結果如圖7所示。

由圖7可知：當發動機水溫達到臨界報警溫度時，發動機轉速迅速降低，踩油門踏板，發動機轉速不變，穩定在565 r/min左右，如果此時車輛在掛擋行駛過程中，因轉速偏低易導致車輛熄火；發動機轉速較高時，鎖定節氣門開度，燃料供給有限，導致發動機轉速回落幅度較大，轉速迅速降低為565 r/min。

2.2.4 最優方案

根據以上測試結果可知：方案3轉速回落穩定性最優，方案1轉速波動最大；轉速回落后，方案1轉速在450～650 r/min之間波動，方案2的轉速約為630 r/min，方案3轉速約為565 r/min，方案2的轉速最接近怠速轉速，其他2種方案容易引起停機。綜合考慮，選擇方案2為最優方案。

2.3 實車驗證

測試步驟為：1）拆除風扇，確保水溫在行駛過程中可以超過100 ℃（測試不再使用限值），觸發發動機保護策略；2）在ECU中設置延遲停機時間分別為90、120、150 s，依此測試驗證；3）記錄路譜，分別驗證發動機保護功能觸發，并對比測試結果，確定最優方案。不同延遲停機時間的路譜如圖8所示。

由圖8可知：1）車輛行駛過程中，當發動機水溫升高到100 ℃時，觸發發動機高溫保護機制，發動機轉速正?；芈涞降∷俎D速。2）延遲90 s停機，停機后最高水溫為104.6 ℃；延遲120 s停機，停機后最高水溫為102.4 ℃；延遲150 s停機，停機后最高水溫為98.5 ℃。

通過測試，發動機保護機制在水溫較高時均可以正常觸發，并按照設定的方式正常停機；發動機延遲停機時間為150 s時，發動機停機后水溫最低，故選擇150 s為最佳延遲停機時間。

當觸發高溫故障時，發動機停機后，可以檢查維修，避免發動機嚴重損壞；待維修完成后，只需將ECU斷電1 min后即可重新起動，無需清除歷史故障。

該控制策略可以為常年高溫環境中發動機正常運行提供保障，降低發動機故障率，延長發動機使用壽命，保障人員的出行安全。

3 結論

針對常年在高溫地區運行的車輛發動機水溫過高問題，分析高溫產生的原因；在不增加成本的前提下，制定發動機保護策略，保證發動機運行安全。

1）當發動機過熱時設置轉速限值觸發燃料供給限制策略，可以使轉速回落至怠速轉速，且轉速的穩定性較好。

2）發動機怠速模式下運行150 s后停機，最高水溫為98.5 ℃，效果較好，滿足使用需求。

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Test on protection strategy for high temperature

shutdown of a natural gas engine

SHAN Shuguang， ZHANG Zongying， MA Lingran， LIU Jinbao

Weichai Power Co. ， Ltd. ， Weifang 261061， China

Abstract： In order to solve the high temperature failure of the engine that occurs in high temperature areas， the cause and harm of the high temperature of the engine is investigated. By logical analysis， the engine protection mechanism is formulated， and the torque is limited when the engine is overheated. Lock the throttle openness in the initial state of 3 protection strategies and test it， select the best of the three control strategies to increase the delayed parking action for real car test verification. The results show that the protection strategy of setting up speed limit triggering fuel supply is the best effect among the 3 control strategies. On the basis of this strategy， when the shutdown time is delayed by 150 s， the maximum temperature of the cooling water after shutdown is 98.5 ℃， which meets the needs of use.

Keywords： high temperature fault; engine protection; delay shutdown;control strategy ??（責任編輯：劉麗君）