系统围绕预编程特定应用操作图和复杂算法构建。发动机可以快速、精确地响应，并始终处于严密控制和安全运行状态，即使在高度可变的条件下也不例外。因此，发动机可以以节省燃气的稀薄空燃混合物有效运行而不会发生贫燃失火，可采用提高效率的更高压缩比而不会爆震，并且可在不显著改变发动机转速的情况下处理程序块加载和卸载，从而使频率波动最小 (或者相关电压骤降)。 参见图2 燃气发电机组瞬态响应，其中显示了示例型号Cat G3520E 的电压和频率响应与时间的关系。

一些习惯于并且精通手动发动机监控的发动机操作员起初对电子控制装置感到担忧，但其操作的简单性使他们很快信服。

除了在发动机大修时建议对控制系统进行诊断检查外，不存在用于调整或维修的主动发动机控制装置。

实施控制

在世界上排放法规不像美国和欧洲等国家那么严格的地区，富氧燃烧发动机仍在使用 (典型天然气发动机的空燃比范围为10:1 到12:1)。另外，还有一些地区，其中搭配简单空燃比控制装置和三元催化剂后处理装置的富氧燃烧发动机是满足当地排放法规的唯一经济的方式。

在大多数其他地区 (占全球燃气发动机装置的绝大多数)，空燃比范围12:1 至16:1 的稀燃发动机是首选技术。此类发动机需要智能电子控制装置和高能点火系统方能高效可靠地运行。

今天，电子控制系统相对复杂，且可以在环境和运行条件的众多变量中发挥作用。但是，在最基本的层面上，系统包括三个基本功能：

• 控制输送到气缸的空燃比
• 感应爆震
• 控制点火正时

关键发动机电气系统曾是且仍是点火系统。特别是，正确的点火正时对于发动机性能、排放控制、燃油效率和长寿命至关重要。在20 世纪90 年代之前，点火正时依赖于磁发电机，从本质上为微型发电机驱动发动机传动装置 (制造电脉冲并产生点燃气缸中燃料的火花)。

磁发电机、轴承、绕组、断路器、密封件和其他易磨损和退化的部件需要定期保养和定期修整。即使在后来的固态版本中，磁发电机本质上也是限制在各个气缸正或负一度的正时精度范围内。

用户开始推动发动机和发电机组的极限，在满额定容量下连续运行以实现最大输出和投资回报，让正时精度变得越来越重要。在这种情况下，爆震成为主要问题。发动机制造商开发了电子系统，以检测爆震并自动延迟发动机点火正时进行补偿，但难以将该技术与基于磁发电机的点火系统集成。在制造商开发出稀燃发动机后，点火也变得更加重要，因为稀薄空气燃料点火需要更大的火花能量进行点燃。

第一个电子点火系统以对外界密封的方式装入壳体内，且不存在可能磨损的移动部件，提供精确到正负0.1 度范围内的正时。此类系统仍在广泛使用且可用于新生产的发动机，能够提供可靠的高能火花，并能更好地解决爆震问题。简单来说，传感器监控凸轮齿轮上的参考点并指引一个气缸。通过检测参考点的位置，系统“了解”各个活塞在燃烧循环中的精确位置，并以最佳的预编程正时产生火花。

之后，爆震感应正时问世，与点火控制模块集成。在该系统中，加速度计安装在发动机缸体上，在大多数情况下能够监控各个气缸。该装置检测气缸中燃料和空气混合物爆炸引起的振动。如果检测到的振动超出正常频率范围，如在爆震的情况下，则微处理器将指示点火控制装置延迟正时，直到消除爆震并且燃烧振动特征返回到正常范围。

通过从两个来源获得的信息，点火系统了解何时产生火花。第一个来源是发动机制造商提供的点火控制曲线图，存储在发动机控制模块中，而第二个来源是从安装在发动机上的有源传感器获得的信息。有源传感器提供有关发动机运行条件 (温度和压力) 以及特定活动发生时的实时反馈。这些传感器向包含点火控制曲线图的发动机控制模块提供信息。该曲线图将传感器数据与在开发发动机时受控实验室条件下获得的数据进行比较，以确定可能需要进行哪些调整以使发动机保持在正确的运行范围内。

例如，点火系统在曲线图上可实现规定的NOx 排放水平的位置处运行，并且包括“安全系数”以允许燃料和环境条件 (主要是温度和湿度) 的变化。电子控制装置的应用让发动机运行安全可靠，同时运行更接近发动机的设计极限。因此，通过精确控制，可实现显著提升的发动机功率和更低的排放，而且对维护成本或发动机耐久性并无不利影响。参见图3。

提供火花

除了更精确之外，现代点火系统也更加稳定，产生点燃稀燃混合气所需的更高电压和更高能量的火花。其中，火花塞技术的进步发挥了重要作用。

在稀燃发动机中点火有两种基本方法：开式燃烧室 (如传统奥托循环发动机) 和预燃烧室。在发动机预燃烧室中，J 型间隙火花塞的火花首先点燃气缸盖内置小燃烧室 (预燃烧室) 内的富氧燃料混合物。然后，该火焰向外传播到气缸，并点燃更大且更稀薄的空燃混合物。该方法优点在于比开放式燃烧室设计具有稍好的燃料经济性 (通常约1%)。缺点在于预燃烧室需要以相对较短的间隔定期维护，增加了维护停机时间。另外，该方法需要较高的燃料压力，预燃烧室压力通常约为35psi (241 kPa)，这意味着需要将气体压缩机滑块添加到发动机或发电机组件中。

开式燃烧室稀燃系统通常采用预燃烧室火花塞设计，允许进气和燃料通过火花塞中的小孔 (见图4)。点火后，火焰通过这些小孔喷射到气缸中。该系统不需要额外维护，且可使用在常规天然气服务中提供的1.5 至5 psi(10 至35 kPa) 燃料运行。开式燃烧室设计还允许更快地响应负载变化。

控制混合气

另外，在效率和排放方面，电子控制装置有助于确保气缸中点燃的空燃混合物处于最佳比率。首个空燃比控制器采用了简单的反馈回路，其中传感器测量氧含量与发动机排气流中排气流量的百分比，并向处理器发送信号，而处理器又发信号通知执行器调节燃料和空气流量。

此类系统需要频繁维护，且通常不太可靠，因为氧传感器暴露在废气中且处于极端温度下，会随着时间的推移而退化。如今，系统更加可靠也更加复杂，可以针对各个气缸进行控制。以下两种基本类型的空燃比控制装置值得注意：

基于填充密度的控制

无论环境条件如何变化，该高度可靠型闭环控制系统都可以在所有负载条件下将NOx 排放保持在很小的范围

内。填充密度控制根据进入发动机的空气燃料密度调节燃料混合。该系统并未配备排气氧传感器，而是配备了安装在发动机上的传感器，用于测量进气压力和温度、发动机转速、所需负载和发动机正时。发动机控制模块图谱用于确定所需负载的必要燃料流量。系统可自动调节湿度和大气压力，以优化燃料消耗和废气排放，同时保持系统精度。见图5。

基于气缸温度的控制

该方法也称为总发动机管理 (TEM)，通过气体混合器、发动机节气门和废气旁通门的组合调节分析各个气缸的温度并相应地快速改变燃料混合。NOx 排放直接对应于气缸温度和气体暴露于其中的时间，因此该方法对于NOx 控制非常有效。控制系统可快速响应燃油质量变化，

同时严格控制排放。均匀的温度降低了各个气缸上的机械应力，从而可以最大化峰值压力和效率。通过该方法，可让每个气缸保持均匀的功率，从而实现每个气缸的全功率密度和发动机的最大额定功率。另外，系统还包括逐缸爆震传感和正时控制。参见图6。

其他增强功能

除电子控制之外，多种创新技术将燃气发动机的性能提升到了新的水平。

微调发动机

大多数发动机基本上根据公布的额定值和价格表搭配附件包现货销售，但是另一种生产模型已经出现：定制单个发动机/发电机组以适应应用。在该模型中，用户提供燃料样本，描述环境条件和海拔高度，并指定应用和关键运行目标 (例如最高燃料经济性、最低排放、大负载能力)。然后，制造商定制设计并构建适合此类特定标准的发动机系统。

定制广度相当大。例如，制造商应用工程师可选择各种压缩比、具有不同涡流能力且用于特定燃料类型的活塞、不同的涡轮增压器和喷嘴或活塞环配置以及特定现场的空气系统和发动机正时图谱。相比传统型号，定制设备交付周期或每千瓦安装成本并无显著差异。

通常情况下，定制套件比现成设备置具有更好的燃油经济性，并且不需要针对环境条件降额，因为其专门针对当地条件而设计。另一方面，定制套件可能不太适应燃料质量变化。更高程度的定制化还限制了设备的移动灵活性，无法在不重新配置或降低性能的情况下移动到环境和燃料条件与原始设计标准不同的位置。组件可能需要更改，以优化新站点的设备。

在线燃料分析

该系统主要适用于沼气、垃圾填埋气体和煤矿甲烷等低能燃料，已知这些燃料的可变热值和污染物含量已超出发动机控制系统可自行补偿的水平。

例如，在垃圾填埋场，阴天或降雨可能会延缓厌氧活动，导致甲烷含量降低以及二氧化碳含量上升。对于此类情况，在燃料管路中安装气相色谱仪以检测和识别燃料的可燃碳氢化合物含量，让发动机空燃比控制器对应处理，同时使发动机能够调节燃料热值或甲烷量，以在燃料变化很大的情况下维持性能和达到排放规定。

米勒循环

米勒循环不同于更传统的奥托循环，因为进气门不是在活塞到达下止点时关闭，而通常是在下止点之前10到15Åã关闭。 燃烧循环中的这种调节本身可以使燃料效率提高约百分之一。米勒循环可以配置为进气门提前关闭 (EIC) 或进气门延迟关闭 (LIC) 版本。EIC 凸轮轴 配置用于大多数气体燃料重型发动机。在进气门关闭的情况下活塞继续向下时，空燃混合物膨胀并因此冷却，从而增加爆震余量。参见图7。

更大的爆震余量反过来使压缩比更高，为14:1 或15:1，而奥托循环则为11:1 或12:1。通过较高的压缩比，可在气缸中实现更高的膨胀比，从而更好地使用燃料并提高燃料效率。在更短的进气间隔内提供全部的空燃混合物需要更高效的涡轮增压器，以提供快速气流；因此，米勒循环发动机往往具有较低的海拔高度和环境温度灵活性。

优化的空气和排气流量

一些先进的发动机配有经过调节可实现低损耗和高效气流的进气和排气系统。一种称为脉冲能量高级回收管路 (PEARL) 的技术采用流量优化的排气管，可为涡轮增压器输送更恒定的排气质量流量。每个PEARL模块排出两个气缸的排气。排气流量经过定时，以确保涡轮增压器在发动机所需的工作负载范围内以最佳速度旋转。排气质量流量一致，实现了均匀的背压，确保所有气缸都以相同的功率水平运行。由气缸针对燃料质量变化进行自动调节，实现了精确的点火正时，进一步增强了这一过程。参见图8。

高级冶金技术

关键的气缸组件采用合金成分精制而成，可减少磨损并延长使用寿命。此类材料变化尤其影响活塞、气门和气门座、气缸盖和轴承表面。此外，有些发动机机型经过专门设计，可使用低能燃料，并且经过“硬化”处理，以防形成酸的燃料杂质。 在某些部件中，使用耐腐蚀材料代替了容易受到酸腐蚀的明亮金属 。例如，标准天然气发动机中铜和铝制成的后冷却器芯由低能燃料版本的不锈钢制成；凸轮轴轴承使用黄铜背衬代替钢背铝。

服务趋势

发动机技术进步不仅限于发动机硬件和电子设备，而最新维护工具和方法也可以帮助用户优化维修间隔，并在发生意外维护和维修之前检测和纠正操作异常。

服务趋势可以显著提高发动机容量系数。对于技术水平较为先进的操作员，将使用磨损分析和油液分析等工具针对特定应用中的发动机开发趋势并确定最佳维护间隔，而不再按照书本进行维护 (完全按照用户手册中所述、相对较短的通用维护间隔完成任务)。服务趋势可能表明能够采用更长的维护间隔，减少了定期维护的停机时间。趋势也可能表明需要较短的间隔，以便防止过度磨损并降低故障风险。在使用低质量燃料的情况下，间隔时间较短。

此外，发动机控制系统支持复杂的诊断，可以帮助避免麻烦。系统会触发各种问题的报警和故障代码，例如气缸中 (即使单个气缸也不例外) 排气温度过高或者空燃比超出指定范围。然后，基于笔记本电脑的工具可用于检查故障代码并观察运行趋势。此类工具也可用于改变发动机的运行特性。例如，无需打开控制模块，可以通过简单的闪存编程即可添加制造商对发动机运行图谱的最新增强或者适合特定应用的地图更改。

投入使用

今天的控制技术和其他进步为运营商提供了前所未有的机会，让他们可以在许多应用类型中以可盈利方式部署燃气发动机。发动机和发电设备经销商提供知识和经验，以帮助针对特定目的选择最合适的设备，并在整个产品生命周期内以最佳成本获得最大产量。

附录

附录1：基础知识

基本上，发动机控制归结为一系列权衡，包括空气温度和湿度、海拔高度、燃料特性、气缸压缩比、点火正时和其他因素，以实现功率输出、燃料效率和排放的预期结果。

一个关键的控制目标是在不将发动机推入失控燃烧形式(称为爆震) 的情况下获取最大功率。在正常的气体燃料燃烧中，火花塞的火花点燃发动机气缸中的空燃混合物，并且火焰前锋平稳地铺开，以有序的方式消耗气缸中的所有燃料，同时在正确时间向活塞传递能量，以创造最大功率。由于火焰速度的变化，对于不同热值和不同类型夹带惰性气体的燃料，需要以不同方式正时，以优化燃料消耗并实现最大化的功率贡献。

在发生爆震 (“敲缸”) 时，火焰前锋开始从火花塞处扩散，但随着燃料氧化和压力增加，通常在气缸外侧边缘的“末端气体”会自发燃烧。根据爆震水平，这可以大大增加气缸压力，从而增加损坏气缸部件的风险。在作功冲程中，气缸中的最大功率比正常情况产生更早，因此爆震还降低了功率输出。如果不加以控制，爆震会对活塞和其他发动机部件造成严重损坏。

爆震的影响因素包括燃料特性 (热值和相关燃烧时间)、压缩比、燃料混合物温度、点火正时、发动机负载和空燃比。关键变量在燃料甲烷量、燃料氧化速率评估和抗爆性表现。纯甲烷燃烧非常缓慢、平稳且具有高抗爆性，其甲烷值定为100。另一方面，氢气燃烧非常迅速，易爆，并且具有极低的抗爆性，其甲烷值定为零。

每种燃料均可根据其甲烷、乙烷、丙烷、氢气和其他碳氢化合物气体的气体含量分配甲烷值。燃料甲烷值越高，燃烧越慢，表现越像纯甲烷，而抗爆性越高。一些燃料成分比甲烷抗爆性更高。燃料中夹带的不可燃气体也有助于提高甲烷值。例如，生物燃料通常含有二氧化碳，是厌氧消化的副产品。二氧化碳可起到阻燃剂的作用(在许多灭火器中使用二氧化碳的原因)，并且具有减慢气缸中火焰速度的作用。甲烷值是燃料燃烧速率与甲烷和氢燃烧速率的比较，因此燃料甲烷值有可能高于100。在所有其他因素相同的情况下，甲烷值越低，发动机爆震的可能性越高。

压缩比为另一关键变量。压缩比越高 (即燃料在气缸中压缩的程度越高)，膨胀比越大，功率输出和能量效率越高。然而，燃料甲烷值会影响发动机以高压缩比运行而不会引起爆震的能力。对于低甲烷值 (高爆震可能性) 燃料，可能需要降低压缩比或延迟点火正时 (在燃烧循环中燃烧燃料较迟)。净效应在于降低了燃料效率，并且还可能需要降低额定功率。

下图显示了普通发动机应用类型中压缩比和甲烷值之间的关系 (见图9)。

通常，低甲烷值燃料最好以较低的压缩比使用。随附燃料使用指南 (图10) 显示，对于某种发动机机型，甲烷值、点火正时和发动机额定功率之间的关系。

该发动机旨在提供甲烷值为85 至100 的燃料的全部额定功率 (例如，1,000 hp)。在使用此类燃料时，最佳点火正时在上止点 (BTDC) 之前28Åã。较高的发动机正时往往伴随更好的燃料效率：点火正时越高，燃料效率越高。

降额系数1.0 表示发动机以满额定功率运行。但是，如果甲烷值降至75，则必须将正时改为20Åã BTDC 以避免爆震，降额系数0.92 表示发动机输出功率为920 hp。随着环境温度和海拔高度的增加，发动机输出功率也可能降低。

附录2：富氧燃烧和稀薄燃烧发动机的概念

术语“富氧燃烧”和“稀薄燃烧”与发动机气缸中空燃混合物所含的过剩气体量有关。

在化学方面理想的空燃混合物称为化学计量混合物，是实现完全燃料燃烧所需的空燃比。

换言之，仅存在适量的氧气和燃料，以便在燃烧过程中两者均完全消耗 (见图11)。

空气过量系数

通过称为空气过量系数 (LAMBDA) 的比率测量进气/燃料混合物中是否存在过量空气。这样可以直接表明空燃混合物的富氧或稀薄程度。

化学计量空燃比的空气过量系数为1。随着过量空气量的增加，空气过量系数数值增加。随着过量空气量的增加，空气过量系数数值增加。

富氧燃烧

富氧燃烧发动机是火花点火式发动机，其中在任何稀释之前废气流中的氧含量按干基 (排气) 测量为体积的1%或更低。富氧燃烧发动机在化学计量条件或接近化学计量条件下运行 (可添加一些过量空气以确保燃料完全消耗)。

相比类似尺寸的稀燃发动机，富氧燃烧发动机具有以下特征：

• 排气温度更高
• NOx 排放更高 (由于排气温度更高)
• 更完全的油耗
• 更低功率密度

与相同尺寸和配置的稀燃发动机相比，富氧燃烧发动机具有两个优点。最大的优点是应用非选择性催化还原(NSCR) 后处理系统的潜力。该技术已经使用多年，并且已证明在应用闭环后处理系统的情况下可将排放 (CO、NOx、未燃烧的碳氢化合物) 减少95%以上。 NSCR 也相对便宜。第二个潜在优势在于发动机的初始成本较低。

稀薄燃烧

稀燃发动机为非富氧燃烧发动机的火花点火式发动机。某发动机在技术上可能归类为富氧燃烧发动机，排气氧

含量高达4%，但稀燃发动机使用过量空气或惰性气体(如发动机在厌氧消化气体下运行时的CO2) 运行。相比类似尺寸的富氧燃烧发动机，稀燃发动机具有以下特征：

• 排气温度更低
• 排气中NOx 和CO 排放量更低
• 更高的功率密度
• 更好的燃料效率