發(fā)動(dòng)機(jī)雙燃料多點(diǎn)噴射電控技術(shù)開發(fā)研究

李利平++龔禮東

摘 要： 為了優(yōu)化雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的排放及經(jīng)濟(jì)性，設(shè)計(jì)了一個(gè)多點(diǎn)順序噴射控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在ECU控制下，每缸運(yùn)行在進(jìn)氣工況時(shí)，電磁閥才向進(jìn)氣歧管內(nèi)噴入燃?xì)?。根?jù)發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況，由ECU精確控制發(fā)動(dòng)機(jī)每缸燃?xì)膺M(jìn)氣電磁閥的開啟時(shí)間和持續(xù)角度，獲取最佳的油氣匹配，同時(shí)避免了進(jìn)氣管始終充斥著燃?xì)夂蛼邭膺^程中浪費(fèi)燃?xì)狻Ｍㄟ^在R160柴油機(jī)上試驗(yàn)，驗(yàn)證了該控制系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)提高發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)也能優(yōu)化排放指標(biāo)。

關(guān)鍵詞： 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)； 電子控制單元； 柴油機(jī)； 多點(diǎn)順序噴射

中圖分類號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）10?0159?03

0 引 言

我國天然氣儲(chǔ)量相對(duì)豐富，能源供給存在“富氣貧油”現(xiàn)象。隨著國家發(fā)展對(duì)能源提出的需求不斷增長(zhǎng)，天然氣開發(fā)利用能夠優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，有效減輕石油消耗壓力，解決能源供應(yīng)安全、生態(tài)環(huán)境保護(hù)的雙重問題。在當(dāng)前階段，針對(duì)大批量的以柴油為燃料船舶動(dòng)力，將其改造為雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，常用工況工作在柴油加天然氣模式，用一部分天然氣替代燃油，降低燃料成本。當(dāng)天然氣氣源不穩(wěn)時(shí)可以自動(dòng)切換回純柴油工作模式，且輸出功率不變，這是一個(gè)比較適用的解決方法。

多點(diǎn)順序噴射方式是目前最先進(jìn)的混合氣控制方式，可實(shí)現(xiàn)對(duì)每一缸的定時(shí)定量供氣，可以減輕和消除由于氣門重疊造成的天然氣直接逸出而導(dǎo)致排放增加和燃?xì)饫速M(fèi)。同時(shí)，可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷更準(zhǔn)確地控制進(jìn)氣量。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

多點(diǎn)順序噴射控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)核心是根據(jù)安裝在柴油機(jī)上的傳感器判斷出每缸進(jìn)氣上止點(diǎn)，并控制每缸的燃?xì)鈬娚溟y在排氣閥關(guān)閉后進(jìn)氣閥關(guān)閉前將燃?xì)鈬娚溥M(jìn)進(jìn)氣歧管，柴油機(jī)自身吸氣將燃?xì)夂涂諝饣旌蠚馕M(jìn)氣缸。根據(jù)控制要求，將控制系統(tǒng)硬件組成分成若干模塊：供電單元、A/D采集模塊、中央處理單元、功率驅(qū)動(dòng)模塊、通信模塊等，如圖1所示。

1.1 電源單元

電源單元主要是為主控模塊和驅(qū)動(dòng)模塊提供穩(wěn)定電源，設(shè)計(jì)時(shí)將外部系統(tǒng)與內(nèi)部系統(tǒng)供電進(jìn)行了隔離。主要包括DC 24 V供電單元、DC 12 V采集供電單元、DC 5 V ECU供電單元組成。其中DC 24 V供電單元和DC 12 V采集供電單元主要為外部系統(tǒng)和采集模塊供電；DC 5 V ECU供電單元包括DC 5 V模擬供電和DC 5 V數(shù)字供電兩部分，為中央處理單元供電。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

1.2 A/D轉(zhuǎn)換單元

A/D轉(zhuǎn)換單元主要是將安裝在柴油機(jī)上的傳感器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)供CPU分析計(jì)算。采集信號(hào)有：燃?xì)鈮毫?、中冷后空氣壓力、爆振、轉(zhuǎn)速給定、功率閥位置、排氣溫度、凸輪軸轉(zhuǎn)速以及曲軸轉(zhuǎn)速。采集模塊利用三端濾波器，去除干擾信號(hào)的同時(shí)將發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力參數(shù)和機(jī)械參數(shù)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后及時(shí)、準(zhǔn)確地傳送到中央處理單元。

1.3 功率驅(qū)動(dòng)模塊

功率驅(qū)動(dòng)模塊用于驅(qū)動(dòng)燃?xì)鈬娚潆姶砰y，該模塊由高速關(guān)斷P型CMOS管組成，能同時(shí)驅(qū)動(dòng)16個(gè)閥組，每個(gè)MOS管最大驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)16 A。模塊具有過電壓保護(hù)和抗浪涌沖擊功能，保證閥組工作的可靠性。

1.4 通信模塊

通信模塊用于在上位機(jī)上顯示各個(gè)傳感器參數(shù)，利用RS232通信協(xié)議，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)值、報(bào)警值實(shí)時(shí)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)界面，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并接收上位機(jī)發(fā)過來的控制參數(shù)。

1.5 中央處理單元

中央處理單元采用Infenion XC164單片機(jī)，8 MHz晶振，具有14 個(gè)10位A/D轉(zhuǎn)換通道，2組16個(gè) PWM通道，中央處理單元將采集模塊處理后的柴油機(jī)和閥組狀態(tài)信息進(jìn)行處理分析，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的控制策略，發(fā)出控制指令并送到功率驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)噴閥和功率閥進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作，從而改變（或者保持）發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況，使得發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在最佳狀態(tài)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

電控多點(diǎn)順序噴射系統(tǒng)控制程序采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，按系統(tǒng)功能將整個(gè)程序分成若干個(gè)模塊，每個(gè)程序模塊完成特定的計(jì)算、處理或控制功能?？刂葡到y(tǒng)軟件具有結(jié)構(gòu)清晰、易擴(kuò)展和易調(diào)試的特點(diǎn)，可以滿足控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制的要求，對(duì)系統(tǒng)軟件模塊說明如下：

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)是通過安裝在柴油機(jī)自由端飛輪上齒盤旁邊的轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量得到的，轉(zhuǎn)速傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)整形后變成標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào)，利用單片機(jī)的輸入捕捉功能，可計(jì)算出相鄰兩齒的時(shí)間差Δt。為了防止干擾信號(hào)影響測(cè)量精度，一般采用測(cè)量多個(gè)上升沿的時(shí)間差除以捕捉到的脈沖個(gè)數(shù)計(jì)算出方波頻率，然后根據(jù)柴油機(jī)飛輪上齒數(shù)m（R160柴油機(jī)飛輪齒數(shù)為158）計(jì)算柴油機(jī)轉(zhuǎn)速n：

[n=60m·Δt]

2.2 柴油機(jī)判缸

在柴油機(jī)的凸輪軸上安裝一齒信號(hào)及一個(gè)脈沖捕捉傳感器，通過盤車，讓該一齒信號(hào)對(duì)應(yīng)第1缸進(jìn)氣上止點(diǎn)，柴油機(jī)運(yùn)行后，捕捉到第1缸進(jìn)氣上止點(diǎn)，以第1缸進(jìn)氣上止點(diǎn)為基準(zhǔn)，再根據(jù)上面測(cè)得的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速n以及柴油機(jī)的發(fā)火次序（1?5?3?6?2?4），可以精確計(jì)算出每缸進(jìn)氣上止點(diǎn)。單齒輪盤如圖2所示。

圖2 單齒輪盤

判斷出進(jìn)氣上止點(diǎn)后，根據(jù)柴油機(jī)的重疊角可以計(jì)算出每缸排氣門關(guān)閉時(shí)間點(diǎn)，R160柴油機(jī)排氣門關(guān)閉時(shí)間為進(jìn)氣上止點(diǎn)后48°，根據(jù)試驗(yàn)得出上止點(diǎn)后24°為該柴油機(jī)燃燒效果最好，排放也最好，不同型號(hào)柴油機(jī)可能有所不同，需要在實(shí)際試驗(yàn)中確定。

2.3 燃?xì)鈬娚鋾r(shí)間計(jì)算

燃?xì)鈬娚鋾r(shí)間決定了多點(diǎn)系統(tǒng)的柴油替代率，而柴油機(jī)純油耗與柴油機(jī)轉(zhuǎn)速立方成正比，將整個(gè)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速范圍分成若干段，進(jìn)行線性插值得出每缸進(jìn)氣基準(zhǔn)時(shí)間，同時(shí)根據(jù)柴油機(jī)各缸排溫傳感器進(jìn)行排溫平衡計(jì)算得出每缸進(jìn)氣時(shí)間。

純柴油模式下每缸燃燒效果不一樣導(dǎo)致柴油機(jī)各缸排溫相差較大（R160柴油機(jī)純柴油模式各缸排溫最大溫差為80°），在進(jìn)氣后啟動(dòng)“排溫平衡算法”可以很好地平衡各缸排溫，控制系統(tǒng)根據(jù)測(cè)得的各缸排溫計(jì)算出平均排溫，將平均排溫與各缸排溫之差引入“排溫平衡算法”進(jìn)行PID計(jì)算可以得出每缸的噴射時(shí)間。試驗(yàn)表明引入“排溫平衡算法”，可以將各缸排溫平衡到5°左右。

2.4 人機(jī)通信

通信模塊是將ECU控制器采集到的各個(gè)傳感器信號(hào)傳送到上位機(jī)顯示，包括各缸排溫、各缸噴射時(shí)間、柴油機(jī)增壓壓力、燃?xì)膺M(jìn)氣壓力、各缸噴射角度等等，同時(shí)將上位機(jī)發(fā)送的指令和參數(shù)發(fā)給ECU，其中包括噴射時(shí)間基準(zhǔn)、PID參數(shù)等，其與上位機(jī)通信界面如圖3所示。

圖3 上位機(jī)通信界面

燃?xì)鈬娚淠K用于驅(qū)動(dòng)噴射閥在適當(dāng)時(shí)間啟動(dòng)各缸噴射，噴射閥是通過PWM信號(hào)控制的，啟動(dòng)噴射閥需要100%占空比的PWM 1.6 ms，噴射閥打開后使用50%PWM保持噴射閥電流即可，啟停噴射閥均采用μs級(jí)定時(shí)器精確控制。

2.5 中斷系統(tǒng)

中斷控制保證系統(tǒng)及時(shí)響應(yīng)外部需求，每種中斷分為不同的中斷優(yōu)先級(jí)，脈沖捕捉中斷、A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷、定時(shí)器中斷、串口通信中斷等。脈沖捕捉中斷用于判缸以及轉(zhuǎn)速測(cè)量擁有最高優(yōu)先級(jí)；定時(shí)器中斷用于啟停噴射閥以及控制噴射時(shí)間，優(yōu)先級(jí)低于脈沖捕捉中斷；A/D轉(zhuǎn)換用于將模擬壓力、溫度、位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，優(yōu)先級(jí)低于定時(shí)器中斷；而串口通信中斷優(yōu)先級(jí)最低。

2.6 主控制流程

主程序控制流程如圖4所示。

主程序主要是在完成系統(tǒng)初始化后響應(yīng)用戶輸入（啟動(dòng)、停止等），定時(shí)發(fā)送系統(tǒng)參數(shù)到上位機(jī)，根據(jù)脈沖中斷測(cè)得的轉(zhuǎn)速信號(hào)差值計(jì)算噴射時(shí)間的基準(zhǔn)值，并進(jìn)行故障診斷。

2.7 排溫平衡計(jì)算流程

排溫平衡控制流程見圖5。純柴油模式下各缸排溫不平衡將會(huì)導(dǎo)致各缸進(jìn)氣后排溫不平衡，所以在進(jìn)行油氣混燒時(shí)，排溫平衡很重要。PID算法是該流程的核心部分，將每缸排溫與平均排溫差作為PID算法的偏差輸入，通過轉(zhuǎn)速插值得出的噴射值作為基準(zhǔn)進(jìn)行PID計(jì)算。

圖4 主程序控制流程

圖5 排溫平衡控制流程

3 控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

多點(diǎn)順序噴射控制系統(tǒng)完成后，在R160柴油機(jī)上進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，分別將改造前后柴油機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)以及排放性能進(jìn)行了對(duì)比。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，雙燃料模式與純柴油模式在同轉(zhuǎn)速、同負(fù)荷下對(duì)比，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以明顯看出改造后油耗下降，最高替代率達(dá)到78.6%，經(jīng)濟(jì)性較明顯，同時(shí)，相對(duì)于改造前，NO排放在下降明顯，但HC排放卻明顯增加了，分析原因由于一部分燃?xì)鉀]有完全燃燒造成，需要增加燃?xì)夂筇幚硐到y(tǒng)。

4 結(jié) 語

本文介紹了發(fā)動(dòng)機(jī)多點(diǎn)順序噴射控制系統(tǒng)的開發(fā)研究，并將這套電控系統(tǒng)用于R160柴油機(jī)雙燃料改造上，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該控制系統(tǒng)可用性。

表1 改造前后參數(shù)對(duì)照

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