柴油/天然氣雙燃料發(fā)動機控制策略分析
論文導讀:：本文介紹了柴油/天然氣雙燃料發(fā)動機的研發(fā)優(yōu)勢和研發(fā)目的，柴油引燃天然氣發(fā)動機的工作原理。對泵噴嘴、單體泵和高壓共軌電控柴油機的不同斷油控制策略進行了詳細說明，并通過高壓共軌發(fā)動機路試對比了兩種控制策略的效果；介紹了兩種引燃油量的標定方法，通過路試得出比例計算法是要優(yōu)于MAP查表的。最后通過大量的路試，得出了雙燃料發(fā)動機的百公里耗油量，并對數據進行了簡單的分析。
論文關鍵詞：雙燃料發(fā)動機，斷油，引燃油量，控制策略
0引言
燃氣汽車由于其排放性好、運行成本低、技術成熟、安全可靠，被世界各國公認為最理想的替代燃料汽車，在我國代用燃料汽車中占到90%左右[1]。
目前商用車市場上的重型載貨車輛基本上都是大功率柴油機，但隨著柴油價格的不斷上漲，車輛運營成本也越來越高。因此，如何在不改變原有柴油機機械結構的前提下降低燃料成本是所有商用車用戶面臨的一大難題。雙燃料發(fā)動機控制系統(tǒng)的研發(fā)很好地解決了這一問題，保證了原柴油機的機械結構與性能不發(fā)生大的改變。該系統(tǒng)讓柴油和天然氣混合燃燒，也能在天然氣使用完的情況下正常的燃燒柴油。其最大的優(yōu)點是：在不改變原有動力性的前提下，使燃料成本降低40%以上[2]。
從排放方面來講，柴油的排放是遠遠高于天然氣的，尤其是碳煙的排放，對環(huán)境污染以及人類的健康帶來了極大的威脅。從儲量方面來講，天然氣的使用期限至少要比石油多用50年。在中國新疆地區(qū)，越來越多的油田氣、氣田氣以及泥火山氣被發(fā)現，極大了鼓舞了人們使用天然氣的信心。在價格方面，天然氣剛剛由家用天然氣向車用天然氣轉型，其固定使用量還處于上升時期，其價格雖有上升的趨勢，但百公里費用是遠遠低于柴油價格的[3] 。
1 雙燃料發(fā)動機工作原理
柴油/天然氣雙燃料發(fā)動機技術是在不改變原來發(fā)動機機械構造的基礎上進行的，它是在原柴油機上增加燃氣進氣系統(tǒng)、油氣轉換系統(tǒng)以及電控模塊ECU來實現的。
圖1 雙燃料發(fā)動機信號采集與處理模塊
由圖1所示，雙燃料發(fā)動機由兩塊電控ECU來共同控制，一個是原柴油機ECU，控制柴油機噴油嘴的實時通斷以及其他的執(zhí)行器件；另一個就是雙燃料ECU，它需要采集柴油機的各種信號，如發(fā)動機轉速、冷卻液溫度、油門踏板位置、氧傳感器信號和原始噴油脈寬信號等，同時發(fā)出指令給執(zhí)行器件。
按照國內外混燒發(fā)動機的研發(fā)經驗，在怠速工況下是純柴油模式，沒有天然氣參與燃燒。當發(fā)動機工況達到了ECU所設定的混燒條件時，雙燃料ECU發(fā)出指令給執(zhí)行器件，燃氣噴射器進而噴射出天然氣與空氣進行混合。當活塞到達壓縮上止點附近時，壓燃噴入氣缸內的柴油，柴油通過擴散燃燒引燃隨空氣一起進入氣缸的天然氣，進而點燃天然氣引燃油量，達到了燃料替代的目的[4]。
2、雙燃料發(fā)動機斷油控制策略的研究
對于不同的電控柴油機，使用的是不同的電控系統(tǒng)，其噴油方式和噴油頻率都是不同的。一般情況下，單體泵和泵噴嘴只有主噴，不存在預噴和后噴的情況，而高壓共軌電控柴油機則存在，對于這些不同的噴油方式，需要區(qū)別對待[5]。
2.1單體泵與泵噴嘴斷油控制策略研究
對于泵噴嘴和單體泵電控柴油機，在一個工作循環(huán)中，每個缸各參與一次工作，所以需對各個缸分別進行斷油處理。在底層設計上，設置CPU的一個計時器口為上升沿觸發(fā)，在噴油開始時計數器開始計時，計數器到達所標定的引燃油量時，計數器清零，同時CPU發(fā)出斷油信號，使斷油開關關斷，完成斷油任務。
圖2 單體泵發(fā)動機斷油控制原理圖
如圖2為斷油的原理圖，在雙燃料模式下，對每個噴油信號都進行斷油處理，在每個噴油信號的前部分是有效噴油時間，也就是引燃柴油量的噴油時間；從斷油信號發(fā)出到高位的噴油信號結束這段時間為無效噴油時間，雖高位有信號指令，但斷油開關關斷，與低位構不成回路，噴油嘴停止工作。
2.2高壓共軌柴油機斷油控制策略研究
在高壓共軌系統(tǒng)中，幾乎都存在預噴和后噴的情況，目的是為了降低發(fā)動機噪音，促進擴散燃燒，減少氮氧化物、可吸入顆粒物的排放量[6]，
柴油機在不同的負荷，有不同的噴油脈沖個數，例如在怠速工況，存在預噴和主噴，那么一個工作循環(huán)共有12個噴油脈沖個數，稍大負荷時又出現后噴，則一個工作循環(huán)有18個噴油脈沖個數，大負荷時只存在主噴，則一個工作循環(huán)有6個噴油脈沖個數；在車輛減速時，發(fā)動機會存在一兩個缸不工作的情況，檢測到噴油脈沖個數為4個或5個。對于這種電控柴油機，制定出2種斷油控制策略：
1）不論有幾個噴油脈沖，都使用相同的引燃油量。這樣的控制策略就等同于單體泵和泵噴嘴電控柴油機，只需要一個計時器，即從噴油開始時刻計算給定的噴油時間，噴油時間到時，關掉斷油開關，就實現斷油控制，其控制原理圖為：
圖3 高壓共軌柴油機斷油原理圖
當引燃油量的標定值大于預噴和后噴的噴油時間時，對預噴和后噴信號不進行任何處理，只是對主噴的噴油信號進行斷油處理；如引燃油量的標定值小于預噴和后噴的噴油時間，則對預噴、主噴和后噴都進行斷油處理。
2）對于第一種控制策略，存在一些缺點，如：不能屏蔽預噴和后噴，燃油替代率不高，燃料經濟性差，加速過渡不平穩(wěn)。因為預噴和后噴時間小于主噴時間很多，引燃油量的標定值不能完全照顧到三個噴油脈寬，給標定工作帶來很多困難。于是設法采用第二種控制策略。
預噴和主噴還按照第一種控制策略實行，即采用給定的油量進行斷油，對于后噴，進行屏蔽處理，也就是讓斷油開關在這段時間一直保持關閉的狀態(tài)。這種控制策略就需要采用兩個計時器，一個計時器用來計算給定的噴油時間，另一個計時器用來屏蔽主噴后出現的后噴，其斷油的原理圖為：
圖 4、高壓共軌柴油機斷油屏蔽后噴原理圖
由上圖可知引燃油量，如果引燃油量的的標定值大于預噴時間，則只對主噴進行斷油，同時屏蔽后噴時間；如果引燃油量的標定時間小于預噴時間，則對預噴和主噴都進行斷油。這種策略是在預噴、主噴和后噴都出現時制定的，考慮到隨著負荷的變化，預噴和后噴都消失，屏蔽時間如果過長將會對下一工作缸的噴油信號造成干擾，有可能會造成缺缸的現象。通過路試信號采集，其屏蔽時間是遠遠小于兩缸工作時間間隔的，所以這種策略是可行的。
3）兩種控制策略路試對比
對于兩種控制策略，在標定引燃油量時存在一定的區(qū)別。第一種控制策略存在一個缸三次噴射燃油的情況，第二種控制策略則不存在。如果假設在相同的工況下，兩種控制策略噴射相同的引燃油量，則第一種控制策略噴嘴每次噴的油量要比第二種的噴射量少論文開題報告。當標定的噴嘴打開時間小于一定值時，噴嘴將不能正常打開，也就不能完成噴油的動作，如果標定噴油時間過大，又會造成引燃油量過多，燃料替代率下降，經濟性降低的弊端，所以第二種控制策略在理論在優(yōu)于第一種的。
兩種控制策略在一臺發(fā)動機上進行了路試對比試驗，由于在路試時，行駛的是相同的路線，同時載重量也都在1噸的差別之內，增加了對比可信度。
圖 5 兩種控制策略百公里耗油量對比
可以看出，第一種控制策略百公里耗油量都要大于第二種的百公里耗油量，所以屏蔽后噴的控制策略是優(yōu)于第一種控制策略的。
3、雙燃料發(fā)動機引燃油量標定方法
對于雙燃料發(fā)動機，引燃油量值是一個很重要的標定量。在標定引燃油量時，有兩種標定方法，即MAP查表法和比例計算法。
3.1 MAP查表法
此方法同樣也用在噴氣流量的確定方式上。這種方法貫穿于整個發(fā)動機的各個工況，在發(fā)動機運行時，由轉速、油門踏板開度、冷卻液溫度、混燒開關等信號確定發(fā)動機所處的工況，然后再從標定好的MAP表中查找此工況點所需的噴油量和噴氣量。在臺架標定和路試標定時，不可能把每個轉速所對應的油門踏板開度值都標定到，只需標定出特殊工況點的值即可，同時也省去了ECU的內存空間。這些標定的數據存儲在ECU的flash中。這個表值只包括特殊點的引燃油量值，對于油門踏板和轉速不在標定工況點的引燃油量則有差值法算出。
這種引燃油量方法的確定有一些弊端：
（1）、由于所有引燃油量的標定值都是在車輛正常行駛時確定的，在減速斷油時或者加速加濃時，原柴油機的噴油脈寬會發(fā)生很大的變化，而引燃油量的確定還是按照表格中的標定值來確定，這就會發(fā)生引燃油量過大或者過小的現象。引燃油量過大，燃料經濟性變差；引燃油量過小，造成柴油能量太小，不能引燃天然氣，從而造成發(fā)動機缺缸。
�。�2）、需要標定出每個特殊工況點的值，標定任務量就會增大。
3.2 比例計算法
這種方法就是巧妙利用采集來的原始噴油脈寬，經過一定的比例計算出所對應的百分比引燃油量。例如：采集到某一工況點原始噴油脈寬為1200，標定百分比為35%，則此工況的引燃油量就為1200×35%=420。
原柴油機ECU在加速補償和減速斷油工況控制策略制定上是優(yōu)于我們的，而這些工況的補償值最終都表現在噴油脈寬的變化上，所以這種標定方法避免了發(fā)動機在減速斷油和加速加濃工況引燃油量不足或多余的現象。由于發(fā)動機在不同的工況下，其所需要的百分比理論油量是不同的，例如發(fā)動機在低速大扭矩時需要多的引燃油量，而在高速小扭矩時很少的引燃油量就可以引燃天然氣。所以運用這種方法需要確定不同的工況區(qū)域，在不同的工況區(qū)域使用不同的百分比，大大減少了標定任務量。
3.3 MAP查表法與比例計算法路試對比
柴油/天然氣雙燃料的研發(fā)一開始是用MAP查表法來標定引燃油量的，在路試過程中，會發(fā)現加速無力或者爬坡無力的情況，原因就是在發(fā)動機工況發(fā)生變化時，引燃油量沒有相應的補償值，使用比例計算法則減弱了這種情況。對于兩種標定方法，在路試過程中進行了對比試驗。
圖6 對比路試圖
如上圖所示為兩種引燃油量標定方法的路試結果，從結果可以看出，比例計算方法是優(yōu)于MAP查表方法的。
4、雙燃料發(fā)動機路試結果及數據分析
目前，此雙燃料技術已成功應用在斯堪尼亞泵噴嘴發(fā)動機、奔馳單體泵發(fā)動機和濰柴高壓共軌柴油機上。以濰柴高壓共軌發(fā)動機的路試得出以下結果：
表 1 雙燃料車輛路試結果
|
車輛負荷 |
行駛里程數（km） |
耗油量（L） |
耗CNG量（方） |
實際百里耗油量（L/100km） |
實際百公里耗CNG量（方/100km） |
|
33t |
276 |
23.3 |
91.1 |
8.44 |
33 |
|
33t |
189 |
16.39 |
60.48 |
8.67 |
32 |
|
33t |
370 |
30.56 |
122.1 |
8.26 |
33 |
|
53t |
95 |
8.66 |
33.25 |
9.12 |
35 |
|
53t |
265 |
23.55 |
87.45 |
8.89 |
36 |
|
33t |
210 |
16.59 |
69.3 |
7.9 |
33 |
|
53t |
190 |
17.33 |
64.6 |
9.12 |
34 |
|
33t |
95 |
8.4 |
30.4 |
8.86 |
32 |
此車輛于2010年5月中旬在山東煙臺地區(qū)路試成功后，在半年時間內引燃油量，行駛已4萬余公里，其中載重既有輕載33噸，也有重載52噸，路況有山地，平原，丘陵，高原等。
由此可以得出柴油/天然氣雙燃料車輛的燃油替代率和百公里經濟性等數據。
4.1雙燃料車輛燃油替代率
燃油替代率，就是在相同的載重和路況條件下，雙燃料模式相比于純柴油模式節(jié)省燃油的效率。
如: 在純柴油模式下百公里耗油量—A（L）;
雙燃料模式百公里耗油量—B（L）；
則燃油替代率=（A-B）/A；
由于在路試中，車輛的儀表上既可以顯示出行駛里程數，也可以顯示出在已行駛里程內，純柴油模式下的百公里耗油量，這為計算燃油替代率提供了方便。經過近2000公里（負荷有輕載、重載；路況有平原、山地、高原等）的路試，8次數據記錄，得到的如下圖燃油替代率：
圖7 奔馳雙燃料發(fā)動機燃油替代率
由上圖可以看出，8次的燃油替代率都達到了78%以上，并且平均燃油替代率達到了79%。也就是說，在雙燃料模式下，百公里只需要用到在純柴油模式下22%的柴油，其他的燃料都用天然氣來代替。
白公里經濟性，可直接反應出在雙燃料模式下，百公里可節(jié)省的費用。按照目前市場每升柴油7.07元，每方天然氣4.4元計算，則得到8次路試的百公里經濟型。
圖8 奔馳雙燃料發(fā)動機混燒經濟性
可以看出， 8次路試的百公里混燒經濟性都在78元以上，平均百公里節(jié)省費用為86元。
5、結論
無論何種形式的電控柴油機，其引燃油量和噴氣量的標定值直接決定著雙燃料發(fā)動機的動力性、百公里耗油量以及百公里經濟性，標定要采取現場標定與臺架標定相結合的方法。
泵噴嘴和單體泵電控柴油機不存在預噴和后噴，而高壓共軌電控柴油機則存在，這就要求控制策略，尤其是斷油控制策略根據實際噴油形式而定，這樣可以達到更好的燃油替代率。
引燃油量的確定可以采用MAP查表法也可以采用比例計算法，目前國內大部分還是以查表法為主，路試證明，采用比例計算法彌補了自主開發(fā)ECU補償策略不足的缺點，會得到更好的動力性與燃料替代率。
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