发动机双燃料多点喷射电控技术开发研究

2015-05-29李利平龚礼东

现代电子技术 2015年10期

李利平++龚礼东

摘要：为了优化双燃料发动机的排放及经济性，设计了一个多点顺序喷射控制系统。该系统在ECU控制下，每缸运行在进气工况时，电磁阀才向进气歧管内喷入燃气。根据发动机不同工况，由ECU精确控制发动机每缸燃气进气电磁阀的开启时间和持续角度，获取最佳的油气匹配，同时避免了进气管始终充斥着燃气和扫气过程中浪费燃气。通过在R160柴油机上试验，验证了该控制系统的可靠性和实用性。试验数据表明，该系统提高发动机经济性的同时也能优化排放指标。

关键词：双燃料发动机；电子控制单元；柴油机；多点顺序喷射

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）10?0159?03

0 引言

我国天然气储量相对丰富，能源供给存在“富气贫油”现象。随着国家发展对能源提出的需求不断增长，天然气开发利用能够优化能源结构，有效减轻石油消耗压力，解决能源供应安全、生态环境保护的双重问题。在当前阶段，针对大批量的以柴油为燃料船舶动力，将其改造为双燃料发动机，常用工况工作在柴油加天然气模式，用一部分天然气替代燃油，降低燃料成本。当天然气气源不稳时可以自动切换回纯柴油工作模式，且输出功率不变，这是一个比较适用的解决方法。

多点顺序喷射方式是目前最先进的混合气控制方式，可实现对每一缸的定时定量供气，可以减轻和消除由于气门重叠造成的天然气直接逸出而导致排放增加和燃气浪费。同时，可以根据发动机转速和负荷更准确地控制进气量。

1 系统硬件设计

多点顺序喷射控制系统设计核心是根据安装在柴油机上的传感器判断出每缸进气上止点，并控制每缸的燃气喷射阀在排气阀关闭后进气阀关闭前将燃气喷射进进气歧管，柴油机自身吸气将燃气和空气混合气吸进气缸。根据控制要求，将控制系统硬件组成分成若干模块：供电单元、A/D采集模块、中央处理单元、功率驱动模块、通信模块等，如图1所示。

1.1 电源单元

电源单元主要是为主控模块和驱动模块提供稳定电源，设计时将外部系统与内部系统供电进行了隔离。主要包括DC 24 V供电单元、DC 12 V采集供电单元、DC 5 V ECU供电单元组成。其中DC 24 V供电单元和DC 12 V采集供电单元主要为外部系统和采集模块供电；DC 5 V ECU供电单元包括DC 5 V模拟供电和DC 5 V数字供电两部分，为中央处理单元供电。

图1 控制系统框图

1.2 A/D转换单元

A/D转换单元主要是将安装在柴油机上的传感器转换成数字信号供CPU分析计算。采集信号有：燃气压力、中冷后空气压力、爆振、转速给定、功率阀位置、排气温度、凸轮轴转速以及曲轴转速。采集模块利用三端滤波器，去除干扰信号的同时将发动机的热力参数和机械参数转化为电信号后及时、准确地传送到中央处理单元。

1.3 功率驱动模块

功率驱动模块用于驱动燃气喷射电磁阀，该模块由高速关断P型CMOS管组成，能同时驱动16个阀组，每个MOS管最大驱动电流可达16 A。模块具有过电压保护和抗浪涌冲击功能，保证阀组工作的可靠性。

1.4 通信模块

通信模块用于在上位机上显示各个传感器参数，利用RS232通信协议，将监测点数值、报警值实时传输到上位机界面，进行实时监测，并接收上位机发过来的控制参数。

1.5 中央处理单元

中央处理单元采用Infenion XC164单片机，8 MHz晶振，具有14 个10位A/D转换通道，2组16个 PWM通道，中央处理单元将采集模块处理后的柴油机和阀组状态信息进行处理分析，根据发动机的控制策略，发出控制指令并送到功率驱动模块，驱动喷阀和功率阀进行相应动作，从而改变（或者保持）发动机的运行工况，使得发动机运行在最佳状态。

2 系统软件设计

电控多点顺序喷射系统控制程序采用模块化的设计方法，按系统功能将整个程序分成若干个模块，每个程序模块完成特定的计算、处理或控制功能。控制系统软件具有结构清晰、易扩展和易调试的特点，可以满足控制系统实时控制的要求，对系统软件模块说明如下：

2.1 发动机转速计算

发动机转速信号是通过安装在柴油机自由端飞轮上齿盘旁边的转速传感器测量得到的，转速传感器的输出信号经整形后变成标准的方波信号，利用单片机的输入捕捉功能，可计算出相邻两齿的时间差Δt。为了防止干扰信号影响测量精度，一般采用测量多个上升沿的时间差除以捕捉到的脉冲个数计算出方波频率，然后根据柴油机飞轮上齿数m（R160柴油机飞轮齿数为158）计算柴油机转速n：

[n=60m·Δt]

2.2 柴油机判缸

在柴油机的凸轮轴上安装一齿信号及一个脉冲捕捉传感器，通过盘车，让该一齿信号对应第1缸进气上止点，柴油机运行后，捕捉到第1缸进气上止点，以第1缸进气上止点为基准，再根据上面测得的柴油机转速n以及柴油机的发火次序（1?5?3?6?2?4），可以精确计算出每缸进气上止点。单齿轮盘如图2所示。

图2 单齿轮盘

判断出进气上止点后，根据柴油机的重叠角可以计算出每缸排气门关闭时间点，R160柴油机排气门关闭时间为进气上止点后48°，根据试验得出上止点后24°为该柴油机燃烧效果最好，排放也最好，不同型号柴油机可能有所不同，需要在实际试验中确定。

2.3 燃气喷射时间计算

燃气喷射时间决定了多点系统的柴油替代率，而柴油机纯油耗与柴油机转速立方成正比，将整个柴油机转速范围分成若干段，进行线性插值得出每缸进气基准时间，同时根据柴油机各缸排温传感器进行排温平衡计算得出每缸进气时间。

纯柴油模式下每缸燃烧效果不一样导致柴油机各缸排温相差较大（R160柴油机纯柴油模式各缸排温最大温差为80°），在进气后启动“排温平衡算法”可以很好地平衡各缸排温，控制系统根据测得的各缸排温计算出平均排温，将平均排温与各缸排温之差引入“排温平衡算法”进行PID计算可以得出每缸的喷射时间。试验表明引入“排温平衡算法”，可以将各缸排温平衡到5°左右。

2.4 人机通信

通信模块是将ECU控制器采集到的各个传感器信号传送到上位机显示，包括各缸排温、各缸喷射时间、柴油机增压压力、燃气进气压力、各缸喷射角度等等，同时将上位机发送的指令和参数发给ECU，其中包括喷射时间基准、PID参数等，其与上位机通信界面如图3所示。

图3 上位机通信界面

燃气喷射模块用于驱动喷射阀在适当时间启动各缸喷射，喷射阀是通过PWM信号控制的，启动喷射阀需要100%占空比的PWM 1.6 ms，喷射阀打开后使用50%PWM保持喷射阀电流即可，启停喷射阀均采用μs级定时器精确控制。

2.5 中断系统

中断控制保证系统及时响应外部需求，每种中断分为不同的中断优先级，脉冲捕捉中断、A/D转换结束中断、定时器中断、串口通信中断等。脉冲捕捉中断用于判缸以及转速测量拥有最高优先级；定时器中断用于启停喷射阀以及控制喷射时间，优先级低于脉冲捕捉中断；A/D转换用于将模拟压力、温度、位置信号转换成数字信号，优先级低于定时器中断；而串口通信中断优先级最低。

2.6 主控制流程

主程序控制流程如图4所示。

主程序主要是在完成系统初始化后响应用户输入（启动、停止等），定时发送系统参数到上位机，根据脉冲中断测得的转速信号差值计算喷射时间的基准值，并进行故障诊断。

2.7 排温平衡计算流程

排温平衡控制流程见图5。纯柴油模式下各缸排温不平衡将会导致各缸进气后排温不平衡，所以在进行油气混烧时，排温平衡很重要。PID算法是该流程的核心部分，将每缸排温与平均排温差作为PID算法的偏差输入，通过转速插值得出的喷射值作为基准进行PID计算。

图4 主程序控制流程

图5 排温平衡控制流程

3 控制系统实验

多点顺序喷射控制系统完成后，在R160柴油机上进行了验证试验，分别将改造前后柴油机各项指标以及排放性能进行了对比。

试验数据如表1所示，双燃料模式与纯柴油模式在同转速、同负荷下对比，从试验数据可以明显看出改造后油耗下降，最高替代率达到78.6%，经济性较明显，同时，相对于改造前，NO排放在下降明显，但HC排放却明显增加了，分析原因由于一部分燃气没有完全燃烧造成，需要增加燃气后处理系统。

4 结语

本文介绍了发动机多点顺序喷射控制系统的开发研究，并将这套电控系统用于R160柴油机双燃料改造上，试验结果验证了该控制系统可用性。