冯雪丽

(杭州科技职业技术学院，浙江 富阳 311402)



汽油-LPG双燃料发动机油气切换控制策略

冯雪丽

(杭州科技职业技术学院，浙江 富阳 311402)

摘要：以LPG为汽车代用燃料，以方便性、实用性和可靠性为基本要求，设计出一套LPG-汽油双燃料模式发动机电控系统，详细探究了发动机运转中油气改变进程，提出了一套油气转换控制方案。发动机能够按照ECU的命令，在正常运转的状况下安稳地实行油气转换，使发动机相应单独运行在两种燃料形式下。

关键词：双燃料发动机；油气切换；控制策略

0引言

双燃料汽车在汽车发展的过渡阶段有其显著的优点。当发动机工作在怠速工况、正常小负荷工况或低转速工况下，采用LPG作为发动机燃料，能够有效地降低发动机尾气排放。当发动机遇到大负荷工况和急加速工况时，采用汽油燃料可以保证发动机的功率输出，提高发动机的可靠性。同时，驾驶人员也不必担心LPG在供应不足时找不到加气站的麻烦，有效缓解了供气站的缺乏状况。

目前双燃料发动机控制方法依据LPG 状态下的发动机控制方法进行分类可分为：单ECU 双燃料发动机控制方法和随动式双燃料控制方式。

单ECU 方式采用 1 个ECU 对发动机的燃料种类进行切换。此种方式控制效果及切换过程控制效果最佳。采用这种方式需要放弃原机ECU 及线束，且需要对发动机进行分别汽油和LPG 两种燃料的标定，只能由整车厂进行开发。这种方式对整车厂开发两用燃料车的初期风险较大，只有整车厂积累了一定的市场份额后才会进行此项开发，目前，2010款新爱丽舍CNG 汽车是用这种控制方式。

随动式两用燃料控制方式，在原机ECU 的基础上增加了一个附加ECU ，附加ECU 通过测量原机ECU 的喷油器驱动信号获得原机 ECU 的汽油喷射脉冲宽度信号，通过计算将其转化为LPG 喷嘴的喷射脉宽信号。这种控制方式结构简单，构成零部件少，系统安装容易布置。目前国内外使用的汽油/LPG 两用燃料发动机大多采用这种控制方式，且多应用于在用车改装市场。

1独立控制式双燃料发动机控制方法

上述两种双燃料发动机控制方法各有优劣，单ECU 式两用燃料发动机控制方法可达到最佳的发动机控制及切换效果，但其开发过程复杂，应用风险较大。随动式两用燃料发动机控制方法仅通过对发动机的喷油数据进行转换然后进行发动机控制，附加ECU 无法获取发动机的所有运转信息，也不能掌控发动机所有的执行器，这将使发动机无法达到最好的控制结果。同时，汽油ECU 的故障诊断装置和诊断策略越来越完善，要避免汽油ECU 由于附加ECU的增加而产生故障，进而影响LPG 状态下发动机的控制，就需要使用复杂的汽油ECU 执行器模拟器与传感器模拟器。

介绍了自主控制的汽油/液化石油气双燃料发动机的控制方法，原型发动机上仍然保存汽油ECU ，而液化石油气的情况下，由一个独立的LPGECU 进行控制。在不同燃料状态下分别由各自的ECU 进行发动机控制，以达到在不同燃料状态下最佳的发动机控制效果。燃料状态切换则由LPGECU 根据驾驶员的选择以及环境因素通过控制燃料切换控制模块来实施。 在LPG 状态下发动机直接由LPGECU 全权控制，则可使 LPGECU 充分发挥对发动机的控制潜力，取得等同于单ECU 式两用燃料发动机控制方法的控制效果。汽油/液化石油气双燃料汽车系统相对于普通汽油车，增加了LPG 供应系统、燃料状态切换执行模块、液化石油气ECU 及人机接口。 独立控制式两用燃料发动机的控制原理可利用图1描述为：LPGECU 中的燃料状态控制模块根据人机接口及环境因素，通过燃料状态切换执行模块，控制汽油控制器或液化石油气控制器中的液化石油气状态发动机控制模块取得发动机的控制权。当汽油ECU获取发动机控制权时，发动机工作于汽油状态，当LPGECU 获取发动机控制权时，发动机工作于LPG 状态。 LPG 状态下发动机控制功能完全由LPG 状态发动机控制模块实施，而两用燃料发动机燃料切换则由人机接口、燃料状态控制模块和燃料状态切换执行模块共同实施。

图1　独立控制式双燃料发动机基本原理

在保持原有供油装置不变，另增装一套液化石油气供应系统包括： LPG 储气罐、LPG 加气口、LPG 加气管、LPG 组合阀、组合阀密封罩、LPG 液态供给管、蒸发减压阀、LPG 气态供给管、气态LPG 滤清器、气轨和喷嘴、LPG 温度传感器和LPG 压力传感器。这样原发动机即改装为拥有2套并行的燃料供给系统，改造后的发动机能够单独使用LPG或汽油运行。此次改造，可以方便地在原有汽油机电控系统上进行双燃料发动机的转换电路设计。

开发的LPG-汽油双燃料发动机转换电路主芯片采用飞思卡尔公司16位的MC9S12XDP512单片机，该款单片机基于S12CPU内核，总线频率可达40 MHz，具有较强的数值运算和逻辑运算能力，为油气转换的研究提供了强有力的硬件基础。

同时，基于开发的双燃料模式电控系统，采用微软公司的VB(visual basic)开发软件，开发出一套发动机监控系统。使用VB开发软件自带的MSComm串口控件与电控单元ECU的SCI模块进行串行通信，为电控系统的开发提供了调试平台。该监测系统可以实时监测各种运行参数(发动机的)，包括转速，节气门的开启，燃油喷射脉宽，进气温度，进气压力信号。本次监控系统设计的关键目的是，通过点击监控界面的油气切换开关来实现发动机的燃料切换。

2油气切换策略研究

设计的双燃料模式发动机的主要任务是确保发动机在不停机状况下进行汽油和LPG燃料平稳切换。前提是发动机分别在两种燃料下均能稳定运转，且启动效果良好。但一般情况下，使用汽油来启动发动机，并进行预热，等待发动机工作温度达到80 ℃时，再进行油气切换。这是因为LPG 以液态方式储存，以气态方式喷射，在气化过程中，LPG 必须摄取热量。在冷却水温度较低时，发动机不足以提供足够的热量给蒸发减压阀，此时使用 LPG 将导致蒸发减压阀结冰，影响LPG 供给。这将导致发动机难以启动或启动后难以稳定。目前汽油/LPG 两用燃料发动机绝大多数是采用冷机启动时使用汽油，然后再转换到使用LPG ，每启动一次燃料就要转换一次。

2.1传感器和执行器切换方法

ECU对发动机的控制权体现为对传感器信号采集和对执行器控制程度。1个ECU要获取发动机所有的控制权，就需要使ECU 能够采集所有发动机传感器信号以及获得所有执行器的控制权。 发动机控制权在不同ECU 之间切换，实质为使不同ECU获取发动机全部传感器信号采集权和执行器控制权。

要使传感器信号在不同ECU 控制发动机时全部被相应ECU 采集，可采用2 种方式：传感器信号切换和传感器信号共用。传感器信号切换即将传感器信号在汽油ECU 和LPGECU 之间利用继电器进行切换。获取传感器信号采集权的ECU 在传感器切换后独占传感器，可以避免传感器信号受到其他ECU 的干扰。传感器信号利用信号继电器切换，信号继电器一般接触电阻在0.1 Ω以下，由于传感器信号采集电路属于高输入阻抗设计，所以在传感器与信号采集电路之间添加继电器对传感器信号的影响可忽略不计。传感器信号共用即将传感器信号同时传递给两种控制器 。同时使2种ECU 都获取传感器信号采集权。共用方式即传感器信号同时由汽油控制器和液化石油气控制器进行采样。传感器同时由2种ECU同时采样，由于信号内阻与信号采样电路的输入阻抗变化将造成源负载效应误差，由于电路电容发生变化将造成信号动态响应变化，从而影响信号的响应时间。但在ECU 信号输入口的输入阻抗远大于信号源内阻时，传感器信号同时由2个ECU采样时的信号失真已经小于车用ECU 的AD转换器的最小可分辨电压，基本可忽略其影响。ECU 在进行设计时已经进行了传感器和信号输入口的阻抗匹配，可保证ECU 信号输入口的输入阻抗远大于信号源内阻，故2个ECU 对同1个传感器同时进行采样是可行的。曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器采用信号共用方式。温度传感器包括进气温度、缸体温度和空调盘温，这些传感器采用信号共用方式。节气门位置传感器，进气压力传感器，爆震传感器采用切换方式，前氧传感器和后氧传感器可以采用双ECU 共用的方式执行器的控制权切换必须根据执行器的驱动方式选择合适的方法。而在发动机上，执行器的驱动方式只有2类：桥式驱动方式和低端开关驱动方式。在发动机执行器中，步进电机式怠速阀即采用桥式驱动，除步进电机外，发动机所有执行器包括喷油器、点火线圈、各类电控阀和各类继电器均采用低端开关驱动方式。独立控制式汽油/LPG 两用燃料发动机在工作时，不会同时使用汽油和LPG ，这意味着汽油ECU 和LPGECU 不会同时获取执行器控制权。使用不同燃料时，需将同1个执行器交由不同ECU 控制，这可以通过执行器切换方式或执行器协同方式实现。采用桥式驱动的执行器只能采用切换控制方式，而低端开关驱动除切换控制方式外还可以采取协同控制的方式。通过这种方式，执行器得以在不同ECU 之间切换，当执行器连接不同ECU 后，ECU 随即获取对执行器的所有控制权。失去执行器的ECU 不会影响获取执行器的ECU对执行器的控制，协同方式只能用于低端开关驱动的执行器。

2.2汽油至LPG燃料切换控制策略

如图2所示，切换令发出后，在发动机曲轴转动2圈后再断开汽油ECU 点火开关信号是为了使LPGECU能够在开始控制喷射时已有关于喷气脉冲宽度及点火提前角的相关数据。以避免在燃料切换时由于控制数据没有就绪而导致的LPGECU延迟控制。这将导致燃料切换命令发出后，燃料切换并未马上实施，而是存在一定的时间延迟，但这种时间延迟，驾驶员并不能明确感受到。通过这样的策略，可有效防止切换过程中汽油ECU 诊断出故障。

图2　汽油至LPG燃料切换控制策略

该过程切换流程如图3所示。

图3　汽油状态向LPG状态切换流程图

2.3曲轴转动中LPG至汽油燃料状态切换

LPG至汽油燃料状态切换过程与汽油向LPG燃料状态类似，但是同样也要避免汽油ECU检测出点火线圈故障。曲轴转动中LPG至汽油的燃料转换控制策略如图 4所示。

图4　汽油状态向LPG状态切换流程图

该过程切换流程如图5所示。

图5　LPG状态向汽油状态切换流程

3发动机运转过程中的切换实验

3.1发动机在汽油怠速工况下切换至LPG、然后切换到汽油

测试流程如图6所示。

图6　测试流程

测试目标：汽油燃料状态下能够稳定有效地切换到LPG燃料，然后切换到汽油。

测试数据如图7所示。

图7　测试数据

测试结果分析：测试结果表明，汽油切换到LPG时，有时会导致发动机熄火，有时能够正常切换，在切回到汽油燃料时，转速较为稳定。

3.2发动机在LPG怠速工况下切换至汽油、然后切换到LPG

测试流程如图8所示。

图8　测试流程

测试目标：LPG燃料状态下能够稳定有效地切换到汽油燃料，然后切换到LPG。

测试数据如图9所示。

图9　测试数据

测试结果分析：测试结果表明，从LPG切换到汽油时，转速较为稳定，在切回到汽油燃料时，能够完成切换，但切换完成后2~5s时间内转速波动较大。

4结语

分析了独立控制式双燃料发动机的基本原理，说明了传感器信号采集和执行器执行切换的原理和方法，说明了汽油向LPG状态和LPG向汽油机切换的状态变化过程，并进行了燃料切换实验，验证了独立式双燃料控制方法的可行性。但切换过程还没有达到完美理想状态，仍需优化。

参考文献:

[1] 张文,刘春恰,李明,等. 两用燃料汽车开发进展[J]. 科技传播,2012,(03):114-115.

[2] 文代志,陆军. 液化天然气(LNG)汽车综述[J]. 装备制造技术,2012,(07):120-123.

[3] 隗海林. LPG/汽油两用燃料发动机燃料转换过程控制策略研究[D]. 长春：吉林大学,2007.

[4] 阿比旦,张武高,欧阳明高. 液化石油气汽车技术的发展与应用[J]. 汽车技术, 2001, (11):5-8.

[5] 邹斌. 独立控制式汽油LPG两用燃料发动机控制方法研究[D]. 武汉：武汉理工大学，2013.

Switch Strategy of LPG-Gasoline Dual Fuel Engine

FENG Xue-li

(Hangzhou Polytechnic College, Fuyang 311402, China)

Abstract:Based on LPG for the automotive alternative fuel，and according to the basic requriements of convenience，practicability and reliability，this paper designs a set of electronic control systems for LPG/gasoline dual fuel mode engine, explores the operation of the engine oil change process in detail, and brings out a set of switch strategy. ECU engine is able to follow commands, and the oil is converted into the gas under normal operation conditions, vice versa.

Keywords:dual fuel engine；fuel switch；control strategy

收稿日期：2015-02-09

中图分类号：TK44

文献标志码：B

文章编号：1671-5276(2015)03-0180-04

作者简介：冯雪丽(1981-)，女，河南驻马店人，讲师，硕士，研究方向为汽车的智能化控制。