钟序洪　申立中　刘少华（昆明理工大学云南省内燃机重点实验室　云南　昆明　650500）

CNG/柴油双燃料高压共轨发动机控制策略研究

钟序洪申立中刘少华
（昆明理工大学云南省内燃机重点实验室云南昆明650500）

以一台YN38CRD2柴油发动机为研究对象，增加CNG供气系统装置，将原机改装成为一台CNG/柴油双燃料高压共轨发动机。同时，基于发动机的不同运行工况，将工作模式划分为停止模式、起动-怠速模式、常规模式、过渡模式和转速限制模式，确定各模式间相互转换条件，并由此设计工况判断策略和各工况下的控制策略。试验结果表明，双燃料模式下的动力性接近原机，低转速时最大扭矩略高于原机10N·m，高转速时最大扭矩略低于原机；随着发动机负荷增加，转速波动能够稳定在20r/min以内，实现了双燃料发动机的平稳运转。

CNG双燃料运行工况控制策略

引言

压缩天然气(CNG)被视为现如今内燃机广泛使用的替代燃料，其资源丰富，开发成本低，CO2的比排放浓度低于柴油机和汽油机，并且不产生颗粒物和SOx，具有便于贮存和运输、低排放和能量密度高等优点，被认为是最有发展前途的发动机清洁燃料[1-3]。相对于柴油机或汽油机，单独使用天然气作为燃料的发动机其动力性能最大功率下降较大。在排放方面，天然气发动机具有明显的优越性，天然气发动机颗粒物排放几乎为零，NOx、CO和HC排放也显著降低，在改善环境方面起着重要的作用[4]。CNG/柴油双燃料发动机能更好解决发动机动力性下降的问题，并且实现了减少污染和保护环境的目的[5]。

近年来，双燃料发动机的电控技术在一些先进工业国家（如德国、美国和法国）已经得到了较充分的发展，国内自主发展起来的双燃料发动机的电控技术也有了很大的进步。全国各大高校对天然气/油双燃料发动机的技术研究主要是在双燃料发动机改装上，天然气进气方式经历了采用进气总管在混合器里面形成混合气，再进入气缸引燃的方式，到采用进气歧管多点顺序喷射（这是目前研究较多的进气方式），再到采用高压缸内直喷（HPDI）（这是未来的发展趋势）[6]。国内的企业（比如玉柴动力、云内动力等）也研制了双燃料发动机产品并且应用到市场，对双燃料电控技术方面的研究也日渐成熟[7]。

以一台四缸增压中冷高压共轨柴油发动机为研究对象，保留原机结构基本不变，增加一套CNG供气系统，CNG采用进气歧管多点顺序喷射。基于CNG燃料的理化性质，结合其在高压共轨柴油机上的掺烧方式，以发动机的不同运行工况为线索，设计双燃料发动机在停机、怠速、过渡、常规和限速工况下的控制策略，以实现发动机的正常运转。

1　 YN38柴油机的改装

1.1发动机选取及主要技术参数

双燃料发动机绝大部分采用柴油机为基础进行开发，主要是利用柴油机成熟的增压中冷技术。基于YN38CRD2电控高压共轨柴油机，保留原机的燃油供给系统和ECU电控系统，增加天然气供给系统，利用NI软硬件平台自主开发设计天然气Lab-ECU电控系统。改装后的发动机由柴油和CNG共同工作，既可以采用纯柴油模式，也可以采用CNG/柴油双燃料模式。试验使用YN38CRD2柴油机主要参数如表1所示。

表1　 YN38CRD2柴油机主要参数

1.2 CNG/柴油双燃料共轨发动机结构

基于改动较小、成本较低、控制难度容易等原则，CNG/柴油双燃料发动机供气系统的总体设计方案如图1所示。

图1　 CNG/柴油双燃料发动机供气系统方案

改装机型为四缸增压中冷高压共轨柴油机，因此选用CNG进气歧管多点顺序喷射方式，如果采用缸内高压直喷方式，对原机改动较大、系统结构更加复杂、控制难度较大、不利于前期开发[8]。采用缸外进气歧管多点顺序喷射供气方式，喷气量由Lab-ECU电控系统根据发动机工况来控制。

1.3 CNG/柴油双燃料发动机工作原理

试验用的天然气被压缩至20MPa左右，储存于CNG高压气瓶中，经高压截止阀、高压电磁阀、减压器将天然气的压力降低到0.2MPa左右略高于常压的压力范围。同时，为了防止减压器因减压过程气体膨胀吸热而引起堵塞，安装了一个加热装置，经过减压后的天然气经过滤器、调压器、气体流量计、回火阻止器等，最后进入CNG喷嘴总成，由天然气Lab-ECU控制天然气喷气阀顺序喷射天然气，进入进气歧管后与增压中冷后的空气均匀混合后进入燃烧室而被柴油引燃。进气歧管多点顺序喷射天然气供给系统工作原理如图2所示。

图2　进气歧管多点顺序喷射CNG工作原理

2　 CNG/柴油双燃料高压共轨发动机控制策略

柴油机在起动、加速和常规运转的过程中，涉及的各种工作状态时刻都可能存在变化。这种变化可能是由于外界条件的改变，例如载荷、路况造成的负荷变化，气候条件变化造成的进气量改变等；也可能是人为的改变，例如更多地踩下了加速踏板。这时候必须频繁地检查发动机的工况状态，并按照设定的逻辑做出相应的改变[9]。

控制策略指的是双燃料发动机控制系统按照预先设计好的目标运行的一套控制方案，它以程序的形式存储于只读存储器(EEPROM)中，工作时依据传感器信号并结合相应的脉谱信息，获取目标控制结果后控制执行器动作。基于工况划分的控制策略具有程序设计制作简单和可实现工况处理函数的“并行化”以及可灵活设置特殊工况等优点，工况划分越细致，控制策略就越有针对性、控制方案越完备[10]。

2.1双燃料发动机工况划分及其转换

对发动机各工况的设置和划分的目的是为了针对不同工况分别制定对应的控制策略并在控制软件上加以实现，双燃料高压共轨发动机的运行工况划分为停机、起动-怠速工况、常规工况、过渡工况和限速工况，各工况下的工作模式可以相互转化。通过分析各工作模式之间相互转化的关系，依据双燃料发动机的转速、油门踏板开度、水温等参数来判断双燃料发动机的当前工作模式，工作模式判断流程如图3所示。

图3　双燃料发动机工作模式判断

2.2双燃料发动机各工况下的控制策略

CNG/柴油双燃料发动机各个工况下的控制策略，其控制对象主要都是供油量、供气量、供油时机、供气时机、喷油规律和喷气规律[11-12]。针对CNG/柴油双燃料高压共轨发动机的工作特性，根据不同的运行工况对发动机的双燃料喷射系统实行不同的控制策略，在满足其动力性的同时，以获得较好的燃油经济性能和较好的排放性能。

考虑到天然气发动机在中低负荷下的燃烧排放性能以及动力性[13-15]，中低负荷时采用纯柴油工作，喷油量由原机ECU控制。发动机在中高负荷时，采用少量柴油引燃，CNG作为主要燃料的方式，引燃柴油喷射量靠原机ECU控制，喷气量由天然气Lab-ECU控制。

工作模式由柴油向双燃料转换。发动机在中高负荷时，发动机的工作模式由柴油向双燃料转换。转换时，人工打开CNG的气瓶开关，通过CNG调压器把进气压力P调整在0.5MPa左右的安全范围，Lab-ECU给天然气喷嘴发送PWM驱动信号，天然气喷嘴开始喷气，CNG进入气缸被柴油引燃。Lab-ECU根据所需要的目标替代率，逐渐增加喷射脉宽，CNG进气量增加，同时油门开度逐渐减小，柴油的喷射量逐渐减少，直至达到设定值时，喷射脉宽不再继续增加。此时，控制系统根据传感器采集到的各缸排气温度的情况，对CNG喷射控制参数进行适当的微调，保证发动机运转稳定。

双燃料向纯柴油模式转换时，为了实现发动机工作模式的平稳过渡，采用的控制策略和纯柴油转换为双燃料时候的相反：Lab-ECU控制系统逐渐减小CNG喷射脉宽，CNG进气量逐渐减少，ECU控制油门开度逐渐加大，循环喷油量逐渐增加，直至喷气脉宽为零。此时控制系统关闭各缸的CNG喷射阀，人工关闭CNG气瓶开关，切断各缸天然气供给。过渡工况下的控制流程如图4所示。

图4　过渡工况下的控制流程

常规工况是发动机使用最多的运行工况，也是发动机的主要工作状态。常规工况下运行时的控制策略如图5所示。Lab-ECU通过对各缸排温、油门开度位置两个控制目标进行实时监控，调整CNG进气量，以各缸排气温度均匀性作为判断依据，对各缸天然气喷嘴的喷射脉宽进行适当调整，使各缸排温的均匀性在控制目标范围内。同时，当天然气供气管道压力变化引起天然气循环供气量和柴油喷油量出现相应的变动，此时油门执行位置将出现变动，控制系统根据其位置的变化与设定值对比得出调控策略，适当调整喷气脉宽，改变CNG进气量，使油门执行位置保持在设定值附近。

图5　常规工况下的控制流程

限速工况属于非正常工况，当发动机的转速超过额定转速时，控制系统通过对曲轴的转速、凸轮正时、油门位置、液压压力等信号进行分析，判断发动机工作是否出现异常状况，主要包括信号采集故障和曲轴转速异常波动，负荷变化导致的曲轴转速变化，极端情况为负荷的突增或者突减，还包括发动机振动和异响等等。这时候必须对发动机进行停止喷气和断油处理，使得发动机输出动力急速下降，在完成断油和停止供气以后，如果发动机的转速恢复到正常的速度区域，则恢复供油和喷气，使发动机恢复到正常工作。发动机异常工况下的控制策略如图6所示。

3　试验结果与分析

进行了外特性的试验，结果如图7所示，双燃料发动机的外特性扭矩接近原机，转速小于1600r/min时，双燃料模式的最大扭矩高于原机10Nom左右，而转速大于1800r/min时则略低于原机。整体来讲，双燃料发动机的动力性基本能够达到原机的水平。

图6　限速工况下的控制流程

图7　双燃料发动机外特性与原机对比

试验过程中采集发动机转速、扭矩等数据分析发动机转速波动，进而判断双燃料发动机的运转稳定性。图8、图9和图10分别为1 200r/min、1 800r/min和2 400r/min试验结果，双燃料发动机在加气过程中随着负荷增大，转速均稳定在一定的范围内，转速波动在20r/min以内，双燃料发动机运转稳定。

图8　 1 200r/min转速波动对比

图9　 1 800r/min转速波动对比

图10　 2 400r/m in转速波动对比

4　结论

将YN38CRD2柴油机改装成双燃料发动机，CNG喷气量由Lab-ECU电控系统根据发动机工况来改变脉宽PWM控制，引燃油量由原机的ECU控制。对双燃料发动机不同工况实行不同的控制，结果表明其动力性接近于原机水平，转速波动能够稳定在一定范围以内，实现了双燃料发动机的平稳运转。

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CNG/DieselDual FuelHigh-Pressure Common-Rail Engine Control Strategy

Zhong Xuhong,Shen Lizhong,Liu Shaohua
Yunnan ProvincialKey Laboratory of InternalCombustion Engine，Kunming University ofScienceand Technology(Kunming,Yunnan,650500,China）

Taking a YN38CRD2 diesel engine as the research object,fitted with a CNG gas supplying system,the original engine was converted into a CNG/diesel dual fuel high-pressure common-rail engine. At the same time,based on differentworking conditionsof the engine,the operationmode was divided into stop mode,start-idlemode,normalmode,transition mode and speed-limitmode,each of the modes was determined under conversional conditions,and thus judgement strategies and control strategies of each conditions are designed.Preliminary test results show that the power of the dual-fuelmode is close to the original engine,themaximum torque at low speed is slightly higher than the originalmachine by 10N·m, slightly lower athigh speed;As the engine load increases,the speed fluctuation can be stabilized within the range of20r/min,toachieve the smooth operation ofdual-fuelengine.

CNG,Dual fuel,Working conditions,Controlstrategies

TK442

A

2095-8234（2016）02-0077-05

2016-01-05）

钟序洪（1988-），男，硕士研究生，主要研究方向为发动机控制技术。