雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元的設(shè)計(jì)與控制策略

楊博，劉亦夫，尉星，曾科

（西安交通大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所，710049，西安）

隨著排放法規(guī)的日趨嚴(yán)苛和石化燃料的日漸匱乏，如何降低柴油機(jī)的污染物排放水平，特別是針對(duì)大量在用柴油機(jī)，如何以較低的成本，實(shí)現(xiàn)其排放水平的降低，已經(jīng)成為企業(yè)和學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。為此有眾多解決方案被提出，其中在柴油機(jī)中燃用氣體燃料的雙燃料方案獲得了廣泛認(rèn)可［1］。天然氣是一種可替代的清潔能源，具有儲(chǔ)量大、分布廣、價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)，而且由于其較高的自燃溫度，比其他氣體燃料更適合在大壓縮比下使用，因此柴油引燃天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)概念得到了越來(lái)越多的關(guān)注。在柴油引燃天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)中，主要能量由天然氣提供，少量的柴油在壓縮沖程末期噴入氣缸內(nèi)，扮演引燃天然氣的“氣體火花塞”的角色。大量文獻(xiàn)表明，柴油/天然氣雙燃料模式能顯著降低NOx和PM排放水平，與此同時(shí)總碳?xì)洌═HC）排放水平有所增加，特別是在中小負(fù)荷時(shí)比較明顯，但是利用進(jìn)氣節(jié)流和增加后處理裝置可以將其控制在較低水平［2－5］。除了排放和經(jīng)濟(jì)方面的優(yōu)點(diǎn)之外，柴油引燃天然氣技術(shù)最大的意義在于：可以以較低的成本，將在用的柴油機(jī)改裝成柴油/天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)可以保留原柴油機(jī)的全部功能，在缺少天然氣供應(yīng)的情況下，可以在純柴油模式下正常工作，增加了燃料供應(yīng)的自由度。這兩點(diǎn)對(duì)于柴油引燃天然氣技術(shù)的市場(chǎng)推廣具有重要的意義。

根據(jù)天然氣引入氣缸方式的不同，目前有3種類(lèi)型的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)方案：進(jìn)氣道預(yù)混、進(jìn)氣歧管順序噴射和天然氣高壓缸內(nèi)直噴（HPDI）。進(jìn)氣道預(yù)混雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)方案因?yàn)榧夹g(shù)難度小，改裝成本低，是目前最為常見(jiàn)的雙燃料改裝方案，但是進(jìn)氣道預(yù)混會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)加速特性惡化和THC排放增加。進(jìn)氣歧管順序噴射方案可以很好地解決進(jìn)氣道預(yù)混方案的不足之處，因?yàn)樘烊粴馐仟?dú)立噴射到各個(gè)歧管內(nèi)的，其質(zhì)量和噴射正時(shí)可以快速調(diào)整，極大地改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。另外，通過(guò)避免在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣門(mén)關(guān)閉之前噴入天然氣，可以減少掃氣時(shí)的天然氣損失，相比預(yù)混方式能有效降低THC排放。進(jìn)氣歧管順序噴射方案的缺點(diǎn)在于系統(tǒng)整體比進(jìn)氣道預(yù)混方式復(fù)雜，難點(diǎn)在于其雙燃料控制系統(tǒng)和控制策略的開(kāi)發(fā)，因?yàn)殡p燃料機(jī)ECU不但要能控制天然氣的噴射過(guò)程，而且還要與原柴油機(jī)ECU協(xié)同工作，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的控制。這類(lèi)雙燃料方案中典型的代表是博世公司開(kāi)發(fā)的eGD Flex柴油天然氣系統(tǒng)，該方案的原理圖如圖1所示。

圖1 BOSCH eGD Flex雙燃料系統(tǒng)原理圖

第三種方案就是所謂的天然氣高壓缸內(nèi)直噴（HPDI）系統(tǒng)，這種系統(tǒng)通常會(huì)裝備專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的雙燃料高壓噴嘴，例如西港公司的HPDI噴嘴，如圖2所示。在HPDI系統(tǒng)中，引燃油和天然氣按照特定的順序，由同一個(gè)噴油器直接噴入缸內(nèi)。HPDI雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)具有比以上2種方案更低的THC排放和更高的柴油替代率，但是這種類(lèi)型的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)不具備完整的純柴油工作能力，在沒(méi)有天然氣的情況下，只能工作在類(lèi)似“跛行回家”的模式。另外，該方案要求全新的供油和供氣系統(tǒng)，包括專(zhuān)用ECU、高壓泵（油泵和氣泵）和專(zhuān)用高壓雙燃料噴嘴，導(dǎo)致其應(yīng)用成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他2種方案。

圖2 西港HPDI噴嘴總成原理圖［6］

在本文的研究中，出于對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能、排放、應(yīng)用成本和市場(chǎng)等方面的考慮，選擇了進(jìn)氣歧管順序噴射方案［4］。具體的天然氣供給系統(tǒng)和系統(tǒng)整體布局原理如圖3所示。

本文研究的主要目的是為了給出一整套針對(duì)高壓共軌發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣歧管順序噴射的雙燃料機(jī)ECU設(shè)計(jì)方案，包括硬件構(gòu)成和相應(yīng)的控制策略。因此，本文介紹了基于SPC563M系列32位高性能微處理器的高壓共軌柴油/天然氣雙燃料機(jī)ECU的開(kāi)發(fā)過(guò)程，討論了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)，并提出了基于燃料等熱值替代的柴油替代率實(shí)時(shí)控制策略。最后，在一臺(tái)經(jīng)過(guò)改裝的高壓共軌柴油/天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，并對(duì)雙燃料機(jī)ECU的性能和相應(yīng)的控制策略進(jìn)行了驗(yàn)證。

圖3 進(jìn)氣歧管順序噴射方案及供氣系統(tǒng)原理圖

1 柴油/天然氣雙燃料機(jī)ECU硬件結(jié)構(gòu)

雙燃料機(jī)ECU是雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的核心組成部分。一方面，其硬件設(shè)計(jì)的正確性和合理性，直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)雙燃料模式的工作性能；另一方面，為了保留發(fā)動(dòng)機(jī)純柴油工作能力，雙燃料機(jī)ECU必須要與原機(jī)ECU協(xié)同工作。所以雙燃料機(jī)ECU的硬件開(kāi)發(fā)具有一定的特殊性。本文開(kāi)發(fā)了基于32位微控制芯片SPC563M64L7［7］的雙燃料控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)硬件包括核心控制芯片SPC563M64L7、電源模塊、傳感器信號(hào)處理模塊、通訊模塊、柴油驅(qū)動(dòng)模塊、天然氣驅(qū)動(dòng)模塊和模擬負(fù)載與波形跟蹤模塊等7部分，原理框圖如圖4所示，其主要功能如下。

（1）實(shí)時(shí)獲取各缸活塞位置信息，可實(shí)現(xiàn)任意角度噴射，精度達(dá)到0.006°。

（2）六路峰值保持型噴油驅(qū)動(dòng)功能，驅(qū)動(dòng)電流可以通過(guò)軟件自由調(diào)整，驅(qū)動(dòng)電流最大可達(dá)到峰值電流20A，維持電流15A，且具有完整的過(guò)流過(guò)熱保護(hù)功能。

（3）六路峰值保持型噴氣驅(qū)動(dòng)功能，驅(qū)動(dòng)電流同樣可以通過(guò)軟件調(diào)整，驅(qū)動(dòng)電流峰值4A，維持電流2A，同樣具有完整的過(guò)流過(guò)熱保護(hù)功能。

（4）信號(hào)處理功能，包括模擬信號(hào)處理和數(shù)字信號(hào)處理功能，如壓力信號(hào)、溫度信號(hào)和其他傳感器信號(hào)等。

（5）原機(jī)噴油信號(hào)實(shí)時(shí)采樣處理功能，可實(shí)現(xiàn)對(duì)原柴油機(jī)四缸噴油信號(hào)的實(shí)時(shí)獲取，包括噴射脈寬和噴射正時(shí)。

（6）通信功能，包括K線(xiàn)、CAN和SPI等。

圖4 雙燃料機(jī)ECU硬件系統(tǒng)框圖

2 柴油/天然氣雙燃料控制策略

柴油/天然氣雙燃料控制系統(tǒng)，需要同時(shí)控制引燃柴油和天然氣的噴射過(guò)程，為了在雙燃料模式下維持與原柴油機(jī)一致的操控特性，本文提出了基于燃料等熱值替代原則的柴油替代率實(shí)時(shí)控制策略，最大限度地利用了原柴油機(jī)的控制模型。在該控制策略中，利用原機(jī)ECU噴油控制信號(hào)和共軌壓力信號(hào)，對(duì)原柴油機(jī)循環(huán)噴油量進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，然后根據(jù)等熱值替代的原則，實(shí)現(xiàn)對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)柴油替代率的實(shí)時(shí)控制。該控制策略原理如圖5所示，其功能可以大致劃分為以下3個(gè)部分。

圖5 柴油替代率實(shí)時(shí)控制策略原理圖

（1）利用原柴油機(jī)噴油和軌壓信號(hào)，計(jì)算原機(jī)循環(huán)噴油量和引燃油噴射正時(shí)。

（2）根據(jù)等熱值替代的原則，計(jì)算引燃油量和天然氣質(zhì)量。

（3）根據(jù)噴油器和天然氣噴嘴噴射特性，將引燃油量和天然氣質(zhì)量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的噴射脈寬。

2.1 利用實(shí)時(shí)獲取的噴油和軌壓信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)原機(jī)循環(huán)噴油量和引燃油噴射正時(shí)的實(shí)時(shí)計(jì)算

在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，原機(jī)ECU采集加速踏板位置、冷卻水溫度、進(jìn)氣壓力溫度等傳感器數(shù)據(jù)，通過(guò)相應(yīng)的控制算法計(jì)算得出目標(biāo)軌壓、噴射正時(shí)和噴油脈寬，最后驅(qū)動(dòng)噴油器電磁閥實(shí)現(xiàn)噴油動(dòng)作。在雙燃料機(jī)ECU中，設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)的采樣電路對(duì)原機(jī)ECU噴油控制信號(hào)進(jìn)行采樣，實(shí)時(shí)獲取原機(jī)ECU的噴油控制波形，然后利用獲取的波形數(shù)據(jù)，計(jì)算原柴油機(jī)噴油正時(shí)和噴油脈寬，得到其噴射正時(shí)和脈寬后，再結(jié)合噴油器噴射特性，即可計(jì)算出原柴油機(jī)在當(dāng)前工況下的理論循環(huán)噴油量和引燃油的噴油正時(shí)。原柴油機(jī)噴油質(zhì)量與噴油脈寬在不同軌壓下的對(duì)應(yīng)關(guān)系由實(shí)驗(yàn)測(cè)得，數(shù)據(jù)如圖6所示。由圖中可以看出，在不同的軌壓下，噴油量與噴油脈寬之間存在線(xiàn)性關(guān)系，隨著軌壓的變化，直線(xiàn)的斜率保持不變，而截矩發(fā)生了變化。據(jù)此可以建立計(jì)算噴油量M的方程

式中：t為原柴油機(jī)當(dāng)前工況下2段噴射脈寬時(shí)間之和；f（p）是軌壓p的線(xiàn)性函數(shù)；k為斜率。所有未知參數(shù)均可由圖6中的數(shù)據(jù)求得。另外，引燃油噴射正時(shí)也需要根據(jù)工況變化做實(shí)時(shí)調(diào)整，其算法為

式中：Tpre和Tmain分別為預(yù)噴射正時(shí)和主噴射正時(shí)；α為速度和負(fù)載影響系數(shù)，取值在0到1之間。

圖6 不同軌壓下噴油量與噴油脈寬的關(guān)系

2.2 按照等熱值替代的原則計(jì)算引燃油量和天然氣質(zhì)量

在雙燃料模式運(yùn)行時(shí)，柴油替代率是關(guān)注的重點(diǎn)，在保證燃燒效率和排放的前提下，應(yīng)該盡可能地提高替代率，從而使柴油/天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性最大化。利用前面得到的原機(jī)理論循環(huán)噴油量和引燃油噴射正時(shí)，按照等熱值替代的原則，即可實(shí)現(xiàn)柴油替代率的實(shí)時(shí)控制。柴油替代率R定義為

式中：M為原柴油機(jī)理論循環(huán)噴油量；Mpilot為雙燃料模式下的引燃柴油量。對(duì)于給定的工況，設(shè)原機(jī)理論循環(huán)噴油量為M，柴油的低熱值為Cd，天然氣的低熱值為Cgas，目標(biāo)柴油替代率為R，天然氣燃燒效率為η，則當(dāng)前工況下天然氣循環(huán)噴射量Mgas可表示為

引燃柴油量可表示為

式（4）和（5）中，當(dāng)前工況原柴油機(jī)循環(huán)噴油量可以由原機(jī)ECU噴油控制號(hào)采樣求得，柴油目標(biāo)替代率一般根據(jù)經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和排放特性綜合考慮，最終確定各工況下的最佳值。得到Mgas和Mpilot以后，結(jié)合相應(yīng)的噴嘴特性（噴油和噴氣），將質(zhì)量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的噴射脈寬，在合理的正時(shí)噴射即可。這種策略的優(yōu)點(diǎn)在于降低了開(kāi)發(fā)工作的難度和風(fēng)險(xiǎn)，縮短了開(kāi)發(fā)周期，最大程度地利用了原機(jī)ECU的控制策略，實(shí)現(xiàn)了雙燃料控制系統(tǒng)與原柴油機(jī)控制系統(tǒng)的完全兼容，并保證了發(fā)動(dòng)機(jī)控制的穩(wěn)定性，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)燃料供應(yīng)的靈活性。

2.3 天然氣多點(diǎn)順序噴射降低THC

柴油/天然氣雙燃料模式可以大大降低NOx和PM排放，但是THC排放增加，且其主要成分是甲烷。甲烷化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易被氧化，給后續(xù)處理帶來(lái)了極大的困難。THC排放高一方面是因?yàn)樘烊粴馊紵郎囟鹊停鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣嚷變?nèi)燃燒不充分，特別是中小負(fù)荷下更為顯著。另一方面，氣門(mén)疊開(kāi)期掃氣會(huì)排出部分噴入的天然氣，這也是傳統(tǒng)的進(jìn)氣道預(yù)混雙燃料模式THC排放高的原因之一。本控制系統(tǒng)中采用了多點(diǎn)順序噴射，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和柴油替代率來(lái)綜合確定噴氣正時(shí)和噴氣質(zhì)量，使整個(gè)噴射過(guò)程處在氣門(mén)疊開(kāi)期之后，避免了掃氣時(shí)天然氣被掃出，從而可以有效降低THC的排放水平。

3 實(shí)驗(yàn)裝置及說(shuō)明

3.1 實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)

本文實(shí)驗(yàn)所用的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是由GW2.8TC高壓共軌柴油機(jī)改裝而成，表1為具體參數(shù)。

表1 GW2.8TC發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

3.2 雙燃料改裝方案

雙燃料系統(tǒng)改裝原理與天然氣供氣系統(tǒng)如圖7所示，原機(jī)未做重大改動(dòng)，只增加了天然氣供氣系統(tǒng)和雙燃料機(jī)ECU。天然氣供給系統(tǒng)由高壓氣瓶、安全切斷電磁閥、減壓閥和天然氣噴軌組成。天然氣從高壓氣瓶出來(lái)，經(jīng)過(guò)減壓閥減壓，壓力從1.5～25MPa降低到0.5MPa左右，然后由噴氣電磁閥直接噴入進(jìn)氣歧管。減壓閥通入發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)水加熱，天然氣溫度由減壓閥上的冷卻水溫度傳感器測(cè)量。另外，在雙燃料工作模式下，引燃柴油和天然氣的噴射均由雙燃料機(jī)ECU控制，原機(jī)ECU的噴油控制信號(hào)被送到模擬負(fù)載上，控制系統(tǒng)的其他功能仍由原機(jī)ECU控制。

3.3 測(cè)試設(shè)備

實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與電渦流測(cè)功機(jī)相連，由FC2000發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試控制系統(tǒng)控制，可實(shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩、功率、潤(rùn)滑油壓力和溫度等參數(shù)。天然氣和柴油消耗量均由精度為0.1g的電子天平測(cè)量。尾氣直接從排氣管采樣，THC由精度為12×10－6的Horiba MEXA－5541JA尾氣分析儀測(cè)量。噴油器驅(qū)動(dòng)電流、噴射脈寬和噴射正時(shí)均由示波器配合電流鉗測(cè)量。

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架示意圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 原柴油機(jī)ECU噴油器驅(qū)動(dòng)電流與雙燃料機(jī)ECU噴油器驅(qū)動(dòng)電流對(duì)比

圖8給出了原柴油機(jī)ECU和雙燃料機(jī)ECU對(duì)同一噴油器的驅(qū)動(dòng)電流波形。如圖所示，兩者驅(qū)動(dòng)電流波形一致，均為典型的峰值保持型；峰值段平均電流和維持段平均電流相等，均為19A和14.5A；電磁閥打開(kāi)電流上升時(shí)間均為100μs，關(guān)閉電流下降時(shí)間均為80μs。因此，由雙燃料機(jī)ECU替換原柴油機(jī)ECU驅(qū)動(dòng)噴油器，對(duì)原機(jī)噴油特性無(wú)顯著影響。

圖8 雙燃料機(jī)ECU與原柴油機(jī)ECU噴油器驅(qū)動(dòng)電流比較

4.2 原柴油機(jī)噴油控制信號(hào)采樣處理模塊性能驗(yàn)證

圖9給出了1 800r/min、47N·m工況下，原機(jī)ECU噴油控制信號(hào)、噴油器驅(qū)動(dòng)電流和雙燃料機(jī)ECU信號(hào)的采樣結(jié)果，其中上圖為原機(jī)ECU噴油器驅(qū)動(dòng)電流，中圖為原機(jī)噴油控制信號(hào)，下圖為雙燃料機(jī)ECU采樣結(jié)果。從圖中可以看出，雙燃料機(jī)ECU采樣到的原機(jī)噴油控制信號(hào)邏輯完全正確，2段信號(hào)的脈寬也基本相等，只是因?yàn)闉V波的原因，在每段波形結(jié)束時(shí)，采樣得到的波形相比原機(jī)的噴油控制信號(hào)有一定的滯后，如圖中Td1和Td2所示，均為20μs。以柴油機(jī)最高轉(zhuǎn)速一般不會(huì)超過(guò)4 000r/min為例，20μs對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角不超過(guò)0.48°，不會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生顯著影響。另外，在雙燃料控制策略中，可以將滯后時(shí)間從總脈寬中減去，從而避免了滯后時(shí)間對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)控制算法的影響。圖10的結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的波形控制信號(hào)采樣處理模塊正確可行，能夠穩(wěn)定地實(shí)時(shí)獲取原機(jī)ECU噴油控制信號(hào)，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期結(jié)果。

圖9 1 800r/min，47N·m原機(jī)驅(qū)動(dòng)電流波形與跟蹤信號(hào)

4.3 利用原機(jī)ECU噴油和軌壓信號(hào)計(jì)算原機(jī)循環(huán)噴油量的算法驗(yàn)證

為了驗(yàn)證雙燃料機(jī)ECU利用原機(jī)噴油和軌壓信號(hào)計(jì)算原機(jī)循環(huán)噴油量算法的性能，選擇了不同轉(zhuǎn)速（1 800～2 200r/min）、不同負(fù)載（10%～100%）的若干工況點(diǎn)，對(duì)其噴油量進(jìn)行了測(cè)量（用稱(chēng)量法測(cè)量相同工況下3min內(nèi)的平均油耗，每個(gè)點(diǎn)測(cè)量3次，取平均值）。圖10給出了不同轉(zhuǎn)速和不同扭矩下噴油質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值。由圖可知，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值在各工況點(diǎn)下基本相同，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的誤差范圍在±4%以?xún)?nèi)，完全能夠滿(mǎn)足控制精度的要求，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：利用原機(jī)ECU噴油和軌壓信號(hào)計(jì)算原機(jī)循環(huán)噴油量的算法完全滿(mǎn)足控制要求，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖10 不同轉(zhuǎn)速，不同扭矩下實(shí)測(cè)油量與計(jì)算油量對(duì)比

4.4 基于燃料等熱值替代原則的柴油替代率實(shí)時(shí)控制算法驗(yàn)證

按照等熱值替代的原則，把柴油替代率實(shí)時(shí)控制在當(dāng)前工況下的最優(yōu)值是雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的一項(xiàng)重要任務(wù)，同時(shí)也直接影響雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能和經(jīng)濟(jì)性。在轉(zhuǎn)速為1 800r/min、扭矩從14.4N·m增加到96.0N·m、目標(biāo)替代率設(shè)為86%的工況下，進(jìn)行了多組驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示，實(shí)測(cè)柴油替代率與目標(biāo)替代率基本相符，但是隨著負(fù)荷增加，可見(jiàn)實(shí)測(cè)柴油替代率有所增大。這種趨勢(shì)是因?yàn)殡S著負(fù)荷增加，缸內(nèi)混合氣變濃，燃燒溫度逐漸升高，天然氣燃燒效率會(huì)有所提高，本次實(shí)驗(yàn)中天然氣燃燒效率被認(rèn)為是一個(gè)定值，并未考慮到它的變化對(duì)柴油替代率的影響，因此導(dǎo)致天然氣理論計(jì)算量變大，相應(yīng)引燃油量減少，所以實(shí)測(cè)替代率隨負(fù)荷增加有所增加，整體相對(duì)誤差不超過(guò)5.2%，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于燃料等熱值替代的柴油替代率實(shí)時(shí)控制算法是正確可行的，但是天然氣燃燒效率變化對(duì)柴油替代率的影響必須加以考慮。

表2 目標(biāo)柴油替代率為86%時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.5 天然氣多點(diǎn)順序噴射降低THC效果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證利用天然氣多點(diǎn)順序噴射降低THC排放的效果，在轉(zhuǎn)速為1 600r/min和負(fù)載為60%的工況下，保持引燃油噴射正時(shí)、引燃油質(zhì)量和天然氣質(zhì)量不變，只改變天然氣噴射正時(shí)θ為－100°（排氣上止點(diǎn)前，下同）、－80°、－40°、30°（排氣上止點(diǎn)后，下同）、100°，以此來(lái)驗(yàn)證天然氣多點(diǎn)順序噴射對(duì)THC排放的影響效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示，圖中2條豎線(xiàn)分別為進(jìn)氣門(mén)打開(kāi)提前角和排氣門(mén)遲閉角，兩者之間的部分為氣門(mén)疊開(kāi)期。由圖中可以看出，天然氣噴射正時(shí)的改變對(duì)THC排放有顯著影響。天然氣在氣門(mén)疊開(kāi)期之后噴入進(jìn)氣歧管，THC排放整體明顯比天然氣在氣門(mén)疊開(kāi)期之前噴入時(shí)低，最大降低幅度為32.6%。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因?yàn)椋禾烊粴庠跉忾T(mén)疊開(kāi)期之前噴入會(huì)有掃氣損失，而在氣門(mén)疊開(kāi)期之后噴入則沒(méi)有；天然氣噴射正時(shí)提前，則天然氣有足夠的時(shí)間與空氣混合均勻，加上天然氣燃燒溫度低，火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷谝加蛧娚鋮?shù)不變的情況下，局部燃燒不完全的機(jī)率增加［7］。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用天然氣多點(diǎn)順序噴射的方法，選擇合理的噴射正時(shí)，可以顯著降低THC排放。

圖11 天然氣噴射正時(shí)對(duì)THC排放的影響

4.6 發(fā)動(dòng)機(jī)雙燃料與純柴油模式下的外特性對(duì)比

圖12給出了發(fā)動(dòng)機(jī)在雙燃料模式與純柴油模式下的外特性曲線(xiàn)對(duì)比。雙燃料模式下發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和功率基本與純柴油模式時(shí)相同，最大扭矩為195N·m，最大功率為53kW，略高于原機(jī)。

5 結(jié) 論

圖12 雙燃料模式與純柴油模式下的外特性對(duì)比

本文介紹了基于PowerPC架構(gòu)的32位高性能微處理器的柴油/天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的開(kāi)發(fā)過(guò)程，著重介紹了其硬件組成與控制策略。本文開(kāi)發(fā)的雙燃料機(jī)ECU已經(jīng)在一臺(tái)改裝成雙燃料的高壓共軌實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)上成功應(yīng)用，結(jié)論總結(jié)如下。

（1）本文開(kāi)發(fā)的雙燃料機(jī)ECU工作穩(wěn)定，性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。相應(yīng)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表明，該雙燃料機(jī)ECU硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理可行。

（2）本文提出的基于燃料等熱值替代原則的柴油替代率實(shí)時(shí)控制策略合理可行，與傳統(tǒng)的基于標(biāo)定數(shù)據(jù)的控制策略相比，顯著降低了開(kāi)發(fā)難度和成本，縮短了開(kāi)發(fā)周期。

（3）天然氣噴射正時(shí)變化對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)THC排放有明顯的影響，不在排氣門(mén)關(guān)閉前噴入天然氣可以明顯降低THC排放，排放量的最大降幅可達(dá)32.6%。

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