發動機雙燃料多點噴射電控技術開發研究

李利平++龔禮東

摘 要： 為了優化雙燃料發動機的排放及經濟性，設計了一個多點順序噴射控制系統。該系統在ECU控制下，每缸運行在進氣工況時，電磁閥才向進氣歧管內噴入燃氣。根據發動機不同工況，由ECU精確控制發動機每缸燃氣進氣電磁閥的開啟時間和持續角度，獲取最佳的油氣匹配，同時避免了進氣管始終充斥著燃氣和掃氣過程中浪費燃氣。通過在R160柴油機上試驗，驗證了該控制系統的可靠性和實用性。試驗數據表明，該系統提高發動機經濟性的同時也能優化排放指標。

關鍵詞： 雙燃料發動機； 電子控制單元； 柴油機； 多點順序噴射

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）10?0159?03

0 引 言

我國天然氣儲量相對豐富，能源供給存在“富氣貧油”現象。隨著國家發展對能源提出的需求不斷增長，天然氣開發利用能夠優化能源結構，有效減輕石油消耗壓力，解決能源供應安全、生態環境保護的雙重問題。在當前階段，針對大批量的以柴油為燃料船舶動力，將其改造為雙燃料發動機，常用工況工作在柴油加天然氣模式，用一部分天然氣替代燃油，降低燃料成本。當天然氣氣源不穩時可以自動切換回純柴油工作模式，且輸出功率不變，這是一個比較適用的解決方法。

多點順序噴射方式是目前最先進的混合氣控制方式，可實現對每一缸的定時定量供氣，可以減輕和消除由于氣門重疊造成的天然氣直接逸出而導致排放增加和燃氣浪費。同時，可以根據發動機轉速和負荷更準確地控制進氣量。

1 系統硬件設計

多點順序噴射控制系統設計核心是根據安裝在柴油機上的傳感器判斷出每缸進氣上止點，并控制每缸的燃氣噴射閥在排氣閥關閉后進氣閥關閉前將燃氣噴射進進氣歧管，柴油機自身吸氣將燃氣和空氣混合氣吸進氣缸。根據控制要求，將控制系統硬件組成分成若干模塊：供電單元、A/D采集模塊、中央處理單元、功率驅動模塊、通信模塊等，如圖1所示。

1.1 電源單元

電源單元主要是為主控模塊和驅動模塊提供穩定電源，設計時將外部系統與內部系統供電進行了隔離。主要包括DC 24 V供電單元、DC 12 V采集供電單元、DC 5 V ECU供電單元組成。其中DC 24 V供電單元和DC 12 V采集供電單元主要為外部系統和采集模塊供電；DC 5 V ECU供電單元包括DC 5 V模擬供電和DC 5 V數字供電兩部分，為中央處理單元供電。

圖1 控制系統框圖

1.2 A/D轉換單元

A/D轉換單元主要是將安裝在柴油機上的傳感器轉換成數字信號供CPU分析計算。采集信號有：燃氣壓力、中冷后空氣壓力、爆振、轉速給定、功率閥位置、排氣溫度、凸輪軸轉速以及曲軸轉速。采集模塊利用三端濾波器，去除干擾信號的同時將發動機的熱力參數和機械參數轉化為電信號后及時、準確地傳送到中央處理單元。

1.3 功率驅動模塊

功率驅動模塊用于驅動燃氣噴射電磁閥，該模塊由高速關斷P型CMOS管組成，能同時驅動16個閥組，每個MOS管最大驅動電流可達16 A。模塊具有過電壓保護和抗浪涌沖擊功能，保證閥組工作的可靠性。

1.4 通信模塊

通信模塊用于在上位機上顯示各個傳感器參數，利用RS232通信協議，將監測點數值、報警值實時傳輸到上位機界面，進行實時監測，并接收上位機發過來的控制參數。

1.5 中央處理單元

中央處理單元采用Infenion XC164單片機，8 MHz晶振，具有14 個10位A/D轉換通道，2組16個 PWM通道，中央處理單元將采集模塊處理后的柴油機和閥組狀態信息進行處理分析，根據發動機的控制策略，發出控制指令并送到功率驅動模塊，驅動噴閥和功率閥進行相應動作，從而改變（或者保持）發動機的運行工況，使得發動機運行在最佳狀態。

2 系統軟件設計

電控多點順序噴射系統控制程序采用模塊化的設計方法，按系統功能將整個程序分成若干個模塊，每個程序模塊完成特定的計算、處理或控制功能。控制系統軟件具有結構清晰、易擴展和易調試的特點，可以滿足控制系統實時控制的要求，對系統軟件模塊說明如下：

2.1 發動機轉速計算

發動機轉速信號是通過安裝在柴油機自由端飛輪上齒盤旁邊的轉速傳感器測量得到的，轉速傳感器的輸出信號經整形后變成標準的方波信號，利用單片機的輸入捕捉功能，可計算出相鄰兩齒的時間差Δt。為了防止干擾信號影響測量精度，一般采用測量多個上升沿的時間差除以捕捉到的脈沖個數計算出方波頻率，然后根據柴油機飛輪上齒數m（R160柴油機飛輪齒數為158）計算柴油機轉速n：

[n=60m·Δt]

2.2 柴油機判缸

在柴油機的凸輪軸上安裝一齒信號及一個脈沖捕捉傳感器，通過盤車，讓該一齒信號對應第1缸進氣上止點，柴油機運行后，捕捉到第1缸進氣上止點，以第1缸進氣上止點為基準，再根據上面測得的柴油機轉速n以及柴油機的發火次序（1?5?3?6?2?4），可以精確計算出每缸進氣上止點。單齒輪盤如圖2所示。

圖2 單齒輪盤

判斷出進氣上止點后，根據柴油機的重疊角可以計算出每缸排氣門關閉時間點，R160柴油機排氣門關閉時間為進氣上止點后48°，根據試驗得出上止點后24°為該柴油機燃燒效果最好，排放也最好，不同型號柴油機可能有所不同，需要在實際試驗中確定。

2.3 燃氣噴射時間計算

燃氣噴射時間決定了多點系統的柴油替代率，而柴油機純油耗與柴油機轉速立方成正比，將整個柴油機轉速范圍分成若干段，進行線性插值得出每缸進氣基準時間，同時根據柴油機各缸排溫傳感器進行排溫平衡計算得出每缸進氣時間。

純柴油模式下每缸燃燒效果不一樣導致柴油機各缸排溫相差較大（R160柴油機純柴油模式各缸排溫最大溫差為80°），在進氣后啟動“排溫平衡算法”可以很好地平衡各缸排溫，控制系統根據測得的各缸排溫計算出平均排溫，將平均排溫與各缸排溫之差引入“排溫平衡算法”進行PID計算可以得出每缸的噴射時間。試驗表明引入“排溫平衡算法”，可以將各缸排溫平衡到5°左右。

2.4 人機通信

通信模塊是將ECU控制器采集到的各個傳感器信號傳送到上位機顯示，包括各缸排溫、各缸噴射時間、柴油機增壓壓力、燃氣進氣壓力、各缸噴射角度等等，同時將上位機發送的指令和參數發給ECU，其中包括噴射時間基準、PID參數等，其與上位機通信界面如圖3所示。

圖3 上位機通信界面

燃氣噴射模塊用于驅動噴射閥在適當時間啟動各缸噴射，噴射閥是通過PWM信號控制的，啟動噴射閥需要100%占空比的PWM 1.6 ms，噴射閥打開后使用50%PWM保持噴射閥電流即可，啟停噴射閥均采用μs級定時器精確控制。

2.5 中斷系統

中斷控制保證系統及時響應外部需求，每種中斷分為不同的中斷優先級，脈沖捕捉中斷、A/D轉換結束中斷、定時器中斷、串口通信中斷等。脈沖捕捉中斷用于判缸以及轉速測量擁有最高優先級；定時器中斷用于啟停噴射閥以及控制噴射時間，優先級低于脈沖捕捉中斷；A/D轉換用于將模擬壓力、溫度、位置信號轉換成數字信號，優先級低于定時器中斷；而串口通信中斷優先級最低。

2.6 主控制流程

主程序控制流程如圖4所示。

主程序主要是在完成系統初始化后響應用戶輸入（啟動、停止等），定時發送系統參數到上位機，根據脈沖中斷測得的轉速信號差值計算噴射時間的基準值，并進行故障診斷。

2.7 排溫平衡計算流程

排溫平衡控制流程見圖5。純柴油模式下各缸排溫不平衡將會導致各缸進氣后排溫不平衡，所以在進行油氣混燒時，排溫平衡很重要。PID算法是該流程的核心部分，將每缸排溫與平均排溫差作為PID算法的偏差輸入，通過轉速插值得出的噴射值作為基準進行PID計算。

圖4 主程序控制流程

圖5 排溫平衡控制流程

3 控制系統實驗

多點順序噴射控制系統完成后，在R160柴油機上進行了驗證試驗，分別將改造前后柴油機各項指標以及排放性能進行了對比。

試驗數據如表1所示，雙燃料模式與純柴油模式在同轉速、同負荷下對比，從試驗數據可以明顯看出改造后油耗下降，最高替代率達到78.6%，經濟性較明顯，同時，相對于改造前，NO排放在下降明顯，但HC排放卻明顯增加了，分析原因由于一部分燃氣沒有完全燃燒造成，需要增加燃氣后處理系統。

4 結 語

本文介紹了發動機多點順序噴射控制系統的開發研究，并將這套電控系統用于R160柴油機雙燃料改造上，試驗結果驗證了該控制系統可用性。

表1 改造前后參數對照

參考文獻

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