CNG/柴油發動機油氣切換系統的優化控制

范永臻，白海，吉善松

（1.西南林業大學機械與交通學院，云南 昆明 650224；2.廣西師范大學職業技術師范學院，廣西桂林 541004）

CNG/柴油發動機油氣切換系統的優化控制

范永臻1，白海2，吉善松1

（1.西南林業大學機械與交通學院，云南 昆明 650224；2.廣西師范大學職業技術師范學院，廣西桂林 541004）

CNG/柴油雙燃料的出現解決了由于經濟高速發展帶來的汽車保有量迅速增加對燃料的需求，以及所造成的環境問題，它是石油的理想替代品。文章首先研究了CNG/柴油雙燃料汽車發動機供給系統的組成和控制原理，并對目前所使用的雙燃料發動機的油氣切換系統進行了可行的優化控制。

天然氣；柴油；雙燃料汽車；優化控制

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.09.004

CLC NO.: U464.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)09-09-03

引言

柴油由于其良好的動力性和經濟性在汽車領域得到了廣泛的應用，但是，由于其尾氣中含有NOx（氮氧化物）、CO（一氧化碳）、HC（碳氫化合物）、SOx（硫化物）以及 PM（顆粒物）等有害成分，目前對汽車尾氣進行優化和后處理的技術，還沒有達到成熟的地步，同時國家對柴油汽車尾氣PM排放仍然沒有可觀的機外凈化與后處理[1-2]。CNG（壓縮天然氣）的主要成分是甲烷（CH4），由于甲烷是五原子非極性分子，結構穩定，具有易燃、無色無味、污染小、抗爆性能好、熱值高等優點，允許發動機可使相對高的壓縮比，以及良好的動力性和經濟性。經過處理的天然氣對不含有鉛、芳香烴化合物、硫化合物等有害物質，所以天然氣發動機的一氧化碳、碳氫化合物、鉛化合物、氮氧化物、小顆粒物等的排放低[3]。因此，CNG/柴油發動機的對汽車的動力性、經濟性、排放性較好。

目前，部分CNG/柴油雙燃料汽車已經日趨成熟、穩定、安全，但是，在某些方面仍需一些提升。由于雙燃料汽車在較低負荷的工況下，雙燃料汽車采用純柴油模式，這就存在一個從純柴油較低負荷工況向雙燃料中高負荷工況的切換過程。因此，在從低負荷向中高負荷轉換的過程中，會使發動機不可避免地產生轉速波動較大，排放惡化。

1、雙燃料發動機燃料供給系統的組成及控制原理

雙燃料發動機的核心是燃料供給系統，它對雙燃料發動機的各項性能指標都有影響，是雙燃料發動機技術最為關鍵的部分。目前，針對我國柴油機的狀況，燃油與燃氣的供給量由附加電控單元根據發動機的工況來控制燃料供給比，就能較好實現雙燃料發動機所具有的較低排放率水平和較高動力性的目的。燃料供給系統通過電控單元（ECU）進行數值計算和邏輯判斷，由執行器控制天然氣閥的開度和噴油泵齒條位置，得到不同發動機工況下對應所需的天然氣量和柴油量。在此系統中，在雙燃料工況下，固定噴油泵齒條的位置，使柴油的供給量為引燃油量，通過發動機電控單元（ECU）控制天然氣量實現對發動機工況的控制。電控雙燃料發動機的系統布置如圖1所示。雙燃料發動機在純柴油工況的模式下，停止供給天然氣，通過調速器控制柴油供給量的大小，滿足了發動機工況的需求。

在電控雙燃料發動機系統中，雙燃料模式只在中、高負荷下才運行，同時有效控制了中、高負荷工況下的引燃油量，從而有效的降低了NOx的排放；在輕載或較低負荷工況下，發動機燃料仍使用純柴油。這樣兼顧了柴油、天然氣燃料的排放優勢，克服了重載工況發動機NOx排放較高，以及輕載工況雙燃料發動機HC排放較高的缺點，對發動機燃料轉換過程的控制也是其重要的優點。由于天然氣和柴油在燃燒特性上存在較大差異，為了簡化燃氣供給系統，常常采用的正壓進氣特征，這樣在切換過程中容易出現轉速幅度的較大波動。雙電控雙燃料發動機具有其獨特的優勢，尤其是在消除油氣切換過程中容易出現的轉速幅度較大的波動，實現雙燃料發動機切換過程的平穩過渡，優化雙燃料汽車的駕駛性等方面。可以在對硬件機構不作大改動的情況下，依靠軟件算法，實現電控天然氣/柴油雙燃料發動機的柴油量和天然氣量的協調控制，并通過優化控制來實現調整燃氣系統參數，從而消除了油氣切換過程中出現轉速幅度較大的波動，實現油氣切換中轉速基本無波動的目的。

2、雙燃料發動機油氣切換系統的控制原理

根據上述的發動機燃料供給系統的特點，在雙電控雙燃料發動機中，油氣切換控制系統如圖2所示。

因為雙燃料發動機是在柴油發動機的基礎上改裝和實驗優化控制而來，因此發動機在滿足一定的工作條件下，才可以轉換為具有良好效果的雙燃料狀態。通常而言，發動機水溫達到50℃以上時，是雙燃料發動機適宜工作的溫度范圍。為了能較好地保護和使用發動機，燃料轉換系統要滿足發動機負荷和水溫一定的條件時，才能切換到雙燃料的工作狀態。對于油氣切換系統的主要電控單元是用來接收司機的發動機的轉速和負荷信號、氧傳感器信號、轉換信號、發動機的水溫信號、柴油噴射信號、高壓天然氣的壓力信號、燃料轉換機構工作狀態的反饋信號等，接收信號進行一定的邏輯推理判斷與計算，給執行機構發出適當的指令，完成相應的任務。在司機給出的切換信號和其它狀態信號滿足切換要求的情況下，由電控單元（ECU）發出指令，進而對油氣工作狀態進行切換，最終達到油氣切換的目的。

在雙燃料工作狀態下，電控單元（ECU）發出信號指令，使調速器控制桿固定在引燃油量的位置，此時柴油的噴油量即為引燃油量[4]。同時，電控單元發出指令開啟天然氣高壓閥和調節碟閥，供給天然氣，根據采集到的外界信號和相應的控制策略，調節天然氣的供給量。于是司機只需要扳動轉換開關，發出命令，電控單元（ECU）根據接收的相應信號作出判斷，并發出相應的信號指令驅動外沿器件，即可實現對雙燃料與純柴油之間的燃料調節，也可實現對兩種工作狀態的切換。

3、雙燃料發動機油氣切換系統的優化控制

采用單點噴射方式的多缸發動機在供給天然氣時，單點噴射點是位于進氣道中的，由單點噴射點將天然氣噴入進氣道，經過進氣道進入進氣歧管，然后到達氣缸中，而柴油采取的噴射方式是缸內直噴，因此，天然氣供給的響應速度相對于柴油供給的響應速度要緩慢一些。在切換過程中，若不對燃料供給進行有效的控制，則在開始大幅度減少柴油供給量的同時加入天然氣，由于存在天然氣供給的速度滯后、火焰傳播速度緩慢等現象，致使純柴油向雙燃料切換開始期間，由于天然氣量相對較少和不能達到著火極限值而未能燃燒，從而導致瞬時轉速相對下降；當噴射較多的天然氣通過進氣歧管進入氣缸燃燒時，從而致使氣缸內的壓力立刻上升，使發動機的轉速也相應地迅速上升。所以，發動機的轉速會經歷相對瞬時較大幅度地下降，接著較大幅度地超調，經過多次相對震蕩以后，才逐漸趨于平穩，這就是 CNG/柴油雙燃料發動機的油氣切換過程。如果轉速幅度波動較大，時間較長，會導致駕駛員對車輛控制困難，容易造成危險事故。另外在油氣切換過程中，還會致使排放污染量上升。圖 3（未優化的切換過程曲線)是發動機的燃料供給和速度曲線在油氣切換過程中的變化。從圖中可以看出速度最大的波動值Δn =135( r/min)，調節時間Δt = 0.5s。

在油氣切換過程中，多噴入柴油減少天然氣比減少噴入柴油多加天然氣的過程要相對簡單。經過多次實驗得知，由于柴油供給的響應速度快于天然氣的供給的響應速度，在減少天然氣的同時多加入柴油的噴射量，相對應的轉速基本不出現大范圍波動，從而可以實現比較平緩的過渡。為消除油氣切換過程中的轉速波動現象，實現從單一燃料向雙燃料切換的平穩過渡，常采用降低減壓閥的出口壓力，并在減壓閥出口和天然氣閥門之間加裝穩壓罐，從而可以避免減壓閥出口端對氣閥后的低壓天然氣造成沖擊過大，此控制策略可以適當減少速度波動，對動力性有所提高[5]。圖4為經過優化后的切換過程曲線，可以從圖中看出在減少柴油噴射量，增加天然氣的切換過程中，在氣缸內采用了先經過幾個循環加入天然氣，再開始減少柴油噴射量的優化控制方式，來消除天然氣供給系統供氣滯后的影響；同時，為了增快天然氣加氣的速度，也適當調整了燃氣控制方式，即采用先階躍一小段時間，接著再分段線性增長的控制措施。由圖可知速度最大的波動值 Δn =35( r/min)，調節時間Δt = 0.13s。

4、結論

從新能源的角度來看，由于CNG存在資源豐富，污染小，辛烷值高，技術成熟等優點，應廣泛應用。針對當前雙燃料發動機的燃料供給和進氣系統，找出了引起切換過程速度幅度波動較大的原因，并對油氣切換過程進行了分析，從而實現了對雙燃料發動機油氣切換過程的優化控制。通過降低減壓閥的出口壓力，并在減壓閥出口和天然氣閥門之間加裝穩壓罐，避免減壓閥出口端對氣閥后的低壓天然氣造成沖擊過大，經比較可知，此控制策略可以適當減少速度波動，對CNG/柴油雙燃料發動機的動力性有一定的提高。

[1] 賀泓,翁端,資新運等.柴油車尾氣排放污染控制技術綜述[J].環境科學,2007，28（6）:1170-1176.

[2] 白海,李仕存,孟利清等.電控柴油機應用于農業機械存在的問題及對策[J].江蘇農業科學，2015，43（4）：375-378.

[3] 張沛, 黎輝,馬長友等.柴油/CNG雙燃料汽車發動機的性能研究[J].機械設計與制造,2007，11（11）:575-577.

[4] 肖貽鵬.天然氣/柴油雙燃料發動機油氣切換的優化控制[D].重慶:重慶大學, 2007:15-22.

[5] 劉震濤.基于神經網絡的天然氣-柴油雙燃料發動機燃燒與控制模型的研究[D].浙江:浙江大學,2000:26-47.

Optimal control of oil and gas switching system for CNG/diesel engine

Fan Yongzhen1, Bai Hai2, Ji Shansong1
( 1. School of Mechanical and Transportation, Southwest Forestry University, Yunnan Kunming 650224;
2. School of Technology and Education, Guangxi Normal University, Guangxi Guilin 541004 )

The emergence of CNG/diesel dual fuel has been solved problems, that rapid increase in car ownership as well as the environmental pollution,because of the rapid development of the economy.So CNG/diesel dual fuel is an ideal substitute for petroleum.In this paper, composition and control principle of engine fuel supply system for CNG/diesel dual fuel automobile has been studied firstly.Then a feasible optimal control has been carried on for oil and gas switching system for dual fuel engine used currently.

natural gas; diesel; dual-fuel vehicle; optimal control

U464.1

A

1671-7988（2015）09-09-03

范永臻，就讀于西南林業大學機械與交通學院，主要從事新能源汽車的研究。