基于MotoTron的余熱回收控制系統優化研究

黃永鵬

摘要：為了實現柴油機排氣余熱回收系統及其控制系統的工程化應用，對一套已有的柴油機排氣余熱回收系統的控制系統進行了優化研究。其中，結合該套柴油機排氣余熱回收系統的技術特征和基于MotoTron快速原型開發平臺，對控制系統的傳感器、執行器等硬件及控制策略進行了優化設計。此外，還使用了優化后的MotoTron快速原型控制系統控制該套柴油機排氣余熱回收系統進行了臺架試驗研究。研究結果表明了經優化設計的控制系統能較好地控制該套柴油機排氣余熱回收系統的運行，能為其進一步的工程化應用奠定基礎。

Abstract： In order to realize the engineering application of diesel engine exhaust waste heat recovery system and its control system， the control system of an existing diesel engine exhaust waste heat recovery system is optimized. Based on the technical characteristics of this diesel engine exhaust waste heat recovery system and the MotorTron rapid prototyping development platform， the hardware of the control system， such as sensors and actuators， and the control strategy of the control system are optimized. In addition， the diesel engine exhaust waste heat recovery system with the optimized MotoTron rapid prototype control system is experimental investigated. The results show that the optimized control system can effectively control the operation of the diesel engine exhaust waste heat recovery system， and lay a foundation for its further engineering application.

關鍵詞：柴油機;排氣余熱;余熱回收控制系統;MotoTron快速原型開發平臺;控制策略優化

Key words： diesel engine;exhaust waster heat;waster heat recovery control system;MotoTron rapid prototyping development platform; optimization of control strategy

0? 引言

對于發動機而言，通常僅有三分之一的燃料燃燒總能量可以被有效利用，而相當一部分的能量隨著發動機的冷卻介質散熱和排氣釋放到了大氣中[1]。如果能對發動機排氣余熱能量進行回收再利用，將對發動機熱效率的提升具有重要的意義[2]。

北京工業大學、武漢理工大學、天津大學等科研院校對柴油機余熱回收系統進行了大量的試驗研究。其中，楊凱等人通過實驗測得柴油機不同工況下的運行參數，并通過電腦數據采集系統獲得余熱回收系統的溫度、壓力、流量等參數[3-4]。涂鳴等人通過CalView控制和改變發動機運行參數，利用LabView采集發動機廢氣排放質量流量、有機朗肯循環各狀態點溫度等[5]。楊燦等人使用自主研制的ECU采集試驗用柴油機的轉速、進氣流量等參數，使用多通道采集模塊采集溫度、壓力、流量等參數，通過變頻器控制工質泵轉速，通過測功機獲得發動機扭矩等參數，最終這些參數都通過CAN總線傳輸到上位機，由上位機進行控制[6]。從各個科研院校對柴油機余熱回收系統的研究中發現，包含傳感器、執行器等硬件在內的柴油機余熱回收控制系統仍處于實驗室研究狀態，目前仍無法將整套余熱回收控制系統在柴油機或整車上進行工程化應用。

本研究通過對一套已有的柴油機排氣余熱回收系統的控制系統進行優化設計，使控制器、傳感器、執行器等硬件進一步實用化，使控制策略更優化，使控制系統更智能化，從而使其更適合在柴油機多變的運行工況下進行柴油機的排氣余熱回收。

1? 余熱回收系統

圖1為經過優化設計的柴油機排氣余熱能量回收系統。系統由機械部分和電氣部分組成。

機械部分主要有變頻工質泵、蒸發器、膨脹機、冷凝器、儲液箱、柴油機、冷卻散熱裝置等。儲液箱的工質通過工質泵的運行進入蒸發器中，工質通過等壓熱交換后由液態變為過熱蒸汽，過熱蒸汽可以通過預熱閥1進入膨脹機，對膨脹機進行預熱，使之快速進入做功準備狀態。當完成膨脹機預熱后，過熱蒸汽可以通過做功閥2進入膨脹機，推動膨脹機運行，從而使余熱能轉換為機械能。通過電磁離合器的吸合，膨脹機將帶動柴油機做功。完成做功后的乏汽進入冷凝器進行冷卻，乏汽的冷卻溫度可以通過控制冷卻調節閥的開度進行調節，冷卻后的乏汽變為液態工質返回儲液箱。

電氣部分主要包括MotoTron控制器、變頻器、液位傳感器、壓力傳感器、多路溫度傳感器、多路電磁閥等。余熱回收系統的所有傳感器和執行器通過MotoTron的IO硬件接口與MotoTron控制器連接。傳感器采集的液位、溫度、壓力等數據經過處理后輸入到控制策略模塊中，用于計算工質質量流量、系統故障診斷等控制變量，而經過控制策略模塊計算和處理的控制變量，則通過驅動處理模塊控制執行器進行相應的動作。柴油機ECU通過CAN總線與MotoTron控制器進行連接。柴油機的轉速、扭矩、噴油量、增壓壓力等參數通過CAN總線傳輸給MotoTron控制器，用于柴油機排氣質量流量等控制變量的計算。

2? MotoTron快速原型開發平臺

因為MotoTron快速原型開發平臺具有圖形化的控制軟件開發環境、方便的硬件配置等優點，所以該開發平臺在汽車電控系統開發領域得到較廣泛的應用[7-8]。

由于128針的MotoTron快速原型硬件采用飛思卡爾公司的MPC565微處理器，擁有豐富的接口資源，支持復雜的控制算法開發，因此選用了該快速原型硬件作為本柴油機排氣余熱回收系統的控制系統。如表1所示為本MotoTron控制器選用的主要硬件接口資源。

因為該開發平臺已經為開發者提供了產業化的控制器硬件和可配置的基礎軟件，所以開發者只需要專注于應用層控制策略的開發[9]。當在MATLAB/Simulink環境下完成控制策略的開發后，可通過集成的編譯器生成可供刷寫到快速原型硬件中的SRZ文件，并通過刷寫/標定軟件MotoTune進行刷寫和標定工作[10]。

3? 快速原型控制系統優化

3.1 控制系統硬件的優化

在進行柴油機排氣余熱回收系統原型開發時，系統的電氣部分使用了精度較高的傳感器和執行器，而且有些電氣零部件僅支持采集數據的實時顯示，無法對采集的數據進行二次處理。為了能讓柴油機排氣余熱回收控制系統實現工程化應用，在對控制系統硬件進行優化選型時，充分選用了企業用于電控發動機生產的批產傳感器。此外，還根據系統的控制需求選型了預熱電磁閥、做功電磁閥、電磁離合器、冷卻調節閥等執行器。

為了保證所選用的批產傳感器的測量精度滿足系統運行的精度要求，將根據臺架試驗數據對關鍵的傳感器進行有針對性的精度補償和在線標定優化。表2所示為經過優化選型后的主要傳感器的技術參數。

3.2 控制策略的優化

對柴油機排氣余熱回收系統控制策略的開發和優化遵循基于模型設計的模塊化建模原則。圖2是優化后的柴油機余熱回收系統控制策略總框圖。

MotoTron控制器通過硬件IO接口采集的傳感器電信號在經過信號輸入及處理模塊處理后輸出到控制策略模塊。柴油機的運行參數如轉速、扭矩、噴油量、增壓壓力、增壓溫度等由發動機ECU通過CAN總線發送到MotoTron控制器，并在發動機參數處理模塊中進行統一的信號處理。控制系統參數處理模塊主要用于存儲和處理一些與發動機和余熱回收系統相關的技術參數，并提供給控制策略模塊使用。

在忽略柴油機漏氣損失的情況下，根據質量守恒定律，柴油機的進氣量與油耗量之和即是排氣質量流量[11]。為了實現工程化應用，對柴油機排氣質量流量的計算方法進行了優化，排氣流量計算模塊通過速度密度法計算柴油機的進氣量，然后與柴油機的噴油量相加獲得柴油機的排氣質量流量。

圖3為工質質量流量計算模塊控制策略框圖。對工質流量計算模塊的優化，則是增加了工質流量預測控制和閉環控制的功能。由于工質泵輸送到蒸發器的工質質量流量與柴油機的排氣質量流量、排氣溫度等有關，因此在控制策略優化設計中，增加了柴油機的排氣質量流量作為工質質量流量預測控制模塊的輸入變量。蒸汽目標溫度和實際的蒸汽出口溫度也作為輸入變量參與到預測控制和閉環PI控制的計算中。計算后獲得的工質質量流量修正值將對工質質量流量基礎值進行實時的補償，從而得到最終的工質質量流量計算值。

此外，還對故障診斷管理模塊和故障燈報警處理模塊進行了優化設計。在余熱回收系統運行過程中，可能會出現傳感器信號超限、執行器卡滯、工質不足等故障，故障診斷管理模塊需要針對這些故障采取合適的故障診斷和管理策略，并通過失效處理策略使系統運行于安全狀態，或通過故障燈報警處理模塊驅動相應的故障燈，以提醒操作人員及時進行故障排查和處理。

4? 臺架試驗驗證

4.1 試驗樣機及方案

試驗柴油機使用博世高壓共軌燃油系統和電控系統。該柴油機的基本技術參數見表3。

試驗柴油機和余熱回收系統根據圖1所示進行機械和電氣部分的連接。為了確保在試驗的過程中柴油機和余熱回收系統的運行安全，在蒸發器的廢氣側安裝了廢氣旁通管道。

因為柴油機運行需要考慮建壓潤滑時間，所以柴油機在起動后，將會在怠速狀態下運行一段時間。這時膨脹機的預熱通道將打開，蒸汽將對膨脹機的外圍零部件進行預熱。當膨脹機完成預熱后，將打開膨脹機做功通道和關閉預熱通道。在進行臺架試驗過程中，對控制策略的主路徑和優化部分都進行了詳細的標定工作。

4.2 試驗結果及分析

通過臺架試驗驗證，經過優化設計的控制策略的功能滿足既定的功能開發需求。比如在控制策略中計算的排氣質量流量與在臺架采集的排氣質量流量數據之間的偏差在允許范圍內?？刂撇呗詫べ|質量流量的計算值更接近實際值，而且能根據柴油機的實時運行工況控制工質泵的運轉，為蒸發器提供合適的工質質量流量。在余熱回收系統運行時，當出現故障，控制系統能驅動報警燈點亮，提醒操作人員進行故障排查和處理。

5? 結束語

①對柴油機排氣余熱回收控制系統進行了硬件和控制策略的優化研究。該控制系統的傳感器選用了電控發動機的批產傳感器。對排氣質量流量計算、工質質量流量計算等控制策略進行了優化設計。②在一款10升的電控柴油機上，對優化后的排氣余熱回收控制系統進行了臺架試驗研究。③臺架試驗結果表明：經優化后的控制系統能較好地控制排氣余熱回收系統進行余熱回收，并將回收的余能量直接轉換為機械能推動柴油機做功，取得了一定的節油效果。此外，經過優化的控制系統硬件和控制策略能更適應將來的工程化應用。

參考文獻：

[1]王滌非.基于朗肯循環廢氣余熱回收技術的研究[D].長春：吉林大學，2013.

[2]張紅光，劉彬，陳研，等.基于單螺桿膨脹機的發動機排氣余熱回收系統[J].農業機械學報，2012，43（5）：27-31.

[3]楊凱，張紅光，宋松松，等.變工況下車用柴油機排氣余熱有機朗肯循環回收系統[J].化工學報，2015，66（3）：1097-1103.

[4]楊凱.車用發動機變工況下有機朗肯循環系統運行特性研究[D].北京：北京工業大學，2015.

[5]涂鳴，李剛炎，胡劍.不同工況柴油機排氣余熱回收系統試驗與仿真[J].農業機械學報，2014，45（2）：1-5.

[6]楊燦.柴油機朗肯循環余熱回收系統動態耦合效應及能效優化策略[D].天津：天津大學，2016.

[7]曾祥瑞.并聯混合動力客車整車控制器軟件設計[D].北京：清華大學，2012.

[8]吳磊，張振東，羅棕貴，等.基于MotoTron平臺發動機電控系統設計[J].農業裝備與車輛工程，2016，54（11）：41-45.

[9]張虎，王存磊，張建龍，等.基于MotoTron平臺的汽油發動機控制器開發[J].上海交通大學學報，2014，48（6）：845-849.

[10]高海宇，陸文昌，商哲，等.基于MotoTron平臺的發動機ECU快速原型開發[J].柴油機設計與制造，2008，15（3）：16-20.

[11]柴俊霖，田瑞，楊富斌，等.柴油機排氣余熱有機朗肯循環系統工質選擇[J].車用發動機，2019（3）：58-63，68.