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柴油/天然气双燃料发动机控制策略研究

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作者:吴光耀,蔡文远,任宪丰。 TAGS:策略,研究,控制,发动机,天然气,
   导读::本文介绍了柴油/天然气双燃料发动机的研发优势和研发目的,柴油引燃天然气发动机的工作原理。对泵喷嘴、单体泵和高压共轨电控柴油机的不同断油控制策略进行了详细说明,并通过高压共轨发动机路试对比了两种控制策略的效果;介绍了两种引燃油量的标定方法,通过路试得出比例计算法是要优于MAP查表的。最后通过大量的路试,得出
了双燃料发动机的百公里耗油量,并对数据进行了简单的分析。
关键词:双燃料发动机,断油,引燃油量,控制策略

  0引言
  燃气汽车由于其排放性好、运行成本低、技术成熟、安全可靠,被世界各国公认为最理想的替代燃料汽车,在我国代用燃料汽车中占到90%左右[1]
  目前商用车市场上的重型载货车辆基本上都是大功率柴油机,但随着柴油价格的不断上涨,车辆运营成本也越来越高。因此,如何在不改变原有柴油机机械结构的前提下降低燃料成本是所有商用车用户面临的一大难题。双燃料发动机控制系统的研发很好地解决了这一问题,保证了原柴油机的机械结构与性能不发生大的改变。该系统让柴油和天然气混合燃烧,也能在天然气使用完的情况下正常的燃烧柴油。其最大的优点是:在不改变原有动力性的前提下,使燃料成本降低40%以上[2]
  从排放方面来讲,柴油的排放是远远高于天然气的,尤其是碳烟的排放,对环境污染以及人类的健康带来了极大的威胁。从储量方面来讲,天然气的使用期限至少要比石油多用50年。在中国新疆地区,越来越多的油田气、气田气以及泥火山气被发现,极大了鼓舞了人们使用天然气的信心。在价格方面,天然气刚刚由家用天然气向车用天然气转型,其固定使用量还处于上升时期,其价格虽有上升的趋势,但百公里费用是远远低于柴油价格的[3]
  1 双燃料发动机工作原理
  柴油/天然气双燃料发动机技术是在不改变原来发动机机械构造的基础上进行的,它是在原柴油机上增加燃气进气系统、油气转换系统以及电控模块ECU来实现的。
  
  图1 双燃料发动机信号采集与处理模块
  由图1所示,双燃料发动机由两块电控ECU来共同控制,一个是原柴油机ECU,控制柴油机喷油嘴的实时通断以及其他的执行器件;另一个就是双燃料ECU,它需要采集柴油机的各种信号,如发动机转速、冷却液温度、油门踏板位置、氧传感器信号和原始喷油脉宽信号等,同时发出指令给执行器件。
  按照国内外混烧发动机的研发
[论文网 lunwen.nangxue.com]经验,在怠速工况下是纯柴油模式,没有天然气参与燃烧。当发动机工况达到了ECU所设定的混烧条件时,双燃料ECU发出指令给执行器件,燃气喷射器进而喷射出天然气与空气进行混合。当活塞到达压缩上止点附近时,压燃喷入气缸内的柴油,柴油通过扩散燃烧引燃随空气一起进入气缸的天然气,进而点燃天然气引燃油量,达到了燃料替代的目的[4]
  2、双燃料发动机断油控制策略的研究
  对于不同的电控柴油机,使用的是不同的电控系统,其喷油方式和喷油频率都是不同的。一般情况下,单体泵和泵喷嘴只有主喷,不存在预喷和后喷的情况,而高压共轨电控柴油机则存在,对于这些不同的喷油方式,需要区别对待[5]
  2.1单体泵与泵喷嘴断油控制策略研究
  对于泵喷嘴和单体泵电控柴油机,在一个工作循环中,每个缸各参与一次工作,所以需对各个缸分别进行断油处理。在底层设计上,设置CPU的一个计时器口为上升沿触发,在喷油开始时计数器开始计时,计数器到达所标定的引燃油量时,计数器清零,同时CPU发出断油信号,使断油开关关断,完成断油任务。
  
  图2 单体泵发动机断油控制原理图
  如图2为断油的原理图,在双燃料模式下,对每个喷油信号都进行断油处理,在每个喷油信号的前部分是有效喷油时间,也就是引燃柴油量的喷油时间;从断油信号发出到高位的喷油信号结束这段时间为无效喷油时间,虽高位有信号指令,但断油开关关断,与低位构不成回路,喷油嘴停止工作。
  2.2高压共轨柴油机断油控制策略研究
  在高压共轨系统中,几乎都存在预喷和后喷的情况,目的是为了降低发动机噪音,促进扩散燃烧,减少氮氧化物、可吸入颗粒物的排放量[6]
  柴油机在不同的负荷,有不同的喷油脉冲个数,例如在怠速工况,存在预喷和主喷,那么一个工作循环共有12个喷油脉冲个数,稍大负荷时又出现后喷,则一个工作循环有18个喷油脉冲个数,大负荷时只存在主喷,则一个工作循环有6个喷油脉冲个数;在车辆减速时,发动机会存在一两个
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