李利平++龔禮東

摘 要： 為了優(yōu)化雙燃料發(fā)動機的排放及經(jīng)濟性，設(shè)計了一個多點順序噴射控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)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(nèi)噴入燃氣。根據(jù)發(fā)動機不同工況，由ECU精確控制發(fā)動機每缸燃氣進氣電磁閥的開啟時間和持續(xù)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(tǒng)的可靠性和實用性。試驗數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)提高發(fā)動機經(jīng)濟性的同時也能優(yōu)化排放指標。

關(guān)鍵詞： 雙燃料發(fā)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(xiàn)象。隨著國家發(fā)展對能源提出的需求不斷增長，天然氣開發(fā)利用能夠優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，有效減輕石油消耗壓力，解決能源供應(yīng)安全、生態(tài)環(huán)境保護的雙重問題。在當(dāng)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(fā)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(dāng)天然氣氣源不穩(wěn)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(xiàn)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(dǎo)致排放增加和燃氣浪費。同時，可以根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷更準確地控制進氣量。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

多點順序噴射控制系統(tǒng)設(shè)計核心是根據(jù)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(guān)閉后進氣閥關(guān)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(jù)控制要求，將控制系統(tǒng)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(qū)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(qū)動模塊提供穩(wěn)定電源，設(shè)計時將外部系統(tǒng)與內(nèi)部系統(tǒng)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(tǒng)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(shù)字供電兩部分，為中央處理單元供電。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

1.2 A/D轉(zhuǎn)換單元

A/D轉(zhuǎn)換單元主要是將安裝在柴油機上的傳感器轉(zhuǎn)換成數(shù)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(zhuǎn)速給定、功率閥位置、排氣溫度、凸輪軸轉(zhuǎn)速以及曲軸轉(zhuǎn)速。采集模塊利用三端濾波器，去除干擾信號的同時將發(fā)動機的熱力參數(shù)和機械參數(shù)轉(zhuǎn)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(qū)動模塊

功率驅(qū)動模塊用于驅(qū)動燃氣噴射電磁閥，該模塊由高速關(guān)斷P型CMOS管組成，能同時驅(qū)動16個閥組，每個MOS管最大驅(qū)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(shù)，利用RS232通信協(xié)議，將監(jiān)測點數(shù)值、報警值實時傳輸?shù)缴衔粰C界面，進行實時監(jiān)測，并接收上位機發(fā)過來的控制參數(shù)。

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(zhuǎn)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(tài)信息進行處理分析，根據(jù)發(fā)動機的控制策略，發(fā)出控制指令并送到功率驅(qū)動模塊，驅(qū)動噴閥和功率閥進行相應(yīng)動作，從而改變（或者保持）發(fā)動機的運行工況，使得發(fā)動機運行在最佳狀態(tài)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

電控多點順序噴射系統(tǒng)控制程序采用模塊化的設(shè)計方法，按系統(tǒng)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?？刂葡到y(tǒng)軟件具有結(jié)構(gòu)清晰、易擴展和易調(diào)試的特點，可以滿足控制系統(tǒng)實時控制的要求，對系統(tǒng)軟件模塊說明如下：

2.1 發(fā)動機轉(zhuǎn)速計算

發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號是通過安裝在柴油機自由端飛輪上齒盤旁邊的轉(zhuǎn)速傳感器測量得到的，轉(zhuǎn)速傳感器的輸出信號經(jīng)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(shù)計算出方波頻率，然后根據(jù)柴油機飛輪上齒數(shù)m（R160柴油機飛輪齒數(shù)為158）計算柴油機轉(zhuǎn)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(yīng)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(jù)上面測得的柴油機轉(zhuǎn)速n以及柴油機的發(fā)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(jù)柴油機的重疊角可以計算出每缸排氣門關(guān)閉時間點，R160柴油機排氣門關(guān)閉時間為進氣上止點后48°，根據(jù)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(tǒng)的柴油替代率，而柴油機純油耗與柴油機轉(zhuǎn)速立方成正比，將整個柴油機轉(zhuǎn)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(jù)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(dǎo)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(tǒng)根據(jù)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(fā)送的指令和參數(shù)發(fā)給ECU，其中包括噴射時間基準、PID參數(shù)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(qū)動噴射閥在適當(dāng)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(tǒng)

中斷控制保證系統(tǒng)及時響應(yīng)外部需求，每種中斷分為不同的中斷優(yōu)先級，脈沖捕捉中斷、A/D轉(zhuǎn)換結(jié)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(zhuǎn)速測量擁有最高優(yōu)先級；定時器中斷用于啟停噴射閥以及控制噴射時間，優(yōu)先級低于脈沖捕捉中斷；A/D轉(zhuǎn)換用于將模擬壓力、溫度、位置信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，優(yōu)先級低于定時器中斷；而串口通信中斷優(yōu)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(tǒng)初始化后響應(yīng)用戶輸入（啟動、停止等），定時發(fā)送系統(tǒng)參數(shù)到上位機，根據(jù)脈沖中斷測得的轉(zhuǎn)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(dǎo)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(zhuǎn)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(tǒng)實驗

多點順序噴射控制系統(tǒng)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(shù)據(jù)如表1所示，雙燃料模式與純柴油模式在同轉(zhuǎn)速、同負荷下對比，從試驗數(shù)據(jù)可以明顯看出改造后油耗下降，最高替代率達到78.6%，經(jīng)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(tǒng)。

4 結(jié) 語

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

表1 改造前后參數(shù)對照

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