馮雪麗

(杭州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 富陽 311402)

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汽油-LPG雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)油氣切換控制策略

馮雪麗

(杭州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 富陽 311402)

摘要：以LPG為汽車代用燃料，以方便性、實(shí)用性和可靠性為基本要求，設(shè)計(jì)出一套LPG-汽油雙燃料模式發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)，詳細(xì)探究了發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中油氣改變進(jìn)程，提出了一套油氣轉(zhuǎn)換控制方案。發(fā)動(dòng)機(jī)能夠按照ECU的命令，在正常運(yùn)轉(zhuǎn)的狀況下安穩(wěn)地實(shí)行油氣轉(zhuǎn)換，使發(fā)動(dòng)機(jī)相應(yīng)單獨(dú)運(yùn)行在兩種燃料形式下。

關(guān)鍵詞：雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)；油氣切換；控制策略

0引言

雙燃料汽車在汽車發(fā)展的過渡階段有其顯著的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作在怠速工況、正常小負(fù)荷工況或低轉(zhuǎn)速工況下，采用LPG作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料，能夠有效地降低發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)遇到大負(fù)荷工況和急加速工況時(shí)，采用汽油燃料可以保證發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性。同時(shí)，駕駛?cè)藛T也不必?fù)?dān)心LPG在供應(yīng)不足時(shí)找不到加氣站的麻煩，有效緩解了供氣站的缺乏狀況。

目前雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)控制方法依據(jù)LPG 狀態(tài)下的發(fā)動(dòng)機(jī)控制方法進(jìn)行分類可分為：?jiǎn)蜤CU 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)控制方法和隨動(dòng)式雙燃料控制方式。

單ECU 方式采用 1 個(gè)ECU 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料種類進(jìn)行切換。此種方式控制效果及切換過程控制效果最佳。采用這種方式需要放棄原機(jī)ECU 及線束，且需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行分別汽油和LPG 兩種燃料的標(biāo)定，只能由整車廠進(jìn)行開發(fā)。這種方式對(duì)整車廠開發(fā)兩用燃料車的初期風(fēng)險(xiǎn)較大，只有整車廠積累了一定的市場(chǎng)份額后才會(huì)進(jìn)行此項(xiàng)開發(fā)，目前，2010款新愛麗舍CNG 汽車是用這種控制方式。

隨動(dòng)式兩用燃料控制方式，在原機(jī)ECU 的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)附加ECU ，附加ECU 通過測(cè)量原機(jī)ECU 的噴油器驅(qū)動(dòng)信號(hào)獲得原機(jī) ECU 的汽油噴射脈沖寬度信號(hào)，通過計(jì)算將其轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)PG 噴嘴的噴射脈寬信號(hào)。這種控制方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，構(gòu)成零部件少，系統(tǒng)安裝容易布置。目前國(guó)內(nèi)外使用的汽油/LPG 兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)大多采用這種控制方式，且多應(yīng)用于在用車改裝市場(chǎng)。

1獨(dú)立控制式雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)控制方法

上述兩種雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)控制方法各有優(yōu)劣，單ECU 式兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)控制方法可達(dá)到最佳的發(fā)動(dòng)機(jī)控制及切換效果，但其開發(fā)過程復(fù)雜，應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)較大。隨動(dòng)式兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)控制方法僅通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換然后進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)控制，附加ECU 無法獲取發(fā)動(dòng)機(jī)的所有運(yùn)轉(zhuǎn)信息，也不能掌控發(fā)動(dòng)機(jī)所有的執(zhí)行器，這將使發(fā)動(dòng)機(jī)無法達(dá)到最好的控制結(jié)果。同時(shí)，汽油ECU 的故障診斷裝置和診斷策略越來越完善，要避免汽油ECU 由于附加ECU的增加而產(chǎn)生故障，進(jìn)而影響LPG 狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)的控制，就需要使用復(fù)雜的汽油ECU 執(zhí)行器模擬器與傳感器模擬器。

介紹了自主控制的汽油/液化石油氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的控制方法，原型發(fā)動(dòng)機(jī)上仍然保存汽油ECU ，而液化石油氣的情況下，由一個(gè)獨(dú)立的LPGECU 進(jìn)行控制。在不同燃料狀態(tài)下分別由各自的ECU 進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)控制，以達(dá)到在不同燃料狀態(tài)下最佳的發(fā)動(dòng)機(jī)控制效果。燃料狀態(tài)切換則由LPGECU 根據(jù)駕駛員的選擇以及環(huán)境因素通過控制燃料切換控制模塊來實(shí)施。 在LPG 狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)直接由LPGECU 全權(quán)控制，則可使 LPGECU 充分發(fā)揮對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的控制潛力，取得等同于單ECU 式兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)控制方法的控制效果。汽油/液化石油氣雙燃料汽車系統(tǒng)相對(duì)于普通汽油車，增加了LPG 供應(yīng)系統(tǒng)、燃料狀態(tài)切換執(zhí)行模塊、液化石油氣ECU 及人機(jī)接口。 獨(dú)立控制式兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的控制原理可利用圖1描述為：LPGECU 中的燃料狀態(tài)控制模塊根據(jù)人機(jī)接口及環(huán)境因素，通過燃料狀態(tài)切換執(zhí)行模塊，控制汽油控制器或液化石油氣控制器中的液化石油氣狀態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊取得發(fā)動(dòng)機(jī)的控制權(quán)。當(dāng)汽油ECU獲取發(fā)動(dòng)機(jī)控制權(quán)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作于汽油狀態(tài)，當(dāng)LPGECU 獲取發(fā)動(dòng)機(jī)控制權(quán)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作于LPG 狀態(tài)。 LPG 狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)控制功能完全由LPG 狀態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊實(shí)施，而兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃料切換則由人機(jī)接口、燃料狀態(tài)控制模塊和燃料狀態(tài)切換執(zhí)行模塊共同實(shí)施。

圖1　獨(dú)立控制式雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)基本原理

在保持原有供油裝置不變，另增裝一套液化石油氣供應(yīng)系統(tǒng)包括： LPG 儲(chǔ)氣罐、LPG 加氣口、LPG 加氣管、LPG 組合閥、組合閥密封罩、LPG 液態(tài)供給管、蒸發(fā)減壓閥、LPG 氣態(tài)供給管、氣態(tài)LPG 濾清器、氣軌和噴嘴、LPG 溫度傳感器和LPG 壓力傳感器。這樣原發(fā)動(dòng)機(jī)即改裝為擁有2套并行的燃料供給系統(tǒng)，改造后的發(fā)動(dòng)機(jī)能夠單獨(dú)使用LPG或汽油運(yùn)行。此次改造，可以方便地在原有汽油機(jī)電控系統(tǒng)上進(jìn)行雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)。

開發(fā)的LPG-汽油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換電路主芯片采用飛思卡爾公司16位的MC9S12XDP512單片機(jī)，該款單片機(jī)基于S12CPU內(nèi)核，總線頻率可達(dá)40 MHz，具有較強(qiáng)的數(shù)值運(yùn)算和邏輯運(yùn)算能力，為油氣轉(zhuǎn)換的研究提供了強(qiáng)有力的硬件基礎(chǔ)。

同時(shí)，基于開發(fā)的雙燃料模式電控系統(tǒng)，采用微軟公司的VB(visual basic)開發(fā)軟件，開發(fā)出一套發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。使用VB開發(fā)軟件自帶的MSComm串口控件與電控單元ECU的SCI模塊進(jìn)行串行通信，為電控系統(tǒng)的開發(fā)提供了調(diào)試平臺(tái)。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各種運(yùn)行參數(shù)(發(fā)動(dòng)機(jī)的)，包括轉(zhuǎn)速，節(jié)氣門的開啟，燃油噴射脈寬，進(jìn)氣溫度，進(jìn)氣壓力信號(hào)。本次監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵目的是，通過點(diǎn)擊監(jiān)控界面的油氣切換開關(guān)來實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料切換。

2油氣切換策略研究

設(shè)計(jì)的雙燃料模式發(fā)動(dòng)機(jī)的主要任務(wù)是確保發(fā)動(dòng)機(jī)在不停機(jī)狀況下進(jìn)行汽油和LPG燃料平穩(wěn)切換。前提是發(fā)動(dòng)機(jī)分別在兩種燃料下均能穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，且啟動(dòng)效果良好。但一般情況下，使用汽油來啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，并進(jìn)行預(yù)熱，等待發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度達(dá)到80 ℃時(shí)，再進(jìn)行油氣切換。這是因?yàn)長(zhǎng)PG 以液態(tài)方式儲(chǔ)存，以氣態(tài)方式噴射，在氣化過程中，LPG 必須攝取熱量。在冷卻水溫度較低時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)不足以提供足夠的熱量給蒸發(fā)減壓閥，此時(shí)使用 LPG 將導(dǎo)致蒸發(fā)減壓閥結(jié)冰，影響LPG 供給。這將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)難以啟動(dòng)或啟動(dòng)后難以穩(wěn)定。目前汽油/LPG 兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)絕大多數(shù)是采用冷機(jī)啟動(dòng)時(shí)使用汽油，然后再轉(zhuǎn)換到使用LPG ，每啟動(dòng)一次燃料就要轉(zhuǎn)換一次。

2.1傳感器和執(zhí)行器切換方法

ECU對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的控制權(quán)體現(xiàn)為對(duì)傳感器信號(hào)采集和對(duì)執(zhí)行器控制程度。1個(gè)ECU要獲取發(fā)動(dòng)機(jī)所有的控制權(quán)，就需要使ECU 能夠采集所有發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器信號(hào)以及獲得所有執(zhí)行器的控制權(quán)。 發(fā)動(dòng)機(jī)控制權(quán)在不同ECU 之間切換，實(shí)質(zhì)為使不同ECU獲取發(fā)動(dòng)機(jī)全部傳感器信號(hào)采集權(quán)和執(zhí)行器控制權(quán)。

要使傳感器信號(hào)在不同ECU 控制發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)全部被相應(yīng)ECU 采集，可采用2 種方式：傳感器信號(hào)切換和傳感器信號(hào)共用。傳感器信號(hào)切換即將傳感器信號(hào)在汽油ECU 和LPGECU 之間利用繼電器進(jìn)行切換。獲取傳感器信號(hào)采集權(quán)的ECU 在傳感器切換后獨(dú)占傳感器，可以避免傳感器信號(hào)受到其他ECU 的干擾。傳感器信號(hào)利用信號(hào)繼電器切換，信號(hào)繼電器一般接觸電阻在0.1 Ω以下，由于傳感器信號(hào)采集電路屬于高輸入阻抗設(shè)計(jì)，所以在傳感器與信號(hào)采集電路之間添加繼電器對(duì)傳感器信號(hào)的影響可忽略不計(jì)。傳感器信號(hào)共用即將傳感器信號(hào)同時(shí)傳遞給兩種控制器 。同時(shí)使2種ECU 都獲取傳感器信號(hào)采集權(quán)。共用方式即傳感器信號(hào)同時(shí)由汽油控制器和液化石油氣控制器進(jìn)行采樣。傳感器同時(shí)由2種ECU同時(shí)采樣，由于信號(hào)內(nèi)阻與信號(hào)采樣電路的輸入阻抗變化將造成源負(fù)載效應(yīng)誤差，由于電路電容發(fā)生變化將造成信號(hào)動(dòng)態(tài)響應(yīng)變化，從而影響信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間。但在ECU 信號(hào)輸入口的輸入阻抗遠(yuǎn)大于信號(hào)源內(nèi)阻時(shí)，傳感器信號(hào)同時(shí)由2個(gè)ECU采樣時(shí)的信號(hào)失真已經(jīng)小于車用ECU 的AD轉(zhuǎn)換器的最小可分辨電壓，基本可忽略其影響。ECU 在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)進(jìn)行了傳感器和信號(hào)輸入口的阻抗匹配，可保證ECU 信號(hào)輸入口的輸入阻抗遠(yuǎn)大于信號(hào)源內(nèi)阻，故2個(gè)ECU 對(duì)同1個(gè)傳感器同時(shí)進(jìn)行采樣是可行的。曲軸位置傳感器和凸輪軸位置傳感器采用信號(hào)共用方式。溫度傳感器包括進(jìn)氣溫度、缸體溫度和空調(diào)盤溫，這些傳感器采用信號(hào)共用方式。節(jié)氣門位置傳感器，進(jìn)氣壓力傳感器，爆震傳感器采用切換方式，前氧傳感器和后氧傳感器可以采用雙ECU 共用的方式執(zhí)行器的控制權(quán)切換必須根據(jù)執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)方式選擇合適的方法。而在發(fā)動(dòng)機(jī)上，執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)方式只有2類：橋式驅(qū)動(dòng)方式和低端開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式。在發(fā)動(dòng)機(jī)執(zhí)行器中，步進(jìn)電機(jī)式怠速閥即采用橋式驅(qū)動(dòng)，除步進(jìn)電機(jī)外，發(fā)動(dòng)機(jī)所有執(zhí)行器包括噴油器、點(diǎn)火線圈、各類電控閥和各類繼電器均采用低端開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式。獨(dú)立控制式汽油/LPG 兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)，不會(huì)同時(shí)使用汽油和LPG ，這意味著汽油ECU 和LPGECU 不會(huì)同時(shí)獲取執(zhí)行器控制權(quán)。使用不同燃料時(shí)，需將同1個(gè)執(zhí)行器交由不同ECU 控制，這可以通過執(zhí)行器切換方式或執(zhí)行器協(xié)同方式實(shí)現(xiàn)。采用橋式驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行器只能采用切換控制方式，而低端開關(guān)驅(qū)動(dòng)除切換控制方式外還可以采取協(xié)同控制的方式。通過這種方式，執(zhí)行器得以在不同ECU 之間切換，當(dāng)執(zhí)行器連接不同ECU 后，ECU 隨即獲取對(duì)執(zhí)行器的所有控制權(quán)。失去執(zhí)行器的ECU 不會(huì)影響獲取執(zhí)行器的ECU對(duì)執(zhí)行器的控制，協(xié)同方式只能用于低端開關(guān)驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行器。

2.2汽油至LPG燃料切換控制策略

如圖2所示，切換令發(fā)出后，在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)2圈后再斷開汽油ECU 點(diǎn)火開關(guān)信號(hào)是為了使LPGECU能夠在開始控制噴射時(shí)已有關(guān)于噴氣脈沖寬度及點(diǎn)火提前角的相關(guān)數(shù)據(jù)。以避免在燃料切換時(shí)由于控制數(shù)據(jù)沒有就緒而導(dǎo)致的LPGECU延遲控制。這將導(dǎo)致燃料切換命令發(fā)出后，燃料切換并未馬上實(shí)施，而是存在一定的時(shí)間延遲，但這種時(shí)間延遲，駕駛員并不能明確感受到。通過這樣的策略，可有效防止切換過程中汽油ECU 診斷出故障。

圖2　汽油至LPG燃料切換控制策略

該過程切換流程如圖3所示。

圖3　汽油狀態(tài)向LPG狀態(tài)切換流程圖

2.3曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)中LPG至汽油燃料狀態(tài)切換

LPG至汽油燃料狀態(tài)切換過程與汽油向LPG燃料狀態(tài)類似，但是同樣也要避免汽油ECU檢測(cè)出點(diǎn)火線圈故障。曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)中LPG至汽油的燃料轉(zhuǎn)換控制策略如圖 4所示。

圖4　汽油狀態(tài)向LPG狀態(tài)切換流程圖

該過程切換流程如圖5所示。

圖5　LPG狀態(tài)向汽油狀態(tài)切換流程

3發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的切換實(shí)驗(yàn)

3.1發(fā)動(dòng)機(jī)在汽油怠速工況下切換至LPG、然后切換到汽油

測(cè)試流程如圖6所示。

圖6　測(cè)試流程

測(cè)試目標(biāo)：汽油燃料狀態(tài)下能夠穩(wěn)定有效地切換到LPG燃料，然后切換到汽油。

測(cè)試數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7　測(cè)試數(shù)據(jù)

測(cè)試結(jié)果分析：測(cè)試結(jié)果表明，汽油切換到LPG時(shí)，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，有時(shí)能夠正常切換，在切回到汽油燃料時(shí)，轉(zhuǎn)速較為穩(wěn)定。

3.2發(fā)動(dòng)機(jī)在LPG怠速工況下切換至汽油、然后切換到LPG

測(cè)試流程如圖8所示。

圖8　測(cè)試流程

測(cè)試目標(biāo)：LPG燃料狀態(tài)下能夠穩(wěn)定有效地切換到汽油燃料，然后切換到LPG。

測(cè)試數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖9　測(cè)試數(shù)據(jù)

測(cè)試結(jié)果分析：測(cè)試結(jié)果表明，從LPG切換到汽油時(shí)，轉(zhuǎn)速較為穩(wěn)定，在切回到汽油燃料時(shí)，能夠完成切換，但切換完成后2~5s時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大。

4結(jié)語

分析了獨(dú)立控制式雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的基本原理，說明了傳感器信號(hào)采集和執(zhí)行器執(zhí)行切換的原理和方法，說明了汽油向LPG狀態(tài)和LPG向汽油機(jī)切換的狀態(tài)變化過程，并進(jìn)行了燃料切換實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了獨(dú)立式雙燃料控制方法的可行性。但切換過程還沒有達(dá)到完美理想狀態(tài)，仍需優(yōu)化。

參考文獻(xiàn):

[1] 張文,劉春恰,李明,等. 兩用燃料汽車開發(fā)進(jìn)展[J]. 科技傳播,2012,(03):114-115.

[2] 文代志,陸軍. 液化天然氣(LNG)汽車綜述[J]. 裝備制造技術(shù),2012,(07):120-123.

[3] 隗海林. LPG/汽油兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃料轉(zhuǎn)換過程控制策略研究[D]. 長(zhǎng)春：吉林大學(xué),2007.

[4] 阿比旦,張武高,歐陽明高. 液化石油氣汽車技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J]. 汽車技術(shù), 2001, (11):5-8.

[5] 鄒斌. 獨(dú)立控制式汽油LPG兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)控制方法研究[D]. 武漢：武漢理工大學(xué)，2013.

Switch Strategy of LPG-Gasoline Dual Fuel Engine

FENG Xue-li

(Hangzhou Polytechnic College, Fuyang 311402, China)

Abstract:Based on LPG for the automotive alternative fuel，and according to the basic requriements of convenience，practicability and reliability，this paper designs a set of electronic control systems for LPG/gasoline dual fuel mode engine, explores the operation of the engine oil change process in detail, and brings out a set of switch strategy. ECU engine is able to follow commands, and the oil is converted into the gas under normal operation conditions, vice versa.

Keywords:dual fuel engine；fuel switch；control strategy

收稿日期：2015-02-09

中圖分類號(hào)：TK44

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-5276(2015)03-0180-04

作者簡(jiǎn)介：馮雪麗(1981-)，女，河南駐馬店人，講師，碩士，研究方向?yàn)槠嚨闹悄芑刂啤?/p>