牛　驍　劉少華　王　維　申立中（昆明理工大學(xué)云南省內(nèi)燃機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　云南 昆明　650500）

·新能源·

CNG/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)天然氣噴氣驅(qū)動(dòng)的研究*

牛驍劉少華王維申立中
（昆明理工大學(xué)云南省內(nèi)燃機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室云南 昆明650500）

根據(jù)CNG/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)天然氣的要求，即噴氣驅(qū)動(dòng)能定時(shí)準(zhǔn)確地噴出天然氣。以Peak&Hold電流波形為基礎(chǔ)，基于英飛凌公司TC1728開(kāi)發(fā)板中的GPTA模塊以及DAVE、IDE、UDE 3款編程軟件，在某型號(hào)柴油機(jī)改裝成的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行帶電流反饋的天然氣電控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，并在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行天然氣噴氣驅(qū)動(dòng)的試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明該天然氣噴氣驅(qū)動(dòng)程序控制波形比較穩(wěn)定，噴氣軌電磁閥能迅速地開(kāi)啟和關(guān)閉，電磁閥從完全關(guān)閉到完全開(kāi)啟，時(shí)間為600 μs，Peak階段電流能達(dá)到3A，Hold階段電流維持在1A，滿(mǎn)足了CNG/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)于噴氣驅(qū)動(dòng)的要求。

CNG/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī) 電控系統(tǒng) 噴氣驅(qū)動(dòng)

引言

近年來(lái)，隨著世界范圍內(nèi)機(jī)動(dòng)車(chē)產(chǎn)量和保有量的不斷增長(zhǎng)，能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題日益突出。柴油價(jià)格的不斷攀升以及越來(lái)越苛刻的排放法規(guī)的頒布，促使許多動(dòng)力制造商正尋求使用新的燃料來(lái)取代傳統(tǒng)燃料，并且積極推廣、開(kāi)發(fā)和利用以天然氣為主的清潔替代能源。大力開(kāi)發(fā)新型代用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排具有重要意義［1-3］。

壓縮天然氣（CNG）是一種清潔燃料，主要成分為甲烷，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，成分單一，純度高，易混合均勻；燃燒溫度低，利于減少NOχ的排放；辛烷值高，抗爆性好；燃點(diǎn)較高，著火延遲期長(zhǎng)，火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷怀蕷怏w狀態(tài)吸入氣缸，容積效率降低［4-5］。

CNG/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是以天然氣為主燃料，少量柴油引燃方式工作的發(fā)動(dòng)機(jī)。對(duì)于CNG/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，噴油控制系統(tǒng)和噴氣控制系統(tǒng)都是非常重要的，能否合理地控制噴油和噴氣對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有很大影響［6-8］。為了合理地控制噴氣，需要開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出天然氣控制系統(tǒng)。在某型號(hào)柴油機(jī)改裝好的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行天然氣電控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)是基于英飛凌公司的TC1728開(kāi)發(fā)板以及DAVE、IDE、UDE開(kāi)發(fā)軟件完成的。開(kāi)發(fā)完成后在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行天然氣噴氣驅(qū)動(dòng)的驗(yàn)證。

1　CNG/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)介紹

對(duì)于CNG/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，它的電控系統(tǒng)由兩部分組成：其中一個(gè)是原柴油機(jī)的電控系統(tǒng)，另外一個(gè)是天然氣電控系統(tǒng)。雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的引燃柴油量由原機(jī)的柴油供給系統(tǒng)控制，而天然氣的噴氣量則需要通過(guò)噴氣脈寬和噴氣時(shí)間來(lái)確定［9-10］，噴氣脈寬和噴氣時(shí)間需要自主開(kāi)發(fā)的天然氣電控系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.1TC1728開(kāi)發(fā)板介紹

TC1728開(kāi)發(fā)板是英飛凌公司推出的，是汽車(chē)統(tǒng)一處理器大家庭中的一款面向動(dòng)力總成應(yīng)用的32位微控制器，具有性能強(qiáng)大，集成度高，功耗低，體積小等優(yōu)勢(shì)。它采用TriCore架構(gòu)，并且內(nèi)核帶有4級(jí)流水線(xiàn)。同時(shí)，該芯片還集成了多個(gè)智能化及相對(duì)獨(dú)立的外圍模塊，比如MSC、CAN接口等。TC1728開(kāi)發(fā)板有以下幾個(gè)特征：

1）CPU具有4級(jí)流水線(xiàn)；

2）具有單精度浮點(diǎn)運(yùn)算單元；

3）主頻可以達(dá)到133MHz；

4）可以在大容量片上內(nèi)存；

5）具有集成數(shù)字信號(hào)處理功能；

6）帶有3個(gè)節(jié)點(diǎn)的CAN模塊；

7）支持OCDS（片上調(diào)試），支持電源管理系統(tǒng)；

8）具有強(qiáng)大的處理能力；

9）具有超高的實(shí)時(shí)性；

10）具有64位本地存儲(chǔ)總線(xiàn)，32位系統(tǒng)外圍總線(xiàn)。

自主開(kāi)發(fā)的天然氣噴氣驅(qū)動(dòng)主要用到的就是TC1728開(kāi)發(fā)板上的GPTA（定時(shí)器）模塊，該模塊有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)：一個(gè)是可以快速實(shí)現(xiàn)信號(hào)的捕獲和比較；一個(gè)是可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜信號(hào)的控制輸出。如圖1所示為T(mén)C1728開(kāi)發(fā)板。

圖1　TC1728開(kāi)發(fā)板

1.2軟件開(kāi)發(fā)工具鏈介紹

自主開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的這套噴氣驅(qū)動(dòng)需要用到三個(gè)軟件，分別是代碼自動(dòng)生成軟件DAVE、TASKING集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）軟件、UDE調(diào)試仿真器套件。

DAVE是Infineon自己開(kāi)發(fā)的針對(duì)所有的MCU的可視化配置工具，主要是通過(guò)友好的界面讓用戶(hù)來(lái)操作單片機(jī)的內(nèi)部資源，最后自動(dòng)地產(chǎn)生相應(yīng)的C代碼。

IDE是由澳大利亞的Altium公司開(kāi)發(fā)的工具鏈，主要的功能是提供MCU及DSP等單片機(jī)的匯編和C語(yǔ)言的編譯器，附加功能為簡(jiǎn)單的調(diào)試仿真功能。TASKING的運(yùn)行平臺(tái)是Windows，是面向工程的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，包含了編輯、編譯、鏈接及仿真調(diào)試等功能。高版本的TASKING還支持ISO26262功能安全的檢查等，特別是能支持Infineon公司的最新一代MCU（AURIX系列三核芯片）。

UDE是德國(guó)的pls公司的產(chǎn)品，可以通過(guò)DAP 及JTAG等接口和目標(biāo)板進(jìn)行連接。其中UDE是仿真器的硬件，UAD是仿真的軟件，兩者要結(jié)合起來(lái)使用。UAD套件是通過(guò)USB2.0和PC進(jìn)行連接，在UAD的界面里可以進(jìn)行對(duì)目標(biāo)板的程序燒寫(xiě)和在線(xiàn)調(diào)試，其上傳的速度可以高達(dá)3.6Mbyte/s。UDE套件還支持跟蹤功能，在UAD的環(huán)境里可以跟蹤所需要的變量，并以圖形化顯示，也支持Infineon的新一代架構(gòu)的單片機(jī)AURIX等。

2　總體設(shè)計(jì)

天然氣電控系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集發(fā)動(dòng)機(jī)相位信號(hào)，產(chǎn)生正確的相位識(shí)別結(jié)果，應(yīng)用層軟件基于正確的判缸結(jié)果計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)噴氣正時(shí)等參數(shù)，賦值給底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)接口，使MCU精確地輸出控制信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)硬件電路使發(fā)動(dòng)機(jī)精確的噴氣，從而達(dá)到試驗(yàn)要求并且保證雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作。試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1　發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2.1硬件設(shè)計(jì)

天然氣電控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要有幾部分構(gòu)成，分別是曲軸及凸輪軸等傳感器，TC1728開(kāi)發(fā)板，UDE調(diào)試器，天然氣驅(qū)動(dòng)板，氣軌電磁閥，減壓閥等。如圖2所示為總體設(shè)計(jì)圖。將發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸及凸輪軸信號(hào)采集出來(lái)經(jīng)過(guò)波形整形電路處理后輸入到MCU中，通過(guò)GPTA及ADC等模塊進(jìn)行處理，然后輸出5路控制PWM波，其中有4路分別是氣缸的PWM波，另外一路是減壓閥PWM波，通過(guò)電流轉(zhuǎn)換電路把控制信號(hào)的電流轉(zhuǎn)化成一定范圍的電壓，并經(jīng)過(guò)ADC采集，形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。

圖2　總體設(shè)計(jì)圖

2.2軟件設(shè)計(jì)

首先在DAVE軟件自動(dòng)生成MCU的配置C代碼，然后在TASKING中進(jìn)行具體的控制代碼的編輯，最后通過(guò)編譯生成可擴(kuò)展調(diào)試.elf文件，最后通過(guò)UDEUAD套裝軟件把.elf文件燒寫(xiě)到單片機(jī)的FLASH中。如圖3所示為基于正確的發(fā)動(dòng)機(jī)相位識(shí)別結(jié)果的天然氣的噴氣定時(shí)和噴氣脈寬底層軟件設(shè)計(jì)流程圖，圖4所示為T(mén)ASKING軟件編譯環(huán)境界面。軟件設(shè)計(jì)的主要目的是根據(jù)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理配置和操作MCU資源進(jìn)而按照程序的功能進(jìn)行模塊函數(shù)的封裝。

圖3　天然氣噴氣的軟件設(shè)計(jì)流程圖

圖4　TASKING軟件編譯環(huán)境界面

3　天然氣噴氣驅(qū)動(dòng)驗(yàn)證

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)噴氣驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵是根據(jù)凸輪軸、曲軸傳感器采集的信號(hào)，基于發(fā)動(dòng)機(jī)的相位識(shí)別結(jié)果在底層進(jìn)行控制氣軌電磁閥噴氣定時(shí)和噴氣脈寬等函數(shù)程序接口的封裝，ECU應(yīng)用層控制策略根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況算出噴氣提前角及噴氣脈寬等參數(shù)，然后賦值給底層相應(yīng)的函數(shù)程序接口，從而滿(mǎn)足了天然氣電控系統(tǒng)的要求。

噴氣驅(qū)動(dòng)驗(yàn)證試驗(yàn)中，氣軌電磁閥理論控制波形如圖5所示，波形為peak&hold型，其中peak為開(kāi)啟電磁閥的峰值電流，hold為保持電磁閥開(kāi)啟的維持電流。

圖5　氣軌電磁閥理論控制波形圖

圖6 a）為實(shí)測(cè)噴氣軌控制信號(hào)與驅(qū)動(dòng)電流波形，包括反饋信號(hào)和控制信號(hào)，b）為a）局部放大圖。示波器上一共有3個(gè)通道，分別為CH1通道，它是噴氣軌控制信號(hào)；CH3通道，它是所有氣缸的噴氣控制信號(hào)的反饋電流；CH4通道，它是其中某一個(gè)缸的噴氣驅(qū)動(dòng)電流的反饋信號(hào)?？刂齐娏餍枰陔姶砰y開(kāi)啟后的t1時(shí)刻到峰值I1，之后I1降低到I2進(jìn)入hold階段，I1為3A，I2為1A。因此要在UDE的調(diào)試環(huán)境界面當(dāng)中進(jìn)行更改和設(shè)定寄存器值。查詢(xún)寄存器的值進(jìn)行獲取時(shí)間并且進(jìn)行反饋；等到t2時(shí)刻時(shí)，控制信號(hào)結(jié)束，這個(gè)過(guò)程的噴氣脈寬即為t2。減壓閥的開(kāi)口大小是通過(guò)固定頻率的PWM技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)合理改變PWM波的占空比時(shí)，就是改變減壓閥的開(kāi)口度，從而改變天然氣的流量。通過(guò)試驗(yàn)圖6 a）、b）可以看出，天然氣噴氣驅(qū)動(dòng)可以正常工作，噴氣驅(qū)動(dòng)驗(yàn)證成功，天然氣電控系統(tǒng)可以正常噴氣。

4　結(jié)論

以Peak&Hold電流波形為基礎(chǔ)，從硬件設(shè)計(jì)和軟件編譯兩方面著手，進(jìn)行帶電流反饋的天然氣電控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，結(jié)果表明：

1）該天然氣噴氣驅(qū)動(dòng)程序由硬件和軟件相互配合實(shí)現(xiàn)，LTC產(chǎn)生噴氣PWM波，ADC進(jìn)行電流反饋。這樣做使得軟件算法得到了簡(jiǎn)化，程序的執(zhí)行效率也得到了提高。

2）采用電流閉關(guān)控制技術(shù)，調(diào)節(jié)控制信號(hào)PWM波的占空比來(lái)維持電壓為12V的hold階段的電流，這樣的控制方式比較簡(jiǎn)單，而且可靠性高，電流能穩(wěn)定維持。

3）天然氣噴氣軌電磁閥能迅速地開(kāi)啟和關(guān)閉，完全關(guān)閉到完全打開(kāi)，響應(yīng)時(shí)間大約為600μs，這樣就滿(mǎn)足了噴氣過(guò)程的實(shí)時(shí)性要求。

4）實(shí)測(cè)噴氣軌驅(qū)動(dòng)電流反饋信號(hào)和理論設(shè)計(jì)的氣軌電磁閥控制波形基本一致，說(shuō)明達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖6　實(shí)測(cè)信號(hào)

1李克，楊鐵皂，徐斌，等.天然氣/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)研究現(xiàn)狀及發(fā)展 ［J］.河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，2 （1）：60-62

2梁昱，周立迎.雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究綜述［J］.貴陽(yáng)學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，3（3）：18-23

3高青.天然氣/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)電控噴氣技術(shù)研究 ［J］.汽車(chē)工程，2000，22（6）：389-392

4徐福水，秦江濤，羅富強(qiáng)，等.CNG-柴油雙燃料電控發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)研究［J］.車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，2012（01）：60-62

5朱劍明，彭代勇.世界能源現(xiàn)狀與內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展機(jī)遇［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2011（2）：80-84

6彭育輝，林騰飛，孫太平，等.車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)柴油天然氣雙燃料改裝研究綜述［J］.節(jié)能技術(shù)，2014（05）：461-464

7徐利娜.CNG/汽油兩用燃料汽車(chē)的改裝設(shè)計(jì) ［D］.保定：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2008

8O.M.I.Nwafor.Effect of advanced injection timing on emission characteristics of diesel engine running on natural gas［J］. Renewable Energy，2007（32）:2361-2368

9Evans R L，Goharian F，Hill P G.The performance of a spark ignition engine fuelled with natural gas and gasoline［C］.SAE Paper 840234

10Sahoo B B，Sahoo N，Saha U K，et al.Effect of engine parameters and type of gaseous fuel on the performance of dual-fuel gas-diesel engines-A critical review［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2009（13）:1151-1184

CNG/Diesel Dual Fuel Engine Natural Gas Jet-Driven Research

Niu Xiao，Liu Shaohua，Wang Wei，Shen Lizhong
Yunnan Key Laboratory of IC Engine，Kunming University of Science and Technology （Kunming，Yunnan，650500，China）

CNG/diesel dual fuel engine requires accurate jet ejection timing of jet driven for natural gas. Based on Peak&Hold current waveform，via GPTA modules on Infineon's TC1728 development boards and DAVE，IDE and UDE programming software，a current feedback NG electric control system was developed on a dual-fuel engine converted from a diesel engine.Experimental verification of natural gas powered jet engine was carried out on bench.The test results show that the gas jet driver control waveform is relatively stable，jet-rail solenoid valve can be quickly opened and closed，the time of solenoid valve from fully closed to fully open is 600 μs，Peak phase current can reach 3A，Hold phase current is maintained at 1A，thus meet the requirements of CNG/diesel dual fuel engine for the jet-driven.

CNG/diesel dual fuel engine，Electronic control system，Jet driven

TK421+.42

A

2095-8234（2016）01-0047-05

昆明理工大學(xué)引進(jìn)人才基金項(xiàng)目（KKSY201402113）。

牛驍（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榇萌剂霞夹g(shù)。

2015-11-06）