黃永鵬

摘要：為了實現(xiàn)柴油機(jī)排氣余熱回收系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)的工程化應(yīng)用，對一套已有的柴油機(jī)排氣余熱回收系統(tǒng)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化研究。其中，結(jié)合該套柴油機(jī)排氣余熱回收系統(tǒng)的技術(shù)特征和基于MotoTron快速原型開發(fā)平臺，對控制系統(tǒng)的傳感器、執(zhí)行器等硬件及控制策略進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。此外，還使用了優(yōu)化后的MotoTron快速原型控制系統(tǒng)控制該套柴油機(jī)排氣余熱回收系統(tǒng)進(jìn)行了臺架試驗研究。研究結(jié)果表明了經(jīng)優(yōu)化設(shè)計的控制系統(tǒng)能較好地控制該套柴油機(jī)排氣余熱回收系統(tǒng)的運(yùn)行，能為其進(jìn)一步的工程化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

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(guān)鍵詞：柴油機(jī);排氣余熱;余熱回收控制系統(tǒng);MotoTron快速原型開發(fā)平臺;控制策略優(yōu)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(fā)動機(jī)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(dāng)一部分的能量隨著發(fā)動機(jī)的冷卻介質(zhì)散熱和排氣釋放到了大氣中[1]。如果能對發(fā)動機(jī)排氣余熱能量進(jìn)行回收再利用，將對發(fā)動機(jī)熱效率的提升具有重要的意義[2]。

北京工業(yè)大學(xué)、武漢理工大學(xué)、天津大學(xué)等科研院校對柴油機(jī)余熱回收系統(tǒng)進(jìn)行了大量的試驗研究。其中，楊凱等人通過實驗測得柴油機(jī)不同工況下的運(yùn)行參數(shù)，并通過電腦數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得余熱回收系統(tǒng)的溫度、壓力、流量等參數(shù)[3-4]。涂鳴等人通過CalView控制和改變發(fā)動機(jī)運(yùn)行參數(shù)，利用LabView采集發(fā)動機(jī)廢氣排放質(zhì)量流量、有機(jī)朗肯循環(huán)各狀態(tài)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(jī)的轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣流量等參數(shù)，使用多通道采集模塊采集溫度、壓力、流量等參數(shù)，通過變頻器控制工質(zhì)泵轉(zhuǎn)速，通過測功機(jī)獲得發(fā)動機(jī)扭矩等參數(shù)，最終這些參數(shù)都通過CAN總線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，由上位機(jī)進(jìn)行控制[6]。從各個科研院校對柴油機(jī)余熱回收系統(tǒng)的研究中發(fā)現(xiàn)，包含傳感器、執(zhí)行器等硬件在內(nèi)的柴油機(jī)余熱回收控制系統(tǒng)仍處于實驗室研究狀態(tài)，目前仍無法將整套余熱回收控制系統(tǒng)在柴油機(jī)或整車上進(jìn)行工程化應(yīng)用。

本研究通過對一套已有的柴油機(jī)排氣余熱回收系統(tǒng)的控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使控制器、傳感器、執(zhí)行器等硬件進(jìn)一步實用化，使控制策略更優(yōu)化，使控制系統(tǒng)更智能化，從而使其更適合在柴油機(jī)多變的運(yùn)行工況下進(jìn)行柴油機(jī)的排氣余熱回收。

1? 余熱回收系統(tǒng)

圖1為經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的柴油機(jī)排氣余熱能量回收系統(tǒng)。系統(tǒng)由機(jī)械部分和電氣部分組成。

機(jī)械部分主要有變頻工質(zhì)泵、蒸發(fā)器、膨脹機(jī)、冷凝器、儲液箱、柴油機(jī)、冷卻散熱裝置等。儲液箱的工質(zhì)通過工質(zhì)泵的運(yùn)行進(jìn)入蒸發(fā)器中，工質(zhì)通過等壓熱交換后由液態(tài)變?yōu)檫^熱蒸汽，過熱蒸汽可以通過預(yù)熱閥1進(jìn)入膨脹機(jī)，對膨脹機(jī)進(jìn)行預(yù)熱，使之快速進(jìn)入做功準(zhǔn)備狀態(tài)。當(dāng)完成膨脹機(jī)預(yù)熱后，過熱蒸汽可以通過做功閥2進(jìn)入膨脹機(jī)，推動膨脹機(jī)運(yùn)行，從而使余熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。通過電磁離合器的吸合，膨脹機(jī)將帶動柴油機(jī)做功。完成做功后的乏汽進(jìn)入冷凝器進(jìn)行冷卻，乏汽的冷卻溫度可以通過控制冷卻調(diào)節(jié)閥的開度進(jìn)行調(diào)節(jié)，冷卻后的乏汽變?yōu)橐簯B(tài)工質(zhì)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(tǒng)的所有傳感器和執(zhí)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(shù)據(jù)經(jīng)過處理后輸入到控制策略模塊中，用于計算工質(zhì)質(zhì)量流量、系統(tǒng)故障診斷等控制變量，而經(jīng)過控制策略模塊計算和處理的控制變量，則通過驅(qū)動處理模塊控制執(zhí)行器進(jìn)行相應(yīng)的動作。柴油機(jī)ECU通過CAN總線與MotoTron控制器進(jìn)行連接。柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩、噴油量、增壓壓力等參數(shù)通過CAN總線傳輸給MotoTron控制器，用于柴油機(jī)排氣質(zhì)量流量等控制變量的計算。

2? MotoTron快速原型開發(fā)平臺

因為MotoTron快速原型開發(fā)平臺具有圖形化的控制軟件開發(fā)環(huán)境、方便的硬件配置等優(yōu)點，所以該開發(fā)平臺在汽車電控系統(tǒng)開發(fā)領(lǐng)域得到較廣泛的應(yīng)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(fù)雜的控制算法開發(fā)，因此選用了該快速原型硬件作為本柴油機(jī)排氣余熱回收系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。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(fā)平臺已經(jīng)為開發(fā)者提供了產(chǎn)業(yè)化的控制器硬件和可配置的基礎(chǔ)軟件，所以開發(fā)者只需要專注于應(yīng)用層控制策略的開發(fā)[9]。當(dāng)在MATLAB/Simulink環(huán)境下完成控制策略的開發(fā)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(biāo)定軟件MotoTune進(jìn)行刷寫和標(biāo)定工作[10]。

3? 快速原型控制系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 控制系統(tǒng)硬件的優(yōu)化

在進(jìn)行柴油機(jī)排氣余熱回收系統(tǒng)原型開發(fā)時，系統(tǒng)的電氣部分使用了精度較高的傳感器和執(zhí)行器，而且有些電氣零部件僅支持采集數(shù)據(jù)的實時顯示，無法對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理。為了能讓柴油機(jī)排氣余熱回收控制系統(tǒng)實現(xiàn)工程化應(yīng)用，在對控制系統(tǒng)硬件進(jìn)行優(yōu)化選型時，充分選用了企業(yè)用于電控發(fā)動機(jī)生產(chǎn)的批產(chǎn)傳感器。此外，還根據(jù)系統(tǒng)的控制需求選型了預(yù)熱電磁閥、做功電磁閥、電磁離合器、冷卻調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行器。

為了保證所選用的批產(chǎn)傳感器的測量精度滿足系統(tǒng)運(yùn)行的精度要求，將根據(jù)臺架試驗數(shù)據(jù)對關(guān)鍵的傳感器進(jìn)行有針對性的精度補(bǔ)償和在線標(biāo)定優(yōu)化。表2所示為經(jīng)過優(yōu)化選型后的主要傳感器的技術(shù)參數(shù)。

3.2 控制策略的優(yōu)化

對柴油機(jī)排氣余熱回收系統(tǒng)控制策略的開發(fā)和優(yōu)化遵循基于模型設(shè)計的模塊化建模原則。圖2是優(yōu)化后的柴油機(jī)余熱回收系統(tǒng)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(jīng)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(jī)的運(yùn)行參數(shù)如轉(zhuǎn)速、扭矩、噴油量、增壓壓力、增壓溫度等由發(fā)動機(jī)ECU通過CAN總線發(fā)送到MotoTron控制器，并在發(fā)動機(jī)參數(shù)處理模塊中進(jìn)行統(tǒng)一的信號處理?？刂葡到y(tǒng)參數(shù)處理模塊主要用于存儲和處理一些與發(fā)動機(jī)和余熱回收系統(tǒng)相關(guān)的技術(shù)參數(shù)，并提供給控制策略模塊使用。

在忽略柴油機(jī)漏氣損失的情況下，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，柴油機(jī)的進(jìn)氣量與油耗量之和即是排氣質(zhì)量流量[11]。為了實現(xiàn)工程化應(yīng)用，對柴油機(jī)排氣質(zhì)量流量的計算方法進(jìn)行了優(yōu)化，排氣流量計算模塊通過速度密度法計算柴油機(jī)的進(jìn)氣量，然后與柴油機(jī)的噴油量相加獲得柴油機(jī)的排氣質(zhì)量流量。

圖3為工質(zhì)質(zhì)量流量計算模塊控制策略框圖。對工質(zhì)流量計算模塊的優(yōu)化，則是增加了工質(zhì)流量預(yù)測控制和閉環(huán)控制的功能。由于工質(zhì)泵輸送到蒸發(fā)器的工質(zhì)質(zhì)量流量與柴油機(jī)的排氣質(zhì)量流量、排氣溫度等有關(guān)，因此在控制策略優(yōu)化設(shè)計中，增加了柴油機(jī)的排氣質(zhì)量流量作為工質(zhì)質(zhì)量流量預(yù)測控制模塊的輸入變量。蒸汽目標(biāo)溫度和實際的蒸汽出口溫度也作為輸入變量參與到預(yù)測控制和閉環(huán)PI控制的計算中。計算后獲得的工質(zhì)質(zhì)量流量修正值將對工質(zhì)質(zhì)量流量基礎(chǔ)值進(jìn)行實時的補(bǔ)償，從而得到最終的工質(zhì)質(zhì)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(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。在余熱回收系統(tǒng)運(yùn)行過程中，可能會出現(xiàn)傳感器信號超限、執(zhí)行器卡滯、工質(zhì)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(tǒng)運(yùn)行于安全狀態(tài)，或通過故障燈報警處理模塊驅(qū)動相應(yīng)的故障燈，以提醒操作人員及時進(jìn)行故障排查和處理。

4? 臺架試驗驗證

4.1 試驗樣機(jī)及方案

試驗柴油機(jī)使用博世高壓共軌燃油系統(tǒng)和電控系統(tǒng)。該柴油機(jī)的基本技術(shù)參數(shù)見表3。

試驗柴油機(jī)和余熱回收系統(tǒng)根據(jù)圖1所示進(jìn)行機(jī)械和電氣部分的連接。為了確保在試驗的過程中柴油機(jī)和余熱回收系統(tǒng)的運(yùn)行安全，在蒸發(fā)器的廢氣側(cè)安裝了廢氣旁通管道。

因為柴油機(jī)運(yùn)行需要考慮建壓潤滑時間，所以柴油機(jī)在起動后，將會在怠速狀態(tài)下運(yùn)行一段時間。這時膨脹機(jī)的預(yù)熱通道將打開，蒸汽將對膨脹機(jī)的外圍零部件進(jìn)行預(yù)熱。當(dāng)膨脹機(jī)完成預(yù)熱后，將打開膨脹機(jī)做功通道和關(guān)閉預(yù)熱通道。在進(jìn)行臺架試驗過程中，對控制策略的主路徑和優(yōu)化部分都進(jìn)行了詳細(xì)的標(biāo)定工作。

4.2 試驗結(jié)果及分析

通過臺架試驗驗證，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的控制策略的功能滿足既定的功能開發(fā)需求。比如在控制策略中計算的排氣質(zhì)量流量與在臺架采集的排氣質(zhì)量流量數(shù)據(jù)之間的偏差在允許范圍內(nèi)。控制策略對工質(zhì)質(zhì)量流量的計算值更接近實際值，而且能根據(jù)柴油機(jī)的實時運(yùn)行工況控制工質(zhì)泵的運(yùn)轉(zhuǎn)，為蒸發(fā)器提供合適的工質(zhì)質(zhì)量流量。在余熱回收系統(tǒng)運(yùn)行時，當(dāng)出現(xiàn)故障，控制系統(tǒng)能驅(qū)動報警燈點亮，提醒操作人員進(jìn)行故障排查和處理。

5? 結(jié)束語

①對柴油機(jī)排氣余熱回收控制系統(tǒng)進(jìn)行了硬件和控制策略的優(yōu)化研究。該控制系統(tǒng)的傳感器選用了電控發(fā)動機(jī)的批產(chǎn)傳感器。對排氣質(zhì)量流量計算、工質(zhì)質(zhì)量流量計算等控制策略進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。②在一款10升的電控柴油機(jī)上，對優(yōu)化后的排氣余熱回收控制系統(tǒng)進(jìn)行了臺架試驗研究。③臺架試驗結(jié)果表明：經(jīng)優(yōu)化后的控制系統(tǒng)能較好地控制排氣余熱回收系統(tǒng)進(jìn)行余熱回收，并將回收的余能量直接轉(zhuǎn)換為機(jī)械能推動柴油機(jī)做功，取得了一定的節(jié)油效果。此外，經(jīng)過優(yōu)化的控制系統(tǒng)硬件和控制策略能更適應(yīng)將來的工程化應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]張紅光，劉彬，陳研，等.基于單螺桿膨脹機(jī)的發(fā)動機(jī)排氣余熱回收系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)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(jī)排氣余熱有機(jī)朗肯循環(huán)回收系統(tǒng)[J].化工學(xué)報，2015，66（3）：1097-1103.

[4]楊凱.車用發(fā)動機(jī)變工況下有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行特性研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2015.

[5]涂鳴，李剛炎，胡劍.不同工況柴油機(jī)排氣余熱回收系統(tǒng)試驗與仿真[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2014，45（2）：1-5.

[6]楊燦.柴油機(jī)朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)動態(tài)耦合效應(yīng)及能效優(yōu)化策略[D].天津：天津大學(xué)，2016.

[7]曾祥瑞.并聯(lián)混合動力客車整車控制器軟件設(shè)計[D].北京：清華大學(xué)，2012.

[8]吳磊，張振東，羅棕貴，等.基于MotoTron平臺發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)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(fā)動機(jī)控制器開發(fā)[J].上海交通大學(xué)學(xué)報，2014，48（6）：845-849.

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

[11]柴俊霖，田瑞，楊富斌，等.柴油機(jī)排氣余熱有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)工質(zhì)選擇[J].車用發(fā)動機(jī)，2019（3）：58-63，68.