范永臻，白海，吉善松

（1.西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院，云南 昆明 650224；2.廣西師范大學(xué)職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院，廣西桂林 541004）

CNG/柴油發(fā)動(dòng)機(jī)油氣切換系統(tǒng)的優(yōu)化控制

范永臻1，白海2，吉善松1

（1.西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院，云南 昆明 650224；2.廣西師范大學(xué)職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院，廣西桂林 541004）

CNG/柴油雙燃料的出現(xiàn)解決了由于經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展帶來(lái)的汽車(chē)保有量迅速增加對(duì)燃料的需求，以及所造成的環(huán)境問(wèn)題，它是石油的理想替代品。文章首先研究了CNG/柴油雙燃料汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)供給系統(tǒng)的組成和控制原理，并對(duì)目前所使用的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的油氣切換系統(tǒng)進(jìn)行了可行的優(yōu)化控制。

天然氣；柴油；雙燃料汽車(chē)；優(yōu)化控制

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.09.004

CLC NO.: U464.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)09-09-03

引言

柴油由于其良好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性在汽車(chē)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但是，由于其尾氣中含有NOx（氮氧化物）、CO（一氧化碳）、HC（碳?xì)浠衔铮Ox（硫化物）以及 PM（顆粒物）等有害成分，目前對(duì)汽車(chē)尾氣進(jìn)行優(yōu)化和后處理的技術(shù)，還沒(méi)有達(dá)到成熟的地步，同時(shí)國(guó)家對(duì)柴油汽車(chē)尾氣PM排放仍然沒(méi)有可觀的機(jī)外凈化與后處理[1-2]。CNG（壓縮天然氣）的主要成分是甲烷（CH4），由于甲烷是五原子非極性分子，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有易燃、無(wú)色無(wú)味、污染小、抗爆性能好、熱值高等優(yōu)點(diǎn)，允許發(fā)動(dòng)機(jī)可使相對(duì)高的壓縮比，以及良好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。經(jīng)過(guò)處理的天然氣對(duì)不含有鉛、芳香烴化合物、硫化合物等有害物質(zhì)，所以天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的一氧化碳、碳?xì)浠衔?、鉛化合物、氮氧化物、小顆粒物等的排放低[3]。因此，CNG/柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的對(duì)汽車(chē)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性較好。

目前，部分CNG/柴油雙燃料汽車(chē)已經(jīng)日趨成熟、穩(wěn)定、安全，但是，在某些方面仍需一些提升。由于雙燃料汽車(chē)在較低負(fù)荷的工況下，雙燃料汽車(chē)采用純柴油模式，這就存在一個(gè)從純柴油較低負(fù)荷工況向雙燃料中高負(fù)荷工況的切換過(guò)程。因此，在從低負(fù)荷向中高負(fù)荷轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)不可避免地產(chǎn)生轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大，排放惡化。

1、雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃料供給系統(tǒng)的組成及控制原理

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的核心是燃料供給系統(tǒng)，它對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)都有影響，是雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)最為關(guān)鍵的部分。目前，針對(duì)我國(guó)柴油機(jī)的狀況，燃油與燃?xì)獾墓┙o量由附加電控單元根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況來(lái)控制燃料供給比，就能較好實(shí)現(xiàn)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)所具有的較低排放率水平和較高動(dòng)力性的目的。燃料供給系統(tǒng)通過(guò)電控單元（ECU）進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和邏輯判斷，由執(zhí)行器控制天然氣閥的開(kāi)度和噴油泵齒條位置，得到不同發(fā)動(dòng)機(jī)工況下對(duì)應(yīng)所需的天然氣量和柴油量。在此系統(tǒng)中，在雙燃料工況下，固定噴油泵齒條的位置，使柴油的供給量為引燃油量，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元（ECU）控制天然氣量實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工況的控制。電控雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)布置如圖1所示。雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在純柴油工況的模式下，停止供給天然氣，通過(guò)調(diào)速器控制柴油供給量的大小，滿(mǎn)足了發(fā)動(dòng)機(jī)工況的需求。

在電控雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中，雙燃料模式只在中、高負(fù)荷下才運(yùn)行，同時(shí)有效控制了中、高負(fù)荷工況下的引燃油量，從而有效的降低了NOx的排放；在輕載或較低負(fù)荷工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)燃料仍使用純柴油。這樣兼顧了柴油、天然氣燃料的排放優(yōu)勢(shì)，克服了重載工況發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放較高，以及輕載工況雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)HC排放較高的缺點(diǎn)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃料轉(zhuǎn)換過(guò)程的控制也是其重要的優(yōu)點(diǎn)。由于天然氣和柴油在燃燒特性上存在較大差異，為了簡(jiǎn)化燃?xì)夤┙o系統(tǒng)，常常采用的正壓進(jìn)氣特征，這樣在切換過(guò)程中容易出現(xiàn)轉(zhuǎn)速幅度的較大波動(dòng)。雙電控雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，尤其是在消除油氣切換過(guò)程中容易出現(xiàn)的轉(zhuǎn)速幅度較大的波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)切換過(guò)程的平穩(wěn)過(guò)渡，優(yōu)化雙燃料汽車(chē)的駕駛性等方面?？梢栽趯?duì)硬件機(jī)構(gòu)不作大改動(dòng)的情況下，依靠軟件算法，實(shí)現(xiàn)電控天然氣/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的柴油量和天然氣量的協(xié)調(diào)控制，并通過(guò)優(yōu)化控制來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)整燃?xì)庀到y(tǒng)參數(shù)，從而消除了油氣切換過(guò)程中出現(xiàn)轉(zhuǎn)速幅度較大的波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)油氣切換中轉(zhuǎn)速基本無(wú)波動(dòng)的目的。

2、雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)油氣切換系統(tǒng)的控制原理

根據(jù)上述的發(fā)動(dòng)機(jī)燃料供給系統(tǒng)的特點(diǎn)，在雙電控雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)中，油氣切換控制系統(tǒng)如圖2所示。

因?yàn)殡p燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上改裝和實(shí)驗(yàn)優(yōu)化控制而來(lái)，因此發(fā)動(dòng)機(jī)在滿(mǎn)足一定的工作條件下，才可以轉(zhuǎn)換為具有良好效果的雙燃料狀態(tài)。通常而言，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫達(dá)到50℃以上時(shí)，是雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)適宜工作的溫度范圍。為了能較好地保護(hù)和使用發(fā)動(dòng)機(jī)，燃料轉(zhuǎn)換系統(tǒng)要滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷和水溫一定的條件時(shí)，才能切換到雙燃料的工作狀態(tài)。對(duì)于油氣切換系統(tǒng)的主要電控單元是用來(lái)接收司機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷信號(hào)、氧傳感器信號(hào)、轉(zhuǎn)換信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)的水溫信號(hào)、柴油噴射信號(hào)、高壓天然氣的壓力信號(hào)、燃料轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)的反饋信號(hào)等，接收信號(hào)進(jìn)行一定的邏輯推理判斷與計(jì)算，給執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出適當(dāng)?shù)闹噶?，完成相?yīng)的任務(wù)。在司機(jī)給出的切換信號(hào)和其它狀態(tài)信號(hào)滿(mǎn)足切換要求的情況下，由電控單元（ECU）發(fā)出指令，進(jìn)而對(duì)油氣工作狀態(tài)進(jìn)行切換，最終達(dá)到油氣切換的目的。

在雙燃料工作狀態(tài)下，電控單元（ECU）發(fā)出信號(hào)指令，使調(diào)速器控制桿固定在引燃油量的位置，此時(shí)柴油的噴油量即為引燃油量[4]。同時(shí)，電控單元發(fā)出指令開(kāi)啟天然氣高壓閥和調(diào)節(jié)碟閥，供給天然氣，根據(jù)采集到的外界信號(hào)和相應(yīng)的控制策略，調(diào)節(jié)天然氣的供給量。于是司機(jī)只需要扳動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，發(fā)出命令，電控單元（ECU）根據(jù)接收的相應(yīng)信號(hào)作出判斷，并發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)指令驅(qū)動(dòng)外沿器件，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)雙燃料與純柴油之間的燃料調(diào)節(jié)，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)兩種工作狀態(tài)的切換。

3、雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)油氣切換系統(tǒng)的優(yōu)化控制

采用單點(diǎn)噴射方式的多缸發(fā)動(dòng)機(jī)在供給天然氣時(shí)，單點(diǎn)噴射點(diǎn)是位于進(jìn)氣道中的，由單點(diǎn)噴射點(diǎn)將天然氣噴入進(jìn)氣道，經(jīng)過(guò)進(jìn)氣道進(jìn)入進(jìn)氣歧管，然后到達(dá)氣缸中，而柴油采取的噴射方式是缸內(nèi)直噴，因此，天然氣供給的響應(yīng)速度相對(duì)于柴油供給的響應(yīng)速度要緩慢一些。在切換過(guò)程中，若不對(duì)燃料供給進(jìn)行有效的控制，則在開(kāi)始大幅度減少柴油供給量的同時(shí)加入天然氣，由于存在天然氣供給的速度滯后、火焰?zhèn)鞑ニ俣染徛痊F(xiàn)象，致使純柴油向雙燃料切換開(kāi)始期間，由于天然氣量相對(duì)較少和不能達(dá)到著火極限值而未能燃燒，從而導(dǎo)致瞬時(shí)轉(zhuǎn)速相對(duì)下降；當(dāng)噴射較多的天然氣通過(guò)進(jìn)氣歧管進(jìn)入氣缸燃燒時(shí)，從而致使氣缸內(nèi)的壓力立刻上升，使發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也相應(yīng)地迅速上升。所以，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)經(jīng)歷相對(duì)瞬時(shí)較大幅度地下降，接著較大幅度地超調(diào)，經(jīng)過(guò)多次相對(duì)震蕩以后，才逐漸趨于平穩(wěn)，這就是 CNG/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的油氣切換過(guò)程。如果轉(zhuǎn)速幅度波動(dòng)較大，時(shí)間較長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致駕駛員對(duì)車(chē)輛控制困難，容易造成危險(xiǎn)事故。另外在油氣切換過(guò)程中，還會(huì)致使排放污染量上升。圖 3（未優(yōu)化的切換過(guò)程曲線)是發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料供給和速度曲線在油氣切換過(guò)程中的變化。從圖中可以看出速度最大的波動(dòng)值Δn =135( r/min)，調(diào)節(jié)時(shí)間Δt = 0.5s。

在油氣切換過(guò)程中，多噴入柴油減少天然氣比減少?lài)娙氩裼投嗉犹烊粴獾倪^(guò)程要相對(duì)簡(jiǎn)單。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)得知，由于柴油供給的響應(yīng)速度快于天然氣的供給的響應(yīng)速度，在減少天然氣的同時(shí)多加入柴油的噴射量，相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速基本不出現(xiàn)大范圍波動(dòng)，從而可以實(shí)現(xiàn)比較平緩的過(guò)渡。為消除油氣切換過(guò)程中的轉(zhuǎn)速波動(dòng)現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)從單一燃料向雙燃料切換的平穩(wěn)過(guò)渡，常采用降低減壓閥的出口壓力，并在減壓閥出口和天然氣閥門(mén)之間加裝穩(wěn)壓罐，從而可以避免減壓閥出口端對(duì)氣閥后的低壓天然氣造成沖擊過(guò)大，此控制策略可以適當(dāng)減少速度波動(dòng)，對(duì)動(dòng)力性有所提高[5]。圖4為經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的切換過(guò)程曲線，可以從圖中看出在減少柴油噴射量，增加天然氣的切換過(guò)程中，在氣缸內(nèi)采用了先經(jīng)過(guò)幾個(gè)循環(huán)加入天然氣，再開(kāi)始減少柴油噴射量的優(yōu)化控制方式，來(lái)消除天然氣供給系統(tǒng)供氣滯后的影響；同時(shí)，為了增快天然氣加氣的速度，也適當(dāng)調(diào)整了燃?xì)饪刂品绞?，即采用先階躍一小段時(shí)間，接著再分段線性增長(zhǎng)的控制措施。由圖可知速度最大的波動(dòng)值 Δn =35( r/min)，調(diào)節(jié)時(shí)間Δt = 0.13s。

4、結(jié)論

從新能源的角度來(lái)看，由于CNG存在資源豐富，污染小，辛烷值高，技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)廣泛應(yīng)用。針對(duì)當(dāng)前雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料供給和進(jìn)氣系統(tǒng)，找出了引起切換過(guò)程速度幅度波動(dòng)較大的原因，并對(duì)油氣切換過(guò)程進(jìn)行了分析，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)油氣切換過(guò)程的優(yōu)化控制。通過(guò)降低減壓閥的出口壓力，并在減壓閥出口和天然氣閥門(mén)之間加裝穩(wěn)壓罐，避免減壓閥出口端對(duì)氣閥后的低壓天然氣造成沖擊過(guò)大，經(jīng)比較可知，此控制策略可以適當(dāng)減少速度波動(dòng)，對(duì)CNG/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性有一定的提高。

[1] 賀泓,翁端,資新運(yùn)等.柴油車(chē)尾氣排放污染控制技術(shù)綜述[J].環(huán)境科學(xué),2007，28（6）:1170-1176.

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Optimal control of oil and gas switching system for CNG/diesel engine

Fan Yongzhen1, Bai Hai2, Ji Shansong1
( 1. School of Mechanical and Transportation, Southwest Forestry University, Yunnan Kunming 650224;
2. School of Technology and Education, Guangxi Normal University, Guangxi Guilin 541004 )

The emergence of CNG/diesel dual fuel has been solved problems, that rapid increase in car ownership as well as the environmental pollution,because of the rapid development of the economy.So CNG/diesel dual fuel is an ideal substitute for petroleum.In this paper, composition and control principle of engine fuel supply system for CNG/diesel dual fuel automobile has been studied firstly.Then a feasible optimal control has been carried on for oil and gas switching system for dual fuel engine used currently.

natural gas; diesel; dual-fuel vehicle; optimal control

U464.1

A

1671-7988（2015）09-09-03

范永臻，就讀于西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院，主要從事新能源汽車(chē)的研究。