鐘序洪　申立中　劉少華（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）

CNG/柴油雙燃料高壓共軌發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略研究

鐘序洪申立中劉少華
（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）

以一臺(tái)YN38CRD2柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，增加CNG供氣系統(tǒng)裝置，將原機(jī)改裝成為一臺(tái)CNG/柴油雙燃料高壓共軌發(fā)動(dòng)機(jī)。同時(shí)，基于發(fā)動(dòng)機(jī)的不同運(yùn)行工況，將工作模式劃分為停止模式、起動(dòng)-怠速模式、常規(guī)模式、過(guò)渡模式和轉(zhuǎn)速限制模式，確定各模式間相互轉(zhuǎn)換條件，并由此設(shè)計(jì)工況判斷策略和各工況下的控制策略。試驗(yàn)結(jié)果表明，雙燃料模式下的動(dòng)力性接近原機(jī)，低轉(zhuǎn)速時(shí)最大扭矩略高于原機(jī)10N·m，高轉(zhuǎn)速時(shí)最大扭矩略低于原機(jī)；隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增加，轉(zhuǎn)速波動(dòng)能夠穩(wěn)定在20r/min以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。

CNG雙燃料運(yùn)行工況控制策略

引言

壓縮天然氣(CNG)被視為現(xiàn)如今內(nèi)燃機(jī)廣泛使用的替代燃料，其資源豐富，開發(fā)成本低，CO2的比排放濃度低于柴油機(jī)和汽油機(jī)，并且不產(chǎn)生顆粒物和SOx，具有便于貯存和運(yùn)輸、低排放和能量密度高等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有發(fā)展前途的發(fā)動(dòng)機(jī)清潔燃料[1-3]。相對(duì)于柴油機(jī)或汽油機(jī)，單獨(dú)使用天然氣作為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)其動(dòng)力性能最大功率下降較大。在排放方面，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)具有明顯的優(yōu)越性，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物排放幾乎為零，NOx、CO和HC排放也顯著降低，在改善環(huán)境方面起著重要的作用[4]。CNG/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)能更好解決發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性下降的問(wèn)題，并且實(shí)現(xiàn)了減少污染和保護(hù)環(huán)境的目的[5]。

近年來(lái)，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的電控技術(shù)在一些先進(jìn)工業(yè)國(guó)家（如德國(guó)、美國(guó)和法國(guó)）已經(jīng)得到了較充分的發(fā)展，國(guó)內(nèi)自主發(fā)展起來(lái)的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的電控技術(shù)也有了很大的進(jìn)步。全國(guó)各大高校對(duì)天然氣/油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)研究主要是在雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)改裝上，天然氣進(jìn)氣方式經(jīng)歷了采用進(jìn)氣總管在混合器里面形成混合氣，再進(jìn)入氣缸引燃的方式，到采用進(jìn)氣歧管多點(diǎn)順序噴射（這是目前研究較多的進(jìn)氣方式），再到采用高壓缸內(nèi)直噴（HPDI）（這是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)）[6]。國(guó)內(nèi)的企業(yè)（比如玉柴動(dòng)力、云內(nèi)動(dòng)力等）也研制了雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品并且應(yīng)用到市場(chǎng)，對(duì)雙燃料電控技術(shù)方面的研究也日漸成熟[7]。

以一臺(tái)四缸增壓中冷高壓共軌柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，保留原機(jī)結(jié)構(gòu)基本不變，增加一套CNG供氣系統(tǒng)，CNG采用進(jìn)氣歧管多點(diǎn)順序噴射。基于CNG燃料的理化性質(zhì)，結(jié)合其在高壓共軌柴油機(jī)上的摻燒方式，以發(fā)動(dòng)機(jī)的不同運(yùn)行工況為線索，設(shè)計(jì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在停機(jī)、怠速、過(guò)渡、常規(guī)和限速工況下的控制策略，以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

1　 YN38柴油機(jī)的改裝

1.1發(fā)動(dòng)機(jī)選取及主要技術(shù)參數(shù)

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)絕大部分采用柴油機(jī)為基礎(chǔ)進(jìn)行開發(fā)，主要是利用柴油機(jī)成熟的增壓中冷技術(shù)。基于YN38CRD2電控高壓共軌柴油機(jī)，保留原機(jī)的燃油供給系統(tǒng)和ECU電控系統(tǒng)，增加天然氣供給系統(tǒng)，利用NI軟硬件平臺(tái)自主開發(fā)設(shè)計(jì)天然氣Lab-ECU電控系統(tǒng)。改裝后的發(fā)動(dòng)機(jī)由柴油和CNG共同工作，既可以采用純柴油模式，也可以采用CNG/柴油雙燃料模式。試驗(yàn)使用YN38CRD2柴油機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

表1　 YN38CRD2柴油機(jī)主要參數(shù)

1.2 CNG/柴油雙燃料共軌發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

基于改動(dòng)較小、成本較低、控制難度容易等原則，CNG/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)供氣系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1　 CNG/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)供氣系統(tǒng)方案

改裝機(jī)型為四缸增壓中冷高壓共軌柴油機(jī)，因此選用CNG進(jìn)氣歧管多點(diǎn)順序噴射方式，如果采用缸內(nèi)高壓直噴方式，對(duì)原機(jī)改動(dòng)較大、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜、控制難度較大、不利于前期開發(fā)[8]。采用缸外進(jìn)氣歧管多點(diǎn)順序噴射供氣方式，噴氣量由Lab-ECU電控系統(tǒng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況來(lái)控制。

1.3 CNG/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理

試驗(yàn)用的天然氣被壓縮至20MPa左右，儲(chǔ)存于CNG高壓氣瓶中，經(jīng)高壓截止閥、高壓電磁閥、減壓器將天然氣的壓力降低到0.2MPa左右略高于常壓的壓力范圍。同時(shí)，為了防止減壓器因減壓過(guò)程氣體膨脹吸熱而引起堵塞，安裝了一個(gè)加熱裝置，經(jīng)過(guò)減壓后的天然氣經(jīng)過(guò)濾器、調(diào)壓器、氣體流量計(jì)、回火阻止器等，最后進(jìn)入CNG噴嘴總成，由天然氣Lab-ECU控制天然氣噴氣閥順序噴射天然氣，進(jìn)入進(jìn)氣歧管后與增壓中冷后的空氣均勻混合后進(jìn)入燃燒室而被柴油引燃。進(jìn)氣歧管多點(diǎn)順序噴射天然氣供給系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

圖2　進(jìn)氣歧管多點(diǎn)順序噴射CNG工作原理

2　 CNG/柴油雙燃料高壓共軌發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略

柴油機(jī)在起動(dòng)、加速和常規(guī)運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，涉及的各種工作狀態(tài)時(shí)刻都可能存在變化。這種變化可能是由于外界條件的改變，例如載荷、路況造成的負(fù)荷變化，氣候條件變化造成的進(jìn)氣量改變等；也可能是人為的改變，例如更多地踩下了加速踏板。這時(shí)候必須頻繁地檢查發(fā)動(dòng)機(jī)的工況狀態(tài)，并按照設(shè)定的邏輯做出相應(yīng)的改變[9]。

控制策略指的是雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的目標(biāo)運(yùn)行的一套控制方案，它以程序的形式存儲(chǔ)于只讀存儲(chǔ)器(EEPROM)中，工作時(shí)依據(jù)傳感器信號(hào)并結(jié)合相應(yīng)的脈譜信息，獲取目標(biāo)控制結(jié)果后控制執(zhí)行器動(dòng)作?；诠r劃分的控制策略具有程序設(shè)計(jì)制作簡(jiǎn)單和可實(shí)現(xiàn)工況處理函數(shù)的“并行化”以及可靈活設(shè)置特殊工況等優(yōu)點(diǎn)，工況劃分越細(xì)致，控制策略就越有針對(duì)性、控制方案越完備[10]。

2.1雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)工況劃分及其轉(zhuǎn)換

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各工況的設(shè)置和劃分的目的是為了針對(duì)不同工況分別制定對(duì)應(yīng)的控制策略并在控制軟件上加以實(shí)現(xiàn)，雙燃料高壓共軌發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況劃分為停機(jī)、起動(dòng)-怠速工況、常規(guī)工況、過(guò)渡工況和限速工況，各工況下的工作模式可以相互轉(zhuǎn)化。通過(guò)分析各工作模式之間相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系，依據(jù)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、油門踏板開度、水溫等參數(shù)來(lái)判斷雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的當(dāng)前工作模式，工作模式判斷流程如圖3所示。

圖3　雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)工作模式判斷

2.2雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)各工況下的控制策略

CNG/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)工況下的控制策略，其控制對(duì)象主要都是供油量、供氣量、供油時(shí)機(jī)、供氣時(shí)機(jī)、噴油規(guī)律和噴氣規(guī)律[11-12]。針對(duì)CNG/柴油雙燃料高壓共軌發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特性，根據(jù)不同的運(yùn)行工況對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的雙燃料噴射系統(tǒng)實(shí)行不同的控制策略，在滿足其動(dòng)力性的同時(shí)，以獲得較好的燃油經(jīng)濟(jì)性能和較好的排放性能。

考慮到天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在中低負(fù)荷下的燃燒排放性能以及動(dòng)力性[13-15]，中低負(fù)荷時(shí)采用純柴油工作，噴油量由原機(jī)ECU控制。發(fā)動(dòng)機(jī)在中高負(fù)荷時(shí)，采用少量柴油引燃，CNG作為主要燃料的方式，引燃柴油噴射量靠原機(jī)ECU控制，噴氣量由天然氣Lab-ECU控制。

工作模式由柴油向雙燃料轉(zhuǎn)換。發(fā)動(dòng)機(jī)在中高負(fù)荷時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作模式由柴油向雙燃料轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換時(shí)，人工打開CNG的氣瓶開關(guān)，通過(guò)CNG調(diào)壓器把進(jìn)氣壓力P調(diào)整在0.5MPa左右的安全范圍，Lab-ECU給天然氣噴嘴發(fā)送PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，天然氣噴嘴開始噴氣，CNG進(jìn)入氣缸被柴油引燃。Lab-ECU根據(jù)所需要的目標(biāo)替代率，逐漸增加噴射脈寬，CNG進(jìn)氣量增加，同時(shí)油門開度逐漸減小，柴油的噴射量逐漸減少，直至達(dá)到設(shè)定值時(shí)，噴射脈寬不再繼續(xù)增加。此時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)傳感器采集到的各缸排氣溫度的情況，對(duì)CNG噴射控制參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奈⒄{(diào)，保證發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定。

雙燃料向純柴油模式轉(zhuǎn)換時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)工作模式的平穩(wěn)過(guò)渡，采用的控制策略和純柴油轉(zhuǎn)換為雙燃料時(shí)候的相反：Lab-ECU控制系統(tǒng)逐漸減小CNG噴射脈寬，CNG進(jìn)氣量逐漸減少，ECU控制油門開度逐漸加大，循環(huán)噴油量逐漸增加，直至噴氣脈寬為零。此時(shí)控制系統(tǒng)關(guān)閉各缸的CNG噴射閥，人工關(guān)閉CNG氣瓶開關(guān)，切斷各缸天然氣供給。過(guò)渡工況下的控制流程如圖4所示。

圖4　過(guò)渡工況下的控制流程

常規(guī)工況是發(fā)動(dòng)機(jī)使用最多的運(yùn)行工況，也是發(fā)動(dòng)機(jī)的主要工作狀態(tài)。常規(guī)工況下運(yùn)行時(shí)的控制策略如圖5所示。Lab-ECU通過(guò)對(duì)各缸排溫、油門開度位置兩個(gè)控制目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，調(diào)整CNG進(jìn)氣量，以各缸排氣溫度均勻性作為判斷依據(jù)，對(duì)各缸天然氣噴嘴的噴射脈寬進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，使各缸排溫的均勻性在控制目標(biāo)范圍內(nèi)。同時(shí)，當(dāng)天然氣供氣管道壓力變化引起天然氣循環(huán)供氣量和柴油噴油量出現(xiàn)相應(yīng)的變動(dòng)，此時(shí)油門執(zhí)行位置將出現(xiàn)變動(dòng)，控制系統(tǒng)根據(jù)其位置的變化與設(shè)定值對(duì)比得出調(diào)控策略，適當(dāng)調(diào)整噴氣脈寬，改變CNG進(jìn)氣量，使油門執(zhí)行位置保持在設(shè)定值附近。

圖5　常規(guī)工況下的控制流程

限速工況屬于非正常工況，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速超過(guò)額定轉(zhuǎn)速時(shí)，控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)曲軸的轉(zhuǎn)速、凸輪正時(shí)、油門位置、液壓壓力等信號(hào)進(jìn)行分析，判斷發(fā)動(dòng)機(jī)工作是否出現(xiàn)異常狀況，主要包括信號(hào)采集故障和曲軸轉(zhuǎn)速異常波動(dòng)，負(fù)荷變化導(dǎo)致的曲軸轉(zhuǎn)速變化，極端情況為負(fù)荷的突增或者突減，還包括發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)和異響等等。這時(shí)候必須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行停止噴氣和斷油處理，使得發(fā)動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力急速下降，在完成斷油和停止供氣以后，如果發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速恢復(fù)到正常的速度區(qū)域，則恢復(fù)供油和噴氣，使發(fā)動(dòng)機(jī)恢復(fù)到正常工作。發(fā)動(dòng)機(jī)異常工況下的控制策略如圖6所示。

3　試驗(yàn)結(jié)果與分析

進(jìn)行了外特性的試驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性扭矩接近原機(jī)，轉(zhuǎn)速小于1600r/min時(shí)，雙燃料模式的最大扭矩高于原機(jī)10Nom左右，而轉(zhuǎn)速大于1800r/min時(shí)則略低于原機(jī)。整體來(lái)講，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性基本能夠達(dá)到原機(jī)的水平。

圖6　限速工況下的控制流程

圖7　雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)外特性與原機(jī)對(duì)比

試驗(yàn)過(guò)程中采集發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩等數(shù)據(jù)分析發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)，進(jìn)而判斷雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。圖8、圖9和圖10分別為1 200r/min、1 800r/min和2 400r/min試驗(yàn)結(jié)果，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在加氣過(guò)程中隨著負(fù)荷增大，轉(zhuǎn)速均穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速波動(dòng)在20r/min以內(nèi)，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定。

圖8　 1 200r/min轉(zhuǎn)速波動(dòng)對(duì)比

圖9　 1 800r/min轉(zhuǎn)速波動(dòng)對(duì)比

圖10　 2 400r/m in轉(zhuǎn)速波動(dòng)對(duì)比

4　結(jié)論

將YN38CRD2柴油機(jī)改裝成雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，CNG噴氣量由Lab-ECU電控系統(tǒng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況來(lái)改變脈寬PWM控制，引燃油量由原機(jī)的ECU控制。對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況實(shí)行不同的控制，結(jié)果表明其動(dòng)力性接近于原機(jī)水平，轉(zhuǎn)速波動(dòng)能夠穩(wěn)定在一定范圍以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。

1中商情報(bào)網(wǎng).《2012年國(guó)內(nèi)外油氣行業(yè)發(fā)展報(bào)告》發(fā)布[EB/ OL].http://www.askci.com/news/201301/31/319254258694. shtml，2013-1-31

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CNG/DieselDual FuelHigh-Pressure Common-Rail Engine Control Strategy

Zhong Xuhong,Shen Lizhong,Liu Shaohua
Yunnan ProvincialKey Laboratory of InternalCombustion Engine，Kunming University ofScienceand Technology(Kunming,Yunnan,650500,China）

Taking a YN38CRD2 diesel engine as the research object,fitted with a CNG gas supplying system,the original engine was converted into a CNG/diesel dual fuel high-pressure common-rail engine. At the same time,based on differentworking conditionsof the engine,the operationmode was divided into stop mode,start-idlemode,normalmode,transition mode and speed-limitmode,each of the modes was determined under conversional conditions,and thus judgement strategies and control strategies of each conditions are designed.Preliminary test results show that the power of the dual-fuelmode is close to the original engine,themaximum torque at low speed is slightly higher than the originalmachine by 10N·m, slightly lower athigh speed;As the engine load increases,the speed fluctuation can be stabilized within the range of20r/min,toachieve the smooth operation ofdual-fuelengine.

CNG,Dual fuel,Working conditions,Controlstrategies

TK442

A

2095-8234（2016）02-0077-05

2016-01-05）

鐘序洪（1988-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)。