(武漢船舶職業(yè)技術學院，湖北武漢 430050)

雙燃料車用發(fā)動機電控標定技術的研究

呂青

(武漢船舶職業(yè)技術學院，湖北武漢 430050)

本文通過雙燃料發(fā)動機電控標定試驗臺架的一系列發(fā)動機運行試驗，對電控標定方法進行了系統(tǒng)的研究，確定了優(yōu)化的電控系統(tǒng)的標定技術方案。

標定技術；電控系統(tǒng)；雙燃料發(fā)動機；試驗臺架

發(fā)動機摻燒LPG(液化石油氣)等清潔燃料，被稱為柴油/LPG雙燃料發(fā)動機，一方面能緩解日益嚴重的能源危機，減少對燃油的依賴；另一方面又是減少城市汽車有害氣體排放，改善城市大氣環(huán)境的一項有效措施。但在雙燃料發(fā)動機中，只有燃油和LPG合適的摻燒比，LPG才能充分發(fā)揮自身的低排放、低污染特性。此外還要考慮摻燒LPG時發(fā)動機燃油經(jīng)濟性、動力性和可靠性。

雙燃料發(fā)動機，是需要混合摻燒柴油與LPG，原發(fā)動機已有柴油噴射系統(tǒng)和控制技術，因此，LPG噴射同樣需要有一套專業(yè)的控制裝置，這對雙燃料發(fā)動機至關重要。

能源危機和環(huán)境污染的進一步惡化，使得人們對汽車燃油經(jīng)濟性、動力性、排放性能的要求日益嚴格，對車輛的平穩(wěn)性、舒適性和安全性的要求不斷增加。發(fā)動機電控標定的內(nèi)容越來越多，電控標定技術已經(jīng)成為發(fā)動機研究領域的重點與難點。

傳統(tǒng)的電控標定技術是得到全部試驗方案下發(fā)動機的性能參數(shù)，隨后根據(jù)試驗結(jié)果計算出對應的控制參數(shù)數(shù)據(jù)并生成數(shù)據(jù)MAP圖，發(fā)動機在不同工況下實現(xiàn)最佳控制。由于柴油機上應用了大量的新技術，如VVP、EGR等，使得需要控制和標定的參數(shù)也越來越多，標定費用、實驗工作量和標定周期也成倍增長。傳統(tǒng)意義上的電控標定方法效率低下，精度差，不具有嚴謹?shù)目茖W性?；谀Ｐ偷淖詣觾?yōu)化標定技術提高了標定實驗效率。

自動化標定系統(tǒng)是實現(xiàn)發(fā)動機自動標定的基礎，它利用計算機本身自動控制功能，實現(xiàn)各種控制參數(shù)、運行參數(shù)的采集與在線修改，并結(jié)合優(yōu)化計算和實驗過程，通過優(yōu)化算法設計實驗過程，然后完成實驗。自動化標定系統(tǒng)具有降低標定費用、縮短標定周期等諸多優(yōu)點。

1 電控標定實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 發(fā)動機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本試驗系統(tǒng)采用的是一汽錫柴4DW91-BF210型號柴油機改造來的，其主要運行參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 4DW91-63-BF210柴油機參數(shù)表

1.2 雙燃料發(fā)動機實驗臺架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

(1)LPG電控供給系統(tǒng)：LPG儲氣設備、供氣設備及控制系統(tǒng)。LPG電控供給系統(tǒng)的儲氣設備主要包括LPG儲氣瓶和鋼瓶組合閥，LPG儲氣設備的主要作用是用來存儲液態(tài)LPG燃料；而LPG電控系統(tǒng)和供氣設備主要包括LPG控制電磁閥、壓力顯示表、LPG蒸發(fā)調(diào)壓閥、噴射閥和LPG流通管路，其是用來將LPG從液態(tài)變成氣態(tài)后，由LPG噴射閥噴入氣缸進氣管。

(2)柴油供給系統(tǒng)：柴油供給系統(tǒng)是原發(fā)動機配置的柴油供給系統(tǒng)，主要由柴油箱、過濾器、噴油泵和噴油器組成，改裝后的雙燃料供給系統(tǒng)的新增機構(gòu)是步進電機，它的主要作用是限制最大循環(huán)供油量。

(3)電子控制單元：電子控制系統(tǒng)作為整個控制系統(tǒng)樞紐，它包括電源、各種傳感器(冷卻水溫度、滑油溫度等)、執(zhí)行機構(gòu)、控制器及控制面板。節(jié)氣門開度傳感器、水溫信號傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、零位傳感器和凸輪軸位置傳感器等共同組成了電控單位的傳感器模塊，電控單元的傳感器模塊主要用來采集油門位置、水溫、氣缸上止點及轉(zhuǎn)速等信號，并將信號傳送到ECU。執(zhí)行機構(gòu)是由LPG噴射電磁閥和步進電機構(gòu)成，其作用是控制LPG/柴油的噴射。

(4)控制面板：控制面板的主要作用是各種開關操作和發(fā)動機狀態(tài)顯示?？刂泼姘迳现饕邪l(fā)動機工作狀態(tài)指示燈、模式切換開關及LPG液位指示燈等模塊。

雙燃料發(fā)動機的電控系統(tǒng)應具備的功能如下：

(1)精準控制LPG/柴油雙燃料發(fā)動機的運行模式；

(2)柴油量或LPG噴射的精確控制；

(3)根據(jù)不同運行工況，控制燃料比例噴射；

(4)根據(jù)發(fā)動機運行狀態(tài)，控制純柴油模式和雙燃料模式的切換。

1.3 發(fā)動機電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)主要包含轉(zhuǎn)速信號、油門信號、水溫信號等模擬量采集模塊。ECU是整個電控系統(tǒng)的核心部分，是雙燃料發(fā)動機電控系統(tǒng)信息處理和控制的總樞鈕。ECU的硬件部分包括對發(fā)動機運動狀態(tài)信號的整形、放大、A/D轉(zhuǎn)換等模塊，硬件部分主要是處理傳感器的模擬量信號和數(shù)字量信號；ECU軟件通過內(nèi)部已經(jīng)編輯好的數(shù)學算法和邏輯程序，根據(jù)硬件處理后的信號來輸出控制信號，執(zhí)行機構(gòu)收到控制信號，實現(xiàn)對發(fā)動機的控制。

2 發(fā)動機電控標定技術

2.1 標定系統(tǒng)的功能

在系統(tǒng)的控制策略、發(fā)動機、外部器件等確定之后，為了滿足發(fā)動機的性能指標要求，調(diào)整、優(yōu)化內(nèi)部軟件數(shù)據(jù)參數(shù)的過程，這就是標定。典型標定系統(tǒng)主要模塊有標定軟件、接口硬件和測量模塊等，實現(xiàn)與ECU之間的通信和數(shù)據(jù)傳輸；能夠通過軟件自身提供的操作界面，實現(xiàn)對ECU中選定數(shù)據(jù)的監(jiān)測、修改，必要時能夠?qū)⑿薷牡慕Y(jié)果隨時輸入ECU，對電控柴油機部分性能參數(shù)實時控制，能夠?qū)⒆罱K希望確認并固定下來的數(shù)據(jù)通過上位機的操作永久寫入ECU閃存中。電控標定的主要任務是在實驗臺架獲得最好電控標定參數(shù)，使發(fā)動機綜合性能最優(yōu)。

雙燃料發(fā)動機電控標定系統(tǒng)的主要功能有實時數(shù)據(jù)采集、實時數(shù)據(jù)存儲、調(diào)整控制參數(shù)、實驗數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)MAP生成。

2.2 電控標定技術研究

電控系統(tǒng)要滿足各種工況的變化，如起動、怠速、加減速等工況，電控系統(tǒng)應該能夠?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)控制，保證發(fā)動機的工作良好，再有，發(fā)動機的控制是多參數(shù)控制，電控系統(tǒng)要能協(xié)調(diào)各參數(shù)之間的關系。這就對標定技術提出了嚴格要求，原先以穩(wěn)定工況代替發(fā)動機實際運行工況的線性轉(zhuǎn)化標定技術隨著計算機技術的發(fā)展也得到了改進和提高。下面將著重介紹幾種應用廣泛的標定技術。

(1)穩(wěn)態(tài)標定方法。穩(wěn)態(tài)標定優(yōu)化大都是基于發(fā)動機穩(wěn)態(tài)運行工況的，采用穩(wěn)態(tài)優(yōu)化標定方法，其策略就是根據(jù)有限的發(fā)動機轉(zhuǎn)速負荷工況點，仿真整個試驗過程，而那些受時間、成本限制不可能測試出發(fā)動機全部工況點。穩(wěn)態(tài)標定是采用配上時間權(quán)值的離散工況點來代表其臨時范圍工況，使得可以得到連續(xù)的實驗數(shù)據(jù)進行分析。對于穩(wěn)態(tài)標定優(yōu)化匹配，依據(jù)發(fā)動機的MAP圖或參照模型而分為離線優(yōu)化和在線優(yōu)化。

(2)自動優(yōu)化標定方法。自動優(yōu)化標定就是通過已經(jīng)優(yōu)化好的標定系統(tǒng)來自動完成發(fā)動機運行工況的控制參數(shù)的標定和優(yōu)化。自動優(yōu)化標定是在確定的優(yōu)化目標、確定的控制參數(shù)范圍和確定的標定約束條件的基礎上，在自動優(yōu)化標定軟件上，按照事先擬定好的標定優(yōu)化流程，對發(fā)動機各控制參數(shù)進行在線優(yōu)化標定。在線優(yōu)化標定是通過試驗和優(yōu)化相結(jié)合的方法，來對實驗數(shù)據(jù)進行采集和在線優(yōu)化工作。

(3)瞬態(tài)優(yōu)化標定方法。瞬態(tài)優(yōu)化方法可以彌補穩(wěn)態(tài)標定方法無法測量過渡工況和瞬態(tài)特性的不足，同時使得發(fā)動機獲得最佳優(yōu)化控制。瞬態(tài)優(yōu)化方法標定的工況點是發(fā)動機運行中某瞬時獲得的控制數(shù)據(jù)點，無限接近實際的發(fā)動機運行。瞬態(tài)優(yōu)化是一個實時采集和反饋的測試工程，不用通過有限工況點來近似替代所有的工況點。瞬態(tài)優(yōu)化標定更切合發(fā)動機運行的實際工況，必然會成為以后標定技術的發(fā)展主流。

2.3 標定約束條件

發(fā)動機電控標定試驗的標定約束條件主要包括法規(guī)性約束和結(jié)構(gòu)性約束兩種。法規(guī)性約束限定了發(fā)動機各種排放物的排放量，因此法規(guī)性約束也是強制性約束。而結(jié)構(gòu)性約束主要指的是氣缸內(nèi)的最大爆發(fā)壓力、發(fā)動機滑油的溫度范圍及結(jié)構(gòu)強度等約束條件。通常以排放物排放法規(guī)來作為電控標定試驗的約束條件，也可以根據(jù)具體的問題，將所需的其他標定約束條件加入到標定試驗中，來確定標定試驗方法。

電控系統(tǒng)匹配標定需要根據(jù)標定約束條件和標定目的等因素的要求，按照特定的流程步驟來進行，是一項系統(tǒng)的工程。發(fā)動機電控系統(tǒng)的復雜程度直接影響標定試驗的工作量，但總體來看標定的流程和方法大致相同。標定系統(tǒng)的核心工作主要是在發(fā)動機試驗臺架上完成的，它主要標定的工況有起動、怠速、穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)和特定工況等，它主要的任務是LPG噴射定時和燃油噴射脈寬的標定工作。

電控系統(tǒng)匹配標定主要包括基本控制參數(shù)標定、環(huán)境參數(shù)修正、過渡工況參數(shù)標定。在實驗臺架上進行標定實驗，要根據(jù)標定優(yōu)化目標，滿足標定約束條件，還要每個過程中的標定效果都要滿足動力性和排放性的要求。發(fā)動機實驗架標定實驗步驟如圖1所示。

圖1 發(fā)動機實驗架標定實驗步驟

3 電控標定實驗

3.1 標定試驗準備

電控標定試驗是電控標定優(yōu)化的重點，電控標定實驗主要是LPG噴射脈寬和噴油脈寬的標定。為了得到的標定數(shù)據(jù)準確，得到的實驗數(shù)據(jù)更貼近實際工況下的數(shù)據(jù)，還需要控制一些影響參數(shù)和外界影響條件。

LPG噴射脈寬和噴油脈寬除直接受發(fā)動機轉(zhuǎn)速和油門位置參數(shù)控制影響外，還受到很多因素的影響，比如進氣溫度、蓄電池電壓、冷卻水溫度等多種因素。所以，為了模擬真實的雙燃料發(fā)動機運行工況，在進行雙燃料發(fā)動機標定試驗時，盡可能減少外界條件對實驗結(jié)果的影響。

標定實驗準備工作主要有試驗所用的柴油和LPG供給充足，LPG噴射閥、減壓閥、步進電機等執(zhí)行機構(gòu)工作正常，這樣獲得的數(shù)據(jù)才是連續(xù)的。蓄電池工作電壓需穩(wěn)定在(10±0.2)V，保證步進電機等執(zhí)行機構(gòu)的正常動作。進氣溫度需穩(wěn)定在(20±2)℃，貼近于發(fā)動機實際運行的進氣溫度。冷卻水溫度需穩(wěn)定在(80±2.0)℃。由于電控標定實驗采用的標定方法是離線穩(wěn)態(tài)優(yōu)化標定方法，所以每一次標定試驗必須在發(fā)動機轉(zhuǎn)速充分穩(wěn)定后進行工況點的數(shù)據(jù)測量，而且應盡可能地將工況點穩(wěn)定在標定實驗選取的工況點處。

3.2 實驗分析方法研究

在本次標定實驗中，由于要充分考慮發(fā)動機運行過程中的動力性和經(jīng)濟性，要對實驗結(jié)果分析，直到確定最佳的控制參數(shù)。由于發(fā)動機的運行工況、排氣質(zhì)量均可反映了發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和排放性，而發(fā)動機的空燃比可以直接反映出發(fā)動機氣缸的燃燒質(zhì)量。對標定實驗結(jié)果的分析，一般從發(fā)動機運行工況、排氣質(zhì)量和發(fā)動機的空燃比三個方面來分析其動力性、排放性和經(jīng)濟性。

工況分析是在實驗工程中每時每刻記錄下發(fā)動機運行時的工況信息，如轉(zhuǎn)速、功率控制量和ECU的測控參數(shù)，然后再通過各種數(shù)學方法處理分析。由發(fā)動機的運行特征參數(shù)分析判斷發(fā)動機動力性、燃油經(jīng)濟性是否滿足標定要求及系統(tǒng)控制策略的合理性。

在實驗過程中記錄下各種排氣分析數(shù)據(jù)，再進行數(shù)學方法分析處理，這就是排氣分析法。排氣狀況的測量將直接反映出發(fā)動機各氣缸內(nèi)的燃燒質(zhì)量，直接體現(xiàn)了柴油機的工作性能。

空燃比，指在發(fā)動機運行工作時，混合燃燒中空氣和燃料之間的質(zhì)量比例。電控系統(tǒng)控制發(fā)動機噴油量就是控制發(fā)動機的空燃比?？杖急韧ǔＳ袃煞N檢測方式：(1)由進氣量和供油量計算得出，這不能連續(xù)測量，只能測試平均空燃比。通常需在穩(wěn)定工況條件下測量，難以滿足電控系統(tǒng)標定要求；(2)根據(jù)排氣狀況，直接得出實際的空燃比。這種方法是最直接、最簡單，響應時間快，可以連續(xù)測量，能夠較好地反應出發(fā)動機氣缸中的燃燒。

為了更好地分析和研究雙燃料發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和排放性，電控標定實驗將采用工況分析和排氣分析相結(jié)合的分析方式。

3.3 工況標定范圍

能將柴油機的各個工況進行精確的控制是電控系統(tǒng)最大的優(yōu)勢。MAP圖優(yōu)化也是對各工況點而言的。臺架試驗需增加對柴油機工況點的測量和控制。柴油機的轉(zhuǎn)速和功率確定了各工況點。但功率無法直接測量，所以用轉(zhuǎn)速和功率來表示各工況點，這些參量是功率控制量。在改裝的雙燃料電控系統(tǒng)中通過油門大小即節(jié)氣門位置傳感器來間接反映功率量，即負荷。

工況點的測量主要是發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和發(fā)動機的油門位置的測量，而LPG噴射時間作為目標輸出同樣也是需要采集記錄的重要數(shù)據(jù)。發(fā)動機運行工況點無限多，而且其工況是連續(xù)的，若標定發(fā)動機所有的工況點是不切實際的，當前的標定技術也無法實現(xiàn)。本文電控標定實驗是針對有限的具有代表意義的工況點的標定，并在有限工況點標定的基礎上，通過RBF神經(jīng)網(wǎng)絡建模預測更多工況點的控制參數(shù)。工況節(jié)點數(shù)愈多，控制精度也就越高，隨之標定任務量也大。所以合理地選取工況標定范圍尤為重要。

工況范圍的選取要注意兩點：發(fā)動機各控制量的變化趨勢大的區(qū)域，節(jié)點應密集些，發(fā)動機控制量變化趨勢大的工況區(qū)域反應的是發(fā)動機實際運行時功率、排氣變化最大的區(qū)域，同樣也是發(fā)動機實際運行波動復雜的工況范圍；發(fā)動機運行工況MAP圖中使用頻度高的區(qū)域，也就是說，最接近發(fā)動機實際運行時工況范圍，工況節(jié)點要密集些，這樣標定實驗才有實際意義和實用性。

本次標定實驗的臺架是無錫發(fā)動機廠的4SW91-BF210，它的最大扭矩/轉(zhuǎn)速是150 N·M/(1 900～ 2 100)r/min，額定功率是45 Kkw/3 000 r/min。

根據(jù)所選用的錫柴雙燃料發(fā)動機的實際運行工況范圍，本文電控系統(tǒng)標定實驗主要標定范圍是發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 000 r/min～3 000 r/min與油門位置為20%～100%。將雙燃料發(fā)動機的工況點劃分為51×11共561個工況點，其中轉(zhuǎn)速從1 000 r/min開始，逐次增加200 r/min，增加到3 000 r/min結(jié)束，共11個速度工況點；油門位置從20%開始，逐次增加1.6%，增加到100%結(jié)束，共51個油門工況節(jié)點。

3.4 LPG摻燒率研究

在實際運行中，LPG摻燒量不同，柴油機的性能也不同，所以LPG不同的摻燒比對于柴油機的動力性、經(jīng)濟性和排放性影響也不同，發(fā)動機摻燒策略作為整個雙燃料發(fā)動機性能研究的核心，主要就是各個工況下柴油和LPG噴射量的確定。當發(fā)動機處于雙燃料運行，根據(jù)發(fā)動機工況將柴油與LPG兩種燃料按不同比例噴入氣缸內(nèi)，實現(xiàn)最優(yōu)燃燒，使得雙燃料發(fā)動機達到性能最優(yōu)。

LPG供給系統(tǒng)采用在進氣歧管進行LPG電控多點順序噴射的技術方案。在標定實驗中，通過測功率確定發(fā)動機運行在所選的標定工況點后，通過改變油門限位齒條機構(gòu)位置和LPG噴射時間來改變柴油和LPG的噴射量。電控系統(tǒng)通過查找儲存在ECU中的LPG噴射MAP圖，查找出確定的轉(zhuǎn)速和油門位置所對應的LPG噴射時間，摻燒策略的重點就是確定LPG噴射MAP圖。

本標定實驗對發(fā)動機離散工況點的柴油和LPG噴射量進行標定，是在滿足發(fā)動機動力性不變的前提下，以排放法規(guī)為主要約束條件，來獲得最大的燃油經(jīng)濟性。制定摻燒策略的方法是根據(jù)所標定的有限的工況點，利用數(shù)學建模優(yōu)化插值等方法生成連續(xù)不同工況的柴油和LPG脈譜圖，而且LPG最佳摻燒比是在排放性能和經(jīng)濟性能之間進行權(quán)衡確定的，是在發(fā)動機不發(fā)生保證爆燃的前提下確定的。

發(fā)動機起動或者低負荷運行時，氣缸內(nèi)溫度比較低，LPG不完全燃燒。這容易造成LPG以尾氣形式排出而造成燃燒效率降下，這時應采用純柴油模式運行。因此工況選取范圍在發(fā)動機轉(zhuǎn)速1 000 r/min～3 000 r/min與負荷20%～100%的范圍內(nèi)，對LPG噴射量進行標定實驗。標定的工況點有561個，我們無法對所有的標定工況點進行分析說明，本文僅對中速中負荷工況點(2 000 r/min、75%負荷)進行分析和說明。

3.5 標定實驗分析

中速中負荷工況點(以2 000 r/min、75%負荷為代表)標定，表3、表4為中速中負荷試驗數(shù)據(jù)。

表3 中速中負荷工況點標定

表4 中速中負荷數(shù)據(jù)對比

當發(fā)動機在2 000 r/min、75%負荷工況下運行時，由表3、表4實驗結(jié)果說明，LPG摻燒率與燃油替代率隨著LPG噴射脈寬的增加而增加，在LPG噴射脈寬小于5.25 ms時,燃油替代率大于LPG摻燒率，當量燃油消耗量小于純柴油燃油消耗量；在LPG噴射脈寬等于5.25 ms時，燃油替代率小于摻燒率，當量燃油消耗量大于純柴油消耗量。這說明LPG噴射脈寬為5.25 ms時，發(fā)動機在雙燃料模式燃燒性能好，燃燒效率高。此時燃油成本隨著LPG噴射脈寬增加先升高再下降，在噴射時間5.25 ms成本變化率下降到最低，為-17.35%，經(jīng)濟成本下降最多。同時隨著LPG噴射脈寬的增加，發(fā)動機的CO排放量隨之增加，但增加幅度不大，CO排放量基本維持在1600體積濃度左右，HC排放增加幅度比較大，而NOX排放量反而降低很多。

由表3、表4分析說明可以得出，發(fā)動機運行在中速中高負荷工況去時，LPG噴射時間5.25 ms，LPG摻燒比57.21%最為合適。

其他工況點的標定同樣是選取不同的LPG噴射時間，并進行了大量的臺架實驗，通過數(shù)據(jù)表格顯示出排放和燃燒的特點，根據(jù)表格分析判斷其動力性、經(jīng)濟性和排放性，得到綜合性能最佳的LPG噴射點。

4 結(jié) 語

本電控標定實驗彌補了傳統(tǒng)的電控標定實驗的，標定效率低、任務量大，不適合修正大量電控參數(shù)的缺陷。在滿足動力性的前提下，以排放法規(guī)為約束條件，獲得最佳雙燃料電控參數(shù)和經(jīng)濟性。通過系統(tǒng)的理論的研究，制定了雙燃料發(fā)動機電控系統(tǒng)標定的技術方案。

1 劉鑫.基于神經(jīng)網(wǎng)絡的汽油機電控標定技術研究[D].武漢：武漢理工大學，2008.

2 李國岫.車用發(fā)動機電控系統(tǒng)優(yōu)化標定方法的研究[J].柴油機設計與制造，2005，14(1)：7-10.

3 王維德，孫健國，李松林.神經(jīng)網(wǎng)絡在發(fā)動機自適應建模中的應用研究[J].航空動力學報，2003(6)：845-849.

Abstract: In this paper, through a series of engine operation test of the double fuel engine electronic control calibration test bench, the electronic control calibration method is studied systematically, and the calibration technology scheme of the optimized electronic control system is determined.

Keywords:calibration technique；electronic control system；dual-fuel engine；test-bed

(責任編輯：譚銀元)

ResearchOnElectronicControlCalibrationTechnologyofdual-FuelVehicleEngine

LUQing
(Wuhan Institute of Shipbuilding Technology，Wuhan 430050, China)

U464

A

1671-8100(2017)03-0034-05

2017-03-16

呂 青，女，副教授，主要從事內(nèi)燃機制造與維修方面的教學和科研工作。