電控柴油/LPG雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)改造技術(shù)及應(yīng)用

喬云　周海松　李越超

摘 要：柴油/LPG雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是指同時(shí)燃用LPG和柴油的發(fā)動(dòng)機(jī)。LPG相對(duì)傳統(tǒng)柴油、汽油而言碳排放量更低，更經(jīng)濟(jì)，是國(guó)家重點(diǎn)推廣的重要替代清潔能源之一。在國(guó)內(nèi)關(guān)于柴油/LPG雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)和研究中，因?yàn)椴裼蜋C(jī)無(wú)法像汽油機(jī)那樣直接點(diǎn)燃LPG，使得柴油/LPG雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)開(kāi)發(fā)難度增加。

關(guān)鍵詞：電控；雙燃料；發(fā)動(dòng)機(jī)；關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號(hào)：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：16723198（2014）12019702

LPG相對(duì)傳統(tǒng)柴油、汽油而言碳排放量更低，更經(jīng)濟(jì)，是國(guó)家重點(diǎn)推廣的重要替代清潔能源之一?！凹词故菤W五標(biāo)準(zhǔn)的柴油，顆粒物排放仍高于LPG”，而顆粒物中含有更多致癌物質(zhì)，對(duì)人體的危害更大，這也是國(guó)內(nèi)外研究領(lǐng)域的共識(shí)。LPG/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)可以大幅度地降低大負(fù)荷工況的微粒排放，但小負(fù)荷時(shí)的HC排放有所增加。柴油/LPG雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是LPG不受管線限制，供油系統(tǒng)的成本低，LPG的能量密度大、便于攜帶。在國(guó)內(nèi)關(guān)于柴油/LPG雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)和研究中，因?yàn)椴裼蜋C(jī)無(wú)法像汽油機(jī)那樣直接點(diǎn)燃LPG，使得柴油/LPG雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)開(kāi)發(fā)難度增加。

1 柴油/LPG雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)摻燒策略

在柴油/LPG雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)中，LPG摻燒量的變化，會(huì)對(duì)柴油機(jī)的動(dòng)力性、排放性能、工作穩(wěn)定產(chǎn)生較大的影響，因此，需要確定最佳的LPG摻燒比，使雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的性能達(dá)到最佳。

1.1 摻燒策略的確定

摻燒策略的確定就是科學(xué)的確定柴油的供給量與LPG噴射量之間的關(guān)系，使得兩種燃料根據(jù)不同的工況情況，依據(jù)設(shè)定的比例準(zhǔn)時(shí)準(zhǔn)量進(jìn)入到氣缸中，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)整體的動(dòng)力性、排放性能，使發(fā)動(dòng)機(jī)可靠、安全、高效運(yùn)行，得到充分發(fā)揮兩種燃料的特質(zhì)。為準(zhǔn)確制定摻燒策略，需要對(duì)每一個(gè)工況條件下，通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)摻燃實(shí)驗(yàn)，確定柴油量、LPG量最佳比例，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)揮良好的燃燒性能。在柴油/LPG雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)中，柴油供應(yīng)量是通過(guò)油泵的限位齒條來(lái)實(shí)現(xiàn)的，LPG采用進(jìn)氣歧管電控多點(diǎn)噴射，這樣可以在超負(fù)荷的情況下，對(duì)柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)保護(hù)。在確定摻燒策略的實(shí)驗(yàn)中，摻燒率、燃油量、替代率也是需要重要量的技術(shù)指標(biāo)。

1.2 摻燒比優(yōu)化

為了確定最佳摻燒比，在進(jìn)行摻燒實(shí)驗(yàn)，我們讓發(fā)動(dòng)機(jī)工作在不同的工況下，控制好排放物NOX、CO、HO等在一定范圍，然后調(diào)節(jié)LPG摻入量，以不產(chǎn)生爆震爆燃為限。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，一方面要考慮燃油量和摻燒比，另一方面要考慮雙燃料的替代率。柴油/LPG雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的科學(xué)的摻燒比是在不同工況條件的極限工作狀態(tài)下，綜合發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性、排放良好的性能而確定的。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)可以看出，柴油/LPG雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)不同摻燒比和發(fā)動(dòng)機(jī)性能之間不是一個(gè)單向線性關(guān)系，單純提高摻燒比，超過(guò)一定限度，反而會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能，使發(fā)動(dòng)機(jī)排放惡化，穩(wěn)定性變差、動(dòng)力降低。因此，為使柴油替代率達(dá)到最高，需要確定摻燒比在不同工況下的一個(gè)最佳值。為避免LPG未完全燃燒從尾氣中排出造成燃料浪費(fèi)，在低負(fù)荷、怠速的工況下，缸內(nèi)溫度低，應(yīng)采用純柴油模式。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)控制

為了實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在柴油/LPG雙燃料、柴油兩種模式之間可以自由切換，同時(shí)，對(duì)噴射柴油量、LPG噴射量、LPG多點(diǎn)順序噴射等運(yùn)行進(jìn)行精確控制，控制系統(tǒng)需要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況，科學(xué)配置，從而達(dá)到控制精確、可靠、穩(wěn)定的目的。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)總體控制邏輯設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)總體控制邏輯的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的兩個(gè)運(yùn)行模式（柴油/LPG雙燃料模式、柴油模式）進(jìn)行設(shè)計(jì)和控制，針對(duì)兩種模式之間的相互轉(zhuǎn)換，通過(guò)模式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.1.1 柴油/LPG雙燃料模式

在發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)定值、冷卻水溫達(dá)到預(yù)溫度、油門達(dá)到預(yù)定開(kāi)啟度，通過(guò)模式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)切換到雙燃料運(yùn)行模式狀態(tài)，此時(shí)雙燃料模式控制邏輯主要有：

（1）通過(guò)對(duì)曲軸位置傳感器信號(hào)的采集和判斷計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速時(shí)，不摻燒LPG。因此，需要設(shè)定一個(gè)科學(xué)的轉(zhuǎn)速預(yù)定。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于這個(gè)預(yù)定值時(shí)，說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速狀態(tài)，控制系統(tǒng)檢測(cè)到轉(zhuǎn)速超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)，才通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)入下一工作流程。

（2）控制系統(tǒng)通過(guò)凸輪軸、曲軸位置傳感器傳遞的信號(hào)，時(shí)序處理算法處理，確定LPG噴射閥的噴射時(shí)序。然后根據(jù)駕駛員要求和當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)確定油門位置。然后根據(jù)存儲(chǔ)在芯片中的LPG摻燒程序，經(jīng)處理計(jì)算，對(duì)此工況下LPG噴射閥的通電時(shí)間進(jìn)行精確控制。油門位置、轉(zhuǎn)速兩值中任一值發(fā)生改變，控制程序都會(huì)對(duì)當(dāng)前的油門位置、轉(zhuǎn)速進(jìn)行更新和計(jì)算，重新的確定LPG噴射閥的通電時(shí)間。

（3）為了防止超負(fù)荷工況下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成不必的傷害，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于預(yù)設(shè)值時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下，應(yīng)對(duì)不同轉(zhuǎn)速的最大循環(huán)進(jìn)行控制，因此，對(duì)油泵齒條進(jìn)行限位，控制程序通過(guò)存儲(chǔ)的油泵限位量，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同轉(zhuǎn)速齒條最大位置的限位。

2.1.2 柴油模式

在柴油/LPG雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，柴油/LPG雙燃料、柴油兩種模式之間是可以實(shí)現(xiàn)自由切換的，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)各種數(shù)據(jù)都滿足雙燃料運(yùn)行而操作員并未進(jìn)行模式切換操作，則發(fā)動(dòng)機(jī)仍以純柴油模式平穩(wěn)運(yùn)行?？刂葡到y(tǒng)將油泵限位機(jī)構(gòu)——對(duì)步進(jìn)電機(jī)的伸出軸退回至油泵本身的限位螺釘處。此時(shí)，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)同純柴油發(fā)動(dòng)機(jī)一致。

2.2 控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理

2.2.1 多點(diǎn)順序噴射時(shí)序控制處理

配氣相位做為L(zhǎng)PG多點(diǎn)順序噴射時(shí)序控制最好的參考，LPG是從發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管噴射的，LPG噴射完成是從各缸排氣上止點(diǎn)前進(jìn)氣門開(kāi)始，到氣門關(guān)閉這個(gè)時(shí)間內(nèi)完成，安裝在油泵凸輪軸的位置傳感器和安裝在曲軸飛輪位置傳感器的轉(zhuǎn)速比是1∶2，在發(fā)動(dòng)機(jī)順序噴射以及噴射時(shí)刻的要求上，這兩個(gè)傳感信號(hào)的關(guān)系均可滿足。為了安裝方便，可以將凸輪軸端的觸發(fā)信號(hào)設(shè)定在第一缸的的壓縮上止點(diǎn)，將曲軸飛輪上齒數(shù)定義為各缸的噴射順序及時(shí)刻。假設(shè)齒曲軸飛輪齒數(shù)為奇數(shù)，那么相鄰兩個(gè)缸LPG噴射時(shí)間上，會(huì)相差一個(gè)曲軸齒數(shù)的角度，再加上氣門提前打開(kāi)的角度，遠(yuǎn)大于一個(gè)齒數(shù)的角度，這樣就保在對(duì)各缸進(jìn)氣歧管LPG噴射時(shí)各缸進(jìn)氣門處于完全開(kāi)啟的狀態(tài)。

2.2.2 油泵限位

以雙燃料模式為例，對(duì)油泵限位的方法是：控制系統(tǒng)控制器對(duì)步進(jìn)電機(jī)伸出軸進(jìn)行控制，讓其退回零位傳感器，零位傳感器信號(hào)反饋到控制系統(tǒng)控制器，步進(jìn)電機(jī)開(kāi)始從零位工作，不斷變化的轉(zhuǎn)速，從控制器中讀取各個(gè)工況轉(zhuǎn)速的電機(jī)限位量，控制步進(jìn)電機(jī)逐漸達(dá)到該工況轉(zhuǎn)速下最大循環(huán)供油量限位處。由于加工粗度和工藝的影響，步進(jìn)電機(jī)肯定存在一定的軸向間隙誤差，還有一定的錯(cuò)位間隙，這都會(huì)導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)在前進(jìn)和后退的過(guò)程中，產(chǎn)生累積誤差，導(dǎo)致油量限位不準(zhǔn)確。為了修正這個(gè)誤差，采取一個(gè)轉(zhuǎn)速間隔重回零位的策略，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速每達(dá)到一定變化幅度，都要回到零位，再?gòu)牧阄婚_(kāi)始工作至當(dāng)前轉(zhuǎn)速下供油量限位處。

2.2.3 摻燒數(shù)據(jù)處理

為了保證摻燒數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要采用油門位置數(shù)值，它代表的是油門從怠速狀態(tài)到額定轉(zhuǎn)速全開(kāi)度的一個(gè)百分比數(shù)值。這是因?yàn)槿绻捎糜烷T位置傳感器來(lái)改變摻燒比，會(huì)因油門位置傳感器安裝時(shí)初始電壓數(shù)據(jù)不同而影響摻燒比的控制。當(dāng)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)工作在雙燃料模式時(shí)，通過(guò)油門位置數(shù)值與存儲(chǔ)器中LPG摻燒MAP表比對(duì)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工況變化的響應(yīng)更快，也更準(zhǔn)確。但是，由于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速和油門位置都是連續(xù)的任意數(shù)，而LPG摻燒MAP表是限離散量的二維數(shù)表，因此，就需要采取相鄰兩個(gè)轉(zhuǎn)速值和油門位置值進(jìn)行二維線性插值，這樣，可以精確控制發(fā)動(dòng)機(jī)在任一工況條件下油門位置所對(duì)應(yīng)的LPG噴射閥的通電時(shí)間，從而滿足摻燒策略的要求。

3 結(jié)語(yǔ)

在電控柴油/LPG雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的改造中，最重要的部分是制定科學(xué)、合理、經(jīng)濟(jì)的摻燒策略。經(jīng)過(guò)改造后的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中無(wú)論是穩(wěn)定性、動(dòng)力性、排放性都較柴油發(fā)動(dòng)機(jī)有很大的提高，能夠滿足惡劣條件下不同工況的生產(chǎn)需求，也對(duì)我國(guó)非道路發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的研究提供一個(gè)很好的借鑒。

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