低濃度乙醇重整燃料發(fā)動機空燃比控制系統(tǒng)的設(shè)計與試驗

徐　進,李金壽,唐煒銘,黃學(xué)衛(wèi),黃松華

(鎮(zhèn)江船艇學(xué)院　船艇裝備保障系,江蘇　鎮(zhèn)江　212003)

低濃度乙醇重整燃料發(fā)動機空燃比控制系統(tǒng)的設(shè)計與試驗

徐進,李金壽,唐煒銘,黃學(xué)衛(wèi),黃松華

(鎮(zhèn)江船艇學(xué)院船艇裝備保障系,江蘇鎮(zhèn)江212003)

摘要:利用發(fā)動機尾氣余熱對低濃度乙醇進行催化重整，生成一種富含H2、CO等可燃性氣體的發(fā)動機替代燃料。由于重整反應(yīng)過程中，溫度、流量、乙醇濃度等因素會對重整產(chǎn)物的組分造成影響，使燃料的理論空燃比發(fā)生變化，設(shè)計了一種低濃度乙醇重整燃料發(fā)動機空燃比控制系統(tǒng)，對發(fā)動機的空燃比進行實時調(diào)節(jié)，并在低濃度乙醇重整燃料發(fā)動機上進行試驗。試驗結(jié)果表明，空燃比控制系統(tǒng)基本達到了設(shè)計的預(yù)期效果，降低了發(fā)動機的排氣溫度，提高了發(fā)動機的燃料利用率。

關(guān)鍵詞:低濃度乙醇重整;空燃比;控制系統(tǒng)

0引言

低濃度乙醇重整燃料是指將質(zhì)量濃度為75%左右的乙醇，利用發(fā)動機的尾氣余熱，在高溫和貴金屬催化的條件下進行重整反應(yīng)，生成富含一種富含H2、CO、CH4等可燃性氣體的新燃料。針對新燃料空燃比不穩(wěn)定的特點，設(shè)計了一種空燃比控制系統(tǒng)，對硬件系統(tǒng)進行了搭建，并提出了發(fā)動機在穩(wěn)態(tài)工況和過渡工況下，空燃比控制的策略。聯(lián)機試驗結(jié)果表明，本控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對發(fā)動機空燃比的優(yōu)化控制。

1空燃比控制系統(tǒng)的總體設(shè)計

空燃比控制系統(tǒng)采用STC12C5A60S2單片機作為電控單元，空燃比控制系統(tǒng)通過各種傳感器采集包括排氣氧濃度、曲軸轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度、空氣進氣壓力、燃氣進氣壓力、混合氣進氣壓力等信號，通過信號調(diào)理電路對各信號進行分析處理，并對發(fā)動機的工況進行判斷，將最終結(jié)果轉(zhuǎn)化為對燃氣閥、空氣閥和節(jié)氣門的開度執(zhí)行信號進行輸出，完成對發(fā)動機空燃比的實時調(diào)節(jié)和控制。空燃比控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　空燃比控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2空燃比控制系統(tǒng)控制策略的設(shè)計

空燃比控制系統(tǒng)是一個硬件和軟件的結(jié)合體，空燃比控制系統(tǒng)能否穩(wěn)定、高效、可靠的對空燃比進行控制，除了合理的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計以外，還要有一個設(shè)計合理、功能完善的控制策略作為支撐。空燃比控制系統(tǒng)的整個程序分為主程序模塊和子程序模塊，子程序模塊包括：穩(wěn)態(tài)工況模塊、過渡工況模塊、故障診斷模塊三個部分[1-2]。

2.1主程序模塊設(shè)計

主程序模塊實現(xiàn)了空燃比控制系統(tǒng)功能的主體邏輯關(guān)系，它的主要任務(wù)是對各個傳感器傳輸來的信號進行采集和分析，依據(jù)這些信號和發(fā)動機當前的工況進行判斷，選取恰當?shù)淖幽K進行工作，并發(fā)出指令對發(fā)動機的燃氣閥、空氣閥和節(jié)氣門的開度進行調(diào)節(jié)，最終達到一個適合當前發(fā)動機運轉(zhuǎn)的最佳空燃比。主程序模塊流程圖如圖2所示[3]。

圖2　主程序模塊流程圖

2.2穩(wěn)態(tài)工況模塊設(shè)計

當發(fā)動機工作狀態(tài)處于穩(wěn)態(tài)工況時，對發(fā)動機空燃比的控制采用閉環(huán)控制方案。由于PID控制器的成熟發(fā)展，并且在ECU中實現(xiàn)起來較為方便，在本系統(tǒng)的閉環(huán)控制中，完全能夠達到使用要求，因此本系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工況下的空燃比控制策略上選擇PID控制器(圖3)[4-6]。

圖3　PID控制方框圖

穩(wěn)態(tài)工況下，控制模塊流程圖如圖4所示。

圖4　穩(wěn)態(tài)工況控制模塊流程圖

2.3過渡工況模塊設(shè)計

在發(fā)動機過渡工況下，發(fā)動機快速加速或者減速，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速與節(jié)氣門的變化速度都較大，而空燃比控制系統(tǒng)對發(fā)動機的參數(shù)收集、分析、判斷和執(zhí)行都需要一定的時間來完成，并且過渡工況相對于穩(wěn)態(tài)工況，持續(xù)時間較短。因此在過渡工況模塊的設(shè)計中，采用單一前饋的方案對空燃比進行調(diào)節(jié)。忽略氧傳感器所搜集的氧氣濃度信號，參照發(fā)動機空氣的溫度壓力、燃氣的溫度壓力、節(jié)氣門的開度、發(fā)動機轉(zhuǎn)速，對照過渡工況下標定好的預(yù)設(shè)空氣閥與燃氣閥的開度表，采用比值控制器對空燃比進行雙閥控制(圖5)[7-8]。

圖5　比值控制方框圖

過渡工況下，控制模塊流程圖如圖6所示。

圖6　過渡工況控制模塊流程圖

2.4故障診斷模塊設(shè)計

當空燃比控制系統(tǒng)處于非正常工作狀態(tài)時，為了保護空燃比控制系統(tǒng)和保證空燃比控制的準確性，系統(tǒng)設(shè)計了故障診斷模塊(圖7)。

圖7　故障診斷模塊流程圖

3空燃比控制系統(tǒng)的聯(lián)機試驗

空燃比控制系統(tǒng)對低濃度重整燃料發(fā)動機空燃比控制的最終效果，需要通過聯(lián)機試驗來檢驗。聯(lián)機試驗中，空燃比控制系統(tǒng)與發(fā)動機相連，在發(fā)動機不同的運轉(zhuǎn)工況下檢驗空燃比控制系統(tǒng)對空燃比的控制情況，并根據(jù)發(fā)動機的缸內(nèi)溫度、排氣氧濃度等參數(shù)，對空燃比控制系統(tǒng)的參數(shù)進行修改，使空燃比控制系統(tǒng)達到最佳的工作狀態(tài)和控制效果。

聯(lián)機試驗分別在空載狀態(tài)下和負載狀態(tài)下進行試驗。

3.1空載狀態(tài)下的試驗

發(fā)動機運行暖機后，在空載的情況下使發(fā)動機的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在700rpm，對使用了本空燃比控制系統(tǒng)的各缸排氣溫度進行測量，并對空燃比控制系統(tǒng)的各項參數(shù)進行修改優(yōu)化。如果各缸排氣溫度較未加裝本空燃比控制系統(tǒng)之前有所降低，則說明發(fā)動機氣缸內(nèi)燃料燃燒更為充分均勻，空燃比控制系統(tǒng)起到了對空燃比的優(yōu)化控制，試驗結(jié)果見表1。

表1　空載條件下的聯(lián)機試驗結(jié)果

圖8　空載條件下各缸排氣溫度對比圖

空載條件下，聯(lián)機試驗的試驗結(jié)果如表1、圖8所示。試驗結(jié)果表明，發(fā)動機各缸的排氣溫度均有所下降，空燃比控制系統(tǒng)達到了預(yù)期的控制效果。

3.2負載條件下的試驗

發(fā)動機運行暖機之后，將發(fā)動機的負載調(diào)整至50kW，使發(fā)動機的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在2000rpm，待發(fā)動機穩(wěn)定運行后對使用了本空燃比控制系統(tǒng)的各缸排氣溫度進行測量，并對空燃比控制系統(tǒng)的各項參數(shù)進行修改優(yōu)化。如果各缸排氣溫度較未加裝本空燃比控制系統(tǒng)之前有所降低，則說明發(fā)動機氣缸內(nèi)燃料燃燒更為充分均勻，空燃比控制系統(tǒng)起到了對空燃比的優(yōu)化控制，試驗結(jié)果見表2。

表2　負載條件下的聯(lián)機試驗結(jié)果

圖9　負載條件下各缸排氣溫度對比圖

負載條件下，聯(lián)機試驗的試驗結(jié)果如表2、圖9所示。試驗結(jié)果表明，發(fā)動機各缸的排氣溫度均有所下降，空燃比控制系統(tǒng)也達到了預(yù)期的控制效果。

4結(jié)語

本文設(shè)計了一種適合低濃度乙醇重整燃料發(fā)動機的空燃比控制系統(tǒng)，控制效果良好，發(fā)動機各缸排氣溫度都有所降低。然而，隨著近些年控制技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的先進控制理論被應(yīng)用于汽車發(fā)動機空燃比的控制中，如基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制的智能PID控制技術(shù)、具有自動調(diào)整因子的模糊控制技術(shù)等，這些新技術(shù)的不斷成熟，將推動空燃比控制技術(shù)的更新?lián)Q代，同時也為本空燃比控制系統(tǒng)的改進指引了方向。

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The Design and Test of Air-fuel Ratio Control System of Low

Concentration Alcohol Reforming Engine

XU Jin, LI Jin-shou, TANG Wei-ming , HUANG Xue-wei , HUANG Song-hua

(Boat Equipment Support Department,Zhenjiang Watercraft College， Zhenjiang 212003,China)

Abstract:Use engine exhaust heat on low concentration ethanol catalytic reforming to produce an engine alternative fuels containing flammable gas such as H2，CO. Because temperature, flow rate, the ethanol concentration and other factors will affect the components of the reformate in the process of reforming reaction to change fuels' theoretical air-fuel ratio, We design an Air-fuel ratio Control system of Low concentration alcohol reforming engine to make a real-time adjustment of the engine's air-fuel ratio and we experiment with Low concentration alcohol reforming engine. The result of the experiment demonstrates that this Air-fuel ratio Control system achieves the desired effect, reduces the temperature of the engine exhaust gas and improves the fuel efficiency of the engine.

Key words:low concentration alcohol reforming；air-fuel ratio；control system；design and test

浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，第16卷第1期，2015年3月

Journal of Zhejiang Institute of Communications

Vol.16 No.1,Mar.2015

作者簡介：卓宏明(1986-)，男，浙江舟山人，碩士，E-mail:zhuohongming1986@126.com。

收稿日期：2014-12-17

文章編號：1671-234X(2015)01-0028-05

中圖分類號:TK434.6?

文獻標識碼：A doi：10.3969/j.issn.1671-234X.2015.01.007