CNG/柴油雙燃料高壓共軌發(fā)動機控制策略研究

鐘序洪　申立中　劉少華（昆明理工大學云南省內(nèi)燃機重點實驗室　云南　昆明　650500）

CNG/柴油雙燃料高壓共軌發(fā)動機控制策略研究

鐘序洪申立中劉少華
（昆明理工大學云南省內(nèi)燃機重點實驗室云南昆明650500）

以一臺YN38CRD2柴油發(fā)動機為研究對象，增加CNG供氣系統(tǒng)裝置，將原機改裝成為一臺CNG/柴油雙燃料高壓共軌發(fā)動機。同時，基于發(fā)動機的不同運行工況，將工作模式劃分為停止模式、起動-怠速模式、常規(guī)模式、過渡模式和轉(zhuǎn)速限制模式，確定各模式間相互轉(zhuǎn)換條件，并由此設(shè)計工況判斷策略和各工況下的控制策略。試驗結(jié)果表明，雙燃料模式下的動力性接近原機，低轉(zhuǎn)速時最大扭矩略高于原機10N·m，高轉(zhuǎn)速時最大扭矩略低于原機；隨著發(fā)動機負荷增加，轉(zhuǎn)速波動能夠穩(wěn)定在20r/min以內(nèi)，實現(xiàn)了雙燃料發(fā)動機的平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。

CNG雙燃料運行工況控制策略

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和汽油機，并且不產(chǎn)生顆粒物和SOx，具有便于貯存和運輸、低排放和能量密度高等優(yōu)點，被認為是最有發(fā)展前途的發(fā)動機清潔燃料[1-3]。相對于柴油機或汽油機，單獨使用天然氣作為燃料的發(fā)動機其動力性能最大功率下降較大。在排放方面，天然氣發(fā)動機具有明顯的優(yōu)越性，天然氣發(fā)動機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)動機能更好解決發(fā)動機動力性下降的問題，并且實現(xiàn)了減少污染和保護環(huán)境的目的[5]。

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

以一臺四缸增壓中冷高壓共軌柴油發(fā)動機為研究對象，保留原機結(jié)構(gòu)基本不變，增加一套CNG供氣系統(tǒng)，CNG采用進氣歧管多點順序噴射?；贑NG燃料的理化性質(zhì)，結(jié)合其在高壓共軌柴油機上的摻燒方式，以發(fā)動機的不同運行工況為線索，設(shè)計雙燃料發(fā)動機在停機、怠速、過渡、常規(guī)和限速工況下的控制策略，以實現(xiàn)發(fā)動機的正常運轉(zhuǎn)。

1　 YN38柴油機的改裝

1.1發(fā)動機選取及主要技術(shù)參數(shù)

雙燃料發(fā)動機絕大部分采用柴油機為基礎(chǔ)進行開發(fā)，主要是利用柴油機成熟的增壓中冷技術(shù)?；赮N38CRD2電控高壓共軌柴油機，保留原機的燃油供給系統(tǒng)和ECU電控系統(tǒng)，增加天然氣供給系統(tǒng)，利用NI軟硬件平臺自主開發(fā)設(shè)計天然氣Lab-ECU電控系統(tǒng)。改裝后的發(fā)動機由柴油和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。試驗使用YN38CRD2柴油機主要參數(shù)如表1所示。

表1　 YN38CRD2柴油機主要參數(shù)

1.2 CNG/柴油雙燃料共軌發(fā)動機結(jié)構(gòu)

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

圖1　 CNG/柴油雙燃料發(fā)動機供氣系統(tǒng)方案

改裝機型為四缸增壓中冷高壓共軌柴油機，因此選用CNG進氣歧管多點順序噴射方式，如果采用缸內(nèi)高壓直噴方式，對原機改動較大、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加復雜、控制難度較大、不利于前期開發(fā)[8]。采用缸外進氣歧管多點順序噴射供氣方式，噴氣量由Lab-ECU電控系統(tǒng)根據(jù)發(fā)動機工況來控制。

1.3 CNG/柴油雙燃料發(fā)動機工作原理

試驗用的天然氣被壓縮至20MPa左右，儲存于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，為了防止減壓器因減壓過程氣體膨脹吸熱而引起堵塞，安裝了一個加熱裝置，經(jīng)過減壓后的天然氣經(jīng)過濾器、調(diào)壓器、氣體流量計、回火阻止器等，最后進入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，進入進氣歧管后與增壓中冷后的空氣均勻混合后進入燃燒室而被柴油引燃。進氣歧管多點順序噴射天然氣供給系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

圖2　進氣歧管多點順序噴射CNG工作原理

2　 CNG/柴油雙燃料高壓共軌發(fā)動機控制策略

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

控制策略指的是雙燃料發(fā)動機控制系統(tǒng)按照預先設(shè)計好的目標運行的一套控制方案，它以程序的形式存儲于只讀存儲器(EEPROM)中，工作時依據(jù)傳感器信號并結(jié)合相應的脈譜信息，獲取目標控制結(jié)果后控制執(zhí)行器動作?；诠r劃分的控制策略具有程序設(shè)計制作簡單和可實現(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，工況劃分越細致，控制策略就越有針對性、控制方案越完備[10]。

2.1雙燃料發(fā)動機工況劃分及其轉(zhuǎn)換

對發(fā)動機各工況的設(shè)置和劃分的目的是為了針對不同工況分別制定對應的控制策略并在控制軟件上加以實現(xiàn)，雙燃料高壓共軌發(fā)動機的運行工況劃分為停機、起動-怠速工況、常規(guī)工況、過渡工況和限速工況，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)動機的轉(zhuǎn)速、油門踏板開度、水溫等參數(shù)來判斷雙燃料發(fā)動機的當前工作模式，工作模式判斷流程如圖3所示。

圖3　雙燃料發(fā)動機工作模式判斷

2.2雙燃料發(fā)動機各工況下的控制策略

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

考慮到天然氣發(fā)動機在中低負荷下的燃燒排放性能以及動力性[13-15]，中低負荷時采用純柴油工作，噴油量由原機ECU控制。發(fā)動機在中高負荷時，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)動機在中高負荷時，發(fā)動機的工作模式由柴油向雙燃料轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換時，人工打開CNG的氣瓶開關(guān)，通過CNG調(diào)壓器把進氣壓力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)動信號，天然氣噴嘴開始噴氣，CNG進入氣缸被柴油引燃。Lab-ECU根據(jù)所需要的目標替代率，逐漸增加噴射脈寬，CNG進氣量增加，同時油門開度逐漸減小，柴油的噴射量逐漸減少，直至達到設(shè)定值時，噴射脈寬不再繼續(xù)增加。此時，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CNG噴射控制參數(shù)進行適當?shù)奈⒄{(diào)，保證發(fā)動機運轉(zhuǎn)穩(wěn)定。

雙燃料向純柴油模式轉(zhuǎn)換時，為了實現(xiàn)發(fā)動機工作模式的平穩(wěn)過渡，采用的控制策略和純柴油轉(zhuǎn)換為雙燃料時候的相反：Lab-ECU控制系統(tǒng)逐漸減小CNG噴射脈寬，CNG進氣量逐漸減少，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。過渡工況下的控制流程如圖4所示。

圖4　過渡工況下的控制流程

常規(guī)工況是發(fā)動機使用最多的運行工況，也是發(fā)動機的主要工作狀態(tài)。常規(guī)工況下運行時的控制策略如圖5所示。Lab-ECU通過對各缸排溫、油門開度位置兩個控制目標進行實時監(jiān)控，調(diào)整CNG進氣量，以各缸排氣溫度均勻性作為判斷依據(jù)，對各缸天然氣噴嘴的噴射脈寬進行適當調(diào)整，使各缸排溫的均勻性在控制目標范圍內(nèi)。同時，當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)相應的變動，此時油門執(zhí)行位置將出現(xiàn)變動，控制系統(tǒng)根據(jù)其位置的變化與設(shè)定值對比得出調(diào)控策略，適當調(diào)整噴氣脈寬，改變CNG進氣量，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，當發(fā)動機的轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速時，控制系統(tǒng)通過對曲軸的轉(zhuǎn)速、凸輪正時、油門位置、液壓壓力等信號進行分析，判斷發(fā)動機工作是否出現(xiàn)異常狀況，主要包括信號采集故障和曲軸轉(zhuǎn)速異常波動，負荷變化導致的曲軸轉(zhuǎn)速變化，極端情況為負荷的突增或者突減，還包括發(fā)動機振動和異響等等。這時候必須對發(fā)動機進行停止噴氣和斷油處理，使得發(fā)動機輸出動力急速下降，在完成斷油和停止供氣以后，如果發(fā)動機的轉(zhuǎn)速恢復到正常的速度區(qū)域，則恢復供油和噴氣，使發(fā)動機恢復到正常工作。發(fā)動機異常工況下的控制策略如圖6所示。

3　試驗結(jié)果與分析

進行了外特性的試驗，結(jié)果如圖7所示，雙燃料發(fā)動機的外特性扭矩接近原機，轉(zhuǎn)速小于1600r/min時，雙燃料模式的最大扭矩高于原機10Nom左右，而轉(zhuǎn)速大于1800r/min時則略低于原機。整體來講，雙燃料發(fā)動機的動力性基本能夠達到原機的水平。

圖6　限速工況下的控制流程

圖7　雙燃料發(fā)動機外特性與原機對比

試驗過程中采集發(fā)動機轉(zhuǎn)速、扭矩等數(shù)據(jù)分析發(fā)動機轉(zhuǎn)速波動，進而判斷雙燃料發(fā)動機的運轉(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試驗結(jié)果，雙燃料發(fā)動機在加氣過程中隨著負荷增大，轉(zhuǎn)速均穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速波動在20r/min以內(nèi)，雙燃料發(fā)動機運轉(zhuǎn)穩(wěn)定。

圖8　 1 200r/min轉(zhuǎn)速波動對比

圖9　 1 800r/min轉(zhuǎn)速波動對比

圖10　 2 400r/m in轉(zhuǎn)速波動對比

4　結(jié)論

將YN38CRD2柴油機改裝成雙燃料發(fā)動機，CNG噴氣量由Lab-ECU電控系統(tǒng)根據(jù)發(fā)動機工況來改變脈寬PWM控制，引燃油量由原機的ECU控制。對雙燃料發(fā)動機不同工況實行不同的控制，結(jié)果表明其動力性接近于原機水平，轉(zhuǎn)速波動能夠穩(wěn)定在一定范圍以內(nèi)，實現(xiàn)了雙燃料發(fā)動機的平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。

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

2邊耀璋.汽車新能源技術(shù)[M].北京：人民交通出版社,2005 3陸三春.CNG發(fā)動機多點順序噴射電控系統(tǒng)開發(fā)[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學，2011

4胡驊，宋慧.電動汽車[M].北京：人民交通出版社，2003

5徐富水，秦江濤，李靜波，等.CNG-柴油雙燃料電控發(fā)動機試驗研究閉[J].車用發(fā)動機，2012(1)：60-62

6尤秋菊，張來斌，王朝暉，等.天然氣發(fā)動機供氣方式及其特點分析[J].柴油機，2007，24(6)：10-12

7寧智.天然氣/柴油發(fā)動機燃料控制系統(tǒng)的研究[J].車用發(fā)動機，2000(4)：6-8

8 RobertW WEEKS,John JMoskwa.Transient air flow rate estimation in a natural gas engine using a nonlinear observer[C].SAE Paper 940759

9張延峰，譚從民，郭永田，等.柴油/天然氣雙燃料發(fā)動機技術(shù)改裝方案分析[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2004，35(3)：167-171

10李鐵軍.柴油機電控技術(shù)實用教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009

11張武高，周明，歐陽明高.柴油、天然氣雙燃料發(fā)動機的燃燒特性分析[J].內(nèi)燃機學報，2000，18(3)：299-304

12 Lakshma Nan T,Nagarajan G.Experimental investigation on dual fuel operation of acetylene in a DI diesel engine[J]. Fuel processing technology,2010,91(5):496-503

13 Korakianitis T,Namasivayam A M,Crookes R J.Natural gas fueled spark ignition and compression-ignition(CI)engine performance and emissions[J].Progress in Energy and Combustion Science,2011,37(1):89-112

14熊樹生，何文華，楚書華，等.車用柴油/CNG雙燃料發(fā)動機工作性能的研究[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2004(4)：24-27

15呂春天.雙燃料發(fā)動機燃氣系統(tǒng)軟件設(shè)計及PID控制策略研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學，2009

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，主要研究方向為發(fā)動機控制技術(shù)。