（动力机械及工程专业论文）柴油—甲醇组合燃烧发动机的控制策略及试验研究.pdf

天津大学博士学位论文 柴油一甲醇组合燃烧发动机的控制策略 及试验研究 ( 本研究得到国家自然科学基金项目资助，编号：5 0 5 7 6 0 6 4 ) s t u d y o n c o n t r o l - - s t r a t e g ya n d e x p e r i m e n t o fd i e s e l - - m e t h a n o l c o m p o u n d c o m b u s t i o n e n g i n e ( s u p p o s e db yt h en a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o nc o m m i t t e eo f c h i n a ，n o 5 0 5 7 6 0 6 4 ) 学科专业：动力机械及工程 研究生：黄钰 指导教师：姚春德教授 天津大学机械工程学院 二零零八年六月 中文摘要 柴油机因为其良好的经济性以及可靠性，得到越来越广泛的应用。但是，微 粒和氮氧化物( n o x ) 排放达标问题仍是制约其发展的关键。随着我国经济的快 速发展，对石油的需求量日益增加，所以寻找石油替代燃料也已是当务之急。 针对甲醇燃料的特点，提出柴油一甲醇组合燃烧方式。组合燃烧系统在发动 机起动、暖车以及怠速工况下使用纯柴油工作模式，当发动机机体温度上升，进 入正常运行工况后，进入柴油一甲醇组合燃烧模式。 根据组合燃烧发动机的特点，将发动机运行工况分为6 类，针对每类工况提 出不同的控制策略。采用c 语言和汇编语言的混合编程方法编写完成组合燃烧控 制软件。控制软件的编写运用模块化设计思路，自顶向下、逐步细化的结构化软 件设计方法。软件以m c 9 s 1 2 d p 2 5 6 芯片作为运行平台，通过对发动机传感器的信 号识别，能够准确判断柴油一甲醇组合燃烧发动机的运行工况，在发动机电子控 制单元的内部数据存储区间存储了发动机运行二维控制m a p 图，该软件通过m a p 插值计算方法将二维控制m a p 图中离散、有限的控制量转变成连续的控制量，根 据发动机负荷的变化自动定时定量的控制甲醇燃料喷射电磁阀。 提出了以甲醇对柴油的替代率和替换比为控制目标，以排放作为约束条件的 组合燃烧标定方法，在发动机台架上进行了标定工作，采用神经网络算法对m a p 数据进行了优化，得到了更为紧密和平滑的控制m a p 数据。结果表明运用神经网 络优化的方法不仅能够减少标定工作量，而且完全能够达到组合燃烧系统的要 求。 在4 9 0 0 d i 发动机台架上对组合燃烧发动机进行了不同控制方式、不同替代 比率以及加装了d o c ( 氧化催化转化器) 之后的对比试验。试验结果表明组合燃 烧系统在小负荷时，甲醇对柴油的替代率不宜过高，在中等负荷采用3 0 4 0 的替代率，在大负荷时采用4 0 - - 5 0 替代率能够取得较好的燃油经济性和排放 性能。通过加装d o c 后处理器后能够大幅度的降低h c 和c o 的排放量。采用甲醇 的顺序喷射控制方式，发动机燃油经济性、h c 、c 0 排放均略优于甲醇连续喷射 控制方式，但是，n o x 排放略高于后者。 组合燃烧汽车道路试验结果表明，甲醇对柴油的平均替代率达到了3 6 ，仅 需要1 6 6 单位质量的甲醇替换1 单位质量的柴油，燃烧效率提高8 。7 8 。组合 燃烧系统能够有效消除柴油机在起步加速过程中“冒黑烟的现象。 在w d 6 1 5 增压中冷柴油机上进行了排放试验，结果表明，采用组合燃烧系统 后国i i 排放品质的发动机完全能够达到国排放限值。 关键词：柴油一甲醇组合燃烧电子控制燃油经济性排放 a b s t r a c t d i e s e le n g i n e sh a v eg o t t e nm o r ea n dm o r ew i d e l yu s e di nt r u c k s ，b u s e s a n de v e ni np a s s e n g e rc a r s ，b e c a u s eo fi t se x c e l l e n tf u e le c o n o m ya sw e l l a sp e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t y h o w e v e r ，p ma n dn o xe m i s s i o n sf r o md i e s e l e n g i n er e s t r i c ti tf o rf u r t h e rd e v e l o p m e n t w i t ht h ee c o n o m yd e v e l o p m e n t o fc h i n a ，o i ld e m a n di n c r e a s e sr a p i d l y t h e r e f o r e ，t od e v e l o pt h e a l t e r n a t i v ef u e lf o ro i1 isa nu r g e n tt a s kf o ru s c h i n ai sa b u n d a n ti n c o a lr e s o u r c e ，b u tl e s ss t o r a g ei no il m e t h a n o lc a nb ep r o d u c e df r o m v a r i o u sk i n d so fm a t e r i a l ss u c ha sc o a l ，n a t u r a lg a sa n db i o m a s s ，w h i c h i so n eo ft h eb e s ta l t e r n a t i v ef u e l sf o ro i li nf u t u r e a sc e t a n en u m b e ro fm e t h a n o li sq u i t e1 0 w i ti sd i f f i c u l tt ob e a p p l l e dt oc o m p r e s s i o ni g n i t i o ne n g i n e s od i e s e l m e t h a n o lc o m p o u n d c o m b u s t i o n ( d m c c ) w a sb r o u g h tf o r w a r db a s e do nm e t h a n o l sp r o p e r t y d m c c e n g i n eu s e sd i e s e lf u e lo n l yi ns t a r t ，w a r m i n g - - u pa n di d l eo p e r a t i n g c o n d i t i o n a f t e rw a t e rt e m pa n de n g i n es p e e dr i s eu p ，d i e s e lf u e lm o d e l s w ic h e st od m c cm o d e l s i xo p e r a t i o nc o n d i t i o n sw e r ep u tf o r w a r da c c o r d i n gt od m c ce n g i n e c h a r a c t e r is tic s e a c ho p e r a tio nc o n d itio nh a sit so w nc o n t r o ls t r a t e g y e c uc o n t r o l l e rs o f t w a r ew a sc o m p i l e dw i t hl a n g u a g eca n da s s e m b l i n g l a n g u a g em i x e dp r o g r a m m e dm e t h o d c o n t r o l l e rs o f t w a r eu s e sm c 9 s 1 2 d p 2 5 6 c h i pa sp l a t f o r m r e c o g n i z i n gs i g n a l sf r o ms e n s o r s ，s o f t w a r ec a nj u d g e o p e r a t i o nc o n d i t i o no fe n g i n ee x a c t l y c a li b r a t i o no fm a pd a t ah a sb e e nu n d e r t a k e no nt h ee n g i n eb e n c h u s i n g n e u r a ln e t w o r ko p t i m i z em a pd a t a t h i sm e t h o dm a k e st h em a pd a t as m o o t h e r t h e s ed a t aa f t e ro p t i m i z a t i o nw e r et e s t e do nt h eb e n c ht e s t t h er e s u l t s h o w e dt h a tn e u r a ln e t w o r kc a nr e d u c et h ew o r k l o a d c o m p a r i s o no fd i f f e r e n tc o n t r o lm e t h o d ，d i f f e r e n tp r o p o r t i o no f m e t h a n o lt od i e s e l ，w i t hd o ca n dw i t h o u td o cw a sc o n d u c t e do nt h ee n g i n e b e n c h t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep r o p o r t i o no fm e t h a n o lt od i e s e ls h o u l d b el e s sa tl o wl o a d ；t h er a ti o3 0 4 0 a tt h em e d i u ml o a d 。a l t h o u g ht h e r a t i oc o u l db eh i g h e ra th i g hl o a d ，i ts h o u l dn o tb em o r et h a n4 0 5 0 a d d i t i o n a l l y ，t h eo x i d ec a t a l y s t h a di m p o r t a n ti m p a c tt oe x h a u s t e m i s s i o n s ，e c o n o m i c a lp e r f o r m a n c eg e t sb e t t e r ，h ea n dc oe m i s s i o nd e c r e a s e u s i n gm u l t i - - p o i n ts e q u e n t i a li n j e c t i o n n o xe m i s s i o na l m o s tr e m a i n st h e s a m e d m c cv e h i c l el o a dt e s ts h o w e dt h a tt h ep r o p o r t i o no fm e t h a n o lt o d i e s e lw a s3 6 ，1 6 6k i l o g r a mm e t h a n o lc a nr e p l a c e1 0k il o g r a md i e s e l ， c o m b u s t i o ne f f i c i e n c yi n c r e a s e8 7 8 d m c cv e h i c l er e d u c es m o k ee m i s s i o n i nl a r g ee x t e n td u r i n gs t a n d i n gs t a r t t h ee x h a u s te x p e r i m e n t so nt h ew d 6 1 5t u r b o c h a r g e d ，i n t e r c o o l e dd i e s e l e n g i n es h o w e dt h a tt h ee m i s s i o nq u a li t yo fe n g i n ec a nb er e m a r k a b l y i m p r o v e df r o mb a s i cc h i n ai iu p g r a d et oc h i n ah ia l t h o u g ht h ee n g i n e e q u i p p e dw i t hc o n v e n t i o n a li n l i n ei n j e c t i o np u m p ，1 i n ea n di n j e c t o r s k e yw o r d s ：d i e s e l - - m e t h a n o lc o m p o u n dc o m b u s t i o n ，e l e c t r o n i cc o n t r o l ，f u e l e c o n o m y , e x h a u s te m i s s i o n s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盔洼盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：1 旁红 签字日期： 如善年芦月 弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨连盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨叠盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：旁红 导师签名： 擀峙 日 蹦f 参 擀础、沙每7 乒；p 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 能源 第一章绪论 随着世界经济的快速发展，各国对能源的需求量逐年递增。2 0 0 2 年开始， 全球经济进入快速增长通道，尤其是在2 0 0 4 年，各国经济增长创下2 5 年来之最， 由此也带来了对石油的旺盛需求。 2 0 0 7 年仅中国的石油进口量就达到了1 9 6 8 亿吨，接近2 亿吨【l 】。我国从开 始进口石油到进口石油1 亿吨，用了1 1 年的时间。从进口l 亿吨到逼近2 亿吨， 却只用了3 年的时间。中国目前已成为世界第二大石油消费国。巨大的能源需求 也拉动了石油价格的节节攀升，2 0 0 8 年5 月原油价格已经上涨到了1 2 5 5 6 美元 一桶，到了6 月份超过1 3 0 美元一桶，创下历史最高价。如此高昂的油价对我国 的经济发展无疑是一重要制约因素。 我国石油资源的可采储量约为1 3 0 - 1 5 0 亿吨，仅占到世界石油可采储量的 3 左右。初步估计我国的石油可采资源可以延续到2 0 4 0 年 2 1 。因此，我国的石 油资源形势不容乐观。随着国民经济的快速发展，能源问题将成为制约我国经济 的瓶颈。 1 1 2 环境 内燃机是目前使用最为广泛的动力机械。工程机械、交通运输、农用机械等 大部分采用内燃机作为动力装置，因此，内燃机尾气排放带来的环境污染问题已 经引起人们的普遍重视。 在城市空气污染中，平均6 0 的污染来自于汽车尾气。统计数据显示，在美 国汽车排出的c o 占大气污染的6 6 ，n o x 占大气污染的4 3 f 3 1 。我国环保部门 的统计显示，在北京市汽车尾气对城市空气污染，c o 占6 3 、n o x 占3 7 、h c 占7 4 。在上海这些数据分别达到8 6 、5 6 、9 6 t 4 1 。 为了实现人类的可持续发展，保护环境资源，世界各国均以越来越严格的排 放法规来限制内燃机的污染物排放量，或者以政策导向鼓励发展使用节能绿色燃 料。表l l 是压燃式发动机的国家排放限值标准。 第一章绪论 为了能够达到严格的排放标准，各大汽车制造厂商都增加了非常复杂后处理 系统。图1 1 是德国大众公司汽车尾气后处理系统，从图中可以看出后处理系 统包括氧化催化转化器、微粒过滤器、s c r 催化器以及尿素喷射控制装置。后 处理系统控制复杂而且成本高昂。 氧化催化转化器n 0 2 催化器微粒过滤器s c r 催化器 消声器 图1 1 大众公司汽车后处理系统 1 2 石油替代燃料 石油供应的紧缺以及内燃机有害气体排放污染等问题都迫使人们寻找石油 的清洁替代燃料。 1 2 1 氢气 氢气被认为是最清洁的内燃机燃料，氢气燃烧后没有c o 、h c 、c 0 2 和p m 的 排放。氢气的低热值为1 2 0 1 7 m j k g 6 1 比柴油的低热值4 2 5 - 4 2 8 m j l ( g 高出约为 2 8 倍，氢气的火焰传播速度快，能够提高内燃机的燃烧效率。而且，氢气的来 第一章绪论 源和储量非常丰富。但是，氢气在内燃机上的使用还有一些问题有待解决，例如： 氢气制取成本高，气态下的氢气能量密度小、储运不方便。如果将氢气液化能够 提高其能量密度，但是成本太高【7 】【8 1 。 1 2 2 二甲醚 二甲醚被认为是柴油机上具有潜力的替代燃料10 1 ，二甲醚无色、无腐蚀性， 其沸点为一2 5 ，常温下呈气态。二甲醚的十六烷值为5 5 - 6 0 ，相比柴油的十 六烷值为4 0 - - - - 5 5 ，因此，二甲醚更容易被压燃。二甲醚燃料的主要缺点有：常 温下呈气态，二甲醚被液化后不具有润滑性、粘度低，供油系统润滑与密封问题 需要解决；燃料的储运问题【1 1 】f 1 2 】1 1 3 。 1 2 3 天然气以及液化石油气 天然气的主要成分为甲烷，储量相对丰富，2 0 0 6 年全国累计探明天然气可 采储量为3 8 4 万亿立方米，2 0 0 7 年新增探明储量1 0 0 亿立方米【1 4 】。天然气的低 热值为3 4 3 m j m - - 3 7 5m j m - 3 【6 1 ，尾气排放清洁，价格相对低廉。天然气作为 内燃机使用燃料需要建设大量的加气站网络，基础设施的投入极为巨大。而且车 辆在运行过程中需要携带高压气瓶，气态的天然气能量密度较低，不仅续航里程 较短，而且行使安全性需要考虑【1 5 】0 6 11 1 7 。 液化石油气( 简称l p g ) 的主要成分为丙烷、丁烷、丙烯、丁烯等 6 】。l p g 往往作为炼油厂的副产品出现，相对于汽油价格比较便宜。与天然气相比，l p g 能量密度较大，而且不需要高压气瓶。主要缺点是燃料的储存较为复杂，需中压 储液罐，比汽油箱笨重，此外车用l p g 需进行再加工，使成本增加。而且我国的 l p g 资源有限，主要依赖进1 2 1 1 8 】1 1 9 【2 0 】。 1 2 4 燃料乙醇 乙醇是一种可再生资源，目前制造乙醇的主要原料是玉米、甘蔗等作物。巴 西全国曾有三分之一的汽车使用乙醇燃料，这与巴西的社会环境以及气候适宜甘 蔗生长有关。然而燃料乙醇目前由粮食制取，以它做为汽车燃料，对粮食大量的 消耗会给社会引发更多的问题。如何处理好这两者的关系，是乙醇作为未来燃料 的关键 2 l 】【2 2 1 【2 3 】。 1 2 5 燃料甲醇 针对我国目前石油资源比较稀少，煤炭资源相对丰富的国情，从煤炭产业链 第一章绪论 着手，选择煤炭产业链中的副产品一甲醇作为内燃机的替代燃料是一条可行之路 2 4 1 2 5 1 。目前，甲醇的制取工艺已经十分成熟，而且甲醇与柴油、汽油同属于液 态燃料，储运方便。发展煤基甲醇是实现我国能源多样化、保障汽车工业快速发 展的一项重要举措。另外，甲醇可以由生物质制取，农、林业废弃物，甚至造成 目前湖泊生态环境恶化的速生藻类也是其生产资源。因此，甲醇的生产资源是取 之不尽的。 甲醇的毒性和安全性一直是燃料甲醇在推广过程中的疑虑，国内外的研究机 构已经有大量的结论证实，甲醇与汽油、柴油一样属于中等毒性，在大气环境中 甲醇的生物降解过程比汽油、柴油快的多。甲醇作为车用燃料并没有累积性的健 康危险。在火灾方面，由于甲醇的很多物理特征使得它比汽油更加安全【2 6 】【2 7 】【2 8 】 1 2 9 】。 1 3 国内外对燃料甲醇的研究现状 本世纪7 0 年代全球第二次石油危机爆发后，世界各国相继开展了甲醇燃料 的应用研究。1 9 8 7 年美国开始推广使用m 8 5 甲醇一汽油燃料汽车1 3 0 1 ，并且在加 州等排放要求严格的地区使用公交车和校车上使用甲醇燃料【2 引。福特、通用、大 众都对m 8 5 和m 1 0 0 的甲醇燃料汽车进行了研究f 3 1 】。 国内的燃料甲醇应用研究大部分都是从汽油机上开始的。国家经贸委立项的 山西省甲醇燃料汽车示范工程项目通过竣工验收。山西省交通科学研究院和山西 省交通运输管理局通过实验提出了m 1 5 汽车的使用要求，并且具备了推广的使 用条件。奇瑞汽车有限公司推出了m 1 0 0 甲醇汽车用于出租车运营【32 | 。这些研究 和试验都为甲醇的进一步推广奠定了很好的基础。但是，目前甲醇的使用很大一 部分都局限于在点燃式发动机上使用，由于点燃式发动机的压缩比低，热效率差， 甲醇辛烷值高的特点不能充分发挥出来。因此，解决在柴油机上甲醇的使用能够 进一步的扩大甲醇的应用范围。 目前柴油机上使用甲醇的方式主要有： 1 、柴油一甲醇乳化法。 乳化法也被称为发动机机外混合法，就是在燃料喷入发动机之前，使柴油与 甲醇均匀混合，混合好的燃料经喷油泵、喷嘴被喷入气缸进行燃烧。 天津大学在8 0 年代对其进行了相关研究，研究发现在不使用添加剂情况下， 柴油一甲醇的混合燃料稳定性较差，容易产生分层现象；甲醇的掺烧比例较小， 如果甲醇的掺烧比例达到3 0 ，混合燃料的滞燃期较长，会导致发动机冷启动 第一章绪论 困难1 7 引。山东理工大学采用了添加乳化剂，用机械搅拌的方法制备了柴油甲醇水 乳化液，乳化液能够稳定3 0 - - 5 0 天。使用乳化燃料后，发动机的动力性、燃油 经济性和排放指标都得到了改善，最高有效热效率比使用纯柴油模式下的高出了 2 8 2 。而且对原柴油机没有改动1 3 3 1 。 西安交通大学采用激光全息技术和高速数字摄影技术观察了柴油、甲醇和水 乳化液喷雾在高温、高压环境中发生微爆现象的瞬间和全过程。为乳化液微爆过 程的数学模拟提供数学参考【3 4 】【3 5 】。 但是乳化燃料有一定的局限性，a ) 甲醇的添加比例受到限制，一般不超过 1 5 ；b ) 乳化燃料在低温情况下容易发生分层现象；c ) 在发动机冷起动状况下， 由于燃油中含有甲醇燃料，冷起动性能受到一定的影响；d ) 如果乳化燃料中含 水，在发动机停止后，如果长时间不运行，缸壁有可能生锈。 2 、将压燃式发动机改成点燃式发动机使用甲醇燃料。 这种方法使用的是纯甲醇燃料，优点是完全不用柴油，但是却存在较多的问 题：a ) 该方法需要降低原柴油机的压缩比，否则工作过程容易产生爆震。因此， 这种方法牺牲了柴油的高燃烧效率，这是该方法的最大缺陷；b ) 由于甲醇的汽 化潜热为11 0 9 k j k g ，高出柴油约为4 倍，在发动机冷机起动，尤其是冬季，冷 起动变得非常困难；c ) 采用该方案后，发动机的冷起动次数增加，在冷起动阶 段未被点燃的甲醇会通过活塞环进入油底壳，从而使得润滑油变性，恶化了发动 机的润滑、冷却能力；d ) 该方案将柴油机的喷油嘴替换成了火花塞，对原机的 改动工作较大。 1 4 本文研究的主要目的和内容 目前我国柴油的使用量远高于汽油的使用量，因此，在柴油机上开展甲醇燃 料的应用研究具有更加广泛的现实意义和前景。围绕本课题组提出的柴油一甲醇 组合燃烧理论，对发动机的动力性、燃油经济性以及排放性能的研究将是本文的 重点。 为了进一步的了解和掌握组合燃烧的性能以及在不同型式发动机上的使用 情况，本文主要进行以下的研究内容： l 、根据组合燃烧发动机的工作特性，研究其控制策略，然后依据该控制策 略编写出发动机控制软件； 2 、在自然吸气式发动机上研究组合燃烧的动力性、燃油经济性以及排放性 能： 第一章绪论 3 、在增压中冷发动机上研究组合燃烧的动力性、燃油经济性和排放性能。 由于组合燃烧系统能够有效降低发动机的n o x 以及微粒的排放，因此， 研究在排放性能达到国标准的发动机上，探讨采用组合燃烧系统后使 发动机排放达到国标准的方法。 第二章组合燃烧控制策略及控制软件 第二章组合燃烧控制策略及控制软件 2 1 组合燃烧控制策略 柴油一甲醇组合燃烧的原理是：通过安装在进气歧管上的甲醇喷射电磁阀将 甲醇喷射进入进气歧管，借助进气门的高温进行蒸发，与空气形成均质混合气， 在进气冲程被吸入气缸，在进气、压缩冲程中进一步蒸发。在压缩冲程末期由柴 油引燃甲醇均质混合气。甲醇具有含氧、高汽化潜热的特性，由于其高汽化潜热， 将会大幅度降低发动机的进气温度以及缸内最高燃烧温度，减少燃料裂解和n o x 生成的机会。同时由于甲醇含氧，易挥发，形成的均质混合气燃烧时不会生成碳 烟【3 6 】【3 7 】【3 8 】【3 9 1 1 4 0 1 。将柴油一甲醇组合燃烧的原理应用到4 9 0 q d i 自然吸气式柴油机 上，研究了组合燃烧的控制策略。 为实现柴油一甲醇组合燃烧而研发的原理性控制策略及其装置较为简单，甲 醇喷射电磁阀的控制仅取决于发动机油门控制手柄的位置( 组合燃烧示意图见图 2 一1 ) ，采用的是单参数控制方式( 见图2 2 ) 。将油门控制手柄位置的6 5 1 0 0 开度区间设定为组合燃烧工作区间，在此区间内，通过发动机台架试验获 得油门控制手柄位置与甲醇喷射电磁阀控制量的一维m a p 数据，并将控制m a p 数据存储在a t 8 9 c 51 控制芯片的r o m ( 只读存储器) 中。在发动机运转中，e c u 根据油门控制手柄位置在喷醇脉谱图中找到对应基本喷醇量，从而控制喷醇控制 信号占空比的大小。软件采用的算法主要是一维线性插值算法【4 1 1 1 4 2 1 。 图2 1 为喷嘴设在进气道内多点喷射的本装置结构示意图 第二章组合燃烧控制策略及控制软件 l 空气滤清器，2 喷嘴，3 进气管，4 柴油机，5 电控单元，6 油门控制手柄位置 传感器，7 发动机冷却水温度传感器，8 进气歧管，9 醇燃料分配管，1 0 甲醇燃 料压力调节器，11 电动甲醇泵，1 2 醇燃料箱 油门手柄 图2 2 单参数组合燃烧控制方式 控制软件基于a t m e l 公司生产的a t 8 9 c 51 芯片平台运行，在k e i l 5 。0 编译 环境下，采用c 语言编写完成。单参数控制方式简单、易行，但是对于发动机所 处的工况识别能力有限，因此，控制精度不高，从而会导致组合燃烧的燃油经济 性能和排放性能不能得到充分的发挥。而且，a t 8 9 c 5 1 芯片为普通级芯片，工 作环境温度一2 0 8 5 【4 3 j 。 在总结了前期工作的基础上，选取了专门为汽车电子行业开发的飞思卡尔公 司1 6 位微处理器m c 9 s 1 2 d p 2 5 6 作为组合燃烧发动机电控系统控制芯片【4 4 1 。并 且对控制策略进行了优化，采用油门控制手柄和发动机转速双参数控制方式，对 组合燃烧发动机工况进行了详细的界定，并且针对不同工况提出了不同的控制模 式。 组合燃烧电控管理系统( e m s ) 的基本组成零部件有：电子控制单元( e c u ) ， 点火钥匙开关，油门控制手柄位置传感器，发动机转速传感器，冷却水温度传感 器，4 个甲醇喷射电磁阀，1 个电动甲醇泵。组合燃烧系统示意图见图2 3 。 图2 3 为喷嘴设在进气道内多点喷射的本装置结构示意图 第二章组合燃烧控制策略及控制软件 1 空气滤清器，2 喷嘴，3 进气管，4 柴油机，5 电控单元，6 油门控制手柄位置 传感器，7 发动机转速传感器，8 冷却水温度传感器，9 进气歧管，1 0 醇燃料分 配管，1 1 醇燃料压力调节器，1 2 电动甲醇泵，1 3 醇燃料箱 e m s 的软件模块主要分为：执行机构驱动模块( 甲醇喷嘴和甲醇泵的驱动 等) ，信号输入模块( 模拟信号和数字信号的处理) ，交互软件模块( 通讯模块) ， 运行算法模块( 工况识别，插值算法，模拟采集滤波算法等) ，故障诊断模块。 根据组合燃烧特定的燃烧方式，需要对发动机的工况进行详细的区分，针对 不同的发动机运行工况进行不同的控制模式，只有这样才能取得较好的燃油经济 性、排放性和动力性。 针对柴油一甲醇组合燃烧系统的特性，将组合燃烧发动机运行控制工况分进 行以下划分f 4 5 】： l 、起动工况 发动机从停止状态开始，在起动电机拖转的情况下转速提升，当柴油机能够 通过自身循环维持运转时，起动过程结束，进入怠速工况。 2 、怠速工况 发动机油门控制手柄处于怠速位置，并且转速维持在怠速运行范围内。 3 、稳态运行工况 发动机脱离怠速运行工况，发动机转速、油门开度以及冷却水温均达到组合 燃烧系统的设定值 4 、急减速工况 油门控制手柄从非怠速位置急速收回到怠速位置，但是发动机转速仍然较 高。 5 、急加速工况 油门控制手柄增大的变化速率超过设定值。 6 、过渡工况 过渡工况分为两种情况： a ) 发动机从纯柴油工作模式过渡到柴油一甲醇组合燃烧工作模式； b ) 发动机从柴油一甲醇组合燃烧工作模式过渡到纯柴油工作模式。这是组合 燃烧特有的一类工作工况。 2 1 1 发动机起动及怠速控制策略 在柴油机起动的时候，尤其是在冷机状况下起动，由于机体的温度较低，甲 醇燃烧火焰遇到缸壁会发生猝熄，甲醇不完全燃烧会产生甲醛等有害中间产物， 第二章组合燃烧控制策略及控制软件 因此，在柴油机起动以及怠速工况下组合燃烧发动机仅使用柴油。台架试验结果 也表明冷起动以及怠速状况下喷射甲醇后不仅会造成排放的恶化，而且使得燃油 经济性变差【4 1 】。 2 1 2 过渡工况的控制 当e c u 判断发动机的各运行参数达到了组合燃烧条件后，发动机便由纯柴 油工作模式过渡到组合燃烧模式，因此，喷醇量将由零突然阶跃到一个控制值t ， 燃料的突然增加将导致发动机扭矩输出不平稳。因此当e c u 监控到柴油机由纯 柴油模式过渡到组合燃烧模式后，强制程序进入过渡工况控制模块。 过渡工况控制模块采用“迟滞算法 将甲醇目标喷射控制量按照一定的比例 加权后作为实际喷醇控制量输出。通过这样过渡工况迟滞算法能够达到发动机扭 矩平稳过渡的目的。计算方法见图2 4 ： 图2 4 过渡工况迟滞算法 当发动机由组合燃烧模式向纯柴油模式过渡时，e c u 不做特殊处理，甲醇 喷射控制量从控制值立刻降为零。 2 1 3 急加速、急减速工况 e c u 通过油门控制手柄位置传感器检测到油门控制手柄位置打开速率过快 时，即v 值大于设定值s ( 见公式2 1 ) ，表明驾驶员需要急加速，此时e c u 根据油门打开加速度控制m a p 进行插值，得到急加速甲醇喷射控制修正系数， 在基本喷射脉宽的基础上增加喷射量( 见公式2 2 ) 。当急加速过程结束后，即 v 值小于设定值s ，甲醇喷射控制恢复到正常控制。 a v = 形+ l 一形2s f ，一1 、 式中：a v 油门打开速率；“一后一时刻油门对应电压值； 第二章组合燃烧控制策略及控制软件 前一时刻油门对应电压值；s - 急加速判断设定值 t = 正( 1 + z ) ( 2 2 ) 式中：r 一喷醇时间；互一基本喷醇时间；z 一急加速修正系数 e c u 检测到油门控制手柄位置减小速率过快时，即a f 值小于设定值p ( 见 公式2 3 ) ，表明驾驶员急收油门，此时e c u 将立刻停喷甲醇，并且停止甲醇 泵的工作。等到发动机恢复到组合燃烧工作条件状态下，e c u 再起动甲醇泵， 进入组合燃烧模式。 a f = 圪+ l k p ( 2 - - 3 ) 式中：p - 急减速判断设定值 2 1 4 稳态运行工况控制 柴油机进入正常运行工况后，e c u 将根据从传感器采集来的信号判断发动 机所处的工作状态。组合燃烧发动机在高压油泵的调节手柄处安装了一个油门控 制手柄位置传感器，该传感器的作用是在驾驶员踩下油门踏板后，将调解手柄的 转动量转换成电压信号，e c u 通过该信号来感知驾驶员的意图，并判断发动机 的负荷大小。 在控制芯片的内部数据存储区部分存储了经过标定的m a p 数据，m a p 数据 以二维数组的形式保存，数组的两维分别代表油门开度和发动机转速，数组的数 据是甲醇的喷射控制量，图2 6 显示的是发动机台架标定m a p 图。发动机的 控制m a p 仅仅是有限的二维数据点，但是发动机在实际运行过程中的转速和油 门控制手柄位置很难与控制m a p 图中的数据重合，因此必须采用控制算法将有 限、离散的二维m a p 数据变成连续的m a p 数据，这样才能满足发动机的实际 运行工况要求。 控制软件采用二维三次全区间插值方法对标定m a p 数据进行计算删f 4 7 】【4 8 1 ， 插值方法中的一维是发动机转速n ，另外一维是油门开度 i t ，该方法中最重要的 一个概念就是m a p 网格。图2 5 中m a p 网格点共有5 点，其中点l 点4 均为 台架标定试验中确定的二维m a p 数据点，每一个点都是有具体的发动机转速1 1 和 油门开度q 对应的一个甲醇控制喷射量m 。点5 则代表发动机实际运转过程中的 工况点，运行工况点与m a p 标定点根本不重合，因此为了确定点5 的甲醇控制 喷射量m 5 ，必须采用插值方法，具体介绍如下： 首先判断出发动机运行工况点5 所处的m a p 网格区域，即确定与目前发动 机转速n 5 和油门开度q5 临近的四个标定m a p 点。之后，按照油门开度ql 和q2 方 向上进行插值，求出m 。见图2 5 ，计算方法见公式( 2 4 ) 第二章组合燃烧控制策略及控制软件 m 。：竺! ! 竺 竺! ! 竺! ! ! ! ：! ( 2 4 ) 。 q ，一q 1 。 进行完垅，的插值后，在按照油门开度q3 和q4 方向上进行插值，求出m ，”见 图2 5 ，计算方法见公式( 2 5 ) m ；”：竺i ! 竺! = 竺! ! 竺! ! ! i = ! ! !( 2 5 ) 。 a 3 一4 求得了m ，和m ，”之后，还并没能得到发动机运行工况点5 的甲醇控制量m ， 值，还需要在发动机转速n l 和n 4 方向上进行插值，最后求得m ，计算方法见公 式( 2 6 ) 珑，：旦鱼三盟竺丛型 ( 2 6 ) f 4 一以l 经过三次插值后得到了发动机运行工况点5 ( n 5 ，q5 ) 所对应的甲醇喷射控 制量m 。通过这样的插值算法能够求得所需要的控制量，但是，这样插值求得 的甲醇喷射控制量m 。有一个缺点，主要是插值点从一个m a p 网格变动到另一个 m a p 网格时，插值方法得到的甲醇控制喷射量是连续变化的，但是，插值函数 的梯度在每个m a p 网格边界上是不连续变化的。因此，为了得到更加平滑的插 值数据，就必须采用双三次插值方法。 点l ( n l ，q1 ) 点4 ( n 4 ，4 ) f 、 厂插值点 广 j【 m 5 j 1r1，1 ， 厶_ 点5 ( n 5 ，q5 ) l- j ， l 插值点1 r 1 m s ” 图2 5m a p 网格 点2 ( n 2 ，q2 ) 点3 ( n 3 ，a3 ) 双三次插值方法不仅要求m a p 点l 点4 的甲醇喷射控制量m l ( i i l ，q1 ) m 4 ( r u ，( 1 i4 ) ，而且还要得出每个m a p 点的指定梯度a m 0 n 和a m , 9 ( x 以及混合偏导 数a 2 m a n a a ，同样按照公式( 2 4 ) 公式( 2 6 ) 的计算方法，可以计算出 发动机实际运行工况点5 ( n 5 ，a5 ) 处的梯度，根据梯度便可以计算出工况点5 的 甲醇控制量m s ( n 5 ，a5 ) 。采用双三次插值方法的最大优点便是工况点从一个m a p 第二章组合燃烧控制簟略及控制软件 网格变化到另外一个m a p 网格的时候，甲醇喷射控制量以及对应的梯度变化都 是连续的，这样计算出的m a p 数据变得更加平滑。 图2 7 显示的是通过控制软件计算后得出的控制m a p 国。通过控制软件 计算后，可以明显看出控制m a p 变得连续、平滑，能够精确得出发动机运行过 程中任意转速和油门控制手柄位置对应的甲醇控制量。 图2 6 标定m a p 数据图2 7 控制算法计算后的m a p 数据 在发动机正常运行工况中，柴油机的机体温度对组合燃烧的影响较大。因为 甲醇的汽化潜熟值为l0 8 8 m j k g m 】约相当于柴油的4 倍，当甲醇喷射进入进 气岐管后，需要吸收大量的热量进行蒸发与空气混合形成均质混台气。如果机体 温度过低将会导致部分甲醇不能完全蒸发，缸内可燃混台气浓度分布将非常不均 匀，导致部分区域过量空气系数过低，燃烧不充分、燃油消耗率增加、排放恶化。 因此控制过程中采用水温对甲醇喷射控制量进行，反馈控制，见公式( 2 7 ) 和 图2 - - 8 。 t = fx ( 1 + ，+ ，) 其中：t 一喷醇时间；z 一基本喷醇时间；f ( 2 - 7 ) 水温修正系数； 一急加速修正系数 图2 8 水温修正喷醇示意图 第二章组合燃烧控制策略及控制软件 2 2e c u 控制软件 该软件通过对各路传感器信号的识别，能够准确地判断柴油一甲醇组合燃烧 发动机的运行工况。在发动机电子控制单元的内部数据存储区间内存储了发动机 运行二维控制m a p 图，该软件通过特定计算方法将二维控制m a p 图中有限的 控制量转变成连续的控制量，根据发动机负荷的变化自动定时定量的控制甲醇燃 料喷射电磁阀。 软件具备o b d 系统功能( 车载诊断技术) ，能够在发动机运行过程中实时检 测组合燃烧发动机电子控制单元各组成部分工作情况，如出现异常，根据软件特 定算法判断故障，提醒用户故障发生。 软件采用模块化设计思想，自顶而下、逐步细化的结构化软件设计方法。 2 2 1 软件主体程序模块 控制软件主体分为八个子模块，在发动机运行过程中，主程序按照一定的优 先级别调用不同的子模块。主程序模块见图2 9 【5 0 】【5 l 】【5 2 1 ： 图2 9 主程序模块 e c u 内核激活哪个子模块称之为策略的调度，也就是把c p u 的占用权交给 相应子模块，同时还要提供模块之间的切换和中断之间的切换。 通用操作系统的任务调度算法和嵌入式操作系统的任务调度算法在调度目 标上有着本质的区别。通用操作系统任务的调度算法目标是对各个任务公平处 理，平均响应时间短，运转周期短，吞吐量大。然而嵌入式系统则要求实时处理， 把高优先级任务的及时执行作为调度算法的目标。 在系统初始化时给每个子模块分配一个优先级，当一个子模块己被调用，访 第二章组合燃烧控制策略及控制软件 问同一资源的任务即使其优先级比正在运行的任务优先级高也不能进入运行状 态，只有占用c p u 资源的子模块释放c p u 资源后，后续任务中优先级别较高的 子模块才能进入运行状态。 2 2 2 系统初始化模块 该模块包括三个子模块。其中c p u 初始化模块包括：c p u 时钟初始化、c p u 引脚初始化、内存地址初始化、c p u 定时器初始化、中断初始化等，见图2 1 0 。 软件运行初始化子模块功能是初始化各个功能模块算法优先级。 初始故障诊断子模块功能是在系统上电后，自动检测各路传感器是否连接正 常，如果发现关键传感器无信号或者信号异常，该子模块会立刻将故障码存储， 并且提示司机发生故障。 r _ l 系统初始化模块i i。，j 2 2 3 通讯模块 图2 1 0 初始化模块 通讯模块分为三个子模块，包括c a n 通讯模块、k l i n e 通讯模块、串口通 讯模块，见图2 1 1 。 图2 11 通讯模块 第二章组合燃烧控制策略及控制软件 c a n 通讯模块采用c a n 2 0 b ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 标准格式，具有1 1 位标识符帧。k l i n e 通讯模块采用( k e yw o r dp r o t o c o l2 0 0 0 ) 协议，分为三部 分：物理层、数据链入层、应用层。 其中c a n 通讯模块和k l i n e 通讯模块均可用于整车通讯，标定模块。串i s ! 通讯模块，不能用于整车通讯以及标定模块，但是与上位机的通讯非常方便，直 接使用电脑“开始菜单”中的“超级终端 即可显示e c u 的控制参数，但是无 法同时显示全部控制及采集参数。 2 2 4 模拟信号处理模块 模拟信号处理模块分为三类，见图2 一1 2 。发动机冷却水温传感器是热电阻 型式，通过e c u 硬件处理