（机械制造及其自动化专业论文）cng和汽油两用燃料发动机电控单元硬件研究.pdf

摘要 摘要 c n g 是清洁燃料，在发动机应用中相对于汽油燃料具有排放性好和经 济性高的优势。而且我国的天然气储量巨大。在汽车中应用c n g 燃料，可 以充分利用现有的资源，减轻汽车的尾气排放并提高车辆运营的经济性。 限于我国汽车工业的发展，c n g 燃料的应用研究尚处于起步阶段，专 用的c n g 燃料发动机尚不多见，c n g 加气站等配套设施也不完善。因此， 借助汽油机进行c n g 燃料的应用研究，开发c n g 和汽油两用燃料的发动机 系统具有重大现实意义。 本文的主要工作如下： 分析了c n g 和汽油燃料在应用特性上的差别以及不同的c n g 供给方式 对发动机性能造成的影响，提出了基于a j r1 8 l2 v q s e a8 2 7n f 发动机的 两用燃料发动机系统实现方案。 介绍了两用燃料发动机系统中重要的传感器并分析了其信号特性，提出 了各个信号的调理方式和处理逻辑，并以此设计了硬件的接口电路；根据 c n g 和汽油喷射阀的特性，分析了两种喷射阀的驱动要求，设计了相关的 驱动电路，实现了c n g 和汽油喷射阀的可靠驱动并通过了实验验证。 从元件选择、e m c 设计、元件可靠性保证等几方面分析了e c u 系统中 硬件可靠性设计的需求，给出了时钟、端口等电路的可靠性设计方案，并重 点介绍了c n g 喷射阀驱动电路的可靠性设计。 最后，结合m a c 7 1 11 微控制器和e c u 中硬件电路的特性，设计了两用 燃料发动机管理中数据采集、驱动控制等底层逻辑，为发动机管理系统中高 层软件的开发提供了高效、可靠的底层逻辑。 整个e c u 硬件系统具有传感器接口和c n g 、汽油喷射阀的驱动电路， 在软件控制下实现了两用燃料发动机系统管理的基本工作。整个两用燃料发 动机管理系统可在实验室硬件在环仿真系统的测试下可靠的工作。 关键词：c n g , 两用燃料发动机，电控单元，传感器接口，喷射阀驱动，可靠性，控 制逻辑 a b s t r a c t a b s t r a ct a sag r e e nf u e l ，c n gf e a t u r e sl e s se x p e n s ea n dar a t h e rl o we x h a u s t p o l l u t i o nc o m p a r e dt og a s o l i n ei nt h ee n g i n ef u e la p p l i c a t i o n 。a n do u rc o u n t r y h a sal a r g en a t u r a lg a ss t o r a g e t h u s ，a p p l y i n gc n gi na u t o m o t i v e sc o u l df u l l y u t i l i z et h en a t u r a lg a sr e s o u r c e ，r e d u c et h ee x h a u s tp o l l u t i o na n do p e r a t i n g e x p e n s eo ft h ev e h i c l e s t h er e s e a r c ho fc n ga p p l i c a t i o ni s j u s t s t a r t e dd u et ot h ea u t o m o t i v e i n d u s t r yd e v e l o p m e n td o m e s t i c e n g i n e ss p e c i a l l yd e s i g n e df o rc n ga r er a r e a n dt h ec n gs t a t i o n sa r en o tf u l l ye s t a b l i s h e d s oc a r r y i n go u tt h ea p p l i c a t i o n r e s e a r c ho fc n gb a s e do ng a s o l i n ee n g i n e sa n d d e v e l o p i n gb i f u e le n g i n es y s t e m f o rc n ga n dg a s o l i n eh a sg r e a ts i g n i f i c a n c e t h i sd i s s e r t a t i o nf a l l si n t of o u ra s p e c t sb e l o w ： t h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nc n ga n dg a s o l i n ei nt h ee n g i n ea p p l i c a t i o na n d e n g i n ep e r f o r m a n c e su n d e rd i f f e r e n tc n gs u p p l ym e t h o d sa r ed i s c u s s e d t h e n t h eb i f u e le n g i n es y s t e ms o l u t i o nf o rc n ga n dg a s o l i n eb a s e do na j r1 8 l 2 v q s e a8 2 7n fg a s o l i n ei sp r o p o s e d h a n d l i n gl o g i c sf o rs e n s o rs i g n a l sa r ed e v e l o p e da n dr e l a t e dh a r d w a r e i n t e r f a c e sa r ed e s i g n e db a s e do nt h ea n a l y s i so fi m p o r t a n ts e n s o r sa n dt h e i r s i g n a lc h a r a c t e r i s t i c ；t h ec n ga n dg a s o l i n ei n j e c t o rc h a r a c t e r i s t i ca n dt h e i r d e m a n df o rd r i v i n gc i r c u i ti si n t r o d u c e d i n j e c t o rd r i v i n gc i r c u i t sa r ed e s i g n e d ， w h i c hd r i v et h ei n je c t o r sp r o p e r l ya n d p a s st h el a bt e s t t h ed e m a n do fh a r d w a r er e l i a b i l i t yd e s i g ni na u t o m o t i v ee n v i r o n m e n ti s a n a l y z e df r o mc o m p o n e n ts e l e c t i o na n de m cd e s i g na s p e c t s ；s o l u t i o nf o rc l o c k c i r c u i t ，i 0p o r tc i r c u i ta n dc n gi n je c t o rc i r c u i ti sg i v e n a n dt h em o s t e m p h a s i si sl a i du p o nt h ec n gi n j e c t o rd r i v i n gc i r c u i tr e l i a b i l i t yd e s i g n l a s t ，t h ed a t aa c q u i s i t i o na n da c t u a t o r d r i v i n gl o g i c s ，w h i c hp r o v i d e e f f i c i e n ta n dr e l i a b l yl o wl e v e ll o g i cf o rt h eu p p e rl e v e ls o f t w a r ei nt h ee n g i n e m a n a g e m e n ts y s t e m ，a r ed e v e l o p e du p o nt h em a c 7 111m i c r o c o n t r o l l e ra n d i i a b s t r a c t f o r m e rd e s c r i b e de c ：uh a r d w a r e t h ee c uh a r d w a r ew i t hs e n s o ri n t e r f a c ea n di n je c t o rd r i v i n gc i r c u i tc o u l d f u l f i l lb a s i cf u n c t i o ni nb i f u e le n g i n em a n a g e m e n tu n d e rs o f t w a r ec o n t r 0 1 t h e w h o l eb i f u e l e n g i n em a n a g e m e n ts y s t e m c o u l d o p e r a t er e l i a b l y i n h a r d w a r e i n - t h e l o o ps i m u l a t i o nu n d e rl a be n v i r o n m e n t k e y w o r d s ：c ng ，b i f u e le n g i n e ，e n g i n ec o n t r o lu n i t ，s e n s o ri n t e r f a c e ，i n j e c t o r d r i v i n g ，r e l i a b i l i t y , c o n t r o ll o g i c i i i 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 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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 为获得电子科技大学或其它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 确的说明并表示谢意。 关于论文使用授权的说明 石月d 目 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘厂允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：么逮盘导师签名：壅： ：塞 日期：o 四矿年么月毒厂日 第一章引言 1 1 应用背景 第一章引言 随着世界各国对汽车尾气排放污染的重视，日益严格的排放标准依次出 台，各国投入大量的人力物力财力进行发动机技术的更新和清洁能源的开 及。 计算机控制技术的发展给汽车行业带来了一场革命，通过应用基于高速 微处理器系统的电控燃油喷射技术，发动机的喷油时刻、喷油量和点火时刻 的精确控制成为现实。在不改变原发动机结构的情况下，电喷系统的应用可 以使燃料获得充足的氧气，进而在气缸内充分燃烧，在减轻尾气排放同时提 高燃料效率，提升发动机的功率和扭矩，降低了燃料消耗；喷油量的精确控 制使每个气缸进入的燃料量可以在很大程度上保持一致，在做功过程中保持 平衡，降低了工作过程中的震动和噪声，发动机工作的平顺性更好。 自2 0 世纪8 0 年代以来，电控燃油喷射系统以燃油经济性、排放环保性 和对发动机性能的大幅提升等种种优势开始逐渐取代化油器系统，应用在 美、日、欧洲的车用汽油机上。1 9 9 5 年后，国外几乎所有的新生产汽车都 采用了电控燃油喷射系统。目前，国外的汽车生产商制造的进气道多点喷射 系统已经比较完善，正积极开发缸内直喷技术和高压共轨的柴油机电喷技 术。 在另一方面，无论是工业生产还是社会生活，现代社会的每个角落都留 下了石油化工的印记。极大依赖石油化工的现代社会的发展，使世界上石油 类化石燃料的消耗量增长迅速，石油的稳定供给成为一个国家的战略性问 题。在海湾战争爆发后，此类问题愈发突出。 在倡导生态环保的2 1 世纪，清洁能源将大行其道，石油能源的地位将 会受到挑战。在此情况下，各国积极投入到清洁环保能源的研究发展中，出 现了以太阳能和燃料电池电能驱动的概念汽车。但太阳能和燃料电池技术的 发展还远不成熟，在相当长的一段时间内，石油能源驱动的车辆依然会普遍 存在并占统治地位，替代燃料或者混合燃料应用的研究将是现阶段的主要研 电子科技大学硕士学位论文 究方向。 c n g 化学性质稳定，着火范围较窄，过浓或过稀都不易点燃；辛烷值较 高( 12 0 以上，汽油为10 2 1 0 5 ) ，抗爆性能好，可以通过提高发动机的压缩 比来提升c n g 发动机的功率；但c n g 的自燃温度高，火焰传播速度慢，会 导致发动机的热效率下降【1 1 。实验表吲2 1 ，在将发动机改装使用c n g 燃料 后，尾气排放中的h c 、c o 和n o 分别相当于使用汽油的2 6 1 、16 9 和 2 3 6 。而且，c n g 燃料具有相对低廉的价格，每立方米天然气的价格约为 每升汽油的一半。在国内石油资源短缺而天然气资源相对丰富的情况下，为 了获得较好的经济性并保证尾气的排放，国内大学和企业纷纷进行c n g 燃 料的应用研究。 1 2 两用燃料技术的研究现状和发展趋势 国外对清洁燃料特别是n g 燃料的应用研究起步较早，集中在c n g l n g 燃料的单独应用、c n g l n g 燃料与其他燃料的混合燃烧、专用发动机技术 的开发等领域。目前美国和欧洲在c n g 燃料的应用技术方面发展的较为成 熟。到目前为止，美国有底特律柴油机公司、w e s t p o r t 等多家公司进行n g 燃料应用的研究，其中w e s t p o r t 在技术上比较领先的，研发了比较完善的 c n g l n g 应用产品，包括高压直喷l n g 系统( h p d i ) 、c n g l n g 客车发 动机、l n g 储运设备，并开展将h p d i 系统应用到大功率矿运( 2 0 0 0 马力) 卡车动力系统上的试验。其i s lg 系列和c 系列c n g 发动机已开始大批商 用，应用于公交车辆的动力系统。欧洲的大众汽车的c a d d ye c o f u e l 、t o u r a n e c o f u e l ，欧宝公司z a f i r a1 6c n g 已经于2 0 0 6 年夏投入市场。德国国内0 6 年度注册的两用燃料汽车( c n g 汽油，c n g 柴油) 增长迅速，目前已突破 所有新注册乘用车辆的1 。菲亚特公司的p a n d ab i p o w e r 和本田公司单独 使用c n g 的轿车c i v i cg x 也将于2 0 0 7 年分别投入欧洲和美国市场。 相对于国外n g 燃料的应用研究，国内研究起步较晚，与国外技术差距 较大，研究力量较为分散，主要集中在北京理工大学、北方交通大学、哈尔 滨工程大学和西安交通大学等几所高校，未能有效与相关产业联合，将研究 成果更多的转化为实际的产品，推动我国在此领域的发展。 2 第一章引言 目前国内主要进行应用n g 燃料的基础研究，表现在两用燃料的应用方 式、应用n g 燃料后发动机特性和排放的研究及两用燃料发动机的应用改装 等几个方面。 在国内n g 燃料的应用实验过程中，通常改装的发动机仅在原发动机的 基础上增加供气设备，未对气缸结构作出适合c n g 燃料的改动，不改变压 缩比，在使用c n g 燃料后可以在中低负荷的情况下获得清洁的排放。但气 态c n g 燃料喷射到进气歧管内，最终会占用一定的气缸容积，导致气缸中 空气充气量下降，造成1 0 以上的动力损失【1 1 。 l n g 的缸内高压直喷技术可以避免燃料喷射过程中气缸充气量下降的 问题，提高发动机的功率；且l n g 在液化的过程中可以分离其他杂质成分， 使甲烷含量可以达到9 9 ，极大地减少了燃烧过程中含硫气体对气缸的腐 蚀，代表了n g 应用技术未来发展方向。l n g 技术的应用在国内还处于刚起 步的阶段，目前还集中在初期的外围设备的研究，重点在于解决l n g 的储 运问题，仅有北京理工大学进行了l n g 车用技术的研究并设计了用于l n g 发动机的电喷控制系统【3 】。 在商业应用上，截至2 0 0 4 年1 2 月，全国2 0 省市的n g 汽车( 包括汽 油c n g 两用燃料、c n g 单燃料、柴油和c n g 两用燃料汽车) 达到了1 0 5 7 0 0 辆，其中将原有的汽油发动机在不改变结构的前提下通过加装供气改装为可 以使用c n g 和汽油的两用燃料汽车占据了9 0 ，普遍出现于城市公共交通 车辆和出租车的c n g 燃料应用改装上【4 1 ；对于n g 发动机技术的应用，国 内仅有东风汽车公司研制生产了在e d q 系列增压中冷柴油发动机基础上改 装的c n g 专用发动机，并进行了小批量的量产。但其技术水平相对落后， 虽使用了稀燃技术可以减轻排放，但仅使用了单点c n g 喷射、混合器缸外 燃气混合和开环的空燃比控制，不能精确的闭环控制喷射到每个气缸的燃料 量，排放仅达到欧2 标准【5 1 。 1 3 发动机管理和e c u 技术的研究现状和发展趋势 发动机系统中传感器、执行器、相关的燃料供给设备与e c u ( e n g i n e c o n t r o lu n i t ) 和运行于e c u 之上的、进行发动机管理的软件构成了发动机 电子科技大学硕士学位论文 管理系统。其中e c u 硬件为发动机管理系统的基础，对发动机的工作过程 进行管理的软件则是发动机管理系统的核心。 目前，在发动机管理的核心技术基本由国外公司掌握，发动机管理系统 的市场也由国外公司垄断。全球发动机管理系统市场中9 5 的份额由德国博 世、西门子v d o 、德尔福、摩托罗拉和日本电装等几家大公司占有；国内 市场7 0 被博世、德尔福和日本电装三家公司占有，剩下的3 0 也被西门子 v d o 、摩托罗拉和玛瑞利等国外厂商所瓜分【6 】。 国外厂商在经历了几十年的发展之后，目前已经形成了非常完备的发动 机管理系统的开发体系，积累了丰富的开发经验和相关的技术。 国外厂商在发动机管理系统的开发上，相关的辅助开发和测试的手段非 常的完备，开发水平较高。国外的厂商分工明确，形成了比较完善的产业链 条：如d s p a c e 公司、n i 公司提供构建发动机管理系统开发平台的软硬件设 备；f r e e s c a l e 、英飞凌、s t 等半导体公司生产汽车电子元件；b o s c h 、d e l p h i 等公司基于已有的元件和开发平台进行e c u 和发动机管理中高压共轨、缸 内直喷等关键技术的研究；整车生产厂商则应用上述公司提供的解决方案， 开发适用于本厂车辆的发动机管理系统并应用d s p a c e 和v e c t o r 等公司的测 试平台进行开发过程中的调试和测试。 在发动机管理上，国外的厂商综合应用各种发动机管理技术，如稀燃技 术、可变气门升程和可变气门正时技术、缸内直喷技术、电子节气门控制技 术等，最大限度的提高发动机的动力性能，同时减少排放并提升发动机的经 济性。相关的传感器和执行器产品，如氧传感器、爆震传感器、m e m s 压力 传感器、燃料喷射阀等，也形成了完整的产品系列，并在技术上保持着较大 幅度的领先。 在e c u 硬件技术上，国外厂商微控制器和微处理器的应用、传感器信 号处理方式和执行器的驱动方式非常成熟，为了减小e c u 的体积并提高系 统的可靠性，国外厂商开发了专用的转速、爆震等传感器信号处理的专用集 成电路，如b o s c h 公司的磁电式转速传感器c y 3 0 7 】、爆震传感器信号调理 芯片c c l 9 5 8 】等。 国外公司e c u 产品通常以发动机管理系统的形式，与其发动机管理软 件一同向汽车制造厂商出售，e c u 的功能随目标发动机的配置不同而不同。 4 第一章引言 而国内高校在开展发动机管理技术的应用研究过程中常需要通用、低成本、 功能灵活的e c u 硬件平台。因此，很多高校开展e c u 技术的研究，作为发 动机管理技术研究的基础。 国内发动机管理技术的研究主要集中在高等院校和少数的几个公司。因 发动机管理系统的进入门槛较高，国内公司只有联合汽车电子( b o s c h 控股) 、 北京神州意昂、深圳康佳电子进行发动机管理系统产品的研发和生产。其中 康佳电子的微型车发动机管理系统目前已经通过了实车测试，进入量产阶 段，装备于东风微型车。 国内大学的应用研究主要集中在e c u 硬件技术、点火正时和空燃比控 制、稀薄燃烧技术、两用燃料的应用等几个方面。 在e c u 技术方面，清华大学、北方交通大学、北京理工大学、浙江大 学、哈尔滨工程大学走在国内高校的前列，进行诸多的应用研究。其中清华 大学在应用研究上较为领先，其研制的共轨系统高速电磁阀驱动模块，可进 行高压柴油的预喷射、主喷射和后喷射，达到了柴油机高压共轨燃油喷射系 统的要求【9 】【1 0 】【1 1 】。其他高校e c u 技术方面的研究【1 2 】【1 3 1 【14 1 ，从功能上看，大 多属于实验研究，主控制器速度较慢，软件功能相对简单；e c u 作为进行某 个发动机管理算法验证的实验平台，不具备实现完整的发动机管理所需要的 全部功能，在实验中处于从属地位。 此外，相关的辅助开发和测试的工具在国内公司尚无完整的解决方案， 国内高校的应用研究水平较低，尚停留简单的实验室开发阶段。在整体上， 国内技术力量同国外厂商之间存在着相当大的差距。在研发具有自主知识产 权的e c u 和国产发动机管理系统上，国内高校和厂商还有很漫长的一段路 要走。 随着排放标准的日益提高和用户对车辆动力性、经济性的关注，汽车生 产厂商普遍通过提升发动机管理的综合水平，采用精度更高的传感器和执行 器、更为复杂、更为先进的控制策略和处理能力更强的处理核心，来提高控 制的精确程度，最大限度的发挥每一滴燃料的潜力，减轻排放，提高发动机 的动力和经济性能。 在微处理器角度，e c u 中存在如闭环燃油喷射控制( 应用氧传感器进行 闭环的检测控制) 、点火正时( 实时爆震检测和点火提前角修正) 控制等诸 5 电子科技大学硕士学位论文 多的高精度的闭环控制任务和曲轴与凸轮轴信号处理、复杂喷射驱动波形发 生等时间信号处理任务( 会频繁的产生中断) ，需要微控制器微处理器具有 强大的运算能力和良好的时间任务处理能力。日益复杂的控制任务和控制要 求的不断提高，促使e c u 中的微控制器经历的8 位、1 6 位的历程，目前正 向着3 2 位、更高速度、更强的处理能力的趋势发展。f r e e s c a l e 公司基于 p o w e r p c 架构的m p c 5 0 0 系列车用微处理器越来越多的出现在e c u 中。 m p c 5 0 0 系列微处理器【l5 】具有较强的处理能力( 带有双精度浮点协处理器的 p o w e r p c 核心，最高工作频率4 0 m h z ) 、丰富的面向控制应用的外设接口( 增 强的模块化i 0 系统、3 2 通道的模数转换器、双c a n 控制器等) 和相当于 可编程协处理器的双通道t p u ( t i m ep r o c e s s i n gu n i t ) 。t p u 在代码的控制 下完成定时、输入捕获、输出比较等任务。应用t p u 进行复杂时间相关的 任务的处理可在很大程度上减轻c p u 的工作量，简化软件设计的复杂程度。 为了提高e c u 系统的可靠性，e c u 中器件的集成度越来越高，多元件 的信号处理和分立的系统管理电路逐渐被a s i c 取代，并向着控制和功率模 块整体集成化的方向发展。单单在整合能力上，国内公司与国外厂商之间的 差距已经越来越大，国内汽车工业的发展面临着严峻的挑战。 1 4 论文的研究背景和主要工作 l n g 燃料的缸内高压直喷方式可以使发动机保持动力性并极大的减轻 排放，代表了未来n g 燃料应用的发展方向。但在我国现阶段，l n g 的应用 规模较小，只存在于少数几个城市，配套设施多为进口或合资生产，不具备 自主的知识产权。而且l n g 设备价格昂贵，限制了l n g 的应用范围。此外， l n g 燃烧技术的基础研究只在部分高校内进行，尚未形成应用能力。关于 l n g 应用的研究重点也主要集中在l n g 储运上，l n g 的广泛应用还有待时 日。 我国国土天然气蕴藏量巨大，城市中c n g 加气站设施较为完备，为c n g 汽车的发展提供了较大的空间。加装传统的改装设备后，两用燃料汽车普遍 只具有单独使用c n g 燃料和单独使用汽油燃料两种工作模式。在发动机使 用c n g 燃料时，功率普遍下降，且较高的负荷下排放变差，c o 、n o x 等气 6 第一章引言 体浓度甚至超过使用汽油燃料时的排放值。在中低负荷的情况下使用c n g 燃料，在高负荷的情况下使用汽油或者汽油和c n g 的复合燃料，不仅可以 保持发动机的动力性，还可以使尾气排放维持在较低的水平【1 6 】。 因此，进行使用天然气和汽油为燃料的两用燃料发动机专用控制系统研 究，以提高当前两用燃料汽车中发动机管理水平、提升发动机的动力性能同 时最大限度的减轻尾气排放、充分利用我国的天然气资源，在当前具有重大 的现实意义。 目前我国国内汽油发动机动力车辆保有量巨大，特别是每年新增的轻型 车辆中，仅部分的皮卡和s u v 使用高压共轨柴油机作为动力。车辆市场发 展的现状决定了基于汽油机基础之上的两用燃料应用有着广阔的市场前景 和发展空间。 此外，轻型车辆用的汽油发动机管理技术发展比较成熟，如精确空燃比 控制、废气再循环控制、可变气门升程和可变配气相位控制、缸内汽油直喷 等，可以综合的将多种先进的发动机管理技术应用到两用燃料发动机的管理 中，提高发动机的综合性能。 此外，研究两用燃料发动机系统的专用e c u ，作为两用燃料发动机管理 系统中关键的组成部分和发动机管理系统软件的应用基础，为两用燃料的喷 射标定试验、点火正时试验和两用燃料的混合应用试验提供硬件平台。 本论文作为应用的基础研究，主要涉及如下的工作： 研究汽车动力系统中电喷系统的结构组成和工作原理。 对比分析c n g 和汽油的燃料特性以及c n g 燃料在汽油机上应用的 可行性，总结c n g 燃料在汽油机上应用需要解决的问题并提出相应 的实现方案。 研究两用燃料发动机系统中传感器信号的特性并设计相应的硬件的 接口电路。 设计可以对汽油、天然气的喷射进行精确控制的、应用于多点顺序 喷射发动机喷射阀驱动电路。 设计基于目标微控制器的信号处理逻辑和两用燃料发动机管理的底 层软件逻辑。 7 电子科技大学硕士学位论文 第二章两用燃料发动机系统总体设计 2 1 两用燃料发动机系统设计要求 对于汽油机基础之上的两用燃料发动机及其管理系统，存在以下设计的 要求： 两用燃料发动机系统在原有汽油发动机系统上进行改装，改装后的 发动机可以使用天然气或者汽油作为燃料且改装后的两用燃料发动 机系统具有良好的综合性能。 e c u 硬件可以连接两用燃料发动机系统中的关键传感器，如氧传感 器和爆震传感器，可以驱动汽油、c n g 燃料喷射阀和火花塞进行精 确的燃料喷射控制和点火时刻的控制。 e c u 硬件可以在发动机管理系统软件的控制下实现两用燃料发动机 管理的基本功能，使用人员能在c n g 和汽油两种运行模式之间方便 地进行切换。 2 2c n g 和汽油特性对比 c n g ( c o m p r e s s e dn a t u r a lg a s ) 是经过了干燥、净化和压缩等处理后的 高压气态天然气。甲烷( c h 4 ) 为c n g 的主要成分，其含量在c n g 中通常 占8 0 9 7 。对于组成成分为8 3 4 c h 4 、o 8 n 2 、1 5 8 c 2 h 6 的c n g ， 其特性如下表所示： 表2 ic n g 和汽油特性对比【1 7 】 燃料形态着火温度( )着火范围空燃比辛烷值 理论热值( m j k g ) c n g气态6 5 0o 5 8 1 81 6 71 3 04 8 8 7 汽油液态4 2 7o 4 一1 41 4 87 m 9 64 4 c n g 燃料相对于汽油具有较高的辛烷值，抗爆性更好。因此c n g 可以 应用在气缸压缩比未经过改动的汽油机上而在同样的点火提前角下不会频 繁的出现爆震。 第二章两用燃料发动机系统总体设计 2 2 1 动力性比较 在对比c n g 和汽油燃料的应用时，动力性是需要考虑的首要方面。在 内燃机理论中，常用有效功率和有效转矩来衡量发动机的动力性能。在内燃 机理论中，对于4 冲程的发动机，其有效功率为： 只= 紫 ( 2 - 1 ) 其中p m 。为发动机气缸的平均有效压力，v 。为气缸容积，i 为发动机气 缸数量，n 为发动机的转速。 发动机的有效转矩为： m ：6 0 i x1 0 - 0 0 p ：9 5 5 0 p , ：7 9 8 i , t l 。圪f(2-21tq 7 95 8 p22 ) 2 ：一2 2 s z () 2 刀”刀 而发动机的平均有效压力为 p 脚：_ h u _ r l 仇仉露，成 ( 2 3 ) 脚2 _ _ 仇仉露，成 ( 。) l o9 0 其中h u 为燃料的低热值，。为过量充气系数，l o 为l k g 燃料完全燃烧 所需要的空气量，1 1 i 为发动机的指示热效率，t 1 v 为充气效率，”。为换气效率， 1 1 m 为机械效率，p 。为进气歧管内空气密度。 在不改变原有汽油发动机结构的情况下，分别使用汽油和c n g 燃料按 照理论空燃比( 过量充气系数为1 ) 进行工作时，公式( 2 3 ) 中的m 。和1 1 m 相同，发动机气缸的平均有效压力由燃料低热值、空气量和发动机充排气效 率等参数决定。 天然气本身的热值比汽油稍高，但在形成混合气体时，因为空燃比的不 同，c n g 充分燃烧需要更多的空气，天然气和空气混合气体的热值相对于 汽油和空气混合气体的热值低，导致混合气体在做功过程中气缸压力下降， 造成发动机功率和转矩的下降。 日m 衄2 瓦再i - 历1 呖 2 - 4 其中h l 为c n g 的热值，h m i x 为混合气体的热值，u f 为c n g 的分子量， a f 为空燃比。对于组成成分为c h 4 8 3 4 、n 2 0 8 、c 2 h 6 1 5 8 的c n g ， 9 电子科技大学硕士学位论文 虽然c n g 燃料的理论热值比汽油高约1 1 ，但在与空气形成混合燃气后， 混合气的热值下降约8 ，直接导致在使用c n g 燃料时发动机的功率下降。 天然气在混合燃气中占有一定的体积，会造成发动机充气效率下降。文 献3 中的实验表明，在使用c n g 燃料时发动机的充气效率会下降1 0 1 3 。 此外，燃气发动机的有效热效率只有燃油发动机热效率的9 2 9 6 6 【1 7 】。 综合以上多种因素，在不改变原有汽油发动机结构的情况下直接应用 c n g 燃料时，发动机功率会相对于汽油下降9 1 5 【17 1 。 2 2 2 燃烧特性比较 甲烷的化学性质比较稳定，其着火温度通常要较汽油高2 0 0 多摄氏度， 点火系统需要较汽油发动机系统输出更多的能量保证在使用c n g 燃料时可 靠的点火。 此外，c n g 和空气的混合气燃烧速度较慢。实验表明 1 8 】：在过量空气 系数为o 7 5 1 2 5 范围内时，c h 4 与空气混合气的层流火焰速度( s l ) 3 3 8 c m s ，相对于汽油和空气混合气的层流火焰速度3 9 4 7 c m s 要低得多； c n g 与空气的混合气的急燃期较汽油空气混合气的急燃期长6 0 左右。因 此，在同等条件下，c n g 燃料燃烧时完全做功所需的时间较汽油燃料更长。 在发动机工作过程中气缸压力和温度上升缓慢，最大气缸压力出现在上止点 后，在燃料能量尚未完全释放的情况下气缸进入排气冲程，导致发动机效率 下降、排气温度和排气压力升高。c n g 因其具有较长的急燃期，不适合作 为高速内燃机的燃料。 使用c n g 燃料时最大气缸压力出现在上止点位置，可以充分利用燃料 能量，提高工作过程中气缸的最大压力，在部分程度上恢复c n g 发动机的 动力【1 9 】。在使用c n g 燃料时，通过增大点火提前角，对气缸内的混合燃气 进行提前点燃，或者增大点火能量，加快c n g 的燃烧速度，可以使最大气 缸压力点提前出现。点火能量的增大使c n g 燃烧速度加快，有助于减小点 火提前角【1 8 】。 此外，c n g 空气混合气具有较宽的发火界限，在过量空气系数为o 5 8 1 8 之间均可燃烧。利用c n g 燃料的这一特点，在发动机负荷较轻的情况下可 以采用稀薄燃烧，即利用大于理论空燃比的空气量与c n g 燃料混合燃烧， l o 第二章两用燃料发动机系统总体设计 提高发动机在中小负荷条件下的燃料经济性。 2 2 3 两用燃料发动机系统实现的关键技术 根据2 2 1 节和2 2 2 节中分析，使用c n g 燃料时发动机气缸压力降低 导致了发动机动力性能的下降，其主要原因是c n g 在混合气体中占用一定 的体积。 为了尽可能提高使用c n g 燃料时车辆的动力性能，在两用燃料发动机 系统实现过程中需要注意以下问题： ( 1 ) 提高原有发动机的压缩比，以提高在压缩行程末端气缸内的压力， 充分利用天然气燃料辛烷值较高的特点，提升使用c n g 燃料时的发动机扭 矩和发动机的效率【1 7 】【1 8 】【1 9 】【2 0 l 。文献2 0 中实验表明，在原压缩比为6 7 5 的 发动机上，将发动机的压缩比提高到8 7 5 ，使用天然气时发动机的最大功率 即可超过原发动机水平。但提高发动机的压缩比需要改变发动机的物理结 构，不适用于本文的改造方案。 ( 2 ) 采用合适的燃料供给的方式，使更多的空气进入气缸，提高发动 机的充气效率，从而提升使用c n g 燃料时发动机的功率。采用进气歧管多 点喷射或者缸内直喷的方式，可以提高发动机的充气效率；采用涡轮增压的 方式，可以提高进气歧管内空气的密度，进而提高发动机的充气效率，提升 发动机的动力性能。 ( 3 ) 采用高能点火并在使用c n g 燃料时适当增大点火提前角，提高活 塞到达上止点时气缸内的最大压力，减少使用c n g 燃料时发动机的功率损 失。 ( 4 ) 在发动机的经济性方面，在使用c n g 燃料时可以采用稀薄燃烧的 方式，即在理论的空燃比基础上减少c n g 燃料的喷射量，充分利用c n g 燃 料着火范围宽的特性，提高发动机在中低负荷条件下的经济性。 2 3c n g 供给方式的比较 在将汽油机基础上进行天然气和汽油两用燃料发动机系统实现时，通常 在不改变原有供油系统的情况下，增设储气瓶、减压阀等设备。通过减压阀 电子科技大学硕士学位论文 的天然气按照一定的方式与空气生成混合燃气，在气缸内燃烧做功，推动发 动机运转。按照混合气生成方式的不同，主要存在以下三种c n g 燃料的供 给方式： 2 3 1 混合器方式 在混合器方式中，c n g 燃料经过减压阀后在步进阀门的控制下，与空 气按照一定比例流入混合器生成混合气。混合气再通过各个气缸的通过进气 歧管，在气缸进气阀打开的时候进入气缸。 混合器改装方式可以在化油器汽车和多点电喷车辆上使用，具有较广的 应用范围。整个系统相当于电控单点喷射系统，其空燃比控制通过步进电机 节流阀控制流入混合器的燃料量实现。混合器还在发动机的空燃比控制过程 中引入了一个较长的惯性环节，带来响应时间长、控制精度低【2 1 】等弊端，造 成发动机在加减速的工况下不能迅速响应空燃比的变化，造成排放变差，从 而影响整体的排放效果。混合器还会在进气过程中引入阻力，降低发动机充 气效率；混合器的不同结构和结构参数也会影响发动机的性能和排放【2 2 1 。 此外，由于这种方式不能精确控制进入各个气缸的混合气的量，存在气 缸之间进气不均的情况，发动机工作过程中平顺性稍差。 2 3 2 进气歧管多点喷射方式 在进气歧管多点喷射方式中，天然气燃料的供给通过安装在每个气缸进 气歧管根部的高速电磁阀的开启操作实现。在电磁阀打开时，高压燃料在进 气歧管内与空气形成混合燃气进入气缸。 进气歧管多点燃料喷射方式可以克服混合器供气方式中存在的弊病。通 过控制高速电磁阀的开关时间，可以实现每个气缸定时定量的燃料喷射控 制，从而快速精确的进行空燃比的控制，使发动机具有良好的瞬态响应。因 其燃料喷射的时刻灵活，e c u 可以根据气门和活塞运动的相位关系进行供气 控制，在较大的转速区间内减轻或消除由于气门重叠角的存在而产生的燃气 直接溢出、恶化排放和燃料浪费等现象【23 1 。 1 2 第二章两用燃料发动机系统总体设计 2 3 3 缸内燃料直接喷射 在上述的两种改装方式中，c n g 燃料都会在混合气中占有一定的体积， 造成气缸的充气效率下降。缸内燃料直接喷射可以避免以上问题。 缸内燃料直接喷射方式中，气缸在吸气行程中吸入空气而不是带有燃料 的混合气：在气缸压缩行程中，进气阀关闭，高压燃料通过安装在气缸体上 的燃料喷射阀喷射入气缸与空气形成混合气体。 缸内直喷的天然气供给方式对空气充气量不存在影响，气缸可以吸入更 多的空气以便在做功行程中产生更大的气缸压力。因此，缸内直喷方式更适 合高压缩比的发动机。但高压下c n g 需要以更高的压力才能喷入气缸，c n g 燃料轨和喷射阀需要满足更高的要求；c n g 在高压下燃点升高，需要使用 电热塞加热或者是其他燃料引燃的辅助方式【23 1 。 2 4 两用燃料发动机空燃比控制 发动机在工作过程中，吸入气缸的空气质量与燃料质量之比，决定燃料 的燃烧速度和燃烧的充分程度，进而决定发动机的动力性、经济性和尾气排 放。空燃比控制也因此成为发动机管理中首要的控制任务。 l o1 21 41 61 82 0 图2 1 空燃比和发动机性能的关系图示【1 4 】 在发动机的工作中，空燃比控制可以分为开环空燃比控制和闭环空燃比 控制两种。在暖机启动、急加减速等工况中，发动机管理程序通过查找基本 喷油m a p 进行开环的空燃比控制；在稳态工况下，发动机管理系统根据传 感器的信号，对基本的喷油m a p 进行修正，进行闭环的空燃比控制。 电子科技大学硕士学位论文 2 4 1 基本喷油脉宽的确定 在发动机工作过程中，为了将空燃比控制在理论空燃比附近，基本喷油 脉宽由通过进气歧管的空气的量决定。 对于发动机中进气量的测量，存在d 型和l 型两种方式： “d 为德文“压力 的首字母，d 型测量方式即速度密度测量方式。 此方式通过安装在进气歧管上的进气压力传感器检测进气压力，作为吸入空 气的密度的判断依据，并由此计算单位时间内吸入空气的质量。此时进气歧 管压力作为控制喷油的主要依据；进气温度作为辅助信号，对吸入空气的密 度进行修正；节气门位置则作为负荷的判定依据。 在自然吸气发动机中( 非增压进气发动机) ，发动机依靠活塞的运动在 气缸和进气歧管中产生一定的真空度，从而吸入空气。在节气门开度小时， 单位时间进气量小，进气歧管真空度高，按照理论空燃比控制，则采用较短 的喷油脉宽：在节气门开度大时，单位时间进气量大，进气歧管真空度低， 则采用较长的喷油脉宽。 “l ”为德文“空气”的首字母。l 型测量方式即质量流量控制方式。此 方式通过空气流量计直接测量发动机吸入的控制量，测量的准确程度高于d 型，可更精确的进行空燃比控制。在应用中，常采用叶片式、热线式或是热 膜式的空气流量计。但空气流量计的造价相对于半导体进气歧管压力传感器 较为昂贵，在某种程度上限制了其应用。 2 4 2 传统氧传感器空燃比控制弊端 传统的氧传感器输出信号的范围在0 1 v - o 9 v 之间，其特性曲线如图2 2 所示。 当混合燃气( 汽油和空气) 为理论1 4 7 的空燃比时，氧传感器输出o 4 5 v 电压。因其特性曲线非常陡峭，当混合燃气的空燃比稍小于1 4 7 时，氧传 感器输出信号即跳变到o 6 v - o 9 v ；当混合燃气的空燃比稍大于1 4 7 时，氧 传感器输出信号即跳变到o 1 v - o 3 v 。混合燃气空燃比的进一步变化会导致 氧传感器输出进入饱和状态，无法反映实际空燃比偏离理论空燃比的程度。 1 4 第二章两用燃料发动机系统总体设计 图2 - 2 传统氧传感器特性 传统氧传感器可检测的范围较窄和输出信号的“开关”特性，决定了在 空燃比控制过程中，e c u 只能根据氧传感器输出的信号逐步增减或者减少燃 料喷射的脉冲宽度，直到混合气浓度达到理论的空燃比。采用传统氧传感器 时空燃比的控制过程较慢，使得发动机的瞬态响应较差，也无法进一步提升 尾气的排放。 此外，天然气( 10 0 甲烷) 理论空燃比为l6 7 ( 产地不同的天然气，其成 分也不尽同，理论空燃比在数值上也略有差异) 。传统氧传感器较窄的特性 使得在使用天然气燃料时，混合燃气在空燃比1 6 7 附近变化时，传感器输 出电压的变化幅度很小，难以进行有效的空燃比控制。 2 4 3 宽域空燃比传感器和p i d 空燃比控制 宽域氧传感器( w i d eb a n do x y g e ns