（车辆工程专业论文）双燃料发动机电子控制天然气喷射系统的研究.pdf

北方交通大学硕士学位论文 摘要 摘要 天然气作为车用发动机的代用燃料在解决能源短缺和降低排放污 染等方面具有独特的优越性，一直受到内燃机研究工作者的重视。 在双燃料发动机上采用电控喷射技术是改善发动机经济性能和排 放性能的有效措施。本文设计了一套电控燃气喷射系统，其中天然气 供气系统中采用高速电磁阀作为气体喷射器；电控单元的硬件系统中 采用了8 0 c 1 9 6 单片机作为核心器件，设计了合理的输入输出电路和 控制软件。同时，还研制了电控单元的监控模块，它以串行通讯方式 实现对状态参数的显示和控制参数的实时修改。本文详细论述了控制 单元、监控模块的硬软件设计，测定了天然气喷射器的流量特性并介 绍了控制脉谱图的制取和使用。 关键词：双燃料发动机电子控制天然气喷射系统 北方交通大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t n a t u r a lg a sa sa l t e r n a t i v ef u e li na u t o m o b i l eh a si t so w n a d v a n t a g e s i ns o l v i n gt h ep r o b l e m so ft h ee n e r g ys h o r t a g ea n ds e r i o u sa i rp o l l u t i o n ， f o ra l o n gt i m ee n g i n er e s e a r c h e r h a v eb e e n p a y i n g m u c ha t t e n t i o nt oi t a p p l y i n g t h et e c h n o l o g yo f e l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e di n j e c t i o ni nd u a l f u e l e n g i n e i sae f f e c t i v em e a s u r et h a t i m p r o v e f u e le c o n o m i c c h a r a c t e r i s t i ca n de m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c ，a n dt h ea u t h o r d e s i g n e d a n e l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e dn a t u r a lg a s 硒e c t i o ns y s t e m 、v i mas i n g l e - c h i p m i c r o p r o c e s s o ra st h ec p u o f t h ee l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ( e c u ) ，a n dw i t h h i 曲s p e e d v a l v ea sc n g i n j e c t o r t h er a t i o n a ls y s t e mo fi n p u ta n do u t p u t a n dc o n t r o l l e ds o f t w a r ew e r ed e s i g n e d i na d d i t i o n ，ak i n do fd e v e l o p i n g t o o lo ft h ec o n t r o l l e dn a t u r a lg a si n j e c t i o ns y s t e m - - t h et e s ta n dc o n t r o l m o d u l e ( t c m ) w a sd e v e l o p e dt ob r i n ga b o u tt h e r e a lt i m em o d i f i c a t i o n a n d d i s p l a y o ft h ec o n t r o l p a r a m e t e r s i nt h ee c u u s i n g s e r i a l c o m m u n i c a t i o n i nt h i sp a p e r ，t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e v e l o p m e n to f t h ee c ua n di t st c mw a sd i s c u s s e di nd e t a i l ，a n dh o w t om a k ea n du s e c o n t r o lm a pw a sm e n t i o n e d ，a n d t h ea u t h o rm e a s u r e dt h e f l o w c h a r a c t e r i s t i co f e l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e dg a si n j e c t o r k e y w o r d s ：d u a l f u e le n g i n e ，e l e c t r o n i cc o n t r o l n a t u r a lg a si n j e c t i o ns y s t e m 北方交通大学硕】二学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 双燃料发动机及天然气燃料特性 在本文中双燃料发动机是指以天然气作为主燃料，而少量柴油作 为辅助引燃燃料的发动机。 近二十年来，随着在世界范围内的汽车保有量迅速增加，汽车排 气污染物c o 、h c 、n o x 和微粒成分已经取代工业污染而成为大气污 染的重要来源，这些排放物对人体和动植物造成了严重危害。同时， 由于燃料的可获得性、价格以及燃料的环境影响，使发动机的燃料供 应在发动机应用工业的经济状态中起着很重要的作用，加之1 9 7 3 年石 油价格暴涨以来周期性的石油短缺，以及受能源危机的冲击，世界各 国尤其是工业发达国家制定了严格的燃油经济法规。同时为了保护环 境，越来越严格的汽车排放法规正在颁布和实施。面对节能和减少排 污两个主要问题，世界各国都在积极开发新能源，寻找代用燃料。其 中天然气以其价格低廉、排放污染低的突出优点倍受人们青睐，被认 为是很有前途的“低污染燃料”。由于代用燃料的开发工作势在必 行，这就需要将原来的发动机进行改装，使之能够燃用天然气，考虑 到天然气的着火点温度较高且不易压燃的特点，所以目前多数柴油机 改装方案是将其改装成为柴油一天然气双燃料发动机，在这个改装过 程中，天然气供给系统的研制是项非常重要的工作。 由于对柴油机日益严格的节能、排放等多方面的要求，除了采用 代用燃料外，也对柴油机的调节控制提出了高精度、多参数的要求， 使用类似于传统的机械式燃油喷射系统的天然气喷射系统是无法满足 上述要求的，随羞微电子技术的发展，在柴油机机械式燃油喷射系统 逐渐为电控喷射系统所代替的趋势下，国外双燃料发动机的天然气喷 射系统也以采用电子控制的喷射系统为新的研究热点。 型垡堕塑堑燮兰竺堡苎 苎二里堕堡 天然气与柴油相比，具有良好的燃料可获得性、低污染性、经济 性，所以在相当长的时间内天然气是发动机的一种非常实用的代用燃 料。以柴油为引燃燃料的双燃料发动机因其具有使用燃料较为灵活的 特点而具有良好的推广前景。将柴油机的电控技术应用于此，又大大 改善了双燃料发动机的性能。有数据表明，双燃料电控发动机在高负 荷工况时甚至能超过原柴油机的热效率及承载能力。 发动机燃用天然气，会减少引起气缸活塞组零件磨料磨损的固体 碳颗粒的形成，这就可使发动机大修周期和机油的更换周期延长一 倍，并减少了排入大气的烟灰、致癌物质和氮氧化物。且天然气的价 格比柴油低。但双燃料发动机有在低负荷时特性不够完善的弱点，还 有待于进一步探讨和研究吼 天然气是一种优质的气体燃料，它常产于开采石油的油田或天然 气田。油田伴生的天然气中含有石油蒸气，被称为伴生气或石油气， 它含有较多的重碳氢化合物。纯粹气田产的天然气因不含石油蒸气被 称为干天然气，其主要成分先甲烷，其次为乙烷等饱和碳氢化台物。 甲烷在天然气中的含量约为9 0 以上，除了碳氢化合物以外，天然气 中还含有少量的c 0 2 、n 2 、0 2 、h 2 s 等。我国部分地区天然气成分如 表1 1 【2 1 。 表1 1 天然气基本成分 名称c h 4 c 2 h 6c 3 h sc 4 h i oc m h nh 2h 2 sc 0 2n 2 气 _ f 天然气( 心川)9 72 07 020l0 l1 00 7 油l i l 天然气( 四川) 8 85 9 60 62 0 2l5 40 0 60 0 702l4 6 大庆天然气9 l0 51 6 427 02 2 3 j0 9 2 北方交通人学硕十学位论文 第一章绪论 表1 2 为天然气与柴油燃料特性的比较”】。 理化性质天然气柴油 标准状态f 密度( k g m 3 ) o 7 1 58 4 0 沸点一1 6 l1 7 0 3 5 0 理论空燃比质量比1 7 0 ：11 4 ，3 ：1 体积比 9 7 0 ：l9 4 1 7 ：1 低热值( m j k g ) 4 9 8 1 34 2 5 混合气热值( k g m 3 ) 3 3 9 43 7 9 0 辛烷值( r o n )1 3 0 十六烷值 4 5 6 5 燃烧极限( 体积) 5 1 51 5 8 2 火焰传播速度( c m s )3 7 火焰温度( 在空气中) 1 8 7 5 着火温度( 常压下，) 5 3 73 8 0 另外，使用天然气作为发动机主要燃料还有以下优点： ( 1 ) 有害排放低。天然气在常温下为气态，以气态进入发动机， 燃料与空气同相，混合均匀，燃烧比较完全，呵大幅降低c o 和h c 的排放量，彻底改善排放中的微粒污染问题。天然气经净化处理后， 其有害物质的含量比液体燃料也要小得多，如硫的含量可降到3 p p m 以下，远低于柴油的o 1 o 2 ，由于天然气火焰温度低，也会使氮 氧化物排放量减少，同时，由于咀甲烷为主要成分的天然气是碳氢原 予比较小的烃类化合物，以产生相同热量计算甲烷产生的二氧化碳也 可比柴油降低1 5 以上。 ( 2 ) 天然气辛烷值高，抗爆震性能好。 ( 3 ) 以天然气为主要燃料的发动机，冷起动性能好，运转平稳， 北方交通大学硕士学位论史 第一章绪论 天然气中不含柴油中存在的胶质，因而在燃烧中不会产生如柴油燃料 中胶质产生的积碳，同样由于其硫含量和机械杂质均远低于柴油，对 气缸、活塞、活塞环和气门等零部件的危害较小。另外气体燃料不会 对机油产生稀释，因此发动机寿命长，其使用期限和大修之间的里程 可提高o 5 1 倍，不用经常注入新机油，提高发动机机油的使用期 限，从而使其消耗量降低3 0 4 0 。由于气体燃料的能量特点就可 以制造出具有更高燃料经济性、寿命和生态指标的双燃料发动机【3 1 。 ( 4 ) 天然气的安全性高，天然气是一种高燃点的低密度气体，它 比空气轻，在使用过程中一旦出现泄漏，天然气会很快向四周扩散开， 不易形成爆炸所需要的混合气浓度，因此，在正常的温度和压力下， 不容易发生燃烧和爆炸。 ( 5 ) 天然气资源丰富，许多国家的压缩天然气( c n g ) 价格比柴 油低，目前在全球范围内的油气差价是发展双燃料发动机的效益基 础，以我国目前油气价格计算，l k g 柴油价格为2 9 元左右，而天然气 价格约为1 6 0 元m 3 ，算上压缩成本0 4 元r n 3 。而从热值上看，1 2 6 k g 柴油和l k g 的c n g 相当，即原来燃烧l k g 的柴油，如今燃烧天然气 发出同样的热量可以节约0 7 元，可见其经济效益十分可观。 但天然气作为发动机燃料也存在以下缺点： ( 1 ) 天然气是一种密度较低的气体燃料，当0 【= 1 时，天然气与空 气形成的混合气体积中含有天然气1 0 左右，若采用缸外混合方式， 就会减少进入气缸的空气量，充气效率比使用液体燃料约低1 0 。 ( 2 ) 由于天然气密度低，不如柴油容易储存，天然气以高压形式 储存在气瓶内，将使汽车本身的质量加大。若天然气输气管线、加气 站没有形成网络，天然气在发动机上的应用将会受到限制a 北方交通大学硕上学位论文 第一章绪论 1 2 天然气供气系统的国内外研究状况 天然气作为汽车发动机燃料的历史可以追溯到内燃机研制初 期，使用压缩天然气( c n g ) 作为汽车燃料始于三十年代意大利，后 来主要由于其储存携带及补充不方便才逐步让位于液体燃料柴油和汽 油。7 0 年代以来，尤其是中东石油危机爆发以后，人们逐步认识到使 用天然气代替传统的石油产品作为内燃机燃料具有经济、清洁等突出 优点后，加快了天然气汽车的发展与技术进步，在天然气资源丰富的 巴西、俄罗斯、西欧、澳大利亚和新西兰等国家和地区以及受到环保 法规和国家政策制约的美国、日本等，天然气汽车的发展十分迅速。 目前，从双燃料发动机的天然气供给方式上来讲，主要有混合器 法和阀喷射法。混合器法是为每个气缸连续供气。其主要特点是利用 混合器的前后压差来控制燃气流量阀的开度，使一定比例的空气在混 合器中混合，形成可燃混合气。这种混合器法不能准确的控制空燃比， 因此发动机的排放性能较差。但近年来某些双燃料发动机上采用了电 控混合器，通过氧传感器检测排气中氧的浓度，控制电磁阀开启时间 的延长与缩短，这样使空燃比维持在理论水平上。如美国 i m p c o ( i m p c o t e c h n o l o g i e s r n c ) 公司生产了先进的 a f e ( a d v a c e d f u e l e l e c t r o m e c s ) 和a d p ( a d a p t i v e d i g i t a lp r o c e s s o r ) 系统。a f e 系统包括c n g 高压减压阀、电 磁开关阀、低压减压阀、燃气质量流量传感器和流量控制阀、燃气分 配器、通迅接口、a f e c u 、相应传感器及通讯线等，微处理器根据发 动机转速和气体燃料质量流量控制空燃比：a p d 系统则是利用发动机 转速、进气管压强及氧传感器信号调节空燃比1 5 j 。 阀喷射法可实现对每一个气缸定时供气。对于增压柴油机来讲， 因其进气门开启与排气门关闭之间的气门重叠角大( 可达曲轴转角1 2 0 度以b ，在排气过程后期可燃混合气可能有少量溢出，造成燃料浪 北方交通人学碳士学位论文 第一章绪论 费。对丁上述情况，阀喷射法的特点是可以由软件严格控制气体燃料 喷射量和喷射始点与进排气门及活塞运动的相位关系，易于实现定时 供气及层状进气，还可以根据发动机的转速与负荷更准确的控制对发 动机功率、效率和废气排放有重要影响的空燃比，由于使用稀薄混合 气燃烧，更进一步提高柴油替代率和废气排放等的综合技术指标。阀 喷射法将高速电磁阀作为喷射基本器件，并用e c u 对其进行控制。如 3 4 5 图1 - 1 电子控制喷射双燃料柴油机示意图 1 天然气气瓶 2 燃气关闭阀 3 空气温度传感器4 进气管压力传感器 5 冷却水温度传感器6 高速燃气电磁阀 7 ，减压阀8 安全阀 9 油泵与霍尔脉冲发电机 1 0 过滤器 6 北方交通大学硕1 ：学位论文 第一章绪论 图l - l 所示。美国s p i ( s e r v o j e tp r o d u c t si n t e r n a t i o n a 公司生产的阀喷射双燃料系统，该系统包括电磁开关阀、压力调解器、 h s v 、e c u 、高压油泵驱动附件及转速、天然气压、进气温度、进气 管压力和冷却水温度等传感器。 在国内，汽油机改烧天然气已有成熟的技术，吉林工业大学的方 祖华博士就成功改装了1 7 5 f 型汽油机，他以恢复天然气发动机功率 为主要目标，对气体发动机缸内喷射技术及燃烧特性进行了研究，采 用了进气管处喷射和缸内喷射两种方式，并从结构上和燃料的供给时 刻上将天然气的喷入和空气的吸入完全分开，彻底解决了天然气发动 机充气系数下降的问题p j 。 国内对柴油机改烧天然气的研究尚处于起步阶段，而双燃料发动 机电子控制天然气喷射系统在这一领域的研究尚属空白，所以本文的 工作可以为其发展奠定一定的基础。 1 3 本文主要工作内容 尽管在欧美及日本等汽车工业发达国家双燃料发动机的电控天然 气喷射技术已得到了一定的发展，但我国在这方面的研究尚处于起步 阶段。本文的主要工作就是以河南南阳柴油机厂的t y l l 0 0 柴油机为 研究对象，研制出一套开环电控天然气喷射系统。具体工作内容如下： ( 1 ) 在消化吸收国外先进经验的基础上，分析确定总体设计方案。 ( 2 ) 设计并调试电控天然气喷射系统硬件。 ( 3 ) 编制并调试电控天然气喷射系统控制软件。 ( 4 ) 设计并调试电子控制单元监控系统。 ( 5 ) 分析控制系统的干扰因素并进行抗干扰设计。 ( 6 ) 试验确定天然气喷射器流量特性。 三堕茎坠兰堡主堂生堡苎 兰三兰皇塑墨丛皇堕盟墨堑塑：坠堡塑墨堡生 第二章 电控天然气喷射系统的总体方案设计 2 1 电控天然气喷射系统总体方案 目前国内外的气体发动机多为在原有的汽油机或柴油机基础上改 装的，而不是由发动机厂商直接制造生产出来的，因此，将柴油发动 机改装成为双燃料发动机首先要在原发动机的基础上加装天然气供给 系统，并对此系统中的主要器件一 发动机正常运行的天然气喷射量。 柴油机，其主要技术参数见表2 1 。 表2 - 1 发动机技术参数 天然气喷射器进行控制，以得到使 本文所采用的原机为t y l1 0 0 单缸 发动机型号t y l l 0 0 类型立式、单缸、四冲程、水冷 气缸直径1 0 0 m m 活塞行程1 1 5 m m 活塞排量0 9 0 3 升 燃烧室形式型 额定转速2 3 0 0 转分 最高空转转速2 4 8 0 转分 空载最低稳定转速6 0 0 转分 1 2 小时功率1 1 千瓦( 1 5 马力) 进气门开 1 1 。b t d c 进气门关4 9 。a b d c 排气门开 5 2 o b b d c 排气门关 8 。a t d c 供油提前角 2 5 。1 o b t d c 苎互茎堡苎兰竺三堂笙苎 箜三童皇丝垄鉴皇堕塑墨竺塑：鳖堡查塞塑堡 图2 - 1c n g 发动机供气系统示意圈 1 c n g 储气瓶2 阀门3 接头4 充气手动阀门 5 充气阀6 高压截止阀7 管线8 过滤器 9 ，控制单元1 0 气体喷射器1 1 减压阀1 2 节气门 1 3 喷油嘴1 4 发动机 改装后的双燃料发动机天然气供气系统示意图如图2 1 所示。压 缩天然气以2 0 m p a 的压力储存在c n g 储气瓶内，当手动阀门2 打开 时，c n g 从储气瓶内流出，流过高压截止阅6 ，并经过过滤器8 滤去 气体燃料中的杂质，以防止杂质被带入减压阀和天然气喷射器使之无 法正常工作。天然气流经减压阀1 1 减压至所要求的低压气，最后由天 然气喷射器喷入进气管的根部，在进气管内天然气与空气混合，随着 进气门的开启，混合后的气体被吸入气缸内。在压缩过程中天然气与 空气在气缸中进一步混合，当活塞运行到压缩上止点时，喷油嘴喷出 少量柴油，在高温高压的条件下，柴油迅速燃烧并引燃缸内混合气。 天然气喷射器安装在发动机进气管根部，节气门是一个安装在进气管 内的蝶形阀，它用来调节不同工况下的窄气进气量。 在对双燃料发动机天然气供给系统的控制中，对天然气喷射器应 北方交通大学硕士学位论文 第二章电控天然气喷射系统的总体方案设计 采用电子控制的方式，这是因为现在对发动机的节能和排放等要求的 日益严格，而且对发动机的调节控制提出了高精度、多参数的要求， 如果采用机械式喷射系统则无法满足其要求，加上微电子技术的发 展，对双燃料发动机采用电控喷射已成为必然。 采用微机控制双燃料发动机的天然气喷射，其中一个最突出的优 点就是控制的自由度大，可以根据双燃料发动机的不同使用环境以及 对其各方面性能的不同要求，采用形式各异的控制系统与之相适应。 结合我国的实际情况，在本次控制系统的设计过程中，在能确保发动 机原来动力性能的前提下，将改善燃料的经济性和排放性作为主要目 标，并且使控制系统具有一定的变通性，以适应将来更加严格的排放 法规。电控单元结构如图2 - 2 所示。 图2 2 电子控制单元总体结构 ! ! 塑窒望盔堂塑主塾论文第二章电控天然气喷射系统的总体方案设计 系统总体设计以天然气喷射量控制为核心，在总体设计中考虑未 来发动机综合监控系统的发展方向进行系统设计。系统总体方案设计 主要包括以下几个内容： ( 1 ) 将天然气喷射器安装在进气管根部，采取进气管处喷射。 我们认为，如果采用缸内喷射方式，喷射器装于气缸盖上对其耐 高温和高压性能要求很高，这就为喷射器的设计和制造带来一定的困 难。同时将天然气喷入气缸内，气缸盖需要做较大改动。显然，采用 进气管喷射方式，因喷射器不直接受气缸内高温和高压的作用，使其 设计与制造容易进行。同时，喷射器易于安装，不需对发动机结构做 大的改动，易于实用化且成本低。这种方式比较适合我国现阶段的柴 油机改装工作，因此进气管处喷射天然气成为我们的首选天然气供给 方式。 ( 2 ) 采用开环静态预定最优控制方式控制天然气喷射量。 ( 3 ) 采用实时系统设计方法进行系统设计。 在双燃料发动机电子控制天然气喷射系统的设计与研制中，应使 其满足功能便于扩展、高可靠性、高性能价格比及方便操作与维护等 几个方面的要求，针对系统的特点，如采用传统的设计方法，则存在 系统整体实时性要求难以得到满足的问题。本系统在设计上综合考虑 发动机电子控制系统的特点，提出采用实时控制系统设计方法进行双 燃料发动机电子控制天然气喷射系统的设计，这样使得整个设计系统 化、规范化，为今后开发实用双燃料发动机综合系统奠定了基础。在 设计中，实时系统应该具备运行速度快、中断能力强及可靠性高的特 点。 ( 4 ) 设计电控单元并选择功能强大的微处理器作为主控制器。 设计电控单元使其能够采集节气门位置、上止点信号、排气行程 信号、蓄电池电压信号、天然气气瓶压力信号、天然气温度信号和空 气压力及温度信号，经过运算、判断和查表等过程得到正确的输出， 北h 交通人学硕： 。学位论文 第二章电控天然气喷射系统的总体方案设计 l 问时还要有人机对话和安全保障的功能。 在整个电控单元硬件设计过程中，主控制器的选择是重要一环。 选择时，除保证对天然气喷射量的控制，还要有能力完成通讯及监控 功能。本系统的硬件设计为其它控制项目准备了接口，当需要增加监 测项目时可直接方便地连接和扩展。 ( 5 ) 总体考虑天然气喷射器的布置和控制方式。 由于t y l1 0 0 型柴油机结构紧凑，因此对喷射器的布置要协调处 理。天然气喷射器的结构不仅不能与其它执行器相冲突，而且喷射器 的控制方式也需整体考虑。系统的天然气喷射量控制采用h s v 系列开 关式高速电磁阀，由e c u 发出的脉宽调制信号进行控制，这种方案不 仅可满足控制要求，还可简化控制电路的设计。 ( 6 ) 软件设计采用模块化结构设计方法，便于各系统衔接和整个 系统的集成。当需要扩展其它项目时，可单独调试，直接进行模块叠 加。 ( 7 ) 设计电控单元监控系统，可以对发动机的运行参数进行监视 并在试验中对喷射脉宽进行调节。 ( 8 ) 试验确定天然气喷射器的流量特性。 2 2 控制方式的确定 设计控制系统中一个需要解决的问题是：根据控制对象的特性及 要求合理地选择控制方式。 以双燃料发动机天然气喷射量作为控制对象，从控制的角度对其 进行分析，具有如卜特点： ( 】) 在整个使用工况范围内，由于双燃料发动机的输出是根据转 速、节气门丌度束确定基础值，再经空气温度及压力等其它参数修正 所得到的，所以使得输出与输入具有严重晌非线性关系r 难于进行线 些烹交通大学硕士差位论文第二章电控天然气喷射系统的总体方案设计 性处理。 ( 2 ) 系统参数变动范围大，且为时变系统。双燃料发动机的转速 范围为o 2 4 8 0 r m i n 、节气门在0 9 0 。范围内不断变化，其它参数 也会根据双燃料发动机所处的不同工况及工作环境的不同存在较大的 变化。 ( 3 ) 多输入多输出系统。系统输入参数有节气门位置信号、上止 点信号、排气行程信号、蓄电池电压信号、天然气气瓶压力信号、天 然气温度信号和空气压力及温度信号。输出参数有天然气喷射脉宽及 供气提前角。 ( 4 ) 由于存在使得输出更加精确的修正过程及程序执行时间，所 以系统存在滞后响应时间。 对这样复杂的系统进行控制，若采用动态在线最优控制方式，依 据现有的控制理论，难于设计出实用的控制系统。 虽然现代控制理论可以解决多输入多输出问题，但是对于严重非 线性时变系统，采用最优控制理论，却不能给出可行的实用控制算法， 因为过分复杂的算法对控制系统中计算机的运算处理能力要求很高， 使系统难于满足对其响应速度和制造成本两方面的综合要求。对于非 线性问题，通常是将其化为线性问题解决，但对于双燃料发动机而言， 则不能建立出具有一定精度的线性动态数学模型。由于控制过程中的 最优解是依据双燃料发动机的动态数学模型做出的，因此，若采用不 精确的模型则不能达到预期的控制效果。 若采用自适应控制理论，虽然使控制系统在控制过程中具有辨识 的功能，可以对存有一定不确定性的对象进行有效的控制，克服模型 不精确所造成的误差，但是，因为辨识过程以输入和输出量的变化为 依据，所以需要对这些变量进行实时检测，必须在控制系统中配置相 应的传感器。由于双燃料发动机控制所用的传感器不仅要具有足够的 精度，而且对传感器的可靠性和成本有很高的要求。因此，对双燃料 韭方交通大学坝l 学位论文第二章电控天然气喷射系统的总体方案设计 发动机的某些变量，例如，对排气中的三种有害排放物0 。，c o ， h c ) 的含量目前尚无实用的传感器能够装于双燃料发动机上对其进行 实时检测，这就使自适应控制以及其它一些具有效果反馈作用的控制 方法无法得以实现1 8 l 。总之，动态在线最优控制方式在双燃料发动机 上的具体实现，尚有待于控制理论的完善和计算机、传感器技术的发 展。 本次设计的双燃料发动机电子控制天然气喷射系统采用静态预 定最优控制方式。这种控制方式依据预先对双燃料发动机控制参数进 行离线优化而得的脉谱( d f m a p ) ，采用开环结构实现对空燃比和天 然气喷射提前角等参数的实时控制。在双燃料发动机运行过程中，由 传感器检测其工况信息，查取脉谱中预定的控制量，通过控制天然气 喷射器使其得以实现。 这种控制方式的最大特点是控制的实时性强，响应速度快。当双 燃料发动机工况发生变化时，无需寻优调节过程，直接作出控制决策， 迅速将空燃比控制为设定的最佳值。因此，这种方式对于工况不断快 速变化的车用双燃料发动机尤为适用。 由于_ 双燃料发动机工作过程中所要求的最佳空燃比是根据对各 项性能指标的要求均衡优化而得的，因此根据发动机不同用途和使用 环境对各项性能要求侧重点的改变，相应调整优化准则，得到不同的 脉谱存于微机中，即可以满足不同的要求。同样，通过改变脉谱数据， 也可适应在一定范围内双燃料发动机结构和机型的改变。在具体实现 上，无需对控制系统做大的改动，只要更换存贮脉谱的r o m 芯片即 可，因此，这种控制方式也具有一定的适应性。 i ! 塑窭至查堂堡主学位论文第二章电控天然气喷射系统的总体方案设计 2 3 天然气供气管路的设计 一、天然气储气瓶选择 天然气供气管路中的高压天然气瓶是北京天海工业有限公司生产 的w g a 2 2 9 i 型压缩天然气钢瓶，该瓶重量为6 5 1 公斤，水容积为4 9 1 升，气瓶的水压试验压力为3 0 m p a ，气压试验压力为2 0 m p a ，工作压 力为2 0 m p a ( 2 1 标准气温条件下的额定压力) 。其调质热处理后材 料机械性能如表2 2 所示。 调质热处理后材料机械性能表2 - 2 抗拉强度屈服限延伸率 n m m 2n m m 2 0 6 8 7 5o e 7 4 06 6 1 4 二、减压阀选择 减压阀的功能是把储气瓶流出的高压气体减压至所需压力。选择 减压阀应该保证其压力可调( 即可根据需要随意调节出口压力) 、安 全无泄漏并设有安全阀，同时还应该有加热通道，这是因为高压天然 气通过减压阀时的节流减压效应，使出口温度降低，尤其在发动机高 速大负荷情况下较严重，甚至会出现减压阀霜冻现象，天然气中的水 份会结冰堵塞减压阀通道，温度下降的天然气进入气缸中会影响燃烧 过程，因此要求减压阀上有加热通道，在实际使用时可采用独立的加 热通道或采用发动机冷却系统的循环水通道，本次设计采用的是独立 加热通道。 另外在天然气供给管路中，我们选用的天然气减压阀是四川省话 恩基机电责任有限公司的产品，其型号为c y t z - 1 0 0 一j a ，其最大输入 韭塑奎望叁堂堡：主兰篁堡塞第二章电控天然气喷射系统的总体方案设汁 压力为2 0 m p a ，最小输出压力为1 2 k p a ，该减压阀设有安全阀，并有 加热通道口。管路中的高压截止阀、充气阀、过滤器及高压表也选用 了该公司产品。 三、天然气喷射器选型 双燃料发动机供气系统中，最关键的部件是天然气喷射器，它的 性能好坏直接影响到天然气喷射质量，从而影响到发动机性能。本文 依据以下几点选择气体喷射器： ( 1 ) 可靠性、耐久性及安全性要求 ( 2 ) 天然气供给压力 ( 3 ) 所需气体燃料流量 ( 4 ) 线圈电压和功率 ( 5 ) 开闭响应时间 ( 6 ) 双燃料发动机转速范围 本论文选用的是贵航集团红林机械公司的h s v 系列s p 0 2 1 螺纹 插装式两通常闭型开关式高速电磁阀，其工作原理示意图如图2 3 。 当电磁线圈通电时，衔铁靠电磁力通过顶杆使球阀向左运动，使压缩 天然气通道打开，实现供气。当电磁线圈断电，球阀在进气口和出气 口气体压差的作用下向右运动，靠在其密封座上，关闭燃气通道，停 止供气。 该喷射器特点： ( 1 ) 结构简单、紧凑、寿命长。 与普通滑阀相比，该喷射器具有阀芯质量小、结构简单紧凑、便 于加工等优点。由于球阀开启靠的是电磁推力，关闭靠的是进出口的 气体压差，取代了普通喷射器中的回位弹簧，使得该天然气喷射器的 寿命大大提高，设计寿命为1 1 0 9 次，试验寿命已超过2 1 0 9 次。 北方交通人学硕士学位论文第二章电控天然气喷射系统的总体方案设计 出气口 图2 - 3 天然气喷射器工作原理示意图 1 球阀座2 球阀3 ，阀体4 推杆 5 极靴6 电磁线圈7 衔铁8 导线 ( 2 ) 响应速度快，该喷射器的小质量球阀为提高其响应速度创造 了条件。其性能参数；额定电压1 2 v ，额定气体压力2 0 m p a ，内泄漏 为0 ，最大工作频率不小于2 0 0 h z ，最大功率为1 0 5 0 w ，平均功率 为3 1 5 w ，重复精度为o 0 5 m s ，使用温度范围为一4 0 + 1 3 5 。c 。 2 4 本章小节 本章根据系统的特点和未来双燃料发动机综合管理系统的发展， 采用实时系统设计方法和静态预定最优控制方式并以天然气喷射量控 制为核心进行总体设计。主要确定了双燃料发动机电子控制天然气喷 射系统的总体设计方案，并对控制系统应采取的控制方式和天然气供 气管路的设计做了进一步阐述。主要完成了以下两个方面的工作： ( 1 ) 确定系统总体设计方案。 ( 2 ) 完成天然气供气管路的设计。 北方交通人学硕士学位论文第三章电控单兀的硬件设计 第三章电控单元的硬件设计 3 1 电控单元设计分析及总体结构 电控单元的功能是由微机系统负责处理所有的信息、执行程序， 并将运算结果作为控制指令输出。要对天然气喷射器进行准确的控 制，必须设计一个电子控制单元( e c u ) ，并使其具有采集发动机基 本状念参数和及时发出控制指令使天然气喷射器动作以达到控制目的 的功能，以维护发动机的正常运转。 e c u 的基本功能框图如图3 1 所示。 节 气 门 位 置 j 止 点 信 号 排 气 行 程 入 蓄 电 池 电 压 气 瓶 压 力 一、采集参数的确定 人机对话 天 然 气 温 度 空 气 压 力 空 气 温 度 起 动 工 况 工， 。一 怠 速 工 况 图3 - 1e c u 的基本功能 加 减 速 工 况 超 速 工 况 常 用 工 况 燃 气 喷 射 时 刻 燃 气 喷 射 e 里 要控制双燃料发动机使其空燃比达到理想值，且在保证动力性的 前提下全面改善经济性能与排放性能，就必须在发动机不同的工况下 北方交通大学硕上学位论文 第三章电控单元的硬件设计 采用不同的控制规则，因此，在对双燃料发动机进行控制时能够判断 其所在工况是十分必要的，而转速与负荷是表征发动机运转工况的两 个主要参数，要对双燃料发动机进行控制，这两个参数是必须采集的。 其中节气门开度是表征发动机负荷的参量。为了能够在f 确的时刻向 发动机喷入天然气，还必须采集发动机的上止点信号和排气行程信 号，而转速就可以通过上止点信号给出。在判断出发动机的工况后， 根据发动机所处的工况和活塞所处的冲程来控制天然气的喷射量和喷 射始点，以保证发动机安全可靠地运行。 其它参数的采集是为了使双燃料发动机的天然气喷射量更加精 确，例如：当通过查脉谱图并计算得到基本的天然气喷射量后，可以 根据双燃料发动机天然气进气的温度值对天然气喷射量进行修正以期 得到其精确量值，因此需要实时采集天然气在喷射器前的温度信号。 当得到正确的天然气进气量并换算成相应的控制脉宽值以后，由于电 磁阀本身的开启与关闭都需要一定的时间并且还因为蓄电池电压的下 降使这一时间得以延长，这就需要根据蓄电池的电压对脉宽值进行修 正，所以，还需要实时采集对天然气喷射器供电蓄电池的电压信号。 为了保证双燃料发动机电子控制天然气喷射系统能够安全工作， 还必须在系统设计中加入天然气压力报警系统，其功能是实时检测天 然气瓶内的压力，当天然气压力过低时发出压力不足报警信号以提示 工作人员及时充气，以确保发动机功率的不中断输出。因此，e c u 还 应具有采集空气进气温度、冷却水温度、蓄电池电压、天然气温度、 空气压力及温度和高压天然气压力信号的能力。 二、控制参数的确定 电子控制天然气喷射系统和引燃柴油喷射系统与发动机的良好匹 配是发动机获得最佳性能的必要条件。在电控天然气喷射系统中，影 1 9 北方交通大学硕士学位论文 第= 二章电控单元的硬件世计 响发动机性能的参数有天然气进气脉宽和进气提前角，因此本论文把 这两个参数作为被控制量。在天然气喷射的进气管喷射方式中，只要 求在原柴油机进气门关闭之前天然气进气结束即可，因此天然气进气 时刻可以被控制为进气门开启的时刻，如图3 2 所示。天然气进气脉 宽也是最基本的被控制量，它是根据发动机所处的不同工况得到控制 的。 上止点参考信号一 进气门开启时刻一 排气门关闭时刻一 进气门关闭时刻一 排气门开启时刻一 三、工况的判定 单片机读入三个基本输入量 计算、查表 天然气喷射器开始喷射时刻 天然气喷射器最晚关闭时刻 曲轴转角( 度) 图3 - 2 控制时刻示意图 对于天然气喷射控制，必须适应双燃料发动机工况而采用多项目 控制。在双燃料发动机的工作过程中，工作状态是不断变化的。当发 动机起动时，控制系统要按照起动工况应提供的燃料量喷射天然气， 以保证发动机平稳起动；当发动机转速达到一定值之后，应减少天然 气进气量。当发动机的运行进入怠速区域，需要喷射使发动机能够稳 2 0 o o 0 叼 。 啪 姗 脚 北方交通大学硕十学位论文 第三章电控单元的硬件设计 定怠速在一定转速范围内的天然气量：在正常的工作区域中，由节气 门位置和发动机转速来确定天然气喷射量；在最大转速控制区，必须 严格控制天然气进气量，保证发动机不会飞车。因此，电控天然气喷 射系统必须在各个不同的发动机工作区域内采用不同的控制，控制方 式的转换要依据发动机条件和外界条件的变化而定，可见，对于工况 的准确和快速判断是非常重要的。 四、人机对话功能 e c u 具有人机对话功能可以使操作人员实时监视发动机的运转 状况，即可以随时监视发动机的转速、节气门的开度和天然气喷射脉 宽，更重要的是在作脉谱图实验时，能够在线修改控制天然气喷射器 动作的脉冲宽度，以确定天然气的最佳喷射量。 3 , 2 主控系统设计 对于车用发动机，由于其具有工作状态的快速多变性，为了达到 预期的控制效果，要求其电控单元必须具有很高的响应速度，因此， 实时响应是电子控制单元的首要品质指标，而且，随着电子技术的发 展，硬件的价格不断降低，为此，在系统设计时，硬件和软件的功能 分担侧重于多应用硬件，能够用较为简单的硬件电路完成的功能则尽 量用硬件来实现，以提高系统的响应性。 硬件设计的内容主要是控制单元的设计，包括专用控制微机设计 和输入输出通道设计。设计过程中，在保证硬件完成系统所要求的基 本控制功能的前提下，为降低系统成本，对所用器件进行合理的选择、 并使硬件电路结构尽可能地得到简化。 对双燃料发动机进行控制时，e c u 要能够根据各种传感器检测到 北方交通大学硕士学位论文 第三章电控单元的硬件设计 的发动机运行状态参数，按照预定的控制规则查出或计算出所需要的 天然气量，然后输出与相应脉宽具有一定定时关系的电脉冲信号用以 控制天然气喷射器的开启时刻与开启持续时间，从而实现最佳空燃比 的控制，使发动机优化运行，达到节省燃料与改善排放的目的。电子 控制单元的硬件主要包括系统电路、电源电路、输入通道接口电路、 输出通道接口电路及复位电路。 控制系统的调试全部在i c e - - 5 9 2 8 h 超强型通用一体式开发系统 上进行。 3 2 1 主控制罂单片机选型 一、8 0 c 1 9 6 k b 单片机性能简介 控制单元的功能是对输入通道送来的信号进行运算处理，判断发 动机的工作状态，进而作出控制决策，并发出控制指令驱动执行机构 工作。 本文选用了m c s 。9 6 系列中的8 0 c 1 9 6 k b 单片机作为主控制器。 该单片机主要由一个高性能1 6 位c p u 寄存器算数逻辑单元( r a l u ) 和2 5 6 字节寄存器阵列以及一些外围子系统组成。此c p u 的最大特点 是：没有采用常规的累加器结构，改用寄存器一寄存器结构，c p u 的 操作直接面向2 5 6 字节寄存器空间( 由2 3 2 字节的寄存器阵列和2 4 字节的专用寄存器构成) 。这种结构的主要优点是消除了一般结构中 累加器的瓶颈效应，加速了数据的交换和更改，并提高了c p u 的吞吐 能力。同时，由于可通过专用寄存器来直接控制l j o1 2 ，也就加速了 输入席出过程。 在r a l u 控制下的外设子系统分为以下几部分：高速输入输出口 ( h s i h s o ) ，具有s i 电路的4 个通道的l o 位a d 转换器，8 个中 北方交通大学硕士学位论文第三章电控单元的硬件设计 断控制器，一个同步异步串行口，两个1 6 位定时器和一个监视定时 器，供d a 转换器使用的脉冲调制( p w m ) 输出。8 0 c 1 9 6 单片机除 众多硬件结构以外，还具备丰富的指令系统。 二、8 0 c i 9 6 单片机优点 选择8 0 c 1 9 6 单片机作为主控制器，具有以下优点： ( 1 ) 输入通道和输出通道十分简单，因为8 0 c 1 9 6 芯片内部的输入 部分具有采样保持电路和4 路l o 位的a d 转换器，而输出部分具有 分辨率为8 位的d a 转换器( 高速输出h s o ) ，所以输入输出部分的 硬件均可以得到简化。 ( 2 ) 性能价格比高。因为8 0 c 1 9 6 芯片内部具有多种功能的模块， 所以性能远高于其它类型的单片机。 ( 3 ) 软件的编制比较容易，由于8 0 c 1 9 6 运行速度快，同8 0 c 5 1 单片机相比，完成同样一个计算任务，其运行速度要高5 6 倍，执行 一条普通指令只需1i t s ，即使乘除法指令也只需6 5 斗s ，而所用的指 令字节还不到8 0 c 5 1 的一半。另外，输入和输出电路的省略对简化编 程起到决定作用。 3 2 2 主控系统电路设计 系统电路主要包括存储器控制电路、电源电路、时钟电路、复位 电路。 一、程序存储器的扩展 因为8 0 c 1 9 6 单片机片内无程序存储器，而控制系统的指令、常 北方变通大学硕士学位论文第三章电控单元的硬件设计 数和其它程序均需要存放在程序存储器内，因此必须使用外部存储 器。在选择存储器时，考虑了以下几点： ( 1 ) 芯片容量必须满足控制系统的实际需要，且留有一定余量。 ( 2 ) 具有通用性，即设计一个通用插座。 ( 3 ) 具有最小硬件结构。 为此，我们采用了2 7 6 4 e p r o m 作为程序存储器。它是一种6 4 k ( 8 k 8 位) 的紫外线擦除可编程只读存储器芯片，2 8 引脚双列直插 式封装。2 7 6 4 e p r o m 采用h m o s 工艺技术制成，因而速度快，存取 时间最长为2 0 0 n s 。它采用单一+ 5 v 电源供电，1 3 位地址线a 1 2 a 0 用于片内地址信号线，8 位数据线d 7 d 0 用于数据读出。c e 为 片选信号线用于芯片选择，o e 为读允许信号线，与单片机的读命令 信号线连接，用来控制数据读出。2 7 6 4 具有静止等待工作模式，以减 少功耗，它的最大正常工作电流为1 0 0 m a ，最大静止等待电流为 4 0 m a 。由于存储器采用2 7 6 4 e p r o m ，掉电后，内部信息不会丢失， 因而提高了系统的可靠性。 u 8u 2 u 3 图3 - 3 程序存储器的扩展 北方交通大学硕士学位论文第三章电控单元的硬件设计 图3 3 为程序存储器扩展方式，8 0 c 1 9 6 k b 的p 3 口和p 。口组成了 一条1 3 位的多重总线( 地址和数据总线) a d o a