（动力机械及工程专业论文）cng汽油两用燃料汽车燃气ecu的开发.pdf

c n g 汽油两用燃料汽车燃气e c u 的开发 摘要 天然气有着良好的排放性和经济性，是各国政府大力推广的一种汽车代用 燃料。然而国内主要的燃气e c u 都是国外的技术( 如朗第伦索、a c 等) ，自主 品牌的燃气e c u 功能都比较简单，通用性不好、性价比不高。本文开发了一款 具有良好通用性、性能上与国外接近的第三代燃气e c u 。 系统采用主从式结构，选取摩托罗拉公司的m c 9 s 1 2 x e t 2 5 6 作为主控 芯片。通过自主开发的标定系统，对发动机结构参数、传感器型号进行简单的 设置之后即可匹配一款新的机型，操作简单、方便。开发的燃气e c u 可适用于3 8 缸的多种机型，具有较好的通用性和实用性。 开发了基于原车开关氧传感器信号的闭环控制模块和自学习模块，闭环反 馈模块将混合气控制在理论空燃比附近波动；自学习功能可以补偿气体成分的 变化以及汽车本身的磨损老化引起喷气量的偏离。尤其是在喷气m a p 标定的不 是很合理的情况下，经过一段时间的学习修正后，喷气m a p 能够修正到最优值， 极大的简化了m a p 的标定过程。 本文中开发的燃气e c u 的另一个特点是氧仿真功能，在对动力性要求不高 的工况下，发动机根据m a p 以较稀的混合气运行，从而提升经济性能。同时， 氧仿真模块产生一个均匀跳变的模拟氧信号送给原车，避免了原车检测出氧传 感器故障。 燃气e c u 还具备故障诊断、代码在线更新功能，在不拆下e c u 的情况下， 通过预留的标定线接口即可完成代码的升级更新。这两项功能极大的方便了燃 气系统的维护。 在实验室台架上对一台江淮汽车股份有限公司的4 g a l 发动机上完成了前 期的软件开发和系统调试，并在一台捷达车上完成燃气e c u 试装，路试结果表 明，使用天然气时，发动机加速性能良好，怠速稳定，油气切换平顺、无抖动， 在低温条件下也能以燃气方式启动发动机。 关键词：电控系统；两用燃料；自学习；燃气闭环控制；代用燃料汽车 t h ed e v e l o p m e n to ft h ec o n t r o lu n i tf o rc n g g a s o l i n e b i f u e lv e h i c l e a b s t r a c t b e c a u s eo fl o we m i s s i o n sa n dl o wf i u e lc o s t ， n a t u r a lg a sh a dr e c e i v e d c o n s i d e r a b l ea t t e n t i o nw o r l d w i d ea sa l t e r n a t i v ef h e l w h i l et h ek e yt e c h n o l o g yw a s o w n e db yf o r e i g ns u p p l i e r s t h en a t i v ec o m p a n yc a nn o tp r o v i d eh i g h l y c o s t e f f e c t i v ec o n t r 0 1u n i t s i nt h i sp a p e r ，at h i r dg e n e r a t i o nb i f l u e lc o n t r o lu n i tw h i c h h a dm u c hh i g h e rp e r f o r m a n c ep r i c er a t i ow a sd e v e l o p e d m c 9 s12 x e t 2 5 6s u p p l i e db ym o t o r o l aw a st h ec o n t r o l l e r b i f u e l c o n t r o l u n i td e v l o p m e n t e di n t h i sp a p e r ，i nm a s t e r s l a v ea r c h t e c t u r e ，w a sa b l et om a t c h d e f e r e n tt y p e se n g i n e sw i t h3t o8c y l i n d e r s w i t ht h eh e l po fc a l i b r a t i o ns o f t w a r e ， t h ec o n s t r u c t i o np a r a m e t e r sa n ds e n s o r sp a r a m e t e r sc a nb ec h a n g e di nc n g e c u ， a c c o r d i n gt ov e h i c l em a t c h e d c l o s e d 1 0 0 pa i r f u e lr a t i of e e d b a c kc o n t r o lw h i c hm a n t a n c e st h ea i r f u e lr a t i o n e a rs t o i c h i o m e t r i c ，a n da d a p t i v el e a r np r o g r a m m i n g ( a l p ) w e r ed e s i g n e df o r t h i ss v s t e m t h i sa l pa d ju s t sf o rh a r d w a r ev a r i a t i o n ，l o n g t e r mc h a n g e sm o p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，d e g r a d a t i o ni nt h ee n g i n eo rt h es y s t e m ，a n dc h a n g e si nf u e l c o m p o s i t i o n a p r o m i n e n tf e a t u r ef o rt h i s b i f u e lc o n t r o lu n i tw a st h es i m u l a t i v e e g o s i n g a lm o d u l e i np a r t1 0 a d ，e n g i n eo p e r a t e do nl e a nm i x t u r ea n dt h i sm o d u l es e n t as i m u l a t i v ee g o s i n g a lt og a s 0 1 i n ee c u ，p r e v e n t i n gi t d e t e c t i n gt h ee g o s e n s o r f a u l t w i t ht h eb o o t l o a d e rs t o r e di nas p e c i a la d d r e s s ，t h ec n g e c u c o u l db e u p d a t e db yc a l i b r a t i o ni n t e r f a c ew i t h o u ta n yd i s a s s e m b l y t h ef a u l td i a g n o s i sa n d u p d a t i n go n l i n ef u n c t i o n sm a d et h em a i n t e n a n c ea n dr e p a i r sg r e a t l yc o n v e n l e n t t h ec o d e sw a st e s t e do na ni ce n g i n ep r o d u c e db yj i a n g h u a ia u t o m o b i l ec o l t d t h e naj e t t av e h i c l ew a sc o n v e r t e d t h er o a dt e s ts h o w e dt h a t ：t h eb i f - u e l a u t o m o b i l eh a sag o o da c c e l e r a t i o np e r f o r m a n c ea n di d l es t e a d y t h es w i t c h 士t o m g a s 0 1 i n et oc n g a n dc n gt og a s o l i n ew a ss m o o t h k e v w o r d s ： c o n t r 0 1u n i t ；b i f u e l ； a d a p t i v el e a r n i n g ； c l o s el o o pc o n t r o l ； a 1 t e r n a t i v en l e lv e h i c l e 插图清单 图2 1 两用燃料系统结构图9 图2 2 燃气e c u 主流程图1 0 图2 3 转速采集电路1 3 图3 1 喷气脉宽修正1 4 图3 2 喷油信号检出电路1 5 图3 3 喷气驱动电路1 5 图3 4 一缸喷油信号上升沿中断流程图1 7 图3 5 一缸喷油信号下降沿中断流程图1 8 图3 6 加速切换流程图2 0 图3 7 满足转速条件、减压器温度条件的顺序对减速切换的影响2 1 图3 8 减速切换流程图2 2 图3 9 不同切换温度对切换转速波动的影响2 3 图3 10 不同延迟时间对切换转速波动的影响2 4 图3 11 喷气修正m a p 表2 5 图3 1 2 分片插值法计算喷气修正量2 6 图3 13 喷嘴压力修正曲线2 7 图3 1 4 减压器温度修正曲线2 7 图3 1 5 一缸加速补喷处理2 8 图4 1 燃气闭环示意图3 0 图4 2 开关氧传感器结构图3 1 图4 3 开关氧输出特性3 1 图4 4 催化剂对3 中排放物的转化效率3 2 图4 5p i 控制过程3 2 图4 6p i 闭环流程3 3 图4 7 自学习单元的划分3 5 图4 8 混合气偏浓时的氧信号3 6 图4 9 自学习过程3 7 图4 10 自学习单元中心点以及临近点的编号3 8 图4 1 1 手动修改前的喷气m a p 3 9 图4 12 混合气偏浓时自学习过程中氧、喷气时间、喷油时间的变化3 9 图4 1 3 混合气偏浓时喷气修正量与自学习值的变化4 0 图4 1 4 经过4 次自学习后的m a p 4 0 图4 1 51 5 0 0 r m i n 时的模拟氧信号4 1 图4 1 6 氧仿真信号处理电路4 1 图4 1 7 仿真氧信号的4 个阶段4 2 图4 1 8 氧仿真功能实现稀燃4 2 图5 1 显示面板4 4 图5 2 显示面板仿真电路4 5 图5 3 异步数据帧传输格式4 6 图5 4 七段式数码管各段编号4 7 图5 5 数字2 的段码4 7 图5 6 数码管硬件电路4 7 图6 1b o o t l o a d e r 流程图5 2 图6 2 芯片的内存分配5 4 图6 3pf l a s h 写入格式5 8 图6 4 代码写入f l a s h 的过程5 9 图7 12 5 0 0 r m i n 时氧传感器信号6 3 图7 2 标定软件数据显示界面6 6 图7 3 标定软件参数设置界面6 7 图7 4 标定后台中的切换按钮6 7 图7 5 实验室台架上改装的江淮4 g a l 发动机6 9 图7 6 车辆改装实物图7 0 图7 7 实车上加速切换的转速变化一7 1 图7 8 实车低温强制气启动7 1 6 表格清单 表1 12 0 1 0 年我国汽车拥有量( 单位万辆) 1 表1 2l p g 、c n g 和汽油的物化性能比较2 表1 3 世界各国天然气汽车保有量3 表2 1f r e e s c a l e 系列常用芯片的资源1 1 表2 2 喷嘴口径与发动机排量关系1 2 表4 1 自学习策略与一般控制策略的比较3 4 表5 1 数码管段选引脚与单片机引脚对应关系4 7 表5 2 显示面板显示状态及其代表的系统状态4 8 表6 1 逻辑地址与全局地址的对应关系5 7 表7 1 故障代码表6 2 表7 2 通讯协议报文格式6 7 表7 3 燃油、燃气时4 0 k m h 12 0 k m h 加速时间7 2 第一章绪论 1 1 燃气汽车技术 近几年来，我国的汽车生产量、保有量都呈现出快速增长的势头。2 0 1o 年 我国私人汽车拥有量已经接近6 0 0 0 力 辆【l 】( 见表卜1 ) ，已成为世界汽车第二大 生产国和第三大消费国，汽车保有量的增加也意味着巨大的能源的消耗。而我 国的石油资源并不丰富，大量的原油需要进口，从l9 9 3 年起，我国成为石油净 进口国，进口石油的三分之一用于汽车消耗。据海关统计，2 0 0 6 年我国进口原 油1 4 亿吨，成品油进口3 6 3 8 万吨，总价值8 19 6 2 亿美元。据预测到2 0 2 0 年，我国石油需求量将超过4 亿吨，对外依存度将超过6 0 1 2j ，将严重影响国 家的能源安全。 表1 12 0 1 0 年我国汽车拥有量( 单位万辆) 类载客汽车载货汽车其他总计 型 大中小型微型总计重型中型轻型微型总计 汽车 型型 数 9 36 14 5 9 33 2 5 4 9 8 9 1 4 1 41 4 0 56 3 7 716 79 3 1 517 65 9 3 8 e 44 67)4278 ， 97 1 里 汽车在消耗化石燃料的同时，也向大气排放了大量的h c 、c 0 、n 0 等有害物 质，它们对人类健康有极大的威胁【3j ： ( 1 ) c 0 是一种无色无味的气体，与血液中的血红蛋白有着极强的亲和力，大 约是氧的2 0 0 2 5 0 倍，使得血红蛋白失去运输氧气的功能，空气中c 0 含量超过 0 1 时就会引起头痛心慌等中毒症状，超过o 3 在3 0 分钟内就能致命。 ( 2 ) h c 中的烯烃有很强的光化活性，与n 0 x 一起在紫外线的照射下形成有很 强毒性的光化学烟雾，芳香烃对肝脏、血液以及神经系统有很大的伤害。 ( 3 ) n o 本身不具有毒性，但在大气中会缓慢的氧化成n 0 2 ，n 0 2 具有强烈的刺 激味，吸入人体后与水分结合合成硝酸，伤害人体的呼吸系统，此外n 0 x 还是光 化学烟雾的罪魁祸首之一。 寻找一种合适的替代燃料来缓解能源危机势在必行。各国都在根据自己的 能源结构，寻找新代用燃料以减轻对石油的依赖。例如，美国通用汽车公司将提 高传统内燃机技术和采用替代燃料( 如c n g 、l p g 、乙醇等) 作为其近期能源发展 策略，中期是发展混合动力汽车，远期是发展燃料电池汽车和电动车【4j 。各国 政府也大力提倡，并投巨资进行研究。 车用燃料必须具有以下特点：来源丰富、价格适当，燃料的热值特别是混 合气热值适合发动机的特性，能量密度高，存储方便，使用安全。此外对现有 的发动机结构不需做很大的改动。目前已经开发出来的车用代用燃料主要有： 甲醇、乙醇、c n g 、l p g 等，各种燃料各具优势【6 j ： 甲醇是从石油、天然气、煤炭中提取的，其中一半以上来自天然气。甲醇 具有高辛烷值、燃烧完全、低污染的特性。此外挥发性低，行驶加油过程中损 失少。但甲醇毒性大，有腐蚀性。而且仅是从能源的一种状态转移到另外一种 状态，仍然依赖于化石燃料。 乙醇是开发最早的代用燃料，在美国、巴西等国已经成功使用多年，乙醇 可以与汽油直接掺烧，使用的便利性与汽油相当，主要来源于粮食、或者甘蔗 秸秆等纤维素类生物质。是一种可再生能源，但其成本太高，约为汽油的2 倍。 液化石油气具有价格便宜、辛烷值高和使用安全等优点，国内外也做了大 量的研究，改装实践表明采用l p g 作为汽车燃料，排放性能大大优于汽油车，其 c 0 可减少9 0 ，h c 减少5 0 ，n 0 x 减少3 0 ，噪声还可降低4 0 ，基本无黑烟和颗粒 等排放物，很容易达到欧工ii 排放标准。l p g 辛烷值高达1 0 3 10 5 ，比优质汽油 高1o 2 0 ，抗爆性能好，可用于高压缩比的发动机，这对提高发动机的热效率 和燃油经济性有明显的优势。因此，在相同的行使里程的条件下，燃用l p g 所消 耗的燃料以质量计，比燃用汽油要少，因此汽车的燃料运行费用低，对不同车 型，燃料运行费用的降低不等，一般降低1 0 以上，且l p g 汽车发动机运转平稳， 低速性能比汽油车好，尤其适宜于车辆、人口稠密的大城市。 l p g 火焰传播温度低，诱导期长，即使因意外事故碰撞，也不会轻易爆炸燃 烧。因此，使用l p g 更安全可靠。相比于c n g ，l p g 是液态，车辆的续驶里程更好。 但是，在我国l p g 一般作为民用，政府在制定政策时也会做一些规定限制大力推 广，并且l p g 也是石油产品的附属物。 表1 2l p g 、c n g 和汽油的物化性能比较 性能参数 l p g c n g 汽油 密度( k g 几) 0 5 40 7 20 7 2 主要成分 c 3 h 8 、c 4 h 1 0 c h 4c 8 h 1 8 单位热值 4 6 15 0 4 2 7 ( k j k g ) 理论空燃比 1 4 71 6 71 4 7 辛烷值 9 713 08 0 燃点( 。c ) 4 0 06 5 0 3 0 0 4 0 0 天然气是一种很好的替代燃料，相比传统的化石燃料有很大优势【7j ： l 储量丰富，随着我国西气东输项目的完成，全国各地都能方便的获得 c n g ，可获得性好。价格相比于汽油、柴油也有很大的吸引力。 2 安全性好。天然气密度比空气小，易于扩散。天然气的主要成分是甲烷， 要破坏c h 4 中第一个c h 键，所需能量大于其它氢的键能，故自燃着火温度高 达5 3 7 7 3 0 。这一特性决定了当汽车发生碰撞、翻车等事故时，燃料在容器 内激烈震荡、摩擦、温度剧升，达到自燃点起火爆炸的可能性要比汽油小得多。 3 天然气主要成分是甲烷，甲烷的研究法辛烷值为1 3 0 ，具有高的抗爆震 性能。据国外研究：燃用天然气的专用型动机应采用的合理压缩比为12 ，甚至 压缩比可达15 。 2 4 大量的实验表明c n g 有着更好的排放性能。c o 、h c 排放均有大幅度的下 降，n 0 x 与原车相当或者略有升高。 正因为上述的这些优点，天然气也是政府大力提倡的一种新型能源，下表 是截止2 0 1o 年12 月世界各国c n g 汽车使用量的统计数据，排名前5 位的国家天然 气汽车数量已经超过了一百万。 表1 3 世界各国天然气汽车保有量 国家天然气汽车总量月消耗量( m 3 ) 加气站在建加气站 伊朗2 ，8 5 9 ，3 8 64 6 7 ，0 0 0 ，0 0 0 】8 0 04 6 5 l 2 巴基斯坦2 ，8 5 0 ，5 0 0 3 3 0 0 阿根廷2 ，0 4 4 ，1 3 12 4 0 ，2 2 5 ，0 0 0 1 9 0 2 3 巴西1 ，7 0 2 ，7 9 01 6 5 ，2 1 0 ，0 0 0 1 7 9 2 4 5 印度1 ，1 0 0 ，0 0 0 6 8 3 6 意大利 7 6 1 3 4 0 6 2 ，0 3 0 ，0 0 0 8 5 83 8 中国 6 0 0 0 0 02 5 0 04 0 0 7 哥伦比亚3 4 8 7 4 7 4 5 ，0 0 0 ，0 0 0 6 5 1 8 9 乌兹别克斯坦 3 1 0 0 0 01 7 55 0 1 0 2 6 7 7 3 54 4 4泰国 亚美利亚 2 4 4 0 0 0 2 6 ，5 2 0 ，0 0 0 3 4 5 1 1 1 2 乌克兰 2 0 0 0 1 9 8 3 ，0 0 0 ，0 0 0 2 9 44 0 孟加拉国2 0 0 0 0 0 5 9 ，4 7 0 ，0 0 0 6 0 0 1 3 1 4 埃及 1 6 2 0 0 0 3 8 ，0 0 0 ，0 0 0 1 4 31 9 玻利维亚 1 4 0 4 0 0 2 6 ，2 7 8 ，1 3 5 1 5 6 1 5 1 6 1 6 ，3 0 1 ，3 7 0 1 7 0 秘鲁 1 2 2 2 2 1 美国 11 2 0 0 0 1 0 5 ，0 0 0 ，0 0 0 1 1 0 0 17 注：以上数据来源于n g v 1 2 天然气汽车的分类 1 2 1 单一c n g 汽车 单一c n g 发动机是最能发挥出c n g 抗爆性好、排放优势的技术方案，通 过提高压缩比、设计合适的进气道、提高点火能量、使用专用催化剂等措施提 高燃烧效率以及排放性能。日本本田公司推出的c i v i c g x 小型c n g v 专用发 动机的性能完全可以与汽油机媲美，通过采用多点顺序喷射、专用喷气阀、升 高压缩比等多项措施后，最大功率比基础的汽油机高出了6 6 k w ，排放满足美 国加州超低汽车排放标准( u l e v ) 【4 j 。 但不足是车用c n g 以高压气态存储在钢瓶中，能量密度低，直接导致了 c n g 汽车的行驶里程偏低，也仅限于路线固定的城市车辆( 如城市公交、出租 车) 使用。需要重新对进排气系统、燃烧系统等设计，开发专门为c n g 开发 的控制器，所以前期的技术投入很大。 1 2 2c n g 柴油混合燃烧双燃料汽车 双燃料发动机是在柴油机上增加一套燃气供给装置，并对原机的供油系统 增加油量控制机构。天然气在进气管内与空气混合，进气行程吸入气缸，在压 缩上止点之前，向气缸内喷入少量的柴油，在高温高压下，柴油自燃引燃混合 气。自燃的燃油在气缸内形成了多个高能的着火点，混合气能够可靠而且迅速 的燃烧，因而可以采用更高的压缩比，产生的平均有效压力更高，所以双燃料 天然气发动机具有与原柴油机相当的动力性和热效率。柴油仅引燃混合气，气 缸内仍是以天然气的预混燃烧为主，燃烧模式有点类似于多点点火式燃烧，突 破了柴油机输出功率受冒烟极限的障碍，所以p m 排放量大大降低j 。 常规的双燃料发动机的缺点是受油泵供油特性影响大，过低的引燃油量会 引起喷油器冷却不良。在中低负荷，混合气过稀燃烧不稳定，t h c 的排放量增 加而且热效率也降低。 1 2 3c n g 汽油两用燃料汽车 c n g 汽油两用燃料汽车既可以使用纯汽油也可以c n g 为燃料，是汽油机与纯 c n g 发动机的一种折中，也同时兼有了汽油机的优点和c n g 的优点。双燃料发动 机与两用燃料发动机的区别是：双燃料发动机同时使用的是柴油和天然气两种 燃料，而两用燃料发动机以汽油为燃料或者以天然气为燃料，但每次只以其中 一种燃料运行。 c n g 汽油两用燃料系统根据结构的不同可分为单一e m s 两用燃料系统和主 一从式两用燃料系统。单一e m s 两用燃料e c u 由一块e c u 控制汽油的喷射、燃气 的喷射，e c u 中有汽油m a p 、燃气m a p 、汽油点火提前m a p 、燃气点火提前m a p ，控 制器根据不同的燃料类型选择不同的m a p 以及控制策略，燃气和燃油模块之间可 以实现无缝连接，共享一套传感器的信息，减少了传感器的数量。只需要一套 线束，所以生产成本更低，此外，用原车汽油e c u 的故障诊断仪就能读出所有的 故障，而不需为燃气系统额外开发诊断仪。技术的关键点是需要汽油机控制系 统的源代码，但对国内企业有很大难度，各大汽车厂的e c u 完全被国外的供应商 垄断，e c u 中的源代码对用户是绝对保密的。另外每匹配一种机型需要修改燃气 e c u 中的一些控制策略以适应原车e c u ，开发周期成本很高。 主一从式两用燃料发动机是国内最主流的一种方案，从机( 燃气e c u ) 与主机( 汽油e c u ) 间不存在通信以及数据共享，不必了解汽油e c u 的源代码以 及具体的控制策略，从机翻译原车喷油信号，可以充分利用原车e c u 完善的 控制策略。优点是结构简单，同一套从e c u 只需少量的标定调试就能适用于不同 的机型，在开发周期和成本上有很大的优势 4 c n g 的放热速率较慢，点火时刻需要提前，采用较多的一种办法是将原车的 点火基准信号曲轴信号提前一个设定的角度，补偿c n g 燃烧速度慢导致的功 率下降。 1 3 国外两用燃料汽车技术的研究状况 美国通用汽车公司与i m p c 0 公司合作将一款2 2 l 的汽油机改装为c n g 汽油 两用燃料发动机。减压器出来的燃气经过装在节气门前的混合器进入进气总管， 与空气混合后进入气缸，通过控制混合器上电磁阀开度来控制喷气量，喷气量 由当前转速和气管压力计算确定。为了获得最佳的性能，并不是简单的加装一 套燃气控制系统，p c m ( p o w e r t r a i nc o n t r 0 1m o u d l e ) 与燃气e c u 之间通讯实现 信息共享，在c n g 模式下，燃气由燃气e c u 控制，点火提前、e g r 、怠速步进电机 等仍由p c m 控制，燃气e c u 中集成了0 b d ii 以及自学习模块。p c m 专门针对两用燃 料设计，在任何工况下都能保证最佳的点火时刻。测试结果表明改用c n g 后， n m o g 、c 0 、n o x 排放分别下降了6 6 、3 4 、4 1 ，能够满足加州排放标准( c a r bt l e v e m i s s i o ns t a n d a r d ) 。g m 同时还对一款排量为5 7 l 的皮卡做了类似的改装，也 取得了不错的效果【1 1 儿1 2 j 。 国外同时也对天然气发动机的氧传感器以及催化剂做了研究，n g k 和本田公 司合作专门开发了c n g 专用氧传感器，对汽油车改两用燃料对e g 0 的使用寿命以 及老化情况做了研究，通过1 6 0 小时的实验测试证明，两用燃料发动机的e g 0 与 汽油机e g 0 在寿命、响应特性上没有明显的差别。这也证明了目前的这种共用e g 0 的方案是可行的【l3 i 。 此外，还有研究者对不同的喷气方式以及减压阀加热方式对发动机功率损 失的影响做了研究，对比了不对减压器加热、用冷却水加热以及电加热3 种不同 的方案，实验证明不对减压器加热会有一定的功率损失，特别是在高速情况下 扭矩损失高达2 0 ，电加热减压器同样会带扭矩的损失，所以用发动机冷却水加 热效果最好【l4 。 1 4 两用燃料汽车技术在国内的发展 在国内，两用燃料控制系统技术大体上经历了3 代1 5 】【1 6 】【17 】【18 】： 第一代技术以机械式混合器为特征。一般是由化油器汽车进行改装，c n g 采用二级减压器将储气罐内的高压c n g 降为常压气体，由文丘里吸入式或比例调 节式( 膜片式) 、孔板式混合器根据发动机转速和负荷的变化产生不同负压，控 制进入气缸内的c n g 量。缺点是：各缸供气量分配不均，调节精度差，动力性损 失较大。 第二代技术以电控混合器为特征。第二代产品可用于化油器发动机及电喷 发动机的改装，保留混合器作为主供气通道，利用发动机工作时产生的负压控 制c n g 的供气量；另设置辅助供气通道或设置步进电机根据电控单元接受节气门 位置信号、转速信号以及氧传感器信号后对c n g 供给量进行控制调节，保证在不 同工况下供给合适空燃比的混合气。控制精度高于第一代技术，可匹配闭环控 制系统和三元催化转化转换器，排放指标可满足欧洲一号标准的要求，部分产 品排放水平可达到欧i 工标准。 第二代技术控制精度高于第一代技术，可以匹配闭环控制和三元催化净化 装置。通过控制混合器前的步进电机配气阀调节燃气供给量，保证发动机以理 论空燃比运行。主要缺点：混合器在发动机空燃比控制中引入了一个惯性环节， 带来了响应时间长、控制精度低，引起总体排放变差等问题，此外混合器增加 了进气道的气阻，降低充气效率。 目前广泛应用的m a s t e r s 1 a v e 多点顺序喷射系统是第三代两用燃料系统。 第三代多点顺序喷射系统解决了第二代混合器式系统普遍存在的动力性能下 降、发动机回火等问题。参考文献 2 0 中开发的第三代燃气系统具有自学习、 故障诊断等功能。 早在2 0 0 3 年北京恩吉威公司与意大利0 m v l 公司联合开发的d r e a mx x i 燃气 喷射系统采用多点顺序喷射，喷气起始时刻根据原车喷油信号确定，喷气量由 燃气e c u 根据工况计算得到。此外，开发了汽油反馈的模拟氧信号，动态向汽油 e c u 输入的氧信号可以避免汽油e c u 中产生故障码。率先通过了欧i v 排放标准， 在国内与捷达车型的匹配也达到了欧i i 排放标准1 2 1 | 。 国内的长安大学、西华大学、哈尔滨工业大学等对c n g 汽油两用燃料发动 机上做了大量研究，这些研究主要集中在c n g 的排放性能、动力性能以及点火提 前角的处理等方面。 河北农业大学在捷达a t k 发动机上进行的改装实验，加装了由步进电机控制 的功率阀、e g r 控制，并适当增加了压缩比。系统采用多点顺序喷射，与汽油e c u 共用氧传感器实现燃气闭环控制，c n g 模式下，点火也完全由c n g 控制单元控制， 用汽油启动以保证良好的启动性能，启动后将发动机转速加高至设定值，然后 减速至设定值后切换。由于采用步进电机控制的功率阀调节喷气量，属于第二 代燃气系统，控制精度不够高【22 | 。 国家燃气技术中心在两用燃料e c u 的开发上是国内做的最好的，开发的两用 燃料出租车早已部分投入到试用中，而且是第一个采用单一e m c 方案进行两用燃 料系统开发的【23 1 。在m t 2 0 u 2 汽油控制系统的基础上开发的两用燃料控制器具备 瞬态工况处理模块、燃气闭环修正模块、自学习模块、故障诊断等，对切换标 定时充分考虑了汽油喷射的湿壁现象，以保证发动机的稳定性和排放性能。 通过整车三高实验，能够达到国i i i 排放标准，切换转速波动在5 0 r m i n 以 内。 对于单一e c u 的两用燃料发动机国内也有一些研究报道，东风柳州汽车公司 开发了一款单一m c u 的两用燃料控制系统，进行了台架试验和路试实验，怠速转 速能够稳定在5 0 r m in ，切换时无跌坑现象，排放能达到国i ii 标准。江 淮汽车股份有限公司也开发出了单一e c u 的两用燃料控制系统，基本能够达到量 产的水平。 1 5 两用燃料汽车发展中仍存在的问题 目前已有不少改装成功的实例，例如，长安福特有限公司委托国家燃气技 术研究院开发了基于长安福特蒙迪欧的两用燃料出租车，燃气控制系统采用了 自学习、p i 闭环控制等多种控制策略。驾驶性能良好，最高行驶车速由原来的 1 9 0 k m h 降低到1 8 0 k m h ，经过3 0 0 0 0 k m 的可靠性能测试，系统无故障，部分车辆 已投入使用。由汽油机直接改装成两用燃料发动机也有一定应用规模( 城市大 部分使用c n g 的出租车) ，但是，仍然有些技术问题需要解决2 3 】【2 4 】【2 5 】： ( 1 ) c n g 中含有少量的h 2 s ，会引起发动机腐蚀和磨损，大大减小了大修里 程。文献 2 4 中也对两用燃料的气门磨损做了仔细的研究，找到了提高气门耐 磨性、耐腐蚀性的方法。 ( 2 ) 燃用c n g 时使用汽油机机油，进气门、活塞环、燃烧室等处容易积炭， 油底壳上油泥多，机油变质快，应该使用c n g 、汽油两用燃料专用机油，但是这 种机油的价格比较高，所以急需研制出价格合理的两用燃料发动机机油。 ( 3 ) 两用燃料发动机最显著的一个问题就是功率下降，目前做的最好的两 用燃料发动机的功率损失仍在1 0 1 5 左右，有着很大的提升空间。 ( 4 ) c n g 储存能量密度低，目前国产的储气瓶的质量和体积都很大，不仅增 加汽车的油耗，也挤占了汽车上有限的空间。相比之下l n g 在汽车上有着很大优 势，l n g 的存储能量密度高，是c n g 的3 5 倍，存储效率高可以使车辆获得更长的 行驶里程，但是l n g 加气站的建设等前期投入更大。l n g 的缺点在于制取比c n g 复杂，在常压下低于一1 6 2 才会是液态，因此l n g 的钢瓶以及管路需要极好的绝 热性能。 1 6 本文的研究重点 国内使用的两用燃料燃气e c u 大部分都是国外开发的，具有自主产权的燃 气e c u 在性能上都不够完善，和国外的相比有一定的差距。本课题组曾针对奇 瑞s q r 4 7 7 f 型发动机开发了燃气e c u 【3 0 】【3 1 1 ，将其成功改装成汽油c n g 两用 燃料发动机，但由于选用的8 位单片机，资源有限，效果并不十分理想，主要 有以下不足： ( 1 ) 燃气开环控制，仅依靠原车e c u 的闭环调节 ( 2 ) 采用主从单片机结构，主单片机控制喷气，从单片机根据发动机工况将 点火基准信号提前一个角度，虽然同时将喷气量、点火时刻控制在最优值，但 需要两块处理器协同工作。如果将所有功能集成到一个处理器，将简化系统布 线、进一步节约元器件的成本。 ( 3 ) 对喷油信号的处理上，共用了单片机的硬件资源，影响通用性，能够匹 配的机型较少。 基于已有的开发经验，本次开发的第三代两用燃料燃气e c u 力求克服上述 缺点，特别注重e c u 的通用性、实用性能，性能上进一步接近国外先进水平， 使开发的燃气e c u 成为一款成熟、有竞争力的产品。 首先，选用摩托罗拉公司的1 6 位的高性能处理器m c 9 s 1 2 x e t 2 5 6 ，最高 总线频率可达5 0 m h z ，丰富的硬件资源，保证对各缸喷油信号的处理上，不共 用i 0 口、定时器等资源，互不干扰。系统采用主从式结构，充分利用原 车完善的控制策略。其次将重要的变量设计成可标定的参数，匹配不同机型时， 只需要通过标定软件修改参数，而不必对程序代码做任何的改动；另外，设计 了专门的转速采集电路，以适用于不同幅值的点火信号。这些设计都是为了保 证燃气e c u 的通用性。 此e c u 具备更完善的燃气控制功能，充分借鉴国外燃气e c u 的技术特点， 除了必不可少的燃气闭环控制外，还开发了喷气m a p 自学习、氧仿真等功能。 自学习功能自动修正标定不是很合理的m a p ，将喷气时间始终保持在合理范围 内；氧仿真模块则进一步提高燃气时的经济性能。 由于主控芯片功能强大，将所有的模块都集成到一块e c u 中，以减少硬件 成本。同时开发了配套的标定软件、通讯数据线以及气量显示面板。考虑到实 际的使用中可能需要更新e c u 中的代码，所以增加了在线升级代码的功能，标 定人员通过标定软件即可将最新的代码加载到e c u 中。另外，开发了系统故障 自诊断功能，方便系统的维护。最后在捷达车上，对所开发的燃气e c u 做了初 步的测试。 第二章两用燃料系统的整体结构 2 1 系统的总体布局 本文中开发的两用燃料系统属于第三代多点顺序喷射系统，结构上采用主 流的主从式( 见图2 一1 ) ，主控制器是原车汽油e c u ，从机采集原车的点火信号 作为计算转速的依据，以喷油脉宽表征发动机的负荷，根据转速和喷油时间确 定喷气修正量。 图2 1 两用燃料系统结构图 在使用汽油时，原车e c u 控制发动机的点火、喷油等任务，燃气e c u 不对 发动机做出任何的控制；使用天然气时，燃气e c u 控制切换开关，切断汽油的 供给，并将截取的喷油信号转化成喷气信号，控制喷气阀的开启。同时，避免 原车检测出喷油器故障，模拟器产生一个模拟的喷油信号返还给汽油e c u 。使 用燃气时，给原车一个模拟的均匀跳变的氧信号，能实现一定程度的稀燃。 仪表盘上加装了气量显示面板，两只7 段式l e d 数码管根据高压压力传感 器的信号，显示气瓶中的剩余气量。当满足转换到天然气的条件后，燃气e c u 自动转换到燃气模式，驾驶员也可以通过显示面板上的切换按键手动进行油气 的转换。红、绿两只l e d 灯则指示当前的油气状态。 图2 2 燃气e c u 主流程图 l o 图2 2 是燃气e c u 的主流程图，对于上电复位，芯片初始化完成后，对所 有的变量进行初始化，看门狗复位时，只需对部分变量初始化。在燃油模式下， 燃气e c u 仍采集转速、传感器a d 等信号，并判断是否满足切换到天然气的条 件。进入到燃气模式后，则进行燃气修正量的计算。 2 2 芯片及主要执行器的选择 2 2 1 主控芯片的选择 为了保证各缸喷气互不干扰，给每个缸的喷油信号都分配了单独的中断 i 0 口、比较定时器，不共享硬件资源。此外转速号也需要以中断的方式捕捉， 所以控制器芯片需要较多的中断口以及较高的处理速度。主控芯片选择用 f r e e s c a l e 系列的m c 9 s 1 2 x e t 2 5 6 ，m c 9 s 1 2 x 系列是h c s l 2 系列的增强型产品， 基于s 1 2c p u 内核，性能可达2 5 m h z 的h c s l 2 的2 5 倍，最高总线频率可达到 5 0 m h z 。s 1 2 x 系列单片机还增加了一个外围协处理器x g a t e ，其设计运行频率可 达到1 0 0 m h z ，可进行中断处理、通信和数据预处理，通过提供外围模块、r a m 和i 0 端口之间的高速数据传输与处理，卸载c p u 的任务。下表是它与其他常 用系列硬件资源对比。 表2 一l f r e e s c a l e 系列常用芯片的资源 型号r a mf l a s he e p r 通信接口 a dp i tp w me c t最高 k bk bo mt i m总线 k b 频率 x e t 2 5 61 62 5 644 个s c i 2 4 路 48 路 8 路 5 0 m h z 3 个s p i 8 位1 6 位 1 个i i c 3 个c a n d g 2 5 61 22 5 642 个s c i1 6 路 8 路8 路 2 5 m h z 3 个s p i 1 0 位8 位1 6 位 1 个i i c 2 个c a n a 2 5 61 22 5 642 个s c i1 6 路 8 路8 路 2 5 m h z 3 个s p i 1 0 位8 位1 6 位 1 个i i c d p 2 5 61 22 5 642 个s c i1 6 路8 路8 路 2 5 m h z 3 个s p i l o 位 8 位 1 6 位 1 个i i c 5 个c a n 2 2 2 喷气阀的选择匹配 喷气阀是燃气e c u 最重要的执行器，喷气阀的特性与整个系统的匹配极其 重要。每个循环喷入气缸的喷气量q 与减压器出口压力、喷嘴流通面积 、喷 气时间t 有直接的关系，在燃气轨压力p 、喷嘴流通面积一定时a s ，q 由t 决 定，但最长喷气时间t 受发动机一个工作循环的周期限制，在高速大负荷时， 发动机需要大的供