喬云　周海松　李越超

摘 要：柴油/LPG雙燃料發(fā)動機是指同時燃用LPG和柴油的發(fā)動機。LPG相對傳統(tǒng)柴油、汽油而言碳排放量更低，更經(jīng)濟，是國家重點推廣的重要替代清潔能源之一。在國內(nèi)關于柴油/LPG雙燃料發(fā)動機的開發(fā)和研究中，因為柴油機無法像汽油機那樣直接點燃LPG，使得柴油/LPG雙燃料發(fā)動機的技術(shù)開發(fā)難度增加。

關鍵詞：電控；雙燃料；發(fā)動機；關鍵技術(shù)

中圖分類號：TB

文獻標識碼：A

文章編號：16723198（2014）12019702

LPG相對傳統(tǒng)柴油、汽油而言碳排放量更低，更經(jīng)濟，是國家重點推廣的重要替代清潔能源之一?！凹词故菤W五標準的柴油，顆粒物排放仍高于LPG”，而顆粒物中含有更多致癌物質(zhì)，對人體的危害更大，這也是國內(nèi)外研究領域的共識。LPG/柴油雙燃料發(fā)動機可以大幅度地降低大負荷工況的微粒排放，但小負荷時的HC排放有所增加。柴油/LPG雙燃料發(fā)動機的優(yōu)點是LPG不受管線限制，供油系統(tǒng)的成本低，LPG的能量密度大、便于攜帶。在國內(nèi)關于柴油/LPG雙燃料發(fā)動機的開發(fā)和研究中，因為柴油機無法像汽油機那樣直接點燃LPG，使得柴油/LPG雙燃料發(fā)動機的技術(shù)開發(fā)難度增加。

1 柴油/LPG雙燃料發(fā)動機摻燒策略

在柴油/LPG雙燃料發(fā)動機中，LPG摻燒量的變化，會對柴油機的動力性、排放性能、工作穩(wěn)定產(chǎn)生較大的影響，因此，需要確定最佳的LPG摻燒比，使雙燃料發(fā)動機的性能達到最佳。

1.1 摻燒策略的確定

摻燒策略的確定就是科學的確定柴油的供給量與LPG噴射量之間的關系，使得兩種燃料根據(jù)不同的工況情況，依據(jù)設定的比例準時準量進入到氣缸中，從而提高發(fā)動機整體的動力性、排放性能，使發(fā)動機可靠、安全、高效運行，得到充分發(fā)揮兩種燃料的特質(zhì)。為準確制定摻燒策略，需要對每一個工況條件下，通過對發(fā)動機摻燃實驗，確定柴油量、LPG量最佳比例，從而使發(fā)動機發(fā)揮良好的燃燒性能。在柴油/LPG雙燃料發(fā)動機中，柴油供應量是通過油泵的限位齒條來實現(xiàn)的，LPG采用進氣歧管電控多點噴射，這樣可以在超負荷的情況下，對柴油機實現(xiàn)保護。在確定摻燒策略的實驗中，摻燒率、燃油量、替代率也是需要重要量的技術(shù)指標。

1.2 摻燒比優(yōu)化

為了確定最佳摻燒比，在進行摻燒實驗，我們讓發(fā)動機工作在不同的工況下，控制好排放物NOX、CO、HO等在一定范圍，然后調(diào)節(jié)LPG摻入量，以不產(chǎn)生爆震爆燃為限。在實驗過程中，一方面要考慮燃油量和摻燒比，另一方面要考慮雙燃料的替代率。柴油/LPG雙燃料發(fā)動機的科學的摻燒比是在不同工況條件的極限工作狀態(tài)下，綜合發(fā)動機穩(wěn)定性、經(jīng)濟性、排放良好的性能而確定的。經(jīng)過實驗可以看出，柴油/LPG雙燃料發(fā)動機不同摻燒比和發(fā)動機性能之間不是一個單向線性關系，單純提高摻燒比，超過一定限度，反而會降低發(fā)動機燃燒性能，使發(fā)動機排放惡化，穩(wěn)定性變差、動力降低。因此，為使柴油替代率達到最高，需要確定摻燒比在不同工況下的一個最佳值。為避免LPG未完全燃燒從尾氣中排出造成燃料浪費，在低負荷、怠速的工況下，缸內(nèi)溫度低，應采用純柴油模式。

2 發(fā)動機控制

為了實現(xiàn)發(fā)動機在柴油/LPG雙燃料、柴油兩種模式之間可以自由切換，同時，對噴射柴油量、LPG噴射量、LPG多點順序噴射等運行進行精確控制，控制系統(tǒng)需要根據(jù)發(fā)動機的實際運行情況，科學配置，從而達到控制精確、可靠、穩(wěn)定的目的。

2.1 發(fā)動機總體控制邏輯設計

發(fā)動機總體控制邏輯的設計應根據(jù)雙燃料發(fā)動機的兩個運行模式（柴油/LPG雙燃料模式、柴油模式）進行設計和控制，針對兩種模式之間的相互轉(zhuǎn)換，通過模式轉(zhuǎn)換開關來實現(xiàn)。

2.1.1 柴油/LPG雙燃料模式

在發(fā)動機的轉(zhuǎn)速達到預定值、冷卻水溫達到預溫度、油門達到預定開啟度，通過模式轉(zhuǎn)換開關切換到雙燃料運行模式狀態(tài)，此時雙燃料模式控制邏輯主要有：

（1）通過對曲軸位置傳感器信號的采集和判斷計算出發(fā)動機當前的轉(zhuǎn)速，當發(fā)動機轉(zhuǎn)速低于預設轉(zhuǎn)速時，不摻燒LPG。因此，需要設定一個科學的轉(zhuǎn)速預定。當轉(zhuǎn)速低于這個預定值時，說明發(fā)動機處于怠速狀態(tài)，控制系統(tǒng)檢測到轉(zhuǎn)速超過預設值時，才通過控制系統(tǒng)進入下一工作流程。

（2）控制系統(tǒng)通過凸輪軸、曲軸位置傳感器傳遞的信號，時序處理算法處理，確定LPG噴射閥的噴射時序。然后根據(jù)駕駛員要求和當前發(fā)動機轉(zhuǎn)速來確定油門位置。然后根據(jù)存儲在芯片中的LPG摻燒程序，經(jīng)處理計算，對此工況下LPG噴射閥的通電時間進行精確控制。油門位置、轉(zhuǎn)速兩值中任一值發(fā)生改變，控制程序都會對當前的油門位置、轉(zhuǎn)速進行更新和計算，重新的確定LPG噴射閥的通電時間。

（3）為了防止超負荷工況下對發(fā)動機造成不必的傷害，當轉(zhuǎn)速大于預設值時，在發(fā)動機不同轉(zhuǎn)速下，應對不同轉(zhuǎn)速的最大循環(huán)進行控制，因此，對油泵齒條進行限位，控制程序通過存儲的油泵限位量，實現(xiàn)對不同轉(zhuǎn)速齒條最大位置的限位。

2.1.2 柴油模式

在柴油/LPG雙燃料發(fā)動機運行過程中，柴油/LPG雙燃料、柴油兩種模式之間是可以實現(xiàn)自由切換的，當發(fā)動機運行狀態(tài)各種數(shù)據(jù)都滿足雙燃料運行而操作員并未進行模式切換操作，則發(fā)動機仍以純柴油模式平穩(wěn)運行。控制系統(tǒng)將油泵限位機構(gòu)——對步進電機的伸出軸退回至油泵本身的限位螺釘處。此時，雙燃料發(fā)動機結(jié)構(gòu)同純柴油發(fā)動機一致。

2.2 控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理

2.2.1 多點順序噴射時序控制處理

配氣相位做為LPG多點順序噴射時序控制最好的參考，LPG是從發(fā)動機進氣歧管噴射的，LPG噴射完成是從各缸排氣上止點前進氣門開始，到氣門關閉這個時間內(nèi)完成，安裝在油泵凸輪軸的位置傳感器和安裝在曲軸飛輪位置傳感器的轉(zhuǎn)速比是1∶2，在發(fā)動機順序噴射以及噴射時刻的要求上，這兩個傳感信號的關系均可滿足。為了安裝方便，可以將凸輪軸端的觸發(fā)信號設定在第一缸的的壓縮上止點，將曲軸飛輪上齒數(shù)定義為各缸的噴射順序及時刻。假設齒曲軸飛輪齒數(shù)為奇數(shù)，那么相鄰兩個缸LPG噴射時間上，會相差一個曲軸齒數(shù)的角度，再加上氣門提前打開的角度，遠大于一個齒數(shù)的角度，這樣就保在對各缸進氣歧管LPG噴射時各缸進氣門處于完全開啟的狀態(tài)。

2.2.2 油泵限位

以雙燃料模式為例，對油泵限位的方法是：控制系統(tǒng)控制器對步進電機伸出軸進行控制，讓其退回零位傳感器，零位傳感器信號反饋到控制系統(tǒng)控制器，步進電機開始從零位工作，不斷變化的轉(zhuǎn)速，從控制器中讀取各個工況轉(zhuǎn)速的電機限位量，控制步進電機逐漸達到該工況轉(zhuǎn)速下最大循環(huán)供油量限位處。由于加工粗度和工藝的影響，步進電機肯定存在一定的軸向間隙誤差，還有一定的錯位間隙，這都會導致步進電機在前進和后退的過程中，產(chǎn)生累積誤差，導致油量限位不準確。為了修正這個誤差，采取一個轉(zhuǎn)速間隔重回零位的策略，步進電機轉(zhuǎn)速每達到一定變化幅度，都要回到零位，再從零位開始工作至當前轉(zhuǎn)速下供油量限位處。

2.2.3 摻燒數(shù)據(jù)處理

為了保證摻燒數(shù)據(jù)的準確性，需要采用油門位置數(shù)值，它代表的是油門從怠速狀態(tài)到額定轉(zhuǎn)速全開度的一個百分比數(shù)值。這是因為如果采用油門位置傳感器來改變摻燒比，會因油門位置傳感器安裝時初始電壓數(shù)據(jù)不同而影響摻燒比的控制。當雙燃料發(fā)動機工作在雙燃料模式時，通過油門位置數(shù)值與存儲器中LPG摻燒MAP表比對，對發(fā)動機工況變化的響應更快，也更準確。但是，由于發(fā)動機運行時，轉(zhuǎn)速和油門位置都是連續(xù)的任意數(shù)，而LPG摻燒MAP表是限離散量的二維數(shù)表，因此，就需要采取相鄰兩個轉(zhuǎn)速值和油門位置值進行二維線性插值，這樣，可以精確控制發(fā)動機在任一工況條件下油門位置所對應的LPG噴射閥的通電時間，從而滿足摻燒策略的要求。

3 結(jié)語

在電控柴油/LPG雙燃料發(fā)動機的改造中，最重要的部分是制定科學、合理、經(jīng)濟的摻燒策略。經(jīng)過改造后的雙燃料發(fā)動機在運行過程中無論是穩(wěn)定性、動力性、排放性都較柴油發(fā)動機有很大的提高，能夠滿足惡劣條件下不同工況的生產(chǎn)需求，也對我國非道路發(fā)動機技術(shù)的研究提供一個很好的借鑒。

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