汽油-LPG雙燃料發動機油氣切換控制策略

馮雪麗

(杭州科技職業技術學院，浙江 富陽 311402)

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汽油-LPG雙燃料發動機油氣切換控制策略

馮雪麗

(杭州科技職業技術學院，浙江 富陽 311402)

摘要：以LPG為汽車代用燃料，以方便性、實用性和可靠性為基本要求，設計出一套LPG-汽油雙燃料模式發動機電控系統，詳細探究了發動機運轉中油氣改變進程，提出了一套油氣轉換控制方案。發動機能夠按照ECU的命令，在正常運轉的狀況下安穩地實行油氣轉換，使發動機相應單獨運行在兩種燃料形式下。

關鍵詞：雙燃料發動機；油氣切換；控制策略

0引言

雙燃料汽車在汽車發展的過渡階段有其顯著的優點。當發動機工作在怠速工況、正常小負荷工況或低轉速工況下，采用LPG作為發動機燃料，能夠有效地降低發動機尾氣排放。當發動機遇到大負荷工況和急加速工況時，采用汽油燃料可以保證發動機的功率輸出，提高發動機的可靠性。同時，駕駛人員也不必擔心LPG在供應不足時找不到加氣站的麻煩，有效緩解了供氣站的缺乏狀況。

目前雙燃料發動機控制方法依據LPG 狀態下的發動機控制方法進行分類可分為：單ECU 雙燃料發動機控制方法和隨動式雙燃料控制方式。

單ECU 方式采用 1 個ECU 對發動機的燃料種類進行切換。此種方式控制效果及切換過程控制效果最佳。采用這種方式需要放棄原機ECU 及線束，且需要對發動機進行分別汽油和LPG 兩種燃料的標定，只能由整車廠進行開發。這種方式對整車廠開發兩用燃料車的初期風險較大，只有整車廠積累了一定的市場份額后才會進行此項開發，目前，2010款新愛麗舍CNG 汽車是用這種控制方式。

隨動式兩用燃料控制方式，在原機ECU 的基礎上增加了一個附加ECU ，附加ECU 通過測量原機ECU 的噴油器驅動信號獲得原機 ECU 的汽油噴射脈沖寬度信號，通過計算將其轉化為LPG 噴嘴的噴射脈寬信號。這種控制方式結構簡單，構成零部件少，系統安裝容易布置。目前國內外使用的汽油/LPG 兩用燃料發動機大多采用這種控制方式，且多應用于在用車改裝市場。

1獨立控制式雙燃料發動機控制方法

上述兩種雙燃料發動機控制方法各有優劣，單ECU 式兩用燃料發動機控制方法可達到最佳的發動機控制及切換效果，但其開發過程復雜，應用風險較大。隨動式兩用燃料發動機控制方法僅通過對發動機的噴油數據進行轉換然后進行發動機控制，附加ECU 無法獲取發動機的所有運轉信息，也不能掌控發動機所有的執行器，這將使發動機無法達到最好的控制結果。同時，汽油ECU 的故障診斷裝置和診斷策略越來越完善，要避免汽油ECU 由于附加ECU的增加而產生故障，進而影響LPG 狀態下發動機的控制，就需要使用復雜的汽油ECU 執行器模擬器與傳感器模擬器。

介紹了自主控制的汽油/液化石油氣雙燃料發動機的控制方法，原型發動機上仍然保存汽油ECU ，而液化石油氣的情況下，由一個獨立的LPGECU 進行控制。在不同燃料狀態下分別由各自的ECU 進行發動機控制，以達到在不同燃料狀態下最佳的發動機控制效果。燃料狀態切換則由LPGECU 根據駕駛員的選擇以及環境因素通過控制燃料切換控制模塊來實施。 在LPG 狀態下發動機直接由LPGECU 全權控制，則可使 LPGECU 充分發揮對發動機的控制潛力，取得等同于單ECU 式兩用燃料發動機控制方法的控制效果。汽油/液化石油氣雙燃料汽車系統相對于普通汽油車，增加了LPG 供應系統、燃料狀態切換執行模塊、液化石油氣ECU 及人機接口。 獨立控制式兩用燃料發動機的控制原理可利用圖1描述為：LPGECU 中的燃料狀態控制模塊根據人機接口及環境因素，通過燃料狀態切換執行模塊，控制汽油控制器或液化石油氣控制器中的液化石油氣狀態發動機控制模塊取得發動機的控制權。當汽油ECU獲取發動機控制權時，發動機工作于汽油狀態，當LPGECU 獲取發動機控制權時，發動機工作于LPG 狀態。 LPG 狀態下發動機控制功能完全由LPG 狀態發動機控制模塊實施，而兩用燃料發動機燃料切換則由人機接口、燃料狀態控制模塊和燃料狀態切換執行模塊共同實施。

圖1　獨立控制式雙燃料發動機基本原理

在保持原有供油裝置不變，另增裝一套液化石油氣供應系統包括： LPG 儲氣罐、LPG 加氣口、LPG 加氣管、LPG 組合閥、組合閥密封罩、LPG 液態供給管、蒸發減壓閥、LPG 氣態供給管、氣態LPG 濾清器、氣軌和噴嘴、LPG 溫度傳感器和LPG 壓力傳感器。這樣原發動機即改裝為擁有2套并行的燃料供給系統，改造后的發動機能夠單獨使用LPG或汽油運行。此次改造，可以方便地在原有汽油機電控系統上進行雙燃料發動機的轉換電路設計。

開發的LPG-汽油雙燃料發動機轉換電路主芯片采用飛思卡爾公司16位的MC9S12XDP512單片機，該款單片機基于S12CPU內核，總線頻率可達40 MHz，具有較強的數值運算和邏輯運算能力，為油氣轉換的研究提供了強有力的硬件基礎。

同時，基于開發的雙燃料模式電控系統，采用微軟公司的VB(visual basic)開發軟件，開發出一套發動機監控系統。使用VB開發軟件自帶的MSComm串口控件與電控單元ECU的SCI模塊進行串行通信，為電控系統的開發提供了調試平臺。該監測系統可以實時監測各種運行參數(發動機的)，包括轉速，節氣門的開啟，燃油噴射脈寬，進氣溫度，進氣壓力信號。本次監控系統設計的關鍵目的是，通過點擊監控界面的油氣切換開關來實現發動機的燃料切換。

2油氣切換策略研究

設計的雙燃料模式發動機的主要任務是確保發動機在不停機狀況下進行汽油和LPG燃料平穩切換。前提是發動機分別在兩種燃料下均能穩定運轉，且啟動效果良好。但一般情況下，使用汽油來啟動發動機，并進行預熱，等待發動機工作溫度達到80 ℃時，再進行油氣切換。這是因為LPG 以液態方式儲存，以氣態方式噴射，在氣化過程中，LPG 必須攝取熱量。在冷卻水溫度較低時，發動機不足以提供足夠的熱量給蒸發減壓閥，此時使用 LPG 將導致蒸發減壓閥結冰，影響LPG 供給。這將導致發動機難以啟動或啟動后難以穩定。目前汽油/LPG 兩用燃料發動機絕大多數是采用冷機啟動時使用汽油，然后再轉換到使用LPG ，每啟動一次燃料就要轉換一次。

2.1傳感器和執行器切換方法

ECU對發動機的控制權體現為對傳感器信號采集和對執行器控制程度。1個ECU要獲取發動機所有的控制權，就需要使ECU 能夠采集所有發動機傳感器信號以及獲得所有執行器的控制權。 發動機控制權在不同ECU 之間切換，實質為使不同ECU獲取發動機全部傳感器信號采集權和執行器控制權。

要使傳感器信號在不同ECU 控制發動機時全部被相應ECU 采集，可采用2 種方式：傳感器信號切換和傳感器信號共用。傳感器信號切換即將傳感器信號在汽油ECU 和LPGECU 之間利用繼電器進行切換。獲取傳感器信號采集權的ECU 在傳感器切換后獨占傳感器，可以避免傳感器信號受到其他ECU 的干擾。傳感器信號利用信號繼電器切換，信號繼電器一般接觸電阻在0.1 Ω以下，由于傳感器信號采集電路屬于高輸入阻抗設計，所以在傳感器與信號采集電路之間添加繼電器對傳感器信號的影響可忽略不計。傳感器信號共用即將傳感器信號同時傳遞給兩種控制器 。同時使2種ECU 都獲取傳感器信號采集權。共用方式即傳感器信號同時由汽油控制器和液化石油氣控制器進行采樣。傳感器同時由2種ECU同時采樣，由于信號內阻與信號采樣電路的輸入阻抗變化將造成源負載效應誤差，由于電路電容發生變化將造成信號動態響應變化，從而影響信號的響應時間。但在ECU 信號輸入口的輸入阻抗遠大于信號源內阻時，傳感器信號同時由2個ECU采樣時的信號失真已經小于車用ECU 的AD轉換器的最小可分辨電壓，基本可忽略其影響。ECU 在進行設計時已經進行了傳感器和信號輸入口的阻抗匹配，可保證ECU 信號輸入口的輸入阻抗遠大于信號源內阻，故2個ECU 對同1個傳感器同時進行采樣是可行的。曲軸位置傳感器和凸輪軸位置傳感器采用信號共用方式。溫度傳感器包括進氣溫度、缸體溫度和空調盤溫，這些傳感器采用信號共用方式。節氣門位置傳感器，進氣壓力傳感器，爆震傳感器采用切換方式，前氧傳感器和后氧傳感器可以采用雙ECU 共用的方式執行器的控制權切換必須根據執行器的驅動方式選擇合適的方法。而在發動機上，執行器的驅動方式只有2類：橋式驅動方式和低端開關驅動方式。在發動機執行器中，步進電機式怠速閥即采用橋式驅動，除步進電機外，發動機所有執行器包括噴油器、點火線圈、各類電控閥和各類繼電器均采用低端開關驅動方式。獨立控制式汽油/LPG 兩用燃料發動機在工作時，不會同時使用汽油和LPG ，這意味著汽油ECU 和LPGECU 不會同時獲取執行器控制權。使用不同燃料時，需將同1個執行器交由不同ECU 控制，這可以通過執行器切換方式或執行器協同方式實現。采用橋式驅動的執行器只能采用切換控制方式，而低端開關驅動除切換控制方式外還可以采取協同控制的方式。通過這種方式，執行器得以在不同ECU 之間切換，當執行器連接不同ECU 后，ECU 隨即獲取對執行器的所有控制權。失去執行器的ECU 不會影響獲取執行器的ECU對執行器的控制，協同方式只能用于低端開關驅動的執行器。

2.2汽油至LPG燃料切換控制策略

如圖2所示，切換令發出后，在發動機曲軸轉動2圈后再斷開汽油ECU 點火開關信號是為了使LPGECU能夠在開始控制噴射時已有關于噴氣脈沖寬度及點火提前角的相關數據。以避免在燃料切換時由于控制數據沒有就緒而導致的LPGECU延遲控制。這將導致燃料切換命令發出后，燃料切換并未馬上實施，而是存在一定的時間延遲，但這種時間延遲，駕駛員并不能明確感受到。通過這樣的策略，可有效防止切換過程中汽油ECU 診斷出故障。

圖2　汽油至LPG燃料切換控制策略

該過程切換流程如圖3所示。

圖3　汽油狀態向LPG狀態切換流程圖

2.3曲軸轉動中LPG至汽油燃料狀態切換

LPG至汽油燃料狀態切換過程與汽油向LPG燃料狀態類似，但是同樣也要避免汽油ECU檢測出點火線圈故障。曲軸轉動中LPG至汽油的燃料轉換控制策略如圖 4所示。

圖4　汽油狀態向LPG狀態切換流程圖

該過程切換流程如圖5所示。

圖5　LPG狀態向汽油狀態切換流程

3發動機運轉過程中的切換實驗

3.1發動機在汽油怠速工況下切換至LPG、然后切換到汽油

測試流程如圖6所示。

圖6　測試流程

測試目標：汽油燃料狀態下能夠穩定有效地切換到LPG燃料，然后切換到汽油。

測試數據如圖7所示。

圖7　測試數據

測試結果分析：測試結果表明，汽油切換到LPG時，有時會導致發動機熄火，有時能夠正常切換，在切回到汽油燃料時，轉速較為穩定。

3.2發動機在LPG怠速工況下切換至汽油、然后切換到LPG

測試流程如圖8所示。

圖8　測試流程

測試目標：LPG燃料狀態下能夠穩定有效地切換到汽油燃料，然后切換到LPG。

測試數據如圖9所示。

圖9　測試數據

測試結果分析：測試結果表明，從LPG切換到汽油時，轉速較為穩定，在切回到汽油燃料時，能夠完成切換，但切換完成后2~5s時間內轉速波動較大。

4結語

分析了獨立控制式雙燃料發動機的基本原理，說明了傳感器信號采集和執行器執行切換的原理和方法，說明了汽油向LPG狀態和LPG向汽油機切換的狀態變化過程，并進行了燃料切換實驗，驗證了獨立式雙燃料控制方法的可行性。但切換過程還沒有達到完美理想狀態，仍需優化。

參考文獻:

[1] 張文,劉春恰,李明,等. 兩用燃料汽車開發進展[J]. 科技傳播,2012,(03):114-115.

[2] 文代志,陸軍. 液化天然氣(LNG)汽車綜述[J]. 裝備制造技術,2012,(07):120-123.

[3] 隗海林. LPG/汽油兩用燃料發動機燃料轉換過程控制策略研究[D]. 長春：吉林大學,2007.

[4] 阿比旦,張武高,歐陽明高. 液化石油氣汽車技術的發展與應用[J]. 汽車技術, 2001, (11):5-8.

[5] 鄒斌. 獨立控制式汽油LPG兩用燃料發動機控制方法研究[D]. 武漢：武漢理工大學，2013.

Switch Strategy of LPG-Gasoline Dual Fuel Engine

FENG Xue-li

(Hangzhou Polytechnic College, Fuyang 311402, China)

Abstract:Based on LPG for the automotive alternative fuel，and according to the basic requriements of convenience，practicability and reliability，this paper designs a set of electronic control systems for LPG/gasoline dual fuel mode engine, explores the operation of the engine oil change process in detail, and brings out a set of switch strategy. ECU engine is able to follow commands, and the oil is converted into the gas under normal operation conditions, vice versa.

Keywords:dual fuel engine；fuel switch；control strategy

收稿日期：2015-02-09

中圖分類號：TK44

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)03-0180-04

作者簡介：馮雪麗(1981-)，女，河南駐馬店人，講師，碩士，研究方向為汽車的智能化控制。