CNG/柴油雙燃料高壓共軌發動機控制策略研究

鐘序洪　申立中　劉少華（昆明理工大學云南省內燃機重點實驗室　云南　昆明　650500）

CNG/柴油雙燃料高壓共軌發動機控制策略研究

鐘序洪申立中劉少華
（昆明理工大學云南省內燃機重點實驗室云南昆明650500）

以一臺YN38CRD2柴油發動機為研究對象，增加CNG供氣系統裝置，將原機改裝成為一臺CNG/柴油雙燃料高壓共軌發動機。同時，基于發動機的不同運行工況，將工作模式劃分為停止模式、起動-怠速模式、常規模式、過渡模式和轉速限制模式，確定各模式間相互轉換條件，并由此設計工況判斷策略和各工況下的控制策略。試驗結果表明，雙燃料模式下的動力性接近原機，低轉速時最大扭矩略高于原機10N·m，高轉速時最大扭矩略低于原機；隨著發動機負荷增加，轉速波動能夠穩定在20r/min以內，實現了雙燃料發動機的平穩運轉。

CNG雙燃料運行工況控制策略

引言

壓縮天然氣(CNG)被視為現如今內燃機廣泛使用的替代燃料，其資源豐富，開發成本低，CO2的比排放濃度低于柴油機和汽油機，并且不產生顆粒物和SOx，具有便于貯存和運輸、低排放和能量密度高等優點，被認為是最有發展前途的發動機清潔燃料[1-3]。相對于柴油機或汽油機，單獨使用天然氣作為燃料的發動機其動力性能最大功率下降較大。在排放方面，天然氣發動機具有明顯的優越性，天然氣發動機顆粒物排放幾乎為零，NOx、CO和HC排放也顯著降低，在改善環境方面起著重要的作用[4]。CNG/柴油雙燃料發動機能更好解決發動機動力性下降的問題，并且實現了減少污染和保護環境的目的[5]。

近年來，雙燃料發動機的電控技術在一些先進工業國家（如德國、美國和法國）已經得到了較充分的發展，國內自主發展起來的雙燃料發動機的電控技術也有了很大的進步。全國各大高校對天然氣/油雙燃料發動機的技術研究主要是在雙燃料發動機改裝上，天然氣進氣方式經歷了采用進氣總管在混合器里面形成混合氣，再進入氣缸引燃的方式，到采用進氣歧管多點順序噴射（這是目前研究較多的進氣方式），再到采用高壓缸內直噴（HPDI）（這是未來的發展趨勢）[6]。國內的企業（比如玉柴動力、云內動力等）也研制了雙燃料發動機產品并且應用到市場，對雙燃料電控技術方面的研究也日漸成熟[7]。

以一臺四缸增壓中冷高壓共軌柴油發動機為研究對象，保留原機結構基本不變，增加一套CNG供氣系統，CNG采用進氣歧管多點順序噴射。基于CNG燃料的理化性質，結合其在高壓共軌柴油機上的摻燒方式，以發動機的不同運行工況為線索，設計雙燃料發動機在停機、怠速、過渡、常規和限速工況下的控制策略，以實現發動機的正常運轉。

1　 YN38柴油機的改裝

1.1發動機選取及主要技術參數

雙燃料發動機絕大部分采用柴油機為基礎進行開發，主要是利用柴油機成熟的增壓中冷技術。基于YN38CRD2電控高壓共軌柴油機，保留原機的燃油供給系統和ECU電控系統，增加天然氣供給系統，利用NI軟硬件平臺自主開發設計天然氣Lab-ECU電控系統。改裝后的發動機由柴油和CNG共同工作，既可以采用純柴油模式，也可以采用CNG/柴油雙燃料模式。試驗使用YN38CRD2柴油機主要參數如表1所示。

表1　 YN38CRD2柴油機主要參數

1.2 CNG/柴油雙燃料共軌發動機結構

基于改動較小、成本較低、控制難度容易等原則，CNG/柴油雙燃料發動機供氣系統的總體設計方案如圖1所示。

圖1　 CNG/柴油雙燃料發動機供氣系統方案

改裝機型為四缸增壓中冷高壓共軌柴油機，因此選用CNG進氣歧管多點順序噴射方式，如果采用缸內高壓直噴方式，對原機改動較大、系統結構更加復雜、控制難度較大、不利于前期開發[8]。采用缸外進氣歧管多點順序噴射供氣方式，噴氣量由Lab-ECU電控系統根據發動機工況來控制。

1.3 CNG/柴油雙燃料發動機工作原理

試驗用的天然氣被壓縮至20MPa左右，儲存于CNG高壓氣瓶中，經高壓截止閥、高壓電磁閥、減壓器將天然氣的壓力降低到0.2MPa左右略高于常壓的壓力范圍。同時，為了防止減壓器因減壓過程氣體膨脹吸熱而引起堵塞，安裝了一個加熱裝置，經過減壓后的天然氣經過濾器、調壓器、氣體流量計、回火阻止器等，最后進入CNG噴嘴總成，由天然氣Lab-ECU控制天然氣噴氣閥順序噴射天然氣，進入進氣歧管后與增壓中冷后的空氣均勻混合后進入燃燒室而被柴油引燃。進氣歧管多點順序噴射天然氣供給系統工作原理如圖2所示。

圖2　進氣歧管多點順序噴射CNG工作原理

2　 CNG/柴油雙燃料高壓共軌發動機控制策略

柴油機在起動、加速和常規運轉的過程中，涉及的各種工作狀態時刻都可能存在變化。這種變化可能是由于外界條件的改變，例如載荷、路況造成的負荷變化，氣候條件變化造成的進氣量改變等；也可能是人為的改變，例如更多地踩下了加速踏板。這時候必須頻繁地檢查發動機的工況狀態，并按照設定的邏輯做出相應的改變[9]。

控制策略指的是雙燃料發動機控制系統按照預先設計好的目標運行的一套控制方案，它以程序的形式存儲于只讀存儲器(EEPROM)中，工作時依據傳感器信號并結合相應的脈譜信息，獲取目標控制結果后控制執行器動作。基于工況劃分的控制策略具有程序設計制作簡單和可實現工況處理函數的“并行化”以及可靈活設置特殊工況等優點，工況劃分越細致，控制策略就越有針對性、控制方案越完備[10]。

2.1雙燃料發動機工況劃分及其轉換

對發動機各工況的設置和劃分的目的是為了針對不同工況分別制定對應的控制策略并在控制軟件上加以實現，雙燃料高壓共軌發動機的運行工況劃分為停機、起動-怠速工況、常規工況、過渡工況和限速工況，各工況下的工作模式可以相互轉化。通過分析各工作模式之間相互轉化的關系，依據雙燃料發動機的轉速、油門踏板開度、水溫等參數來判斷雙燃料發動機的當前工作模式，工作模式判斷流程如圖3所示。

圖3　雙燃料發動機工作模式判斷

2.2雙燃料發動機各工況下的控制策略

CNG/柴油雙燃料發動機各個工況下的控制策略，其控制對象主要都是供油量、供氣量、供油時機、供氣時機、噴油規律和噴氣規律[11-12]。針對CNG/柴油雙燃料高壓共軌發動機的工作特性，根據不同的運行工況對發動機的雙燃料噴射系統實行不同的控制策略，在滿足其動力性的同時，以獲得較好的燃油經濟性能和較好的排放性能。

考慮到天然氣發動機在中低負荷下的燃燒排放性能以及動力性[13-15]，中低負荷時采用純柴油工作，噴油量由原機ECU控制。發動機在中高負荷時，采用少量柴油引燃，CNG作為主要燃料的方式，引燃柴油噴射量靠原機ECU控制，噴氣量由天然氣Lab-ECU控制。

工作模式由柴油向雙燃料轉換。發動機在中高負荷時，發動機的工作模式由柴油向雙燃料轉換。轉換時，人工打開CNG的氣瓶開關，通過CNG調壓器把進氣壓力P調整在0.5MPa左右的安全范圍，Lab-ECU給天然氣噴嘴發送PWM驅動信號，天然氣噴嘴開始噴氣，CNG進入氣缸被柴油引燃。Lab-ECU根據所需要的目標替代率，逐漸增加噴射脈寬，CNG進氣量增加，同時油門開度逐漸減小，柴油的噴射量逐漸減少，直至達到設定值時，噴射脈寬不再繼續增加。此時，控制系統根據傳感器采集到的各缸排氣溫度的情況，對CNG噴射控制參數進行適當的微調，保證發動機運轉穩定。

雙燃料向純柴油模式轉換時，為了實現發動機工作模式的平穩過渡，采用的控制策略和純柴油轉換為雙燃料時候的相反：Lab-ECU控制系統逐漸減小CNG噴射脈寬，CNG進氣量逐漸減少，ECU控制油門開度逐漸加大，循環噴油量逐漸增加，直至噴氣脈寬為零。此時控制系統關閉各缸的CNG噴射閥，人工關閉CNG氣瓶開關，切斷各缸天然氣供給。過渡工況下的控制流程如圖4所示。

圖4　過渡工況下的控制流程

常規工況是發動機使用最多的運行工況，也是發動機的主要工作狀態。常規工況下運行時的控制策略如圖5所示。Lab-ECU通過對各缸排溫、油門開度位置兩個控制目標進行實時監控，調整CNG進氣量，以各缸排氣溫度均勻性作為判斷依據，對各缸天然氣噴嘴的噴射脈寬進行適當調整，使各缸排溫的均勻性在控制目標范圍內。同時，當天然氣供氣管道壓力變化引起天然氣循環供氣量和柴油噴油量出現相應的變動，此時油門執行位置將出現變動，控制系統根據其位置的變化與設定值對比得出調控策略，適當調整噴氣脈寬，改變CNG進氣量，使油門執行位置保持在設定值附近。

圖5　常規工況下的控制流程

限速工況屬于非正常工況，當發動機的轉速超過額定轉速時，控制系統通過對曲軸的轉速、凸輪正時、油門位置、液壓壓力等信號進行分析，判斷發動機工作是否出現異常狀況，主要包括信號采集故障和曲軸轉速異常波動，負荷變化導致的曲軸轉速變化，極端情況為負荷的突增或者突減，還包括發動機振動和異響等等。這時候必須對發動機進行停止噴氣和斷油處理，使得發動機輸出動力急速下降，在完成斷油和停止供氣以后，如果發動機的轉速恢復到正常的速度區域，則恢復供油和噴氣，使發動機恢復到正常工作。發動機異常工況下的控制策略如圖6所示。

3　試驗結果與分析

進行了外特性的試驗，結果如圖7所示，雙燃料發動機的外特性扭矩接近原機，轉速小于1600r/min時，雙燃料模式的最大扭矩高于原機10Nom左右，而轉速大于1800r/min時則略低于原機。整體來講，雙燃料發動機的動力性基本能夠達到原機的水平。

圖6　限速工況下的控制流程

圖7　雙燃料發動機外特性與原機對比

試驗過程中采集發動機轉速、扭矩等數據分析發動機轉速波動，進而判斷雙燃料發動機的運轉穩定性。圖8、圖9和圖10分別為1 200r/min、1 800r/min和2 400r/min試驗結果，雙燃料發動機在加氣過程中隨著負荷增大，轉速均穩定在一定的范圍內，轉速波動在20r/min以內，雙燃料發動機運轉穩定。

圖8　 1 200r/min轉速波動對比

圖9　 1 800r/min轉速波動對比

圖10　 2 400r/m in轉速波動對比

4　結論

將YN38CRD2柴油機改裝成雙燃料發動機，CNG噴氣量由Lab-ECU電控系統根據發動機工況來改變脈寬PWM控制，引燃油量由原機的ECU控制。對雙燃料發動機不同工況實行不同的控制，結果表明其動力性接近于原機水平，轉速波動能夠穩定在一定范圍以內，實現了雙燃料發動機的平穩運轉。

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CNG/DieselDual FuelHigh-Pressure Common-Rail Engine Control Strategy

Zhong Xuhong,Shen Lizhong,Liu Shaohua
Yunnan ProvincialKey Laboratory of InternalCombustion Engine，Kunming University ofScienceand Technology(Kunming,Yunnan,650500,China）

Taking a YN38CRD2 diesel engine as the research object,fitted with a CNG gas supplying system,the original engine was converted into a CNG/diesel dual fuel high-pressure common-rail engine. At the same time,based on differentworking conditionsof the engine,the operationmode was divided into stop mode,start-idlemode,normalmode,transition mode and speed-limitmode,each of the modes was determined under conversional conditions,and thus judgement strategies and control strategies of each conditions are designed.Preliminary test results show that the power of the dual-fuelmode is close to the original engine,themaximum torque at low speed is slightly higher than the originalmachine by 10N·m, slightly lower athigh speed;As the engine load increases,the speed fluctuation can be stabilized within the range of20r/min,toachieve the smooth operation ofdual-fuelengine.

CNG,Dual fuel,Working conditions,Controlstrategies

TK442

A

2095-8234（2016）02-0077-05

2016-01-05）

鐘序洪（1988-），男，碩士研究生，主要研究方向為發動機控制技術。