CNG/柴油雙燃料發動機天然氣噴氣驅動的研究*

牛　驍　劉少華　王　維　申立中（昆明理工大學云南省內燃機重點實驗室　云南 昆明　650500）

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CNG/柴油雙燃料發動機天然氣噴氣驅動的研究*

牛驍劉少華王維申立中
（昆明理工大學云南省內燃機重點實驗室云南 昆明650500）

根據CNG/柴油雙燃料發動機對天然氣的要求，即噴氣驅動能定時準確地噴出天然氣。以Peak&Hold電流波形為基礎，基于英飛凌公司TC1728開發板中的GPTA模塊以及DAVE、IDE、UDE 3款編程軟件，在某型號柴油機改裝成的雙燃料發動機上進行帶電流反饋的天然氣電控系統的開發，并在發動機臺架上進行天然氣噴氣驅動的試驗驗證。試驗結果表明該天然氣噴氣驅動程序控制波形比較穩定，噴氣軌電磁閥能迅速地開啟和關閉，電磁閥從完全關閉到完全開啟，時間為600 μs，Peak階段電流能達到3A，Hold階段電流維持在1A，滿足了CNG/柴油雙燃料發動機對于噴氣驅動的要求。

CNG/柴油雙燃料發動機 電控系統 噴氣驅動

引言

近年來，隨著世界范圍內機動車產量和保有量的不斷增長，能源危機和環境污染問題日益突出。柴油價格的不斷攀升以及越來越苛刻的排放法規的頒布，促使許多動力制造商正尋求使用新的燃料來取代傳統燃料，并且積極推廣、開發和利用以天然氣為主的清潔替代能源。大力開發新型代用燃料發動機，這對于實現節能減排具有重要意義［1-3］。

壓縮天然氣（CNG）是一種清潔燃料，主要成分為甲烷，化學性質穩定，成分單一，純度高，易混合均勻；燃燒溫度低，利于減少NOχ的排放；辛烷值高，抗爆性好；燃點較高，著火延遲期長，火焰傳播速度慢；呈氣體狀態吸入氣缸，容積效率降低［4-5］。

CNG/柴油雙燃料發動機是以天然氣為主燃料，少量柴油引燃方式工作的發動機。對于CNG/柴油雙燃料發動機來說，噴油控制系統和噴氣控制系統都是非常重要的，能否合理地控制噴油和噴氣對雙燃料發動機的性能有很大影響［6-8］。為了合理地控制噴氣，需要開發設計出天然氣控制系統。在某型號柴油機改裝好的雙燃料發動機上進行天然氣電控系統的開發設計，開發設計是基于英飛凌公司的TC1728開發板以及DAVE、IDE、UDE開發軟件完成的。開發完成后在發動機臺架上進行天然氣噴氣驅動的驗證。

1　CNG/柴油雙燃料發動機電控系統介紹

對于CNG/柴油雙燃料發動機來說，它的電控系統由兩部分組成：其中一個是原柴油機的電控系統，另外一個是天然氣電控系統。雙燃料發動機的引燃柴油量由原機的柴油供給系統控制，而天然氣的噴氣量則需要通過噴氣脈寬和噴氣時間來確定［9-10］，噴氣脈寬和噴氣時間需要自主開發的天然氣電控系統來實現。

1.1TC1728開發板介紹

TC1728開發板是英飛凌公司推出的，是汽車統一處理器大家庭中的一款面向動力總成應用的32位微控制器，具有性能強大，集成度高，功耗低，體積小等優勢。它采用TriCore架構，并且內核帶有4級流水線。同時，該芯片還集成了多個智能化及相對獨立的外圍模塊，比如MSC、CAN接口等。TC1728開發板有以下幾個特征：

1）CPU具有4級流水線；

2）具有單精度浮點運算單元；

3）主頻可以達到133MHz；

4）可以在大容量片上內存；

5）具有集成數字信號處理功能；

6）帶有3個節點的CAN模塊；

7）支持OCDS（片上調試），支持電源管理系統；

8）具有強大的處理能力；

9）具有超高的實時性；

10）具有64位本地存儲總線，32位系統外圍總線。

自主開發的天然氣噴氣驅動主要用到的就是TC1728開發板上的GPTA（定時器）模塊，該模塊有兩個優勢：一個是可以快速實現信號的捕獲和比較；一個是可以實現復雜信號的控制輸出。如圖1所示為TC1728開發板。

圖1　TC1728開發板

1.2軟件開發工具鏈介紹

自主開發設計的這套噴氣驅動需要用到三個軟件，分別是代碼自動生成軟件DAVE、TASKING集成開發環境（IDE）軟件、UDE調試仿真器套件。

DAVE是Infineon自己開發的針對所有的MCU的可視化配置工具，主要是通過友好的界面讓用戶來操作單片機的內部資源，最后自動地產生相應的C代碼。

IDE是由澳大利亞的Altium公司開發的工具鏈，主要的功能是提供MCU及DSP等單片機的匯編和C語言的編譯器，附加功能為簡單的調試仿真功能。TASKING的運行平臺是Windows，是面向工程的集成開發環境，包含了編輯、編譯、鏈接及仿真調試等功能。高版本的TASKING還支持ISO26262功能安全的檢查等，特別是能支持Infineon公司的最新一代MCU（AURIX系列三核芯片）。

UDE是德國的pls公司的產品，可以通過DAP 及JTAG等接口和目標板進行連接。其中UDE是仿真器的硬件，UAD是仿真的軟件，兩者要結合起來使用。UAD套件是通過USB2.0和PC進行連接，在UAD的界面里可以進行對目標板的程序燒寫和在線調試，其上傳的速度可以高達3.6Mbyte/s。UDE套件還支持跟蹤功能，在UAD的環境里可以跟蹤所需要的變量，并以圖形化顯示，也支持Infineon的新一代架構的單片機AURIX等。

2　總體設計

天然氣電控系統實時采集發動機相位信號，產生正確的相位識別結果，應用層軟件基于正確的判缸結果計算出發動機噴氣正時等參數，賦值給底層驅動函數接口，使MCU精確地輸出控制信號經過驅動硬件電路使發動機精確的噴氣，從而達到試驗要求并且保證雙燃料發動機正常工作。試驗用發動機參數如表1所示。

表1　發動機主要技術參數

2.1硬件設計

天然氣電控系統的硬件設計主要有幾部分構成，分別是曲軸及凸輪軸等傳感器，TC1728開發板，UDE調試器，天然氣驅動板，氣軌電磁閥，減壓閥等。如圖2所示為總體設計圖。將發動機曲軸及凸輪軸信號采集出來經過波形整形電路處理后輸入到MCU中，通過GPTA及ADC等模塊進行處理，然后輸出5路控制PWM波，其中有4路分別是氣缸的PWM波，另外一路是減壓閥PWM波，通過電流轉換電路把控制信號的電流轉化成一定范圍的電壓，并經過ADC采集，形成一個閉環控制系統。

圖2　總體設計圖

2.2軟件設計

首先在DAVE軟件自動生成MCU的配置C代碼，然后在TASKING中進行具體的控制代碼的編輯，最后通過編譯生成可擴展調試.elf文件，最后通過UDEUAD套裝軟件把.elf文件燒寫到單片機的FLASH中。如圖3所示為基于正確的發動機相位識別結果的天然氣的噴氣定時和噴氣脈寬底層軟件設計流程圖，圖4所示為TASKING軟件編譯環境界面。軟件設計的主要目的是根據天然氣發動機工作原理配置和操作MCU資源進而按照程序的功能進行模塊函數的封裝。

圖3　天然氣噴氣的軟件設計流程圖

圖4　TASKING軟件編譯環境界面

3　天然氣噴氣驅動驗證

雙燃料發動機噴氣驅動的關鍵是根據凸輪軸、曲軸傳感器采集的信號，基于發動機的相位識別結果在底層進行控制氣軌電磁閥噴氣定時和噴氣脈寬等函數程序接口的封裝，ECU應用層控制策略根據發動機的工況算出噴氣提前角及噴氣脈寬等參數，然后賦值給底層相應的函數程序接口，從而滿足了天然氣電控系統的要求。

噴氣驅動驗證試驗中，氣軌電磁閥理論控制波形如圖5所示，波形為peak&hold型，其中peak為開啟電磁閥的峰值電流，hold為保持電磁閥開啟的維持電流。

圖5　氣軌電磁閥理論控制波形圖

圖6 a）為實測噴氣軌控制信號與驅動電流波形，包括反饋信號和控制信號，b）為a）局部放大圖。示波器上一共有3個通道，分別為CH1通道，它是噴氣軌控制信號；CH3通道，它是所有氣缸的噴氣控制信號的反饋電流；CH4通道，它是其中某一個缸的噴氣驅動電流的反饋信號。控制電流需要在電磁閥開啟后的t1時刻到峰值I1，之后I1降低到I2進入hold階段，I1為3A，I2為1A。因此要在UDE的調試環境界面當中進行更改和設定寄存器值。查詢寄存器的值進行獲取時間并且進行反饋；等到t2時刻時，控制信號結束，這個過程的噴氣脈寬即為t2。減壓閥的開口大小是通過固定頻率的PWM技術來實現的。當合理改變PWM波的占空比時，就是改變減壓閥的開口度，從而改變天然氣的流量。通過試驗圖6 a）、b）可以看出，天然氣噴氣驅動可以正常工作，噴氣驅動驗證成功，天然氣電控系統可以正常噴氣。

4　結論

以Peak&Hold電流波形為基礎，從硬件設計和軟件編譯兩方面著手，進行帶電流反饋的天然氣電控系統的開發，結果表明：

1）該天然氣噴氣驅動程序由硬件和軟件相互配合實現，LTC產生噴氣PWM波，ADC進行電流反饋。這樣做使得軟件算法得到了簡化，程序的執行效率也得到了提高。

2）采用電流閉關控制技術，調節控制信號PWM波的占空比來維持電壓為12V的hold階段的電流，這樣的控制方式比較簡單，而且可靠性高，電流能穩定維持。

3）天然氣噴氣軌電磁閥能迅速地開啟和關閉，完全關閉到完全打開，響應時間大約為600μs，這樣就滿足了噴氣過程的實時性要求。

4）實測噴氣軌驅動電流反饋信號和理論設計的氣軌電磁閥控制波形基本一致，說明達到了設計要求。

圖6　實測信號

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10Sahoo B B，Sahoo N，Saha U K，et al.Effect of engine parameters and type of gaseous fuel on the performance of dual-fuel gas-diesel engines-A critical review［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2009（13）:1151-1184

CNG/Diesel Dual Fuel Engine Natural Gas Jet-Driven Research

Niu Xiao，Liu Shaohua，Wang Wei，Shen Lizhong
Yunnan Key Laboratory of IC Engine，Kunming University of Science and Technology （Kunming，Yunnan，650500，China）

CNG/diesel dual fuel engine requires accurate jet ejection timing of jet driven for natural gas. Based on Peak&Hold current waveform，via GPTA modules on Infineon's TC1728 development boards and DAVE，IDE and UDE programming software，a current feedback NG electric control system was developed on a dual-fuel engine converted from a diesel engine.Experimental verification of natural gas powered jet engine was carried out on bench.The test results show that the gas jet driver control waveform is relatively stable，jet-rail solenoid valve can be quickly opened and closed，the time of solenoid valve from fully closed to fully open is 600 μs，Peak phase current can reach 3A，Hold phase current is maintained at 1A，thus meet the requirements of CNG/diesel dual fuel engine for the jet-driven.

CNG/diesel dual fuel engine，Electronic control system，Jet driven

TK421+.42

A

2095-8234（2016）01-0047-05

昆明理工大學引進人才基金項目（KKSY201402113）。

牛驍（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向為代用燃料技術。

2015-11-06）