双燃料发动机电控单元的设计与控制策略

杨博，刘亦夫，尉星，曾科

（西安交通大学内燃机研究所，710049，西安）

随着排放法规的日趋严苛和石化燃料的日渐匮乏，如何降低柴油机的污染物排放水平，特别是针对大量在用柴油机，如何以较低的成本，实现其排放水平的降低，已经成为企业和学者关注的热点问题。为此有众多解决方案被提出，其中在柴油机中燃用气体燃料的双燃料方案获得了广泛认可［1］。天然气是一种可替代的清洁能源，具有储量大、分布广、价格低的优点，而且由于其较高的自燃温度，比其他气体燃料更适合在大压缩比下使用，因此柴油引燃天然气发动机概念得到了越来越多的关注。在柴油引燃天然气发动机中，主要能量由天然气提供，少量的柴油在压缩冲程末期喷入气缸内，扮演引燃天然气的“气体火花塞”的角色。大量文献表明，柴油/天然气双燃料模式能显著降低NOx和PM排放水平，与此同时总碳氢（THC）排放水平有所增加，特别是在中小负荷时比较明显，但是利用进气节流和增加后处理装置可以将其控制在较低水平［2－5］。除了排放和经济方面的优点之外，柴油引燃天然气技术最大的意义在于：可以以较低的成本，将在用的柴油机改装成柴油/天然气双燃料发动机，同时可以保留原柴油机的全部功能，在缺少天然气供应的情况下，可以在纯柴油模式下正常工作，增加了燃料供应的自由度。这两点对于柴油引燃天然气技术的市场推广具有重要的意义。

根据天然气引入气缸方式的不同，目前有3种类型的双燃料发动机方案：进气道预混、进气歧管顺序喷射和天然气高压缸内直喷（HPDI）。进气道预混双燃料发动机方案因为技术难度小，改装成本低，是目前最为常见的双燃料改装方案，但是进气道预混会导致发动机加速特性恶化和THC排放增加。进气歧管顺序喷射方案可以很好地解决进气道预混方案的不足之处，因为天然气是独立喷射到各个歧管内的，其质量和喷射正时可以快速调整，极大地改善了发动机的动态响应特性。另外，通过避免在发动机排气门关闭之前喷入天然气，可以减少扫气时的天然气损失，相比预混方式能有效降低THC排放。进气歧管顺序喷射方案的缺点在于系统整体比进气道预混方式复杂，难点在于其双燃料控制系统和控制策略的开发，因为双燃料机ECU不但要能控制天然气的喷射过程，而且还要与原柴油机ECU协同工作，共同实现对双燃料发动机的控制。这类双燃料方案中典型的代表是博世公司开发的eGD Flex柴油天然气系统，该方案的原理图如图1所示。

图1 BOSCH eGD Flex双燃料系统原理图

第三种方案就是所谓的天然气高压缸内直喷（HPDI）系统，这种系统通常会装备专门设计的双燃料高压喷嘴，例如西港公司的HPDI喷嘴，如图2所示。在HPDI系统中，引燃油和天然气按照特定的顺序，由同一个喷油器直接喷入缸内。HPDI双燃料发动机具有比以上2种方案更低的THC排放和更高的柴油替代率，但是这种类型的双燃料发动机不具备完整的纯柴油工作能力，在没有天然气的情况下，只能工作在类似“跛行回家”的模式。另外，该方案要求全新的供油和供气系统，包括专用ECU、高压泵（油泵和气泵）和专用高压双燃料喷嘴，导致其应用成本远远高于其他2种方案。

图2 西港HPDI喷嘴总成原理图［6］

在本文的研究中，出于对双燃料发动机工作性能、排放、应用成本和市场等方面的考虑，选择了进气歧管顺序喷射方案［4］。具体的天然气供给系统和系统整体布局原理如图3所示。

本文研究的主要目的是为了给出一整套针对高压共轨发动机的进气歧管顺序喷射的双燃料机ECU设计方案，包括硬件构成和相应的控制策略。因此，本文介绍了基于SPC563M系列32位高性能微处理器的高压共轨柴油/天然气双燃料机ECU的开发过程，讨论了系统开发中的关键技术，并提出了基于燃料等热值替代的柴油替代率实时控制策略。最后，在一台经过改装的高压共轨柴油/天然气双燃料发动机上进行了台架实验，并对双燃料机ECU的性能和相应的控制策略进行了验证。

图3 进气歧管顺序喷射方案及供气系统原理图

1 柴油/天然气双燃料机ECU硬件结构

双燃料机ECU是双燃料发动机控制系统的核心组成部分。一方面，其硬件设计的正确性和合理性，直接关系到发动机双燃料模式的工作性能；另一方面，为了保留发动机纯柴油工作能力，双燃料机ECU必须要与原机ECU协同工作。所以双燃料机ECU的硬件开发具有一定的特殊性。本文开发了基于32位微控制芯片SPC563M64L7［7］的双燃料控制系统。该控制系统硬件包括核心控制芯片SPC563M64L7、电源模块、传感器信号处理模块、通讯模块、柴油驱动模块、天然气驱动模块和模拟负载与波形跟踪模块等7部分，原理框图如图4所示，其主要功能如下。

（1）实时获取各缸活塞位置信息，可实现任意角度喷射，精度达到0.006°。

（2）六路峰值保持型喷油驱动功能，驱动电流可以通过软件自由调整，驱动电流最大可达到峰值电流20A，维持电流15A，且具有完整的过流过热保护功能。

（3）六路峰值保持型喷气驱动功能，驱动电流同样可以通过软件调整，驱动电流峰值4A，维持电流2A，同样具有完整的过流过热保护功能。

（4）信号处理功能，包括模拟信号处理和数字信号处理功能，如压力信号、温度信号和其他传感器信号等。

（5）原机喷油信号实时采样处理功能，可实现对原柴油机四缸喷油信号的实时获取，包括喷射脉宽和喷射正时。

（6）通信功能，包括K线、CAN和SPI等。

图4 双燃料机ECU硬件系统框图

2 柴油/天然气双燃料控制策略

柴油/天然气双燃料控制系统，需要同时控制引燃柴油和天然气的喷射过程，为了在双燃料模式下维持与原柴油机一致的操控特性，本文提出了基于燃料等热值替代原则的柴油替代率实时控制策略，最大限度地利用了原柴油机的控制模型。在该控制策略中，利用原机ECU喷油控制信号和共轨压力信号，对原柴油机循环喷油量进行实时计算，然后根据等热值替代的原则，实现对双燃料发动机柴油替代率的实时控制。该控制策略原理如图5所示，其功能可以大致划分为以下3个部分。

图5 柴油替代率实时控制策略原理图

（1）利用原柴油机喷油和轨压信号，计算原机循环喷油量和引燃油喷射正时。

（2）根据等热值替代的原则，计算引燃油量和天然气质量。

（3）根据喷油器和天然气喷嘴喷射特性，将引燃油量和天然气质量转换成相应的喷射脉宽。

2.1 利用实时获取的喷油和轨压信号实现对原机循环喷油量和引燃油喷射正时的实时计算

在发动机运行过程中，原机ECU采集加速踏板位置、冷却水温度、进气压力温度等传感器数据，通过相应的控制算法计算得出目标轨压、喷射正时和喷油脉宽，最后驱动喷油器电磁阀实现喷油动作。在双燃料机ECU中，设计了专门的采样电路对原机ECU喷油控制信号进行采样，实时获取原机ECU的喷油控制波形，然后利用获取的波形数据，计算原柴油机喷油正时和喷油脉宽，得到其喷射正时和脉宽后，再结合喷油器喷射特性，即可计算出原柴油机在当前工况下的理论循环喷油量和引燃油的喷油正时。原柴油机喷油质量与喷油脉宽在不同轨压下的对应关系由实验测得，数据如图6所示。由图中可以看出，在不同的轨压下，喷油量与喷油脉宽之间存在线性关系，随着轨压的变化，直线的斜率保持不变，而截矩发生了变化。据此可以建立计算喷油量M的方程

式中：t为原柴油机当前工况下2段喷射脉宽时间之和；f（p）是轨压p的线性函数；k为斜率。所有未知参数均可由图6中的数据求得。另外，引燃油喷射正时也需要根据工况变化做实时调整，其算法为

式中：Tpre和Tmain分别为预喷射正时和主喷射正时；α为速度和负载影响系数，取值在0到1之间。

图6 不同轨压下喷油量与喷油脉宽的关系

2.2 按照等热值替代的原则计算引燃油量和天然气质量

在双燃料模式运行时，柴油替代率是关注的重点，在保证燃烧效率和排放的前提下，应该尽可能地提高替代率，从而使柴油/天然气双燃料发动机的经济性最大化。利用前面得到的原机理论循环喷油量和引燃油喷射正时，按照等热值替代的原则，即可实现柴油替代率的实时控制。柴油替代率R定义为

式中：M为原柴油机理论循环喷油量；Mpilot为双燃料模式下的引燃柴油量。对于给定的工况，设原机理论循环喷油量为M，柴油的低热值为Cd，天然气的低热值为Cgas，目标柴油替代率为R，天然气燃烧效率为η，则当前工况下天然气循环喷射量Mgas可表示为

引燃柴油量可表示为

式（4）和（5）中，当前工况原柴油机循环喷油量可以由原机ECU喷油控制号采样求得，柴油目标替代率一般根据经济性、动力性和排放特性综合考虑，最终确定各工况下的最佳值。得到Mgas和Mpilot以后，结合相应的喷嘴特性（喷油和喷气），将质量转换成相应的喷射脉宽，在合理的正时喷射即可。这种策略的优点在于降低了开发工作的难度和风险，缩短了开发周期，最大程度地利用了原机ECU的控制策略，实现了双燃料控制系统与原柴油机控制系统的完全兼容，并保证了发动机控制的稳定性，增加了发动机燃料供应的灵活性。

2.3 天然气多点顺序喷射降低THC

柴油/天然气双燃料模式可以大大降低NOx和PM排放，但是THC排放增加，且其主要成分是甲烷。甲烷化学性质稳定，不易被氧化，给后续处理带来了极大的困难。THC排放高一方面是因为天然气燃烧温度低，火焰传播速度慢，缸内燃烧不充分，特别是中小负荷下更为显著。另一方面，气门叠开期扫气会排出部分喷入的天然气，这也是传统的进气道预混双燃料模式THC排放高的原因之一。本控制系统中采用了多点顺序喷射，根据发动机转速和柴油替代率来综合确定喷气正时和喷气质量，使整个喷射过程处在气门叠开期之后，避免了扫气时天然气被扫出，从而可以有效降低THC的排放水平。

3 实验装置及说明

3.1 实验发动机

本文实验所用的双燃料发动机是由GW2.8TC高压共轨柴油机改装而成，表1为具体参数。

表1 GW2.8TC发动机参数

3.2 双燃料改装方案

双燃料系统改装原理与天然气供气系统如图7所示，原机未做重大改动，只增加了天然气供气系统和双燃料机ECU。天然气供给系统由高压气瓶、安全切断电磁阀、减压阀和天然气喷轨组成。天然气从高压气瓶出来，经过减压阀减压，压力从1.5～25MPa降低到0.5MPa左右，然后由喷气电磁阀直接喷入进气歧管。减压阀通入发动机循环水加热，天然气温度由减压阀上的冷却水温度传感器测量。另外，在双燃料工作模式下，引燃柴油和天然气的喷射均由双燃料机ECU控制，原机ECU的喷油控制信号被送到模拟负载上，控制系统的其他功能仍由原机ECU控制。

3.3 测试设备

实验发动机与电涡流测功机相连，由FC2000发动机测试控制系统控制，可实时监控发动机的转速、扭矩、功率、润滑油压力和温度等参数。天然气和柴油消耗量均由精度为0.1g的电子天平测量。尾气直接从排气管采样，THC由精度为12×10－6的Horiba MEXA－5541JA尾气分析仪测量。喷油器驱动电流、喷射脉宽和喷射正时均由示波器配合电流钳测量。

图7 发动机台架示意图

4 实验结果

4.1 原柴油机ECU喷油器驱动电流与双燃料机ECU喷油器驱动电流对比

图8给出了原柴油机ECU和双燃料机ECU对同一喷油器的驱动电流波形。如图所示，两者驱动电流波形一致，均为典型的峰值保持型；峰值段平均电流和维持段平均电流相等，均为19A和14.5A；电磁阀打开电流上升时间均为100μs，关闭电流下降时间均为80μs。因此，由双燃料机ECU替换原柴油机ECU驱动喷油器，对原机喷油特性无显著影响。

图8 双燃料机ECU与原柴油机ECU喷油器驱动电流比较

4.2 原柴油机喷油控制信号采样处理模块性能验证

图9给出了1 800r/min、47N·m工况下，原机ECU喷油控制信号、喷油器驱动电流和双燃料机ECU信号的采样结果，其中上图为原机ECU喷油器驱动电流，中图为原机喷油控制信号，下图为双燃料机ECU采样结果。从图中可以看出，双燃料机ECU采样到的原机喷油控制信号逻辑完全正确，2段信号的脉宽也基本相等，只是因为滤波的原因，在每段波形结束时，采样得到的波形相比原机的喷油控制信号有一定的滞后，如图中Td1和Td2所示，均为20μs。以柴油机最高转速一般不会超过4 000r/min为例，20μs对应的曲轴转角不超过0.48°，不会对发动机运转产生显著影响。另外，在双燃料控制策略中，可以将滞后时间从总脉宽中减去，从而避免了滞后时间对发动机控制算法的影响。图10的结果表明，本文设计的波形控制信号采样处理模块正确可行，能够稳定地实时获取原机ECU喷油控制信号，达到了设计预期结果。

图9 1 800r/min，47N·m原机驱动电流波形与跟踪信号

4.3 利用原机ECU喷油和轨压信号计算原机循环喷油量的算法验证

为了验证双燃料机ECU利用原机喷油和轨压信号计算原机循环喷油量算法的性能，选择了不同转速（1 800～2 200r/min）、不同负载（10%～100%）的若干工况点，对其喷油量进行了测量（用称量法测量相同工况下3min内的平均油耗，每个点测量3次，取平均值）。图10给出了不同转速和不同扭矩下喷油质量的实验值与计算值。由图可知，计算值与实验值在各工况点下基本相同，计算值与实验值的误差范围在±4%以内，完全能够满足控制精度的要求，实验结果表明：利用原机ECU喷油和轨压信号计算原机循环喷油量的算法完全满足控制要求，达到了设计要求。

图10 不同转速，不同扭矩下实测油量与计算油量对比

4.4 基于燃料等热值替代原则的柴油替代率实时控制算法验证

按照等热值替代的原则，把柴油替代率实时控制在当前工况下的最优值是双燃料发动机ECU的一项重要任务，同时也直接影响双燃料发动机的工作性能和经济性。在转速为1 800r/min、扭矩从14.4N·m增加到96.0N·m、目标替代率设为86%的工况下，进行了多组验证实验，实验结果如表2所示，实测柴油替代率与目标替代率基本相符，但是随着负荷增加，可见实测柴油替代率有所增大。这种趋势是因为随着负荷增加，缸内混合气变浓，燃烧温度逐渐升高，天然气燃烧效率会有所提高，本次实验中天然气燃烧效率被认为是一个定值，并未考虑到它的变化对柴油替代率的影响，因此导致天然气理论计算量变大，相应引燃油量减少，所以实测替代率随负荷增加有所增加，整体相对误差不超过5.2%，满足设计要求。实验结果表明，基于燃料等热值替代的柴油替代率实时控制算法是正确可行的，但是天然气燃烧效率变化对柴油替代率的影响必须加以考虑。

表2 目标柴油替代率为86%时的实验结果

4.5 天然气多点顺序喷射降低THC效果验证

为了验证利用天然气多点顺序喷射降低THC排放的效果，在转速为1 600r/min和负载为60%的工况下，保持引燃油喷射正时、引燃油质量和天然气质量不变，只改变天然气喷射正时θ为－100°（排气上止点前，下同）、－80°、－40°、30°（排气上止点后，下同）、100°，以此来验证天然气多点顺序喷射对THC排放的影响效果。实验结果如图11所示，图中2条竖线分别为进气门打开提前角和排气门迟闭角，两者之间的部分为气门叠开期。由图中可以看出，天然气喷射正时的改变对THC排放有显著影响。天然气在气门叠开期之后喷入进气歧管，THC排放整体明显比天然气在气门叠开期之前喷入时低，最大降低幅度为32.6%。产生这种现象的原因为：天然气在气门叠开期之前喷入会有扫气损失，而在气门叠开期之后喷入则没有；天然气喷射正时提前，则天然气有足够的时间与空气混合均匀，加上天然气燃烧温度低，火焰传播速度慢，在引燃油喷射参数不变的情况下，局部燃烧不完全的机率增加［7］。实验结果表明，利用天然气多点顺序喷射的方法，选择合理的喷射正时，可以显著降低THC排放。

图11 天然气喷射正时对THC排放的影响

4.6 发动机双燃料与纯柴油模式下的外特性对比

图12给出了发动机在双燃料模式与纯柴油模式下的外特性曲线对比。双燃料模式下发动机扭矩和功率基本与纯柴油模式时相同，最大扭矩为195N·m，最大功率为53kW，略高于原机。

5 结 论

图12 双燃料模式与纯柴油模式下的外特性对比

本文介绍了基于PowerPC架构的32位高性能微处理器的柴油/天然气双燃料发动机ECU的开发过程，着重介绍了其硬件组成与控制策略。本文开发的双燃料机ECU已经在一台改装成双燃料的高压共轨实验发动机上成功应用，结论总结如下。

（1）本文开发的双燃料机ECU工作稳定，性能达到了设计要求。相应的验证实验表明，该双燃料机ECU硬件系统设计合理可行。

（2）本文提出的基于燃料等热值替代原则的柴油替代率实时控制策略合理可行，与传统的基于标定数据的控制策略相比，显著降低了开发难度和成本，缩短了开发周期。

（3）天然气喷射正时变化对双燃料发动机THC排放有明显的影响，不在排气门关闭前喷入天然气可以明显降低THC排放，排放量的最大降幅可达32.6%。

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