电控柴油/LPG双燃料发动机改造技术及应用

乔云　周海松　李越超

摘 要：柴油/LPG双燃料发动机是指同时燃用LPG和柴油的发动机。LPG相对传统柴油、汽油而言碳排放量更低，更经济，是国家重点推广的重要替代清洁能源之一。在国内关于柴油/LPG双燃料发动机的开发和研究中，因为柴油机无法像汽油机那样直接点燃LPG，使得柴油/LPG双燃料发动机的技术开发难度增加。

关键词：电控；双燃料；发动机；关键技术

中图分类号：TB

文献标识码：A

文章编号：16723198（2014）12019702

LPG相对传统柴油、汽油而言碳排放量更低，更经济，是国家重点推广的重要替代清洁能源之一。“即使是欧五标准的柴油，颗粒物排放仍高于LPG”，而颗粒物中含有更多致癌物质，对人体的危害更大，这也是国内外研究领域的共识。LPG/柴油双燃料发动机可以大幅度地降低大负荷工况的微粒排放，但小负荷时的HC排放有所增加。柴油/LPG双燃料发动机的优点是LPG不受管线限制，供油系统的成本低，LPG的能量密度大、便于携带。在国内关于柴油/LPG双燃料发动机的开发和研究中，因为柴油机无法像汽油机那样直接点燃LPG，使得柴油/LPG双燃料发动机的技术开发难度增加。

1 柴油/LPG双燃料发动机掺烧策略

在柴油/LPG双燃料发动机中，LPG掺烧量的变化，会对柴油机的动力性、排放性能、工作稳定产生较大的影响，因此，需要确定最佳的LPG掺烧比，使双燃料发动机的性能达到最佳。

1.1 掺烧策略的确定

掺烧策略的确定就是科学的确定柴油的供给量与LPG喷射量之间的关系，使得两种燃料根据不同的工况情况，依据设定的比例准时准量进入到气缸中，从而提高发动机整体的动力性、排放性能，使发动机可靠、安全、高效运行，得到充分发挥两种燃料的特质。为准确制定掺烧策略，需要对每一个工况条件下，通过对发动机掺燃实验，确定柴油量、LPG量最佳比例，从而使发动机发挥良好的燃烧性能。在柴油/LPG双燃料发动机中，柴油供应量是通过油泵的限位齿条来实现的，LPG采用进气歧管电控多点喷射，这样可以在超负荷的情况下，对柴油机实现保护。在确定掺烧策略的实验中，掺烧率、燃油量、替代率也是需要重要量的技术指标。

1.2 掺烧比优化

为了确定最佳掺烧比，在进行掺烧实验，我们让发动机工作在不同的工况下，控制好排放物NOX、CO、HO等在一定范围，然后调节LPG掺入量，以不产生爆震爆燃为限。在实验过程中，一方面要考虑燃油量和掺烧比，另一方面要考虑双燃料的替代率。柴油/LPG双燃料发动机的科学的掺烧比是在不同工况条件的极限工作状态下，综合发动机稳定性、经济性、排放良好的性能而确定的。经过实验可以看出，柴油/LPG双燃料发动机不同掺烧比和发动机性能之间不是一个单向线性关系，单纯提高掺烧比，超过一定限度，反而会降低发动机燃烧性能，使发动机排放恶化，稳定性变差、动力降低。因此，为使柴油替代率达到最高，需要确定掺烧比在不同工况下的一个最佳值。为避免LPG未完全燃烧从尾气中排出造成燃料浪费，在低负荷、怠速的工况下，缸内温度低，应采用纯柴油模式。

2 发动机控制

为了实现发动机在柴油/LPG双燃料、柴油两种模式之间可以自由切换，同时，对喷射柴油量、LPG喷射量、LPG多点顺序喷射等运行进行精确控制，控制系统需要根据发动机的实际运行情况，科学配置，从而达到控制精确、可靠、稳定的目的。

2.1 发动机总体控制逻辑设计

发动机总体控制逻辑的设计应根据双燃料发动机的两个运行模式（柴油/LPG双燃料模式、柴油模式）进行设计和控制，针对两种模式之间的相互转换，通过模式转换开关来实现。

2.1.1 柴油/LPG双燃料模式

在发动机的转速达到预定值、冷却水温达到预温度、油门达到预定开启度，通过模式转换开关切换到双燃料运行模式状态，此时双燃料模式控制逻辑主要有：

（1）通过对曲轴位置传感器信号的采集和判断计算出发动机当前的转速，当发动机转速低于预设转速时，不掺烧LPG。因此，需要设定一个科学的转速预定。当转速低于这个预定值时，说明发动机处于怠速状态，控制系统检测到转速超过预设值时，才通过控制系统进入下一工作流程。

（2）控制系统通过凸轮轴、曲轴位置传感器传递的信号，时序处理算法处理，确定LPG喷射阀的喷射时序。然后根据驾驶员要求和当前发动机转速来确定油门位置。然后根据存储在芯片中的LPG掺烧程序，经处理计算，对此工况下LPG喷射阀的通电时间进行精确控制。油门位置、转速两值中任一值发生改变，控制程序都会对当前的油门位置、转速进行更新和计算，重新的确定LPG喷射阀的通电时间。

（3）为了防止超负荷工况下对发动机造成不必的伤害，当转速大于预设值时，在发动机不同转速下，应对不同转速的最大循环进行控制，因此，对油泵齿条进行限位，控制程序通过存储的油泵限位量，实现对不同转速齿条最大位置的限位。

2.1.2 柴油模式

在柴油/LPG双燃料发动机运行过程中，柴油/LPG双燃料、柴油两种模式之间是可以实现自由切换的，当发动机运行状态各种数据都满足双燃料运行而操作员并未进行模式切换操作，则发动机仍以纯柴油模式平稳运行。控制系统将油泵限位机构——对步进电机的伸出轴退回至油泵本身的限位螺钉处。此时，双燃料发动机结构同纯柴油发动机一致。

2.2 控制系统的数据处理

2.2.1 多点顺序喷射时序控制处理

配气相位做为LPG多点顺序喷射时序控制最好的参考，LPG是从发动机进气歧管喷射的，LPG喷射完成是从各缸排气上止点前进气门开始，到气门关闭这个时间内完成，安装在油泵凸轮轴的位置传感器和安装在曲轴飞轮位置传感器的转速比是1∶2，在发动机顺序喷射以及喷射时刻的要求上，这两个传感信号的关系均可满足。为了安装方便，可以将凸轮轴端的触发信号设定在第一缸的的压缩上止点，将曲轴飞轮上齿数定义为各缸的喷射顺序及时刻。假设齿曲轴飞轮齿数为奇数，那么相邻两个缸LPG喷射时间上，会相差一个曲轴齿数的角度，再加上气门提前打开的角度，远大于一个齿数的角度，这样就保在对各缸进气歧管LPG喷射时各缸进气门处于完全开启的状态。

2.2.2 油泵限位

以双燃料模式为例，对油泵限位的方法是：控制系统控制器对步进电机伸出轴进行控制，让其退回零位传感器，零位传感器信号反馈到控制系统控制器，步进电机开始从零位工作，不断变化的转速，从控制器中读取各个工况转速的电机限位量，控制步进电机逐渐达到该工况转速下最大循环供油量限位处。由于加工粗度和工艺的影响，步进电机肯定存在一定的轴向间隙误差，还有一定的错位间隙，这都会导致步进电机在前进和后退的过程中，产生累积误差，导致油量限位不准确。为了修正这个误差，采取一个转速间隔重回零位的策略，步进电机转速每达到一定变化幅度，都要回到零位，再从零位开始工作至当前转速下供油量限位处。

2.2.3 掺烧数据处理

为了保证掺烧数据的准确性，需要采用油门位置数值，它代表的是油门从怠速状态到额定转速全开度的一个百分比数值。这是因为如果采用油门位置传感器来改变掺烧比，会因油门位置传感器安装时初始电压数据不同而影响掺烧比的控制。当双燃料发动机工作在双燃料模式时，通过油门位置数值与存储器中LPG掺烧MAP表比对，对发动机工况变化的响应更快，也更准确。但是，由于发动机运行时，转速和油门位置都是连续的任意数，而LPG掺烧MAP表是限离散量的二维数表，因此，就需要采取相邻两个转速值和油门位置值进行二维线性插值，这样，可以精确控制发动机在任一工况条件下油门位置所对应的LPG喷射阀的通电时间，从而满足掺烧策略的要求。

3 结语

在电控柴油/LPG双燃料发动机的改造中，最重要的部分是制定科学、合理、经济的掺烧策略。经过改造后的双燃料发动机在运行过程中无论是稳定性、动力性、排放性都较柴油发动机有很大的提高，能够满足恶劣条件下不同工况的生产需求，也对我国非道路发动机技术的研究提供一个很好的借鉴。

参考文献

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