机械泵式柴油机的双燃料系统电控单元研发

陈超，彭育辉，陈剑雄，蔡成杨，蔡萍

(福州大学机械工程及自动化学院，福建福州350116)

0 引言

2012年全国汽车保有量达到1．083 78亿辆，排放一氧化碳(CO)0．286 55亿t、碳氢化合物(HC)345．2万t、氮氧化物(NOX)582．9万t、颗粒物(PM)59．2万t．其中占汽车总量仅8．9%的重型载货汽车、中型载货汽车、大型载客汽车和中型载客汽车，其尾气中颗粒物(PM)和氮氧化物(NOX)占排放总量的87．4%和84．8%，而以上四类汽车所用发动机中绝大多数是采用柴油机［1］．

清洁天燃气汽车的尾气污染物的排放较柴油车有大幅降低，其CO2减少24%，CO减少97%，HC减少72%，NOX减少70%，苯、铅、粉尘等固体颗粒物减少100%，综合排放指标降低约80%［2］．选择天然气作为汽车替代能源是解决环境污染的有效方法．由于国内大部分地区使用的还是机械泵式柴油机，所以对于使用量较大的机械泵式柴油机进行双燃料改装是最简单有效的方法［3］．

电控单元的设计开发是双燃料发动机电控系统的核心［4］．长安大学设计的柴油－天然气双燃料发动机的电控单元采用模块化原则，分别设计了微处理器、数据采集处理、功率驱动等模块，既能保持模块间的相对独立性，又能保证电控系统的正常运行，提高系统的可靠性［5］．武汉理工大学设计的双燃料发动机电控单元是将天然气和燃油控制系统分开，分别设计两块单片机，一块负责转速判定、调速运算和燃油供给，另一块单独读取目标转速并向天然气执行机构驱动器发出驱动脉冲［6］．目前大多数柴油－天然气双燃料发动机电控单元对于控制精度和运算速度的要求较低［7］，不能精确控制引燃油量、喷气时刻和喷气量，同时还存在天然气替代率偏低等问题［8］．基于对CA4113Z机械泵式车用柴油发动机进行柴油—天然气双燃料单点喷射的改装，着重研究电控系统对电子控制单元的性能要求，并进行硬件电路的开发设计，通过发动机台架试验验证该电控系统的有效性和可靠性．

1 CA4113Z发动机双燃料改装方案

通过安装在进气管的混合器，采用电子控制进气的方式，经过调压后的高压天然气(0．6 MPa)由天然气喷嘴将天然气喷射到混合器，与空气充分混合后形成可燃混合气进入气缸．通过安装于发动机喷油泵其中一路输油管路上的压力传感器检测发动机喷油时产生的压力波动信号，电子控制单元根据所述压力波动信号和转速信号判别各个气缸的供油时刻，并基于此控制发动机各个气缸的天然气喷射时刻．天然气喷射量是基于脉冲宽度调制(PWM)方法，通过查询存储在ECU中的天然气喷射时间MAP进行控制．通过喷气时刻控制，消除在进气重叠时会发生漏气的可能，且系统安装方便，对原机结构破坏小，不会影响进气效率，发动机的双燃料改装方案如图1所示．

图1 CA4113Z发动机双燃料改装方案Fig．1 Dual fuel retrofitting of CA4113Z engine

2 电控单元的总体设计

电子控制单元(electronic control unit，ECU)是整个电控系统的灵魂和核心．基于模块化的思想，设计双燃料ECU的各功能组成模块:①主控制系统电路模块，包括微处理器模块、电源模块、CAN通信模块等;②输入信号处理电路模块，包括曲轴转速传感器信号处理电路、喷油压力传感器信号处理电路以及其它模拟信号处理电路;③执行器驱动电路，主要包括有:天然气喷射驱动电路、步进电机驱动电路等．电控系统的总体功能模块如图2所示．

2．1 微处理器模块

发动机ECU在输出喷气驱动信号时，要求单片机定时器具有很高的定时精度．高压油管喷油压力传感器的采样时间为1 ms，在这段时间，微处理器不但要进行A/D转换，而且还要进行喷气控制、喷油控制等，要求微处理的时钟频率至少达到10 MHz以上．

图2 电控系统的总体功能模块Fig．2 Function module of electronic control system

设计的电控单元采用Freescale公司的MC9S12XET256型16位微处理器．工作电压为5 V，总线速度为50 MHz．微处理器具有8个异步串行通信接口(SCI)和3个串行外设接口(SPI)与外围模块连接进行数据传输，2个16通道、12位的模拟数字转换器(ATD)，1个8通道脉宽调制器(PWM)满足天然气喷嘴电磁阀驱动，5个CAN 2．0 A、B软件兼容模块(MSCAN12)与上位机在线标定系统进行实时通信［9］．

2．2 电源模块

电源模块为整个电控系统、传感器和执行器提供稳定可靠的电源，采用24 V供电，应用开关电压调节芯片LM2596提供3．3、5、12 V几种不同的电压输出．分别选用两块LM2596芯片分模块供电，一块产生+5 V的稳定电压负责微处理器、传感器信号处理模块等供电，另一块产生+12 V的稳定电压给传感器、天然气喷嘴和天然气喷嘴驱动模块芯片、步进电机和步进电机驱动模块芯片等供电．

2．3 CAN通信模块

为了实时监测双燃料发动机运行状态、修改电控单元的控制参数和进行在线标定，上位机必须能够与ECU进行实时双向数据交换［10］．该电控单元选用的是TJA1050高速CAN收发器，与“ISO 11898”标准［11］完全兼容，具有速度快、抗电磁干扰、发送数据控制超时、热保护、防短路等功能，从而实现电控单元与上位机的实时通信．

2．4 传感器信号处理模块

喷油压力传感器信号通过RC滤波电路之后会产生稳定信号，输出电压在0～5 V范围之内，符合微处理器接口电平要求，所以不需要设计限幅或放大电路，可以直接将电压信号输入微处理器，喷油压力变化信号如图3所示．

图3 喷油压力变化信号Fig．3 The signal of fuel injection pressure

油门位置、步进电机位置、进气压力、天然气压力等传感器的输出信号是电压信号，MC9S12XET256芯片内部具有A/D转换器，负责将处理的电压信号直接转换成数字信号．而进气温度、冷却水温度、排气温度等温度传感器信号均为K型热电偶信号，MAX6675芯片能将热电偶信号转化成数字信号后，传输给主控制芯片．考虑到发动机环境对ECU工作的影响，在实际安装ECU时，将电控单元安装在驾驶室的仪表板下，与发动机室分开，发动机的温度不会对电控单元造成影响，环境温度能够满足MAX6675正常工作的要求．

2．5 执行器驱动电路

2．5．1 天然气喷嘴驱动电路

当发动机转速达到4 000 r·min－1时，进气门每个工作循环开启，关闭的工作时间是11 ms，理论上天然气喷嘴的有效脉宽不多于8．7 ms，所以天然气喷嘴电磁阀对微处理器输出的PWM控制信号要有足够的响应速度［12］．天然气喷嘴电磁阀采取在开启初期加大供电电流，使得喷嘴电磁阀在短时间内达到最大开度，等电磁阀完全开启后，只需供给较小电流保持开启状态的控制策略．

电控单元选用内部有6个FET通道的A3944芯片作为天然气喷嘴的驱动芯片，设计auirfr540z功率mos管作为控制天然气喷嘴的开关．控制过程如下:当微处理器向芯片输入端IN0～IN5输入PWM信号时，FET通道打开，GAT0的输出电流为50 mA，作用在auirfr540z功率mos管G极的电压为11 V，作用在S极的电压为0 V，auirfr540z导通，喷嘴电磁阀打开，喷嘴开始喷气;持续一段时间后，PWM转为低电平，FET通道关闭，功率mos管截止，喷嘴停止喷气．为避免喷嘴关闭时，喷嘴的电磁阀线圈会产生反向电动势，将A3944芯片烧坏，在喷嘴电磁阀线圈的高端和低端之间反向并接快速恢复二极管［13］，设计电路如图4所示．

2．5．2 步进电机驱动电路

对于机械喷油泵式车用柴油机，喷油泵油量齿条的位置决定喷油量．通过控制步进电机的直线位移，进而实现对喷油泵齿条位置的控制．同时，根据加装在步进电机上方的直线位移传感器(型号为TSC－25L－R1直线位移传感器)，实现对齿条位置的闭环控制，从而控制引燃油量．系统采用二相混合式步进电机，采用L9935芯片实现电机的正反转控制．

L9935芯片内部包含两个H全桥，分别控制步进电机的两相，Uout，A1和Uout，A2输出口控制电机的A相，而Uout，B1和Uout，B2输出口控制电机的B相［14］．为实现与主控制芯片MC9S12XET256的全双工通信，应用SCK、SDI和SDO与微处理器连接，设计电路如图5所示．

图4 天然气喷嘴驱动电路Fig．4 The drive circuit of natural gas injectors

图5 步进电机驱动电路Fig．5 The drive circuit of stepper motor

3 电控单元测试

利用设计的电控系统对改装的双燃料发动机进行发动机台架试验，得出的双燃料发动机的输出与外特性曲线，如图6、7所示．由图可见:双燃料发动机的输出功率和转矩与原柴油机机十分接近，特别是在中高转速下，输出功率和转矩略高于原柴油机．

同时，双燃料发动机工作稳定，没有出现爆震的情况．试验结果表明:双燃料发动机工作正常，输出转矩和功率略高于原柴油机，说明所开发的双燃料发动机电控系统具有较强的可行性和可靠性．

图6 双燃料发动机输出转矩Fig．6 The output torque of dual fuel engine

图7 双燃料发动机输出功率Fig．7 The output power of dual fuel engine

4 结语

1)从双燃料发动机控制系统的性能需求出发，设计以飞思卡尔MC9S12XET256为主控芯片的电控系统的各模块硬件电路，包括:传感器信号处理电路模块、主控制系统电路模块和执行器驱动电路模块等．

2)通过发动机台架试验证明:电控系统的硬件设计达到设计要求，可以实现天然气电磁阀、喷嘴和步进电机的控制和驱动，保证发动机的动力性能．同时也验证了该电控系统具有强的可行性和可靠性．

［1］中华人民共和国环保部．中国机动车污染防治年报［R］．北京:中华人民共和国环保部，2013．

［2］Korakiantis T，Namasivayam A M，Crooks R J．Natural－gas fueled spark－ignition(SI)and compression ignition(CI)engine performance and emissions［J］．Progress in Energy and Combustion Science，2011，37(11):89 －112．

［3］彭育辉，林腾飞．车用发动机柴油－LNG双燃料改装技术［J］．机电技术，2014，92(1):43－46．

［4］杨博，刘亦夫．双燃料发动机电控单元的设计与控制策略［J］．西安交通大学学报:自然科学版，2014，48(5):9－14．

［5］郭静静．柴油/CNG双燃料发动机油气量电子调节控制及软件开发［D］．西安:长安大学，2013．

［6］张继俊．天然气/柴油双燃料船用发动机电控系统研究［D］．武汉:武汉理工大学，2009．

［7］孙建文．柴油/天然气双燃料发动机的开发与试验研究［D］．济南:山东大学，2012．

［8］Sahoo B B，Sahoo N，Saha U K．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 Review，2009，13(6):1 151－1 184．

［9］Freescale．MC9S12XEP100 Reference Manual Covers MC9S12XE Family［DB/OL］．(2013－12)［2014－10－12］．http://cache．freescale．com/files/microcontrollers/doc/data_sheet/MC9S12XEP100RMV1．pdf?fromsite=zh － Hans．

［10］穆春阳，孙立宁，杜立江，等．电控柴油机产品ECU标定系统的开发和实现［J］．汽车工程，2007，29(7):586－589．

［11］International Standardization Organization．ISO 11898:Road vehicles－interchange of digital information－controller area network(CAN)for high－speed communication［S/OL］．Geneva:ISO．1993．

［12］白小劲，冒晓健，唐航波，等．基于MPC653xM的天然气发动机电控单元设计［J］．车用发动机，2011(6):12－15．

［13］赵雪峰，于秀敏，周骥，等．基于直喷式汽油机电控系统硬件开发与试验研究［J］．内燃机工程，2011，32(2):39－42．

［14］STMicroelectronics．L9935 two－phase stepper motor driver［DB/OL］．(2013－09－01)［2014 －10 －12］．http://www．st．com/web/en/resource/technical/document/datasheet/CD00001211．pdf．