低浓度乙醇重整燃料发动机空燃比控制系统的设计与试验

2015-02-19李金寿唐炜铭黄学卫黄松华

浙江交通职业技术学院学报 2015年1期

关键词：控制系统

徐　进,李金寿,唐炜铭,黄学卫,黄松华

(镇江船艇学院　船艇装备保障系,江苏　镇江　212003)

低浓度乙醇重整燃料发动机空燃比控制系统的设计与试验

徐进,李金寿,唐炜铭,黄学卫,黄松华

(镇江船艇学院船艇装备保障系,江苏镇江212003)

摘要:利用发动机尾气余热对低浓度乙醇进行催化重整，生成一种富含H2、CO等可燃性气体的发动机替代燃料。由于重整反应过程中，温度、流量、乙醇浓度等因素会对重整产物的组分造成影响，使燃料的理论空燃比发生变化，设计了一种低浓度乙醇重整燃料发动机空燃比控制系统，对发动机的空燃比进行实时调节，并在低浓度乙醇重整燃料发动机上进行试验。试验结果表明，空燃比控制系统基本达到了设计的预期效果，降低了发动机的排气温度，提高了发动机的燃料利用率。

关键词:低浓度乙醇重整;空燃比;控制系统

0引言

低浓度乙醇重整燃料是指将质量浓度为75%左右的乙醇，利用发动机的尾气余热，在高温和贵金属催化的条件下进行重整反应，生成富含一种富含H2、CO、CH4等可燃性气体的新燃料。针对新燃料空燃比不稳定的特点，设计了一种空燃比控制系统，对硬件系统进行了搭建，并提出了发动机在稳态工况和过渡工况下，空燃比控制的策略。联机试验结果表明，本控制系统实现了对发动机空燃比的优化控制。

1空燃比控制系统的总体设计

空燃比控制系统采用STC12C5A60S2单片机作为电控单元，空燃比控制系统通过各种传感器采集包括排气氧浓度、曲轴转速、节气门开度、空气进气压力、燃气进气压力、混合气进气压力等信号，通过信号调理电路对各信号进行分析处理，并对发动机的工况进行判断，将最终结果转化为对燃气阀、空气阀和节气门的开度执行信号进行输出，完成对发动机空燃比的实时调节和控制。空燃比控制系统的结构图如图1所示。

图1　空燃比控制系统结构图

2空燃比控制系统控制策略的设计

空燃比控制系统是一个硬件和软件的结合体，空燃比控制系统能否稳定、高效、可靠的对空燃比进行控制，除了合理的系统硬件结构设计以外，还要有一个设计合理、功能完善的控制策略作为支撑。空燃比控制系统的整个程序分为主程序模块和子程序模块，子程序模块包括：稳态工况模块、过渡工况模块、故障诊断模块三个部分[1-2]。

2.1主程序模块设计

主程序模块实现了空燃比控制系统功能的主体逻辑关系，它的主要任务是对各个传感器传输来的信号进行采集和分析，依据这些信号和发动机当前的工况进行判断，选取恰当的子模块进行工作，并发出指令对发动机的燃气阀、空气阀和节气门的开度进行调节，最终达到一个适合当前发动机运转的最佳空燃比。主程序模块流程图如图2所示[3]。

图2　主程序模块流程图

2.2稳态工况模块设计

当发动机工作状态处于稳态工况时，对发动机空燃比的控制采用闭环控制方案。由于PID控制器的成熟发展，并且在ECU中实现起来较为方便，在本系统的闭环控制中，完全能够达到使用要求，因此本系统在稳态工况下的空燃比控制策略上选择PID控制器(图3)[4-6]。

图3　PID控制方框图

稳态工况下，控制模块流程图如图4所示。

图4　稳态工况控制模块流程图

2.3过渡工况模块设计

在发动机过渡工况下，发动机快速加速或者减速，发动机的转速与节气门的变化速度都较大，而空燃比控制系统对发动机的参数收集、分析、判断和执行都需要一定的时间来完成，并且过渡工况相对于稳态工况，持续时间较短。因此在过渡工况模块的设计中，采用单一前馈的方案对空燃比进行调节。忽略氧传感器所搜集的氧气浓度信号，参照发动机空气的温度压力、燃气的温度压力、节气门的开度、发动机转速，对照过渡工况下标定好的预设空气阀与燃气阀的开度表，采用比值控制器对空燃比进行双阀控制(图5)[7-8]。

图5　比值控制方框图

过渡工况下，控制模块流程图如图6所示。

图6　过渡工况控制模块流程图

2.4故障诊断模块设计

当空燃比控制系统处于非正常工作状态时，为了保护空燃比控制系统和保证空燃比控制的准确性，系统设计了故障诊断模块(图7)。

图7　故障诊断模块流程图

3空燃比控制系统的联机试验

空燃比控制系统对低浓度重整燃料发动机空燃比控制的最终效果，需要通过联机试验来检验。联机试验中，空燃比控制系统与发动机相连，在发动机不同的运转工况下检验空燃比控制系统对空燃比的控制情况，并根据发动机的缸内温度、排气氧浓度等参数，对空燃比控制系统的参数进行修改，使空燃比控制系统达到最佳的工作状态和控制效果。

联机试验分别在空载状态下和负载状态下进行试验。

3.1空载状态下的试验

发动机运行暖机后，在空载的情况下使发动机的转速稳定在700rpm，对使用了本空燃比控制系统的各缸排气温度进行测量，并对空燃比控制系统的各项参数进行修改优化。如果各缸排气温度较未加装本空燃比控制系统之前有所降低，则说明发动机气缸内燃料燃烧更为充分均匀，空燃比控制系统起到了对空燃比的优化控制，试验结果见表1。

表1　空载条件下的联机试验结果

图8　空载条件下各缸排气温度对比图

空载条件下，联机试验的试验结果如表1、图8所示。试验结果表明，发动机各缸的排气温度均有所下降，空燃比控制系统达到了预期的控制效果。

3.2负载条件下的试验

发动机运行暖机之后，将发动机的负载调整至50kW，使发动机的转速稳定在2000rpm，待发动机稳定运行后对使用了本空燃比控制系统的各缸排气温度进行测量，并对空燃比控制系统的各项参数进行修改优化。如果各缸排气温度较未加装本空燃比控制系统之前有所降低，则说明发动机气缸内燃料燃烧更为充分均匀，空燃比控制系统起到了对空燃比的优化控制，试验结果见表2。

表2　负载条件下的联机试验结果

图9　负载条件下各缸排气温度对比图

负载条件下，联机试验的试验结果如表2、图9所示。试验结果表明，发动机各缸的排气温度均有所下降，空燃比控制系统也达到了预期的控制效果。

4结语

本文设计了一种适合低浓度乙醇重整燃料发动机的空燃比控制系统，控制效果良好，发动机各缸排气温度都有所降低。然而，随着近些年控制技术的不断发展，越来越多的先进控制理论被应用于汽车发动机空燃比的控制中，如基于神经网络和模糊控制的智能PID控制技术、具有自动调整因子的模糊控制技术等，这些新技术的不断成熟，将推动空燃比控制技术的更新换代，同时也为本空燃比控制系统的改进指引了方向。

参考文献：

[1]孟嗣宗，郭少平.发动机精确空燃比控制方法的研究[J].内燃机工程，1999，20(2)：70-75.

[2]夏渊，刘建华，张欣，等.发动机空燃比控制策略的研究[J].汽车工程，2002，24(1)：32-36.

[3]赵海艳.天然气发动机空燃比控制系统研究与开发[D].济南：山东大学，2012.

[4]刘一鸣,王优生,滕勤,等.煤层气发动机空燃比控制方法与策略的研究[J].小型内燃机与摩托车,2007, 36(5):45-48.

[5]吕剑虹,陈来九.模糊 PID 控制器及在汽温控制系统中的应用研究[J].中国电机工程学报,1995, 15(1):16-22.

[6]Hecht-Nielsen R.Theory of the backpropagation neural network[C].International Joint Conference on.IEEE,1989: 593-605.

[7]易继锴,侯媛彬.智能控制技术[M].北京：北京工业大学出版社,2007.

[8]张付军,黄英,葛蕴珊,等.氧传感器参考电平自适应空燃比闭环控制方法研究[J].内燃机工程,2002, 23(5):68-71.

The Design and Test of Air-fuel Ratio Control System of Low

Concentration Alcohol Reforming Engine

XU Jin, LI Jin-shou, TANG Wei-ming , HUANG Xue-wei , HUANG Song-hua

(Boat Equipment Support Department,Zhenjiang Watercraft College， Zhenjiang 212003,China)

Abstract:Use engine exhaust heat on low concentration ethanol catalytic reforming to produce an engine alternative fuels containing flammable gas such as H2，CO. Because temperature, flow rate, the ethanol concentration and other factors will affect the components of the reformate in the process of reforming reaction to change fuels' theoretical air-fuel ratio, We design an Air-fuel ratio Control system of Low concentration alcohol reforming engine to make a real-time adjustment of the engine's air-fuel ratio and we experiment with Low concentration alcohol reforming engine. The result of the experiment demonstrates that this Air-fuel ratio Control system achieves the desired effect, reduces the temperature of the engine exhaust gas and improves the fuel efficiency of the engine.

Key words:low concentration alcohol reforming；air-fuel ratio；control system；design and test