CNG/柴油发动机油气切换系统的优化控制

范永臻，白海，吉善松

（1.西南林业大学机械与交通学院，云南 昆明 650224；2.广西师范大学职业技术师范学院，广西桂林 541004）

CNG/柴油发动机油气切换系统的优化控制

范永臻1，白海2，吉善松1

（1.西南林业大学机械与交通学院，云南 昆明 650224；2.广西师范大学职业技术师范学院，广西桂林 541004）

CNG/柴油双燃料的出现解决了由于经济高速发展带来的汽车保有量迅速增加对燃料的需求，以及所造成的环境问题，它是石油的理想替代品。文章首先研究了CNG/柴油双燃料汽车发动机供给系统的组成和控制原理，并对目前所使用的双燃料发动机的油气切换系统进行了可行的优化控制。

天然气；柴油；双燃料汽车；优化控制

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.09.004

CLC NO.: U464.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)09-09-03

引言

柴油由于其良好的动力性和经济性在汽车领域得到了广泛的应用，但是，由于其尾气中含有NOx（氮氧化物）、CO（一氧化碳）、HC（碳氢化合物）、SOx（硫化物）以及 PM（颗粒物）等有害成分，目前对汽车尾气进行优化和后处理的技术，还没有达到成熟的地步，同时国家对柴油汽车尾气PM排放仍然没有可观的机外净化与后处理[1-2]。CNG（压缩天然气）的主要成分是甲烷（CH4），由于甲烷是五原子非极性分子，结构稳定，具有易燃、无色无味、污染小、抗爆性能好、热值高等优点，允许发动机可使相对高的压缩比，以及良好的动力性和经济性。经过处理的天然气对不含有铅、芳香烃化合物、硫化合物等有害物质，所以天然气发动机的一氧化碳、碳氢化合物、铅化合物、氮氧化物、小颗粒物等的排放低[3]。因此，CNG/柴油发动机的对汽车的动力性、经济性、排放性较好。

目前，部分CNG/柴油双燃料汽车已经日趋成熟、稳定、安全，但是，在某些方面仍需一些提升。由于双燃料汽车在较低负荷的工况下，双燃料汽车采用纯柴油模式，这就存在一个从纯柴油较低负荷工况向双燃料中高负荷工况的切换过程。因此，在从低负荷向中高负荷转换的过程中，会使发动机不可避免地产生转速波动较大，排放恶化。

1、双燃料发动机燃料供给系统的组成及控制原理

双燃料发动机的核心是燃料供给系统，它对双燃料发动机的各项性能指标都有影响，是双燃料发动机技术最为关键的部分。目前，针对我国柴油机的状况，燃油与燃气的供给量由附加电控单元根据发动机的工况来控制燃料供给比，就能较好实现双燃料发动机所具有的较低排放率水平和较高动力性的目的。燃料供给系统通过电控单元（ECU）进行数值计算和逻辑判断，由执行器控制天然气阀的开度和喷油泵齿条位置，得到不同发动机工况下对应所需的天然气量和柴油量。在此系统中，在双燃料工况下，固定喷油泵齿条的位置，使柴油的供给量为引燃油量，通过发动机电控单元（ECU）控制天然气量实现对发动机工况的控制。电控双燃料发动机的系统布置如图1所示。双燃料发动机在纯柴油工况的模式下，停止供给天然气，通过调速器控制柴油供给量的大小，满足了发动机工况的需求。

在电控双燃料发动机系统中，双燃料模式只在中、高负荷下才运行，同时有效控制了中、高负荷工况下的引燃油量，从而有效的降低了NOx的排放；在轻载或较低负荷工况下，发动机燃料仍使用纯柴油。这样兼顾了柴油、天然气燃料的排放优势，克服了重载工况发动机NOx排放较高，以及轻载工况双燃料发动机HC排放较高的缺点，对发动机燃料转换过程的控制也是其重要的优点。由于天然气和柴油在燃烧特性上存在较大差异，为了简化燃气供给系统，常常采用的正压进气特征，这样在切换过程中容易出现转速幅度的较大波动。双电控双燃料发动机具有其独特的优势，尤其是在消除油气切换过程中容易出现的转速幅度较大的波动，实现双燃料发动机切换过程的平稳过渡，优化双燃料汽车的驾驶性等方面。可以在对硬件机构不作大改动的情况下，依靠软件算法，实现电控天然气/柴油双燃料发动机的柴油量和天然气量的协调控制，并通过优化控制来实现调整燃气系统参数，从而消除了油气切换过程中出现转速幅度较大的波动，实现油气切换中转速基本无波动的目的。

2、双燃料发动机油气切换系统的控制原理

根据上述的发动机燃料供给系统的特点，在双电控双燃料发动机中，油气切换控制系统如图2所示。

因为双燃料发动机是在柴油发动机的基础上改装和实验优化控制而来，因此发动机在满足一定的工作条件下，才可以转换为具有良好效果的双燃料状态。通常而言，发动机水温达到50℃以上时，是双燃料发动机适宜工作的温度范围。为了能较好地保护和使用发动机，燃料转换系统要满足发动机负荷和水温一定的条件时，才能切换到双燃料的工作状态。对于油气切换系统的主要电控单元是用来接收司机的发动机的转速和负荷信号、氧传感器信号、转换信号、发动机的水温信号、柴油喷射信号、高压天然气的压力信号、燃料转换机构工作状态的反馈信号等，接收信号进行一定的逻辑推理判断与计算，给执行机构发出适当的指令，完成相应的任务。在司机给出的切换信号和其它状态信号满足切换要求的情况下，由电控单元（ECU）发出指令，进而对油气工作状态进行切换，最终达到油气切换的目的。

在双燃料工作状态下，电控单元（ECU）发出信号指令，使调速器控制杆固定在引燃油量的位置，此时柴油的喷油量即为引燃油量[4]。同时，电控单元发出指令开启天然气高压阀和调节碟阀，供给天然气，根据采集到的外界信号和相应的控制策略，调节天然气的供给量。于是司机只需要扳动转换开关，发出命令，电控单元（ECU）根据接收的相应信号作出判断，并发出相应的信号指令驱动外沿器件，即可实现对双燃料与纯柴油之间的燃料调节，也可实现对两种工作状态的切换。

3、双燃料发动机油气切换系统的优化控制

采用单点喷射方式的多缸发动机在供给天然气时，单点喷射点是位于进气道中的，由单点喷射点将天然气喷入进气道，经过进气道进入进气歧管，然后到达气缸中，而柴油采取的喷射方式是缸内直喷，因此，天然气供给的响应速度相对于柴油供给的响应速度要缓慢一些。在切换过程中，若不对燃料供给进行有效的控制，则在开始大幅度减少柴油供给量的同时加入天然气，由于存在天然气供给的速度滞后、火焰传播速度缓慢等现象，致使纯柴油向双燃料切换开始期间，由于天然气量相对较少和不能达到着火极限值而未能燃烧，从而导致瞬时转速相对下降；当喷射较多的天然气通过进气歧管进入气缸燃烧时，从而致使气缸内的压力立刻上升，使发动机的转速也相应地迅速上升。所以，发动机的转速会经历相对瞬时较大幅度地下降，接着较大幅度地超调，经过多次相对震荡以后，才逐渐趋于平稳，这就是 CNG/柴油双燃料发动机的油气切换过程。如果转速幅度波动较大，时间较长，会导致驾驶员对车辆控制困难，容易造成危险事故。另外在油气切换过程中，还会致使排放污染量上升。图 3（未优化的切换过程曲线)是发动机的燃料供给和速度曲线在油气切换过程中的变化。从图中可以看出速度最大的波动值Δn =135( r/min)，调节时间Δt = 0.5s。

在油气切换过程中，多喷入柴油减少天然气比减少喷入柴油多加天然气的过程要相对简单。经过多次实验得知，由于柴油供给的响应速度快于天然气的供给的响应速度，在减少天然气的同时多加入柴油的喷射量，相对应的转速基本不出现大范围波动，从而可以实现比较平缓的过渡。为消除油气切换过程中的转速波动现象，实现从单一燃料向双燃料切换的平稳过渡，常采用降低减压阀的出口压力，并在减压阀出口和天然气阀门之间加装稳压罐，从而可以避免减压阀出口端对气阀后的低压天然气造成冲击过大，此控制策略可以适当减少速度波动，对动力性有所提高[5]。图4为经过优化后的切换过程曲线，可以从图中看出在减少柴油喷射量，增加天然气的切换过程中，在气缸内采用了先经过几个循环加入天然气，再开始减少柴油喷射量的优化控制方式，来消除天然气供给系统供气滞后的影响；同时，为了增快天然气加气的速度，也适当调整了燃气控制方式，即采用先阶跃一小段时间，接着再分段线性增长的控制措施。由图可知速度最大的波动值 Δn =35( r/min)，调节时间Δt = 0.13s。

4、结论

从新能源的角度来看，由于CNG存在资源丰富，污染小，辛烷值高，技术成熟等优点，应广泛应用。针对当前双燃料发动机的燃料供给和进气系统，找出了引起切换过程速度幅度波动较大的原因，并对油气切换过程进行了分析，从而实现了对双燃料发动机油气切换过程的优化控制。通过降低减压阀的出口压力，并在减压阀出口和天然气阀门之间加装稳压罐，避免减压阀出口端对气阀后的低压天然气造成冲击过大，经比较可知，此控制策略可以适当减少速度波动，对CNG/柴油双燃料发动机的动力性有一定的提高。

[1] 贺泓,翁端,资新运等.柴油车尾气排放污染控制技术综述[J].环境科学,2007，28（6）:1170-1176.

[2] 白海,李仕存,孟利清等.电控柴油机应用于农业机械存在的问题及对策[J].江苏农业科学，2015，43（4）：375-378.

[3] 张沛, 黎辉,马长友等.柴油/CNG双燃料汽车发动机的性能研究[J].机械设计与制造,2007，11（11）:575-577.

[4] 肖贻鹏.天然气/柴油双燃料发动机油气切换的优化控制[D].重庆:重庆大学, 2007:15-22.

[5] 刘震涛.基于神经网络的天然气-柴油双燃料发动机燃烧与控制模型的研究[D].浙江:浙江大学,2000:26-47.

Optimal control of oil and gas switching system for CNG/diesel engine

Fan Yongzhen1, Bai Hai2, Ji Shansong1
( 1. School of Mechanical and Transportation, Southwest Forestry University, Yunnan Kunming 650224;
2. School of Technology and Education, Guangxi Normal University, Guangxi Guilin 541004 )

The emergence of CNG/diesel dual fuel has been solved problems, that rapid increase in car ownership as well as the environmental pollution,because of the rapid development of the economy.So CNG/diesel dual fuel is an ideal substitute for petroleum.In this paper, composition and control principle of engine fuel supply system for CNG/diesel dual fuel automobile has been studied firstly.Then a feasible optimal control has been carried on for oil and gas switching system for dual fuel engine used currently.

natural gas; diesel; dual-fuel vehicle; optimal control

U464.1

A

1671-7988（2015）09-09-03

范永臻，就读于西南林业大学机械与交通学院，主要从事新能源汽车的研究。