天然气发动机电控系统的初步研究

天然气发动机电控系统的初步研究吴本成孙仁云陈林林蔡建余摘要：本文阐述了顺序多点喷射天然气发动机电控喷射系统的组成及工作原理。试验在原YH465Q-1E汽油机上进行，对原机的进气系统和燃烧系统进行了改进，采用无分电器高能点火，并提出了一种控制各缸点火时刻及点火线圈导通时刻的方法。电控系统精确控制点火时刻和喷气喷射量。发动机通过了动力性和经济性测试，达到了动力性要求，并具有较好的经济性。关键词：天然气发动机，电控喷射，高能点火1概述由于我国石油能源的日益短缺，以及环境问题越来越受到世界各国的重视，各种排放法规也相应的更加苛刻，汽车尾气排放法规也不利外，加之人们对汽车使用经济性的追求，各种汽车代用燃料（天然气，液化气，石油气等）正在受到青睐。其中天然气在我国已探明有大量的储量，而且天然气具有高热值、低排污、使用经济性等特点，因此使其在现代发动机代用燃料中脱颖而出，使用比例增加很快。随着近几年来天然气汽车驶入各大城市，天然气发动机已成为我国发动机研究领域的热点。但是天然气除了上述优点外，同时还具有一些缺点，那就是与汽油机相比动力性稍有下降，不易点燃，需要较高的点火能量，而且燃烧后空气膨胀率几乎为零，发动机的润滑性能较差，机件磨损严重，热负荷大，排气温度高等。因此，天然气发动机研究的一个重要问题就是如何精确控制空燃比和点火提前角并尽可能提高点火能量，以保证发动机的动力性，经济性，并改善排放性能。本研究的目的就是通过对原YH465Q-1E汽油机进行改装，开发一套天然气发动机电控多点顺序喷射高能点火系统，使其成为天然气单燃料发动机，并能逐步达到使用阶段。2天然气发动机的改装2.1原机介绍原YH465Q-1E是四冲程、水冷、电子控制燃油多点顺序喷射、直列四缸汽油发动机，结构简单，性能优良，环境适应能力强。原机主要技术参数如下表。YH465Q-1E风冷汽油机主要技术参数形式四冲程、立式、强制循环水冷、直喷总排量，L1.05L压缩比9.4：1标定功率/转速，Kw/（r/min）38.5/（5200±50）最大扭矩/转速，Ｎm／（r/min）80/（3500-4000）标定转速，r／min6000点火提前角6°±1°（875±r/min）该发动机用于匹配轿车。使用天然气作为燃料后，需对原机进行改造，改造后的天然气发动机仍然用于匹配轿车，良好的动力性，经济性和排放特性可以得到很好的发挥。2.2对原机的改造对该机的改造主要通过加装一套完整的天然气供给系统和高能点火系统并改变压缩比实现。所使用的天然气是经过加工过的压缩天然气，压力达到20Pa，气源由瓶装天然气提供。供气系统组件包括：气瓶、手动开关阀、电磁开关阀、滤清器、电控调压阀、连接管路，电磁阀块和电磁阀及喷嘴管路。该供给系统的设计主要考虑发动机每循环天然气耗量。耗气量是按原机每循环汽油量折算得出，并由此计算减压阀、电磁阀的流量，从而设计出喷口尺寸，据此对电磁阀和减压阀进行合理选型。该设计实现了高压天然气的可靠存储和压力转换，并对供气温度和压力进行时时监测。由于天然气抗爆辛烷值指标较高达130，只要压缩比不超过14就不易引起爆燃，为了降低发动机的点火难度，在保证发动机工作稳定性的前提下，我们将压缩比从原来的9.4：1改为10.5：1。修改压缩比是通过增加活塞顶厚度并通过使用减薄气缸垫厚度来实现。图1为燃料供给示意图。3电控系统的设计电控系统软硬件的工作质量对发动机的工作性能影响很大，起关键作用。本系统选择Intel公司的80C196KB单片机为核心进行系统开发，控制输出量为喷射阀驱动信号及点火驱动信号。来自发动机的有模拟信号和数字信号，其中模拟信号有节气门位置信号、进气管压力信号、进气管温度信号、冷却水温度信号、天然气压力信号、天然气温度信号及氧传感器信号；数字信号是发动机转速信号及判缸信号。80C196KB是功能强大的CHMOS16位单片机的第一代产品，其特点是内部“嵌入”了以往被认为是“外围设备”的各种电路，如时钟发生器、I/O口、A/D转换器、PWM、定时器/计数器、监视定时器、高速输入/输出器、外设事务服务器等；有丰富的中断源和中断向量（有28个中断源，18个中断向量），指令功能丰富，速度快；尺寸小，功耗低，抗干扰性能强等。电控系统的设计主要从系统控制功能的需要出发，采集、处理传感器得到的各种发动机工况信号，并通过运算，确定发动机在不同转速、负荷、温度等工况下的燃气喷射量和相应的点火提前角，向执行装置按照喷射正时和点火正时输出喷气控制脉冲信号及点火信号，控制喷射和点火的整个过程。因为天然气燃料燃点高，不易点燃，燃烧速度慢，所以我们加装了高能点火系统，使其点火电压高达3.5万伏。采用电子点火电路，通过精心设计电控系统精确控制点火提前角，根据转速和负荷等作相应调整，进一步提高点火能量，形成稳定的、体积较大的火焰核心，加快燃烧速度，提高热效率，有效控制排放。图2为控制系统硬件结构框图。其中喷气驱动信号分别由HSO.0~HSO.3输出，喷气驱动电路为峰值-保持电路，如图3所示。气体喷射器的驱动电流波形如图4所示。本系统采用HSV3020S5常开式电控喷射器，断电开启，通电关闭，在实际使用中通电时间比开启时间长许多，最长断电喷气时间仅几个毫秒，因此就要求驱动电路开启和关闭气体喷射器迅速，且电路耗能要尽可能小。为此，在喷射器关闭时，应加大驱动电流使其关闭迅速，关闭后再供给较小的电流，这样就可降低喷射器负荷，既节能降耗又使喷射器开启容易，提高喷射器开启响应特性。可通过调整图3中的R5、C参数来改变单稳态触发器的输出脉宽，以便在得到合适的喷射器关闭时间时加大驱动电流的持续时间。图中二极管D的作用是在功放管T2关闭时保护T2，避免由于喷射器断电时产生的感生电动势将其烧毁。光电耦合器1、2起电平转换和抗干扰作用。点火驱动电路如图4所示。转速及点火时刻控制示意图如图5所示。由于天然气燃烧速度相对较慢，且不易点燃，因此需要较高的点火能量和较大的点火提前角。因而本系统采用微处理器控制的高能点火系统。点火正时采用开环控制，即根据发动机的转速、负荷和曲轴位置等信号决定点火线圈的通断时刻。即根据这些基本输入信号，通过查表、插值方法计算该工况对应的最佳点火提前角和初级线圈导通时间，在最佳时间向点火驱动电路发出控制信号。具体工作原理是当单片机点火高速输出口通过光耦1输出的驱动信号为低电平时，A为低电平，光耦1不导通，则B点为低电平，导致光耦2也不导通，C为高电平，蓄电池通过R4向三极管T1提供偏流，致使T1导通，进而使晶体管T2导通，接通点火线圈初级电路。此时，电流由蓄电池正级经点火线圈初级线圈N1到T2的集电极和发射极再经搭铁流回蓄电池负极。相反，当单片机给出的驱动信号为高电平时，A为高电平，点火初级线圈电流被切断，次级绕组中产生高电压，使火花塞点火。统，实行单独式4控制系统软件设计思想天然气发动机电控系统的软件实行模块化设计，主要包括：主程序模块、HIS中断模块、HSO中断模块、软件定时器中断模块及通讯模块。主程序完成各变量以及中断的初始化、各传感器信号的处理以及保护报警等功能。HIS中断子程序处理同步信号的判断、转速的计算以及发动机运行工况的判断，控制喷射脉宽、喷射时间、点火时间。HSO中断模块实现对1~4缸的喷射阀的喷射延迟时间和喷射控制时间的控制及点火线圈初级线圈电流通断时间的控制。通讯控制模块处理电控喷射系统与PC机信息的交换，通过设置通讯协议，完成发动机各工况的状态参数上传、接受上位机的命令并进行处理等功能。本系统通过一个安装在飞轮壳上的霍耳式转速传感器，输出高低电平数字信号，用施密特触发器把脉冲整型为标准方波，经过简单整形后进入单片机的数字通道。ECU通过此霍尔式传感器信号经计算获得曲轴转速信号。同时本系统仍选用霍尔效应式传感器作判缸传感器，它安装在发动机进气凸轮轴的一端，输出信号0V或5V，为矩形脉冲信号，经过简单的整型处理就可进入单片机，无须A/D转换，它的功用是采集配气凸轮轴的位置信号，输入ECU，以便ECU识别第一缸压缩上止点，从而进行顺序喷气控制、点火时刻控制。此外，凸轮轴位置信号还用于发动机启动时识别出第一次点火时刻。本系统采用多点顺序喷射和单独点火方式，各缸点火的顺序为1—3—4—2，对应的喷气时序为4—2—1—3。在软件设计时，按照此顺序即可实现各缸的顺序喷射和点火的控制。微处理器根据发动机转速、负荷和判缸信号，进行喷气和点火控制，以确定何时对哪一缸喷气及哪一缸点火，保证喷气充分、点火正时。比如当获得一缸压缩上止基准信号时，微处理器根据发动机各工况信号计算出一缸点火提前角和三缸喷气时刻并按时对第1缸点火。同时根据计算出的喷气提前角和喷气量给第三缸喷气。另外，为确保足够的点火能量，要根据获取的转速、负荷和判缸等信号，计算出各缸点火时初级线圈的通电和断电时刻，以保证点火线圈有足够的通电时间。因此，在每个点火控制周期中，必有一个点火初级线圈通电，也必有一个点火初级线圈断电。在每个周期中，断电点火的线圈与指定的缸对，但通电的线圈则不一定对应，通电线圈的缸号由发动机的转速决定。为此，本系统将发动机转速分为低速、中速和高速三个状态，低速状态时通电线圈的缸号与当前周期所在的缸号对应，而在中速状态时通电线圈的缸号则与下一缸号对应，在高速时，通电线圈的缸号与再下一缸所在的缸号对应(按点火缸序号)。即低速时如在第一缸，通电线圈即为第一缸初级线圈，而中速时则为第三缸初级线圈，高速时则为第四缸，这样可防止点火脉冲的丢失。本系统中空燃比和点火提前的控制是以发动机转速信号和节气门开度信号为基本输入信号，通过对储存在存储器中的喷气脉谱或点火脉谱进行二维插值得到主喷气量或基本点火提前角，再通过发动机水温、天然气压力，氧传感器等信号进行修正。主喷气量采用的二维插值方法是利用相邻点的值进行二维线性插值，如图6所示：E点为待求点；A、B、C、D四点为E点对应工况所在区间的四个节点；TP1、TP2、TP3、TP4为各节点所对应的最佳测量值（如空燃比、点火提前角等）。则由下列插值公式即可得到基本喷气量或点火提前角。5试验结果与结论为验证本系统设计的效果，我们进行了与原机型的对比试验，图7为发动机与原机外特性的对比曲线。试验结果表明，使用天然气作为燃料，采用多点顺序喷射、高能点火后，发动机运转平稳，无缺火现象，无点火脉冲丢失，功率稍有下降但不超过20%，动力性基本满足要求。虽然动力性稍有下降，但经济性较好，排放性能也有改善，具有一定的实用性。如果能进一步实现天然气缸内直喷，则动力性和经济性将会有进一步提高。下一阶段将在这方面和系统可靠性上作进一步的研究工作，以达到实用阶段。作者简介：吴本成，男，1973年2月出生，西华大学车辆工程学院硕士研究生，主要从事天然气发动机电控喷射系统的研究。孙仁云，男，1965年出生，西南交通大学博士，西华大学车辆工程学院硕士生导师，教授，主要从事汽车电子控制等方面的研究。陈林林，男，1974年出生，西华大学车辆工程学院硕士，南京航空航天大学博士，主要从事发动机电子控制系统方面的研究。蔡建余，男，1973年出生，西华大学硕士，主要从事汽车测试系统方面的研究。