论文导读：：本文介绍了柴油/天然气双燃料发动机的研发优势和研发目的，柴油引燃天然气发动机的工作原理。对泵喷嘴、单体泵和高压共轨电控柴油机的不同断油控制策略进行了详细说明，并通过高压共轨发动机路试对比了两种控制策略的效果；介绍了两种引燃油量的标定方法，通过路试得出比例计算法是要优于MAP查表的。最后通过大量的路试，得出了双燃料发动机的百公里耗油量，并对数据进行了简单的分析。

　　论文关键词：双燃料发动机，断油，引燃油量，控制策略

　　0引言

　　燃气汽车由于其排放性好、运行成本低、技术成熟、安全可靠，被世界各国公认为最理想的替代燃料汽车，在我国代用燃料汽车中占到90%左右[1]。

　　目前商用车市场上的重型载货车辆基本上都是大功率柴油机，但随着柴油价格的不断上涨，车辆运营成本也越来越高。因此，如何在不改变原有柴油机机械结构的前提下降低燃料成本是所有商用车用户面临的一大难题。双燃料发动机控制系统的研发很好地解决了这一问题，保证了原柴油机的机械结构与性能不发生大的改变。该系统让柴油和天然气混合燃烧，也能在天然气使用完的情况下正常的燃烧柴油。其最大的优点是：在不改变原有动力性的前提下，使燃料成本降低40%以上[2]。

　　从排放方面来讲，柴油的排放是远远高于天然气的，尤其是碳烟的排放，对环境污染以及人类的健康带来了极大的威胁。从储量方面来讲，天然气的使用期限至少要比石油多用50年。在中国新疆地区，越来越多的油田气、气田气以及泥火山气被发现，极大了鼓舞了人们使用天然气的信心。在价格方面，天然气刚刚由家用天然气向车用天然气转型，其固定使用量还处于上升时期，其价格虽有上升的趋势，但百公里费用是远远低于柴油价格的[3] 。

　　1 双燃料发动机工作原理

　　柴油/天然气双燃料发动机技术是在不改变原来发动机机械构造的基础上进行的，它是在原柴油机上增加燃气进气系统、油气转换系统以及电控模块ECU来实现的。

　　断油

　　图1 双燃料发动机信号采集与处理模块

　　由图1所示，双燃料发动机由两块电控ECU来共同控制，一个是原柴油机ECU，控制柴油机喷油嘴的实时通断以及其他的执行器件；另一个就是双燃料ECU，它需要采集柴油机的各种信号，如发动机转速、冷却液温度、油门踏板位置、氧传感器信号和原始喷油脉宽信号等，同时发出指令给执行器件。

　　按照国内外混烧发动机的研发经验，在怠速工况下是纯柴油模式，没有天然气参与燃烧。当发动机工况达到了ECU所设定的混烧条件时，双燃料ECU发出指令给执行器件，燃气喷射器进而喷射出天然气与空气进行混合。当活塞到达压缩上止点附近时，压燃喷入气缸内的柴油，柴油通过扩散燃烧引燃随空气一起进入气缸的天然气，进而点燃天然气引燃油量，达到了燃料替代的目的[4]。

　　2、双燃料发动机断油控制策略的研究

　　对于不同的电控柴油机，使用的是不同的电控系统，其喷油方式和喷油频率都是不同的。一般情况下，单体泵和泵喷嘴只有主喷，不存在预喷和后喷的情况，而高压共轨电控柴油机则存在，对于这些不同的喷油方式，需要区别对待[5]。

　　2.1单体泵与泵喷嘴断油控制策略研究

　　对于泵喷嘴和单体泵电控柴油机，在一个工作循环中，每个缸各参与一次工作，所以需对各个缸分别进行断油处理。在底层设计上，设置CPU的一个计时器口为上升沿触发，在喷油开始时计数器开始计时，计数器到达所标定的引燃油量时，计数器清零，同时CPU发出断油信号，使断油开关关断，完成断油任务。

　　断油

　　图2 单体泵发动机断油控制原理图

　　如图2为断油的原理图，在双燃料模式下，对每个喷油信号都进行断油处理，在每个喷油信号的前部分是有效喷油时间，也就是引燃柴油量的喷油时间；从断油信号发出到高位的喷油信号结束这段时间为无效喷油时间，虽高位有信号指令，但断油开关关断，与低位构不成回路，喷油嘴停止工作。

　　2.2高压共轨柴油机断油控制策略研究

　　在高压共轨系统中，几乎都存在预喷和后喷的情况，目的是为了降低发动机噪音，促进扩散燃烧，减少氮氧化物、可吸入颗粒物的排放量[6]，

　　柴油机在不同的负荷，有不同的喷油脉冲个数，例如在怠速工况，存在预喷和主喷，那么一个工作循环共有12个喷油脉冲个数，稍大负荷时又出现后喷，则一个工作循环有18个喷油脉冲个数，大负荷时只存在主喷，则一个工作循环有6个喷油脉冲个数；在车辆减速时，发动机会存在一两个缸不工作的情况，检测到喷油脉冲个数为4个或5个。对于这种电控柴油机，制定出2种断油控制策略：

　　1）不论有几个喷油脉冲，都使用相同的引燃油量。这样的控制策略就等同于单体泵和泵喷嘴电控柴油机，只需要一个计时器，即从喷油开始时刻计算给定的喷油时间，喷油时间到时，关掉断油开关，就实现断油控制，其控制原理图为：

　　断油

　　图3 高压共轨柴油机断油原理图

　　当引燃油量的标定值大于预喷和后喷的喷油时间时，对预喷和后喷信号不进行任何处理，只是对主喷的喷油信号进行断油处理；如引燃油量的标定值小于预喷和后喷的喷油时间，则对预喷、主喷和后喷都进行断油处理。

　　2）对于第一种控制策略，存在一些缺点，如：不能屏蔽预喷和后喷，燃油替代率不高，燃料经济性差，加速过渡不平稳。因为预喷和后喷时间小于主喷时间很多，引燃油量的标定值不能完全照顾到三个喷油脉宽，给标定工作带来很多困难。于是设法采用第二种控制策略。

　　预喷和主喷还按照第一种控制策略实行，即采用给定的油量进行断油，对于后喷，进行屏蔽处理，也就是让断油开关在这段时间一直保持关闭的状态。这种控制策略就需要采用两个计时器，一个计时器用来计算给定的喷油时间，另一个计时器用来屏蔽主喷后出现的后喷，其断油的原理图为：

　　图 4、高压共轨柴油机断油屏蔽后喷原理图

　　由上图可知引燃油量，如果引燃油量的的标定值大于预喷时间，则只对主喷进行断油，同时屏蔽后喷时间；如果引燃油量的标定时间小于预喷时间，则对预喷和主喷都进行断油。这种策略是在预喷、主喷和后喷都出现时制定的，考虑到随着负荷的变化，预喷和后喷都消失，屏蔽时间如果过长将会对下一工作缸的喷油信号造成干扰，有可能会造成缺缸的现象。通过路试信号采集，其屏蔽时间是远远小于两缸工作时间间隔的，所以这种策略是可行的。

　　3）两种控制策略路试对比

　　对于两种控制策略，在标定引燃油量时存在一定的区别。第一种控制策略存在一个缸三次喷射燃油的情况，第二种控制策略则不存在。如果假设在相同的工况下，两种控制策略喷射相同的引燃油量，则第一种控制策略喷嘴每次喷的油量要比第二种的喷射量少论文开题报告。当标定的喷嘴打开时间小于一定值时，喷嘴将不能正常打开，也就不能完成喷油的动作，如果标定喷油时间过大，又会造成引燃油量过多，燃料替代率下降，经济性降低的弊端，所以第二种控制策略在理论在优于第一种的。

　　两种控制策略在一台发动机上进行了路试对比试验，由于在路试时，行驶的是相同的路线，同时载重量也都在1吨的差别之内，增加了对比可信度。

　　图 5 两种控制策略百公里耗油量对比

　　可以看出，第一种控制策略百公里耗油量都要大于第二种的百公里耗油量，所以屏蔽后喷的控制策略是优于第一种控制策略的。

　　3、双燃料发动机引燃油量标定方法

　　对于双燃料发动机，引燃油量值是一个很重要的标定量。在标定引燃油量时，有两种标定方法，即MAP查表法和比例计算法。

　　3.1 MAP查表法

　　此方法同样也用在喷气流量的确定方式上。这种方法贯穿于整个发动机的各个工况，在发动机运行时，由转速、油门踏板开度、冷却液温度、混烧开关等信号确定发动机所处的工况，然后再从标定好的MAP表中查找此工况点所需的喷油量和喷气量。在台架标定和路试标定时，不可能把每个转速所对应的油门踏板开度值都标定到，只需标定出特殊工况点的值即可，同时也省去了ECU的内存空间。这些标定的数据存储在ECU的flash中。这个表值只包括特殊点的引燃油量值，对于油门踏板和转速不在标定工况点的引燃油量则有差值法算出。

　　这种引燃油量方法的确定有一些弊端：

　　（1）、由于所有引燃油量的标定值都是在车辆正常行驶时确定的，在减速断油时或者加速加浓时，原柴油机的喷油脉宽会发生很大的变化，而引燃油量的确定还是按照表格中的标定值来确定，这就会发生引燃油量过大或者过小的现象。引燃油量过大，燃料经济性变差；引燃油量过小，造成柴油能量太小，不能引燃天然气，从而造成发动机缺缸。

　　（2）、需要标定出每个特殊工况点的值，标定任务量就会增大。

　　3.2 比例计算法

　　这种方法就是巧妙利用采集来的原始喷油脉宽，经过一定的比例计算出所对应的百分比引燃油量。例如：采集到某一工况点原始喷油脉宽为1200，标定百分比为35%，则此工况的引燃油量就为1200×35%=420。

　　原柴油机ECU在加速补偿和减速断油工况控制策略制定上是优于我们的，而这些工况的补偿值最终都表现在喷油脉宽的变化上，所以这种标定方法避免了发动机在减速断油和加速加浓工况引燃油量不足或多余的现象。由于发动机在不同的工况下，其所需要的百分比理论油量是不同的，例如发动机在低速大扭矩时需要多的引燃油量，而在高速小扭矩时很少的引燃油量就可以引燃天然气。所以运用这种方法需要确定不同的工况区域，在不同的工况区域使用不同的百分比，大大减少了标定任务量。

　　3.3 MAP查表法与比例计算法路试对比

　　柴油/天然气双燃料的研发一开始是用MAP查表法来标定引燃油量的，在路试过程中，会发现加速无力或者爬坡无力的情况，原因就是在发动机工况发生变化时，引燃油量没有相应的补偿值，使用比例计算法则减弱了这种情况。对于两种标定方法，在路试过程中进行了对比试验。

　　图6 对比路试图

　　如上图所示为两种引燃油量标定方法的路试结果，从结果可以看出，比例计算方法是优于MAP查表方法的。

　　4、双燃料发动机路试结果及数据分析

　　目前，此双燃料技术已成功应用在斯堪尼亚泵喷嘴发动机、奔驰单体泵发动机和潍柴高压共轨柴油机上。以潍柴高压共轨发动机的路试得出以下结果：

　　表 1 双燃料车辆路试结果

　　车辆负荷

　　行驶里程数（km）

　　耗油量（L）

　　耗CNG量（方）

　　实际百里耗油量（L/100km）

　　实际百公里耗CNG量（方/100km）

　　33t

　　276

　　23.3

　　91.1

　　8.44

　　33

　　33t

　　189

　　16.39

　　60.48

　　8.67

　　32

　　33t

　　370

　　30.56

　　122.1

　　8.26

　　33

　　53t

　　95

　　8.66

　　33.25

　　9.12

　　35

　　53t

　　265

　　23.55

　　87.45

　　8.89

　　36

　　33t

　　210

　　16.59

　　69.3

　　7.9

　　33

　　53t

　　190

　　17.33

　　64.6

　　9.12

　　34

　　33t

　　95

　　8.4

　　30.4

　　8.86

　　32

　　此车辆于2010年5月中旬在山东烟台地区路试成功后，在半年时间内引燃油量，行驶已4万余公里，其中载重既有轻载33吨，也有重载52吨，路况有山地，平原，丘陵，高原等。

　　由此可以得出柴油/天然气双燃料车辆的燃油替代率和百公里经济性等数据。

　　4.1双燃料车辆燃油替代率

　　燃油替代率，就是在相同的载重和路况条件下，双燃料模式相比于纯柴油模式节省燃油的效率。

　　如： 在纯柴油模式下百公里耗油量—A（L）；

　　双燃料模式百公里耗油量—B（L）；

　　则燃油替代率=（A-B）/A；

　　由于在路试中，车辆的仪表上既可以显示出行驶里程数，也可以显示出在已行驶里程内，纯柴油模式下的百公里耗油量，这为计算燃油替代率提供了方便。经过近2000公里（负荷有轻载、重载；路况有平原、山地、高原等）的路试，8次数据记录，得到的如下图燃油替代率：

　　图7 奔驰双燃料发动机燃油替代率

　　由上图可以看出，8次的燃油替代率都达到了78%以上，并且平均燃油替代率达到了79%。也就是说，在双燃料模式下，百公里只需要用到在纯柴油模式下22%的柴油，其他的燃料都用天然气来代替。

　　白公里经济性，可直接反应出在双燃料模式下，百公里可节省的费用。按照目前市场每升柴油7.07元，每方天然气4.4元计算，则得到8次路试的百公里经济型。

　　图8 奔驰双燃料发动机混烧经济性

　　可以看出， 8次路试的百公里混烧经济性都在78元以上，平均百公里节省费用为86元。

　　5、结论

　　无论何种形式的电控柴油机，其引燃油量和喷气量的标定值直接决定着双燃料发动机的动力性、百公里耗油量以及百公里经济性，标定要采取现场标定与台架标定相结合的方法。

　　泵喷嘴和单体泵电控柴油机不存在预喷和后喷，而高压共轨电控柴油机则存在，这就要求控制策略，尤其是断油控制策略根据实际喷油形式而定，这样可以达到更好的燃油替代率。

　　引燃油量的确定可以采用MAP查表法也可以采用比例计算法，目前国内大部分还是以查表法为主，路试证明，采用比例计算法弥补了自主开发ECU补偿策略不足的缺点，会得到更好的动力性与燃料替代率。

　　[参考文献]

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　　[2]刘立，吴光耀。柴油/天然气双燃料发动机的研究[J]. 中国科技论文在线，2010（7）：50-54.

　　[3]边耀璋编著。汽车新能源技术[M]. 北京：人民交通出版社，2003: 80-85.

　　[4]林在梨，杨学杰。世界能源状况及车用天然气发动机技术发展[M]. 2005 :5-10.

　　[5]梁昱，周立迎。双燃料发动机技术研究综述[J].贵阳学院报（自然科学版），2008 （8）： 30-32.

　　[6]宋福昌。新编汽车电控柴油机故障检修[M].北京：科学技术文献出版社，2008（3）：30-65.