張紅光,鄭 軼,劉 凱,王道靜,鄭國(guó)勇,王 欣

(北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院,北京 100124)

目前,車用發(fā)動(dòng)機(jī)的排放法規(guī)正在由低排放向超低排放甚至接近零排放的目標(biāo)發(fā)展,日趨嚴(yán)格的排放限制使得發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)和怠速過(guò)程的燃燒優(yōu)化和排放控制顯得尤為重要[1-2].天然氣作為一種清潔能源,不僅能緩解未來(lái)的石油壓力,而且作為燃料也具備很好的排放特性,是未來(lái)代用燃料的最佳選擇之一.因此,對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義.

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 試驗(yàn)裝置

為了驗(yàn)證所開(kāi)發(fā)的控制單元和控制策略的正確性,設(shè)計(jì)了發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架,布置方案如圖 1所示,包括 A、B、C、D、E五部分:A為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速采集系統(tǒng);B為測(cè)功機(jī);C為發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)(ECU)和試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng);D為發(fā)動(dòng)機(jī);E為汽車排氣分析儀.其中,a為采集轉(zhuǎn)速信號(hào)的通訊接口(RS-232接口);b為發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元線束;c為 ECU和 PC機(jī)的通訊接口(RS-232);d為轉(zhuǎn)速信號(hào)線束;e為廢氣采集通路.

圖1 試驗(yàn)裝置Fig.1 Experimentaldevice

1.2 ECU硬件系統(tǒng)

本文所采用的 ECU電子控制系統(tǒng)由作者及其所在實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)自主研發(fā).該 ECU采用多片式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),應(yīng)用了 3個(gè) ATMEL公司生產(chǎn)的 AVR系列單片機(jī),它們針對(duì)不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)分擔(dān)不同的任務(wù),其中 1個(gè)ATmega128L單片機(jī)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料噴射控制;另外 2個(gè)單片機(jī)為 ATmega8L,一個(gè)用于控制發(fā)動(dòng)機(jī)的電子點(diǎn)火,另一個(gè)作為 ECU的主控單片機(jī),負(fù)責(zé) ECU與 PC機(jī)上的監(jiān)控軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊,同時(shí)也控制著發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)和怠速工況下的空氣供給量.

本文采用步進(jìn)電機(jī)對(duì)起動(dòng)和怠速過(guò)程中所需的空氣進(jìn)氣量進(jìn)行控制,步進(jìn)電機(jī)是目前應(yīng)用較為廣泛的一種控制裝置[3-4].在起動(dòng)和怠速過(guò)程中,由于節(jié)氣門全閉,所以采用步進(jìn)電機(jī)對(duì)旁通空氣通道進(jìn)行開(kāi)度控制,以調(diào)節(jié)旁通空氣的進(jìn)氣流通截面積,進(jìn)而為發(fā)動(dòng)機(jī)順利運(yùn)轉(zhuǎn)提供必要的空氣量[5].

1.3 試驗(yàn)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件程序采用 C語(yǔ)言進(jìn)行編寫,程序開(kāi)發(fā)基于 W inAVR平臺(tái).控制策略如下:給 ECU通電,各個(gè)單片機(jī)分別進(jìn)行初始化,此時(shí)節(jié)氣門全閉,動(dòng)作步進(jìn)電機(jī)堵死旁通空氣通道,旁通空氣回路全閉,此時(shí)的步進(jìn)電機(jī)位置作為零點(diǎn)位置.通過(guò) PC機(jī)與主控單片機(jī)之間的串行通訊,可以在線更改發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)刻的天然氣噴射脈寬、點(diǎn)火提前角、以及起動(dòng)時(shí)刻步進(jìn)電機(jī)的位置.起動(dòng)程序采用兩段式設(shè)計(jì),以 600 r/min的轉(zhuǎn)速為界,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速分別在[0,600]r/min和(600,2 000]r/min兩個(gè)區(qū)域的過(guò)程中,天然氣噴射脈寬、點(diǎn)火提前角、步進(jìn)電機(jī)位置均可獨(dú)立設(shè)定.當(dāng)轉(zhuǎn)速不大于 600 r/min時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)需要提供較濃的混合氣;當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò) 600 r/min后,調(diào)稀混合氣并加大點(diǎn)火提前角,使發(fā)動(dòng)機(jī)能獲得較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)速[6],順利完成起動(dòng)過(guò)程.當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后,提供合適的混合氣,使轉(zhuǎn)速迅速提升至 2000r/min,當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò) 2 000 r/min后,程序自動(dòng)進(jìn)入目標(biāo)轉(zhuǎn)速為 1 600 r/min的高怠速暖機(jī)階段;隨著發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度的逐漸升高,逐漸降低目標(biāo)轉(zhuǎn)速,最終使發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定在目標(biāo)轉(zhuǎn)速為 1200 r/m in的正常怠速階段;在怠速過(guò)程中,怠速轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制采用了增量式 PID控制算法[7-8],即通過(guò)在線調(diào)整 PID控制算法中的比例項(xiàng)系數(shù) Kp、積分項(xiàng)系數(shù) Ki、微分項(xiàng)系數(shù)Kd和控制周期 T,來(lái)獲取使得發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的最佳的 PID控制參數(shù)匹配.

1.4 試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)

試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)軟件采用 Visual Basic 6.0開(kāi)發(fā)[9],使用本軟件可以在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)前后,通過(guò) PC機(jī)與單片機(jī)之間的串行通訊,設(shè)置起動(dòng)過(guò)程中不同階段的天然氣噴射脈寬、點(diǎn)火提前角以及步進(jìn)電機(jī)的位置等參量;除此以外,本軟件還可以實(shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中各項(xiàng)狀態(tài)參數(shù)的變化,并在線實(shí)時(shí)更改天然氣噴射脈寬、點(diǎn)火提前角、PID算法中的控制參數(shù),如比例項(xiàng)、積分項(xiàng)、微分項(xiàng)、控制周期等參量,從而完成發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)和怠速過(guò)程的試驗(yàn).

1.5 轉(zhuǎn)速采集系統(tǒng)

轉(zhuǎn)速采集系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集界面和硬件系統(tǒng)兩部分組成.下位機(jī)的主要功能是實(shí)時(shí)采集發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,應(yīng)用的單片機(jī)型號(hào)為ATmega 32L.當(dāng)曲軸每旋轉(zhuǎn) 180°CA,采集 1個(gè)轉(zhuǎn)速信號(hào),并存儲(chǔ)在單片機(jī)中的SRAM寄存器內(nèi);下位機(jī)可以連續(xù)采集 900個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),即記錄發(fā)動(dòng)機(jī)在 0～450轉(zhuǎn)內(nèi)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)情況.當(dāng)900個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)采集完畢后,下位機(jī)能夠自動(dòng)與上位機(jī)進(jìn)行通訊,將轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)回傳給上位機(jī),并存儲(chǔ)在 Excel文檔內(nèi),便于后期的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析.圖 2和圖 3分別為轉(zhuǎn)速采集系統(tǒng)的上位機(jī)和下位機(jī).

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)使用 JL465Q5型車用發(fā)動(dòng)機(jī),該發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)為汽油機(jī),是四沖程、直列四缸、水冷、頂置凸輪軸、閉環(huán)多點(diǎn)燃油噴射發(fā)動(dòng)機(jī).其排量為 1.012 L,壓縮比為 9.6,缸徑為 65.5 mm,最大功率為 39 kW(5300 r/min).經(jīng)過(guò)改造后,加裝了一套完整的天然氣供給系統(tǒng)和電控系統(tǒng).試驗(yàn)使用的天然氣是在加氣站灌注的壓縮天然氣,其主要成分為甲烷,其中還含有乙烷、丙烷、異丁烷、正丁烷等氣體燃料,存貯在高壓氣瓶?jī)?nèi).改造后的天然氣供氣系統(tǒng)采用進(jìn)氣總管單點(diǎn)噴射方式.

在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)和怠速試驗(yàn)過(guò)程中,節(jié)氣門全閉,天然氣噴射閥的噴射壓力為 0.25MPa,采用了 2個(gè)天然氣噴射閥進(jìn)行交替噴射,在發(fā)動(dòng)機(jī) 1個(gè)工作循環(huán)內(nèi),每個(gè)噴射閥各工作 2次.其中,天然氣噴射脈寬、點(diǎn)火提前角等參量均在線可調(diào),因此便于進(jìn)行不同試驗(yàn)條件的研究與分析.

圖2 轉(zhuǎn)速采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集界面Fig.2 Interface of speed acquisition system

圖3 轉(zhuǎn)速采集硬件系統(tǒng)Fig.3 Hardware of speed acquisition system

2.1 旁通空氣閥開(kāi)度對(duì)起動(dòng)過(guò)程的影響

試驗(yàn)過(guò)程中,環(huán)境溫度為 18.9℃,濕度為 83%,大氣壓力為 101 kPa.當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速小于 600 r/min時(shí),天然氣噴射脈寬為 5.76 ms,點(diǎn)火提前角為 20°CA,步進(jìn)電機(jī)位置可變;當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速突破 600 r/min后,天然氣噴射脈寬為 5.12ms,點(diǎn)火提前角為 30°CA,步進(jìn)電機(jī)保持在 300步的位置處.通過(guò)改變步進(jìn)電機(jī)的初始位置分析起動(dòng)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化,試驗(yàn)結(jié)果如圖 4所示.從圖 4中可以得出,當(dāng)步進(jìn)電機(jī)開(kāi)度在 300步的位置時(shí),起動(dòng)過(guò)程最迅速,達(dá)到最大轉(zhuǎn)速 2060 r/min時(shí),只需要 6.495 s,如圖 4中 M點(diǎn)所示.而且隨著旁通空氣閥開(kāi)度的不斷增大,達(dá)到最高起動(dòng)轉(zhuǎn)速的時(shí)間逐漸縮短.究其原因,隨著旁通空氣閥開(kāi)度的不斷增大,旁通空氣進(jìn)氣量逐漸增多,從而混合氣逐漸由過(guò)濃趨于正常,促進(jìn)了混合氣的燃燒更加充分,因此降低了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提升時(shí)間.但是,當(dāng)旁通空氣閥開(kāi)度持續(xù)增大后,發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程不穩(wěn)定,分析其原因是此時(shí)混合氣的濃度已經(jīng)從正常趨于過(guò)稀,導(dǎo)致混合氣燃燒不充分,從而對(duì)起動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生了消極的影響.如圖 4中虛線框圖所示,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線均維持在 250 r/min附近一段時(shí)間,究其原因是此階段為起動(dòng)電機(jī)拖動(dòng)階段,而且通過(guò)軟件控制,發(fā)動(dòng)機(jī)的第 1個(gè)工作循環(huán)內(nèi)點(diǎn)火線圈不工作,其目的是通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn) 2圈,將氣缸內(nèi)上次殘留的廢氣排凈,以便于充分吸入新鮮的混和氣,為發(fā)動(dòng)機(jī)的順利起動(dòng)提供有利的條件.試驗(yàn)表明,此舉有利于發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)過(guò)程.

圖4 旁通空氣閥開(kāi)度對(duì)起動(dòng)過(guò)程的影響Fig.4 Effects on starting process by different air bypass valve

2.2 冷卻水溫度對(duì)起動(dòng)過(guò)程的影響

試驗(yàn)過(guò)程中,環(huán)境溫度為 5.8℃、環(huán)境濕度為 19%、大氣壓力為101kPa.當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速小于 600 r/min時(shí),天然氣噴射脈寬采用 5.76ms,點(diǎn)火提前角為 20°CA,步進(jìn)電機(jī)保持在 240步的位置處;當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速突破 600 r/min后,天然氣噴射脈寬采用 5.12ms,點(diǎn)火提前角為 30°CA,步進(jìn)電機(jī)保持在 280步的位置處;當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò) 2 000 r/min后,便進(jìn)入 1 600 r/m in高怠速暖機(jī)階段.不同的冷卻水溫度條件下得到的試驗(yàn)結(jié)果如圖 5所示.當(dāng)冷卻水溫度為 9.4℃時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)較困難,轉(zhuǎn)速提升最為緩慢,如圖 5中曲線 A所示.究其原因是由于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度較低,造成機(jī)體溫度較低,導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油黏度較大,增加了發(fā)動(dòng)機(jī)各運(yùn)轉(zhuǎn)部件之間的摩擦阻力矩,而且較冷的燃燒室壁溫度也不利于混合氣形成可靠的火焰核心,火焰?zhèn)鞑ニ俣容^慢;除此之外,在低溫條件下,為發(fā)動(dòng)機(jī)供電的蓄電池所能提供的電壓與電流均有一定程度的下降,容易造成天然氣噴射閥開(kāi)啟時(shí)間延長(zhǎng),從而導(dǎo)致天然氣的噴射量比預(yù)先設(shè)定的值有所降低;而且較低的蓄電池電壓和電流也造成點(diǎn)火能量的下降,這些都增加了發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的難度.從圖 5中還可以得出,隨著冷卻水溫度的不斷升高,發(fā)動(dòng)機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)提升到最大起動(dòng)轉(zhuǎn)速所需要的時(shí)間也越來(lái)越短,起動(dòng)過(guò)程越來(lái)越順暢,當(dāng)冷卻水溫度為 55.2℃,發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程最為迅速,而且發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到最大起動(dòng)轉(zhuǎn)速 2 131 r/min時(shí),僅需要 3.611 s,如圖 5中的 N點(diǎn)所示.由此可知,隨著冷卻水溫度的不斷升高,有利于發(fā)動(dòng)機(jī)的順利起動(dòng),而且發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程逐漸平順、迅捷.

圖5 冷卻水溫度對(duì)起動(dòng)過(guò)程的影響Fig.5 Effects on starting process by different cooling water temperature

2.3 比例項(xiàng)系數(shù) Kp對(duì)怠速轉(zhuǎn)速波動(dòng)的影響

試驗(yàn)過(guò)程中,天然氣噴射脈寬為 3.84ms、點(diǎn)火提前角為 30°CA、積分項(xiàng)系數(shù) Ki為 0.03、微分項(xiàng)系數(shù) Kd為 0.01、控制周期為發(fā)動(dòng)機(jī)的 2個(gè)工作循環(huán).通過(guò)在線改變比例項(xiàng)系數(shù) Kp的數(shù)值,從而得到不同的試驗(yàn)結(jié)果.試驗(yàn)結(jié)果如圖 6所示.當(dāng) Kp為 0.08時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)量維持在 ±20 r/min以內(nèi),發(fā)動(dòng)機(jī)工作非常平穩(wěn),如圖 6(f)所示.而當(dāng) Kp分別設(shè)為 0.09、0.10、0.13時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)工作也較平穩(wěn),如圖 6(e)、(d)、(c)所示.而當(dāng) Kp分別設(shè)為 0.20、0.26時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)量相對(duì)較大,工作不穩(wěn)定,如圖 6(b)、(a)所示;而當(dāng) Kp設(shè)為0.02時(shí),轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過(guò)程較慢,如圖 6(g)所示.由此可以得知,增大比例項(xiàng)系數(shù) Kp,能加快系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度,獲得較好的響應(yīng)性,但同時(shí)降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性.

2.4 積分項(xiàng)系數(shù) Ki對(duì)怠速轉(zhuǎn)速波動(dòng)的影響

試驗(yàn)過(guò)程中,天然氣噴射脈寬為 4.48ms、點(diǎn)火提前角為 30°CA、比例項(xiàng)系數(shù) Kp為 0.09、微分項(xiàng)系數(shù) Kd為 0.01、控制周期為發(fā)動(dòng)機(jī)的2個(gè)工作循環(huán).通過(guò)在線改變積分項(xiàng)系數(shù) Ki的數(shù)值,從而得到不同的試驗(yàn)結(jié)果,試驗(yàn)結(jié)果如圖 7所示.當(dāng)積分項(xiàng)系數(shù) Ki為 0.04時(shí),控制系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性能達(dá)到試驗(yàn)的要求,發(fā)動(dòng)機(jī)工作最為平穩(wěn),如圖 7(c)所示.而當(dāng)積分項(xiàng)系數(shù) Ki分別設(shè)為 0.10和 0.12時(shí),連續(xù)采集到的轉(zhuǎn)速的波動(dòng)量較大,發(fā)動(dòng)機(jī)工作很不穩(wěn)定,轉(zhuǎn)速波動(dòng)非常明顯,如圖 7(b)、(a)所示;而當(dāng)積分項(xiàng)系數(shù)設(shè)為 0和0.01時(shí),系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度較慢,如圖 7(e)、(d)所示,尤其是在無(wú)積分項(xiàng)控制時(shí),系統(tǒng)的緩慢調(diào)節(jié)較為明顯.究其原因是隨著積分項(xiàng)系數(shù) Ki的數(shù)值不斷增大,積分作用逐漸增強(qiáng),控制系統(tǒng)的響應(yīng)特性逐漸加快,然而系統(tǒng)的響應(yīng)偏差量也逐漸增大.試驗(yàn)結(jié)果表明,積分項(xiàng)系數(shù) Ki必須要與比例項(xiàng)系數(shù) Kp等參數(shù)相互匹配,才能使控制過(guò)程達(dá)到較為理想的效果.

3 結(jié)論

1)自主開(kāi)發(fā)的車用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)多片式 ECU,經(jīng)過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)標(biāo)定、調(diào)試后,能達(dá)到預(yù)期的控制效果,并可實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)及怠速過(guò)程的控制要求,使其運(yùn)行平穩(wěn).

2)自主開(kāi)發(fā)的轉(zhuǎn)速采集系統(tǒng)實(shí)用可行,能連續(xù)采集發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速,并保存數(shù)據(jù).

圖6 Kp對(duì)怠速轉(zhuǎn)速波動(dòng)的影響Fig.6 Effects on id le speed fluctuation by different Kp

圖7 Ki對(duì)怠速轉(zhuǎn)速波動(dòng)的影響Fig.7 Effects on id le speed fluctuation by different Ki

3)在起動(dòng)轉(zhuǎn)速較低時(shí),應(yīng)采用較濃的混合氣;隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的不斷升高,應(yīng)逐漸降低混合氣的濃度,但過(guò)量空氣系數(shù)依然小于 1,同時(shí)增大點(diǎn)火提前角,以利于發(fā)動(dòng)機(jī)快速暖機(jī).

4)冷卻水溫度的提高有利于發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程.

5)應(yīng)用增量式 PID控制算法對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速進(jìn)行閉環(huán)控制是有效可行的,而且控制效果較好.

6)PID控制參數(shù)對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速波動(dòng)有較大的影響,而且由于發(fā)動(dòng)機(jī)的差異,具體的數(shù)值應(yīng)通過(guò)大量試驗(yàn)獲得.

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