（动力机械及工程专业论文）双燃料发动机电控喷醇系统和标定软件开发.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 我国煤炭资源丰富，大力发展用低品位煤制造甲醇燃料是满足我国日益增长 的车用燃料消费的主要途径。甲醇作为发动机代用燃料具有以下优点t 辛烷值高， 可提高甲醇发动机的压缩比；汽化潜热值大，可以降低缸内爆发时的最高温度， 抑制n o x 化合物和碳烟生成；甲醇属于含氧燃料，含氧量占5 0 ，燃烧速度快， 有利于降低排烟。本课题在江苏省高校自然科学研究项目“甲醇发动机燃烧和排 放控制中若干基础问题的研究”的资助下，主要进行甲醇柴油双燃料发动机电控 喷醇系统及标定软件的开发，主要工作如下： ( 1 )对常柴4 8 2 6 涡轮增压柴油机进行改造，保持原机机械式柴油供给系 统不变，设计了甲醇燃料的共轨电控喷射系统。基于a u t o b a s e 电控单元快速 开发平台开发了系统控制单元。 ( 2 )针对双燃料发动机不同的运行工况，设计了不同的甲醇喷射控制策 略。基于c o d e w a r r i o ri d e 开发了甲醇电控系统的e c u 应用程序。 ( 3 )选择基于k 线的k w p 2 0 0 0 协议作为通讯协议，以l a b v i e w 2 0 1 0 为 软件开发平台，开发了甲醇电控单元标定软件。 ( 4 )在保证双燃料发动机动力性能不下降的前提下，以甲醇对柴油的替 代率和替换比为控制目标，进行甲醇喷射控制m a p 的台架标定试验。 ( 5 )进行双燃料发动机的台架试验，通过与原机对比，分析其经济性能 和排放性能的改善情况。 台架试验表明，在柴油机高速时，可以在较宽广的负荷范围内掺烧甲醇，能 获得较好的燃油经济性；在低速时，尽量在中高负荷喷射甲醇才能获得较好的燃 油经济性；双燃料发动机的n o x 和碳烟排放明显下降；h c 和c o 排放比原机略 有上升，但随着转速的升高，h c 和c o 排放迅速下降。 关键词：双燃料发动机甲醇电控燃料喷射系统标定 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t o u rc o u n t r yi sr i c hi nc o a lr e s o u r c e ，t h em a i nw a yt os o l v et h ei n c r e a s i n gv e h i c l e f u e lc o n s u m p t i o np r o b l e mi sv i g o r o u s l yd e v e l o pc o a l - b a s e dm e t h a n o lf u e l a sa n a l t e r n a t i v eo fe n g i n e ，m e t h a n o lh a st h ef o l l o w i n ga d v a n t a g e s ：h i 曲o c t a n e r a t i n g m a k e ss u r et h em e t h a n o le n g i n ec a l li m p r o v ei t sc o m p r e s s i o nr a t i o ；h i g h - l a t e n th e a to f v a p o r i z a t i o nv a l u ec a l ll o w e rt h eo u t b r e a kt e m p e r a t u r eo fc y l i n d e r , i n h i b i tt h en o x c o m p o u n d sa n ds o o tg e n e r a t i o n ；m e t h a n o li so x y g e n a t e df u e l ，t h el e v e lo fo x y g e ni s u pt 05 0p e r c e n t ，w h i c hm a k e sm e t h a n o l sb u r n i n gs p e e dm o r ef a s tt h a nd i e s e l ，a n d h e l p sr e d u c et h es o o te m i s s i o n t h es u b j e c t ，f u n d e db yt h eu n i v e r s i t yn a t u r a ls c i e n c e r e s e a r c hp r o j e c to fj i a n g s up r o v i n c e ，r e s e a r c ho ns e v e r a lb a s i ci s s u e so f m e t h a n o l e n g i n ec o m b u s t i o n a n de m i s s i o n c o n t r o l ”，m a i n l yc a r r i e d o u tt h e d e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i cc o n t r o lm e t h a n o li n j e c t i o ns y s t e ma n dc a l i b r a t i o ns o f t w a r e o fd u a lf u e le n g i n e t h em a j o ra c h i e v e m e n t so ft h i sr e s e a r c hc o u l db es u m m a r i z e da s f o l l o w s ： ( 1 )am o d i f i c a t i o nh a sb e e nm a d eo na4 8 2 6t u r b o c h a r g e dd i e s e le n g i n e w h i c hp r o d u c e db yc h a n g c h a ic o ，l t d m a i n t a i n e dt h eo r i g i n a lm e c h a n i c a ld i e s e l s u p p l ys y s t e mu n c h a n g e d ，d e s i g na m e t h a n o lf u e lc o m m o nr a i li n j e c t i o ns y s t e m t h e s y s t e mc o n t r o lu n i tw a sd e v e l o p e db a s e do na u t o b a s er a p i dd e v e l o p m e n tp l a t f o r m o f e c u ( 2 )f o rd i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n so fd u a lf u e le n g i n e ，t h ec o n t r o l s t r a t e g i e so fm e t h a n o li n j e c t i o nw e r ed e s i g n e di n d e p e n d e n t l y t h ee c ua p p l i c a t i o n p r o g r a mw a sd e v e l o p e db a s e do nc o d e w a r r i o ri d e ( 3 ) t h ek w p 2 0 0 0b a s e do nkl i n ew a ss e l e c t e da sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ， ac a l i b r a t i o ns o f t w a r ef o re l e c t r o n i cc o n t r o l l e dm e t h a n o li n j e c t i o ns y s t e mw a s d e v e l o p e db a s e do nl a b v i e w 2 0 1 0s o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m ( 4 )u n d e rt h ep r e m i s eo fd y n a m i cp e r f o r m a n c eo fd u a l - f u e le n g i n en o t d e c l i n e ，c a l i b r a t i o no fm a pd a t af o rm e t h a n o li n j e c t i o nc o n t r o lh a sb e e nu n d e r t a k e n o nt h ee n g i n eb e n c h ，w i t hm e t h a n o lf o rd i e s e lr e p l a c e m e n tr a t ea n dr e p l a c e m e n tr a t i o a st h ec o n t r o lo b j e c t i v e s ( 5 ) b e n c ht e s t sh a v eb e e nd o n et oa n a l y z et h ee c o n o m i cp e r f o r m a n c ea n d e m i s s i o n sp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t sb yc o m p a r e dw i t ht h eo r i g i n a lm a c h i n e a c c o r d i n gt ob e n c ht e s tr e s u l t ，i nh i g hs p e e d ，m e t h a n o lc a l lb em i x e db u r n i n gi n i 双燃料发动机电控喷醇系统和标定软件开发 aw i d er a n g eo fl o a dw i t hg o o df u e le c o n o m y ；i nl o ws p e e d ，m e t h a n o li n j e c t e di n m e d i u ma n dl o wl o a dc o n d i t i o n sc a na c h i e v e g o o d f u e l e c o n o m y ；t h e n o xc o m p o u n d sa n ds o o te m i s s i o n so fd u a lf u e le n g i n ed e c l i n e ds i g n i f i c a n t l y ，w h i l e t h eh ca n dc oe m i s s i o n si n c r e a s e ds l i g h t l yc o m p a r e dt ot h eo r i g i n a lm a c h i n e b u t w i t ht h ei n c r e a s eo fs p e e d ，t h eh ca n dc oe m i s s i o n sd e c r e a s e dr a p i d l y k e yw o r d s ：d u a lf u e le n g i n e m e t h a n o le l e c t r o n i cc o n t r o lf u e li n j e c t i o ns y s t e m c a l i b r a t i o n 江苏大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 当今汽车的动力用燃料主要是石油系燃料，而石油属不可再生资源。根据国 际能源机构的统计数据，2 0 0 2 年全球5 7 的石油燃料消费在交通领域，预计到 2 0 2 0 年交通用油将占全球石油总消耗量的6 2 以上。美国能源部预测，2 0 2 0 年 以后，全球石油总需求与常规石油供给之间将出现净缺口，到2 0 5 0 年石油供需 缺口将相当于2 0 0 0 年世界石油总产量的两倍【。随着汽车保有量的不断增长， 传统燃油汽车所引起的能源与环境问题日益严重，汽车节能和排放已成为国际社 会广泛关注的热点和难点问题。 我国汽车工业正以跨越式的速度向前发展，汽车产量和保有量也迅速增长。 据中国汽车工业协会统计，2 0 1 1 年我国汽车市场增长迅猛，产销量月月超过1 2 0 万辆，平均每月产销突破1 5 0 万辆，全年汽车销售超过1 8 5 0 万辆，再次刷新全 球历史纪录。2 0 1 1 年我国累计生产汽车1 8 4 1 8 9 万辆，与2 0 1 0 年相比增长o 8 。汽车保有量从2 0 1 0 年的8 5 0 0 万辆增加至1 0 4 亿辆。尽管如此，我国目前 的人均汽车保有量还很低，是世界上汽车市场潜力最大的国家，预计2 0 2 0 年汽 车保有量将超过2 亿辆。到时，机动车每年的燃油消耗将会达到2 5 6 亿吨，为 当年全国石油总需求的5 7 。我国从1 9 9 3 年开始就已从原油输出国变成原油净 进口国，而且对石油进口的依赖度逐年提高，已达到5 0 左右。根据中国社会科 学院公布的2 0 0 9 年能源蓝皮书预测，到2 0 2 0 年，我国的石油对外依存度将 由目前的5 0 左右上升至6 4 5 ，在已经超过能源安全线的情况下还要进一步增 加【2 ，3 ，4 ，5 1 。由于国内国民经济及汽车工业的快速发展而引发的能源紧缺问题已越 来越不容忽视。 另一方面，随着汽车保有量的不断增加，汽车排放对生态环境和人类健康所 造成的影响也越来越受到世界各国政府和人民的关注。汽车向大气排出的尾气中 含有许多危害人类健康的有害成分，包括氮氧化物( n o x ) 、一氧化碳( c o ) 、 未然的碳氢化合物( h c ) 和微粒( p m ) 。这些有害成分对人们的身体健康造成 极大的危害，也造成日益严重的环境污染。在世界一些大城市，汽车所造成的污 染已经达到令人无法容忍的程度。目前城市有害气体的排放中，有6 0 来自于汽 双燃料发动机电控喷醇系统和标定软件开发 车尾气。据相关统计数据显示，在美国汽车排出的n o x 占大气污染的4 3 ，c o 占大气污染的6 6 【6 l o 我国环境保护总局统计，在北京市汽车尾气对城市空气污 染，n o x 占3 7 、h c 占7 4 、c o 占6 3 。在上海这些数据分别达到5 6 、9 6 、 8 6 7 1 。 为保护环境资源，实现人类可持续发展，世界各国均制定了日趋严格的排放 法规来限制汽车的污染物排放量，并以政策导向鼓励汽车工业积极发展使用节能 绿色燃料。表1 - 1 是我国环境保护总局颁布的车用压燃式发动机排气污染物排放 限值 8 】，从表中可以看出我国的排放法规也在日益收严。 表1 - 1 压燃式发动机排放限值 t a b 1 - 1c o m p r e s s i o ni g n i t i o ne n g i n ee m i s s i o n sl i m i t i n gv a l u e 为满足日益严格的汽车排放法规的要求并减轻对石油基燃料的依赖程度，各 大汽车生产厂商除了努力提升传统汽车的性能以外，还在积极开发各种替代燃料 汽车。众多汽车研发机构和政府相关部门也正在共同努力寻找和推广清洁汽车燃 料和可替代汽车能源。 我国是一个富煤、少气、贫油的国家，以煤为主的能源战略已成为国家可持 续发展战略的重要组成部分。我国已探明的煤炭储量为7 3 0 0 亿吨，其中可开采 储量为1 0 1 0 亿吨，占世界可开采储量的1 5 以上。在未来1 0 0 年内，煤仍是我 国的主要能源。煤是甲醇和二甲醚( 称为煤基燃料) 的主要制造原料，利用煤制 造汽车用燃料，是世界一些富煤少油国家的重要课题。从科学发展观出发，走煤 基甲醇体系能源化工的发展路线是当代我国化学工业发展的方向【9 ，埘。以此技术 路线为基础，发展醇醚清洁燃料作为汽车代用燃料，是解决我国日益增长的车用 燃料消费最现实有效的途径。 江苏大学硕士学位论文 1 2 甲醇燃料的特点和优势 目前应用较为广泛的醇醚类燃料主要包括二甲醚、燃料乙醇和燃料甲醇。这 些燃料的理化特性不同，在内燃机上的应用也各有优缺点，表1 2 是三种燃料的 理化特性与汽油和柴油对比。 ： 表1 - 2 甲醇、乙醇和二甲醚燃料的理化特性【1 1 ，1 2 】 t a b 1 - 2p h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so fm e t h a n o l ，e t h a n o la n dd i m e t h y le t h e r 二甲醚是一种含氧燃料，无毒性，常温常压下为气态，具有与液化石油气相 似的物性。二甲醚无c c 链，十六烷值大于5 5 ，具有优良的压燃性，非常适合 作为柴油机的代用燃料【1 3 , 1 4 。 国内外研究表明，在对原柴油机的燃油系统进行必要改造后，燃用二甲醚燃 料，可以在保持原柴油机高热效率前提下，大幅度降低氮氧化物排放，并且可以 实现碳烟零排放，发动机燃烧噪声也可以降低1 0 d b ( a ) 左右。这表明二甲醚 是十分理想的清洁代用燃料，有实现柴油机高效率、低噪声、超低排放的前景。 由于二甲醚的超低排放特性，二甲醚燃料汽车技术已引起国内外专家的高度重 3 双燃料发动机电控喷醇系统和标定软件开发 视，很多国家都开始研制开发燃用二甲醚燃料的柴油机和汽车【1 5 , 1 6 , 1 7 。目前二甲 醚燃料发动机的应用尚处在研究阶段，它的黏度低，机件磨损、腐蚀问题难于解 决，喷射时液化吸热多，使喷嘴周围温度骤降，它的生产成本高且来源有限，不 可能成为主要的汽车代用燃料。 甲醇和乙醇同属醇类燃料，都具有汽化潜热大、辛烷值高、热值低等特点。 醇类燃料属于含氧燃料，燃烧时可以提高空燃比，h c 和c o 的排放较燃用汽油 和柴油低，而且几乎没有碳烟排放。另外，由于汽化潜热大，可降低进气温度， ， 提高发动机充气效率，降低最高燃烧温度，减少n o x 排放 1 8 1 。 乙醇是最早开发的汽车代用燃料，目前制造乙醇的主要原料是玉米、甘蔗等 作物。乙醇燃料主要用于点燃式发动机，除了作汽油的替代补充，还可以作汽油 的含氧化合物，使燃烧速度加快，提高燃烧效率，降低汽车h c 、c o 等有害气 体排放。实践证明，当乙醇汽油中乙醇比例低于1 0 时，对汽车的影响很小，不 用对发动机进行改造即可直接应用。高比例乙醇汽油( 如e 8 5 乙醇汽油) 应用于 汽车，需要对汽车上相关部件作特殊处理，如换用耐腐蚀的金属和橡塑材料或者 进行表面处理等。乙醇的缺点是目前燃料乙醇主要由粮食制取，以它作为汽车代 用燃料的大量推广，可能会因为粮食的大量消耗而引发更多的社会问题。如何处 理好这两者的关系，是乙醇作为未来燃料的关键【1 9 捌。 甲醇又称木醇或木精，是最简单的一元醇，常温下为无色液体，轻质，比重 与汽油相当；沸点低，汽化速度快，容易与空气形成混合气；蒸气压低，冷起动 性能差，夏天使用容易产生气阻；汽化潜热高，是汽油的3 7 倍，汽化时大量吸 热，从而使混合气温度降低，有利于提高发动机充量系数，但是不利于柴油或汽 油在低温下的蒸发，造成发动机冷起动困难和暖机时间变长；亲水性很强，能与 水无限互溶，不利于与汽油、柴油的互溶，与汽油或柴油混合使用时要添加互溶 剂【2 1 1 。 甲醇的毒性和安全性一直是其作为代用燃料推广时人们最大的疑虑。国内外 研究机构的大量结论证实，甲醇与汽油柴油一样都属于中等毒性，在大气环境中 甲醇的生物降解过程比汽油、柴油快的多。甲醇作为车用燃料并没有累积性的健 康危险。在火灾隐患方面，甲醇的很多物理特性使它比汽油更加安全【2 2 ，2 3 2 4 2 5 】。 甲醇作为柴油机代用燃料的优点主要体现在两方面【捌： 1 ) 制取原料来源丰富。国内主要以煤炭为原料生产甲醇，制取工艺已经非 4 江苏大学硕士学位论文 常成熟。此外，甲醇还可以由生物制取，农、林业废弃物，甚至是造成目前湖泊 生态环境恶化的速生藻类也是其生产原料。 2 ) 排放洁净。甲醇沸点比柴油低，汽化速度快，容易形成比较均匀的混合 气，有利于完全燃烧；另外，由于甲醇含氧量占5 0 ，其着火极限比柴油宽， 所以燃烧速度快，单独燃烧时几乎没有碳烟排放，与柴油混合燃烧时有利于降低 排烟。除此之外，甲醇汽化潜热较大，在形成混合气时会降低进气温度，提高充 量系数，降低最高燃烧温度，一定程度上可以改善发动机的燃烧，提高热效率， 抑制n o x 生成。 1 3 甲醇燃料国内外研究现状 1 3 1 国外推广甲醇燃料情况 上个世纪7 0 年代初，由于政治原因出现了石油危机，许多国家为了能源安 全和平衡外汇，开始积极寻找石油的替代能源。在这种力量的推动下，甲醇燃料 作为液体燃料，储运、分配、携带和使用都和传统的汽油柴油相似，而且生产原 料来源丰富，因此受到国际社会广泛重视。 德国、美国、日本等国都投入了大量的人力、物力进行甲醇燃料和甲醇汽车 配套技术的研发。上世纪7 0 8 0 年代，德国就曾推出了甲醇汽车，德国大众汽车 公司还在中国推出了m 1 0 0 甲醇汽车示范车。美国福特公司开发了一种灵活燃料 汽车( f f v ) ，这种车能燃用以任意比例混合的甲醇与汽油，燃料成分由燃料传 感器识别，通过电子控制单元提供发动机的最佳运行参数。这种车不用受加油站 限制，可以灵活的选择添加燃料。目前h 汽车在美国已经能大规模生产 2 7 , 2 s , 2 9 。 日本对甲醇燃料的研究始于二十世纪8 0 年代后期，9 0 年代初期已有3 0 0 多辆甲 醇燃料汽车投入运行，他们将高比例的甲醇燃料用于轻型货车( 由柴油机改造) 。 日本在中长期能源政策中已把甲醇燃料的开发与应用放在相当重要的位置【刈。 1 3 2 国内甲醇的推广和研究现状 我国从上世纪7 0 年代就开始比较系统地研究甲醇燃料。早在“六五 期间， 国家科委就进行了汽油掺烧m 1 5 甲醇的研究和示范工作，曾经在山西省进行过 4 个甲醇加油站和4 7 5 辆m 1 5 甲醇燃料汽车的商品化试验。“七五 期间，国家 科委组织了十几家研究机构进行高比例甲醇的试验研究。同时国家还与国外几大 s 双燃料发动机电控喷醇系统和标定软件开发 汽车制造商进行长期合作。德国大众汽车公司是最早向我国介绍甲醇燃料发动机 技术的外国汽车公司，与我国进行了长达7 年的m 1 0 0 甲醇汽车技术合作研究。 我国还与美国福特汽车公司进行了灵活燃料汽车( 可使用纯汽油或以任意比例混 合的甲醇汽油混合燃料) 的合作研究，研究内容包括国产发动机的改造、与汽车 的匹配、混合燃料配方、甲醇腐蚀抑制剂、耐醇材料、专用机油、尾气催化净化、 对环境和人体健康的影响等p 1 1 。 2 0 世纪8 0 年代初，很多科研院所在甲醇的应用研究方面做了大量工作，尤 其是针对甲醇汽油掺烧进行了大量的台架试验和整车试验。中国科学院工程热物 理研究所和环境化学研究所对m 1 0 0 甲醇燃料在点燃式发动机进行了应用研究， 试验结果证明【3 2 ，3 3 】：由于甲醇的热值低，m 1 0 0 甲醇燃料的小时燃料消耗量比汽 高6 0 ；燃用甲醇后发动机的可靠性与汽油机相比并没有下降；在常规排放方 面，甲醇燃料的h c 、c o 和n o x 排放均优于汽油，在模拟道路试验中c o 降低 了8 0 ，h c 降低了6 5 ，n o x 降低了7 0 ；在非常规排放方面，未燃甲醇和 甲醛排放量增加，但绝对值都不大，在大气中的反应性很弱，污染较小，通过催 化净化器处理后，都可以降低到汽油燃料水平。 天津大学对甲醇燃料在柴油机上的应用进行了大量的研究工作。学者程传辉 在增压和自然吸气式高速直喷柴油机上采用柴油甲醇组合燃烧方式进行研究。 实验结果表明f 3 4 1 ，采用组合燃烧后，在低负荷时发动机的热效率随着掺醇量的增 加而降低，但是在中高负荷下热效率明显提高；掺烧甲醇使c o 、h c 和甲醛的 排放增加，但n o x 和碳烟排放明显降低；加装氧化催化转化器后进行掺烧甲醇 的十三工况测试，结果显示h c 和c o 得到了极大的降低，和原机相比下降幅度 分别达4 7 和7 0 ，微粒经氧化后比原机也有所下降。 学者黄钰设计了柴油甲醇组合燃烧发动机的控制策略。根据组合燃烧发动 机的特点，将发动机运行工况分为6 类，针对每类工况提出不同的控制策略。 采用c 语言和汇编语言的混合编程方法编写完成组合燃烧控制软件；以 m c 9 s 1 2 d p 2 5 6 芯片为基础开发了组合燃烧发动机电子控制单元；提出了以甲醇 对柴油的替代率和替换比为控制目标， 4 9 0 q d i 发动机台架上进行了标定工作， 以排放作为约束条件的标定方法，在 采用神经网络算法对m a p 数据进行了 优化。试验结果表明【3 5 1 ，在小负荷时甲醇对柴油的替代率不宜过高，在中等负荷 采用3 0 4 0 的替代率，在大负荷时采用4 0 - 5 0 替代率能取得较好的燃油 6 江苏大学硕士学位论文 经济性和排放性能；通过加装氧化催化转化器能够大幅度的降低c o 和h c 的 排放量；采用甲醇顺序喷射控制方式，发动机的燃油经济性及c o 和h c 排放都 略优于采用甲醇连续喷射控制方式，但是n o x 排放略高于后者。 1 4 课题来源和主要研究内容 压燃式发动机( 柴油机) 的燃油经济性平均好于点燃式发动机( 汽油机) 的 燃油经济性2 5 左右，如果把甲醇在压燃式发动机上使用，会比在点燃式发动机 上使用节省2 5 的能源。在我国汽车替代能源使用量逐年增加的新形势下，节省 2 5 的替代液体燃料具有相当可观的经济和环境效益。甲醇本身属于含氧燃料， 汽化潜热比柴油大的多。在柴油机上掺烧甲醇对碳烟和n o x 排放有较好的抑制 作用。因此，研究柴油发动机燃用甲醇燃料，对于削弱内燃机对石油的依赖和减 轻交通对环境的污染有重要意义。 完整的设计甲醇柴油双燃料发动机需要投入较多的人力和物力，双燃料发 动机的生产和推广应用也需要耗费大量的资金和时间，不利于甲醇燃料的迅速推 广。而对传统的柴油机进行改造，加装独立的甲醇喷射系统则不需要耗费太多的 时间和经费。甲醇燃料的理化性质在很多方面与汽油相似，设计甲醇喷射系统可 以借鉴成熟的汽油机燃油喷射系统，技术难度小很多。因此，对现有柴油机进行 改造，使之成为可以同时燃用柴油和甲醇的双燃料发动机是推广车用替代能源最 经济、最便捷的方案。 本课题选择一款4 8 2 6 涡轮增压柴油机作为原型机，在对原机进行改造之后 加装了自行设计的甲醇电控喷射系统，并基于一款通用e c u 开发平台设计了喷 醇系统电控单元。电控单元可以灵活控制发动机的燃料模式，既可以使用纯柴油 模式，也可以精确控制甲醇喷射，通过柴油引燃甲醇，即以双燃料模式运行。为 了完成电控单元的台架标定试验，本文还基于l a b v i e w 图形化开发平台开发了 专门的e c u 标定软件。通用e c u 开发平台和图形化的标定软件开发平台都提供 了丰富的底层功能函数模块，开放式的开发环境和模块化的设计理念使甲醇电控 喷射系统的功能扩展和完善变得简单。本课题的研究为甲醇燃料在传统柴油机上 的应用提供了一种简单可行的方案，为甲醇喷射电子控制、甲醇柴油双燃料模 式的经济性和排放性能研究提供理论指导和技术数据，也为甲醇柴油双燃料发 动机的进一步完善和优化打下基础。 7 双燃料发动机电控喷醇系统和标定软件开发 课题来源于江苏省高校自然科学研究项目“甲醇发动机燃烧和排放控制中若 干基础问题的研究”( 项目号：0 8 k j a 4 7 0 0 1 ) ，研究工作具体分为以下几部分： ( 1 )设计甲醇共轨电控喷射系统，在柴油机上安装曲轴传感器、凸轮轴 传感器、水温传感器、进气压力传感器、水温传感器和油门位置传感器。在进气 歧管焊接电控喷醇嘴的安装凸台和共轨管的安装套筒，选择电控汽油嘴e v 6 e 做 为甲醇喷嘴，采用不锈钢定制了甲醇共轨管，完成4 8 2 6 柴油发动机的改造； ( 2 )根据双燃料发动机的工作特性，设计甲醇喷射系统的控制策略。选 择a u t o b a s e 电控单元快速开发平台做为喷醇系统电控单元，并基于 c o d e w a r r i o ri d e 软件开发了电控单元控制程序； ( 3 )在l a b e w 2 0 1 0 图形化开发平台上设计了甲醇喷射系统e c u 标定 ： 软件，通讯协议采用基于k 线的k w p 2 0 0 0 协议，使标定软件具有良好的通用性 和扩展性； ( 4 )进行4 8 2 6 双燃料发动机的喷醇m a p 的台架标定试验，对双燃料发 动机在纯柴油模式下和甲醇柴油双燃料模式下的经济性能和排放性能进行测 试，对比分析了双燃料发动机的优缺点。 8 江苏大学硕士学位论文 第二章双燃料发动机电控喷射系统设计 2 1 甲醇掺烧方案选型 甲醇在内燃机中的燃用，分为部分燃用、全部燃用和改质( 气体) 后燃用等 方法，部分燃用和全部燃用又有不同的着火方式和供醇方式【3 6 朋。醇类在内燃机 中的燃用，在目前和今后相当长的时期内仍是以柴油机或汽油机掺烧甲醇为主要 形式。目前国内外在柴油机上掺烧甲醇的方式主要有以下几种： ( 1 )乳化法 乳化法是指将柴油与甲醇按照一定比例均匀混合，混合好的燃料经喷油泵、 喷嘴进入柴油机进行燃烧。采用这种方式掺烧甲醇不需要对原柴油机进行任何改 动。乳化法的缺点在于乳化剂的价格较高和混合燃料容易分离；甲醇的掺混率高 时滞燃期延长，造成发动机冷起动困难，工作粗暴；发动机工作在冷起动、暖车 及小负荷区时，h c 及醛类排放浓度增加；若往混合燃料中加入助溶剂、十六烷 值改进剂等物质，因这类物质多是硝基化合物，对发动机的n o x 和碳烟排放又 非常不利【勰1 。 ( 2 )助燃法 由于甲醇正十六烷值比较低，不容易着火，所以需要采用某些措施来辅助 甲醇燃料着火。目前主要的方法是电火花助燃法，这种方法是在缸内直接喷射甲 醇燃料，甲醇在气缸内挥发形成不均匀混合气，再通过电火花塞点燃可燃混合气， 以火焰传播方式燃烧【3 9 】。此种方法可以燃用1 0 0 q 了醇，但发动机气缸盖上不仅 要安装喷嘴，还要预留出火花塞的位置，结构复杂，加工难度大；火花塞受醇的 激冷作用影响，寿命短，可靠性差；低负荷会出现失火现象，c o 、h c 排放差。 t ( 3 ) 直接压燃法 通过适当提高压缩比，增加正十六烷值添加剂、进气加热等措施，可以直接 压燃甲醇燃料。如在甲醇中添加适量的硝酸已酯、硝酸戊酯、硝酸乙酯和硝酸环 已酯等，可以使甲醇的正十六烷值提高到4 5 以上。这种方法的优点是对柴油机 的改动不大，只要将供油系统改用较大的尺寸，以便单位时间内能供给更多的燃 料；但是实验表明，要使甲醇的正十六烷值提高到4 0 ，须加入1 6 5 的硝酸环 已酯，而添加剂含量超过1 0 。1 5 ，会导致燃料成本超过柴油成本的1 0 1 5 闱， 9 双燃料发动机电控喷醇系统和标定软件开发 由于得不偿失而难以得到推广应用。 ( 4 )柴油引燃法 这种方法是将甲醇通过进气系统或专门的甲醇供给系统输入气缸，在缸内形 成部分预混合可燃气体。然后再通过喷油器喷入柴油引燃混合气。柴油引燃法根 据甲醇进入气缸的方式不同可以分为化醇器法、缸内双喷射法和进气道喷设法。 化醇器法保持原柴油机供油系统不变，只在进气道加装一个化醇器( 类似 化油器) 。化醇器在进气时有减压、促进甲醇蒸发的功能，使甲醇在进气管内吸 ， 热汽化，与新鲜空气形成均匀混合后进入气缸。此时柴油机仍然喷柴油、压缩着 火、燃烧，只是喷油量随着掺醇量的增加而减少。这种方法掺醇率较高，从以柴 油为主直至以甲醇为主，柴油只作为引燃燃料。化醇器法对原发动机的改造简单， 但发动机的低负荷时起动性、经济性和排放都较差；进气节流损失大；高负荷时 醇燃料喷入过多，会使滞燃期太长，发动机工作粗暴，天气太冷还会使化醇器喉 口处结冰 4 1 , 4 2 1 。 缸内双喷射法需要在原柴油机供油系统的基础上，加装甲醇的喷射系统， 而且甲醇喷嘴需要在气缸盖上打孔安装。此种方法的优点是可以使用含水的甲 醇，这样的醇类价格便宜。缺点是改动气缸盖较为复杂，成本高，同时不能使甲 醇吸取进气管、进气道和进气门处的热量而使醇“充能 ，因而无法提高充量系 数【4 2 】。 进气道喷射法需在进气管加装喷醇嘴，将醇类按时喷入进气管，从而使雾 化了的甲醇在进气管内吸热蒸发，并与空气混合。这种方法避免的化醇器的节流 作用，而且由于甲醇汽化潜热高，在进气管内蒸发吸热降低了进气温度，增加了 进气密度，使得发动机的充量系数达到甚至超过一般柴油机的水平。甲醇混合气 进入气缸后进一步蒸发，使最高燃烧温度降低，发动机的n o x 排放较低。但是 小负荷时喷醇有可能会导致混合气分布不均，压缩上止点温度过低，燃烧恶化， h c 和醛类排放增加，因而需要根据发动机转速和负荷的变化合理的选择喷醇量。 综合考虑各种甲醇掺烧方案的优缺点并结合项目的实际需要，选择甲醇进气 道喷射法作为双燃料发动机的掺烧方案。采用常柴股份有限公司生产的4 8 2 6 ( z n 4 9 0 z q ) 涡轮增压式柴油机作为原型机，保持原发动机的机械式柴油供给 系统不变，设计了甲醇燃料的共轨电控喷射系统。 江苏大学硕士学位论文 2 2 甲醇共轨电控喷射系统设计 甲醇共轨电控喷射系统硬件部分包括传感器、电控单元、甲醇供给系统组件。 传感器主要包括曲轴位置传感器、凸轮轴相位传感器、水温传感器、油门位置传 感器和进气压力传感器。甲醇供给系统组件包括醇箱、甲醇滤清器、电动醇泵、 甲醇共轨管和甲醇喷嘴等。甲醇共轨电控喷射系统的结构如图2 1 所示。 12 34 1 空气滤清器，2 进气歧管，3 带限压阀的电动醇泵总成，4 醇箱，5 甲醇共轨管， 6 喷醇嘴，7 柴油机机体，8 曲轴传感器信号，9 凸轮轴传感器信号，1 0 冷却水温传感器 信号，1 1 油门位置传感器信号，1 2 进气压力传感器 图2 1 甲醇共轨电控喷射系统结构示意图 f i g 2 1s t r u c t u r ed i a g r a mo fe l e c t r o n i cc o n t r o lc o m m o nr a i lm e t h a n o li n j e c t i o ns y s t e m 甲醇共轨电控喷射系统的工作原理：从醇箱出来的甲醇经过电动醇泵加压， 使得醇燃料的压力升高到0 3 5 m p a , , 4 3 4 m p a ，进入醇共轨管。电动醇泵带有限压 阀，可以使共轨管保持一定的压力。最后，通过安装在发动机进气歧管上的多个 喷嘴将醇燃料以雾化的状态喷射到进气管中，并和进气管中的新鲜空气混合，形 成准均质混合气，然后燃料在发动机的进气冲程中进入发动机，最后由柴油点燃， 实现醇、柴油和空气三种物质的燃烧。下面详细介绍甲醇共轨电控喷射系统各个 硬件的主要功能和安装方式。 2 2 1 电控单元硬件 电控单元( e c u ) 是甲醇共轨电控喷射系统的核心，它利用内部存储的软件 ( 各种函数、算法程序、数据m a p ) 与硬件( 各种信号调理电路、a d 转换与 采集电路、功率输出电路、通讯模块) ，采集和处理各个传感器的信号，并以这 】 双燃料发动机电控喷醇系统和标定软件开发 些信号为基础，对双燃料发动机的运行状态进行判断，然后根据甲醇喷射系统的 控制策略选择合理的甲醇喷射量和喷醇提前角，并驱动电动醇泵和甲醇喷嘴来完 成甲醇的定时定量喷射。 随着电子技术的不断发展，以及对汽车经济性、环保性能的要求越来越高， 电控单元的功能也越来越强大，对控制芯片的要求也越来越高。本文电控单元选 用的是上海格令汽车电子有限公司开发的内燃机电控单元快速开发平台 a u t o b a s e ，采用的是目前汽车电控领域广泛应用的飞思卡尔3 2 位高性能单片 机m p c 5 6 4 为内核，其主要功能模块有【4 3 , 4 4 ： 1 1 主频的范围为4 0 5 6 m h z 的精简指令集c p u ； 2 ) 5 1 2 k bf i _ a s h + 3 2 k bs r a m ； 3 ) 6 4 b i t 浮点数单元( f p u ) ，支持高级语言c c + + 编程； 2 个独立工作的时间处理单元( t p u 3 ) ，每个t p u 3 含两个1 6 位的时基 ( t c r l 和t c r 2 ) 、1 6 个独立定时通道； 5 ) 一个2 2 路时间通道模块化输入输出系统( m i o s ) ； 6 ) 双队列模数转换模块( q a d c ) ，含3 2 路a d 转换通道； 7 ) 增强型队列串行多通道模块( q s m c m ) ； 8 ) 三个c a n 2 0 b 控制器模块( t o u c a n ) 。 m p c 5 6 4 微控制器不仅具有高速运算、实时输入和输出、高速a d 转换的能 力，还集成了很多专门为汽车电子量身定制的模块，如耶u 、c a n 等。这些集 成的功能模块使电控单元无需再外接过多的功能驱动芯片，有助于减少硬件布 线，降低成本，提高系统的可靠性。m p c 5 6 4 内部结构框图【4 5 】如图2 2 所示。 b d m 控制模块il 盖麓l 统 1 b b c 1 童 系 外部总线 1 控制模块r 诜线佧 统 r e a d i 界 面 r c p u 3 2 ( b r a m i 控制模块i 模 1 块 一 千 ll 总线一u 总线 一 l 总线7 l 连接控制模块 l 队列增强犁队列增强型队列串行外围引脚u 总线i m b 3 a d 模块a d 模块通信模块复用模块 总线控制模块 隅熹訇南隅簖南南肉茜f 图2 2m p c 5 6 4 结构框图 f i g 2 2s t r u c t u r ed i a g r 锄o fm p c 5 6 4 线 江苏大学硕士学位论文 a u t o b a s e 电控单元快速开发平台硬件部分还集成了丰富的外围电路，包 括常见的车用传感器信号调理、驱动电路和通信接口，其主要硬件资源有： 1 ) 1 2 v 净化电压输出，可提供2 a 电流； 劲5 v 电压输出，可提供1 0 0 毫安电流； 3 16 路0 3 5 a 低位开关驱动； 舢2 路8 0 v ，可支持高达5 0 a 峰值电流输出； 5 11 路电系电压高位开关p w m 控制，支持0 5 a 持续电流和5 0 a 峰值电流 输出； 国1 8 路低位开关，支持1 0 a 连续电流、5 0 a 峰值电流，提供8 路点火高压 线圈一次电流输出，具有短路和开路诊断功能，短路保护功能； 刀1 组两相步进电机驱动，单相最大1 a 的驱动能力，提供诊断功能； 鳓1 个r s 2 3 2 接口，3 个c a n 总线接口，1 个k 线接口，1 个b d m 接口； 9 ) 1 5 路开关量输入检测，可实现对有源和无源传感器的信号捕捉，均具有 预处理能力，可以实现信号的捕捉、定时和中断； 1 4 路整形输入，可触发中断，具有其他预处理能力，提供诊断功能 1 1 、1 6 路模拟信号输入，1 0 位转换精度； 1 2 ) 2 路氧传感器信号输入，提供诊断功能； 1 3 ) 1 路宽域氧传感器信号输入； 1 4 ) 1 路爆震传感器信号输入。 2 2 2 曲轴凸轮轴传感器 曲轴信号传感器的功能是给e c u 提供发动机转速信号，并且配合凸轮轴信 号对每缸压缩上止点进行判断。曲轴传感器为磁电传感器，结构简单，无须外加 电源，可靠性好。曲轴信号齿轮盘为6 0 2 齿，固定在飞轮上，传感器安装在飞 轮壳上，与齿轮盘垂直对应，安装距离为1 5 r a m 。当发动机运转时，曲轴信号传 感器输出的信号并不能为微处理器识别使用，必须通过处理电路的滤波和转换将 模拟信号转换成数字信号，再进入在微处理器中t p u ( 增强型定时计数器) 的 捕捉口。 凸轮轴传感器选用霍尔传感器，输出信号为方波，抗干扰性好，安装要求相 对较低。凸轮轴信号盘为一个金属圆盘，在其上加工一个缺口，固定在正时齿轮上， 传感器安装在发动机齿轮盖上，与信号盘旋转面垂直对应，安装距离为1 5 r a m ， 】3 双燃料发动机电控喷醇系统和标定软件开发 安装效果如图2 1 3 所示。凸轮轴信号传感器同样需要处理电路进行滤波、转换处理， 变成微处理器能够可靠识别的脉冲信号进入t p u 模块。 图2 3曲轴和凸轮轴传感器的安装 f i g 2 3c r a n k s h a f ts e n s o ra n dc a m s h a f ts e n s o rf i x e dt oe n g i n e 2 2 3 油门位置传感器 油门位置传感器的主要功能是给e c u 反馈驾驶员的驾驶意图，与转速传感 器和冷却水温传感器结合在一起能够准确判断出发动机所处的运行工况。油门位 置传感器与柴油机高压油泵的全程调速器操纵手柄同轴连接。当驾驶员踩下加速 踏板的时候，油门拉线带动操纵手柄旋转，油门位置传感器将该旋转量转化成 0 + 5 v 的电压输出，输出信号连续线性变化。油门位置传感器信号是电位器式 无源信号，用a u t o b a s e 电源模块提供稳定的+ 5 v 电压。a u t o b a s e 能对油 门位置传感器输出的模拟量信号进行处理和a d 转换。油门实际开度与传感器 信号的a d 转换值对应关系如图2 4 所示。 7 0 0 6 0 0 5 0 0 趔4 0 0 o 3 0 0 2 0 0 1 0 0 02 0加6 01 0 01 2 0 油门开度 图2 4 油门开度与传感器信号对应曲线 f i g 2 4t h ec o r r e s p o n d i