单一ECM两用燃料系统的开发和整车匹配研究

单一ECM两用燃料系统开发和整车匹配研究夏顺礼1，葛松2，张彦辉3，沙伟4，赵久志5安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽合肥230022摘要：文章介绍了一种汽油/CNG两用燃料控制系统，该系统将燃气控制模块集成到了原车ECM中。利用该系统可以将电控汽油喷射汽车设计开发成汽油/CNG两用燃料汽车。通过优化匹配，可使该车在燃用CNG时满足国家第三阶段排放法规的要求，整车动力性、经济性均满足国家标准。而且匹配该系统的汽车在燃用汽油时，仍保持原车的技术指标水平。关键词:两用燃料ECM；排放标准；动力性；经济性中图分类号：U467.11文献标识码：A文章编号：1003-5060(2009)增刊-0000-00DevelopmentofBi-FuelECMandmatchingstudyofvehiclesXIAShun-li1,GESong2,ZHANGYan-hui3,SHAWei4,ZHAOJiu-zhi5TheCenterofTechnologyofJianhuaiAutomobileCo.,Ltd.,,Heifei230022,China；Abstract：Thispaperintroducesthegasoline/CNGbi-fuelcontrolsystem,thesystemaddstheCNGcontrolmoduleintotheoriginalECM.Withthesystem,avehiclewithelectroniccontrollinggasolineinjection,canbemodifiedintoabi-fuelvehiclewithgasolineandCNG.Andbyoptimizing,WhenthevehicleusesCNGasfuel,itsemissionindexesreachthethirdphaseofemissionsnationalstandard,anditspowerandEconomicindexesbothmeetthenationalstandards.Andwhenthevehicleusesgasolineasfuel,itstillkeepstheoriginalleveloftechnicalindexes.Keywords:Bi-FuelECM；emissionstandard；power；economicindexes燃气汽车的控制系统是以汽油发动机和柴油发动机控制系统为基础，开发天然气系统。单一燃料系统和双燃料系统是以柴油发动机为基础开发，多用于商用车。两用燃料系统是以汽油发动机为基础开发，应用于公交车和乘用车辆。第一代两用燃料系统为单点喷射两用燃料系统，多用于化油器式发动机，不能满足目前法规和市场的要求。第二代两用燃料系统为多点喷射开环控制系统，已经被闭环控制所代替。目前广泛应用的Master-slave多点顺序喷射两用燃料系统为第三代两用燃料系统，已经具备了一定的闭环控制能力[1]～[2]。而本文介绍了笔者开发的具有自主知识产权的单一ECM多点顺序喷射两用燃料系统（以下简称单一ECM两用燃料系统）。应用该系统将某电喷式汽油车设计开发成汽油/CNG两用燃料汽车，并进行优化匹配，汽车在汽油和CNG2种状态下的排放指标都能达到国家第三阶段排放法规要求，并且燃气状态下的动力性、经济性和驾驶性也到了很高的水平。1单一ECM两用燃料系统单一ECM汽油/CNG两用燃料汽车系统由两用燃料ECM、储气瓶、减压调节器、高压电磁阀、燃气过滤器、喷嘴驱动器、燃气喷嘴等零部件组成。单一ECM两用燃料系统是一种完全集成的两用燃料系统，将Master-slave多点顺序喷射两用燃料系统中的燃气ECM的功能集成到了原汽油ECM中，将其设计成两用燃料ECM。避免由两个ECM分享信号而造成的干扰，提高了系统的安全性，可通过标定来优化两用燃料ECM的参数，得到更好的整车性能。两用燃料ECM具有自学习功能，无需重新匹配，即可适应燃气组分在一定范围内的波动。两用燃料ECM继承了原ECM的故障诊断功能，可实现汽油和CNG两用运行模式下的故障诊断。ECM通过接收各种传感器信号和工作请求信号，对发动机的工作状态进行分析计算，按照设定的数学模型，对发动机的供油、点火、供气等进行精确控制。当整车以汽油为燃料运行时，ECM完全执行燃油的控制策略，包括起动控制、点火提前角控制、基本的燃油喷射控制、水温修正、燃油闭环修正控制、过渡工况修正控制、高海拔补偿等，完全等同于单一汽油机的工作模式。本系统燃气的喷射脉宽和期望的喷射量由ECM通过读取汽油模块的各种信号来计算，并进行各种修正（燃气温度、压力、进气岐管压力、冷却液温度、瞬态响应和闭环控制修正等）。ECM中用于燃气状态下的控制软件，使用多种特殊算法来获得低排放、低燃气消耗和最佳驾驶性能。其中，CNG空燃比的非对称控制策略保证λ在0.98附近振荡，提高了催化器转化效率，从而获得最佳的排放性能。为保证燃气喷射量在不同温度和压力下的精确控制，ECM将引入密度补偿算法。为了适应不同的CNG组分，发动机和系统磨损，控制系统具备自适应控制策略。2整车动力性能和经济性能研究所匹配的某轿车的主要结构参数以及动力性、经济型、排放等性能参数见表1所列。表1某轿车的主要结构参数和性能参数项目内容指标发动机排气量2.0L压缩比10缸径×行程/mm85×88最大功率/（kW·r-1·min）95/6000最大扭矩/（N·m·r-1·min）172/3000动力性最高车速/(km·h-1)180直接挡最低稳定车速加速至100km/h28.5起步连续换档加速至100km/h20经济性直接档90km/h百公里油耗8.3L环保排放国三加速行驶车外噪声74dB为了对该系统的性能进行深入的研究，将这辆车在汽油运行模式下指标作为参照，对该车在燃气运行模式下的性能指标进行研究。CNG为气体燃料，在进入燃烧室之前与空气混合，降低了充气效率，降低了整车的动力性。目前市场上的两用燃料汽车，在燃气运行模式较燃油运行模式下的最大功率和扭矩降低25%以上。增加点火提前装置，可将功率和扭矩损失降低到20%以下，但该装置只能实现在原汽油点火提前角上增加一个固定的角度，点火提前角大小不能随着工况的变化而调整，降低了经济性和排放指标。而笔者开发的单一ECM两用燃料系统，是以燃油运行模式下的点火MAP为基础，通过各种传感器信号修正，得到燃气运行模式下点火MAP图，获得不同工况下的最佳点火提前角。燃气运行模式和燃油运行模式下的试验数据对比见表2所列。表2两用模式下试验所得数据对比运行模式燃气模式燃油模式动力性最高车速/（km·h-1）Ⅳ档152.77152.77Ⅴ档177.40190.88起步0～100加速时间/s21.9917.12直接档30～100加速时间/s38.6627.15Ⅰ档爬坡度/（%）31.2437.31燃油经济性Ⅳ等速燃料消耗量408.268.33608.478.92808.989.4710010.3510.97Ⅴ等速燃料消耗量407.387.30607.417.83807.798.321008.499.721209.8410.92多工况百公里燃料消耗量8.218.46注：燃料消耗量指燃油L/100km，燃气m3/100km由表2可知，燃气运行模式下的动力性要劣于燃油运行模式，但都可以满足日常行驶的需求。燃气运行模式下的燃气消耗量为8.21m3/100km，燃油运行模式下的燃油消耗量为8.46L/100km。目前市场上的CNG价格为2.86元/m3，汽油价格为6元/L，按此价格计算，使用燃气运行模式可以节省费用65%左右。3整车排放性能的试验研究整车在汽油运行模式和燃气运行模式下，按照文献[3]要求的测量方法进行测试，测试结果与国三排放法规对比见表3所列。表3整车NEDC工况排放测试结果对比（g·km-1）项目COHCNOx国III排放法规要求2.30.20.15汽油运行模式0.350.10.023燃气运行模式0.160.1010.020在试验过程中，曾得到非常低的NOX排放，但相对应的HC排放较高。为了降低HC排放指标，对ECM标定数据进行了调整，平衡HC和NOX的排放指标。从表3可知，燃气运行模式下的排放结果满足国家第三阶段排放法规的要求，其中CO排放约为汽油运行模式下的50%，NOX排放与汽油运行模式下相当，HC排放略高于汽油运行模式。CNG的主要成分CH4分子结构较汽油中的C3H8和C4H10稳定，不易被催化，因此燃气运行模式下的HC排放高于汽油运行模式。根据测试数据，对3种污染物的瞬时排放进行模态工况分析，结果图1所示。原车三元催化转化器的型式是双级式三元催化，前催化器中的贵金属含量较高，后催化器中的贵金属含量较少，这是由汽油车的排放情况以及成本决定的。但天然气汽车对三元催化转化器的要求与汽油汽车的要求不同。虽然现有的三元催化转化器可以使两用燃料汽车满足国家第三阶段排放法规的要求，但很难进一步降低排放。经过调查研究，如果增加三元催化转化器中的铂（Pt），并适当增加后催化器贵金属含量，则可以进一步降低排放，达到国家第四阶段排放法规的要求。错误!未指定书签。(a)HC排放(b)CO排放(c)NOX排放图1试验车辆排放模态图4整车噪声试验结果按照文献[4]中规定的测量方法进试验，结果表明，燃气运行模式下的加速行驶车外噪声为72.6dB，满足了国家的强制标准，与燃油运行模式相当。5结论（1）研发的单一ECM多点顺序喷射两用燃料系统具有很好的控制策略和控制精度，采用该系统设计开发成两用燃料汽车的动力性、经济性、排放指标和噪音指标，符合国家现阶段的标准要求。而且该系统具有完全集成的汽油运行模式和燃气运行模式故障诊断，不需要增加CNG诊断仪。（2）天然气的碳氢化合物(HC)排放中绝大部分是甲烷，甲烷分子结构稳定，难以在三元催化器中发生反应。可以通过增加三元催化转化器中的贵金属铂（Pt）来增加三元催化器对甲烷的催化能力，进一步降低燃气汽车的排放[5]。（3）对匹配的汽油/CNG两用燃料汽车进行驾驶性评价，评价结果表明，该车的驾驶性与原汽油车相当，汽油与CNG燃料切换，没有明显的冲击感，可以达到量产要求。[参考文献][1]黎苏，李四秦，黎晓鹰.燃气汽车闭环控制系统的开发及整车匹配研究.天然气工业.2005，25(3)：163-165.[2]胡志平，李如贤，彭一帆.压缩天然气（CNG）汽车及其发动机系统的研究.内燃机.2006，6：9-11.[3]GB18352[1].3-2005,轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国III、IV阶段)[S].[4]GB14952-2002,汽车加速型式车外噪声限值及测量方法[S].[5]马凡华，许忠厚.天然气发动机专用催化器的研究与发展[J].车用发动机，2000，125(1):.1-3.循环工况速度曲线HC循环工况速度曲线CO循环工况速度曲线NOX