汽车新能源技术--天然气发动机控制技术

武汉理工大学汽车学院杨胜兵汽车新能源技术--天然气发动机控制技术CNG发动机电控系统构成CNG发动机控制系统的基本组成减压调节器是CNG发动机进气系统的关键部件。其功能是将不大于20MPa的高压天然气减压变成0.1~0.85MPa的低压天然气，其真空室与混合器、进气歧管连接，真空室内压力随发动机急加速、全负荷、部分负荷工况下支管内压力的变化而变化，并始终向气缸内输入动力性、经济性均好的燃气压力及燃气量。因此，须根据燃气的特性以及正常喷气的压力选择合适的减压调节器。传感器发动机电子控制管理系统中，各种传感器把表征发动机工作状态或条件的各种参数不断地传送给电子控制器（ElectronicControlUnit,ECU）。ECU根据来自各个传感器的输入信号及其他开关信号，用控制软件并结合存储的各种标定数据与图表进行分析运算，决定当前应如何控制，并以相应的电信号向有关的执行器发出各种控制指令。执行器则把ECU的指令变为某种元件的动作以实现要求的控制。电子控制CNG发动机电控系统的电子控制部分就是发动机整机电子管理系统中与燃气喷射量控制、点火正时控制以及怠速空气量控制有关的部分。在所有传感器输入量中，发动机转速和表征发动机负荷的空气流量（或进气岐管绝对压力）是最基本的两个输入量。ECU根据这两个量决定点火提前角和燃气喷射脉宽的基本值，而冷却液温度、进气温度等都是用来对基本点火提前角和基本燃气喷射脉宽进行修正的条件参数。曲轴（或凸轮轴）转角位置信号用来确定相对于各缸上止点的点火时刻和燃气喷射时刻。节气门开度传感器信号对于怠速工况判断，过渡工况燃气喷射量补偿等都是必须的。根据电控系统配置方案，该系统装有一个装在催化器前的空燃比传感器，为部分负荷及热怠速工况的空燃比闭环控制提供信号。点火线圈、燃气喷射阀和怠速执行器是三个最基本的执行器系统所有执行器中。在ECU的控制下，点火线圈为发动机适时提供点火高电压，电磁喷油器适时提供精确计量的燃气喷射，怠速执行器则在热机怠速工况、冷起动、减速和车辆起步过程中调节通过怠速旁通空气道的进气量。控制功能设计CNG电控单元不仅要具备基本的燃气喷射和正时控制功能，还要具备控制空燃比、提高催化剂转化效率，控制功能的冗余设计，诊断功能等，以便满足后续产品化需求。曲轴位置传感器是磁电感应式凸轮轴相位传感器处理电路喷气嘴驱动电路发动机位置正时发动机位置正时包含三个方面的内容：（1）发动机位置判断，曲轴位置信号和凸轮轴相位信号之间同步关系；（2）发动机转速的计算；（3）曲轴相邻两个齿的采样周期计算。机械正时关系位置正时是指电控单元通过对转速信号的处理，判定当前工作缸号及计算曲轴当前位置的过程。位置正时是电控单元正常工作的基础，电控单元工作时必须确定当前的工作缸号及当前曲轴的位置才能在正确的时刻把燃气喷入到正确的气缸。机械正时关系电控单元利用安装在曲轴和凸轮轴上的齿盘和转速传感器（霍尔或者电磁发出的转速信号进行位置正时，具体的正时策略取决于曲轴和凸轮轴齿盘的形式。通常曲轴上的齿盘通常采用缺齿的形式，齿数较多，以便更加精确的判定曲轴位置。机械正时关系凸轮轴上的齿盘齿数较少，通常有两种结构形式：一种是齿盘上只有一个齿，在第一缸上止点前（通常为75°BTDC）发出信号，用来判定第一缸；另外一种采用N+1齿的多齿形式，N为发动机缸号，除了判定第一缸外，还可以在其他各缸到达压缩冲程上止点前发出信号。由于发动机需要在曲轴传感器损坏的情况下保持正常工作，现在凸轮轴转速信号齿盘多采用多齿形式。转速信号的波形取决于齿盘的形状。采用的转速信号齿盘形式为曲轴齿盘(60-2)齿，凸轮轴齿盘(6+1)齿。图4-9是本系统中发动机曲轴转速信号（上）和凸轮轴转速信号（下）的波形。正时处理主程序为了缩短ECU的开发周期、减小匹配试验工作量、降低开发费用，开发出一套发动机试验监控系统，可以在线监视发动机的运行状态，实时的调整电控单元的各种控制参数。基于PC机的发动机试验监控软件采用VB软件编制，利用VB的模块化、可视化编程，使得监控软件界面友好、操作简便、可移植性和扩充性好；便携式车载发动机监控仪的开发，为发动机上车实验提供了便利条件，而且为进一步开发电控发动机故障诊断仪奠定了基础。开发实际步骤举例为了保证研发成功和降低投资风险，研发工作由简入繁，循序渐进，主要内容包括：⑴首先完成台架安装、发动机改造（主要是喷嘴位置的确定、改造、安装、燃料供给的改造和安装、各种传感器的安装和调试）、各种测试仪器的安装与调试；⑵发动机试验监控系统的开发调试；⑶ECU硬件和软件设计调试；⑷对高能高频点火系统进行初步探讨；⑸进行台架实验，获得原始数据和资料，建立MAP图；⑹针对各种实际问题优化ECU软件和硬件。很落后的方法脉谱（MAP）图标定试验标定试验，就是按照既定的控制目标，通过一系列发动机台架试验来确定ECU中控制数据的过程。发动机电控系统标定过程的工作量很大，花费的时间周期也较长。为了提高效率，方便地调整控制参数，加快ECU的开发过程，实时显示以及在线修改发动机控制参数的天然气发动机试验监控软件，可以监视发动机的控制参数，并在线调整喷射脉宽和点火提前角，为发动机的标定试验创造了良好的调试环境。发动机不仅要求具有良好的动力性和燃气经济性还要保证具有良好的排放性能，标定试验的目的就是在保证天然气发动机动力性和良好排放性的前提下，寻找到最低燃气消耗率所对应的发动机控制参数，主要是寻找满足发动机最佳性能的点火提前角和最小喷气脉宽。最佳点火提前角和喷气脉宽受很多因素影响，如果要发动机工作在理想状态下，就要综合考虑各个因素的影响。因次，为了得到发动机在各个工况下基本的点火提前角和喷气脉宽，做了大量的台架标定试验，得到了基本发动机的点火提前角和喷气脉宽MAP数据，并将形成的最初MAP数据写入到ECU的存储器中，发动机工作时，ECU根据进气歧管压力（或进气量）和发动机转速，从存器存储的数据中找到相应的基本点火提前角和基本喷气脉宽，再根据有关传感器信号值加以正，得出实际点火提前角和喷气脉宽，图7-13所示为标定试验确定的初步的喷气时间MAP图。