LPG_柴油混烧中液化气流量的智能控制

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江苏理工大学学报(自然科学版)

JournalofJiangsuUniversityofScienceandTechnology(NaturalScience)󰀁

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Vol.22No.1Jan.2001

LPG-柴油混烧中液化气流量的智能控制

王󰀁辉1,朱建新1,曹茉莉2

(1.江苏理工大学汽车与交通工程学院,江苏镇江212013;2.大连柴油机厂产品科研处,辽宁大连116021)

[摘󰀁要]柴油机燃料中适当地掺烧液化石油气能有效地降低排放中的黑烟和颗粒,但若掺烧比例不当,则会造成排放不佳,且动力损失较大,经济性也变差󰀁文中介绍了运用AT89单片机,根据发动机的转速、负荷、排温等特性来判别发动机的工况,实现了LPG-柴油混烧中液化气流量的智能控制,使发动机运行始终处于排放性与动力性较优的组合状态󰀁系统地说明了硬件各设计环节的设计方法和主要措施,软件设计思想以及电子控制中的抗干扰技术,并简要介绍了试验方法和结果󰀁

[关键词]LPG-柴油;混烧;智能控制

[中图分类号]U464.136󰀁󰀁[文献标识码]A󰀁󰀁[文章编号]1007-1741(2001)01-0040-05󰀁󰀁随着汽车排放对大气污染的日益加剧,在许多城市,汽车尾气对大气的污染已上升为首要的大气污染源󰀁因此,使用低排放的代用燃料成为我国汽车工业发展的一个重要方向󰀁国内外有许多试验已证实液化石油气(LPG)不含硫和铅,同时能有效地降低NOx和颗粒排放,而且燃料费用也大为降低等优点󰀁鉴于我国汽车技术相对比较落后,迫切需要采用LPG作汽车燃料及其优化控制技术来降低污染排放󰀁通过采用这种技术,能很快赶上国际先进水平󰀁使用LPG-柴油双燃料发动机,首先是LPG绿色燃料适应了低排放要求,其次满足改装过程中保持原机型基本不变,工艺性好,而且适合国内LPG供气站少的特点󰀁但是目前我国在LPG用于柴油机上作燃料的研究相对较少,LPG与柴油的最佳掺烧比例随柴油机

负荷、转速等参数变化󰀁因此,如何根据发动机负荷和转速等参数的变化,实现在不同工况下动力损失、NOx、HC、CO、颗粒排放和烟度达到最优化的控制,就是本文要介绍的问题󰀂󰀂󰀂LPG流量智能控制系统的设计󰀁

1󰀁自控系统结构设计

整个自控系统由前向通道、电控单元、执行机构三部分组成(见图1)󰀁传感器测出柴油机的转速、油门拉杆位置、排气温度、废气中的含氧情况等信号传送至电控单元CPU,CPU根据这些信号和程序存储器中的软件对柴油机的工况作出判断,并决定步进电机的动作󰀁步进电机带动一流量阀,控制LPG的供气量󰀁

图1󰀁JPG调节阀电控过程框图

Fig.1󰀁DiagramoftheelectroniccontrolprocesswithJPGregulativevalve

[收稿日期]2000-08-28

[作者简介]王󰀁辉(1970-),男,江苏镇江人,江苏理工大学硕士生󰀁

第1期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁王󰀁辉等󰀁LPG-柴油混烧中液化气流量的智能控制41

1󰀁1󰀁前向通道的设计

前向通道包括转速信号n,油门拉杆位置信号Z,氧传感器反馈信号󰀁,冷却水温度信号Tw和排气温度信号Tr的采集、放大整形等󰀁转速测量使用磁电转速传感器,排气温度测量采用铂电阻传感器,排气管中氧含量测量采用氧传感器EGO󰀁这里仅就氧传感器加以说明󰀁

氧传感器由氧化锆层、两侧电极层与排气相接触的多孔型陶瓷保护层组成,安装于柴油机排气管壁,一侧与废气直接接触,另一侧与大气接触󰀁氧离子带负电,氧化锆层具有吸收氧离子的能力󰀁当发动机工作在不同的󰀂时,随排气管中氧离子浓度不同,该侧所吸收的氧离子数量不同,而传感器另一侧的大气的氧浓度几乎不变,所吸收的氧离子数量保持稳定,这就在氧化锆两侧产生一个随排气管中氧浓度而变化的电压,由此得到柴油机中燃料的供给、燃烧状况󰀁

这里所使用的氧传感器不同于普通的氧传感器,其输出电压与排气管中氧的成分呈正比关系,能精确地反映出排气管中氧的浓度󰀁其输出特性见图2󰀁实用于柴油机和LPG/柴油改装机中空燃比的检测,将过量空气系数󰀂值控制在一定范围内(1.2~1.5),实现空燃比上的闭环控制󰀁

1󰀁2󰀁1󰀁电控单元设计方案和结构

AT89系列单片机是美国ATMEL近年来推出的新型单片机,具有各种位控功能󰀁适应实时控制,而且集成度高、体积小,抗干扰能力强,是车用柴油机改装为双燃料发动机控制的首选机型󰀁1󰀁2󰀁2󰀁电控单元CPU及主控系统电路

如图3所示,系统采用AT89C52芯片作为控制的核心,它是低功耗、高性能的8位CMOS单片机,具有32个可编程I/O口,3个定时/计数器、芯片有256字节的数据存储器,8K字节闪速可编程及可擦除只读存储器󰀁

TLC1543为可编程多路A/D转换器,通过软件编程,它将各个传感器采集、放大后的信号分时进行A/D转换󰀁AT89C52定时对不同的输入口进行访问,将A/D转换后的数据串行地读到RAM中指定的地址,用于供CPU查询󰀁根据n、z、Tr等信号,判断发动机的工况,调用相应的控制程序,并计算出查表地址󰀁其优点主要有:连接简单,可方便地实现光隔,抗干扰能力强;与主机串行连接,节省资源,便于以后扩展;TLC1543功能上能够满足要求,且价格低廉,便于产品化󰀁

另外,系统外扩了数据存贮器24C64,用以储存控制用数据,即由柴油机转速n、齿条位置z、排气温度Tr等参数,构成控制LPG喷射量的MAP图,即使在停电后这些数据也不会丢失󰀁系统运行时,CPU将查询到的n、Z、Tr等信号进行比较计算,按不同的地址查出对应的步进电机应动作到的位置S󰀁CPU根据步进电机当前位置S0计算出对应的控制脉冲信号数N,并判断出转动方向,对LPG流量阀进行控制󰀁

图2󰀁柴油机用EGO输出特性

Fig.2󰀁OutputpropertiesofdieselenginewithEGO

AT89系列单片机指令与MCS-51系统指令完全兼容,管脚也与MCS-51基本型单片机相兼容,可方便地实现互换󰀁而且,还能很方便地利用现有的MCS-51系列开发型单片机直接来开发AT89系列单片机󰀁

采用AT89C52单片机对步进电机实行串行控制,只需用两根控制线即CP(时钟脉冲)和方向电平信号󰀁这两个信号经光隔输入环形分配器CH250后,电动机各相励磁的分配即转换顺序就由该分配器完成󰀁系统从CP脉冲控制线按电机的转速要求发出不同周期脉冲实现控制󰀁CP脉冲可通过对P1.1进行两次求反操作产生,脉冲的宽度可通过在两个脉冲之间插入一长度不变的延时程序,使其宽度满足环行分配器CH250的要求󰀁1󰀁2󰀁电控单元设计原则以及控制原理

本电控单元设计时遵循了如下原则:

(1)根据电控单元ECU装在柴油机上的工作环境,采用低功耗、高性能元件,提高可靠性󰀁

(2)电路采用模块化设计,简化电路、硬件系统便于安装、调试、维修等󰀁

(3)考虑到柴油机的振动和车体周围电磁场的复杂性,系统采用了一种新型的设计方法,较好地提高了系统的抗振动性和抗电磁干扰能力󰀁(4)软件系统采用了标准开放式设计方法,便于扩展,软件设计采用层状结构体系,便于以后的软件修改和扩展󰀁42󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁江苏理工大学学报(自然科学版)󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2001年1月

图3󰀁AT89系统示意图

Fig.3󰀁SchematicdiagramofAT89system

󰀁󰀁CH250有三个输出端A、B、C,当输入CL或EN加上时钟脉冲后输出电流能力为0.5mA,经推动级、驱动级放大后即可驱动电机绕组(见图4)󰀁CH250的接线图可专门为三相六拍步进电机而设计,以保证准确地控制󰀁

自控系统的执行机构为BQD1型GTC2939.029S步进电机󰀁假定铁心部分的磁压降仅与磁链或磁通有关,而与转子位置无关,而且,铁心部分的磁导率为无穷大,外加定子磁势则全部降在气隙上󰀁一相通电时的磁矩可表示为󰀁T1=-1.02ZsZrlN2G1sin e󰀁(N m)

(1)

电机的电流󰀁另外,为防止相电流突然消失时,电机线圈产生大的感生电压损坏驱动电路,在电路中加了一释放二极管(见图4)󰀁

1󰀁2󰀁4󰀁电控单元的软件设计技术

软件设计目标是实现智能控制󰀁根据氧传感器反馈的排气管中气体的氧含量、油门拉杆位置、发动机转速、排气温度等反馈因素,以及大量的试验研究和数据分析,通过控制规律、模糊控制算法以及整个硬件系统资源连接到一起,实现对LPG流量的智能控制功能󰀁

本系统为多输入单输出系统,多维输入集合A1、A2和一维输出模糊集合U分别隶属于x、y、z,其控制规则由模糊条件语句IfAandB!thenU来描述󰀁由实验数据得到的数据建立判定表,写出判定语句形成本系统的模糊控制器,根据公式

!1=(A1∀A2)#R(2)求出输出变量域上的模糊集合󰀁最后,由权系数

平均法,计算出精确的输出控制量󰀁运用模糊控制算法,以结构化分析和设计方法为基础,根据LPG/柴油混烧控制属于多输入系统,且要求控制能快速实时的特点,建立了整个系统软件逻辑模型,得到数据流图(DFD)󰀁采用广泛的面向数据流图的结构化分析法(SA),通过图形来表达柴油机控制的要求,使得软件总体设计显得清晰、简明、快速、可靠,以保证软件能良好地实现柴油机系统的实时控制󰀁

当出现两相同时通电时,可用叠加原理,用各相单独通电时的电磁转矩相加就可得总电磁转

矩󰀁当已知转动流量阀的力矩、电机的特性参数后,通过上式可计算出步进电机工作所需电流,以便设计驱动电路󰀁

1󰀁2󰀁3󰀁反应式步进电机控制及驱动电路

步进电机功率放大驱动是通过两只功率管组成的󰀁信号首先经过中功率管3DK4进行一级放大后,再由3DD15大功率管放大,提供驱动步进

图4󰀁步进电机驱动电路图

Fig.4󰀁Drivecircuitdiagramofsteppingmotor

另外,由图5可见,数据流图的加工依赖于:转速、冷却水温度、󰀁值等多个条件,存在判定问第1期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁王󰀁辉等󰀁LPG-柴油混烧中液化气流量的智能控制43

题的加工逻辑,用常规的结构化英语(StructuredEnglish)难以表达时,必需借助于判定表(decisiontable)和判定树(decisiontree)来判定在一定条件

下完成一定的操作,以获得发动机工况所对应的最佳步进电机控制点,使得发动机始终处于发放性与动力性较优的组合状态󰀁

图5󰀁LPG流量控制的第一层数据流图

Fig.5󰀁DatastreamdiagramoffirstlayerforLPGflowcontrol

1󰀁3󰀁系统的抗干扰设计

系统的抗干扰设计是本控制设计中的一个重要考虑因素,它贯穿于控制电路设计的全过程󰀁本文从总体方案、器件的选择、电路和软硬件的设计等,都仔细考虑了抗干扰设计󰀁为使电控系统能在温度变化较大,振动强烈,环境湿度,灰尘较大,只有单一电源且电源波动的车用柴油机环境下可靠地工作󰀁本项目主要从以下几方面进行设计󰀁(1)过程通道的信号采集电路中采用光电隔离措施,将主机与前后向通道隔开,DC/DC技术,使得单片机主控电路浮置,有效地防止了干扰信号进入主机󰀁

(2)在印刷电路板设计中注意应用单点接地与多点接地的正确选择,数字/模拟电路分开,地

线加粗并构成环路等技术󰀁

(3)考虑到控制开关等器件在通断时会产生浪涌电压,在电路中采用了浪涌电压吸收器󰀁电源设置过压缓冲保护电路和欠压保护电路󰀁(4)设置滤波电路,滤除信号频率以外的干扰波源󰀁

(5)设计中能用软件实现的控制尽量使用软件,并注意了软件的冗余设计,设置当前输出寄存自检程序等软件的抗干扰设计󰀁

2󰀁试验研究

图6是在NAVECO柴油机进行试验的控制流程图󰀁不改变原有机型,只在进气道处增加了本

图6󰀁MAVECOLPG/柴油双燃料发动机实验框图

Fig.6󰀁ExperimentaldiagramofNAEVCOLPG/doublefuelinternalcombustionengine

44󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁江苏理工大学学报(自然科学版)󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2001年1月

LPG控制装置,LPG由钢瓶经电磁阀、步进电机控制的节流阀、最后经混合器进入发动机进气道󰀁󰀁󰀁电控单元根据传感器收集到的信息,结合存储在程序存储器ROM和数据存储器EPROM中的信息来控制这两个执行元件,实现对LPG的流量控制󰀁电控单元同时也控制钢瓶出口处电磁阀,用于停车等状态下完全切断LPG通道󰀁表1为改装后双燃料发动机与原机外特性外特性试验结果󰀁根据一定的掺烧比,进行了双燃料发动机外特性、排放、噪声等项试验,得出NAVE󰀂COLPG/柴油双燃料发动机和原机性能比较󰀁

表1󰀁原机与改装LPG后试验性能对比

Tab.1󰀁Propertiescomparisonbetweenprototypeand

improvedtypeLPG

项目

功率(kW)/转速(r/min)转矩(N m)/转速(r/min)

烟度(BOSCH)

8140.43样机87/3600

双燃料发动机84.6/3600

2

3󰀁结󰀁论

(1)新一代智能控制系统能有效降低柴油机冒黑烟、颗粒排放,降低柴油机的噪声;且油耗低,提高了柴油机的经济性,改装后动力下降甚小󰀁

(2)进气管电控喷射LPG方式不需像缸内喷射LPG那样对发动机和整个控制系统提出相当高的要求,无需对原机作大的改动,就能达到降低排放等目的,适合我国柴油机改装现状的要求󰀁

(3)采用AT89C52单片机微机控制步进电机具有体积小、价格低、运行功耗小、可靠性高的优点;用24C64作为柴油-LPG掺烧开发产品的数据存储器,调试、修改软件方便、可靠󰀁

[参󰀁考󰀁文󰀁献]

[1]󰀁何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计[M].

北京:北京航空航天大学出版社,1990.

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280/1900282/1900

标定工况2.2标定工况1.8最大转矩2.6最大转矩1.4自由加速1.8自由加速1.3标定工况523标定工况530最大转矩436最大转矩443

90

88

排气温度(∃)噪声dB(A)

由表1可见,通过适当的引燃柴油供给与LPG燃料进行匹配,结合模糊算法对LPG的控制,可实现改进后的双燃料发动机燃油消耗率比原机降低;发动机的烟度在标定工况、最大扭矩和自由加速度时均比原机有较大的改善;噪声也大幅度下降了2dB(A);而且,发动机功率下降甚小󰀁实验结果令人满意󰀁

ElectronicControlSystemofLiquidPetroleum

Gas(LPG)/FuelDualEngine

WANGHui1,ZHUJian󰀂xing1,CAOMo󰀂li2

(1.SchoolofAutomobileandTrafficEngineering,JiangsuUniversityofScienceandTechnology,Zhenjiang,Jiangsu212013,China;2.ProductResearchDepartment,DalianDieselEngineFactory,Dalian,Liaoning116021,China)

Abstract:Thequantitiesofsoot,noiseandotherpoisonousexhaustgascanbereducedifanappropri󰀂ateamountofLPGisinjectedintothedieselengine.Incorrectproportionmightcausebadresults.ECUsystemtocontroltherationofLPGanddieselfuelisintroducedinthispaper.ECUcandistinguishdiffer󰀂entworkconditionsaccordingtotherotationalspeed,exhausttemperatureandsoon.ThedesignthinkingofsoftwareandhardwareofECUandtheanti󰀂interferencetechniqueofelectroniccontrolarealsopresentedinthepaper.Theresultsofsystematicexperimentsshowthatthecontrolsystemisfeasible.

Keywords:LPG/dieselfuel;dual;intellectcontrol(责任编辑󰀁朱银昌)