甲醇-柴油双燃料发动机控制系统和方法技术领域
本发明属于汽车发动机领域,具体涉及甲醇-柴油双燃料发动机控制。
背景技术
柴油机以其优良的动力性、经济性与可靠性而取得广泛应用,但NOx与碳烟排放此
消彼长制约着柴油机的发展。甲醇是一种含氧燃料,辛烷值高,能够改善燃烧、减少污染物
排放,并且调配成本低,通用性好,被认为是很有前景的清洁代用燃料。甲醇-柴油双燃料是
在柴油机基础上改装而成,通常,一是需要加装一套甲醇供给系统,包括甲醇箱、油泵、管路
和甲醇喷射器;二是需要加装一套电子控制系统,用于控制甲醇和柴油的喷射。甲醇-柴油
双燃料改装成本低、容易实现。甲醇-柴油双燃料发动机在保持柴油机较高热效率的同时能
够大幅降低碳烟排放。在没有甲醇时,还能切换回纯柴油模式运行。双燃料模式较纯柴油模
式运营成本降低,有利于发挥现有甲醇产能,因此发展双燃料发动机具有良好的经济效益
和社会效益。
燃油价格上升使人们对汽车的燃油经济性提出了更高要求,停缸技术能够显著降
低燃油消耗,在节能方面具有一定的市场竞争力与发展潜力。目前越来越多的汽油机上实
现了停缸技术,而柴油机中大部分是通过手动调控机械装置来实现停缸,这种方式控制机
构复杂、准确度低,气缸间工作均匀性与可靠性下降,同时易造成发动机抖动甚至熄火。此
外,通过额外增加一个停缸控制器来实现停缸,增加了系统的复杂性同时影响发动机运行
的安全性与稳定性。
目前,甲醇-柴油双燃料系统多采用甲醇单点喷射控制。单点喷射甲醇,通常是将
甲醇喷入混合器中。由于受进气歧管结构与湿壁效应的影响,混合气均匀性及燃油分配均
匀性受到限制,存在扫气HC排放高,动态响应差等问题,从而影响发动机的经济性与排放
性。
甲醇-柴油双燃料控制,广泛采用增加一个控制器,喷醇控制器的信号来自原机
ECU。此跟随式双燃烧控制器存在数据传输延时及截断误差,同时原机ECU控制程序代码大
多未开源,具体实现方法未知,更无从修改;喷醇控制器与原机ECU对执行器的控制协调性
差,结果致使双燃料模式控制方法受限,精度降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种甲醇-柴油双燃料发动机控制系统和方法。
为达到上述目的,本发明采用了以下技术方案:
一种甲醇-柴油双燃料发动机控制系统,该系统包括曲轴传感器、凸轮轴传感器、
油门位置传感器、进气压力传感器、排气温度传感器、冷却液温度传感器、控制器、柴油喷油
器以及甲醇喷射器,所述控制器包括单片机控制单元以及与单片机控制单元相连的信号采
集处理电路、柴油喷油器驱动电路和甲醇喷射器控制电路,曲轴传感器、凸轮轴传感器、油
门位置传感器、进气压力传感器、排气温度传感器以及冷却液温度传感器分别与信号采集
处理电路相连,柴油喷油器与柴油喷油器驱动电路相连,甲醇喷射器与甲醇喷射器控制电
路相连。
所述发动机的至少两个气缸均设置有甲醇喷射器。
所述控制器还包括与单片机控制单元相连的电源管理模块、通信模块、发动机加
速度监测模块和故障自诊断模块;所述控制器的功能由一个ECU实现。
所述单片机控制单元包括用于进行发动机工况判断的模块、用于在对应工况下进
行发动机双燃料模式运行和纯柴油模式运行切换控制的模块、用于双燃料模式运行下计算
甲醇掺烧比的模块以及用于在双燃料模式运行时进行部分气缸停止甲醇喷射的停缸控制
模块;所述停缸控制模块包括输出转矩富裕量计算模块、停缸数计算模块以及停缸优先级
计算模块,输出转矩富裕量计算模块计算当前工作循环输出转矩在扣除满足负荷需求部分
后的剩余部分,停缸数计算模块根据单个气缸停止甲醇喷射导致的输出转矩减少的部分以
及所述剩余部分计算下一个工作循环可以停止甲醇喷射的气缸数目,停缸优先级计算模块
则根据当前工作循环各个气缸对应的曲轴信号脉宽对对应气缸在下一个工作循环的停止
甲醇喷射优先级进行排序,脉宽越小则优先级越高。
所述当前工作循环各个气缸对应的曲轴信号脉宽中,前P-1个顺序工作的气缸的
对应曲轴信号脉宽为根据实测信号提取得到,而第P个气缸的对应曲轴信号脉宽根据前P-1
个顺序工作的气缸的对应曲轴信号脉宽,利用Elman神经网络预测得到,P表示发动机工作
气缸数目。
当输出转矩富裕量计算模块的计算结果为当前工作循环输出转矩无法满足负荷
需求时,则ECU根据用于双燃料模式运行下计算甲醇掺烧比的模块确定的甲醇掺烧比,在下
一个工作循环使所有气缸均工作在双燃料模式。
一种甲醇-柴油双燃料发动机控制方法,包括以下步骤:ECU实时采集曲轴传感器、
凸轮轴传感器、油门位置传感器、进气压力传感器、排气温度传感器以及冷却液温度传感器
信号;ECU根据转速判断发动机运行工况;在起动和怠速工况下,ECU控制发动机采用纯柴油
模式运行,在其他运行工况下,ECU根据转速、冷却液温度与油门开度控制发动机在双燃料
模式运行和纯柴油模式运行间进行切换;采用双燃料模式运行时ECU以保证在工作循环内
各气缸工作的均匀性以及满足负荷需求为原则,对部分气缸停止甲醇喷射。
所述其他运行工况包括正常工况、限速工况以及超速工况。
所述对部分气缸停止甲醇喷射具体包括以下步骤:根据当前转速与油门开度,计
算当前工作循环输出转矩在扣除满足负荷需求部分后的剩余部分;根据单个气缸停止甲醇
喷射导致的输出转矩减少的部分以及所述剩余部分计算下一个工作循环可以停止甲醇喷
射的气缸数目;根据当前工作循环各个气缸对应的曲轴信号脉宽对对应气缸在下一个工作
循环的停止甲醇喷射优先级进行排序,脉宽越小则优先级越高;根据所述优先级的排序以
及停止甲醇喷射的气缸数目,确定停止喷射甲醇的气缸编号。
当前工作循环输出转矩在满足负荷需求下仍存在富裕量时,则ECU控制发动机以
停止向一个气缸喷射甲醇运行1~3个工作循环,然后计算得到单个气缸停止喷射甲醇导致
的输出转矩减少的部分;当前工作循环输出转矩无法满足负荷需求时,则ECU根据油门开度
与当前转速,查询甲醇喷射MAP,确定甲醇喷射量,使发动机所有气缸均喷入甲醇。
本发明的有益效果体现在:
本发明提供了一套甲醇多点喷射双燃料电控系统,其控制器采用一个ECU即可实
现。ECU能够根据发动机工况与传感器信号实现对甲醇-柴油双燃料喷射方式进行精确控
制,以提高双燃料发动机的经济性与排放性。同时,本发明提出双燃料模式下部分气缸停止
喷入甲醇的停缸控制策略,发动机进入双燃料运行模式时,由ECU根据当前转速、负荷实现
多因素甲醇停缸闭环控制。
进一步的,本发明提出采用结合Elman神经网络进行双燃料运行模式下的甲醇停
缸控制。通过Elman神经网络预测曲轴信号脉宽,停缸模式时根据预测脉宽与实时转速、负
荷确定待停缸的气缸数目与气缸号。
附图说明
图1为控制系统总体结构示意图;
图2为控制方法流程图;
图3为Elman神经网络结构示意图;
图4为Elman神经网络测试结果,其中,(a)测试数据的测试结果,(b)测试数据测试
结果的残差。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细说明,所述实施例是对本发明的解释而非
限定。
本发明提供了一种甲醇-柴油双燃料发动机控制系统。
(一)控制系统的结构
本控制系统包括传感器、控制器、执行器、通讯装置与标定软件五大部分,如图1所
示:
1)传感器包括曲轴传感器、凸轮轴传感器、油门位置传感器、进气压力传感器、排
气温度传感器、冷却液温度传感器。
2)控制器由最小系统(包括CPU)以及与最小系统连接的外围电路组成,用于实现
燃料喷射量、喷射正时及柴油共轨压力的控制。外围电路可以实现模拟输入、频率输入、通
讯接口、高压驱动、脉宽驱动、开关驱动、电源管理和发动机加速度监测等功能。最小系统为
控制器运行的基本单元,模拟输入用于采集模拟量信号(油门位置传感器、进气压力传感
器、排气温度传感器与冷却液温度传感器),频率输入用于获取脉冲信号的频率,对应曲轴
传感器与凸轮轴传感器。通讯接口提供控制器与其他控制单元的信息交互。高压驱动用于
驱动柴油喷油器,脉宽驱动控制高压共轨比例电磁阀,实现柴油轨压调节。开关驱动用于控
制甲醇喷射器。加速度监测用于监测发动机运行状态,保证高压电气系统异常情况下的安
全。
所述控制器的功能由一个电子控制单元(Electronic Control Unit,ECU)实现,
该ECU由电源模块、单片机、模拟及数字信号采集与处理电路、轨压控制电路、柴油喷油器驱
动电路、甲醇喷射器控制电路、通信模块和故障自诊断模块组成。
3)执行器主要包括柴油喷油器、甲醇喷射器以及轨压调节阀。本系统采用甲醇多
点喷射,每个气缸装一个甲醇喷射器,即每个气缸均可按双燃料模式运行。
4)通讯装置包括连接控制系统各个硬件以及连接控制系统与外部其他硬件的线
缆,例如CAN、SCI总线。
5)标定软件用于对ECU中选定的参数进行监测与修改,将修改结果写入ECU,对柴
油机控制效果进行实时修正,并将最终的修改参数写入ECU的ROM中。
(二)控制系统的工作原理
发动机转速、凸轮轴转角、油门开度、冷却液温度、排气温度和进气歧管压力等监
测量的信号,经各自的传感器送入ECU相应的信号采集处理电路中。
ECU通过CAN总线读取处理后的各监测量的值,根据当前转速判断并选择进入相应
的工况运行,不同工况下根据相应的控制策略控制对应执行器动作,控制流程如图2所示:
发动机由起动机带动开始转动,转速达到起动转速后转入起动工况。转速达到供
油转速后ECU开始控制燃油系统向气缸供油。起动成功后转入怠速工况。发动机起动及怠速
工况时均采用纯柴油模式运行。
正常工况时控制系统根据油门踏板确定燃料供给量,以达到动力与负载平衡。实
时检测发动机转速,当转速处于限速范围之内时认为发动机处于限速工况,此时的燃料供
给量随发动机转速上升而较大幅度的下降,以遏制转速继续上升。当发动机转速大于限速
范围最大值时,认为发动机进入超速工况,此时控制系统完全切断燃料供给,以起到安全保
护的作用。正常工况时,根据转速进行工况切换,转速过高进入限速工况,转速降低转入怠
速工况,转速过低,则直接转为停止工况;限速工况运行时如果转速高于限速范围上限则转
为超速工况,低于限速范围下限则转入正常工况运行;超速工况时若转速低于限速范围上
限则转为限速工况运行。
正常、限速与超速工况时ECU根据实时采集的发动机转速、冷却液温度及油门开度
进行判断,当三项均符合条件时(例如当发动机转速大于1200r/min,冷却液温度大于60℃,
油门开度大于60%时),发动机进入双燃料模式运行,否则以纯柴油模式继续运行。双燃料
模式时,控制柴油喷射量调节甲醇喷射量(例如,根据喷醇MAP)。ECU根据发动机当前转速与
负荷判断是否进入停缸工作模式(当输出功率无法满足负荷需求时,结束停缸工作模式),
ECU将工作气缸的气缸号按照各气缸在工作循环内的点火次序进行顺序组合,假如包括6个
工作气缸,则依次采集前5个气缸工作对应的5个瞬时转速与5个曲轴信号脉宽值,以5个脉
宽为一单元,输入至已训练好的Elman神经网络中,预测并输出该工作循环最后一个工作的
气缸所对应的曲轴信号脉宽。比较6个脉宽值,脉宽值最小的对应瞬时转速最高,即为下一
个工作循环所需停缸的气缸(对于停1个气缸而言)。为保证发动机运行平稳性,首次停缸运
行2个周期(一个周期就是一个工作循环),停缸数为1。发动机运行2个周期后ECU计算停缸
前输出转矩与1个气缸停缸后输出转矩的差值,记为单位输出转矩差值,再根据当前油门开
度确定下一周期停缸个数(具体确定方法为:根据油门开度确定负荷,计算当前输出转矩与
所需输出转矩的差值和单位输出转矩差值的倍数关系,即可确定需要停缸的个数),个数确
定后根据6个气缸在当前周期的脉宽,从小到大依次找出满足个数需求的气缸进行停缸控
制。此过程中Elman网络训练数据已由实测脉宽进行更新。当发动机不满足停缸条件时,ECU
根据油门开度与当前转速,查询喷醇MAP确定甲醇喷射量,或者根据其他确定掺烧比的策略
(如[李阳阳,张春化,陈昊等.一种车用电控甲醇-柴油双燃料发动机燃料供给控制方法发
明专利,长安大学,201510882873.4]),使发动机所有气缸均工作在双燃料模式。
本发明采用双燃料模式时部分气缸停止喷射甲醇的停缸控制策略。尽量保证各缸
间工作均匀性为基本原则,本循环所停的气缸在下一工作循环瞬时转速较小,因此在整个
发动机工作周期内保证了各气缸工作的均匀性。在发动机工作状态切换过程中通过条件限
制与一定的神经网络训练延时,避免了误动作与甲醇停缸控制的频繁切换。
(三)Elman神经网络曲轴信号脉宽预测
1)加载数据构造样本集
分别取发动机在起动、怠速、正常、限速与超速5种工况下的曲轴信号脉宽,缺齿处
经程序处理为普通齿,每种工况下各取脉宽值360个,其中抽取x1~x6组成一个样本,x1~x5
为自变量,x6为目标函数,抽取x2~x7为第二个样本,x2~x6为自变量,x7为目标函数,依次类
推,形成如下训练矩阵:
这样将长度为1800的曲轴信号脉宽数据转化为一个6×300的矩阵,每一列为一个
样本,前5个为自变量的值,最后一个为预测值。最后将300个样本中前250个作为训练样本,
后50个作为测试样本。
2)创建Elman网络
Elman反馈型网络由于增加了层间或层内的反馈连接使网络具有了记忆功能,从
而Elman神经网络系统具有适应时变特性的能力。Elman神经结构如图3所示。f(·)、g(·)
分别为隐含层(即隐层)与输出层传递函数,W,H,V分别为输入层至隐层,隐层至反馈层,隐
层至输出层的连接权矩阵,u1(t)、u2(t)…un(t)分别表示t时刻前n个气缸做功时所对应的
曲轴脉宽输入信号(本例中n=5),yc(t)为t时刻反馈层网络第c个节点的输入信号,r(t+1)
为t+1时刻隐层节点输出,θ为t+1时刻与t时刻隐层输入的差值,σ为t+1时刻与t时刻网络输
出的差值。则网络描述如下:
隐层输入:x0(t+1)=Hyc(t)+Wu(t)+θ
反馈层输入:yc(t)=r(t-1)=f(x0(t-1))
网络输出:y(t)=g(Vr(t+1)+σ)
Elman神经网络学习指标函数采用误差平方和函数,即
其中,y(t)为网络实际输出,为期望输出。
3)网络训练输出
网络测试结果如图4所示,所有运行工况下脉宽预测相对误差均小于0.67%,能够
在整个发动机运行工况范围内准确预测曲轴信号脉宽。
(四)本发明与现有技术相比具有的特点
本系统可由一个电子控制单元(ECU)完成纯柴油模式与甲醇-柴油双燃料模式的
喷射控制。ECU实时采集各传感器信号,判断发动机运行工况,起动与怠速工况采用纯柴油
模式运行,其余工况根据转速、冷却液温度与油门开度判断是否采用双燃料模式运行。双燃
料模式运行时,根据当前转速与油门开度(负荷)判断是否进入停缸控制模式。
本系统采用甲醇多点喷射,每个气缸装一个甲醇喷射器,从根本上提高了甲醇喷
射的均匀性,同时由同一个ECU完成柴油与甲醇的喷射控制,实时性好,控制策略灵活可调,
控制精度高,能够实现在减小颗粒物排放的同时降低HC排放。
小负荷工况下,要求的输出功率小,需要的燃料总能量小。在小负荷工况下,若对
所有的气缸都供给甲醇,则甲醇-空气预混混合气浓度过稀,容易发生缸内局部失火现象,
导致热效率降低、燃料消耗增加,HC排放和CO排放增加。为了避免双燃料在小负荷工况下的
性能变差,可以采用停止双燃料模式运行恢复到以纯柴油模式运行,这种方法,甲醇对柴油
的替代率变为零,且在中等负荷以双燃料模式运行时,工况过渡时的负荷率变大,容易引起
冲击。本发明提出,在小负荷工况下,甲醇部分停缸的方法,可以确保未停止甲醇供给的气
缸的甲醇-空气预混混合气浓度在可靠着火范围内;停止甲醇供给的部分气缸,以纯柴油模
式运行(但整体发动机仍为双燃料模式)。因而,扩展双燃料运行范围,提高甲醇对柴油的替
代率。
现有的停缸控制方法大多数都需要增加一个控制器与配套的硬件电路来实现停
缸,系统复杂度增加,控制精度降低,实时性变差。而根据用户意愿来手动切换发动机气缸
工作状态的方式仅可用于实验阶段,实际使用中不可取更无法推广。本发明中停缸与燃料
喷射控制直接由同一个ECU自动完成,无需增加新的逻辑控制单元与处理器。停缸个数与顺
序由ECU根据监测数据通过控制算法确定。
目前停缸控制方法中停缸的气缸数目与缸号大多随机确定或由简单的数学排序
组成。随机停缸控制方法存在各气缸间工作均匀性相差较大,发动机受热应力较大,且易出
现气缸间磨损不均的问题。顺序间歇停缸下,所有气缸按一定顺序轮换停缸,控制灵活度低
且没有预见性。另外通过事先标定的方法来确定停缸个数与顺序的方法工作量较大,且所
停气缸号仍然无法确定。本发明根据预测曲轴时段能够明确的体现出各气缸扭矩输出的波
动情况,从而有针对性的决定停缸数目与缸号。同时通过Elman神经网络对曲轴时段预测,
可对发动机各运行工况下的燃料喷射量进行修正,也可用于发动机故障诊断,提高发动机
运行的安全性与平稳性。