低浓度乙醇重整燃料发动机空燃比控制系统的设计与试验

浙江交通职业技术学院学报,第16卷第1期,2015年3月Joumal of Zhejiang Institute of CommunicationsVol 16 No. 1. Mar 2015低浓度乙醇重整燃料发动机空燃比控制系统的设计与试验徐进,李金寿,唐炜铭,黄学卫,黄松华(镇江船艇学院船艇装备保障系,江苏镇江212003)摘要:利用发动机尾气余热对低浓度乙醇进行催化重整,生成一种富含H、CO等可燃性气体的发动机替代燃料。由于重整反应过程中,温度、流量、乙醇浓度等因素会对重整产物的组分造成影响,使燃料的理论空燃比发生变化,设计了一种低浓度乙醇重整燃料发动杌空燃比控制系统,对发动杋的空燃比进行实时调节,并在低浓度乙醇重整燃料发动机上进行试验。试验结果表明,空燃比控制系统基本达到了设计的预期效果,降低了发动机的排气温度,提高了发动机的燃料利用率关键词:低浓度乙醇重整;空燃比;控制系统中图分类号:TK434.6文献标识码:Adoi:10.3969/isn.1671-234X.2015.01.007文章编号:1671-234X(2015)01-0028-050引言1空燃比控制系统的总体设计低浓度乙醇重整燃料是指将质量浓度为75%空燃比控制系统采用SIC12C:5A60S2单片机作左右的乙醇,利用发动机的尾气余热,在高温和贵为电控单元,空燃比控制系统通过各种传感器采集金属催化的条件下进行重整反应,生成富含一种富包括排气氧浓度、曲轴转速、节气门开度、空气进含H、(O、CH等可燃性气体的新燃料。针对新气压力、燃气进气压力、混合气进气压力等信号,燃料空燃比不稳定的特点,设计了一种空燃比控制通过信号调理电路对各信号进行分析处理,并对发系统,对硬件系统进行了搭建,并提岀了发动杋在动机的工况进行判断,将最终结果转化为对燃气稳态工况和过渡工况下,空燃比控制的策略。联机阀、空气阀和节气门的开度执行信号进行输出,完试验结果表明,本控制系统实现了对发动杋空燃比成对发动杋空燃比的实时调节和控制。空燃比控制的优化控制系统的结构图如图1所示中国煤化工CNMHG收稿日期:2014作者简介:徐进(1984-),男,四川广元人,助教,硕士,E-mil:33084998gqg,com第1期徐进,李金寿,唐炜铭,等:低浓度乙醇重整燃料发动机空燃比控制系统的设计与试验步进电机步进电机混合器储气罐空气阀步进电机节气门燃气阀发动机重整器排气管冷曲开混开储氢|C0开度温度压力却轴度合度气气水转温气温罐|浓温速度压度压度电子排气氧浓度压力压力燃料箱调理电路电控单元驱显‖报‖电‖复时电电‖电电电电路‖路‖路‖路‖路‖路图1空燃比控制系统结构图2空燃比控制系统控制策略的设计系统初始化空燃比控制系统是一个硬件和软件的结合体各传感悉农信号空燃比控制系统能否稳定、高效、可靠的对空燃比进行控制,除了合理的系统硬件结构设计以外,还故障诊断模块所信号是否齐全?要有一个设计合理、功能完善的控制策略作为支撑。空燃比控制系统的整个程序分为主程序模块和后号是否在下常子程序模块,子程序模块包括:稳态工况模块、过一渡模块渡工况模块、故障诊断模块三个部分2.1主程序模块设计主程序模块实现了空燃比控制系统功能的主体态工况税逻辑关系,它的主要任务是对各个传感器传输来的信号进行采集和分析,依据这些信号和发动机当前中国煤化工块流程图的工况进行判断,选取恰当的子模块进行工作,并2.2发出指令对发动机的燃气阀、空气阀和节气门的开CNMHG当友动机作状念处稳态工况时,对发动机度进行调节,最终达到一个适合当前发动机运转的空燃比的控制采用闭环控制方案。由于PTD控制器最佳空燃比。主程序模块流程图如图2所示③的成熟发展,并且在ECU中实现起来较为方便,在本系统的闭环控制中,完全能够达到使用要求,浙江交通职业技术学院学报因此本系统在稳态工况下的空燃比控制策略上选择PID控制器(图3)4-6燃气然气间开度测量变送比例比值计算器器发动机测量变微分控制器】一步进机一气一怕馈-反馈信号空气阀开度图5比值控制方框图图3PD控制方框图过渡工况下,控制模块流程图如图6所示稳态工况下,控制模块流程图如图4所示。杀统初始化宋样时间是否丝系统初始化计算空燃比调节值设定K,K、K步数燃气的压力设定K、K、KG参数计算步进电机调节值计算当前空燃比读取转速和节气门开度向步进电机输出调节查表获得各气阀开度值讣算空比节值查表获得各气阀开度值准备下次计算读取氧气传感器信号计算步进电机调节值读取空气的压力采样时间是否结束计算反饿空燃比步进电机输出调节值计算进气空燃比计算输出冲量值「准诉次计6过渡工况控制模块流程图输出增量值2.4故障诊断模块设计采样时间是否结束当空燃比控制系统处于非正常工作状态时,为准备下次计算了保护空燃比控制系统和保证空燃比控制的准确性,系统设计了故障诊断模块(图7)图4稳态工况控制模块流程图2.3过渡工况模块设计开始在发动机过渡工况下,发动机快速加速或者减速,发动机的转速与节气门的变化速度都较大,而系统初始化空燃比控制系统对发动机的参数收集、分析、判断和执行都需要一定的时间来完成,并且过渡工况相感器信号是否齐全对于稳态工况,持续时间较短。因此在过渡工況模报警电路工作块的设计中,采用单一前馈的方案对空燃比进行调节。忽略氧传感器所搜集的氧气浓度信号,参照发所有信号是否在设定范围动机空气的温度压力、燃气的温度压力、节气门的开度、发动机转速,对照过渡工况下标定好的预设中国煤化工空气阀与燃气阀的开度表,采用比值控制器对空燃比进行双阀控制(图5)2=81。CNMHG块流程图3空燃比控制系统的联机试验空燃比控制系统对低浓度重整燃料发动机空燃第1期徐进,李金寿,唐炜铭,等:低浓度乙醇重整燃料发动机空燃比控制系统的设计与试验比控制的最终效果,需要通过联机试验来检验。联3.2负载条件下的试验机试验中,空燃比控制系统与发动机相连,在发动发动机运行暧机之后,将发动机的负载调整至机不同的运转工况下检验空燃比控制系统对空燃比50kW,使发动机的转速稳定在200-m,待发动机的控制情况,并根据发动机的缸内温度、排气氧浓稳定运行后对使用了本空燃比控制系统的各缸排气度等参数,对空燃比控制系统的参数进行修改,使温度进行测量,并对空燃比控制系统的各项参数进空燃比控制系统达到最佳的工作状态和控制效果。行修改优化。如果各缸排气温度较未加装本空燃比联机试验分别在空载状态下和负载状态下进行控制系统之前有所降低,则说明发动机气缸内燃料试验燃烧更为充分均匀,空燃比控制系统起到了对空燃3.1空载状态下的试验比的优化控制,试验结果见表2。发动机运行暖机后,在空载的情况下使发动机表2负载条件下的联机试验结果的转速稳定在700m,对使用了本空燃比控制系测量项目原发动机数据联机试验后数据统的各缸排气温度进行测量,并对空燃比控制系统燃然气压力(MPa)的各项参数进行修改优化。如果各缸排气温度较未燃气温度(℃)加装本空燃比控制系统之前有所降低,则说明发动机气缸内燃料燃烧更为充分均匀,空燃比控制系统空气压力(MPa)起到了对空燃比的优化控制,试验结果见表1。发动机转速(mn)1500表1空载条件下的联机试验结果各缸平均排气温度(℃)530测量项目原发动机数据联机试验后数据各缸排气温度最大差值(℃燃气压力(MPa)燃气温度(℃)空气压力(MPa)570■原发动机数据发动机转速(mm)排550口调试后数据各缸平均排气温度(℃)540各缸排气温度温530度520510■原发动机数据排口调试后数据气温3气缸序号图9负载条件下各缸排气温度对比图负载条件下,联机试验的试验结果如表2、图109所示。试验结果表明,发动机各缸的排气温度均有所下降,空燃比控制系统也达到了预期的控制效气缸序号果8空载条件下各缸排气温度对比图中国煤化工空载条件下,联机试验的试验结果如表1、图4CNMHG8所示。试验结果表明,发动机各缸的排气温度均本文设计了一种适合低浓度乙醇重整燃料发动有所下降,空燃比控制系统达到了预期的控制效机的空燃比控制系统,控制效果良好,发动机各缸果排气温度都有所降低。然而,随着近些年控制技术浙江交通职业技术学院学报的不断发展,越来越多的先进控制理论被应用于汽糊控制技术等,这些新技术的不断成熟,将推动空车发动机空燃比的控制中,如基于神经网络和模糊燃比控制技术的更新换代,同时也为本空燃比控制控制的智能PD控制技术、具有自动调整因子的模系统的改进指引了方向。参考文献□]孟嗣宗,郭少平发动机精确空燃比控制方法的研究].内燃机工程,199,20(2):70-752]夏渊,刘建华,张欣,等,发动机空燃比控制策略的研究[],汽车工程,2002,24(1):32-36阝3]赵海艳.天然气发动机空燃比控制系统研究与开发[D].济南:山东大学,20124]刘一鸣,王优生,滕勤,等,煤层气发动机空燃比控制方法与策略的研究冂].小型内燃机与摩托车,2007,36(5):5]吕剑虹,陈来九·模糊P控制器及在汽温控制系统中的应用研究卩.中国电机工程学报,195,15(1):16-26] Hecht-Nielsen R Theory of the backpropagation neural network [C]. 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The result of the experiment demonstrates that this Airfuel ratio Control system achieves the desired effect, reduces the teperature of the engine exhaust gas and improves the fuel efficiency of the engineKey words: low concentration alcohol reforming; airfuel ratio; control system; design and test中国煤化工CNMHG