两用燃料车的改装设计

两用燃料车的改装设计 河北农业大学 硕士学位 CNG/汽油两用燃料汽车的改装设计 姓名:徐利娜 申请学位级别:硕士 专业:农业电气化与自动化 指导教师:贾兰英 20080610 摘要 随着汽车工业的快速发展以及汽车保有量的不断增加，汽车工业在给社 会带来重 大变革的同时，也带来了能源危机、大气污染等严重问。发展代用燃料汽车已经成 为节能与环保的有效途径之一。 CNG是清洁燃料，在发动机应用中相对于汽油燃料具有排放性好和经济性高的 优势。而且我国的天然气储量巨大。在汽车中应用CNG燃料，可以充分利用现有的 资源，减轻汽车的尾气排放并提高车辆运营的经济性。 限于我国汽车工业的发展，CNG燃料的应用研究尚处于起步阶段，专用的CNG 燃料发动机尚不多见，CNG加气站等配套设施也不完善。因此借助汽油机进行CNG 燃料的应用研究，开发CNG和汽油两用燃料的发动机系统具有重大现实意义。 本文进行了大量的工作，主要工作如下: 首先分析了CNG和汽油燃料在应用特性上的差别以及CNG,汽油两用燃 料汽车的 优点，提出了基于捷达ATK发动机的两用燃料发动机系统实现。 介绍了两用燃料发动机系统中重要的传感器并分析了其信号特性，提出 了各个信 号的调理方式和处理逻辑，并以此设计了硬件的接口电路;根据CNG和汽油喷射阀 的特性，设计了相关的驱动电路，实现了CNG和汽油喷射阀的可靠驱动，并重点介 绍了点火控制系统和转换开关控制系统。 论文针对采用电控多点顺序喷射系统的CNG,汽油两用燃料发动机，根据天然气 辛烷值高以及火焰传播速度慢的特点，采用增大点火提前角的方法来提高发动机的动( 力性能;搭建了试验平台对不同工况下点火提前角的实施进行了试验;通过试验数据 的对比分析，以排放最低为优化目标确定了怠速工况下的点火提前角调整方 案，以输 出转矩最大为优化目标确定了稳态工况下的点火提前角调整方案;最后通过排放数据 的对比分析得出，两用燃料发动机使用天然气时，排放物中的CO受点火提 前角影响 不明显，HC、NOx受点火提前角影响明显，点火提前角的调整恰当会大大降低HC、 NOx浓度。 关键词:两用燃料发动机;压缩天然气;排放;点火提前角 ofthe flexibleautomobile Re-equippingdesign CNG,gasoline Author:LinaXu Jia Tutor:Lan ying mechanization Specialty:Agricultural engineering Abstract and withthefast ofautomobileindustrialthecontinual Along development increase retain revolutionto the ofautomobile quantity，whichbringimportance society，at sametime，alsoalotof as bring severityproblem，suchenergycrisis， atmospherepollution( automobilesubstitutecleanhasbecomeoneofthe conservationand Seeking fuel energy environmentalefficient protectionpaths( less andratherlowexhaust Asa features greenfuel，CNG expense pollution to inthe fuel our has natural comparedgasolineengineapplication(Andcountrylarge gas in CNGautomotivescould utilizethenatural storage(Thus，applying fully gasresource; reducetheexhaust and ofthevehicles( pollutionoperatingexpense TheresearchofCNG is startedduetotheautomotive applicationjust industry forCNGarerareandtheCNG domestic(Enginesspeciallydesigned stations development arenot established(Sooutthe researchofCNGbasedon fully carrying application and Flexiblefuel for and has CNG gasolineenginesdeveloping enginesystem gasoline significance( great nemassiveworkaredone，Thetaskisasfollows: prime differencesbetweenCNGand inthe characteristic Firstly,the gasolineapplication and dual automobile’Shavebeen fuel merit thenthe CNG,gasolinepurpose analyzed(And basedonJETTAATK Flexiblefuelhasbeen systemplan engine’S Proposed( tonaturalmotorCar dual fuel Through gas enginesystem’Sanalysis，thepurpose automobile’Soverall been basedonthefactthatAir-fuel re―equippingplan(hasproposed ratioandSimulatorhadbeenknown( forsensor are and Handlinglogics signals relatedhardwareinterfaces developed are basedonthe of sensorsandtheir designed analysisimportant signalcharacteristic;the and CNGand characteristictheirdemandfor circuitisintroduced( gasolineinjector driving circuitsare drivethe the Injectordriving designed，whichinjectorsproperly(Andpaper and introducedthe control the switchcontrol with ignition system change??over system emphasis( Tllis dualfuel whichworksin paperregardsCNG,gasolineengine Electrically controlled order tothe thatThenatural multi―spotinjectionsystem，accordingtheory gas octanevalueis aswellastheflame is the high velocity methodof propagationslow，，adopt Increasesthe ofadvance(the hasbeenBuiltwhich ignitionangle experimentedplatform Examinesthe of ofadvanceinthedifferent plan angle Ignition ofthe of datum,砀e advance schemehasbeen analysis Empirical angle adjustment determinedwhichTakethelowestemissionsasthe under situation goal Idlingregime and 111e of schemehasbeen advance determinedwhich嘲 etheimum angle adjustment asthe understablestate the contrastiveofthe outputtorque goal situation(Finally analysis data emissions thatWhendual fuel usenatural influence explains purposeengine gas，the of to in advanceadvanceiSnotobviousC0exhaustemissionaswellasthe ignition angle influenceof advanceisobviousto inexhaust The ignition angle HC,NOx emission，but ofadvance’S will ustmentreduce ignitionangle appropriateadj HC，theNOx density greatly Flexible words: Key Fuel Advance Engine;CNG;IgnitionAngle;Exhaust emissions( 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得泣皇垦盔些盘堂或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名:绷_叶签字日期:沙?年岁月p日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑墨垦壑些叁堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权塑皇垦壑些盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名:徐而呷 导师签名:中萎墼 签字日期:?羽年石月6日 签字日期:蜥衫月‖日 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 电话: 通讯地址: 邮编: CNG,汽油两用燃料汽车的改装设计 1绪论 1(1课题背景 随着世界各国对汽车尾气排放污染的重视，日益严格的排放依次出台，各国 投入大量的人力物力财力进行发动机技术的更新和清洁能源的开发。 计算机控制技术的发展给汽车行业带来了一场革命，通过应用基于高速微处理器 系统的电控燃油喷射技术，发动机的喷油时刻、喷油量和点火时刻的精确控制成为现 实。在不改变原发动机结构的情况下，电喷系统的应用可以使燃料获得充足的氧气， 进而在气缸内充分燃烧，在减轻尾气排放同时提高燃料效率，提升发动机的功率和扭 矩，降低了燃料消耗;喷油量的精确控制使每个气缸进入的燃料量可以在很大程度上 保持一致，在做功过程中保持平衡，降低了工作过程中的震动和噪声，发动机工作的 平顺性更好。 自20世纪80年代以来，电控燃油喷射系统以燃油经济性、排放环保性和对发动 机性能的大幅提升等种种优势开始逐渐取代化油器系统，应用在美、日、欧洲的车用 汽油机上。1995年后，国外几乎所有的新生产汽车都采用了电控燃油喷射系统。目 前，国外的汽车生产商制造的进气道多点喷射系统已经比较完善，正积极开 发缸内直 喷技术和高压共轨的柴油机电喷技术。 在另一方面，无论是工业生产还是社会生活，现代社会的每个角落都留 下了石油 化工的印记。极大依赖石油化工的现代社会的发展，使世界上石油类化石燃料的消耗 量增长迅速，石油的稳定供给成为,个国家的战略性问题。在倡导生态环保的21世 纪，清洁能源将大行其道，石油能源的地位将会受到挑战。在此情况下，各国积极投 入到清洁环保能源的研究发展中，出现了以太阳能和燃料电池电能驱动的概念汽车。 但太阳能和燃料电池技术的发展还远不成熟，在相当长的一段时间内，石油能源驱动 的车辆依然会普遍存在并占统治地位，替代燃料或者混合燃料应用的研究将是现阶段 的主要研究方向。 CNG化学性质稳定，着火范围较窄，过浓或过稀都不易点燃;辛烷值较高 120 以上，汽油为102―105 ，抗爆性能好，可以通过提高发动机的压缩比来提升CNG发 动机的功率;但CNG的自燃温度高，火焰传播速度慢，会导致发动机的热效率下降n1。 实验表明?，在将发动机改装使用CNG燃料后，尾气排放中的HC、C0和N0分别相当 于使用汽油的26(1,、16(9,和23(6,。而且，CNG燃料具有相对低廉的价格，每立方 米天然气的价格约为每升汽油的一半。在国内石油资源短缺而天然气资源相对丰富的 情况下，为了获得较好的经济性并保证尾气的排放，国内大学和企业纷纷进行CNG 燃料的应用研究。 然而在我国有很多的不利因素在制约着我国燃气汽车的发展:燃气资源的限制， 河北农业大学硕十学位论文 加气站基础设施的建设，政府政策的支持等等。虽然目前全国燃气汽车发展 状况很不 平衡，在我国政府意识到与国际的差距后在政策方面也做出了积极的响应:为领导和 推动我国燃气汽车行业健康而有序的发展，由国家科委组织，成立了由有关部门组成 的全国燃气汽车工作协调领导小组，后改为清洁汽车协调领导小组，对燃气汽车的发 展进行协调和指导。领导小组确定了清洁汽车行动大纲，提出大力推广代用燃料汽车， 首先在占汽车保有量10,，占汽车总运行里程约40,-50,的公共汽车和出租车行业， 推广燃气汽车和其它代用燃料汽车，加快燃气加气站等配套基础设施的建设，在确保 运行安全的基础上鼓励油气合一，减少城市占地，降低建站和运营成本。并确定了北 京，上海，重庆，哈尔滨，长春，西安，乌鲁木齐，四川川中地区，广州，深圳，海 南等12个城市”空气净化工程一清洁汽车行动”试点示范城市，开展燃气汽车的推广应 用试点工作，积极稳妥的推进燃气汽车的发展。 1(2天然气汽车的特性及相关技术现状 天然气汽车所使用的压缩天然气是指主要由甲烷构成的天然气25MPa左右的压 力下储存在车内类似于油箱的气瓶内，用作汽车燃料。天然气是世界上公认的优质燃 料之一，它燃烧稳定、安全、比空气轻。以天然气代替汽车用油，可显著降低尾气的 污染，对改善空气质量有积极的环保效应。 1(2(1天然气汽车的主要性能指标 以天然气气作为汽车燃料有以下性能指标乜4|: a动力性能 天然气的理论空燃比为10:1，在进入发动机时，天然气将占有约10,的体积空 间，导致吸入发动机的空气量减少约10,，进气效率下降，从而引起动力性的下降; 与使用汽油相比，使用CNG时的动力性下降约15,。 b燃烧性能 由于气体燃料的能量密度低，一般行驶距离较汽油车短。由于气体燃料在汽缸中 的可燃混合气里占有一定的容积，在同样的汽缸工作容积下，用天然气作燃料时作的 功少。而目前用的天然气发动机大多是由原汽油机改装的，因而汽油汽车在改用天然 气后功率往往会下降10,,20,左右。 c抗爆能力: 天然气作为汽车的燃料不会稀释润滑油，因而使发动机汽缸内的零件磨 损大大减 少，使发动机的寿命和润滑油的使用期限大幅度增长。 1(2(2天然气汽车相关技术现状 Control 发动机系统中传感器、执行器、相关的燃料供给设备与ECU Engine 2 CNG,汽油两用燃料汽车的改装设计 Unit 和运行于ECU之上的、进行发动机管理的软件构成了发动机管理系统。 目前，在发动机管理的核心技术基本由国外公司掌握，发动机管理系统的市场也 由国外公司垄断。全球发动机管理系统市场中95,的份额由德国博世、西门子VD0、 德尔福、摩托罗拉和日本电装等几家大公司占有;国内市场70,被博世、 德尔福和日 本电装三家公司占有，剩下的30,也被西门子VD0、摩托罗拉和玛瑞利等国外厂商所 瓜分四。 在ECU硬件技术上，国外厂商微控制器和微处理器的应用、传感器信号处理方式 和执行器的驱动方式非常成熟，为了减小ECU的体积并提高系统的可靠性，国外厂商 开发了专用的转速、爆震等传感器信号处理的专用集成电路，如Bosch公司的磁电式 转速传感器CY30口1、爆震传感器信号调理芯片CCl95协1等。 国内大学的应用研究主要集中在ECU硬件技术、点火正时和空燃比控制、稀薄燃 烧技术、两用燃料的应用等几个方面。在ECU技术方面，清华大学、北方交通大学、 北京理工大学、浙江大学、哈尔滨工程大学走在国内高校的前列，进行诸多 的应用研 究。其中清华大学在应用研究上较为领先，其研制的共轨系统高速电磁阀驱动模块， 可进行高压柴油的预喷射、主喷射和后喷射，达到了柴油机高压共轨燃油喷射系统的 要求口?10m?。其他高校ECU技术方面的研究n2儿13】【143，从功能上看，大多属于实验研究， 主控制器速度较慢，软件功能相对简单;ECU作为进行某个发动机管理算法验证的实 验平台，不具备实现完整的发动机管理所需要的全部功能，在实验中处于从属地位。 i(3天然气汽车的安全性 首先，从燃料本身的特点来说，天然气的燃点一般在650?以上，而汽油为427 ?。天然气比汽油高出200?以上，这说明天然气不像汽油那样容易被点燃。其次天 ,,15,，而汽油是1,,7,。即大气然气在空气中燃烧时的体积界限是5 中有1,的汽 油浓度就很容易发生着火爆炸。天然气要比汽油好的多，因为它要积累到5,才到达 它的燃烧下限。更重要的是天然气比空气轻，其密度只是空气的55,，稍有泄漏，很 容易向大气中扩散，不至于达到低燃烧界限。使用时还要在天然气里放加臭剂以提高 对天然气泄漏的及早发现，从而采取预防措施。最重要的是，天然气在空气中的比例 即使达到爆炸极限度，没有火源也不会发生爆炸。所以在存放天然气的地方必须严禁 烟火。 其次，天然气发动机的燃料系统所用元器件不多，主要是一些开关和减 压阀、混 合器等，这些部件的关键是密封问题。选材、加工、安装、高度等都是在严格的质量 保证的条件下进行的，不应有安全问题。在天然气汽车加气装置中，有自动 定压、定 温控制和断流截止阀。汽车上的油气转换开关能使发动机在停车后自动关闭油、气供 应。 此外，气瓶还装有安全阀，其内装有100"C的易熔合金和26Mpa的爆破片。当气 3 河北农业大学硕士学位论文 瓶内气体压力、温度超过上述数值时会自动放气。 虽然压缩开然汽车发展时间还不 长，但现在世界上也有约100多万辆CNG汽车，还没有见到在运行中因交通 事故引起 气瓶爆炸失火的记录。因此压缩天然气汽车比汽油汽车更加安全。 (4国内外燃气技术发展及用现状 1 1(4(1国外燃气技术发展及应用现状 下面从两个大方面来认识一下国外有关燃气汽车的技术九的发展情况: 1 排放法规限值越来越严 随着汽车工业的快速发展，汽车的生产量和保有量急剧增加，汽车排放污染已成 为大气污染最主要的根源，严重地危害着人类的健康。据研究，目前大气中38(5,的一 的CO、87,的HC、55,的NOx来自汽车废气排放。因此解决汽车排放对环境污染的危 害，已成为世界各国多年来研究的最重要课题之一。 美、日、西欧等发达国家和地区，在汽车排放控制技术的研究与应用方面，已远 远走在中国的前列。如欧盟国家的乘用车，早在1993年就实行了欧I标准、1997年 NO, 要比2001年下降30,。这这个指标还会进一步下降，其中氮氧化物 个过程，而 汽车排放控制技术及相关技术必须与其同步进行。 2 汽车环保技术的研发及应用速度加快 近年汽车技术要解决的首要问题之一就是降低汽车污染对环境的冲击。一般情况 下，这同节约能源相互矛盾，但有时，却是辨证的统一，如降低汽车油耗，就可减少 C02排出，从而改善地球温室效应。总之，在地区和全球环境保护，诸如:减缓全球温 度变暖、控制汽车排放、降低汽车噪声和废旧车 ELV 回收处理等方面，加快应用现 成的先进技术和研发新的技术以满足相关法规要求，是近年及未来一定时期内世界各 大汽车企业的最紧迫课题。 3 促进报废车的回收和再利用 当汽车不能再使用时，作为报废车由用户交给经销商或维修站，然后用处理机 如 切碎机 拆卸并销毁。有用的部件、含铁和非铁质金属等被回收再利用，剩余的作为碎 屑被处理掉。因此，促进ELV回收对有效利用资源非常重要。另外，因ELV中存在危及 环境的材料 如:铅和其它重金属 ，故需防止它们在处理时释放出有毒物。 美国、欧洲、日本等发达国家和地区早在上世纪90年代就提出，采取报废车回 4 CNG,汽油两用燃料汽车的改装设计 收措施争取2010年前后使它的回收率达到90,以上;近年又提出在2025年前后实现 报废车的回收率100,。为了实现这些目标，在汽车设计阶段就考虑回收办法是必须的， 同时还应引入有效处理和加工技术的新理念。 4 降低汽车噪声污染 随着国外噪声法规的日趋严格，对汽车噪声已采取了一系列控制措施。然而，发动 机缸体、活塞敲击以及冷却和进气系统等均有进一步改进的潜力。 美国、欧洲、日本等发达国家和地区为了达到2010年实施的汽车噪声法规要求， 目前及未来5年，主要考虑研发并应用降噪技术: 一些大型汽车上已安装了发动机 罩盖和底壳，这些装置的应用领域正不断扩大并同时开发其它抑制装置。此外，进一 步改进轮胎花纹和轮胎结构以减少轮胎噪声;为了降低动力噪声，更重要的未来技术 是降低排气系统表面辐射噪声和提高激光消声能力。 通过以上汽车和道路基础设施上的噪声控制，行驶中的汽车噪声可望在未来3, 5年内降低2,3分贝甚至更多。 1(4(2我国燃气技术发展及应用现状 相对于国外NG燃料的应用研究，国内研究起步较晚，与国外技术差距较大，研 究力量较为分散，主要集中在北京理工大学、北方交通大学、哈尔滨工程大学和西安 交通大学等几所高校，未能有效与相关产业联合，将研究成果更多的转化为实际的产 品，推动我国在此领域的发展。 目前国内主要进行应用NG燃料的基础研究，表现在两用燃料的应用方式、应用 NG燃料后发动机特性和排放的研究及两用燃料发动机的应用改装等几个方面。 在国内NG燃料的应用实验过程中，通常改装的发动机仅在原发动机的基础上增 G燃料的改动，不改变压缩比，在使加供气设备，未对气缸结构做出适合CN 用CNG 燃料后可以在中低负荷的情况下获得清洁的排放。但气态CNG燃料喷射到进气歧管 内，最终会占用一定的气缸容积，导致气缸中空气充气量下降，造成10,以上的动力 损失乜1。LNG的缸内高压直喷技术可以避免燃料喷射过程中气缸充气量下降的问题， 提高发动机的功率;且LNG在液化的过程中可以分离其他杂质成分，使甲烷含量可以 达到99,，极大地减少了燃烧过程中含硫气体对气缸的腐蚀，代表了NG应用技术未 来发展方向。LNG技术的应用在国内还处于刚起步的阶段，目前还集中在初期的外围 设备的研究，重点在于解决LNG的储运问题，仅有北京理工大学进行了LNG车用技术 的研究并设计了用于LNG发动机的电喷控制系统D】。 用燃料、CNG单燃料、柴油和CNG两用燃料汽车 达到了105700辆，其中将原有的 汽油发动机在不改变结构的前提下通过加装供气改装为可以使用CNG和汽油的两用 燃料汽车占据了90,，普遍出现于城市公共交通车辆和出租车的CNG燃料应用改装上 H1;对于NG发动机技术的应用，国内仅有东风汽车公司研制生产了在EDQ系列增压 5 河北农业大学硕十学位论文 中冷柴油发动机基础上改装的CNG专用发动机，并进行了小批量的量产。但其技术水 平相对落后，虽使用了稀燃技术可以减轻排放，但仅使用了单点CNG喷射、混合器缸 外燃气混合和开环的空燃比控制，不能精确的闭环控制喷射到每个气缸的燃 料量，排 放仅达到欧II标准峪1。 在我国汽车行业首先是排放法规限值与同期国外水平差距明显:近年来，我国汽 车行业发展迅速，汽车排放污染已经成为中国城市大气污染的重要因素。为改良大气 环境，我国从2000年开始控制机动车尾气排放，实施相当于欧I标准的国家第一阶 段排放标准 简称“国I’’ ，2004年开始实施相当于欧II标准的第二阶段排放标准 简称“国II" 。就时间表来看乜阳，目前我国已落后于欧洲7年，落后于美国更多。 其次是汽车环保关键技术的研发及应用速度相对缓慢。 另外汽车尾气排放、噪声控制以及报废车的回收和再利用等环保关键技术的研发 与应用速度相比较而言比较缓慢、落后。 1(5进行天然气燃气汽车改装研究的意义 我国是贫油富气的国家，石油储量有限。1993年已成为石油净进口国，2000年 国际安全警戒线。这一状况引起国家的高度重视，采取措施建立国家能源安全体制和 石油储备体系，同时加速发展石油替代产业。充分利用天然气就是战略发展的一部分。 我国天然气资源量区域主要分布在我国的中西盆地。同时，我国还具有主要富集 于华北地区非常规的煤层气远景资源。 经过十几年的艰苦勘探，成果已清晰地展现在世人面前。它表明，在我国的土地 和海域下，蕴藏着十分丰富的天然气资源。专家预测，资源总量可达40― 60多万 亿立方米，是一个天然气资源大国。勘探领域广阔，潜力巨大，前景十分美好。 与我国天然气资源量的情况相比我国的天然气开采情况:近年来，我国天然气虽 然在不断加速发展，但无论是在绝对产量、速度增长，还是在能源构成中的比例，都 远远落后于发达国家。这与我们这样一个人口众多的资源大国的地位极不相称。随着 天然气工业的快速发展，产量和消费量不断增长，它们在我国一次能源生产和消费结 构中所占的比重将会发生变化。2003年我国天然气的产量在一次能源生产结构中占 2(8,，消费量在一次能源消费结构中占2(7,。预计划2020年产量在一次能源生产结 构中所占比重上升至6(1,，消费量在一次能源消费结构中所占比重上升至8(7,。这 将导致我国的能源结构逐步得到改善?1。 在我国存在着,种石油资源不足，天然气资源丰富但开采量不足的现 象。 中国地域辽阔，各地可利用的能源都有其个性。中国根据自己的国情和技术状况， 一方面加紧多能源汽车的科研攻关，另外，在近阶段利用醇类和天然气 包括液化石 油气 汽车的成熟技术已具备产业化和推广应用条件，成本低廉易于推广，对减少大 6 CNG,汽油两用燃料汽车的改装设计 气污染改善环境十分有利。根据能源特点具有长期发展的资源优势，具有较大发展空 间。 一 然而，由于各种原因中国目前燃气汽车技术相对落后，所以国内燃气汽 车的改装 大部分都是引进国外的一些技术和设备来改装国内的汽车为燃气汽车。由于引进的国 外技术和设备与目前国际标准比较相对落后，从而给国内带来很多不便，也 产生很多 问题:改装后燃气汽车尾气排放达不到先进的国际标准，导致影响国内环境，加速了 环境的污染速度;由于引进的设备有时并不能保证零部件的质量所以会对改装后的车 辆质量有很大的影响，影响车辆的驾驶质量、寿命和尾气排放不达标等等问题;另外， 我国国内的具体路况，车况、油况与国外可能有很大差别，这就导致引进国外技术和 设比后改装车辆一旦出现问题:诸如需要维修和换零件托等问题时，只能求助于国外。 这不仅给我国的燃气改装车带来极大的不便，也会对国内燃气汽车的推广产生一定的 阻力。 所以自主研究一种天然气,汽油两用燃料汽车的改装对我国的燃气汽 车的使用和 推广都有一定的意义。本文就是根据以上的情况，针对天然气,汽油两用燃料汽车的 改装后尾气排放是否达标问题，结合国内的一些具体情况，进行了,些改装车辆的硬 件和软件方面的研究工作。 1(6本文的主要工作 我国国土天然气蕴藏量巨大，城市中CNG加气站设施较为完备，为CNG汽车的发 展提供了较大的空间。加装传统的改装设备后，两用燃料汽车普遍只具有单独使用 CNG燃料和单独使用汽油燃料两种工作模式。在发动机使用CNG燃料时，功率普遍下 降，且较高的负荷下排放变差，CO、Nox等气体浓度甚至超过使用汽油燃料时的排放 值。在中低负荷的情况下使用CNG燃料，在高负荷的情况下使用汽油或者汽 油和CNG 61。 的复合燃料，不仅可以保持发动机的动力性，还可以使尾气排放维持在较低的水平n 因此，进行使用天然气和汽油为燃料的两用燃料发动机专用控制系统研究，以提高当 前两用燃料汽车中发动机管理水平、提升发动机的动力性能同时最大限度的减轻尾气 排放、充分利用我国的天然气资源，在当前具有重大的现实意义。 目前我国国内汽油发动机动力车辆保有量巨大，特别是每年新增的轻型车辆中， 仅部分的皮卡和SUV使用高压共轨柴油机作为动力。车辆市场发展的现状决定了基于 汽油机基础之上的两用燃料应用有着广阔的市场前景和发展空间。 此外，轻型车辆用的汽油发动机管理技术发展比较成熟，如精确空燃比 控制、废 气再循环控制、可变气门升程和可变配气相位控制、缸内汽油直喷等，可以综合的将 多种先进的发动机管理技术应用到两用燃料发动机的管理中，提高发动机的综合性 能。 鉴于以上的情况，本论文的工作就是在深入研究和了解了改装两用燃料汽车的基 7 河北农业大学硕十学位论文 础上，针对国内的捷达车型，进行天然气,汽油两用燃料汽车的改装进行研究。为了 能够实现自主设计电子控制两用燃料汽车并且使改装后的燃气汽车排放的尾气能够 达标，本文作了大量的相关工作。具体工作如下: 1首先分析天然气燃气汽车的特性，针对国内外的燃气汽车发展状况，提出研究 我国天然气两用燃料汽车改装的意义。 2根据国内外汽车发展形势，选用芯片，进行燃气汽车改装的软硬件设计。其中 包括:芯片的选择，改装车辆的硬件设计，软件设计，抗干扰电路设计等。 3在最后的实验中对自主设计的电子控制设备进行了汽车在不同负荷情况下的 尾气的检测。 4最后展望了国际的一些先进燃气汽车的发展方向。 8 CNG,汽油两用燃料汽车的改装设计 2两用燃料汽车电控系统的总体设计 2(1两用燃料发动机系统设计要求 对于汽油机基础之上的两用燃料发动机及其管理系统，存在以下设计的要求: 1两用燃料发动机系统在原有汽油发动机系统上进行改装，改装后的发动机可以 使用天然气或者汽油作为燃料且改装后的两用燃料发动机系统具有良好的综合性能。 2ECU硬件可以连接两用燃料发动机系统中的关键传感器，如氧传感器和爆震传 感器，可以驱动汽油、CNG燃料喷射阀和火花塞进行精确的燃料喷射控制和点火时刻 的控制。 3ECU硬件可以在发动机管理系统软件的控制下实现两用燃料发动机管理的基本 功能，使用人员能在CNG和汽油两种运行模式之间方便地进行切换。 在确定了供气系统的总体方案之后，为实现天然气的精确控制，需要根据天然气 ,汽车两用燃料汽车发动机的实际运行环境，完成对控制系统对硬件和软件的设计。 2(2CNG和汽油特性对比 Natural CNG CompressedGas 是经过了干燥、净化和压缩等处理后的高压气 成成分为83(4,CH4、0(8,N2、15(8,C:H6的CNG，其特性如下表所示: 表1CNG和汽油特性对比“钉 TablCharacteristiccontrastofCNGand gasoline CNG燃料相对于汽油具有较高的辛烷值，抗爆性更好。因此CNG可以应用在气缸 压缩比未经过改动的汽油机上而在同样的点火提前角下不会频繁的出现爆震。 -2(1动力性比较 2 在对比CNG和汽油燃料的应用时，动力性是需要考虑的首要方面。在内燃机理论 中，常用有效功率和有效转矩来衡量发动机的动力性能。 在不改变原有汽油发动机结构的情况下，分别使用汽油和CNG燃料按照理论空燃 比进行工作时，发动机气缸的平均有效压力由燃料低热值、空气量和发动机充排气效 率等参数决定。 9 河北农业大学硕十学位论文 天然气本身的热值比汽油稍高，但在形成混合气体时，因为空燃比的不 同，CNG 充分燃烧需要更多的空气，天然气和空气混合气体的热值相对于汽油和空气混合气体 的热值低，导致混合气体在做功过程中气缸压力下降，造成发动机功率和转 矩的下降。 虽然CNG燃料的理论热值比汽油高约11,，但在与空气形成混合燃气后，混合气 的热值下降约8,，直接导致在使用CNG燃料时发动机的功率下降。 天然气在混合燃气中占有一定的体积，会造成发动机充气效率下降。此外，燃气 发动机的有效热效率只有燃油发动机热效率的92,一96(6,。 综合以上多种因素，在不改变原有汽油发动机结构的情况下直接应用CNG燃料 时，发动机功率会相对于汽油下降9,一15,。 2(2(2燃烧特性比较 甲烷的化学性质比较稳定，其着火温度通常要较汽油高200多摄氏度，点火系统 需要较汽油发动机系统输出更多的能量保证在使用CNG燃料时可靠的点火。 此外，CNG和空气的混合气燃烧速度较慢。实验表明n8l:在过量空气系数为 气混合气的层流火焰速度39―47cm,s要低得多;CNG与空气的混合气的急燃期较汽油 空气混合气的急燃期长60,左右。因此，在同等条件下，CNG燃料燃烧时完全做功所 需的时间较汽油燃料更长。在发动机工作过程中气缸压力和温度上升缓慢，最大气缸 压力出现在上止点后，在燃料能量尚未完全释放的情况下气缸进入排气冲程，导致发 动机效率下降、排气温度和排气压力升高。CNG因其具有较长的急燃期，不适合作为 高速内燃机的燃料。 使用CNG燃料时最大气缸压力出现在上止点位置，可以充分利用燃料能量，提高 工作过程中气缸的最大压力，在部分程度上恢复CNG发动机的动力n引。在 使用CNG 燃料时，通过增大点火提前角，对气缸内的混合燃气进行提前点燃，或者增大点火能 量，加快CNG的燃烧速度，可以使最大气缸压力点提前出现。点火能量的增大使CNG 燃烧速度加快，有助于减小点火提前角u引。 此外，CNG空气混合气具有较宽的发火界限，在过量空气系数0(58―1(8之间均 可燃烧。利用CNG燃料的这一特点，在发动机负荷较轻的情况下可以采用稀薄燃烧， 即利用大于理论空燃比的空气量与CNG燃料混合燃烧，提高发动机在中小负荷条件下 的燃料经济性。 2(3天然气汽车的发动机系统分析 天然气汽车是指以天然气作为燃料的汽车。按照汽车发动机燃料供给系统天然气 汽车可以分为三类:单燃料汽车，天然气,汽油两用燃料汽车;天然气,柴 油双燃料汽 lO CNGI"汽油两用燃料汽车的改装设计 嘘:【35】【37】 ―t( o 单燃料 天然气 汽车:其发动机的燃料供给系统专为燃用天然气燃料而设计， 其结构保证气体燃料能有效得到利用。 天然气,汽油两用燃料汽车:该类汽车可以在两种燃料中进行转换使用，装配有 两套燃料供给系统，无论是使用天然气还是汽油，发动机都能正常工作，利 用选择开 关实现发动机从一种燃料到另一种燃料的转换，但是两种燃料不允许同时混合使用。 天然气,柴油双燃料汽车:当汽车发动机工作处于双燃料状态时，用压燃的少量 柴油引燃天然气与空气的混合气体而实现燃烧，对外做功。该中汽车发动机也可以用 纯柴油工作。因此，该系统有同时供给两种燃料的装备，配备两个供给系统及两个独 立的燃料存储次同。依据发动机的运行工况，燃料品质和发动机参数，按比例向发动 机供给天然气和柴油。低负荷和怠速时自动转换到纯柴油工作方式。 由于目前世界各国天然气加气站没有形成网络，所以压缩天然气汽车大部分是在 汽油机或柴油机的基础上改造的两用燃料汽车，目前广泛使用的就是这类两用燃料汽 车‘2引。 2(3(1单燃料 天然气 汽车发动机系统 以天然气为单一燃料，是在充分发挥天然气特性的基础之上，对发动 机自身结构 进行了针对性的改造，使其整体性得到大大的提高。为了使用天然气作为燃料，首先 对发动机的进气系统及燃料供给系统进行了改装，去掉了原汽油机的汽油箱，汽油滤 清器等部件，加装了天然气喷射系统装置，其工作示意简图如下: 氧传感器 CNG瓶r1减压阀 气体喷射 ―――(1电磁阀一 驱动电路 捧气进程传感器 控制器 气体 点火驱 转速传感器 动电路 喷盟 汽缸 节气们传感器 图1单燃料汽车发动机工作简图 l of fuelautomobile’S FigdiagramSingle engine 发动机工作时，天然气气瓶内的高压天然气经过过滤、减压，压力降至喷射压力， 气体喷射器定时定量将天然气喷入进气道，与空气初步混合后进入汽缸，并在压缩过 程中进一步混合均匀。 2(3(2天然气,汽油两用燃料汽车发动机系统 天然气,汽油两用燃料汽车在保留原车供有供油系统的情况下，增加了一套天然 河北农业大学硕十学位论文 气型车用压缩天然气装置。该装置主要有以下3个系统组成:天然气储气系统，天然 气供气系统，油气燃料转换系统。 天然气储气系统:主要有充气阀、高压截止阀、天然气气瓶、高压管线、高压接 头、压力表、压力传感器及气量显示器组成。 天然气供气系统:主要有天然气高压电磁阀、三级组合减压阀、混合器等组成。 油气燃料转换系统:主要有三位油气转换开关、点火时间转换器、汽油电磁阀等 组成。 国内目前改装天然气发动机大多属于这一种，采用已定型的汽油机， 保留原机供 油系统，经改装增加一套压缩天然气的供给装置。 2(3(3天然气,柴油双燃料汽车发动机系统 天然气,柴油双燃料汽车是以压燃少量喷入汽缸内的柴油作为“引燃燃料”，天然 气作为主燃料，通过混合气或喷气阀喷入气道与空气混合进入汽缸，形成比较均匀的 混合气。它是一种包括扩散燃烧又包括预混合燃烧的复合燃烧方式。它的工作示意简 图如下: 线性 负荷 步进电机 阀 图2 天然气,柴油燃料汽车发动机工作简图 of fuelautomobile’s diesel CNG, Fi92diagram engine 当发动机工作时，天然气经电磁阀进入减压器，吸热膨胀至大气压力，再经线性 负荷阀和步进电机控制阀的节流控制进入混合器与空气混合，混合均匀的可燃气体最 后经过迸气管进入汽缸参与燃烧。柴油油量限制系统由只动空气压力继电器、电磁阀、 限位汽缸等组成，主要功能是根据电控单元的指令控制喷油泵齿杆的最大行程，以此 来调节引燃油量的大小。 电子控制系统由电控单元、转速传感器、进气压力传感器、进气温度 传感器、步 进电机等组成，根据发动机的转速，负荷及进气温度的变化控制步进电机阀，引燃油 量限制机构及其他电磁阀的工作。 12 CNG,汽油两用燃料汽乍的改装设计 2(4两用燃料汽车发动机系统实现的关键技术 在将汽油机基础上进行天然气和汽油两用燃料发动机系统实现时，通常在不改变 原有供油系统的情况下，增设储气瓶、减压阀等设备。通过减压阀的天然气按照一定 的方式与空气生成混合燃气，在气缸内燃烧做功，推动发动机运转。按照混合气生成 方式的不同，主要存在以下三种CNG燃料的供给方式:混合器方式、进气歧管多点喷 射方式、缸内燃料直接喷射方式。 根据以上分析的内容可以得知，使用CNG燃料时发动机气缸压力降低导致了发动 机动力性能的下降，其主要原因是CNG在混合气体中占用一定的体积幢"。 为了在保证尽量减少汽车尾气排放的同时尽可能提高使用CNG燃料时车辆的动 力性能，在两用燃料发动机系统实现过程中需要注意以下问题: 1 提高原有发动机的压缩比，以提高在压缩行程末端气缸内的压力，充分利 用天然气燃料辛烷值较高的特点，提升使用CNG燃料时的发动机扭矩和发动机的效率 【加】 0 2 采用合适的燃料供给的方式，使更多的空气进入气缸，提高发动机的充气 效率，从而提升使用CNG燃料时发动机的功率。采用进气歧管多点喷射或者缸内直喷 的方式，可以提高发动机的充气效率;采用涡轮增压的方式，可以提高进气 歧管内空 气的密度，进而提高发动机的充气效率，提升发动机的动力性能。 3 采用高能点火并在使用CNG燃料时适当增大点火提前角，提高活塞到达上 止点时气缸内的最大压力，减少使用CNG燃料时发动机的功率损失。 4 在发动机的经济性方面，在使用CNG燃料时可以采用稀薄燃烧的方式，即 在理论的空燃比基础上减少CNG燃料的喷射量，充分利用CNG燃料着火范围宽的特性， 提高发动机在中低负荷条件下的经济性。 2(5两用燃料发动机空燃比控制 空燃比是影响发动机性能的重要参数，发动机吸入的混合气中空气与燃料质量之 比称为空燃比，通常用入表示。对于汽车发动机的任一种燃料都需要在一定空燃比范 围内工作，超出这一范围混合气不容易燃烧，且会造成发动机动力下降， 排放偏高。 因此，精确合理的控制空燃比是发动机电子控制技术中的重要内容例汹1。空燃比控制 也因此成为发动机管理中首要的控制任务。 在发动机的工作中，空燃比控制可以分为开环空燃比控制和闭环空燃比控制两 种。在暖机启动、急加减速等工况中，发动机管理程序通过查找基本喷油MAP进行开 环的空燃比控制;在稳态工况下，发动机管理系统根据传感器的信号，对基本的喷油 MAP进行修正，进行闭环的空燃比控制。 河北农业大学硕士学位论文 2(5(1基本喷油脉宽的确定 在发动机工作过程中，为了将空燃比控制在理论空燃比附近，基本喷油脉宽由通 过进气歧管的空气的量决定。 对于发动机中进气量的测量，存在D型和L型两种方式: “D’’为德文“压力”的首字母，D型测量方式即速度密度测量方式。此方式通 过安装在进气歧管上的进气压力传感器检测进气压力，作为吸入空气的密度的判断依 据，并由此计算单位时间内吸入空气的质量。此时进气歧管压力作为控制喷油的主要 依据;进气温度作为辅助信号，对吸入空气的密度进行修正;节气门位置则作为负荷 的判定依据。 在自然吸气发动机中 非增压迸气发动机 ，发动机依靠活塞的运动在气缸和进 气歧管中产生一定的真空度，从而吸入空气。在节气门开度小时，单位时间进气量小， 进气歧管真空度高，按照理论空燃比控制，则采用较短的喷油脉宽;在节气门开度大 时，单位时间进气量大，进气歧管真空度低，则采用较长的喷油脉宽。 “L’’为德文“空气’’的首字母。L型测量方式即质量流量控制方式。此方式通 过空气流量计直接测量发动机吸入的控制量，测量的准确程度高于D型，可更精确的 进行空燃比控制。在应用中，常采用叶片式、热线式或是热膜式的空气流量计。但空 气流量计的造价相对于半导体进气歧管压力传感器较为昂贵，在某种程度上限制了其 应用。 2(5(2宽域空燃比传感器 传统的氧传感器输出信号的范围在0(1V-O(9V之间，当混合燃气为理论14(7的 空燃比时，氧传感器输出0(45V电压，因为它的特性曲线非常陡峭，当混 合燃气的空 燃比稍小于14(7时，氧传感器输出信号即跳变到0(6V-O(9V，当混合燃气的空燃比 稍大于14(7时，氧传感器输出信号即跳变到0(1V一0(3V。混合燃气空燃比的进一步 变化会导致氧传感器输出进入饱和状态，无法反映实际空燃比偏离理论空燃比的程度 [521 O 传统氧传感器可检测的范围较窄和输出信号的“开关”特性，决定了在空燃比控 制过程中，ECU只能根据氧传感器输出的信号逐步增减或者减少燃料喷射的脉冲宽 度，直到混合气浓度达到理论的空燃比。采用传统氧传感器时空燃比的控制过程较慢， 使得发动机的瞬态响应较差，也无法进一步提升尾气的排放。 此外，天然气 100,甲烷 理论空燃比为16(7。传统氧传感器较窄的特性使得在 使用天然气燃料时，混合燃气在空燃比16(7附近变化时，传感器输出电压的变化幅 度很小，难以进行有效的空燃比控制。 Band 宽域氧传感器 Wide Sensor 的工作曲线平滑，可以连续检测从 Oxygen lO至20的空燃比。当传感器输出的线性电压在2(5V时，空燃比就达到了理论空燃 14 CNG,汽油两用燃料汽车的改装设计 2。6模拟器 两用燃料发动机在使用燃气时，原发动机喷油器就停止喷油，但是原车 的发动机 仍在起作用，汽油ECU如果判断出喷油动作停止，将会诊断出故障并储存故障码，控 制发动机ECU按故障模式来工作，从而影响发动机的正常运转;另外当发动机工作时， 氧传感器会向原车电脑发出判定混合气浓稀的信号，然而在使用燃气的状态下，由于 理想空燃比比汽油的大，因此相等质量的燃气比汽油需要更多的空气进行充分燃烧， 即在使用燃气时，判定混合气浓稀的氧传感器电压信号比汽油大，因此燃气电脑需要 先判定混合气的浓稀状态，并将结果转化为相应的信号，再发送给汽油ECU，进而调 整相应的喷油时间及喷气时间。在燃气电喷系统中设计的模拟器的作用即是起到切断 汽油喷嘴信号并模拟汽油喷嘴正常工作和模拟氧传感器信号的作用口引。 模拟器的工作原理:对于电压型燃油喷头，串入的电阻R 5Ro Ro喷头电阻 。 当燃用CNG时，开关断开，通过喷头的电流I I。 I。为原车接线状态电流 。此时 流经喷头的电流太小，不足以吸动喷油头针阀，喷头不工作，但输入到原车电控单元 的电压信号仍是12V，实现对喷油器工作正常的电压信号模拟。下图为汽油喷嘴模拟 原理示意图: K 图3汽油喷嘴模拟原理示意图 ofGasolinenozzlesimulation Fi93diagram spray 2(7两用燃料汽车控制系统的改装 2(7(1两用燃料汽车控制系统的改装方案 两用燃料发动机的改装按燃气混合供给控制装置不同，分为开环混合气供气系 统、闭环带电控动力阀的混合气供气系统和电控然气喷射三大类m1。其中开环混合供 气系统是低成本解决方案，但是由于技术水平较低，控制精度较差，很难达到较高的 排放要求，汽车尾气排放不是很理想。所以为了达到更好的排放控制效果，必须采用 15 河北农业大学硕士学位论文 高成本解决方案。电控燃气喷射分为电控单点喷射和电控多点方式。目前国内外天然 气,汽油燃气改装车辆普遍采用混合器方式的闭环控制系统，匹配后的动力性、排放 性能、燃料经济性能等指标基本能够满足实用的要求。天然气电喷技术目前有了一定 的发展，如果采用多点喷射技术而且做好技术开发和优化匹配工作，就会收到很好的 效果。并且整个系统的成本、对原机的改造和开发难度、周期方面比较其他几个系统 方案很有优势幢副。改造其专用装置的不同之处主要体现在对混合气的形成方式，对混 合气浓度控制方式，以及是单点喷气控制，还是多点顺序喷气控制等少数部件上，其 他装置基本相同。大部分的两用燃料装置是针对化油器式发动机的改装，而对电子控 制喷射系统发动机改装研究较少。随着国家对化油器式轿车停止生产和销售政策的出 台，有必要对电喷发动机的两用燃料装置进一步研究。 根据目前国内燃气汽车改装的情况:大部分改装车都属于在原有车辆的发动机系 统之上加一套燃气设备改装为两用燃料汽车口51。 本次两用燃气汽车改装设计丛经济实用型、技术难度、尾气排放等方面的考虑， 在对国内捷达车发动机基础上，通过保留发动机原有供油系统，增加CNG储气、供气 装置和相应的传感器、执行器，并采用电控气体多点喷射技术为基础进行天然气,汽 油两用燃料汽车的改装研究。此次改装设计在原车的基础上: a 燃料供给系统的改造 气体燃料在蒸发调节器中经过调压、吸热、汽化后通过由步进电机控制阀门开度 的分配阀，经安装在进气歧管上的喷嘴与空气混合进入汽缸。 b 进排气系统的改进 在原车化油器处安装配套的节气门体，在其上加装节气门位置传感器，和进气歧， 管压力传感器，在排气歧管上加装开关型氧气传感器以实现空燃比的闭环控 制;在排 气管上加装三元催化转换器以进一步降低排气中的有害物质含量。另外，增加废气再 循环 EGR 控制系统，通过大量试验获取各种工况下的最佳EGR率，在保证燃气发 动机动力性能和经济性能的情况下，最大程度降低NO。排放量。 C 点火提前角 0 的优化调整 首先通过大量试验获取0数据，根据发动机性能要求进行优化处理，然后根据燃 料消耗量、废气和运行特性进行优化确定，最后以数据的形式存入电控单元的存储器 中，优化目标则根据发动机工况而选用不同的侧重面，怠速时目标是废气排 放值低， 运转平稳，燃料消耗量少，部分负荷时要求改善发动机的运转特性和降低燃料消耗量， 全负荷时要求提高最大扭矩，避免工作中出现爆震，加装爆震传感器。 d 提高压缩比系统改造 天然气的辛烷值高，抗爆燃性能好，适当的提高压缩比是降低发动机功率损失的 重要手段之一。 2(7(2两用燃料汽车燃气控制原理 CNG,汽油两用燃料发动机是保留汽油电控喷射系统的基础上，增加一套CNG供气 及控制系统。而CNG供气系统可以采用两种不同的电控管理方式。 一是保留汽油电控系统不动，使用独立的专门针对CNG控制的电控单元，通过大 16 CNG,汽油两用燃料汽下的改装设计 量发动机燃用CNG动力性、经济性及排放试验，得到CNG喷射和点火控制的 MAP图， 存储在CNG电控单元中。发动机使用CNG工作时，CNG电控单元直接采集各种传感器 信号，如发动机转速、节气门位置、进气压力、进气温度、氧传感器等信号，传感器 可用原机的，也可重新布设;从CNG电控单元检测到发动机进入工作状态后，利用检 测到的传感器信号，依照入---(1的原则，根据事先储存在微处理器内的发动机转速和 负荷的各种组合，进行修正驱动CNG喷嘴动作，控制CNG喷射量及控制点火信号。为 了提高驾驶操纵性能，需要将蒸发调压器与进气歧管内的压力联系起来以适应发动机 工况的迅速变化。这种管理方式相当于重新开发一个ECU。下图4传统电喷 系统原理 图。 但使用这种CNG的控制方式，需要作大量的不同工况的动力性、经济性、 排放试 验，来得到CNG喷油控制及点火控制的MAP图，工作量大，成本高。CNG在汽化时需 要吸热，因此使用CNG时冷起动困难;目前的汽油电控喷射系统都具有一定的自学习 功能，即将发动机一段工作时间的特性存贮起来，以进一步提高发动机的控制精度; 两用燃料发动机会分别使用两种不同燃料，使用CNG燃料与汽油的特性是不同的，会 对原车电脑自学习值造成影响，进而影响使用汽油时的驾驶性及排放指标。 CNG气态喷射系统可以采用另一种不同的电控方式，其CNG电控单元相当于一个 “器”，采集原车汽油喷嘴每循环的喷射脉宽信号并将其转化为CNG 的喷射脉宽 信号，直接控制喷嘴的动作。同时，CNG电控单元也会采集氧传感器信号、水温传感 器信号进行修正等，以实现对排放、冷起动的控制。这种电控系统不独立产 生点火信 号，而是使用汽油ECU的点火正时，如需要可对正时信号进行提前或延迟。使用汽油 起动，以解决CNG冷起动性能差的问题。使用汽油一小段时间后，转换到使用CNG 燃料。该系统主要包括蒸发调压器、过滤器、喷嘴总成、ECU、转换开关等。这种系 统在使用燃气时，两个ECU同时工作。下图5翻译式电喷原理图。 17 河北农业大学硕士学位论文 电濒电K | ( ―一生继屯器 l燃料选掸巧荚 ――刊LpG锁定I碉l‘J ;LPGIK力传懑器- 电 前’气fJ像 ――叫LPG喷嘴f矗号 控 I 霄馋感器 F h 发动机辚速; - C 一汽油喷嘴切断 U ?? 墼传媾器， 1LPG泓j+ 一千窄气闳 毓传感器 ; - l承溆传感器i - 一发动誊L敏障灯。 图4传统电喷系统原理图 Fi schematicofthetraditional 94 diagram electricity spurts I翁吃池电瓜卜―一 ?? l氧传葛嚣挨组馅蟹l?? l 援 l拟 起动歼必卜(一 一_―――一汽油嚷嚷芷常工伴梗椽搐垮 k―――一 器 l爆凌传绉器卜―一 ， 0 ‘ 汽油嘧嘴结垮| ?? -I 组合阁 ll勰警卜簧传够器l ’ 汽 一|托溉泉l L陌蜓力卜 一 ??;LPf;喷嗬靠i号 l n餮锉 ?鬻L l鬻t翘池啦压 (一燃 f 绍绉嚣 油 名葶 ―_ 喷嘴篾团稻号1 -l自诊断提ul ?i媾器信号卜 , l曲黼传卜一媾器 ECU l ECU ??l LPG 缀定一门 l颦谢传卜一 ――l汽油嘞嘴耄;I渐l l LPC溢度卜一 滟荡科逢 l 雅嚣 旧艄删M2 -捧肝关 ?? 啜期I J『; |永澄 睾(够嚣l 阮R阀等 l ;’ ’ ‘ P鬟，毫嚣咚―??l矗J，轱向域l ―心火织哆 I点火(;角璃镌嚣 卜― 一点火竣豳 图5翻译式电喷原理图 Fi95schematicofthetranslation diagram type spurts electricity 2(7(3两用燃料汽车燃气部件的主要简介 以汽油车发动机为原车，改装成天然气,汽油两用燃气汽车电控系统主 要由匹配 器ECU、燃料转换器、断气电磁阀、模拟器、减压器、继电器、天然气进气量控制步 进电机、天然气钢瓶传感器等组成。 匹配器ECU可以接收原车ECU信号，转换开关信号及各种传感器信号并发出控制 18 CNG，汽油两用燃料汽车的改装设计 燃气的进气量的信号，本次改装设计中采用的是MC9S129P256，完成在燃用汽油和燃 用天然气相互转换时:控制喷油器回路的通断，同时向原车的ECU提供一个模拟信号， 使得原车ECU能接收到模拟信号而不至于发出故障代码;切断或接同原车汽油泵回 路;在燃用天然气时，先利用汽油启动发动机，然后自动延时转换到燃用天然气状态， 以改善发动机的启动性能，并可能经常清洁润滑电动油泵和喷油器，防止其 过早失效。 燃料转换开关利用逻辑控制单元，通过燃料转换开关来实现使用燃气和使用汽油 之间的燃料转换过程，并相应的显示天然气气瓶内的存气量，以便使驾驶员 掌握剩余 燃气量。 断气电磁阀在接收到匹配器ECU的信号后的执行部件，切断天然气的供给。 模拟器是在燃用汽油时，接通喷油器控制电路，控制汽油的喷射，保持汽油喷射 系统的正常工作，使用燃气时，切断汽油喷油器的控制电路，同时向燃油ECU输入汽 油喷射模拟信号，保持燃油ECU的正常工作。 步进电动机执行燃气控制单元的指令，以控制燃气的供给量，保证混合气的空燃 比在理论值附近。 19 河北农业大学硕十学位论文 3两用燃料汽车系统的硬件电路设计 3(IECU处理芯片的选择 今年来，随着微电子技术和计算机技术的进步，特别是单片微型计算机得到迅猛 发展，由于其集成度高、体积小、抗干扰能力强和价格低廉，具有独特的控制功能，， 在工业自动化控制中的应用越来越广泛。单片机种类繁多，但就应用在汽车发动机的 领域上，常用的是16位或32位，主要原因是汽车发动机电子控制系统对处理器芯片 运算速度和可靠性的要求。而近年来，汽车内部的CAN总线的应用已经成为一个不可 逆转的潮流趋势，CAN靠着其他通信方式无法比拟的优点成为了汽车控制作系统的理 想总线。在这里我们也选择CAN做为汽车内部的通信总线。汽车内部CAN 网络主要由 两部分组成:面向底层ECU的cAN节点和实现高低速网络数据共享及网络管理的网关。 片机;CAN收发器以及电源系统是用MC33989来实现的。作为全球最大的汽车电子半 的16位单片机MC9S12DP256则以强大的功能及优异的性能越来越受到人们的青睐。 3(1(1MC9S12DP256的结构 MC9S12DP256 u 16位微控制器?副是基于16位HCSl2CPU及O(25m微电子技术 的高速、高性能5(OVFLASH存储器产品中的中档芯片。其较高的性能价格比使其非 常适合用于一些中高档汽车电子控制系统。同时其较简单的背景开发模式 BDM 也 会使开发成本进一步降低，同时也使得现场开发与系统升级变得更加方便。 步串行通信口SCI、3个同步串行通信口SPI、8通道输入捕捉,输出比较定时器、2 个10位8通道A,D转换模块、1个8通道脉宽调制模块、49个独立数字I,O口 其 围器件提供电源。这个智能化的半导体器件可以提供所有必需的系统电压，内部有一 个低噪声的200mA整流器用来给MCU子系统供电。另外，还有一个控制外部导通晶 体管的装置用来给外围设备供电。这个外部导通晶体管允许调整二次电源，使之满足 每种特殊应用所需的功耗极限要求。二次供电电源还能根据要求切断所选外围设备的 供电，并以此达到降低功耗的目的。 除了提供系统电源外，SBC内部还集成了一个lMb的CAN收发器。该收发器具 20 CNG,汽油两用燃料汽车的改装设计 有主控状态超时检测、内部热保护以及CAN-H和CAN-L输入端短路保护等功能。收发 器内部还对CAN―n和CAN-L输入端进行了跳启、电池反接以及短接至电源或地的保护。 4个高压唤醒输入端使器件具备了强大的唤醒功能。这些唤醒输入端的最大耐压 能达40 V。输入端的上拉源能在芯片上产生。由于只需用上拉源就能随时检测开关 输入的变化，因此能较好地降低功耗。该器件还具有周期性唤醒功能。另外，SBC还 提供了针对MCU的复位调节与低压检测功能。 下图6示是MC9S12DP256微控制器的结构框图: 256KBFLASHEEPROMA，DO(A，Dl 12kram PPAGE 增强型抓取定时器 4k eeprom 电压调节器 1 SCl0，SCIl，SPI BKGD CPU 时钟和复位 12 C^NO―CAN4 产生模块 SCII 系统积分模块 PWM 多路地址,数据总线 SPIl,sPl2 图6MC9S12DP256微处理器结构图 ofthemc9s1 diagram Fi96 2dp256microprocessor 3(1(2MC9S1 2DP256的功能特点 MC9S系列单片机主要有三大特点: 在微控制器片内的应用走向成熟，微控制器的开发、应用又迎来了一次新的 飞跃。 Flash是一种非易失性存储介质，读取它的内容同RAM的读取一样方便，而对它的写 操作却比EPROM还要快。同时，在系统掉电后，Flash中的内容仍能可靠保持不变。 Flash的主要优点是结构简单、集成密度大、成本低。由于Flash可以局部擦除，且 写入、擦除次数可达数万次以上，从而使开发微控制器不再需要昂贵的仿真器。 2 应用锁相环技术提高了系统的电磁兼容性。在以往不使用锁相环的微控制 器应用系统中，晶振电路由于其工作频率比较高而成为一个很大的干扰源，这一问题 给系统设计、线路板布局带来了很多不便。MC9S12的时钟发生系统中巧妙 地使用了 21 河北农业大学硕士学位论文 锁相环技术，因而可在外接几十千赫的外部晶振情况下，通过软件编程产生几兆的系 统时钟，从而降低了对外辐射干扰，提高了系统的稳定性。 3 简单的背景开发模式使得开发成本进一步降低，也使得现场开发和系统升 级变得比较方便。 此外，虽然拥有16位总线结构，但MC9S12的外部总线可根据不同的系统需求工 作在8位和16位两种模式，因而能够极大地适应不同价位的系统需求。 3(2基于微控制器的最小系统 MC9S12DP256芯片为核心的最小系统主要包括以下几个部分:时钟电 路、串口电 路、BDM电路、供电电路、复位电路、调试小灯。 (3基于MC9S12DP256的电子控制系统 3 在本控制系统的硬件设计时，主要考虑了下列一些原则: 1 硬件电路的设计结合软件设计一起考虑，用软件实现硬件的功能其响应时 间比直接用硬件实现要长，而且还占用CPU时间，但由软件来硬件的功能可以简化硬 件结构，提高硬件电路可靠性，还可以降低硬件电造价。为简化硬件结构，在本控制 系统的设计过程中，把软件能够实现的功能尽可能地用软件来实现。 2 可靠性及抗干扰设计是硬件设计不可缺少的一部分，在硬件电路中，从器 件的选择、去耦滤波、印刷电路板布线以及通道隔离等各个方面虑这一问题，以提高 系统的可靠性。 3 在控制系统硬件电路设计时，尽量考虑应用典型电路。 (3(1硬件系统 3 两用燃料ECU是整个两用燃料发动机系统的控制核心，ECU采集速度信息和当前 燃料选择开关的位置，判断当前应该使用的燃料;获取空气流量数据及氧传感器的信 息，并以此进行天然气燃料或者汽油燃料的空燃比及其点火正时控制，使发动机在任 一燃料和工况下均能获得良好的动力输出和清洁的排放。 两用燃料发动机电控系统主要由传感器、两用燃料ECU和执行部件三部分组成， 其系统的主要结构如下图7示: CNG,汽油两用燃料汽车的改装设计 1捷达系列轿车特点 通过分析比较，并考虑课题组的试验条件，本文选取捷达ATK发动机进行系统研 究。捷达ATK发动机为四冲程、四缸直列、高压密封水冷式、自然吸气、火花塞点燃、 2气门、电子控制喷射、横流扫气式的汽油发动机，目前一汽大众生产的捷达CNG, 汽油两用燃料汽车就是在该发动机基础上改装的，因此选取该发动机作为研究对象具 有代表性?1。 燃料的选择I 脉冲信 I汽油喷射阀 (凸轮轴传感器1 号接口 ― 电路 ? 驱动 电路 (转速传感器1 CNG喷射阀 ( 氧传感器 l ECU 点火驱动模块?’’’，’-„„? 爆震传感器卜―一― ―弓’ (cNG压力卜_一 模拟信号 》I CNG电磁阀 (空气流量计卜一―一―j》 调理电路 ―: 继电器 驱动 l冷却液温度l , I ,I汕有诎出盟 7l佃水8 屯? ?]I?世且l I 董由油 田’u1u 电源电路 J 图7两用燃料发动机电予控制系统结构图 fuel offlexibleautomobileelectroniccontrol Fi97diagram engine system 本次设计控制多点燃油顺序喷射系统:在发动机每一个气缸进气门前方的进气 歧管上均安装一只喷油器的燃油喷射系统。发动机工作时，燃油适时喷入进气门附近 的进气歧管，空气与燃油在进气门附近形成燃油混合气，保证得到混合均 匀的混合气。 根据捷达汽车的多点燃油顺序喷射结构确定采用缸外进气阀处多点顺序喷 射控制系 统改装方案。 捷达ATK发动机的主要参数如下表2所示: 河北农业大学硕十学位论文 表2捷达ATK发动机的主要参数 main ofJietta Tab2 ATK parameter engine’ 项目 参数 形式 四缸、直列、水冷、电子控制燃油喷射式 发动机 发动机代码 ATK 排量 L 1(595 气缸直径 ram 81(0 活塞行程 mm 77(4 压缩比 9(3:l 最大功率 k、聊 64 5800r,min 最大转矩 N??m 135 3000r,min 怠速转速 r,min 860-a:50 供油方式 Simos(3W电子控制顺序多点燃油喷 射系统 点火顺序 1-3_4(2 点火提前角 (10。CA,50。CA 进气门开 5。 上止点前 进气门关 41。 下止点后 配气相位 排气门开 37。 下止点前 气门正时 排气门关 1。 上止点后 3(3(2点火系统控制 随着电子技术的发展及对发动机性能要求的提高，微机控制的电子点火系统逐 渐取代了传统的发动机点火系统，实现了更为精确的点火时刻和点火能量的控制。在 发动机点火系统中，采用的每个发动机汽缸各带一个点火线圈，对各缸点火线圈进行 独立控制的点火系统，称为无分电器各缸独立点火系统，也叫高能直接点火系统。采用 高能直接点火可有效地增加点火线圈初级回路的储能，减少点火能量的传导 损失，从 而提高点火能量，满足车用发动机稀薄燃烧、增压和使用代用燃料 如天然气、酒精 等新技术的发展要求。对于多缸发动机，这种高能直接点火系统由于控制事 件多，要求 的控制电路和控制软件复杂，因而对微控制器的性能和控制软件均有较高的要求H01。 入输出接口功能、较强的数值运算和逻辑运算能力，特别还具有较强的定时控制功能， 使其适用于复杂时序控制技术的应用中H?。 本次改装设计的点火系统由输入信号传感器、电子控制单元 ECU 及点火执行器 三部分组成。其中，点火执行器包括每缸独立的共六组点火线圈和火花塞。点火线圈 作为储能元件，由匝数比很高的次级绕组和初级绕组构成，其作用相当于变压器。当初 级绕组电路 初级电路 导通时，初级绕组电感线圈中的电流按照指数规律增加，从蓄 24 CNG,汽油两用燃料汽车的改装设计 电池获得的能量以磁场能的形式储存在初级线圈中:当初级电路断电时，次级绕组感 应出高压电，使火花塞电极间产生电火花，将汽缸内的混合气点燃。在点火控制系统中， 由微控制器发出的控制信号经过点火器中的功率三极管的驱动放大，实现了对初级电 路的通断电控制。与传统点火系统只使用一个点火线圈相比，这种直接点火控制方式 可利用更长的时间积蓄点火能量，并可将点火线圈与火花塞安装在一起，减少高压电 流的传递损失，从而获得较高的点火能量。 点火控制包括点火顺序控制、点火定时控制和点火能量控制。点火系 统应按发 动机的工作顺序进行点火，即点火顺序应与发动机的工作顺序一致，否则不能适时点 着混合气，发动机就不能正常工作。点火定时控制的目的是使发动机功率输 出大、油 耗低、爆震小和排放低，点火系统必须在最有利的时刻点火，并需在上述目标之间进行 折衷。点火时刻用点火提前角来表示，从火花塞开始跳火到活塞运行至压缩行程上止 点的时间内曲轴转过的角度被称为点火提前角。发动机在不同工况下的最佳点火提前 角是不同的。在微机控制的点火系统中，根据发动机转速、负荷等传感器的信号确定 发动机运行工况，计算出最佳的点火时刻，并由微控制器输出控制信号，使功率三极管 截止、初级电路断电，从而实现控制啪儿391。 点火能量直接影响发动机的着火情况。对于使用增压、稀燃及替代燃料等新技术 的发动机，只有点火能量足够高，才能可靠燃烧，达到提高经济性和改善排 放的目的。 高能直接点火的关键是保证在任何工况下都能够提供足够的点火能量。电感储能式点 火系统控制点火能量的实质是控制点火线圈在断电时刻的初级电流，这是靠控制初级 电路的通电时间来实现的。点火时刻初级电流所能达到的值，即初级断开电流，与初级 电路导通的时间长短有关，必须保证初级电路的通电时间来使初级电流达到点火能量 的要求。但如果通电时间过长，点火线圈又会发热并使电能消耗增大。因此，控制一个 最佳的初级电路通电时间需兼顾上述两方面的要求。 综上所述，对于六缸发动机的高能直接点火系统，为保证发动机的性能要求，需按 点火顺序、点火时刻和点火能量的要求实现六个独立点火线圈初级电路的适时通、断 电，即微控制器要完成多通道的复杂时序控制。 点火电子控制单元以MC9S12DP256微控制器为核心，并由电源、输入信号整形处 理、驱动放大电路和通讯电路等功能模块构成。 统，具有较强的数值运算和逻辑运算能力:其内256K字节的FLASH存储器具有在线编 功耗晶振、复位控制、看门狗及实时中断等配置和功能更有助于系统的可靠运行。 如下图8 所示: 号 节气门位置和进气压力 、水温信号、蓄电池电压信号等系统模拟输入信号由放大 滤波电路处理后，利用MCU的A,D转换模块进行采集。通过MCU增强型串行通讯模块 SCI可实现与PC机之间的通讯功能，进行点火系统运行状态监控和控制参数的匹配 标定。由一个16位主定时器和8个可编程输入捕捉,输出比较定时通道构 成的增强 河北农业大学硕士学位论文 型捕捉定时器提供了较强的定时控制功能，可充分满足高能直接点火的复杂时序控制 要求。在本系统中，两个定时通道设置为输入捕捉功能，对经过整形处理后的曲轴位 置信号和发动机转速信号进行采集处理:另六个定时通道设置为输出比较功能，用于 六个汽缸的点火线圈初级电路的通断电控制。 各 整 驱 pt2 ，’ 曲轴位置信号r 形 pto 动 路 增强型捕捉定时器 点 处 电