最新柴油-天然气双燃料、发动机电控系统关键技术

一

常见技术方案

1，燃料供给系统

天然气-柴油双燃料发动机的燃料供给系统：进气道混合式、缸内高压喷射式、混合高压喷射、微喷射技术

高压喷射及微喷射技术理论上能够实现发动机燃烧的高效率，但受喷嘴等关键零部件制造难度等影响，目前在国内市场推广普及仍有一定的难度。实际应用最多的还是进气道混合式。

柴油高压共轨系统具备多个控制自由度，可以实现喷油量、喷射定时、喷射压力和喷油速率的综合控制，燃烧噪声、排放、动力性和经济性得以综合优化控制。是柴油发动机电控系统的主要推广方向。

二

高压共轨柴油-天然气双燃料发动机电控系统方案

1，双燃料全自主控制方案

完全控制柴油和天然气的计量及喷射、燃料模式的切换、发动机各个工况下的补偿、以及排放性能的保证。

双燃料EMS的柴油控制部分完全可以替代原装柴油机的电控系统。

可以最大程度地实现功能和性能的灵活优化控制

系统组成、控制策略相对复杂，标定和验证周期也较长。不仅包括双燃料混合燃烧性能，还包括纯柴油性能。

当保留原装EMS时，需注意与原装EMS的轨压、燃油计量阀等信号切换接口以及与原装EMS驱动信号的模拟负载接口。

2，接管柴油喷射方案（串接）

属保留原装EMS系统的方案

截断原系统喷油驱动及诊断，使用双燃料ECU上的电子电路模拟喷油嘴，双燃料ECU依据采集的原系统喷油参数重算喷油和喷气，驱动喷油嘴和喷气嘴实现。双燃料ECU中主要是喷油转双燃料的计算算法。

双燃料ECU支持各缸喷射驱动信号的采集，包括每缸预喷、主喷、后喷的处理，采集发动机转速，实现喷气嘴驱动和各缸喷油嘴驱动

3，截断部分柴油喷射方案（并接）

属保留原装EMS系统的方案

在原系统喷油驱动信号上，使用双燃料ECU上的高速电子电路，在喷嘴驱动持续时间内的某一时刻，将驱动电流关闭，从而把喷嘴驱动脉宽可控制地缩短。

喷嘴驱动脉宽保留的时间取决于双燃料控制比例

双燃料ECU采集发动机转速，按计算的天然气喷射量驱动喷气嘴。

4，接管柴油控制系统输入信号方案

属保留原装EMS系统的方案

接管高压共轨ECU 的加速踏板输入，以及选择性接管其它传感器输入，借用原装EMS 进行引燃油量控制

使用继电器模组切换共轨EMS 传感器信号的来源。接管原机的传感器信号电路具有全面的诊断逻辑，且具有错误保护措施。

双燃料ECU可与共轨ECU建立通讯连接，必要时进行系统故障查询、动态数据流查询及自适应值操作等

这种方案事实上借用了原机共轨EMS较多的功能，包括引燃油量喷射控制、发动机各工况动态补偿等，双燃料EMS专注于天然气喷射控制

双燃料EMS系统组成复杂程度低，对原机改动更小，标定和验证周期稍短。

三

双燃料发动机电控系统： 关键控制技术和策略

1，燃气喷射控制技术

在双燃料系统中，燃气目标喷射量由双燃料比例控制算法计算得到。

根据燃气绝对压力、燃气压力与进气压力的比值、燃气温度、喷气嘴流量特性、死区时间、电瓶电压等参数计算燃气喷射量对应的喷气嘴驱动脉宽。保证各缸混合气均匀，降低排放，提高经济性。

燃气喷射控制需考虑的主要因素如下：

√ 燃气基本喷射脉宽计算

√ 燃气喷射起始和终止相位控制

√ 燃气喷射脉宽修正：燃气绝对压力修正、燃气进气压力比修正、燃气温度修正、燃料切换修正。

√ 瞬态燃气压力校正

√ 低电压补偿

√ 水温修正

√ 燃料切换补偿

√ 过渡工况燃料补喷及喷射提前结束

√ 催化包过热保护

2，双燃料比例（掺烧替代率）控制技术

在双燃料混合燃烧模式下，双燃料ECU根据发动机的转速、加速踏板扭矩请求，计算发动机燃烧所需的总当量柴油燃料量。使用MAP图方法，按照发动机不同负荷下的混烧燃烧效率最优的经济性原则和发动机大负荷工况下的可靠性原则，确定发动机全工况下的柴油、天然气混合比例。进而通过燃料热值计算两种燃料的喷射流量。

√ 低负荷工况掺烧替代率小。

√ 中负荷工况掺烧替代率大。

√ 大负荷工况掺烧替代率适中。

掺烧替代率：混合燃烧状态下天然气替代的柴油量占同一发动机工作点纯柴油燃烧状态下所需柴油量的比例。

3，双燃料发动机可靠性保护控制技术

全负荷发动机保护策略

√ 在混烧模式下，发动机大负荷工作时，发动机燃烧的总燃料较多，且其中含有大量的天然气，使得发动机在大负荷工作时产生大量的热量，排温升高。发动机大负荷时工作温度高，排气温度高，在运转过程中可能产生工作粗暴等现象，从而出现拉缸损坏发动机。这种工况必须予以识别和避免。

√ 为了防止发动机在混烧模式下发生拉缸等现象，为了保证发动机的寿命和工作的可靠性，双燃料ECU采集宽氧传感器的信号，通过全负荷保护机制保证发动机按照目标LAMBDA值燃烧。

√ 在发动机实际燃烧的LAMBDA值比目标LAMBDA值小时，双燃料ECU会根据LAMBDA的差值，减少燃烧所需的总燃料量，使得发动机产生的热量减少，进而保护发动机的寿命，保证发动机工作的可靠性。

水温、进气温度、排气温度超限报警

√ 在混烧模式下，发动机运转中，水温、进气温度及排气温度过高都容易使得发动机产生爆震、工作不平顺等现象，严重时可能产生拉缸现象，损坏发动机的寿命。

√ 在混烧模式下，如果ECU检测到水温或者进气温度超过上限或下限值，或者排气温度超过上限，将会产生报警信号，达到一定时间后切换为纯柴油燃烧模式，在维持发动机运转状态下，以防止发动机损坏，保证发动机寿命和工作的可靠性。

爆震处理

√ 柴油发动机压缩比高，混烧天然气时燃烧容易产生爆震倾向，从而对发动机造成损坏。

√ 在混烧模式下，双燃料ECU采集爆震传感器的爆震信号，为了防止爆震、保证发动机寿命，通过动态控制发动机的掺烧比，使发动机处于可靠状态下工作。爆震信号达到一定限值，则会减少天然气的掺入量。如果通过减少一定的天然气掺入量仍不能消除爆震倾向，则会切回纯柴油工作模式。在维持发动机运转的同时，保护发动机的寿命。

4，燃料模式切换技术

双燃料系统一般配置有手动燃料模式切换开关：手动燃料模式开关可配置为两种模式：原机燃料模式、自动燃料模式。

当手动开关处于原机燃料模式下，发动机以原机状态工作，双燃料系统完全不影响原柴油共轨EMS的工作状态；当手动开关处于自动燃料模式下，由双燃料ECU判断发动机状态，来控制发动机处于纯柴油燃烧模式或双燃料混合燃烧模式。

燃料模式指示灯：指示发动机的运转状态处于纯柴油燃烧模式或双燃料混合燃烧模式。

启动燃料模式：发动机将以纯柴油燃料模式启动。

自动燃料模式下燃烧模式的自动切换条件

双燃料混合燃烧模式到纯柴油燃烧模式：下列条件有任何一项成立时立即切换

√ 燃气供给系统的传感器和执行器产生故障时

√ LNG/CNG燃料即将用尽时

√ 发动机水温高于限值或过低于限值达一定时间

√ 进气温度高于限值或过低于限值达一定时间

√ 柴油电控系统产生严重故障处于跛行模式时

√ 燃气高压压力、低压压力过高或过低时

√ 排气温度高于限值达一定时间

√ 发动机运转不平稳度（engine rough）达到一定程度时

√ 爆震不能通过降低替代率而得到控制时

纯柴油燃烧模式到双燃料混合燃烧模式的切换条件：

上述条件均未出现达一定时间时。在一定的延时内，燃料切换将在倒拖或倒拖断油工况执行；若延时时间内没有机会执行，则在延时到达时刻执行。

定时燃料自动切换功能

气体燃料使发动机气缸内表面及排气门的热负荷增加，为保证双燃料发动机的耐久性，发动机正常启动后有定时燃料自动切换功能。该功能可通过标定配置关闭或激活。

切换过程

上次喷射截止时刻计算新燃料喷射时间和相位

喷气相位控制（开始喷气、切断喷气）超前于喷油相位，保证切换过程中的气缸总燃料量稳定及扭矩平稳过渡。

5，车载故障诊断（OBD）技术

双燃料ECU对双燃料EMS各传感器和执行器器件需有自诊断功能。

故障确认后，故障码及冻结数据帧将存入ECU的FLASH存储器，故障信息可基于标准协议通过故障诊断仪检测或操作。

按照OBD标准驱动点亮及闪烁故障指示灯。

双燃料ECU可以驱动独立的故障指示灯，也可以按照客户需要将驱动信号并接入原车的故障指示灯。

四四、 

双燃料发动机排放控制

1，双燃料发动机排放控制

双燃料发动机由柴油引燃天然气，主要工作于稀薄燃烧状态，尤其是中小负荷，天然气浓度更稀，天然气不易燃烧或燃烧不全，其主要污染物为HC和CO。

在发动机大负荷区域，若掺烧替代率控制得当，NOx可以比柴油状态有所降低。NOx在某一优化替代率处会有最小值。NOx是在局部高温富氧条件下生成的，天然气替代一部分柴油后，燃烧温度有所降低，因此NOx的排放量随之减少；当替代率高到一定程度，则会有爆燃倾向，因此燃烧温度有所升高，NOx排放又趋抬头。

车用柴油双燃料掺烧系统，要针对柴油启动时的高颗粒物排放实施有效的过滤技术，还需对过滤收集的颗粒物进行高效的再生，从而避免频繁的维护所带来的高成本。

同时掺烧系统的后处理系统需要具备去除一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物等排气污染物的能力。后处理系统多采用氧化型催化+颗粒过滤器方案。

应对更高的排放标准及有效降低NOx，可加配SCR系统。

2，排放OBD

双燃料ECU需具备OBD2诊断的功能。当排放当出现的故障导致排放超出国V阶段OBD排放限值时，ECU将显示排放相关部件或系统的故障，并向驾驶员提示故障的存在。

双燃料ECU可提供开放的CAN通信接口，匹配第三方电控后处理系统（如deNOx 系统），若后处理系统检测到故障，ECU也会显示相应故障并产生故障码。

常见失火诊断方法：曲轴位置传感器法、离子电流法、缸内压力法、单缸断火法和点火电压波形法。

常见催化器诊断方法：双温度传感器法、双氧传感器法、双碳氢传感器法、反馈时间延迟法、压力传感器法和废气分析法。

常见氧传感器诊断方法：输出电压诊断法和响应速度诊断法