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PLC控制的单缸柴油-LPG发动机

Yildiz技术大学，机械工程系，IC引擎实验室，土耳其

要点
●电子喷射系统提高燃烧质量。
●通过可编程逻辑控制器控制所有喷油器。
●PLC是发动机控制系统的非正统解决方案。
●随着LPG添加，最大气缸压力升高。
●在TDC导致较低的最大功率之前减少喷射提前量。

文章历史：
于2013年12月10日收到
收到修订时间2014年4月3日至2014年4月6日
2014年4月24日在线提供


关键词

柴油机

液化石油气

注射

预先

PLC

摘要
这项工作的主要目的是将单缸柴油发动机的机械喷射系统转换为电子控制的双燃料系统。 新系统包括两个不同的喷射器。 第一个喷射器供应LPG（液化石油气），另一个喷射器供应柴油。 LPG通过位于发动机进气口的进气道燃油喷射系统供应，柴油在上止点（TDC）之前直接喷射到燃烧室中。 所有进样器均由可编程逻辑控制器（PLC）控制。 经过调整和测试后，单缸Lombardini LDA 450型柴油发动机被改造为高压PLC控制的双燃料引擎。

1.简介

环境问题和石油资源的枯竭迫使研究人员集中精力寻找传统石油燃料的替代品。许多实验工作都集中在同时实现高能效和减少有害排放。排放问题分为两部分。首先是引擎和旧车的排放;第二是燃料。由于发动机技术的发展，由于燃料规格，排放污染物水平很高。根据新规定，燃油规格对于车辆来说更为重要。因此，在I.C.中使用气体燃料。长期以来，发动机一直被认为是减少排放的可能途径，同时保持发动机的性能和效率。液化石油气被认为是最有效的替代燃料之一，不仅可以替代石油燃料，还可以作为减少氮氧化物，烟尘和颗粒物质的基础。 LPG具有高辛烷值，因此非常适合S.I.（火花点火）发动机。但是，当LPG在通常的柴油发动机中燃烧时，由于其较低的十六烷值，自燃会很困难。
如今，液化石油气在我国变得更具吸引力，因为排放方面的环境效益和更便宜的单价。一般来说，SI发动机驱动的旧车燃油系统改为双燃料（LPG /汽油）系统。近年来，由于汽油价格和税收较高，汽油和柴油的单价大幅上涨。高柴油价格，已经迫使柴油发动机使用液化石油气。
自20世纪30年代初期以来，人们对使用双燃料的压缩发动机的研究产生了浓厚的兴趣。最近，由于许多原因，包括国家对液体燃料资源有限的关注，环境问题以及使用可靠，耐用和高效发动机的需求，双燃料发动机正受到更多科学家的关注。
双燃料发动机研究的重点是利用天然气，氢气和液化石油气等气体燃料作为压缩发动机的主要燃料，因为这种燃料的点火温度较高。这种主要燃料会增加混合物的温度。此外，由于气体的辛烷值较高，因此可以用于传统的高压缩发动机，进行微小的修改，与柴油燃料具有相当的效率，根据Yoong和Watkins的说法，可以从内部获得更高的热效率，从而提高燃油经济性，在LPG上运行的内燃机与无铅汽油相反。这是因为LPG具有较高的辛烷值，112研究辛烷值用于纯丙烷，可以防止丙烷在高发动机压缩比下发生爆震。Homoyer等人指出，与汽油相比，当使用LPG时，由于燃料气体吸入空气，其体积远大于其高温液体，因此输出功率会受到影响。在以LPG作为主要燃料和先导量的柴油燃料作为点火源的双燃料压缩点火发动机中，LPG与进气一起被感应并且像传统的柴油发动机一样被压缩。由于其高自燃温度，空气和LPG的混合物不会自动点燃。在压缩冲程结束时注入少量柴油燃料以点燃气体混合物。

Poonia等在各种进气温度和先导量下对LPG-柴油双燃料发动机进行了实验。结果发现，通过增加气态初级燃料的浓度，点火延迟显着增加。在较高负载条件下，气体燃料的燃烧通过点燃引燃燃料后的火焰传播而发生。Ganesan和Ramesh 使用LPG作为主要燃料和柴油作为引燃燃料。由于燃烧率上升，制动热效率从柴油模式的35％增加到满载条件下双燃料模式的37％。然而，在较低的负载条件下和高柴油替代率下，制动热效率降低，碳氢化合物和CO水平增加。还应注意，在双燃料模式中NOx水平降低至满负荷条件的60％。在满载时采用双燃料模式，烟雾排放从1.3博世烟雾单位（BSU）降至0.5（BSU）。点火延迟时间增加2°CA（曲柄角），并且在轻负载和高柴油替代条件下峰值压力减小。 Saleh [2]研究了LPG组合物在不同发动机条件下对双燃料压缩发动机废气排放的影响。该研究报告称，与传统柴油发动机相比，含70％丙烷混合物的LPG具有相似的性能。对于70％丙烷混合物，NOx和SO2排放减少了27-69％，同时CO排放减少，与传统柴油发动机相比，增加了15.7％。
通过混合粉末燃料液滴和气缸内的空气来实现高质量的燃烧形成。在这种情况下，诸如喷射定时和喷射时间，喷射压力和喷射束数量的喷射参数影响燃烧质量和混合物形成。此时，注射系统对混合物的形成起着重要作用。喷射正时和周期根据曲轴角度确定燃烧的开始。
商用单缸发动机采用机械燃油喷射系统生产，具有预定的参数。因此，不能测试不同操作参数的影响，例如提前角，注射压力，持续时间和相数。在测试发动机中，应根据发动机的运行参数（速度，气体位置等）控制喷射器。
在替代燃料研究中，喷射系统参数如压力，喷射提前和喷射特性必须是可控的。通常，单缸柴油测试发动机具有机械单元泵系统，并且该系统没有可变参数。使用共轨喷射代替机械喷射泵可以控制时间和周期。共轨机构使我们能够在喷射系统上采用有效和灵活的控制方案。
高压喷射系统的应用增加了每个曲轴角度的燃料喷射量并且还缩短了点火延迟。当然，这种延迟具有不可忽视的最小值。喷射到汽缸中的燃料量随着压力的增加而增加，直到点火开始，这导致更高水平的氮氧化物和噪音。为了弥补这些，利用预注入技术的问题。氮氧化物和噪音水平用这种方法减少。此外，高压喷射可提高特定的燃料消耗和颗粒排放水平。
总之，在测试发动机提前角度，持续时间和喷射次数是需要调整的参数，以发现替代燃料的最佳混合比。此外，测量系统对于测量扭矩输出，速度，温度，空气流量，燃烧压力和排放至关重要。从与控制参数和相应测量相关联的系统收集的数据可用于测试引擎的系统识别，因此;将确定最佳操作区域。
在双燃料运行中，LPG燃料喷射的系统位于DI（直喷）柴油发动机的进气口，柴油发动机燃料直接喷射到燃烧室内，并在上止点之前用电磁喷射器喷射。所有注射器均由可编程逻辑控制器控制。在双燃料模式下，气体混入进气口，而液体柴油正常喷射，但速度降低。

2.发动机管理

替代燃料的测试发动机系统由三个主要部分组成。第一部分是发动机及其控制器。第二部分是燃料系统，包括共轨压力管路和低压燃料管路（双燃料）。最后，第三部分是测量系统，包括所有传感器和传感器，它们提供上面列出的所有操作量的反馈。单缸柴油发动机通过皮带轮机构与直流电动机耦合，比率为1：2。两象限驱动器连接到直流电机。在第一个象限中，它作为发动机的星形电动机运行，而在第二个象限作为发电机加载发动机。

2.1 发动机控制器单元（ECU）

基于燃烧过程实时诊断的电子发动机控制装置可以显着地帮助符合废气排放法规和燃料消耗。有关燃烧效率的信息可以提供关于发动机运行的强大工具，并且可以合理地用于闭环电子发动机控制。在电子控制的发动机系统中，需要基于微控制器的控制器来收集数据并产生必要的信号以实时驱动喷射器（LPG和柴油机）。可编程逻辑控制器（PLC），特别为工业自动化开发，可用于控制单缸发动机。
PLC具有用于实时控制系统的实时操作系统，定时器和计数器。另一个优点是PLC对于控制应用来说是相对经济的。 PLC作为ECU，从曲轴编码器，压力和温度传感器等传感器收集数据，然后生成喷射器的驱动信号。西门子S7-200系列CPU224 PLC适用于14个数字输入和10个数字输出。模拟量模块连接到PLC，用于模拟数据采集。在用作控制器的PLC中，有用于喷射定时的精密定时器，用于计数增量的高速计数器。在用于实现曲轴位置的编码器脉冲和用于注入信号的高速脉冲发生器。 TD200 HM接口可用于输入虚拟油门踏板位置，喷射提前角度值以及显示转速，共轨压力值等用户数据。除了显示数据外，HM接口还用于在恒速控制模式和喷油器校准模式之间切换操作模式。
IVO牌增量编码器具有360线/转，用于评估曲轴的位置。其零位置设置为活塞的上止点。 TDC由气缸盖打开后活塞的视觉测量确定。当两个阀门（进气和排气）关闭时，活塞在其往复运动期间改变方向时标记。必须检测曲轴的精确位置，以便为发动机提供正确的喷射提前角。与实际曲轴角度偏离一度会大大改变发动机燃烧的特性。增量编码器连接到PLC的两个高速计数器，以触发基于事件的中断子程序，以便使用两个不同的喷射器产生两次不同的燃油喷射。当计数器达到预设值时，基于事件的中断子程序运行。在中断中，脉冲宽度调制注入信号由PLC的高速输出产生。在PLC的基于时间的中断循环中，编码器信号用于通过每个采样时间的脉冲数来计算发动机的速度。

2.2 双燃料系统

电子控制的燃料喷射系统应该提供与发动机相同的性能，因此电磁喷射器的喷射持续时间与SFC相关。确定用于机械喷射器的SFC之后的步骤是针对相同的操作状态校准电磁喷射器。不久，有必要确定喷射器打开时每次喷射的燃料量。当然，该量不仅是喷射持续时间的函数，而且是共轨压力的函数。
在机械测试之后，柴油发动机被修改用于双燃料应用。共轨燃油喷射系统（900- 1600巴的喷射压力）和LPG喷射系统适用于测试发动机。 LPG喷射器直接定位在进气阀的上游。表1列出了试验发动机的规格。试验台如图1所示。

表 1

LDA 450的技术规格

总排水量 454 cm³

气缸数量 单缸

注射时间（电子）可变– BTDC

钻孔 85 mm

行程 80 mm

最大扭矩 2200 rpm 28.5 Nm

最大功率3000 rpm 7.5 kW

共轨（柴油）的压力由具有三个活塞的径向压力泵产生。在试验台中，泵由3HP三相感应电动机驱动。从燃料箱供应的柴油燃料。 LPG燃油系统比共轨更基本。使用普通LPG罐，LPG过滤器，调节器和轨道将LPG供应到喷射器。
共轨压力控制在200到1600 bar之间的参考值。选择这些值是为了测试喷射器的行为以及燃烧质量的变化取决于压力，通过PWM信号控制，可以打开和关闭柱塞。压力传感器用于反馈。
2.3 喷油器校准

共轨喷射器的校准实验在没有燃烧的情况下以100巴的增量进行900-1600巴的测量。在初步实验中，根据燃料温度记录了喷射特性的实质变化。为了避免这些变化，使用冷却器将燃料的温度保持在40℃以下.Sartorius牌精密秤用于测量在一定量的喷射持续时间内喷射的燃料的重量。对于共轨实验，将注射器触发1000次进入容器并测量柴油的重量。
LPG喷射器的校准实验是针对不同开启持续时间的标准压力进行的。喷射器被多次触发。在不同的开启持续时间内计算LPG喷射次数，以花费10g LPG燃料。在校准之后，确定功率输出和喷射持续时间之间的关系。下一步是使用基于微控制器的系统建立发动机控制。

2.4 发动机控制算法

众所周知，在柴油发动机中，当燃料 - 空气混合物被紧密压缩时发生燃烧。该操作的主要因素是燃料 - 空气混合物的质量和压缩比。由于机械约束，压缩比保持恒定。另一方面，混合物形成是我们可以操纵的参数。在没有涡轮增压器的传统柴油发动机中，有四个参数可以控制;提前角，喷射的燃料量，喷射压力和喷射阶段的数量。测试单元的控制器应该能够操纵所有这些参数。
如前所述，PLC是作为控制器的经济解决方案。它具有创建ECU的所有必要单元。它具有读取反馈的模拟输入，用于检测和测量曲柄轴角度的编码器输出的高速计数器，用于注入算法的基于事件的中断功能，以及用于生成用于压力控制的PWM（脉冲宽度调制）信号的高速数字输出和PTO（脉冲串输出））信号用于喷射器控制。它还具有实时时钟，这对于实时控制系统至关重要。
控制算法的流程图如图2a所示。从TDC以提前角开始注射并且持续时间量（注射持续时间）。这两个值都受到控制。在图2b中，显示了用于下死点（BDC）的编码器信号，喷射信号和气缸中的压力。使用来自BDC的编码器信号，因为高速计数器在TDC处复位。当可见时，当活塞达到TDC时，气缸的内部压力增加，并且在燃烧时观察到尖峰。同样值得注意的是，当活塞从TDC向下移动到底部时，压力随着振荡行为而下降。振荡由于燃烧链而发生。

3.实验设置

在初步实验中，功率和扭矩值决定了最大功率和扭矩输出条件。 在圆柱体压力测量中使用Kistler 6011压力传感器，Kistler 5011型电荷放大器和LeCroy品牌数字示波器进行记录。压力和增量编码器信号同时以0.1°CA间隔记录。 实验装置如图3所示。

3.1 实验程序

资料编号：[4507]