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PLC控制的单缸柴油 - 液化石油气发动机
精彩部分
电子注射系统提高了燃烧的质量。
我们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的添加，最大气缸压力升高。
在TDC引起较低的最大功率之前减少喷射提前量。
摘要
这项工作的主要目的是将单缸柴油机的机械喷射系统转换为电控双燃料系统。 新系统由两个不同的喷油器组成。 第一台喷油器供应液化石油气（LPG），另一台供应柴油。 LPG通过位于发动机进气口的端口燃油喷射系统供应，柴油在上止点（TDC）之前直接喷入燃烧室。 所有喷油器均由可编程逻辑控制器（PLC）控制。 经过适应和测试，单缸Lombardini LDA 450型柴油发动机被改装为高压PLC控制的双燃料研究发动机。
关键词：
柴油发动机
LPG
注射
提前
PLC
- 介绍
环境问题和石油资源的枯竭迫使研究人员集中力量寻找传统石油燃料的替代品。大量的实验努力都集中在同时实现高能效和减少有害排放[7]。排放问题分为两部分。首先是引擎和老车的流行;第二个是燃料。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，燃料规格对车辆更重要[23]。在这一点上，在I.C.中使用气体燃料发动机一直被认为是减少排放的可能方法，同时保持发动机性能和效率[8]。 LPG被认为是最优秀的替代燃料之一，不仅是石油燃料的替代品，而且也是减少NOx，烟尘和颗粒物质的基础。液化石油气具有很高的辛烷值，因此适用于S.I.发动机。但是当LPG在通常的柴油发动机中燃烧时，由于其十六烷值较低，所以自燃很困难[10]。
如今，由于排放方面的环境效益以及更便宜的单价，液化石油气在我们国家变得更具吸引力。一般来说，SI（火花点火）发动机驱动的旧车燃料系统改为双燃料（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，迫使柴油发动机使用液化石油气的问题。
自20世纪30年代初以来，对用双燃料运行的压缩机进行研究的兴趣在波动。最近，由于许多原因，包括国家对液体燃料有限资源的关注，环境问题以及需要使用可靠，耐用和高效的发动机[3]，双燃料发动机正受到许多科学家的更多关注。
双燃料发动机研究侧重于利用天然气，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，因为这种燃料的着火温度较高。这种主要燃料会增加混合物的温度[4]。此外，由于气体辛烷值较高燃料，它可以用于传统的高压缩发动机，稍作修改，具有与柴油相当的效率[3]。根据Yoong和Watkins [9]，热效率更高，因此燃料经济性可以通过内燃机燃烧发动机使用液化石油气而不是无铅汽油。这是因为液化石油气具有较高的辛烷值，通常为纯丙烷的112倍，这可以防止发动机在高压缩比下发生爆震[5]。
Homoyer等人 [6]指出，当使用液化石油气时，与使用汽油相比，由于某些吸入空气被燃料气体排出的体积远远大于其燃烧液体，所以在使用液化石油气时的发电量会有所减少。在使用液化石油气作为主要燃料和先导量的柴油作为点火源的双燃料压缩点火发动机中，液化石油气与进气一起被诱导并像传统柴油发动机那样被压缩。空气和液化石油气的混合物由于其高的自燃温度而不会自燃。少量的柴油燃料在压缩冲程结束时喷射，以点燃混合气。
Poonia等人[11]在各种进气温度和引燃量下对LPG-柴油双燃料发动机进行了实验。发现通过增加气态原始燃料的浓度，点火延迟显着增加。在较高的负载条件下，气体燃料的燃烧是在点燃引燃燃料之后通过火焰传播发生的。
Ganesan和Ramesh [12]使用液化石油气作为主要燃料和柴油作为燃料。由于燃烧率升高，制动器热效率从柴油模式的35％增加到满负荷条件下的双燃料模式下的37％。然而，在较低的负载条件下和较高的柴油替代率下，制动器热效率降低，碳氢化合物和一氧化碳含量增加。另外还注意到，在双燃料模式下，NOx水平降低到满负荷状态的60％。在满载情况下，双燃料模式下的烟气排放量从1.3 Bosch Smoke Units（BSU）降至0.5（BSU）。点火延迟时间增加2 LCA（曲轴转角），轻载和高柴油替代条件下峰值压力降低。
Saleh [2]研究了不同发动机条件下LPG组成对双燃料压缩发动机废气排放的影响。这项研究报告说，与传统柴油发动机相比，含70％丙烷混合气的LPG显示出类似的性能。对于70％的丙烷混合燃料，NOx和SO2排放量减少了27-69％，同时与常规柴油发动机相比，CO排放量减少了15.7％。
通过混合粉末燃料滴和气缸内的空气实现高质量的燃烧形成[13]。在这个问题上，注射参数例如注射的时间和周期，注射压力和注射束的数量影响燃烧和混合物形成的质量。此时，注射系统对混合物形成起着重要作用。喷射正时和周期以曲轴角度来确定燃烧的开始。
商用单缸发动机采用具有预定参数的机械燃料喷射系统生产。因此不能测试提前角，喷射压力，持续时间和相数等不同操作参数的影响。在测试发动机中，喷油器应根据发动机的运行参数（速度，气体位置等）进行控制。
在替代燃料研究中，注射系统参数如压力，注射推进和注射特性必须是可控的。通常，单缸柴油机试验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。共轨式机制使我们能够在注射系统上采用高效灵活的控制方案。
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，这种延迟的最小值不能被破坏。注入缸内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NOx和噪音。为了补偿这些问题，使用了预注射技术。用这种方法可以降低NOx和噪音水平[14-18]。另外，高压喷射可以提高燃油消耗率和颗粒物排放水平[19,20]。
作为总结，在测试发动机提前角度中，喷射的持续时间和次数是可以调整以发现替代燃料的最佳混合比例的参数。
另外，测量系统对于测量扭矩输出，速度，温度，气流速率，燃烧压力和排放物是至关重要的。从系统收集的与控制参数和相应测量相关的数据可用于测试引擎的系统识别，因此;最佳操作区域将被确定。
在双燃料操作中，LPG燃料喷射系统位于DI（直接喷射）柴油发动机的进气口，并且在上止点之前通过电磁喷射器直接喷射到燃烧室中的冲模燃料。所有喷油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，但速率降低[26]。
- 发动机管理
替代燃料的测试引擎系统由三个主要部分组成。 第一部分是引擎及其控制器。 第二部分是包括共轨压力管线和低压燃油管线（双燃料）的燃油系统。 最后，第三部分是包含所有传感器和传感器的测量系统，它提供了上述所有操作量的反馈。
单缸柴油发动机与直流电机通过皮带轮机构以1：2的比例相连。 一个两象限驱动器连接到直流电机。 在第一象限中，它作为发动机的星形发动机运行，在第二个发动机中作为发动机加载发动机。
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可以显着帮助符合排放法规和燃料消耗。关于燃烧效率的信息可以提供有关发动机操作的有力工具，并且可以有利地用于闭环电子发动机控制[24,25]。
在电子控制的发动机系统中，基于微控制器的控制器对于收集数据并产生必要的信号以实时驱动喷射器（LPG和柴油）是必需的。专门为工业自动化开发的可编程逻辑控制器（PLC）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。 PLC的另一个优点是对于控制应用而言，PLC是相对经济的解决方案。 PLC作为ECU收集来自传感器的数据，如曲轴箱，压力和温度传感器，然后生成喷油器的驱动信号。西门子S7-200系列CPU224 PLC适用于14路数字量输入和10路数字量输出。模拟量模块连接到PLC以进行模拟数据采集[22]。
在用作控制器的PLC中，有精确的定时器用于喷射定时，高速计数器用于对增量编码器脉冲进行计数以实现曲轴位置和用于注入信号的高速脉冲发生器。 TD200 HM接口用于进入虚拟油门踏板位置，喷射提前角值和显示用户数据，如转速，共轨压力值。除了显示数据，HM接口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。
一个IVO品牌增量式编码器，每分钟360线，用于评估曲轴的位置。其零位置于活塞上止点。 TDC取决于气缸盖打开后活塞的视觉测量。当两个阀门（进气口和排气口）关闭时，活塞在往复运动期间改变其方向时标记。检测曲轴的精确位置非常重要，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幅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，以便通过两个不同的喷油器产生两种不同的燃油喷射。当计数器达到预设值时，运行基于事件的中断子程序。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的基于时间的中断周期中，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
电子控制燃油喷射系统应提供与发动机相同的性能，因此电磁喷油器的喷射持续时间应与SFC相关。在确定机械注射器的SFC之后的步骤是针对相同的操作状态校准电磁注射器。很快，有必要确定喷油器打开时每次喷射的燃油量。自然地，该量不仅是喷射持续时间的函数，而且还是共轨压力的函数。
经过机械测试后，柴油发动机被改装用于双燃料应用。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喷油器直接安装在进气阀的上游。测试引擎的规格列于表1中。测试基座如图1所示。
共轨（柴油）的压力由带有三个活塞的径向压力泵产生。在试验台中，泵由3HP三相感应电机驱动。柴油从燃料箱供应。液化石油气燃料系统比共轨更基础。使用普通的液化石油气储罐，液化石油气过滤器，调节器和导轨将石油气供应给喷油器。
共轨压力控制在200至1600巴之间的参考值。选择这些值是为了测试喷油器的性能以及由压力引起的燃烧质量的变化。在径向压力泵中，输出压力是通过脉宽调制信号进行控制，从而开启和关闭柱塞。 压力传感器用于反馈。
|
总排量 |
454 cm3 |
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气缸数量 |
单 |
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喷射时间（电子） |
可变 - BTDC |
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缸径 |
85 mm |
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行程 |
80 mm |
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最大转速在2200转 |
28.5 Nm |
|
最大3000转时的功率 |
7.5 kW |
表格1
图1：LPG注入PLC控制的单缸柴油发动机试验台。
2.3.注射器校准
共轨喷油器的校准实验是在没有燃烧的情况下以100 bar为增量进行900-1600 bar的处理。在初步实验中，根据燃料温度记录喷射特性的显着变化。为了避免这些变化，使用冷却器以将燃料温度保持在40℃以下。使用赛多利斯品牌精密标尺在一定量的喷射持续时间内测量喷射的燃料的重量。对于共轨实验，注射器被触发1000次进入容器并测量柴油的重量。
LPG进样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。喷射器被触发几次。在不同的开启持续时间内计算LPG注入的数量以消耗10g的LPG燃料。
校准后，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来控制发动机。
2.4.发动机控制算法
众所周知，在柴油发动机中，燃料 - 空气混合物被紧紧压缩时发生燃烧。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，压缩比保持不变。另一方面，混合物的形成是我们可以操纵的一个参数。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作为控制器是一种经济决策。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，用于检测曲轴转角的编码器输出的高速计数器，用于喷射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（脉宽调制）信号的高速数字输出和PTO（脉冲串输出））信号进行喷油器控制。它还具有实时时钟，这对实时控制系统非常重要[21,22]。
控制算法的流程图显示在图2a中。 从TDC以提前角开始注射并持续经过一段时间（注射持续时间）。 这两个值都受到控制。 在图2b中，显示了下死点（BDC）的编码器信号，喷射信号和气缸内的压力。 使用来自BDC的编码器信号，因为高速计数器在TDC处复位。 如图所示，当活塞达到TDC时，气缸的内部压力会增加，并在燃烧时观察到尖峰。 值得注意的是，当活塞从TDC移动到底部时，压力随着振荡行为而下降。 振荡是由于燃烧链发生的。
图2.（a）柴油机控制算法和（b）控制和反馈信号
- 实验设置
在初步实验中，确定最大功率和扭矩输出条件下的功率和扭矩值。 在圆柱体压力测量中，使用奇石乐6011压力传感器，奇石乐5011型电荷放大器和力科品牌数字示波器记录。 以0,1
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