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壓燃式雙燃料發(fā)動機(jī)燃料轉(zhuǎn)換控制器的設(shè)計(jì)
隨著人們對能源和環(huán)境問題的日益關(guān)注，內(nèi)燃機(jī)的高效潔凈燃燒作為一項(xiàng)重要的“綠色工程”技術(shù)，已在各國引起了廣泛的關(guān)注。以柴油為引燃燃料的天然氣/柴油雙燃料發(fā)動機(jī)是解決這一問題的一個(gè)有效手段。
由于雙燃料發(fā)動機(jī)是在原有柴油發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)上改裝而成，因此發(fā)動機(jī)必須符合一定的工作狀態(tài)，才可以通過轉(zhuǎn)換在雙燃料狀態(tài)下工作，或者在一定條件下，發(fā)動機(jī)在雙燃料狀態(tài)下才具有良好的效果。一般情況下，當(dāng)發(fā)動機(jī)水溫高于50℃時(shí)，發(fā)動機(jī)才適合在雙燃料狀態(tài)工作。為了更好地使用和保護(hù)發(fā)動機(jī)，燃料轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)應(yīng)該保證在發(fā)動機(jī)水溫滿足一定的條件進(jìn)，才可以轉(zhuǎn)換到雙燃料工作狀態(tài)。為實(shí)現(xiàn)燃料轉(zhuǎn)換的順利進(jìn)行，研制了燃料轉(zhuǎn)換控制機(jī)構(gòu)。
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1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的邏輯控制單元主要用來接收司機(jī)的轉(zhuǎn)換信號X1、發(fā)動機(jī)的水溫信號X2、高壓天然氣的壓力信號X3及燃料轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)的反饋信號X4等，先進(jìn)行一定的邏輯判斷，發(fā)出適當(dāng)?shù)闹噶睿瓿芍付ǖ娜蝿?wù)。然轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)示意圖如圖1所示。
然轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的機(jī)械執(zhí)行部分必須能夠?qū)⑦壿嬁刂茊卧闹噶钚盘柣癁闄C(jī)械運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)燃料轉(zhuǎn)換的目的，這一功能由開關(guān)電磁鐵完成。在方案設(shè)計(jì)中，要求開關(guān)電磁鐵的兩種位置對應(yīng)機(jī)械執(zhí)行部分的兩種工作狀態(tài)，即雙燃料工作狀態(tài)和純柴油工作狀態(tài)。通過機(jī)械部分的連動，傳動機(jī)構(gòu)切斷或連接加速踏板的運(yùn)動，控制調(diào)速器控制桿的運(yùn)動狀態(tài)。當(dāng)加速踏板對調(diào)速器起作用時(shí)，調(diào)速器控制桿決定發(fā)動機(jī)的運(yùn)動，此時(shí)邏輯控制部分關(guān)閉高壓天然氣閥與電控單元（ECU），這就是純柴油工作狀態(tài)。當(dāng)加速踏板的運(yùn)動向調(diào)速器控制桿的傳遞被機(jī)械部分切斷時(shí)，調(diào)速器控制桿被固定在怠速油量位置，邏輯控制單元開啟天然氣高壓閥并給電控單元（ECU）發(fā)送工作信號，這就是雙燃料工作狀態(tài)。這樣，司機(jī)只需板動轉(zhuǎn)換開關(guān)，由它發(fā)出指令，邏輯控制單元根據(jù)接收的信號作出判斷，同時(shí)驅(qū)動外沿器件，即可實(shí)現(xiàn)純柴油與雙燃料兩種工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換[1]。
2 邏輯控制單元設(shè)計(jì)
邏輯控制單元主要實(shí)現(xiàn)信號的接收、判斷和發(fā)送。主要由三個(gè)部分組成，即邏輯判斷部分、外沿接口部分和電源轉(zhuǎn)換部分。
邏輯控制單元的工作過程如下：外沿接口部分將接收的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳遞給邏輯判斷部分后，由邏輯判斷部分判斷轉(zhuǎn)換條件是否滿足，并發(fā)出控制指令；再由外沿接口部分將指令轉(zhuǎn)化為對應(yīng)器件能識別的信號，如驅(qū)動電源閥的大電流等。電源部分主要是將汽車電瓶的12V電壓轉(zhuǎn)換為邏輯控制單元上電子元件所需要的電壓（5V）。
2.1 邏輯判斷部分
邏輯判斷部分接收外沿接口部分傳來的數(shù)字信號，進(jìn)行判斷后發(fā)出適應(yīng)的指令。
在此規(guī)定：在司機(jī)將轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)換到雙燃料工作位置時(shí)，轉(zhuǎn)換信號x1=1，而純柴油位置時(shí)，X1=0；當(dāng)水溫達(dá)到雙燃料狀態(tài)的要求時(shí)，水溫信號x2=1，否則x2=0；當(dāng)高壓天然氣在允許使用的最小壓力以上時(shí)，天然氣氣壓信號x3=1，否則x3=0；當(dāng)機(jī)械部分處于雙燃料工作狀態(tài)時(shí)，反饋信號x4=1，當(dāng)機(jī)械部分恢復(fù)純柴油工作狀態(tài)時(shí)，反饋信號x4=0。邏輯判斷部分發(fā)出的指令有：啟動開關(guān)電磁鐵信號Y1（供電時(shí)開關(guān)電磁鐵工作，將機(jī)械部分轉(zhuǎn)換至雙燃料工作狀態(tài)時(shí)Y1=1，否則Y1=0），啟動高壓天然氣電磁閥信號Y2（供電時(shí)電磁閥開啟時(shí)Y2=1，否則電磁閥關(guān)閉Y2=0），故障信號Y2（有故障時(shí)故障信號燈供電Y3=1，否則，Y3=0），啟動電控單元（ECU）信號Y4（給ECU供電使其工作時(shí)Y4=1，否則Y4=0）。
由以上分析得出以下各輸出信號與輸入信號的邏輯關(guān)鍵式：
Y1=X1X2X3
Y2=X1X2X3X4
Y3=X1X4+X1X2X3X4
X4=X1X2X3X4
由于邏輯關(guān)系比較簡單，采用TTL電路，由74系列的芯片完成其邏輯判斷功能，邏輯部分的電路圖如圖2所示[2]。圖中，7411和7408是與門，7404是反相器，7402是或非門。輸入信號是X1、X2、X3、X4，輸出信號是Y1，Y3，Y4。由于Y2=Y4，所以高壓天然氣的電磁閥和電控單元（ECU）的驅(qū)動電路都可以由Y4來控制。
2.2 外沿接口電路
因?yàn)橛行┢骷妮敵鲂盘柺悄M量，如水溫傳感器輸出的是可連續(xù)變化的電壓信號，邏輯控制單元無法直接接收并辨識判斷，因此就需要有外沿接口電路將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。
外沿接口電路的另一個(gè)作用就是將邏輯判斷部分的指令轉(zhuǎn)化為一些器件所需的電信號，如電流信號等。
2.2.1 電壓比較器
在邏輯控制單元中，有兩處需要用到電壓比較器，一個(gè)是水溫傳感器的接口，另一個(gè)是天然氣壓力傳感器的接口。
對比較器LM311給定一個(gè)參考電壓，當(dāng)輸入電壓低于參考電壓時(shí)，比較器輸出的電壓為低電平，高于參考電壓時(shí)，輸出電壓為高電平。
2.2.2 驅(qū)動電路部分
在燃料轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的驅(qū)動器件中，開關(guān)電磁鐵和高壓天然氣截止閥需要較強(qiáng)的工作電流，驅(qū)動電路部分采用固態(tài)繼電器，將邏輯判斷部分的指令轉(zhuǎn)換為較強(qiáng)的電流信號。
圖3為高壓天然氣截止閥的驅(qū)動電路，器件01為固態(tài)繼電器。當(dāng)發(fā)動機(jī)處于雙燃料狀態(tài)工作時(shí)，燃料轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)工作，邏輯判斷部分發(fā)出指令，使Y4=1，為高電平，經(jīng)U2（7404，反相器）后，B點(diǎn)的電熱UB為低電平，面A點(diǎn)的電勢UA比點(diǎn)B高，這時(shí)固態(tài)繼電器的輸入端接通，輸出端也導(dǎo)通。輸出端CD一旦接通，電磁閥HPVALVE兩端就會加上12V的額定工作電壓，使減壓器前的高壓天然氣閥門打開，天然氣經(jīng)減壓進(jìn)入發(fā)動機(jī)。當(dāng)邏輯判斷部分發(fā)出的指令使電磁閥關(guān)閉時(shí)，Y4=0，經(jīng)反相器后，B為高電平，UA=UB，固態(tài)繼電器的輸入端沒有電流通過，輸出端不導(dǎo)通，電磁閥在彈簧力的作用下恢復(fù)常閉狀態(tài)。
圖4為開關(guān)電磁鐵的驅(qū)動電路，其中器件U8是74123芯片，器件02、03是固態(tài)繼電器，線圈PUSH是開關(guān)電磁鐵的吸入線圈，HOLD則是其維持線圈，電源VDD為24V。當(dāng)然轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換到雙燃料工作狀態(tài)時(shí)，從74123的B腳輸入的Y1從低電平向高電平跳轉(zhuǎn)，迷種變化會讓74123的輸出端Q輸出一個(gè)瞬時(shí)的高電平脈沖電流，維持時(shí)間為ΔT。經(jīng)反相器7404后，A點(diǎn)的電勢UA將會出現(xiàn)同樣脈寬的低電平，固態(tài)繼電器02的輸入端也有ΔT時(shí)間的電流通過，這時(shí)固態(tài)繼電器02的輸出端出現(xiàn)ΔT時(shí)間的導(dǎo)通。在這段時(shí)間內(nèi)，很強(qiáng)的吸入電流通過開關(guān)電磁鐵的吸入線圈，產(chǎn)生足夠的電磁力吸入電磁鐵的鐵芯。脈寬ΔT的選擇應(yīng)該參考開關(guān)電磁鐵的性能參數(shù)設(shè)定，既要滿足吸入鐵芯的要求，又不能太長導(dǎo)致線圈燒毀。
ΔT是通過選擇電阻R10和電容C3的值來確定的。本處ΔT取為1秒，R10=1000Ω，C3=1000μF。
從產(chǎn)生機(jī)理上講，開關(guān)電磁鐵的維持電流與高電壓天然氣電磁閥的工作電流是同樣的機(jī)理：當(dāng)Y1=1時(shí)，存在維持電流，鐵芯維持在吸入狀態(tài)；當(dāng)Y1=0時(shí)，不存在維持電流，鐵芯在回位彈簧的作用下恢復(fù)原來的伸出位置。
2.3 電源部分
電源部分是以VOLTREG（7805）為核心的調(diào)壓電路。汽車電瓶上提供的是12V電源，而邏輯控制單元的芯片的工作電壓都是5V，因此需進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。圖5為電源部分的電路圖，輸入12V，輸出點(diǎn)VCC的電壓為5V。
電源部分需要注意的是電壓的穩(wěn)定性和功率限制。圖中各電容均起濾波和儲能的作用，防止電壓波動。穩(wěn)壓管Z1保證輸入OVLTREG的電壓精確為12V，兩個(gè)并聯(lián)的功率電阻R11、R12起降壓限流的作用，防止電源過載。由汽車電瓶提供電能的邏輯控制單元，電源部分能夠起到維護(hù)穩(wěn)定工作電壓的作用。
控制器設(shè)計(jì)完成后，安裝在由杭州汽車發(fā)動機(jī)廠的X6130發(fā)動機(jī)改裝而成的雙燃料發(fā)動機(jī)上。實(shí)際運(yùn)行證明，該系統(tǒng)可以很好地實(shí)現(xiàn)雙燃料發(fā)動機(jī)的燃料轉(zhuǎn)換過程。
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