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壓燃式雙燃料發(fā)動機燃料轉換控制器的設計
隨著人們對能源和環(huán)境問題的日益關注，內燃機的高效潔凈燃燒作為一項重要的“綠色工程”技術，已在各國引起了廣泛的關注。以柴油為引燃燃料的天然氣/柴油雙燃料發(fā)動機是解決這一問題的一個有效手段。
由于雙燃料發(fā)動機是在原有柴油發(fā)動機的基礎上改裝而成，因此發(fā)動機必須符合一定的工作狀態(tài)，才可以通過轉換在雙燃料狀態(tài)下工作，或者在一定條件下，發(fā)動機在雙燃料狀態(tài)下才具有良好的效果。一般情況下，當發(fā)動機水溫高于50℃時，發(fā)動機才適合在雙燃料狀態(tài)工作。為了更好地使用和保護發(fā)動機，燃料轉換機構應該保證在發(fā)動機水溫滿足一定的條件進，才可以轉換到雙燃料工作狀態(tài)。為實現燃料轉換的順利進行，研制了燃料轉換控制機構。
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1 系統(tǒng)方案設計
轉換機構的邏輯控制單元主要用來接收司機的轉換信號X1、發(fā)動機的水溫信號X2、高壓天然氣的壓力信號X3及燃料轉換機構工作狀態(tài)的反饋信號X4等，先進行一定的邏輯判斷，發(fā)出適當的指令，完成指定的任務。然轉換機構示意圖如圖1所示。
然轉換機構的機械執(zhí)行部分必須能夠將邏輯控制單元的指令信號化為機械運行，以實現燃料轉換的目的，這一功能由開關電磁鐵完成。在方案設計中，要求開關電磁鐵的兩種位置對應機械執(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)。通過機械部分的連動，傳動機構切斷或連接加速踏板的運動，控制調速器控制桿的運動狀態(tài)。當加速踏板對調速器起作用時，調速器控制桿決定發(fā)動機的運動，此時邏輯控制部分關閉高壓天然氣閥與電控單元（ECU），這就是純柴油工作狀態(tài)。當加速踏板的運動向調速器控制桿的傳遞被機械部分切斷時，調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，司機只需板動轉換開關，由它發(fā)出指令，邏輯控制單元根據接收的信號作出判斷，同時驅動外沿器件，即可實現純柴油與雙燃料兩種工作狀態(tài)的轉換[1]。
2 邏輯控制單元設計
邏輯控制單元主要實現信號的接收、判斷和發(fā)送。主要由三個部分組成，即邏輯判斷部分、外沿接口部分和電源轉換部分。
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化為數字信號傳遞給邏輯判斷部分后，由邏輯判斷部分判斷轉換條件是否滿足，并發(fā)出控制指令；再由外沿接口部分將指令轉化為對應器件能識別的信號，如驅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字信號，進行判斷后發(fā)出適應的指令。
在此規(guī)定：在司機將轉換開關轉換到雙燃料工作位置時，轉換信號x1=1，而純柴油位置時，X1=0；當水溫達到雙燃料狀態(tài)的要求時，水溫信號x2=1，否則x2=0；當高壓天然氣在允許使用的最小壓力以上時，天然氣氣壓信號x3=1，否則x3=0；當機械部分處于雙燃料工作狀態(tài)時，反饋信號x4=1，當機械部分恢復純柴油工作狀態(tài)時，反饋信號x4=0。邏輯判斷部分發(fā)出的指令有：啟動開關電磁鐵信號Y1（供電時開關電磁鐵工作，將機械部分轉換至雙燃料工作狀態(tài)時Y1=1，否則Y1=0），啟動高壓天然氣電磁閥信號Y2（供電時電磁閥開啟時Y2=1，否則電磁閥關閉Y2=0），故障信號Y2（有故障時故障信號燈供電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鍵式：
Y1=X1X2X3
Y2=X1X2X3X4
Y3=X1X4+X1X2X3X4
X4=X1X2X3X4
由于邏輯關系比較簡單，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）的驅動電路都可以由Y4來控制。
2.2 外沿接口電路
因為有些器件的輸出信號是模擬量，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化為數字信號。
外沿接口電路的另一個作用就是將邏輯判斷部分的指令轉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，一個是水溫傳感器的接口，另一個是天然氣壓力傳感器的接口。
對比較器LM311給定一個參考電壓，當輸入電壓低于參考電壓時，比較器輸出的電壓為低電平，高于參考電壓時，輸出電壓為高電平。
2.2.2 驅動電路部分
在燃料轉換機構的驅動器件中，開關電磁鐵和高壓天然氣截止閥需要較強的工作電流，驅動電路部分采用固態(tài)繼電器，將邏輯判斷部分的指令轉換為較強的電流信號。
圖3為高壓天然氣截止閥的驅動電路，器件01為固態(tài)繼電器。當發(fā)動機處于雙燃料狀態(tài)工作時，燃料轉換機構工作，邏輯判斷部分發(fā)出指令，使Y4=1，為高電平，經U2（7404，反相器）后，B點的電熱UB為低電平，面A點的電勢UA比點B高，這時固態(tài)繼電器的輸入端接通，輸出端也導通。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，天然氣經減壓進入發(fā)動機。當邏輯判斷部分發(fā)出的指令使電磁閥關閉時，Y4=0，經反相器后，B為高電平，UA=UB，固態(tài)繼電器的輸入端沒有電流通過，輸出端不導通，電磁閥在彈簧力的作用下恢復常閉狀態(tài)。
圖4為開關電磁鐵的驅動電路，其中器件U8是74123芯片，器件02、03是固態(tài)繼電器，線圈PUSH是開關電磁鐵的吸入線圈，HOLD則是其維持線圈，電源VDD為24V。當然轉換機構轉換到雙燃料工作狀態(tài)時，從74123的B腳輸入的Y1從低電平向高電平跳轉，迷種變化會讓74123的輸出端Q輸出一個瞬時的高電平脈沖電流，維持時間為ΔT。經反相器7404后，A點的電勢UA將會出現同樣脈寬的低電平，固態(tài)繼電器02的輸入端也有ΔT時間的電流通過，這時固態(tài)繼電器02的輸出端出現ΔT時間的導通。在這段時間內，很強的吸入電流通過開關電磁鐵的吸入線圈，產生足夠的電磁力吸入電磁鐵的鐵芯。脈寬ΔT的選擇應該參考開關電磁鐵的性能參數設定，既要滿足吸入鐵芯的要求，又不能太長導致線圈燒毀。
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。
從產生機理上講，開關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理：當Y1=1時，存在維持電流，鐵芯維持在吸入狀態(tài)；當Y1=0時，不存在維持電流，鐵芯在回位彈簧的作用下恢復原來的伸出位置。
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，因此需進行電壓轉換。圖5為電源部分的電路圖，輸入12V，輸出點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穩(wěn)定工作電壓的作用。
控制器設計完成后，安裝在由杭州汽車發(fā)動機廠的X6130發(fā)動機改裝而成的雙燃料發(fā)動機上。實際運行證明，該系統(tǒng)可以很好地實現雙燃料發(fā)動機的燃料轉換過程。
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