使用?NI?技術(shù)?來?控制?低溫?燃燒?(LTC)?發(fā)動(dòng)?機(jī)

使用低溫內(nèi)燃機(jī)（LTC）的目的是為了在不產(chǎn)生危害性排放的條件下，達(dá)到高效的燃料使用率。氮的氧化物（NOx）和顆粒物（PM）是柴油燃燒中兩個(gè)主要的需要控制的污染物。圖1顯示了燃燒溫度和污染物構(gòu)成之間的關(guān)系。燃燒溫度降低，則氮氧化物減少；在稀薄燃燒的情況下，微粒物是最少的。低溫燃燒的發(fā)動(dòng)機(jī)能在足夠低溫和足夠稀?。ǖ彤?dāng)量比）的情況下進(jìn)行燃燒，從而避免了大量顆粒物和氮氧化物的產(chǎn)生，并且它們依然秉承了傳統(tǒng)壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的高熱效特點(diǎn)：它們具有高壓縮比并且無需節(jié)流閥便可完美運(yùn)行。世界上眾多的大學(xué)，實(shí)驗(yàn)室和機(jī)構(gòu)都在研究低溫內(nèi)燃機(jī)的概念。下面是一些常用的低溫內(nèi)燃的方法。

圖1：這個(gè)在谷歌上發(fā)現(xiàn)的桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室繪制的圖表，顯示了顆粒物構(gòu)成區(qū)域和氮氧化物構(gòu)成區(qū)域與燃燒溫度及其當(dāng)量比的關(guān)系。

均質(zhì)充量壓燃技術(shù)
 

均質(zhì)充量壓燃技術(shù)是傳統(tǒng)柴油機(jī)（分層壓燃）和汽油（均質(zhì)充量火花點(diǎn)火）機(jī)的結(jié)合體。通過使用均質(zhì)充量壓燃技術(shù)，燃料在燃燒前就與吸入的空氣充分接觸。這種提前噴油使得燃料在壓縮時(shí)就與空氣完全混合，就如同在進(jìn)氣道噴油式汽油機(jī)中一樣。然而，均質(zhì)充量壓燃技術(shù)并不是依靠火花來點(diǎn)燃混合氣，而是依靠壓縮的熱量來進(jìn)行點(diǎn)火（見圖2）?；旌蠚鉄o需火花點(diǎn)燃燃燒前的熱焰或壓縮點(diǎn)火燃燒前的本地濃焰，即可同時(shí)燃燒。

圖2：柴油機(jī)，汽油機(jī)和均質(zhì)充量 壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)的區(qū)別
 

因?yàn)閷?duì)均質(zhì)充量壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒環(huán)節(jié)沒有明確的控制，在發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)周期過程中，可以調(diào)整不同的條件來引發(fā)燃燒。汽油溫度，壓縮率，殘余廢氣，和空氣/燃料比，都可以被調(diào)整來獲得需要的燃燒效果。在每個(gè)需要被調(diào)整的發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)周期之間，燃燒環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理和觸發(fā)必須快速實(shí)時(shí)地進(jìn)行。除了在最低的負(fù)載情況下，其他的時(shí)候都會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的敲缸傾向，加上燃燒相位的控制難度，都推動(dòng)著研究人員考慮使用低溫燃燒技術(shù)。
 

預(yù)混合充量壓燃技術(shù)（PCCI）
 

預(yù)混合充量壓燃技術(shù)，也被稱為部分預(yù)混合充量壓燃技術(shù)，是均質(zhì)充量壓燃技術(shù)的一種變體，它可以通過在壓縮沖程中類似柴油機(jī)一樣較晚地噴射一個(gè)燃料脈沖，來控制點(diǎn)火的開始，無需火花塞的幫助即可完成點(diǎn)火。吸入的空氣在燃料脈沖注入前即與燃料進(jìn)行預(yù)混合（該技術(shù)由此得名）。較早噴射的燃料在氣缸內(nèi)與空氣分層，由于壓縮沖程靠近上死點(diǎn)（TDC），而產(chǎn)生了類似均質(zhì)充量壓縮點(diǎn)火的情況。在上死點(diǎn)或靠近上死點(diǎn)的地方，燃料脈沖直接被噴射入氣缸。較晚噴射脈沖的富燃區(qū)域會(huì)比稀薄燃料均質(zhì)充量先燃燒。這種變化的燃料/空氣混合方式，是通過將燃燒持續(xù)的時(shí)間延長(zhǎng)，從而比均質(zhì)充量壓燃的瞬時(shí)燃燒時(shí)間更長(zhǎng)，來控制燃燒相位。較晚噴射燃料也能更直接地控制氣缸內(nèi)哪里的燃燒可以先開始以及如何開始，就如同噴霧式直噴技術(shù)（SGDI）發(fā)動(dòng)機(jī)一樣。預(yù)混合充量壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)可能還會(huì)結(jié)合氣口燃料噴油嘴（PFIs）和直接噴油嘴（DIs）。

反應(yīng)控制壓燃技術(shù)

作為均質(zhì)充量壓燃和預(yù)混合充量壓燃的一種革新技術(shù)，反應(yīng)控制壓燃技術(shù)在壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)中使用多種不同反應(yīng)的燃料，來對(duì)燃燒相位獲取更多的控制。通過在計(jì)劃的時(shí)間間隔內(nèi)，噴射這些不同的燃料，來控制氣缸內(nèi)均質(zhì)時(shí)的反應(yīng)，以獲取最佳的燃燒時(shí)長(zhǎng)和燃燒等級(jí)。相對(duì)反應(yīng)較低的燃料會(huì)較早噴入發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)系統(tǒng)并同時(shí)與空氣混合在一起，之后再向氣缸內(nèi)噴射高反應(yīng)的燃料。這種方法為不同的空氣燃料比率和反應(yīng)都提供了空間，使得燃燒可以在不同時(shí)間以不同速率進(jìn)行。多點(diǎn)噴油系統(tǒng)必須使用反應(yīng)控制壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)。這種方法已被證明可以使用多種燃料組合：汽油，柴油，天然氣，還包括一些生物燃料以及清潔燃料。
 

火花助燃均質(zhì)充量壓燃技術(shù)和高效稀油發(fā)動(dòng)機(jī)
 

均質(zhì)充量壓燃技術(shù)在瞬變情況下很難控制，所以，在瞬變環(huán)境下經(jīng)常也會(huì)配備傳統(tǒng)的火花點(diǎn)火模式來確?？尚行??；鸹ㄖ季|(zhì)充量壓燃（DA-HCCI）發(fā)動(dòng)機(jī)能夠根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度和負(fù)載，在均質(zhì)充量壓燃和火花點(diǎn)燃間迅速切換。對(duì)于低負(fù)載的操作，均質(zhì)充量壓燃能夠提供最大效率以及最低的排放。但當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于重負(fù)載時(shí)，缸壓和溫度迅速變化，控制均質(zhì)充量壓燃將變得十分困難。點(diǎn)火太早或太快會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的發(fā)動(dòng)機(jī)敲缸。在這種瞬變的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)將切換到傳統(tǒng)的火花點(diǎn)火模式，點(diǎn)火的開始將由火花環(huán)節(jié)的時(shí)間點(diǎn)決定。
 

人們也在盡力對(duì)傳統(tǒng)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改進(jìn)。高效稀油發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)盟由一批研究人員組成，他們希望能改良汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，使其成為在將來眾多其他被研究的發(fā)動(dòng)機(jī)中，最具競(jìng)爭(zhēng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)。高效稀油發(fā)動(dòng)機(jī)的研究現(xiàn)在正集中于抗敲缸燃燒室，高能點(diǎn)火技術(shù)和增加制動(dòng)平均有效壓力（BMEP）。達(dá)到這些目標(biāo)的關(guān)鍵要素是必須大量使用廢氣再循環(huán)（EGR）技術(shù)。
 

雖然以上所有的低溫內(nèi)燃機(jī)的燃料組合和噴油時(shí)間不盡相同，但它們都具有一些相同的特性。首先，它們都需要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和缸內(nèi)環(huán)節(jié)處理，這樣發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)才能達(dá)到想要的結(jié)果。為了達(dá)到這個(gè)目的，許多低溫內(nèi)燃機(jī)使用缸壓傳感器，精確地提供燃燒相位，峰值壓力，溫度等詳細(xì)數(shù)據(jù)。其次，它們對(duì)于傳輸?shù)綒飧椎娜剂隙加芯_的控制。有些使用多次脈沖噴油系統(tǒng)，有些既使用氣口燃料噴油嘴又使用直接噴油嘴。再次，它們對(duì)于燃燒溫度及燃料相位都必須保證一定的控制，這些控制是通過在之前的循環(huán)過程中排放出廢氣，或者是通過外部通道的廢氣再循環(huán)技術(shù)使得廢氣回到氣缸內(nèi)來實(shí)現(xiàn)的。最后，有些低溫內(nèi)燃機(jī)的變體會(huì)使用火花塞來輔助點(diǎn)火，尤其是在高負(fù)載的情況下。
 

許多二級(jí)市場(chǎng)的發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECUs）并不具備動(dòng)力電子設(shè)備，數(shù)據(jù)采集能力，或者足夠的處理速度來控制低溫內(nèi)燃機(jī)上所有的執(zhí)行器和系統(tǒng)。許多研究人員從不同的生產(chǎn)廠商那里取得多個(gè)具有固定特性的ECU來控制一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)。燃燒分析和發(fā)動(dòng)機(jī)控制往往發(fā)生在兩個(gè)分離的系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)都有自己的配套軟件。由此，開發(fā)的時(shí)間將會(huì)變得很長(zhǎng)，軟件配置也會(huì)變得冗長(zhǎng)乏味。使用美國(guó)國(guó)家儀器公司和Drivven公司現(xiàn)成即用（COTS）的商業(yè)化產(chǎn)品，可以搭建運(yùn)行一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，來對(duì)每個(gè)低溫內(nèi)燃機(jī)所需的子系統(tǒng)進(jìn)行燃燒分析及實(shí)時(shí)控制。下文將說明美國(guó)國(guó)家儀器公司的產(chǎn)品如何與每一個(gè)這些發(fā)動(dòng)機(jī)子系統(tǒng)無縫結(jié)合的。
 

實(shí)時(shí)缸內(nèi)壓力分析
 

氣缸內(nèi)的壓力傳感器提供燃燒相位所需數(shù)據(jù)以用作精確分析，同樣也能判斷一些不利于燃燒的情況，比如敲缸和熄火。使用缸壓數(shù)據(jù)，能夠計(jì)算出峰值壓力和曲軸轉(zhuǎn)角的相位（CAD），最大增壓率和曲軸轉(zhuǎn)角的相位，指示平均有效壓力（IMEP），凈平均有效壓力，泵氣平均有效壓力，放熱率，燃料質(zhì)量燃燒率（MFB）比例，和50%燃燒相位（CA50）。

圖3：一個(gè)普通的缸壓傳感器
 

低溫內(nèi)燃機(jī)的質(zhì)量燃燒率計(jì)算特別有趣，因?yàn)樗鼈儽磉_(dá)了燃燒相位的信息——在復(fù)雜的氣/燃料/廢氣循環(huán)混合體和可能的非直接點(diǎn)火控制下，這在發(fā)動(dòng)機(jī)中并不是十分容易能進(jìn)行控制的一點(diǎn)。為了能獲知?dú)飧變?nèi)燃燒相位準(zhǔn)確的情況，必須以高度的確定性和極快的速度對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣和處理。有一個(gè)控制方法稱為下次周期控制。使用這種方法，數(shù)據(jù)在下個(gè)燃燒環(huán)節(jié)開始前，就必須保證及時(shí)地傳輸給ECU反饋控制算法，從而調(diào)整氣缸執(zhí)行器以達(dá)到希望的燃燒條件（點(diǎn)擊此處了解更多關(guān)于下次周期控制的信息）。為了保證壓力數(shù)據(jù)的正確計(jì)算，可以使用一個(gè)安裝了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的PXI嵌入式控制器（圖4），該控制器可以在不到1ms的時(shí)間內(nèi)運(yùn)行一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)同步處理循環(huán)。這個(gè)循環(huán)可以從即時(shí)采樣的NI S系列多功能數(shù)據(jù)采集設(shè)備中獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。S系列設(shè)備具有八個(gè)模擬輸入通道，每通道的采樣率可以高達(dá)500 kS /S，在每分鐘8000轉(zhuǎn)的條件下，完全可以以0.1度曲軸轉(zhuǎn)角的精度完成氣缸壓力數(shù)據(jù)的采樣。高吞吐PXI嵌入式控制器配備了多核心的千兆赫的處理器，可以流處理大量的缸壓數(shù)據(jù)并快速進(jìn)行運(yùn)算。通過這些確定性的計(jì)算來控制循環(huán)，可以精確控制下次周期的燃料噴油嘴，廢氣循環(huán)閥門，火花塞等。

圖4：NI PXI-8109實(shí)時(shí)嵌入式控制器，搭載了2.66GHz的英特爾 i7處理器
 

NI R系列現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）設(shè)備能夠以25納秒的分辨率，讀取凸輪和曲軸的編碼器信號(hào)。這個(gè)信號(hào)數(shù)據(jù)可以用于在0.1度曲軸轉(zhuǎn)角的精度下根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的位置對(duì)缸壓進(jìn)行相位校正。R系列設(shè)備也被用于采集發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)速度信號(hào)，并處理所有的燃料，火花，和其他的執(zhí)行器命令，以保證它們能在所要求的精確時(shí)間被執(zhí)行。R系列FPGA設(shè)備還能用于同一周期控制，從而建立一個(gè)燃燒機(jī)制：壓力數(shù)據(jù)能被快速計(jì)算并處理，以在一個(gè)單獨(dú)的環(huán)節(jié)中對(duì)燃燒進(jìn)行調(diào)整。
 

燃料供給
 

低溫內(nèi)燃機(jī)需要對(duì)燃料噴射時(shí)間進(jìn)行精確的控制。對(duì)于預(yù)混合充量壓燃和反應(yīng)控制壓燃，由于多點(diǎn)脈沖燃料噴射的時(shí)間是設(shè)定好的，能夠以計(jì)劃好的曲軸轉(zhuǎn)角開始燃燒。稍早的噴射會(huì)導(dǎo)致預(yù)點(diǎn)火（敲缸），稍晚的噴射會(huì)導(dǎo)致燃料不燃燒。美國(guó)國(guó)家儀器公司和Drivven公司的C系列模塊，結(jié)合R系列FPGA設(shè)備，能夠提供所需的靈活性和控制性，將低溫內(nèi)燃機(jī)的燃料噴油嘴的觸發(fā)分辨率降至0.1度曲軸轉(zhuǎn)角。Drivven公司的C系列產(chǎn)品線包括氣口燃料噴油嘴驅(qū)動(dòng)模塊和直接噴油嘴驅(qū)動(dòng)模塊。它們都包含所需的動(dòng)力電子裝備來驅(qū)動(dòng)不同的噴油嘴，包括壓電式噴油嘴，同時(shí)它們還能完全自定義噴油時(shí)間及可調(diào)節(jié)的噴油高峰，并控制燃料流。直接噴油嘴和氣口燃料噴油嘴驅(qū)動(dòng)模塊使得多點(diǎn)噴油能在任何的曲柄角進(jìn)行。R系列設(shè)備上的FPGA，通過直接噴油嘴驅(qū)動(dòng)模塊，可以對(duì)噴油進(jìn)行相同周期控制。這也意味著在缸內(nèi)燃燒發(fā)生時(shí)，能實(shí)時(shí)調(diào)整噴油的情況。

圖5：一個(gè)普通的直接噴油嘴
 

Drivven公司的發(fā)動(dòng)機(jī)定位跟蹤（EPT）軟件由一組在NI LabVIEW圖形化編程環(huán)境中使用的FPGA IP核打包組成，該軟件可以在LabVIEW FPGA環(huán)境下追蹤大量的曲軸觸發(fā)模式的角度位置。EPT軟件用于監(jiān)管燃料和火花的輸出功能，由于是通過在FPGA上完成發(fā)動(dòng)機(jī)位置計(jì)算，CPU幾乎不需要處理發(fā)動(dòng)機(jī)同步事件。一旦啟動(dòng)EPT軟件，無論是多少數(shù)量的燃料和（或）火花輸出，軟件都能進(jìn)行處理，而無需占用寶貴的CPU處理時(shí)間。

廢氣再循環(huán)
 

廢氣再循環(huán)的過程是，將廢氣排放到新鮮空氣中，稀釋了空的同時(shí)也減少了燃料量，而且還降低了燃燒溫度。低溫內(nèi)燃機(jī)一般大量使用廢氣再循環(huán)（>20%）來幫助將燃燒控制在較低的溫度，并減緩燃燒。廢氣可以通過多種方式導(dǎo)入氣缸內(nèi)，有的發(fā)動(dòng)機(jī)在廢氣閥門上使用可變氣門驅(qū)動(dòng)（VVA）系統(tǒng)，來“捕捉”前一次燃燒的廢氣（有時(shí)也稱為“捕捉殘余”）。其他的發(fā)動(dòng)機(jī)使用電控閥門或風(fēng)門，通過低壓或高壓循環(huán)來截?cái)鄰U氣流，再將廢氣流引導(dǎo)至進(jìn)氣歧管。（見圖6，雷諾的Courtesy發(fā)動(dòng)機(jī)）

圖6：高壓和低壓廢氣再循環(huán)原理圖，雷諾的Courtesy發(fā)動(dòng)機(jī)。圖片來自谷歌。
 

對(duì)于使用可變氣門驅(qū)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，Drivven公司的AD Combo模塊可以對(duì)凸輪，曲柄和其他的模擬信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，以確定發(fā)動(dòng)機(jī)的位置，速度，負(fù)載和（或）進(jìn)氣量。Drivven公司的AD Combo模塊能夠提供一系列的汽車專用的模擬和數(shù)字輸入，從而與標(biāo)準(zhǔn)的汽車傳感器無縫連接。其中包括21個(gè)模擬輸入通道，2個(gè)可變磁阻傳感器輸入，和2個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器或通用的數(shù)字輸入通道。EPT軟件用于追蹤進(jìn)氣閥和排氣閥的相位，Drivven公司的低邊驅(qū)動(dòng)模塊， 配備了8個(gè)擁有0%-100%占空比脈沖寬度調(diào)制的通道，用于控制可變氣門驅(qū)動(dòng)凸輪相移器上的油控閥門。低邊驅(qū)動(dòng)模塊能夠調(diào)整廢氣閥的相位，使其提早關(guān)閉，捕捉氣缸內(nèi)的殘余廢氣，并阻擋住下一次進(jìn)氣。

圖7：Drivven公司的CompactRIO低邊驅(qū)動(dòng)模塊配備了八個(gè)擁有0%-100%占空比脈沖寬度調(diào)制的通道
 

低壓和高壓循環(huán)既使用傳統(tǒng)的閥門或電控的閥門，將廢氣引導(dǎo)至進(jìn)氣閥。Drivven AD Combo模塊用于測(cè)量循環(huán)過程中不同節(jié)點(diǎn)的壓力和（或）溫度值。對(duì)于使用閥門的發(fā)動(dòng)機(jī)，Drivven電子閥門驅(qū)動(dòng)模塊有兩個(gè)H橋電路和兩個(gè)模擬輸入通道，用于接收閥門相位的反饋。其他的廢氣再循環(huán)系統(tǒng)使用Drivven低邊驅(qū)動(dòng)模塊來控制它們的廢氣再循環(huán)電子閥門。
 

火花點(diǎn)火
 

一些低溫內(nèi)燃機(jī)使用的方法只有在低負(fù)載和近似穩(wěn)定條件下才能正常運(yùn)作，因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)處于高負(fù)載或瞬時(shí)條件下，將切換成普通的火花點(diǎn)火方式。Drivven公司的火花驅(qū)動(dòng)模塊可以驅(qū)動(dòng)八個(gè)感應(yīng)式點(diǎn)火線圈。它所具備的靈活性足以在0.1度曲軸轉(zhuǎn)角的精度下，以任何曲柄角度設(shè)定火花點(diǎn)火，同時(shí)，它的每次脈沖初級(jí)峰值電流的最大值可以達(dá)到7A。工程師可以運(yùn)用多種火花驅(qū)動(dòng)模塊，來應(yīng)對(duì)需要使用超過八個(gè)火花塞的應(yīng)用。

圖8：Drivven CompactRIO火花驅(qū)動(dòng)模塊具有八個(gè)感應(yīng)式點(diǎn)火線圈驅(qū)動(dòng)通道。

 

3. 其他研究中的發(fā)動(dòng)機(jī)
 

本文主要集中討論了低溫內(nèi)燃機(jī)，美國(guó)國(guó)家儀器公司和Drivven公司的發(fā)動(dòng)機(jī)控制產(chǎn)品具備足夠的靈活性，可以使用在許多其他的內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中?；贜I LabVIEW FPGA模塊的開放軟件平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)啟動(dòng)時(shí)間的完全自定義。模塊化的NI CompactRIO平臺(tái)可以針對(duì)不同的應(yīng)用需求，提供不同的硬件配置。使用自由活塞，負(fù)氣門重疊角，噴霧式直噴技術(shù)（SGDI），混合燃料，渦輪增壓等其他發(fā)動(dòng)機(jī)概念的應(yīng)用，都可以使用NI和Drivven公司的發(fā)動(dòng)機(jī)控制產(chǎn)品來進(jìn)行控制。

 

4. 結(jié)論                 

表1：低溫內(nèi)燃機(jī)子系統(tǒng)所需硬件概覽
 

低溫內(nèi)燃機(jī)希望能為內(nèi)燃機(jī)提高效率，降低排放，但控制缸內(nèi)燃燒卻是個(gè)難以克服的挑戰(zhàn)。隨著處理器和FPGA技術(shù)的優(yōu)勢(shì)的體現(xiàn)，世界上主要的大學(xué)和實(shí)驗(yàn)室都對(duì)低溫內(nèi)燃機(jī)和其他發(fā)動(dòng)機(jī)所采用的方案進(jìn)行了控制和研究。NI和Drivven公司的發(fā)動(dòng)機(jī)控制產(chǎn)品線為工程師和研究人員提供了他們所需要的工具，為他們所研究的發(fā)動(dòng)機(jī)注入了新的活力。