使用?NI?技術?來?控制?低溫?燃燒?(LTC)?發(fā)動?機

使用低溫內燃機（LTC）的目的是為了在不產生危害性排放的條件下，達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成之間的關系。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)動機能在足夠低溫和足夠稀?。ǖ彤斄勘龋┑那闆r下進行燃燒，從而避免了大量顆粒物和氮氧化物的產生，并且它們依然秉承了傳統(tǒng)壓燃式發(fā)動機的高熱效特點：它們具有高壓縮比并且無需節(jié)流閥便可完美運行。世界上眾多的大學，實驗室和機構都在研究低溫內燃機的概念。下面是一些常用的低溫內燃的方法。

圖1：這個在谷歌上發(fā)現(xiàn)的桑迪亞國家實驗室繪制的圖表，顯示了顆粒物構成區(qū)域和氮氧化物構成區(qū)域與燃燒溫度及其當量比的關系。

均質充量壓燃技術
 

均質充量壓燃技術是傳統(tǒng)柴油機（分層壓燃）和汽油（均質充量火花點火）機的結合體。通過使用均質充量壓燃技術，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就與空氣完全混合，就如同在進氣道噴油式汽油機中一樣。然而，均質充量壓燃技術并不是依靠火花來點燃混合氣，而是依靠壓縮的熱量來進行點火（見圖2）。混合氣無需火花點燃燃燒前的熱焰或壓縮點火燃燒前的本地濃焰，即可同時燃燒。

圖2：柴油機，汽油機和均質充量 壓燃發(fā)動機的區(qū)別
 

因為對均質充量壓燃發(fā)動機的燃燒環(huán)節(jié)沒有明確的控制，在發(fā)動機循環(huán)周期過程中，可以調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，都可以被調整來獲得需要的燃燒效果。在每個需要被調整的發(fā)動機循環(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)必須快速實時地進行。除了在最低的負載情況下，其他的時候都會出現(xiàn)嚴重的敲缸傾向，加上燃燒相位的控制難度，都推動著研究人員考慮使用低溫燃燒技術。
 

預混合充量壓燃技術（PCCI）
 

預混合充量壓燃技術，也被稱為部分預混合充量壓燃技術，是均質充量壓燃技術的一種變體，它可以通過在壓縮沖程中類似柴油機一樣較晚地噴射一個燃料脈沖，來控制點火的開始，無需火花塞的幫助即可完成點火。吸入的空氣在燃料脈沖注入前即與燃料進行預混合（該技術由此得名）。較早噴射的燃料在氣缸內與空氣分層，由于壓縮沖程靠近上死點（TDC），而產生了類似均質充量壓縮點火的情況。在上死點或靠近上死點的地方，燃料脈沖直接被噴射入氣缸。較晚噴射脈沖的富燃區(qū)域會比稀薄燃料均質充量先燃燒。這種變化的燃料/空氣混合方式，是通過將燃燒持續(xù)的時間延長，從而比均質充量壓燃的瞬時燃燒時間更長，來控制燃燒相位。較晚噴射燃料也能更直接地控制氣缸內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（SGDI）發(fā)動機一樣。預混合充量壓燃發(fā)動機可能還會結合氣口燃料噴油嘴（PFIs）和直接噴油嘴（DIs）。

反應控制壓燃技術

作為均質充量壓燃和預混合充量壓燃的一種革新技術，反應控制壓燃技術在壓燃發(fā)動機中使用多種不同反應的燃料，來對燃燒相位獲取更多的控制。通過在計劃的時間間隔內，噴射這些不同的燃料，來控制氣缸內均質時的反應，以獲取最佳的燃燒時長和燃燒等級。相對反應較低的燃料會較早噴入發(fā)動機循環(huán)系統(tǒng)并同時與空氣混合在一起，之后再向氣缸內噴射高反應的燃料。這種方法為不同的空氣燃料比率和反應都提供了空間，使得燃燒可以在不同時間以不同速率進行。多點噴油系統(tǒng)必須使用反應控制壓縮點火發(fā)動機。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。
 

火花助燃均質充量壓燃技術和高效稀油發(fā)動機
 

均質充量壓燃技術在瞬變情況下很難控制，所以，在瞬變環(huán)境下經(jīng)常也會配備傳統(tǒng)的火花點火模式來確保可行性?；鸹ㄖ季|充量壓燃（DA-HCCI）發(fā)動機能夠根據(jù)發(fā)動機的運行速度和負載，在均質充量壓燃和火花點燃間迅速切換。對于低負載的操作，均質充量壓燃能夠提供最大效率以及最低的排放。但當發(fā)動機處于重負載時，缸壓和溫度迅速變化，控制均質充量壓燃將變得十分困難。點火太早或太快會引發(fā)嚴重的發(fā)動機敲缸。在這種瞬變的情況下，發(fā)動機將切換到傳統(tǒng)的火花點火模式，點火的開始將由火花環(huán)節(jié)的時間點決定。
 

人們也在盡力對傳統(tǒng)汽油發(fā)動機進行改進。高效稀油發(fā)動機聯(lián)盟由一批研究人員組成，他們希望能改良汽油發(fā)動機，使其成為在將來眾多其他被研究的發(fā)動機中，最具競爭力的發(fā)動機平臺。高效稀油發(fā)動機的研究現(xiàn)在正集中于抗敲缸燃燒室，高能點火技術和增加制動平均有效壓力（BMEP）。達到這些目標的關鍵要素是必須大量使用廢氣再循環(huán)（EGR）技術。
 

雖然以上所有的低溫內燃機的燃料組合和噴油時間不盡相同，但它們都具有一些相同的特性。首先，它們都需要實時數(shù)據(jù)采集和缸內環(huán)節(jié)處理，這樣發(fā)動機參數(shù)才能達到想要的結果。為了達到這個目的，許多低溫內燃機使用缸壓傳感器，精確地提供燃燒相位，峰值壓力，溫度等詳細數(shù)據(jù)。其次，它們對于傳輸?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)技術使得廢氣回到氣缸內來實現(xiàn)的。最后，有些低溫內燃機的變體會使用火花塞來輔助點火，尤其是在高負載的情況下。
 

許多二級市場的發(fā)動機控制單元（ECUs）并不具備動力電子設備，數(shù)據(jù)采集能力，或者足夠的處理速度來控制低溫內燃機上所有的執(zhí)行器和系統(tǒng)。許多研究人員從不同的生產廠商那里取得多個具有固定特性的ECU來控制一臺發(fā)動機。燃燒分析和發(fā)動機控制往往發(fā)生在兩個分離的系統(tǒng)，每個系統(tǒng)都有自己的配套軟件。由此，開發(fā)的時間將會變得很長，軟件配置也會變得冗長乏味。使用美國國家儀器公司和Drivven公司現(xiàn)成即用（COTS）的商業(yè)化產品，可以搭建運行一個獨立的系統(tǒng)，來對每個低溫內燃機所需的子系統(tǒng)進行燃燒分析及實時控制。下文將說明美國國家儀器公司的產品如何與每一個這些發(fā)動機子系統(tǒng)無縫結合的。
 

實時缸內壓力分析
 

氣缸內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)，能夠計算出峰值壓力和曲軸轉角的相位（CAD），最大增壓率和曲軸轉角的相位，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，燃料質量燃燒率（MFB）比例，和50%燃燒相位（CA50）。

圖3：一個普通的缸壓傳感器
 

低溫內燃機的質量燃燒率計算特別有趣，因為它們表達了燃燒相位的信息——在復雜的氣/燃料/廢氣循環(huán)混合體和可能的非直接點火控制下，這在發(fā)動機中并不是十分容易能進行控制的一點。為了能獲知氣缸內燃燒相位準確的情況，必須以高度的確定性和極快的速度對數(shù)據(jù)進行采樣和處理。有一個控制方法稱為下次周期控制。使用這種方法，數(shù)據(jù)在下個燃燒環(huán)節(jié)開始前，就必須保證及時地傳輸給ECU反饋控制算法，從而調整氣缸執(zhí)行器以達到希望的燃燒條件（點擊此處了解更多關于下次周期控制的信息）。為了保證壓力數(shù)據(jù)的正確計算，可以使用一個安裝了實時操作系統(tǒng)的PXI嵌入式控制器（圖4），該控制器可以在不到1ms的時間內運行一個發(fā)動機同步處理循環(huán)。這個循環(huán)可以從即時采樣的NI S系列多功能數(shù)據(jù)采集設備中獲取相關數(shù)據(jù)。S系列設備具有八個模擬輸入通道，每通道的采樣率可以高達500 kS /S，在每分鐘8000轉的條件下，完全可以以0.1度曲軸轉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)并快速進行運算。通過這些確定性的計算來控制循環(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實時嵌入式控制器，搭載了2.66GHz的英特爾 i7處理器
 

NI R系列現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）設備能夠以25納秒的分辨率，讀取凸輪和曲軸的編碼器信號。這個信號數(shù)據(jù)可以用于在0.1度曲軸轉角的精度下根據(jù)發(fā)動機的位置對缸壓進行相位校正。R系列設備也被用于采集發(fā)動機瞬時速度信號，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間被執(zhí)行。R系列FPGA設備還能用于同一周期控制，從而建立一個燃燒機制：壓力數(shù)據(jù)能被快速計算并處理，以在一個單獨的環(huán)節(jié)中對燃燒進行調整。
 

燃料供給
 

低溫內燃機需要對燃料噴射時間進行精確的控制。對于預混合充量壓燃和反應控制壓燃，由于多點脈沖燃料噴射的時間是設定好的，能夠以計劃好的曲軸轉角開始燃燒。稍早的噴射會導致預點火（敲缸），稍晚的噴射會導致燃料不燃燒。美國國家儀器公司和Drivven公司的C系列模塊，結合R系列FPGA設備，能夠提供所需的靈活性和控制性，將低溫內燃機的燃料噴油嘴的觸發(fā)分辨率降至0.1度曲軸轉角。Drivven公司的C系列產品線包括氣口燃料噴油嘴驅動模塊和直接噴油嘴驅動模塊。它們都包含所需的動力電子裝備來驅動不同的噴油嘴，包括壓電式噴油嘴，同時它們還能完全自定義噴油時間及可調節(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動模塊使得多點噴油能在任何的曲柄角進行。R系列設備上的FPGA，通過直接噴油嘴驅動模塊，可以對噴油進行相同周期控制。這也意味著在缸內燃燒發(fā)生時，能實時調整噴油的情況。

圖5：一個普通的直接噴油嘴
 

Drivven公司的發(fā)動機定位跟蹤（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)動機位置計算，CPU幾乎不需要處理發(fā)動機同步事件。一旦啟動EPT軟件，無論是多少數(shù)量的燃料和（或）火花輸出，軟件都能進行處理，而無需占用寶貴的CPU處理時間。

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，稀釋了空的同時也減少了燃料量，而且還降低了燃燒溫度。低溫內燃機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入氣缸內，有的發(fā)動機在廢氣閥門上使用可變氣門驅動（VVA）系統(tǒng)，來“捕捉”前一次燃燒的廢氣（有時也稱為“捕捉殘余”）。其他的發(fā)動機使用電控閥門或風門，通過低壓或高壓循環(huán)來截斷廢氣流，再將廢氣流引導至進氣歧管。（見圖6，雷諾的Courtesy發(fā)動機）

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

對于使用可變氣門驅動的發(fā)動機，Drivven公司的AD Combo模塊可以對凸輪，曲柄和其他的模擬信號進行測量，以確定發(fā)動機的位置，速度，負載和（或）進氣量。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，從而與標準的汽車傳感器無縫連接。其中包括21個模擬輸入通道，2個可變磁阻傳感器輸入，和2個霍爾效應傳感器或通用的數(shù)字輸入通道。EPT軟件用于追蹤進氣閥和排氣閥的相位，Drivven公司的低邊驅動模塊， 配備了8個擁有0%-100%占空比脈沖寬度調制的通道，用于控制可變氣門驅動凸輪相移器上的油控閥門。低邊驅動模塊能夠調整廢氣閥的相位，使其提早關閉，捕捉氣缸內的殘余廢氣，并阻擋住下一次進氣。

圖7：Drivven公司的CompactRIO低邊驅動模塊配備了八個擁有0%-100%占空比脈沖寬度調制的通道
 

低壓和高壓循環(huán)既使用傳統(tǒng)的閥門或電控的閥門，將廢氣引導至進氣閥。Drivven AD Combo模塊用于測量循環(huán)過程中不同節(jié)點的壓力和（或）溫度值。對于使用閥門的發(fā)動機，Drivven電子閥門驅動模塊有兩個H橋電路和兩個模擬輸入通道，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低邊驅動模塊來控制它們的廢氣再循環(huán)電子閥門。
 

火花點火
 

一些低溫內燃機使用的方法只有在低負載和近似穩(wěn)定條件下才能正常運作，因此，在發(fā)動機處于高負載或瞬時條件下，將切換成普通的火花點火方式。Drivven公司的火花驅動模塊可以驅動八個感應式點火線圈。它所具備的靈活性足以在0.1度曲軸轉角的精度下，以任何曲柄角度設定火花點火，同時，它的每次脈沖初級峰值電流的最大值可以達到7A。工程師可以運用多種火花驅動模塊，來應對需要使用超過八個火花塞的應用。

圖8：Drivven CompactRIO火花驅動模塊具有八個感應式點火線圈驅動通道。

 

3. 其他研究中的發(fā)動機
 

本文主要集中討論了低溫內燃機，美國國家儀器公司和Drivven公司的發(fā)動機控制產品具備足夠的靈活性，可以使用在許多其他的內燃機設計中?；贜I LabVIEW FPGA模塊的開放軟件平臺，可以實現(xiàn)對啟動時間的完全自定義。模塊化的NI CompactRIO平臺可以針對不同的應用需求，提供不同的硬件配置。使用自由活塞，負氣門重疊角，噴霧式直噴技術（SGDI），混合燃料，渦輪增壓等其他發(fā)動機概念的應用，都可以使用NI和Drivven公司的發(fā)動機控制產品來進行控制。

 

4. 結論                 

表1：低溫內燃機子系統(tǒng)所需硬件概覽
 

低溫內燃機希望能為內燃機提高效率，降低排放，但控制缸內燃燒卻是個難以克服的挑戰(zhàn)。隨著處理器和FPGA技術的優(yōu)勢的體現(xiàn)，世界上主要的大學和實驗室都對低溫內燃機和其他發(fā)動機所采用的方案進行了控制和研究。NI和Drivven公司的發(fā)動機控制產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)動機注入了新的活力。