随着人们对能源和环境问题的日益关注,内燃机的高效洁净燃烧作为一项重要的“绿色工程”技术,已在各国引起了广泛的关注。以柴油为引燃燃料的天然气/柴油双燃料发动机是解决这一问题的一个有效手段。

由于双燃料发动机是在原有柴油发动机的基础上改装而成,因此发动机必须符合一定的工作状态,才可以通过转换在双燃料状态下工作,或者在一定条件下,发动机在双燃料状态下才具有良好的效果。一般情况下,当发动机水温高于50℃时,发动机才适合在双燃料状态工作。为了更好地使用和保护发动机,燃料转换机构应该保证在发动机水温满足一定的条件进,才可以转换到双燃料工作状态。为实现燃料转换的顺利进行,研制了燃料转换控制机构。

1 系统方案设计

转换机构的逻辑控制单元主要用来接收司机的转换信号X1、发动机的水温信号X2、高压天然气的压力信号X3及燃料转换机构工作状态的反馈信号X4等,先进行一定的逻辑判断,发出适当的指令,完成指定的任务。然转换机构示意图如图1所示。

然转换机构的机械执行部分必须能够将逻辑控制单元的指令信号化为机械运行,以实现燃料转换的目的,这一功能由开关电磁铁完成。在方案设计中,要求开关电磁铁的两种位置对应机械执行部分的两种工作状态,即双燃料工作状态和纯柴油工作状态。通过机械部分的连动,传动机构切断或连接加速踏板的运动,控制调速器控制杆的运动状态。当加速踏板对调速器起作用时,调速器控制杆决定发动机的运动,此时逻辑控制部分关闭高压天然气阀与电控单元（ECU）,这就是纯柴油工作状态。当加速踏板的运动向调速器控制杆的传递被机械部分切断时,调速器控制杆被固定在怠速油量位置,逻辑控制单元开启天然气高压阀并给电控单元（ECU）发送工作信号,这就是双燃料工作状态。这样,司机只需板动转换开关,由它发出指令,逻辑控制单元根据接收的信号作出判断,同时驱动外沿器件,即可实现纯柴油与双燃料两种工作状态的转换[1]。

2 逻辑控制单元设计

逻辑控制单元主要实现信号的接收、判断和发送。主要由三个部分组成,即逻辑判断部分、外沿接口部分和电源转换部分。

逻辑控制单元的工作过程如下：外沿接口部分将接收的模拟信号转化为数字信号传递给逻辑判断部分后,由逻辑判断部分判断转换条件是否满足,并发出控制指令;再由外沿接口部分将指令转化为对应器件能识别的信号,如驱动电源阀的大电流等。电源部分主要是将汽车电瓶的12V电压转换为逻辑控制单元上电子元件所需要的电压（5V）。

2.1 逻辑判断部分

逻辑判断部分接收外沿接口部分传来的数字信号,进行判断后发出适应的指令。

在此规定：在司机将转换开关转换到双燃料工作位置时,转换信号x1=1,而纯柴油位置时,X1=0;当水温达到双燃料状态的要求时,水温信号x2=1,否则x2=0;当高压天然气在允许使用的最小压力以上时,天然气气压信号x3=1,否则x3=0;当机械部分处于双燃料工作状态时,反馈信号x4=1,当机械部分恢复纯柴油工作状态时,反馈信号x4=0。逻辑判断部分发出的指令有：启动开关电磁铁信号Y1（供电时开关电磁铁工作,将机械部分转换至双燃料工作状态时Y1=1,否则Y1=0）,启动高压天然气电磁阀信号Y2（供电时电磁阀开启时Y2=1,否则电磁阀关闭Y2=0）,故障信号Y2（有故障时故障信号灯供电Y3=1,否则,Y3=0）,启动电控单元（ECU）信号Y4（给ECU供电使其工作时Y4=1,否则Y4=0）。

由以上分析得出以下各输出信号与输入信号的逻辑关键式：

Y1=X1X2X3

Y2=X1X2X3X4

Y3=X1X4+X1X2X3X4

X4=X1X2X3X4

由于逻辑关系比较简单,采用TTL电路,由74系列的芯片完成其逻辑判断功能,逻辑部分的电路图如图2所示[2]。图中,7411和7408是与门,7404是反相器,7402是或非门。输入信号是X1、X2、X3、X4,输出信号是Y1,Y3,Y4。由于Y2=Y4,所以高压天然气的电磁阀和电控单元（ECU）的驱动电路都可以由Y4来控制。

2.2 外沿接口电路

因为有些器件的输出信号是模拟量,如水温传感器输出的是可连续变化的电压信号,逻辑控制单元无法直接接收并辨识判断,因此就需要有外沿接口电路将其转化为数字信号。

外沿接口电路的另一个作用就是将逻辑判断部分的指令转化为一些器件所需的电信号,如电流信号等。

2.2.1 电压比较器

在逻辑控制单元中,有两处需要用到电压比较器,一个是水温传感器的接口,另一个是天然气压力传感器的接口。

    对比较器LM311给定一个参考电压,当输入电压低于参考电压时,比较器输出的电压为低电平,高于参考电压时,输出电压为高电平。

2.2.2 驱动电路部分

在燃料转换机构的驱动器件中,开关电磁铁和高压天然气截止阀需要较强的工作电流,驱动电路部分采用固态继电器,将逻辑判断部分的指令转换为较强的电流信号。

图3为高压天然气截止阀的驱动电路,器件01为固态继电器。当发动机处于双燃料状态工作时,燃料转换机构工作,逻辑判断部分发出指令,使Y4=1,为高电平,经U2（7404,反相器）后,B点的电热UB为低电平,面A点的电势UA比点B高,这时固态继电器的输入端接通,输出端也导通。输出端CD一旦接通,电磁阀HPVALVE两端就会加上12V的额定工作电压,使减压器前的高压天然气阀门打开,天然气经减压进入发动机。当逻辑判断部分发出的指令使电磁阀关闭时,Y4=0,经反相器后,B为高电平,UA=UB,固态继电器的输入端没有电流通过,输出端不导通,电磁阀在弹簧力的作用下恢复常闭状态。

图4为开关电磁铁的驱动电路,其中器件U8是74123芯片,器件02、03是固态继电器,线圈PUSH是开关电磁铁的吸入线圈,HOLD则是其维持线圈,电源VDD为24V。当然转换机构转换到双燃料工作状态时,从74123的B脚输入的Y1从低电平向高电平跳转,迷种变化会让74123的输出端Q输出一个瞬时的高电平脉冲电流,维持时间为ΔT。经反相器7404后,A点的电势UA将会出现同样脉宽的低电平,固态继电器02的输入端也有ΔT时间的电流通过,这时固态继电器02的输出端出现ΔT时间的导通。在这段时间内,很强的吸入电流通过开关电磁铁的吸入线圈,产生足够的电磁力吸入电磁铁的铁芯。脉宽ΔT的选择应该参考开关电磁铁的性能参数设定,既要满足吸入铁芯的要求,又不能太长导致线圈烧毁。

ΔT是通过选择电阻R10和电容C3的值来确定的。本处ΔT取为1秒,R10=1000Ω,C3=1000μF。

从产生机理上讲,开关电磁铁的维持电流与高电压天然气电磁阀的工作电流是同样的机理：当Y1=1时,存在维持电流,铁芯维持在吸入状态;当Y1=0时,不存在维持电流,铁芯在回位弹簧的作用下恢复原来的伸出位置。

    2.3 电源部分

电源部分是以VOLTREG（7805）为核心的调压电路。汽车电瓶上提供的是12V电源,而逻辑控制单元的芯片的工作电压都是5V,因此需进行电压转换。图5为电源部分的电路图,输入12V,输出点VCC的电压为5V。

电源部分需要注意的是电压的稳定性和功率限制。图中各电容均起滤波和储能的作用,防止电压波动。稳压管Z1保证输入OVLTREG的电压精确为12V,两个并联的功率电阻R11、R12起降压限流的作用,防止电源过载。由汽车电瓶提供电能的逻辑控制单元,电源部分能够起到维护稳定工作电压的作用。

控制器设计完成后,安装在由杭州汽车发动机厂的X6130发动机改装而成的双燃料发动机上。实际运行证明,该系统可以很好地实现双燃料发动机的燃料转换过程。