基于MotoTron的余热回收控制系统优化研究

黄永鹏

摘要：为了实现柴油机排气余热回收系统及其控制系统的工程化应用，对一套已有的柴油机排气余热回收系统的控制系统进行了优化研究。其中，结合该套柴油机排气余热回收系统的技术特征和基于MotoTron快速原型开发平台，对控制系统的传感器、執行器等硬件及控制策略进行了优化设计。此外，还使用了优化后的MotoTron快速原型控制系统控制该套柴油机排气余热回收系统进行了台架试验研究。研究结果表明了经优化设计的控制系统能较好地控制该套柴油机排气余热回收系统的运行，能为其进一步的工程化应用奠定基础。

Abstract： In order to realize the engineering application of diesel engine exhaust waste heat recovery system and its control system， the control system of an existing diesel engine exhaust waste heat recovery system is optimized. Based on the technical characteristics of this diesel engine exhaust waste heat recovery system and the MotorTron rapid prototyping development platform， the hardware of the control system， such as sensors and actuators， and the control strategy of the control system are optimized. In addition， the diesel engine exhaust waste heat recovery system with the optimized MotoTron rapid prototype control system is experimental investigated. The results show that the optimized control system can effectively control the operation of the diesel engine exhaust waste heat recovery system， and lay a foundation for its further engineering application.

关键词：柴油机;排气余热;余热回收控制系统;MotoTron快速原型开发平台;控制策略优化

Key words： diesel engine;exhaust waster heat;waster heat recovery control system;MotoTron rapid prototyping development platform; optimization of control strategy

0  引言

对于发动机而言，通常仅有三分之一的燃料燃烧总能量可以被有效利用，而相当一部分的能量随着发动机的冷却介质散热和排气释放到了大气中[1]。如果能对发动机排气余热能量进行回收再利用，将对发动机热效率的提升具有重要的意义[2]。

北京工业大学、武汉理工大学、天津大学等科研院校对柴油机余热回收系统进行了大量的试验研究。其中，杨凯等人通过实验测得柴油机不同工况下的运行参数，并通过电脑数据采集系统获得余热回收系统的温度、压力、流量等参数[3-4]。涂鸣等人通过CalView控制和改变发动机运行参数，利用LabView采集发动机废气排放质量流量、有机朗肯循环各状态点温度等[5]。杨灿等人使用自主研制的ECU采集试验用柴油机的转速、进气流量等参数，使用多通道采集模块采集温度、压力、流量等参数，通过变频器控制工质泵转速，通过测功机获得发动机扭矩等参数，最终这些参数都通过CAN总线传输到上位机，由上位机进行控制[6]。从各个科研院校对柴油机余热回收系统的研究中发现，包含传感器、执行器等硬件在内的柴油机余热回收控制系统仍处于实验室研究状态，目前仍无法将整套余热回收控制系统在柴油机或整车上进行工程化应用。

本研究通过对一套已有的柴油机排气余热回收系统的控制系统进行优化设计，使控制器、传感器、执行器等硬件进一步实用化，使控制策略更优化，使控制系统更智能化，从而使其更适合在柴油机多变的运行工况下进行柴油机的排气余热回收。

1  余热回收系统

图1为经过优化设计的柴油机排气余热能量回收系统。系统由机械部分和电气部分组成。

机械部分主要有变频工质泵、蒸发器、膨胀机、冷凝器、储液箱、柴油机、冷却散热装置等。储液箱的工质通过工质泵的运行进入蒸发器中，工质通过等压热交换后由液态变为过热蒸汽，过热蒸汽可以通过预热阀1进入膨胀机，对膨胀机进行预热，使之快速进入做功准备状态。当完成膨胀机预热后，过热蒸汽可以通过做功阀2进入膨胀机，推动膨胀机运行，从而使余热能转换为机械能。通过电磁离合器的吸合，膨胀机将带动柴油机做功。完成做功后的乏汽进入冷凝器进行冷却，乏汽的冷却温度可以通过控制冷却调节阀的开度进行调节，冷却后的乏汽变为液态工质返回储液箱。

电气部分主要包括MotoTron控制器、变频器、液位传感器、压力传感器、多路温度传感器、多路电磁阀等。余热回收系统的所有传感器和执行器通过MotoTron的IO硬件接口与MotoTron控制器连接。传感器采集的液位、温度、压力等数据经过处理后输入到控制策略模块中，用于计算工质质量流量、系统故障诊断等控制变量，而经过控制策略模块计算和处理的控制变量，则通过驱动处理模块控制执行器进行相应的动作。柴油机ECU通过CAN总线与MotoTron控制器进行连接。柴油机的转速、扭矩、喷油量、增压压力等参数通过CAN总线传输给MotoTron控制器，用于柴油机排气质量流量等控制变量的计算。

2  MotoTron快速原型开发平台

因为MotoTron快速原型开发平台具有图形化的控制软件开发环境、方便的硬件配置等优点，所以该开发平台在汽车电控系统开发领域得到较广泛的应用[7-8]。

由于128针的MotoTron快速原型硬件采用飞思卡尔公司的MPC565微处理器，拥有丰富的接口资源，支持复杂的控制算法开发，因此选用了该快速原型硬件作为本柴油机排气余热回收系统的控制系统。如表1所示为本MotoTron控制器选用的主要硬件接口资源。

因为该开发平台已经为开发者提供了产业化的控制器硬件和可配置的基础软件，所以开发者只需要专注于应用层控制策略的开发[9]。当在MATLAB/Simulink环境下完成控制策略的开发后，可通过集成的编译器生成可供刷写到快速原型硬件中的SRZ文件，并通过刷写/标定软件MotoTune进行刷写和标定工作[10]。

3  快速原型控制系统优化

3.1 控制系统硬件的优化

在进行柴油机排气余热回收系统原型开发时，系统的电气部分使用了精度较高的传感器和执行器，而且有些电气零部件仅支持采集数据的实时显示，无法对采集的数据进行二次处理。为了能让柴油机排气余热回收控制系统实现工程化应用，在对控制系统硬件进行优化选型时，充分选用了企业用于电控发动机生产的批产传感器。此外，还根据系统的控制需求选型了预热电磁阀、做功电磁阀、电磁离合器、冷却调节阀等执行器。

为了保证所选用的批产传感器的测量精度满足系统运行的精度要求，将根据台架试验数据对关键的传感器进行有针对性的精度补偿和在线标定优化。表2所示为经过优化选型后的主要传感器的技术参数。

3.2 控制策略的优化

对柴油机排气余热回收系统控制策略的开发和优化遵循基于模型设计的模块化建模原则。图2是优化后的柴油机余热回收系统控制策略总框图。

MotoTron控制器通过硬件IO接口采集的传感器电信号在经过信号输入及处理模块处理后输出到控制策略模块。柴油机的运行参数如转速、扭矩、喷油量、增压压力、增压温度等由发动机ECU通过CAN总线发送到MotoTron控制器，并在发动机参数处理模块中进行统一的信号处理。控制系统参数处理模块主要用于存储和处理一些与发动机和余热回收系统相关的技术参数，并提供给控制策略模块使用。

在忽略柴油机漏气损失的情况下，根据质量守恒定律，柴油机的进气量与油耗量之和即是排气质量流量[11]。为了实现工程化应用，对柴油机排气质量流量的计算方法进行了优化，排气流量计算模块通过速度密度法计算柴油机的进气量，然后与柴油机的喷油量相加获得柴油机的排气质量流量。

图3为工质质量流量计算模块控制策略框图。对工质流量计算模块的优化，则是增加了工质流量预测控制和闭环控制的功能。由于工质泵输送到蒸发器的工质质量流量与柴油机的排气质量流量、排气温度等有关，因此在控制策略优化设计中，增加了柴油机的排气质量流量作为工质质量流量预测控制模块的输入变量。蒸汽目标温度和实际的蒸汽出口温度也作为输入变量参与到预测控制和闭环PI控制的计算中。计算后获得的工质质量流量修正值将对工质质量流量基础值进行实时的补偿，从而得到最终的工质质量流量计算值。

此外，还对故障诊断管理模块和故障灯报警处理模块进行了优化设计。在余热回收系统运行过程中，可能会出现传感器信号超限、执行器卡滞、工质不足等故障，故障诊断管理模块需要针对这些故障采取合适的故障诊断和管理策略，并通过失效处理策略使系统运行于安全状态，或通过故障灯报警处理模块驱动相应的故障灯，以提醒操作人员及时进行故障排查和处理。

4  台架试验验证

4.1 试验样机及方案

试验柴油机使用博世高压共轨燃油系统和电控系统。该柴油机的基本技术参数见表3。

试验柴油机和余热回收系统根据图1所示进行机械和电气部分的连接。为了确保在试验的过程中柴油机和余热回收系统的运行安全，在蒸发器的废气侧安装了废气旁通管道。

因为柴油机运行需要考虑建压润滑时间，所以柴油机在起动后，将会在怠速状态下运行一段时间。这时膨胀机的预热通道将打开，蒸汽将对膨胀机的外围零部件进行预热。当膨胀机完成预热后，将打开膨胀机做功通道和关闭预热通道。在进行台架试验过程中，对控制策略的主路径和优化部分都进行了详细的标定工作。

4.2 试验结果及分析

通过台架试验验证，经过优化设计的控制策略的功能满足既定的功能开发需求。比如在控制策略中计算的排气质量流量与在台架采集的排气质量流量数据之间的偏差在允许范围内。控制策略对工质质量流量的计算值更接近实际值，而且能根据柴油机的实时运行工况控制工质泵的运转，为蒸发器提供合适的工质质量流量。在余热回收系统运行时，当出现故障，控制系统能驱动报警灯点亮，提醒操作人员进行故障排查和处理。

5  结束语

①对柴油机排气余热回收控制系统进行了硬件和控制策略的优化研究。该控制系统的传感器选用了电控发动机的批产传感器。对排气质量流量计算、工质质量流量计算等控制策略进行了优化设计。②在一款10升的电控柴油机上，对优化后的排气余热回收控制系统进行了台架试验研究。③台架试验结果表明：经优化后的控制系统能较好地控制排气余热回收系统进行余热回收，并将回收的余能量直接转换为机械能推动柴油机做功，取得了一定的节油效果。此外，经过优化的控制系统硬件和控制策略能更适应将来的工程化应用。

参考文献：

[1]王涤非.基于朗肯循环废气余热回收技术的研究[D].长春：吉林大学，2013.

[2]张红光，刘彬，陈研，等.基于单螺杆膨胀机的发动机排气余热回收系统[J].农业机械学报，2012，43（5）：27-31.

[3]杨凯，张红光，宋松松，等.变工况下车用柴油机排气余热有机朗肯循环回收系统[J].化工学报，2015，66（3）：1097-1103.

[4]杨凯.车用发动机变工况下有机朗肯循环系统运行特性研究[D].北京：北京工业大学，2015.

[5]涂鳴，李刚炎，胡剑.不同工况柴油机排气余热回收系统试验与仿真[J].农业机械学报，2014，45（2）：1-5.

[6]杨灿.柴油机朗肯循环余热回收系统动态耦合效应及能效优化策略[D].天津：天津大学，2016.

[7]曾祥瑞.并联混合动力客车整车控制器软件设计[D].北京：清华大学，2012.

[8]吴磊，张振东，罗棕贵，等.基于MotoTron平台发动机电控系统设计[J].农业装备与车辆工程，2016，54（11）：41-45.

[9]张虎，王存磊，张建龙，等.基于MotoTron平台的汽油发动机控制器开发[J].上海交通大学学报，2014，48（6）：845-849.

[10]高海宇，陆文昌，商哲，等.基于MotoTron平台的发动机ECU快速原型开发[J].柴油机设计与制造，2008，15（3）：16-20.

[11]柴俊霖，田瑞，杨富斌，等.柴油机排气余热有机朗肯循环系统工质选择[J].车用发动机，2019（3）：58-63，68.