技术领域
本发明属于工程控制领域，尤其适用于柴油-替代燃料（包括气体燃料和醇类燃料）混合燃烧发动机获得极限替代率的电子控制系统。
背景技术
柴油燃料价格日益增高，可用石油资源日益减小，人们不断寻求在现有的发动机上，不改变发动机基本结构的前提下，加装替代燃料的控制模块，采用柴油和替代燃料掺烧，在满足动力性、可靠性、经济性、环保性的要求的前提下，最大限度的提高替代柴油的比例，即所谓的“替代率”，以减小发动机对柴油的需求量。所述的替代燃料可以是天然气、醇类及其它适用于与柴油掺烧的燃料。
在柴油与替代燃料掺烧时，由于替代燃料的热值及化学特性和柴油不尽相同，通过试验验证，当掺烧替代率增加到使燃烧过程恶化时，会造成发动机的转速波动幅度增大，排气温度开始突变，此时的替代率即为该发动机工况下的极限替代率。迄今的柴油-替代燃料掺烧发动机均采用通过试验的方法在发动机试验台架上将发动机不同工况的极限替代率标定出来，制成脉谱（MAP）图，供控制替代燃料喷射量之用。这样的方法存在两种弊端，一是每种机型必须通过大量的台架试验获取脉谱图，成本高且费时；二是当柴油机燃油喷射系统劣化时，同样的油泵齿条位置，其喷油量会减小和雾化质量会下降，原来新发动机所标定的齿条位置所对应的柴油燃烧热量不足以使同样比例替代燃料充分燃烧，进而发动机稳定性变差，甚至导致熄火或爆震。因此，需要找到一种动态判断极限替代率的实时控制方法。
发明内容
本发明根据技术背景的需求，如图1所示，在具有电控单元的柴油-替代燃料双燃料发动机上加装排气温度传感器。在台架试验过程中，试验人员是通过听发动机声音、观察发动机转速波动及排温变化情况，来确定各工况的极限替代率。如图2所示，当替代燃料掺烧比例小时，发动机转速波动处于平稳状态；当替代燃料掺烧到达极限替代率点“A”时，发动机的转速波动率开始在点“A”后突变。通常将点“A”处的替代燃料比例缩小一个百分比，则定为该工况点的极限替代率。由此，通过试验台架的标定试验制成极限替代率脉谱，供ECU控制之用。本发明以转速波动率和排气温度为极限替代率所依据的监测参数，根据对图2及脉谱标定试验过程的研究，实现无需事先试验标定脉谱图的动态控制极限替代率的关键，是要为ECU设计一种方法，像在试验台架上人工判断图2中突变点“A”一样，自动判断转速波动率和排气温度突变点，最终自适应的控制极限替代率。本发明提出的技术方案是，根据发动机转速波动率和排温变化的均方差及其一阶、二阶导数，实时判定各种工况下的极限替代率。具体采用以下4个数学方程：
1．平均值，采用先进先出的方法，对于n+1个数据进行数理统计，每次计算均值时，取进最近的数据
公式：
2．均方差，各个数据与平均数之差的平方的平均数，用来度量变参量和其均值之间的偏离程度。
公式：
3．均方差一阶导数，反映均方差曲线的斜率，判断均方差数据曲线的递增或者递减。
公式：根据均方差公式得到前周期均方差
4．均方差二阶导数，反映数据曲线的凹凸性，判断数据的陡增或者陡减。
公式：
在以上4个数学方程的基础上，提出本发明极限替代率所依据的监测参数（转速波动率和排气温度）曲线突变点的判定方法：
当转速波动率或者排气温度的均方差一阶导数大于0，且其均方差二阶导数大于0，则判定曲线开始发生陡增突变，后一个周期的均方差一阶导数大于0，表明曲线的突变依然在增大，即将该点定义为极限替代率发生时监测参数曲线的突变点，ECU控制替代燃料喷射器将该点对应的替代燃料的喷射量减少△%，然后继续下一个循环的参数监测判断，如果没有被监测参数曲线突变发生，该喷射量即为极限替代率的喷射量，否则继续减喷射量△%直至转速波动率或者排气温度曲线回归到平稳的临界点。
当转速波动率或排气温度曲线平稳时，电控单元控制替代燃料喷射器尝试增加替代燃料，继续判断发动机转速波动率或排气温度的变化，如此往复，实时地控制替代燃料达到最佳替代率点的动态平衡。
附图说明
图1为本发明的台架结构：1-电控单元，2-排气温度传感器，3-转速传感器，4-柴油-替代燃料发动机。
图2为台架试验时被监测参数随替代率变化的曲线： A-突变点。
图3为本发明方法的数据验证：系列1-转速的变化率，系列2-均方差，系列3-均方差一阶导数，系列4-均方差二阶导数。
具体实施方式
根据发明内容的技术方案、数学方程、极限替代率的替代燃料点判定方法，在原柴油-替代燃料发动机上加装排气温度传感器，原电控系统上已装备转速传感器。以发动机转速波动率为例，按照以下步骤实施：
1.ECU定周期t的采集发动机的转速波动率(N)，取足够的样本容量n后，采用先进先出的方法计算最新n个周期的转速波动率平均值(N_ave)。
2.计算本周期的转速波动率（N）与转速波动率平均值（N_ave）的差的平方(Square)，即
3.计算最近n个周期差的平方(Square)的平均值，即为本周期的均方差Square_ave，即
4.电控单元保存前周期的均方差（Square_ave_1），前前周期的均方差（Square_ave_2），计算均方差一阶值Derivative_One，即
Derivative_One = Square_ave- Square_ave_1，
5.计算均方差二阶值（Derivative_Two），即
Derivative_Two = Square_ave - (2* Square_ave_1) + Square_ave_2，
将最近11个周期的数据N、Square_ave、Derivative_One、Derivative_Two进行图表分析发现，如图3所示，从横坐标点5开始，系列1—转速波动率曲线开始变大，系列2-均方差曲线开始递增，系列3—均方差的一阶导数大于0，系列4—均方差二阶导数大于0，又系列3-均方差的一阶导数的横坐标点6、7、8、9、10、11继续大于0，表明转速波动率从点5开始连续递增。
6、根据以上分析原理，将均方差的一阶导数大于0，且其均方差的二阶导数大于0，且随后周期的均方差一阶导数大于0，列为极限替代率所依据的转速波动率曲线突变点的判据。电控单元由此判断出掺烧燃料增加至使燃烧恶化的极限，控制替代燃料喷射器减喷射量△%，使转速波动率曲线回归到平稳的临界点。
7、当转速平稳时，电控单元控制替代燃料喷射器尝试增加替代燃料，继续判断发动机转速波动率或排气温度的变化，如此往复，实时地控制替代燃料达到最佳替代率点的动态平衡。
通过图2和图3对比验证，用本发明的方法寻找到极限替代率点与台架人工判断极限替代率点是一致，并且能够在任何工况下实时控制。
排气温度曲线突变点的判断方法与上述转速波动率突变的方法一样，不在此赘述。按照本发明的实施方式在台架试验和实机运行中已得到验证。
