CN100507230C - 天然气掺氢发动机标定方法 - Google Patents

Abstract

天然气掺氢发动机标定方法属于发动机标定方法技术领域。其特征在于，在发动机的低、中、高三档转速下，空燃比和点火提前角分别根据动力性和排放性进行了适当增加和推迟，重新标定了MAP图。按照本方法标定得到的MAP图，对天然气掺氢发动机进行实际控制，使得发动机的控制能够满足国(欧)3的排放要求，与同排量的稀燃天然气发动机相比有了较大改善。

Description

天然气掺氢发动机标定方法

技术领域

天然气掺氢发动机标定方法属于发动机标定方法技术领域。

背景技术

天然气掺氢燃料简称HCNG，又名Hythane(氢烷)，是将氢气与天然气按一定比例混合而得到的代用气体燃料。它是综合了氢气燃烧速率快、着火极限宽、是可再生永久性能源的特点，和天然气体积热值高、储量丰富、排放低等优势而发展起来的新型汽车动力燃料。国内外很多学者对天然气掺氢燃料的燃烧排放特性进行了详细的研究。

Yusuf等人在1993年应用丰田公司生产的2TC型1.5升、四缸发动机对相同混合气进行研究，他仅用其中的一个气缸作为研究对象，测量其CO、NOx和HC的排放、最佳点火提前角，并计算不同当量空燃比下的热效率。试验结果表明低负荷时HCNG与纯甲烷相比增加了NOx，降低了未燃HC和CO。(Yusuf MJ.稀燃天然气发动机针对掺氢的改动[D].迈阿密大学，美国，1993.)

Hoekstra和Lynch等人是针对不同掺氢比的HCNG混合气为燃料时的空燃比和排放的关系进行研究，所得结论为：随着当量空燃比的降低，NOx排放增加，而HC有所下降。(HoekstraR.L.，Collier K.，Mulligan N.and Chew L稀燃车用燃料的试验研究[J].氢能国际期刊，英国，1995，20(9)：737-745.)

Sierens和Rosseel等人在2000年利用Crusader T7400的V8发动机，研究CNG/H2混合比为100/0，90/10和80/20的HCNG混合气的燃烧排放性。他们还设计了一种燃料供给系统，可以实现不同掺氢比混合气的供给。通过试验得到：由于HC和NOx排放是相互矛盾的，所以只有HCNG有较低的掺氢比才能实现低排放性，若实现超低排放，则必须进行尾气后处理(Sierens R.and Rosseel E.不同成分的天然气/氢气混合燃料对于提高发动机热效率降低排放的作用[J].美国机械工程师协会学报，美国，2000，122(1)：135-140.)

US6612269B2(公开日：2003.9.2)公开了控制气体发动机空燃比的方法，首先是确定空气/燃料混合气中各成分的比例，主要是通过监测混合气的热传导率、红外信号以及声音的传播速度，利用上述信号和空燃比的关系做成MAP图，输入到发动机ECM的控制模型中，在某一工况下，ECM可以得到当前燃料的空燃比，并以此来调整燃烧参数，包括燃料量和点火时刻，以保证对发动机有效的控制。

从上述背景技术可以看出，现有技术中大部分研究都是针对天然气掺氢燃料的燃烧特性进行的，没有对天然气掺氢发动机进行过标定。

发明内容

本发明的目的在于，克服了现有技术的缺陷，提出了天然气掺氢发动机标定方法，该方法充分利用HCNG燃料燃烧速度快、稀燃更稳定、推迟发动机点火提前角时NO_x排放物降低速率远大于发动机功率的降低速率等优点，对发动机的各工况(转速、负荷)条件下的空燃比和点火提前角进行了合理选取，使发动机动力性、经济性与同排量的稀燃天然气发动机相当的情况下，HCNG发动机排放得到较大的改善，能够满足国(欧)3、甚至可能满足国(欧)4排放法规的控制要求。

本发明的特征在于，在不同的转速下，空燃比和点火提前角按如下方式确定：

1)当n≤n_max×30％时，其中n为发动机的实际转速，n_max为发动机的最高转速，空燃比和点火提前角的标定以保持动力性为主，排放性为辅；

1.1)实际空燃比随着转速的增加而增加，当量空燃比λ从1.02增加到1.14；所述当量空燃比是实际空燃比和理论空燃比的比值，理论空燃比是单位质量燃料正好充分燃烧所需要的空气的质量；

1.2)点火提前角与同排量天然气发动机相比推迟3～5度曲轴转角，取最大扭矩时的最小点火提前角，以保证动力性；

2)当n_max×30％<n≤n_max×70％时，空燃比和点火提前角的标定以排放性为主，动力性为辅，保持发动机扭矩降低的量小于同排量天然气发动机相同工况扭矩的5％；

2.1)实际空燃比随着转速的增加而增加，当量空燃比λ从1.14增加至1.42；

2.2)点火提前角与同排量天然气发动机相比推迟7～10度曲轴转角，取排放物浓度最低时的点火提前角；

3)当n_max×70％<n≤n_max×100％时，空燃比和点火角的标定以排放性为主，动力性为辅，保持发动机扭矩降低的量小于同排量天然气发动机相同工况扭矩的5％；

3.1)实际空燃比随着转速的增加而增加，当量空燃比λ从1.42增加至1.55；

3.2)点火提前角与同排量天然气发动机相比推迟7～10度曲轴转角，取排放物浓度最低时的点火提前角。

试验证明，按照本方法标定得到的MAP图，对天然气掺氢发动机进行实际控制，使得发动机的控制能够满足国(欧)3的排放要求，与同排量的稀燃天然气发动机相比有了较大改善，达到了预期的目的。

附图说明

图1是经过本方法标定的HCNG发动机空燃比的MAP图。

图2是经过本方法标定的HCNG发动机点火提前角的MAP图。

图3是排放对比试验10个工况点中两种燃料的NOx排放的对比图。

具体实施方式

发动机实际运转过程为，发动机的转速和进气管绝对压力(负荷)分别由转速传感器和进气管绝对压力传感器传递给电控单元，而电控单元则根据这两个信号，通过查MAP图确定空燃比和点火提前角，作为当前工况下的目标空燃比和点火提前角，并以此来控制发动机的实际空燃比和点火提前角，使目标值与实际值相一致。MAP图是指三维坐标系下的一个平面图，以转速和进气管压力作为x轴和y轴，以空燃比或点火角作为z轴，对于给定的转速和进气管压力都可以唯一确定一个空燃比或点火角。MAP图一般是由发动机的开发商提供，但由于开发商提供的MAP图仅仅适合原机所用燃料，天然气掺氢是一种新燃料，因此需要重新标定。

当量空燃比λ是实际空燃比和理论空燃比的比值，理论空然比由燃料本身确定，实际空然比和点火提前角由开发商的标定软件控制。实际空燃比越小，则燃料空气混合气越浓，功率越大，但是排放(主要是NOx)很差，空燃比大则相反。点火提前角越大，点火时刻对应的曲轴转角距上止点的角度越大，发动机功率越大，排放(主要是NOx)越差。

本发明主要是针对HCNG发动机的特点，天然气中掺人氢气，与纯天然气相比可提高燃烧速度，拓宽着火极限，这样就可以实现更大空燃比的燃烧，点火提前角也可以相对天然气发动机向后推迟。对HCNG发动机的MAP图重新进行标定，可以使其在使用过程中能够达到更优的排放性能。

本发明提出的发动机的空燃比和点火提前角的MAP图的标定方式。具体如下：

由于在同转速情况下，空燃比是保持一致的，因而在标定空燃比时不考虑负荷的变化，只考虑转速的影响。虽然在同转速情况下，不同负荷的点火提前角不同，但它们在进行HCNG发动机标定时，在同转速的情况下，相对于天然气发动机所作的推迟是相同的，因而，作为点火提前角的推迟来说，也不必考虑负荷的影响，只考虑转速的影响。

1，在低转速时(n≤n_max×30％)，空燃比和点火提前角的标定以保持动力性为主，排放性为辅(发动机扭矩取最大值)。

1.1)空燃比略大于理论空燃比，不采用理论空燃比的原因是确保燃料能充分燃烧，降低HC排放物。当量空燃比λ随着转速的增加而增加，从1.02增加到1.14。

1.2)点火提前角与同排量天然气发动机相比只做较小推迟(约3～5度曲轴转角)以满足HCNG燃料比CNG燃料燃烧速度快的特性，使其接近MBT(最大扭矩时的最小点火提前角)以保证动力性。

2，在中转速时(n_max×30％<n≤n_max×70％)，空燃比和点火提前角的标定以排放性为主，动力性为辅(保持发动机扭矩降低的量小于同排量天然气发动机该工况扭矩的5％，尽力降低发动机的有害排放)。

2.1)空燃比的标定要大于低转速时的空燃比，较稀的空燃比可以降低缸内最高温度，减少NOx的生成。当量空燃比λ随着转速的增加而增加，λ从1.14增加至1.42。

2.2)点火提前角的控制以控制排放为主，推迟点火角可以降低缸内最高燃烧温度，从而降低NOx的生成。为发挥氢气燃烧速度快的优势，点火提前角与同排量天然气发动机相比可作较大推迟(点火提前角推迟大约7～10度曲轴转角)，取排放物浓度最低时的点火提前角。

3，在高转速时(n_max×70％<n≤n_max×100％)，空燃比和点火角的标定与中转速基本相同，都以排放性为主，动力性为辅(保持发动机扭矩降低的量小于同排量天然气发动机该工况扭矩的5％，尽力降低发动机的有害排放)。

3.1)此时要采用比中转速更稀的空燃比，因为高转速发动机热负荷较大，缸内燃烧温度较高，易生成NOx，为了降低NOx的生成，必须采用更稀的空燃比(氢气的加入拓宽了燃气的稀燃极限，所以可以采用更稀的空燃比)，当量空燃比λ随着转速的增加而增加，从1.42增加至1.55。

3.2)点火提前角的控制以排放性为主，点火角尽量向后推迟，与同排量天然气发动机相比，点火角作较大推迟(点火提前角推迟大约7～10度曲轴转角)，取排放物浓度最低时的点火提前角。

转速和油门的固定是由测功机实现，然后利用标定软件对空燃比和点火角进行控制。其中使用的标定软件是电控单元的厂家提供的与其电控单元匹配的标定软件，可以通过控制电控单元来实现对发动机的参数进行控制，比如：在电脑中输入某一个空燃比，然后通过数据线传递给电控单元，电控单元再对喷气脉宽进行控制，以实现对空燃比的控制。点火角控制也是类似的。

通过上述标定，确定了两个MAP图中的数据，写入电控单元中，然后电控单元即可根据新写入的MAP图对发动机进行控制，即：按照发动机的运转过程，对不同工况下的发动机的空燃比和点火提前角进行控制。

以5.6L的20％掺氢比的HCNG发动机为例，其理论空燃比为17.6。图1和图2是，采用本标定方法得到的空燃比的MAP图和点火提前角的MAP图，将该MAP图重新用于控制该发动机，经测试，在保证动力性不变的情况下，其排放比天然气原型机降低很多，而天然气原型机已达到欧III排放标准。

测试过程按照我国欧III稳态排放循环(ESC)采用13工况测试的特点制定试验方案，由于本试验所使用的在线掺氢系统对于小流量控制不稳，所以省略了测试循环中的3个怠速点，仅采用10工况进行比较，并且应用等气耗的方法，即保证燃烧天然气和HCNG时的能量一致。试验工况如表一所示。

等气耗排放试验工况

 

工况号	发动机试验转速	负荷百分比	加权系数
				12345678910	1600r/min1600r/min1600r/min1600r/min1600r/min2800r/min2800r/min2800r/min2800r/min2800r/min	1025507510010075502510	0.080.080.080.080.250.100.020.020.020.02

表一

测试10个工况点后进行加权平均，最后得到的比排放值如表二所示：

表二：

NOx的降低是降低排放的难点和重点，图3表示在10个工况点中两种燃料的NOx排放的对比情况，可见掺氢后NOx的降低是很显著的。

与同排量的天然气发动机相比，重新标定后的天然气掺氢发动机在保证经济性和动力性的前提下，各有害排放物都得到降低，尤其是氮氧化物降低幅度很明显。

Claims (1)

1、天然气掺氢发动机标定方法，其特征在于，在不同的转速下，空燃比和点火提前角按如下方式确定：

1)当n≤n_max×30％时，其中n为发动机的实际转速，n_max为发动机的最高转速，空燃比和点火提前角的标定以保持动力性为主，排放性为辅；

1.1)实际空燃比随着转速的增加而增加，当量空燃比λ从1.02增加到1.14；所述当量空燃比是实际空燃比和理论空燃比的比值，理论空燃比是单位质量燃料正好充分燃烧所需要的空气的质量；

1.2)点火提前角与同排量天然气发动机相比推迟3～5度曲轴转角，取最大扭矩时的最小点火提前角，以保证动力性；

2)当n_max×30％<n≤n_max×70％时，空燃比和点火提前角的标定以排放性为主，动力性为辅，保持发动机扭矩降低的量小于同排量天然气发动机相同工况扭矩的5％；

2.1)实际空燃比随着转速的增加而增加，当量空燃比λ从1.14增加至1.42；

2.2)点火提前角与同排量天然气发动机相比推迟7～10度曲轴转角，取排放物浓度最低时的点火提前角；

3)当n_max×70％<n≤n_max×100％时，空燃比和点火角的标定以排放性为主，动力性为辅，保持发动机扭矩降低的量小于同排量天然气发动机相同工况扭矩的5％；

3.1)实际空燃比随着转速的增加而增加，当量空燃比λ从1.42增加至1.55；

3.2)点火提前角与同排量天然气发动机相比推迟7～10度曲轴转角，取排放物浓度最低时的点火提前角。

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