CN101187344A - 一种燃气发动机单点连续喷射控制的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃气发动机单点连续喷射控制的方法，该方法包括：判断发动机处于怠速工况时，控制设定的辅控喷嘴以固定的占空比进行工作，以及控制设定的主控喷嘴根据废气中的氧含量调整占空比进行工作。本发明还同时公开了一种燃气发动机单点连续喷射控制的装置，包括：怠速状态信息采集模块，控制器模块，氧传感器模块和喷嘴模块。本发明能够使发动机在怠速状态下工作更加稳定，能有效降低发动机在怠速状态下的燃气消耗率和废气排放。

Description

一种燃气发动机单点连续喷射控制的方法和装置

技术领域

本发明涉及发动机控制系统，具体涉及一种燃气发动机单点连续喷射控制的方法和装置。

背景技术

当前，能源和环境污染问题越来越突出。随着汽车数量的增加，汽车尾气越来越成为城市空气污染的主要因素，为了降低汽车尾气对环境的污染，使用燃气作为能源的燃气汽车发展迅速。燃气汽车具有比传统汽油、柴油汽车更好的燃料经济性，且空气污染物含量更低。其中，燃气连续喷射系统的控制功能直接影响燃气汽车发动机的废气排放和燃料经济性这两大环保指标。

现有技术中，发动机控制系统的示意图如图1所示，工作过程如下：

燃气连续喷射控制系统采用正压连续供气，贮存在钢瓶中的燃气经过减压阀提供给发动机系统中的喷嘴，节气门位置用来调整空气的供气量，由控制器统一控制多个喷嘴以调整燃气的供应量。空气与燃气的混合气在发动机中燃烧后，产生的废气通过三效催化转化器进行处理。三效催化转化器能够促进废气中的碳氢化合物、一氧化碳和氮氧化物的减少，当发动机中的空燃比(发动机每次燃烧的空气质量与燃气质量之比)为理论空燃比时，三效催化转化器的作用最佳。对于压缩天然气(Compressed Natural Gas，CNG)而言，理论空燃比为17.1至17.5之间。因此，现有喷射控制系统中，通常根据使用燃气的理论空燃比，设定喷嘴的燃气喷射量，使其与空气量的比值达到理论空燃比，以期能够保证燃气燃烧充分，且产生的废气得到有效地处理。

但在城市工况中，发动机怠速频繁，由于怠速状态下发动机转速较低，因此提供怠速工况所要求的维持发动机运转最低转速的燃气量也较少，此时，喷嘴工作在非线性区域，燃气喷射的控制精度降低，从而造成空燃比的控制精度也降低，喷嘴无法精确提供此时需要的燃气量，而只能采取尝试的方法：先提供一定的燃气量，如果配比后的空气/燃气混合气浓度过高，则降低燃气供给量；如果调整后的混合气浓度过低，则再增加燃气供给量；此外，由于喷嘴工作在非线性区域且所有喷嘴采用同一频率、同一占空比进行控制，导致这种喷嘴控制方式无法灵活量化每次调节的幅度，常常会造成混合气的浓度在最佳值(即理论空燃比)上下波动，产生周期性震荡，从而增加燃气的消耗，同时由于实际空燃比未达到理论空燃比的要求，发动机产生的废气也不能得到最有效地处理，势必会增加排放污染。

由上可见，现有技术会造成发动机在怠速状态下的燃气消耗率和废气排放过高。

发明内容

本发明实施例提供一种燃气发动机单点连续喷射控制的方法和装置，能够降低发动机在怠速状态下的燃气消耗率和废气排放。

为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：

一种燃气发动机单点连续喷射控制的方法，该方法包括：

判断发动机处于怠速工况时，控制设定的辅控喷嘴以固定的占空比进行工作，以及控制设定的主控喷嘴根据废气中的氧含量调整占空比进行工作。

一种燃气发动机单点连续喷射控制的装置，该装置包括：怠速状态信息采集模块，控制器模块，氧传感器模块和喷嘴模块；

怠速状态信息采集模块，获取判断发动机处于怠速工况的所需的状态信息，将所述状态信息发送给控制器模块；

氧传感器模块，获取废气中的氧含量作为标识信息发送给控制器模块；

控制器模块，获取怠速状态信息采集模块发送的状态信息，判断发动机处于怠速工况时，设定辅控喷嘴的固定占空比并发送给辅控喷嘴，当不处于怠速工况时，等待下一次判断过程；获取氧传感器模块发送的标识信息，根据所述标识信息设置主控喷嘴的占空比并发送给主控喷嘴；

喷嘴模块，包括主、辅控喷嘴，分别按照控制器模块发送的占空比进行工作。

由上述的技术方案可见，本发明实施例的这种燃气发动机单点连续喷射控制的方法和装置，使用一部分喷嘴以固定的占空比提供基本燃气量，另一部分喷嘴根据氧传感器的反馈信号对实际空燃比进行闭环控制，使怠速工况的实际空燃比与理论空燃比的偏差更小，使得怠速工作状态更加稳定，有效地降低了发动机在怠速状态下的燃气消耗率和废气排放。

附图说明

图1为现有技术中发动机控制系统组成结构的示意图。

图2为本发明实施例中单点连续喷射控制的方法的流程示意图。

图3为本发明实施例中喷嘴线性流量特性曲线的示意图。

图4为本发明实施例中单点连续喷射控制的装置的组成结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

本发明实施例提供一种燃气发动机单点连续喷射控制的方法，流程如图2所示，包括：

步骤201：根据节气门位置信息、发动机转速信息和车速信息，判断发动机是否处于怠速工况，当同时满足①节气门位置在零位、②发动机转速小于设置的标定值、③车速小于设置的标定值三个约束条件时，表示当前处于怠速工况，继续执行步骤202；否则表示发动机不处于怠速工况，返回步骤201，准备进行下一次判断。

步骤202：控制器设置怠速工况下辅控喷嘴的占空比，所述辅控喷嘴的占空比是根据辅控喷嘴的线性流量(Linear Flow Rate，LFR)特性曲线中最小流量对应的时间及设定的辅控喷嘴工作周期得到的，在怠速工况下，辅控喷嘴保持利用此占空比进行燃气喷射。图3示出了A、B、C三种喷嘴的LFR特性曲线，假设某发动机控制系统中使用喷嘴B作为辅助喷嘴，则由图中可知，该辅控喷嘴B的最小流量对应的时间为2.5ms，若所述发动机控制系统中设置辅控喷嘴B工作周期为20ms，则得出该辅控喷嘴B的占空比应设置为2.5/20＝12.5％。

需要说明的是，原则上辅控喷嘴的工作周期可以在该器件的指定工作频率范围内任意选择，在实际应用中一般选取低频的工作方式，以避免高频工作方式对喷嘴使用寿命的影响，延长喷嘴的使用寿命。同时，根据图3容易看出，本发明实施例中将辅控喷嘴固定在其LFR曲线的最小流量对应的工作点处，工作周期的长短仅影响控制器设置的辅控喷嘴控制信号的占空比，并不影响辅控喷嘴实际供气时的流量。

同时，主控喷嘴和辅控喷嘴是本发明实施例中依据对喷嘴的不同职能进行的划分，在实际的发动机控制系统中，主控喷嘴和辅控喷嘴本身的工作特性是相同的，因此它们的LFR曲线也相同，主、辅控喷嘴只是分别在控制器的控制下工作在LFR曲线的不同的工作点上。

发动机在进入怠速状态前，发动机转速一般较高，燃气的喷射量也较大。进入怠速工况时，辅控喷嘴的占空比所确定的燃气喷射量较小，发动机所需的燃气量主要由主控喷嘴提供，由于辅控喷嘴的工作点为该喷嘴的LFR曲线上最小流量和其对应的时间点所确定的位置，且该位置为喷嘴线性工作区域的起点；而在进入怠速工况时，主控喷嘴的瞬时值通常为辅控喷嘴燃气喷射量的2倍甚至更多，因此主控喷嘴在怠速工况下也工作在线性区域。

步骤203：混合气经过燃烧，排出的废气中的氧含量通过氧传感器采集得到并发送给控制器，控制器进行浓/稀状态的判定，例如：氧传感器反馈的反映尾气中氧气含量浓或稀的数字量值在0～1024范围内，假设其中数值450代表理论空燃比所对应的点，则若反馈的数字量在450以上，判定缸内混合气偏浓，反之偏稀。

步骤204：基于比例积分(Proprotion Integral，PI)控制算法调整主控喷嘴占空比中的闭环修正值。此时，主控喷嘴工作在线性区域中，其中闭环修正值为比例项和积分项两部分之和：将氧传感器信号表示的浓度由低到高设置为不同的级别，级别越高则对应的比例项的值越大，根据氧传感器返回的浓/稀信号确定对应的比例项的值；确定了比例项的值，再根据所确定的比例项在该比例项对应的浓/稀级别内，从时间上进行更精确的调节。具体的比例项和积分项的设置方法，与现有控制技术相同，此处不再赘述。将得到的闭环修正值与刚进入怠速工况时主控喷嘴的占空比的瞬时值相加得到主控喷嘴的占空比。

步骤205：控制器按照得到的辅控喷嘴和主控喷嘴的占空比控制辅控、主控喷嘴进行工作，并返回步骤201继续进行喷嘴的下一次的调节控制。

需要说明的是，步骤202和步骤203～步骤204之间并无前后顺序，在一次喷嘴调节过程中，上述流程中步骤202设定辅控喷嘴的占空比，步骤203～步骤204则设定主控喷嘴的占空比，且两个设定流程之间相互独立。

可见，本发明实施例中的燃气发动机单点连续喷射控制的方法，通过控制主辅控喷嘴分别提供燃气的基本供给和修正供给，使发动机在怠速工况下的空燃比更加接近理论值，从而能够提高燃烧效率，减少燃气消耗和降低排放。

本发明实施例还提供一种燃气发动机单点连续喷射控制的装置，其组成结构如图4所示，其中包括：怠速状态信息采集模块410，控制器模块420，氧传感器模块440和喷嘴模块430；

怠速状态信息采集模块410，获取判断发动机处于怠速工况的所需的状态信息，将所述状态信息发送给控制器模块420；

氧传感器模块440，获取废气中的氧含量作为标识信息并发送给控制器模块420；

控制器模块420，获取怠速状态信息采集模块410发送的状态信息，判断发动机处于怠速工况时，设定辅控喷嘴431的固定占空比，当不处于怠速工况时，等待下一次判断过程；获取氧传感器模块440发送的标识信息，根据所述标识信息设置主控喷嘴432的占空比；

喷嘴模块430，包括主控喷嘴432和辅控喷嘴431，按照控制器模块420发送的占空比信号进行燃气的喷射。

所述怠速状态信息采集模块410包括：节气门位置传感器411，发动机转速传感器412和车速传感器413；

节气门位置传感器411，获取节气门位置信息并发送给控制器模块420；

发动机转速传感器412，获取发动机工作的转速信息并发送给控制器模块420；

车速传感器413，获取汽车的车速信息并发送给控制器模块420。

所述控制器模块420包括：怠速状态判定子模块421，辅控喷嘴控制子模块423和主控喷嘴控制子模块422；

所述怠速状态判定子模块421，接收节气门位置传感器411发送的节气门位置信息、发动机转速传感器412发送的转速信息和车速传感器413发送的车速信息，由所述信息判定发动机处于怠速工况时，通知辅控喷嘴控制子模块423和主控喷嘴控制子模块422，当不处于怠速工况时，等待下一次判断过程；

所述辅控喷嘴控制子模块423，接收怠速状态判定子模块421发送的通知，计算辅控喷嘴431的占空比，将所述占空比控制信号发送给辅控喷嘴431；

所述主控喷嘴控制子模块422，接收怠速状态判定子模块421发送的通知和氧传感器模块440发送的标识信息，计算出主控喷嘴432的占空比，将所述占空比控制信号发送给主控喷嘴432。

所述怠速状态判定子模块421包括判定单元424和通知单元425；

所述判定单元424，接收节气门位置信息、转速信息和车速信息，当节气门位置在0位、发动机转速小于标定值且车速低于标定值时，向通知单元425发送当前处于怠速状态的信息，否则发送当前不处于怠速状态的信息；

所述通知单元425，当接收到处于怠速状态的信息时，通知辅控喷嘴控制子模块423和主控喷嘴控制子模块422；当接收到不处于怠速状态的信息时，等待下一次判断。

需要说明的是，上述实施例中并未限定主辅喷嘴的划分标准，在实际应用中，多个喷嘴可以根据具体需要进行划分；同时，本发明实施例可以应用于各种燃气单点连续喷射系统，例如天然气、液化石油气及任何其他气态方式单点喷射的发动机系统。

由上述可见，本发明实施例中的燃气发动机单点连续喷射控制方法和装置，通过设置主辅喷嘴，分别提供燃气的基本供给和修正供给，使发动机在怠速工况下的空燃比更加接近理论值，从而能够提高燃烧效率，减少燃气消耗和降低排放，且该装置构造简单，实现方便。

容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的精神和保护范围，任何熟悉本领域的技术人员所做出的等同变化或替换，都应视为涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种燃气发动机单点连续喷射控制的方法，其特征在于，该方法包括：

判断发动机处于怠速工况时，控制设定的辅控喷嘴以固定的占空比进行工作，以及控制设定的主控喷嘴根据废气中的氧含量调整占空比进行工作。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制器判断发动机处于怠速工况的方法为：

获取节气门位置信息、发动机转速信息和车速信息，当节气门位置在零位、发动机转速小于设置的标定值且车速小于设置的标定值时，则发动机处于怠速工况。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制设定的辅控喷嘴以固定的占空比进行工作的方法为：

设置怠速工况下辅控喷嘴的占空比，所述占空比是根据辅控喷嘴的线性流量特性中最小流量对应的时间及设定的辅控喷嘴工作周期得到的。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制设定的主控喷嘴根据废气中的氧含量调整占空比进行工作的方法为：

通过氧传感器采集废气中的氧含量并发送给控制器，控制器进行浓/稀状态的判定，根据判定结果，采用设定的算法计算主控喷嘴占空比中的闭环修正值，将所述闭环修正值与发动机刚进入怠速工况时主控喷嘴占空比的瞬时值相加得到主控喷嘴的占空比。

5.一种燃气发动机单点连续喷射控制的装置，其特征在于，该装置包括：怠速状态信息采集模块，控制器模块，氧传感器模块和喷嘴模块；

怠速状态信息采集模块，获取判断发动机处于怠速工况的所需的状态信息，将所述状态信息发送给控制器模块；

氧传感器模块，获取废气中的氧含量作为标识信息发送给控制器模块；

控制器模块，获取怠速状态信息采集模块发送的状态信息，判断发动机处于怠速工况时，设定辅控喷嘴的固定占空比并发送给辅控喷嘴，当不处于怠速工况时，等待下一次判断过程；获取氧传感器模块发送的标识信息，根据所述标识信息设置主控喷嘴的占空比并发送给主控喷嘴；

喷嘴模块，包括主、辅控喷嘴，分别按照控制器模块发送的占空比进行工作。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述怠速状态信息采集模块包括：节气门位置传感器，发动机转速传感器和车速传感器，所述状态信息包括节气门位置信息、转速信息和车速信息；

节气门位置传感器，获取节气门位置信息并发送给控制器模块；

发动机转速传感器，获取发动机工作的转速信息并发送给控制器模块；

车速传感器，获取汽车的车速信息并发送给控制器模块。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述控制器模块包括：怠速状态判定子模块，辅控喷嘴控制子模块和主控喷嘴控制子模块；

所述怠速状态判定子模块，接收节气门位置传感器发送的节气门位置信息、发动机转速传感器发送的转速信息和车速传感器发送的车速信息，由所述状态信息判定发动机处于怠速工况时，通知辅控喷嘴控制子模块和主控喷嘴控制子模块，当不处于怠速工况时，等待下一次判断过程；

所述辅控喷嘴控制子模块，接收怠速状态判定子模块发送的通知，计算辅控喷嘴的占空比并发送给辅控喷嘴；

所述主控喷嘴控制子模块，接收怠速状态判定子模块发送的通知和氧传感器模块发送的标识信息，计算出主控喷嘴的占空比，将所述占空比控制信号发送给主控喷嘴。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述怠速状态判定子模块包括判定单元和通知单元；

所述判定单元，接收节气门位置信息、转速信息和车速信息，当节气门位置在0位、发动机转速小于标定值且车速低于标定值时，向通知单元发送当前处于怠速状态的信息，否则发送当前不处于怠速状态的信息；

所述通知单元，当接收到处于怠速状态的信息时，通知辅控喷嘴控制子模块和主控喷嘴控制子模块；当接收到不处于怠速状态的信息时，等待下一次判断。

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