CN101614161A - 一种空燃比控制装置 - Google Patents

Abstract

一种空燃比控制装置，包括设置有空燃比目标值设置模块、空燃比检测模块、比较模块、控制器模块、执行模块。空燃比目标值设置模块根据燃气发电内燃机工况确定内燃机的空燃比目标值，空然比检测模块检测得出当前内燃机工况中的空燃比实际值，比较模块将空燃比实际值与空燃比目标值进行比较，比较结果输送至控制器模块，控制器模块输出控制信号至执行模块，执行模块调节燃气总管内的空气流量和燃气流量。还可以设置有甲烷浓度传感器单元、排气氧传感器反馈单元和功率反馈单元。通过甲烷浓度传感器单元、排气氧传感器反馈单元及功率反馈单元对比较模块的比较结果进行修正后输送至控制器模块进行处理。具有检测及时、控制精确、节能、环保、高效等特点。

Description

一种空燃比控制装置

技术领域

本发明涉及燃气发电内燃机领域，特别是涉及一种用于内燃机的空燃比控制装置。

背景技术

现有技术中，空燃比是指在发动机进气行程中吸入的空气与燃油的重量之比。空燃比是发动机运转时的一个重要参数，是对燃烧废气排放、发动机的动力性和经济性都有很大影响的性能参数。如汽油内燃机，汽油与空气混合燃烧的时候，空气量过多或者过少都不能使汽油有效地燃烧，也就是燃烧不充分。因此，现代内燃机的空燃比控制装置是内燃机控制系统中举足轻重的一部分。一直以来，人们为了进一步使内燃机的燃烧更加完善，提高热效率，减少废气排放，都在对内燃机的空燃比控制装置不断地进行改进和研究，且改进方法和控制方法也各有不同，从而对内燃机空燃比的控制效果也越来越好。但是，随着社会的发展，节能、环保和效率优化成为对内燃机性能的新要求，相应地，对内燃机的空燃比控制装置的技术要求也需要进一步提高，使其更具节能、环保和效率优化等特性。

因此，针对上述情况，提供一种控制精度准确、具备节能、环保、高效的一种内燃机的空燃比控制装置甚为必要。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术中的不足之处而提供一种用于内燃机的，具有检测准确、具备节能、环保、高效特点的空燃比控制装置。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种空燃比控制装置，包括设置有：

空燃比目标值设置模块：用于根据燃气发电内燃机的转速和节气门位置的变化确定空燃比目标值；

空燃比检测模块：用于通过检测燃气总管中的空气流量和燃气流量，得出当前内燃机工况中的空燃比实际值；

比较模块：将接收的所述空燃比检测模块的所述当前内燃机工况中的空燃比实际值与所述空燃比目标值设置模块的所述空燃比目标值进行比较，并输出比较结果；

控制器模块：根据接收的所述比较模块的所述比较结果输出控制信号；

执行模块：根据接收的所述控制器模块的所述控制信号调节所述燃气总管中的空气流量和燃气流量。

优选的，上述空燃比检测模块包括设置有空气流量传感器、燃气流量传感器和计算单元，所述空气流量传感器和所述燃气流量传感器与所述计算单元连接，所述计算单元根据所述空气流量传感器和所述燃气流量传感器的传感信号，计算得出所述当前内燃机工况中的空燃比实际值。

另一优选的，上述执行模块包括设置有电控混合器、步进电机控制器、步进电机，所述电控混合器与所述步进电机控制器连接，所述步进电机控制器输出控制信号至所述步进电机，驱动所述步进电机控制所述电控混合器的开度面积，进而控制所述燃气总管中的所述空气流量和所述燃气流量。

更优选的，上述步进电机控制器为能够检测当前步进电机位置，并与所述电控混合器的输入信息进行比对，获得具有方向的步进电机位置的偏差量，驱动所述步进电机根据所述偏差量进行位置补偿的步进电机控制器。

进一步的，上述电控混合器包括设置有检测单元及合成器，所述检测单元检测当前工况的混合器总管内的温度、压力及所述内燃机的转速，并通过所述合成器得出当前工况的所述电控混合器的开度面积。

更进一步的，上述电控混合器设置有初始参数设置单元，所述电控混合器通过所述初始参数设置单元，设置内燃机启动时的所述电控混合器的初始开度面积。

另一优选的，上述空燃比控制装置设置有甲烷浓度传感器单元，所述甲烷浓度传感器单元包括设置有甲烷浓度传感器及与其相连的处理单元，所述甲烷浓度传感器用于检测所述燃气总管中甲烷的浓度，所述处理单元根据所述燃气总管中甲烷的浓度对所述比较模块的所述比较结果进行修正。

另一优选的，上述空燃比控制装置设置有排气氧传感器反馈单元，所述排气氧传感器反馈单元通过其排气氧传感器检测排气管中的氧含量，并根据所述氧含量对所述比较模块的所述比较结果进行修正。

更优选的，上述排气氧传感器反馈单元包括设置有氧传感器处理单元、氧传感器校正器及所述排气氧传感器，所述氧传感器处理单元对所述排气氧传感器检测的所述排气管中的所述氧含量进行处理得到与之对应的空燃比信息，并与所述空燃比目标值进行比对，输送至所述氧传感器校正器处理，所述氧传感器校正器与所述控制器模块相连。

另一优选的，上述空燃比控制装置设置有功率反馈单元，所述功率反馈单元包括设置有理论功率计算单元、功率传感器及功率校正器，所述理论功率计算单元计算出内燃机的理论功率，所述功率传感器检测出实际功率，所述功率校正器将所述实际功率与所述理论功率进行对比、得到修正百分比系数并进行校正、然后输送至控制器模块。

本发明的空燃比控制装置，通过空燃比目标值设置模块，根据燃气发电内燃机的工况设置空燃比目标值，同时通过空燃比检测模块检测燃气总管中的空气流量和燃气流量，得出当前内燃机工况中的空燃比实际值，然后通过比较模块将当前内燃机的空燃比实际值与空燃比目标值进行比较，并将比较结果输送至控制器模块，控制器模块再根据比较结果输出控制信号到执行模块，通过执行模块调节空气流量和燃气流量，实现空燃比局部闭环控制。由于对发动机的转速及燃气总管中的空气流量和燃气流量等进行即时监控，并通过控制器模块和执行模块进行控制和操作，因此，能够及时调整内燃机的空燃比，使内燃机具有较好的性能。

执行模块通过电控混合器、步进电机控制器和步进电机之间的相互传输、控制和反馈，实现即时调节步进电机的位置，从而实现即时调节电控混合器的开度面积，即时调节燃气总管中的空气流量和燃气流量，实现空燃比的合理化。

本发明的空燃比控制装置，设置有甲烷浓度传感器单元，通过其甲烷浓度传感器检测燃气总管中甲烷的浓度，以及通过其处理单元根据燃气总管中甲烷的浓度对比较模块的比较结果进行修正。特别是针对采用变组分煤层气的内燃机，因组分变化会对空燃比的控制产生扰动，甲烷浓度传感器单元可以消除对被控对象的干扰。使得该空燃比控制装置具有更精确的控制效果。

为了满足节能环境和效率优化的要求，建立以空燃比为目标，以实现最佳燃烧效果，该空燃比控制装置还设置了排气氧传感器反馈单元。将氧传感器设置在内燃机排气管上，当排气管内的温度达到其工作点的要求时，氧传感器便有信号输出。排气氧传感器反馈单元通过排气氧传感器检测排气管中的氧含量，并根据所检测的氧含量对比较模块的比较结果进行修正，然后输送给控制器模块处理。通过对内燃机的排气情况进行检测，利用内燃机的排气情况反映内燃机的空燃比，并与目标空燃比比较，对比较模块的比较结果进行修正，然后送入控制器模块处理。因此，设置排气氧传感器反馈单元能够进一步提高该空燃比控制装置的精确度。

此外，本发明的空燃比控制装置还设置有功率反馈单元，功率反馈单元包括理论功率计算单元、功率传感器及功率校正器，理论功率计算单元计算出内燃机的理论功率；功率传感器检测出实际功率；功率校正器将实际功率与理论功率对比得到修正百分比系数并进行校正，然后输送至控制器。功率反馈单元不受内燃机煤层燃气成份等因素影响，且具有适用性强等优点，因此，设置功率反馈单元不仅能够进一步提高空燃比控制装置的精确度，而且适用范围宽。

综上所述，本发明的一种空燃比控制装置能够精确控制内燃机的空燃比，具备了节能、环保、高效等特点。特别在当燃气组分浓度发生变化的情况下，燃气发电内燃机必需配置此装置。

附图说明

结合附图对本发明作进一步的描述，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。

图1是本发明一种空燃比控制装置的结构示意图，

图2是图1中的执行单元的具体结构示意图。

在图1和图2中，包括：

空燃比目标值设置模块1、  空燃比检测模块2、    比较模块3、

控制器模块4、    执行模块5、    甲烷浓度传感器单元6、

排气氧传感器反馈单元7、  功率反馈单元8、  燃气总管90、

排气管91、  电控混合器51、  步进电机控制器52、步进电机53。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步的描述。

本发明的一种空燃比控制装置如图1所示，包括设置有空燃比目标值设置模块1、空燃比检测模块2、比较模块3、控制器模块4和执行模块5；进一步还包括设置有甲烷浓度传感器单元6、排气氧传感器反馈单元7和功率反馈单元8。空燃比目标值设置模块1根据燃气发电内燃机工况，包括内燃机的转速和节气门位置的变化确定此刻内燃机的空燃比目标值；空然比检测模块2通过检测燃气总管90中的空气流量和燃气流量，得出当前内燃机工况中的空燃比实际值，并将得到的空燃比实际值输送至比较模块3；比较模块3将当前内燃机工况中的空燃比实际值与空燃比目标值进行比较，将比较结果输送至控制器模块4；控制器模块4根据比较模块3的比较结果输出控制信号到执行模块5；执行模块5再根据控制器模块4输出的控制信号调节燃气总管90内的空气流量和燃气流量，实现空燃比控制的局部闭环控制。甲烷浓度传感器单元6对燃气总管90中的甲烷浓度进行检测，当燃气总管90中的甲烷浓度发生变化时，会被检测到，通过甲烷浓度传感器单元6对比较模块3的比较结果进行修正，并将修正后的结果输入控制器模块4处理。排气氧传感器反馈单元7通过检测排气管91中的氧气浓度，经过处理后可得修正信息，并将此修正信息输入控制器模块4处理。为了实现更高的精度和更宽泛的应用，还设置有功率反馈单元8，通过功率反馈单元8对比较模块3的比较结果进行修正，然后再输入控制器模块4处理。

其中，空燃比检测模块2包括设置有空气流量传感器、燃气流量传感器和计算单元，空气流量传感器和燃气流量传感器与计算单元连接，计算单元根据空气流量传感器和燃气流量传感器的输入信息计算得出当前内燃机工况中的空燃比值。

本发明的一种空燃比控制装置如图2所示，执行模块5包括设置有电控混合器51、步进电机控制器52和步进电机53。燃气总管90中的空气流量和燃气流量是通过电控混合器51的开度面积控制的，因此，确定了电控混合器51的开度面积，也就确定了燃气总管90中的空气流量和燃气流量。而电控混合器51的开度面积可以通过步进电机53的转动位置调节。因此，该执行模块5中，设置电控混合器51与步进电机控制器52连接，电控混合器51包括设置有检测单元和合成器，检测单元检测当前工况下燃器总管内的温度、压力及发动机的转速，并通过合成器得出当前工况下电控混合器51的开度面积，步进电机控制器52检测当前步进电机53的位置，将电控混合器51输入的信息与当前步进电机53的位置进行比对，获得一个带有方向的步进电机位置的偏差量，步进电机控制器52根据此偏差量驱动步进电机53进行位置补偿，从而调节了电控混合器51的开度面积。而内燃机启动时电控混合器51的初始开度面积通过电控混合器51的初始参数设置单元设置。

甲烷浓度传感器单元6包括甲烷浓度传感器及与其相连的处理单元，甲烷浓度传感器检测燃气总管90中甲烷的浓度变化，处理单元根据燃气总管90中甲烷的浓度变化对比较模块3的比较结果进行修正，修正后的结果输送至控制器模块4，控制器模块4输出控制信号至执行模块5，于是执行模块5中的电控混合器51将控制器模块4的控制信号输入的开度面积信息与其通过合成器得出的当前工况下电控混合器51的开度面积比较，得出步进电机53的转动位置并输送至步进电机控制器52，步进电机控制器52检测当前步进电机的位置，将电控混合器51输入的信息与当前步进电机53的位置进行比对，获得一个带有方向的步进电机位置的偏差量，步进电机控制器52根据偏差量驱动步进电机53进行位置补偿，从而实现对空燃比的修正和调节。特别是针对采用变组分煤层气的内燃机，组分变化会对空燃比的控制产生扰动，甲烷浓度传感器单元6可以消除对被控对象的干扰。使得该空燃比控制装置具有更精确的控制效果。

排气氧传感器反馈单元7包括设置有排气氧传感器、氧传感器处理单元及氧传感器校正器，通过排气氧传感器检测排气管中的氧含量，并根据所检测的氧含量对比较模块3的比较结果进行修正。

具体的，将排气氧传感器的探头安装在发动机排气管91上，当排气管91内的温度达到其工作点的要求时，排气氧传感器有信号输出，通过氧传感器处理单元处理后可得出与之对应的空燃比信息，然后与用户设定的目标空燃比进行比对，得到修正百分比系数，然后输送至氧传感器校正器处理，再输送至控制器模块4对当前工况进分析处理。通过对内燃机的排气情况进行检测，利用发动机的排气情况反映内燃机的空燃比，并与目标空燃比比较，对比较模块3的比较结果进行修正，然后送入控制器模块4处理。因此，设置排气氧传感器反馈单元7能够进一步提高该空燃比控制装置的精确度。

功率反馈单元8包括设置有理论功率计算单元、功率传感器及功率校正器。通过理论功率计算单元计算出内燃机的理论功率，其基本原理是通过给定内燃机的机械效率，由开度面积合成器可以给出的燃气流量和热值当量，便可计算出其理论功率；功率传感器可以检测出实际功率；功率校正器可以将检测出的实际功率与理论功率对比得到修正百分比系数并进行校正，然后输送至控制器模块。功率反馈单元不受内燃机煤层燃气成份等因素影响，且具有适用性强等优点，因此，设置功率反馈单元不仅能够进一步提高空燃比控制装置的精确度，而且适用范围更宽。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，但本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1、一种空燃比控制装置，其特征在于：包括设置有：

空燃比目标值设置模块：用于根据燃气发电内燃机的转速和节气门位置的变化确定空燃比目标值；

空燃比检测模块：用于通过检测燃气总管中的空气流量和燃气流量，得出当前内燃机工况中的空燃比实际值；

比较模块：将接收的所述空燃比检测模块的所述当前内燃机工况中的空燃比实际值与所述空燃比目标值设置模块的所述空燃比目标值进行比较，并输出比较结果；

控制器模块：根据接收的所述比较模块的所述比较结果输出控制信号；

执行模块：根据接收的所述控制器模块的所述控制信号调节所述燃气总管中的空气流量和燃气流量。

2.根据权利要求1所述的空燃比控制装置，其特征在于：所述空燃比检测模块包括设置有空气流量传感器、燃气流量传感器和计算单元，所述空气流量传感器和所述燃气流量传感器与所述计算单元连接，所述计算单元根据所述空气流量传感器和所述燃气流量传感器的传感信号，计算得出所述当前内燃机工况中的空燃比实际值。

3.根据权利要求1或2所述的空燃比控制装置，其特征在于：所述执行模块包括设置有电控混合器、步进电机控制器、步进电机，所述电控混合器与所述步进电机控制器连接，所述步进电机控制器输出控制信号至所述步进电机，驱动所述步进电机控制所述电控混合器的开度面积，进而控制所述燃气总管中的所述空气流量和所述燃气流量。

4.根据权利要求3所述的空燃比控制装置，其特征在于：所述步进电机控制器为能够检测当前步进电机位置，并与所述电控混合器的输入信息进行比对，获得具有方向的步进电机位置的偏差量，驱动所述步进电机根据所述偏差量进行位置补偿的步进电机控制器。

5.根据权利要求4所述的空燃比控制装置，其特征在于：所述电控混合器包括设置有检测单元及合成器，所述检测单元检测当前工况的混合器总管内的温度、压力及所述内燃机的转速，并通过所述合成器得出当前工况的所述电控混合器的开度面积。

6.根据权利要求5所述的空燃比控制装置，其特征在于：所述电控混合器设置有初始参数设置单元，所述电控混合器通过所述初始参数设置单元，设置内燃机启动时的所述电控混合器的初始开度面积。

7.根据权利要求1或2所述的空燃比控制装置，其特征在于：设置有甲烷浓度传感器单元，所述甲烷浓度传感器单元包括设置有甲烷浓度传感器及与其相连的处理单元，所述甲烷浓度传感器用于检测所述燃气总管中甲烷的浓度，所述处理单元根据所述燃气总管中甲烷的浓度对所述比较模块的所述比较结果进行修正。

8.根据权利要求1或2所述的空燃比控制装置，其特征在于：设置有排气氧传感器反馈单元，所述排气氧传感器反馈单元通过其排气氧传感器检测排气管中的氧含量，并根据所述氧含量对所述比较模块的所述比较结果进行修正。

9.根据权利要求8所述的空燃比控制装置，其特征在于：所述排气氧传感器反馈单元包括设置有氧传感器处理单元、氧传感器校正器及所述排气氧传感器，所述氧传感器处理单元对所述排气氧传感器检测的所述排气管中的所述氧含量进行处理得到与之对应的空燃比信息，并与所述空燃比目标值进行比对，输送至所述氧传感器校正器处理，所述氧传感器校正器与所述控制器模块相连。

10.根据权利要求1或2所述的空燃比控制装置，其特征在于：设置有功率反馈单元，所述功率反馈单元包括设置有理论功率计算单元、功率传感器及功率校正器，所述理论功率计算单元计算出内燃机的理论功率，所述功率传感器检测出实际功率，所述功率校正器将所述实际功率与所述理论功率进行对比得到修正百分比系数并进行校正，然后输送至控制器模块。

Images