CN102913335B - 大功率柴油机天然气电喷控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明的大功率柴油机天然气燃料电喷控制装置，由单片机、数字量指令输入电路、一般模拟量输入电路、燃油供油齿条位置检测模拟量输入电路、转速及相位检测电路和电磁阀驱动电路构成。其控制方法为设置反映各种对应关系的有关MAPMAP数组，实时检测柴油机目标及实际参数值，查询相关MAPMAP数组，得出实时供气时间窗口开启时间点及长度，依此控制供气电磁阀的开启与关断。可以实时响应因燃气气体性质变化带来的进气量需求的变化，也可以实时响应柴油机转速波动、负载变化带来的进气量需求的变化。电喷控制系统可以精确检测和确定柴油机相角信息，可以精确确定每一个汽缸的进气时机和窗口期。

Description

大功率柴油机天然气电喷控制方法及装置

技术领域

本发明属于柴油机技术领域，尤其涉及一种大功率柴油机天然气电喷控制方法及装置。

背景技术

大功率柴油机(单机功率在1MW以上)一般采用轻质柴油和重柴油等热值较高的液体燃料。而采用更加干净和环保的天然气作为兆瓦级大功率柴油机的主燃料目前处于试验阶段，这种柴油机一般需要两套燃料供给系统：柴油燃料系统和天然气燃料系统。因为天然气的热值较低，低转速或冷机很难有效压燃做功，所以一般是柴油启动，达到额定或较高转速且机器比较热之后，开始逐步注入天然气并减少柴油供给。此时可以检查天然气对柴油的替代率，最终达到99％以上的替代，柴油机几乎完全由天然气燃料驱动。

对天然气燃料系统的控制一般采取的措施是采用手动阀门或者由电机驱动的半自动阀门控制进气，将高压燃气打进柴油机进气管路，与空气混合后进入汽缸燃烧做功。为了控制进气量和观察燃气状态，一般配套有燃气压力、温度、截流量等参数的监测仪表。根据柴油机转速和燃气仪表相关参数，人为控制燃气进气阀的开度或者开启个数，达到代替柴油燃料维持柴油机稳定运转、输出恒定功率的目的。

大功率柴油机升级为使用天然气作为主燃料其控制和检测与一般只使用柴油作为燃料的柴油机有较大的不同，因为天然气燃料热值较柴油低得多，所以燃气压力、截流量对燃气燃烧做功影响十分直接和明显，很微小的压力、截流量变动就会反映到做功；更何况气体本身压力和截流量波动就十分随机和不稳定，所以控制进气稳定柴油机运行本身就十分困难。当柴油机负载交变，根据柴油机转速的瞬时波动及时增减燃气的进气量控制柴油机更显得十分棘手和复杂。

现有的采用手动或半自动控制天然气进气阀进而控制天然气进气量的方案最大的缺点就是反应比较迟缓，难以做到根据柴油机转速波动、天然气压力、截流量等的实时波动而实时调节进气量，因此即使在负载不变的情况下，由于燃气气流本身的扰动，这种方案控制天然气进气的柴油机往往功率输出波动就会很大，会有较大的功率波动振幅。在负荷交变情况下，采用这种方法几乎无法有效控制和恢复稳定柴油机运行。而且手动或半自动天然气进气方案能控制的电磁阀数量不可能很多，所以进气点只能选在柴油机进气总管处，通过控制进气阀开度或个数控制进入柴油机进气总管的燃气进气量，再通过柴油机自身机械进气程序逐个进入各缸燃烧。但是这种方案的缺点在于由于气体密度较低，造成在燃气进入进气总管的进气端附近压力较高，燃气密度较大，而离燃气进气点较远的进气总管末端，燃气压力相对较低，密度也较低。这就造成燃气在柴油机进气总管内各点密度、压力分布不均匀，于是进入各汽缸燃烧也就不一致、不均匀，反映出的现象是各汽缸燃烧不一致，排温相差很大。另外，手动或半自动控制方案对现场操作人员来说工作强度巨大，操作人员必须时刻保持注意力高度集中，全面观察柴油机参数和燃气相关参数，随时微调燃气进气以保障柴油机正常运行。如果进行几十乃至上百小时的连续机组性能试验，必须有多名操作人员轮流工作，而且出错率也会大大上升。

发明内容

本发明的目的就是克服上述现有技术之不足，提供一种大功率柴油机天然气燃料电喷控制装置及方法，能够自动采集和计算柴油机相关参数，实时控制天然气进气，稳定柴油机运转。

本发明的目的是这样实现的：一种大功率柴油机天然气电喷控制方法，其特征在于采取下列步骤：

A.设置反映柴油机工况即转速及负荷、天然气对柴油的替代率即燃油替代率即和供气标准量对应关系的MAP数组1、反映天然气压力、截流量和供气修正量对应关系的MAP数组2、反映柴油机工况即转速及负荷与供气窗口开启时间点即供气正时对应关系的MAP数组3，还设置反映转速差、燃油替代率差与反馈供气修正量对应关系的MAP数组4；

B.检测柴油机转动相角信息，确定准备供气的缸号；

C.实时检测由工况控制手柄位置确定的柴油机目标工况即转速及负荷、由燃油替代率调节旋钮确定的目标燃油替代率、柴油机实际工况即转速及负荷、天然气压力及截流量，还实时检测实际燃油替代率；

D.查询MAP数组1，得出实时供气标准量；

E.查询MAP数组2，得出实时供气修正量；

E1.将柴油机实际转速与目标转速进行比较，得出实时转速差，将实际燃油替代率与目标替代率进行比较，得出实时燃油替代率差；

E2.调用MAP数组4,得出实时反馈供气修正量；

F.用实时供气修正量、实时反馈供气修正量对实时供气标准量进行修正，得出实时供气执行量；

G.按公式计算得出实时供气时间窗口长度；

H.查询MAP数组3,确定实时供气时间窗口开启时间点；

I.按实时供气时间窗口开启时间点及长度控制供气电磁阀的开启与关断。

采用本发明的方案，可以实时响应因燃气气体性质变化带来的进气量需求的变化，也可以实时响应柴油机转速波动、负载变化带来的进气量需求的变化。电喷控制系统可以精确检测和确定柴油机相角信息，可以精确确定每一个汽缸的进气时机和窗口期，因此可以将燃气进气点设置在每个汽缸的进气支管上，直接控制每个汽缸进燃气。这种控制更精确和灵敏，充分保证各汽缸燃烧一致，柴油机运转更平稳。

附图说明

图1为本发明实施例的大功率柴油机天然气燃料电喷控制装置原理示意图。

图2为本发明实施例的大功率柴油机天然气燃料电喷控制方法程序框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参看图1，本实施例的大功率柴油机天然气燃料电喷控制装置由以下几个部分组成：

单片机，使用的是美国freescale公司的MC9S12XEP100十六位单片机作为CPU单元。收集和处理数字量指令输入电路、一般模拟量输入电路、燃油供油齿条位置检测模拟量输入电路、转速及相位检测电路送来的柴油机、天然气系统参数和信息，作出运算和判断，通过电磁阀驱动电路驱动电磁阀控制天然气进气量；

数字量指令输入电路，用于获取操作人员的指令，比如16档位司控器控制指令、允许加气、紧急停机等等；

一般模拟量输入电路，用于监测柴油机和天然气系统的主要参数信息，包括油水温度、压力、天然气压力、截流量、温度、柴油机各汽缸排温、背压等，另外也用于检测燃油替代率调节旋钮给出的燃油替代率模拟量指令；

燃油供油齿条位置检测模拟量输入电路，在柴油供油齿条上加装灵活的滑动电阻作为传感器，通过电阻值的变化来反映供油齿条位置的变化，进而得到供油量的变化；另一方面事先已经确定了各个工况点完全由柴油驱动时供油齿条的位置，所以可以得到如下公式：从而计算出天然气对柴油的替代率，这样可以省去传统的计算燃油油耗推算燃油替代率的繁琐程序，而由数据监测系统直接检测得到燃油替代率情况；

转速及相位检测电路，用于检测曲轴和增压器的转速、曲轴和凸轮转动的相角信息，以便控制进气时序；

电磁阀驱动电路用于驱动天然气进气电磁阀完成开启、维持和关断动作。

参看图2，详述本发明实施例的大功率柴油机天然气燃料电喷控制方法。程序从框1.0开始，进入框1.1，系统初始化，设置反映柴油机工况(转速及负荷)、燃油替代率和供气标准量对应关系的MAP数组1、反映天然气压力、截流量和供气修正量对应关系的MAP数组2、反映柴油机工况(转速及负荷)与供气窗口开启时间点(供气正时)对应关系的MAP数组3、反映转速差、燃油替代率差与反馈供气修正量对应关系的MAP数组4。进入框1.2，检测供气允许命令状态，如果不允许，就返回继续循环，否则进入框1.3。在框1.3，检测柴油机转动相角信息，确定准备供气的缸号。进入框1.4，实时检测由工况控制手柄位置确定的柴油机目标工况(转速及负荷)、由燃油替代率调节旋钮确定的目标燃油替代率、柴油机实际工况(转速及负荷)、天然气压力及截流量、实际燃油替代率。进入框1.5，查询MAP数组1，得出实时供气标准量。进入框1.6，查询MAP数组2，得出实时供气修正量。进入框1.7，将柴油机实际转速与目标转速进行比较，得出实时转速差，将实际燃油替代率与目标替代率进行比较，得出实时燃油替代率差。进入框1.8，调用MAP数组4,得出实时反馈供气修正量。进入框1.9，用实时供气修正量、实时反馈供气修正量对实时供气标准量进行修正，得出实时供气执行量。进入框1.10，按 计算得出实时供气时间窗口长度。进入框1.11，查询MAP数组3,确定实时供气时间窗口开启时间点。进入框1.12，按实时供气时间窗口开启时间点及长度控制供气电磁阀的开启与关断。

上述控制方法所述的各MAP数组，需要提前通过大量的逐点理论计算及检测试验修正得出，因是技术领域常用手段，在此不再赘述。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种大功率柴油机天然气电喷控制方法，其特征在于采取下列步骤：

A.设置反映柴油机工况即转速及负荷、天然气对柴油的替代率即燃油替代率和供气标准量对应关系的MAP数组1、反映天然气压力、截流量和供气修正量对应关系的MAP数组2、反映柴油机工况即转速及负荷与供气窗口开启时间点即供气正时对应关系的MAP数组3，还设置反映转速差、燃油替代率差与反馈供气修正量对应关系的MAP数组4；

B.检测柴油机转动相角信息，确定准备供气的缸号；

C.实时检测由工况控制手柄位置确定的柴油机目标工况即转速及负荷、由燃油替代率调节旋钮确定的目标燃油替代率、柴油机实际工况即转速及负荷、天然气压力及截流量，还实时检测实际燃油替代率；

D.查询MAP数组1，得出实时供气标准量；

E.查询MAP数组2，得出实时供气修正量；

E1.将柴油机实际转速与目标转速进行比较，得出实时转速差，将实际燃油替代率与目标替代率进行比较，得出实时燃油替代率差；

E2.调用MAP数组4,得出实时反馈供气修正量；

F.用实时供气修正量、实时反馈供气修正量对实时供气标准量进行修正，得出实时供气执行量；

G.

H.查询MAP数组3,确定实时供气时间窗口开启时间点；

I.按实时供气时间窗口开启时间点及长度控制供气电磁阀的开启与关断。