CN103883436B

CN103883436B - 车载加氢助燃控制系统

Info

Publication number: CN103883436B
Application number: CN201410098792.0A
Authority: CN
Inventors: 舒杰; 张继元; 吴昌宏; 关锐奇
Original assignee: Guangzhou Institute of Energy Conversion of CAS
Current assignee: Guangzhou Institute of Energy Conversion of CAS
Priority date: 2014-03-17
Filing date: 2014-03-17
Publication date: 2017-01-18
Anticipated expiration: 2034-03-17
Also published as: CN103883436A

Abstract

本发明公开了一种车载加氢助燃控制系统，包括加氢装置、氢流量传感器、实时工况检测装置、发动机工况知识库以及自适应模糊PID控制板；自适应模糊PID控制板其将发动机多路工况测量数据、发动机工况知识库作为输入量以及氢流量传感器检测的氢气实际流量作为输入端，通过发动机多路工况测量数据在发动机工况知识库中查询最佳供氢量，再将所述最佳供氢量与氢气实际流量相结合，通过模糊推理获得最佳PID调节控制参数后，输出一控制信号，该控制信号用于调节控制加氢装置的供氢量。本发明可实现不同工况下、最佳供氢量的优化运行、以提高发动机热效率，改善动力性能与尾气排放，获得节能减排的良好效果。

Description

车载加氢助燃控制系统

技术领域

本发明涉及一种车载氢燃料发动机混合气燃烧的优化控制方法与系统，通过该控制系统可以有效改善汽油加氢、柴油加氢混合气在发动机不同工况下的热效率，达到提升发动机动力性能、降低尾气排放之目的。本发明特别适合于目前氢燃料内燃机技术不成熟、而采用在现有燃油发动机添加少量微量氢气混合气燃烧的应用。

背景技术

汽车作为现代文明的标致，为人类的生产、生活提供了巨大的帮助。然而，随着全球汽车保有量的不断增加，给能源短缺和环境恶化带来了巨大挑战。为应对这种挑战，世界各国开展了汽车动力能源的多元化和清洁化方面的研究，主要表现在两个方面：一是新能源动力汽车，二是传统内燃机发动机技术的改造。前者主要是采用化石燃料为基础的电动汽车，目前技术还不成熟、成本高、难于普及，如：燃料电池汽车、锂离子等动力电池汽车等；后者采用替代燃料，逐步成熟，如：天然气、石油气、生物柴油、氢等替代燃料汽车。

氢燃料作为21世纪的重要能源资源，氢燃料资源丰富、来源广泛、热值高、可再生、零排放等优点，欧美日发达国家以前所未有的力度开展了研究。氢燃料很早就应用于航空航天，是主要的动力能源，在交通运输动力方面才刚起步。由于氢燃料的获得成本高、储运安全问题、以及氢燃料内燃机技术不成熟等问题，制约了它在汽车动力方面的应用普及。目前，太阳能高温裂解之氢、太阳能光催化制氢是氢燃料获得的一个重要技术途径，前景广阔，带来规模化制氢的新希望。作为纯氢燃料内燃机的过渡技术，氢混合燃料（汽油加氢、柴油加氢）应用于现有汽车内燃机作为动力可以改善发动机性能、降低排放具有现实意义，达到业内认可。特别是在现有发动机的改造、调整、控制方面开展了广泛的应用研究。国内，天津大学、北京理工大学、浙江大学、北京交通大学、华北水利水电学院、西安交通大学等高校均开展了这方面研究。少量或微量加氢助燃技术，在国际上，如：日本、德国、美国等国开始逐步应用，据国内外的相关报道：不同类型、不同系列的汽车发动机，在不同工况下添加不同量的氢气掺烧，综合排放降低50%以上，特别是PM的改善尤为明显，综合节油可达到10-15%，加上良好的习惯性驾驶培训，节油率可达20%以上。

国内相关单位主要针对纯氢燃料内燃机燃烧机理与优化，供氢喷氢系统方面的结构、控制方面的专利报道，也有专门针对车载制氢机方面的技术研发报道，单独针对微量或少量加氢助燃控制系统方面的专利技术还没有。因此，除氢燃料混合气发动机技术本身的改造创新外，加氢混合气燃烧的控制装置也尤为重要。要改善氢混合气燃料发动机的性能和排放问题，不同的发动机工作特性有差异、工况也不同，其表现出的动力性能和排放也不同；即使是同一台发动机不同工况下其动力性能和排放也不相同，要实现全工况优化匹配运行，加氢电子控制系统的实时控制就扮演了重要角色。

发明内容

本发明提出了一种在常规燃气发动机添加少量或微量氢气助燃混合气燃烧的实时优化匹配控制系统，旨在解决车载发动机加氢助燃的优化控制问题，实现不同工况下、最佳供氢量的优化运行、以提高发动机热效率，改善动力性能与尾气排放，获得节能减排的良好效果。

为实现以上目的，本发明采取了的技术方案是：

一种车载加氢助燃控制系统，其包括：

加氢装置，用于在常规燃气机动车的发动机中添加助燃的微量或少量氢气的混合气；

氢流量传感器，用于检测加氢装置产生的氢气实际流量以及发动机一定时间的氢气消耗量；

实时工况检测装置，用于对常规燃气机动车的实际工况进行实时检测计算，形成发动机多路工况测量数据发送至自适应模糊PID控制板；

发动机工况知识库，包括发动机历史工况数据以及根据所述发动机历史工况数据进行加氢实验的发动机台架加氢实验数据库、以及根据不同的发动机台架加氢实验数据获取的常规燃气机动车尾气排放测试数据和热效率测试数据；

自适应模糊PID控制板，其将发动机多路工况测量数据、发动机工况知识库作为输入量以及氢流量传感器检测的氢气实际流量作为输入端，通过发动机多路工况测量数据在发动机工况知识库中查询最佳供氢量，再将所述最佳供氢量与氢气实际流量相结合，通过模糊推理获得最佳PID调节控制参数后，输出一控制信号，该控制信号用于调节控制加氢装置的供氢量。

所述发动机多路工况测量数据至少包括发动机的扭矩、转速、排气温度、尾气以及踏板供油位置，发动机多路工况测量数据除用于发动机加氢运行工况知识库的查询外，为模糊PID控制参数的整定，以精确调节控制车载制氢机或储气罐的制（供）氢量，来满足不同工况下发动机的优化运行。

所述实时工况检测装置包括扭矩测量传感器、转速测量传感器、温度传感器、尾气测量传感器以及位置传感器，分别用于实时检测发动机的扭矩、转速、排气温度、尾气以及踏板供油位置。

所述自适应模糊PID控制板通过CAN总线与常规燃气机动车的电子控制系统（ECU）相连，所述电子控制系统用于实时检测发动机的扭矩、转速、排气温度、尾气以及踏板供油位置，通过ECU直接获取发动机多路工况测量数据用于控制，省去外加传感器的布置。

所述自适应模糊PID控制板为以DSP处理器为核心器件的DSP控制板。

所述DSP控制板上设有与远程终端进行无线通讯的远程终端通信接口。

所述发动机工况知识库按发动机负荷10-20%、20-30%、30-40%、40-50%、50-60%、60-70%、70-80%、80-100%的一维表进行划分查询。

所述发动机工况知识库按关键参数权重按二维表进行查询。

所述加氢装置，是基于即产即用的车载制氢机或储气罐供氢在常规燃气发动机中添加微量或少量氢气的混合气（汽油加氢、柴油加氢）。微量加氢一般每分钟供氢量在0.08-0.2克左右，少量加氢一般每分钟供氢量在0.5-2.0克左右。

氢流量传感器在系统中可以实时检测计算氢气的发生流量及每（秒）分钟总的消耗量统计，同时对制氢机进行制氢速率和带氢气储气罐供氢方式的供氢流量的精确反馈控制。

发动机历史工况数据主要是发动机的动力数据，包括扭矩、转速、以及踏板供油位置等。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：本发明提出了一种在常规发动机添加微量氢气助燃混合气燃烧的实时优化匹配控制系统。通过传感器测量发动机的工作状况（扭矩、转速、温度、踏板供油位置、尾气）、氢气的流量等检测量，经微处理器的快速采集计算、模糊PID控制算法处理，实时调节车载制氢机产氢速率（供氢量）、空气流量大小，实现不同工况下、最佳供氢量的优化运行、以提高发动机热效率，改善动力性能与尾气排放，获得节能减排的良好效果。

附图说明

图1为本发明实施例的车载加氢助燃控制系统原理图；

图2为本发明实施例的车载加氢助燃控制系统框图；

图3为本发明实施例的发动机加氢运行工况实验知识库（表）。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例

图1为车载加氢助燃控制系统的原理图。该模糊控制系统包括发动机工况测量部分和DSP控制板两部分，制氢机采用了电解水制氢的方式即产即用，省去储气罐。电解制氢机电源来自车载发电机充电电瓶电源，制氢机最大功率：小乘用车300W（7座以下），载重车或运输车（大巴）1000W，根据发动机实际工况确定加氢量、再通过模糊控制调节电解电源功率（即电流控制）实现制氢速率的实时可调控制。对于储气罐型供氢方式，可以通过调节氢气供气控制阀门达到类似的效果。控制板上具有显示器接口，远程终端（如：手机等）通信接口、可以实现远程数据交换。另外，系统还提供与机动车的电子控制系统（ECU）接口，直接获取发动机相关工况参数，减少或不用加装工况测量传感器。

采用DSP处理器的好处，在于DSP处理器采集计算速度快（主频200MW或更高），在微秒级，特别是一些复杂控制策略的大数据量运算上，DSP处理器具有无可比拟的优势。对一般的内燃发动机来讲，其转速一般在1000-5000转/分钟，一个燃烧循环周期在10-60ms，DSP处理器可以在一个周期内完成所有的复杂测量与计算工作，包括控制、通信等，实时性强，控制可靠。

图2为基于发动机实验知识库的模糊PID控制原理框图，该框图通过实时发动机工况参数的检测，从知识库查询需要的最佳供氢量，然后结合实时工况数据通过模糊推理获得最佳PID调节控制参数，提供需要的供氢量，实现最佳优化匹配运行。知识库的建立非常重要，由于汽车发动机的燃烧过程非常复杂、快速(毫秒级)，很多关键参数（气缸压力、温度、混燃气的比例、尾气排放等）也难于准确获得，而且实际工作过程也复杂多变，负荷变化频繁，控制模型难于准确建立，因此针对实际运行工况采用了发动机工况实验运行测试来获得基础知识库，在基础知识库基础上，通过实时测量发动机工况查询、推理并修正PID控制参数，实现最优化运行。

图3为发动机加氢运行工况试验知识库的构成表。该表通过不同类型、不同排量发动机的加氢运行试验测试知识库的实验测试内容，通过该表的实验测试数据可以总结为一个基础知识库，该知识库反映了不同发动机不同工况下的最佳给氢量，作为起始数据。该知识库可以按发动机负荷10-20%、20-30%、30-40%、40-50%、50-60%、60-70%、70-80%、80-100%的一维表进行划分查询，也可以按其他标准进行划分；也可以按关键参数权重按二维表进行查询等。

虽然本发明是通过具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。另外，针对特定情形或应用，可以对本发明做各种修改，而不脱离本发明的范围。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。

Claims

1.一种车载加氢助燃控制系统，其特征在于，其包括：

2.根据权利要求1所述的车载加氢助燃控制系统，其特征在于，所述发动机多路工况测量数据至少包括发动机的扭矩、转速、排气温度、尾气以及踏板供油位置。

3.根据权利要求2所述的车载加氢助燃控制系统，其特征在于，所述实时工况检测装置包括扭矩测量传感器、转速测量传感器、温度传感器、尾气测量传感器以及位置传感器，分别用于实时检测发动机的扭矩、转速、排气温度、尾气以及踏板供油位置。

4.根据权利要求2所述的车载加氢助燃控制系统，其特征在于，所述自适应模糊PID控制板通过CAN总线与常规燃气机动车的电子控制系统相连，所述电子控制系统用于实时检测发动机的扭矩、转速、排气温度、尾气以及踏板供油位置。

5.根据权利要求1-4任一项所述的车载加氢助燃控制系统，其特征在于，所述自适应模糊PID控制板为以DSP处理器为核心器件的DSP控制板。

6.根据权利要求5所述的车载加氢助燃控制系统，其特征在于，所述DSP控制板上设有与远程终端进行无线通讯的远程终端通信接口。

7.根据权利要求1所述的车载加氢助燃控制系统，其特征在于，所述发动机工况知识库按关键参数权重按二维表进行查询。

8.根据权利要求1所述的车载加氢助燃控制系统，其特征在于，所述加氢装置为制氢机或储气罐。

9.根据权利要求8所述的车载加氢助燃控制系统，其特征在于，所述制氢机制氢的方式为电解水制氢。