CN104033256A - 机械泵供油的油气双燃料发动机的控制系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机械泵供油的油气双燃料发动机的控制系统及其控制方法，该控制系统包括传感器部分、执行器和采集传感器部分的信号并控制执行器运作的双燃料ECU，该控制系统通过油门执行器控制柴油量，通过燃气控制喷嘴控制燃气量，通过电子节气门体控制进气空气量，通过宽域氧传感器检测和闭环反馈控制发动机工作的空燃比，该控制方法能够使发动机在纯燃油工作模式和燃油/燃气双燃料工作模式下切换，并控制发动机良好运行，能够根据柴油发动机不同的工作状态精确控制柴油喷射量，同时能够控制气体燃料的喷射时刻及喷射持续期、进气空气量和空燃比，从而保证双燃料发动机安全平稳运行，减低燃料消耗，减少尾气排放。
Description
技术领域
本发明属于发动机控制技术领域，具体涉及一种机械泵供油的油气双燃料发动机的控制系统及其控制方法。
背景技术
随着石油资源的日趋紧张，世界燃油价格一再飙升，我国的石油价格也是一涨再涨，地球上储量丰富的气体燃料如天然气因其与汽柴油相比具有价格优势，且具有更好的环保性能，其使用可以有效降低柴油机的使用成本、缓解能源的短缺、解决排放污染等问题，因而要发展气体燃料发动机。而柴油/气体燃料双燃料发动机(简称油气双燃料发动机)就是一种气体燃料发动机。现有的柴油/气体燃料双燃料发动机，如柴油/天然气双燃料发动机、柴油/液化石油气(LPG)双燃料发动机，通常是在柴油发动机及柴油电子控制系统的基础上加装气体燃料控制系统而得到，这种发动机通常存在三个方面的问题，一是引燃柴油量的控制问题，通常机械泵控制的引燃油量占到总燃料量的20～30％，即要求通过限制机械泵的喷油量使其工作在小的油量状态下，机械泵工作在这种状态下其油量控制的稳定性很差，因而引燃油量的变动会影响双燃料发动机工作的稳定可靠性和性能，为了改善这种状况就需要增大引燃油量，而增大引燃油量就意味着降低柴油替代率，而降低替代率就意味着降低发动机的燃料经济性能；二是热负荷较高，与原柴油机相比，发动机燃烧气体燃料之后由于气体燃料在气缸内无蒸发吸热过程，加之有些气体燃料如天然气的燃烧速度慢产生的后燃，且双燃料发动机压缩比一般仍保持原柴油机的高压缩比，这些因素导致双燃料发动机的热负荷较高而影响了发动机的寿命；三是有些气体燃料如天然气的甲烷排放高，例如天然气的主要成分是甲烷，甲烷的着火温度约630℃大大高于柴油的260℃，而双燃料发动机部分负荷时气缸内混合气较稀，气缸内温度较低而导致一些温度低区域的甲烷不能燃烧而形成高的甲烷排放，并造成甲烷浪费而影响了发动机的经济性能。使用电控单体泵、共轨技术较机械泵能优化喷油时刻及引燃喷射量，提高引燃油量控制的稳定性，可以改善性能，但上述后面两方面的问题依然存在，影响发动机运行的安全性和可靠性，同时增加了燃料的消耗量和尾气排放。由于电控单体泵、共轨系统的成本高，使用要求高，目前的柴油机还普遍采用机械泵供油系统，发展机械泵柴油/气体燃料双燃料发动机具有现实意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种机械泵供油的油气双燃料发动机的控制系统及其控制方法，能够改进现有机械泵供油的油气双燃料发动机的控制系统及其控制方法存在的问题，使双燃料发动机控制系统更加精确，发动机运行更加安全可靠、节能、环保。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种机械泵供油的油气双燃料发动机的控制系统，包括传感器部分、执行器、以及采集传感器部分的信号并控制执行器运作的双燃料ECU；
其中双燃料ECU包括用于接收传感器部分采集的信号的信号处理模块、与执行器相连的输出接口与驱动模块、以及与信号处理模块和输出接口与驱动模块相连的微处理器；
执行器包括用于向发动机内喷射燃气并对燃气量进行控制的燃气控制喷嘴、用于对机械式高压油泵的油门拉杆位置进行控制的油门执行器、以及用于对发动机进气空气流量进行控制的电子节气门体；
传感器部分包括位于发动机机体上的水温传感器、位于进气总管上的进气歧管压力和温度传感器和或进气流量传感器、位于发动机飞轮端的曲轴位置传感器、位于油泵凸轮轴或进排气门凸轮轴处的凸轮轴位置传感器、用于检测油门拉杆位置的油门拉杆位置传感器、用于检测油门踏板位置的油门踏板位置传感器、用于测量燃气控制喷嘴进口处燃气压力和温度的燃气压力和温度传感器、设置在燃气储存罐内的燃气液位或压力传感器、以及位于电子节气门体上的节气门位置传感器。
所述的输出接口与驱动模块包括与燃气控制喷嘴相连的气体燃料喷嘴驱动模块、与油门执行器相连的油门执行器驱动模块、以及与电子节气门体相连的电子节气门驱动模块。
所述传感器部分还包括用于测量发动机工作空燃比的宽域氧传感器，宽域氧传感器安装于排气总管上；所述的输出接口与驱动模块还包括与宽域氧传感器相连的宽域氧传感器接口模块。
所述传感器部分还包括用于测量发动机排气温度的排气温度传感器，排气温度传感器安装于排气总管或排气歧管上，排气温度传感器与信号处理模块相连。
所述的执行器还包括双燃料模式选择开关与信息指示终端，所述的输出接口与驱动模块还包括与双燃料模式选择开关与信息指示终端相连的模式选择与信息显示接口模块。
所述的双燃料模式选择开关与信息指示终端中设有双燃料模式选择开关，所述的传感器部分还包括与双燃料模式选择开关功能相同的双燃料切换开关，双燃料切换开关与信号处理模块相连。
还包括设置在蓄电池上的系统供电电源电压传感器、以及设置在燃气管路上的燃气开关总阀和燃气压力调节阀，其中系统供电电源电压传感器与信号处理模块相连。
一种机械泵供油的油气双燃料发动机的控制方法，首先检测控制系统是否工作正常，在控制系统正常工作的条件下检测发动机处于哪种工作模式，即纯燃油工作模式或燃油/燃气双燃料工作模式，在燃油/燃气双燃料工作模式下，先检测系统是否满足燃油/燃气双燃料工作模式的运行条件，满足则维持燃油/燃气双燃料工作模式，不满足则转换至纯燃油工作模式，每进行一轮纯燃油工作模式或燃油/燃气双燃料工作模式后重新进行控制系统和工作模式的检测，直至发动机停止工作；
在纯燃油工作模式下：双燃料ECU通过检测油门踏板位置，产生与油门踏板信号成线性关系的油门拉杆位置信号，并由油门执行器实施油门拉杆位置的控制，由机械式高压油泵实施燃油喷油量控制，燃气控制喷嘴停止喷射燃气；
在燃油/燃气双燃料工作模式下：双燃料ECU通过油门踏板位置信号，利用机械式高压油泵的供油特性MAP，结合设定的燃油替代率MAP计算得到引燃燃油量和燃气量，根据所得到的引燃燃油量和机械式高压油泵的供油特性MAP计算出油门位置量，并由油门执行器将油门拉杆控制到相应的油门位置，燃气量则通过控制燃气控制喷嘴的开启时间而实现，发动机进气空气量的控制通过电子节气门体的节气门开度控制而实现，双燃料ECU根据发动机的燃料量和设定的空燃比MAP计算对应工况下所需空气量，空气量的测量采用进气流量传感器直接测量，或者通过进气歧管压力和温度传感器结合发动机的进气量模型计算得到。
在燃油/燃气双燃料工作模式下：采用宽域氧传感器测量和控制发动机工作空燃比，发动机空燃比的控制采用开环控制与闭环控制相结合的方法，根据宽域氧传感器所测量的实际空燃比与目标空燃比的差异闭环调节燃油量和燃气量，使实测空燃比与目标空燃比一致；
在燃油/燃气双燃料工作模式下：采用排气温度传感器测量发动机排气温度，当发动机排温超过设定值时，控制燃气控制喷嘴对燃气喷射量进行限制或者切换到纯燃油工作模式，从而限制气缸内的热负荷。
具体包括以下步骤：
1)检测发动机控制系统的各传感器信号，判断是否存在故障，否则进入步骤2)，是则进入步骤9)；
2)根据双燃料模式选择开关或双燃料切换开关的状态，判定发动机的工作状态，若选择纯燃油工作模式则进入步骤9)，若选择燃油/燃气双燃料工作模式则判断是否满足燃油/燃气双燃料工作模式的条件，若满足则进入步骤3)，否则进入步骤9)；
3)发动机进入燃油/燃气双燃料工作模式，此时根据机械式高压油泵的特性脉谱图(MAP)计算由原机高压油泵确定的不同工况下总的燃油需求量，由气体燃料替代率MAP得到当前工况下的替代率r，根据替代率分别计算引燃燃油量Qdiesel和气体燃料量Qgas，之后进入步骤4)；
4)检查是否安装电子节气门体，若未安装则进入步骤6)，若安装则根据已经计算的引燃燃油量Qdiesel和气体燃料量Qgas，根据标定的目标空燃比MAP计算对应工况下发动机的目标进气空气量，之后进入步骤5)；
5)检查是否安装进气流量传感器，若安装则根据进气流量传感器实测的空气流量闭环反馈调节电子节气门体的节气门开度，使实测空气流量与计算目标空气流量一致，然后进入步骤6)；若未安装则检查是否安装进气歧管压力和温度传感器，若未安装则进入步骤6)，若安装则根据发动机的进气充气模型和目标空气流量计算目标进气歧管压力，并闭环反馈控制节气门开度至实测进气管压力与目标进气歧管压力一致，之后进入步骤6)；
6)根据设定或标定的目标空燃比，进行引燃燃油量和气体燃料量的闭环反馈修正，通过调整引燃燃油量和气体燃料量，使发动机工作的实际空燃比与目标空燃比一致，并得到最终的引燃燃油量和气体燃料量，然后进行步骤7)；
7)根据排气温度传感器的信号，检查排温是否超过设定值或标定值，若未超过则进入步骤8)，若超过则通过降低燃油替代率r、减少总燃料喷射量或者切换到纯燃油工作模式进行排温保护控制，然后进入步骤8)；
8)根据机械式高压油泵的供油特性MAP和燃气控制喷嘴的特性MAP，将最终的引燃燃油量和气体燃料量分别转换成油门拉杆位置和气体燃料喷射脉宽，进入步骤10)；
9)发动机进入纯燃油工作模式，此时由双燃料ECU将油门拉杆位置控制为与油门踏板位置完全一一对应的位置，并停止燃气控制喷嘴工作，并控制电子节气门完全打开，然后进行步骤10)；
10)进行信息显示，采用双向通信的方式将双燃料模式选择开关的信息发给双燃料ECU，同时双燃料ECU将需要显示的数据信息发给双燃料模式选择开关与信息指示终端，然后整个控制进程返回到步骤1)重复开始进行，直至发动机停止工作为止。
相对于现有技术，本发明的有益效果如下：
本发明提供的机械泵供油的油气双燃料发动机的控制系统，在纯燃油控制系统的基础上增加了油气双燃料控制系统，油气双燃料控制系统包括传感器部分、执行器、以及采集传感器部分的信号并控制执行器运作的双燃料ECU。本发明中由传统的机械式高压油泵进行燃油供给，而油气双燃料控制由双燃料ECU配合传感器部分和执行器共同完成控制，双燃料ECU通过燃油/燃气选择开关和发动机的工作条件判断发动机工作在纯燃油模式还是双燃料模式。传感器部分包括用于监测发动机各个运行状态的多种传感器，这些传感器采集的信号经双燃料ECU处理后形成指令，并由执行器完成指令，执行器在工作过程中将信息反馈给双燃料ECU，进行指令的调整，达到控制目的。双燃料ECU通过采集发动机各个传感器的信号，判定发动机的工作状态，并根据实时采集的发动机的运行工况参数，按照设定的发动机在各工作状态下的燃油喷射参数与燃气喷射参数，将燃油与燃气的控制信号分别传输至执行器，最终由油门执行器控制喷油，由燃料控制喷嘴控制喷气，由电子节气门体控制节气门开度，从而以燃气代替部分燃油，完成油气的同步利用。当发动机不满足双燃料模式的条件时由双燃料ECU控制油门执行器喷油，由燃料控制喷嘴停止喷气。本发明提供的机械泵供油的油气双燃料发动机的控制系统能够改进现有机械泵供油的油气双燃料发动机的控制系统存在的问题，能够根据发动机不同的工作状态精确控制燃油喷射量，同时能够控制气体燃料的喷射时刻及喷射持续期、进气空气量，从而保证双燃料发动机安全平稳运行，减低燃料消耗，减少尾气排放，使双燃料发动机控制系统更加精确，发动机运行更加安全可靠、节能、经济、环保。本发明提供的机械泵供油的油气双燃料发动机的控制系统中增加了电子节气门这个进气量控制装置，通过在部分负荷对进气节流以减少发动机的进气量，能够在保持原发动机工况的燃料量的情况下增加气缸内混合气的浓度，使发动机缸内的混合气浓度控制在燃料的稀燃极限以内，这样能降低失火和提高燃料的利用率，从而改善发动机的燃料经济性，提高柴油的替代率来改善发动机的燃料经济性，降低未燃碳氢(HC)排放，同时提高发动机的排气温度，有利于使用尾气后处理装置来进一步降低有害尾气排放。
进一步的，本发明提供的机械泵供油的油气双燃料发动机的控制系统，在排气管上安装宽域的氧传感器，对发动机工作的空气燃料混合比(空燃比)进行检测，并实现设定目标空燃比的闭环反馈控制，以提高系统空燃比控制的精度，从而在很大程度上克服机械泵的引燃油量控制的精度问题，提高系统工作的稳定性和可靠性。
进一步的，本发明提供的机械泵供油的油气双燃料发动机的控制系统，增加了排气温度传感器，通过检测发动机排温对双燃料发动机的热负荷进行监测，在热负荷超标时通过降低发动机燃气量或者切换到纯燃油模式来保护发动机，使其安全运行，避免热负荷高而损坏发动机。
本发明提供的机械泵供油的油气双燃料发动机的控制方法，在纯燃油工作模式和燃油/燃气双燃料工作模式下都能很好的控制发动机进行正常工作，并能够及时进行工作模式的切换，在燃油/燃气双燃料工作模式下：利用机械式高压油泵的供油特性MAP，结合设定的燃油替代率MAP计算得到引燃燃油量和燃气量，计算出油门位置量，并由油门执行器将油门拉杆控制到相应的油门位置，燃气量则通过控制燃气控制喷嘴的开启时间而实现，发动机进气空气量的控制通过电子节气门的节气门开度控制而实现，双燃料ECU根据发动机的燃料量和设定的空燃比MAP计算对应工况下所需空气量。本发明提供的机械泵供油的油气双燃料发动机的控制方法能够改进现有机械泵供油的油气双燃料发动机的控制方法存在的问题，能够根据发动机不同的工作状态精确控制燃油喷射量，同时能够控制气体燃料的喷射时刻及喷射持续期、进气空气量，从而保证双燃料发动机安全平稳运行，减低燃料消耗，减少尾气排放，使双燃料发动机控制系统更加精确，发动机运行更加安全可靠、节能、环保。
进一步的，本发明提供的机械泵供油的油气双燃料发动机的控制方法，使用宽域氧传感器对双燃料发动机空燃比进行检测和进行空燃比闭环反馈控制，能够克服机械泵的引燃油量控制的精度问题，提高系统工作的稳定性和可靠性；使用排气温度传感器对发动机排温进行检测，来限制发动机工作的热负荷，从而保护发动机，使其安全运行。
附图说明
图1为本发明提供的发动机控制系统的结构示意图；
图2为本发明提供的发动机控制系统的结构示意框图；
图3为本发明提供的发动机控制方法的流程图；
其中：10为传感器部分、11为水温传感器、12为进气歧管压力和温度传感器、13为凸轮轴位置传感器、14为曲轴位置传感器、15为油门拉杆位置传感器、16为油门踏板位置传感器、17为系统供电电源电压传感器、18为燃气压力和温度传感器、19为双燃料切换开关、20为节气门位置传感器、21为宽域氧传感器、22为燃气液位或压力传感器、23为排气温度传感器、28为燃气储存罐、30为双燃料ECU、31为信号处理模块、32为微处理器、33为气体燃料喷嘴驱动模块、34为油门执行器驱动模块、35为宽域氧传感器接口模块、36为电子节气门驱动模块、37为模式选择与信息显示接口模块、40为执行器、41为燃气控制喷嘴、42为油门执行器、44为电子节气门体、45为双燃料模式选择开关与信息指示终端、46为燃气压力调节阀、47为排气总管、48为机械式高压油泵、49为进气流量传感器、50为废气涡轮增压器、51为排气消声器和或后处理器、52为线束、54为发动机进气管、55为发动机机体、56为燃油箱、58为蓄电池、59为喷油器、60为燃气开关总阀、61为高压油管、62为燃气喷轨、63为进气总管、64为排气歧管、65为油门拉杆、66为发动机进气歧管、67为油门踏板、68为燃气管路。
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，下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参照图1和图2，本发明提供的机械泵供油的油气双燃料发动机的控制系统包括实施柴油量控制与高压喷射的机械式高压油泵48、燃气电控喷射系统和油气双燃料电控系统。
所述的机械式高压油泵48安装于发动机机体55上，由机械式高压油泵48完成柴油量的计量控制与进行高压喷射所需高压的形成，经过计量和加压的柴油通过高压油管61到达喷油器(喷嘴)59，由喷油器喷入发动机气缸内。机械式高压油泵供给的油量由油门拉杆位置决定，当发动机的转速和油门拉杆位置确定后，油泵的供油量就是确定的，油泵供油量随发动机转速和油门拉杆位置变化的关系就是油泵的供油特性，该特性是确定的，通常可以对发动机在不同油门位置和不同转速发动机运行时的供油量进行试验测定，以获得油泵的供油特性。
所述的燃气电控喷射系统包括电磁阀式的燃气控制喷嘴41、用于驱动燃气控制喷嘴41的气体燃料喷嘴驱动模块33、电控式的燃气开关总阀60、燃气储存罐28内的燃气液位或压力传感器22、燃气压力调节阀46和燃气压力和温度传感器18。燃气以液态形式或者气态形式存贮于燃料储存罐中，储存液态燃料的储存罐带有将液态燃气进行吸热蒸发气化的蒸发器装置，气态燃料离开蒸发器后到达燃气开关总阀60处，燃气开关总阀60是控制燃料能否到达发动机的总阀，燃气开关总阀60由双燃料ECU(电子控制单元)30控制。燃气经过燃气开关总阀60到达燃气压力调节阀46，将燃料压力降至常用的喷射压力范围(3～8Bar)，然后到达燃气控制喷嘴41，由燃气控制喷嘴41喷射进入发动机进气管54。燃气控制喷嘴41以一组多个的形式安装于发动机进气管54上，称为单点喷射；或者燃气控制喷嘴41以一个的形式安装于发动机进气歧管66上，称为多点喷射；燃气控制喷嘴41由双燃料ECU30控制，燃气控制喷嘴41的喷气量由燃气压力和气体燃料喷嘴驱动模块33中的控制脉冲的脉宽决定。
所述的油气双燃料电控系统由传感器部分10、执行器40和双燃料ECU30组成。所述的传感器部分10包括安装于发动机机体55上的水温传感器11、安装于电子节气门体44之后的进气总管63上的进气歧管压力和温度传感器12、安装于车辆驾驶室内的油门踏板位置传感器16、安装于发动机飞轮端或前端的曲轴位置传感器14、安装于油泵凸轮轴或进排气门凸轮轴处的凸轮轴位置传感器13、安装于机械式高压油泵48上油门拉杆65处或油门执行器42内部的检测油门拉杆位置的油门拉杆位置传感器15、安装于燃气管路68中或燃气喷轨62上测量燃气控制喷嘴41进口处燃气压力和温度的燃气压力和温度传感器18、位于电子节气门体44上测量节气门开度的节气门位置传感器20、安装在燃气储存罐28上的燃料液位或压力传感器22，以及宽域氧传感器和排气温度传感器，上述各传感器与双燃料ECU30的信号处理模块31相连，各传感器产生的信号被送至信号处理模块31。
所述的双燃料ECU30包括与各传感器(包括水温传感器11、进气歧管压力和温度传感器12、凸轮轴位置传感器13、曲轴位置传感器14、油门拉杆位置传感器15、油门踏板位置传感器16、电源电压传感器17、燃气压力和温度传感器18、双燃料切换开关19、节气门位置传感器20、宽域氧传感器21、燃气液位或压力传感器22、排气温度传感器23)相连的信号处理模块31、微处理器32和输出接口与驱动模块，其中输出接口与驱动模块包括气体燃料喷嘴驱动模块33、油门执行器驱动模块34、宽域氧传感器接口35、电子节气门驱动模块36、模式选择与信息显示接口37；各个传感器的信号经过信号处理模块31处理转变为微处理器32所能接受的数字量，微处理器经过运算、判断处理，产生的输出量通过相应的输出接口与驱动模块，使相关的执行器40工作。
所述执行器40包括与双燃料ECU中的油门执行器驱动模块34相连的控制油门拉杆位置的油门执行器42、与双燃料ECU中的气体燃料喷嘴驱动模块33相连的控制燃气量的燃气控制喷嘴41、与双燃料ECU的电子节气门驱动模块36相连的控制发动机进气空气量的电子节气门体44、与宽域氧传感器接口模块35相连的宽域氧传感器21，与双燃料ECU中的模式选择与信息显示接口模块37相连的双燃料模式选择开关与信息指示终端45。所述的油门执行器42可以采用线性比例电磁铁式、直流电机式或者步进电机式，对应的油门执行器驱动模块34可以采用专门的驱动集成电路，如：比例电磁铁和直流电机驱动模块L9958、步进电机驱动模块A3977。所述的电子节气门驱动模块36可以采用专门的驱动集成电路，如：L9958；所述的宽域的氧传感器接口35可采用CJ125；所述的微处理器可采用MC9S12。所述的双燃料模式选择开关与信息指示终端45与双燃料ECU采用双向通信的方式将双燃料模式选择开关的信息发给双燃料ECU，同时双燃料ECU将需要显示的数据信息发给双燃料模式选择开关与信息指示终端45，根据通信方式的不同，其接口电路也不同，可以采用汽车上常用的通信方式，如：K线方式、CAN总线方式和LIN总线方式等实现。所述的油气双燃料电控系统各部件通过线束52相连。
本发明提供的机械泵供油的油气双燃料发动机的控制方法，通过油门执行器42对机械式高压油泵48进行电控以实施对柴油量的控制，对燃气喷射系统进行控制以实施对天然气量和喷射正时的控制，对电子节气门体44进行控制以实施对发动机进气空气量的控制。
机械泵供油的油气双燃料发动机的控制系统可以控制发动机工作在纯柴油模式和柴油/燃气双燃料工作模式，纯柴油模式工作时，双燃料ECU通过检测油门踏板位置传感器16的信号，并驱动油门执行器42控制机械泵的油门拉杆65的位置，油门拉杆65的位置与油门踏板67的位置按线性关系一一对应确定；柴油/燃气双燃料工作模式时，双燃料ECU根据机械式高压油泵48的供油特性脉谱(MAP)确定发动机在不同工况的喷油总量，并以此为基础，根据预设的目标柴油替代率MAP、发动机的工作状态参数和工况参数来计算引燃柴油量和气体燃料量，根据所得到的引燃柴油量结合机械式高压油泵的供油特性MAP计算对应的油门拉杆65的位置，对油门执行器42进行控制使喷油器59喷射对应的引燃油量，对燃气控制喷嘴41进行控制使其喷射对应的燃气量。油气双燃料电控系统能监控发动机各个参数，根据既定控制策略灵活选择是否对柴油喷射系统和燃气电控喷射系统的控制。在不适合使用燃气的情况下(如不满足设定的双燃料工作条件、系统存在故障、燃气压力不足、发动机进入热保护状态等)，系统切换到纯柴油模式工作。
所述的控制方法还包括采用安装于排气总管47上的宽域氧传感器21测量和控制发动机工作空燃比，发动机空燃比的控制采用开环控制与闭环控制相结合的方法。发动机空燃比的控制首先是建立在开环控制的基础上，所述的开环控制过程是：双燃料ECU根据柴油机机械式高压油泵48的供油特性MAP确定发动机在不同工况的喷油总量，并以此为基础，根据预设的目标柴油替代率MAP、发动机的工作状态参数和工况参数来计算引燃柴油量和气体燃料量，根据所得到的引燃油量结合机械式高压油泵的供油特性MAP计算对应的油门拉杆位置，对油门执行器进行控制使机械式高压油泵喷射对应的引燃油量，对燃气控制喷嘴进行控制使其喷射对应的燃气量，根据计算所得到的柴油量和燃气量，按照设定的目标空燃比MAP，计算进气空气量，控制电子节气门使发动机的进气空气量与计算空气量一致。
然而由于实际柴油量和燃气量与计算柴油量和燃气量存在误差、计算空气量与实际空气量存在误差等多方面误差的存在，使得发动机工作的实际空燃比与目标空燃比存在差异，为了减小这种差异，需要根据宽域氧传感器所测量的实际空燃比与目标空燃比的差异闭环调节柴油量和燃气量，使实测空燃比与目标空燃比一致。通常闭环控制的方法采用比例-积分-微分(PID)方法进行。
所述的控制方法还包括采用安装于排气总管47或排气歧管64上的测量发动机排气温度的排气温度传感器23，利用所述排气温度传感器测量排气温度，当发动机排温超过设定值时，对发动机的燃气喷射量进行限制以降低发动机的功率输出，从而降低排温，或者切换到纯柴油模式以降低排温，降低气缸内的热负荷就降低了排温，从而保护发动机，使保证发动机安全可靠的运行。当排气温度传感器23安装在发动机的排气总管47上时，系统通过测量发动机的总体排温对发动机进行保护；当排气温度传感器23安装在发动机各缸的排气歧管64上时，系统需要在每一个气缸的排气歧管上安装排气温度传感器，通过测量发动机每一缸的排温对发动机每一缸的燃料量进行限制，使每一缸的排温都在安全运行范围内。
下面结合图3来详细描述控制方法的具体步骤：
步骤101：发动机运行的各个物理参数的检测；包括柴油发动机的水温传感器11的信号、燃气液位或压力传感器22的信号、油门踏板位置传感器16的信号、系统供电电源电压传感器17的信号、曲轴位置传感器14的信号、双燃料切换开关19的信号、进气歧管压力和温度传感器12的信号、进气流量传感器49的信号、节气门位置传感器20的信号、宽域氧传感器21的信号，将上述采集到的信号送到双燃料ECU的信号处理模块31，转换成双燃料ECU的微处理器32能识别的数据，进行下一步骤102。
步骤102：将采集到的数据进行算法处理后，针对各种传感器的硬件特性进行技术分析处理，判断发动机和控制系统是否故障，并对输出接口与驱动模块回送至微处理器的数据进行分析，判断是否有故障，若有故障，则直接进入步骤117的纯柴油工作模式；若无故障则进入下一步骤103。
步骤103：根据双燃料模式选择开关的信号状态，判定选择的发动机的工作状态，若选择柴油/燃气双燃料工作模式，则进入步骤104，否则进入步骤117。双燃料模式选择开关的状态由发动机的用户手动选择。
步骤104：当用户选择为柴油/燃气双燃料工作模式后，判断此时发动机是否满足切换为柴油/燃气双燃料工作模式的条件，若满足则进入步骤105，否则进入步骤117。切换为柴油/燃气双燃料工作模式的条件主要有：(1)柴油发动机的水温处在合适范围，大于设定低温(如60℃)同时小于设定的过热温度(如93℃)，温度过高或者偏低发动机都不宜工作在双燃料模式，(2)发动机转速满足切换条件，如大于1000r/min，(3)燃气液位或压力传感器22的信号显示燃气储存罐28的燃气的存储量满足发动机进入柴油/燃气双燃料工作模式运行，(4)电源电压(蓄电池58的电压)满足正常运行条件，电池不亏电，(5)发动机控制系统是否存在故障等。
步骤105：发动机进入柴油/燃气双燃料工作模式，此时根据机械式高压油泵的特性MAP(脉谱图)查表计算由原机高压油泵确定的不同工况下总的柴油需求量Q，查气体燃料替代率MAP，得到当前工况下的替代率r，根据替代率用公式Qdiesel＝(1-r)×Q和Qgas＝r×Q，分别计算引燃柴油量Qdiesel和气体燃料量Qgas，之后进入下一步106。各个MAP由事先标定试验测定(标定)得到后存入双燃料ECU。
步骤106：检查是否安装电子节气门44，若是则进入步骤107，否则进入步骤111不进行电子节气门控制。
步骤107：根据已经计算的引燃柴油量Qdiesel和气体燃料量Qgas，根据标定的目标空燃比MAP计算对应工况下发动机的目标进气空气量，进入步骤108。
步骤108：检查是否安装进气流量传感器49，若是则进入步骤109，否则进入步骤110。
步骤109：根据进气流量传感器49实测的空气流量闭环反馈调节电子节气门体44的节气门开度，使实测空气流量与计算目标空气流量一致，反馈控制方法为PID。进入步骤113。
步骤110：若没有安装进气流量传感器49，则检查是否安装进气歧管压力和温度传感器12，若是则进入步骤112，否则进入步骤111不进行电子节气门控制。
步骤111：若不进行电子节气门控制，则进入步骤113。
步骤112：根据发动机的进气充气模型和目标空气流量计算目标进气歧管压力，并闭环反馈控制节气门开度至实测进气管压力与目标进气歧管压力一致，进入步骤113。
常见的发动机目标充气模型的计算公式是根据理想气体状态方程推导而得到。采用进气歧管压力和温度传感器12时，在发动机的一个进气冲程中填充气缸的空气质量Ga，可用下式计算：Ga＝ρVcηv
式中：ρ——进气管内的空气密度(kg/m3)；
Vc——气缸容积(m3)；
ηv——充气效率。
将理想气体状态方程式ρ＝P*M/(R*T)代入上式得到：
式中C＝Vc/R，对具体机型而言，是常数；
M——为空气分子量(kg/mol)；
R——气体常数，R＝8.314J/mol*K；
P——进气管空气绝对压力(kPa)；
T——进气管空气绝对温度(K)
由此可见，只要充气效率确定后，双燃料ECU可根据气缸目标进气质量Ga、进气温度T计算目标进气歧管绝对压力P。充气效率通过发动机标定试验确定。
步骤113：根据设定(标定)的目标空燃比，进行柴油量和气体燃料量的闭环反馈修正，通过调整柴油量和气体燃料量，使发动机工作的实际空燃比与目标空燃比一致，并得到最终的柴油量和气体燃料量。进行步骤114。
步骤114：根据排气温度传感器23的信号，检查排温是否超过设定值(标定值)，若超过则进入步骤116，否则进入步骤115。
步骤115：根据柴油机械式高压油泵的特性(MAP)和燃气控制喷嘴的特性(MAP)，将最终的引燃柴油量和气体燃料量分别转换成柴油机械泵的油门拉杆位置和气体燃料喷射脉宽，进入步骤118。
步骤116：排温保护控制。排温保护的目的是降低发动机工作时的排气温度，在检测排温后，通过降低柴油替代率r、减少总燃料喷射量或者切换到纯柴油模式实现排温保护控制，系统可根据排温超标的情况选择使用其中之一或者多种排温保护的方式，开始排温保护的排温随发动机的耐温情况不同而不同，需要针对发动机由试验决定，例如在重卡发动机废气涡轮增压器50后面的排温(涡后排温)超过580℃需要进行排温保护。进行步骤115。
步骤117：若前面过程判断发动机应工作在纯柴油的单燃料模式，此时由双燃料ECU将油门拉杆位置控制为与油门踏板位置完全一一对应的位置，并停止燃气电控喷射系统工作，并控制电子节气门完全打开，进行步骤118。
步骤118：进行信息显示。采用双向通信的方式将双燃料模式选择开关的信息发给双燃料ECU，同时双燃料ECU将需要显示的数据信息发给双燃料模式选择开关与信息指示终端45，然后整个控制进程返回到步骤101重复开始进行，直至发动机停止工作为止。
所述传感器部分10还包括单独设置的双燃料切换开关19，其作用与双燃料模式选择开关与信息指示终端45中的双燃料模式选择开关相同，这两个开关并行设置，当其中的任一个开关设置成双燃料工作方式时，系统认为用户存在双燃料工作方式的请求，系统准备进入双燃料方式工作。这两个开关只保留一个，也不影响系统丧失双燃料工作方式请求的功能。
需要说明的是，本发明提供的控制装置可以应用的气体燃料类型包括CNG(压缩天然气燃料)、LNG(液化天然气燃料)、LPG(液化石油气)等。
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 (10)
1.一种机械泵供油的油气双燃料发动机的控制系统，其特征在于：包括传感器部分(10)、执行器(40)、以及采集传感器部分(10)的信号并控制执行器(40)运作的双燃料ECU(30)；
其中双燃料ECU(30)包括用于接收传感器部分(10)采集的信号的信号处理模块(31)、与执行器(40)相连的输出接口与驱动模块、以及与信号处理模块(31)和输出接口与驱动模块相连的微处理器(32)；
执行器(40)包括用于向发动机内喷射燃气并对燃气量进行控制的燃气控制喷嘴(41)、用于对机械式高压油泵(48)的油门拉杆位置进行控制的油门执行器(42)、以及用于对发动机进气空气流量进行控制的电子节气门体(44)；
传感器部分(10)包括位于发动机机体(55)上的水温传感器(11)、位于进气总管(63)上的进气歧管压力和温度传感器(12)和或进气流量传感器(49)、位于发动机飞轮端的曲轴位置传感器(14)、位于油泵凸轮轴或进排气门凸轮轴处的凸轮轴位置传感器(13)、用于检测油门拉杆位置的油门拉杆位置传感器(15)、用于检测油门踏板位置的油门踏板位置传感器(16)、用于测量燃气控制喷嘴进口处燃气压力和温度的燃气压力和温度传感器(18)、设置在燃气储存罐(28)内的燃气液位或压力传感器(22)、以及位于电子节气门体(44)上的节气门位置传感器(20)。
2.根据权利要求1所述的机械泵供油的油气双燃料发动机的控制系统，其特征在于：所述的输出接口与驱动模块包括与燃气控制喷嘴(41)相连的气体燃料喷嘴驱动模块(33)、与油门执行器(42)相连的油门执行器驱动模块(34)、以及与电子节气门体(44)相连的电子节气门驱动模块(36)。
3.根据权利要求2所述的机械泵供油的油气双燃料发动机的控制系统，其特征在于：所述传感器部分(10)还包括用于测量发动机工作空燃比的宽域氧传感器(21)，宽域氧传感器(21)安装于排气总管(47)上；所述的输出接口与驱动模块还包括与宽域氧传感器(21)相连的宽域氧传感器接口模块(35)。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的机械泵供油的油气双燃料发动机的控制系统，其特征在于：所述传感器部分(10)还包括用于测量发动机排气温度的排气温度传感器(23)，排气温度传感器(23)安装于排气总管(47)或排气歧管(64)上，排气温度传感器(23)与信号处理模块(31)相连。
5.根据权利要求2或3所述的机械泵供油的油气双燃料发动机的控制系统，其特征在于：所述的执行器(40)还包括双燃料模式选择开关与信息指示终端(45)，所述的输出接口与驱动模块还包括与双燃料模式选择开关与信息指示终端(45)相连的模式选择与信息显示接口模块(37)。
6.根据权利要求5所述的机械泵供油的油气双燃料发动机的控制系统，其特征在于：所述的双燃料模式选择开关与信息指示终端(45)中设有双燃料模式选择开关，所述的传感器部分(10)还包括与双燃料模式选择开关功能相同的双燃料切换开关(19)，双燃料切换开关(19)与信号处理模块(31)相连。
7.根据权利要求1-3中任意一项所述的机械泵供油的油气双燃料发动机的控制系统，其特征在于：还包括设置在蓄电池(58)上的系统供电电源电压传感器(17)、以及设置在燃气管路(68)上的燃气开关总阀(60)和燃气压力调节阀(46)，其中系统供电电源电压传感器(17)与信号处理模块(31)相连。
8.一种机械泵供油的油气双燃料发动机的控制方法，其特征在于：首先检测控制系统是否工作正常，在控制系统正常工作的条件下检测发动机处于哪种工作模式，即纯燃油工作模式或燃油/燃气双燃料工作模式，在燃油/燃气双燃料工作模式下，先检测系统是否满足燃油/燃气双燃料工作模式的运行条件，满足则维持燃油/燃气双燃料工作模式，不满足则转换至纯燃油工作模式，每进行一轮纯燃油工作模式或燃油/燃气双燃料工作模式后重新进行控制系统和工作模式的检测，直至发动机停止工作；
在纯燃油工作模式下：双燃料ECU通过检测油门踏板位置，产生与油门踏板信号成线性关系的油门拉杆位置信号，并由油门执行器(41)实施油门拉杆位置的控制，由机械式高压油泵(48)实施燃油喷油量控制，燃气控制喷嘴(41)停止喷射燃气；
在燃油/燃气双燃料工作模式下：双燃料ECU通过油门踏板位置信号，利用机械式高压油泵(48)的供油特性MAP，结合设定的燃油替代率MAP计算得到引燃燃油量和燃气量，根据所得到的引燃燃油量和机械式高压油泵(48)的供油特性MAP计算出油门位置量，并由油门执行器(41)将油门拉杆控制到相应的油门位置，燃气量则通过控制燃气控制喷嘴(41)的开启时间而实现，发动机进气空气量的控制通过电子节气门体(44)的节气门开度控制而实现，双燃料ECU根据发动机的燃料量和设定的空燃比MAP计算对应工况下所需空气量，空气量的测量采用进气流量传感器(49)直接测量，或者通过进气歧管压力和温度传感器(12)结合发动机的进气量模型计算得到。
9.根据权利要求8所述的机械泵供油的油气双燃料发动机的控制方法，其特征在于：在燃油/燃气双燃料工作模式下：采用宽域氧传感器(21)测量和控制发动机工作空燃比，发动机空燃比的控制采用开环控制与闭环控制相结合的方法，根据宽域氧传感器所测量的实际空燃比与目标空燃比的差异闭环调节燃油量和燃气量，使实测空燃比与目标空燃比一致；
在燃油/燃气双燃料工作模式下：采用排气温度传感器(23)测量发动机排气温度，当发动机排温超过设定值时，控制燃气控制喷嘴(41)对燃气喷射量进行限制或者切换到纯燃油工作模式，从而限制气缸内的热负荷。
10.根据权利要求8或9所述的机械泵供油的油气双燃料发动机的控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
1)检测发动机控制系统的各传感器信号，判断是否存在故障，否则进入步骤2)，是则进入步骤9)；
2)根据双燃料模式选择开关或双燃料切换开关(19)的状态，判定发动机的工作状态，若选择纯燃油工作模式则进入步骤9)，若选择燃油/燃气双燃料工作模式则判断是否满足燃油/燃气双燃料工作模式的条件，若满足则进入步骤3)，否则进入步骤9)；
3)发动机进入燃油/燃气双燃料工作模式，此时根据机械式高压油泵的特性脉谱图计算由原机高压油泵确定的不同工况下总的燃油需求量，由气体燃料替代率MAP得到当前工况下的替代率r，根据替代率分别计算引燃燃油量Qdiesel和气体燃料量Qgas，之后进入步骤4)；
4)检查是否安装电子节气门体(44)，若未安装则进入步骤6)，若安装则根据已经计算的引燃燃油量Qdiesel和气体燃料量Qgas，根据标定的目标空燃比MAP计算对应工况下发动机的目标进气空气量，之后进入步骤5)；
5)检查是否安装进气流量传感器(49)，若安装则根据进气流量传感器(49)实测的空气流量闭环反馈调节电子节气门体(44)的节气门开度，使实测空气流量与计算目标空气流量一致，然后进入步骤6)；若未安装则检查是否安装进气歧管压力和温度传感器(12)，若未安装则进入步骤6)，若安装则根据发动机的进气充气模型和目标空气流量计算目标进气歧管压力，并闭环反馈控制节气门开度至实测进气管压力与目标进气歧管压力一致，之后进入步骤6)；
6)根据设定或标定的目标空燃比，进行引燃燃油量和气体燃料量的闭环反馈修正，通过调整引燃燃油量和气体燃料量，使发动机工作的实际空燃比与目标空燃比一致，并得到最终的引燃燃油量和气体燃料量，然后进行步骤7)；
7)根据排气温度传感器(23)的信号，检查排温是否超过设定值或标定值，若未超过则进入步骤8)，若超过则通过降低燃油替代率r、减少总燃料喷射量或者切换到纯燃油工作模式进行排温保护控制，然后进入步骤8)；
8)根据机械式高压油泵(48)的供油特性MAP和燃气控制喷嘴(41)的特性MAP，将最终的引燃燃油量和气体燃料量分别转换成油门拉杆位置和气体燃料喷射脉宽，进入步骤10)；
9)发动机进入纯燃油工作模式，此时由双燃料ECU将油门拉杆位置控制为与油门踏板位置完全一一对应的位置，并停止燃气控制喷嘴工作，并控制电子节气门完全打开，然后进行步骤10)；
10)进行信息显示，采用双向通信的方式将双燃料模式选择开关的信息发给双燃料ECU，同时双燃料ECU将需要显示的数据信息发给双燃料模式选择开关与信息指示终端(45)，然后整个控制进程返回到步骤1)重复开始进行，直至发动机停止工作为止。
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Denomination of invention: Control system and method of oil and gas dual-fuel engine with oil supplied by mechanical pump Effective date of registration: 20200324 Granted publication date: 20160601 Pledgee: Jiangsu bank Limited by Share Ltd Lishui branch Pledgor: NANJING GAICHI POWER TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2020980000981 |
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