CN104405509B - 一种气体发动机在线混合可燃气体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种气体发动机在线混合可燃气体的方法。若混合气由m种可燃气体组成，则在发动机进气歧管靠近气门处安装m组喷轨，分别对应m种可燃气体的气罐。发动机ECU根据发动机工况，通过查找MAP图的方法确定喷气脉宽，并对喷气脉宽进行修正，控制喷轨喷射适量燃气。控制单元采集当前工况下发动机ECU的MAP图中的喷气脉宽，对当前对应燃气的喷气脉宽进行计算，并根据测得的温度与压力对喷气脉宽进行修正。利用线性氧传感器测量过量空气系数，并利用标定系统对当前工况下MAP图中的喷气脉宽进行标定，使过量空气系数为1，从而使发动机内燃气可以充分燃烧。本发明属于在线混合系统，安全、方便，且可通过修改控制单元灵活改变组分浓度。

Description

一种气体发动机在线混合可燃气体的方法

技术领域

本发明属于发动机工程技术领域，涉及一种气体发动机在线混合可燃气体的方法。适用于目前由汽油机改装的气体发动机，当燃料为多种可燃气体混合而成时，可以实现按比例在线混合可燃气体，通过标定系统对ECU中喷气脉宽MAP图的标定，可以实现发动机在最佳空燃比状态下运行，通过对控制单元程序的修改，可以实现各种可燃气体按不同比例的混合。

背景技术

随着汽车工业的快速发展，其巨大的能源消耗已威胁到国家的能源供应安全，同时，排放的大量尾气也直接威胁到了生态环境与人类健康。清洁车用代用燃料已成为各国研究的重要课题，其中醇类燃料和气体燃料是应用最广的代用燃料，但相比于醇类燃料，气体燃料在资源、经济、排放、安全等诸多方面占有巨大优势，是目前汽车的首选代用燃料。

目前，科学家对多种单一组分燃气(如CH₄、H₂等)在发动机上的应用进行了研究，但由于其各自理化特性与燃烧特性的影响，它们在排放、爆震、动力性等方面或多或少地存在一些问题，因而多种可燃气体混合而成的气体燃料逐渐进入了人们的视野，它们可以在燃烧特性上进行互补，消除不正常燃烧，满足发动机的运行与排放要求。为此，须设计一套混合气供气系统，实现多种可燃气体按比例混合，保证组分稳定性，实现发动机在最佳状态下工作。

当前，常见的混合气供气有定压配比与在线混合两种方式。其中，定压配比采用外部混合，混合后作为单一燃料供给发动机使用，但是配气需在高压下进行，危险性大，难度高，组分浓度固定，且会产生较大的浪费。在线混合则采用机内混合，可以克服上述缺点，但是目前常用的在线混合系统需要采用高精度的流量计，系统较复杂，成本过高。

发明内容

本发明的目的是提出一种气体发动机在线混合可燃气体的方法。若混合气由m种可燃气体组成，则在发动机进气歧管靠近气门处安装m组喷轨，分别对应m种可燃气体的气罐。其中，一组喷轨由发动机ECU控制，其余m-1组喷轨由m-1个控制单元控制。发动机ECU根据发动机工况，通过查找MAP图的方法确定喷气脉宽，并根据对应减压阀处测得的温度与压力对喷气脉宽进行修正，控制喷轨喷射适量燃气。控制单元采集当前工况下发动机ECU的MAP图中的喷气脉宽，根据两者所对应燃气的体积分数，对当前对应燃气的喷气脉宽进行计算，并根据对应减压阀处测得的温度与压力对喷气脉宽进行修正。利用线性氧传感器(UEGO)测量过量空气系数，并利用标定系统对当前工况下MAP图中的喷气脉宽进行标定，使过量空气系数为1，从而使发动机内燃气可以充分燃烧。

本发明的具体技术方案：

第一步：在发动机进气歧管靠近气门处安装m组喷轨，分别对应混合气的m种燃气组分，令燃气1的体积分数为vf₁，燃气2的体积分数为vf₂，……，燃气m的体积分数为vf_m，则vf₁+vf₂+...+vf_m＝1，其中，喷轨1由发动机ECU控制，其余m-1组喷轨分别由m-1个控制单元控制。此外，在喷轨与发动机ECU或控制单元之间安装带有温度与压力传感器的减压阀，分别为减压阀1、减压阀2、……、减压阀m。

第二步：根据发动机的节气门开度发动机转速n，通过查找MAP图的方法，确定发动机的初始喷气脉宽t，并根据减压阀1测得的温度T₁、压力p₁，对喷气脉宽t进行修正，修正后的喷气脉宽为t₁，以此控制喷轨1的喷气。

第三步：控制单元1采集发动机ECU的初始喷气脉宽t，根据燃气1与燃气2的体积分数，计算喷轨2的初始喷气脉宽t′₂：

$t_2^{\′}=t\×\frac{v{f}_2}{v{f}_1}$

同时，根据减压阀2测得的温度T₂、压力p₂，对喷轨2的初始喷气脉宽t′₂进行修正，修正后的喷气脉宽为t₂。

利用相同的方法，分别计算、修正得到喷轨3至喷轨m的喷气脉宽t₃、t₄、...、t_m。

第四步：利用线性氧传感器测量过量空气系数λ，计算当λ为1时，理论的ECU初始喷气脉宽t″：

t″＝t×λ

根据初始喷气脉宽t与计算所得理论喷气脉宽t″的差值，在满足一定的条件下，利用增量式PID控制器对初始喷气脉宽进行修正，使发动机运行在最佳空燃比状态。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明属于在线混合系统，安全、方便，且可通过修改控制单元程序灵活改变组分浓度，满足科研与使用要求。

(2)本发明无需使用高精度仪器设备，经济性高。

(3)本发明利用标定系统，采用增量式PID控制器对MAP图中的喷气脉宽进行修正，可保证发动机始终在最佳空燃比状态下运行。

附图说明

图1是采用本发明的气体发动机燃气供给控制框图。

图2是一种气体发动机在线混合可燃气体的方法中对发动机ECU喷气脉宽MAP图进行标定的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

图1是采用本发明的气体发动机燃气供给控制框图。气体发动机是在汽油机的基础上改造而来的，在进气歧管靠近气门处增加了m组燃气喷轨，分别对应混合气的m种燃气组分，其中一组喷轨由发动机ECU控制，其余喷轨由控制单元控制，控制单元在发动机ECU查找MAP得到的喷气脉宽的基础上按各燃气组分体积分数对对应燃气的喷气脉宽进行计算，从而实现各种燃气按一定比例的混合。此外，通过减压阀处温度、压力等参数对喷气脉宽的修正，保证了混合比例的精确性。通过增量式PID控制器，利用标定系统对ECU中喷气脉宽MAP图的标定，可以实现发动机始终在最佳空燃比状态下运行。

具体方法步骤是：

第一步：在发动机进气歧管靠近气门处安装m组喷轨，分别对应混合气的m种燃气组分(燃气1的体积分数为vf₁，燃气2的体积分数为vf₂，……，燃气m的体积分数为vf_m，vf₁+vf₂+...+vf_m＝1)，即喷轨1对应燃气1、喷轨2对应燃气2、……、喷轨m对应燃气m，其中，喷轨1由发动机ECU控制，其余m-1组喷轨分别由m-1个控制单元控制。此外，在喷轨与发动机ECU或控制单元之间需安装带有温度与压力传感器的减压阀，分别为减压阀1、减压阀2、……、减压阀m。

第二步：根据发动机的节气门开度发动机转速n等工况参数，通过查找MAP图的方法，确定发动机的初始喷气脉宽t，并根据减压阀1测得的温度T₁、压力p₁，对喷气脉宽t进行修正，修正后的喷气脉宽为t₁，以此控制喷轨1的喷气。

第三步：控制单元1采集发动机ECU的初始喷气脉宽t，根据燃气1与燃气2的体积分数，计算喷轨2的初始喷气脉宽t′₂：

$t_2^{\′}=t\×\frac{v{f}_2}{v{f}_1}$

同时，根据减压阀2测得的温度T₂、压力p₂，对喷轨2的初始喷气脉宽t′₂进行修正，修正后的喷气脉宽为t₂。

利用相同的方法，分别计算、修正得到喷轨3至喷轨m的喷气脉宽t₃、t₄、...、t_m。

第四步：利用线性氧传感器(UEGO)测量过量空气系数λ，计算当λ为1时，理论的ECU初始喷气脉宽t″：

t″＝t×λ

根据初始喷气脉宽t与计算所得理论喷气脉宽t″的差值，在满足一定的条件下，利用增量式PID控制器对初始喷气脉宽进行修正，使发动机运行在最佳空燃比状态(λ＝1)。

图2是一种气体发动机在线混合可燃气体的方法中对发动机ECU喷气脉宽MAP图进行标定的流程图。

具体步骤是：

第一步：根据从MAP图中读取的当前工况的喷气脉宽t(n)以及从UEGO处读取的过量空气系数λ(n)，计算要使过量空气系数λ＝1时，理论所需的喷气脉宽t″(n)。

t″(n)＝t(n)×λ(n)

第二步：当前理论喷气脉宽t″(n)与实际喷气脉宽t(n)的差值t_D(n)。

t_D(n)＝t″(n)-t(n)

第三步：将t_D(n)作为输入参数，通过增量式PID控制器计算喷气脉宽修正值Δt(n)。增量式PID控制既能保证控制精度精度，且能提高系统的鲁棒性，其算法如下所示。

Δt(n)＝a₀t_D(n)-a₁t_D(n-1)+a₂t_D(n-2)

其中， $a_0=K_P(1+\frac{T}{T_I}+\frac{T_D}{Y}),a_1=K_P(1+\frac{2T_D}{T}),a_2=K_P\frac{T_D}{T}$

K_p表示比例系数；T_I表示积分时间，单位为秒；T_D表示微分时间，单位为秒；T表示采样周期，单位为秒。

第四步：计算修正后的喷气脉宽t(n+1)，并将其存入MAP图。

t(n+1)＝t(n)+Δt(n)。

Claims (1)

1.一种气体发动机在线混合可燃气体的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

第一步：在发动机进气歧管靠近气门处安装m组喷轨，分别对应混合气的m种燃气组分，令燃气1的体积分数为vf₁，燃气2的体积分数为vf₂，……，燃气m的体积分数为vf_m，则vf₁+vf₂+...+vf_m＝1，其中，喷轨1由发动机ECU控制，其余m-1组喷轨分别由m-1个控制单元控制；此外，在喷轨与发动机ECU或控制单元之间安装带有温度与压力传感器的减压阀，分别为减压阀1、减压阀2、……、减压阀m；

第二步：根据发动机的节气门开度发动机转速n，通过查找MAP图的方法，确定发动机的初始喷气脉宽t，并根据减压阀1测得的温度T₁、压力p₁，对喷气脉宽t进行修正，修正后的喷气脉宽为t₁，以此控制喷轨1的喷气；

第三步：控制单元1采集发动机ECU的初始喷气脉宽t，根据燃气1与燃气2的体积分数，计算喷轨2的初始喷气脉宽t′₂：

$t_2^{\′}=t\×\frac{{\mathrm{vf}}_2}{{\mathrm{vf}}_1};$

同时，根据减压阀2测得的温度T₂、压力p₂，对喷轨2的初始喷气脉宽t′₂进行修正，修正后的喷气脉宽为t₂；

利用相同的方法，分别计算、修正得到喷轨3至喷轨m的喷气脉宽t₃、t₄、...、t_m；

第四步：利用线性氧传感器测量过量空气系数λ，计算当λ为1时，理论的ECU初始喷气脉宽t″：

t″＝t×λ；

根据初始喷气脉宽t与计算所得理论喷气脉宽t″的差值，在满足一定的条件下，利用增量式PID控制器对初始喷气脉宽进行修正，使发动机运行在最佳空燃比状态；具体方法是：

①根据从MAP图中读取的当前工况的喷气脉宽t(n)以及从线性氧传感器处读取的过量空气系数λ(n)，计算要使过量空气系数λ＝1时，理论所需的喷气脉宽t″(n)：t″(n)＝t(n)×λ(n)；

②计算t″(n)与t(n)的差值t_D(n)：t_D(n)＝t″(n)-t(n)；

③将t_D(n)作为输入参数，通过增量式PID控制器计算喷气脉宽修正值Δt(n)：Δt(n)＝a₀t_D(n)-a₁t_D(n-1)+a₂t_D(n-2)；

其中，

K_p表示比例系数；T_I表示积分时间，单位为秒；T_D表示微分时间，单位为秒；T表示采样周期，单位为秒；n为采样序号；

④计算修正后的喷气脉宽t(n+1)，并将其存入MAP图：t(n+1)＝t(n)+Δt(n)。