CN104612841B - 一种基于放热率分析的双燃料发动机燃烧闭环控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于放热率分析的双燃料发动机燃烧闭环控制方法。本发明包括；通过传感器测量双燃料发动机参数；通过针对双燃料发动机的放热率计算方法，将缸压作为输入求解各个气缸的放热率；结合发动机的转速、爆震和进排气温度的测试信号分析放热率特性；根据分析结果对各个气缸进行优化控制。该方法通过对双燃料发动机的检测和放热率的计算对发动机燃烧过程进行优化控制，该方法不仅能够优化双燃料发动机的动力性、经济性、排放特性和提高燃料的利用率，同时能够降低各个气缸间的做功不均匀性，使发动机运行更加平稳，延长使用寿命。

Description

一种基于放热率分析的双燃料发动机燃烧闭环控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于放热率分析的双燃料发动机燃烧闭环控制方法。

背景技术

随着能源短缺和环境污染问题的日益突出，实施能源多元化战略和发展新能源技术成为未来发展的必然趋势，在所有替代能源中天然气是最为丰富的一次能源，并且燃烧非常清洁，是替代石油的最理想方案。

但是单纯的燃料替代并不能使得能源的利用率有所提高，因此需要对于发动机的燃烧过程进行分析并进行优化控制。放热率是描述发动机气缸内单位曲轴转角燃料燃烧所释放热量多少的物理量。通过对内燃机的燃烧放热率的分析，不仅能够改善发动机的动力性、经济性和排放特性，还能够对发动机燃烧室、进排气系统的改进设计和控制测略的优化提供理论依据。因此，内燃机放热率计算的准确性对于内燃机整体的性能提高和设计优化具有重要意义。

传统形式的双燃料发动机控制系统主要是在传统柴油机的基础上进行控制的。其控制方式为，通过PID或MAP图等控制手段对于两种燃料中的一种进行控制调速，另一种燃料则设为定值或随前一种燃料进行定比例喷射。这种控制方式虽然简单易行，同时根据控制算法能够具有较高的调速控制精度，但是对于缸内燃烧特性和不同气缸间的工作特性无法考虑和控制。使得各个气缸的均匀性、动力性和排放等有所下降。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过对放热率和发动机测试参数的分析，对发动机进行优化控制的基于放热率分析的双燃料发动机燃烧闭环控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)通过传感器测量双燃料发动机参数；

(2)通过针对双燃料发动机的放热率计算方法，将缸压作为输入求解各个气缸的放热率；

(3)结合发动机的转速、爆震和进排气温度的测试信号分析放热率特性；

(4)根据分析结果对各个气缸进行优化控制。

所述的双燃料发动机参数包括，各个气缸的缸压、转速、爆震和排气温度；

所述的放热率特性包括各个气缸着火点位置、最高放热率峰值、累积放热量和燃烧持续期；

所述的优化控制的方法包括：转速闭环控制、气缸间不均匀性的闭环控制、发动机工作状况及排放特性极限的控制和爆震控制方法。

放热率的方程组为：

pV＝mRT；

其中p为缸内任意时刻压力，V为缸内任意时刻容积，T为缸内任意时刻温度，R为混合气体常数，m为任意时刻缸内工质总质量，其中dm为系统内工质总质量的变化，dm_i为缸内不同组分的质量变化，其中n表示组分数量，i表示缸内第i种组分；其中Q_B为两种燃料燃料在气缸内燃烧放出的总热量，U为缸内各组分总内能，W为系统对外输出功，Q_W为通过气缸边界向外传入或传出的热量，Q_G为气体燃料燃烧放出的热量，Q_D为柴油等液体燃烧放出的热量。

本发明的有益效果在于：

该方法通过对双燃料发动机的检测和放热率的计算对发动机燃烧过程进行优化控制，该方法不仅能够优化双燃料发动机的动力性、经济性、排放特性和提高燃料的利用率，同时能够降低各个气缸间的做功不均匀性，使发动机运行更加平稳，延长使用寿命。

附图说明

图1是双燃料发动机闭环控制示意图。

图2是放热率计算方法图，其中(a)代表补充方程是关于气体燃料放热量Q_G与液体燃料放热量Q_D的关系式，(b)代表补充方程是单独关于Q_G的计算方程，(c)代表补充方程是单独关于Q_D的计算方程。

具体实施方式

下面结合附图和实施实例对本发明进行一步说明。

本发明公开一种基于放热率分析的双燃料发动机燃烧闭环控制方法，包括如下步骤：通过传感器测量双燃料发动机重要参数；通过针对双燃料发动机的放热率计算方法，将缸压作为输入求解放热率；结合发动机的转速、爆震和进排气温度等测试信号分析放热率特性；根据分析结果对各个气缸进行优化控制。该方法基于发动机测试和热力学定律，在发动机运行的同时对双燃料发动机内部的燃烧过程进行闭环控制。该方法不仅能够优化双燃料发动机的动力性、经济性、排放特性和提高燃料的利用率，同时能够降低各个气缸间的做功不均匀性，使发动机运行更加平稳，延长使用寿命。

本专利提供一种基于放热率分析的双燃料发动机燃烧闭环控制方法，该方法通过对热力学方程中放热微分项的方程补充，实现对于双燃料发动机的放热率计算，并通过对放热率和发动机测试参数的分析，对发动机进行优化控制。

本专利方案如下：

一种基于放热率分析的双燃料发动机燃烧闭环控制方法，包括如下计算步骤：

第一步，通过传感器测量双燃料发动机重要参数；

第二步，通过针对双燃料发动机的放热率计算方法，将缸压作为输入求解放热率；

第三步，结合发动机的转速、爆震和进排气温度等测试信号分析放热率特性；

第四步，根据分析结果对各个气缸进行优化控制。

其中第一步通过传感器测量的参数包括，各个气缸的缸压、转速、爆震和排气温度等。

其中第二步将第一步中通过传感器测得各个气缸的缸压经过光顺处理后作为输入，通过针对双燃料发动机的放热率计算，求解出各个气缸的放热率。该放热率计算方法是针对双燃料发动机的燃烧特性所确定的计算方法。该放热率计算方法是针对双燃料发动机的燃烧特性所确定的计算方法。

其中第三步通过将转速、爆震和进排气温度等测试信号输入到控制系统中，并对计算出的放热率特性进行分析。放热率特性进行分析包括各个气缸着火点位置、最高放热率峰值、累积放热量和燃烧持续期等等。放热率特性进行分析包括各个气缸着火点位置、最高放热率峰值、累积放热量和燃烧持续期等等。

其中第四步优化控制方法包括：转速闭环控制、气缸间不均匀性的闭环控制、发动机工作状况及排放特性极限的控制和爆震控制方法。

第一步，由图1所示，通过传感器检测发动机的缸内压力、转速、爆震和进排气温度等物理信号，并将各个气缸的压力经过光顺处理后作为输入计算双燃料发动机的放热率。

第二步中针对双燃料发动机的放热率计算方法如下：

其热力学方程包括：

1.理想气体状态方程：

pV＝mRT (1)

其中p为缸内任意时刻压力，V为缸内任意时刻容积，T为缸内任意时刻温度，R为混合气体常数，m为任意时刻缸内工质总质量。由图2可见，理想气体状态方程中p、V、R、m为输入，计算出缸内缸内任意时刻温度T。其中p为需要通过实验测量的物理量，V是通过发动机结构参数(例如：气缸直径D、活塞行程S、曲柄连杆比λ和压缩比ε等)和曲轴转角由方程

计算得出，R由内能计算过程中得出，m由质量守恒定律计算。

2.质量守恒方程：

其中dm为系统内工质总质量的变化，dm_i为缸内不同组分的质量变化，其中“n”表示组分数量，“i”表示缸内第i种组分。由图2可见，质量守恒方程是以气体燃料放热量dQ_G与液体燃料放热量dQ_D为输入计算dm和dm_i，因此需要将dm和dm_i表示为dQ_G和dQ_D的函数。在n个组分中，n-1个组分质量变化可通过为dQ_G、dQ_D和燃烧过程中燃料化学反应的方程式系数确定，同时系统内工质总质量的变化dm可表示为

dm＝dm_s+dm_e+dm_f (4)

其中，m_s为流入气缸的质量，m_e为排出气缸的质量，m_f为喷入气缸的柴油等液体燃料燃烧质量。由于内燃机燃烧阶段进排气门关闭，因此

当假设喷入气缸的液体燃料燃烧质量m_f即刻完全燃烧时，使得

式中H_Du为柴油燃烧低热值，η_Du为柴油燃烧效率，所以dm可用dQ_D表示。由质量守恒方程，第n个组分的质量可表示为dQ_G和dQ_D的函数方程，即可以通过输入dQ_G和dQ_D计算dm和dm_i，其中，输入dQ_G和dQ_D通过补充方程和dQ_B计算得出，而dQ_B由能量守恒方程计算。

3.能量守恒方程：

其中Q_B为两种燃料燃料在气缸内燃烧放出的总热量，U为缸内各组分总内能，W为系统对外输出功，Q_W为通过气缸边界向外传入或传出的热量。式中，dU、dW和dQ_W为输入计算dQ_B，其中dU由内能计算方程得出，dW由公式dW＝p·dV计算得出，dQ_W由公式计算得出。

4.补充方程：

对热力学方程中的放热微分项拆分并提出补充方程，放热微分项拆分表示为：

其中Q_G为气体燃料燃烧放出的热量，Q_D为柴油等液体燃烧放出的热量；由于拆分使得未知变量数增加，因此需要补充关于Q_G和Q_D的方程，使方程封闭。该补充的方程可以是关于气体燃料放热量Q_G与液体燃料放热量Q_D的关系式(如图2(a)形式所示)，也可以是单独关于Q_G或Q_D的计算方程(如图2(b)和(c)形式所示)。该补充方程的准确性很大程度上影响着放热率的计算精度，因此，要根据双燃料发动机燃烧和被描述燃料的燃烧特性，选择普遍适用，且精度较高的经验计算公式作为补充方程。

例如：针对图2(a)中，补充的放热率计算方程是关于气体燃料放热量Q_G与液体燃料放热量Q_D的关系式，该关系式描述双燃料发动机中任意时刻放出总热量Q_B中气体燃料放热量Q_G与液体燃料放热量Q_D所站的比例

式中ξ₁为气体燃料任意时刻在燃烧中所占的放热比例，ξ₂为柴油或其它液体燃料任意时刻在燃烧中所占的放热比例，由方程(8)可知两者之和等于1，同时ξ₁和ξ₂在0～1之间。其中ξ₁和ξ₂可以是随时间的变化而变化的，同时也可以是随时间的变化而保持常数。

针对图2(b)和(c)中，补充的放热率计算方程是关于Q_G或Q_D的计算方程，该计算方程需要准确的描述出气体燃料或柴油等液体燃料在缸内燃烧的放热率，并结合方程(8)得出柴油等液体燃料或气体燃料的放热率。补充的计算方程一般通过缸内各个组分的密度和缸内温度计算Q_G或Q_D，因此以不同组分的质量m_i、温度T和体积V作为输入计算。该补充计算方程属于经验计算方程，例如：针对气体燃料放热量Q_G的补充计算方程可以选择由阿累尼乌斯(Arrhenius)定律描述化学反应速率的经验公式；而针对柴油的放热量Q_D可以选择韦博模型描述的额放热率。

5.通过常微分方程的数值求解方法计算放热率，并通过积分计算累积放热量。

第三步，通过将转速、爆震和进排气温度等测试信号输入到控制系统中，并对计算出的放热率特性进行分析。放热率特性进行分析包括各个气缸着火点位置、最高放热率峰值、累积放热量和燃烧持续期等等。其中着火位置可通过累积放热量大于某一特定值进行定义；放热率峰值则可以通过全局比较，或通过求取极值点并进行比较的方法进行；累积放热量是通过放热率的积分得到；燃烧持续期则可以通过燃烧开始和燃烧结束的差值得到，燃烧结束时刻可以通过累积放热率的斜率和放热率与横坐标轴的焦点确定。

第四步，是根据分析结果对各个气缸进行优化控制，优化控制方法包括：转速闭环控制、气缸间不均匀性的闭环控制、发动机工作状况及排放特性极限的控制和爆震控制方法。

其中转速闭环控制：采用传统的PID控制或MAP图控制方式，该闭环控制方法控制两种燃料中的一种，另一种燃料采用固定值或等比例喷射进行控制。该闭环控制方法的输出结果对于各个气缸的被控对象均大小相同。

其中气缸间不均匀性闭环控制：根据各个气缸缸压和放热率，以某一气缸为基准，通过在PID控制或MAP图控制方式的输出结果之后，调整双燃料发动机的引燃油量、喷油时刻或气体燃料喷射量，使各个气缸的压力和放热率的偏差越来越小，使各个气缸的均匀性增加。

其中发动机工作状况及排放特性极限的控制：通过检测放热率的最高峰值和最高爆发压力调整双燃料发动机的引燃油量、喷油时刻或气体燃料喷射量，使得发动机的放热率的最高峰值和最高爆发压力不得超过预设值，改善发动机的工作情况和排放特性。

其中爆震控制方法：通过以发动机的缸压、放热率和爆震传感器的震动信号为基础，当判断发生爆震时，控制系统调整双燃料发动机的引燃油量、喷油时刻或气体燃料喷射量，使得发动机的爆震情况消失。

Claims (1)

1.一种基于放热率分析的双燃料发动机燃烧闭环控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)通过传感器测量双燃料发动机参数；

(2)通过针对双燃料发动机的放热率计算方法，将缸压作为输入求解各个气缸的放热率；

(3)结合发动机的转速、爆震和进排气温度的测试信号分析放热率特性；

(4)根据分析结果对各个气缸进行优化控制；

所述的双燃料发动机参数包括，各个气缸的缸压、转速、爆震和排气温度；

所述的放热率特性包括各个气缸着火点位置、最高放热率峰值、累积放热量和燃烧持续期；

所述的优化控制的方法包括：转速闭环控制、气缸间不均匀性的闭环控制、发动机工作状况及排放特性极限的控制和爆震控制方法；

所述的放热率的方程组为：

pV＝mRT；

$dm=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{dm}}_i;$

其中p为缸内任意时刻压力，V为缸内任意时刻容积，T为缸内任意时刻温度，R为混合气体常数，m为任意时刻缸内工质总质量，其中dm为系统内工质总质量的变化，dm_i为缸内不同组分的质量变化，其中n表示组分数量，i表示缸内第i种组分；其中Q_B为两种燃料燃料在气缸内燃烧放出的总热量，U为缸内各组分总内能，W为系统对外输出功，Q_W为通过气缸边界向外传入或传出的热量，Q_G为气体燃料燃烧放出的热量，Q_D为柴油等液体燃烧放出的热量。