CN104632435A - 一种汽柴油掺混灵活燃料发动机燃料在线检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种汽柴油掺混灵活燃料发动机燃料在线检测方法，其特征在于：采用动力设备包括发动机电控单元、灵活燃料压燃发动机、压阻式缸压传感器以及燃料识别电控单元；燃料识别电控单元包括循环喷油量计算模块、累计放热量计算模块、燃料体积热值计算模块和燃料识别模块；发动机电控单元采集燃油温度、轨压和喷射时间，压阻式缸压传感器采集缸压发送到燃料识别电控单元；循环喷油量计算模块计算循环喷油量发送到燃料体积热值计算模块；累计放热量计算模块计算循环累计放热量发送到燃料体积热值计算模块；燃料体积热值计算模块计算掺混燃料的体积热值发送到燃料识别模块；燃料识别模块计算掺混比例并反馈到发动机电控单元进行闭环控制。本发明可以广泛应用于发动机燃料的在线检测。

Description

一种汽柴油掺混灵活燃料发动机燃料在线检测方法

技术领域

本发明涉及电控发动机控制技术领域，特别是关于一种汽柴油掺混灵活燃料发动机燃料在线检测方法。

背景技术

传统柴油机通常采用高压缩比压燃的方式，热效率较高，但是其氮氧化物和颗粒物的排放存在此消彼长的矛盾关系，且氮氧化物的排放和热效率正相关，后处理设备昂贵。均质压燃燃烧理论不但具有同时降低氮氧化物和颗粒物排放的潜力，而且不影响热效率，因此成为柴油机改善的重要方向。但是，无论是汽油还是柴油，在实现均质压燃燃烧的过程中都遇到了很多问题。这些问题中，很多都是由于燃料的性能限制所造成的。例如，汽油由于具有良好的挥发性，容易形成均质混合气，因而被认为是均质压燃燃烧模式的理想燃料。然而，大量的研究表明，汽油燃料虽然容易形成均质混合气，但是其燃烧过程控制面临着巨大的问题，无论是燃烧始点的控制，还是燃烧放热率的控制都没有简单易行的可控手段或方案。而柴油与汽油不同，其挥发性较差，自燃性好，很难形成均质混合气。此外，无论是汽油还是柴油，其炼制设备都是规模非常庞大的投资，期望炼油厂短时间内改变炼制工艺，制造某种符合需求的燃料是不实际的。

因此，在原有汽油、柴油燃烧的基础上进行掺混，通过将两种燃料混合形成新的燃料用于均质压燃燃烧成为一种可行的方法。研究表明，各种比例的汽柴油掺混燃料都可以用于传统柴油机下进行压燃燃烧。然而，汽柴油掺混燃料进行压燃燃烧所面临的问题就是需要在线检测燃料的掺混比例来实现最优的控制。目前的发动机电控系统并不具备燃料检测和自适应控制能力。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种快速准确检测掺混比例的汽柴油掺混灵活燃料发动机在线检测方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种汽柴油掺混灵活燃料发动机燃料在线检测方法，包括以下步骤：1)采用燃料在线检测动力系统设备，其包括发动机电控单元、灵活燃料压燃发动机、压阻式缸压传感器以及燃料识别电控单元；其中，所述燃料识别电控单元包括循环喷油量计算模块、累计放热量计算模块、燃料体积热值计算模块和燃料识别模块；2)发动机电控单元实时采集灵活燃料压燃发动机的燃油温度、轨压和喷射时间信号，并通过CAN总线将轨压和喷射时间信号发送到循环喷油量计算模块，将燃油温度发送到燃料识别模块；3)压阻式缸压传感器实时采集灵活燃料压燃发动机的缸压信号并发送到累计放热量计算模块；4)循环喷油量计算模块根据接收到的轨压和喷射时间以及预先标定的喷油器特性曲线表，得到循环喷油量，也即循环喷油的体积，并发送到燃料体积热值计算模块；5)累计放热量计算模块根据缸压信号计算循环累计放热量Q_AHR，并发送到燃料体积热值计算模块；6)燃料体积热值计算模块根据循环累计放热量Q_AHR和循环喷油量计算掺混燃料的体积热值，并发送到燃料识别模块；7)燃料识别模块根据接收到的掺混燃料的体积热值和燃油温度，以及预先标定的不同温度下的汽柴油掺混燃料的体积热值Q_LHV,V,BR与掺混比例BR关系对应的MAP图，得到当前时刻汽柴油掺混燃料的掺混比例BR；8)燃料识别模块通过CAN总线将掺混燃料的掺混比例BR反馈到发动机电控单元，发动机电动单元根据掺混比例BR进行闭环控制。

所述步骤5)中，循环累计放热量Q_AHR的计算包括以下步骤：

①首先，根据灵活燃料压燃发动机的几何参数和所处的曲轴转角位置，计算当前的气缸容积V，计算公式为：

其中，V_c为气缸剩余容积，π为3.14，D为气缸直径，r为曲轴半径，当前曲轴转角，l为连杆长度；

②基于热力学第一定律，计算当前气缸容积V内汽柴油掺混燃烧放热的瞬时放热率ROHR：

其中，γ表示气缸内混合气的绝热指数，p表示压阻式缸压传感器采集的缸压，Q_W是缸壁传热造成的热损失；

③对得到的瞬时放热率ROHR进行积分，将处于不同曲轴转角位置的放热量进行累加，即可得到循环累计放热量Q_AHR：

所述步骤7)中，所述不同温度下的汽柴油掺混燃料的体积热值Q_LHV,V,BR与掺混比例BR关系对应的MAP图的获得，包括以下步骤：

①以柴油和汽油作为基础燃料，定义汽柴油掺混燃料的掺混比例BR为：

$\mathrm{BR}=\frac{V_D}{V_G+V_D},$

其中，V_D表示掺混燃料中柴油的体积，V_G表示掺混燃料中汽油的体积；

②根据汽柴油掺混燃料的掺混比例BR，计算不同温度下汽柴油掺混燃料的密度ρ_BR：

ρ_BR＝-0.0024·T+0.0528·BR+0.0011·T·BR+0.8066，

其中，T为汽柴油掺混燃料的温度；

③根据汽柴油掺混燃料的掺混比例BR和密度ρ_BR，计算得到汽柴油掺混燃料的体积V_BR为：

$V_{\mathrm{BR}}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_G\·(V_G+V_D)\·(1-\mathrm{BR})+{\mathrm{\ρ}}_D\·(V_G+V_D)\·\mathrm{BR}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{BR}}},$

其中，ρ_G为汽油的密度，ρ_D为柴油的密度；

④根据汽柴油掺混燃料的掺混比例BR和体积V_BR，计算汽柴油掺混燃料的体积热值Q_LHV,V,BR与掺混比例BR、密度ρ_BR的关系；

汽柴油掺混燃料的体积热值Q_LHV,V,BR为：

$Q_{\mathrm{LHV},V,\mathrm{BR}}=\frac{Q_{\mathrm{LHV},V,G}\·(V_G+V_D)\·(1-\mathrm{BR})+Q_{\mathrm{LHV},V,D}\·(V_G+V_D)\·\mathrm{BR}}{V_{\mathrm{BR}}},$

其中，Q_LHV,V,G为汽油的体积热值，Q_LHV,V,D为柴油的体积热值；

将步骤②中密度ρ_BR代入上式，即可得到汽柴油掺混燃料的体积热值Q_LHV,V,BR与掺混比例BR、密度ρ_BR的关系为：

$Q_{\mathrm{LHV},V,\mathrm{BR}}=\frac{Q_{\mathrm{LHV},V,G}\·(1-\mathrm{BR})+Q_{\mathrm{LHV},V,D}\·\mathrm{BR}}{{\mathrm{\ρ}}_G+(1-\mathrm{BR})+{\mathrm{\ρ}}_D\·\mathrm{BR}}\·{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{BR}},$

⑤将不同温度下汽柴油掺混燃料的密度ρ_BR代入，即可得到不同温度下汽柴油掺混燃料的掺混比例BR与体积热值Q_LHV,V,BR的关系。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用压阻式缸压传感器实时检测缸压信号，发动机电控单元实时采集灵活燃料压燃发动机的轨压和喷射时间，并根据所有信号计算循环累计放热量和循环喷油量，最终得到当前时刻的体积热值，进而得到掺混比例，实现了掺混燃料的在线实时检测。2、本发明由于根据不同掺混比例的燃料体积热值不同，并得到不同温度下掺混比例与体积热值关系对应的MAP图，能够更加快速准确的实现对掺混比例的检测，检测方法更加科学合理。3、本发明由于可以实时的将掺混比例检测的结果反馈到发动机电控单元，发动机电控单元根据燃料掺混比例进行控制参数的调整，实现优化的控制。因而，本发明可以广泛应用于汽柴油掺混燃料发动机燃料的在线检测。

附图说明

图1是本发明采用的电控发动机控制系统关系图

图2是本发明方法流程示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

燃料的放热量取决于该燃料的体积热值和体积，也即体积热值和体积的乘积为燃料的放热量。在发动机的控制体系里，如果假设燃烧效率为100％，且忽略喷油器对不同燃料的流量特性差异，则循环累计放热量则完全取决于循环喷油量和燃料的体积热值。其中，循环喷油量与喷射压力和喷射时间相关，也就是说，当喷射压力和喷射时间确定后，对于特定燃料其循环喷油体积是确定的。因而，我们更关心的是不同燃料的体积热值(单位体积的燃料含有的热量)的差异。以20℃情况为例，0号柴油的体积热值是36006MJ/m³，93号汽油的体积热值是32856MJ/m³，二者的体积热值相差约10％。因此，在喷入相同体积汽油和柴油的情况下，如果不考虑燃烧效率的影响(正常情况下，燃烧效率都高于99％)，则加入气缸的热量会有约10％的差异。而在不考虑等容度和传热等损失影响的情况下，二者所形成的做功能力也会有10％左右的差距。放热量的差距可以通过循环累计放热量Q_AHR来表示。基于曲轴动力学的热力学原理，可以得到循环累计放热量Q_AHR与传热和做功之间的关系。根据循环累计放热量Q_AHR以及循环喷油量即可得到燃料的体积热值。

如图1所示，本发明汽柴油掺混灵活燃料发动机在线检测系统包括发动机电控单元1、灵活燃料压燃发动机2、压阻式缸压传感器3以及燃料识别电控单元4。其中，燃料识别电控单元4包括循环喷油量计算模块41、累计放热量计算模块42、燃料体积热值计算模块43和燃料识别模块44。发动机电控单元1通过CAN总线分别连接灵活燃料压燃发动机2和燃料识别电控单元4。灵活燃料压燃发动机2的每一气缸内设置一压阻式缸压传感器3，且压阻式缸压传感器3通过线缆与燃料识别电控单元4连接。

如图2所示，基于上述设备，本发明提供一种汽柴油掺混灵活燃料发动机燃料在线检测方法，包括以下步骤：

1)发动机电控单元1实时采集灵活燃料压燃发动机2的燃油温度、轨压和喷射时间信号，并通过CAN总线将轨压和喷射时间信号发送到燃料识别电控单元4内的循环喷油量计算模块41，将燃油温度发送到燃料识别模块44。

2)压阻式缸压传感器3实时采集灵活燃料压燃发动机2的缸压信号并发送到燃料识别电控单元4内的累计放热量计算模块42。

3)循环喷油量计算模块41根据接收到的轨压和喷射时间以及预先标定的喷油器特性曲线表，得到循环喷油量，也即循环喷油的体积，并发送到燃料体积热值计算模块43。

4)累计放热量计算模块42根据缸压信号计算循环累计放热量Q_AHR，并发送到燃料体积热值计算模块43。循环累计放热量Q_AHR的计算包括以下步骤：

①首先，根据灵活燃料压燃发动机的几何参数和所处的曲轴转角位置，计算当前的气缸容积V，计算公式为：

其中，V_c为气缸剩余容积，π为3.14，D为气缸直径，r为曲轴半径，当前曲轴转角，l为连杆长度。

②基于热力学第一定律，计算当前气缸容积V内汽柴油掺混燃烧放热的瞬时放热率ROHR：

其中，γ表示气缸内混合气的绝热指数，p表示压阻式缸压传感器采集的缸压，Q_W是缸壁传热造成的热损失。

③对得到的瞬时放热率ROHR进行积分，将处于不同曲轴转角位置的放热量进行累加，即可得到循环累计放热量Q_AHR：

5)燃料体积热值计算模块43根据循环累计放热量Q_AHR和循环喷油量计算掺混燃料的体积热值，并发送到燃料识别模块44。

6)燃料识别模块44根据接收到的掺混燃料的体积热值和燃油温度，以及预先标定的不同温度下的汽柴油掺混燃料的体积热值Q_LHV,V,BR与掺混比例BR关系对应的MAP图，得到当前时刻汽柴油掺混燃料的掺混比例BR。

不同温度下的汽柴油掺混燃料的体积热值Q_LHV,V,BR与掺混比例BR关系对应的MAP图的获得包括以下步骤：

①以柴油和汽油作为基础燃料，计算汽柴油掺混燃料的掺混比例BR，本发明以市售93#汽油和0#柴油为例，但不限于此。汽柴油掺混燃料的掺混比例BR定义为：

$\mathrm{BR}=\frac{V_D}{V_G+V_D}---\left(4\right)$

其中，V_D表示掺混燃料中柴油的体积，V_G表示掺混燃料中汽油的体积。100％汽油时掺混比例BR为0％，100％柴油时掺混比例BR为100％。

②根据汽柴油掺混燃料的掺混比例BR，计算不同温度下汽柴油掺混燃料的密度ρ_BR：

ρ_BR＝-0.0024·T+0.0528·BR+0.0011·T·BR+0.8066   (5)

其中，T为汽柴油掺混燃料的温度。

③根据汽柴油掺混燃料的掺混比例BR和密度ρ_BR，计算汽柴油掺混燃料的体积V_BR：

$V_{\mathrm{BR}}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_G\·(V_G+V_D)\·(1-\mathrm{BR})+{\mathrm{\ρ}}_D\·(V_G+V_D)\·\mathrm{BR}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{BR}}}---\left(6\right)$

其中，ρ_G为汽油的密度，ρ_D为柴油的密度。

④根据汽柴油掺混燃料的掺混比例BR和体积V_BR，计算汽柴油掺混燃料的体积热值Q_LHV,V,BR与掺混比例BR、密度ρ_BR的关系。

汽柴油掺混燃料的体积热值Q_LHV,V,BR为：

$Q_{\mathrm{LHV},V,\mathrm{BR}}=\frac{Q_{\mathrm{LHV},V,G}\·(V_G+V_D)\·(1-\mathrm{BR})+Q_{\mathrm{LHV},V,D}\·(V_G+V_D)\·\mathrm{BR}}{V_{\mathrm{BR}}}---\left(7\right)$

其中，Q_LHV,V,G为汽油的体积热值，Q_LHV,V,D为柴油的体积热值。

将式(6)代入式(7)，即可得到汽柴油掺混燃料的体积热值Q_LHV,V,BR与掺混比例BR、密度ρ_BR的关系为：

$Q_{\mathrm{LHV},V,\mathrm{BR}}=\frac{Q_{\mathrm{LHV},V,G}\·(1-\mathrm{BR})+Q_{\mathrm{LHV},V,D}\·\mathrm{BR}}{{\mathrm{\ρ}}_G+(1-\mathrm{BR})+{\mathrm{\ρ}}_D\·\mathrm{BR}}\·{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{BR}}---\left(8\right)$

⑤将不同温度下汽柴油掺混燃料的密度ρ_BR代入式(8)，即可得到不同温度下汽柴油掺混燃料的掺混比例BR与体积热值Q_LHV,V,BR的关系。

本发明以30℃温度为例，得到汽柴油掺混燃料的密度ρ_BR为：

ρ_BR＝0.7346+0.0858·BR         (9)

根据汽柴油掺混燃料的密度ρ_BR，得到汽柴油掺混燃料的掺混比例BR与体积热值Q_LHV,V,BR之间的关系为：

$Q_{\mathrm{LHV},V,\mathrm{BR}}=\frac{Q_{\mathrm{LHV},V,G}\·(1-\mathrm{BR})+Q_{\mathrm{LHV},V,D}\·\mathrm{BR}}{{\mathrm{\ρ}}_G+(1-\mathrm{BR})+{\mathrm{\ρ}}_D\·\mathrm{BR}}\·(0.7346+0.0858\·\mathrm{BR})---\left(10\right)$

分别计算不同掺混比例BR时对应的掺混燃料的体积热值Q_LHV,V,BR，即可得到温度为30℃时，如下表所示的汽柴油掺混燃料的掺混比例与体积热值关系对应的MAP图(如表1所示)。

表1 30℃情况下汽柴油掺混燃料的掺混比例与体积热值对应MAP图

BR(/％)	QLHV,V,BR(kJ/m3)
		0	32856
10	33171
		20	33486
30	33801
		40	34116
50	34431
		60	34746
70	35061
		80	35376
90	35691
		100	36006

7)燃料识别模块4将掺混燃料的掺混比BR通过CAN总线反馈到发动机电控单元1，发动机电动单元1根据掺混比BR进行闭环控制。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (3)

1.一种汽柴油掺混灵活燃料发动机燃料在线检测方法，包括以下步骤：

1)采用燃料在线检测动力系统设备，其包括发动机电控单元、灵活燃料压燃发动机、压阻式缸压传感器以及燃料识别电控单元；其中，所述燃料识别电控单元包括循环喷油量计算模块、累计放热量计算模块、燃料体积热值计算模块和燃料识别模块；

2)发动机电控单元实时采集灵活燃料压燃发动机的燃油温度、轨压和喷射时间信号，并通过CAN总线将轨压和喷射时间信号发送到循环喷油量计算模块，将燃油温度发送到燃料识别模块；

3)压阻式缸压传感器实时采集灵活燃料压燃发动机的缸压信号并发送到累计放热量计算模块；

4)循环喷油量计算模块根据接收到的轨压和喷射时间以及预先标定的喷油器特性曲线表，得到循环喷油量，也即循环喷油的体积，并发送到燃料体积热值计算模块；

5)累计放热量计算模块根据缸压信号计算循环累计放热量Q_AHR，并发送到燃料体积热值计算模块；

6)燃料体积热值计算模块根据循环累计放热量Q_AHR和循环喷油量计算掺混燃料的体积热值，并发送到燃料识别模块；

7)燃料识别模块根据接收到的掺混燃料的体积热值和燃油温度，以及预先标定的不同温度下的汽柴油掺混燃料的体积热值Q_LHV,V,BR与掺混比例BR关系对应的MAP图，得到当前时刻汽柴油掺混燃料的掺混比例BR；

8)燃料识别模块通过CAN总线将掺混燃料的掺混比例BR反馈到发动机电控单元，发动机电动单元根据掺混比例BR进行闭环控制。

2.如权利要求1所述的一种汽柴油掺混灵活燃料发动机燃料在线检测方法，其特征在于：所述步骤5)中，循环累计放热量Q_AHR的计算包括以下步骤：

①首先，根据灵活燃料压燃发动机的几何参数和所处的曲轴转角位置，计算当前的气缸容积V，计算公式为：

其中，V_c为气缸剩余容积，π为3.14，D为气缸直径，r为曲轴半径，为当前曲轴转角，l为连杆长度；

②基于热力学第一定律，计算当前气缸容积V内汽柴油掺混燃烧放热的瞬时放热率ROHR：

其中，γ为气缸内混合气的绝热指数，p为压阻式缸压传感器采集的缸压，Q_W为缸壁传热造成的热损失；

③对得到的瞬时放热率ROHR进行积分，将处于不同曲轴转角位置的放热量进行累加，即可得到循环累计放热量Q_AHR：

3.如权利要求1或2所述的一种汽柴油掺混灵活燃料发动机燃料在线检测方法，其特征在于：所述步骤7)中，所述不同温度下的汽柴油掺混燃料的体积热值Q_LHV,V,BR与掺混比例BR关系对应的MAP图的获得，包括以下步骤：

①以柴油和汽油作为基础燃料，定义汽柴油掺混燃料的掺混比例BR为：

$\mathrm{BR}=\frac{V_D}{V_G+V_D},$

其中，V_D为掺混燃料中柴油的体积，V_G为掺混燃料中汽油的体积；

②根据汽柴油掺混燃料的掺混比例BR，计算不同温度下汽柴油掺混燃料的密度ρ_BR：

ρ_BR＝-0.0024·T+0.0528·BR+0.0011·T·BR+0.8066，

其中，T为汽柴油掺混燃料的温度；

③根据汽柴油掺混燃料的掺混比例BR和密度ρ_BR，计算得到汽柴油掺混燃料的体积V_BR为：

$V_{\mathrm{BR}}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_G\·(V_G+V_D)\·(1-\mathrm{BR})+{\mathrm{\ρ}}_D\·(V_G+V_D)\·\mathrm{BR}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{BR}}},$

其中，ρ_G为汽油的密度，ρ_D为柴油的密度；

④根据汽柴油掺混燃料的掺混比例BR和体积V_BR，计算汽柴油掺混燃料的体积热值Q_LHV,V,BR与掺混比例BR、密度ρ_BR的关系；

汽柴油掺混燃料的体积热值Q_LHV,V,BR为：

$Q_{\mathrm{LHV},V,\mathrm{BR}}=\frac{Q_{\mathrm{LHV},V,G}\·(V_G+V_D)\·(1-\mathrm{BR})+Q_{\mathrm{LHV},V,D}\·(V_G+V_D)\·\mathrm{BR}}{V_{\mathrm{BR}}},$

其中，Q_LHV,V,G为汽油的体积热值，Q_LHV,V,D为柴油的体积热值；

将步骤②中密度ρ_BR代入上式，即可得到汽柴油掺混燃料的体积热值Q_LHV,V,BR与掺混比例BR、密度ρ_BR的关系为：

$Q_{\mathrm{LHV},V,\mathrm{BR}}=\frac{Q_{\mathrm{LHV},V,G}\·(1-\mathrm{BR})+Q_{\mathrm{LHV},V,D}\·\mathrm{BR}}{{\mathrm{\ρ}}_G\·(1-\mathrm{BR})+{\mathrm{\ρ}}_D\·\mathrm{BR}}\·{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{BR}},$

⑤将不同温度下汽柴油掺混燃料的密度ρ_BR代入，即可得到不同温度下汽柴油掺混燃料的掺混比例BR与体积热值Q_LHV,V,BR的关系。