CN104763521A - 一种燃油中加入双氧水的控制系统及控制策略 - Google Patents

一种燃油中加入双氧水的控制系统及控制策略 Download PDF

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韩恒
田径
张龙平
许允
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Abstract

一种燃油中加入双氧水的控制系统，包括柴油机(1)、排气管(2)、燃油喷嘴(4)、ECU(5)、燃油箱(11)、高压共轨(18)，其特征在于：它还包括双氧水储存箱(7)及控制系统，所述的双氧水储存箱(7)依次通过电磁阀(13)及双氧水流量计(16)连接在燃油管路(10)上，在所述的排气管(2)分别连接有NOx传感器(3)及烟度计(19)，NOx传感器(3)及烟度计(19)采集的信号反馈给ECU(5)，ECU(5)通过电磁阀控制器(6)控制电磁阀(13)，用于控制双氧水的加入量。燃油中添加双氧水，由于双氧水的挥发作用，既能够通过降低缸内的最高温度来控制NOx的生成，双氧水挥发出来的氧气和微爆效应对油气混合的改善又能控制PM的产生。

Description

一种燃油中加入双氧水的控制系统及控制策略
技术领域
本发明涉及在燃油中添加双氧水(H2O2)的系统和控制策略，能够降低柴油机尾气排放中的NOx排放。
技术背景
柴油机由于较高的热效率而被广泛的使用，随着能源的短缺以及人们环境保护意识的增强，排放法规对柴油机尾气中的NOx和PM的排放的限制也越来越严格。NOx产生的必要条件是：高温、富氧和滞留时间，三者缺一不可。而PM产生的重要条件是缺氧，在传统燃烧模式下虽然总体是富氧燃烧，但是由于油、气不能完全均匀混合，造成局部区域氧浓度偏低，从而导致PM的产生。从NOx和PM的生成条件能看出，尾气中的NOx和PM的排放是一个矛盾的问题，因此控制进气中氧浓度就显的至关重要。
降低柴油机尾气排放中的NOx的办法有很多种，主要分为降低缸内的最高燃烧温度和后处理技术。其中后处理技术有SCR；降低缸内的最高燃烧温度的技术有低温燃烧(HCCI)，多段喷射，EGR(Exhaust Gas Recirculation，废气再循环)等。SCR技术需要在排气管上添加尿素喷射装置，这项技术并没有从根本上解决NOx生成比较多的难题，并且增加了成本。低温燃烧和多段喷射等技术虽然能够降低缸内的燃烧温度，避开NOx的生成温度，达到降低NOx排放的目的，但柴油机的热效率也随着降低。EGR是将部分废气回流到进气管再次参与燃烧，废气的回流,降低了进气管中的氧浓度，在降低NOx的同时由于空燃比的降低又会使排放中PM的排放升高，并且会造成燃油经济性的恶化。
到目前为止，同时改善柴油机NOx和PM排放的技术仍是当今研究的热点。
发明内容
本发明的目的是为了降低柴油机尾气排放中的NOx，同时又改善了尾气排放中PM增加的现象。基于此提出了在柴油机的燃油中加入双氧水的控制系统和控制策略，燃油中添加双氧水，由于双氧水的挥发作用，既能够通过降低缸内的最高温度来控制NOx的生成，双氧水挥发出来的氧气和微爆效应对油气混合的改善又能控制PM的产生。
结合附图，说明如下：
一种燃油中加入双氧水的控制系统，包括柴油机1、排气管2、燃油喷嘴4、ECU5、燃油箱11、高压共轨18，它还包括双氧水储存箱7及控制系统，所述的双氧水储存箱7依次通过电磁阀13及双氧水流量计16连接在燃油管路10上，在所述的排气管2分别连接有NOx传感器3及烟度计19，NOx传感器3及烟度计19采集的信号反馈给ECU5，ECU5通过电磁阀控制器6控制电磁阀13，用于控制双氧水的加入量。
在所述的双氧水存储箱7上安装压力调节器8调节箱内的压力，使压力保持恒定。
在所述的双氧水存储箱7上安装安全阀15，箱内压力超过安全阀的开启压力时，安全阀开启泄压。
在所述的燃油管路10上，高压共轨18之前接入搅拌装置乳化器9，将燃油和双氧水乳化均匀。
在双氧水的管道上，进入燃油管路10之前安装双氧水过滤器14。
一种燃油中加入双氧水的控制策略，包括以下步骤：
步骤一：采集柴油机的转速和转矩信号，发送给柴油机的控制单元；
步骤二：通过柴油机的转速和转矩信号判断柴油机的工况，根据柴油机的不同工况设定NOx和烟度的排放限值；
步骤三：根据基础实验和神经网络计算出排放中NOx和双氧水比率的映射关系，其中双氧水的比率通过电磁阀的开度来控制；
步骤四：用NOx传感器和烟度计采集NOx和烟度信号，接入到柴油机的控制器上，将尾气排放中的NOx信号反馈到柴油机的ECU中，若尾气中的NOx高于预估的限度值，增加双氧水的喷射量，直到NOx降到限度值以下，然后比较烟度值，若烟度超过限度值，那么增加轨压使烟度降到限度值。
步骤三所述的双氧水比率的计算公式如下：
双氧水比率＝双氧水的量/(燃油量+双氧水的量)
本发明的有益效果：
(1)双氧水的沸点只有158摄氏度，在常温下就能够缓慢的分解生成水和氧气，温度升高会加快分解反应速度。将双氧水掺入燃油中随燃油一起喷入气缸，由于缸内的温度远高于双氧水的沸点，双氧水在气缸内迅速的挥发并发生分解反应，生成水和氧气。双氧水的挥发和分解反应都能吸收缸内的热量，能够降低缸内的最高的燃烧温度，控制尾气中的NOx排放。
(2)根据柴油机不同的运行工况，自动采集NOx和烟度信号并反馈到ECU，实时的调节双氧水的添加量。双氧水经过三通阀和燃油混合，混合后的溶液经过乳化器乳化均匀，均匀的乳化液经过高压共轨喷入到气缸内。乳液在气缸内雾化，油滴高速撞击双氧水的液滴，使二者变得更细，并且气体的涡流增加了燃油和双氧水碰撞和接触的机会，从而能够形成油吸附并包围着双氧水液滴的微粒，即油包水的油水乳化液。乳化液中的双氧水受热较快，并且沸点较低，生成的气体突破油膜，形成微爆效应，促进了燃油和空气的混合。
(3)燃油掺水对瞬态性能的影响，车用柴油机有超过50％的运行时间都是瞬态工况，经查阅文献可知，柴油机在瞬态工况下性能发生畸变：空燃比急剧降低。进气的迟滞效应会造成柴油机在瞬态过程中PM排放的升高。在燃油中掺入双氧水，双氧水能分解产生氧气和水，产生的氧气能够弥补柴油机在瞬态工况下的进气延迟造成的氧气的减少，改善柴油在瞬态工况下由于性能畸变而引起的碳烟的剧增；产生的水能够降低缸内的最高燃烧温度，降低尾气排放中NOx。因此，在燃油中加入双氧水能够改善柴油机的瞬态工况。
附图说明
图1是双氧水箱的布置图；
图2是神经网络结构示意；
图3是神经网络模型；
图4双氧水的控制策略。
其中：柴油机1，排气管2，NOx传感器3，燃油喷嘴4，ECU5，电磁阀控制器6,双氧水储存箱7，压力调节器8，乳化器9，燃油管路10，燃油箱11，三通阀12，电磁阀13，双氧水过滤器14，安全阀15，双氧水流量计16，燃油流量计17，高压共轨18，烟度计19。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行详细的说明：
本发明主要包括双氧水的添加系统和控制策略。双氧水的添加系统主要包括：柴油机1，排气管2，NOx传感器3，燃油喷嘴4，ECU5，电磁阀控制器6,双氧水储存箱7，压力调节器8，乳化器9，燃油管路10，燃油箱11，三通阀12，电磁阀13，双氧水过滤器14，安全阀15，双氧水流量计16，燃油流量计17，高压共轨18，烟度计19等部件构成；其中电磁阀13安装在双氧水管路上，便于控制双氧水的流量；压力调节器8调节双氧水容器内的压力，使箱内压力保持恒定；安全阀15安装在双氧水的储存箱上，箱内压力超过安全阀的开启压力时，安全阀开启泄压，起到保护的作用；乳化器9是一个搅拌装置，将燃油和双氧水乳化均匀。
双氧水的控制策略大致是：首先设定在不同的工况下的NOx和烟度的限度值，然后根据柴油机的运行工况预估双氧水的添加量，用烟度计和NOx传感器采集信号，并将信号发送到ECU。在控制策略中以NOx为主要控制目标,调节双氧水的添加量来控制NOx的排放值；NOx达到限度值之后再调节喷射压力来调节尾气中烟度的排放,此策略能够实现同时降低NOx和烟度的效果。
燃油中添加双氧水和双氧水的控制方法通过下列的步骤实现：
步骤一：采集柴油机的转速和转矩信号，发送给柴油机的控制单元。
步骤二：通过柴油机的转速和转矩信号判断柴油机的工况，根据柴油机的不同工况设定NOx和烟度的排放限值。
步骤三：根据该工况下基础的试验数据导出NOx排放和双氧水比率的映射关系，从而决定电磁阀的开度。双氧水比率的计算公式如下：
双氧水比率＝双氧水的量/(燃油量+双氧水的量)
步骤四：用NOx传感器和烟度计采集NOx和烟度信号，接入到柴油机的控制器上。将尾气排放中的NOx信号反馈到柴油机的ECU中，若尾气中的NOx高于预估的限度值，增加双氧水的喷射量，直到NOx降到限度值以下，然后比较烟度值，若烟度超过限度值，那么增加轨压使烟度降到限度值；若尾气中的NOx低于预估的限度值，那就比较烟度值，若烟度超过限度值，那么增加轨压使烟度降到限度值。
步骤三所述的神经网络如下：
神经网络模型是模仿人脑的神经网络结构和功能，并对其进行抽象和简化的计算模型。其具有容错性好、自适应性强、精确性高等优点，因此广泛的应用在非线性研究领域。神经网络的结构示意图包括：输入信号、带有权值的连接、求和单元、激励函数以及输出信号，如图2所示。本发明中输入层选取转速、转矩、双氧水比率作为模型的输入层变量，烟度和NOx是反馈中的变量，是模型中的预测对象，选作输出层向量，如图3所示。
下面参照附图并结合实例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，整个柴油机的燃油系统和双氧水添加系统的布局，燃油和双氧水在乳化器中混合均匀之后进入到高压共轨系统，然后再喷入到气缸内。由于双氧水的控制策略中需要实时调节双氧水的比率，为了提高双氧水控制的响应性，双氧水的供应入口要尽量接近发动机的喷嘴。电磁阀(13)安装在双氧水管路上，便于控制双氧水的流量；压力调节器(8)调节双氧水容器内的压力，使箱内压力保持恒定；安全阀(15)安装在双氧水的储存箱上，箱内压力超过安全阀的开启压力时，安全阀开启泄压，起到保护的作用；乳化器(9)是一个搅拌装置，将燃油和双氧水乳化均匀。
如图3所示，是一个神经网络计算模型，通过柴油机的转速、转矩和双氧水的比率计算出柴油机的烟度和NOx值。
实例一：如图4所示
(1)采集柴油机的转速和转矩信号如转速为1650r/min转矩为700N(50％负荷)，发送给柴油机的控制单元。
(2)在柴油机1650r/min，50％负荷的工况下，根据柴油机的转速、转矩设定柴油机尾气排放中的NOx(600ppm)和烟度(1％)的限值。
(3)根据该工况下基础的试验数据导出NOx排放和双氧水比率的映射关系，从而决定电磁阀(6)的开度(20％)。
(4)通过NOx传感器和烟度计采集尾气中的NOx和烟度信号，若NOx超过600ppm，烟度超过1％，那么就增加电磁阀的开度，提高双氧水的比率，使NOx降到600ppm以下，若此时烟度仍高于1％，那就提高轨压，降低烟度；若NOx不超过600ppm，那就保持此时的电磁阀的开度。

Claims (7)

1.一种燃油中加入双氧水的控制系统，包括柴油机(1)、排气管(2)、燃油喷嘴(4)、ECU(5)、燃油箱(11)、高压共轨(18)，其特征在于：它还包括双氧水储存箱(7)及控制系统，所述的双氧水储存箱(7)依次通过电磁阀(13)及双氧水流量计(16)连接在燃油管路(10)上，在所述的排气管(2)上分别连接有NOx传感器(3)及烟度计(19)，NOx传感器(3)及烟度计(19)采集的信号反馈给ECU(5)，ECU(5)通过电磁阀控制器(6)控制电磁阀(13)，用于控制双氧水的加入量。
2.根据权利要求1所述的一种燃油中加入双氧水的控制系统，其特征在于：在所述的双氧水存储箱(7)上安装压力调节器(8)调节箱内的压力，使压力保持恒定。
3.根据权利要求1所述的一种燃油中加入双氧水的控制系统，其特征在于：在所述的双氧水存储箱(7)上安装安全阀(15)，箱内压力超过安全阀的开启压力时，安全阀开启泄压。
4.根据权利要求1所述的一种燃油中加入双氧水的控制系统，其特征在于：在所述的燃油管路(10)上，高压共轨(18)之前接入乳化器(9)，将燃油和双氧水乳化均匀。
5.根据权利要求1所述的一种燃油中加入双氧水的控制系统，其特征在于：在双氧水的管道上，进入燃油管路(10)之前安装双氧水过滤器(14)。
6.一种燃油中加入双氧水的控制策略，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：采集柴油机的转速和转矩信号，发送给柴油机的控制单元；
步骤二：通过柴油机的转速和转矩信号判断柴油机的工况，根据柴油机的不同工况设定NOx和烟度的排放限值；
步骤三：根据基础实验和神经网络计算出排放中NOx和双氧水比率的映射关系，其中双氧水的比率通过电磁阀的开度来控制；
步骤四：用NOx传感器和烟度计采集NOx和烟度信号，接入到柴油机的控制器上，将尾气排放中的NOx信号反馈到柴油机的ECU中，若尾气中的NOx高于预估的限度值，增加双氧水的喷射量，直到NOx降到限度值以下，然后比较烟度值，若烟度超过限度值，那么增加轨压使烟度降到限度值。
7.根据权利要求6所述的一种燃油中加入双氧水的控制策略，其特征在于：步骤三所述的双氧水比率的计算公式如下：
双氧水比率＝双氧水的量/(燃油量+双氧水的量)。
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