CN105020032B - 一种新型自适应气体燃料控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自适应气体燃料控制系统，能够自动识别与控制多种气体燃料类型的内燃机车辆、船舶或发电机组等。一种新型自适应气体燃料控制系统，所述该控制系统实现对应气体燃料自适应调整控制。所述控制系统包括气体燃料箱、进气管线、电磁阀、第一压力传感器、第二压力传感器、减压阀、内燃机及一电子控制单元。本发明的效果是，使用可燃气体浓度传感器和单一电子控制单元或ECU控制任意组分气体燃料，实现多种气体燃料自动切换控制，硬件结构简单，成本低，使用与维护方便。同时，在没有或不启动传感器时，用户可以选择预设燃料或者输入燃料类型与比例，ECU调取匹配的过量空气系数和喷射脉宽，控制燃烧。

Description

一种新型自适应气体燃料控制系统

技术领域

本发明涉及一种自适应气体燃料控制系统，能够自动识别与控制多种气体燃料类型的内燃机车辆、船舶或发电机组等。

背景技术

目前，公知的燃料控制系统构造为针对特定的燃料类型，如汽油、柴油、甲醇、天然气、焦炉煤气、沼气、纯甲烷气、纯氢气等，电子控制单元或ECU根据特定程序与固定参数控制内燃机或发电机组。如果需要更换燃料类型，除了进行必要的硬件改造，还需要改变或者增加新的电子控制单元，针对新的燃料种类进行控制。如需要两种燃料切换使用，需要增加燃料切换开关，人工选择并切换燃料及控制系统。随着新型气体燃料的出现与应用，这种传统的燃料控制及切换方法难以满足多种气体燃料的灵活切换需求，而且改装成本高，操作不便，也存在误操作带来的安全隐患。

发明内容

为克服传统燃料控制系统的上述不足，更好地满足对多种气体燃料灵活切换的需求，本发明提供一种自适应气体燃料控制系统，该系统不仅能实时测出当前气体燃料成分，而且电子控制单元能够根据气体燃料成分使用不同参数进行自动控制，满足内燃机或发电机组的动力输出或排放等目标。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：内燃机车辆、船舶或发电机组所使用的气体燃料可由天然气、焦炉煤气、沼气、纯甲烷气、纯氢气或上述可燃气体与其他不可燃气体按照任意比例混合而成，燃料需满足系统启动与运行的最低热值要求。在燃料管线入口处，使用甲烷和氢气传感器，实时监测燃料线路中氢气和甲烷的浓度，其浓度范围均为0～100％。内燃机车辆、船舶或发电机组的电子控制单元根据不同燃料特性，发送相应的控制指令与参数进行控制，并可以根据动力或排放的实时反馈数据进行闭环控制。燃料切换和控制过程无需人工干预。

一种自适应气体燃料控制系统，所述自适应气体燃料控制系统实现对应气体燃料自适应调整控制。

进一步地，所述自适应气体燃料控制系统包括气体燃料箱、进气管线、电磁阀、第一压力传感器、第二压力传感器、减压阀、气体增压泵、内燃机及一电子控制单元。

进一步地，所述气体燃料箱通过进气管线连接内燃机的输入端，所述内燃机的输出端连接排气管，所述进气管线上依次设置有气体增压泵、电磁阀、压力表、第一压力传感器、减压阀、可燃气浓度传感器，第二压力传感器，所述排气管上设置有氧传感器，其中所述电磁阀、第一压力传感器、减压阀、可燃气体浓度传感器、第二压力传感器、内燃机及氧传感器均连接在电子控制单元上。

进一步地，所述电子控制单元用于控制电磁阀的打开及关闭、控制减压阀所要减少的压力，获得第一压力传感器及第二压力传感器提供的气体压力值，获得氧传感器提供的氧气含量测值。

进一步地，所述气体燃料箱为高压氢气储气罐、高压天然气储气罐、LNG储罐或液氢储罐。

进一步地，所述排气管上还设有空燃比传感器，所述可燃气体浓度传感器为烷烃类可燃气体探测器；

所述气体燃料箱中存放的气体燃料为天然气及氢气的混合体，所述自控模型通过空燃比检测到的空燃比输出值及所述氧传感器检测的氧浓度输出值加权计算得出理想的空燃比，进而将气体燃料及空气的比值控制在理想空燃比上，进行燃烧。

进一步地，所述内燃机内设有喷射阀及制动火花塞，在内燃机内通过喷射阀喷射气体燃料，同时致动火花塞，能够直接点燃气体燃料，通过判断天然气的供应量和进气量来计算空气过剩率，以及当所述内燃机在所述空气过剩率能够保持为等于或大于1.5的工作区域内工作时，所述电子控制单元选择用预先混合燃烧的工作模式，当所述空气过剩率低于1.5时，所述电子控制单元选择用扩散燃烧工作模式。

本发明的效果是，使用可燃气体浓度传感器和单一电子控制单元或ECU控制任意组分气体燃料，实现多种气体燃料自动切换控制，硬件结构简单，成本低，使用与维护方便。同时在没有或不启动传感器时，用户可以选择预设燃料或者输入燃料类型与比例，ECU调取匹配的过量空气系数和喷射脉宽，控制燃烧。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的内燃机示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

如图1所示，为本发明第一实施例，第一实施例提供的一种自适应气体燃料控制系统，所述自适应气体燃料控制系统包括气体燃料箱1、进气管线2、电磁阀3、第一压力传感器5、第二压力传感器8、减压阀6、气体增压泵14、内燃机9及一电子控制单元10，所述气体燃料箱1通过进气管线2连接内燃机9的输入端，所述内燃机9的输出端连接排气管12，所述进气管线2上依次设置有气体增压泵14、电磁阀3、压力表4、第一压力传感器5、减压阀6、可燃气浓度传感器7，第二压力传感器8，所述排气管12上设置有氧传感器11，其中所述气体增压泵14、电磁阀3、第一压力传感器5、减压阀6、可燃气体浓度传感器7、第二压力传感器8、内燃机9及氧传感器11均连接在电子控制单元上10。

所述电子控制单元10用于控制电磁阀3的打开及关闭、控制减压阀6所要减少的压力，获得第一压力传感器5及第二压力传感器8提供的气体压力值，获得氧传感器11提供的氧气含量测值。

所述电子控制单元10可为ECU，所述ECU包括CPU、ROM、RAM、输入/输出端口、存储装置等(图中均未示出)，所述内燃机9亦可替换为蒸汽轮机本体。所述压力传感器均通过A/D转换器(未示出)连接ECU。

通过上述装置，本发明的自适应气体燃料控制系统内的电子控制单元设置有一气体燃料自控模型，所述自控模型采集压力传感器及、可燃气体浓度传感器、及氧传感器反馈的信息后，通过自控模型的控制判断，对电磁阀及减压阀进行控制，实现对内燃机内的点火提前角、喷射脉宽进行控制，所述自控模型缓存有固定的内置参数集，参数集上记录有在不同范围的气体燃料浓度具有相应的调节值，前述的对应为长期试验获得的经验值。同时，在没有或不启动传感器时，用户可以选择预设燃料或者输入燃料类型与比例，ECU调取匹配的过量空气系数和喷射脉宽，控制燃烧。

第二实施例，本实施例与上述实施例部分相同，唯不同之处在于，所述排气管12上设有空燃比传感器，所述空燃比传感器为现有技术中的普通空燃比传感器，所述可燃气体浓度传感器7为现有技术中的烷烃类可燃气体探测器，所述可燃气体探测器用于检测烷烃类气体浓度。

本实施例中气体燃料箱1中存放的气体燃料为天然气及氢气的混合体，其中氢气所占体积分数为1-50％，其余为天然气，然而，提供的气体燃料不具有准确的氢气及天然气比值，在燃烧的过程中，需要控制系统应变不同的氢气天然气比值、及不同的气压条件，具体调整到适应当前比值下的最佳供能效果，因此所述自控模型通过空燃比检测到的空燃比输出值及所述氧传感器检测的氧浓度输出值加权计算得出理想的空燃比，进而将气体燃料及空气的比值控制在理想空燃比上，进行燃烧，将可气体燃料保持最优的供能效果。

上述在具体通过空燃比输出值及氧浓度输出值加权计算得出理想的空燃比的过程中，具体在加权计算后，将可燃气体中天然气的浓度变化率作为经验系数，乘以加权计算获得的值，获得理想空燃比。

第三实施例，本实施例与上述实施例部分相同，唯不同之处在于，所述内燃机9内设有喷射阀91及制动火花塞92，在内燃机9内通过喷射阀喷射气体燃料，同时致动火花塞92，能够直接点燃气体燃料，在这种情况下，为气体燃料与空气扩散混合并继续燃烧，为扩散燃烧方式，同时另一种燃烧方式为通过喷射阀91将内燃机9内充满天然气-空气混合物后，在致动火花塞，实现预先混合燃烧，通过判断天然气的供应量和进气量来计算空气过剩率，以及当所述内燃机在所述空气过剩率能够保持为等于或大于1.5的工作区域内工作时，所述电子控制单元10选择用预先混合燃烧的工作模式，当所述空气过剩率低于1.5时，所述电子控制单元选择用扩散燃烧工作模式。本实施例可实现在低负载区域到高负载区域的较宽工作范围上，都能够以高效率和低排放运行。

第四实施例，本实施例与上述实施例部分相同，唯不同之处在于，所述进气管线2周侧设有设有纳米促进层13，所述纳米促进层13内设有纳米促进材料，所述纳米促进材料包括纳米粉末促进剂、粘结剂、膨胀系数调节剂和混合助剂；所述纳米粉末促进剂：粘结剂：膨胀系数调节剂：混合助剂＝40-60：5-8：20-30：10-15；上述比例为重量比。

所述纳米粉末促进剂包括纳米碳化硅粉末40～80重量份、纳米氧化铜30～60重量份、氧化锆粉末5～30重量份、氧化铬粉末5～10重量份和硅粉1～10重量，其中所述纳米碳化硅粉末的粒径为100-200nm；所述纳米氧化铜的粒径为200-300nm；所述氧化锆粉末、氧化铬粉末的粒径可为20μm-500μm。所述硅粉的粒径小于4.5μm，具体为2.0μm-4.5μm。

本发明采用纳米碳化硅粉末及纳米氧化铜粉末透过促进孔实现进气管线内的气体燃料进行促进增压混合，其中碳化硅、氧化锆粉末及氧化铬粉末构成第一层增压促进，所述纳米氧化铜与所述硅粉构成第二层增压促进，并两层增压促进相互叠加，增压促进具体对进气管线内的气体燃料进行辐照，能量以电磁波的形式扩散，并所述纳米促进层除去相对于促进通道的一侧的其他外壳，内侧均为镀银纤维结构，将能量有效汇聚于纳米促进层相对于进气管线的一侧。同时所述纳米促进层相对于输油管的一侧设有辅助纳米片，所述该辅助纳米片的厚度为0.1mm-0.5mm，所述辅助纳米片为镀有金属涂层的石墨烯纳米片，所述辅助纳米片外侧，即为相对于进气管线的一侧设有一层BiOCl(Br)纳米层。所述BiOCl(Br)纳米层的厚度为3μm-10μm；所述该BiOCl(Br)纳米层提供第三层增压促进，相对于前述两层采用的红外促进，此次采用的为紫外促进三层促进均作用于进气管线上的管壁上，并三层促进作用进气管线管壁，实现增压，增气体分子的活动速率，提高气体燃料的活性，使其稳定快速燃烧释放能量。

所述粘结剂为磷酸二氢铝。所述膨胀系数调节剂为堇青石粉体和铬酸钴尖晶石粉体，所述堇青石粉体和铬酸钴尖晶石粉体的重量比为1：3。

所述混合助剂为分散剂、消泡剂，所述分散剂与所述消泡剂的比例为1-3：3-5所述消泡剂为矿物油、有机硅或改性石蜡其中的一种或多种混合，所述分散剂为六偏磷酸钠、十二烷基苯磺酸钠或阴离子型聚合物盐中的一种或多种；其中所述分散剂及消泡剂可有效保证上述的纳米粉末促进剂的混合。

Claims (6)

1.一种自适应气体燃料控制系统，其特征在于，所述自适应气体燃料控制系统实现对应气体燃料自适应调整控制；

所述自适应气体燃料控制系统包括气体燃料箱、进气管线、电磁阀、第一压力传感器、第二压力传感器、减压阀、气体增压泵、内燃机及一电子控制单元；

所述进气管线周侧设有纳米促进层，所述纳米促进层内设有纳米促进材料，所述纳米促进材料包括纳米粉末促进剂、粘结剂、膨胀系数调节剂和混合助剂；

所述纳米粉末促进剂包括纳米碳化硅粉末、纳米氧化铜、氧化锆粉末、氧化铬粉末和硅粉；采用纳米碳化硅粉末及纳米氧化铜粉末透过促进孔实现进气管线内的气体燃料进行促进增压混合，其中碳化硅、氧化锆粉末及氧化铬粉末构成第一层增压促进，所述纳米氧化铜与所述硅粉构成第二层增压促进，并两层增压促进相互叠加，增压促进具体对进气管线内的气体燃料进行辐照，能量以电磁波的形式扩散，并所述纳米促进层除去相对于促进通道的一侧的其他外壳，内侧均为镀银纤维结构，将能量有效汇聚于纳米促进层相对于进气管线的一侧；

所述纳米促进层相对于所述进气管线的一侧设有辅助纳米片，所述辅助纳米片的厚度为0.1mm-0.5mm，所述辅助纳米片为镀有金属涂层的石墨烯纳米片，所述辅助纳米片外侧，即为相对于进气管线的一侧设有一层BiOCl(Br)纳米层。

2.根据权利要求1所述的自适应气体燃料控制系统，其特征在于，所述气体燃料箱通过进气管线连接内燃机的输入端，所述内燃机的输出端连接排气管，所述进气管线上依次设置有气体增压泵、电磁阀、压力表、第一压力传感器、减压阀、可燃气浓度传感器，第二压力传感器，所述排气管上设置有氧传感器，其中所述气体增压泵、电磁阀、第一压力传感器、减压阀、可燃气体浓度传感器、第二压力传感器、内燃机及氧传感器均连接在电子控制单元上。

3.根据权利要求2所述的自适应气体燃料控制系统，其特征在于，所述电子控制单元用于控制电磁阀的打开及关闭、控制减压阀所要减少的压力，获得第一压力传感器及第二压力传感器提供的气体压力值，获得氧传感器提供的氧气含量测值。

4.根据权利要求1所述的自适应气体燃料控制系统，其特征在于，所述气体燃料箱为高压氢气储气罐、高压天然气储气罐、LNG储罐或液氢储罐。

5.根据权利要求2所述的自适应气体燃料控制系统，其特征在于，所述排气管上还设有空燃比传感器，所述可燃气体浓度传感器为烷烃类可燃气体探测器；

所述气体燃料箱中存放的气体燃料为天然气及氢气的混合体，自控模型通过空燃比传感器检测到的空燃比输出值及所述氧传感器检测的氧浓度输出值加权计算得出理想的空燃比，进而将气体燃料及空气的比值控制在理想空燃比上，进行燃烧。

6.根据权利要求1所述的自适应气体燃料控制系统，其特征在于，所述内燃机内设有喷射阀及制动火花塞，在内燃机内通过喷射阀喷射气体燃料，同时致动火花塞，能够直接点燃气体燃料，通过判断天然气的供应量和进气量来计算空气过剩率，以及当所述内燃机在所述空气过剩率能够保持为等于或大于1.5的工作区域内工作时，所述电子控制单元选择用预先混合燃烧的工作模式，当所述空气过剩率低于1.5时，所述电子控制单元选择用扩散燃烧工作模式。