CN105370418A - 一种柴油掺烧天然气的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种柴油掺烧天然气的控制方法，所述柴油掺烧天然气的控制方法包括以下步骤：步骤S1：增设用于控制空气的供应量的节气门，设定发动机的有效功率阈值；步骤S2：测量发动机的当前油门踏板开度和曲轴的当前转速，从而计算得到发动机的当前有效功率；步骤S3：比较发动机的当前有效功率和有效功率阈值的大小，当发动机的当前有效功率小于有效功率阈值时，则通过节气门调节进气压力，来控制空气的供应量，以减小发动机内部的气缸实际空燃比，并通过控制柴油和/或天然气的供应量来增大第一实际NG掺烧比；本发明的柴油掺烧天然气的控制方法简单易行，具有极强的操作性。

Description

一种柴油掺烧天然气的控制方法

技术领域

本发明涉及发动机控制系统，尤其涉及一种柴油掺烧天然气的控制方法。

背景技术

当前，能源和环境污染问题越来越突出；汽车尾气成为了城市空气污染的主要因素，为了减少汽车运营成本节约能源，减小汽车尾气对环境的污染，在保证发动机原有动力性的基础上使用天然气作为掺烧能源的混合动力汽车发展起来。其中，天然气具有比柴油更好的燃料经济性，且尾气污染物含量更低。而柴油掺烧天然气的控制方法直接影响混合动力汽车的废气排放和燃料经济性等指标。由于天然气为气体燃料，其供应量受很多因素影响，比如温度、气缸内部压力、天然气纯度、天然气喷嘴特性等，这些因素导致了现有的柴油掺烧天然气的控制方法并不能精确控制整个参与燃烧的天然气的供应量。同时，现有发动机没有对进入空气进行控制，这样不管负荷是多少都保持一定量的进气，这样，空气都在任何工况下都是过量状态，缺少控制手段。这使得发动机在各个工况点不能工作在最佳状态下，进而影响整个发动机运行的稳定性、动力性、经济性。具体地，当发动机开始启动时，该发动机的有效功率较小，此时，发动机内部的空气量较大，即发动机内部的空燃比过大；这时，若NG(即天然气)掺烧比过大，由于天然气在空气中的的密度要小于柴油能点燃的密度，则会出现天然气难以被点燃的问题。当发动机高速运转时，该发动机的有效功率较大；此时，由于相比于纯烧柴油，天然气的燃烧速度更高，产生的缸内压力也更高，天然气的供应会发生过量现象；此时，若增大NG掺烧比，则会增大发动机的有效功率和缸内压力，从而损坏发动机。

发明内容

本发明针对现有柴油掺烧天然气汽车的燃料控制方法会损坏汽车发动机的问题，提出了一种柴油掺烧天然气的控制方法。

本发明就其技术问题提出以下技术方案：

本发明提供了一种柴油掺烧天然气的控制方法，所述柴油掺烧天然气的控制方法包括以下步骤：

步骤S1：增设用于控制空气的供应量的节气门，设定发动机的有效功率阈值；

步骤S2：测量发动机的当前油门踏板开度和曲轴的当前转速，从而计算得到发动机的当前有效功率；

步骤S3：比较发动机的当前有效功率和有效功率阈值的大小，当发动机的当前有效功率小于有效功率阈值时，则通过节气门调节进气压力，来控制空气的供应量，以减小发动机内部的气缸实际空燃比，并通过控制柴油和/或天然气的供应量来增大第一实际NG掺烧比；

其中，第一实际NG掺烧比是根据天然气流量阀测量的天然气供应量和柴油流量阀测量的柴油供应量计算得到的NG掺烧比。

本发明上述的控制方法中，所述步骤S2包括：

设置发动机的油门踏板开度与发动机的有效扭矩的对应关系；

根据发动机的当前油门踏板开度，以及发动机的油门踏板开度与发动机的有效扭矩的对应关系，得到发动机的当前有效扭矩；

根据发动机的当前有效扭矩和曲轴的当前转速，计算得到发动机的当前有效功率。

本发明上述的控制方法中，曲轴的当前转速通过转速计测得。

本发明上述的控制方法中，所述步骤S1还包括：

将有效功率阈值确定为

其中，Te_max为发动机的有效扭矩Te的最大值，其单位为Nm；

n为发动机的曲轴转速，其单位为r/min。

本发明上述的控制方法中，步骤S1还包括：设定第一理想NG掺烧比与发动机的油门踏板开度和曲轴的转速的对应关系；并设定气缸目标空燃比与发动机的油门踏板开度和曲轴的转速的对应关系；

步骤S2还包括：根据测量得到的发动机的当前油门踏板开度和曲轴的当前转速，以及第一理想NG掺烧比与发动机的油门踏板开度和曲轴的转速的对应关系，得到发动机的当前第一理想NG掺烧比；并根据测量得到的发动机的当前油门踏板开度和曲轴的当前转速，以及气缸目标空燃比与发动机的油门踏板开度和曲轴的转速的对应关系，得到发动机的当前气缸目标空燃比；

步骤S3还包括：通过控制柴油和/或天然气的供应量将第一实际NG掺烧比调整为当前第一理想NG掺烧比，通过控制空气的供应量将发动机内部的气缸实际空燃比调整为发动机的当前气缸目标空燃比。

本发明上述的控制方法中，步骤S3还包括：当发动机当前有效功率大于或等于有效功率阈值时，获取第二实际NG掺烧比，然后通过调整柴油和/或天然气的供应量将第二实际NG掺烧比调整为当前第一理想NG掺烧比，通过调整空气的供应量将发动机内部的气缸实际空燃比调整为发动机当前气缸目标空燃比；

其中，第二实际NG掺烧比是通过发动机气缸所排放的废气中的氧气含量计算得到的NG掺烧比。

本发明上述的控制方法中，步骤S1还包括：设定第二理想NG掺烧比与发动机的油门踏板开度和曲轴的转速的对应关系；并设定气缸目标空燃比与发动机的油门踏板开度和曲轴的转速的对应关系；在步骤S1和步骤S2之间，还包括步骤S11：判断发动机气缸是否通入有布朗气体；若否，则依次执行步骤S2和步骤3；

若是，则执行以下步骤：

步骤S12：测量发动机的当前油门踏板开度和曲轴的当前转速，从而计算得到发动机的当前有效功率；根据测量得到的发动机的当前油门踏板开度和曲轴的当前转速，以及第二理想NG掺烧比与发动机的油门踏板开度和曲轴的转速的对应关系，得到发动机的当前第二理想NG掺烧比；并根据测量得到的发动机的当前油门踏板开度和曲轴的当前转速，以及气缸目标空燃比与发动机的油门踏板开度和曲轴的转速的对应关系，得到发动机的当前气缸目标空燃比；

步骤S13：比较发动机的当前有效功率和有效功率阈值的大小，当发动机的当前有效功率小于有效功率阈值时，则将第一实际NG掺烧比调整为当前第二理想NG掺烧比，将发动机内部的气缸实际空燃比调整为发动机的当前气缸目标空燃比；当发动机当前有效功率大于或等于有效功率阈值时，获取第二实际NG掺烧比，然后通过调整柴油和/或天然气的供应量将第二实际NG掺烧比调整为当前第二理想NG掺烧比，将发动机内部的气缸实际空燃比调整为发动机当前气缸目标空燃比；

其中，第二实际NG掺烧比是通过发动机气缸所排放的废气中的氧气含量计算得到的NG掺烧比。

本发明上述的控制方法中，所述获取该第二实际NG掺烧比包括以下步骤：

步骤S31：测量发动机气缸排放的废气中的氧气含量，并根据该发动机气缸排放的废气中的氧气含量计算得到发动机气缸内部的过量空气系数；测定气缸的当前进气歧管压力、以及发动机的当前气缸进气温度；获取发动机单缸排量；并根据气缸的当前进气歧管压力和发动机单缸排量、发动机的当前气缸进气温度以及曲轴的当前转速，计算得到发动机气缸的空气实际总消耗量；根据柴油的喷射时间，计算得到向发动机气缸中喷射的柴油喷射量；

其中，过量空气空气系数λ为：

$\mathrm{\λ}=\frac{Q_{\mathrm{air}}}{Q_{\mathrm{ex}}}$

Q_air为标准状态的空气中的氧气含量；

Q_ex为发动机气缸排放的废气中的氧气含量；

空气实际总消耗量M_air为：

$M_{\mathrm{air}}=\frac{\mathrm{KVP}}{T}\·f1\left(n\right)$

K为空气的平均摩尔质量与理想气体常数之商；

V为发动机单缸排量；

P为进气歧管压力；

n为发动机的曲轴转速；

T为气缸进气温度(开氏温度)；

f1(n)为实际空气质量计算的转速修正，用于修正进气歧管压力与气缸在活塞运动到下死点时的内压力之差；

柴油喷射量M_Diesel为：

M_Diesel＝f2(T_Diesel)

T_Diesel为柴油喷射时间；

f2为是T_Diesel和M_Diesel的对应关系；

步骤S32：根据过量空气系数和柴油喷射量计算得到柴油消耗的空气量；然后计算空气实际总消耗量与柴油消耗的空气量之差，得到天然气消耗的空气量；

其中，柴油消耗的空气量M_{air_Diesel}为：

M_{air_Diesel}＝14.3·λ·M_Diesel

M_Diesel为柴油喷射量；

λ为过量空气空气系数；

天然气消耗的空气量M_{air_NG}为：

M_{air_NG}＝M_air-M_{air_Diesel}

M_air为空气实际总消耗量；

M_{air_Diesel}为柴油消耗的空气量；

步骤S33：根据天然气消耗的空气量和过量空气系数计算得到天然气消耗量；

其中，天然气消耗量M_NG为：

M_NG＝M_{air_NG}/(16.7·λ)

λ为过量空气空气系数；

M_{air_NG}为天然气消耗的空气量；

步骤S34：根据天然气消耗量和柴油喷射量计算得到第二实际NG掺烧比；

其中，第二实际NG掺烧比η₂为：

${\mathrm{\η}}_2=\frac{M_{\mathrm{NG}}}{M_{\mathrm{Diesel}}+M_{\mathrm{NG}}};$

M_NG为天然气消耗量；

M_Diesel为柴油喷射量。本发明通过增加节气门来调整进气压力，以控制空气的供应量，在当发动机的有效功率较小时，通过适当减小发动机内部的空燃比，使天然气更容易燃烧，从而适当地增大NG掺烧比。还通过测量发动机的废气中的氧气含量，以及发动机气缸的有关参数，间接地计算得到发动机气缸内部的实际NG掺烧比(本实施例记为第二实际NG掺烧比)，并根据该第二实际NG掺烧比来控制燃料的供应。本发明还用布朗气体部分或全部取代空气，进一步地提高第一理想NG掺烧比，从而提高NG掺烧比的极限值。本发明的柴油掺烧天然气的控制方法简单易行，具有极强的操作性。

具体实施方式

第一实施例

本发明的技术思路在于：增设用于控制空气的供应量的节气门，在当发动机的有效功率较小时，通过节气门适当减小发动机内部的空燃比，使天然气更容易燃烧，从而适当地增大NG掺烧比。

本发明的柴油掺烧天然气的控制方法包括以下步骤：

步骤100：增设用于控制空气的供应量的节气门，设定发动机的有效功率阈值；

本发明中，节气门为现有的电子节气门，该节气门串接在进气通道上，用于阻挡空气进入，该节气门开度越小，则进入发动机的空气就越少。

这里，有效功率阈值是用来表征发动机是否处于小负荷工况的标尺。

发动机的有效功率是指通过发动机曲轴输出的功率，表示发动机在单位时间内所做的功，用Pe表示。

有效功率Pe与有效扭矩Te和曲轴转速n有关。具体地，

$\mathrm{Pe}=\frac{\mathrm{Te}\·n}{9550}\mathrm{kw}$

其中，Te的单位为Nm，n的单位为r/min。

发动机的有效扭矩Te的最大值称为最大扭矩Te_max。而最大扭矩Te_max为发动机本征的属性。

一般地，在汽车工程领域上，当发动机的有效扭矩Te小于50％Te_max时，将此时发动机的工况称为小负荷工况；当发动机的有效扭矩Te大于或等于50％Te_max，小于80％Te_max时，将此时发动机的工况成为中负荷工况；当发动机的有效扭矩Te大于或等于80％Te_max时，将此时发动机的工况成为大负荷工况。

因此，本实施例中，将有效功率阈值确定为可以理解，有效功率阈值并不限于而可根据发动机的机械结构和性能，进行其他设定。

步骤200：测量发动机的当前油门踏板开度和曲轴的当前转速，从而计算得到发动机的当前有效功率；

本步骤还包括以下步骤：

设置发动机的油门踏板开度与发动机的有效扭矩的对应关系；

根据发动机的当前油门踏板开度，以及发动机的油门踏板开度与发动机的有效扭矩的对应关系，得到发动机的当前有效扭矩；

根据发动机的当前有效扭矩和曲轴的当前转速，计算得到发动机的当前有效功率。

进一步地，曲轴的当前转速定义为发动机的曲轴在当前工况下的转速，可通过转速计测得。

步骤300：比较发动机的当前有效功率和有效功率阈值的大小，当发动机的当前有效功率小于有效功率阈值时，则通过节气门调节进气压力，来控制空气的供应量，以减小发动机内部的气缸实际空燃比，并通过控制柴油和/或天然气的供应量来增大第一实际NG掺烧比；

本步骤中，NG掺烧比的定义为：

$\mathrm{\η}=\frac{M_{\mathrm{NG}}}{M_{\mathrm{NG}}+M_{\mathrm{Diesel}}}$

其中，η为NG掺烧比；

M_NG为天然气的质量；

M_Diesel为柴油的质量。

本实施例中，第一实际NG掺烧比η₁是根据天然气流量阀测量的天然气供应量和柴油流量阀测量的柴油供应量计算得到的NG掺烧比。

在气缸中的氧化气体为空气的基础上，在不同工况下，发动机具有不同的最佳NG掺烧比，本发明将这种最佳NG掺烧比称为第一理想NG掺烧比η_A。本发明将该第一理想NG掺烧比设定为发动机工况的函数，也即是发动机的有效扭矩和曲轴的转速的二元函数；而发动机的有效扭矩与发动机油门踏板开度互相对应；则有：

η_A＝f(X，n)

其中，X为发动机的油门踏板开度；

n为曲轴的转速；

f为第一理想NG掺烧比与发动机的油门踏板开度和曲轴的转速的对应关系。该对应关系根据大量试验而确定。这种对应关系f可定义为：在发动机的油门踏板开度和曲轴的转速下，在保证发动机的有效扭矩和曲轴转速的稳定性，发动机排气温度和冷却液温度不超标，发动机气缸内部压力不超标的基础上，尽可能地增大NG掺烧比，从而取得最大NG掺烧比，而这里的最大NG掺烧比即为第一理想NG掺烧比。

进一步地，本发明中，预先设定与发动机的油门踏板开度和曲轴的转速对应的柴油目标供应量和天然气目标供应量；这样，当发动机的油门踏板开度和曲轴的转速均确定的情况下，就可以确定柴油目标供应量和天然气目标供应量；

而第一理想NG掺烧比就被柴油目标供应量和天然气目标供应量确定。

一般情况下，发动机内部的气缸实际空燃比是恒定的；为了保证在一工况下的柴油目标供应量的柴油和天然气目标供应量的天然气能够尽可能得到有效利用。本发明中，设定了与发动机的油门踏板开度和曲轴的转速对应的发动机内部的气缸目标空燃比，即：

α_A＝M(X，n)

其中，X为发动机的油门踏板开度；

n为曲轴的转速；

M为发动机的油门踏板开度和曲轴的转速与气缸目标空燃比的对应关系；该气缸目标空燃比可定义为：在发动机的油门踏板开度和曲轴的转速下，同时保证发动机的有效扭矩和曲轴转速的稳定性，保证发动机排气温度和冷却液温度不超标，保证发动机气缸内部压力不超标，并使与该油门踏板开度和曲轴的转速对应的柴油目标供应量的柴油和天然气目标供应量的天然气得到最大利用的气缸空燃比。当发动机的气缸实际空燃比减小时，天然气更容易被引燃，发动机的有效扭矩和曲轴转速的稳定性更好；因此，在本实施例中，气缸目标空燃比要小于气缸实际空燃比。可以理解，该气缸目标空燃比和发动机的油门踏板开度和曲轴的转速的对应关系也和发动机的具体结构有关，也是需要通过大量试验而确定的。

在确定了第一理想NG掺烧比和气缸目标空燃比后，就可以对气缸实际空燃比和第一实际NG掺烧比进行精确调整，具体地，

步骤100还包括：设定第一理想NG掺烧比与发动机的油门踏板开度和曲轴的转速的对应关系；并设定气缸目标空燃比与发动机的油门踏板开度和曲轴的转速的对应关系；

步骤200还包括：根据测量得到的发动机的当前油门踏板开度和曲轴的当前转速，以及第一理想NG掺烧比与发动机的油门踏板开度和曲轴的转速的对应关系，得到发动机的当前第一理想NG掺烧比；并根据测量得到的发动机的当前油门踏板开度和曲轴的当前转速，以及气缸目标空燃比与发动机的油门踏板开度和曲轴的转速的对应关系，得到发动机的当前气缸目标空燃比；

这里，当前第一理想NG掺烧比定义为发动机在当前工况下的第一理想NG掺烧比；而发动机的当前气缸目标空燃比定义为发动机内部在当前工况下的气缸目标空燃比。

步骤300还包括：通过控制柴油和/或天然气的供应量将第一实际NG掺烧比调整为当前第一理想NG掺烧比，通过节气门控制空气的供应量将发动机内部的气缸实际空燃比调整为发动机的当前气缸目标空燃比。

第二实施例

第一实施例是假定柴油和天然气的供应都是能够得到控制的情况下的方案；但实际上，天然气的供应在发动机负荷较大时会得不到有效控制，即第一实际NG掺烧比是不准确的。具体地，当发动机处于大负荷工况下，柴油掺烧天然气增大发动机气缸内温度的时间要滞后一些，天然气的供应控制就不准确，从而使发动机控制测量的气缸实际空燃比并不能使发动机内部的燃料得到有效利用；第二实施例的技术思路是：通过测量发动机的废气中的氧气含量，以及发动机气缸的有关参数，间接地计算得到发动机气缸内部的实际NG掺烧比(本实施例记为第二实际NG掺烧比)，并根据该第二实际NG掺烧比来控制燃料的供应。

在本实施例中，本发明的柴油掺烧天然气的控制方法包括以下步骤：

步骤100：增设用于控制空气的供应量的节气门，设定发动机的有效功率阈值；设定第一理想NG掺烧比与发动机的油门踏板开度和曲轴的转速的对应关系；并设定气缸目标空燃比与发动机的油门踏板开度和曲轴的转速的对应关系；

本发明中，节气门为现有的电子节气门，该节气门串接在进气通道上，用于阻挡空气进入，该节气门开度越小，则进入发动机的空气就越少。

这里，有效功率阈值是用来表征发动机是否处于小负荷工况的标尺。

发动机的有效功率是指通过发动机曲轴输出的功率，表示发动机在单位时间内所做的功，用Pe表示。

有效功率Pe与有效扭矩Te和曲轴转速n有关。具体地，

$\mathrm{Pe}=\frac{\mathrm{Te}\·n}{9550}\mathrm{kw}$

其中，Te的单位为Nm，n的单位为r/min。

发动机的有效扭矩Te的最大值称为最大扭矩Te_max。而最大扭矩Te_max为发动机本征的属性。

一般地，在汽车工程领域上，当发动机的有效扭矩Te小于50％Te_max时，将此时发动机的工况称为小负荷工况；当发动机的有效扭矩Te大于或等于50％Te_max，小于80％Te_max时，将此时发动机的工况成为中负荷工况；当发动机的有效扭矩Te大于或等于80％Te_max时，将此时发动机的工况成为大负荷工况。

因此，本实施例中，将有效功率阈值确定为可以理解，有效功率阈值并不限于而可根据发动机的机械结构和性能，进行其他设定。

本步骤中，NG掺烧比的定义为：

$\mathrm{\η}=\frac{M_{\mathrm{NG}}}{M_{\mathrm{NG}}+M_{\mathrm{Diesel}}}$

其中，η为NG掺烧比；

M_NG为天然气的质量；

M_Diesel为柴油的质量。

本实施例中，第一实际NG掺烧比η₁是根据天然气流量阀测量的天然气供应量和柴油流量阀测量的柴油供应量计算得到的NG掺烧比。

在气缸中的氧化气体为空气的基础上，在不同工况下，发动机具有不同的最佳NG掺烧比，本发明将这种最佳NG掺烧比称为第一理想NG掺烧比η_A。本发明将该第一理想NG掺烧比设定为发动机工况的函数，也即是发动机的有效扭矩和曲轴的转速的二元函数；而发动机的有效扭矩与发动机油门踏板开度互相对应；则有：

η_A＝f(X，n)

其中，X为发动机的油门踏板开度；

n为曲轴的转速；

f为第一理想NG掺烧比与发动机的油门踏板开度和曲轴的转速的对应关系。该对应关系根据大量试验而确定。这种对应关系f可定义为：在发动机的油门踏板开度和曲轴的转速下，在保证发动机的有效扭矩和曲轴转速的稳定性，发动机排气温度和冷却液温度不超标，发动机气缸内部压力不超标的基础上，尽可能地增大NG掺烧比，从而取得最大NG掺烧比，而这里的最大NG掺烧比即为第一理想NG掺烧比。

进一步地，本发明中，预先设定与发动机的油门踏板开度和曲轴的转速对应的柴油目标供应量和天然气目标供应量；这样，当发动机的油门踏板开度和曲轴的转速均确定的情况下，就可以确定柴油目标供应量和天然气目标供应量；

而第一理想NG掺烧比就被柴油目标供应量和天然气目标供应量确定。

一般情况下，发动机内部的气缸实际空燃比是恒定的；为了保证在一工况下的柴油目标供应量的柴油和天然气目标供应量的天然气能够尽可能得到有效利用。本发明中，设定了与发动机的油门踏板开度和曲轴的转速对应的发动机内部的气缸目标空燃比，即：

α_A＝M(X，n)

其中，X为发动机的油门踏板开度；

n为曲轴的转速；

M为发动机的油门踏板开度和曲轴的转速与气缸目标空燃比的对应关系；该气缸目标空燃比可定义为：在发动机的油门踏板开度和曲轴的转速下，同时保证发动机的有效扭矩和曲轴转速的稳定性，保证发动机排气温度和冷却液温度不超标，保证发动机气缸内部压力不超标，并使与该油门踏板开度和曲轴的转速对应的柴油目标供应量的柴油和天然气目标供应量的天然气得到最大利用的气缸空燃比。当发动机的气缸实际空燃比减小时，天然气更容易被引燃，发动机的有效扭矩和曲轴转速的稳定性更好；因此，在本实施例中，气缸目标空燃比要小于气缸实际空燃比。可以理解，该气缸目标空燃比和发动机的油门踏板开度和曲轴的转速的对应关系也和发动机的具体结构有关，也是需要通过大量试验而确定的。

这里，当前第一理想NG掺烧比定义为发动机在当前工况下的第一理想NG掺烧比；而发动机的当前气缸目标空燃比定义为发动机内部在当前工况下的气缸目标空燃比。

步骤200：测量发动机的当前油门踏板开度和曲轴的当前转速，从而计算得到发动机的当前有效功率；根据测量得到的发动机的当前油门踏板开度和曲轴的当前转速，以及第一理想NG掺烧比与发动机的油门踏板开度和曲轴的转速的对应关系，得到发动机的当前第一理想NG掺烧比；并根据测量得到的发动机的当前油门踏板开度和曲轴的当前转速，以及气缸目标空燃比与发动机的油门踏板开度和曲轴的转速的对应关系，得到发动机的当前气缸目标空燃比；

本步骤还包括以下步骤：

设置发动机的油门踏板开度与发动机的有效扭矩的对应关系；

根据发动机的当前油门踏板开度，以及发动机的油门踏板开度与发动机的有效扭矩的对应关系，得到发动机的当前有效扭矩；

根据发动机的当前有效扭矩和曲轴的当前转速，计算得到发动机的当前有效功率。

进一步地，曲轴的当前转速定义为发动机的曲轴在当前工况下的转速，可通过转速计测得。

步骤300：比较发动机的当前有效功率和有效功率阈值的大小，当发动机的当前有效功率小于有效功率阈值时，则通过控制柴油和/或天然气的供应量将第一实际NG掺烧比调整为当前第一理想NG掺烧比，通过节气门调节进气压力，来控制空气的供应量，以将发动机内部的气缸实际空燃比调整为发动机的当前气缸目标空燃比；当发动机当前有效功率大于或等于有效功率阈值时，获取第二实际NG掺烧比，然后通过调整柴油和/或天然气的供应量将第二实际NG掺烧比调整为当前第一理想NG掺烧比，通过调整空气的供应量将发动机内部的气缸实际空燃比调整为发动机当前气缸目标空燃比。

第二实际NG掺烧比是通过发动机气缸所排放的废气中的氧气含量计算得到的NG掺烧比，获取该第二实际NG掺烧比包括以下步骤：

步骤301：测量发动机气缸排放的废气中的氧气含量，并根据该发动机气缸排放的废气中的氧气含量计算得到发动机气缸内部的过量空气系数；测定气缸的当前进气歧管压力、以及发动机的当前气缸进气温度；获取发动机单缸排量；并根据气缸的当前进气歧管压力和发动机单缸排量、发动机的当前气缸进气温度以及曲轴的当前转速，计算得到发动机气缸的空气实际总消耗量；根据柴油的喷射时间，计算得到向发动机气缸中喷射的柴油喷射量；

具体地，本步骤中，可在该发动机气缸的排气口处设置线性氧传感器，并通过该线性氧传感器测量该发动机气缸排放的废气中的氧气含量。

而过量空气空气系数λ为：

$\mathrm{\λ}=\frac{Q_{\mathrm{air}}}{Q_{\mathrm{ex}}}$

其中，λ为过量空气系数；

Q_air为标准状态的空气中的氧气含量，一般为23％；

Q_ex为发动机气缸排放的废气中的氧气含量。

进一步地，本步骤中，空气实际总消耗量为：

$M_{\mathrm{air}}=\frac{\mathrm{KVP}}{T}\·f1\left(n\right)$

其中，M_air为发动机气缸的空气实际总消耗量；

K为空气的平均摩尔质量与理想气体常数之商；

V为发动机单缸排量，为发动机的本征属性参数；

P为进气歧管压力；

n为发动机的曲轴转速；

T为气缸进气温度((开氏温度))；

f1(n)为实际空气质量计算的转速修正，用于修正进气歧管压力与气缸在活塞运动到下死点时的内压力之差，该f1(n)与转速n之间的对应关系f1是发动机的本征属性，是通过大量试验测量得到的。

上述式子中，理想气体常数约为8.314J/(mol·K)，空气的平均摩尔质量通过实际测量得到。一般来说，空气的平均摩尔质量约为29g/mol；

进一步地，本实施例中，柴油喷射量M_Diesel为：

M_Diesel＝f2(T_Diesel)

其中，M_Diesel为柴油喷射量；

T_Diesel为柴油喷射时间；

f2为是T_Diesel和M_Diesel的对应关系，是一个线性差值函数关系；该对应关系f2与柴油喷嘴以及喷射速度有关。

步骤302：根据过量空气系数和柴油喷射量计算得到柴油消耗的空气量；然后计算空气实际总消耗量与柴油消耗的空气量之差，得到天然气消耗的空气量；

本步骤中，柴油消耗的空气量M_{air_Diesel}为：

M_{air_Diesel}＝14.3·λ·M_Diesel

其中，M_{air_Diesel}为柴油消耗的空气量；

14.3为柴油的当量空燃比；

λ为过量空气系数；

M_Diesel为柴油喷射量。

天然气消耗的空气量M_{air_NG}为：

M_{air_NG}＝M_air-M_{air_Diesel}

其中，M_{air_NG}为天然气消耗的空气量；

M_air为发动机气缸的空气实际总消耗量；

M_{air_Diesel}为柴油消耗的空气量。

步骤303：根据天然气消耗的空气量和过量空气系数计算得到天然气消耗量；

本步骤中，天然气消耗量M_NG为：

M_NG＝M_{air_NG}/(16.7·λ)

其中，M_NG为天然气消耗量；

M_{air_NG}为天然气消耗的空气量；

16.7为天然气的当量空燃比；

λ为过量空气系数。

步骤304：根据天然气消耗量和柴油喷射量计算得到第二实际NG掺烧比。

本步骤中，第二实际NG掺烧比η₂为：

${\mathrm{\η}}_2=\frac{M_{\mathrm{NG}}}{M_{\mathrm{Diesel}}+M_{\mathrm{NG}}}$

其中，η₂为第二实际NG掺烧比；

M_NG为天然气消耗量；

M_Diesel为柴油喷射量。

第三实施例

布朗气体是由水电解而来，将布朗气体部分取代空气，可以改善燃料的燃烧过程。第三实施例的技术思路是在第一实施例或第二实施例的基础上，用布朗气体部分或全部取代空气，进一步地提高第一理想NG掺烧比。这里，本实施例是将第一理想NG掺烧比提高为第二理想NG掺烧比。

本实施例通过布朗气体发生器来产生布朗气体。在布朗气体的实际运用过程中，发现：布朗气体与空气的比值非常小。

基于第二实施例，步骤100还包括：设定第二理想NG掺烧比与发动机的油门踏板开度和曲轴的转速的对应关系；并设定气缸目标空燃比与发动机的油门踏板开度和曲轴的转速的对应关系；

这里，在气缸中的氧化气体为布朗气体和空气的混合气体的基础上，在不同工况下，发动机也具有不同的最佳NG掺烧比，本发明将这种最佳NG掺烧比称为第二理想NG掺烧比η_B。本发明将该第二理想NG掺烧比设定为发动机工况和布朗气体占氧化气体的含量的函数，这里，本发明中，由于布朗气体通入量很小，所以，本发明中，将布朗气体占氧化气体的含量看作常数，这样，第二理想NG掺烧比也为发动机的有效扭矩和曲轴的转速的二元函数；而发动机的有效扭矩与发动机油门踏板开度互相对应；则有：

η_B＝F(X，n)

其中，X为发动机的油门踏板开度；

n为曲轴的转速。

F为第二理想NG掺烧比与发动机的油门踏板开度和曲轴的转速的对应关系。该对应关系根据大量试验而确定。这种对应关系F可定义为：在通入有布朗气体的情况下，在发动机的油门踏板开度和曲轴的转速下，在保证发动机的有效扭矩和曲轴转速的稳定性，发动机排气温度和冷却液温度不超标，发动机气缸内部压力不超标的基础上，尽可能地增大NG掺烧比，从而取得最大NG掺烧比，而这里的最大NG掺烧比即为第二理想NG掺烧比。

进一步地，本发明中，预先设定在通入有布朗气体的情况下，与发动机的油门踏板开度和曲轴的转速对应的柴油目标供应量和天然气目标供应量；这样，在当通入有布朗气体的情况下，发动机的油门踏板开度和曲轴的转速均确定的情况下，就可以确定柴油目标供应量和天然气目标供应量；

而第二理想NG掺烧比就被柴油目标供应量和天然气目标供应量确定。

在气缸中通入有布朗气体的情况下，为了保证在一工况下的柴油目标供应量的柴油和天然气目标供应量的天然气能够尽可能得到有效利用。本发明中，设定了与发动机的油门踏板开度和曲轴的转速对应的发动机内部的气缸目标空燃比；由于布朗气体不需要额外的氧气，因此在气缸中通入有布朗气体时的气缸目标空燃比应与气缸中没有通入布朗气体时的气缸目标空燃比对应一致，即：

α_A＝M(X，n)

其中，X为发动机的油门踏板开度；

n为曲轴的转速；

M为发动机的油门踏板开度和曲轴的转速与气缸目标空燃比的对应关系；该气缸目标空燃比可定义为：在发动机的油门踏板开度和曲轴的转速下，同时保证发动机的有效扭矩和曲轴转速的稳定性，保证发动机排气温度和冷却液温度不超标，保证发动机气缸内部压力不超标，并使与该油门踏板开度和曲轴的转速对应的柴油目标供应量的柴油和天然气目标供应量的天然气得到最大利用的气缸空燃比。当发动机的气缸实际空燃比减小时，天然气更容易被引燃，发动机的有效扭矩和曲轴转速的稳定性更好；因此，在本实施例中，气缸目标空燃比要小于气缸实际空燃比。可以理解，该气缸目标空燃比和发动机的油门踏板开度和曲轴的转速的对应关系也和发动机的具体结构有关，也是需要通过大量试验而确定的。

这里，当前第二理想NG掺烧比定义为发动机在当前工况下的第二理想NG掺烧比；而发动机的当前气缸目标空燃比定义为发动机内部在当前工况下的气缸目标空燃比。

在步骤100和步骤200之间，还包括步骤110：判断发动机气缸是否通入有布朗气体；若否，则依次执行步骤200-步骤300；

若是，则执行以下步骤：

步骤120：测量发动机的当前油门踏板开度和曲轴的当前转速，从而计算得到发动机的当前有效功率；根据测量得到的发动机的当前油门踏板开度和曲轴的当前转速，以及第二理想NG掺烧比与发动机的油门踏板开度和曲轴的转速的对应关系，得到发动机的当前第二理想NG掺烧比；并根据测量得到的发动机的当前油门踏板开度和曲轴的当前转速，以及气缸目标空燃比与发动机的油门踏板开度和曲轴的转速的对应关系，得到发动机的当前气缸目标空燃比；

本步骤还包括以下步骤：

设置发动机的油门踏板开度与发动机的有效扭矩的对应关系；

根据发动机的当前油门踏板开度，以及发动机的油门踏板开度与发动机的有效扭矩的对应关系，得到发动机的当前有效扭矩；

根据发动机的当前有效扭矩和曲轴的当前转速，计算得到发动机的当前有效功率。

进一步地，曲轴的当前转速定义为发动机的曲轴在当前工况下的转速，可通过转速计测得。

步骤130：比较发动机的当前有效功率和有效功率阈值的大小，当发动机的当前有效功率小于有效功率阈值时，则将第一实际NG掺烧比调整为当前第二理想NG掺烧比，将发动机内部的气缸实际空燃比调整为发动机的当前气缸目标空燃比；当发动机当前有效功率大于或等于有效功率阈值时，获取第二实际NG掺烧比，然后通过调整柴油和/或天然气的供应量将第二实际NG掺烧比调整为当前第二理想NG掺烧比，将发动机内部的气缸实际空燃比调整为发动机当前气缸目标空燃比。

本步骤中，第二实际NG掺烧比是通过发动机气缸所排放的废气中的氧气含量计算得到的NG掺烧比，获取该第二实际NG掺烧比包括以下步骤：

步骤301：测量发动机气缸排放的废气中的氧气含量，并根据该发动机气缸排放的废气中的氧气含量计算得到发动机气缸内部的过量空气系数；测定气缸的当前进气歧管压力、以及发动机的当前气缸进气温度；获取发动机单缸排量；并根据气缸的当前进气歧管压力和发动机单缸排量、发动机的当前气缸进气温度以及曲轴的当前转速，计算得到发动机气缸的空气实际总消耗量；根据柴油的喷射时间，计算得到向发动机气缸中喷射的柴油喷射量；

具体地，本步骤中，可在该发动机气缸的排气口处设置线性氧传感器，并通过该线性氧传感器测量该发动机气缸排放的废气中的氧气含量。

而过量空气空气系数λ为：

$\mathrm{\λ}=\frac{Q_{\mathrm{air}}}{Q_{\mathrm{ex}}}$

其中，λ为过量空气系数；

Q_air为标准状态的空气中的氧气含量，一般为23％；

Q_ex为发动机气缸排放的废气中的氧气含量。

进一步地，本步骤中，空气实际总消耗量为：

$M_{\mathrm{air}}=\frac{\mathrm{KVP}}{T}\·f1\left(n\right)$

其中，M_air为发动机气缸的空气实际总消耗量；

K为空气的平均摩尔质量与理想气体常数之商；

V为发动机单缸排量，为发动机的本征属性参数；

P为进气歧管压力；

n为发动机的曲轴转速；

T为气缸进气温度(开氏温度)；

f1(n)为实际空气质量计算的转速修正，用于修正进气歧管压力与气缸在活塞运动到下死点时的内压力之差，该f1(n)与转速n之间的对应关系f1是发动机的本征属性，是通过大量试验测量得到的。

上述式子中，理想气体常数约为8.314J/(mol·K)，空气的平均摩尔质量通过实际测量得到。一般来说，空气的平均摩尔质量约为29g/mol；

进一步地，本实施例中，柴油喷射量M_Diesel为：

M_Diesel＝f2(T_Diesel)

其中，M_Diesel为柴油喷射量；

T_Diesel为柴油喷射时间；

f2为是T_Diesel和M_Diesel的对应关系，是一个线性差值函数关系；该对应关系f2与柴油喷嘴以及喷射速度有关。

步骤302：根据过量空气系数和柴油喷射量计算得到柴油消耗的空气量；然后计算空气实际总消耗量与柴油消耗的空气量之差，得到天然气消耗的空气量；

本步骤中，柴油消耗的空气量M_{air_Diesel}为：

M_{air_Diesel}＝14.3·λ·M_Diesel

其中，M_{air_Diesel}为柴油消耗的空气量；

14.3为柴油的当量空燃比；

λ为过量空气系数；

M_Diesel为柴油喷射量。

天然气消耗的空气量M_{air_NG}为：

M_{air_NG}＝M_air-M_{air_Diesel}

其中，M_{air_NG}为天然气消耗的空气量；

M_air为发动机气缸的空气实际总消耗量；

M_{air_Diesel}为柴油消耗的空气量。

步骤303：根据天然气消耗的空气量和过量空气系数计算得到天然气消耗量；

本步骤中，天然气消耗量M_NG为：

M_NG＝M_{air_NG}/(16.7·λ)

其中，M_NG为天然气消耗量；

M_{air_NG}为天然气消耗的空气量；

16.7为天然气的当量空燃比；

λ为过量空气系数。

步骤304：根据天然气消耗量和柴油喷射量计算得到第二实际NG掺烧比。

本步骤中，第二实际NG掺烧比η₂为：

${\mathrm{\η}}_2=\frac{M_{\mathrm{NG}}}{M_{\mathrm{Diesel}}+M_{\mathrm{NG}}}$

其中，η₂为第二实际NG掺烧比；

M_NG为天然气消耗量；

M_Diesel为柴油喷射量。

本发明通过增加节气门以控制空气的供应量，在当发动机的有效功率较小时，通过适当减小发动机内部的空燃比，使天然气更容易燃烧，从而适当地增大NG掺烧比。还通过测量发动机的废气中的氧气含量，以及发动机气缸的有关参数，间接地计算得到发动机气缸内部的实际NG掺烧比(本实施例记为第二实际NG掺烧比)，并根据该第二实际NG掺烧比来控制燃料的供应。本发明还用布朗气体部分或全部取代空气，进一步地提高第一理想NG掺烧比，从而提高NG掺烧比的极限值。本发明的柴油掺烧天然气的控制方法简单易行，具有极强的操作性。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种柴油掺烧天然气的控制方法，其特征在于，所述柴油掺烧天然气的控制方法包括以下步骤：

步骤S1：增设用于控制空气的供应量的节气门，设定发动机的有效功率阈值；

步骤S2：测量发动机的当前油门踏板开度和曲轴的当前转速，从而计算得到发动机的当前有效功率；

步骤S3：比较发动机的当前有效功率和有效功率阈值的大小，当发动机的当前有效功率小于有效功率阈值时，则通过节气门调节进气压力，来控制空气的供应量，以减小发动机内部的气缸实际空燃比，并通过控制柴油和/或天然气的供应量来增大第一实际NG掺烧比；

其中，第一实际NG掺烧比是根据天然气流量阀测量的天然气供应量和柴油流量阀测量的柴油供应量计算得到的NG掺烧比。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

设置发动机的油门踏板开度与发动机的有效扭矩的对应关系；

根据发动机的当前油门踏板开度，以及发动机的油门踏板开度与发动机的有效扭矩的对应关系，得到发动机的当前有效扭矩；

根据发动机的当前有效扭矩和曲轴的当前转速，计算得到发动机的当前有效功率。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，曲轴的当前转速通过转速计测得。

4.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：

将有效功率阈值确定为

其中，Te_max为发动机的有效扭矩Te的最大值，其单位为Nm；

n为发动机的曲轴转速，其单位为r/min。

5.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，

步骤S1还包括：设定第一理想NG掺烧比与发动机的油门踏板开度和曲轴的转速的对应关系；并设定气缸目标空燃比与发动机的油门踏板开度和曲轴的转速的对应关系；

步骤S2还包括：根据测量得到的发动机的当前油门踏板开度和曲轴的当前转速，以及第一理想NG掺烧比与发动机的油门踏板开度和曲轴的转速的对应关系，得到发动机的当前第一理想NG掺烧比；并根据测量得到的发动机的当前油门踏板开度和曲轴的当前转速，以及气缸目标空燃比与发动机的油门踏板开度和曲轴的转速的对应关系，得到发动机的当前气缸目标空燃比；

步骤S3还包括：通过控制柴油和/或天然气的供应量将第一实际NG掺烧比调整为当前第一理想NG掺烧比，通过控制空气的供应量将发动机内部的气缸实际空燃比调整为发动机的当前气缸目标空燃比。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，

步骤S3还包括：当发动机当前有效功率大于或等于有效功率阈值时，获取第二实际NG掺烧比，然后通过调整柴油和/或天然气的供应量将第二实际NG掺烧比调整为当前第一理想NG掺烧比，通过调整空气的供应量将发动机内部的气缸实际空燃比调整为发动机当前气缸目标空燃比；

其中，第二实际NG掺烧比是通过发动机气缸所排放的废气中的氧气含量计算得到的NG掺烧比。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，

步骤S1还包括：设定第二理想NG掺烧比与发动机的油门踏板开度和曲轴的转速的对应关系；并设定气缸目标空燃比与发动机的油门踏板开度和曲轴的转速的对应关系；在步骤S1和步骤S2之间，还包括步骤S11：判断发动机气缸是否通入有布朗气体；若否，则依次执行步骤S2和步骤3；

若是，则执行以下步骤：

步骤S12：测量发动机的当前油门踏板开度和曲轴的当前转速，从而计算得到发动机的当前有效功率；根据测量得到的发动机的当前油门踏板开度和曲轴的当前转速，以及第二理想NG掺烧比与发动机的油门踏板开度和曲轴的转速的对应关系，得到发动机的当前第二理想NG掺烧比；并根据测量得到的发动机的当前油门踏板开度和曲轴的当前转速，以及气缸目标空燃比与发动机的油门踏板开度和曲轴的转速的对应关系，得到发动机的当前气缸目标空燃比；

步骤S13：比较发动机的当前有效功率和有效功率阈值的大小，当发动机的当前有效功率小于有效功率阈值时，则将第一实际NG掺烧比调整为当前第二理想NG掺烧比，将发动机内部的气缸实际空燃比调整为发动机的当前气缸目标空燃比；当发动机当前有效功率大于或等于有效功率阈值时，获取第二实际NG掺烧比，然后通过调整柴油和/或天然气的供应量将第二实际NG掺烧比调整为当前第二理想NG掺烧比，将发动机内部的气缸实际空燃比调整为发动机当前气缸目标空燃比；

其中，第二实际NG掺烧比是通过发动机气缸所排放的废气中的氧气含量计算得到的NG掺烧比。

8.根据权利要求6或7所述的控制方法，其特征在于，

所述获取该第二实际NG掺烧比包括以下步骤：

步骤S31：测量发动机气缸排放的废气中的氧气含量，并根据该发动机气缸排放的废气中的氧气含量计算得到发动机气缸内部的过量空气系数；测定气缸的当前进气歧管压力、以及发动机的当前气缸进气温度；获取发动机单缸排量；并根据气缸的当前进气歧管压力和发动机单缸排量、发动机的当前气缸进气温度以及曲轴的当前转速，计算得到发动机气缸的空气实际总消耗量；根据柴油的喷射时间，计算得到向发动机气缸中喷射的柴油喷射量；

其中，过量空气空气系数λ为：

$\mathrm{\λ}=\frac{Q_{\mathrm{air}}}{Q_{\mathrm{ex}}}$

Q_air为标准状态的空气中的氧气含量；

Q_ex为发动机气缸排放的废气中的氧气含量；

空气实际总消耗量M_air为：

$M_{\mathrm{air}}=\frac{\mathrm{KVP}}{T}\·f1\left(n\right)$

K为空气的平均摩尔质量与理想气体常数之商；

V为发动机单缸排量；

P为进气歧管压力；

n为发动机的曲轴转速；

T为气缸进气温度(开氏温度)；

f1(n)为实际空气质量计算的转速修正，用于修正进气歧管压力与气缸在活塞运动到下死点时的内压力之差；

柴油喷射量M_Diesel为：

M_Diesel＝f2(T_Diesel)

T_Diesel为柴油喷射时间；

f2为是T_Diesel和M_Diesel的对应关系；

步骤S32：根据过量空气系数和柴油喷射量计算得到柴油消耗的空气量；然后计算空气实际总消耗量与柴油消耗的空气量之差，得到天然气消耗的空气量；

其中，柴油消耗的空气量M_{air_Diesel}为：

M_{air_Diesel}＝14.3·λ·M_Diesel

M_Diesel为柴油喷射量；

λ为过量空气空气系数；

天然气消耗的空气量M_{air_NG}为：

M_{air_NG}＝M_air-M_{air_Diesel}

M_air为空气实际总消耗量；

M_{air_Diesel}为柴油消耗的空气量；

步骤S33：根据天然气消耗的空气量和过量空气系数计算得到天然气消耗量；

其中，天然气消耗量M_NG为：

M_NG＝M_{air_NG}/(16.7·λ)

λ为过量空气空气系数；

M_{air_NG}为天然气消耗的空气量；

步骤S34：根据天然气消耗量和柴油喷射量计算得到第二实际NG掺烧比；

其中，第二实际NG掺烧比η₂为：

${\mathrm{\η}}_2=\frac{M_{\mathrm{NG}}}{M_{\mathrm{Diesel}}+M_{\mathrm{NG}}};$

M_NG为天然气消耗量；

M_Diesel为柴油喷射量。