CN105443251A - 一种车用电控甲醇-柴油双燃料发动机燃料供给控制方法 - Google Patents

一种车用电控甲醇-柴油双燃料发动机燃料供给控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种车用电控甲醇-柴油双燃料发动机燃料供给控制方法，根据发动机排气温度和进气压力动态的确定甲醇-柴油替代率，从而能根据发动机不同状况确定不同的甲醇-柴油喷射量比例；本发明能在保证最大替代率的前提下，尽可能避免爆震现象，达到提高甲醇-柴油双燃料发动机使用经济性和延长寿命的效果。

Description

一种车用电控甲醇-柴油双燃料发动机燃料供给控制方法
技术领域
本发明属于车用发动机替代燃料应用领域，具体涉及一种动态的车用双燃料发动机燃料供给策略。
背景技术
由于柴油机碳烟排放量大，对大气环境造成了严重的危害，目前一种经济有效的解决方式是将柴油机改造成双燃料发动机。双燃料发动机是以活性不同的两种燃料耦合运行，低活性燃料(甲醇)以预混形式进入气缸，待活塞行至压缩上止点附近喷入高活性燃料(柴油)而实现共同燃烧，引入的低活性燃料可以有效降低发动机的碳烟排放，并且一般低活性燃料(甲醇)的价格要比高活性燃料(柴油)低，因此这种燃烧方式在降低排烟的同时，还可以有效降低柴油机的运营成本，因此具备很强的推广应用潜力。
目前电控柴油机改装的甲醇-柴油双燃料发动机对于两种燃料的供给量计算是将甲醇和柴油分别标定、控制，两者并无内在联系。同时为了提高发动机的经济性，一般的做法是尽可能增大甲醇对柴油的替代率，而过多的甲醇替代柴油，很容易造成发动机爆震，因此最大替代率基本就代表了双燃料发动机的爆震边界。由于目前双燃料发动机燃料供给量的确定依然是沿用传统电控柴油机以扭矩为目标的，基于转速和油门踏板的计算方法，因此当发动机的实际运行状况不适合标定中确定的最大替代率时，发动机很容易出现爆震，造成发动机损坏(这一现象已经被试验证实)，若使用较低替代率作为喷射量计算参数，则不能提升发动机经济性；因此对于双燃料发动机而言，发明一种动态的最大替代率确定方法，可以有效解决这个问题。
目前的相关研究表明，甲醇-柴油双燃料发动机中用于形成均质混合气的甲醇越多，即对柴油的替代率越高，则发动机振动越大，越容易出现爆震。在同样条件下，随着双燃料发动机替代率增大，在即将达到出现爆震的替代率时，燃烧滞燃期会急剧下降，这表明发动机缸内的燃烧状况出现了质的变化。这一现象被内燃机燃烧学国家重点实验室研究人员发现，并认为出现爆震的原因是在喷油前甲醇-空气混合气出现了均质压燃现象。(王全刚,姚春德.柴油甲醇双燃料燃烧运行边界研究[J].工程热物理学报,2014,9(35))。而决定均质压燃着火最重要的因素就是发动机气缸内温度以及混合气的浓度。
由于发动机缸内温度很难直接测量，而对于缸外预混燃料的混合气浓度，也很难实现快速简单的测量，因此需要考虑寻求一些与缸内温度和混合气浓度有关的、容易测量的、与最大替代率相关性强的参数。目前国内车用电控双燃料发动机的相关专利主要集中在喷射器、燃料供给装置等硬件技术及电控系统整体设计领域，没有与本专利相同或相似的涉及到具体燃料供给策略的相关专利。
发明内容
本发明的目的在于提供一种车用电控甲醇-柴油双燃料发动机燃料供给控制方法，可以为双燃料发动机提供一种有效的动态替代率边界，提高替代燃料的使用率，减少发动机工作粗暴状况。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
1)在满足不发生爆震的前提下，确定所述双燃料发动机甲醇对柴油的替代率的边界；
2)根据甲醇和柴油的燃料热值以及当前工况下所述双燃料发动机所需燃料总能量和甲醇对柴油的替代率的最大值，确定所述工况下柴油喷射量和甲醇喷射量。
所述双燃料发动机甲醇对柴油的替代率的边界根据以下方程确定：
Sr＝a+b×Tout+c×Pin
其中，Sr为双燃料发动机甲醇对柴油的替代率的最大值；Tout为发动机排气温度；Pin为发动机进气压力，a、b以及c为参数，对于不同型号的双燃料发动机均可利用多元线性回归分析获得这三个参数。
将所述双燃料发动机当前工况下的排气温度和进气压力带入所述方程，则可计算得到当前工况下甲醇对柴油的替代率的最大值。
根据所述双燃料发动机在当前工况下的目标扭矩、转速以及热效率，确定当前工况下所需燃料总能量。
本发明的有益效果体现在：
1)本发明中甲醇对柴油的替代率根据发动机状况呈动态变化，由此确定的甲醇和柴油的喷射量能最大程度提高甲醇的使用率，从而达到降低发动机运行成本的效果。
2)由于甲醇对柴油的替代率边界等效于爆震边界，由此确定的甲醇和柴油的喷射量能保证发动机运行时不产生爆震，运行更平稳，从而达到延长发动机寿命的效果。
附图说明
图1为甲醇-柴油双燃料发动机替代率与进气压力和排气温度的关系图；
图2为甲醇-柴油双燃料发动机燃料量计算流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。
申请人根据试验发现，发动机进气压力和排气温度这两个参数明显影响了发动机出现爆震时的甲醇-柴油替代率，换言之，通过这两个参数可以确定甲醇-柴油替代率边界。因此申请人最终确定利用发动机排气温度和进气压力两个参数来确定甲醇-柴油双燃料发动机在一定的甲醇对柴油的替代率下是否会发生爆震。最终利用排气温度和进气压力形成了一系列有效的替代率边界，从而防止由于替代率过高，发动机产生爆震现象，对其运转造成不良影响。
基于以上内容，本发明提出了甲醇-柴油双燃料发动机燃料供给控制策略：该策略是以扭矩为目标的开环控制；该策略以发动机油门位置、转速、排气温度、进气压力为输入量；该策略的目标扭矩由转速和油门位置确定；该策略替代率边界根据排气温度和进气压力确定。通过一系列发动机台架实验测试得出排气温度和进气压力与替代率最大值的关系，参见图1，适用于同型号发动机。此实验可以同发动机标定实验同步进行，不增加额外的标定成本。实验结束后，根据图1可得出替代率计算公式，一次性写入发动机控制单元中，长期使用。
参见图2，基于以上策略，本发明提出了甲醇-柴油双燃料发动机的甲醇和柴油喷射量的确定方法，包括以下步骤：
1)根据发动机当前转速和油门位置，确定发动机工况；根据工况的运行需求(由试验或用户要求)，确定目标扭矩；根据发动机其他信息，如水温、喷油泵特性、扭矩边界特性等，对目标扭矩进行修正。(GuzzellaL.ControlofDieselEngines-IEEEControlSystemsMagazine.IEEEControlSyst1998；18:53–71.)
2)根据目标扭矩、实际转速及当前工况热效率(试验或经验值)，计算得出所需要的燃料总能量：燃料总能量＝目标扭矩×转速/热效率；
3)由当前排气温度和进气压力数据，可根据替代率计算公式计算得出可达到的替代率最大值；以图1中实验数据为例，通过多元线性回归分析(最小二乘法)得到以下用于替代率计算的拟合方程：
Sr＝66.28-0.143×Tout+0.152×Pin
式中，Sr为发动机甲醇对柴油的替代率的最大值，％；Tout为发动机排气温度，℃；Pin为发动机进气压力，kPa。
4)根据替代率最大值、燃料总能量及所涉及到的燃料(甲醇和柴油)的热值，计算得出目前工况下应分配的柴油和甲醇的喷射量。
本发明与现有技术相比，具有以下特点：
1)两种燃料(甲醇和柴油)的喷射量是有内在关联的，其通过一个动态的替代率相联系；
2)替代率由排气温度和进气压力确定。发动机的排气温度和进气压力测量简单、成本低；而且由于发动机排气流速快、温度高，因此排气温度不容易受外界环境温度和气体成分的影响，将排气温度而不是进气温度作为替代率的确定参数，准确度高、响应性好；
3)不需要加装额外的检测发动机爆震的传感器，由动态替代率边界确定的双燃料配比，基本能在保证最大替代率条件下，避免发动机爆震。

Claims (4)

1.一种车用电控甲醇-柴油双燃料发动机燃料供给控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)在满足不发生爆震的前提下，确定所述双燃料发动机甲醇对柴油的替代率的边界；
2)根据甲醇和柴油的燃料热值以及当前工况下所述双燃料发动机所需燃料总能量和甲醇对柴油的替代率的最大值，确定所述工况下柴油喷射量和甲醇喷射量。
2.根据权利要求1所述一种车用电控甲醇-柴油双燃料发动机燃料供给控制方法，其特征在于：所述双燃料发动机甲醇对柴油的替代率的边界根据以下方程确定：
Sr＝a+b×Tout+c×Pin
其中，Sr为双燃料发动机甲醇对柴油的替代率的最大值；Tout为发动机排气温度；Pin为发动机进气压力，a、b以及c为参数，利用多元线性回归分析获得。
3.根据权利要求2所述一种车用电控甲醇-柴油双燃料发动机燃料供给控制方法，其特征在于：将所述双燃料发动机当前工况下的排气温度和进气压力带入所述方程，则可计算得到当前工况下甲醇对柴油的替代率的最大值。
4.根据权利要求1所述一种车用电控甲醇-柴油双燃料发动机燃料供给控制方法，其特征在于：根据所述双燃料发动机在当前工况下的目标扭矩、转速以及热效率，确定当前工况下所需燃料总能量。
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