CN105927406B - 基于压力-时间控制的多点燃气电控喷射系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于压力‑时间控制的多点燃气电控喷射系统及方法，燃气供给系统、空气供给系统及控制单元；其中，控制空气供给系统中的节气门来提供空气，控制单元根据检测的燃气供给系统中的燃气信息及空气供给系统中的空气信息来确定喷射持续期即喷射持续时间，同时，控制单元还控制燃气控制阀的开度继而控制燃气共轨管内的压力，控制单元通过控制燃气供给系统中的喷射阀进行燃气喷射实现燃气与空气的预混合。本发明改善中小负荷时燃气和空气的混合，通过降低燃气压力延长了中小负荷下的燃气喷射持续期，在进气冲程的大部分时间空气与燃气边混合边进入气缸，促进了燃气和空气良好的混合。

Description

基于压力-时间控制的多点燃气电控喷射系统及方法

技术领域

本发明涉及气体发动机燃气供给领域，具体涉及基于压力-时间控制的多点燃气电控喷射系统及方法。

背景技术

目前国内外大缸径气体机生产企业生产的大缸径气体机的进气系统大多采用预混和多点喷射的技术路线，国外企业也多采用这两种技术路线。

预混是采用机械式混合器或单点喷射阀，使空气与气体燃料在缸外进行混合，混合气在进气冲程吸入气缸。采用这种技术路线，在发动机进气冲程，进气管道内大部分的时间都充斥着燃气和空气的混合气，很容易造成回火引发安全事故。为了降低回火的可能性，采用这种进气系统的气体机一般气门重叠角都比较小，因而无法组织有效的扫气。气体机的热负荷高于柴油机，有效的扫气可以降低发动机的热负荷、提高热效率。但是预混方式限制了扫气的进行。由于进气道内为混合气，在气门重叠期间会有燃料泄露，某些燃料(特别是富氢气体燃料)极易因为泄露引发安全事故。

采用多点喷射的气体机，每个缸都有独立的喷射装置，扫气结束后，气体燃料经喷射装置喷射到气门前，气体燃料随着进气吸入气缸并完成混合，在进气门关闭前结束喷射。由于采用这种进气方式可以控制燃气喷射的时间，可以合理组织扫气。进气管内是空气，可避免回火。但是采用这种进气方法，在中小负荷时燃气和空气混合的均匀性不如预混方式，具体原因如下。

现有气体机多点喷射系统通过控制燃气的喷射时间来控制进入气缸内的燃气的量。燃气供给系统一般配有减压阀，通过多级减压将高压燃气的压力降低至某一压力。燃气喷射阀工作时的燃气压力基本是恒定的，电控系统通过控制喷射阀开启的时间控制喷射的燃气的量。气体机在不同负荷下，燃气的喷射持续期是不同的。大负荷时，需要的燃气的量大，为了保证气体机燃气的供应，每循环喷射持续期比较长，扫气组织的不够充分。在中小负荷时，每循环所需的燃气量降低，喷射持续期缩短，一般喷射持续期只有90°AC甚至40°AC乃至更短的持续期。只有在喷射持续期时，空气是和燃气边混合边通过进气门进入气缸，其他大部分时间进入气缸的都是纯空气，空气和燃气混合不均匀。从小负荷过渡到大负荷时，气体机每循环的燃气需求量突然变大，虽然燃气喷嘴的喷射持续期可以通过控制单元及时延长，但是后续燃气补充存在迟滞，燃气管道内的压力有所降低，导致喷入气缸内的燃气的量不能及时响应气体机的需求，影响发动机的整机性能和对工况变化的响应性。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了基于压力-时间控制的多点燃气电控喷射系统及方法，在燃气多点喷射电控系统的燃气供给系统中，在减压阀后增加燃气控制阀，通过控制燃气控制阀的开度，控制进入燃气共轨管内的燃气量，从而控制燃气共轨管内燃气的压力。

本发明在该系统硬件的基础上开发基于压力-时间控制的燃气电控喷射系统的控制方法，通过对燃气喷射压力和喷射时间的双尺度调控，实现对燃气喷射量和喷射时间的精确控制，使气体机不同工况下，都能组织最佳的扫气，降低气体机热负荷、提高热效率；促进混合气更好的混合，从而提高气体机性能。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

基于压力-时间控制的多点燃气电控喷射系统，包括：燃气供给系统、空气供给系统及控制单元；

其中，控制空气供给系统中的节气门开度来控制空气供给量，控制单元根据检测的燃气供给系统中的燃气信息、空气供给系统中的空气信息、节气门开度信号、转速位置传感器信号来确定喷射持续期即喷射持续时间，同时，控制单元还控制燃气控制阀的开度继而控制燃气共轨管内的压力，控制单元通过控制燃气供给系统中的喷射阀进行燃气喷射实现燃气与空气的预混合。

上述燃气信息包括燃气压力、燃气温度等信号，空气信息包括节气门后的空气压力、空气温度等信号。

喷射持续期是根据负荷需求和燃气及空气的压力温度等信号进行确定的。节气门的位置可以表征发动机负荷，可以代表为达到这一负荷需要喷入的燃气质量。通过喷射阀的流量公式(其中Q为燃气喷射量；A为喷嘴面积；ΔP为喷嘴前后的压力差即空气压力和燃气压力差；ρ为燃气密度是燃气压力和燃气温度的函数；Δt为喷射时间)配合燃气压力、燃气温度、空气压力、空气温度等信号的大小确定喷射持续期。

进一步的，所述燃气供给系统包括燃气主管，所述燃气主管上依次安装有电磁关断阀、滤清器及减压阀，燃气主管与燃气共轨管之间所在的管道上设置有燃气控制阀，燃气共轨管包括多个输出端，燃气共轨管的输出端可以称为燃气歧管，每个燃气歧管末端均安装有燃气喷射阀。

进一步的，所述空气供给系统包括空气进气道，空气进气道的一端设置有节气门，空气进气道设置与燃气歧管相配合的进气歧管，进气歧管与气缸相连通，所述进气歧管的数量与燃气歧管的数量一致，即每个燃气歧管输出的燃气均通过与之对应的进气歧管进入气缸。

进一步的，所述燃气共轨管内设置有燃气压力传感器及燃气温度传感器，所述空气进气道内设置有空气温度传感器及空气压力传感器，燃气压力传感器、燃气温度传感器、空气温度传感器及空气压力传感器分别将采集的相应的燃气压力、燃气温度、空气温度、空气压力传输至控制单元。

进一步的，所述控制单元还分别与转速位置传感器及节气门位置传感器相连，控制单元通过转速位置传感器和节气门位置传感器的信号判断发动机所处的转速和外界的负荷需求。

基于压力-时间控制的多点燃气电控喷射系统的控制方法，包括以下步骤：

气体发动机在运行时，控制单元通过预先设定的转速、负荷和燃气共轨管内燃气压力的MAP图确定该工况下的目标燃气压力；

控制单元通过驱动电路使燃气控制阀开度增大或减小，增多或减少进入燃气共轨管内的燃气量，使得燃气共轨管内的压力升高或降低至目标压力；

控制单元通过节气门后的空气压力和空气温度、燃气共轨管内的燃气压力和燃气温度传感器的信号确定喷射持续期，并驱动燃气喷射阀喷射燃气，燃气与空气在进气道内进行预混合，随后进入气缸。

进一步的，气体发动机在大负荷时，控制单元通过驱动电路控制燃气控制阀开度使得燃气共轨管内的燃气压力高于原机压力，并缩短燃气喷射持续期，从而在大负荷时组织扫气，降低发动机的热负荷。

进一步的，发动机在中小负荷时，控制单元通过驱动电路控制燃气控制阀开度使得燃气共轨管内的燃气压力低于原机压力，燃气喷射持续期得以延长。

进一步的，发动机在过渡工况时，当燃气喷射量变化值大于设置值时，控制单元通过燃气控制阀及时调节燃气压力，并结合燃气喷射阀及时调节燃气喷射持续期，及时稳定燃气喷射量。

当发动机从大负荷小到小负荷过渡时，控制单元通过减小燃气控制阀的开度降低燃气共轨管内的压力，并通过缩短喷射持续期降低调整燃气喷射量，提高了发动机的响应速度。

当发动机从小负荷过渡到大负荷时，控制单元通过迅速增大燃气控制阀的开度，提高燃气共轨管内的燃气压力，并通过延长喷射持续期增大燃气喷射量，使发动机功率上升，提高发动机的响应速度和性能。

本发明的有益效果：

1)在发动机大负荷时，通过提高燃气压力，适当缩短燃气喷射持续期，从而为气体机组织合理的扫气，降低气缸内残余废气量，降低气体机热负荷，提高气体机热效率。

2)改善中小负荷时燃气和空气的混合，通过降低燃气压力延长了中小负荷下的燃气喷射持续期，在进气冲程的大部分时间空气与燃气边混合边进入气缸，促进了燃气和空气良好的混合。

3)在过渡工况时，通过对燃气喷射压力和喷射时间的双调节，实现发动机对负荷的需求的及时响应，提高了发动机的性能。

附图说明

图1基于压力-时间控制的多点喷射燃气电控系统示意图；

图中，1、电磁关断阀，2、滤清器，3、减压阀，4、燃气，5、燃气控制阀，6、燃气压力传感器，7、燃气温度传感器，8、燃气共轨管，9、燃气喷射阀，10、进气歧管，11、气缸，12、空气温度传感器，13、空气压力传感器，14、节气门，15、空气。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

本发明为了对气体机组织有效的扫气并改善燃气与空气的混合均匀性提供了一种基于压力-时间控制的多点燃气电控喷射系统。本发明相较于预混路线和传统时间控制式的多点喷射路线，可以在不同工况下，组织良好的扫气、降低发动机的热负荷、提高发动机热效率；可以显著改善气体机在中小负荷下燃气与空气的混合均匀性。

如图1所示，基于压力-时间控制的多点燃气电控喷射系统主要包括燃气供给系统和空气供给系统。燃气供给系统的主要部件包括电磁关断阀1、滤清器2、减压阀3、燃气控制阀5、燃气共轨管8、燃气喷射阀9等。燃气4经过电磁关断阀1、滤清器2、减压阀3，通过减压阀3将燃气压力降低到一定压力；随后燃气通过燃气控制阀5进入燃气共轨管8，控制单元可以通过控制燃气控制阀5的开度来控制燃气共轨管8内的压力；最后燃气4经进气歧管10分配至燃气喷射阀9，燃气喷射阀9根据控制单元的指令，进行燃气喷射。喷射出的燃气在进气道内与空气15进行预混合，燃气和空气边混合边经过进气门进入气缸11。

除了上述部件外，本系统中还包括转速位置传感器、燃气压力传感器6、燃气温度传感器7、空气压力传感器12、空气温度传感器13、节气门位置传感器、控制单元等。

气体机在运行中，控制单元通过转速位置传感器和节气门位置传感器的信号判断发动机所处的转速和外界对发动机负荷需求。控制单元在确定外界对发动机负荷需求后，可以确定燃气喷射量。控制单元通过预先设定的转速、负荷和燃气共轨管内燃气压力的MAP图确定该工况下的目标燃气压力，控制单元通过驱动电路使燃气控制阀5开度增大或减小，增多或减少进入燃气共轨管8内的燃气量，使得燃气共轨管8内的压力升高或降低至目标压力。控制单元通过节气门14后的空气压力和空气温度、燃气共轨管8内的燃气压力和燃气温度等传感器的信号获得节气门后空气压力、空气温度、燃气压力、燃气温度等数据，通过喷射阀的流量公式(其中Q为燃气喷射量；A为喷嘴面积；ΔP为喷嘴前后的压力差即空气压力和燃气压力差；ρ为燃气密度是燃气压力和燃气温度的函数；Δt为喷射时间)确定喷射持续期，并驱动燃气喷射阀9喷射燃气，燃气与空气在进气道内进行预混合，随后进入气缸11。

本申请中采用电子节气门，加速踏板不直接控制节气门，驾驶员踩下加速踏板，信号传到发动机ECU，ECU得到驾驶员对转矩的需求，再去控制节气门的开度来控制发动机的负荷，节气门上有节气门位置传感器用来反馈形成闭环控制。因此,，节气门位置传感器的信号可以判断外界对发动机负荷的需求。

发动机在大负荷时，可以通过上述控制过程使得燃气共轨管内的燃气压力高于原机压力，通过喷射阀的流量公式(其中Q为燃气喷射量；A为喷嘴面积；ΔP为喷嘴前后的压力差即空气压力和燃气压力差；ρ为燃气密度是燃气压力和燃气温度的函数；Δt为喷射时间)，在已知喷射量Q一定的情况下，由于共轨管内的燃气压力高于原机压力，即通过增大ΔP适当缩短燃气喷射持续期；在大负荷时，由于喷射持续期较原机缩短，为扫气留出了更多的时间，从而实现合理的组织扫气，降低发动机的热负荷。由于这种情况下燃气压力有所提高，可提高混合气的局域浓度，强化供气分层加强燃烧，使热效率提高。

发动机在中小负荷时，通过上述控制过程使得燃气共轨管内的燃气压力低于原机压力，燃气喷射持续期得以延长，从而在中小负荷时，空气和燃气有很多的时间在进气道内进行预混合，组织更加均匀的混合气，从而改善燃烧，提高发动机性能。发动机在过渡工况时，当燃气喷射量变化较大时，由于原机为了保证燃气管道内压力的稳定，燃气的供给存在迟滞。原机燃气压力的迟滞使得燃气喷射量与目标喷射量有较大出入，容易引起发动机转速的波动。

采用基于压力-时间控制的多点燃气电控喷射系统，过渡工况时，可以通过燃气控制阀及时调节燃气压力，并结合燃气喷射阀及时调节燃气喷射持续期，及时稳定燃气喷射量。

当发动机从大负荷到小负荷过渡时，采用时间控制式的燃气喷射系统时，由于燃料供给和空气供给都会存在一定的迟滞性，发动机每循环的喷射量不能及时减少。甚至在某一循环由于喷射阀开启的时间缩短、喷入气缸内的燃气减少，但因为不能及时减少向燃气管道内补充的燃气的量，燃气管道内的压力还会升高，本来需要小喷射量的，现在由于燃气压力的升高，无法及时实现燃气喷射量的减小，还会出现喷射量的波动从而引起发动机转速的波动。采用基于压力-时间控制的多点燃气电控喷射系统，控制单元通过减小燃气控制阀的开度及时减小向燃气共轨管内补充的燃气量，从而降低燃气共轨管内的压力，并根据喷射阀的流量公式(其中Q为燃气喷射量；A为喷嘴面积；ΔP为喷嘴前后的压力差即空气压力和燃气压力差；ρ为燃气密度是燃气压力和燃气温度的函数；Δt为喷射时间)缩短喷射持续期，从而实现燃气喷射量的及时调整，提高了发动机的响应速度。

当发动机从小负荷过渡到大负荷时，采用时间控制式的燃气喷射系统时，由于燃料供给和空气供给都会存在一定的迟滞性，发动机每循环的喷射量不能及时增多。甚至在某一循环由于喷射阀开启的时间延长、喷入气缸内的燃气增多，但因为不能及时向燃气管道内补充燃气，燃气管道内的压力还会降低，本来需要大喷射量的，现在由于燃气压力的降低，无法及时实现燃气喷射量的增大，还会出现喷射量的波动从而引起发动机转速的波动。采用基于压力-时间控制的多点燃气电控喷射系统，控制单元通过增大燃气控制阀的开度及时向燃气共轨管内补充足够的燃气量，从而提高燃气共轨管内的压力，并根据喷射阀的流量公式(其中Q为燃气喷射量；A为喷嘴面积；ΔP为喷嘴前后的压力差即空气压力和燃气压力差；ρ为燃气密度是燃气压力和燃气温度的函数；Δt为喷射时间)延长喷射持续期，从而实现燃气喷射量的及时调整，使发动机功率上升，提高发动机的响应速度和性能。

上述系统工作过程为：发动机负荷变大或变小时，控制单元通过结合燃气压力传感器6、燃气温度传感器7、节气门14后的空气压力传感器13、空气温度传感器12等的信号大小，增大或减小燃气控制阀5的开度，从而增加或减少通过控制阀流向燃气共轨管8的燃气量，使得燃气共轨管8内压力升高或降低至目标值。目标燃气压力值，通过前期的实验标定和计算的转速、负荷、燃气压力MAP图所得。排气冲程末期，进气门提前打开，新鲜的空气通过进气门进入气缸11促进废气的排出，并进行扫气，降低发动机热负荷，提高发动机的热效率。扫气末期，控制单元驱动燃气喷射阀9喷射燃气，在整个进气冲程的大部分可喷射时间燃气和空气在进气歧管10边混合边流向进气门，最终通过进气门进入气缸11内。

对于本申请所在的技术领域而言，一般认为节气门开度在25％以内为小负荷，25％～85％之间为中负荷，节气门开度在85％以上为大负荷。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.基于压力-时间控制的多点燃气电控喷射系统，其特征是，包括：燃气供给系统、空气供给系统及控制单元；

其中，控制空气供给系统中的节气门开度来控制空气供给量，控制单元根据检测的燃气供给系统中的燃气信息、空气供给系统中的空气信息、节气门开度信号、转速位置传感器信号来确定喷射持续期即喷射持续时间，同时，控制单元还控制燃气控制阀的开度继而控制燃气共轨管内的压力，控制单元通过控制燃气供给系统中的喷射阀进行燃气喷射实现燃气与空气的预混合；

气体发动机在大负荷时，控制单元通过驱动电路控制燃气控制阀开度使得燃气共轨管内的燃气压力高于原机压力，并缩短燃气喷射持续期，从而在大负荷时组织扫气，降低发动机的热负荷；

发动机在中小负荷时，控制单元通过驱动电路控制燃气控制阀开度使得燃气共轨管内的燃气压力低于原机压力，燃气喷射持续期得以延长；

发动机在过渡工况时，当燃气喷射量变化值大于设置值时，控制单元通过燃气控制阀及时调节燃气压力，并结合燃气喷射阀及时调节燃气喷射持续期，及时稳定燃气喷射量；

当发动机从大负荷小到小负荷过渡时，控制单元通过减小燃气控制阀的开度降低燃气共轨管内的压力，并通过缩短喷射持续期降低调整燃气喷射量，提高了发动机的响应速度；

当发动机从小负荷过渡到大负荷时，控制单元通过迅速增大燃气控制阀的开度，提高燃气共轨管内的燃气压力，并通过延长喷射持续期增大燃气喷射量，使发动机功率上升，提高发动机的响应速度和性能；

所述基于压力-时间控制的多点燃气电控喷射系统以压力调节为主，时间调节为辅的控制方式，旨在通过控制燃气控制阀的开度，控制进入燃气共轨管内的燃气量，从而控制燃气共轨管内燃气的压力，改变喷嘴前后的压力差，从而使燃气喷射时间与原先单纯的时间控制式相比，在大负荷时能相应缩小，在小负荷时能有所延长。

2.如权利要求1所述的基于压力-时间控制的多点燃气电控喷射系统，其特征是，所述燃气供给系统包括燃气主管，所述燃气主管上依次安装有电磁关断阀、滤清器及减压阀，燃气主管与燃气共轨管之间所在的管道上设置有燃气控制阀，燃气共轨管包括多个输出端，燃气共轨管的输出端可以称为燃气歧管，每个燃气歧管末端均安装有燃气喷射阀。

3.如权利要求1所述的基于压力-时间控制的多点燃气电控喷射系统，其特征是，所述空气供给系统包括空气进气道，空气进气道的一端设置有节气门，空气进气道设置与燃气歧管相配合的进气歧管，进气歧管与气缸相连通，所述进气歧管的数量与燃气歧管的数量一致，即每个燃气歧管输出的燃气均通过与之对应的进气歧管进入气缸。

4.如权利要求1所述的基于压力-时间控制的多点燃气电控喷射系统，其特征是，所述燃气共轨管内设置有燃气压力传感器及燃气温度传感器，所述空气进气道内设置有空气温度传感器及空气压力传感器，燃气压力传感器、燃气温度传感器、空气温度传感器及空气压力传感器分别将采集的相应的燃气压力、燃气温度、空气温度、空气压力传输至控制单元。

5.如权利要求1所述的基于压力-时间控制的多点燃气电控喷射系统，其特征是，所述控制单元还分别与转速位置传感器及节气门位置传感器相连，控制单元通过转速位置传感器和节气门位置传感器的信号判断发动机所处的转速和外界的负荷需求。

6.采用权利要求1-5任一所述的基于压力-时间控制的多点燃气电控喷射系统的控制方法，其特征是，包括以下步骤：

气体发动机在运行时，控制单元通过预先设定的转速、负荷和燃气共轨管内燃气压力的MAP图确定该工况下的目标燃气压力；

控制单元通过驱动电路使燃气控制阀开度增大或减小，增多或减少进入燃气共轨管内的燃气量，使得燃气共轨管内的压力升高或降低至目标压力；

控制单元通过节气门后的空气压力和空气温度、燃气共轨管内的燃气压力和燃气温度传感器的信号确定喷射持续期，并驱动燃气喷射阀喷射燃气，燃气与空气在进气道内进行预混合，随后进入气缸。

7.如权利要求6所述的基于压力-时间控制的多点燃气电控喷射系统的控制方法，其特征是，气体发动机在大负荷时，控制单元通过驱动电路控制燃气控制阀开度使得燃气共轨管内的燃气压力高于原机压力，并缩短燃气喷射持续期，从而在大负荷时组织扫气，降低发动机的热负荷。

8.如权利要求6所述的基于压力-时间控制的多点燃气电控喷射系统的控制方法，其特征是，发动机在中小负荷时，控制单元通过驱动电路控制燃气控制阀开度使得燃气共轨管内的燃气压力低于原机压力，燃气喷射持续期得以延长。

9.如权利要求6所述的基于压力-时间控制的多点燃气电控喷射系统的控制方法，其特征是，发动机在过渡工况时，当燃气喷射量变化值大于设置值时，控制单元通过燃气控制阀及时调节燃气压力，并结合燃气喷射阀及时调节燃气喷射持续期，及时稳定燃气喷射量。

10.如权利要求6所述的基于压力-时间控制的多点燃气电控喷射系统的控制方法，其特征是，当发动机从大负荷小到小负荷过渡时，控制单元通过减小燃气控制阀的开度降低燃气共轨管内的压力，并通过缩短喷射持续期降低调整燃气喷射量，提高了发动机的响应速度；

当发动机从小负荷过渡到大负荷时，控制单元通过迅速增大燃气控制阀的开度，提高燃气共轨管内的燃气压力，并通过延长喷射持续期增大燃气喷射量，使发动机功率上升，提高发动机的响应速度和性能。