CN105986935A - 天燃气发动机燃料喷射系统和进气量计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天燃气发动机燃料喷射系统，包括：天燃气发动机控制器，涡轮增压器，气瓶，减压阀，天燃气气轨，电子节气门，混合器，增压压力温度传感器，天燃气气轨压力温度传感器，进气压力温度传感器；混合器设置在电子节气门和发动机缸体之间的进气管上，空气通过涡轮增压器以及电子节气门之后输入到混合器中，天燃气从气瓶经过减压阀和天燃气气轨后输入到混合器中。本发明避免了混合气通过电子节气门，能提高系统的安全性。本发明公开了一种天燃气发动机燃料喷射系统的进气量计算方法，能良好的计算出进入气缸内的实际空气量，使系统性能更优化。

Description

天燃气发动机燃料喷射系统和进气量计算方法

技术领域

本发明涉及一种天燃气发动机，特别是涉及一种天燃气发动机燃料喷射系统；本发明还涉及一种天燃气发动机燃料喷射系统的进气量计算方法。

背景技术

面对能源和环保两大问题的严峻挑战,为了合理利用有限的资源及保护人类赖以生存的环境，从上世纪五十年代开始，各国都相继制定了相应的车辆排放法规，并且要求日益严格。一些新兴的清洁能源相继出现，以期减少对石油燃料的依赖程度，并主动控制和减少内燃机各类污染物的排放水平。天燃气的优点包括资源丰富、排放污染低、价格低廉等，日益受到重视，被认为是一种非常具有发展前景的燃料，天燃气作为继煤、石油之后的世界上的第三大能源，正挥着越来越重要的角色。其燃烧后基本没有微粒排放，燃烧后的CO生成量也很少。与其他化石类燃料相比较而言，在开采、生产、储藏、运输、使用等全生命周期内产生的污染物排放量最少，因此天燃气又被人们称之为“清洁燃料”。

基于天燃气的丰富储量和良好的排放特性，世界很多国家和地区在发展天燃气汽车方面投入了巨大的精力，进行了大量的研究开发工作，并已具备了较为成熟的技术。南美相关国家和美国均出台了能源政策法案，鼓励进行天燃气发动机和汽车的研究和使用，其目的是使用可再生的国内能源来降低对进口石油的依赖。政策法案的引导和多个支持项目的进行，促进了美国天燃气汽车的快速发展。亚洲已经成为继南美之后天燃气汽车发展最快的地区，韩国，日本，泰国，菲律宾等国家都在积极推广使用天燃气汽车。1995年5月，欧洲联盟国家与欧洲天燃气协会共同制订了“欧洲代用燃料政策”，对欧洲的天燃气汽车发展起到了巨大的推动作用。我国政府在1999年开展了“清洁汽车行动”，对天燃气发动机进行研究开发。到目前为止，我国16个示范城市内有公交车3万多辆，出租车6万多辆，其它用途车辆超过3万辆，还有10余个省市正在启动天燃气汽车的发展计划。

天燃气发动机的燃料喷射有两种：进气道喷射、缸内直接喷射。

由于天燃气喷气嘴的流量限制，以及天燃气发动机的热负荷限制等因素，目前市场上使用最多的是天燃气进气道喷射。

天燃气进气道喷射又分为：进气道多点喷射和进气道单点喷射。

为了保证天燃气和空气在进入发动机缸内之前能够充分混合，目前市场上的天燃气发动机都使用进气道单点喷射。

如图1所示，是现有第一种天燃气发动机燃料喷射系统的示意图，图1中展示的是进气道单点喷射的一种方式，天燃气从天燃气罐101出来，经过高压减压器102和低压截止阀103后，经过调压器104控制压力，最后进入到发动机109的节气门108之前，中冷器107之后的混合器105中。进气为空气，空气通过增压器106后在经过中冷器107然后进入到混合器105中。在混合器105中，天燃气和进入的空气完成混合，混合好的混合气经过节气门108进入发动机109的气缸中。图1的天燃气发动机还包括点火线圈110，环境传感器111，节气门前压力传感器112，进气压力温度传感器113，凸轮轴位置和转速传感器114，水温传感器115，废气阀116，废气控制阀117,24V电源118，电子油门踏板119和发动机控制器(ECU)120。ECU120通过RS232接口电缆和外部电脑连接。通过MIL信号发出检查发动机的警报。

如图2所示，是现有第二种天燃气发动机燃料喷射系统的示意图，图2是进气道单点喷射的另一种方式，天燃气从气瓶201出来后，经过气瓶阀202，充气阀203，压力器204后进入到减压器206中，压力器204输出压力信号到气量显示器205中进行压力数字显示；减压器206采用高压电磁阀207控制；气瓶201到减压器206之间采用高压管路，减压器206出来后采用低压胶管接入到过滤器208中，然后进入燃气喷嘴气轨总成210，在这个燃气喷嘴气轨总成210中有很多喷气嘴，不过所有喷气嘴都将天燃气喷入到一个气轨中，然后天燃气从燃气喷嘴气轨总成210中出来，流入到发动机节气门213之前，中冷器之后的混合器212中。增压空气也输入到混合器212中，在混合器212中，天燃气和进入的空气完成混合，混合好的混合气经过节气门213进入发动机。空气经过增压器214增压，增压器214和发动机的排出的尾气相连，利用尾气实现增压，增压器214之后连接催化转换器215,催化转换器215将尾气处理后排出。图2的天燃气发动机还包括气轨温度压力传感器209，喷嘴驱动器211，增压压力传感器216，进气温度压力传感器217，火花塞218，点火线圈219，凸轮轴位置传感器220，前氧传感器221，后氧传感器222，曲轮位置传感器223，三通电磁阀224，水温传感器225，ECU226。

虽然这两种喷射方式有些差别，但是他们的共同特点是：

1、都是进气道单点喷射。

2、都是天燃气和空气在节气门之前混合。

3、节气门前后的气体都是天燃气和空气的混合气，即混合气经过电子节气门。

这两种喷射方式中，混合器安装在节气门前进，所以节气门前后的气体都是天燃气和空气的混合气，混合气直接经过电子节气门。这样布置方式的最大问题就是系统安全问题，因为电子节气门通常使用的都是有刷电机，而有刷电机的工作过程中可能会有电火花产生，此时天燃气和空气的混合气直接经过电子节气门，可能会有爆炸的危险，当然天燃气和空气的混合气需要的点火能量比较高，通常即使电子节气门有电火花产生，可能也点不燃混合气，但是毕竟这种喷射方式存在一定的系统安全风险。

天燃气发动机燃料喷射系统中，进入到发动机的空气量即进气量的计算很重要，知道进气量后能够对天燃气的喷射进行控制，从而提高混合气体的空燃比的质量。发动机空气量计算通常有三种模式：

1、空气流量计传感器计算，就是在发动机空滤后安装空气流量计，直接计算发动机空气量，这种方式由于维护和成本的原因很少在天燃气发动机上使用。

2、根据节气门不同开度下的流量特性，根据节气门前后的压力，计算节气门前后的压力比，并结合发动机转速计算发动机空气量。这种方法的精度较低，通常在天燃气发动机上也会使用，只是该方法计算的结果只作为备用计算值，在主计算方法发生故障时使用。

3、根据进气道压力结合理想气体状态方程计算空气量，对于增压发动机，还需要节气门前增压压力，这种方法是目前天燃气发动机计算空气量的主要方法。图1和图2所示的现有系统的混合器都是安装在节气门之前，也即节气门之前天燃气和空气已经混合，这样根据节气门前后的压力传感器能够计算出空气进气量，图1和2所示系统在节气门之后的压力传感器测试的都是混合气的压强，图1所示系统的节气门之前的压力传感器即节气门前压力传感器112测试的也是混合气的压强，图2所示系统的节气门之前的压力传感器即增压压力传感器216测试的也是空气的压强。而对于节气门前后气体不一样的情形，现有方法并不能给出良好的计算方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种天燃气发动机燃料喷射系统，能提高系统安全；本发明还提供一种天燃气发动机燃料喷射系统的进气量计算方法，能良好的计算进入气缸内的实际空气量。

为解决上述技术问题，本发明提供的天燃气发动机燃料喷射系统包括：天燃气发动机控制器，涡轮增压器，气瓶，减压阀，天燃气气轨，电子节气门，混合器，增压压力温度传感器，天燃气气轨压力温度传感器，进气压力温度传感器，线性氧传感器。

所述混合器设置在电子节气门和发动机缸体之间的进气管上，空气通过所述涡轮增压器以及所述电子节气门之后输入到所述混合器中，天燃气从所述气瓶经过所述减压阀和所述天燃气气轨后输入到所述混合器中。

所述增压压力温度传感器设置在所述涡轮增压器和所述电子节气门之间的进气管上，用于测量空气经过所述涡轮增压器增压后的压强和温度。

所述天燃气气轨压力温度传感器设置在所述天燃气气轨上，用于测量所述天燃气气轨中的天燃气的压强和温度。

所述进气压力温度传感器设置在所述混合器上或所述混合器到所述发动机缸体之间的进气管上，用于测量天燃气和空气混合后的压强和温度。

所述线性氧传感器设置在尾气的排放管路上。

所述天燃气发动机控制器用于控制天燃气发动机的工作。

进一步的改进是，根据所述进气压力温度传感器所测得的天燃气和空气的混合气的压强计算进入所述发动机缸体的空气量，计算公式为：

其中P_mix表示所述混合气的压强，P_air表示所述混合气中所述空气的分压，λ表示天燃气实际空燃比和天燃气当量空燃比的比值，空燃比表示所述混合气中空气和天燃气的质量比，所述天燃气当量空燃比为17.2m，λ通过所述线性氧传感器测量得到。

进一步的改进是，所述天燃气气轨中包括多个喷气嘴，天燃气通过喷气嘴喷入到所述天燃气气轨，所述天燃气发动机控制器通过所计算进入所述发动机缸体的空气量控制所述喷气嘴喷入到所述天燃气气轨中的天燃气量，使所述混合气的实际空燃比向所述天燃气当量空燃比趋近。

进一步的改进是，天燃气发动机除了包括燃料喷射系统外，还包括：外驱点火线圈，凸轮轴位置传感器，冷却液温度传感器，曲轴位置传感器，爆震传感器。

进一步的改进是，天燃气发动机燃料喷射系统还包括中冷器，所述中冷器设置在所述电子节气门和所述涡轮增压器，用于对经过所述涡轮增压器增压后的空气进行冷却；所述增压压力温度传感器设置在所述中冷器和所述电子节气门之间的进气管上。

为解决上述技术问题，本发明提供的天燃气发动机燃料喷射系统的进气量计算方法，其特征在于：根据所述进气压力温度传感器所测得的天燃气和空气的混合气的压强计算进入所述发动机缸体的空气量，计算公式为：

其中P_mix表示所述混合气的压强，P_air表示所述混合气中所述空气的分压，λ表示天燃气实际空燃比和天燃气当量空燃比的比值，空燃比表示所述混合气中空气和天燃气的质量比，所述天燃气当量空燃比为17.2，λ通过所述线性氧传感器测量得到。

进一步的改进是，所述天燃气气轨中包括多个喷气嘴，天燃气通过喷气嘴喷入到所述天燃气气轨，所述天燃气发动机控制器通过所计算进入所述发动机缸体的空气量控制所述喷气嘴喷入到所述天燃气气轨中的天燃气量，使所述混合气的实际空燃比向所述天燃气当量空燃比趋近。

本发明通过将混合器设置在电子节气门和发动机缸体之间的进气管上，使得仅有空气通过电子节气门，混合气体是在电子节气门之后混合得到，这样能够避免混合气体通过电子节气门时电子节气门的电火花可能会使混合气体点燃并产生爆炸的危险，从而能提高系统的安全性。同时，本发明进气量计算方法通过混合气的压强来计算混合气中空气的分压从而计算进入发动机缸体的空气量即进气量，本发明很好的剔除了混合气中的天燃气的压强，从而使得进气量的计算准确，所以本发明能良好的计算出混合器设置在电子节气门之后的情形下进入气缸内的实际空气量，使系统性能更优化。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是现有第一种天燃气发动机燃料喷射系统的示意图；

图2是现有第二种天燃气发动机燃料喷射系统的示意图；

图3是本发明实施例天燃气发动机燃料喷射系统的示意图。

具体实施方式

如图3所示，是本发明实施例天燃气发动机燃料喷射系统的示意图。本发明天燃气发动机燃料喷射系统包括：天燃气发动机控制器20，涡轮增压器6，气瓶1，减压阀2，天燃气气轨3，电子节气门4，混合器5，增压压力温度传感器11，天燃气气轨压力温度传感器10，进气压力温度传感器12，中冷器8，线性氧传感器18。

所述混合器5设置在电子节气门4和发动机缸体之间的进气管上，空气通过过滤器7、所述涡轮增压器6以及所述电子节气门4之后输入到所述混合器5中，天燃气从所述气瓶1经过所述减压阀2和所述天燃气气轨3后输入到所述混合器5中。

所述增压压力温度传感器11设置在所述涡轮增压器6和所述电子节气门4之间的进气管上，用于测量空气经过所述涡轮增压器6增压后的压强和温度。

所述天燃气气轨压力温度传感器10设置在所述天燃气气轨3上，用于测量所述天燃气气轨3中的天燃气的压强和温度。

所述天燃气气轨3中包括多个喷气嘴3a，天燃气通过喷气嘴3a喷入到所述天燃气气轨3。

所述进气压力温度传感器12设置在所述混合器5上或所述混合器5到所述发动机缸体之间的进气管上，用于测量天燃气和空气混合后的压强和温度。

所述线性氧传感器18设置在尾气的排放管路上。

所述天燃气发动机控制器20用于控制天燃气发动机的工作。

所述中冷器8设置在所述电子节气门4和所述涡轮增压器6，用于对经过所述涡轮增压器6增压后的空气进行冷却；所述增压压力温度传感器11设置在所述中冷器8和所述电子节气门4之间的进气管上。

天燃气发动机9除了包括燃料喷射系统外，还包括：外驱点火线圈13，凸轮轴位置传感器14，冷却液温度传感器15，曲轴位置传感器16，爆震传感器17和催化转换器19。

本发明实施例中所有喷气嘴3a都将燃料喷入到所述天燃气气轨3中，然后进入到发动机9的进气道中，位置在电子节气门4之后，空气和天燃气在混合器5中混合均匀，然后进入到发动机9的缸内。本发明实施例通过重新布置混合器5位置，避免了燃料与空气的混合气体直接通过电子节气门4，避免了可能的系统安全风险。

本实施例采用进气道压力来计算空气量。在现有典型的点燃式发动机控制系统中，进气压力传感器采集进气歧管压力，此压力为纯空气压力，ECU根据这个信号计算得到实测空气进气量。此外，根据驾驶员需求，ECU会计算得到一个目标空气量，然后根据这个空气量计算得到目标进气歧管压力，典型的点燃式发动机控制系统中，此压力也是纯空气的压力。

但是在天燃气发动机系统中，进气压力传感器如本发明实施例的进气压力温度传感器12采集的压强为天燃气和空气的混合气压强。由两部分组成：空气的分压和天燃气的分压，天燃气会占据进气管内的一部分容积，导致空气量减少，如果不除掉天燃气所占的分压，必然导致计算得到进入气缸中的空气量偏大，最终导致燃料的喷射脉宽增大，混合气偏浓。因此在计算发动机实际空气进入量时，需要扣除天燃气的分压。

如果进气压力温度传感器12测量到的压强为P_mix，空气的分压力P_air，天燃气的分压力P_ng，根据以下两式：

PV＝nRT (1)；

A/F＝m_air/m_ng (2)；

其中公式(1)为理想气体状态方程，P为压强，V为体积，n为气体物质的量，R为理想气体常数，T为绝对温度；公式(2)为空燃比公式，A为空气，F为燃料，A/F表示空气和燃料的质量比即空燃比，m_air为空气质量，m_ng为天燃气质量。

由公式(1)和(2)能得到如下公式：

P_ngV_ng＝n_ngRT_ng (3)；

P_airV_air＝n_airRT_ait (4)；

V_ng表示天燃气的体积，n_ng表示天燃气的物质的量，T_ng表示天燃气的绝对温度；V_air表示空气的体积，n_air表示空气的物质的量，T_air表示空气的绝对温度。

混合气体中：

V_air＝V_ng，T_air＝T_ng；

由此，公式(3)和(4)得到：

$\frac{P_{\mathrm{ng}}}{P_{\mathrm{air}}}=\frac{n_{\mathrm{ng}}}{n_{\mathrm{air}}}=\frac{m_{\mathrm{ng}}/M_{\mathrm{ng}}}{m_{\mathrm{air}}/M_{\mathrm{air}}}=\frac{M_{\mathrm{air}}}{M_{\mathrm{mg}}{m}_{\mathrm{air}}/m_{\mathrm{ng}}}=\frac{M_{\mathrm{air}}}{M_{\mathrm{ng}}\×A/F}=\frac{28.9}{16\×17.2\×\mathrm{\λ}}=\frac{0.1}{\mathrm{\λ}}---\left(5\right);$

由上式(5)计算得到：

$\frac{P_{\mathrm{air}}}{P_{\min }}=\frac{P_{\mathrm{air}}}{P_{\mathrm{air}}+P_{\mathrm{ng}}}=\frac{1}{1+\frac{P_{\mathrm{ng}}}{P_{\mathrm{air}}}}=\frac{1}{1+\frac{0.1}{\mathrm{\λ}}}=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\λ}+0.1}---\left(6\right);$

所以有：

$P_{\mathrm{air}}=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\λ}+0.1}{P}_{\min }---\left(7\right).$

本发明实施例中根据所述进气压力温度传感器12所测得的天燃气和空气的混合气的压强计算进入所述发动机缸体的空气量，计算公式为上述公式(7)。其中，λ表示天燃气实际空燃比和天燃气当量空燃比的比值，空燃比表示所述混合气中空气和天燃气的质量比，所述天燃气当量空燃比为17.2，λ通过所述线性氧传感器测量得到。

本发明实施例中，所述天燃气发动机控制器20通过所计算进入所述发动机缸体的空气量控制所述喷气嘴3a喷入到所述天燃气气轨3中的天燃气量，使所述混合气的实际空燃比向所述天燃气当量空燃比趋近，这样能使天燃气很好的燃烧，使系统性能更优化。

以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种天燃气发动机燃料喷射系统，其特征在于，包括：天燃气发动机控制器，涡轮增压器，气瓶，减压阀，天燃气气轨，电子节气门，混合器，增压压力温度传感器，天燃气气轨压力温度传感器，进气压力温度传感器，线性氧传感器；

所述混合器设置在电子节气门和发动机缸体之间的进气管上，空气通过所述涡轮增压器以及所述电子节气门之后输入到所述混合器中，天燃气从所述气瓶经过所述减压阀和所述天燃气气轨后输入到所述混合器中；

所述增压压力温度传感器设置在所述涡轮增压器和所述电子节气门之间的进气管上，用于测量空气经过所述涡轮增压器增压后的压强和温度；

所述天燃气气轨压力温度传感器设置在所述天燃气气轨上，用于测量所述天燃气气轨中的天燃气的压强和温度；

所述进气压力温度传感器设置在所述混合器上或所述混合器到所述发动机缸体之间的进气管上，用于测量天燃气和空气混合后的压强和温度；

所述线性氧传感器设置在尾气的排放管路上；

所述天燃气发动机控制器用于控制天燃气发动机的工作。

2.如权利要求1所述的天燃气发动机燃料喷射系统，其特征在于：根据所述进气压力温度传感器所测得的天燃气和空气的混合气的压强计算进入所述发动机缸体的空气量，计算公式为：

其中P_mix表示所述混合气的压强，P_air表示所述混合气中所述空气的分压，λ表示天燃气实际空燃比和天燃气当量空燃比的比值，空燃比表示所述混合气中空气和天燃气的质量比，所述天燃气当量空燃比为17.2，λ通过所述线性氧传感器测量得到。

3.如权利要求3所述的天燃气发动机燃料喷射系统，其特征在于：所述天燃气气轨中包括多个喷气嘴，天燃气通过喷气嘴喷入到所述天燃气气轨，所述天燃气发动机控制器通过所计算进入所述发动机缸体的空气量控制所述喷气嘴喷入到所述天燃气气轨中的天燃气量，使所述混合气的实际空燃比向所述天燃气当量空燃比趋近。

4.如权利要求1所述的天燃气发动机燃料喷射系统，其特征在于：天燃气发动机除了包括燃料喷射系统外，还包括：外驱点火线圈，凸轮轴位置传感器，冷却液温度传感器，曲轴位置传感器，爆震传感器。

5.如权利要求1所述的天燃气发动机燃料喷射系统，其特征在于：天燃气发动机燃料喷射系统还包括中冷器，所述中冷器设置在所述电子节气门和所述涡轮增压器，用于对经过所述涡轮增压器增压后的空气进行冷却；所述增压压力温度传感器设置在所述中冷器和所述电子节气门之间的进气管上。

6.如权利要求1所述的天燃气发动机燃料喷射系统的进气量计算方法，其特征在于：根据所述进气压力温度传感器所测得的天燃气和空气的混合气的压强计算进入所述发动机缸体的空气量，计算公式为：

其中P_mix表示所述混合气的压强，P_air表示所述混合气中所述空气的分压，λ表示天燃气实际空燃比和天燃气当量空燃比的比值，空燃比表示所述混合气中空气和天燃气的质量比，所述天燃气当量空燃比为17.2，λ通过所述线性氧传感器测量得到。

7.如权利要求6所述的天燃气发动机燃料喷射系统的进气量计算方法，其特征在于：所述天燃气气轨中包括多个喷气嘴，天燃气通过喷气嘴喷入到所述天燃气气轨，所述天燃气发动机控制器通过所计算进入所述发动机缸体的空气量控制所述喷气嘴喷入到所述天燃气气轨中的天燃气量，使所述混合气的实际空燃比向所述天燃气当量空燃比趋近。