CN108691674A - 一种gdi发动机天然气-汽油双燃料电控系统及控制策略 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种GDI发动机天然气‑汽油双燃料电控系统及控制策略，天然气罐的出气口依次通过减压室和天然气喷射阀连接到混合室，混合室一侧设有进气管，另一侧通过进气总管连接到发动机机体的进气口；进气管上从进气口起依次设有空气滤清器、进气压力传感器、空气流量计和电子节气门；发动机机体的输出轴连接到飞轮，飞轮侧面设有转速传感器，附加电控单元接收原机的电子油门、空气流量计、电子节气门、转速传感器以及天然气喷射阀的信号，根据发动机所处的工况，计算天然气的替代率，并通过CAN线与原机ECU通信。本发明在低成本下实现双燃料灵活平稳控制，既保证引入天然气后喷油器的可靠性，又可使发动机的功率不会下降太多。
Description
技术领域
本发明涉及汽车发动机技术领域，具体为一种GDI发动机天然气-汽油双燃料电控系统及控制策略。
背景技术
随着对能源需求的持续上升和环境恶化的日益严重，开发和利用清洁的替代能源势在必行。天然气作为一种清洁的替代能源且储量丰富受到广泛的关注。天然气的主要成分是甲烷，和汽油相比天然气低热值高，抗爆性好，并且由于其为气态更容易和空气均匀混合。然而，天然气的火焰传播速度低于汽油，这使缸内平均温度升高，导致机体及GDIGasoline Direct Injection汽油直喷发动机喷油器的热负荷增加、功率大幅度下降和排放变差。因此，如何优化天然气-汽油双燃料发动机的点火正时和天然气替代率使之更加高效清洁，同时实现双燃料模式切换时的平稳过渡并且保证GDI发动机喷油器的可靠性是本领域亟待解决的问题。
专利号为CN104806352 A将汽油机改成的天然气发动机，仅仅加入了一套天然气供气系统，改动过后没有考虑到每个工况下的最佳天然气替代率，导致性能与经济性变差。专利号为CN103016168 A虽然在加装一套天然气供气系统外多设计一套电控系统可以实现两种燃料比例可调，但没有考虑到替代率对喷油器的影响，并且对原机改动过大使得成本增加。
为了满足不断提高的排放法规和实现燃烧的高效清洁，需要提供一套低成本下实现双燃料灵活平稳控制的电控系统。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种通过标定出最佳天然气替代率，使引入天然气后发动机的功率不会下降太多的GDI发动机天然气-汽油双燃料电控系统及控制策略。技术方案如下：
一种GDI发动机天然气-汽油双燃料电控系统，包括天然气罐，天然气罐的出气口依次通过减压室和天然气喷射阀连接到混合室，混合室一侧设有进气管，另一侧通过进气总管连接到发动机机体的进气口；所述进气管上从进气口起依次设有空气滤清器、压端旁通阀、进气压力传感器、空气流量计和电子节气门，电子节气门上设有节气门位置传感器；发动机机体的输出轴连接到飞轮，飞轮侧面设有转速传感器；还包括原机ECU和附加电控单元，附加电控单元接收原机的电子油门、进气压力传感器、空气流量计、电子节气门和节气门位置传感器、转速传感器以及天然气喷射阀的信号，根据发动机所处的工况，计算天然气的替代率，并通过CAN线与原机ECU通信。
进一步的，所述发动机机体的排气总管后端依次设有三元催化器和排气管，排气总管上设有排温传感器和前氧传感器，三元催化器后端管路上设有后氧传感器。
更进一步的，所述排气管一路连接到涡轮进气口，另一路上设有涡端旁通阀，并连接到涡轮的出气管。
更进一步的，所述天然气罐与减压室之间还设有开关电磁阀，所述开关电磁阀连接到附加电控单元。
一种GDI发动机天然气-汽油双燃料电控系统的控制策略， 附加电控单元接收到电子油门的信号后根据发动机的转速与负荷调用最佳天然气替代率MAP；附加电控单元根据最佳天然气替代率将电子节气门信号与空气流量计信号削弱后传输给原机ECU用于计算汽油的喷射量；若原机ECU接收到的空气流量传感器信号削弱量与电子油门信号削弱量相匹配，则附加电控单元根据天然气替代率调用天然气喷射阀通电时间MAP控制天然气的喷射量，同时调用电子节气门信号MAP驱动节气门，控制节气门开度以保证在引入天然气后发动机仍处于当量比燃烧更进一步的。
进一步的，所述附加电控单元将空气流量计的信号分为两份，一份为削弱后的空气流量计信号，传输给原机ECU，用于计算喷油量；另一个用于计算天燃气的喷射量。
本发明的有益效果是：本发明标定最大天然气替代率时考虑到GDI发动机喷油器受热负荷高需要燃油冷却，保证引入天然气后喷油器的可靠性；仅加入一套供气系统和附加的电控单元对气路中传感器信号进行削弱，这样在原机上的改动不大，成本低；加入附加的电控单元，标定出最佳天然气替代率使引入天然气后发动机的功率不会下降太多。
附图说明
图1为本发明GDI发动机天然气-汽油双燃料电控系统的结构示意图。
图2为本发明GDI发动机天然气-汽油双燃料电控系统的信号传递图。
图3为本发明GDI发动机天然气-汽油双燃料电控系统的MAP关系图。
图中：1-天然气罐；2-开关电磁阀；3-减压室；4-天然气喷射阀；5-混合室；6-进气管；7-进气总管；8-高压油管；9-发动机机体；10-排气总管；11-排温传感器；12-前氧传感器；13-汽油喷油器；14-火花塞；15-电子节气门；16-空气流量计；17-飞轮；18-进气压力传感器；19-电子油门；20-压端旁通阀；21-压气机；22-涡轮；23-原机ECU；24-附加电控单元；25-空气滤清器；26-涡端旁通阀；27-后氧传感器；28-三元催化器；29-转速传感器；30-节气门位置传感器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。如图1所示，一种GDI发动机天然气-汽油双燃料电控系统，包括：天然气供气系统、原机执行器与传感器、控制系统。
天然气供气系统包括：天然气罐1，开关电磁阀2，减压室3，天然气喷射阀4，混合室5。天然气罐1的出气口依次通过减压室3和天然气喷射阀4连接到混合室5。天然气喷射阀4可根据进气压力调整喷射压力，避免喷射背压过高。混合室5一侧设有进气管6，另一侧通过进气总管7连接到发动机机体9的进气口。所述进气管6上从进气口起依次设有空气滤清器25、压端旁通阀20、进气压力传感器18、空气流量计16和电子节气门15，电子节气门15上设有节气门位置传感器30；发动机机体9的输出轴连接到飞轮17，飞轮17侧面设有转速传感器29。
控制系统包括原机ECU23和附加电控单元24，附加电控单元24接收原机的电子油门19、进气压力传感器18、空气流量计16、电子节气门15和节气门位置传感器30、转速传感器29以及天然气喷射阀4的信号，并通过CAN线与原机ECU23通信。
原机执行器与传感器包括：电子油门19、空气流量计16、电子节气门15、电子节气门位置传感器30、转速传感器29、前氧传感器12、后氧传感器27、进气压力传感器18。
本实施例中发动机机体9的排气总管10后端依次设有三元催化器28和排气管，排气总管10上设有排温传感器11和前氧传感器12，三元催化器28后端管路上设有后氧传感器27。且排气管一路连接到涡轮22进气口，另一路上设有涡端旁通阀26，并连接到涡轮22的出气管。当涡端旁通阀26打开时可减少经过涡轮22的废气。
由于用天然气替代一部分汽油，那么汽油喷射量应有所减少，本实施例通过附加电控单元削弱电子油门信号的电压和空气流量计信号来实现最终汽油的喷射量的减少。
所述附加电控单元为自主开发的电控单元，需要对原机传感器信号进行削弱标定，需要同时接收原机的电子油门19、进气压力传感器18、空气流量计16、电子节气门15和转速信号，并根据发动机所处的工况，计算出天然气的替代率。在计算出天然气的替代率后将削弱后的电子油门信号和空气流量计信号连同转速信号通过CAN线传递给原机ECU用于计算汽油喷射量，根据天然气的替代率，空气流量计信号和转速信号计算出天然气的喷射量。
各传感信号的传输与处理：附加电控单元与原机的ECU通过CAN线相互通讯。输入附加电控单元的信号包括电子油门信号、转速信号、空气流量计信号、电子节气门位置传感器信号。电子油门信号和空气流量计信号经过附加电控单元削弱，转速信号复制后传输给原机ECU。由于天然气是气态会占据空气的体积，因此电子节气门需要附加电控单元重新控制。空气流量计的信号传输给附加电控单元后，在计算空气量时，附加电控单元将空气分为两份，一份为削弱后的空气流量计信号传输给原机用于计算喷油量，另一个用于计算天燃气的喷射量。
天然气-汽油双燃料工作过程：当附加电控单元接收到电子油门的信号后根据发动机的转速与负荷调用最佳天然气替代率MAP。附加电控单元根据最佳天然气替代率将电子节气门信号与空气流量计信号削弱后传输给原机ECU用于计算汽油的喷射量。原机ECU接收到的空气流量传感器信号削弱量与电子油门信号削弱量必须相匹配。附加电控单元根据天然气替代率调用天然气喷射阀通电时间MAP控制天然气的喷射量。同时附加电控单元调用电子节气门信号MAP驱动节气门该电子节气门开度MAP为重新标定的，控制节气门开度保证引入天然气后也能使发动机处于当量比燃烧。空燃比的修正由原机控制即天燃气为开环控制，汽油的喷射量由原机做闭环控制。
为了使其正常工作，需要对上述中提到的MAP进行标定：
循环最少汽油喷射量MAP：由于GDI发动机的喷油器暴露在高温燃气中，所以需要燃油对其进行润滑和冷却，这就决定了首先需要标定出每个工况汽油循环最少燃油喷射量MAP。其X轴为扭矩[N/m]，Y轴为排气温度[°C]。测出每一工况下发动机排气温度，根据不同的排气温度标定出喷油器的最少汽油喷射量。
电子节气门开度MAP：由于天然气是气态会占据空气的体积，同时天然气的空燃比大于汽油，因此电子节气门在原来的开度的进气量不能满足需求，需要由附加电控单元重新控制。电子节气门开度MAP其X轴为天然气替代率[%]，Y轴为进气流量[kg/min]。根据不同的替代率计算出总的进气量，根据空气流量传感器标定出不同替代率下的电子节气门开度。
天然气喷射阀通电时间MAP：天然气喷射阀通电时间采用离线标定。天然气的喷射阀在安装前对其进行标定，其X轴为天然气替代率[%]，Y轴为天然气压力[bar]，标定出不同替代率下的通电时间。
最佳天燃气替代率MAP：在某一工况下测出这时扭矩和排放，然后确定出一个天然气替代率，R为替代率，m为原机每循环喷油量，mgas为引入天然气的质量，该天然气替代率的最小值通由天然气喷射阀的精度决定。最大的替代率受每个工况循环最少汽油喷射量MAP限制。最佳天燃气替代率MAP其X轴为转速[r/min]，Y轴为扭矩[N/m]。通台架试验调整天然气的替代率，直到该工况下的最大替代率，并且在2分钟内记录下每个替代率下50个扭矩点和排放数据。若该组扭矩平均值与原机对比下降在5%以内，同时兼顾排放，这样的替代率可以实现稳定的燃烧。在每个工况下重复上述试验可得到该MAP。
MAP为发动机MAP图表，可根据图表中的输入值查到一个对应的输出值。
Claims (6)
1.一种GDI发动机天然气-汽油双燃料电控系统，其特征在于，包括天然气罐（1），天然气罐（1）的出气口依次通过减压室（3）和天然气喷射阀（4）连接到混合室（5），混合室（5）一侧设有进气管（6），另一侧通过进气总管（7）连接到发动机机体（9）的进气口；所述进气管（6）上从进气口起依次设有空气滤清器（25）、压端旁通阀（20）、进气压力传感器（18）、空气流量计（16）和电子节气门（15），电子节气门（15）上设有节气门位置传感器（30）；发动机机体（9）的输出轴连接到飞轮（17），飞轮（17）侧面设有转速传感器（29）；还包括原机ECU（23）和附加电控单元（24），附加电控单元（24）接收原机的电子油门（19）、进气压力传感器（18）、空气流量计（16）、电子节气门（15）和节气门位置传感器（30）、转速传感器（29）以及天然气喷射阀（4）的信号，根据发动机所处的工况，计算天然气的替代率，并通过CAN线与原机ECU（23）通信。
2.根据权利要求1所述的GDI发动机天然气-汽油双燃料电控系统，其特征在于，所述发动机机体（9）的排气总管（10）后端依次设有三元催化器（28）和排气管，排气总管（10）上设有排温传感器（11）和前氧传感器（12），三元催化器（28）后端管路上设有后氧传感器（27）。
3.根据权利要求2所述的GDI发动机天然气-汽油双燃料电控系统，其特征在于，所述排气管一路连接到涡轮（22）进气口，另一路上设有涡端旁通阀（26），并连接到涡轮（22）的出气管。
4.根据权利要求1所述的GDI发动机天然气-汽油双燃料电控系统，其特征在于，所述天然气罐（1）与减压室（3）之间还设有开关电磁阀（2），所述开关电磁阀（2）连接到附加电控单元（24）。
5.一种如权利要求1所述的GDI发动机天然气-汽油双燃料电控系统的控制策略，其特征在于，附加电控单元接收到电子油门的信号后根据发动机的转速与负荷调用最佳天然气替代率MAP；附加电控单元根据最佳天然气替代率将电子节气门信号与空气流量计信号削弱后传输给原机ECU用于计算汽油的喷射量；若原机ECU接收到的空气流量传感器信号削弱量与电子油门信号削弱量相匹配，则附加电控单元根据天然气替代率调用天然气喷射阀通电时间MAP控制天然气的喷射量，同时调用电子节气门信号MAP驱动节气门，控制节气门开度以保证在引入天然气后发动机仍处于当量比燃烧。
6.根据权利要求5所述的控制策略，其特征在于，所述附加电控单元将空气流量计的信号分为两份，一份为削弱后的空气流量计信号，传输给原机ECU，用于计算喷油量；另一个用于计算天燃气的喷射量。
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