CN109026374A - 基于过量空气系数的天然气柴油双燃料发动机及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出基于过量空气系数的天然气柴油双燃料发动机及控制方法，控制方法以ECU对发动机控制，当需把工作模式切换为双燃料模式时，ECU根据工况检测数据来判断是否可进行切换；当发动机工作于双燃料模式时以吸入的可燃混合气为燃料，以气缸的少量柴油为点火源，ECU从控制参数数据表中查询节气门开度以控制发动机的进空气量，查询喷油脉宽和喷油正时以控制发动机燃油喷射阀的开启时刻和保持时长从而确定实际喷油量和喷油正时，查询喷气脉宽和喷气正时以控制发动机天然气喷射阀的开启时刻和保持时长从而确定实际喷气量和喷气正时；本发明能在发动机双燃料模式下，基于过量空气系数控制方法对双燃料供给量、柴油的引燃量、供油正时和喷气正时进行控制。

Description

基于过量空气系数的天然气柴油双燃料发动机及控制方法
技术领域
本发明涉及柴油发动机新能源改造技术领域， 尤其是基于过量空气系数的天然气柴油双燃料发动机及控制方法。
背景技术
近年来支持电控多点喷射的天然气/柴油双燃料发动机一直是内燃机研究领域的一个研究热点；天然气/柴油双燃料发动机是将传统的纯柴油发动机改造为双燃料发动机，发动机可分别在纯柴油和天然气/柴油两种工作模式下工作。
纯柴油模式下，天然气喷射阀关闭，缸内燃料全部是柴油。双燃料模式下，天然气被吸入或喷射进入到进气歧管中，与空气均匀混合后，进入气缸，而气缸中少量的引燃柴油自动点火，为天然气提供点火源，点燃可燃混合气，此时天然气是发动机的主要燃料，柴油起到引燃天然气的作用。
如何在双燃料工作模式下基于过量空气系数控制方法对天然气和空气的供给量控制以及柴油的引燃量和供油时刻控制是天然气/柴油双燃料发动机控制方面的核心关键技术问题。
发明内容
本发明提出基于过量空气系数的天然气柴油双燃料发动机及控制方法，能在发动机的双燃料工作模式下，基于过量空气系数控制方法对天然气和空气的供给量、柴油的引燃量和供油时刻进行控制。
本发明采用以下技术方案。
基于过量空气系数的天然气柴油双燃料发动机控制方法，用于对天然气柴油双燃料发动机的工作模式和工作方法进行控制，所述发动机的工作模式分为纯柴油模式和双燃料模式；所述控制方法以ECU对发动机的工作模式和工作方法进行控制，当需把发动机工作模式从纯柴油模式切换为双燃料模式时，ECU根据工况传感器的检测数据来判断是否可对发动机工作模式进行切换；当发动机工作于双燃料模式时，燃料供给机构向气缸输入天然气与空气的可燃混合气，发动机以气缸中的可燃混合气为燃料，以气缸中的少量柴油为燃料点火源，ECU从控制参数数据表中查询节气门开度以控制发动机的进空气量，查询喷油脉宽和喷油正时以控制发动机燃油喷射阀的开启时刻和保持时长从而确定实际喷油量和喷油正时，查询喷气脉宽和喷气正时以控制发动机天然气喷射阀的开启时刻和保持时长从而确定实际喷气量和喷气正时。
所述工况传感器包括燃油温度传感器、冷却液温度传感器、凸轮轴位置传感器、曲轴位置传感器、节气门位置传感器、天然气压力传感器、天然气温度传感器、天然气流量计；工况传感器还包括用于检测天然气喷射阀、控制模式切换的电磁开关、电子节气门状态的传感器。
只有在ECU判断当前发动机工况可进入双燃料模式时，发动机才能从纯柴油模式切换为双燃料模式，当ECU判断发动机工况是否可进入双燃料模式时，ECU根据工况传感器的检测数据，依次对控制模式切换的电磁开关是否打开、冷却液温度是否达到预设温度、发动机转速是否达到预定转速进行判断。
所述控制参数数据表包括替代率MAP、基础喷油量MAP、目标过量空气系数MAP、喷油正时MAP、喷油脉宽MAP、喷气正时MAP、喷气脉宽MAP；当发动机工作模式为双燃料模式时，ECU根据发动机转速和所需达到的目标扭矩查询控制参数数据表；ECU根据查询结果对发动机进行控制的方法包括以下步骤；
A1、设m d2 表示实控喷油量，m d1 表示基础喷油量，R表示中间变量替代率，m NG 表示实控喷气量；ECU从替代率MAP查知中间变量替代率；从基础喷油量MAP查知基础喷油量；
根据计算公式（1）算得实控喷油量并以此对发动机进行控制；
（公式1）；
根据计算公式（2）算得实控喷气量并以此对发动机进行控制；
（公式2）；
A2、ECU根据发动机转速从目标过量空气系数MAP中查知节气门开度并以此对发动机进行控制，此时发动机进空气量由发动机转速和节气门开度确定；
A3、根据发动机转速和在步骤A1确定的实控喷油量，从喷油脉宽MAP中查询喷油脉宽，并以此对发动机进行控制；
A4、根据燃料供给机构的气轨压力和在步骤A1确定的实控喷气量，从喷气脉宽MAP中查询喷气脉宽，并以此对发动机进行控制。
所述的控制方法所采用的发动机，包括燃气减压通道、油路、燃料喷射装置、发动机气缸和ECU；所述燃气减压通道包括在燃气输送方向上顺序设置的LNG气罐、水浴式汽化器、天然气滤清器、电磁开关、减压阀；燃气减压通道经天然气流量计、缓冲罐、喷射阀喷轨与燃料喷射装置相通；所述燃料喷射装置输出端的喷射阀与发动机进气歧管处的天然气混合器相通。
当发动机工作于双燃料模式时，所述ECU根据发动机工况，把压力恒定的天然气通过喷射阀的喷轨经天然气混合器均匀喷射至进气歧管中，使天然气与进气岐管内的空气混合形成均质的可燃混合气。
所述缓冲罐用于存储一定量的天然气以减轻天然气喷射阀喷射脉动的影响；所述缓冲罐与天然气流量计、喷射阀喷轨的稳压腔串联；所述减压阀出口的管路压力小于喷射阀最大工作压力，减压阀与天然气流量计、电磁开关串联。
所述电磁开关用于燃气减压通道的导通与断路，当电磁开关使燃气减压通道断路时，发动机的双燃料模式被屏蔽；所述节气门为电子节气门；所述电子节气门设于进气歧管输入端处，电子节气门安装在空气滤清器后且与进气总管串联；在发动机工作于纯柴油模式时，电子节气门完全打开，当发动机工作于双燃料模式时，电子节气门的开度由ECU根据ECU查询到的目标过量空气系数来控制。
所述喷射阀喷轨包括稳压腔、天然气喷射阀、天然气压力传感器、天然气温度传感器，稳压腔与缓冲罐串联，稳压腔内贮有压力恒定的天然气；当发动机工作于双燃料模式时，ECU根据发动机工况，在气缸活塞工作于进气冲程时打开喷射阀，ECU根据天然气压力传感器、天然气温度传感器的检测值修正喷射阀的天然气喷射量。
所述油路始端与柴油罐相通且末端与喷油嘴相连；喷油嘴的输入端与电控单体泵相连；油路处设有燃油滤清器。
本发明的有益效果：本发明基于过量空气系数对双燃料发动机控制，能根据发动机工况特点，通过电控ECU 控制电控单体泵中的喷油电磁阀的开启时刻和保持时长从而控制喷油量及喷油正时，控制喷射阀喷轨的燃气电磁阀的开启时刻和保持时长从而控制喷气量及喷气正时，还能控制电子节气门使发动机处于目标过量空气系数工况下运转，从而能使双燃料发动机具有高效的燃烧效率，从而降低污染物排放。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
附图1是本发明的示意图；
附图2是本发明的控制逻辑流程示意图；
图中：101-LNG气罐；102-水浴式汽化器；103-天然气滤清器；104-控制模式切换的电磁开关；105-减压阀；106-天然气流量计；107-缓冲罐；108-喷射阀喷轨；109-天然气混合器；110-电子节气门；111-节气门位置传感器；112-喷油嘴；113-气缸活塞；114-曲轴位置传感器；115-凸轮轴位置传感器；116-冷却液温度传感器；117-ECU；118-电控单体泵；119-燃油温度传感器；120-燃油滤清器；121-柴油罐。
具体实施方式
如图1-2所示，基于过量空气系数的天然气柴油双燃料发动机控制方法，用于对天然气柴油双燃料发动机的工作模式和工作方法进行控制，所述发动机的工作模式分为纯柴油模式和双燃料模式；所述控制方法以ECU对发动机的工作模式和工作方法进行控制，当需把发动机工作模式从纯柴油模式切换为双燃料模式时，ECU根据工况传感器的检测数据来判断是否可对发动机工作模式进行切换；当发动机工作于双燃料模式时，燃料供给机构向气缸输入天然气与空气的可燃混合气，发动机以气缸中的可燃混合气为燃料，以气缸中的少量柴油为燃料点火源，ECU从控制参数数据表中查询节气门开度以控制发动机的进空气量，查询喷油脉宽和喷油正时以控制发动机燃油喷射阀的开启时刻和保持时长从而确定实际喷油量和喷油正时，查询喷气脉宽和喷气正时以控制发动机天然气喷射阀的开启时刻和保持时长从而确定实际喷气量和喷气正时。
所述工况传感器包括燃油温度传感器119、冷却液温度传感器116、凸轮轴位置传感器115、曲轴位置传感器114、节气门位置传感器111、天然气压力传感器、天然气温度传感器、天然气流量计106；工况传感器还包括用于检测天然气喷射阀、控制模式切换的电磁开关104、电子节气门110状态的传感器。
只有在ECU判断当前发动机工况可进入双燃料模式时，发动机才能从纯柴油模式切换为双燃料模式，当ECU判断发动机工况是否可进入双燃料模式时，ECU根据工况传感器的检测数据，依次对控制模式切换的电磁开关是否打开、冷却液温度是否达到预设温度、发动机转速是否达到预定转速进行判断。
所述控制参数数据表包括替代率MAP、基础喷油量MAP、目标过量空气系数MAP、喷油正时MAP、喷油脉宽MAP、喷气正时MAP、喷气脉宽MAP；当发动机工作模式为双燃料模式时，ECU根据发动机转速和所需达到的目标扭矩查询控制参数数据表；ECU根据查询结果对发动机进行控制的方法包括以下步骤；
A1、设m d2 表示实控喷油量，m d1 表示基础喷油量，R表示中间变量替代率，m NG 表示实控喷气量；ECU从替代率MAP查知中间变量替代率；从基础喷油量MAP查知基础喷油量；
根据计算公式（1）算得实控喷油量并以此对发动机进行控制；
（公式1）；
根据计算公式（2）算得实控喷气量并以此对发动机进行控制；
（公式2）；
A2、ECU根据发动机转速从目标过量空气系数MAP中查知节气门开度并以此对发动机进行控制，此时发动机进空气量由发动机转速和节气门开度确定；
A3、根据发动机转速和在步骤A1确定的实控喷油量，从喷油脉宽MAP中查询喷油脉宽，并以此对发动机进行控制；
A4、根据燃料供给机构的气轨压力和在步骤A1确定的实控喷气量，从喷气脉宽MAP中查询喷气脉宽，并以此对发动机进行控制。
所述的控制方法所采用的发动机，包括燃气减压通道、油路、燃料喷射装置、发动机气缸和ECU117；所述燃气减压通道包括在燃气输送方向上顺序设置的LNG气罐101、水浴式汽化器102、天然气滤清器103、电磁开关104、减压阀105；燃气减压通道经天然气流量计106、缓冲罐107、喷射阀喷轨108与燃料喷射装置相通；所述燃料喷射装置输出端的喷射阀与发动机进气歧管处的天然气混合器109相通。
当发动机工作于双燃料模式时，所述ECU117根据发动机工况，把压力恒定的天然气通过喷射阀的喷轨108经天然气混合器109均匀喷射至进气歧管中，使天然气与进气岐管内的空气混合形成均质的可燃混合气。
所述缓冲罐107用于存储一定量的天然气以减轻天然气喷射阀喷射脉动的影响；所述缓冲罐107与天然气流量计106、喷射阀喷轨108的稳压腔串联；所述减压阀105出口的管路压力小于喷射阀最大工作压力，减压阀与天然气流量计106、电磁开关104串联。
所述电磁开关104用于燃气减压通道的导通与断路，当电磁开关104使燃气减压通道断路时，发动机的双燃料模式被屏蔽；所述节气门为电子节气门110；所述电子节气门设于进气歧管输入端处，电子节气门安装在空气滤清器后且与进气总管串联；在发动机工作于纯柴油模式时，电子节气门完全打开，当发动机工作于双燃料模式时，电子节气门的开度由ECU根据ECU查询到的目标过量空气系数来控制。
所述喷射阀喷轨108包括稳压腔、天然气喷射阀、天然气压力传感器、天然气温度传感器，稳压腔与缓冲罐107串联，稳压腔内贮有压力恒定的天然气；当发动机工作于双燃料模式时，ECU根据发动机工况，在气缸活塞113工作于进气冲程时打开喷射阀，ECU根据天然气压力传感器、天然气温度传感器的检测值修正喷射阀的天然气喷射量。
所述油路始端与柴油罐121相通且末端与喷油嘴112相连；喷油嘴的输入端与电控单体泵118相连；油路处设有燃油滤清器120。
实施例：
双燃料发动机启动时，先进入纯柴油模式工作，以使发动机转速提升至可切换工作模式的速度。
当发动机需切换工作模式时，ECU（车载电脑）首先判断发动机的控制模式切换的电磁开关是否打开，然后根据传感器数据判断冷却液温度是否达到预设温度，再根据汽车传动机构的凸轮轴位置传感器115、曲轴位置传感器114判断发动机转速是否达到预定转速。
当发动机各工况符合切换条件后，ECU把压力恒定的天然气通过喷射阀的喷轨108经天然气混合器109均匀喷射至进气歧管中，使天然气与进气岐管内的空气混合形成均质的可燃混合气；可燃混合气输入气缸作为双燃料模式下的燃料使用，气缸内的少量柴油作为点火源使用。
当发动机工作于双燃料模式时，ECU从控制参数数据表中查询节气门开度以控制发动机的进空气量，查询喷油脉宽和喷油正时以控制发动机燃油喷射阀的开启时刻和保持时长从而确定实际喷油量和喷油正时，查询喷气脉宽和喷气正时以控制发动机天然气喷射阀的开启时刻和保持时长从而确定实际喷气量和喷气正时，以提升发动机效率及降低尾气污染。

Claims (9)

1.基于过量空气系数的天然气柴油双燃料发动机控制方法，用于对天然气柴油双燃料发动机的工作模式和工作方法进行控制，其特征在于：所述发动机的工作模式分为纯柴油模式和双燃料模式；所述控制方法以ECU对发动机的工作模式和工作方法进行控制，当需把发动机工作模式从纯柴油模式切换为双燃料模式时，ECU根据工况传感器的检测数据来判断是否可对发动机工作模式进行切换；当发动机工作于双燃料模式时，燃料供给机构向气缸输入天然气与空气的可燃混合气，发动机以气缸中的可燃混合气为燃料，以气缸中的少量柴油为燃料点火源，ECU从控制参数数据表中查询节气门开度以控制发动机的进空气量，查询喷油脉宽和喷油正时以控制发动机燃油喷射阀的开启时刻和保持时长从而确定实际喷油量和喷油正时，查询喷气脉宽和喷气正时以控制发动机天然气喷射阀的开启时刻和保持时长从而确定实际喷气量和喷气正时。
2.根据权利要求1所述的基于过量空气系数的天然气柴油双燃料发动机控制方法，其特征在于：所述工况传感器包括燃油温度传感器（119）、冷却液温度传感器（116）、凸轮轴位置传感器（115）、曲轴位置传感器（114）、节气门位置传感器（111）、天然气压力传感器、天然气温度传感器、天然气流量计（106）；工况传感器还包括用于检测天然气喷射阀、控制模式切换的电磁开关（104）、电子节气门（110）状态的传感器。
3.根据权利要求2所述的基于过量空气系数的天然气柴油双燃料发动机控制方法，其特征在于：只有在ECU判断当前发动机工况可进入双燃料模式时，发动机才能从纯柴油模式切换为双燃料模式，当ECU判断发动机工况是否可进入双燃料模式时，ECU根据工况传感器的检测数据，依次对控制模式切换的电磁开关是否打开、冷却液温度是否达到预设温度、发动机转速是否达到预定转速进行判断。
4.根据权利要求3所述的基于过量空气系数的天然气柴油双燃料发动机控制方法，其特征在于：所述控制参数数据表包括替代率MAP、基础喷油量MAP、目标过量空气系数MAP、喷油正时MAP、喷油脉宽MAP、喷气正时MAP、喷气脉宽MAP；当发动机工作模式为双燃料模式时，ECU根据发动机转速和所需达到的目标扭矩查询控制参数数据表；ECU根据查询结果对发动机进行控制的方法包括以下步骤；
A1、设m d2 表示实控喷油量，m d1 表示基础喷油量，R表示中间变量替代率，m NG 表示实控喷气量；ECU从替代率MAP查知中间变量替代率；从基础喷油量MAP查知基础喷油量；
根据计算公式（1）算得实控喷油量并以此对发动机进行控制；
（公式1）；
根据计算公式（2）算得实控喷气量并以此对发动机进行控制；
（公式2）；
A2、ECU根据发动机转速从目标过量空气系数MAP中查知节气门开度并以此对发动机进行控制，此时发动机进空气量由发动机转速和节气门开度确定；
A3、根据发动机转速和在步骤A1确定的实控喷油量，从喷油脉宽MAP中查询喷油脉宽，并以此对发动机进行控制；
A4、根据燃料供给机构的气轨压力和在步骤A1确定的实控喷气量，从喷气脉宽MAP中查询喷气脉宽，并以此对发动机进行控制。
5.基于过量空气系数的天然气柴油双燃料发动机，其特征在于：权利要求4中所述的控制方法所采用的发动机，包括燃气减压通道、油路、燃料喷射装置、发动机气缸和ECU（117）；所述燃气减压通道包括在燃气输送方向上顺序设置的LNG气罐（101）、水浴式汽化器（102）、天然气滤清器（103）、电磁开关（104）、减压阀（105）；燃气减压通道经天然气流量计（106）、缓冲罐（107）、喷射阀喷轨（108）与燃料喷射装置相通；所述燃料喷射装置输出端的喷射阀与发动机进气歧管处的天然气混合器（109）相通；
当发动机工作于双燃料模式时，所述ECU（117）根据发动机工况，把压力恒定的天然气通过喷射阀的喷轨（108）经天然气混合器（109）均匀喷射至进气歧管中，使天然气与进气岐管内的空气混合形成均质的可燃混合气。
6.根据权利要求5所述的基于过量空气系数的天然气柴油双燃料发动机，其特征在于：所述缓冲罐（107）用于存储一定量的天然气以减轻天然气喷射阀喷射脉动的影响；所述缓冲罐（107）与天然气流量计（106）、喷射阀喷轨（108）的稳压腔串联；所述减压阀（105）出口的管路压力小于喷射阀最大工作压力，减压阀与天然气流量计（106）、电磁开关（104）串联。
7.根据权利要求5所述的基于过量空气系数的天然气柴油双燃料发动机，其特征在于：所述电磁开关（104）用于燃气减压通道的导通与断路，当电磁开关（104）使燃气减压通道断路时，发动机的双燃料模式被屏蔽；所述节气门为电子节气门（110）；所述电子节气门设于进气歧管输入端处，电子节气门安装在空气滤清器后且与进气总管串联；在发动机工作于纯柴油模式时，电子节气门完全打开，当发动机工作于双燃料模式时，电子节气门的开度由ECU根据ECU查询到的目标过量空气系数来控制。
8.根据权利要求5所述的基于过量空气系数的天然气柴油双燃料发动机，其特征在于：所述喷射阀喷轨（108）包括稳压腔、天然气喷射阀、天然气压力传感器、天然气温度传感器，稳压腔与缓冲罐（107）串联，稳压腔内贮有压力恒定的天然气；当发动机工作于双燃料模式时，ECU根据发动机工况，在气缸活塞（113）工作于进气冲程时打开喷射阀，ECU根据天然气压力传感器、天然气温度传感器的检测值修正喷射阀的天然气喷射量。
9.根据权利要求5所述的基于过量空气系数的天然气柴油双燃料发动机，其特征在于：所述油路始端与柴油罐（121）相通且末端与喷油嘴（112）相连；喷油嘴的输入端与电控单体泵（118）相连；油路处设有燃油滤清器（120）。
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