CN109236477B - 一种发动机的燃气计量装置及计量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发动机的燃气计量装置和计量控制方法，燃气计量装置包括含气轨本体的气轨总成，气轨本体上设置有与发动机电控单元ECU电连接的电控喷嘴和燃气压力温度传感器，喷嘴安装孔内的电控喷嘴可导通或隔断气轨本体内进气腔与出气腔间燃油通道。发动机电控单元ECU采集转速、混合气压力温度、废气中氧含量确定出当前工况下所需的燃气质量；然后基于所需的燃气质量和进口燃气压力温度以及其他预设参数，计算出喷嘴占空比脉宽、单个喷嘴流出最大燃气质量及电控喷嘴所需数量n，向电控喷嘴发送占空比脉宽信号，控制n个电控喷嘴的动作进而控制燃气流量，以满足发动机对燃气流量的实际需求，提高发动机的经济性和稳定性。

Description

一种发动机的燃气计量装置及计量控制方法

技术领域

本发明属于气体发动机技术领域，尤其是涉及一种用于气体发动机的燃气计量装置及燃气计量控制方法。

背景技术

压缩天然气和液化天然气的形式在发动机上应用时，具有对内燃机结构改动小、工作指标变化不大等优势，已经成为一种重要的替代燃料在内燃机领域得到了广泛应用。

目前，气体发动机中燃气计量装置一般采用电子节气门蝶阀开度进行燃气流量计算和控制，其受限于蝶阀零部件制造误差和蝶阀电机控制精确度，使得无法按照发动机需求提供精准的燃气供给流量，造成发动机经济性差，而且由于蝶阀控制差异造成的调节滞后性，使得发动机在部分转速负荷工况无法稳定运行。

发明内容

为克服上述现有技术中存在的不足，本发明解决的第一个技术问题是，提供一种发动机的燃气计量装置，以满足发动机对燃气流量的实际需求，提高发动机的经济性和稳定性。

作为同一个技术构思，本发明所解决的另一个技术问题是，提供一种发动机的燃气计量控制方法。

本发明解决第一个技术问题所采用的技术方案是，一种发动机的燃气计量装置，所述燃气计量装置包括气轨总成，所述气轨总成包括气轨本体，所述气轨本体内设有水平延伸的进气腔和出气腔，所述气轨本体上设有多个竖向延伸的喷嘴安装孔，所述进气腔、所述喷嘴安装孔和所述出气腔之间形成燃气通道，所述喷嘴安装孔内安装有电控喷嘴，所述电控喷嘴用于导通或隔断所述燃气通道；

所述气轨本体上设有进气口和出气口，所述进气口与所述进气腔连通，所述出气口与所述出气腔连通；所述气轨本体上设置有燃气压力温度传感器，所述燃气压力温度传感器用于检测所述进气口处的燃气温度和压力；

所述电控喷嘴和所述燃气压力温度传感器均与发动机电控单元ECU电连接。

进一步，所述进气腔和所述出气腔均设有多个气体流通孔，所述喷嘴安装孔通过对应的所述气体流通孔与所述进气腔和所述出气腔连通，形成所述燃气通道。

进一步，所述进气口设置有进气接头，所述出气口设置有出气接头。

进一步，所述进气腔位于所述气轨本体的上部，所述出气腔位于所述气轨本体的下部；所述进气口和所述出气口分别位于所述气轨本体的两端部。

进一步，所述喷嘴安装孔呈阶梯状，包括第一阶梯部和第二阶梯部，所述电控喷嘴的下端部与所述第一阶梯部和所述第二阶梯部对应密封连接；所述电控喷嘴的上端部借助螺栓、压装垫片与所述气轨本体密封连接。

为解决上述第二个技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种发动机的燃气计量控制方法，利用所述的发动机的燃气计量装置，所述进气口连接燃气气瓶，所述出气口连接发动机混合器，所述发动机的燃气计量控制方法包括以下步骤：

S1、所述发动机电控单元ECU基于氧传感器、转速传感器和混合气压力温度传感器实时采集的废气中氧含量、转速值和混合气的压力温度值，确定出当前工况下所需的燃气质量FPC；

S2、所述发动机电控单元ECU基于所述所需的燃气质量FPC、所述燃气压力温度传感器实时采集的所述发动机燃气计量装置中所述进气口处的燃气压力温度值，以及所述发动机电控单元ECU内预设的天然气气体常数R_fuel、电控喷嘴有效最小流通面积ACd和经验系数斜率K，计算出喷嘴占空比脉宽IPW；

S3、同时，所述发动机电控单元ECU基于所述燃气压力温度传感器实时采集的所述发动机燃气计量装置中所述进气口处的燃气压力温度值，以及所述发动机电控单元ECU内预设的所述天然气气体常数R_fuel、所述电控喷嘴有效最小流通面积ACd和喷嘴修正系数E，计算出单个喷嘴流出最大燃气质量q_m；

S4、所述发动机电控单元ECU基于所述所需的燃气质量FPC和所述单个喷嘴流出最大燃气质量q_m，计算出所述电控喷嘴开启的数量n；

S5、所述发动机电控单元ECU基于所述喷嘴占空比脉宽IPW控制n个所述电控喷嘴开启或关闭。

进一步，在所述步骤S1之前，根据台架试验在所述发动机电控单元ECU中预先标定出所述废气中氧含量、所述转速值和所述混合气的压力温度值与所述所需的燃气质量FPC之间的关系。

进一步，在所述步骤S2中，所述喷嘴占空比脉宽IPW的计算公式为：

其中：

NGT为所述进气口处的燃气温度；

NGP为所述进气口处的燃气压力。

进一步，在所述步骤S3中，所述单个喷嘴流出最大燃气质量q_m的计算公式为：

进一步，所述发动机的燃气计量控制方法还包括以下步骤：

S6、当所述氧传感器实时采集的废气中氧含量与预设值不等时，对计算结果进行修正,即：重复步骤S1至步骤S5；直至所述氧传感器实时采集的废气中氧含量与预设值相等。

采用了上述技术方案后，本发明的有益效果是：

本发明燃气计量装置包括气轨总成，气轨总成包括气轨本体，气轨本体上设置有电控喷嘴和燃气压力温度传感器(NGTP)，使用燃气压力温度传感器测量进口燃气温度和压力；气轨本体内进气腔和出气腔的导通或隔断是通过电控喷嘴的工作状态决定。

发动机电控单元ECU采集转速信号、混合器中混合气的压力温度和氧传感器测量到的废气中的氧含量，确定出当前工况下所需的燃气质量FPC；然后基于所需的燃气质量FPC和进口燃气温度和压力以及其他预设参数，计算出喷嘴占空比脉宽IPW(injectorpulse width)、单个喷嘴流出最大燃气质量q_m及电控喷嘴所需数量n，发动机电控单元ECU向电控喷嘴发送占空比脉宽信号，控制n个电控喷嘴的动作进而控制燃气流量，电控喷嘴之间一致性高，占空比技术PWM控制精确稳定，使得燃气计量装置在有效的电控策略下会根据燃气需求流量输出非常稳定、精确的质量的燃气；会大副减少不必要的燃气消耗，提升使用经济性，同时会利于发动机转速和负荷的稳定控制，解决发动机无法在部分转速和负荷保持稳定运行的问题。

附图说明

图1是本发明发动机的燃气计量装置的结构示意图；

图2是图1的侧视示意图；

图3是图2中A-A剖视示意图；

图4是图1的俯视构示意图；

图5是图4中B-B剖视示意图；

图6是图4中C-C剖视示意图；

图7是图5中D处的放大示意图；

图8是图1中气轨本体的结构示意图；

图9是图8的局部剖视示意图；

图10是本发明燃气计量控制方法的原理图；

图11是本发明燃气计量控制方法的流程图；

图中：1-气轨总成，11-气轨本体，111-进气腔，1111-气体流通孔112-出气腔，1121-气体流通孔，113-喷嘴安装孔，1131-第一阶梯部，1132-第二阶梯部，12-电控喷嘴，13-燃气压力温度传感器，14-进气接头，15-出气接头，16-密封圈，17-螺栓，18-压装垫片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细的说明。

如图1至5共同所示，发动机燃气计量装置包括气轨总成1，气轨总成1包括气轨本体11，气轨本体11内设有水平延伸的进气腔111和出气腔112，进气腔111设有多个用于燃气从进气腔111往下游流出的气体流通孔1111，出气腔112设有多个用于上游燃气进入出气腔112的气体流通孔1121。气轨本体11上设有多个竖向延伸的喷嘴安装孔113，进气腔111、喷嘴安装孔113和出气腔112之间形成供燃气通过的燃气通道，即喷嘴安装孔113通过对应的气体流通孔1111和1121与进气腔111和出气腔112实现连通，形成此燃气通道。喷嘴安装孔113内安装有电控喷嘴12，电控喷嘴12用于导通或隔断该燃气通道。

气轨本体11上设有进气口和出气口，进气口与进气腔111连通(也就是说进气腔111是一端封闭一端敞开的腔体)，出气口与出气腔112连通(也就是说出气腔112也是一端封闭一端敞开的腔体)；临近进气口处的气轨本体11上设置有燃气压力温度传感器13，燃气压力温度传感器13用于检测进气口处的燃气温度和压力。电控喷嘴12和燃气压力温度传感器13均与发动机电控单元ECU电连接。

在本实施例中，进气口设置有进气接头14，用于与燃气气瓶连接；出气口设置有出气接头15用于与发动机混合器连接。为了确保燃气流通的顺畅性，进气腔111位于气轨本体11的上部，出气腔112位于气轨本体11的下部，进气腔111和出气腔112相互平行。便于装配，将进气口和出气口分别设置于气轨本体11的两端部。

如图6中双点划线所示的燃气路径，电控喷嘴12开启，燃气通道导通，燃气通过进气腔111和气体流通孔1111进入喷嘴安装孔113内的电控喷嘴12内，从电控喷嘴12的喷孔喷出，经气体流通孔1121进入出气腔112。同理，电控喷嘴12关闭，燃气通道隔断，燃气无法通过进气腔111和气体流通孔1111进入喷嘴安装孔113内的电控喷嘴12内，进而燃气无法经气体流通孔1121进入出气腔112。

如图7至图9所示，喷嘴安装孔113的形状与电控喷嘴12的形状相适配，确保安装后的密封性，防止燃气泄露。在本实施例中，喷嘴安装孔113呈阶梯状，包括第一阶梯部1131和第二阶梯部1132，电控喷嘴12的下端部与第一阶梯部1131和第二阶梯部1132对应密封连接，通过密封圈16实现密封，确保电控喷嘴12关闭时，不出现内漏问题。电控喷嘴12的上端部借助螺栓17、压装垫片18与气轨本体11密封连接(固定于气轨本体11且确保了密封性)。

如图10所示，控制原理为：

发动机电控单元ECU采集转速信号、混合器中混合气的压力温度和氧传感器测量到的废气中的氧含量，确定出当前工况下所需的燃气质量FPC(通过台架试验在发动机电控单元ECU中预先标定出不同工况下转速信号、混合器中混合气的压力温度和废气中的氧含量与所需的燃气质量FPC的关系，发动机电控单元ECU具有不同的工况可直接调用或计算出相应的所需的燃气质量)；然后基于所需的燃气质量FPC和进口燃气温度和压力以及其他预设参数，计算出喷嘴占空比脉宽IPW(injector pulse width)、单个喷嘴流出最大燃气质量q_m及电控喷嘴所需数量n，发动机电控单元ECU向电控喷嘴发送占空比脉宽信号，控制n个电控喷嘴的动作进而控制燃气流量。

如图11所示，发动机的燃气计量控制方法，具体包括以下步骤：

S1、发动机电控单元ECU基于氧传感器、转速传感器和混合气压力温度传感器实时采集的废气中氧含量、转速值和混合气的压力温度值，确定出当前工况下所需的燃气质量FPC，其中氧传感器、转速传感器和混合气压力温度传感器的安装位置为公知技术，在此不做赘述。

S2、发动机电控单元ECU基于所需的燃气质量FPC、燃气压力温度传感器实时采集的发动机燃气计量装置中进气口处的燃气压力温度值，以及发动机电控单元ECU内预设的天然气气体常数R_fuel、电控喷嘴有效最小流通面积ACd和经验系数斜率K，计算出喷嘴占空比脉宽IPW。

S3、同时，发动机电控单元ECU基于燃气压力温度传感器实时采集的发动机燃气计量装置中进气口处的燃气压力温度值，以及发动机电控单元ECU内预设的天然气气体常数R_fuel、电控喷嘴有效最小流通面积ACd和喷嘴修正系数E，计算出单个喷嘴流出最大燃气质量q_m。

S4、发动机电控单元ECU基于所需的燃气质量FPC和单个喷嘴流出最大燃气质量q_m，计算出电控喷嘴开启的数量n。

S5、发动机电控单元ECU基于喷嘴占空比脉宽IPW控制n个电控喷嘴开启或关闭。

在上述步骤S1执行之前，需要根据台架试验在发动机电控单元ECU中预先标定出废气中氧含量、转速值和混合气的压力温度值与所需的燃气质量FPC之间的关系，用于在不同工况下，发动机电控单元ECU可计算或直接调用相应工况下所需的燃气质量FPC，台架试验的标定方法为本领域技术人员所述熟知的，基于废气中氧含量、转速值和混合气的压力温度值或得所需的燃气质量FPC是目前常见的技术手段。

步骤S2中，喷嘴占空比脉宽IPW的计算公式为：

其中：

FPC为所需的燃气质量，单位mg；

NGT为进气口处的燃气温度，单位℃；

NGP为进气口处的燃气压力，单位Pa；

IPW为喷嘴占空比脉宽，单位ms。

步骤S3中，单个喷嘴流出最大燃气质量q_m的计算公式为：

ACd为电控喷嘴有效最小流通面积，单位mm²；

q_m为单个喷嘴流出最大燃气质量，单位mg；

本实施例中，发动机的燃气计量控制方法还包括以下步骤：

S6、当氧传感器实时采集的废气中氧含量与预设值不等时，对计算结果进行修正,即：重复步骤S1至步骤S5；直至氧传感器实时采集的废气中氧含量与预设值相等。

需要说明的是：

本实施例中，喷嘴修正系数E＝0.5，经验系数斜率K＝1.1，天然气气体常数Rfuel为169J/(kg K)。这些具体数值仅是示例性的，并非仅有这些数值是适用的，喷嘴修正系数E、和经验系数斜率K需要经过多次台架试验获得，不同类型发动机通过台架试验获得的喷嘴修正系数E、和经验系数斜率K会有所改变；同样天然气中成分变化时，天然气气体常数Rfuel会有所改变，需要将改变后的数值带入计算公式中进行计算。也就是说上述差异并不能影响计算公式整体的有效性。

占空比是一个脉冲循环周期内，通电时间相对于总时间所占的比例，即电路被接通的时间占整个电路工作周期的百分比。脉冲宽度调整就是占空比的调整。发动机电控单元ECU基于相应的脉冲宽度对电控喷嘴12进行驱动，电控喷嘴12的驱动原理与PWM电磁阀的驱动原理相类似。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改和改进，均应包含在本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种发动机的燃气计量控制方法，利用发动机的燃气计量装置，其特征在于，所述燃气计量装置包括气轨总成，所述气轨总成包括气轨本体，所述气轨本体内设有水平延伸的进气腔和出气腔，所述气轨本体上设有多个竖向延伸的喷嘴安装孔，所述进气腔、所述喷嘴安装孔和所述出气腔之间形成燃气通道，所述喷嘴安装孔内安装有电控喷嘴，所述电控喷嘴用于导通或隔断所述燃气通道；所述气轨本体上设有进气口和出气口，所述进气口与所述进气腔连通，所述出气口与所述出气腔连通；所述气轨本体上设置有燃气压力温度传感器，所述燃气压力温度传感器用于检测所述进气口处的燃气温度和压力；所述电控喷嘴和所述燃气压力温度传感器均与发动机电控单元ECU电连接；

所述进气口连接燃气气瓶，所述出气口连接发动机混合器，所述发动机的燃气计量控制方法包括以下步骤：

S1、所述发动机电控单元ECU基于氧传感器、转速传感器和混合气压力温度传感器实时采集的废气中氧含量、转速值和混合气的压力温度值，确定出当前工况下所需的燃气质量FPC；

S2、所述发动机电控单元ECU基于所述所需的燃气质量FPC、所述燃气压力温度传感器实时采集的所述发动机燃气计量装置中所述进气口处的燃气压力温度值，以及所述发动机电控单元ECU内预设的天然气气体常数R_fuel、电控喷嘴有效最小流通面积ACd和经验系数斜率K，计算出喷嘴占空比脉宽IPW；

S3、同时，所述发动机电控单元ECU基于所述燃气压力温度传感器实时采集的所述发动机燃气计量装置中所述进气口处的燃气压力温度值，以及所述发动机电控单元ECU内预设的所述天然气气体常数R_fuel、所述电控喷嘴有效最小流通面积ACd和喷嘴修正系数E，计算出单个喷嘴流出最大燃气质量q_m；

S4、所述发动机电控单元ECU基于所述所需的燃气质量FPC和所述单个喷嘴流出最大燃气质量q_m，计算出所述电控喷嘴开启的数量n；

S5、所述发动机电控单元ECU基于所述喷嘴占空比脉宽IPW控制n个所述电控喷嘴开启或关闭；

在所述步骤S2中，所述喷嘴占空比脉宽IPW的计算公式为：

其中：

NGT为所述进气口处的燃气温度；

NGP为所述进气口处的燃气压力；

在所述步骤S3中，所述单个喷嘴流出最大燃气质量q_m的计算公式为：

2.如权利要求1所述的发动机的燃气计量控制方法，其特征在于，所述进气腔和所述出气腔均设有多个气体流通孔，所述喷嘴安装孔通过对应的所述气体流通孔与所述进气腔和所述出气腔连通，形成所述燃气通道。

3.如权利要求1所述的发动机的燃气计量控制方法，其特征在于，所述进气口设置有进气接头，所述出气口设置有出气接头。

4.如权利要求1所述的发动机的燃气计量控制方法，其特征在于，所述进气腔位于所述气轨本体的上部，所述出气腔位于所述气轨本体的下部；所述进气口和所述出气口分别位于所述气轨本体的两端部。

5.如权利要求1所述的发动机的燃气计量控制方法，其特征在于，所述喷嘴安装孔呈阶梯状，包括第一阶梯部和第二阶梯部，所述电控喷嘴的下端部与所述第一阶梯部和所述第二阶梯部对应密封连接；所述电控喷嘴的上端部借助螺栓、压装垫片与所述气轨本体密封连接。

6.如权利要求1所述的发动机的燃气计量控制方法，其特征在于，在所述步骤S1之前，根据台架试验在所述发动机电控单元ECU中预先标定出所述废气中氧含量、所述转速值和所述混合气的压力温度值与所述所需的燃气质量FPC之间的关系。

7.如权利要求1所述的发动机的燃气计量控制方法，其特征在于，所述发动机的燃气计量控制方法还包括以下步骤：

S6、当所述氧传感器实时采集的废气中氧含量与预设值不等时，对计算结果进行修正,即：重复步骤S1至步骤S5；直至所述氧传感器实时采集的废气中氧含量与预设值相等。