CN109723537B - 低热值燃气高效增压喷射稀薄燃烧综合控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低热值燃气高效增压喷射稀薄燃烧综合控制系统，包括低热值气体增压中冷单元、空气增压中冷单元、燃气单独进气预燃室单元、主燃气喷射单元、安全防爆单元、点火式内燃机单元、控制单元。本发明提高了低热值气体机燃气进气密度及充气量；提高了低热值燃气机整机运行的安全防爆性；实现主燃烧室分层稀薄燃烧，并解决了进排气系统回火放炮问题的发生；进而实现低热值气体内燃机采用较高的压缩比以及缸内较高的过量空气系数，实现缸内主燃烧室高效稀薄燃烧，降低缸内燃烧温度并避免燃烧爆震现象的发生，进一步提高活塞压缩比，最终提高内燃机热效率、降低排放及高效稳定可靠运行的目的。

Description

低热值燃气高效增压喷射稀薄燃烧综合控制系统及方法

技术领域

本发明涉及内燃机技术领域，特别涉及低热值燃气高效增压喷射稀薄燃烧气体机，具体涉及一种低热值燃气高效增压喷射稀薄燃烧综合控制系统及其控制方法。

背景技术

随着化石能源的不断枯竭以及节能减排要求日益高涨，使得人们越来越认识到低热值可燃气体回收利用在能源利用和节能减排方面的重要作用。作为以前任意排空浪费的低热值可燃气体，如煤矿瓦斯气、沼气、炼化尾气、焦炉煤气、高炉煤气、发生炉煤气、油母页岩气、炭黑气、蓝碳气、水煤气、秸秆气、垃圾填埋气等可燃低热值燃气体的开发利用已成为世界范围的课题之一。低热值气体发动机作为最能体现可燃气体利用的动力设备得到了一定的发展和应用。

当前所研究的低热值气体发动机由于基本都是在原有柴油机基础上改制的，技术含量不高，且基本采用的低压预混增压中冷进气的方式，其燃气未经过精确控制进入各缸，加之没有高效的控制策略，使得这种通常的低热值气体机存在以下弊端：

（1）通常的低热值气体发动机由于采用的是燃气和空气在增压前预混，燃气无精确控制设备和控制策略，很难实现单缸燃气量精准控制，更谈不上单缸稀薄燃烧精确控制；

（2）通常的低热值气体发动机由于采用普通的火花塞或采用预燃室火花塞，火花塞附近的气体浓度与主燃烧室浓度基本一致，在较稀或较高的燃气浓度范围内很难实现点火，因此容易产生失火现象发生，进而导致发动机无法正常燃烧作功；

（3）通常的低热值气体发动机由于进入气缸的气体为混合气体，在进排气重叠角时（进气门和排气门同时打开期间），一部分可燃混合气体的会从排气门中溢出，一方面降低了燃气热效率，另一方面增加了排气管放炮的不安全事故发生；

（4）通常的低热值气体发动机在负荷突加突卸和速度特性时，很难实现增压器的迅速响应，无法满足变工况对燃气和空气量快速响应需求，导致气体机转速波动较大，运行不稳；

（5）通常的低热值气体发动机采用预混增压进气，由于从增压前到进入气缸整个管路中都是可燃混合气体，易发生回火爆炸危险；

（6）通常的低热值气体发动机控制单元因没有实时监测的氧气传感器、爆压传感器、排温传感器测量参数，因此无法判断各缸燃烧状况，无法实现发动机精确控制以及最佳稀薄燃烧、最佳经济运行状态控制。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种低热值燃气高效增压喷射稀薄燃烧综合控制系统及控制方法。其目的在于针对当前可燃低热值气体（非标准低热值燃料）点燃式内燃机在稀薄燃烧状态下火花塞易失火导致无法正常燃烧作功，且燃气和空气预混合增压后易产生爆炸，以及进气管和排气管易发生回火放炮现象，而且低热值燃气内燃机其功率输出不稳定、热效率低、排放指标差等系列问题，开发了一种适合低热值可燃气体高效增压喷射稀薄燃烧综合控制系统及控制方法。

本发明提供一种低热值燃气高效增压喷射稀薄燃烧综合控制系统，包括低热值气体增压中冷单元、空气增压中冷单元、燃气单独进气预燃室单元、主燃气喷射单元、安全防爆单元、点火式内燃机单元、控制单元；

所述的低热值气体增压中冷单元由燃气废气涡轮增压器、燃气中冷器组成；

所述的空气增压中冷单元由空气滤、空气废气涡轮增压器、空气中冷器组成；

所述的燃气单独进气预燃室单元由燃气进气单向阀、火花塞预燃室组成；所述的主燃气喷射单元由燃气喷射阀组成；

所述的安全防爆单元由增压器前燃气管道专用阻火器、中冷后燃气管道专用阻火器、进气总管安全防爆泄压阀、排气总管安全防爆泄压阀；

所述的点火式内燃机单元由包括气缸盖在内的内燃机部件组成；

所述的控制单元通过发动机自动控制系统对燃气调速器、燃气节气门、燃气喷射阀、燃气旁通阀、空气旁通阀的控制实现对该低热值气体发动机进气增压中冷系统、稀薄燃烧系统及功率输出调速系统的操控。

进一步地，所述的低热值燃气是指除标准天然气以外且热值低于18MJ/Nm3的可燃气体。

进一步地，所述的可燃气体为：煤矿瓦斯气、沼气、炼化尾气、焦炉煤气、高炉煤气、发生炉煤气、油母页岩气、炭黑气、蓝碳气、水煤气、秸秆气、垃圾填埋气中的一种或多种。

进一步地，所述的低热值气体增压中冷单元包括两套废气涡轮增压器，空气和燃气分别通过各自的废气涡轮增压中冷系统进行空气和燃气的增压进气。

进一步地，燃气增压中冷后主燃料通过燃气喷射阀定时定量喷入气道，与空气在气道瞬间混合后同步进入主燃烧室。

进一步地，燃气增压中冷后引燃用燃料通过燃气单向阀进入火花塞预燃室内腔，在预燃室腔体内火花塞点火周围形成较高浓度的混合气体，通过火花塞点燃高浓度混合气体，使高能量火焰迅速通过预燃室喷孔喷射到主燃烧室，引燃主燃烧室内稀薄混合气体。

进一步地，所述燃气增压中冷前后均设置燃气管道专用阻火器，用于阻止和熄灭偶发性火焰传播，保证燃气进气安全性。

进一步地，所述进气总管末端和排气总管末端设置有安全防爆泄压阀，用于防止进气总管回火产生的爆燃，确保燃气机防爆安全性。

进一步地，所述燃气废气涡轮增压器的压气机并联一个燃气旁通阀，用于控制燃气量，满足不同工况燃气机对燃气流量的需求，并实现负荷突加突卸或运行工况突变燃气机对燃气的快速响应。

本发明同时提供了一种低热值燃气高效增压喷射稀薄燃烧综合控制系统的控制方法，包括：

监测燃气机当前运行工况下功率或扭矩、转速、节气门位置信号、燃气喷射阀喷射时刻、排气温度、排气氧浓度、最大爆压、油压、油温、水压、水温、排气温度的运行参数；

所述的控制单元在冷起动时，控制单元调取内部起动设定值，协同调整各缸燃气喷射阀、燃气增压旁通阀、空气增压旁通阀及节气门的参数处于规定值范围内，实现燃气机迅速起动，所述的内部起动设定值为预先根据不同低热值气体成分调试确定的最佳起动设置参数值并保存在控制单元ECU中；

所述的控制单元在负荷特性变化时，根据负荷变化，获取转速、节气门位置信号、排气温度、排气氧浓度等数据的当运行参数，并与内部设定值比对，确定当前工况下最佳节气门位置，以实现发动机不同负荷的最佳的运行状态、最优的排放指标和经济指标；所述的内部设定值为预先根据不同符合工况调试确定的最佳稀薄燃烧和经济运行的节气门位置并保存在控制单元ECU中；

所述的控制单元在速度特性和突加突卸特性变化时，根据速度和负荷同时变化需求，查询控制单元ECU中内部设定值，迅速调整燃气喷射阀、燃气增压旁通阀、空气增压旁通阀及节气门的参数，使燃气机瞬间稳态运行，其缸内稀薄燃烧所需的空气和燃气量及空燃比在预定值范围内，并实现最佳经济运行状态；

所述的控制单元根据排气总管氧传感器和各缸排温传感器检测的信号，判断燃气机是否达到预定的稀薄燃烧状态，通过调整各缸燃气喷射阀喷射时刻和喷射持续时间来控制稀薄燃烧所需要的空燃比。

进一步地，所述的低热值气体机在运行过程中基于负荷特性及速度特性工况需求的控制策略，通过对各缸燃气和新鲜空气量的控制，实现最佳稀薄燃烧状态，降低缸内燃烧温度并避免燃烧爆震现象的发生，进一步提高活塞压缩比，最终提高内燃机热效率、提升工况响应性、降低排放及发动机高效稳定可靠运行的目的。

本发明的有益效果：

本发明所述的低热值燃气高效增压喷射稀薄燃烧综合控制系统及控制方法，基于空气和可燃气体分别高效涡轮增压及深度中冷技术，提高了低热值气体机燃气进气密度及充气量；燃气增压及进排气系统设置的阻火器、安全防爆泄压阀等安全措施，提高了低热值燃气机整机运行的安全防爆性；提供包括燃气和空气增压旁通控制阀、节气门及传感器等元件在内的控制单元及监控策略，有效满足发动机负荷特性、速度特性及突加突卸负荷的操控要求；匹配低热值可燃气体缸内进气道高压定时喷射且与空气缸内混合，预燃室内单独引入较高浓度高压气体提高主燃烧室高效能点火，实现主燃烧室分层稀薄燃烧，并解决了进排气系统回火放炮问题的发生；进而实现低热值气体内燃机采用较高的压缩比以及缸内较高的过量空气系数，实现缸内主燃烧室高效稀薄燃烧，降低缸内燃烧温度并避免燃烧爆震现象的发生，进一步提高活塞压缩比，最终提高内燃机热效率、降低排放及高效稳定可靠运行的目的。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图中标记为：1. 增压器前燃气管道专用阻火器、2. 燃气旁通阀、3.燃气废气涡轮增压器、4.燃气中冷器、5. 中冷后燃气管道专用阻火器、6.燃气节气门、7.执行机构、8.火花塞预燃室、9.燃气进气单向阀、10.燃气喷射阀、11. 进气总管安全防爆泄压阀、12. 气缸盖及点火式内燃机、13.爆震传感器、14. 排气总管安全防爆泄压阀、15.空气中冷器、16.空气旁通阀、17. 空气废气涡轮增压器、18.空气滤清器、19.氧传感器、20.单缸排温传感器、21.控制单元。

具体实施方式

下面将结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

请参照图1，本发明提供一种用于柴油机复制主轴承盖孔径测量的检测装置，包括：

如图所示,本实施例的一种低热值燃气高效增压喷射稀薄燃烧综合控制系统，包括低热值气体增压中冷单元、空气增压中冷单元、燃气单独进气预燃室单元、主燃气喷射单元、安全防爆单元、点火式内燃机单元、控制单元等组成的燃气进气混合燃烧测控系统，所述的低热值气体增压中冷单元由燃气废气涡轮增压器（3）、燃气中冷器（4）组成；所述的空气增压中冷单元由空气滤（18）、空气废气涡轮增压器（17）、空气中冷器（15）组成；所述的燃气单独进气预燃室单元由燃气进气单向阀（9）、火花塞预燃室（8）组成；所述的主燃气喷射单元由燃气喷射阀（10）组成；所述的安全防爆单元由增压器前燃气管道专用阻火器（1）、中冷后燃气管道专用阻火器（5）、进气总管安全防爆泄压阀（11）、排气总管安全防爆泄压阀（14）；所述的点火式内燃机由包括气缸盖（12）在内的内燃机部件组成；所述的控制单元通过发动机自动控制系统（21）对燃气调速器（7）、燃气节气门(6)、燃气喷射阀(10)、燃气旁通阀（2）、空气旁通阀（16）的控制实现对该低热值气体发动机进气增压中冷系统、稀薄燃烧系统及功率输出调速系统的操控。

如图所示，燃气通过独立的燃气用废气涡轮增压器进行增压中冷供气，可以提高低热值燃气的进气密度，并满足燃气喷射压力流量的需求，并达到单独进气预燃室高浓度高压燃气进气要求。

如图所示，燃气喷射阀位于进气道一侧，燃气喷管通入进气道内腔，增压中冷后主燃料通过燃气喷射阀定时定量喷入气道，与空气在气道瞬间混合后同步进入主燃烧室，基本实现气道无残留混合气体，避免回火现象发生。

如图所示，燃气增压中冷后引燃用燃料通过燃气单向阀进入火花塞预燃室内腔，在预燃室腔体内火花塞点火周围形成较高浓度的混合气体，通过火花塞点燃高浓度混合气体，使高能量火焰迅速通过预燃室喷孔喷射到主燃烧室，引燃主燃烧室内稀薄混合气体，实现主燃烧室分层稀薄燃烧。

如图所示，在燃气废气涡轮增压器前设置燃气管道专用阻火器，和中冷器后设置燃气管道专用阻火器，用于阻止和熄灭偶发性火焰传播，保证燃气进气安全性。

如图所示，在进气总管末端和排气总管末端分别设置安全防爆泄压阀，用于防止进气总管回火产生的爆燃，确保燃气机防爆安全性。

如图所示，在于燃气废气涡轮增压器的压气机并联一个燃气旁通阀，用于控制燃气量，满足不同工况燃气机对燃气流量的需求，并实现负荷突加突卸或运行工况突变燃气机对燃气的快速响应。

如图所示，在空气废气涡轮增压器的压气机并联一个空气旁通阀，用于控制空气量，满足不同工况燃气机对空气流量的需求。

上述的低热值燃气高效增压喷射稀薄燃烧控制方法具体实施如下：

（1）在燃气机启动、怠速、运行、负荷变化及停机过程中，燃气机监控系统通过各传感器实时监测当前测量参数，如功率（或扭矩）、转速、节气门位置信号、燃气喷射阀喷射时刻、排气温度、排气氧浓度、最大爆压、油压、油温、水压、水温、排气温度等在线参数。

（2）在冷起动时，控制单元调取内部起动设定值，协同调整各缸燃气喷射阀、燃气增压旁通阀、空气增压旁通阀及节气门的参数处于规定值范围内，实现燃气机迅速起动，所述的内部起动设定值为预先根据不同低热值气体成分调试确定的最佳起动设置参数值并保存在控制单元ECU中。

（3）在负荷特性（即额定转速下功率增加或减少）时，控制单元根据负荷变化，获取转速、节气门位置信号、排气温度、排气氧浓度等数据的运行参数，并与内部设定值比对，确定当前工况下最佳节气门位置，以实现发动机不同负荷的最佳的运行状态、最优的排放指标和经济指标；所述的内部设定值为预先根据不同符合工况调试确定的最佳稀薄燃烧和经济运行的节气门位置并保存在控制单元ECU中。

（4）在速度特性（即转速和功率同时发生变化）和突加突卸特性时，控制单元根据速度和负荷同时变化需求，查询控制单元ECU中内部设定值，迅速调整燃气喷射阀、燃气增压旁通阀、空气增压旁通阀及节气门的参数，使燃气机瞬间响应稳态运行，其缸内稀薄燃烧所需的空气和燃气量及空燃比在预定值范围内，并实现最佳燃烧和最优经济运行状态。

（5）控制单元根据排气总管氧传感器和各缸排温传感器检测的信号，判断燃气机是否达到预定的稀薄燃烧状态，通过调整各缸燃气喷射阀喷射时刻和喷射持续时间来控制稀薄燃烧所需要的空燃比。

进一步的，低热值气体机在运行过程中基于符合工况需求的控制策略，通过对各缸燃气和新鲜空气量的控制，实现最佳稀薄燃烧状态，降低缸内燃烧温度并避免燃烧爆震现象的发生，进一步提高活塞压缩比，最终提高内燃机热效率、降低排放及发动机高效稳定可靠运行的目的。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种低热值燃气高效增压喷射稀薄燃烧综合控制系统，包括低热值气体增压中冷单元、空气增压中冷单元、燃气单独进气预燃室单元、主燃气喷射单元、安全防爆单元、点火式内燃机单元、控制单元，

所述的低热值气体增压中冷单元由燃气废气涡轮增压器(3)、燃气中冷器(4)组成；

所述的空气增压中冷单元由空气滤清器(18)、空气废气涡轮增压器(17)、空气中冷器(15)组成；

所述的燃气单独进气预燃室单元由燃气进气单向阀(9)、火花塞预燃室(8)组成；所述的主燃气喷射单元由燃气喷射阀(10)组成；

所述的安全防爆单元由增压器前燃气管道专用阻火器(1)、中冷后燃气管道专用阻火器(5)、进气总管安全防爆泄压阀(11)、排气总管安全防爆泄压阀(14)组成；

所述的点火式内燃机单元由包括气缸盖(12)在内的内燃机部件组成；

所述的控制单元在冷起动时，控制单元调取内部起动设定值，协同调整各缸燃气喷射阀、燃气增压旁通阀、空气增压旁通阀及节气门的参数处于规定值范围内，实现燃气机迅速起动，所述的内部起动设定值为预先根据不同低热值气体成分调试确定的最佳起动设置参数值并保存在控制单元ECU中；

所述的控制单元在负荷特性变化时，根据负荷变化，获取转速、节气门位置信号、排气温度、排气氧浓度等数据的当运行参数，并与内部设定值比对，确定当前工况下最佳节气门位置，以实现发动机不同负荷的最佳的运行状态、最优的排放指标和经济指标；所述的内部设定值为预先根据不同符合工况调试确定的最佳稀薄燃烧和经济运行的节气门位置并保存在控制单元ECU中；

所述的控制单元在速度特性和突加突卸特性变化时，根据速度和负荷同时变化需求，查询控制单元ECU中内部设定值，迅速调整燃气喷射阀、燃气增压旁通阀、空气增压旁通阀及节气门的参数，使燃气机瞬间稳态运行，其缸内稀薄燃烧所需的空气和燃气量及空燃比在预定值范围内，并实现最佳经济运行状态。

2.如权利要求1所述的一种低热值燃气高效增压喷射稀薄燃烧综合控制系统，其特征在于：所述的低热值燃气是指除标准天然气以外且热值低于18MJ/Nm³的可燃气体。

3.如权利要求2所述的一种低热值燃气高效增压喷射稀薄燃烧综合控制系统，其特征在于：所述的可燃气体为：煤矿瓦斯气、沼气、炼化尾气、焦炉煤气、高炉煤气、发生炉煤气、油母页岩气、炭黑气、蓝碳气、水煤气、秸秆气、垃圾填埋气中的一种或多种。

4.一种如权利要求1所述的低热值燃气高效增压喷射稀薄燃烧综合控制系统的控制方法，其特征在于：

监测燃气机当前运行工况下功率或扭矩、转速、节气门位置信号、燃气喷射阀喷射时刻、排气温度、排气氧浓度、最大爆压、油压、油温、水压、水温、排气温度的运行参数；

所述的控制单元在冷起动时，控制单元调取内部起动设定值，协同调整各缸燃气喷射阀、燃气增压旁通阀、空气增压旁通阀及节气门的参数处于规定值范围内，实现燃气机迅速起动，所述的内部起动设定值为预先根据不同低热值气体成分调试确定的最佳起动设置参数值并保存在控制单元ECU中；

所述的控制单元在负荷特性变化时，根据负荷变化，获取转速、节气门位置信号、排气温度、排气氧浓度等数据的当运行参数，并与内部设定值比对，确定当前工况下最佳节气门位置，以实现发动机不同负荷的最佳的运行状态、最优的排放指标和经济指标；所述的内部设定值为预先根据不同符合工况调试确定的最佳稀薄燃烧和经济运行的节气门位置并保存在控制单元ECU中；

所述的控制单元在速度特性和突加突卸特性变化时，根据速度和负荷同时变化需求，查询控制单元ECU中内部设定值，迅速调整燃气喷射阀、燃气增压旁通阀、空气增压旁通阀及节气门的参数，使燃气机瞬间稳态运行，其缸内稀薄燃烧所需的空气和燃气量及空燃比在预定值范围内，并实现最佳经济运行状态；

所述的控制单元根据排气总管氧传感器和各缸排温传感器检测的信号，判断燃气机是否达到预定的稀薄燃烧状态，通过调整各缸燃气喷射阀喷射时刻和喷射持续时间来控制稀薄燃烧所需要的空燃比。

5.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于：所述的低热值气体机在运行过程中基于负荷特性及速度特性工况需求的控制策略，通过对各缸燃气和新鲜空气量的控制，实现最佳稀薄燃烧状态，降低缸内燃烧温度并避免燃烧爆震现象的发生，进一步提高活塞压缩比，最终提高内燃机热效率、提升工况响应性、降低排放及发动机高效稳定可靠运行的目的。

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