CN110541776A - 一种天然气掺水燃烧发动机及其掺水控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然气掺水燃烧发动机及其掺水控制方法。现有天然气发动机运行过程中存在动力性下降、排放温度高和NOx排放高的问题。本发明包括天然气发动机本体和掺水系统；掺水系统由水罐、水泵、高压油泵和注水器组成。本发明通过增加掺水系统，并基于PID控制算法，可实现对喷水脉宽的自动调节，从而在压缩上止点附近时向缸内喷射适量的液态水，直接降低缸内的燃烧温度，控制燃烧速度。本发明不仅能够直接降低发动机排放温度，还能有效控制缸内的NOx生成量，降低爆震趋势。此外，在降低爆震趋势的基础上，可以让发动机匹配更高的压缩比，进而提高发动机热效率。

Description

一种天然气掺水燃烧发动机及其掺水控制方法

技术领域

本发明属于发动机工程技术领域，具体涉及一种天然气掺水燃烧发动机及其掺水控制方法，该发动机可直接向缸内喷射适量的液态水，有效降低缸内燃烧温度，控制燃烧速度，进而降低发动机爆震趋势，提高发动机热效率，同时降低氮氧化物(NOx)排放量。

背景技术

随着汽车工业的快速发展，其巨大的能源消耗已威胁到国家的能源供应安全，同时，排放的大量尾气也直接威胁到了生态环境与人类健康，因此，清洁车用代用燃料已成为各国研究的重要课题。其中，天然气作为我国国家清洁能源行动的重要内容，在资源、经济、排放、安全等诸多方面都具有巨大优势，是目前首选的内燃机代用燃料。

目前，天然气发动机多在柴油机的基础上进行设计改造，采用火花点火、涡轮增压、稀薄燃烧与氧化型催化转化器(Oxidation Catalyst Converter，OCC)后处理技术路线，以满足动力性与排放要求。在实际使用中，由于天然气特殊的物化特性，使得发动机在运行过程中存在以下问题：

1、动力性下降：天然气低热值比柴油低热值高18％，但其与空气形成的混合气热值比柴油与空气形成的混合气热值低12％。此外，天然气为气体燃料，采用进气道喷射后，会导致充量系数下降10％左右。因此，天然气发动机动力性较柴油机明显下降。

2、排放温度高：天然气混合气火焰传播速度慢，导致缸内后燃严重，排放温度增加。此外，为抑制爆震燃烧，天然气发动机采用较小的压缩比(10.5-12)，缸内膨胀效果减弱，导致缸内温度升高。

3、NOx排放高：天然气发动机采用稀薄燃烧技术，缸内富含氧气，结合高温状态，为NOx的生成提供了理想环境，因此，NOx排放量明显增加。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种天然气掺水燃烧发动机及其掺水控制方法，该发动机通过增加掺水系统，可在压缩上止点附近时向缸内喷射适量的液态水，从而直接降低缸内的燃烧温度，控制燃烧速度。

本发明采用的技术方案如下：

本发明一种天然气掺水燃烧发动机，包括天然气发动机本体和掺水系统；所述的掺水系统由水罐、水泵、高压油泵和注水器组成；所述水罐的出水口接水泵的入口，水泵的出口接高压油泵的入口，高压油泵的出口接注水器的入口，注水器的喷射口插入发动机气缸的燃烧室；所述水泵和高压油泵的启停以及注水器内电磁阀的开闭均由电子控制单元控制。

所述的水罐中存储液态水。

该天然气掺水燃烧发动机的掺水控制方法，具体如下：

电子控制单元内的PID控制器根据发动机转速和节气门开度，从MAP图中读取当前工况n的预期排温T_h(n)以及注水器的喷射时刻和喷射脉宽初值；当n＝1或n＝2时，电子控制单元直接控制注水器内的电磁阀按喷射脉宽初值在喷射时刻打开，实现发动机气缸内直接喷水。当n≥3时，按以下步骤对喷射脉宽进行修正：

第一步：PID控制器根据排气温度传感器传来的信号获取当前工况n的实际排温T_f(n)。

第二步：PID控制器计算当前工况n的预期排温与实际排温之间的温差T_d(n)＝T_h(n)-T_f(n)。

第三步：将T_d(n)作为输入参数，通过PID控制器的PID控制算法计算注水器的喷射脉宽修正值Δt(n)，对注水器的喷射脉宽进行修正，然后控制注水器内的电磁阀按喷射脉宽初值与喷射脉宽修正值Δt(n)之和的喷射脉宽在喷射时刻打开，且当前工况的喷射脉宽初值更新为修正值后的喷射脉宽初值并写入MAP图中。

所述发动机的转速由转速传感器测得。

所述节气门的开度由节气门开度传感器测得。

所述的PID控制算法如下：

Δt(n)＝a₀T_d(n)+a₁T_d(n-1)+a₂T_d(n-2)

其中，工况n的前一工况的温差T_d(n-1)＝T_h(n-1)-T_f(n-1)，工况n的前两个工况的温差T_d(n-2)＝T_h(n-2)-T_f(n-2)，T_h(n-1)和T_h(n-2)分别为工况n的前一工况和前两个工况的预期排温，T_f(n-1)和T_f(n-2)分别为工况n的前一工况和前两个工况的实际排温，各工况的温差计算好后存于PID控制器中； K_p表示比例系数；t_i表示积分时间，单位为秒；t_d表示微分时间，单位为秒；t表示PID控制器的采样周期，单位为秒。

本发明具有的有益效果：

本发明通过增加掺水系统，并基于PID控制算法，可实现对喷水脉宽的自动调节，从而在压缩上止点附近时向缸内喷射适量的液态水，直接降低缸内的燃烧温度，控制燃烧速度。本发明不仅能够直接降低发动机排放温度，还能有效控制缸内的NOx生成量，降低爆震趋势。此外，在降低爆震趋势的基础上，可以让发动机匹配更高的压缩比，进而提高发动机热效率。

附图说明

图1是本发明发动机的结构示意图。

图2为本发明喷射脉宽自动调节的控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明。

如图1所示，一种天然气掺水燃烧发动机，包括天然气发动机本体和掺水系统；掺水系统由水罐22、水泵21、高压油泵8和注水器10组成；注水器10的结构可以与现有技术的喷油器的结构完全相同；液态水存储于水罐22中，水罐22的出水口接水泵21的入口，水泵21的出口接高压油泵8的入口，高压油泵8的出口接注水器10的入口，注水器10的喷射口插入发动机气缸的燃烧室；液态水经水泵21和高压油泵8加压后，由注水器10喷射进入发动机气缸的燃烧室；水泵21和高压油泵8的启停以及注水器10内电磁阀的开闭均由电子控制单元7控制；电磁阀的开闭决定注水器10的喷射时刻与喷射脉宽。

天然气发动机本体包括空气滤清器1、涡轮增压器、进气压力温度传感器3、节气门4、燃气喷射器5、凸轮轴位置传感器6、电子控制单元(ECU)7、火花塞9、排气温度传感器11、氧传感器12、柴油氧化催化器(DOC)13、天然气罐14、减压阀15、燃气驱动器16、燃气压力温度传感器17、冷却水温传感器18、爆震传感器19和转速传感器20；进气压力温度传感器3可以采用博世的型号为0261230245的进气压力温度传感器。

空气滤清器1的出气口接进气管管段一的进气口，进气管管段一的出气口接涡轮增压器的压气端2-1进气口；新鲜空气经空气滤清器1过滤后，进入涡轮增压器的压气端2-1进气口，由涡轮增压器进行增压；涡轮增压器的压气端2-1出气口接进气管管段二的进气口，进气管管段二的出气口接发动机气缸的进气口；进气管管段二上设有节气门4和两个进气压力温度传感器3，两个进气压力温度传感器3设置在节气门4两端；进气压力温度传感器检测进气管管段二内压力和温度，节气门4控制进气管的气流量。

发动机气缸的排气口接排气管管段一的进气口，发动机气缸燃烧后的废气经由排气管管段一排出，排气管管段一的出气口接涡轮增压器的涡轮端2-2进气口，涡轮增压器的涡轮端2-2出气口接排气管管段二的进气口，排气管管段二的出气口接柴油氧化催化器13的进气口，柴油氧化催化器13的出气口开放设置；排气管管段二上设有排气温度传感器11和两个氧传感器12；其中，涡轮增压器的涡轮端为增压提供能量，排气温度传感器11测量排气温度，氧传感器12检测混合气空燃比，柴油氧化催化器13处理尾气中的碳氢污染物。

天然气存储于天然气罐14，天然气罐14的出气口经减压阀15接燃气驱动器16，燃气驱动器16的出口接燃气喷射器5；燃气喷射器5的喷嘴插入进气管管段二内腔；燃气驱动器16的出口处设有燃气压力温度传感器17；减压阀15将天然气的压力降低到喷射压力，随后通过燃气驱动器16与燃气喷射器5，将天然气喷射进入进气管管段二；燃气压力温度传感器17检测天然气的温度与压力。

此外，发动机气缸的水套上设有冷却水温度传感器18，监测冷却水温度；发动机气缸的缸盖上设有爆震传感器19，监测发动机是否发生爆震；凸轮轴两端均设置凸轮轴位置传感器6，为发动机点火、注水器喷射等提供相位信号；电子控制单元7通过节气门4和设置在曲轴上的转速传感器20，确定发动机工作工况，通过查找MAP图的方式，确定注水器10的喷射时刻与喷射脉宽；同时，电子控制单元7利用PID算法，对注水器10的喷射脉宽进行修正，以达到当前工况下的预期排温。

如图2所示，该天然气掺水燃烧发动机的掺水控制方法，具体如下：

电子控制单元内的PID控制器根据发动机转速(转速传感器测得)和节气门开度(节气门开度传感器测得)，从MAP图中读取当前工况n(PID控制器的第n个采样周期)的预期排温71h(n)以及注水器10的喷射时刻和喷射脉宽初值，当n＝1或n＝2时，电子控制单元直接控制注水器内的电磁阀按喷射脉宽初值在喷射时刻打开，实现发动机气缸内直接喷水。当n≥3时，按以下步骤对喷射脉宽进行修正：

第一步：PID控制器根据排气温度传感器11传来的信号获取当前工况n的实际排温T_f(n)。

第二步：PID控制器计算当前工况n的预期排温与实际排温之间的温差T_d(n)＝T_h(n)-T_f(n)。

第三步：将T_d(n)作为输入参数，通过PID控制器的PID控制算法计算注水器10的喷射脉宽修正值Δt(n)，对注水器的喷射脉宽(喷射的时间)进行修正，然后控制注水器内的电磁阀按喷射脉宽初值与喷射脉宽修正值Δt(n)之和的喷射脉宽在喷射时刻打开，实现发动机气缸内直接喷水。当前工况的喷射脉宽初值更新为修正值后的喷射脉宽初值并写入MAP图中，PID控制既能保证控制精度，又能提高系统的鲁棒性，PID控制算法如下：

Δt(n)＝a₀T_d(n)+a₁T_d(n-1)+a₂T_d(n-2)

其中，工况n的前一工况的温差T_d(n-1)＝T_h(n-1)-T_f(n-1)，工况n的前两个工况的温差T_d(n-2)＝T_h(n-2)-T_f(n-2)，T_h(n-1)和T_h(n-2)分别为工况n的前一工况和前两个工况的预期排温，T_f(n-1)和T_f(n-2)分别为工况n的前一工况和前两个工况的实际排温，各工况的温差计算好后便存于PID控制器中，以便计算下一工况时调用； K_p表示比例系数；t_i表示积分时间，单位为秒；t_d表示微分时间，单位为秒；t表示PID控制器的采样周期，单位为秒。

Claims (6)

1.一种天然气掺水燃烧发动机，包括天然气发动机本体，其特征在于：还包括掺水系统；所述的掺水系统由水罐、水泵、高压油泵和注水器组成；所述水罐的出水口接水泵的入口，水泵的出口接高压油泵的入口，高压油泵的出口接注水器的入口，注水器的喷射口插入发动机气缸的燃烧室；所述水泵和高压油泵的启停以及注水器内电磁阀的开闭均由电子控制单元控制。

2.根据权利要求1所述的一种天然气掺水燃烧发动机，其特征在于：所述的水罐中存储液态水。

3.根据权利要求1或2所述的一种天然气掺水燃烧发动机的掺水控制方法，其特征在于：该方法具体如下：

电子控制单元内的PID控制器根据发动机转速和节气门开度，从MAP图中读取当前工况n的预期排温T_h(n)以及注水器的喷射时刻和喷射脉宽初值；当n＝1或n＝2时，电子控制单元直接控制注水器内的电磁阀按喷射脉宽初值在喷射时刻打开，实现发动机气缸内直接喷水；当n≥3时，按以下步骤对喷射脉宽进行修正：

第一步：PID控制器根据排气温度传感器传来的信号获取当前工况n的实际排温T_f(n)；

第二步：PID控制器计算当前工况n的预期排温与实际排温之间的温差T_d(n)＝T_h(n)-T_f(n)；

第三步：将T_d(n)作为输入参数，通过PID控制器的PID控制算法计算注水器的喷射脉宽修正值Δt(n)，对注水器的喷射脉宽进行修正，然后控制注水器内的电磁阀按喷射脉宽初值与喷射脉宽修正值Δt(n)之和的喷射脉宽在喷射时刻打开，且当前工况的喷射脉宽初值更新为修正值后的喷射脉宽初值并写入MAP图中。

4.根据权利要求3所述的一种天然气掺水燃烧发动机的掺水控制方法，其特征在于：所述发动机的转速由转速传感器测得。

5.根据权利要求3所述的一种天然气掺水燃烧发动机的掺水控制方法，其特征在于：所述节气门的开度由节气门开度传感器测得。

6.根据权利要求3所述的一种天然气掺水燃烧发动机的掺水控制方法，其特征在于：所述的PID控制算法如下：

Δt(n)＝a₀T_d(n)+a₁T_d(n-1)+a₂T_d(n-2)

其中，工况n的前一工况的温差T_d(n-1)＝T_h(n-1)-T_f(n-1)，工况n的前两个工况的温差T_d(n-2)＝T_h(n-2)-T_f(n-2)，T_h(n-1)和T_h(n-2)分别为工况n的前一工况和前两个工况的预期排温，T_f(n-1)和T_f(n-2)分别为工况n的前一工况和前两个工况的实际排温，各工况的温差计算好后存于PID控制器中； K_p表示比例系数；t_i表示积分时间，单位为秒；t_d表示微分时间，单位为秒；t表示PID控制器的采样周期，单位为秒。