CN110594026A - 低压燃气增压发动机运行模式切换装置及其切换控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低压燃气增压发动机运行模式切换装置，包括安装在发动机本体上的进气歧管和排气管，进气歧管连接有进气管和依次安装的空气滤清器、增压器、中冷器和电子节气门，还包括低压燃气管，低压燃气管上并联有启动模式燃气输送装置和工作模式燃气输送装置，电子节气门、启动模式燃气输送装置和工作模式燃气输送装置连接有运行模式切换控制装置，还公开了该装置的切换控制方法；在启动运行模式下，混合气体不经过增压器和中冷器，缩短了混合气体的行进长度，使发动机的启动时间大大缩短，使启动性能提高；进入工作运行模式后，发动机进气可增压，适合于高功率运行，实现了发动机自吸式和增压式的混合使用，提高了发动机的运行性能。

Description

低压燃气增压发动机运行模式切换装置及其切换控制方法

技术领域

本发明涉及一种天然气发动机控制技术领域，尤其涉及一种低压燃气增压发动机运行模式切换装置，还涉及该切换装置使用的具体切换控制方法。

背景技术

以沼气、管道燃气、瓦斯气等低压气源为燃料的燃气发动机，因其运行的节能环保性，已经广泛应用于发电机站、石油化工和养殖行业等行业，低压燃气发动机分为自吸式的低压燃气发动机和低压燃气增压发动机。其中自吸式的低压燃气发动机启动性能较好，但是因为进气系统没有设置增压器，进气管压力较低，导致发动机功率较低，无法适应大功率用电器的供电要求；而低压燃气增压发动机虽然设置了增压器，满足了高功率电器的用电需求，但是因为燃气在使用时，需要经过混合气、增压器、中冷器、进气歧管等一系列管路才能流入缸内做功，且供气管路布置过长，容易造成低压燃气增压发动机启动时间长的缺陷，启动控制策略不佳时甚至会出现启动困难的现象，再加上受发动机运行环境影响，有时甚至需要连续启动多次，才能启动发动机。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种实现发动机自吸模式与增压模式的自动切换，且能够同步提高发动机启动性能的低压燃气增压发动机运行模式切换装置。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：低压燃气增压发动机运行模式切换装置，包括安装在发动机本体上的进气歧管和排气管，所述进气歧管连接有进气管，所述进气管上沿气体行进方向依次安装有空气滤清器、增压器、中冷器和电子节气门，还包括低压燃气管，所述低压燃气管连接有启动模式燃气输送装置，所述启动模式燃气输送装置的出气端连接在所述中冷器和所述电子节气门之间的所述进气管上，所述低压燃气管上与所述启动模式燃气输送装置并联设置有工作模式燃气输送装置，所述工作模式燃气输送装置的出气端连接在所述空气滤清器与所述增压器之间的所述进气管上，还包括运行模式切换控制装置，所述电子节气门、所述启动模式燃气输送装置和所述工作模式燃气输送装置分别连接至所述运行模式切换控制装置。

作为优选的技术方案，所述运行模式切换控制装置包括电控单元ECU、设置在所述发动机本体上的转速传感器和安装在所述排气管上的氧传感器，所述转速传感器和所述氧传感器分别连接至所述电控单元ECU。

作为优选的技术方案，所述启动模式燃气输送装置包括启动模式燃气输送管，所述启动模式燃气输送管上沿气体行进方向依次安装有启动模式燃气输送阀、单向阀和启动模式燃气混合器，所述启动模式燃气混合器串联安装在所述中冷器和所述电子节气门之间的所述进气管上，所述启动模式燃气输送阀连接至所述电控单元ECU。

作为优选的技术方案，所述工作模式燃气输送装置包括工作模式燃气输送管，所述工作模式燃气输送管上沿气体行进方向依次安装有工作模式燃气输送阀和工作模式燃气混合器，所述工作模式燃气混合器串联安装在所述空气滤清器与所述增压器之间的所述进气管上，所述工作模式燃气输送阀连接至所述电控单元ECU。

作为优选的技术方案，所述启动模式燃气输送阀和所述工作模式燃气输送阀分别设置为电磁阀。

本发明还提供了上述低压燃气增压发动机运行模式切换装置的切换控制方法，包括以下步骤，

步骤一、在所述电控单元ECU内预设混合气标定浓度、发动机启动时所述启动模式燃气输送阀的开启速率和所述电子节气门的开启速率；

步骤二、通过所述电控单元ECU启动发动机，进入启动运行模式；

在启动运行模式中，所述电控单元ECU实时接收所述转速传感器的检测信号，在发动机自启动至怠速状态的过程中，所述电控单元ECU控制所述工作模式燃气输送阀关闭，控制所述启动模式燃气输送阀和所述电子节气门按照设定的开启速率开启，至发动机进入持怠速运行状态；

步骤三、发动机启动并保持怠速运行的过程中，所述氧传感器开始自检并进入正常的闭环工作，即实时采集所述排气管中氧离子的含量并将检测信号输送至所述电控单元ECU，所述电控单元ECU根据检测信号计算混合气的浓度形成燃气闭环控制，最终确定发动机怠速状态运行下所述启动模式燃气输送阀的开启度；

步骤四、所述氧传感器进入闭环工作后，所述电控单元ECU控制所述工作模式燃气输送阀以每秒M％的速率开启，在所述电控单元ECU控制所述工作模式燃气输送阀的开启过程中，所述启动模式燃气输送阀保持当前开启度不变，且所述电控单元ECU实时接收所述氧传感器的检测信号；

步骤五、所述电控单元ECU接收所述氧传感器的检测信号，并处理获得混合气检测浓度，并在所述电控单元ECU内与混合气标定浓度进行处理比较；

当所述电控单元ECU判定所述混合气检测浓度比所述混合气标定浓度升高且升高浓度≥N％时，所述电控单元ECU制阀所述工作模式燃气输送阀继续以每秒M％的速率开大，同时所述电控单元ECU根据所述氧传感器的闭环工作，控制所述启动模式燃气输送阀开启度减小；

当所述电控单元ECU判定所述混合气检测浓度比所述混合气标定浓度升高且升高浓度＜N％时，返回至所述步骤四；

本步骤的控制过程直至所述启动模式燃气输送阀的开启度为零时，进入下一步；

步骤六、所述电控单元ECU检测到所述启动模式燃气输送阀开启度为零，即所述启动模式燃气输送阀完全关闭，所述电控单元ECU控制所述启动模式燃气输送阀持续保持关闭，同时控制所述工作模式燃气输送阀停止继续开大，发动机切换至工作运行模式；

发动机切换入工作运行模式后，所述电控单元ECU根据所述氧传感器的检测信号，进入PID微调控制，根据发动机的实际运行状态对所述工作模式燃气输送阀进行调控，此模式下，发动机可带载工作。

作为对上述技术方案的改进，M与N分别为设定值，其中0.5＜M＜2；5≤N≤10。

由于采用了上述技术方案，本发明具有以下有益效果：在启动发动机时，利用启动模式燃气输送装置向进气管内输送天然气，发动机启动并运行正常后，利用工作模式燃气输送装置向进气管内输送天然气，并通过运行模式切换控制装置实现启动运行模式和工作运行模式的自动切换；在启动运行模式下，混合气体不经过增压器和中冷器，缩短了混合气体的行进长度，使发动机的启动时间大大缩短，使启动性能提高；进入工作运行模式后，发动机进气可增压，适合于高功率运行，实现了发动机自吸式和增压式的混合使用，提高了发动机的运行性能。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1是本发明实施例发动机启动运行模式的气体输送方式及结构示意图；

图2是本发明实施例发动机工作运行模式的气体输送方式及结构示意图；

图3是本发明实施例的控制过程流程图；

图中：1-发动机本体；2-进气歧管；3-排气管；4-进气管；5-空气滤清器；6-增压器；7-中冷器；8-电子节气门；9-低压燃气管；10-转速传感器；11-氧传感器；12-电控单元ECU；13-启动模式燃气输送管；14-启动模式燃气输送阀；15-单向阀；16-启动模式燃气混合器；17-工作模式燃气输送管；18-工作模式燃气输送阀；19-工作模式燃气混合器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。在下面的详细描述中，只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例。毋庸置疑，本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。

如图1和图2所示，低压燃气增压发动机运行模式切换装置，包括安装在发动机本体1上的进气歧管2和排气管3，所述进气歧管2连接有进气管4，所述进气管4上沿气体行进方向依次安装有空气滤清器5、增压器6、中冷器7和电子节气门8，用于向所述发动机本体1输送燃气，以供所述发动机本体1运行使用。本实施例还还包括低压燃气管9，所述低压燃气管9连接有启动模式燃气输送装置，所述启动模式燃气输送装置的出气端连接在所述中冷器7和所述电子节气门8之间的所述进气管4上，所述低压燃气管9上与所述启动模式燃气输送装置并联设置有工作模式燃气输送装置，所述工作模式燃气输送装置的出气端连接在所述空气滤清器5与所述增压器6之间的所述进气管4上。所述启动模式燃气输送装置在启动运行模式下，向所述进气管4内输送天然气，所述工作模式燃气输送装置在工作运行模式下，向所述进气管4内输送天然气，实现了针对不同运行模式，分别选用相应的送气通道输送天然气，以满足发动机不同运行状态下的用气控制。

本实施例还设有运行模式切换控制装置，所述电子节气门8、所述启动模式燃气输送装置和所述工作模式燃气输送装置分别连接至所述运行模式切换控制装置。针对发动机的运行状态，在所述运行模式切换控制装置的控制下实现利用所述启动模式燃气输送装置或利用所述工作模式燃气输送装置向发动机输送天然气，并控制天然气的输送可以由所述启动模式燃气输送装置输送自动切换至由所述工作模式燃气输送装置输送，控制切换过程中无需人为干预，使用灵活方便。

其中，所述运行模式切换控制装置包括电控单元ECU12、设置在所述发动机本体1上的转速传感器10和安装在所述排气管3上的氧传感器11，所述转速传感器10和所述氧传感器11分别连接至所述电控单元ECU12。所述氧传感器11用于检测所述排气管3内尾气中氧的含量，并将检测信号输送至所述电控单元ECU12，通过所述电控单元ECU12的处理后，实现发动机的闭环控制。所述转速传感器10用于检测发动机的转速，并将转速信号传送至所述电控单元ECU12内，由所述电控单元ECU12根据转速信号判断发动机处于启动状态、怠速状态或正常运行状态。

所述启动模式燃气输送装置包括启动模式燃气输送管13，所述启动模式燃气输送管13上沿气体行进方向依次安装有启动模式燃气输送阀14、单向阀15和启动模式燃气混合器16，所述启动模式燃气混合器16串联安装在所述中冷器7和所述电子节气门8之间的所述进气管4上，所述启动模式燃气输送阀14连接至所述电控单元ECU12。启动发动机时，所述电控单元ECU12控制天然气进入所述启动模式燃气混合器16，与空气混合形成混合气并且迅速吸入所述进气歧管2内做功使发动机启动，天然气或混合后的燃气不需要经过所述增压器6和所述中冷器7，自吸进气启动发动机，缩短了混合气在所述进气管4内的行程，从而大大地缩短了启动时间，使发动机的启动性能提高。

而所述工作模式燃气输送装置包括工作模式燃气输送管17，所述工作模式燃气输送管17上沿气体行进方向依次安装有工作模式燃气输送阀18和工作模式燃气混合器19，所述工作模式燃气混合器19串联安装在所述空气滤清器5与所述增压器6之间的所述进气管4上，所述工作模式燃气输送阀18连接至所述电控单元ECU12。发动机启动后，所述电控单元ECU12控制天然气进入所述工作模式燃气混合器19，与空气混合形成混合气经过所述增压器6和所述中冷器7后，进入发动机内做功，以供高功率大负荷带载使用。且所述启动模式燃气输送阀14和所述工作模式燃气输送阀18分别设置为电磁阀，以便于与所述电控单元ECU12信号连接，实现通过所述电控单元ECU12实时在线控制，以根据发动机的实际运行情况，及时调整两阀体的开启状态或开启度。

如图3所示，本发明还提供了上述低压燃气增压发动机运行模式切换装置的切换控制方法，用于发动机从启动运行模式到工作运行模式的自动切换，具体包括以下步骤：

步骤一、在所述电控单元ECU12内预设混合气标定浓度、发动机启动时所述启动模式燃气输送阀14的开启速率和所述电子节气门8的开启速率，以实现发动机在启动运行模式下或工作运行模式下的工况控制。

步骤二、通过所述电控单元ECU12启动发动机，进入启动运行模式。在启动运行模式中，所述电控单元ECU12实时接收所述转速传感器10的检测信号，在发动机自启动至怠速状态的过程中，所述电控单元ECU12控制所述工作模式燃气输送阀18关闭，控制所述启动模式燃气输送阀14和所述电子节气门8按照设定的开启速率开启，至发动机进入持怠速运行状态。所述电控单元ECU12可以根据所述转速传感器10检测的信号，可以自行判断发动机处于启动过程、怠速运行过程还是正常工作运行过程，其具体判断过程为本技术领域普通技术人员所熟知的内容，在此不再详细描述。

步骤三、发动机启动并保持怠速运行的过程中，所述氧传感器11开始自检并进入正常的闭环工作，即实时采集所述排气管3中氧离子的含量并将检测信号输送至所述电控单元ECU12，所述电控单元ECU12根据检测信号计算混合气的浓度形成燃气闭环控制，最终确定发动机怠速状态运行下所述启动模式燃气输送阀14的开启度。所述氧传感器11的自检和闭环工作过程为本技术领域普通技术人员所熟知的内容。

步骤四、所述氧传感器11进入闭环工作后，所述电控单元ECU12控制所述工作模式燃气输送阀18以每秒M％的速率慢慢开启，在所述电控单元ECU12控制所述工作模式燃气输送阀18的开启过程中，所述启动模式燃气输送阀14保持当前开启度不变，且所述电控单元ECU12实时接收所述氧传感器11的检测信号。其中M为设定值，且0.5＜M＜2，M值越小，则由所述启动模式燃气输送阀14转换至由所述工作模式燃气输送阀18输送天然气所需要的切换模式时间就越长，但切换过程越稳定，反之M值越大，则需要的切换时间越短，切换过程就相对不稳定。

步骤五、所述电控单元ECU12接收所述氧传感器11的检测信号，并处理获得混合气检测浓度，并在所述电控单元ECU12内与混合气标定浓度进行处理比较。具体地，当所述电控单元ECU12判定所述混合气检测浓度比所述混合气标定浓度升高且升高浓度≥N％时，所述电控单元ECU12制阀所述工作模式燃气输送阀18继续以每秒M％的速率开大，同时所述电控单元ECU12根据所述氧传感器11的闭环工作，控制所述启动模式燃气输送阀14开启度减小；当所述电控单元ECU12判定所述混合气检测浓度比所述混合气标定浓度升高且升高浓度＜N％时，返回至所述步骤四。

其中N为设定值，5≤N≤10，如将N设置为5。即当所述电控单元ECU12判定所述混合气检测浓度比所述混合气标定浓度升高且升高浓度≥5％时，所述电控单元ECU12制阀所述工作模式燃气输送阀18继续以每秒M％的速率开大，同时所述电控单元ECU12根据所述氧传感器11的闭环工作，控制所述启动模式燃气输送阀14开启度减小；当所述电控单元ECU12判定所述混合气检测浓度比所述混合气标定浓度升高且升高浓度＜5％时，所述电控单元ECU12也控制所述工作模式燃气输送阀18以每秒M％的速率慢慢开启，但此时所述启动模式燃气输送阀14保持当前开启度不变，直至所述混合气检测浓度比所述混合气标定浓度升高且升高浓度≥5％，所述启动模式燃气输送阀14才在所述电控单元ECU12的控制下再次将开启度慢慢减小，直至所述启动模式燃气输送阀14的开启度为零时，进入下一步。

在步骤四和步骤五的配合中，所述工作模式燃气输送阀18开度不断增大，通过所述工作模式燃气输送阀18流入发动机的燃气越来越多，为了维持进入所述进气歧管2的最终混合气的浓度为ECU内部的设定浓度，所述启动模式燃气输送阀14的开度在所述氧传感器11的反馈调节下会越来越小，直至完全关闭。

步骤六、所述电控单元ECU12检测到所述启动模式燃气输送阀14开启度为零，即所述启动模式燃气输送阀14完全关闭，所述电控单元ECU12控制所述启动模式燃气输送阀14持续保持关闭，同时控制所述工作模式燃气输送阀18停止继续开大，发动机切换至工作运行模式。发动机切换入工作运行模式后，所述电控单元ECU12根据所述氧传感器11的检测信号，进入PID微调控制，根据发动机的实际运行状态对所述工作模式燃气输送阀18进行调控，此模式下，发动机可带载工作。发动机有启动运行模式切换至正常增压的工作运行模式后，可以带载工作。发动机在工作运行模式下，所述启动模式燃气输送阀14始终保持关闭，因为其串联支路上设置有所述单向阀15，可以避免增压后相对高压的混合气倒流进入所述低压燃气管9，保证了发动机的安全运行。

本发明在启动发动机时，利用启动模式燃气输送装置向进气管4内输送天然气，发动机启动并运行正常后，利用工作模式燃气输送装置向进气管4内输送天然气，并通过运行模式切换控制装置实现启动运行模式和工作运行模式的自动切换；在启动运行模式下，混合气体不经过增压器6和中冷器7，缩短了混合气体的行进长度，使发动机的启动时间大大缩短，使启动性能提高；进入工作运行模式后，发动机进气可增压，适合于高功率运行，实现了发动机自吸式和增压式的混合使用，提高了发动机的运行性能。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.低压燃气增压发动机运行模式切换装置，包括安装在发动机本体上的进气歧管和排气管，所述进气歧管连接有进气管，所述进气管上沿气体行进方向依次安装有空气滤清器、增压器、中冷器和电子节气门，其特征在于：还包括低压燃气管，所述低压燃气管连接有启动模式燃气输送装置，所述启动模式燃气输送装置的出气端连接在所述中冷器和所述电子节气门之间的所述进气管上，所述低压燃气管上与所述启动模式燃气输送装置并联设置有工作模式燃气输送装置，所述工作模式燃气输送装置的出气端连接在所述空气滤清器与所述增压器之间的所述进气管上，还包括运行模式切换控制装置，所述电子节气门、所述启动模式燃气输送装置和所述工作模式燃气输送装置分别连接至所述运行模式切换控制装置。

2.如权利要求1所述的低压燃气增压发动机运行模式切换装置，其特征在于：所述运行模式切换控制装置包括电控单元ECU、设置在所述发动机本体上的转速传感器和安装在所述排气管上的氧传感器，所述转速传感器和所述氧传感器分别连接至所述电控单元ECU。

3.如权利要求2所述的低压燃气增压发动机运行模式切换装置，其特征在于：所述启动模式燃气输送装置包括启动模式燃气输送管，所述启动模式燃气输送管上沿气体行进方向依次安装有启动模式燃气输送阀、单向阀和启动模式燃气混合器，所述启动模式燃气混合器串联安装在所述中冷器和所述电子节气门之间的所述进气管上，所述启动模式燃气输送阀连接至所述电控单元ECU。

4.如权利要求3所述的低压燃气增压发动机运行模式切换装置，其特征在于：所述工作模式燃气输送装置包括工作模式燃气输送管，所述工作模式燃气输送管上沿气体行进方向依次安装有工作模式燃气输送阀和工作模式燃气混合器，所述工作模式燃气混合器串联安装在所述空气滤清器与所述增压器之间的所述进气管上，所述工作模式燃气输送阀连接至所述电控单元ECU。

5.如权利要求4所述的低压燃气增压发动机运行模式切换装置，其特征在于：所述启动模式燃气输送阀和所述工作模式燃气输送阀分别设置为电磁阀。

6.如权利要求5所述的低压燃气增压发动机运行模式切换装置的切换控制方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤一、在所述电控单元ECU内预设混合气标定浓度、发动机启动时所述启动模式燃气输送阀的开启速率和所述电子节气门的开启速率；

步骤二、通过所述电控单元ECU启动发动机，进入启动运行模式；

在启动运行模式中，所述电控单元ECU实时接收所述转速传感器的检测信号，在发动机自启动至怠速状态的过程中，所述电控单元ECU控制所述工作模式燃气输送阀关闭，控制所述启动模式燃气输送阀和所述电子节气门按照设定的开启速率开启，至发动机进入持怠速运行状态；

步骤三、发动机启动并保持怠速运行的过程中，所述氧传感器开始自检并进入正常的闭环工作，即实时采集所述排气管中氧离子的含量并将检测信号输送至所述电控单元ECU，所述电控单元ECU根据检测信号计算混合气的浓度形成燃气闭环控制，最终确定发动机怠速状态运行下所述启动模式燃气输送阀的开启度；

步骤四、所述氧传感器进入闭环工作后，所述电控单元ECU控制所述工作模式燃气输送阀以每秒M％的速率开启，在所述电控单元ECU控制所述工作模式燃气输送阀的开启过程中，所述启动模式燃气输送阀保持当前开启度不变，且所述电控单元ECU实时接收所述氧传感器的检测信号；

步骤五、所述电控单元ECU接收所述氧传感器的检测信号，并处理获得混合气检测浓度，并在所述电控单元ECU内与混合气标定浓度进行处理比较；

当所述电控单元ECU判定所述混合气检测浓度比所述混合气标定浓度升高且升高浓度≥N％时，所述电控单元ECU制阀所述工作模式燃气输送阀继续以每秒M％的速率开大，同时所述电控单元ECU根据所述氧传感器的闭环工作，控制所述启动模式燃气输送阀开启度减小；

当所述电控单元ECU判定所述混合气检测浓度比所述混合气标定浓度升高且升高浓度＜N％时，返回至所述步骤四；

本步骤的控制过程直至所述启动模式燃气输送阀的开启度为零时，进入下一步；

步骤六、所述电控单元ECU检测到所述启动模式燃气输送阀开启度为零，即所述启动模式燃气输送阀完全关闭，所述电控单元ECU控制所述启动模式燃气输送阀持续保持关闭，同时控制所述工作模式燃气输送阀停止继续开大，发动机切换至工作运行模式；

发动机切换入工作运行模式后，所述电控单元ECU根据所述氧传感器的检测信号，进入PID微调控制，根据发动机的实际运行状态对所述工作模式燃气输送阀进行调控，此模式下，发动机可带载工作。

7.如权利要求6所述的低压燃气增压发动机运行模式切换装置的切换控制方法，其特征在于：M与N分别为设定值，其中0.5＜M＜2；5≤N≤10。