CN112523882B - 燃气发动机进气压力闭环的燃料控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃气发动机进气压力闭环的燃料控制方法，燃料控制方法包括：发电机组并网前，通过查询迈普得到燃气阀的开度为开环模式；发电机组并网后，发电机组上的功率反馈模块将功率信号传输给发动机控制单元；发动机控制单元接收到功率信号后，发动机控制单元通过内部计算将功率信号转换成初始目标进气压力；发动机控制单元根据反馈信号，对初始目标进气压力进行修正，得到最终的目标进气压力；以及发动机控制单元基于当前燃气发动机工况下的实际进气压力与目标进气压力的差值，通过PID调解器调节控制燃气阀开度，以实现燃料量的精确控制。借此，无需氧传感器和排温传感器的参与，既可以控制燃气发电发动机运行的燃料控制。

Description

燃气发动机进气压力闭环的燃料控制方法
技术领域
本发明是关于燃气发动机领域，特别是关于一种燃气发动机进气压力闭环的燃料控制方法。
背景技术
近年来，随着“变废为宝”“节能环保”等理念的不断深入，天然气、垃圾填埋气、沼气以及油田伴生气等以CH4为主要成分的燃气得到了广泛的应用，其中部分用于燃气发电。目前，燃气发动机的燃料控制方法主要是利用氧传感器测量的空燃比进行闭环控制，但是氧传感器的故障率较高且价格不便宜(特别是含有H2S的燃气，非常容易引起氧传感器中毒)。一旦氧传感器出现故障，燃气发动机很容易出现爆震、活塞熔顶、拉缸等严重故障。
例如专利：申请号201921321569.2，该装置主要利用装在排气管上的氧传感器进行实际空燃比的测量，并与目标空燃比进行比较，进行空燃比闭环控制，得出最终燃料的控制量。
另外，还有一种利用排温传感器测量的排温进行闭环控制，但是由于发动机缸数较多，排温传感器需要每个缸布置一个，一旦其中一个发生故障，发动机即需停机维修。而且排温传感器有测量反应慢的天然弱点，不利于燃气量的快速响应。例如专利：申请号201910748623.X，该装置避开了氧传感器进行空燃比的闭环控制，而是使用各缸排气温度进行闭环控制。
针对上述下现有术的不足，本发明旨在解决的技术问题为：提出一种无需氧传感器和排温传感器参与的，利用进气压力进行闭环控制的，能够稳定、可靠、高效控制燃气发电发动机运行的燃料控制方法。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃气发动机进气压力闭环的燃料控制装置及燃料控制方法，其无需氧传感器和排温传感器参与，仅利用进气压力进行闭环控制，即能够稳定、可靠、高效的控制燃气发动机运行的燃料精准控制。
为实现上述目的，本发明提供了一种燃气发动机进气压力闭环的燃料控制装置，包括顺序安装的空气滤清器、文丘里混合器、增压器、中冷器、节气门、进气总管、发动机机体、点火模块以及发电机组；燃料控制装置还包括：设置在节气门之前的节气门前压力传感器；设置在进气总管上且位于节气门之后的进气压力温度传感器；设置在发电机组处的功率反馈模块；设置在发动机机体上的水温传感器；以及设置在燃气发动机的输出轴处的转速传感器。
在一优选的实施方式中，燃气发动机进气压力闭环的燃料控制装置还包括：发动机控制单元、电子风扇、燃气阀、燃气压力温度传感器以及环境传感器。电子风扇设置在中冷器处。燃气阀设置在文丘里混合器的燃气进气口处。燃气压力温度传感器设置在文丘里混合器与燃气阀之间的管路上。环境传感器设置在空气滤清器与文丘里混合器之间的管路上。其中功率反馈模块、转速传感器、水温传感器、点火模块、进气压力温度传感器、节气门前压力传感器、燃气压力温度传感器、环境传感器、电子风扇、节气门以及燃气阀均均与发动机控制单元电性连接。
为实现上述目的，本发明提供了一种燃气发动机进气压力闭环的燃料控制方法，其通过前述的燃料控制装置进行燃料控制，燃料控制方法包括下列步骤：发电机组并网前，通过查询迈普得到燃气阀的开度为开环模式；发电机组并网后，发电机组上的功率反馈模块将功率信号传输给发动机控制单元，发动机控制单元接收到功率信号后，通过功率初始进气压力曲线查询得到与当前发动功率相对应的初始进气压力；发动机控制单元接收到功率信号后，发动机控制单元通过内部计算将功率信号转换成初始目标进气压力；发动机控制单元根据反馈信号，对初始目标进气压力进行修正，得到最终的目标进气压力；以及发动机控制单元基于当前燃气发动机工况下的实际进气压力与目标进气压力的差值，通过PID调解器调节控制燃气阀开度，以实现燃料量的精确控制。
在一优选的实施方式中，将功率信号转换成初始目标进气压力实际为发动机控制单元经过一系列的修正曲线查寻得到最终的目标进气压力。
在一优选的实施方式中，修正曲线包括：点火角度-进气压力修正迈普、转-进气压力修正迈普、燃气温度修正曲线、进气温度修正曲线、环境湿度修正曲线、燃气压力修正曲线以及水温修正曲线。
在一优选的实施方式中，反馈信号为燃气压力传感器、环境传感器、进气压力温度传感器、转速传感器、水温传感器及点火模块反馈回来的信号。
在一优选的实施方式中，当目标进气压力小于一定阈值时，燃气阀开度为开环控制模式；当目标进气压力大于一定阈值时，首先发动机控制单元判断燃气发动机是否为瞬态工况，若经发动机控制单元判断燃气发动机不是瞬态工况，则直接通过PID调解器进行闭环控制；若经发动机控制单元判断燃气发动机是瞬态工况，则先对目标进气压力进行瞬态调节，然后再通过PID调解器进行闭环控制，最后对开环下的燃气阀开度进行调整，输出燃气阀目标开度。
在一优选的实施方式中，迈普为在开环阶段的燃气阀开度能够通过发动机转速以及进气压力查询得到的曲线，曲线的输入轴为发动机转速和进气压力，输出轴为燃气阀开度。
与现有技术相比，本发明的燃气发动机进气压力闭环的燃料控制装置及燃料控制方法具有以下有益效果：其最大的特点就是利用功率反馈模块将燃气发电机组的功率信号输出给发动机控制单元，发动机控制单元将该功率信号转换成目标进气压力，当目标进气压力小于一定阈值时(或者无目标输入)，燃气阀开度为开环控制模式，当有目标进气压力时，则首先判断是否为瞬态工况，若不是则直接进行PID闭环控制；若是，则对目标进气压力进行瞬态调节，然后再对调整后的目标进气压力进行PID闭环控制，再然后对开环下燃气阀开度进行调整，最后输出燃气阀目标开度，达到燃料量的精确控制。上述方案的成本较低，可靠性高，稳定性高，鲁棒性强，能够适应非稳定气源且能适应一定的突加突卸工况，特别适合用于并网发电领域。
附图说明
图1是根据本发明一实施方式的燃料控制装置的系统布置示意图；
图2是根据本发明一实施方式的燃料控制方法的流程示意图；
图3是根据本发明一实施方式的燃料控制方法的燃气阀目标开度计算的逻辑示意图；
图4是根据本发明一实施方式的燃料控制方法的目标进气压力的修正关系示意图。
主要附图标记说明：
1-空气滤清器，2-文丘里混合器，3-增压器，4-中冷器，5-节气门前压力传感器，6-节气门，7-进气总管，8-进气压力温度传感器，9-发动机机体，10-点火模块，11-发电机组，12-功率反馈模块，13-水温传感器，14-转速传感器，15-发动机控制单元(ECU)，16-电子风扇，17-燃气阀，18-燃气压力温度传感器，19-环境传感器，MAP_tgt1-初始目标进气压力，MAP_tgt-目标进气压力，MAP_va-实际进气压力。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
如图1所示，根据本发明优选实施方式的一种燃气发动机进气压力闭环的燃料控制装置，包括顺序安装的空气滤清器1、文丘里混合器2、增压器3、中冷器4、节气门6、进气总管7、发动机机体9、点火模块10以及发电机组11等。燃料控制装置还包括：设置在节气门6之前的节气门前压力传感器5。设置在进气总管7上且位于节气门6之后的进气压力温度传感器8。设置在发电机组11处的功率反馈模块12。设置在发动机机体9上的水温传感器13。以及设置在燃气发动机的输出轴处的转速传感器14。
在一些实施方式中，燃气发动机进气压力闭环的燃料控制装置还包括：发动机控制单元15(ECU)、电子风扇16、燃气阀17、燃气压力温度传感器18以及环境传感器19等。电子风扇16设置在中冷器4处。燃气阀17设置在文丘里混合器2的燃气进气口处。燃气压力温度传感器18设置在文丘里混合器2与燃气阀17之间的管路上。环境传感器19设置在空气滤清器1与文丘里混合器2之间的管路上。其中功率反馈模块12、转速传感器14、水温传感器13、点火模块10、进气压力温度传感器8、节气门前压力传感器5、燃气压力温度传感器18、环境传感器19、电子风扇16、节气门6以及燃气阀17均均与发动机控制单元15电性连接。
如图2至图4所示，为实现上述目的，本发明提供了一种燃气发动机进气压力闭环的燃料控制方法，其通过前述的燃料控制装置进行燃料控制，燃料控制方法包括下列步骤：发电机组11并网前，通过查询迈普得到燃气阀17的开度为开环模式；发电机组11并网后，发电机组11上的功率反馈模块12将功率信号传输给发动机控制单元15，发动机控制单元15接收到功率信号后，通过功率初始进气压力曲线查询得到与当前发动功率相对应的初始进气压力；发动机控制单元15接收到功率信号后，发动机控制单元15通过内部计算将功率信号转换成初始目标进气压力MAP_tgt1；发动机控制单元15根据反馈信号，对初始目标进气压力MAP_tgt1进行修正，得到最终的目标进气压力MAP_tgt；以及发动机控制单元15基于当前燃气发动机工况下的实际进气压力MAP_va与目标进气压力MAP_tgt的差值，通过PID(比例(proportion)、积分(integral)、微分(differential))调解器调节控制燃气阀17开度，以实现燃料量的精确控制。
在一些实施方式中，显然，随着发电机组11输出功率的加大，发动机进气压力也会相应加大，节气门6控制起着转速负荷调节的作用。与此同时，发动机控制单元15基于当前工况下的实际进气压力MAP_va与最终目标进气压力MAP_tgt的差值，并同过PID调解器调节，快速响应，控制燃气阀17的开度，以实现燃料量的闭环控制。
在一些实施方式中，将功率信号转换成初始目标进气压力MAP_tgt1实际为发动机控制单元15经过一系列的修正曲线查寻得到最终的目标进气压力MAP_tgt。
在一些实施方式中，修正曲线包括：点火角度-进气压力修正迈普、转-进气压力修正迈普、燃气温度修正曲线、进气温度修正曲线、环境湿度修正曲线、燃气压力修正曲线以及水温修正曲线。
在一些实施方式中，反馈信号为燃气压力传感器、环境传感器19、进气压力温度传感器8、转速传感器14、水温传感器13及点火模块10反馈回来的信号。
在一些实施方式中，当目标进气压力MAP_tgt小于一定阈值时，燃气阀17开度为开环控制模式；当目标进气压力MAP_tgt大于一定阈值时，首先发动机控制单元15判断燃气发动机是否为瞬态工况，若经发动机控制单元15判断燃气发动机不是瞬态工况，则直接通过PID调解器进行闭环控制；若经发动机控制单元15判断燃气发动机是瞬态工况，则先对目标进气压力MAP_tgt进行瞬态调节，然后再通过PID调解器进行闭环控制，最后对开环下的燃气阀17开度进行调整，输出燃气阀17目标开度。
在一些实施方式中，迈普为在开环阶段的燃气阀17开度能够通过发动机转速以及进气压力查询得到的曲线，曲线的输入轴为发动机转速和进气压力，输出轴为燃气阀17开度。
在一些实施方式中，本发明的燃料控制方法的主逻辑为利用位于机组控制柜处的功率反馈模块12获取当前燃气发电机组11的输出功率，并将该信号输出给发动机控制单元15，发动机控制单元15通过设置好的功率-进气压力曲线将当前功率信号转换成初始的目标进气压力MAP_tgt1，并通过一系列的修正(比如进气温度)得到最终的目标进气压力MAP_tgt，同时发动机控制单元15通过位于进气管上的进气压力温度传感器8获取实际进气压力MAP_val，让实际进气压力MAP_val以目标进气压力MAP_tgt为闭环目标，进行差值计算，通过PID控制调节位于文丘里混合器2前的燃气阀17来调整燃气量，最终实现燃气量的闭环控制。
上述的电子风扇16与发动机中冷器4的进出水管相连接，用于冷却中冷器4的冷却水；发动机控制单元15通过进气管上的进气压力温度传感器8获取实际进气温度MAT_val，发动机控制单元15基于当前设定的目标进气温度MAT_tgt，与实际的进气温度MAT_val进行比较，发动机控制单元15通过PID控制调整电子风扇16的散热量，最终实现进气温度的闭环控制。
上述的点火模块10、燃气压力温度传感器18、转速传感器14、水温传感器13分别与发动机控制单元15电连接，将各自的信号传输给发动机控制单元15，发动机控制单元15通过内部决策，对初始的目标进气压力MAP_tgt1进行修正，计算得出最终的目标进气压力MAP_tgt。
上述燃料控制方法，不仅可以精确控制稳定气源的空燃比，而且也能很好的适应非稳定气源。比如在稳定工况下，当气源的甲烷含量上升时，若燃气阀17开度不变，有效燃料变多，空燃比会变小，实际进气压力MAP_va也会变小(小于目标进气压力MAP_tgt)。通过进气压力闭环，燃气阀17会关小，有效燃料维持不变，空燃比维持不变，从而达到精确控制燃料量；反之，当气源的甲烷含量下降，为实现进气压力闭环，燃气阀17会开大，实现空燃比的理想控制。
另外该燃料控制方法，不仅可以精确控制稳态工况的空燃比，而且也能很好的适应瞬态工况。比如突加负荷工况下，一方面节气门6突开，实际进气压力MAP_va变大；另一方面，功率信号也突然增大，目标进气压力MAP_tgt变大。特别的，通过瞬态加浓策略对目标进气压力MAP_tgt进行修正，使其在突加工况下，最终的目标进气压力MAP_tgt均大于实际进气压力MAP_va，此时燃气阀17也会开大，加大燃料量，实现空燃比的理想控制；反之，亦然。
综上所述，本发明的燃气发动机进气压力闭环的燃料控制装置及燃料控制方法具有以下优点：其最大的特点就是利用功率反馈模块将燃气发电机组的功率信号输出给发动机控制单元，发动机控制单元将该功率信号转换成目标进气压力，当目标进气压力小于一定阈值时(或者无目标输入)，燃气阀开度为开环控制模式，当有目标进气压力时，则首先判断是否为瞬态工况，若不是则直接进行PID闭环控制；若是，则对目标进气压力进行瞬态调节，然后再对调整后的目标进气压力进行PID闭环控制，再然后对开环下燃气阀开度进行调整，最后输出燃气阀目标开度，达到燃料量的精确控制。上述方案的成本较低，可靠性高，稳定性高，鲁棒性强，能够适应非稳定气源且能适应一定的突加突卸工况，特别适合用于并网发电领域。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (4)

1.一种燃气发动机进气压力闭环的燃料控制方法，其采用燃气发动机进气压力闭环的燃料控制装置，其特征在于，所述燃料控制装置包括顺序安装的空气滤清器、文丘里混合器、增压器、中冷器、节气门、进气总管、发动机机体、点火模块以及发电机组，燃料控制装置还包括：
节气门前压力传感器，其设置在所述节气门之前；
进气压力温度传感器，其设置在所述进气总管上，且位于所述节气门之后；
功率反馈模块，其设置在所述发电机组处；
水温传感器，其设置在所述发动机机体上；
转速传感器，其设置在所述燃气发动机的输出轴处；
发动机控制单元；
电子风扇，其设置在所述中冷器处；
燃气阀，其设置在所述文丘里混合器的燃气进气口处；
燃气压力温度传感器，其设置在所述文丘里混合器与所述燃气阀之间的管路上；以及
环境传感器，其设置在所述空气滤清器与所述文丘里混合器之间的管路上；
其中所述功率反馈模块、所述转速传感器、所述水温传感器、所述点火模块、所述进气压力温度传感器、所述节气门前压力传感器、所述燃气压力温度传感器、所述环境传感器、所述电子风扇、所述节气门以及所述燃气阀均与所述发动机控制单元电性连接；
所述燃料控制方法包括下列步骤：
发电机组并网前，通过查询迈普得到燃气阀的开度为开环模式；
发电机组并网后，发电机组上的功率反馈模块将功率信号传输给发动机控制单元，发动机控制单元接收到功率信号后，通过功率初始进气压力曲线查询得到与当前发动功率相对应的初始进气压力；
发动机控制单元接收到功率信号后，发动机控制单元通过内部计算将功率信号转换成初始目标进气压力；
发动机控制单元根据反馈信号，对初始目标进气压力进行修正，得到最终的目标进气压力；以及
发动机控制单元基于当前燃气发动机工况下的实际进气压力与目标进气压力的差值，通过PID调解器调节控制燃气阀开度，以实现燃料量的精确控制；
其中所述反馈信号为燃气压力传感器、环境传感器、进气压力温度传感器、转速传感器、水温传感器及点火模块反馈回来的信号；所述燃料控制方法还包括：
判断所述最终的目标进气压力是否大于一定阈值，如果所述最终的目标进气压力小于一定阈值，则燃气阀开度为开环控制模式；如果所述最终的目标进气压力大于一定阈值时，首先发动机控制单元判断燃气发动机是否为瞬态工况，若经发动机控制单元判断燃气发动机不是瞬态工况，则直接通过PID调解器进行闭环控制；若经发动机控制单元判断燃气发动机是瞬态工况，则先对目标进气压力进行瞬态调节，然后再通过PID调解器进行闭环控制，最后对开环下的燃气阀开度进行调整，输出燃气阀目标开度；
其中所述燃料控制方法的主逻辑为利用位于机组控制柜处的功率反馈模块获取当前燃气发电机组的输出功率，并将输出功率信号输出给发动机控制单元，发动机控制单元通过设置好的功率-进气压力曲线将当前功率信号转换成初始的目标进气压力，并通过一系列的修正得到最终的目标进气压力，同时发动机控制单元通过位于进气管上的进气压力温度传感器获取实际进气压力，让实际进气压力以目标进气压力为闭环目标，进行差值计算，通过PID控制调节位于文丘里混合器前的燃气阀来调整燃气量，最终实现燃气量的闭环控制；
其中发动机控制单元通过进气管上的进气压力温度传感器获取实际进气温度，发动机控制单元基于当前设定的目标进气温度与实际的进气温度进行比较，发动机控制单元通过PID控制调整电子风扇的散热量，最终实现进气温度的闭环控制；
其中发动机控制单元通过内部决策，对初始的目标进气压力进行修正，计算得出最终的目标进气压力；
其中在稳定工况下，当气源的甲烷含量上升时，若燃气阀开度不变，有效燃料变多，空燃比会变小，实际进气压力也会变小；通过进气压力闭环，燃气阀会关小，有效燃料维持不变，空燃比维持不变，从而达到精确控制燃料量；反之，当气源的甲烷含量下降，为实现进气压力闭环，燃气阀会开大，实现空燃比的理想控制；
其中在突加负荷工况下，一方面节气门突开，实际进气压力变大，另一方面，功率信号也突然增大，目标进气压力变大，通过瞬态加浓策略对目标进气压力进行修正，使其在突加工况下，最终的目标进气压力均大于实际进气压力，此时燃气阀也会开大，加大燃料量，实现空燃比的理想控制。
2.如权利要求1所述的燃气发动机进气压力闭环的燃料控制方法，其特征在于，所述发动机控制单元通过内部计算以及对初始目标进行修正包括所述发动机控制单元经过一系列的修正曲线查寻得到最终的目标进气压力。
3.如权利要求2所述的燃气发动机进气压力闭环的燃料控制方法，其特征在于，所述修正曲线包括：点火角度-进气压力修正迈普、转-进气压力修正迈普、燃气温度修正曲线、进气温度修正曲线、环境湿度修正曲线、燃气压力修正曲线以及水温修正曲线。
4.如权利要求1所述的燃气发动机进气压力闭环的燃料控制方法，其特征在于，所述迈普为在开环阶段的燃气阀开度能够通过发动机转速以及进气压力查询得到的曲线，所述曲线的输入轴为发动机转速和进气压力，输出轴为燃气阀开度。
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