CN112855358A - 一种燃气热泵专用燃气发动机控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃气热泵专用燃气发动机控制系统，该系统可在燃气供给压力出现波动时通过燃气压力传感器检测出实际燃气压力并反馈给ECU从而调节燃气比例阀中的步进电机步数改变混合器的燃气进入量，达到燃气量的实时调节。同时根据氧传感器检测到的排气管中的氧含量判断燃气组分以及进行燃气供给量的实时修正，保持过量空气系数在目标值范围内，提高后处理的转化效率。电控高能独立点火系统，可根据发动机不同转速和负荷提供最佳点火能量和点火时刻，有效降低燃气消耗率、减少发动机污染物排放量。

Description

一种燃气热泵专用燃气发动机控制系统
技术领域
本发明属于燃气热泵空调技术领域，涉及一种燃气发动机驱动空调机组的发动机燃气供给控制系统。
背景技术
目前，关于燃气发动机驱动的空调热泵机组(GHP，燃气热泵)，其发动机燃气供给系统中采用机械式比例混合器，无氧传感器进行闭环控制，无ECU控制系统。燃气量调节、电控点火、节气门开度控制均为相对独立的系统。无法根据燃气组分与燃气压力进行自适应性空燃比调节与修正，存在燃气消耗量大，热效率低、污染物排放高等缺点。供给管路中燃气组分变化、压力出现波动时无法精确控制空燃比。当燃气中甲烷含量以及燃气压力减小时会造成供给过量空气，三元催化器(TWC)无法有效处理排气中的氮氧化物(NOX)，NOX排放量超标。当燃气中甲烷含量以及燃气压力增大时又会造成供给空气量不足，混合气过浓，一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)转化效率降低，排放量超标经济性下降的同时通过三元催化器(TWC)的排气中会出现大量还原剂，从一氧化氮(NO)离解产生的原子态氨还原生成氨气(HN3)，即生成新的污染物。由于三元催化器的转化效率与发动机过量空气系数密切相关，能同时净化CO、HC、NOX三种污染物达80％以上的过量空气系数窗口狭窄约为0.985～1.005之间，因此需要以控制过量空气系数1(理论空燃比)为目标，但当前以机械式比例混合器的控制方案无法满足控制精度要求。在燃气发动机追求高经济性、动力性与低排放的情况下，必须应用新型的控制系统.
燃气发动机驱动空调热泵机组(GHP)是以城市管道天然气为燃料，其供气压力约为1.0～2.5kPa，稍高于大气压力。相对于车用压缩天然气(CNG)和液化天然气(LNG)经减压阀调压后的100～500kPa燃气压力，无法采用燃气喷射器进行燃料供给方案，因此不能利用现有车用燃气供给系统进行高精度控制，比如无法利用专利文献CN104696085A所管口的一种天然气发动机控制及燃料供给系统及方法，该方案采用的是LNG即液化天然气。
发明内容
为了解决背景技术所存在的至少一技术问题，本发明提供了一种燃气热泵专用燃气发动机控制系统。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种燃气热泵专用燃气发动机控制系统，包括：
燃气压力传感器和燃气比例阀，用于安装在发动机燃气管道中；
氧气传感器，用于安装在发动机排气管道中；
ECU分别和所述燃气压力传感器、燃气比例阀以及氧气传感器相连接；
在燃气供给压力出现波动时通过燃气压力传感器检测出实际燃气压力并反馈给ECU，由ECU调节燃气比例阀的开度来改变混合器的燃气进入量，实现燃气量及空燃比的实时调节；
所述氧气传感器用于检测排气管道中的氧含量并反馈至ECU，由ECU判断燃气组分以及调节燃气比例阀的开度来进行燃气供给量的实时修正，以保持过量空气系数在目标值范围内；
所述ECU与燃气热泵控制器相连接，以实时交换信息。
进一步地，所述ECU与燃气热泵控制器通过CAN总线实时交换信息，以通过CAN总线控制发动机起动、运行、调速、保护、故障处理、停机功能。
进一步地，所述的燃气热泵专用燃气发动机控制系统还包括：
文丘里混合器，其设置有两进气口，一进气口和燃气比例阀的出气端相连通，另一进气口为空气入口端，以将空气和燃气混合为可燃混合气体；
电子节气门，其进气口和文丘里混合器的出口相连通，出气口连通至发动机进气歧管；所述ECU和电子节气门相连接，以通过控制电子节气门的开度来控制发动机转速与负荷。
进一步地，所述的燃气热泵专用燃气发动机控制系统还包括：
进气温度压力传感器，用于安装在发动机进气歧管中，采集发动机进气歧管内温度压力，以实时反馈发动机可燃混合气体进气量至ECU；
燃气温度压力传感器，用于安装在发动机燃气管道中，采集燃气管道内温度压力，以实时反馈燃气供给量至ECU；
所述ECU根据进气温度压力传感器和燃气压力传感器的反馈来实时反应当前实际空燃比，由ECU控制燃气比例阀动作，达到控制进入燃气量的目的。
进一步地，所述的燃气热泵专用燃气发动机控制系统还包括：
曲轴位置传感器与凸轮轴位置传感器，用于检测发动机当前转速与活塞离上止点的曲轴转角对应关系并反馈至ECU，由ECU判断可点火的最佳提前角
进一步地，当ECU收到燃气热泵控制器的调速请求和目标转速时，控制电子节气门开度变化，以达到控制发动机转速的目的；同时曲轴位置传感器反馈实时发动机转速，ECU根据实际转速与目标转速的对比值，对电子节气门与燃气比例阀开度进行调节，以达到跟随目标转速进行闭环控制的目的。
进一步地，所述的燃气热泵专用燃气发动机控制系统，其特征在于，还包括：
水温传感器与机油温度压力传感器，用于检测发动机出水温度与机油压力、温度状态，并反馈至ECU，提供给ECU修正燃气量、可燃混合气体进气量、点火提前角的输入信息；当水温超标、油温超标、机油压力过低和过高时，及时反馈给ECU做出发动机主动保护动作，包括降转速、降负荷或停机。
进一步地，所述氧气传感器包括上游氧气传感器和下游氧气传感器；
所述上游氧气传感器用于实时检测发动机排气管道中三元催化器前的排气氧浓度，并反馈给ECU，ECU根据空燃比的变化不断调整燃气流量与修正电子节气门开度与点火提前角，达到始终以当量比燃烧作为控制目标的闭环状态；
所述下游氧传感器用于检测三元催化器后的排气氧浓度变化，实时监控三元催化器工作能力，并反馈其状态，对ECU排放控制输入有效信息。
进一步地，所述的燃气热泵专用燃气发动机控制系统还包括：
空气滤清器，其出气口和文丘里混合器的空气入口端相连通。
进一步地，所述的燃气热泵专用燃气发动机控制系统还包括安装在发动机燃气管道中燃气过滤器和燃气电磁阀，燃气电磁阀的工作由ECU控制，管道燃气经燃气滤清器后通过燃气电磁阀。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
燃气发动机驱动空调热泵机组(燃气热泵)是以城市管道天然气为燃料，其供气压力约为1.0～2.5kPa，稍高于大气压力。相对于车用压缩天然气(CNG)和液化天然气(LNG)经减压阀调压后的100～500kPa燃气压力，无法采用燃气喷射器进行燃料供给方案，因此不能利用现有车用燃气供给系统进行高精度控制。本发明针对燃气压力低与目前机械式比例混合器不能实现燃气热泵高精度燃气供给控制的问题，本发明创造性的采用带位置反馈的高精度步进电机的燃气比例阀进行燃气量调节、文丘里混合器、电子节气门组合，利用氧传感器实时检测排气中氧含量实现燃气供给闭环控制，同时采用高能电控独立点火，拥有理论空燃比预混燃烧与稀薄燃烧功能，可降低系统成本、提高经济性、提高过量空气系数控制精度以及有效减少燃气热泵专用发动机排放污染物的控制方案。
附图说明
图1为本发明实施例提供的燃气热泵专用燃气发动机控制系统的组成示意图；
图2为燃气热泵专用燃气发动机控制系统电路原理图供电与诊断部分示意图；
图3为燃气热泵专用燃气发动机控制系统电路原理图传感器部分示意图；
图4为燃气热泵专用燃气发动机控制系统电路原理图执行器部分示意图；
图中：1-空气滤清器；2-文丘里混合器；3-电子节气气门；4-水温传感器；5-进气温度压力传感器；6-机油温度压力传感器；7-曲轴位置传感器；8-发动机；9-火花塞；10-凸轮轴位置传感器；11-上游氧传感器；12-三元催化器；13-下游氧传感器；14-燃气比例阀；15-燃气温度压力传感器；16-燃气电磁阀；17-燃气过滤器；18-ECU。
具体实施方式
实施例：
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接、信号连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接连接，可以说两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
参阅图1-4所示，本实施例所提供的燃气热泵专用燃气发动机8控制系统主要包括燃气压力传感器15和燃气比例阀14，用于安装在发动机8燃气管道中；氧气传感器，用于安装在发动机排气管道中；ECU(Electronic Control Unit，电子控制单元)18分别和所述燃气燃气压力传感器15、燃气比例阀14以及氧气传感器相连接。如此，本燃气热泵专用燃气发动机控制系统，可在燃气供给压力出现波动时通过燃气压力传感器15检测出实际燃气压力并反馈给ECU18从而调节燃气比例阀14中的步进电机步数改变燃气进入量，达到燃气量的实时调节；同时根据氧传感器检测到的排气管中的氧含量判断燃气组分以及进行燃气供给量及空燃比的实时修正，保持过量空气系数在目标值范围内，提高后处理的转化效率。
该ECU18与燃气热泵控制器相连接，以实时交换信息。具体地，该ECU18与燃气热泵控制器通过CAN总线实时交换信息，以通过CAN总线控制发动机起动、运行、调速、保护、故障处理、停机功能，提高控制精度与可靠性，降低燃气消耗率，降低使用维护成本，使发动机和燃气热泵系统成为一个整体，即为燃气热泵专用燃气发动机控制系统。
作为本实施例的一种优选，上述控制系统还包括：
文丘里混合器2，其设置有两进气口，一进气口和燃气比例阀14的出气端相连通，另一进气口为空气入口端，以将空气和燃气混合为可燃混合气体；
电子节气门3，其进气口和文丘里混合器2的出口相连通，出气口连通至发动机进气歧管；
所述ECU18和电子节气门3相连接，以通过控制电子节气门3的开度来控制发动机转速与负荷。
由于燃气热泵机组采用管道天然气，燃气压力较低，无法使用燃气喷射器精确控制燃气供给量，而是通过发动机进气时缸内与进气歧管内产生的负压将新鲜空气与燃气混合均匀后吸入缸内，再通过火花塞将其点燃。但不同的发动机在不同的工作转速和进气压力温度下产生的负压不同，因此必须根据发动机的排量、转速和负压特点进行针对性的混合器设计；当发动机全负荷时进气压力接近大气压，与燃气供气压力又非常接近时，会导致燃气量吸入减少，不利于发动机燃气供给量在大负荷时增大的需求，而文丘里管垂直于喉道处可产生负压，通过和燃气比例阀(即燃气管道的出气端)相连接此处可有效克服燃气量吸入减少问题。
电子节气门3的开度大小可有效控制进入发动机的新鲜空气，因此也控制了进去缸内的可燃混合气体量，通过调节电子节气门开度来达到控制发动机转数与输出功率的目的。
如此，通过使用文丘里混合器2和电子节气门3组合的控制方式，能够使燃气与空气混合均匀，保证燃气供给量需求，控制发动机转速与负荷。
作为本实施例的另一种优选，上述控制系统还包括：
进气温度压力传感器5，用于安装在发动机进气歧管中，采集发动机进气歧管内温度压力，以实时反馈发动机可燃混合气体进气量至ECU18；
燃气温度压力传感器15，用于安装在发动机燃气管道中，采集燃气管道内温度压力，以实时反馈燃气供给量至ECU18；
该ECU18根据进气温度压力传感器5和燃气压力传感器15的反馈来实时反应当前实际空燃比，由ECU18控制燃气比例阀动作，达到控制进入燃气量的目的。
作为本实施例的再一种优选，上述控制系统还包括：
曲轴位置传感器7与凸轮轴位置传感器10，用于检测发动机当前转速与活塞离上止点的曲轴转角对应关系并反馈至ECU18，由ECU18判断可点火的最佳提前角。
作为本实施例的又一种优选，当ECU18收到燃气热泵控制器的调速请求和目标转速时，控制电子节气门3开度变化，以达到控制发动机转速的目的；同时曲轴位置传感器7反馈实时发动机转速，ECU18根据实际转速与目标转速的对比值，对电子节气门开度进行调节，以达到跟随目标转速进行闭环控制的目的。
作为本实施例的又再一种优选，上述的燃气热泵专用燃气发动机控制系统还包括：
水温传感器4与机油温度压力传感器6，用于检测发动机出水温度与机油压力、温度状态，并反馈至ECU18，提供给ECU18修正燃气量、可燃混合气体进气量、点火提前角的输入信息；当水温超标、油温超标、机油压力过低和过高时，及时反馈给ECU18做出发动机主动保护动作，包括降转速、降负荷或停机，提高发动机可靠性和有效工作寿命。
可燃混合气在发动机缸内燃烧，产生高温高压气体推动活塞运动使连杆推动曲轴转动，从而使发动机对外做功。为保证发动机工作柔和动力性良好，最高燃烧爆发压力需要控制在上止点后12～15°(CA)，因此需要一个最佳的点火时刻，来保证最高压力的出现时刻。但可燃混合气体燃烧又与点火能量相关，点火能量与点火线圈充磁时间有关，同时又会影响点火线圈寿命。因此存在最佳点火能量和点火时刻。
本发明保证发动机不同转速和负荷最佳点火能量和点火时刻的方案为：曲轴位置传感器与凸轮轴位置传感器实时采集并反馈发动机当前转速与活塞离上止点的曲轴转角对应关系，判断可点火的最佳提前角；进气压力温度传感器采集发动机进气歧管压力，与电子节气门开度共同判断发动机在当前转速下的负荷大小(进气压力越高、电子节气门开度越大表示负荷越大)，同时又可采集到当前的冷却液温度、进气温度与氧传感器反馈的实际空燃比作为修正；为使燃烧充分以及可靠的点火，同时又需要防止爆震和早火等不良燃烧现象的出现，需要点火时通过控制点火线圈的充磁时间来控制点火能量，从而达到不同转速和负荷下均有最佳点火能量和点火时刻的目的.
具体地，上述的氧气传感器包括上游氧气传感器11和下游氧气传感器13；
所述上游氧气传感器11用于实时检测发动机排气管道中三元催化器12前的排气氧浓度，并反馈给ECU18，ECU18根据空燃比的变化不断调整燃气流量与修正电子节气门3开度与点火提前角，达到始终以当量比燃烧作为控制目标的闭环状态；
所述下游氧传感器13用于检测三元催化器12后的排气氧浓度变化，实时监控三元催化器12工作能力，并反馈其状态，有效控制排放物的减少和明确排放状态，对ECU排放控制输入有效信息。
此外，该燃气热泵专用燃气发动机控制系统还包括空气滤清器1、燃气过滤器17和燃气电磁阀16。图1所示为一最佳的燃气热泵专用燃气发动机控制系统图，其工作原理为:管道燃气经燃气滤清器17后通过电磁阀16,同时燃气温度压力传感器15实时检测燃气状态反馈给ECU18，再受燃气比例阀14控制燃气流量，然后和通过空气滤清器1的新鲜空气在文丘里混合器2中混合均匀为可燃混合气体。可燃混合气体同过电子节气门3后进行入发动机进气歧管，再进入缸内被火花塞9点燃，高温高压气体推动活塞向下运动，活塞顶部所受压力通过活塞销座和活塞销传递给连杆推动曲轴转动，从而使发动机对外做功。燃烧后的气体经排气管至三元催化器12，80％以上污染物被还原成N2、CO2、HO2后最终排至大气中。
当点火开关处于“ON”档时，主继电器吸合，系统上电，燃气电磁阀开启，控制系统进入准备状态。
当CAN总线接收到燃气热泵主机起动请求信号时，控制起动继电器吸合，起动机工作，带动发动机达到起动转速(大于等于120r/min)，发动机进入起动状态。
此时，燃气温度压力传感器与进气温度压力传感器分别检测燃气流量与空气吸入量，反馈给ECU后，由ECU控制燃气比例阀动作，从而达到控制进入燃气量即空燃烧比的目的，同时曲轴位置传感器与凸轮轴位置传感器检测发动机转速与判定实际气缸工作顺序与位置反馈给ECU，ECU控制点火线圈对进入压缩上止点前的气缸点火，发动机进入怠速状态。
发动机8转速与负荷大小，由电子节气门3控制，当ECU18收到CAN总线的调速请求和目标转速时，控制电子节气门开度变化从而达到控制转速的目的，同时曲轴位置传感器反馈实时转速，ECU根据实际转速与目标转速的对比值，对电子节气门与燃气比例阀开度进行调节，从而达到跟随目标转速进行闭环控制的目的。
综上，本燃气热泵专用燃气发动机控制系统，可在燃气供给压力出现波动时通过燃气压力传感器检测出实际燃气压力并反馈给ECU从而调节燃气比例阀中的步进电机步数改变混合器的燃气进入量，达到燃气量的实时调节。同时根据氧传感器检测到的排气管中的氧含量判断燃气组分以及进行燃气供给量的实时修正，保持过量空气系数在目标值范围内，提高后处理的转化效率。电控高能独立点火系统，可根据发动机不同转速和负荷提供最佳点火能量和点火时刻，有效降低燃气消耗率、减少发动机污染物排放量。针对燃气热泵专用燃气发动机控制系统，关键创新技术点有：
(1)可适应不同燃气压力的管道燃气，燃气压力出现波动时可有效调节燃气供给量，保证燃气与新鲜空气混合比；
(2)适应不同燃气组分，不同地区管道天然气甲烷含量不同，通过氧传感器进行闭环控制，实时修正燃气供给量，保证目标空燃比；
(3)集成燃气供给闭环控制、点火系统、节气门控制、后处理控制系统；
(4)能通过CAN总线控制发动机起动、运行、调速、保护、故障处理、停机等功能；
(5)可控制当量比与稀薄燃烧两种燃烧方式；
(6)具有广泛的燃料适应性：LPG,LNG,CNG,沼气,煤层气等；
(7)多种应用类型：发电机组，船用，分布式能源，燃气热泵，水泵机组等；
(8)适用于燃气热泵多联机运行要求。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种燃气热泵专用燃气发动机控制系统，其特征在于，包括：
燃气压力传感器和燃气比例阀，用于安装在发动机燃气管道中；
氧气传感器，用于安装在发动机排气管道中；
ECU分别和所述燃气压力传感器、燃气比例阀以及氧气传感器相连接；
在燃气供给压力出现波动时通过燃气压力传感器检测出实际燃气压力并反馈给ECU，由ECU调节燃气比例阀的开度来改变混合器的燃气进入量，实现燃气量及空燃比的实时调节；
所述氧气传感器用于检测排气管道中的氧含量并反馈至ECU，由ECU判断燃气组分以及调节燃气比例阀的开度来进行燃气供给量的实时修正，以保持过量空气系数在目标值范围内；
所述ECU与燃气热泵控制器相连接，以实时交换信息。
2.如权利要求1所述的燃气热泵专用燃气发动机控制系统，其特征在于，所述ECU与燃气热泵控制器通过CAN总线实时交换信息，以通过CAN总线控制发动机起动、运行、调速、保护、故障处理、停机功能。
3.如权利要求1所述的燃气热泵专用燃气发动机控制系统，其特征在于，还包括：
文丘里混合器，其设置有两进气口，一进气口和燃气比例阀的出气端相连通，另一进气口为空气入口端，以将空气和燃气混合为可燃混合气体；
电子节气门，其进气口和文丘里混合器的出口相连通，出气口连通至发动机进气歧管；所述ECU和电子节气门相连接，以通过控制电子节气门的开度来控制发动机转速与负荷。
4.如权利要求1或3所述的燃气热泵专用燃气发动机控制系统，其特征在于，还包括：
进气温度压力传感器，用于安装在发动机进气歧管中，采集发动机进气歧管内温度压力，以实时反馈发动机可燃混合气体进气量至ECU；
燃气温度压力传感器，用于安装在发动机燃气管道中，采集燃气管道内温度压力，以实时反馈燃气供给量至ECU；
所述ECU根据进气温度压力传感器和燃气压力传感器的反馈来实时反应当前实际空燃比，由ECU控制燃气比例阀动作，达到控制进入燃气量的目的。
5.如权利要求3所述的燃气热泵专用燃气发动机控制系统，其特征在于，还包括：
曲轴位置传感器与凸轮轴位置传感器，用于检测发动机当前转速与活塞离上止点的曲轴转角对应关系并反馈至ECU，由ECU判断可点火的最佳提前角。
6.如权利要求5所述的燃气热泵专用燃气发动机控制系统，其特征在于，当ECU收到燃气热泵控制器的调速请求和目标转速时，控制电子节气门开度变化，以达到控制发动机转速的目的；同时曲轴位置传感器反馈实时发动机转速，ECU根据实际转速与目标转速的对比值，对电子节气门与燃气比例阀开度进行调节，以达到跟随目标转速进行闭环控制的目的。
7.如权利要求1所述的燃气热泵专用燃气发动机控制系统，其特征在于，还包括：
水温传感器与机油温度压力传感器，用于检测发动机出水温度与机油压力、温度状态，并反馈至ECU，提供给ECU修正燃气量、可燃混合气体进气量、点火提前角的输入信息；当水温超标、油温超标、机油压力过低和过高时，及时反馈给ECU做出发动机主动保护动作，包括降转速、降负荷或停机。
8.如权利要求5所述的燃气热泵专用燃气发动机控制系统，其特征在于，所述氧气传感器包括上游氧气传感器和下游氧气传感器；
所述上游氧气传感器用于实时检测发动机排气管道中三元催化器前的排气氧浓度，并反馈给ECU，ECU根据空燃比的变化不断调整燃气流量与修正电子节气门开度与点火提前角，达到始终以当量比燃烧作为控制目标的闭环状态；
所述下游氧传感器用于检测三元催化器后的排气氧浓度变化，实时监控三元催化器工作能力，并反馈其状态，对ECU排放控制输入有效信息。
9.如权利要求3所述的燃气热泵专用燃气发动机控制系统，其特征在于，还包括：
空气滤清器，其出气口和文丘里混合器的空气入口端相连通。
10.如权利要求1所述的燃气热泵专用燃气发动机控制系统，其特征在于，还包括安装在发动机燃气管道中燃气过滤器和燃气电磁阀，燃气电磁阀的工作由ECU控制，管道燃气经燃气滤清器后通过燃气电磁阀。
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