CN113202644B - 一种提高天然气发动机工作稳定性的控制系统 - Google Patents

一种提高天然气发动机工作稳定性的控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高天然气发动机工作稳定性的控制系统，应用于发动机燃烧控制技术领域，包括：天然气发动机、燃烧状态解析单元和发动机控制单元；天然气发动机与燃烧状态解析单元的输入端连接；燃烧状态解析单元与发动机控制单元的第一输入/输出端连接；发动机控制单元与天然气发动机的输入/输出端连接。本发明通过缸内燃烧闭环控制，对EGR率以及各缸的点火正时根据燃烧状态参数进行独立修正，从而达到对燃烧过程的闭环控制，能有效抑制爆震，降低缸内燃烧循环变动，提高天然气发动机工作稳定性。

Description

一种提高天然气发动机工作稳定性的控制系统
技术领域
本发明涉及发动机燃烧控制技术领域，尤其涉及一种提高天然气发动机工作稳定性的控制系统。
背景技术
天然气是一种资源丰富、污染物排放低和价格低廉的清洁代用燃料。点燃式天然气发动机的常规排放明显低于传统的燃油发动机，对大气环境影响更小。点燃式天然气发动机大多采用预混进气的方式，由于发动机各缸的进气偏差以及各气缸实际压缩比的差异，导致点燃式天然气发动机的循环变动较大，影响了天然气发动机的工作稳定性。工程上可以通过优化发动机的燃烧控制算法来提高发动机的工作稳定性。
传统的发动机控制一般使用基于MAP图数据的开环控制算法来实现燃烧控制。通常使用台架标定的方法，以动力性、经济性以及排放特性为约束条件，调整天然气喷气量、点火提前角，EGR率等关键控制参数，使发动机达到标定条件下的最佳性能，将此时对应的发动机关键控制参数的具体数据制作成相应的数据表MAP，量产的发动机就按照查表的方法，获得当前工况下的控制参数，实现对发动机的控制。但是当发动机在使用过程中部件逐渐磨损、更换等原因导致发动机实际运行状态偏离发动机标定的状态时，基于MAP数据的开环控制不能实现最优的控制效果，发动机的性能将受到影响。
另外，采用进气道预混的点燃式天然气发动机，由于无法对各缸的燃烧过程进行独立控制，由于各缸进气及制造偏差引起的循环变动普遍存在。循环变动会引起发动机转速和输出扭矩的随机波动，会导致发动机出现运转不稳、抖动等现象，严重时甚至发生熄火，降低发动机的可靠性，同时也显著影响发动机的动力性和经济性。由此可见，循环变动的存在，极大的影响了天然气发动机的燃烧稳定性。
因此，提供一种提高天然气发动机工作稳定性的控制系统，克服现有技术中的困难，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种提高天然气发动机工作稳定性的控制系统，对EGR率以及各缸的点火正时根据燃烧状态进行独立修正，从而达到对燃烧过程的闭环控制，能有效抑制爆震，降低缸内燃烧循环变动，提高天然气发动机工作稳定性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种提高天然气发动机工作稳定性的控制系统，包括：天然气发动机、燃烧状态解析单元和发动机控制单元；
所述天然气发动机，与所述燃烧状态解析单元的输入端连接，用于提供缸压信号和曲轴信号，并发送至所述燃烧状态解析单元；
所述燃烧状态解析单元，与所述发动机控制单元的第一输入/输出端连接，用于利用所述缸压信号和曲轴信号，计算得到点火正时修正值和EGR率修正值，并发送至所述发动机控制单元；
所述发动机控制单元，与所述天然气发动机的输入/输出端连接，根据所述点火正时修正值和EGR率修正值对所述天然气发动机下一循环燃烧过程进行调控。
优选的，所述燃烧状态解析单元包括：缸压信号采集模块、缸压信号处理电路、脉冲信号整形电路、ECU通信模块和高能点火系统；
所述缸压信号采集模块，与所述缸压信号处理电路的第一输入端连接，用于采集所述天然气发动机的缸压信号，并将所述缸压信号发送至所述缸压信号处理电路；
所述脉冲信号整形电路，与所述缸压信号处理电路的第二输入端连接，用于对所述天然气发动机的曲轴信号和凸轴信号进行整形得到方波信号，所述方波信号为各缸活塞位置对应的曲轴转角数据，并发送至所述缸压信号处理电路；
所述缸压信号处理电路，利用所述缸压信号和所述各缸活塞位置对应的曲轴转角数据，计算得到燃烧控制所需的点火正时修正值和EGR率修正值，并根据所述点火正时修正值和所述EGR率修正值生成下一循环燃烧过程的调控指令；
所述ECU通信模块，与所述缸压信号处理电路的输入/输出端连接，用于接收所述调控指令并发送所述发动机控制单元；
所述高能点火系统，与所述缸压信号处理电路的输出端连接，用于接收所述调控指令控制点火，指令包括充电时间、放电时刻和放电能量等。
优选的，所述缸压信号采集模块包括：第一缸压信号采样电路、第二缸压信号采样电路和第三缸压信号采样电路；
所述第一缸压信号采样电路，与所述缸压信号采集电路的第一输出端口连接，用于采集第一和第六缸压信号；
所述第二缸压信号采样电路，与所述缸压信号采集电路的第二输出端口连接，用于采集第二和第五缸压信号；
所述第三缸压信号采样电路，与所述缸压信号采集电路的第三输出端口连接，用于采集第三和第四缸压信号。
优选的，所述缸压信号处理电路包括：第一缸压处理模块、第二缸压处理模块、第三缸压处理模块、微处理器模块、第一通信模块和第二通信模块；
所述缸压信号处理电路的第一输入端口与所述第一缸压处理模块的输入端连接；所述缸压信号处理电路的第二输入端口与所述第二缸压处理模块的输入端连接；所述缸压信号处理电路的第三输入端口与所述第三缸压处理模块的输入端连接；
所述缸压信号处理电路的第四输入端口分别与所述第一缸压处理模块的第二输入端、所述第二缸压处理模块的第二输入端和所述第三缸压处理模块的第二输入端连接；
所述第一缸压处理模块、所述第二缸压处理模块和所述第三缸压处理模块用于耦合所述缸压信号和所述各缸活塞位置对应的曲轴转角数据，计算得到放热率和燃烧状态参数；
所述第一缸压处理模块的输出端、所述第二缸压处理模块的输出端、所述第三缸压处理模块输出端和所述微处理器模块的输入端共端点，所述微处理器模块用于根据所述放热率和所述燃烧状态参数计算得到IMEP值、点火正时修正值和EGR率修正值；
所述第一通信模块与所述微处理器模块的第一输入/输出端连接，用于将所述点火正时修正值和所述EGR率修正值通过所述缸压信号处理电路的输入输出端口发送出去；
所述第二通信模块与所述微处理器模块的第二输出端连接，用于向高能点火模块发送点火指令。
优选的，所述燃烧状态解析单元还包括电源模块，所述电源模块与所述缸压信号处理电路的第三输入端连接，用于为所述缸压信号处理电路提供电能。
优选的，所述燃烧状态解析单元还包括检测和硬件保护电路，与所述缸压信号处理电路的第四输入端连接，用于检测所述缸压信号处理电路和保护所述缸压信号处理电路。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种提高天然气发动机工作稳定性的控制系统：通过缸内燃烧闭环控制，对EGR率以及各缸的点火正时根据燃烧状态进行独立修正，从而达到对燃烧过程的闭环控制，能有效抑制爆震，降低缸内燃烧循环变动，提高天然气发动机工作稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明一种提高天然气发动机工作稳定性的控制系统的结构框图；
图2为本发明燃烧状态解析单元的结构框图；
图3为本发明燃烧状态解析单元的算法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1所示，本实发明公开了一种提高天然气发动机工作稳定性的控制系统，包括：天然气发动机、燃烧状态解析单元和发动机控制单元；
天然气发动机，与燃烧状态解析单元的输入端连接，用于提供缸压信号和曲轴信号，并发送至燃烧状态解析单元；
燃烧状态解析单元，与发动机控制单元的第一输入/输出端连接，用于利用缸压信号和曲轴信号，实时计算当前各缸的燃烧状态参数(如CA50、IMEP等)，并将计算获得的实际燃烧状态参数与当前工况下的理想状态进行比较，计算得到点火正时修正值和EGR率(进入进气管的废气质量与进入气缸的总气体质量的比值)修正值，并发送至发动机控制单元；
发动机控制单元，与天然气发动机的输入/输出端连接，根据点火正时修正值和EGR率修正值对天然气发动机下一循环燃烧过程进行调控。
在一个具体实施例中，本系统基于各缸缸内压力信号反馈，在线计算燃烧状态参数，用于解析发动机当前工作缸的燃烧过程，构建基于点火正时和EGR率修正的燃烧过程闭环控制算法；闭环控制系统由天然气发动机、燃烧状态解析单元(iCAT)和发动机控制单元(ECU)组成，燃烧状态解析单元与控制单元之间通过CAN总线交换数据。该闭环控制系统选取CA10、CA50、CA90(CA10累积放热10％对应的曲轴转角/°CA ATDC；CA50累积放热50％对应的曲轴转角/°CA ATDC；CA90累积放热90％对应的曲轴转角/°CA ATDC)和平均指示压力IMEP作为反馈变量，点火正时、EGR率作为控制变量。
在一个具体实施例中，燃烧状态解析单元工作原理的具体内容为：缸压信号输入燃烧状态解析单元，根据缸压曲轴信息对放热率进行求解，求解数学模型为能量守恒方程：
Figure BDA0003101349930000061
为加快计算速度，忽略了传热损失，求解方程为：
Figure BDA0003101349930000062
使用龙格库塔法求解能量方程，由
Figure BDA0003101349930000063
求得瞬时燃烧放热率，进而计算得到燃烧状态参数CA10、CA50、CA90。对输入的缸压、曲轴数据进行处理计算可得到IMEP值，然后基于燃烧状态参数分析当前循环各缸的燃烧状态，以经济性和动力性为约束，形成下一循环的燃烧控制决策，计算得到燃烧控制所需要的点火正时及EGR率修正参数。
在一个具体实施例中，通过CAN通信，将点火正时修正值和EGR率修正值发送至发动机控制单元，发动机控制单元利用该修正值对下一循环燃烧过程进行调控。
参照图2所示，在一个具体实施例中，燃烧状态解析单元包括：缸压信号采集模块、缸压信号处理电路、脉冲信号整形电路、ECU通信模块和高能点火系统；
缸压信号采集模块，与缸压信号处理电路的第一输入端连接，用于采集天然气发动机的缸压信号，并将缸压信号发送至缸压信号处理电路；
脉冲信号整形电路，与缸压信号处理电路的第二输入端连接，用于对天然气发动机的曲轴信号和凸轴信号进行整形得到方波信号，所述方波信号为各缸活塞位置对应的曲轴转角数据，并发送至缸压信号处理电路；
缸压信号处理电路，利用缸压信号和各缸活塞位置对应的曲轴转角数据，计算得到燃烧控制所需的点火正时修正值和EGR率修正值，并根据点火正时修正值和EGR率修正值生成下一循环燃烧过程的调控指令；
ECU通信模块，与缸压信号处理电路的输入/输出端连接，用于接收调控指令并发送发动机控制单元；
高能点火系统，与缸压信号处理电路的输出端连接，用于接收调控指令控制点火，指令包括充电时间、放电时刻和放电能量等。
在一个具体实施例中，缸压信号采集模块包括：第一缸压信号采样电路、第二缸压信号采样电路和第三缸压信号采样电路；
第一缸压信号采样电路，与缸压信号采集电路的第一输出端口连接，用于采集第一和第六缸压信号；
第二缸压信号采样电路，与缸压信号采集电路的第二输出端口连接，用于采集第二和第五缸压信号；
第三缸压信号采样电路，与缸压信号采集电路的第三输出端口连接，用于采集第三和第四缸压信号。
在一个具体实施例中，缸压信号采集模块为AD高速采样模块。
在一个具体实施例中，缸压信号处理电路包括：第一缸压处理模块、第二缸压处理模块、第三缸压处理模块、微处理器模块、第一通信模块和第二通信模块；
缸压信号处理电路的第一输入端口与第一缸压处理模块的输入端连接；缸压信号处理电路的第二输入端口与第二缸压处理模块的输入端连接；缸压信号处理电路的第三输入端口与第三缸压处理模块的输入端连接；
缸压信号处理电路的第四输入端口分别与第一缸压处理模块的第二输入端、第二缸压处理模块的第二输入端和第三缸压处理模块的第二输入端连接；
第一缸压处理模块、第二缸压处理模块和第三缸压处理模块用于耦合缸压信号和各缸活塞位置对应的曲轴转角数据，计算得到放热率和燃烧状态参数；
第一缸压处理模块的输出端、第二缸压处理模块的输出端、第三缸压处理模块输出端和微处理器模块的输入端共端点，微处理器模块用于根据放热率和燃烧状态参数计算得到IMEP值、点火正时修正值和EGR率修正值；
第一通信模块与微处理器模块的第一输入/输出端连接，用于将点火正时修正值和EGR率修正值通过缸压信号处理电路的输入输出端口发送出去；
第二通信模块与微处理器模块的第二输出端连接，用于向高能点火模块发送点火指令，指令包括充电时间、放电时刻和放电能量等。
在一个具体实施例中，燃烧状态解析单元还包括电源模块，电源模块与缸压信号处理电路的第三输入端连接，用于为缸压信号处理电路提供电能。
在一个具体实施例中，燃烧状态解析单元还包括检测和硬件保护电路，与缸压信号处理电路的第四输入端连接，用于检测缸压信号处理电路和保护缸压信号处理电路。
在一个具体实施例中，第一通信模块为CAN通讯模块，第二通信模块为485通信模块。
在一个具体实施例中，参照图3所示，本发明公开了燃烧状态解析单元的算法流程，其具体内容为：
1)输入发动机结构参数，如活塞行程、直径、曲柄连杆比等，同时利用燃烧状态解析单元的AD高速采样模块，采用曲轴齿盘信号边沿触发采样，保证在一个物理齿对应的曲轴转角内获得均匀的缸压数据点，最终得到规定采样精度的发动机缸压p与曲轴转角
Figure BDA0003101349930000091
数据序列，为后续CA50和IMEP指标的计算提供数据。
2)确定计算范围，给定相应参数的计算范围。
3)将AD模块高速采样获得的缸压p与曲轴转角
Figure BDA0003101349930000092
数据按照选定的计算区间存入相应的数组。计算IMEP，首先根据曲柄连杆的运动学规律，采用式1-1求得气缸瞬态的容积V：
Figure BDA0003101349930000093
其中，ε为发动机压缩比；λs为曲轴连杆比。D为气缸直径；
Figure BDA0003101349930000094
为发动机曲轴转角。
提前将发动机气缸瞬态容积V与
Figure BDA0003101349930000095
的值存储为一维数据表，以节省计算时间。在使用的时候通过对应的曲轴转角
Figure BDA0003101349930000096
查表,直接求得对应的瞬态气缸容积。
在
Figure BDA0003101349930000097
曲轴转角间隔内对应的功的变化量ΔWi可以表示为：
Figure BDA0003101349930000098
其中，pi为气缸瞬态压力；Vi为气缸瞬态容积；
根据IMEP定义，
IMEP＝Wi/Vd (1-3)
其中，Wi为选定的计算区间内所作的总功，即所有微元做功量之和，可以表示为：
Figure BDA0003101349930000101
Vd为气缸工作容积。
4)采用简化的Rassweiler-Withrow方法计算已燃质量分数：
根据R-W方法，缸内压力的升高ΔPi主要是由活塞运动导致气缸容积改变而引起的压力变化ΔPv和缸内燃料燃烧引起的压力升高ΔPc两部分组成。
ΔPi＝ΔPvi+ΔPci
缸内未发生燃烧时，其压缩过程为多变过程，代入理想气体状态方程，每个曲轴转角下的压力均满足式2-1，
PiVi K＝Pi+1Vi+1 K (2-1)
则Pi+1与Pi之间满足
Figure BDA0003101349930000102
缸内有燃烧发生时，因燃烧引起的压力升高量为：
ΔPci＝ΔPi-ΔPvi (2-3)
由燃烧引起的压力升高量ΔPci与缸内这段时间内燃烧的工质量成正比，则当前曲轴转角下的已燃质量分数MFB为：
Figure BDA0003101349930000103
其中，N为ΔPci＝ΔPi-ΔPvi＞0计算曲轴转角间隔数的总和，即燃烧起始对应的曲轴转角到燃烧结束时刻对应的曲轴转角之间对应的计算间隔数，Mbr为当前已燃烧的燃料量，Mbiocal为每循环进入缸内所有燃料的热值。
计算得到的CA50用来调整点燃式发动机的点火提前角，具体方法如下，首先确定各个工况下的最优CA50数据，然后将计算得到的CA50与各工况下的CA50比较，获得ΔCA50，则其与点火提前角修正量ΔIgn之间存在线性关系，如式3-1所示：
ΔCA50＝-k*ΔIgn (3-1)
其中k为系数，通过标定获得。
IMEP值做为发动机动力性能的表征参数，用来对闭环控制效果进行反馈。
对所公开的实施例的上述说明，按照递进的方式进行，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种提高天然气发动机工作稳定性的控制系统，其特征在于，包括：天然气发动机、燃烧状态解析单元和发动机控制单元；
所述天然气发动机，与所述燃烧状态解析单元的输入端连接，用于提供缸压信号和曲轴信号，并发送至所述燃烧状态解析单元；
所述燃烧状态解析单元，与所述发动机控制单元的第一输入/输出端连接，利用所述缸压信号和曲轴信号，计算得到点火正时修正值和EGR率修正值，并发送至所述发动机控制单元；
所述发动机控制单元，与所述天然气发动机的输入/输出端连接，根据所述点火正时修正值和EGR率修正值对所述天然气发动机下一循环燃烧过程进行调控；
所述燃烧状态解析单元包括：缸压信号采集模块、缸压信号处理电路、脉冲信号整形电路、ECU通信模块和高能点火系统；
所述缸压信号采集模块，与所述缸压信号处理电路的第一输入端连接，用于采集所述天然气发动机的缸压信号，并将所述缸压信号发送至所述缸压信号处理电路；
所述脉冲信号整形电路，与所述缸压信号处理电路的第二输入端连接，用于对所述天然气发动机的曲轴信号和凸轴信号进行整形得到方波信号，所述方波信号为各缸活塞位置对应的曲轴转角数据，并发送至所述缸压信号处理电路；
所述缸压信号处理电路，利用所述缸压信号和所述各缸活塞位置对应的曲轴转角数据，计算得到燃烧控制所需的点火正时修正值和EGR率修正值，并根据所述点火正时修正值和所述EGR率修正值生成下一循环燃烧过程的调控指令；
所述ECU通信模块，与所述缸压信号处理电路的输入/输出端连接，用于接收所述调控指令并发送所述发动机控制单元；
所述高能点火系统，与所述缸压信号处理电路的输出端连接，用于接收所述调控指令控制点火；
所述缸压信号处理电路包括：第一缸压处理模块、第二缸压处理模块、第三缸压处理模块、微处理器模块、第一通信模块和第二通信模块；
所述缸压信号处理电路的第一输入端口与所述第一缸压处理模块的输入端连接；所述缸压信号处理电路的第二输入端口与所述第二缸压处理模块的输入端连接；所述缸压信号处理电路的第三输入端口与所述第三缸压处理模块的输入端连接；
所述缸压信号处理电路的第四输入端口分别与所述第一缸压处理模块的第二输入端、所述第二缸压处理模块的第二输入端和所述第三缸压处理模块的第二输入端连接；
所述第一缸压处理模块、所述第二缸压处理模块和所述第三缸压处理模块用于耦合所述缸压信号和所述各缸活塞位置对应的曲轴转角数据，计算得到放热率和燃烧状态参数；
所述第一缸压处理模块的输出端、所述第二缸压处理模块的输出端、所述第三缸压处理模块输出端和所述微处理器模块的输入端共端点，所述微处理器模块用于根据所述放热率和所述燃烧状态参数计算得到IMEP值、点火正时修正值和EGR率修正值；
所述第一通信模块与所述微处理器模块的第一输入/输出端连接，用于将所述点火正时修正值和所述EGR率修正值通过所述缸压信号处理电路的输入/输出端口发送出去；
所述第二通信模块与所述微处理器模块的第二输出端连接，用于向所述高能点火系统发送点火指令。
2.根据权利要求1所述的一种提高天然气发动机工作稳定性的控制系统，其特征在于，
所述缸压信号采集模块包括：第一缸压信号采样电路、第二缸压信号采样电路和第三缸压信号采样电路；
所述第一缸压信号采样电路，与所述缸压信号采集电路的第一输出端口连接，用于采集第一缸压信号和第六缸压信号；
所述第二缸压信号采样电路，与所述缸压信号采集电路的第二输出端口连接，用于采集第二缸压信号和第五缸压信号；
所述第三缸压信号采样电路，与所述缸压信号采集电路的第三输出端口连接，用于采集第三缸压信号和第四缸压信号。
3.根据权利要求1所述的一种提高天然气发动机工作稳定性的控制系统，其特征在于，
所述燃烧状态解析单元还包括电源模块，所述电源模块与所述缸压信号处理电路的第三输入端连接，用于为所述缸压信号处理电路提供电能。
4.根据权利要求1所述的一种提高天然气发动机工作稳定性的控制系统，其特征在于，
所述燃烧状态解析单元还包括检测和硬件保护电路，与所述缸压信号处理电路的第四输入端连接，用于检测所述缸压信号处理电路和保护所述缸压信号处理电路。
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