CN113756945A - 一种适用于多种燃气源的发电用内燃机自适应控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于多种燃气源的发电用内燃机自适应控制方法，本方法通过甲烷、氢气、二氧化碳浓度传感器及气体质量流量计检测气源中甲烷、氢气、二氧化碳浓度及燃气质量流量并输入ECU，ECU根据嵌入的算法所得的自适应空燃比MAP匹配空燃比，同时，ECU根据转速及来流燃气总热值的等效转矩控制点火时刻，基于来流燃气中纯燃气质量流量、二氧化碳浓度以及空燃比控制进气、燃气供给及喷射、点火和涡轮增压系统，实现发动机的自适应燃烧。通过氧传感器反馈修正空燃比，爆震传感器反馈修正点火时刻，温度及氮氧化物浓度传感器控制后处理系统尿素喷射；本发明可实现发动机自适应不同燃气源的高效稳定燃烧发电过程，并仅产生超低排放。
Description
技术领域
本发明涉及发动机领域，尤其涉及一种适用于多种燃气源的发电用内燃机自适应控制方法。
背景技术
内燃机因经济性好、功率范围广及可靠性高而广泛应用于发电领域，做发电机运行时通过固定发动机转速、调节转矩实现发电功率的调整，随着内燃机排放法规的不断升级以及碳达峰、碳中和的新目标的出现，同时又因国家能源结构调整及环保要求，采用沼气、工业尾气以及瓦斯气的分布式内燃发电机也应运而生，但以上每种发电机只能利用各自的燃气源，且无法适应燃气浓度的大幅度变化。
发动机实现发电工况的稳定运行，是通过控制空燃比、燃气量、空气量及点火时刻进行精确的转矩输出控制，且当前基于天然气发动机的发电机的软硬件系统均是以天然气的理化参数进行控制策略的设计，无法高效率利用成分与浓度均不同的燃气源进行发电。
沼气中甲烷含量为50-80％；最具代表性的工业尾气如焦炉煤气中氢气含量55-60％，甲烷含量23-27％，一氧化碳含量5-8％；瓦斯气中甲烷含量10-40％。而甲烷的低热值约为50MJ/kg，氢气的低热值约为143MJ/kg，一氧化碳的低热值约为1.2MJ/kg，因一氧化碳热值大大低于其他两种气体，可忽略一氧化碳对热值的影响，因此，沼气、工业尾气、瓦斯气三种气源中的甲烷与氢气的质量比及热值比均差异巨大。
又由于甲烷及氢气的热值均较高、热值差异大、尤其是二者火焰传播速度不同而导致甲烷、氢气对最优空燃比的需求也不相同，所以不同比例的甲烷与氢气混合后对空燃比的需求需要考虑二者差异进行重新设计，而目前的天然气发电机则未考虑到这种需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种适用于多种燃气源的发电用内燃机自适应控制方法，该方法可以通过预设的实验及神经网络算法设计适应不同燃气源的空燃比MAP，并将MAP嵌入ECU，实现发动机燃烧不同燃气源进行高效低污的发电过程。
本发明的目的是通过以下方式实现的。
本发明的一种适用于多种燃气源的发电用内燃机自适应控制方法，包括以下步骤：
步骤一、对现有的天然气发动机进行改造，具体过程为：
将一根燃气进气道的一端与位于现有天然气发动机的进气管上的节气门和压气机之间的管道通过一个可调节喷气阀连通，在所述的燃气进气道上分别安装甲烷浓度传感器、氢气浓度传感器、二氧化碳浓度传感器和气体质量流量计；
步骤二、获取全工况空燃比MAP，具体过程如下：
第一步，基于原始天然气发动机ECU内置的发动机的转矩-转速运行MAP图，控制发动机转速为发电转速；确定发电转速下，发动机转矩的上限值、下限值；然后将发动机转矩的上限值、下限值转化为对应的天然气热值上限值、下限值；
第二步，将由天然气热值上限值、下限值组成的数值范围进行四等分得到五个等分点的燃气总热值，任意选取一个等分点的燃气总热值进行如下实验过程：
步骤101，以燃气中的氢气与甲烷热值之和作为每个等分点的燃气总热值，在该等分点的燃气总热值中预设氢气、甲烷的热值比分别为0:1、0.25:0.75、0.5:0.5、0.75:0.25、1:0；
步骤102，任选一种氢气和甲烷的热值比下的燃气，然后由燃气进气道通入发动机，通过控制进气系统的节气门开度以实现匹配不同的空燃比；根据发动机的性能参数得到该热值比下的最优空燃比；
步骤103，重复步骤101选取不同的热值比，然后执行步骤102得到不同热值比对应的的最优空燃比；
第三步，反复重复第二步，选取不同的等分点的热值数值，执行步骤101-103，得到不同的等分点的数值下的最优空燃比，即5×5矩阵空燃比MAP；
步骤三、将5×5矩阵空燃比MAP输入神经网络系统，通过训练得到横坐标为进入燃气进气道的各个等分点的燃气总热值，纵坐标为氢气与各个等分点的燃气总热值比例的10×10矩阵空燃比MAP；
步骤四、将10×10矩阵空燃比MAP嵌入ECU；
步骤五、基于10×10矩阵空燃比MAP对发动机进行控制，执行如下步骤：
步骤501，通过燃气进气道输入燃气；
步骤502，所述的甲烷浓度传感器将甲烷浓度、氢气浓度传感器将氢气浓度、二氧化碳浓度传感器将二氧化碳浓度、气体质量流量计将气体质量流量分别输出给ECU，在ECU中计算得到进入燃气进气道的燃气的总热值、发动机输出等效转矩、进入燃气进气道的氢气热值占燃气总热值的比例以及进入燃气进气道的纯燃气质量流量：
步骤503，根据步骤502得到的等效转矩及发电转速查找原始天然气发动机点火时刻MAP，得到发动机点火时刻并在ECU中存储；根据步骤502得到的总热值，ECU判断是否触发设定的总热值上限，若超过设定的总热值上限，则减小可调节喷气阀流量，并将用于MAP查询的总热值更新为设定的热值上限，再执行下一步；否则不更新总热值，直接执行下一步；
步骤504，判断是否触发二氧化碳浓度上限，若超过ECU设定的二氧化碳浓度上限，则停机，否则，执行下一步；
步骤505，根据步骤502计算得到的总热值及氢气所占热值比例，ECU查10×10矩阵空燃比MAP，确定此时的目标空燃比λ；
步骤506，ECU根据步骤503确定的点火时刻控制火花塞点火；根据步骤505确定的目标空燃比、步骤502确定的纯燃气质量流量以及步骤102确定的节气门的开度控制可调节喷气阀和节气门的开度，实现自适应燃烧过程；
步骤507，通过氧传感器测得实时排气氧浓度反馈给ECU，ECU根据氧浓度计算得到当前循环的实际空燃比,若当前循环的实际空燃比高于步骤505确定的当前循环的目标空燃比，减小节气门的开度，使实际空燃比等于目标空燃比；
通过点火系统的爆震传感器判断发动机是否发生爆震，若发生爆震则推迟点火时刻；通过安装于所述的排气管上的温度传感器及氮氧化物浓度传感器结合ECU内置的基于固定氨氮比的原始基础尿素喷射策略控制尿素喷射器向SCR催化器喷射尿素，实现发动机的自适应高效低污染燃烧发电过程。
本发明的有益效果如下：
通过发动机实验及神经网络算法获得多种燃气源自适应空燃比MAP并用于ECU查表，通过传感器结合基于自适应空燃比MAP的发动机控制策略控制燃气供给及喷射系统、进气系统、点火系统及涡轮增压系统，通过高效、稳定、可靠及低排放的发电方式实现对多种分布式燃气源的合理利用。
附图说明
图1示出了一种适用于多种燃气源的发电用内燃机自适应控制方法的系统示意图；
图2示出了利用发动机实验数据及神经网络算法的多种燃气源自适应空燃比MAP策略；
图3示出了基于自适应空燃比MAP的发动机控制策略。
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。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。
本发明所提到的方向和位置用语，例如左边，右边，上方，下方等，仅是参考附图的方向或位置。因此，使用的方向和位置用语是用以说明及理解本发明，而非对本发明保护范围的限制。
如附图1所示的本发明一种适用于多种燃气源的发电用内燃机自适应控制系统，包括进气系统、废气涡轮增压系统、排气后处理系统、点火系统、控制系统及发动机本体；
其中以下结构均为现有的天然气发动机结构，具体可以参见中国专利CN202021434183.5《天然气内燃发动机系统》。
下面对现有结构进行简要说明：所述的进气系统包括进气口1，所述的进气口1左边与大气连通、右边连接空气滤清器2，所述的空气滤清器2通过进气管3依次连接节气门4和压气机6。
所述的废气涡轮增压系统包括压气机6，所述的压气机6与涡轮机12同轴线固定相连；所述的排气后处理系统包括排气管11，氧浓度传感器13、温度传感器14及氮氧化物浓度传感器15安装于所述的排气管11上游，氮氧化物浓度传感器15右边的排气管11上依次安装甲烷催化氧化催化器16、尿素喷射器17和SCR催化器18，所述的SCR催化器18右边的排气管11通过排气口19连接大气；所述的点火系统包括火花塞8、爆震传感器9。
所述的发动机本体包括中冷器7，所述的中冷器7通过进气管3连接气缸10，所述的气缸10通过排气管11连接所述的废气涡轮增压系统涡轮机12，所述的爆震传感器9、火花塞8安装于所述的气缸10内。
所述的控制系统包括ECU20，所述的ECU20通过线束21连接甲烷浓度传感器22、氢气浓度传感器23、二氧化碳浓度传感器24、气体质量流量计26、氧浓度传感器13、温度传感器14、氮氧化物浓度传感器15、爆震传感器9、节气门4、火花塞8和尿素喷射器17。
本发明的结构改进在于：所述的燃气供给及喷射系统包括燃气进气道25，燃气进气道25通过可调节喷气阀5与天然气发动机的进气管3连接，在所述的燃气进气道25上安装有甲烷浓度传感器22、氢气浓度传感器23、二氧化碳浓度传感器24和气体质量流量计26。
本发明的一种适用于多种燃气源的发电用内燃机自适应控制方法，包括以下步骤：
步骤一、对现有的天然气发动机进行改造，具体过程为：
将一根燃气进气道25的一端与位于现有天然气发动机的进气管3上的节气门4和压气机6之间的管道通过一个可调节喷气阀5连通，在所述的燃气进气道25上分别安装甲烷浓度传感器22、氢气浓度传感器23、二氧化碳浓度传感器24和气体质量流量计26。
步骤二、获取全工况空燃比MAP，具体过程如下：
第一步，参照附图2，基于原始天然气发动机ECU20内置的发动机的转矩-转速运行MAP图，控制发动机转速为发电转速；确定发电转速下，发动机转矩的上限值、下限值；然后将发动机转矩的上限值、下限值根据公式(1)转化为对应的天然气热值上限值、下限值；
Q＝m(M)·q (1)
其中：Q为天然气总热值，MJ/h；发动机天然气质量流量m是扭矩M的函数，通过查原始天然气发动机MAP获得，kg/h；q为天然气的单位热值，MJ/kg；
第二步，将由天然气热值上限值、下限值组成的数值范围进行四等分得到五个等分点的燃气总热值，任意选取一个等分点的燃气总热值进行如下实验过程：
步骤101，以燃气中的氢气与甲烷热值之和作为每个等分点的燃气总热值，在该等分点的燃气总热值中预设氢气、甲烷的热值比分别为0:1、0.25:0.75、0.5:0.5、0.75:0.25、1:0；
步骤102，任选一种氢气和甲烷的热值比下的燃气，然后由燃气进气道25通入发动机，通过控制进气系统的节气门开度以实现匹配不同的空燃比；根据发动机的性能参数得到该热值比下的最优空燃比；
步骤103，重复步骤101选取不同的热值比，然后执行步骤102得到不同热值比对应的的最优空燃比；
第三步，反复重复第二步，选取不同的等分点的热值数值，执行步骤101-103，得到不同的等分点的数值下的最优空燃比，即5×5矩阵空燃比MAP。
步骤三、将5×5矩阵空燃比MAP输入神经网络系统，通过训练得到横坐标为进入燃气进气道25的各个等分点的燃气总热值，纵坐标为氢气与各个等分点的燃气总热值比例的10×10矩阵空燃比MAP，该训练过程采用现有方法即可，具体参见中国专利CN201310539969.1《一种基于BP神经网络的MAP标定方法》。
步骤四、将10×10矩阵空燃比MAP嵌入ECU20。
下面举一个具体例子对上述步骤二、步骤三、步骤四的过程加以说明：
第一步，参照附图2，基于原始天然气发动机ECU20内置的发动机的转矩-转速运行MAP图，控制发动机转速为发电转速n发电；确定发电转速下，发动机转矩的上限值Mhigh、下限值Mlow；根据公式1转化为天然气热值上限值Qhigh、下限值Qlow；
第二步，将由天然气热值上限值Qhigh、下限值Qlow组成的数值范围进行四等分得到五个等分点的燃气总热值Qlow、Q1、Q2、Q3、Qhigh，选取等分点Q2进行如下实验过程：
步骤101，以燃气中的氢气与甲烷热值之和作为每个等分点的燃气总热值，在该等分点的燃气总热值中预设氢气、甲烷的热值比分别为0:1、0.25:0.75、0.5:0.5、0.75:0.25、1:0；
步骤102，以氢气、甲烷热值比例0:1进行实验，然后由燃气进气道25通入发动机，通过控制进气系统的节气门开度以实现匹配不同的空燃比；根据发动机的性能参数得到该热值比下的最优空燃比λexp1；
步骤103，重复步骤101选取不同的热值比，选取不同的热值比0.25:0.75、0.5:0.5、0.75:0.25、1:0，然后执行步骤102，共得到不同热值比对应的的最优空燃比λexp2、λexp3、λexp4、λexp5；
第三步，反复重复第二步，选取不同的等分点的总热值数值Qlow、Q1、Q3、Qhigh，执行步骤101-103，得到不同的等分点的的燃气总热值下的最优空燃比，即5×5矩阵空燃比MAP。将5×5矩阵空燃比MAP输入神经网络系统，通过训练得到横坐标为进入燃气进气道25的各个等分点的燃气总热值，纵坐标为氢气与对应的等分点的燃气总热值比例的10×10矩阵空燃比MAP。
步骤五、参照附图3，基于10×10矩阵空燃比MAP对发动机进行控制，执行如下步骤：
步骤501，通过燃气进气道25输入燃气，所述的燃气为沼气、工业尾气或瓦斯气的一种。
步骤502，所述的甲烷浓度传感器22将甲烷浓度、氢气浓度传感器23将氢气浓度、二氧化碳浓度传感器24将二氧化碳浓度、气体质量流量计26将气体质量流量分别输出给ECU，在ECU中根据公式(2)计算得到进入燃气进气道25的燃气的总热值，根据公式(3)计算得到发动机输出等效转矩，根据公式(4)计算得到进入燃气进气道25的氢气热值占燃气总热值的比例，根据公式(5)计算得到进入燃气进气道25的纯燃气质量流量：
Q＝22.4·min·ρCH4/(CCH4·16·0.000001)·qCH4+22.4·min·ρH2/(CH2·2·0.000001)·qH2； (2)
基于公式(1)，可以通过总热值及天然气单位热值求取天然气质量，通过质量查原始天然气发动机MAP获得转矩M：
Q/qCH4＝m(M)； (3)
rH2＝(22.4·min·ρH2/(CH2·2·0.000001)·qH2)/Q； (4)
mgas＝22.4·min·ρCH4/(CCH4·16·0.000001)+22.4·min·ρH2/(CH2·2·0.000001) (5)
其中，Q为燃气总热值，MJ/h；min为燃气质量流量，kg/h；ρCH4、ρH2分别为甲烷及及氢气在标准状态(273K、101kpa)的密度，kg/m3；CCH4为甲烷传感器测得的甲烷浓度值，ppm；CH2为氢气传感器测得的氢气浓度值，ppm；qCH4、qH2分别为甲烷与氢气的单位热值，MJ/kg；rH2为氢气热值比例；mgas为纯燃气质量流量，kg/h。
步骤503，根据步骤502得到的等效转矩及发电转速查找原始天然气发动机点火时刻MAP，得到发动机点火时刻并在ECU20中存储；根据步骤502得到的总热值，ECU20判断是否触发设定的总热值上限，若超过设定的总热值上限，则减小可调节喷气阀5流量，并将用于MAP查询的总热值更新为设定的热值上限，再执行下一步；否则不更新总热值，直接执行下一步。
步骤504，判断是否触发二氧化碳浓度上限，若超过ECU20设定的二氧化碳浓度上限，则停机，否则，执行下一步；
步骤505，根据步骤502计算得到的总热值及氢气所占热值比例，ECU20查10×10矩阵空燃比MAP，确定此时的目标空燃比λ。
步骤506，ECU20根据步骤503确定的点火时刻控制火花塞8点火；根据步骤505确定的目标空燃比、步骤502确定的纯燃气质量流量以及步骤102确定的节气门4的开度控制可调节喷气阀5和节气门4的开度，实现自适应燃烧过程。
步骤507，通过氧传感器13测得实时排气氧浓度反馈给ECU20，ECU20根据氧浓度计算得到当前循环的实际空燃比,若当前循环的实际空燃比高于步骤505确定的当前循环的目标空燃比，则说明进入发动机的空气量高于所需的目标空气量，因此，应减小节气门4的开度，使实际空燃比等于目标空燃比；
通过点火系统的爆震传感器9判断发动机是否发生爆震，若发生爆震则推迟点火时刻(通常1-3°曲轴转角即可)；通过安装于所述的排气管11上的温度传感器14及氮氧化物浓度传感器15结合ECU20内置的基于固定氨氮比的原始基础尿素喷射策略控制尿素喷射器17向SCR催化器18喷射尿素，实现发动机的自适应高效低污染燃烧发电过程,所述的基于固定氨氮比的原始基础尿素喷射策略为现有的控制策略，如可以采用喷射的尿素在排气中产生的氨的体积浓度是排气中氮氧化物体积浓度的1.1倍，即氨氮比为1.1。
Claims (2)
1.一种适用于多种燃气源的发电用内燃机自适应控制方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、对现有的天然气发动机进行改造，具体过程为：
将一根燃气进气道(25)的一端与位于现有天然气发动机的进气管(3)上的节气门(4)和压气机(6)之间的管道通过一个可调节喷气阀(5)连通，在所述的燃气进气道上分别安装甲烷浓度传感器(22)、氢气浓度传感器(23)、二氧化碳浓度传感器(24)和气体质量流量计(26)；
步骤二、获取全工况空燃比MAP，具体过程如下：
第一步，基于原始天然气发动机ECU内置的发动机的转矩-转速运行MAP图，控制发动机转速为发电转速；确定发电转速下，发动机转矩的上限值、下限值；然后将发动机转矩的上限值、下限值转化为对应的天然气热值上限值、下限值；
第二步，将由天然气热值上限值、下限值组成的数值范围进行四等分得到五个等分点的燃气总热值，任意选取一个等分点的燃气总热值进行如下实验过程：
步骤101，以燃气中的氢气与甲烷热值之和作为每个等分点的燃气总热值，在该等分点的燃气总热值中预设氢气、甲烷的热值比分别为0:1、0.25:0.75、0.5:0.5、0.75:0.25、1:0；
步骤102，任选一种氢气和甲烷的热值比下的燃气，然后由燃气进气道通入发动机，通过控制进气系统的节气门开度以实现匹配不同的空燃比；根据发动机的性能参数得到该热值比下的最优空燃比；
步骤103，重复步骤101选取不同的热值比，然后执行步骤102得到不同热值比对应的的最优空燃比；
第三步，反复重复第二步，选取不同的等分点的热值数值，执行步骤101-103，得到不同的等分点的数值下的最优空燃比，即5×5矩阵空燃比MAP；
步骤三、将5×5矩阵空燃比MAP输入神经网络系统，通过训练得到横坐标为进入燃气进气道的各个等分点的燃气总热值，纵坐标为氢气与各个等分点的燃气总热值比例的10×10矩阵空燃比MAP；
步骤四、将10×10矩阵空燃比MAP嵌入ECU；
步骤五、基于10×10矩阵空燃比MAP对发动机进行控制，执行如下步骤：
步骤501，通过燃气进气道输入燃气；
步骤502，所述的甲烷浓度传感器将甲烷浓度、氢气浓度传感器将氢气浓度、二氧化碳浓度传感器将二氧化碳浓度、气体质量流量计将气体质量流量分别输出给ECU，在ECU中计算得到进入燃气进气道的燃气的总热值、发动机输出等效转矩、进入燃气进气道的氢气热值占燃气总热值的比例以及进入燃气进气道的纯燃气质量流量：
步骤503，根据步骤502得到的等效转矩及发电转速查找原始天然气发动机点火时刻MAP，得到发动机点火时刻并在ECU中存储；根据步骤502得到的总热值，ECU判断是否触发设定的总热值上限，若超过设定的总热值上限，则减小可调节喷气阀(5)流量，并将用于MAP查询的总热值更新为设定的热值上限，再执行下一步；否则不更新总热值，直接执行下一步；
步骤504，判断是否触发二氧化碳浓度上限，若超过ECU设定的二氧化碳浓度上限，则停机，否则，执行下一步；
步骤505，根据步骤502计算得到的总热值及氢气所占热值比例，ECU查10×10矩阵空燃比MAP，确定此时的目标空燃比λ；
步骤506，ECU根据步骤503确定的点火时刻控制火花塞(8)点火；步骤505确定的目标空燃比、步骤502确定的纯燃气质量流量以及步骤102确定的节气门(4)的开度控制可调节喷气阀(5)和节气门的开度，实现自适应燃烧过程；
步骤507，通过氧传感器(13)测得实时排气氧浓度反馈给ECU，ECU根据氧浓度计算得到当前循环的实际空燃比,若当前循环的实际空燃比高于步骤505确定的当前循环的目标空燃比，减小节气门的开度，使实际空燃比等于目标空燃比；
通过点火系统的爆震传感器(9)判断发动机是否发生爆震，若发生爆震则推迟点火时刻；通过安装于所述的排气管(11)上的温度传感器(14)及氮氧化物浓度传感器(15)结合ECU内置的基于固定氨氮比的原始基础尿素喷射策略控制尿素喷射器向SCR催化器喷射尿素，实现发动机的自适应高效低污染燃烧发电过程。
2.根据权利要求1所述的适用于多种燃气源的发电用内燃机自适应控制方法，其特征在于：所述的燃气为沼气、工业尾气或瓦斯气的一种。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114839860A (zh) * | 2022-04-11 | 2022-08-02 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于高压天然气喷射器入口压力变动监测的模糊pid燃油喷气量闭环控制方法 |
Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5623412A (en) * | 1993-10-12 | 1997-04-22 | Institut Francais Du Petrole | Instantaneous data acquisition and processing system for internal-combustion engine control |
| CN101614161A (zh) * | 2009-07-24 | 2009-12-30 | 东莞市力宇燃气动力有限公司 | 一种空燃比控制装置 |
| CN103375286A (zh) * | 2012-04-16 | 2013-10-30 | 北京奥润泰克教育科技有限责任公司 | 自适应气体燃料控制系统 |
| JPWO2012157076A1 (ja) * | 2011-05-17 | 2014-07-31 | トヨタ自動車株式会社 | 多種燃料内燃機関の制御システム |
| US20150034061A1 (en) * | 2012-02-09 | 2015-02-05 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Control system for multifuel internal combustion engine |
| CN105298664A (zh) * | 2015-11-20 | 2016-02-03 | 山东大学 | 一种沼气内燃发电机组空燃比控制系统及其控制方法 |
| US20180051647A1 (en) * | 2016-08-19 | 2018-02-22 | Ford Global Technologies, Llc | Methods and system for engine control |
| US20190353111A1 (en) * | 2018-05-16 | 2019-11-21 | Gas Technologies Llc | Tri-fuel electric power generator |
| CN110778404A (zh) * | 2019-11-19 | 2020-02-11 | 温州大学瓯江学院 | 一种直喷汽油-天然气双燃料发动机控制系统及控制方法 |
| CN112555061A (zh) * | 2020-12-03 | 2021-03-26 | 西安科美动力科技有限公司 | 一种自适应气源燃气发电机组 |
-
2021
- 2021-09-30 CN CN202111160387.3A patent/CN113756945B/zh active Active
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5623412A (en) * | 1993-10-12 | 1997-04-22 | Institut Francais Du Petrole | Instantaneous data acquisition and processing system for internal-combustion engine control |
| CN101614161A (zh) * | 2009-07-24 | 2009-12-30 | 东莞市力宇燃气动力有限公司 | 一种空燃比控制装置 |
| JPWO2012157076A1 (ja) * | 2011-05-17 | 2014-07-31 | トヨタ自動車株式会社 | 多種燃料内燃機関の制御システム |
| US20150034061A1 (en) * | 2012-02-09 | 2015-02-05 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Control system for multifuel internal combustion engine |
| CN103375286A (zh) * | 2012-04-16 | 2013-10-30 | 北京奥润泰克教育科技有限责任公司 | 自适应气体燃料控制系统 |
| CN105298664A (zh) * | 2015-11-20 | 2016-02-03 | 山东大学 | 一种沼气内燃发电机组空燃比控制系统及其控制方法 |
| US20180051647A1 (en) * | 2016-08-19 | 2018-02-22 | Ford Global Technologies, Llc | Methods and system for engine control |
| US20190353111A1 (en) * | 2018-05-16 | 2019-11-21 | Gas Technologies Llc | Tri-fuel electric power generator |
| CN110778404A (zh) * | 2019-11-19 | 2020-02-11 | 温州大学瓯江学院 | 一种直喷汽油-天然气双燃料发动机控制系统及控制方法 |
| CN112555061A (zh) * | 2020-12-03 | 2021-03-26 | 西安科美动力科技有限公司 | 一种自适应气源燃气发电机组 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 么居标等: "基于神经网络的LPG电喷发动机过渡工况空燃比仿真控制", 《北京工业大学学报》 * |
| 尧命发等: ""双燃料发动机燃烧放热规律分析及燃烧特性研究"", 《内燃机学报》 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114839860A (zh) * | 2022-04-11 | 2022-08-02 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于高压天然气喷射器入口压力变动监测的模糊pid燃油喷气量闭环控制方法 |
| CN114839860B (zh) * | 2022-04-11 | 2023-02-17 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于高压天然气喷射器入口压力变动监测的模糊pid喷气量闭环控制方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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