CN114962044B - 天然气发动机预喷量的控制方法、装置及天然气发动机 - Google Patents

天然气发动机预喷量的控制方法、装置及天然气发动机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种天然气发动机预喷量的控制方法、装置及天然气发动机，属于天然气发动机技术领域，其中，天然气发动机预喷量的控制方法包括获取排气管内部尾气的排气流量、进气总管的压力、气轨压力和天然气发动机的转速；基于排气流量，确定燃气的总流量；基于进气总管的压力和转速确定所需要的预喷比；根据预喷比和燃气的总流量确定预喷量；根据预喷量和气轨压力确定预喷时间；根据预喷时间确定喷射持续角，并控制天然气发动机以喷射持续角进行喷射。预喷量随着转速、进气总管的压力、气轨压力和排气流量等参数的变化进行调整，从而确保预喷量能够准确地实现控制，保证发动机工作在优选的状态区间内。

Description

天然气发动机预喷量的控制方法、装置及天然气发动机
技术领域
本发明属于天然气发动机技术领域，具体涉及一种天然气发动机预喷量的控制方法、装置及天然气发动机。
背景技术
天然气发动机使用预燃室式引燃的方式进行点火，这种预燃室式天然气发动机的天然气预喷量受多种因素的影响。现有技术中，天然气发动机的预喷量仅靠喷射时间进行控制，无法对天然气发动机的预喷量进行精准控制。
发明内容
本发明的目的是至少解决现有技术中存在的无法对天然气发动机的预喷量进行精准控制的问题。该目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的第一方面提出了一种天然气发动机预喷量的控制方法，包括：
获取排气管内部尾气的排气流量、进气总管的压力、气轨压力和天然气发动机的转速；
基于所述排气流量，确定燃气的总流量；
基于所述进气总管的压力和所述转速确定所需的预喷比；
根据所述预喷比和所述燃气的总流量确定预喷量；
根据所述预喷量和所述气轨压力确定预喷时间；
根据所述预喷时间确定喷射持续角，并控制所述天然气发动机以所述喷射持续角进行喷射。
本发明中的天然气发动机预喷量的控制方法，可根据进气总管的压力和转速确定所需要的预喷比，并根据预喷比和燃气的总流量确定预喷量，再根据预喷量和气轨压力确定预喷时间，然后根据预喷时间确定喷射持续角，从而实现对天然气发动机预喷量的控制，能够使得预喷量随着转速、进气总管的压力、气轨压力和排气流量等参数的变化进行调整，从而确保预喷量能够准确地实现控制，保证发动机工作在优选的状态区间内。
根据本发明的天然气发动机预喷量的控制方法，。
另外，根据本发明实施例的天然气发动机预喷量的控制方法，还可具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述获取排气管内部尾气的排气流量是采用速度密度法获取。
在本发明的一些实施例中，基于所述排气流量，确定天然气的总流量具体为：
根据燃料的空燃比、所述排气管内部尾气中的氧浓度、以及所述排气流量确定所述燃气的总流量。
在本发明的一些实施例中，确定所述燃气的总流量采用以下公式计算获得；
Qg＝[Q*(0.21-Co2)/0.21]/(A/F)ratio
其中，Qg为燃气的总流量，Q为排气流量，(A/F)ratio为燃料的空燃比，Co2为排气管内部尾气中的氧浓度。
在本发明的一些实施例中，根据所述预喷时间确定喷射持续角具体为：
根据所述预喷时间和所述转速确定所述喷射持续角。
在本发明的一些实施例中，基于所述进气总管的压力和所述转速确定所需的预喷比具体为：以所述进气总管的压力为横坐标、以所述转速为纵坐标，得到所述预喷比的MAP表。
在本发明的一些实施例中，根据所述预喷量和所述气轨压力确定预喷时间具体为：以所述预喷量为横坐标，以所述气轨压力为纵坐标，得到所述预喷时间的MAP表。
本发明的第二方面提出了一种天然气发动机预喷量的控制装置所述控制装置用于执行如前面实施例所述的天然气发动机预喷量的控制方法，所述控制装置包括：
获取单元，用于获取排气管内部尾气的排气流量、进气总管的压力、气轨压力和天然气发动机的转速；
第一确定单元，用于基于所述排气流量，确定燃气的总流量；
第二确定单元，用于基于所述进气总管的压力和所述转速确定所需的预喷比；
第三确定单元，用于根据所述预喷比和所述燃气的总流量确定预喷量；
第四确定单元，用于根据所述预喷量和所述气轨压力确定预喷时间；
第五确定单元，用于根据所述预喷时间确定喷射持续角；以及
执行单元，用于控制所述天然气发动机以所述喷射持续角进行喷射。
本发明中的天然气发动机预喷量的控制装置，由第一确定单元根据进气总管的压力和转速确定所需要的预喷比，并由根据预喷比和燃气的总流量确定预喷量，再根据预喷量和气轨压力确定预喷时间，然后根据预喷时间确定喷射持续角，从而实现对天然气发动机预喷量的控制，能够使得预喷量随着转速、进气总管的压力、气轨压力和排气流量等参数的变化进行调整，从而确保预喷量能够准确地实现控制，保证发动机工作在优选的状态区间内。
本发明的第三方面提出了一种天然气发动机，包括：
第一管路，所述第一管路连接气瓶和主燃室，所述第一管路上设置有第一调压阀，中冷器和第一节气门；
第二管路，所述第二管路连接所述气瓶和预燃室，所述第二管路上设置有第二调压阀、气轨和阀门，所述预燃室内设置有火花塞；以及
电子控制单元，所述电子控制单元与所述阀门、所述第一节气门和所述火花塞均电连接。
另外，根据本发明实施例的天然气发动机，还可具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，天然气发动机还包括排气管，所述排气管上设置有氧浓度传感器。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
图1示意性地示出了根据本发明实施方式的天然气发动机预喷量的控制方法的流程图；
图2示意性地示出了根据本发明实施方式的天然气发动机预喷量的控制装置的示意图；
图3示意性地示出了根据本发明实施方式的天然气发动机的结构示意图；
附图中各标记表示如下：
100、天然气发动机；
10、气瓶；
20、第一管路；21、主燃室；22、第一调压阀；23、增压器；24、中冷器；25、第一节气门；26、进气总管；
30、第二管路；31、火花塞；32、预燃室；33、第二调压阀；34、气轨；35、压力传感器；36、电磁阀；37、单向阀；
40、电子控制单元；
50、排气管；
60、氧浓度传感器。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。
尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。
为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“下方”、“上面”、“上方”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。例如，如果在图中的装置翻转，那么描述为“在其它元件或者特征下面”或者“在其它元件或者特征下方”的元件将随后定向为“在其它元件或者特征上面”或者“在其它元件或者特征上方”。因此，示例术语“在……下方”可以包括在上和在下的方位。装置可以另外定向(旋转90度或者在其它方向)并且文中使用的空间相对关系描述符相应地进行解释。
本发明中使用的术语，给出如下解释。
预燃室为燃烧室内的空腔，高压燃气直接喷入，在压缩冲程主燃室内的混合气压入与高压燃气混合形成较浓的混合气，火花塞产生电火花引燃空腔内浓混合气，浓混合气燃烧产生的火焰穿过空腔下部的小孔引燃主燃室内的混合气。
预喷量为预燃室式天然气发动机的预燃室内喷入的燃气量。
预喷比为预喷量/总燃气消耗量。
如图1至图3所示，本发明的实施例的第一方面提出了一种天然气发动机预喷量的控制方法，包括：
获取排气管内部尾气的排气流量、进气总管的压力、气轨压力和天然气发动机的转速；
基于排气流量，确定燃气的总流量；
基于进气总管的压力和转速确定所需要的预喷比；
根据预喷比和燃气的总流量确定预喷量；
根据预喷量和气轨压力确定预喷时间；
根据预喷时间确定喷射持续角，并控制天然气发动机以喷射持续角进行喷射。
本发明中的天然气发动机预喷量的控制方法，可根据进气总管的压力和转速确定所需要的预喷比，并根据预喷比和燃气的总流量确定预喷量，再根据预喷量和气轨压力确定预喷时间，然后根据预喷时间确定喷射持续角，从而实现对天然气发动机预喷量的控制，能够使得预喷量随着转速、进气总管的压力、气轨压力和排气流量等参数的变化进行调整，从而确保预喷量能够准确地实现控制，保证发动机工作在优选的状态区间内。
在一些可选的实施例中，获取排气管内部尾气的排气流量是采用速度密度法获取。其中，采用速度密度法确定排气流量的公式如下所示。
式中，Q为排气流量，n为发动机转速，单位为转每分(r/min)；v为发动机总排量，单位为升(L)；T为进气总管26内的温度，单位为开尔文(K)；b为充气效率；P为进气总管26的压力，单位为千帕(kPa)。这里的进气总管26在图3中具有显示。
这里是基于计算的方法获得的排气流量，当然，也可以通过测量的方式获得排气流量，如采用流量计等设备进行测量获得。
在一些可选的实施例中，基于排气流量，确定燃气的总流量具体为根据燃料的空燃比、排气管内部尾气中的氧浓度、以及排气流量确定燃气的总流量。其中，燃料的空燃比是单位质量燃料燃烧所需的空气质量。通过获取燃料的空燃比、排气管内部尾气中的氧浓度以及排气流量可以确定燃气的总流量。
在一些可选的实施例中，确定燃气的总流量采用以下公式计算获得；
Qg＝[Q*(0.21-Co2)/0.21]/(A/F)ratio
其中，Qg为燃气的总流量，Q为排气流量，采用计算的方式获得；
(A/F)ratio为燃料的空燃比，Co2为排气管内部尾气中的氧浓度，氧浓度可通过氧浓度传感器60测量获得。
通过这个公式，可以通过计算的方式确定燃气的总流量，为确定预喷量的确定提供参数。
在一些可选的实施例中，基于进气总管的压力和转速确定所需的预喷比具体为以进气总管的压力为横坐标、以转速为纵坐标，得到预喷比的MAP表。这里的预喷比为最优标定的结果。预喷比的MAP表如表1所示。
表1预喷比的MAP表
从表1中可以看出，进气总管的压力对应的横坐标可以设置为100kPa、200kPa、300kPa、400kPa、500kPa和600kPa等；转速对应的纵坐标可以设置为300rpm、600rpm、900rpm、1000rpm、1250rpm、1500rpm和1800rpm等，表格中0.012、0.018和0.019等数据为对应的预喷比。
需要说明的是，预喷比的MAP表中的数据很多，表1中展示的只是部分数据。
其中，根据预喷比和燃气的总流量确定预喷量，可采用预喷比等于预喷量/总燃气消耗量确定，这里的预喷量采用单位时间内的喷射量来定义，单位可以采用kg/h。
在一些可选的实施例中，根据预喷量和气轨压力确定预喷时间具体为以预喷量为横坐标，以气轨压力为纵坐标，得到预喷时间的MAP表。预喷时间的MAP表如表2所示。
表2预喷时间的MAP表
从表2中可以看出，预喷量对应的横坐标可以设置为2.0kg/h、3.0kg/h、4.0kg/h、5.0kg/h和6.0kg/h等；气轨压力对应的纵坐标可以设置为200kPa、300kPa、400kPa、500kPa、600kPa和700kPa等，表格中的中间位置为预喷时间，其中，当数据为0.0000时，说明预喷时间为零，预喷时间的单位为秒。
需要说明的是，预喷时间的MAP表中的数据很多，表2中展示的只是部分数据。
气轨压力可以通过电子控制单元40中读出，通过预喷时间MAP表，可以在台架上对预喷时间进行标定，可以在需要的时候选择相应的预喷时间进行控制。
在一些可选的实施例中，根据预喷时间确定喷射持续角具体为根据预喷时间和转速确定喷射持续角。其中，根据预喷时间确定喷射持续角可通过电子控制单元进行，喷射持续角＝预喷时间*转速*60，其中，预喷时间的单位为秒，喷射持续角的单位为度，转速的单位为rpm。
本发明的实施例的第二方面提出了一种天然气发动机预喷量的控制装置，控制装置用于执行如上面实施例中的天然气发动机预喷量的控制方法，控制装置包括：
获取单元，用于获取排气管内部尾气的排气流量、进气总管的压力、气轨压力和天然气发动机的转速；
第一确定单元，用于基于排气流量，确定燃气的总流量；
第二确定单元，用于基于进气总管的压力和转速确定所需的预喷比；
第三确定单元，用于根据预喷比和燃气的总流量确定预喷量；
第四确定单元，用于根据预喷量和气轨压力确定预喷时间；
第五确定单元，用于根据预喷时间确定喷射持续角；以及
执行单元，用于控制天然气发动机以喷射持续角进行喷射。这里的执行单元可以采用电子控制单元。
本发明中的天然气发动机预喷量的控制装置，由第一确定单元根据进气总管的压力和转速确定所需要的预喷比，并由根据预喷比和燃气的总流量确定预喷量，再根据预喷量和气轨压力确定预喷时间，然后根据预喷时间确定喷射持续角，从而实现对天然气发动机预喷量的控制，能够使得预喷量随着转速、进气总管的压力、气轨压力和排气流量等参数的变化进行调整，从而确保预喷量能够准确地实现控制，保证发动机工作在优选的状态区间内。
本发明中的天然气发动机预喷量的控制装置，可参照天然气发动机预喷量的控制方法中的实施例进行控制，这里对其不再进行赘述。
本发明的实施例的第三方面提出了一种天然气发动机100，天然气发动机100包括第一管路20、第二管路30和电子控制单元40，电子控制单元40即ECU(Electronic ControlUnit)，其中，第一管路20连接气瓶10和主燃室21，第一管路20上设置有第一调压阀22，中冷器24和第一节气门25；第二管路30连接气瓶10和预燃室32，第二管路30上设置有第二调压阀33、气轨34和阀门，预燃室32内设置有火花塞31；电子控制单元40与阀门、第一节气门25和火花塞31均电连接。
需要说明的是，气瓶10为气体的容置器具，其内部用于盛放天然气。气瓶10中的气体为天然气，则天然气从气瓶10中释放后，经过第一管路20上的第一调压阀22，第一调压阀22用于调整天然气的压力至某一个设定值，在增压器23的入口端，与空气进行混合，混合后的气体通过增压器23进行增压，然后进入中冷器24中进行冷却，得到中冷后的混合气体，中冷后的混合气体通过第一节气门25后进入主燃室21中。电子控制单元40与第一节气门25电连接，电子控制单元40可通过调整第一节气门25的开度调整进入主燃室21内部的混合气体量。
另外，还有部分天然气在从气瓶10中释放后，经过第二管路30上的第二调压阀33增压，其中，第二调压阀33可根据中冷后的混合气体的压力进行调整，经过第二调压阀33进行调压后的天然气进入气轨34中，然后经过阀门后进入预燃室32的内部。
在一些可选实施例中，气轨34上设有压力传感器35，压力传感器35与电子控制单元40电连接，可以将测量得到的气轨34的内部压力传送给电子控制单元40，电子控制单元40根据喷射时刻和喷射持续期控制阀门的开启和关闭，从而调整进入预燃室32中的天然气的量。
可选地，阀门包括电磁阀36和单向阀37，通过电磁阀36的开启和关闭，可以通过进入预燃室32中的天然气的量，这里的量可以是天然气的质量或者体积。另外，通过设置单向阀37，可限定天然气的流向只能是单向流动，也就是说只能是从气轨34流向预燃室32的方向。
发动机工作时，电子控制单元40根据点火时刻控制火花塞31产生电火花，将预燃室32内的混合气点燃并产生火焰，火焰穿透预燃室体32的下端均匀分布的小孔将主燃室21内的混合气引燃。
在一些可选实施例中，天然气发动机100还包括排气管50，排气管50上设置有氧浓度传感器60。燃烧后的尾气通过排气管50排出，通过在排气管50上设置氧浓度传感器60，可以测量尾气中的氧浓度，然后采用氧浓度以及排气流量计算获得燃气的总流量。
需要说明的是，在图3中，箭头的方向表示气体的方向，其中，从气瓶10中流出的为天然气，在增压器23的入口端，天然气与流入的空气进行混合，在图3中，增压器23左侧向下的箭头表示空气的流向。
通过采用天然气发动机100的供气系统和排气系统，可以实现对天然气发动机预喷量的控制，根据供气系统和排气系统中参数的变化，如氧浓度、进气总管26的压力变化等，发动机转速、排气管50中的排气流量等，对预喷量进行调整，使得天然气发动机能够运行在优选的状态区间内。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种天然气发动机预喷量的控制方法，其特征在于，包括：
获取排气管内部尾气的排气流量、进气总管的压力、气轨压力和天然气发动机的转速；
基于所述排气流量，确定燃气的总流量；
基于所述进气总管的压力和所述转速确定所需的预喷比；
根据所述预喷比和所述燃气的总流量确定预喷量；
根据所述预喷量和所述气轨压力确定预喷时间；
根据所述预喷时间确定喷射持续角，并控制所述天然气发动机以所述喷射持续角进行喷射。
2.根据权利要求1所述的天然气发动机预喷量的控制方法，其特征在于，所述获取排气管内部尾气的排气流量是采用速度密度法获取。
3.根据权利要求1所述的天然气发动机预喷量的控制方法，其特征在于，基于所述排气流量，确定燃气的总流量具体为：
根据燃料的空燃比、所述排气管内部尾气中的氧浓度、以及所述排气流量确定所述燃气的总流量。
4.根据权利要求3所述的天然气发动机预喷量的控制方法，其特征在于，确定所述燃气的总流量采用以下公式计算获得；
Qg＝[Q*(0.21-Co2)/0.21]/(A/F)ratio
其中，Qg为燃气的总流量，Q为排气流量，(A/F)ratio为燃料的空燃比，Co2为排气管内部尾气中的氧浓度。
5.根据权利要求1所述的天然气发动机预喷量的控制方法，其特征在于，根据所述预喷时间确定喷射持续角具体为：
根据所述预喷时间和所述转速确定所述喷射持续角。
6.根据权利要求1所述的天然气发动机预喷量的控制方法，其特征在于，
基于所述进气总管的压力和所述转速确定所需的预喷比具体为：以所述进气总管的压力为横坐标、以所述转速为纵坐标，得到所述预喷比的MAP表。
7.根据权利要求1所述的天然气发动机预喷量的控制方法，其特征在于，
根据所述预喷量和所述气轨压力确定预喷时间具体为：以所述预喷量为横坐标，以所述气轨压力为纵坐标，得到所述预喷时间的MAP表。
8.一种天然气发动机预喷量的控制装置，所述控制装置用于执行如权利要求1所述的天然气发动机预喷量的控制方法，所述控制装置包括：
获取单元，用于获取排气管内部尾气的排气流量、进气总管的压力、气轨压力和天然气发动机的转速；
第一确定单元，用于基于所述排气流量，确定燃气的总流量；
第二确定单元，用于基于所述进气总管的压力和所述转速确定所需的预喷比；
第三确定单元，用于根据所述预喷比和所述燃气的总流量确定预喷量；
第四确定单元，用于根据所述预喷量和所述气轨压力确定预喷时间；
第五确定单元，用于根据所述预喷时间确定喷射持续角；以及
执行单元，用于控制所述天然气发动机以所述喷射持续角进行喷射。
9.一种天然气发动机，所述天然气发动机采用权利要求1中所述的天然气发动机预喷量的控制方法，其特征在于，包括：
第一管路，所述第一管路连接气瓶和主燃室，所述第一管路上设置有第一调压阀，中冷器和第一节气门；
第二管路，所述第二管路连接所述气瓶和预燃室，所述第二管路上设置有第二调压阀、气轨和阀门，所述预燃室内设置有火花塞；以及
电子控制单元，所述电子控制单元与所述阀门、所述第一节气门和所述火花塞均电连接。
10.根据权利要求9所述的天然气发动机，其特征在于，还包括排气管，所述排气管上设置有氧浓度传感器。
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