CN115163321A - 一种氢燃料内燃机瞬时空燃比控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种氢燃料内燃机瞬时空燃比控制方法及系统，包括以下步骤：获取发动机进气量V；获取发动机目标空燃比AFRH；确定氢喷射量MH；计算理论燃烧放热值Qt；根据理论燃烧放热值Qt、工况热损失系数MAP以及工况延时系数MAP计算理论排气温度T，其中，工况热损失系数MAP以及工况延时系数MAP是预先实验确定的；获取实际排气温度T'，若实际排气温度T'与理论排气温度T之间满足预设置的修正条件，则对目标空燃比进行修正，否则，不需要对空燃比进行修正。与现有技术相比，本发明根据氢燃料燃烧温度高的特点，利用内燃机宽排气温度差对实际喷射量即瞬时空燃比修正，使其实际燃烧过程中的空燃比更接近于目标值，从而提高瞬态变化工况下的空燃比控制的准确性和响应速度。

Description

一种氢燃料内燃机瞬时空燃比控制方法及系统
技术领域
本发明涉及发动机控制领域，尤其是涉及一种氢燃料内燃机瞬时空燃比控制方法。
背景技术
空燃比即是混合气中空气质量与燃料质量之比。当代发动机需满足在所有行驶工况下有较低的排放污染物、良好的燃油经济性以及好的驱动性。其中精确地控制空燃比和点火定时是实现获得发动机最大功率、减少有害物排放等目标的关键。
现有专利201910941224.5公开了一种天然气发动机瞬态空燃比控制方法，其核心是基于发动机转速和进气压力/进气流量以及转速、节气门开度变化率等，得到基本进气量和进气修正量，并结合系统延迟对燃气喷射量修正量和基本燃气喷射量进行修正，实现发动机瞬态空燃比控制。但是，该方法不涉及到燃烧后的放热过程及利用排温进行的进气、燃料喷射等反馈控制。
现有专利201811653349.X公开了一种纯氢发动机起动控制方法，目的是通过起动阶段控制发动机过量空气系数从而尽可能提升排温，提升后处理效率，在保证氢发动机起动可靠性的同时实现氢发动机起动阶段降低各项污染物排放。但是，该方法不涉及发动机运行过程中瞬态空燃比的控制，以及针对空燃比的目标修正。
现有专利202111315053.9公开了一种基于柴油机的缸内直喷氢内燃机及燃烧控制方法，利用未燃氢气、氧气及NOx传感进行氢气二次喷射控制。但是，该方法涉及实际空燃比与目标理论空燃比的比对，以及利用排气温度反馈的空燃比修正方法。
综上，目前现有内燃机内的空燃比控制方法一般基于PID反馈控制，以实际空燃比和目标空燃比为输入，对燃气喷射量或EGR阀开度进行修正，该方法在稳态工况下可以获得较高的精度，但在瞬态工况下，发动机的运行参数(转速、进气压力、进气流量等)不断变化，通过检测转速和进气压力或进气流量判断循环进气量存在较大的误差，因此，所控制的目标空燃比与实际燃烧空燃比可能存在较大偏差。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种氢燃料内燃机瞬时空燃比控制方法及系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种氢燃料内燃机瞬时空燃比控制方法，包括以下步骤：
S1、根据发动机的工作参数获取发动机进气量V；
S2、根据发动机的工作参数以及发动机进气量V获取发动机目标空燃比AFRH；
S3、根据发动机目标空燃比信号确定氢喷射量MH；
S4、根据氢喷射量信号MH计算理论燃烧放热值Qt；
S5、根据理论燃烧放热值Qt、工况热损失系数MAP以及工况延时系数MAP计算理论排气温度T，其中，工况热损失系数MAP以及工况延时系数MAP是预先实验确定的；
S6、获取实际排气温度T'，若实际排气温度T'与理论排气温度T之间满足预设置的修正条件，则计算修正量，并对目标空燃比进行修正，否则，实际燃烧空燃比与目标空燃比无差异，不需要对空燃比进行修正。
优选地，步骤S1中，根据发动机转速n、增压常数k及进气背压P获得发动机进气量V。
优选地，步骤S2中，根据发动机转速n以及发动机进气量V获取发动机目标空燃比AFRH。
优选地，步骤S5中，理论排气温度T的计算公式为：
T＝Qt*kp*kt
其中，kp表示工况热损失修正系数，通过对工况热损失系数MAP查表确定，kt表示工况延时修正系数，通过对工况延时系数MAP查表确定。
优选地，步骤S6中，预设置的修正条件为：
Figure BDA0003768202900000021
其中，P为预设置的阈值。
优选地，步骤S6中，P的取值为10％。
优选地，步骤S6中，对目标空燃比进行修正具体为修正氢喷射量，修正后的氢喷射量为MH’＝MH+ΔMH，其中，MH’为修正后的氢喷射量，ΔMH为修正量。
优选地，步骤S6中，利用PID控制器进行修正量计算，传递公式为：
Figure BDA0003768202900000031
其中，Kp表示比例长度，Kt表示控制积分常数，Kd表示控制微分常数，ΔT＝|T'-T|，t表示控制系统系统延迟。
一种氢燃料内燃机瞬时空燃比控制系统，基于上述的一种氢燃料内燃机瞬时空燃比控制方法，包括：
发动机进气量确定模块，用于根据发动机的工作参数获取发动机进气量V；
发动机目标空燃比确定模块，用于根据发动机的工作参数以及发动机进气量V获取发动机目标空燃比AFRH；
氢喷射量确定模块，用于根据发动机目标空燃比信号确定氢喷射量MH；
理论燃烧放热值计算模块，用于根据氢喷射量信号MH计算理论燃烧放热值Qt；
理论排气温度计算模块，用于根据理论燃烧放热值Qt、工况热损失系数MAP以及工况延时系数MAP计算理论排气温度T，其中，工况热损失系数MAP以及工况延时系数MAP是预先实验确定的；
判断模块，用于获取实际排气温度T'，判断实际排气温度T'与理论排气温度T之间是否满足预设置的修正条件；
修正模块，用于计算修正量，并对目标空燃比进行修正。
优选地，对目标空燃比进行修正具体为修正氢喷射量，修正后的氢喷射量为MH’＝MH+ΔMH，其中，MH’为修正后的氢喷射量，ΔMH为修正量，利用PID控制器进行修正量计算，传递公式为：
Figure BDA0003768202900000032
其中，Kp表示比例长度，Kt表示控制积分常数，Kd表示控制微分常数，ΔT＝|T'-T|，t表示控制系统系统延迟。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)根据氢燃料燃烧温度高的特点，利用内燃机宽排气温度差对实际喷射量即瞬时空燃比修正，使其实际燃烧过程中的空燃比更接近于目标值，从而提高瞬态变化工况下的空燃比控制的准确性和响应速度。
(2)考虑到排气温度与缸内燃烧情况的延时偏差以及传热损失，特此引入工况热损失及工况延时系数MAP图，使得理论排气温度的计算更加精确，从而使得氢喷射量的瞬时修正更加精准。
(3)本发明使用范围广，适用于PFI及DI氢燃料内燃机，利用排气温度传感修正提高氢气发动机目标空燃比准确性，能够提高内燃机热管理，提升稀薄燃烧性能。
附图说明
图1为本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。该部分的描述只针对几个典型的实施例，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。相同或相近的现有技术手段与实施例中的一些技术特征进行相互替换也在本发明描述和保护的范围内。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
实施例1：
一种氢燃料内燃机瞬时空燃比控制方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1、根据发动机的工作参数获取发动机进气量V；
本实施例中，发动机的工作参数选择发动机转速n、增压常数k及进气背压P，根据发动机转速n、增压常数k及进气背压P获得发动机进气量V。
S2、根据发动机的工作参数以及发动机进气量V获取发动机目标空燃比AFRH；
本实施例中，发动机的工作参数选择发动机转速n，根据发动机转速n以及发动机进气量V获取发动机目标空燃比AFRH，空燃比即是混合气中空气质量与燃料质量之比，本申请中是指空气质量与氢气质量之比。
S3、根据发动机目标空燃比信号确定氢喷射量MH；
S4、根据氢喷射量信号MH计算理论燃烧放热值Qt；
S5、根据理论燃烧放热值Qt、工况热损失系数MAP以及工况延时系数MAP计算理论排气温度T，其中，工况热损失系数MAP以及工况延时系数MAP是预先实验确定的；
理论排气温度T的计算公式为：
T＝Qt*kp*kt
其中，kp表示工况热损失修正系数，通过对工况热损失系数MAP查表确定，kt表示工况延时修正系数，通过对工况延时系数MAP查表确定。本申请预先进行实验以及模拟，引入了工况热损失系数MAP和工况延时系数MAP，给出了发动机工况下不同的转速与进气量对应的工况热损失修正系数和工况延时修正系数，只需知道发动机工况下的转速与进气量，就可以查表获取工况热损失修正系数和工况延时修正系数。
S6、获取实际排气温度T'，若实际排气温度T'与理论排气温度T之间满足预设置的修正条件，则计算修正量，并对目标空燃比进行修正，否则，实际燃烧空燃比与目标空燃比无差异，不需要对空燃比进行修正。
本申请预设置的修正条件为：
Figure BDA0003768202900000051
其中，P为预设置的阈值，可以根据发动机型号以及实际需要确定。本实施例中，P的取值为10％，若
Figure BDA0003768202900000052
则认为实际燃烧空燃比与目标空燃比无差异，不需要进行修正。
对目标空燃比进行修正实际上就是修正氢喷射量，修正后的氢喷射量为MH’＝MH+ΔMH，其中，MH’为修正后的氢喷射量，ΔMH为修正量。本申请中利用PID控制器进行修正量计算，传递公式为：
Figure BDA0003768202900000053
其中，Kp表示比例长度，Kt表示控制积分常数，Kd表示控制微分常数，ΔT＝|T'-T|，t表示控制系统系统延迟。
本申请利用排气温度传感修正提高氢气发动机目标空燃比准确性，提高内燃机热管理，提升稀薄燃烧性能，适用于PFI及DI氢燃料内燃机。
实施例2：
一种氢燃料内燃机瞬时空燃比控制系统，包括：
(1)发动机进气量确定模块，用于根据发动机的工作参数获取发动机进气量V；
本实施例中，发动机的工作参数选择发动机转速n、增压常数k及进气背压P，根据发动机转速n、增压常数k及进气背压P获得发动机进气量V。
(2)发动机目标空燃比确定模块，用于根据发动机的工作参数以及发动机进气量V获取发动机目标空燃比AFRH；
本实施例中，发动机的工作参数选择发动机转速n，根据发动机转速n以及发动机进气量V获取发动机目标空燃比AFRH，空燃比即是混合气中空气质量与燃料质量之比，本申请中是指空气质量与氢气质量之比。
(3)氢喷射量确定模块，用于根据发动机目标空燃比信号确定氢喷射量MH；
(4)理论燃烧放热值计算模块，用于根据氢喷射量信号MH计算理论燃烧放热值Qt；
(5)理论排气温度计算模块，用于根据理论燃烧放热值Qt、工况热损失系数MAP以及工况延时系数MAP计算理论排气温度T，其中，工况热损失系数MAP以及工况延时系数MAP是预先实验确定的；
理论排气温度T的计算公式为：
T＝Qt*kp*kt
其中，kp表示工况热损失修正系数，通过对工况热损失系数MAP查表确定，kt表示工况延时修正系数，通过对工况延时系数MAP查表确定。本申请预先进行实验以及模拟，引入了工况热损失系数MAP和工况延时系数MAP，只需知道发动机工况下的转速与进气量，就可以查表获取工况热损失修正系数和工况延时修正系数。
(6)判断模块，用于获取实际排气温度T'，判断实际排气温度T'与理论排气温度T之间是否满足预设置的修正条件；
本申请预设置的修正条件为：
Figure BDA0003768202900000071
其中，P为预设置的阈值，可以根据发动机型号以及实际需要确定。本实施例中，P的取值为10％，若
Figure BDA0003768202900000072
则认为实际燃烧空燃比与目标空燃比无差异，不需要进行修正。
(7)修正模块，用于计算修正量，并对目标空燃比进行修正。
对目标空燃比进行修正实际上就是修正氢喷射量，修正后的氢喷射量为MH’＝MH+ΔMH，其中，MH’为修正后的氢喷射量，ΔMH为修正量。本申请中利用PID控制器进行修正量计算，传递公式为：
Figure BDA0003768202900000073
其中，Kp表示比例长度，Kt表示控制积分常数，Kd表示控制微分常数，ΔT＝|T'-T|，t表示控制系统系统延迟。
本申请利用排气温度传感修正提高氢气发动机目标空燃比准确性，提高内燃机热管理，提升稀薄燃烧性能，适用于PFI及DI氢燃料内燃机。
需要注意的是，本申请可在软件和/或软件与硬件的组合体中被实施，例如，可采用专用集成电路(ASIC)、通用目的计算机或任何其他类似硬件设备来实现。在一个实施例中，本申请的软件程序可以通过处理器执行以实现上文所述步骤或功能。同样地，本申请的软件程序(包括相关的数据结构)可以被存储到计算机可读记录介质中，例如，RAM存储器，磁或光驱动器或软磁盘及类似设备。另外，本申请的一些步骤或功能可采用硬件来实现，例如，作为与处理器配合从而执行各个步骤或功能的电路。
另外，本申请的一部分可被应用为计算机程序产品，例如计算机程序指令，当其被计算机执行时，通过该计算机的操作，可以调用或提供根据本申请的方法和/或技术方案。而调用本申请的方法的程序指令，可能被存储在固定的或可移动的记录介质中，和/或通过广播或其他信号承载媒体中的数据流而被传输，和/或被存储在根据所述程序指令运行的计算机设备的工作存储器中。在此，根据本申请的一个实施例包括一个装置，该装置包括用于存储计算机程序指令的存储器和用于执行程序指令的处理器，其中，当该计算机程序指令被该处理器执行时，触发该装置运行基于前述根据本申请的多个实施例的方法和/或技术方案。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。实施例中所涉及的效果或优点可因多种因素干扰而可能不能在实施例中体现，对于效果或优点的描述不用于对实施例进行限制。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (10)

1.一种氢燃料内燃机瞬时空燃比控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据发动机的工作参数获取发动机进气量V；
S2、根据发动机的工作参数以及发动机进气量V获取发动机目标空燃比AFRH；
S3、根据发动机目标空燃比信号确定氢喷射量MH；
S4、根据氢喷射量信号MH计算理论燃烧放热值Qt；
S5、根据理论燃烧放热值Qt、工况热损失系数MAP以及工况延时系数MAP计算理论排气温度T，其中，工况热损失系数MAP以及工况延时系数MAP是预先实验确定的；
S6、获取实际排气温度T'，若实际排气温度T'与理论排气温度T之间满足预设置的修正条件，则计算修正量，并对目标空燃比进行修正，否则，实际燃烧空燃比与目标空燃比无差异，不需要对空燃比进行修正。
2.根据权利要求1所述的一种氢燃料内燃机瞬时空燃比控制方法，其特征在于，步骤S1中，根据发动机转速n、增压常数k及进气背压P获得发动机进气量V。
3.根据权利要求1所述的一种氢燃料内燃机瞬时空燃比控制方法，其特征在于，步骤S2中，根据发动机转速n以及发动机进气量V获取发动机目标空燃比AFRH。
4.根据权利要求1所述的一种氢燃料内燃机瞬时空燃比控制方法，其特征在于，步骤S5中，理论排气温度T的计算公式为：
T＝Qt*kp*kt
其中，kp表示工况热损失修正系数，通过对工况热损失系数MAP查表确定，kt表示工况延时修正系数，通过对工况延时系数MAP查表确定。
5.根据权利要求1所述的一种氢燃料内燃机瞬时空燃比控制方法，其特征在于，步骤S6中，预设置的修正条件为：
Figure FDA0003768202890000011
其中，P为预设置的阈值。
6.根据权利要求5所述的一种氢燃料内燃机瞬时空燃比控制方法，其特征在于，步骤S6中，P的取值为10％。
7.根据权利要求1所述的一种氢燃料内燃机瞬时空燃比控制方法，其特征在于，步骤S6中，对目标空燃比进行修正具体为修正氢喷射量，修正后的氢喷射量为MH’＝MH+ΔMH，其中，MH’为修正后的氢喷射量，ΔMH为修正量。
8.根据权利要求7所述的一种氢燃料内燃机瞬时空燃比控制方法，其特征在于，步骤S6中，利用PID控制器进行修正量计算，传递公式为：
Figure FDA0003768202890000021
其中，Kp表示比例长度，Kt表示控制积分常数，Kd表示控制微分常数，ΔT＝|T'-T|，t表示控制系统系统延迟。
9.一种氢燃料内燃机瞬时空燃比控制系统，其特征在于，基于如权利要求1-9中任一所述的一种氢燃料内燃机瞬时空燃比控制方法，包括：
发动机进气量确定模块，用于根据发动机的工作参数获取发动机进气量V；
发动机目标空燃比确定模块，用于根据发动机的工作参数以及发动机进气量V获取发动机目标空燃比AFRH；
氢喷射量确定模块，用于根据发动机目标空燃比信号确定氢喷射量MH；
理论燃烧放热值计算模块，用于根据氢喷射量信号MH计算理论燃烧放热值Qt；
理论排气温度计算模块，用于根据理论燃烧放热值Qt、工况热损失系数MAP以及工况延时系数MAP计算理论排气温度T，其中，工况热损失系数MAP以及工况延时系数MAP是预先实验确定的；
判断模块，用于获取实际排气温度T'，判断实际排气温度T'与理论排气温度T之间是否满足预设置的修正条件；
修正模块，用于计算修正量，并对目标空燃比进行修正。
10.根据权利要求9所述的一种氢燃料内燃机瞬时空燃比控制系统，其特征在于，对目标空燃比进行修正具体为修正氢喷射量，修正后的氢喷射量为MH’＝MH+ΔMH，其中，MH’为修正后的氢喷射量，ΔMH为修正量，利用PID控制器进行修正量计算，传递公式为：
Figure FDA0003768202890000022
其中，Kp表示比例长度，Kt表示控制积分常数，Kd表示控制微分常数，ΔT＝|T'-T|，t表示控制系统系统延迟。
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