CN115182823A - 一种基于离子电流信号的燃料自适应控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于离子电流信号的燃料自适应控制系统，涉及工业伴生气发电技术领域，包括：控制模式切换单元用于基于实际应用场景燃料确定目标代表应用场景燃料，确定目标应用场景燃料对应的发动机运行控制参数；发动机控制单元用于基于目标发动机运行控制参数确定目标发动机运行控制模式；燃料组分自适应控制单元用于基于目标发动机运行控制模式中的控制参数目标值和当前阶段发动机缸内混合燃料燃烧时火花塞点火线圈采集的离子电流信号确定下一阶段目标发动机运行控制模式中的控制参数输出值；发动机控制单元用于基于下一阶段目标发动机运行控制模式中的控制参数输出值调节发动机缸内混合燃料的燃烧状态。本发明能够提高发动机发电效率。

Description

一种基于离子电流信号的燃料自适应控制系统
技术领域
本发明涉及工业伴生气发电技术领域，特别是涉及一种基于离子电流信号的燃料自适应控制系统。
背景技术
兰炭气为干馏兰炭时产生的煤气，焦炉气为焦化厂副产的焦炉气。如果直接排放兰炭气和焦炉气，会对大气环境造成严重的污染。如何更好的利用兰炭气和焦炉气，减少由于焦炭生产带来的环境问题，是本领域技术人员迫切需要解决的问题。
现阶段是将焦炉气和兰炭气用于发动机燃料，符合国家和产业政策，可以大幅减少焦化厂、兰炭企业污染物排放，可实现热电联产、集中供热和促进落后小锅炉的淘汰，实现能源的多元化、可持续发展。但是，由于不同地区工业产生的兰炭气和焦炉气的品质差异较大，且日产工业伴生气成分也有所不同，导致各实际应用场景与理论适用条件偏差较大，从而导致发动机燃烧稳定性较差，系统发电效率比较低。因此，在燃用非可控品质的工业伴生气，实时对发动机运行进行优化控制调整，对保证发动机高效运行至关重要。
及时、准确获得发动机的燃烧状态是优化控制调整的前提，离子信号已经验证是一种低成本、高可靠的发动机燃烧状态诊断手段。离子信号来源于燃烧过程中的化学电离和热电离，与燃烧状态存在强相关性，能够用于诊断异常燃烧和调整发动机动力性、经济性最优化状态。此外，发动机运行状态的实时调整对控制速度和精度提出了更高的要求，因此，本发明申请人结合实际应用场景，耦合基于预设场景的控制模式切换模块，提出了一种基于离子信号的燃料自适应控制系统。
发明内容
为了解决燃料热值不稳定的问题，本发明提供了一种基于离子电流信号的燃料自适应控制系统，从而提高发动机发电效率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于离子电流信号的燃料自适应控制系统，包括：
控制模式切换单元，用于：基于实际应用场景燃料，确定目标代表应用场景燃料，进而确定所述目标应用场景燃料对应的发动机运行控制参数；其中，所述目标代表应用场景燃料为与实际应用场景燃料的燃料组分最为相近的应用场景燃料；
发动机控制单元，用于：基于目标发动机运行控制参数确定目标发动机运行控制模式；所述发动机运行控制模式用于控制发动机缸内混合燃料燃烧；所述混合燃料为工业伴生气与空气组合成的燃料；所述目标发动机运行控制参数所述目标应用场景燃料对应的发动机运行控制参数所述目标发动机运行控制模式为所述目标应用场景燃料对应的发动机运行控制模式；
燃料组分自适应控制单元，用于：基于所述目标发动机运行状态判定异常燃烧状态，并在保证正常燃烧状态下，基于所述目标发动机运行控制模式中的控制参数目标值和当前阶段发动机缸内混合燃料燃烧时火花塞点火线圈采集的离子电流信号，确定下一阶段所述目标发动机运行控制模式中的控制参数输出值；
所述发动机控制单元，还用于：基于下一阶段所述目标发动机运行控制模式中的控制参数输出值调节发动机缸内混合燃料的燃烧状态。
可选的，所述控制模式切换单元，具体用于：
分别对各代表应用场景燃料进行发动机性能试验，获取满足预设性能指标时与各所述代表应用场景燃料对应的发动机运行控制参数；
将各所述代表应用场景燃料对应的发动机运行控制参数发送至所述发动机控制单元；
在发动机运行前，评估实际应用场景燃料与各所述代表应用场景燃料的差异，并基于所述差异值确定目标代表应用场景燃料，然后将所述目标代表应用场景燃料对应的发动机运行控制参数发送至所述发动机控制单元。
可选的，所述发动机控制单元，还用于：基于各所述代表应用场景燃料对应的发动机运行控制参数，形成与各所述代表应用场景燃料对应的发动机运行控制模式。
可选的，所述燃料组分自适应控制单元，具体包括：
信号处理模块，用于：根据当前阶段发动机缸内混合燃料燃烧时火花塞点火线圈采集的离子电流信号，确定当前阶段离子信号信息；所述离子信号信息包括：离子信号积分面积、50％离子信号积分值对应的曲轴转角CA50、离子信号峰值和离子信号曲线最大斜率；
燃烧状态判定模块，用于：基于所述当前阶段离子信号信息，确定当前阶段发动机燃烧状态；
发动机燃烧状态参数确定单元，用于：当所述当前阶段发动机燃烧状态为正常燃烧状态时，获取所述当前阶段离子信号信息对应的发动机燃烧状态参数；
经济性自适应调节模块，用于：基于所述发动机燃烧状态参数和所述目标发动机运行控制模式中的火花塞点火时刻目标值，确定所述目标发动机运行控制模式中的火花塞点火时刻输出值；
动力性控制模块，用于：基于所述发动机燃烧状态参数和所述目标发动机运行控制模式中的燃气喷射量目标值，确定所述目标发动机运行控制模式中的燃气喷射量输出值；
其中，所述控制参数输出值包括火花塞点火时刻输出值和燃气喷射量输出值；所述控制参数目标值包括火花塞点火时刻目标值和燃气喷射量目标值；所述离子电流信号是以随着曲轴转角变化的离子信号曲线表征的，用以判定发动机缸内燃烧状态。
可选的，还包括离子电流信号放大单元；
所述离子电流信号放大单元，用于：对所述当前阶段发动机缸内混合燃料燃烧时火花塞点火线圈采集的离子电流信号进行放大处理，并将放大处理后的离子电流信号作为所述信号处理模块中的当前阶段发动机缸内混合燃料燃烧时火花塞点火线圈采集的离子电流信号。
可选的，还包括离子电流解析单元；
所述离子电流解析单元，用于：存储离子信号信息和发动机燃烧状态参数的对应关系；
发动机燃烧状态参数确定单元，进一步用于：当所述当前阶段发动机燃烧状态为正常燃烧状态时，从所述离子电流解析单元中获取所述当前阶段离子信号信息对应的发动机燃烧状态参数。
可选的，所述燃烧状态判定模块，用于：
当所述当前阶段离子信号信息中的离子信号积分面积和离子信号峰值均小于第一系统设定值时，确定当前阶段发动机燃烧状态为失火状态，并输出火花塞点火时刻提前指令；
当所述当前阶段离子信号信息中的离子信号峰值和离子信号曲线最大斜率均大于第二系统设定值时，确定当前阶段发动机燃烧状态为爆震状态，并输出火花塞点火时刻滞后指令；
当所述当前阶段离子信号信息中的离子信号积分面积和离子信号峰值不均小于第一系统设定值，且所述当前阶段离子信号信息中的离子信号峰值和离子信号曲线最大斜率不均大于第二系统设定值时，确定当前阶段发动机燃烧状态为正常燃烧状态，其中第一系统设定值和第二系统设定值需要通过试验标定；
所述发动机控制单元，还用于：基于所述火花塞点火时刻提前指令或者所述火花塞点火时刻滞后指令调节发动机的火花塞点火时刻。
可选的，所述经济性自适应调节模块，用于：
基于所述发动机燃烧状态参数和采集的发动机转速，计算CA50实时值；
基于所述CA50实时值和CA50目标值，计算火花塞点火时刻PID控制修正值，其中CA50目标值需要通过试验标定；
基于所述火花塞点火时刻PID控制修正值和所述目标发动机运行控制模式中的火花塞点火时刻目标值，确定所述目标发动机运行控制模式中的火花塞点火时刻输出值；
所述动力性控制模块，用于：
基于所述发动机燃烧状态参数和采集的发动机转速，计算IMEP实时值；
基于所述IMEP实时值和IMEP目标值，计算燃气喷射量PID控制修正值，其中IMEP目标值需要通过试验标定计算得出；
基于所述燃气喷射量PID控制修正值和所述目标发动机运行控制模式中的燃气喷射量目标值，确定所述目标发动机运行控制模式中的燃气喷射量输出值。
可选的，所述混合燃料为焦炉气与空气组合成的物质，或者兰炭气与空气组合成的物质。
可选的，所述燃料自适应控制系统应用于点燃式发电发动机。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种基于离子电流信号的燃料自适应控制系统，通过设置控制模式切换单元，实现不同代表应用场景燃料设置不同的发动机运行控制参数，有利于提高燃料组分自适应控制单元的调节速度和调节精度；通过燃料组分自适应控制单元，实时调整发动机燃烧状态，以使发动机燃烧状态符合预期目标，从而提高发动机发电效率。
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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的基于离子电流信号的燃料自适应控制系统的整体结构框图；
图2为本发明实施例提供的控制模式手动切换模块的流程示意图；
图3为本发明实施例提供的燃烧状态判定模块的流程示意图；
图4为本发明实施例提供的经济性自适应调节模块和动力性控制模块的流程示意图；
图5为本发明实施例提供的基于离子电流信号的燃料自适应控制系统的结构框图。
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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
目前常见的发动机缸内燃烧状态的分析主要通过缸压传感器，由于其高昂的价格，仅限于实验室内适用，实际应用难度较大。当发动机缸内空气-燃料混合燃料点燃后，缸内混合燃料化学和热力学离子化，大量的活性离子在缸内产生。这些活性离子会在火花塞电极间形成电流。由于这些活性离子形成的电流，即离子电流信号包含着燃烧状态相关的信息，通过对离子电流信号进行分析可以实现对燃烧性能的评价。
对于点燃式发动机而言，火花塞不仅可以点燃缸内燃料-空气混合燃料，而且还可以作为离子信号传感器，极大程度上降低了使用成本，增加了市场应用的可能性。
实施例一
如图1所示，本发明实施例提供的一种基于离子电流信号的燃料自适应控制系统主要包括离子电流放大单元、离子电流解析单元、燃料组分自适应控制单元、发动机控制单元以及控制模式手动切换模块。
本发明实施例提供的燃料自适应控制系统主要应用于以焦炉气、兰炭气等工业伴生气为燃料的点燃式发电发动机。
由于不同应用场景产生的焦炉气、兰炭气的热值不同，为了提高发动机适用于不同应用场景的有效性，设置了控制模式手动切换模块，其具体流程如图2所示。
该控制模式手动切换模块，具体用于：
首先，分别对各代表应用场景燃料进行发动机性能试验，获取满足预设性能指标时与各代表应用场景燃料对应的发动机运行控制参数。
其次，将各代表应用场景燃料对应的发动机运行控制参数发送至发动机控制单元以进行存储。
接着，在发动机运行前，评估实际应用场景燃料与各代表应用场景燃料的差异，并基于差异值确定目标代表应用场景燃料，然后将目标代表应用场景燃料对应的发动机运行控制参数发送至所述发动机控制单元。目标代表应用场景燃料为与实际应用场景燃料的燃料组分最为相近的应用场景燃料。
在此基础上，所述发动机控制单元，具体用于：
基于各代表应用场景燃料对应的发动机运行控制参数，形成与各代表应用场景燃料对应的发动机运行控制模式。
基于目标应用场景燃料对应的发动机运行控制参数，确定目标应用场景燃料对应的发动机运行控制模式；发动机运行控制模式用于控制发动机缸内混合燃料燃烧；混合燃料为工业伴生气与空气组合成的燃料。
举例而言，发动机用于A、B、C三家公司，如果三家公司的焦炉气或兰炭气的组分和热值相差较大，则需要用三家公司的工业伴生气分别对发动机进行性能标定，并将对应的发动机运行控制参数刷写到发动机控制单元内。当A、B、C三家公司应用该发动机时，手动切换其对应的控制参数，此时发动机控制单元内的控制参数可作为燃料组分自适应控制单元的基础数据。由于特定公司每天生产的工业伴生气组分略有差异，因此燃料组分自适应控制单元可以在基础数据的基础上进行调节，从而实现发动机性能最优。
不同代表应用场景燃料设置不同的发动机运行控制参数，有利于提高燃料组分自适应控制单元的调节速度和调节精度。此外，在燃料组分自适应控制单元出现故障时，发动机以基础数据进行运行，提高了控制系统的可靠性，并保证发动机在比较优的状态下运行。
当发动机应用于D公司时，首先对D公司的燃料组分和热值进行分析，并与A、B、C三个代表应用场景燃料进行对比，选择与D公司燃料属性更为接近的代表应用场景燃料对应的发动机运行控制参数，并手动切换发动机运行控制参数，从而提高整个控制系统的速度和鲁棒性。
进一步地，该控制模式手动切换模块还用于：建立离子信号信息和发动机燃烧状态参数的对应关系；其中，离子信号信息至少包括离子信号曲线；离子信号曲线的积分面积与平均指示压力IMEP的对应关系，离子信号曲线的50％积分面积所对应的曲轴转角位置与CA50(燃烧中心(CA50)定义为达到总放热量的百分之五十时的曲轴转角)的对应关系。离子信号曲线的变化斜率与缸内压力压升率的对应关系。
当各代表应用场景的燃料组分和热值实时的发生小范围变化时，为了保证发动机性能最优化，该燃料组分自适应控制单元在基础数据的基础上对发动机的燃烧状态进行实时调整。
燃料组分自适应控制单元主要包括三个模块：燃烧状态判定模块、经济性自适应调节模块和动力性控制模块。
当发动机缸内混合燃料燃烧后，缸内会产生大量的自由离子，这些自由离子会在火花塞电极间形成离子电流，并通过火花塞点火线圈进行采集，即离子电流信号。
由于离子电流信号的量级较小，故先经过离子电流信号放大单元，得到经过放大后的离子电流信号。又因为自由离子在缸内特定位置呈现出连续变化的趋势，采集到的离子电流信号是随着曲轴转角变化的离子信号曲线，故经过放大后的离子电流信号进入到信号处理模块，通过对该离子信号曲线分别进行积分处理、曲线值取最大值处理和求导处理，可以得到离子信号积分面积、离子信号峰值和离子信号曲线最大斜率，然后再进入燃烧状态判定模块。即燃烧状态判定模块的输入信号包括：离子信号积分面积、离子信号峰值和离子信号曲线最大斜率。该燃烧状态判定模块主要用于非正常燃烧状态的判定，如爆震、失火等，具体如图3所示。
当同时满足离子信号积分面积和离子信号峰值均小于第一系统设定值时，这也就意味着缸内由于燃烧产生的自由离子很小，判定为失火状态。如若出现失火情况，则需通过提前火花塞点火时刻来消除失火状态。火花塞点火时刻通过PID调整，以达到正常燃烧状态。
当同时满足离子信号峰值和离子信号曲线最大斜率均大于第二系统设定值时，判定为爆震状态。如若出现爆震情况，则需通过滞后火花塞点火时刻来抑制或避免爆震状态。火花塞点火时刻通过PID调整，实现火花塞点火时刻的推迟，以达到正常燃烧状态。其中，第一系统设定值和第二系统设定值可以为相同值，也可以为不同值。
如果自由离子出现近垂直的升高或者离子信号曲线最大斜率超过第二系统设定值时，也就意味着燃烧状态过于粗暴，并将该状态判定为爆震状态。燃料在发动机燃烧室内急速燃烧，燃料的粗暴燃烧对发动机结构的可靠性带来了极大的影响。显然判定结果无论是失火状态还是爆震状态，均是发动机的非正常燃烧状态，对发动机的经济性和可靠性产生极大的影响，需要通过火花塞点火时刻对发动机燃烧状态进行调控。
当不满足图3判定标准时，发动机燃烧状态为正常燃烧状态。只有所处时刻为正常燃烧状态时，离子信号信息才进入离子电流解析单元。该设置好处为可以在一定程度上减少整个控制系统的运行强度，有利于在正常燃烧状态下，燃料组分自适应单元的有效控制。
由于离子信号信息与发动机燃烧状态参数有着密切关系，故本发明实施例设置的离子电流解析单元内存储有离子信号信息(包括上述的离子信号积分面积、离子信号峰值和离子信号曲线的最大斜率)和发动机燃烧状态参数的对应关系；CA50信息可以反映发动机燃烧的经济性，IMEP信息可以反应发动机运行的动力性。CA50，50％离子信号积分值对应的曲轴转角；IMEP，有效指示压力。
经过离子电流解析单元，可以获得与发动机燃烧相对应的关键特征参数。上述关键特征参数分别输入到经济性自适应调节模块和动力性控制模块。
经济性自适应调节模块和动力性控制模块的结构示意如图4所示，通过插值离子电流和燃烧参数对应MAP，可以获得CA50和IMEP的实时值，实时值和目标值进行比较。
经济性自适应调节模块根据CA50的实时值和目标值对火花塞点火时刻进行PID闭环控制，得到火花塞点火时刻的修正值。动力性自适应调节模块根据IMEP的实时值和目标值对燃气喷射量进行PID闭环控制，得到燃气喷射量的修正值。
火花塞点火时刻和燃气喷射量的前馈值，来源于发动机控制单元提供的点火时刻信号和转速油门信号。火花塞点火时刻前馈值和火花塞点火时刻PID控制修正值之和作为新的火花塞点火时刻输出值。燃气喷射量前馈值和燃气喷射量PID控制修正值之和作为新的燃气喷射量输出值。新的火花塞点火时刻输出值和燃气喷射量输出值反馈至发动机控制单元，并作为控制信号对发动机进行火花塞点火时刻和燃气喷射量的控制。
实施例二
如图5所示，一种基于离子电流信号的燃料自适应控制系统，包括：
控制模式切换单元，用于：基于实际应用场景燃料，确定目标代表应用场景燃料，进而确定所述目标应用场景燃料对应的发动机运行控制参数；其中，所述目标代表应用场景燃料为与实际应用场景燃料的燃料组分最为相近的应用场景燃料；
发动机控制单元，用于：基于目标发动机运行控制参数确定目标发动机运行控制模式；所述发动机运行控制模式用于控制发动机缸内混合燃料燃烧；所述混合燃料为工业伴生气与空气组合成的燃料；所述目标发动机运行控制参数所述目标应用场景燃料对应的发动机运行控制参数所述目标发动机运行控制模式为所述目标应用场景燃料对应的发动机运行控制模式；
燃料组分自适应控制单元，用于：基于所述目标发动机运行状态判定异常燃烧状态，并在保证正常燃烧状态下，基于所述目标发动机运行控制模式中的控制参数目标值和当前阶段发动机缸内混合燃料燃烧时火花塞点火线圈采集的离子电流信号，确定下一阶段所述目标发动机运行控制模式中的控制参数输出值；
所述发动机控制单元，还用于：基于下一阶段所述目标发动机运行控制模式中的控制参数输出值调节发动机缸内混合燃料的燃烧状态。
所述混合燃料为焦炉气与空气组合成的物质，或者兰炭气与空气组合成的物质。所述燃料自适应控制系统应用于点燃式发电发动机。
进一步地，所述控制模式切换单元，具体用于：
分别对各代表应用场景燃料进行发动机性能试验，获取满足预设性能指标时与各所述代表应用场景燃料对应的发动机运行控制参数；将各所述代表应用场景燃料对应的发动机运行控制参数发送至所述发动机控制单元；在发动机运行前，评估实际应用场景燃料与各所述代表应用场景燃料的差异，并基于所述差异值确定目标代表应用场景燃料，然后将所述目标代表应用场景燃料对应的发动机运行控制参数发送至所述发动机控制单元。
所述发动机控制单元，还用于：基于各所述代表应用场景燃料对应的发动机运行控制参数，形成与各所述代表应用场景燃料对应的发动机运行控制模式。
进一步地，所述燃料组分自适应控制单元，具体包括：
信号处理模块，用于：根据当前阶段发动机缸内混合燃料燃烧时火花塞点火线圈采集的离子电流信号，确定当前阶段离子信号信息；所述离子信号信息包括：离子信号积分面积、50％离子信号积分值对应的曲轴转角CA50、离子信号峰值和离子信号曲线最大斜率。
燃烧状态判定模块，用于：基于所述当前阶段离子信号信息，确定当前阶段发动机燃烧状态。
发动机燃烧状态参数确定单元，用于：当所述当前阶段发动机燃烧状态为正常燃烧状态时，获取所述当前阶段离子信号信息对应的发动机燃烧状态参数。
经济性自适应调节模块，用于：基于所述发动机燃烧状态参数和所述目标发动机运行控制模式中的火花塞点火时刻目标值，确定所述目标发动机运行控制模式中的火花塞点火时刻输出值。
动力性控制模块，用于：基于所述发动机燃烧状态参数和所述目标发动机运行控制模式中的燃气喷射量目标值，确定所述目标发动机运行控制模式中的燃气喷射量输出值。
其中，所述控制参数输出值包括火花塞点火时刻输出值和燃气喷射量输出值；所述控制参数目标值包括火花塞点火时刻目标值和燃气喷射量目标值；所述离子电流信号是以随着曲轴转角变化的离子信号曲线表征的，用以判定发动机缸内燃烧状态。
一个示例，该控制系统还包括离子电流信号放大单元和离子电流解析单元。
所述离子电流信号放大单元，用于：对所述当前阶段发动机缸内混合燃料燃烧时火花塞点火线圈采集的离子电流信号进行放大处理，并将放大处理后的离子电流信号作为所述信号处理模块中的当前阶段发动机缸内混合燃料燃烧时火花塞点火线圈采集的离子电流信号。
所述离子电流解析单元，用于：存储离子信号信息和发动机燃烧状态参数的对应关系。
所述发动机燃烧状态参数确定单元，用于：当所述当前阶段发动机燃烧状态为正常燃烧状态时，从所述离子电流解析单元中获取所述当前阶段离子信号信息对应的发动机燃烧状态参数。
所述燃烧状态判定模块，用于：
当所述当前阶段离子信号信息中的离子信号积分面积和离子信号峰值均小于第一系统设定值时，确定当前阶段发动机燃烧状态为失火状态，并输出火花塞点火时刻提前指令。
当所述当前阶段离子信号信息中的离子信号峰值和离子信号曲线最大斜率均大于第二系统设定值时，确定当前阶段发动机燃烧状态为爆震状态，并输出火花塞点火时刻滞后指令。
当所述当前阶段离子信号信息中的离子信号积分面积和离子信号峰值不均小于第一系统设定值，且所述当前阶段离子信号信息中的离子信号峰值和离子信号曲线最大斜率不均大于第二系统设定值时，确定当前阶段发动机燃烧状态为正常燃烧状态。
此时，所述发动机控制单元，还用于：基于所述火花塞点火时刻提前指令或者所述火花塞点火时刻滞后指令调节发动机的火花塞点火时刻。
所述经济性自适应调节模块，用于：
基于所述发动机燃烧状态参数和采集的发动机转速，计算CA50实时值；基于所述CA50实时值和CA50目标值，计算火花塞点火时刻PID控制修正值；其中CA50目标值需要通过试验标定；基于所述火花塞点火时刻PID控制修正值和所述目标发动机运行控制模式中的火花塞点火时刻目标值，确定所述目标发动机运行控制模式中的火花塞点火时刻输出值；
所述动力性控制模块，用于：
基于所述发动机燃烧状态参数和采集的发动机转速，计算IMEP实时值；基于所述IMEP实时值和IMEP目标值，计算燃气喷射量PID控制修正值，其中IMEP目标值需要通过试验标定计算得出；基于所述燃气喷射量PID控制修正值和所述目标发动机运行控制模式中的燃气喷射量目标值，确定所述目标发动机运行控制模式中的燃气喷射量输出值。
与现有技术相比，本发明的创新部分如下：
第一，由于各应用场景燃料热值差异较大，故本发明设置了控制模式手动切换模块，选取几个代表应用场景燃料进行发动机性能试验，并确定与其对应的发动机运行控制参数。
第二，基于确定的应用场景燃料热值的实时差异性，本发明设置了燃料组分自适应控制单元；该燃料组分自适应控制单元包括燃烧状态判定模块、经济性自适应调节模块和动力性控制模块。
第三，由于发动机缸内燃烧状态是基于离子电流信号分析，无需安装额外的传感器，火花塞不仅用于点燃混合燃料，还作为传感器，极大程度上降低了控制系统成本。
第四，本发明提供的基于离子电流信号的燃料自适应控制系统，其应用燃料不限于焦炉气和兰炭气，还包括其他油田伴生气等。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于离子电流信号的燃料自适应控制系统，其特征在于，包括：
控制模式切换单元，用于：基于实际应用场景燃料，确定目标代表应用场景燃料，进而确定所述目标应用场景燃料对应的发动机运行控制参数；其中，所述目标代表应用场景燃料为与实际应用场景燃料的燃料组分最为相近的应用场景燃料；
发动机控制单元，用于：基于目标发动机运行控制参数确定目标发动机运行控制模式；所述发动机运行控制模式用于控制发动机缸内混合燃料燃烧；所述混合燃料为工业伴生气与空气组合成的燃料；所述目标发动机运行控制参数所述目标应用场景燃料对应的发动机运行控制参数所述目标发动机运行控制模式为所述目标应用场景燃料对应的发动机运行控制模式；
燃料组分自适应控制单元，用于：基于所述目标发动机运行状态判定异常燃烧状态，并在保证正常燃烧状态下，基于所述目标发动机运行控制模式中的控制参数目标值和当前阶段发动机缸内混合燃料燃烧时火花塞点火线圈采集的离子电流信号，确定下一阶段所述目标发动机运行控制模式中的控制参数输出值；
所述发动机控制单元，还用于：基于下一阶段所述目标发动机运行控制模式中的控制参数输出值调节发动机缸内混合燃料的燃烧状态。
2.根据权利要求1所述的一种基于离子电流信号的燃料自适应控制系统，其特征在于，所述控制模式切换单元，具体用于：
分别对各代表应用场景燃料进行发动机性能试验，获取满足预设性能指标时与各所述代表应用场景燃料对应的发动机运行控制参数；
将各所述代表应用场景燃料对应的发动机运行控制参数发送至所述发动机控制单元；
在发动机运行前，评估实际应用场景燃料与各所述代表应用场景燃料的差异，并基于所述差异值确定目标代表应用场景燃料，然后将所述目标代表应用场景燃料对应的发动机运行控制参数发送至所述发动机控制单元。
3.根据权利要求2所述的一种基于离子电流信号的燃料自适应控制系统，其特征在于，所述发动机控制单元，还用于：基于各所述代表应用场景燃料对应的发动机运行控制参数，形成与各所述代表应用场景燃料对应的发动机运行控制模式。
4.根据权利要求1所述的一种基于离子电流信号的燃料自适应控制系统，其特征在于，所述燃料组分自适应控制单元，具体包括：
信号处理模块，用于：根据当前阶段发动机缸内混合燃料燃烧时火花塞点火线圈采集的离子电流信号，确定当前阶段离子信号信息；所述离子信号信息包括：离子信号积分面积、50％离子信号积分值对应的曲轴转角CA50、离子信号峰值和离子信号曲线最大斜率；
燃烧状态判定模块，用于：基于所述当前阶段离子信号信息，确定当前阶段发动机燃烧状态；
发动机燃烧状态参数确定单元，用于：当所述当前阶段发动机燃烧状态为正常燃烧状态时，获取所述当前阶段离子信号信息对应的发动机燃烧状态参数；
经济性自适应调节模块，用于：基于所述发动机燃烧状态参数和所述目标发动机运行控制模式中的火花塞点火时刻目标值，确定所述目标发动机运行控制模式中的火花塞点火时刻输出值；
动力性控制模块，用于：基于所述发动机燃烧状态参数和所述目标发动机运行控制模式中的燃气喷射量目标值，确定所述目标发动机运行控制模式中的燃气喷射量输出值；
其中，所述控制参数输出值包括火花塞点火时刻输出值和燃气喷射量输出值；所述控制参数目标值包括火花塞点火时刻目标值和燃气喷射量目标值；所述离子电流信号是以随着曲轴转角变化的离子信号曲线表征的，用以判定发动机缸内燃烧状态。
5.根据权利要求4所述的一种基于离子电流信号的燃料自适应控制系统，其特征在于，还包括离子电流信号放大单元；
所述离子电流信号放大单元，用于：对所述当前阶段发动机缸内混合燃料燃烧时火花塞点火线圈采集的离子电流信号进行放大处理，并将放大处理后的离子电流信号作为所述信号处理模块中的当前阶段发动机缸内混合燃料燃烧时火花塞点火线圈采集的离子电流信号。
6.根据权利要求4所述的一种基于离子电流信号的燃料自适应控制系统，其特征在于，还包括离子电流解析单元；
所述离子电流解析单元，用于：存储离子信号信息和发动机燃烧状态参数的对应关系；
发动机燃烧状态参数确定单元，进一步用于：当所述当前阶段发动机燃烧状态为正常燃烧状态时，从所述离子电流解析单元中获取所述当前阶段离子信号信息对应的发动机燃烧状态参数。
7.根据权利要求4所述的一种基于离子电流信号的燃料自适应控制系统，其特征在于，所述燃烧状态判定模块，用于：
当所述当前阶段离子信号信息中的离子信号积分面积和离子信号峰值均小于第一系统设定值时，确定当前阶段发动机燃烧状态为失火状态，并输出火花塞点火时刻提前指令；
当所述当前阶段离子信号信息中的离子信号峰值和离子信号曲线最大斜率均大于第二系统设定值时，确定当前阶段发动机燃烧状态为爆震状态，并输出火花塞点火时刻滞后指令；
当所述当前阶段离子信号信息中的离子信号积分面积和离子信号峰值不均小于第一系统设定值，且所述当前阶段离子信号信息中的离子信号峰值和离子信号曲线最大斜率不均大于第二系统设定值时，确定当前阶段发动机燃烧状态为正常燃烧状态，其中第一系统设定值和第二系统设定值需要通过试验标定；
所述发动机控制单元，还用于：基于所述火花塞点火时刻提前指令或者所述火花塞点火时刻滞后指令调节发动机的火花塞点火时刻。
8.根据权利要求4所述的一种基于离子电流信号的燃料自适应控制系统，其特征在于，
所述经济性自适应调节模块，用于：
基于所述发动机燃烧状态参数和采集的发动机转速，计算CA50实时值；
基于所述CA50实时值和CA50目标值，计算火花塞点火时刻PID控制修正值，其中CA50目标值需要通过试验标定；
基于所述火花塞点火时刻PID控制修正值和所述目标发动机运行控制模式中的火花塞点火时刻目标值，确定所述目标发动机运行控制模式中的火花塞点火时刻输出值；
所述动力性控制模块，用于：
基于所述发动机燃烧状态参数和采集的发动机转速，计算IMEP实时值；
基于所述IMEP实时值和IMEP目标值，计算燃气喷射量PID控制修正值，其中IMEP目标值需要通过试验标定计算得出；
基于所述燃气喷射量PID控制修正值和所述目标发动机运行控制模式中的燃气喷射量目标值，确定所述目标发动机运行控制模式中的燃气喷射量输出值。
9.根据权利要求1所述的一种基于离子电流信号的燃料自适应控制系统，其特征在于，所述混合燃料为焦炉气与空气组合成的物质，或者兰炭气与空气组合成的物质。
10.根据权利要求1所述的一种基于离子电流信号的燃料自适应控制系统，其特征在于，所述燃料自适应控制系统应用于点燃式发电发动机。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104727963A (zh) * 2015-02-11 2015-06-24 清华大学 一种用于灵活燃料发动机的燃料自适应控制方法
JP2016125363A (ja) * 2014-12-26 2016-07-11 トヨタ自動車株式会社 内燃機関の制御装置
CN108930597A (zh) * 2018-07-02 2018-12-04 武汉理工大学 基于快速控制原型的船用中速双燃料发动机控制方法和系统
CN110015192A (zh) * 2017-09-11 2019-07-16 郑州宇通客车股份有限公司 一种燃料电池混合动力系统、供电单元及充电控制方法
CN112065595A (zh) * 2020-08-14 2020-12-11 同济大学 一种基于离子电流的天然气发动机燃烧循环控制装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016125363A (ja) * 2014-12-26 2016-07-11 トヨタ自動車株式会社 内燃機関の制御装置
CN104727963A (zh) * 2015-02-11 2015-06-24 清华大学 一种用于灵活燃料发动机的燃料自适应控制方法
CN110015192A (zh) * 2017-09-11 2019-07-16 郑州宇通客车股份有限公司 一种燃料电池混合动力系统、供电单元及充电控制方法
CN108930597A (zh) * 2018-07-02 2018-12-04 武汉理工大学 基于快速控制原型的船用中速双燃料发动机控制方法和系统
CN112065595A (zh) * 2020-08-14 2020-12-11 同济大学 一种基于离子电流的天然气发动机燃烧循环控制装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
邢建国,许沧粟,孙优贤: "火花塞离子电流信号及其在发动机检测和控制中的应用", 内燃机工程, no. 03, pages 70 - 73 *

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