一種天然氣發動機供氣管路的穩壓裝置及其穩壓控制方法

2023-06-03 20:39:06 1

專利名稱：一種天然氣發動機供氣管路的穩壓裝置及其穩壓控制方法
技術領域：
本發明涉及天然氣發動機技術領域，特別涉及一種天然氣發動機供氣管路的穩壓裝置及其穩壓控制方法。
背景技術：
隨著經濟的高速發展，21世紀的今天，汽車是人類不可或缺的交通工具，但汽車尾氣卻是大氣的主要汙染源。因此，發展清潔能源來替代石油燃料已成為亟待解決的問題。在此背景下，天然氣發動機應用而生，這種以天然氣為燃料的發動機以其無汙染的優點，在汽車行業內倍受青睞。天然氣發動機是一種在現有柴油機或者汽油機基礎上開發後的產品，其主要燃料為液化後的天然氣，天然氣的主要成分為甲烷。由於天然氣的儲存壓力較高，使得天然氣在供給至天然氣發動機的汽缸過程中需要經過降壓和加溫兩步。其中，降壓步驟通常通過差值式減壓閥來實現，這種減壓閥的進氣管和出氣管的壓力差為恆定值，以保證供氣管路內氣體壓力的穩定。這種減壓閥包括閥體、閥芯和設置於兩者之間的調壓彈簧，其中，閥體內具有與進氣管連通的高壓腔和與出氣管連通的低壓腔，且低壓腔和高壓腔通過閥座連通，閥芯可移動的與閥座配合，通過調壓彈簧來調整閥芯和閥座之間的開度，來保證進出氣管壓力差的恆定。隨著天然氣發動機技術的不斷發展，人們對於汽車發動機動力學性能的要求不斷提高，尤其是起步或加速瞬態的響應速度和平穩性要求。駕駛員通過油門踏板，將動力需求傳給發動機的發動機控制單元，發動機控制單元接收到油門踏板信號後，根據發動機的起步或加速的運行工況控制電子節氣門開度的增大量。電子節氣門開度增大時，差值式加壓閥的出氣管內產生瞬間壓降，而由於調壓彈簧自身的物理特性，將會延遲一定時間後，方可克服調壓彈簧的彈性阻力而使進出氣管內壓力差達到設定的恆定值，因此，在天然氣發動機起步或者加速初期，存在供氣管路內氣體壓力不穩定的問題。這樣，將會引起發動機功率不足，致使發動機起步和加速響應速度慢，從而降低整車的動力學性能。有鑑於此，亟待對現有差值式減壓閥的結構進行改進，以解決因其調壓彈簧的物理特性，而造成在天然氣發動機起步或者加速初期，供氣管路內氣體壓力不穩定的問題。

發明內容
針對上述缺陷，本發明的核心目的在於，提供一種用於天然氣發動機供氣管路的穩壓裝置，以解決現有技術中因差值式減壓閥自身物理特性，其進出氣管壓力差無法時刻保持恆定，而導致天然氣發動機起步或者加速工況的瞬態響應速度慢的問題。在此基礎上，本發明還提供一種控制上述穩壓裝置的穩壓控制方法。本發明所提供的一種天然氣發動機供氣管路的穩壓裝置，包括差值式減壓閥，所述差值式減壓閥的進氣管用於與儲氣箱連通，出氣管用於與天然氣發動機的節氣門連通，還包括可噴射氣體的噴射器，所述噴射器的噴氣口連通所述出氣管。
優選地，所述噴射器具體為電磁噴射器，所述電磁噴射器的信號接收端與所述天然氣發動機的發動機控制單元的信號輸出端連通。優選地，所述發動機控制單元分別獲取所述進氣管和所述出氣管的氣體壓力Pi和P。，判斷兩者實際壓力差AP大於所述差值式減壓閥的標定壓力差APsrt時，所述發動機控制單元輸出所述電磁噴射器至工作狀態的切換控制信號，以使電磁噴射器噴射氣體增壓；其中，AP = PJotj優選地，所述出氣管設置有連接所述發動機控制單元增壓前氣體壓力傳感器，以直接獲取所述電磁噴射器增壓前的所述出氣管內氣體壓力P。。優選地，所述出氣管還設置有連接所述發動機控制單元增壓後氣體壓力傳感器，以獲取所述電磁噴射器增壓後的所述出氣管內的氣體壓力P。'。優選地，所述電磁噴射器在工作狀態下，所述發動機控制單元分別獲取所述進氣管的氣體壓力Pi,和所述出氣管內增壓後的氣體壓力P。'；所述發動機控制單元判斷兩者的實際壓力差AP'大於所述差值式減壓閥的標定壓力差APsrt時，調整所述電磁噴射器的噴射壓力P。,增大至PJ，否則，所述發動機控制單元輸出所述電磁噴射器至非工作狀態的切換控制信號，其中，AP' =Pi_P。'。優選地，所述電磁噴射器的噴射方向和所述出氣管的出氣方向成角度a設置；所述角度a的取值範圍為30° 60°。優選地，所述角度a的優選值為40°。本發明還提供一種天然氣發動機供氣管路的穩壓控制方法，供氣管路中設有差值式減壓閥，差值式減壓閥具有進氣管和出氣管，所述控制方法的步驟包括:S10、判斷天然氣發動機的節氣門開度是否增大，若增大則執行步驟S20 ；S20、向所述出氣管內噴射氣體。優選地，步驟SlO具體為:獲取節氣門開度信號；判斷當前開度值Yct和前一開度值Yfv，若滿足D Yfv條件，執行S20優選地，步驟SlO和步驟S20之前還包括:S102、獲取所述出氣管壓力Pi和所述進氣管壓力P。；判斷兩者的壓力差AP與標定壓力差APset關係:若滿足AP > APset，執行S20 ；優選地，步驟S20中，向所述出氣管內噴射壓力為Ptjs的天然氣，以補償所述出氣管內的瞬間壓降，Pos為預先設定的噴氣壓力。優選地，步驟S20之後包括:S40、獲取噴氣增壓後的所述出氣管內氣體壓力P。'；判斷增壓後所述進氣管和所述出氣管內的壓力差AP'與差值式減壓閥的標定壓力差APsrt關係:若滿足AP' >APset條件，修正設定的噴射壓力Pos至P。/，並返回步驟S20。相對於背景技術，本發明所提供的穩壓裝置，包括差值式減壓閥，差值式減壓閥的進氣管用於與儲氣瓶連通，出氣管用於天然氣發動機的節氣門連通；還包括可噴射氣體的噴射器，所述噴射器的噴氣口連通所述出氣管。本發明利用噴射器能在瞬間噴射高壓氣體的特點，通過使其噴氣口與出氣管連通，將其設置於天然氣發動機的供氣管路上，在天然氣發動機起步或者加速初期，補償因差值式減壓閥的調壓彈簧反應延遲，造成的其進出氣管的實際壓力差與標定壓力差之間的差值，以保證供氣管路內氣體壓力的穩定。從而加快了天然氣發動機在起步或者加速工況時的瞬態響應速度，優化了天然氣發動機的動力學性能。


圖1為天然氣汽車驅動裝置的結構示意圖；圖2為圖1中驅動裝置中供氣管路的穩壓裝置的立體示意圖；圖3為圖2中穩壓裝置的控制流程圖。圖中:I差值式減壓閥、11進氣管、12出氣管、2儲氣瓶、3天然氣發動機、4電子節氣門、5電磁噴射器、6增壓前氣體壓力傳感器、7增壓後氣體壓力傳感器。
具體實施例方式本發明的核心是提供一種用於天然氣發動機供氣管路的穩壓裝置，以解決現有技術中供氣管路中差值式減壓閥因其自身的物理特性，導致供氣管路內氣體壓力不穩定的問題，從而加快天然氣發動機在起步或者加速工況時的瞬態響應速度，優化天然氣發動機的動力學性能。在此基礎上，本發明還提供一種控制上述穩壓裝置的穩壓控制方法。不失一般性，下面結合說明書附圖，來具體說明本發明提供的用於天然氣發動機供氣管路的穩壓裝置的具體實施方式
。請參見圖1和圖2，圖1為天然氣汽車驅動裝置的結構示意圖，圖2為圖1中驅動裝置中供氣管路的穩壓裝置的立體示意圖。如圖1和圖2所示，本方案所提供的用於天然氣發動機供氣管路的穩壓裝置，包括差值式減壓閥1，其中，差值式減壓閥I的進氣管11用於與儲氣瓶2連通，出氣管12用於與天然氣發動機3的電子節氣門4連通，且出氣管12連通設置有電磁噴射器5。當天然氣發動機3起步或加速初期，發動機控制單元31向電子節氣門4輸出信號，使其開度增大，差值式減壓閥I的出氣管12內產生瞬間壓降，啟動電磁噴射器5向出氣管12內定向噴射定量的高壓天然氣，以補償出氣管12內瞬間壓降值，從而保證供氣管路內氣體壓力的穩定。相比於現有技術，本發明利用電磁噴射器5能在瞬間噴射高壓氣體的特點，通過使其噴氣口與出氣管(12)連通將其連通設置於供氣管路的穩壓裝置-差值式減壓閥I的出氣管12上，在天然氣發動機3起步或者加速初期，補償因差值式減壓閥I的調壓彈簧反應延遲，造成的其進出氣管12的實際壓力差與標定壓力差之間的差值，以保證供氣管路內氣體壓力的穩定。從而，加快了天然氣發動機3在起步或者加速工況時的瞬態響應速度，優化了天然氣發動機的動力學性能。如前所述，本方案中噴射器具體為電磁噴射器5，電磁噴射器5的信號接收端和天然氣發動機3的發動機控制單元31的信號輸出端連通。天然氣發動機3起動或加速工況初期，發動機控制單元31分別獲取差值式減壓閥的進氣管11和出氣管12內的氣體壓力Pi和P。。再將實際壓力AP = P1-Ptj與差值式減壓閥的標定壓力差APset比較，若比較結果滿足AP> APsrt條件，發動機控制單元31輸出電磁噴射器5至工作狀態的切換控制信號，電磁噴射器5向出氣管12內噴射定量的高壓氣體Ptjs,以補償因差值式減壓閥I的調壓彈簧的物理特性造成出氣管內的瞬時壓降，從而保證了供氣管路內氣體壓力的穩定，加快了天然氣發動機起步或加速工況的響應速度，優化了 了天然氣發動機的加速力學性能。其中，差值式減壓閥I的進氣管11內的氣體壓力Pi是由儲氣瓶2經過濾清後的壓力，可通過設置於儲氣瓶2的供氣管路上進氣壓力傳感器獲取，而出氣管12內的氣體壓力P。是發動機控制單元31通過節氣門位置傳感器獲取節氣門開度信號，根據實際開度信號估算得出，具體估算方法為成熟的現有技術，本領域內技術人員通過現有技術完全可以實現，故而本文不再贅述。另外地，本方案中電磁噴射器5的氣體輸入端與儲氣瓶2的氣體輸出端連通，以向電磁噴射器5提供起源。可以理解，在滿足整車裝配工藝要求的基礎上，電磁噴射器5也可以擁有獨立的供氣瓶。需要說明的是，本方案採用電磁噴射器5，利用其可電控的特點，直接使其信號接收端與天然氣發動機3的發動機控制單元31的信號輸出端連通，通過自動控制方式避免了因人工誤操作造成的安全隱患，提高了整車的工作可靠性和安全性，且降低了駕駛員的勞動強度。當然，本方案中噴射器也可以採用手動控制噴射器，駕駛員在天然氣發動機3起步或加速時，手動控制噴射器向出氣管12噴射定量高壓天然氣。採用手動控制方式達到的有益效果與前述的電控方式相同，故而本文在此不再贅述。進一步，如前所述，天然氣發動機3的發動機控制單31元通過節氣門位置傳感器獲取節氣門開度信號，通過估算得到出氣管21內的氣體壓力P。。為了直接獲取差值式減壓閥I的出氣管12內氣體壓力P。，本方案在出氣管12內設置了增壓前氣體壓力傳感器6，以獲取電磁噴射器4增壓前差值式減壓閥I的出氣管12氣體壓力P。的精確值。從而在簡化發動機控制單元31的控制策略的基礎上，消除了估算過程中造成的誤差，提高了出氣管12內氣體壓力P。的精確度，最終可實現天然氣發動機瞬態加速或起步時的平穩性。此外，本方案中所述穩壓裝置在差值式減壓閥I的出氣管12內還設置了增壓後氣體壓力傳感器7，以直接獲取電磁噴射器5增壓後出氣管12內壓力P。,。然後，天然氣發動機3的發動機控制單元31，再次將增壓後出氣管12內氣體壓力P。'和進氣管內壓力Pi的壓力差AP' =P1-P/，與差值式減壓閥的標定壓力差APset比較，若比較結果滿足AP'> A Ps6t，則通過增大電磁噴射器5的噴射壓力至P J，修正電磁噴射器5噴射壓力P。,。這樣將形成對電磁噴射器5噴射壓力的閉環控制迴路，可準確控制電磁噴射器5的噴射壓力，從而更進一步的保證了供氣管路內氣體壓力的穩定性，在實現加快天然氣發動機3的瞬態響應速度的基礎上，進一步的保證了其瞬態平順性。需要說明的是，出氣管12內增壓後的氣體壓力P。,，除了與電磁噴射器5的噴射壓力P。,和當時出氣管12內氣體流量相關外，還與電磁噴射器5的入射角度有關。其中，電磁噴射器5的入射角度是指電磁噴射器5的噴射方向與出氣管路的出氣方向之間的夾角，由圖1可知，在本方案中是指電磁噴射器5的入射角為a。試驗數據表明，電磁噴射器5的入射角a取值在30° 60°範圍之間時，具有對管道內原氣流幹涉最弱、無回流現象、以及噴射後氣體混合均勻等優點。需要說明的是，本方案中電磁噴射器5的入射角a具體為40°。當然，在滿足噴射壓力需要的基礎上，入射角a也可以為30° 60°範圍內的任意值。
除上述穩壓裝置外，本發明還提供一種天然氣發動機供氣管路的穩壓控制方法，供氣管路中設有差值式減壓閥1，差值式減壓閥I具有進氣管11和出氣管12。現結合圖3來詳細說明所述穩壓控制方法控制流程，圖3為圖2中穩壓裝置的控制流程圖。所述穩壓控制方法的步驟包括:S10、判斷天然氣發動機3的節氣門開度是否增大，若增大則進入步驟S20 ；S20、向所述出氣管12內噴射氣體。節氣門開度增大時，可以向出氣管12內噴射壓力為Ptjs的天然氣，以補償所述出氣管12內的瞬間壓降，PtjsS預先設定的噴氣壓力，具體可以通過可噴射氣體的噴射器向出氣管12內噴射具有預定壓力的氣體。當然，在滿足天然氣發動機3不同工況空燃比要求的基礎上，本方案中亦可噴射符合壓力要求的空氣。當節氣門增大時，可以不作調整。天然氣發動機3需要起步或加速時，駕駛員通過控制油門踏板增大節氣門開度，與此同時，操控噴射器向出氣管12內噴射天然氣，以增大其內氣體壓力，使天然氣發動機3內燃氣量與其工況相匹配，從而加快天然氣發動機3的瞬態響應速度。為了提供上述穩壓控制方法的自動控制水平，本控制方法中步驟SlO具體可以包括:獲取節氣門開度信號；判斷當前開度值Yct和前一開度值Yfv，若滿足D Yfv條件，執行S20 ;否則，執行S30 ；即自動化控制何時進行噴氣，從而確保出氣管12壓力能夠滿足動態變化的工況需求，此時，噴氣的噴射器可以米用上述實施例中所述的電磁噴射器5,電磁噴射器5與發動機控制單元31連接，以實現自動控制。此時，步驟S20可以是:發動機控制單元31輸出電磁噴射器5至工作狀態的切換控制信號；當節氣門未增大時，可執行:S30、發動機控制單元31內電磁噴射器5的控制模塊初始化，電磁噴射器5處於非工作狀態。當然，駕駛人員可以在進行增大節氣門開度後，直接啟動噴氣，此時為人工判斷節氣門是否增大，相較於此，顯然，自動化控制可以簡化駕駛員的操作，且能夠在節氣門實際增大的情況下進行噴氣，防止人工誤操作。人工判斷時，若節氣門未增大，可不作任何調整。進一步，本方案提供的穩壓控制方法中在步驟SlO和步驟S20之前還可以包括:S101、獲取所述進氣管11壓力Pi和所述出氣管12壓力P。；判斷兩者的壓力差A P與標定壓力差APsrt關係:若滿足AP > APsrt，執行S20 ;否則，執行S30。通過步驟SlOl的設置直接獲取差值式減壓閥I內進出氣管內氣體壓力，通過壓差判斷是否需要進行噴氣，提高了穩壓控制方法的控制準確度，即在節氣門增大時，還需進一步判斷節氣門增大是否導致出氣管12壓力的驟降，只有實際上產生了壓力的驟降，才進行噴氣保壓動作，從而更為科學地保證天然氣發動機3工作可靠性和安全性。此外，步驟S20之後還可以包括:S40、獲取噴氣增壓後的所述出氣管12內氣體壓力P。'；判斷增壓後所述進氣管11和所述出氣管12內的壓力差AP'與差值式減壓閥的標定壓力差APsrt關係:若滿足AP, > APsrt條件，修正設定的噴射壓力Ptjs至PJ，並返回步驟S20 ;否則，執行S30。通過步驟S40穩壓控制方法修正了噴射壓力，當噴射預定壓力氣體後，出氣管12壓力依然無法滿足工況需求，則可以及時地噴入壓力更大的氣體，更進一步的提高了天然氣發動機3內供氣管路內氣體壓力的穩定性，從而進一步的提高了其瞬態響應速度及平順性。需要說明的是，上述穩壓控制方法通過電磁噴射器實現差值式減壓閥I出氣口內壓力，來保證供氣管路內氣體壓力的穩定性為例來說明了具體的控制步驟，當然，在滿足增壓功能要求的基礎上，本方案中的增壓功能也可以採用手動噴射器，或其他增壓裝置。以上所述僅為本發明的優選實施方式，並不構成對本發明保護範圍的限定。任何在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的權利要求保護範圍之內。
權利要求
1.一種天然氣發動機供氣管路的穩壓裝置，包括差值式減壓閥(I)，所述差值式減壓閥⑴的進氣管(11)用於與儲氣箱⑵連通，出氣管(12)用於與天然氣發動機(3)的節氣門連通，其特徵在於，還包括可噴射氣體的噴射器，所述噴射器的噴氣口連通所述出氣管(12)。
2.根據權利要求1所述的穩壓裝置，其特徵在於，所述噴射器具體為電磁噴射器(5)，所述電磁噴射器(5)的信號接收端與所述天然氣發動機(3)的發動機控制單元(31)的信號輸出端連通。
3.根據權利要求2所述的穩壓裝置，其特徵在於，所述發動機控制單元(31)分別獲取所述進氣管(11)和所述出氣管(12)的氣體壓力Pi和P。，判斷兩者實際壓力差AP大於所述差值式減壓閥(I)的標定壓力差APsrt時，所述發動機控制單元(31)輸出所述電磁噴射器(5)至工作狀態的切換控制信號，以使電磁噴射器(5)噴射氣體增壓；其中，AP = PlP。。
4.根據權利要求3中任一項所述的穩壓裝置，其特徵在於，所述出氣管(12)設置有連接所述發動機控制單元(31)增壓前氣體壓力傳感器￠)，以直接獲取所述電磁噴射器(5)增壓前的所述出氣管(12)內氣體壓力P。。
5.根據權利要求3或4所述的穩壓裝置，其特徵在於，所述出氣管(12)還設置有連接所述發動機控制單元(31)增壓後氣體壓力傳感器(7)，以獲取所述電磁噴射器(5)增壓後的所述出氣管(12)內的氣體壓力P。'。
6.根據權利要求5所述的穩壓裝置，其特徵在於，所述電磁噴射器(5)在工作狀態下，所述發動機控制單元(31)分別獲取所述進氣管(11)的氣體壓力Pi,和所述出氣管(12)內增壓後的氣體壓力P。'；所述發動機控制單元(31)判斷兩者的實際壓力差AP'大於所述差值式減壓閥(I)的標定壓力差APsr`t時，調整所述電磁噴射器(5)的噴射壓力Ptjs增大至P。/，否則，所述發動機控制單元(31)輸出所述電磁噴射器(5)至非工作狀態的切換控制信號，其中，AP' = PlP0'。
7.根據權利要求1所述的穩壓裝置，其特徵在於，所述電磁噴射器(5)的噴射方向和所述出氣管(12)的出氣方向成角度a設置；所述角度a的取值範圍為30° 60°。
8.根據權利要求7所述的穩壓裝置，其特徵在於，所述角度a的優選值為40°。
9.一種天然氣發動機供氣管路的穩壓控制方法，供氣管路中設有差值式減壓閥(1)，差值式減壓閥(I)具有進氣管(11)和出氣管(12)，其特徵在於，所述控制方法的步驟包括: S10、判斷天然氣發動機的節氣門開度是否增大，若增大則執行步驟S20 ； S20、向所述出氣管(12)內噴射氣體。
10.如權利要求9所述的穩壓控制方法，其特徵在於: 步驟SlO具體為: 獲取節氣門開度信號；判斷當前開度值Yct和前一開度值Yfv，若滿足、CV > Yfv條件，執行S20。
11.如權利要求10所述的穩壓控制方法，其特徵在於: 步驟S20和步驟SlO之間還包括: S101、獲取所述出氣管(12)壓力Pi和所述進氣管(11)壓力P。；判斷兩者的壓力差AP與標定壓力差APsrt關係:若滿足AP > APsrt，執行S20。
12.如權利要求11所述的穩壓控制方法，其特徵在於: 步驟S20中，向所述出氣管(12)內噴射壓力為Pos的天然氣，以補償所述出氣管(12)內的瞬間壓降，Pos為預先設定的噴氣壓力。
13.如權利要求12所述的穩壓控制方法，其特徵在於: 步驟S20之後包括: S40、獲取噴氣增壓後的所述出氣管(12)內氣體壓力P。'；判斷增壓後所述進氣管(11)和所述出氣管(12)內的壓力差AP'與差值式減壓閥的標定壓力差APsrt關係:若滿足AP, > APsrt條件，修正設定的噴射壓力Ptjs至PJ，並返回步驟S20。
全文摘要
本發明公開了一種天然氣發動機供氣管路的穩壓裝置，包括差值式減壓閥，差值式減壓閥的進氣管用於與儲氣瓶連通，出氣管用於天然氣發動機的節氣門連通；還包括可噴射氣體的噴射器，噴射器的噴氣口連通所述出氣管。與現有技術相比，本發明利用噴射器能在瞬間噴射高壓氣體的特點，通過使其噴氣口與出氣管連通，將其設置於供氣管路，在天然氣發動機起步或者加速初期，補償因調壓彈簧反應延遲，造成的進出氣管的實際壓力差與標定壓力差的差值，以保證供氣管路內氣體壓力的穩定，從而加快了天然氣發動機的瞬態響應速度，優化了天然氣發動機的動力學性能。在此基礎上，本發明還公開了一種控制上述穩壓裝置的穩壓控制方法。
文檔編號F02M21/02GK103161612SQ20131010790
公開日2013年6月19日 申請日期2013年3月29日 優先權日2013年3月29日
發明者黃曙蒙 申請人:濰柴動力股份有限公司