一種氣體發動機多點噴射系統的製作方法

2023-11-02 23:08:57 3

本公開一般涉及發動機控制技術領域，具體涉及船用主推進發動機控制技術領域，尤其涉及一種氣體發動機多點噴射系統。

背景技術：

我國天然氣儲量相對豐富，能源供給存在「富氣貧油」的現象，國家的迅速發展，也對能源供給提出了更高的要求，而天然氣的開發利用能夠優化能源結構，有效減輕石油消耗壓力，解決能源供應安全、生態環境保護的雙重問題。

在當前階段，針對大批量以柴油為燃料的發動機，通常是將其改造為雙燃料發動機，在常用工況下，工作在柴油-天然氣模式，用部分天然氣替代柴油，降低燃料成本；在天然氣氣源不穩的工況下，自動切換回純柴油工作模式，保持輸出功率不變，是一個比較適用的解決方法。經實踐發現，現有雙燃料發動機多採用進氣總管進氣，此種進氣方式易發生氣門重疊，造成天然氣直接從排氣門溢出，從而導致發動機排放和經濟性能的下降。

多點順序噴射方式是目前最先進的混合氣控制方式，可實現對每一缸的定時定量供氣，可以減輕和消除由於氣門重疊造成的天然氣直接逸出而導致排放增加和燃氣浪費，同時，還可以根據發動機轉速和負荷更準確地控制進氣量。但是，現下所採用的進氣歧管多點噴射僅僅粗放式將天然氣供給到各缸進氣歧管處，而少有考慮噴射閥安裝位置、起噴角度、噴射角度等因素對排放與經濟性能的影響以及各缸燃燒性能差異的修正，亟待改進。

技術實現要素：

鑑於現有技術中的上述缺陷或不足，期望提供一種氣體發動機多點噴射系統。

第一方面，提供一種相較於現有技術而言，能夠有效保證發動機在平穩運行條件下提升燃料經濟性以及排放性能的氣體發動機多點噴射系統。

一種氣體發動機多點噴射系統，包括：燃氣通道系統和控制系統；所述燃氣通道系統包括：天然氣罐，與天然氣罐出口相連的氣化器和與氣化器出口相連的燃氣通道，所述燃氣通道上設有與進氣歧管一一對應的噴射閥；所述控制系統包括：電控單元ECU和與所述電控單元ECU電連接的附屬傳感器，所述附屬傳感器包括：安裝在曲軸飛輪上的曲軸轉速傳感器，安裝在凸輪軸上的上止點信號傳感器，以及安裝在各缸排氣歧管上的單缸排氣溫度傳感器；所述電控單元ECU與各噴射閥電連接。

根據本申請實施例提供的技術方案：所述附屬傳感器還包括：安裝在噴油泵齒條拉杆處的油門齒條位置傳感器。

根據本申請實施例提供的技術方案：所述附屬傳感器還包括：安裝在進氣總管中冷器後端的增壓壓力傳感器。

根據本申請實施例提供的技術方案：所述附屬傳感器還包括：安裝在排氣總管上的排氣總管溫度傳感器。

根據本申請實施例提供的技術方案：所述燃氣通道上設有燃氣切斷閥。

根據本申請實施例提供的技術方案：所述燃氣通道上設有燃氣壓力傳感器。

根據本申請實施例提供的技術方案：所述噴射閥出口的氣流方向與進氣歧管內氣流方向相逆。

綜上所述，基於上述技術方案的改進，本申請的電控單元ECU，能夠利用曲軸轉速傳感器和上止點信號傳感器獲得曲軸轉速信號和上止點信號。根據上止點信號計算第X缸的起噴時間；再根據曲軸轉速信號查找轉速-基準燃氣噴射量MAP，得到當前轉速下基準燃氣噴射量，作為擬定燃氣噴射量；同時，本申請充分考慮了柴油機各缸燃燒不均勻導致的各缸排溫差異，利用電控單元ECU獲取各缸的排氣溫度，判斷是否需要針對排氣溫度異常的缸進行排溫平衡，若無需進行排溫平衡，則電控單元ECU控制第X缸根據上述起噴時間和擬定燃氣噴射量進行噴射；若需對基準燃氣噴射量進行修正，得到經過排溫平衡修正的燃氣噴射量，電控單元ECU控制第X缸根據上述起噴時間和經過排溫平衡修正的燃氣噴射量進行噴射。

基於上述優選技術方案的改進，本申請通過增設其他附屬傳感器，使得本申請中技術方案運行的經濟性能和安全性能更為突出，相較於現有技術而言，本申請提供的技術方案能夠考慮噴射閥安裝位置、起噴時間等因素對排放與經濟性能的影響以及各缸燃燒性能差異，能夠有效保證發動機在平穩運行條件下提升燃料經濟性以及排放性能。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖所作的對非限制性實施例所作的詳細描述，本申請的其它特徵、目的和優點將會變得更明顯：

圖1是本申請中氣體發動機多點噴射系統的結構示意圖(實施例一)；

圖2是本申請中氣體發動機多點噴射系統的結構示意圖(實施例一)。

圖中：1、天然氣氣罐，2、氣化器，3、燃氣切斷閥，4、燃氣壓力傳感器，5、進氣總管，6、進氣歧管，7、噴射閥，8、單缸排氣溫度傳感器，9、排氣總管，10、排氣總管溫度傳感器，11、增壓壓力傳感器，12、中冷器，13、曲軸轉速傳感器，14、上止點位置傳感器，15、油門齒條位置傳感器。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本申請作進一步的詳細說明。可以理解的是，此處所描述的具體實施例僅僅用於解釋相關發明，而非對該發明的限定。另外還需要說明的是，為了便於描述，附圖中僅示出了與發明相關的部分。

需要說明的是，在不衝突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特徵可以相互組合。下面將參考附圖並結合實施例來詳細說明本申請。

實施例一：

請參閱圖1和圖2，本實施例中具體地公開了一種氣體發動機多點噴射系統，包括：燃氣通道系統和控制系統；所述燃氣通道系統包括：天然氣罐1，與天然氣罐1出口相連的氣化器2和與氣化器2出口相連的燃氣通道，所述燃氣通道上設有與進氣歧管6一一對應的噴射閥7；所述控制系統包括：電控單元ECU和與所述電控單元ECU電連接的附屬傳感器，所述附屬傳感器包括：安裝在曲軸飛輪上的曲軸轉速傳感器13，安裝在凸輪軸上的上止點信號傳感器14，以及安裝在各缸排氣歧管上的單缸排氣溫度傳感器8；所述電控單元ECU與各噴射閥電連接。

本實施例中，所述燃氣通道系統如下：

天然氣罐1，作為天然氣的存儲裝置，用於提供天然氣。

氣化器2，與天然氣罐相連接，用於實現液態天然氣的氣化過程。

燃氣通道，用於將經過氣化的天然氣傳輸至發動機的進氣歧管處，其末端還安裝有與進氣歧管一一對應的噴射閥，以實現在控制系統的控制下將天然氣噴射至進氣歧管內，實現多點噴射。

本實施例中，所述控制系統如下：

電控單元ECU，本申請的核心控制部件，其與本系統內的所有附屬傳感器電連接。

所述附屬傳感器具體如下：

曲軸轉速傳感器13，安裝在發動機曲軸飛輪的齒盤邊上，用於測量曲軸轉速，以方便電控單元ECU實時獲得曲軸轉速。

上止點信號傳感器14，安裝在凸輪軸附近，用於測量發動機上止點信號，以方便電控單元ECU實時獲得上止點信號。

在發動機運行過程中，活塞頂離曲軸中心最大距離時的位置即為上止點；經過盤車確定第1缸的進氣上止點，即第1缸在進氣衝程中活塞處於上止點位置。以第1缸進氣上止點為基準，再根據電控單元ECU實時獲得的曲軸轉速以及發動機的發火次序。例：以R6160為例，其點火次序為1－5－3－6－2－4，可以計算出每缸進氣上止點。

當判斷出進氣上止點後，根據柴油機的重疊角可以計算出每缸排氣門關閉時間點，確定燃氣噴射範圍與起噴角度，起噴角度可以換算為起噴時間。

例：以R6160為例，其排氣門關閉時間為進氣上止點後48度，考慮到燃氣的流通時間，根據試驗得出起噴角度選擇上止點後24度為該發動機燃燒效果最好，排放也最好，不同型號柴油機可能有所不同，需要在實際試驗中確定。

單缸排氣溫度傳感器8，安裝在各缸排氣歧管處，用於採集單缸排溫，以方便電控單元ECU正常採集與監測各缸排氣溫度。當電控單元ECU採集得到單缸排氣溫度，可據此得到各缸排氣溫度的均值，繼而可判斷單缸與各缸排氣溫度均值的差值是否在規定範圍內。

在任一優選的實施例中，所述附屬傳感器還包括：安裝在噴油泵齒條拉杆處的油門齒條位置傳感器15。油門齒條位置傳感器，安裝在噴油泵齒條拉杆處，用於判定發動機當前負荷。噴油泵齒條位置代表一定量的噴油量，可以根據瞬時油耗判斷當前負荷。當處於突加突卸工況時，油門齒條位置會由於瞬時油耗變化而出現相應變化，突加工況時瞬時油耗會快速增加，突卸工況時瞬時油耗會快速減小。

當然，鑑於船用主推進發動機的轉速與負荷呈相關關係，轉速急劇增加可以判斷突加工況，轉速急劇降低可以判斷突卸工況。

在任一優選的實施例中，所述附屬傳感器還包括：安裝在進氣總管5中冷器12後端的增壓壓力傳感器11。中冷後增壓壓力傳感器，安裝在發動機進氣總管處，安裝位置在增壓器與中冷器之後，用於測量中冷器後增壓壓力，以方便電控單元ECU判定發動機負荷。中冷器後壓力即為增壓壓力；發動機處於不同工況下，即不同轉速下，其增壓壓力不同；當監測到增壓壓力變化時，可以判斷發動機負荷發生變化。

在任一優選的實施例中，所述附屬傳感器還包括：安裝在排氣總管9上的排氣總管溫度傳感器10。排氣總管溫度傳感器，安裝在發動機的排氣總管上，用於採集排氣總管溫度，以方便電控單元ECU結合單缸的排溫來判斷排氣溫度是否異常。若排氣溫度過高，電控單元ECU會控制報警模塊啟動聲光報警。

在任一優選的實施例中，所述燃氣通道上設有燃氣切斷閥。在安裝有燃氣切斷閥的基礎上，若排氣總管溫度超出規定限值，則控制燃氣切斷閥關閉，停止供氣；若排氣總管溫度未超出規定限值，則燃氣切斷閥不動作，正常供氣。

在任一優選的實施例中，所述燃氣通道上設有燃氣壓力傳感器4。燃氣壓力傳感器，安裝在燃氣通道上，用於實時採集燃氣供給壓力，以方便電控單元ECU實時採集燃氣通道上的燃氣壓力信號，以方便電控單元ECU判斷燃氣供給壓力是否正常；若燃氣壓力信號高於規定限值，則燃氣切斷閥不動作，正常供氣；若燃氣壓力信號低於規定限值，電控單元ECU控制燃氣切斷閥關閉，停止供氣。

在任一優選的實施例中，所述噴射閥出口的氣流方向與進氣歧管內氣流方向相逆，最大效率地實現燃氣與空氣的混合。

工作原理：

燃氣噴射時間能夠轉換為燃氣噴射量，其決定了上述氣體發動機多點噴射系統的柴油替代率，而針對船舶主推進發動機其功率與轉速立方成正比。

將整個柴油機轉速範圍分成若干段，通過實驗標定各個轉速範圍內的燃氣噴射量，通過標定建立MAP圖，再通過線性插值得出相應參數，形成轉速與燃氣噴射關係的MAP圖，即：轉速-基準燃氣噴射量MAP，進行線性插值得出每缸燃氣進氣的基準時間。

將整個柴油機轉速範圍分成若干段，通過實驗標定各個轉速範圍內的基準油門齒條位置，通過標定建立MAP圖，再通過線性插值得出相應參數，形成轉速與油門齒條位置關係的MAP圖，即：轉速-基準油門齒條位置MAP。

將整個柴油機轉速範圍分成若干段，通過實驗標定各個轉速範圍內的油門齒條位置PID參數，通過標定建立MAP圖，再通過線性插值得出相應參數，形成轉速與油門齒條位置PID參數關係的MAP圖，即：轉速-油門齒條位置PID參數MAP。

將整個柴油機轉速範圍分成若干段，通過實驗標定各個轉速範圍內的排氣溫度PID參數，通過標定建立MAP圖，再通過線性插值得出相應參數，形成排氣溫度PID參數的MAP圖，即：轉速-排氣溫度PID參數MAP。

將整個柴油機轉速範圍分成若干段，同時，將增壓壓力範圍分成若干段，通過實驗標定各轉速範圍與各增壓壓力範圍內的燃氣噴射量限值，通過標定建立MAP圖，再通過線性插值得出相應參數，形成燃氣噴射量限值的二維MAP圖，即：轉速-增壓壓力-燃氣噴射量限值二維MAP。

根據理論分析和標定試驗，得到上述所有MAP圖之後，將其錄入電控單元ECU，方便電控單元ECU進行查找。

基於上述設計，本申請氣體發動機多點噴射系統中的電控單元ECU，能夠利用曲軸轉速傳感器和上止點信號傳感器獲得曲軸轉速信號和上止點信號。根據上止點信號計算第X缸的起噴時間；再根據曲軸轉速信號查找轉速-基準燃氣噴射量MAP，得到當前轉速下基準燃氣噴射量L。

電控單元ECU得到基準燃氣噴射量L，將其作為擬定燃氣噴射量L1，同時，電控單元ECU判斷是否需要啟動排溫平衡模塊：電控單元ECU採集各缸排氣溫度TX(X＝1、2…..n)，同時計算得到各缸平均排氣溫度T＝∑TX/n(n＝1、2….)；根據第X缸排氣溫度TX與平均排氣溫度T得到二者差值△t。

若△t位於規定範圍內，則電控單元ECU直接獲取第X缸的起噴時間，並將擬定燃氣噴射量L1作為最終燃氣噴射量L最終，電控單元ECU將最終燃氣噴射量L最終作為啟動燃氣噴射量L啟動；啟動第X缸的噴射閥根據起噴時間和啟動燃氣噴射量L啟動進行噴射。

若△t超出規定範圍，啟動排溫平衡模塊，計算經過排溫平衡修正的燃氣噴射量：還存儲有轉速-排氣溫度PID參數MAP的電控單元ECU通過查找得到當前轉速下的排氣溫度PID參數；電控單元ECU根據排氣溫度PID參數對△t進行PID調節，計算得到排溫平衡燃氣修正量△L排溫，經過修正的燃氣噴射量L排溫＝L1+△L排溫；電控單元ECU直接獲取第X缸的起噴時間，並將經過排溫平衡修正的燃氣噴射量L排溫作為最終燃氣噴射量L最終，電控單元ECU將最終燃氣噴射量L最終作為啟動燃氣噴射量L啟動；啟動第X缸的噴射閥根據起噴時間和啟動燃氣噴射量L啟動進行噴射。

循環執行上述步驟，直至發動機完成啟動。

優選地，上述工作過程中，得到基準燃氣噴射量之後，還可以計算經過油門齒條位置反饋修正的燃氣噴射量：電控單元ECU查找轉速-基準油門齒條位置MAP與轉速-油門齒條位置PID參數MAP，得到當前轉速下的基準油門齒條位置和油門齒條位置PID參數；電控單元ECU採集當前轉速下的實時油門齒條位置；電控單元ECU根據油門齒條位置PID參數對當前轉速下實時油門齒條位置與基準油門齒條位置之間的差值進行PID調節，計算得到油門齒條位置燃氣修正量△L油門，故擬定燃氣噴射量L1＝L+△L油門。之後，電控單元ECU繼續判斷是否需要啟動排溫平衡模塊，即是否需要對擬定燃氣噴射量L1進行排溫平衡修正。

優選地，上述工作過程中，得到最終燃氣噴射量L最終之後，電控單元ECU還能夠通過採集當前增壓壓力信號和轉速，並查找轉速-增壓壓力-燃氣噴射量限值二維MAP，得到當前轉速與當前增壓壓力下的燃氣噴射量限值Llim，將最終燃氣噴射量L最終與燃氣噴射量限值Llim進行比對，取較小值作為啟動燃氣噴射量L啟動。

優選地，電控單元ECU還能夠採集所有附屬傳感器的實時參數，判斷是否位於規定範圍內；若均位於規定範圍內，則直接執行S1；若任一附屬傳感器的實時參數超出規定範圍，則電控單元ECU控制報警模塊啟動。

優選地，電控單元ECU實時採集排氣總管溫度信號，若排氣總管溫度高於規定限值，則電控單元ECU控制燃氣切斷閥關閉。

優選地，電控單元ECU實時採集爆震信號，若爆震值超過規定值，則電控單元ECU啟動聲光報警且控制燃氣切斷閥關閉。

優選地，所述△t的規定範圍為±(5‐10)℃。

優選地，若|△t|≥100℃，則電控單元ECU控制燃氣切斷閥關閉。

綜上所述，本申請提供的技術方案能夠考慮噴射閥安裝位置、起噴時間等因素對排放與經濟性能的影響以及各缸燃燒性能差異，能夠有效保證發動機在平穩運行條件下提升燃料經濟性以及排放性能。

以上描述僅為本申請的較佳實施例以及對所運用技術原理的說明。本領域技術人員應當理解，本申請中所涉及的發明範圍，並不限於上述技術特徵的特定組合而成的技術方案，同時也應涵蓋在不脫離所述發明構思的情況下，由上述技術特徵或其等同特徵進行任意組合而形成的其它技術方案。例如上述特徵與本申請中公開的(但不限於)具有類似功能的技術特徵進行互相替換而形成的技術方案。