電控隨動調壓式天然氣發動機空燃比控制系統及控制方法
2023-07-08 10:36:36 2
電控隨動調壓式天然氣發動機空燃比控制系統及控制方法
【專利摘要】本發明公開了電控隨動調壓式天然氣發動機空燃比控制系統及控制方法，包括燃氣供給裝置，其中的壓縮天然氣瓶通過天然氣管路與天然氣減壓穩壓器相連，天然氣減壓穩壓器通過天然氣過濾器與電控隨動調壓裝置相連，電控隨動調壓裝置通過空燃比控制裝置與混合器一端相連，混合器另一端依次與電子節氣門、進氣總管及天然氣發動機相連，混合器的第三端通過空氣管路與中冷器及增壓器相連，電控系統控制燃氣控制蝶閥的開度，控制天然氣的流量，實現空氣和天然氣空燃比的精確控制，電控系統根據天然氣發動機進氣總管的壓力利用電控隨動調壓裝置調節天然氣壓力，使燃氣控制蝶閥前的壓力和進氣總管壓力的壓差保持在設定範圍內，提高空燃比控制的響應性和精度。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發明涉及天然氣發動機的【技術領域】，特別地涉及提高空燃比控制精度的電控隨 動調壓式天然氣發動機空燃比控制系統及用於該控制系統的方法。 電控隨動調壓式天然氣發動機空燃比控制系統及控制方法
【背景技術】
[0002] 天然氣是一種清潔燃料，燃燒過程中幾乎無碳煙生成，發動機燃用天然氣排放低， 同時具有來源廣泛，價格低的有優點，是一種理想的內燃機替代能源。
[0003] 目前我國的船用發動機幾乎都是柴油機，運行過程中對水系造成汙染，推廣船用 天然氣發動機成為控制內河及各水系汙染的重要措施。船用發動機的氣源為壓力氣源，因 此在增壓船用發動機中可採用增壓器後單點混合或多點混合的方式。單點混合天然氣發動 機具有可燃氣混合均勻，易於組織燃燒的優點。
[0004] 目前車用增壓後單點式混合天然氣發動機多採用電控噴射閥控制天然氣的噴射 量以實現對空燃比的控制，但是噴射閥存在磨損問題壽命短，使用過程中需要經常更換，造 成使用成本升高，且電控噴射閥的流量一般較小，不適合氣缸直徑較大的船用天然氣發動 機。而普通膜片式混合器對天然氣的控制精度低，不適合增壓後天然氣/空氣混合的發動 機。
【發明內容】
[0005] 為解決現有技術存在的不足，本發明公開了電控隨動調壓式天然氣發動機空燃比 控制系統及控制方法，本發明通過調節燃氣控制蝶閥前的天然氣壓力，使燃氣控制蝶閥前 的天然氣壓力和進氣總管保持在一恆定的差值，還通過測試排氣中的氧含量作為反饋信號 或利用發動機電子節氣門開度、發動機轉速信號，調節燃氣控制蝶閥的開度，實現空燃比的 精確控制。
[0006] 為實現上述目的，本發明的具體方案如下：
[0007] 電控隨動調壓式天然氣發動機空燃比控制系統，包括燃氣供給裝置及電控系統， 所述燃氣供給裝置中的壓縮天然氣瓶通過天然氣管路與天然氣減壓穩壓器相連，所述天然 氣減壓穩壓器通過天然氣過濾器與電控隨動調壓裝置相連，所述電控隨動調壓裝置通過空 燃比控制裝置與混合器一端相連，混合器另一端依次與電子節氣門、進氣總管及天然氣發 動機相連，混合器的第三端通過空氣管路依次與中冷器及增壓器相連，所述天然氣發動機 還與排氣裝置相連，所述電控系統控制燃氣控制蝶閥的開度，控制天然氣的流量，實現空氣 和天然氣空燃比的精確控制，所述電控系統根據天然氣發動機進氣總管的壓力利用電控隨 動調壓裝置調節天然氣壓力，使燃氣控制蝶閥前的壓力和進氣總管壓力的壓差保持在設定 範圍內，以提高空燃比控制的響應性和精度。
[0008] 所述電控隨動調壓裝置為電控隨動調壓閥，空燃比控制裝置為燃氣控制蝶閥。
[0009] 所述壓縮天然氣瓶與天然氣減壓穩壓器之間的管路上還安裝有天然氣閥。
[0010] 所述天然氣過濾器與電控隨動調壓裝置之間的管路上還安裝有第一天然氣壓力 傳感器。 toon] 所述電控隨動調壓裝置與空燃比控制裝置之間的管路上還安裝有第二天然氣壓 力傳感器。
[0012] 所述混合器與中冷器之間的空氣管路上還安裝有中冷後空氣壓力傳感器，所述進 氣總管上安裝有進氣總管壓力傳感器，天然氣發動機上安裝有發動機轉速傳感器，所述排 氣裝置上安裝有排氣氧傳感器。
[0013] 所述電控系統與第一天然氣壓力傳感器、第二天然氣壓力傳感器、排氣氧傳感器、 電控隨動調壓閥、燃氣控制蝶閥、中冷後空氣壓力傳感器、電子節氣門、排氣氧傳感器、發動 機轉速傳感器及進氣總管壓力傳感器相連。
[0014] 電控隨動調壓式天然氣發動機空燃比控制方法，包括以下步驟：
[0015] 步驟一：發動機起動運行，電控系統根據預先設定的MAP圖控制電子節氣門，燃氣 控制蝶閥的初始開度，電控隨動調壓閥根據進氣總管的壓力同步調節燃氣控制蝶閥前的天 然氣壓力，發動機開始起動；
[0016] 步驟二：電控系統根據預先標定的MAP圖並結合進氣總管的壓力，以開環模式耦 合調節電子節氣門，電控隨動調壓閥和燃氣控制蝶閥，使發動機穩定在怠速運行，排氣達到 一定溫度後，排氣氧傳感器開始工作，進入閉環控制模式，電控系統根據排氣氧傳感器的反 饋精確控制空燃比；
[0017] 步驟三：天然氣發動機的速度或負荷發生變化時，電控系統首先調節電子節氣門 的開度，調整混合氣的流量；
[0018] 步驟四：進氣總管壓力傳感器實施採集進氣總管內的壓力並傳輸給電控系統，電 控系統根據進氣總管的壓力和隨動閥後天然氣壓力傳感器的反饋信號調整電控隨動調壓 閥使調壓閥後的壓力隨進氣總管的壓力而變化；
[0019] 步驟五：電控系統調整燃氣控制蝶閥的開度，根據標定的MAP圖控制天然氣流量， 實現對空燃比的開環控制；
[0020] 步驟六：電控系統根據排氣氧傳感器採集的排氣氧含量作為反饋信號，計算實際 空燃比，並將實際空燃比和MAP中的預設空燃比進行對比計算，調整燃氣控制蝶閥的開度， 實現空燃比的精確閉環控制。
[0021] 本發明的有益效果：
[0022] 本申請通過增加電控隨動調壓裝置，其功能是調節燃氣控制蝶閥前的天然氣其壓 力，使空燃比控制蝶閥前的天然氣壓力和進氣總管保持在一恆定的差值，以及空燃比控制 裝置，其通過測試排氣中的氧含量作為反饋信號或發動機電子節氣門開度、發動機轉速信 號，調節燃氣控制蝶閥的開度，實現空燃比的精確控制。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023] 圖1現有的天然氣發動機空燃比的調節系統示意圖；
[0024] 圖2本申請的天然氣發動機空燃比的調節系統示意圖；
[0025] 圖3本申請的天然氣發動機空燃比的調節流程示意圖；
[0026] 圖中，101壓縮天然氣瓶，102天然氣閥，103排氣氧傳感器，104發動機轉速傳感 器，105天然氣發動機，106增壓器，107中冷器，108空氣管路，109進氣總管，110中冷後空 氣壓力傳感器，111混合器，112電子節氣門，113電控噴射器，117第一天然氣壓力傳感器， 118天然氣過濾器，119天然氣減壓穩壓器，120電控系統E⑶，121天然氣管路，122進氣總 管壓力傳感器，123點火單元，214燃氣控制蝶閥，215第二天然氣壓力傳感器，216電控隨動 調壓閥。
【具體實施方式】：
[0027] 下面結合附圖對本發明進行詳細說明：
[0028] 如圖1所示，現有天然氣發動機空燃比的調節過程：發動機工作中打開天然氣閥 102,壓縮天然氣瓶101中儲存的高壓天然氣經天然氣減壓穩壓器119減壓後達到設計壓 力，經天然氣過濾器118從天然氣管路121流入電控噴射器113,電控系統E⑶120根據發動 機的運轉情況和排氣氧傳感器103的反饋計算天然氣噴射量，並控制電控噴射器113的脈 寬，達到控制空燃比的目的，天然氣/空氣在混合器112中混合，電控系統E⑶120控制電子 節氣門112的開度，以控制混合的總流量，混合氣在天然氣發動機105中，被點火單元123 點燃並對外做功，廢氣從發動機的排氣系統經後處理後排出。
[0029] 然而，根據該現有技術的天然氣發動機空燃比控制系統，電控系統ECU120控制電 控噴射器113的噴射脈寬控制天然氣的噴射量，實現對空燃比的控制，但是電控噴射器113 使用壽命較短，使用過程中需要定期更換，且電控噴射器113的流量一般較小，不適合氣缸 直徑較大的船用天然氣發動機。
[0030] 針對現有技術中的問題，本申請提出了一種全新的解決方案。根據該解決方案，增 壓器後天然氣/空氣混合天然氣發動機的空燃比控制採用電控隨動調壓裝置和燃氣控制 蝶閥耦合工作的方式，電控隨動調壓裝置根據進氣總管中的混合氣壓力，調節燃氣控制蝶 閥前的天然氣壓力，使天然氣的壓力始終高出進氣總管壓力一定數值；通過控制燃氣控制 蝶閥的開度控制天然氣的流量，實現對空燃比的精確控制，使發動機響應快，轉速穩定，性 能良好。
[0031] 如圖2所示，本發明的電控隨動調壓式天然氣發動機空燃比控制系統與現有技術 的技術中的天然氣發動機空燃比控制系統類似，該系統用燃氣控制蝶閥214取代了電控噴 射器113,還包括隨動閥後第二天然氣壓力傳感器215,電控隨動調壓閥216。
[0032] 電控隨動調壓式天然氣發動機空燃比控制系統，包括壓縮天然氣瓶101及電控系 統120,所述壓縮天然氣瓶101通過天然氣管路121與天然氣減壓穩壓器119相連，所述 天然氣減壓穩壓器119通過天然氣過濾器118與電控隨動調壓裝置相連，所述電控隨動調 壓裝置通過空燃比控制裝置與混合器111 一端相連，混合器111另一端依次與電子節氣門 112、進氣總管109及天然氣發動機105相連，混合器111的第三端通過空氣管路108依次 與中冷器107及增壓器106相連，所述天然氣發動機105還與排氣裝置相連，
[0033] 壓縮天然氣瓶101與天然氣減壓穩壓器119之間的管路上還安裝有天然氣閥102。
[0034] 天然氣過濾器118與電控隨動調壓裝置之間的管路上還安裝有第一天然氣壓力 傳感器117。
[0035] 電控隨動調壓裝置與空燃比控制裝置之間的管路上還安裝有第二天然氣壓力傳 感器215。
[0036] 混合器111與中冷器107之間的空氣管路108上還安裝有中冷後空氣壓力傳感器 110,所述進氣總管109上安裝有進氣總管壓力傳感器122,天然氣發動機105上安裝有發動 機轉速傳感器104,所述排氣裝置上安裝有排氣氧傳感器103。
[0037] 工作過程：電控隨動調壓裝置調節燃氣控制蝶閥前的天然氣其壓力，使燃氣控制 蝶閥前的天然氣壓力和進氣總管保持在一恆定的差值。發動機運行時，壓縮天然氣瓶101 中儲存的高壓天然氣經天然氣閥102,由減壓穩壓器119減壓後達到設計壓力，經天然氣過 濾器118流入電控隨動調壓閥216,電控系統ECU120根據進氣總管壓力傳感器122和隨動 閥後第二天然氣壓力傳感器215採集的壓力信號實時調整電控隨動調壓閥216,使燃氣控 制蝶閥214前的壓力始終高於進氣總管壓力一定數值，該數值根據需要設定。空燃比控制 裝置根據中冷後空氣壓力傳感器110和隨動閥後第二天然氣壓力傳感器215採集的壓力數 值，以及電子節氣門112的開度和發動機轉速信號，通過MAP圖計算燃氣控制蝶閥214的開 度，並通過排氣氧傳感器103反饋的排氣氧含量對燃氣控制蝶閥214開度進行修正，實現空 燃比的精確閉環控制。
[0038] 另外，電控系統E⑶220可以同時控制電控隨動調壓閥216,燃氣控制蝶閥214,以 根據天然氣發動機的運行情況控制空燃比，達到發動機穩定高效運行的目的
[0039] 電控隨動調壓閥216由電控系統ECU120控制，根據天然氣發動機進氣總管的壓力 作為主控制信號控制調壓閥後的壓力，以隨動閥後第二天然氣壓力傳感器215採集的壓力 信號作為反饋信號對調壓閥後的壓力進行修正和調整，提高壓力的控制精度。
[0040] 電控系統E⑶120控制電子節氣門112的開度控制進氣總管的壓力和混合氣流量， 電控系統ECU120通過耦合控制電控隨動調壓閥216後的天然氣壓力、燃氣控制蝶閥214開 度和電子節氣門112開度，實現對發動機轉速和扭矩的精確控制。
[0041] 根據電子節氣門212開度、發動機轉速及預先標定的MAP圖，可以實現對燃氣控制 蝶閥214的開環控制，也可以根據排氣氧傳感器203反饋的排氣氧含量實現對燃氣控制蝶 閥214的閉環控制。
[0042] 如圖3所示，電控隨動調壓式天然氣發動機空燃比控制方法，包括以下步驟：
[0043] 步驟S301，發動機起動運行過程控制中，電控系統E⑶120根據預先設定的MAP圖 控制電子節氣門112,燃氣控制蝶閥214的初始開度，電控隨動調壓閥216根據進氣總管的 壓力同步調節燃氣控制蝶閥214前的天然氣壓力，發動機開始起動。
[0044] 步驟S302,發動機剛起動後由於排氣溫度較低，排氣氧傳感器103還未起作用，不 能進入閉環控制模式，電控系統ECU120根據預先標定的MAP圖並結合進氣總管的壓力，以 開環模式耦合調節電子節氣門112,電控隨動調壓閥216和燃氣控制蝶閥214,使發動機穩 定在怠速運行，排氣達到一定溫度後，排氣氧傳感器103開始工作，進入閉環控制模式，電 控系統ECU120根據排氣氧傳感器103的反饋精確控制空燃比。
[0045] 步驟S303,天然氣發動機105的速度或負荷發生變化時，電控系統E⑶120首先調 節電子節氣門112的開度，調整混合氣的流量。
[0046] 步驟S304,進氣總管壓力傳感器122實施採集進氣總管內的壓力並傳輸給電控系 統ECU120,電控系統ECU120根據進氣總管的壓力和隨動閥後第二天然氣壓力傳感器115的 反饋信號調整電控隨動調壓閥216使調壓閥後的壓力所進氣總管的壓力而變化。
[0047] 步驟S305,電控系統E⑶120,調整燃氣控制蝶閥214的開度，根據標定的MAP圖控 制天然氣流量，實現對空燃比的開環控制。
[0048] 步驟S306,電控系統ECU120根據排氣氧傳感器103採集的排氣氧含量作為反饋信 號，計算實際空燃比，並將實際空燃比和MAP中的預設空燃比進行對比計算，調整燃氣控制 蝶閥214的開度，實現空燃比的精確閉環控制。
[0049] 另外，本控制策略僅速度或負荷發生變化時的例子進行了描述，在天然氣成分發 生變化時，利用預先制定的控制策略本發明同樣可以精確控制發動機的空燃比。
[0050] 需要說明的是，在上文中以天然氣發動機空燃比控制系統的例子對本發明進行了 描述。然而，本發明並不限於此，而是可以適用於採用現有的或者將來出現的其他氣體發動 機。
【權利要求】
1. 電控隨動調壓式天然氣發動機空燃比控制系統，其特徵是，包括燃氣供給裝置及電 控系統，所述燃氣供給裝置中的壓縮天然氣瓶通過天然氣管路與天然氣減壓穩壓器相連， 所述天然氣減壓穩壓器通過天然氣過濾器與電控隨動調壓裝置相連，所述電控隨動調壓裝 置通過空燃比控制裝置與混合器一端相連，混合器另一端依次與電子節氣門、進氣總管及 天然氣發動機相連，混合器的第三端通過空氣管路依次與中冷器及增壓器相連，所述天然 氣發動機還與排氣裝置相連，所述電控系統控制燃氣控制蝶閥的開度，控制天然氣的流量， 實現空氣和天然氣空燃比的精確控制，所述電控系統根據天然氣發動機進氣總管的壓力利 用電控隨動調壓裝置調節天然氣壓力，使燃氣控制蝶閥前的壓力和進氣總管壓力的壓差保 持在設定範圍內，以提高空燃比控制的響應性和精度。
2. 如權利要求1所述的電控隨動調壓式天然氣發動機空燃比控制系統，其特徵是，所 述電控隨動調壓裝置為電控隨動調壓閥，空燃比控制裝置為燃氣控制蝶閥。
3. 如權利要求2所述的電控隨動調壓式天然氣發動機空燃比控制系統，其特徵是，所 述壓縮天然氣瓶與天然氣減壓穩壓器之間的管路上還安裝有天然氣閥。
4. 如權利要求3所述的電控隨動調壓式天然氣發動機空燃比控制系統，其特徵是，所 述天然氣過濾器與電控隨動調壓裝置之間的管路上還安裝有第一天然氣壓力傳感器。
5. 如權利要求4所述的電控隨動調壓式天然氣發動機空燃比控制系統，其特徵是，所 述電控隨動調壓裝置與空燃比控制裝置之間的管路上還安裝有第二天然氣壓力傳感器。
6. 如權利要求5所述的電控隨動調壓式天然氣發動機空燃比控制系統，其特徵是，所 述混合器與中冷器之間的空氣管路上還安裝有中冷後空氣壓力傳感器，所述進氣總管上安 裝有進氣總管壓力傳感器，天然氣發動機上安裝有發動機轉速傳感器，所述排氣裝置上安 裝有排氣氧傳感器。
7. 如權利要求6所述的電控隨動調壓式天然氣發動機空燃比控制系統，其特徵是，所 述電控系統與第一天然氣壓力傳感器、第二天然氣壓力傳感器、排氣氧傳感器、電控隨動調 壓閥、燃氣控制蝶閥、中冷後空氣壓力傳感器、電子節氣門、排氣氧傳感器、發動機轉速傳感 器及進氣總管壓力傳感器相連。
8. 如權利要求1所述的電控隨動調壓式天然氣發動機空燃比控制系統的控制方法，其 特徵是，包括以下步驟： 步驟一：發動機起動運行，電控系統根據預先設定的MAP圖控制電子節氣門，燃氣控制 蝶閥的初始開度，電控隨動調壓閥根據進氣總管的壓力同步調節燃氣控制蝶閥前的天然氣 壓力，發動機開始起動； 步驟二：電控系統根據預先標定的MAP圖並結合進氣總管的壓力，以開環模式耦合調 節電子節氣門，電控隨動調壓閥和燃氣控制蝶閥，使發動機穩定在怠速運行，排氣達到一定 溫度後，排氣氧傳感器開始工作，進入閉環控制模式，電控系統根據排氣氧傳感器的反饋精 確控制空燃比； 步驟三：天然氣發動機的速度或負荷發生變化時，電控系統首先調節電子節氣門的開 度，調整混合氣的流量； 步驟四：進氣總管壓力傳感器實施採集進氣總管內的壓力並傳輸給電控系統，電控系 統根據進氣總管的壓力和隨動閥後天然氣壓力傳感器的反饋信號調整電控隨動調壓閥使 調壓閥後的壓力隨進氣總管的壓力而變化； 步驟五：電控系統調整燃氣控制蝶閥的開度，根據標定的MAP圖控制天然氣流量，實現 對空燃比的開環控制； 步驟六：電控系統根據排氣氧傳感器採集的排氣氧含量作為反饋信號，計算實際空燃 t匕，並將實際空燃比和MAP中的預設空燃比進行對比計算，調整燃氣控制蝶閥的開度，實現 空燃比的精確閉環控制。
【文檔編號】F02M21/02GK104121115SQ201410351714
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月23日 優先權日:2014年7月23日
【發明者】張強, 李娜, 劉振, 李孟涵, 於華, 馬相明 申請人:山東大學