CN104074634A - 一种天然气发动机双路燃气供给系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种天然气发动机双路燃气供给系统及方法，包括电控系统ECU、天然气发动机以及用于向天然气发动机供应混合气的燃气供给系统，所述燃气供给系统包括：主混合气供给系统和辅助混合气供给系统；所述主混合气供给系统和辅助混合气供给系统的流量分别由电控系统ECU控制；本发明有益效果：采用改善天然气发动机响应性的双路燃气供给系统，天然气发动机在负荷突加时，辅助混合气供给系统额外供给发动机一部分混合气，从而克服了传统进气总管喷射天然气发动机响应性慢，负荷突加时转速降低，扭矩下降的问题，改善了然气发动机的动力性和可靠性，提高了配置天然气发动机动力机械的操作性。
Description
技术领域
本发明涉及天然气发动机的技术领域，尤其涉及一种改善天然气发动机响应性的发动机双路燃气供给系统及方法。
背景技术
天然气是一种清洁燃料，除从天然气气田、油田伴生气田采集外，还可以从油母页岩或生物质能制取，具有来源广泛，价格低的优点，是一种理想的内燃机替代能源。目前，包括中国在内的世界各国政府都很重视天然气发动机的开发，以天然气发动机作为动力的机械在国民经济发展中扮演着越来越重要的角色。
进气总管单点混合的火花点火天然气发动机是目前保有量最大的天然气发动机。车用发动机和船用发动机的气源为压力气源，因此在增压车用发动机中一般采用增压器后单点混合的方式。单点混合天然气发动机的优点是天然气/空气混合较均匀，在燃烧过程中火焰各个方向的传播速度较均匀，燃烧室内部不会形成局部的过浓区和热负荷过高的区域。
这种天然气发动机的缺点是天然气的喷射量的调整由增压后空气的流量决定，而增压器的增压能力受排气中最大可用能的限制。发动机在负荷突加或节气门开度突然迅速增加时，由于受增压器响应性，进气在进排气系统中的响应性等方面的影响导致发动机响应差，出现转速降低，扭矩上升缓慢等问题。导致配置这种天然气发动机的动力车辆或船舶出现操作灵敏性低，工作不稳定等问题。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提出了一种天然气发动机双路燃气供给系统及方法，该系统及方法克服了传统进气总管喷射天然气发动机响应性慢，负荷突加时转速降低，扭矩下降的问题，提高了配置天然气发动机动力机械的操作性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种天然气发动机双路燃气供给系统，包括电控系统ECU、天然气发动机以及用于向天然气发动机供应混合气的燃气供给系统，其特征是，所述燃气供给系统包括：主混合气供给系统和辅助混合气供给系统；所述主混合气供给系统和辅助混合气供给系统的流量分别由电控系统ECU控制；
所述主混合气供给系统包括:天然气存储装置、减压器、稳压器、机械热交换器、电控喷射器及混合器通过天然气管路依次连接；增压器和中冷器通过空气管路连接后接入混合器；
天然气依次经过减压器、稳压器、机械热交换器、电控喷射器进入混合器；外界空气依次经过发动机增压器、中冷器进入混合器与天然气混合；
所述辅助混合气供给系统包括：压缩空气存储装置与辅助流量控制阀通过辅助空气管路连接后接入混合器；压缩空气经辅助流量控制阀进入混合器辅助增加空气流量；
还包括：
所述混合器经电子节气门与天然气发动机连接，所述电控喷射器与电子节气门分别与电控系统ECU连接。
所述机械热交换器与电控喷射器连接的管路上设置天然气流量计，所述天然气流量计与电控系统ECU连接。
所述中冷器与混合器连接的空气管路上设置空气流量计，所述空气流量计与电控系统ECU连接。
所述辅助流量控制阀与混合器连接的辅助空气管路上设置辅助空气流量计，所述辅助流量控制阀和辅助空气流量计分别与电控系统ECU连接。
所述压缩空气存储装置的出口处设置空气切断阀。
所述天然气发动机的排出气体经催化后处理器排出，在所述催化后处理器的出口处设置排气氧传感器，所述排气氧传感器与电控系统ECU连接。
一种天然气发动机双路燃气供给系统的方法，包括：
发动机稳定运行时，由主混合气供给系统为发动机提供混合气；电控系统ECU根据空气流量、发动机运转参数和预先标定的MAP图计算喷射量，控制电控喷射器喷出的天然气量；
发动机负荷发生变化并且与原来稳定运行时的发动机转速相比转速波动的值超过设定阈值时，由主混合气供给系统和辅助混合气供给系统共同为发动机提供混合气；电控系统ECU采集发动机转速的变化，控制电子节气门开度增加，并打开辅助空气流量控制阀，通过采集辅助空气的流量与发动机转速的变化，实时控制辅助混合气供给系统的混合气流量；
发动机转速稳定后，辅助混合器供给系统停止工作，主混合气供给系统继续为发动机提供混合气。
电控系统ECU同时控制主混合气供给系统的电子节气门和辅助混合器供给系统的辅助空气流量控制阀，根据发动机的运转工况控制总的天然气喷射量和空气流量。
本发明的有益效果是：
本发明采用改善天然气发动机响应性的双路燃气供给系统，天然气发动机在负荷突加时，辅助混合气供给系统额外供给发动机一部分混合气，从而克服了传统进气总管喷射天然气发动机响应性慢，负荷突加时转速降低，扭矩下降的问题，改善了然气发动机的动力性和可靠性，提高了配置天然气发动机动力机械的操作性。
附图说明
图1为现有技术中的天然气发动机燃气供给系统工作示意图；
图2为本发明天然气发动机双路燃气供给系统工作示意图；
图3为本发明天然气发动机双路燃气供给系统的方法流程图。
其中，201.天然气钢瓶，202.电控系统ECU，203.排气氧传感器，204.催化后处理器，205.天然气发动机，206.增压器，207.中冷器，208.压缩空气罐，209空气切断阀，210.辅助空气管路，211.空气管路，212.辅助空气流量控制阀，213.辅助空气流量计，214.空气流量计，215.电子节气门，216.混合器，217.电控喷射器，218.天然气流量计，219.机械热交换器，220.稳压器，221.天然气管路，222.天然气减压器，223.天然气切断阀。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：
图1所示为现有技术的天然气发动机燃气供给系统的示意图。该天然气发动机燃气供给系统可以包括天然气钢瓶201，电控系统ECU202，排气氧传感器203，催化后处理器204，天然气发动机205，增压器206，中冷器207，空气管路211，空气流量计214，电子节气门215，混合器216，电控喷射器217，天然气流量计218，机械热交换器219、稳压器220,天然气管路221，天然气减压器222，天然气切断阀223。
首先根据图1阐述天然气的供给过程，发动机工作中打开天然气切断阀223，天然气钢瓶201中储存的高压天然气经天然气减压器222减压后达到设计压力，从天然气管路221流入稳压器220，对天然气进行稳压，保持工作过程中压力的稳定，再进入机械热交换器219对天然气的温度进行粗略调整，然后流入电控喷射器217，电控系统ECU202根据发动机的运转情况和空气流量计214测量的空气流量计算天然气喷射量，喷射的天然气在混合器216中和空气混合，经电子节气门215，流入天然气发动机205中燃烧做功，为车辆提供动力，天然气发动机205燃烧的废气进入后处理系统204中进行进一步处理，排入大气中。空气的供给过程为经混合气在天然气发动机205燃烧做功后，进入排气管，排气具有一定的可用能，这部分可用能在增压器206的涡轮中对涡轮叶轮做功，带动增压器206的压气机对空气做功，空气的压力、温度升高，增压后的空气经中冷器207冷却后，通过空气管路211进入混合器216和喷射的天然气混合。
本发明专利以负荷突加为例描述天然气发动机的响应过程。天然气发动机为预混燃烧，其功率和转速的调节过程属于量调节，在进气过程中天然气发动机的电控单元ECU202根据空气流量计214所测量的空气流量、MAP标定的空燃比和转速信息计算出所需的基本天然气喷射量，基本喷射量再根据进气温度等参数修正，计算出实际喷射量，控制电控喷射器217向混合器喷射天然气。当负荷突加时使得天然气发动机205的转速降低，根据反馈的作用，电控系统ECU202应该增加天然气的喷射量，以提高发动机的对外做功能力，使转速回升到给定转速。
根据该现有技术的天然气发动机燃气供给系统，电控系统ECU202计算的喷射量由空气流量和MAP控制，MAP已经预先标定好，空气流量受电子节气门215的开度和增压器206的增压能力控制。电控系统ECU采集到反馈信息后，空气流量的增加受到增压器206的响应性、电子节气门215开度的响应性的影响，其中电子节气门215由电控系统ECU直接控制响应较快，增压器206的增压能力受进气、燃烧、排气的影响响应较慢。另外，空气增压后还需要流经较长的管路才能到混合器216前段。造成电控系统ECU接受到反馈信息要经过较长的时间才能对天然气的喷射量进行调节，发动机的动态响应性较慢。
本发明天然气发动机双路燃气供给系统如图2所示，天然气发动机的燃气供给系统采用主混合气供给系统和辅助混合气供给系统耦合工作的方式，主混合气供给系统在发动机稳定运行时将天然气和空气混合并供给天然气发动机205，辅助混合气供给系统通过补偿一定流量的空气和天然气，以改善发动机在负荷突加时的响应性，使发动机转速稳定，反应灵敏。
主混合气供给系统，在发动机稳定运行时将天然气和空气混合并供给发动机。发动机稳定运行时，经增压器206增压后空气在中冷器207中冷却后，经空气管路211进入混合器216和天然气混合，安装在空气管路211中的空气流量计214测量空气的流量，电控系统ECU202根据空气流量发动机转速等参数计算天然气喷射量，经电控喷射器217喷入混合器216中与空气混合，经过电子节气门215的控制后进入发动机燃烧做功。当天然气发动机205负荷突加时，电控系统ECU202采集到发动机转速的变化，经过运算后对发动机的电子节气门215和辅助空气流量控制阀212输出控制信号，增加电子节气门215的开度，辅助空气流量控制阀212打开，一部分辅助空气经辅助空气管路210进入混合器216中，辅助空气流量计213采集辅助空气的流量作为反馈信号，控制辅助空气的后续流量，电控系统ECU202根据总的空气计算出天然气喷射量，喷射进入混合器216和空气混合后进入天然气发动机205，发动机转速稳定后，辅助混合气供给系统停止工作，主混合气供给系统为天然气发动机205提供混合气。
电控系统ECU202同时控制主混合气供给系统的电子节气门215和辅助混合气供给系统的辅助空气流量控制阀212，以根据天然气发动机205的运转工况控制总的天然气喷射量和空气流量，达到改善天然气发动机205响应性的目的。
辅助混合气供给系统不依赖于发动机的增压器206的增压程度和响应性，由电控系统ECU202控制辅助空气流量控制阀212的开度和空气流量，向天然气发动机205供给额外的空气和天然气。
辅助混合气供给系统包括压缩空气罐208，经压缩后的压缩空气储存在压缩空气罐208中，并通过辅助空气管路210和辅助空气流量控制阀212后进入混合器216；在辅助空气流量控制阀212和混合器216之间设置空气流量计214。
所述主混合气供给系统所供给的天然气量由电控系统ECU202根据发动机的转速、扭矩参数等运转参数和预先标定的MAP图确定；所述辅助混合气供给系统根据主燃气供给装置电子节气门215的变化规律和发动机转速的变化率控制额外供给的空气量和天然气量。
此外，本发明提供了一种用于操作该天然气发动机双路燃气供给系统的控制方法，如图3所示。
在步骤S301，如果发动机是稳定运行的，电控系统ECU202控制电子节气门215的开度在稳定位置，采集发动机的转速、空气流量等，根据MAP标定的空燃比计算出天然气流量，喷入混合器216，使发动机稳定运转。
在步骤S302，天然气发动机的负荷发生变化，电控系统ECU根据转速的波动情况，及预设的阈值判断是否起动辅助燃气供给系统，如果负荷变化较慢，则由主混合气供给系统调节混合气的供给量。
在步骤S303，中如果转速波动的阈值超过预设值，则起动辅助燃气供给系统，主混合气供给系统和辅助燃气供给系统同时工作，在增压器206响应之前，供给额外的天然气和空气，提高发动机的响应性。
在步骤S304，天然气的进入稳定运行状态后，辅助燃气供给系统停止工作，进入等待状态。
另外，本控制策略仅以负荷突加的例子进行了描述，在节气开度突然变化较大幅度时，利用本发明的控制策略同样可以改善天然气发动机的响应性。
需要说明的是，在上文中以天然气发动机燃气供给系统的例子对本发明进行了描述。然而，本发明并不限于此，而是可以适用于采用现有的或者将来出现的其他气体发动机。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (9)
1.一种天然气发动机双路燃气供给系统，包括电控系统ECU、天然气发动机以及用于向天然气发动机供应混合气的燃气供给系统，其特征是，所述燃气供给系统包括：主混合气供给系统和辅助混合气供给系统；所述主混合气供给系统和辅助混合气供给系统的流量分别由电控系统ECU控制；
所述主混合气供给系统包括:天然气存储装置、减压器、稳压器、机械热交换器、电控喷射器及混合器通过天然气管路依次连接；增压器和中冷器通过空气管路连接后接入混合器；
天然气依次经过减压器、稳压器、机械热交换器、电控喷射器进入混合器；外界空气依次经过发动机增压器、中冷器进入混合器与天然气混合；
所述辅助混合气供给系统包括：压缩空气存储装置与辅助流量控制阀通过辅助空气管路连接后接入混合器；压缩空气经辅助流量控制阀进入混合器辅助增加空气流量。
2.如权利要求1所述的一种天然气发动机双路燃气供给系统，其特征是，还包括：
所述混合器经电子节气门与天然气发动机连接，所述电控喷射器与电子节气门分别与电控系统ECU连接。
3.如权利要求1所述的一种天然气发动机双路燃气供给系统，其特征是，所述机械热交换器与电控喷射器连接的管路上设置天然气流量计，所述天然气流量计与电控系统ECU连接。
4.如权利要求1所述的一种天然气发动机双路燃气供给系统，其特征是，所述中冷器与混合器连接的空气管路上设置空气流量计，所述空气流量计与电控系统ECU连接。
5.如权利要求1所述的一种天然气发动机双路燃气供给系统，其特征是，所述辅助流量控制阀与混合器连接的辅助空气管路上设置辅助空气流量计，所述辅助流量控制阀和辅助空气流量计分别与电控系统ECU连接。
6.如权利要求1所述的一种天然气发动机双路燃气供给系统，其特征是，所述压缩空气存储装置的出口处设置空气切断阀。
7.如权利要求1所述的一种天然气发动机双路燃气供给系统，其特征是，所述天然气发动机的排出气体经催化后处理器排出，在所述催化后处理器的出口处设置排气氧传感器，所述排气氧传感器与电控系统ECU连接。
8.一种如权利要求1所述的天然气发动机双路燃气供给系统的方法，其特征是，包括：
发动机稳定运行时，由主混合气供给系统为发动机提供混合气；电控系统ECU根据空气流量、发动机运转参数和预先标定的MAP图计算喷射量，控制电控喷射器喷出的天然气量；
发动机负荷发生变化并且与原来稳定运行时的发动机转速相比转速波动的值超过设定阈值时，由主混合气供给系统和辅助混合气供给系统共同为发动机提供混合气；电控系统ECU采集发动机转速的变化，控制电子节气门开度增加，并打开辅助空气流量控制阀，通过采集辅助空气的流量与发动机转速的变化，实时控制辅助混合气供给系统的混合气流量；
发动机转速稳定后，辅助混合器供给系统停止工作，主混合气供给系统继续为发动机提供混合气。
9.如权利要求8所述的一种天然气发动机双路燃气供给系统的方法，其特征是，电控系统ECU同时控制主混合气供给系统的电子节气门和辅助混合器供给系统的辅助空气流量控制阀，根据发动机的运转工况控制总的天然气喷射量和空气流量。
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