CN104121115B - 电控随动调压式天然气发动机空燃比控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电控随动调压式天然气发动机空燃比控制系统及控制方法，包括燃气供给装置，其中的压缩天然气瓶通过天然气管路与天然气减压稳压器相连，天然气减压稳压器通过天然气过滤器与电控随动调压装置相连，电控随动调压装置通过空燃比控制装置与混合器一端相连，混合器另一端依次与电子节气门、进气总管及天然气发动机相连，混合器的第三端通过空气管路与中冷器及增压器相连，电控系统控制燃气控制蝶阀的开度，控制天然气的流量，实现空气和天然气空燃比的精确控制，电控系统根据天然气发动机进气总管的压力利用电控随动调压装置调节天然气压力，使燃气控制蝶阀前的压力和进气总管压力的压差保持在设定范围内，提高空燃比控制的响应性和精度。

Description

电控随动调压式天然气发动机空燃比控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及天然气发动机的技术领域，特别地涉及提高空燃比控制精度的电控随动调压式天然气发动机空燃比控制系统及用于该控制系统的方法。

背景技术

天然气是一种清洁燃料，燃烧过程中几乎无碳烟生成，发动机燃用天然气排放低，同时具有来源广泛，价格低的有优点，是一种理想的内燃机替代能源。

目前我国的船用发动机几乎都是柴油机，运行过程中对水系造成污染，推广船用天然气发动机成为控制内河及各水系污染的重要措施。船用发动机的气源为压力气源，因此在增压船用发动机中可采用增压器后单点混合或多点混合的方式。单点混合天然气发动机具有可燃气混合均匀，易于组织燃烧的优点。

目前车用增压后单点式混合天然气发动机多采用电控喷射阀控制天然气的喷射量以实现对空燃比的控制，但是喷射阀存在磨损问题寿命短，使用过程中需要经常更换，造成使用成本升高，且电控喷射阀的流量一般较小，不适合气缸直径较大的船用天然气发动机。而普通膜片式混合器对天然气的控制精度低，不适合增压后天然气/空气混合的发动机。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了电控随动调压式天然气发动机空燃比控制系统及控制方法，本发明通过调节燃气控制蝶阀前的天然气压力，使燃气控制蝶阀前的天然气压力和进气总管保持在一恒定的差值，还通过测试排气中的氧含量作为反馈信号或利用发动机电子节气门开度、发动机转速信号，调节燃气控制蝶阀的开度，实现空燃比的精确控制。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

电控随动调压式天然气发动机空燃比控制系统，包括燃气供给装置及电控系统，所述燃气供给装置中的压缩天然气瓶通过天然气管路与天然气减压稳压器相连，所述天然气减压稳压器通过天然气过滤器与电控随动调压装置相连，所述电控随动调压装置通过空燃比控制装置与混合器一端相连，混合器另一端依次与电子节气门、进气总管及天然气发动机相连，混合器的第三端通过空气管路依次与中冷器及增压器相连，所述天然气发动机还与排气装置相连，所述电控系统控制燃气控制蝶阀的开度，控制天然气的流量，实现空气和天然气空燃比的精确控制，所述电控系统根据天然气发动机进气总管的压力利用电控随动调压装置调节天然气压力，使燃气控制蝶阀前的压力和进气总管压力的压差保持在设定范围内，以提高空燃比控制的响应性和精度。

所述电控随动调压装置为电控随动调压阀，空燃比控制装置为燃气控制蝶阀。

所述压缩天然气瓶与天然气减压稳压器之间的管路上还安装有天然气阀。

所述天然气过滤器与电控随动调压装置之间的管路上还安装有第一天然气压力传感器。

所述电控随动调压装置与空燃比控制装置之间的管路上还安装有第二天然气压力传感器。

所述混合器与中冷器之间的空气管路上还安装有中冷后空气压力传感器，所述进气总管上安装有进气总管压力传感器，天然气发动机上安装有发动机转速传感器，所述排气装置上安装有排气氧传感器。

所述电控系统与第一天然气压力传感器、第二天然气压力传感器、排气氧传感器、电控随动调压阀、燃气控制蝶阀、中冷后空气压力传感器、电子节气门、排气氧传感器、发动机转速传感器及进气总管压力传感器相连。

电控随动调压式天然气发动机空燃比控制方法，包括以下步骤：

步骤一：发动机起动运行，电控系统根据预先设定的MAP图控制电子节气门，燃气控制蝶阀的初始开度，电控随动调压阀根据进气总管的压力同步调节燃气控制蝶阀前的天然气压力，发动机开始起动；

步骤二：电控系统根据预先标定的MAP图并结合进气总管的压力，以开环模式耦合调节电子节气门，电控随动调压阀和燃气控制蝶阀，使发动机稳定在怠速运行，排气达到一定温度后，排气氧传感器开始工作，进入闭环控制模式，电控系统根据排气氧传感器的反馈精确控制空燃比；

步骤三：天然气发动机的速度或负荷发生变化时，电控系统首先调节电子节气门的开度，调整混合气的流量；

步骤四：进气总管压力传感器实施采集进气总管内的压力并传输给电控系统，电控系统根据进气总管的压力和随动阀后天然气压力传感器的反馈信号调整电控随动调压阀使调压阀后的压力随进气总管的压力而变化；

步骤五：电控系统调整燃气控制蝶阀的开度，根据标定的MAP图控制天然气流量，实现对空燃比的开环控制；

步骤六：电控系统根据排气氧传感器采集的排气氧含量作为反馈信号，计算实际空燃比，并将实际空燃比和MAP中的预设空燃比进行对比计算，调整燃气控制蝶阀的开度，实现空燃比的精确闭环控制。

本发明的有益效果：

本申请通过增加电控随动调压装置，其功能是调节燃气控制蝶阀前的天然气其压力，使空燃比控制蝶阀前的天然气压力和进气总管保持在一恒定的差值，以及空燃比控制装置，其通过测试排气中的氧含量作为反馈信号或发动机电子节气门开度、发动机转速信号，调节燃气控制蝶阀的开度，实现空燃比的精确控制。

附图说明

图1现有的天然气发动机空燃比的调节系统示意图；

图2本申请的天然气发动机空燃比的调节系统示意图；

图3本申请的天然气发动机空燃比的调节流程示意图；

图中，101压缩天然气瓶，102天然气阀，103排气氧传感器，104发动机转速传感器，105天然气发动机，106增压器，107中冷器，108空气管路，109进气总管，110中冷后空气压力传感器，111混合器，112电子节气门，113电控喷射器，117第一天然气压力传感器，118天然气过滤器，119天然气减压稳压器，120电控系统ECU，121天然气管路，122进气总管压力传感器，123点火单元，214燃气控制蝶阀，215第二天然气压力传感器，216电控随动调压阀。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

如图1所示，现有天然气发动机空燃比的调节过程：发动机工作中打开天然气阀102，压缩天然气瓶101中储存的高压天然气经天然气减压稳压器119减压后达到设计压力，经天然气过滤器118从天然气管路121流入电控喷射器113，电控系统ECU120根据发动机的运转情况和排气氧传感器103的反馈计算天然气喷射量，并控制电控喷射器113的脉宽，达到控制空燃比的目的，天然气/空气在混合器112中混合，电控系统ECU120控制电子节气门112的开度，以控制混合的总流量，混合气在天然气发动机105中，被点火单元123点燃并对外做功，废气从发动机的排气系统经后处理后排出。

然而，根据该现有技术的天然气发动机空燃比控制系统，电控系统ECU120控制电控喷射器113的喷射脉宽控制天然气的喷射量，实现对空燃比的控制，但是电控喷射器113使用寿命较短，使用过程中需要定期更换，且电控喷射器113的流量一般较小，不适合气缸直径较大的船用天然气发动机。

针对现有技术中的问题，本申请提出了一种全新的解决方案。根据该解决方案，增压器后天然气/空气混合天然气发动机的空燃比控制采用电控随动调压装置和燃气控制蝶阀耦合工作的方式，电控随动调压装置根据进气总管中的混合气压力，调节燃气控制蝶阀前的天然气压力，使天然气的压力始终高出进气总管压力一定数值；通过控制燃气控制蝶阀的开度控制天然气的流量，实现对空燃比的精确控制，使发动机响应快，转速稳定，性能良好。

如图2所示，本发明的电控随动调压式天然气发动机空燃比控制系统与现有技术的技术中的天然气发动机空燃比控制系统类似，该系统用燃气控制蝶阀214取代了电控喷射器113，还包括随动阀后第二天然气压力传感器215，电控随动调压阀216。

电控随动调压式天然气发动机空燃比控制系统，包括压缩天然气瓶101及电控系统120，所述压缩天然气瓶101通过天然气管路121与天然气减压稳压器119相连，所述天然气减压稳压器119通过天然气过滤器118与电控随动调压装置相连，所述电控随动调压装置通过空燃比控制装置与混合器111一端相连，混合器111另一端依次与电子节气门112、进气总管109及天然气发动机105相连，混合器111的第三端通过空气管路108依次与中冷器107及增压器106相连，所述天然气发动机105还与排气装置相连，

压缩天然气瓶101与天然气减压稳压器119之间的管路上还安装有天然气阀102。

天然气过滤器118与电控随动调压装置之间的管路上还安装有第一天然气压力传感器117。

电控随动调压装置与空燃比控制装置之间的管路上还安装有第二天然气压力传感器215。

混合器111与中冷器107之间的空气管路108上还安装有中冷后空气压力传感器110，所述进气总管109上安装有进气总管压力传感器122，天然气发动机105上安装有发动机转速传感器104，所述排气装置上安装有排气氧传感器103。

工作过程：电控随动调压装置调节燃气控制蝶阀前的天然气其压力，使燃气控制蝶阀前的天然气压力和进气总管保持在一恒定的差值。发动机运行时，压缩天然气瓶101中储存的高压天然气经天然气阀102，由减压稳压器119减压后达到设计压力，经天然气过滤器118流入电控随动调压阀216，电控系统ECU120根据进气总管压力传感器122和随动阀后第二天然气压力传感器215采集的压力信号实时调整电控随动调压阀216，使燃气控制蝶阀214前的压力始终高于进气总管压力一定数值，该数值根据需要设定。空燃比控制装置根据中冷后空气压力传感器110和随动阀后第二天然气压力传感器215采集的压力数值，以及电子节气门112的开度和发动机转速信号，通过MAP图计算燃气控制蝶阀214的开度，并通过排气氧传感器103反馈的排气氧含量对燃气控制蝶阀214开度进行修正，实现空燃比的精确闭环控制。

另外，电控系统ECU120可以同时控制电控随动调压阀216，燃气控制蝶阀214，以根据天然气发动机的运行情况控制空燃比，达到发动机稳定高效运行的目的。

电控随动调压阀216由电控系统ECU120控制，根据天然气发动机进气总管的压力作为主控制信号控制调压阀后的压力，以随动阀后第二天然气压力传感器215采集的压力信号作为反馈信号对调压阀后的压力进行修正和调整，提高压力的控制精度。

电控系统ECU120控制电子节气门112的开度控制进气总管的压力和混合气流量，电控系统ECU120通过耦合控制电控随动调压阀216后的天然气压力、燃气控制蝶阀214开度和电子节气门112开度，实现对发动机转速和扭矩的精确控制。

根据电子节气门212开度、发动机转速及预先标定的MAP图，可以实现对燃气控制蝶阀214的开环控制，也可以根据排气氧传感器203反馈的排气氧含量实现对燃气控制蝶阀214的闭环控制。

如图3所示，电控随动调压式天然气发动机空燃比控制方法，包括以下步骤：

步骤S301，发动机起动运行过程控制中，电控系统ECU120根据预先设定的MAP图控制电子节气门112，燃气控制蝶阀214的初始开度，电控随动调压阀216根据进气总管的压力同步调节燃气控制蝶阀214前的天然气压力，发动机开始起动。

步骤S302，发动机刚起动后由于排气温度较低，排气氧传感器103还未起作用，不能进入闭环控制模式，电控系统ECU120根据预先标定的MAP图并结合进气总管的压力，以开环模式耦合调节电子节气门112，电控随动调压阀216和燃气控制蝶阀214，使发动机稳定在怠速运行，排气达到一定温度后，排气氧传感器103开始工作，进入闭环控制模式，电控系统ECU120根据排气氧传感器103的反馈精确控制空燃比。

步骤S303，天然气发动机105的速度或负荷发生变化时，电控系统ECU120首先调节电子节气门112的开度，调整混合气的流量。

步骤S304，进气总管压力传感器122实施采集进气总管内的压力并传输给电控系统ECU120，电控系统ECU120根据进气总管的压力和随动阀后第二天然气压力传感器115的反馈信号调整电控随动调压阀216使调压阀后的压力所进气总管的压力而变化。

步骤S305，电控系统ECU120，调整燃气控制蝶阀214的开度，根据标定的MAP图控制天然气流量，实现对空燃比的开环控制。

步骤S306，电控系统ECU120根据排气氧传感器103采集的排气氧含量作为反馈信号，计算实际空燃比，并将实际空燃比和MAP中的预设空燃比进行对比计算，调整燃气控制蝶阀214的开度，实现空燃比的精确闭环控制。

另外，本控制策略仅速度或负荷发生变化时的例子进行了描述，在天然气成分发生变化时，利用预先制定的控制策略本发明同样可以精确控制发动机的空燃比。

需要说明的是，在上文中以天然气发动机空燃比控制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。

Claims (8)

1.电控随动调压式天然气发动机空燃比控制系统，其特征是，包括燃气供给装置及电控系统，所述燃气供给装置中的压缩天然气瓶通过天然气管路与天然气减压稳压器相连，所述天然气减压稳压器通过天然气过滤器与电控随动调压装置相连，所述电控随动调压装置通过空燃比控制装置与混合器一端相连，混合器另一端依次与电子节气门、进气总管及天然气发动机相连，混合器的第三端通过空气管路依次与中冷器及增压器相连，所述天然气发动机还与排气装置相连，所述电控系统控制燃气控制蝶阀的开度，控制天然气的流量，实现空气和天然气空燃比的精确控制，所述电控系统根据天然气发动机进气总管的压力利用电控随动调压装置调节天然气压力，使燃气控制蝶阀前的压力和进气总管压力的压差保持在设定范围内，以提高空燃比控制的响应性和精度。

2.如权利要求1所述的电控随动调压式天然气发动机空燃比控制系统，其特征是，所述电控随动调压装置为电控随动调压阀，空燃比控制装置为燃气控制蝶阀。

3.如权利要求2所述的电控随动调压式天然气发动机空燃比控制系统，其特征是，所述压缩天然气瓶与天然气减压稳压器之间的管路上还安装有天然气阀。

4.如权利要求3所述的电控随动调压式天然气发动机空燃比控制系统，其特征是，所述天然气过滤器与电控随动调压装置之间的管路上还安装有第一天然气压力传感器。

5.如权利要求4所述的电控随动调压式天然气发动机空燃比控制系统，其特征是，所述电控随动调压装置与空燃比控制装置之间的管路上还安装有第二天然气压力传感器。

6.如权利要求5所述的电控随动调压式天然气发动机空燃比控制系统，其特征是，所述混合器与中冷器之间的空气管路上还安装有中冷后空气压力传感器，所述进气总管上安装有进气总管压力传感器，天然气发动机上安装有发动机转速传感器，所述排气装置上安装有排气氧传感器。

7.如权利要求6所述的电控随动调压式天然气发动机空燃比控制系统，其特征是，所述电控系统与第一天然气压力传感器、第二天然气压力传感器、排气氧传感器、电控随动调压阀、燃气控制蝶阀、中冷后空气压力传感器、电子节气门、排气氧传感器、发动机转速传感器及进气总管压力传感器相连。

8.如权利要求1所述的电控随动调压式天然气发动机空燃比控制系统的控制方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤一：发动机起动运行，电控系统根据预先设定的MAP图控制电子节气门，燃气控制蝶阀的初始开度，电控随动调压阀根据进气总管的压力同步调节燃气控制蝶阀前的天然气压力，发动机开始起动；

步骤二：电控系统根据预先标定的MAP图并结合进气总管的压力，以开环模式耦合调节电子节气门，电控随动调压阀和燃气控制蝶阀，使发动机稳定在怠速运行，排气达到一定温度后，排气氧传感器开始工作，进入闭环控制模式，电控系统根据排气氧传感器的反馈精确控制空燃比；

步骤三：天然气发动机的速度或负荷发生变化时，电控系统首先调节电子节气门的开度，调整混合气的流量；

步骤四：进气总管压力传感器实施采集进气总管内的压力并传输给电控系统，电控系统根据进气总管的压力和随动阀后天然气压力传感器的反馈信号调整电控随动调压阀使调压阀后的压力随进气总管的压力而变化；

步骤五：电控系统调整燃气控制蝶阀的开度，根据标定的MAP图控制天然气流量，实现对空燃比的开环控制；

步骤六：电控系统根据排气氧传感器采集的排气氧含量作为反馈信号，计算实际空燃比，并将实际空燃比和MAP中的预设空燃比进行对比计算，调整燃气控制蝶阀的开度，实现空燃比的精确闭环控制。