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CN109404152B - 车用电控甲醇-柴油双燃料发动机燃料供给闭环控制方法 - Google Patents

车用电控甲醇-柴油双燃料发动机燃料供给闭环控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种车用电控甲醇‑柴油双燃料发动机燃料供给闭环控制方法，根据经不同频率滤波处理的非共振型爆震传感器信号调整甲醇和柴油的喷射量，从而在保证最大甲醇使用率的前提下，避免爆震现象，提高甲醇‑柴油双燃料发动机使用经济性和可靠性。

Description

车用电控甲醇-柴油双燃料发动机燃料供给闭环控制方法
技术领域
本发明属于车用发动机替代燃料应用领域，具体涉及一种基于爆震的闭环车用甲醇-柴油双燃料发动机燃料供给策略。
背景技术
由于柴油机碳烟排放量大，对大气环境造成了严重的危害，目前一种经济有效的解决方式是将柴油机改造成双燃料发动机。双燃料发动机是以活性不同的两种燃料耦合运行，低活性燃料(甲醇)以预混形式进入气缸，待活塞行至压缩上止点附近喷入高活性燃料(柴油)而实现共同燃烧，引入的低活性燃料可以有效降低发动机的碳烟排放，并且低活性燃料(甲醇)的价格要比高活性燃料(柴油)低，因此这种燃烧方式在降低排烟的同时，还可以有效降低柴油机的运营成本，因此具备很强的推广应用潜力。
为了提高甲醇-柴油双燃料发动机的使用经济性，一般的做法是尽可能增大甲醇对柴油的替代率，而过高的甲醇替代率，很容易造成双燃料发动机产生爆震，从而造成发动机的损坏。由于目前双燃料发动机燃料供给量的计算策略依然是沿用传统电控柴油机的以扭矩为目标，基于转速和油门踏板的开环控制方法，因此当发动机的实际运行状况不适合标定MAP中确定的最大甲醇替代率时，发动机很容易出现爆震，若使用较低甲醇替代率计算甲醇和柴油的喷射量，则不能提升发动机的使用经济性；因此对于双燃料发动机而言，亟需能够对甲醇替代率进行动态的闭环调整的控制策略。
对于甲醇-柴油双燃料发动机，针对不同负荷，适合采取不同的柴油喷射策略：在中低负荷，采取含有一次预喷射的双次喷射策略来减少发动机工作粗暴程度；高负荷下，适合采用单次喷射，减少污染物排放，这也是目前传统柴油机的喷射策略的选择。
目前国内车用电控双燃料发动机的相关专利主要集中在喷射器、燃料供给装置等硬件技术及电控系统整体设计领域，没有发现涉及到具体燃料供给策略的相关专利。此外，国内对于爆震的闭环控制技术相关专利集中在爆震信号的检测、爆震传感器结构方面，且主要应用在火花点燃式汽油机上，闭环的修正对象为点火提前角。
发明内容
本发明的目的在于提供一种车用电控甲醇-柴油双燃料发动机燃料供给闭环控制方法，该方法通过判断双燃料发动机爆震的发生，调整甲醇替代率，从而提高替代燃料(甲醇)的使用率，减少发动机爆震的工作时间。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种车用电控甲醇-柴油双燃料发动机燃料供给闭环控制方法，该闭环控制方法包括以下步骤：
根据发动机机体在不同柴油喷射模式下的爆震特征频率对爆震发生进行判定，并根据甲醇和柴油的热值，同步调整甲醇和柴油的喷射量，使发动机甲醇替代率最大化并能够快速脱离爆震，所述爆震特征频率是指发生爆震时发动机机体振动能量密度增强的频率。
优选的，所述闭环控制方法具体包括以下步骤：
1)根据甲醇-柴油双燃料发动机当前转速和油门开度，确定发动机工况及柴油和甲醇的基础喷射量；
2)根据甲醇-柴油双燃料发动机当前的柴油喷射模式，对由设置在甲醇-柴油双燃料发动机机体上的非共振型爆震传感器检测的振动信号进行滤波处理，得到所述发动机在所述柴油喷射模式的爆震特征频率下的振动信号v；
3)将经过步骤2)处理后得到的振动信号v与采用同样滤波处理后得到的所述发动机在所述柴油喷射模式下发生爆震时的振动信号vp进行比对；
4)若v大于vp的最大值，则判定为爆震发生，在保持发动机工况稳定的情况下，通过减少甲醇喷射量，并增加柴油喷射量对对应的基础喷射量进行调整，以消除爆震；反之，则通过增加甲醇喷射量，并减少柴油喷射量对对应的基础喷射量进行调整，以提高甲醇替代率。
优选的，所述柴油的基础喷射量和甲醇的基础喷射量均是通过台架试验，并根据甲醇-柴油双燃料发动机的转速和油门开度标定的。
优选的，所述柴油喷射模式包括单次喷射和双次喷射，在双次喷射模式下，柴油喷射量的增加或减少仅发生在主喷阶段。
优选的，所述发动机在所述柴油喷射模式下发生爆震时的振动信号Vp的最大值是通过台架试验标定。
优选的，所述甲醇-柴油双燃料发动机在燃料喷射时，每增加或减少0.5～1mg的柴油供给，同时就相应减少或增加1.1～2.2mg的甲醇供给。
一种车用电控甲醇-柴油双燃料发动机燃料供给闭环控制器，该控制器包括爆震判定模块和燃料喷射量调整模块；所述爆震判定模块用于根据发动机机体在不同柴油喷射模式下的爆震特征频率对爆震发生进行判定，燃料喷射量调整模块用于同步调整甲醇和柴油的喷射量，使发动机甲醇替代率最大化并能够快速脱离爆震，所述爆震特征频率是指发生爆震时发动机机体振动能量密度增强的频率。
优选的，所述控制器还包括非共振型爆震传感器及滤波模块，非共振型爆震传感器设置于甲醇-柴油双燃料发动机机体上，滤波模块用于将非共振型爆震传感器的检测信号按照选定的某柴油喷射模式下的爆震特征频率进行滤波处理。
优选的，所述爆震判定模块将经过滤波模块处理后得到的振动信号v与采用同样滤波处理后得到的所述发动机在所述柴油喷射模式下发生爆震时的振动信号vp进行比对；若比对结果为v大于vp的最大值，则判定为爆震发生。
本发明的有益效果体现在：
本发明根据不同频率滤波处理的振动特征信号调整对应喷射策略下甲醇和柴油的喷射量，使甲醇和柴油的喷射量根据发动机是否发生爆震进行动态调整，由此能最大程度提高甲醇的使用率，降低发动机运行成本。由于采取了振动特征信号判断爆震的发生，可以在发动机发生爆震后尽快脱离爆震，减少发动机受到爆震损害的时间，提高发动机的使用可靠性。
进一步的，本发明采用一只非共振型爆震传感器配合两套不同滤波频率(分别对应单次喷施、双次喷射)的滤波器判断甲醇-柴油双燃料发动机的爆震，判断准确，成本低廉。
附图说明
图1为通用振动传感器检测的试验甲醇-柴油双燃料发动机机体振动加速度功率密度的频率分布图；其中：(a)单次喷射；(b)双次喷射。
图2为甲醇-柴油双燃料发动机爆震闭环控制算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。
根据试验发现，甲醇-柴油双燃料发动机在甲醇替代率过高时，会出现爆震现象，且根据柴油喷射次数的不同，爆震时发动机机体振动特征频率有明显区别。如图1所示，在采用双次喷射策略下，当甲醇替代率过高出现爆震后，机体振动能量密度增强的频率范围与单次喷射策略相比，明显提高。也就是说，甲醇-柴油双燃料发动机发生爆震时，机体振动能量密度增强的频率范围因柴油喷射策略(单次或双次喷射)的不同而不同，针对不同的柴油喷射策略，可以在机体振动能量密度增强的频率范围(发动机工况对其影响可以忽略)中选出一个对应的振动特征频率，从而对双燃料发动机不同工况、不同柴油喷射策略下的爆震发生进行判断。显然，使用共振型爆震传感器或者单通道滤波的非共振型传感器，是不能检测不同柴油喷射策略所对应的不同振动特征频率的。
基于以上内容，本发明提出了基于爆震的车用甲醇-柴油双燃料发动机燃料供给闭环控制策略。该策略是以甲醇和柴油喷射量为目标的闭环控制；该策略以发动机油门开度和转速为输入量，以此确定发动机柴油喷射次数以及柴油和甲醇的基础喷射量；该策略的反馈信号为非共振型爆震传感器经滤波、放大处理后得到的输出电压V，在不同柴油喷射策略下，通过将V与双燃料发动机发生爆震时非共振型传感器经同样的滤波、放大处理后得到的最大输出电压VPL(单次喷射)或VPH(双次喷射)比对(VPL和VPH为预先标定)，判断是否发生爆震，并根据不同判断结果对双燃料发动机的甲醇和柴油喷射量进行修正。
基于以上闭环控制策略，本发明提出了基于爆震的车用甲醇-柴油双燃料发动机燃料供给闭环控制方法，包括以下步骤：
本发明为了实现燃料供给(甲醇替代率)闭环控制，利用一只非共振型爆震传感器，并在不同柴油喷射模式(单次或双次喷射)下，使用不同通过频率的滤波器进行传感器信号处理，提取对应柴油喷射模式的爆震特征频率下的发动机机体振动信号，进行爆震判定，并根据甲醇和柴油热值，同步调整燃料喷射量和喷射配比，最终在保证发动机工况稳定和甲醇替代率最大的前提下，快速脱离爆震状态。
上述燃料供给闭环控制方法的具体实现过程如下：
1)台架试验标定
爆震特征频率：通过台架试验，使用通用型振动传感器，测得目标甲醇-柴油双燃料发动机分别在单次、双次喷射模式下发动机机体发生爆震时振动能量密度增强的频率范围，并从该频率范围中选定振动特征频率，即得到爆震特征频率；
在发动机缸体上安装非共振型爆震传感器(与上述通用振动传感器安装位置一致)，非共振型爆震传感器信号输出端接有两套不同通过频率的带通滤波器FH(例如，通过频率为7200或9100Hz)和FL(例如，通过频率为4100Hz)，根据柴油喷射模式不同，选择处理非共振爆震传感器信号(电荷量)的滤波器(单次喷射模式下选择FL，双次喷射模式下选择FH)，处理过的信号经过电荷放大元件放大成为电压信号，并输出至ECU；据此，标定不同柴油喷射模式下，目标甲醇-柴油双燃料发动机发生爆震时非共振型爆震传感器信号对应的最大输出电压VPL(单次喷射)或VPH(双次喷射)；
根据发动机转速和油门开度，通过台架试验标定目标甲醇-柴油双燃料发动机的柴油基础喷射量和甲醇基础喷射量；基础喷射量的标定可以参考标定MAP的方式。
2)车辆行驶中发动机燃料供给闭环控制的算法流程(参见图2)
2.1)在目标甲醇-柴油双燃料发动机的第n个循环，ECU根据发动机当前转速和油门开度，确定发动机工况，通过查表，得出发动机的柴油喷射模式、柴油和甲醇的基础喷射量X和Y；
2.2)根据柴油喷射模式，使用对应的带通滤波器，对非共振型爆震传感器信号进行滤波处理，并放大为输出电压信号；
2.3)爆震传感器信号经处理后，ECU将输出电压V与标定好的VPL(或VPH)进行比对；
2.4)若V＞VPL(或V＞VPH)，则认为此时发生了爆震，根据甲醇(19.66MJ/kg)和柴油(42.5MJ/kg)的热值计算，在下一循环的燃料喷射中增加1mg/cycle的柴油供给，同时减少2.2mg/cycle的甲醇供给(甲醇和柴油二者同步调整以稳定发动机工况)；相反，则认为未发生爆震，在下一循环的燃料喷射中减少1mg/cycle的柴油供给，同时增加2.2mg/cycle的甲醇供给；
2.5)在第n+1个循环，重复步骤2.1)～2.4)。
需要注意的是，在双次喷射模式下，柴油供给量的变化仅发生在主喷阶段，从而使控制更简单。
本发明具有以下特点：
1)在工况不变的条件下，甲醇和柴油的喷射量是快速动态变化的，而非固定的按照MAP表格查询和插值计算；
2)不同柴油喷射策略下，爆震传感器信号采用不同的处理和判定，能更准确判断爆震；
3)只需安装一只非共振型爆震传感器，成本低廉，安装方便。
总之，本发明根据不同频率滤波处理的非共振型爆震传感器信号调整甲醇和柴油的喷射量，从而能在保证最大甲醇使用率的前提下，尽可能避免爆震现象，提高甲醇-柴油双燃料发动机使用经济性和可靠性。

Claims (8)

1.一种车用电控甲醇-柴油双燃料发动机燃料供给闭环控制方法，其特征在于：该闭环控制方法包括以下步骤：
根据发动机机体在不同柴油喷射模式下的爆震特征频率对爆震发生进行判定，并根据甲醇和柴油的热值，在保持发动机工况稳定的情况下，通过减少或增加甲醇喷射量，并相应增加或减少柴油喷射量对甲醇和柴油的喷射量进行调整，使发动机甲醇替代率最大化并快速脱离爆震，所述爆震特征频率是指发生爆震时发动机机体振动能量密度增强的频率。
2.根据权利要求1所述一种车用电控甲醇-柴油双燃料发动机燃料供给闭环控制方法，其特征在于：所述闭环控制方法具体包括以下步骤：
1)根据甲醇-柴油双燃料发动机当前转速和油门开度，确定发动机工况及柴油和甲醇的基础喷射量；
2)根据甲醇-柴油双燃料发动机当前柴油喷射模式，对由设置在甲醇-柴油双燃料发动机机体上的非共振型爆震传感器检测的振动信号进行滤波处理，得到所述发动机在所述柴油喷射模式的爆震特征频率下的振动信号v；
3)将经过步骤2)处理后得到的振动信号v与采用同样滤波处理后得到的所述发动机在所述柴油喷射模式下发生爆震时的振动信号vp进行比对；
4)若v大于vp的最大值，则判定为爆震发生，在保持发动机工况稳定的情况下，通过减少甲醇喷射量，并增加柴油喷射量对对应的基础喷射量进行调整，以消除爆震；反之，则通过增加甲醇喷射量，并减少柴油喷射量对对应的基础喷射量进行调整，以提高甲醇替代率。
3.根据权利要求2所述一种车用电控甲醇-柴油双燃料发动机燃料供给闭环控制方法，其特征在于：所述柴油和甲醇的基础喷射量是通过台架试验，根据甲醇-柴油双燃料发动机的转速和油门开度标定的。
4.根据权利要求2所述一种车用电控甲醇-柴油双燃料发动机燃料供给闭环控制方法，其特征在于：所述柴油喷射模式包括单次喷射和双次喷射，在双次喷射模式下，柴油喷射量的增加或减少发生在主喷阶段。
5.根据权利要求1或2所述一种车用电控甲醇-柴油双燃料发动机燃料供给闭环控制方法，其特征在于：所述甲醇-柴油双燃料发动机在燃料喷射时，每增加或减少0.5～1mg的柴油供给，同时就相应减少或增加1.1～2.2mg的甲醇供给。
6.一种车用电控甲醇-柴油双燃料发动机燃料供给闭环控制器，其特征在于：该控制器包括爆震判定模块和燃料喷射量调整模块；所述爆震判定模块用于根据发动机机体在不同柴油喷射模式下的爆震特征频率对爆震发生进行判定，燃料喷射量调整模块用于在保持发动机工况稳定的情况下，通过减少或增加甲醇喷射量，并相应增加或减少柴油喷射量对甲醇和柴油的喷射量进行调整，使发动机甲醇替代率最大化并快速脱离爆震，所述爆震特征频率是指发生爆震时发动机机体振动能量密度增强的频率。
7.根据权利要求6所述一种车用电控甲醇-柴油双燃料发动机燃料供给闭环控制器，其特征在于：所述控制器还包括非共振型爆震传感器及滤波模块，非共振型爆震传感器设置于甲醇-柴油双燃料发动机机体上，滤波模块用于将非共振型爆震传感器的检测信号按照选定的某柴油喷射模式下的爆震特征频率进行滤波处理。
8.根据权利要求7所述一种车用电控甲醇-柴油双燃料发动机燃料供给闭环控制器，其特征在于：所述爆震判定模块将经过滤波模块处理后得到的振动信号v与采用同样滤波处理后得到的所述发动机在所述柴油喷射模式下发生爆震时的振动信号vp进行比对；若比对结果为v大于vp的最大值，则判定为爆震发生。
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