一种通过掺醇降低天然气发动机热负荷的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种通过掺醇降低天然气发动机热负荷的装置及方法，以宽域氧传感器测量的实际过量空气系数进行天然气、醇类燃料喷射量的闭环控制，使发动机平稳运行于目标过量空气系数和任意醇类燃料掺烧比例下，从而可以通过掺醇的方式来降低天然气发动机的热负荷，为进一步提高发动机的压缩比创造条件，进而增加天然气发动机的热效率、降低碳氢排放。

A device and method to reduce the heat load of natural gas engine by adding alcohol

【技术实现步骤摘要】
一种通过掺醇降低天然气发动机热负荷的装置及方法
本专利技术属于发动机替代燃料
，具体涉及一种通过掺醇降低天然气发动机热负荷的控制系统。
技术介绍
能源和环境问题的日趋严峻，促使内燃机节能减排的理论和技术不断进步。高效、清洁和节能是先进内燃机的发展目标。采用低碳燃料结合先进的燃烧技术是实现内燃机节能减排的重要途径之一。天然气和醇类燃料是两种极具发展潜力的低碳燃料。天然气由于其储量大、辛烷值高、颗粒物排放低、价格便宜，在点燃式和压燃式发动机上得到广泛的应用。天然气发动机面临着以下问题：首先，天然气为气体燃料，密度小，进气道喷射会占用一部分新鲜空气的体积，致使发动机充量下降，功率降低；其次，天然气的火焰传播速度较小，点火能量较高，致使快速燃烧期加长，燃烧等容度降低，进而使得发动机的热效率降低；此外，面对日趋严格的排放法规，天然气发动机大多采用当量比燃烧的方式，在此种燃烧方式下混合气浓度较高，发动机缸内燃烧温度较高，导致缸内热负荷和排温较高，发动机有效热效率降低。醇类燃料包括甲醇、乙醇、正丁醇。甲醇不仅可以以煤炭和生物质为原料合成，还可通过捕捉空气中的CO2并加氢合成；乙醇也可以以生物质为原料合成；正丁醇也可以以化石燃料及生物质为原料合成。醇类燃料(甲醇、乙醇和正丁醇)常温常压下为液态，易于储存和运输；醇类燃料具有较大的汽化潜热，进气道喷射或缸内喷射后可以使发动机的进气温度降低，有利于增加发动机充量、降低缸内燃烧温度和降低发动机的热负荷；醇类燃料的火焰传播速度较大，点火能量较低，能够增加燃烧的等容度，从而有利于发动机有效热效率的提升；醇类燃料为含氧燃料，燃烧更加充分，从而降低有害排放物，天然气掺烧醇类燃料后混合气的燃烧速度加快，也能进一步降低未燃碳氢排放。尽管天然气和醇类燃料(甲醇、乙醇和正丁醇)在燃烧特性方面具有互补性，但由于根据加注的不同醇类燃料(甲醇、乙醇、正丁醇)灵活调整ECU控制策略存在一定难度，天然气发动机目前还是主要以掺烧甲醇为主(例如，201410498626.X)，而且针对掺烧甲醇的控制策略以发动机温度作为反馈信号，对甲醇的掺烧比例无精确控制，无法保证发动机稳定工作。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种通过掺醇降低天然气发动机热负荷的装置及方法。为实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种通过掺醇降低天然气发动机热负荷的装置，该装置包括电控系统以及执行器，所述执行器包括分别设置在发动机节气门远离气缸侧(节气门前)和靠近气缸侧(节气门后)的天然气喷嘴和醇类燃料喷嘴，电控系统包括ECU以及与ECU相连的用于分别测量发动机转速、发动机运行相位和正时、发动机进气温度和压力及发动机排气氧浓度的传感器，ECU根据实际过量空气系数(λactual)对参照目标醇类能量替代率(AESR)和目标过量空气系数(λtheory)确定的天然气喷射量、醇类燃料喷射量分别进行修正后生成用于分别控制天然气喷嘴、醇类燃料喷嘴的喷射脉宽。优选的，所述执行器还包括设置在发动机气缸上的火花塞，火花塞通过点火线圈驱动模块与ECU相连。优选的，所述装置还包括与ECU相连的醇类燃料选择开关。优选的，所述醇类能量替代率(AESR)表示为：其中，malco为醇类燃料的瞬时质量流量，halco为醇类燃料的低热值，mNG为天然气的瞬时质量流量，hNG为天然气的低热值。优选的，所述天然气喷射量表示为：所述醇类燃料喷射量表示为：其中，αNG为天然气的化学计量空燃比，αalco为醇类燃料的化学计量空燃比，为当前循环进气量，malco_feedforward为醇类燃料的前馈喷射量，mNG_feedforward为天然气的前馈喷射量，为发动机单个气缸吸入的空气量。优选的，所述修正是指将修正系数分别与天然气喷射量、醇类燃料喷射量相乘，所述修正系数表示为：其中，ks为PID控制算法的输出值，ffeedback为反馈修正系数，t表示当前循环，t-1表示上一循环。优选的，所述醇类燃料选自甲醇、乙醇或正丁醇。一种通过掺醇降低天然气发动机热负荷的方法，包括以下步骤：在发动机的当前循环中，根据实际过量空气系数(λactual)对参照目标醇类能量替代率(AESR)和目标过量空气系数(λtheory)确定的天然气喷射量、醇类燃料喷射量分别进行修正，从而使发动机平稳运行于目标过量空气系数(λtheory)和任意醇类燃料掺烧比例下。优选的，上述通过掺醇降低天然气发动机热负荷的方法具体包括以下步骤：1)采用纯天然气模式起动发动机，待发动机起动完成后切换到天然气/醇类双燃料模式；2)在给定发动机负荷的条件下，根据节气门后的进气温度和压力信号，利用速度密度法计算当前循环的进气量，根据计算的进气量及设定的过量空气系数(即λtheory)和设定的醇类能量替代率(即AESR)并结合天然气及醇类燃料的低热值和化学计量空燃比计算出当前循环需要喷射的天然气和醇类燃料的质量，即得到用于前馈控制的天然气和醇类燃料的基本喷射量；3)由于天然气和醇类燃料喷嘴的老化及各个喷嘴之间的差异，当前循环吸入的空气和所喷射的燃料未必满足设定的过量空气系数，通过测量上一循环排气中的氧浓度从而得到实际过量空气系数(λactual)，根据实际过量空气系数(λactual)与设定的过量空气系数(即λtheory)的偏差计算天然气和醇类燃料喷射量的修正系数，根据修正系数及天然气和醇类燃料的基本喷射量分别计算用于反馈控制的天然气和醇类燃料的修正喷射量，将相应的修正喷射量转换为喷射脉宽。优选，所述修正喷射量是修正系数与相应基本喷射量的乘积。本专利技术的有益效果体现在：本专利技术通过对过量空气系数和醇类能量替代率进行精确控制，可根据发动机控制策略的需要实现醇类燃料任意比例替代，不仅能够通过掺烧醇类燃料的方式降低天然气发动机的热负荷(为进一步提高发动机的压缩比创造条件，进而增加天然气发动机的热效率)，还能够增加燃烧的等容度，从而进一步增加发动机的有效热效率和降低碳氢排放。本专利技术能够保证发动机稳定工作运行，并拓宽醇类燃料的选择范围(例如，甲醇、乙醇、正丁醇)。附图说明图1为本专利技术实施例中的发动机控制系统的结构示意图；图2为本专利技术实施例中的发动机控制方法的流程图；图中：1为压力调节器，2为质量流量计，3为天然气喷嘴，4为醇类燃料共轨，5为点火线圈驱动模块，6为调压阀，7为天然气过滤器，8为天然气压缩气瓶，9为燃料空气混合器，10为节气门，11为进气温度压力传感器，12为醇类燃料喷嘴，13为火花塞，14为空气滤清器，15为涡轮增压器，16为涡后温度传感器，17为涡前温度传感器，18为凸轮轴位置传感器，19冷却液温度传感器，20为电子控制单元，21为宽域氧传感器，22为机体，23为曲轴位置传感器，24为蓄电池，25为醇类燃料储存罐，26为醇类燃料泵，27为醇类燃料选择开关。具体实施方式...

【技术保护点】
1.一种通过掺醇降低天然气发动机热负荷的装置，其特征在于：该装置包括电控系统以及执行器，所述执行器包括天然气喷嘴(3)和醇类燃料喷嘴(12)，电控系统包括ECU以及与ECU相连的用于分别测量发动机转速、发动机运行相位和正时、发动机进气温度和压力及发动机排气氧浓度的传感器，ECU根据实际过量空气系数对参照醇类能量替代率和目标过量空气系数确定的天然气喷射量、醇类燃料喷射量分别进行修正后生成用于分别控制天然气喷嘴(3)、醇类燃料喷嘴(12)的喷射脉宽。/n

【技术特征摘要】
1.一种通过掺醇降低天然气发动机热负荷的装置，其特征在于：该装置包括电控系统以及执行器，所述执行器包括天然气喷嘴(3)和醇类燃料喷嘴(12)，电控系统包括ECU以及与ECU相连的用于分别测量发动机转速、发动机运行相位和正时、发动机进气温度和压力及发动机排气氧浓度的传感器，ECU根据实际过量空气系数对参照醇类能量替代率和目标过量空气系数确定的天然气喷射量、醇类燃料喷射量分别进行修正后生成用于分别控制天然气喷嘴(3)、醇类燃料喷嘴(12)的喷射脉宽。


2.根据权利要求1所述一种通过掺醇降低天然气发动机热负荷的装置，其特征在于：所述执行器还包括火花塞(13)，火花塞(13)通过点火线圈驱动模块(5)与ECU相连。


3.根据权利要求1所述一种通过掺醇降低天然气发动机热负荷的装置，其特征在于：所述装置还包括与ECU相连的醇类燃料选择开关(27)。


4.根据权利要求1所述一种通过掺醇降低天然气发动机热负荷的装置，其特征在于：所述醇类能量替代率表示为：



其中，malco为醇类燃料的瞬时质量流量，halco为醇类燃料的低热值，mNG为天然气的瞬时质量流量，hNG为天然气的低热值，AESR为醇类能量替代率。


5.根据权利要求1所述一种通过掺醇降低天然气发动机热负荷的装置，其特征在于：所述天然气喷射量表示为：



所述醇类燃料喷射量表示为：



其中，αNG为天然气的化学计量空燃比，αalco为醇类燃料的化学计量空燃比，halco为醇类燃料的低热值，hNG为天然气的低热值，为当前循环进气量，malco_feedforward为醇类燃料的前馈喷射量，mNG_feedforward为天然气的前馈喷射量，λtheory为目标过量空气系数，AESR为醇类能量替代率，为发动机单个气缸吸入的空气量。


6....

【专利技术属性】
技术研发人员：陈占明，陈昊，耿莉敏，贺晶晶，苏欣，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61