車用天然氣發(fā)動機燃氣噴射量均勻性控制系統(tǒng)及控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種車用天然氣發(fā)動機燃氣噴射量均勻性控制系統(tǒng)及控制方法，包括ECU、天然氣供氣瓶和與發(fā)動機的氣缸數(shù)量相等的噴射系統(tǒng)，每個噴射系統(tǒng)均包括至少一個氣軌和與ECU相連接的噴射單元，每個氣軌的進氣口與高壓電磁閥之間均設(shè)有一個計量單元，每個計量單元均包括一個與ECU相連接的毫秒級轉(zhuǎn)子流量計，該毫秒級轉(zhuǎn)子流量計能對毫秒級別的天然氣瞬態(tài)流量進行計量。采用上述結(jié)構(gòu)與方法后，能顯著提升天然氣噴射量的均勻性，解決天然氣發(fā)動機控制系統(tǒng)由于噴嘴的一致性帶來的控制問題，實時監(jiān)控噴射系統(tǒng)狀態(tài)，能維持天然氣發(fā)動機的穩(wěn)定扭矩輸出，有利于缸內(nèi)直噴稀燃天然氣發(fā)動機的開發(fā)，且各種排量的天然氣發(fā)動機均適用。
【專利說明】
車用天然氣發(fā)動機燃氣噴射量均勻性控制系統(tǒng)及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種電控噴射天然氣發(fā)動機燃氣噴射裝置及噴射方法，特別是一種車用天然氣發(fā)動機燃氣噴射量均勻性控制系統(tǒng)及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]國內(nèi)現(xiàn)有重型天然氣發(fā)動機由柴油機改裝而來，該發(fā)動機電控噴射系統(tǒng)主要由進氣道混合器式的單點噴射系統(tǒng)組成，該噴射系統(tǒng)類似于汽油機化油器式噴射系統(tǒng)，天然氣與空氣在進氣道內(nèi)即充分混合，采用兩組氣軌加一組(能多達十幾只)汽油機用噴射器計量天然氣噴射量。這種計量及天然氣-空氣混合方式容易造成燃氣傳播延遲通道較長及對空氣充量系數(shù)影響較大，發(fā)動機循環(huán)變動大、排溫高、NOx排放高等缺點。
[0003]另有公司開發(fā)進氣道多點噴射(噴射壓力7bar)、缸內(nèi)低壓直噴(噴射壓力15bar)、缸內(nèi)高壓直噴(噴射壓力30MPa)等噴射系統(tǒng)，其中進氣道多點噴射及缸內(nèi)直噴發(fā)動機已進行到樣機階段，但受限于現(xiàn)有天然氣噴嘴流量均勻性差導致的噴射量不能閉環(huán)控制，從而引發(fā)燃燒不受控等原因，始終不能量產(chǎn)。
[0004]天然氣發(fā)動機之于汽柴油發(fā)動機的優(yōu)點是稀燃容易組織，稀燃天然氣發(fā)動機燃燒溫度低、NOx排放低、顆粒排放低、部分負荷栗氣損失少、允許采用較大的壓縮比和增壓技術(shù)、燃油經(jīng)濟性好。但天然氣噴射量均勻性若不受控，這些優(yōu)點都不能很好的實現(xiàn)。
[0005]國內(nèi)外天然氣計量均圍繞天然氣噴嘴做研究，如貴州紅林公司公開號為CN101059113A的一種缸內(nèi)直噴高壓燃氣噴射閥，大陸汽車專利號為US7621469B2的一種汽車用液化石油氣噴射閥，加拿大西港公司專利號為US6575138B2的一種直接動作式噴射閥。噴嘴可分為進氣道噴射用的孔式噴射器、缸內(nèi)直噴用的外開式噴射器。
[0006]由于汽、柴油機電磁閥噴嘴噴射的是液體，流量對變孔徑不敏感，通過計量電磁閥開啟脈寬，計算噴射脈寬與流體固定流速的乘積即可獲得較為穩(wěn)定的質(zhì)量流量，一般誤差能在5%以內(nèi)。當電磁閥噴射用于天然氣噴射時，噴射脈寬雖可控制，但天然氣對電磁閥噴嘴中的變孔徑敏感，受限于噴嘴加工一致性、氣體節(jié)流壓力波動等因素影響，流體的流速不能保證一致，從而導致流量一致性差，噴射量均勻性不能得到很好的控制。
[0007]另外，目前，車用天然氣噴射系統(tǒng)微小流量的高響應(yīng)性動態(tài)流量計量國內(nèi)外尚無相關(guān)工作開展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種車用天然氣發(fā)動機燃氣噴射量均勻性控制系統(tǒng)，該車用天然氣發(fā)動機燃氣噴射量均勻性控制系統(tǒng)能解決進氣道或缸內(nèi)直噴多點噴射天然氣發(fā)動機在運行過程中遇到的噴射量均勻性問題，使整個運行過程中，噴射量均能保持均勻噴射。
[0009]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
一種車用天然氣發(fā)動機燃氣噴射量均勻性控制系統(tǒng)，包括ECU、天然氣供氣瓶和與發(fā)動機的氣缸數(shù)量相等的噴射系統(tǒng)，每個噴射系統(tǒng)均包括至少一個氣軌和與ECU相連接的噴射單元，每個氣軌的進氣口均通過帶有減壓器的高壓電磁閥與天然氣供氣瓶相連接，噴射單元與氣軌的出氣口相連接，每個所述氣軌的進氣口與高壓電磁閥之間均設(shè)置有一個計量單元，每個計量單元均包括一個與ECU相連接的毫秒級轉(zhuǎn)子流量計，該毫秒級轉(zhuǎn)子流量計能對毫秒級別的天然氣瞬態(tài)流量進行計量。
[0010]每個所述噴射系統(tǒng)中的計量單元和氣軌的數(shù)量，均取決于發(fā)動機的缸數(shù)和燃氣噴射脈寬；當每個噴射系統(tǒng)中的計量單元和氣軌的數(shù)量均大于I時，計量單元和氣軌采用并聯(lián)的方式，設(shè)置在高壓電磁閥與噴射單元之間。
[0011]每個所述噴射單元包括若干個噴嘴，每個噴嘴的入口均與相應(yīng)的氣軌相連接，每個噴嘴的出口均通過一根導流管與進氣歧管或缸蓋相連接。
[0012]每個所述毫秒級轉(zhuǎn)子流量計的計量精度均為1%，重復性誤差小于1%。
[0013]本發(fā)明還提供一種車用天然氣發(fā)動機燃氣噴射量均勻性控制方法，該車用天然氣發(fā)動機燃氣噴射量均勻性控制方法能解決進氣道或缸內(nèi)直噴多點噴射天然氣發(fā)動機在運行過程中遇到的噴射量均勻性問題，使整個運行過程中，噴射量均能保持均勻噴射。
[0014]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
一種車用天然氣發(fā)動機燃氣噴射量均勻性控制方法，包括如下步驟:
第一步，天然氣供給及噴射量設(shè)定目標值的獲取:天然氣供氣瓶提供高壓天然氣，經(jīng)高壓電磁閥進行減壓；同時，ECU根據(jù)發(fā)動機的運行工況，初步給定目標燃氣噴射脈寬，通過查詢ECU中內(nèi)置數(shù)據(jù)庫，獲取目標燃氣噴射脈寬所對應(yīng)的噴射量設(shè)定目標值；
第二步，噴射單元中流過噴嘴的瞬態(tài)流量的計量及流量信號反饋:計量單元中的毫秒級轉(zhuǎn)子流量計，將對噴射單元中流過噴嘴的瞬態(tài)流量，進行實時計量;然后，計量單元還將實時計量的瞬態(tài)流量，轉(zhuǎn)換為流量信號反饋給ECU;
第三步，噴射量比較與修正:ECU將第二步中接收的流量信號，轉(zhuǎn)化為質(zhì)量流量，并將該質(zhì)量流量與第一步中獲取的噴射量設(shè)定目標值進行比較，并判定是否偏離噴射量的設(shè)定目標值；當判定為偏離設(shè)定目標值時，E⑶將通過調(diào)整噴射單元中噴嘴的噴射脈寬，直至符合設(shè)定目標值，從而使噴射單元的噴射量保持均勻。
[0015]所述第二步中，所述毫秒級轉(zhuǎn)子流量計，在線性轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，與氣體體積流量呈正比，通過霍爾或光電傳感器測量轉(zhuǎn)速，輸出流量信號反饋給ECU。
[0016]ECU按照體積修正的方式，將第二步中接收的流量信號轉(zhuǎn)化為質(zhì)量流量。
[0017]所述第三步中，當ECU判定為偏離設(shè)定目標值時，ECU將調(diào)節(jié)各個氣缸中噴嘴的驅(qū)動噴氣脈寬，生成驅(qū)動脈寬信號予以確認;噴嘴根據(jù)ECU輸出的驅(qū)動脈寬信號控制各個氣缸的實際燃氣噴射量。
[0018]本發(fā)明采用上述結(jié)構(gòu)與方法后，能顯著提升天然氣噴射量的均勻性，解決天然氣發(fā)動機控制系統(tǒng)由于噴嘴的一致性帶來的控制問題，實時監(jiān)控噴射系統(tǒng)狀態(tài)，能夠彌補噴射系統(tǒng)應(yīng)用一定時間后的劣化問題，維持天然氣發(fā)動機的穩(wěn)定扭矩輸出，有利于缸內(nèi)直噴稀燃天然氣發(fā)動機的開發(fā)，且各種排量的天然氣發(fā)動機均適用。
[0019]另外，上述毫秒級轉(zhuǎn)子流量計為轉(zhuǎn)子式流量計，精度高、重復性好、量程比寬，在一定的流量范圍內(nèi)，通過選擇對應(yīng)口徑的流量計，如噴射系統(tǒng)單次噴射量計量要求等，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角速度與流體體積流量成正比，利用電磁感應(yīng)原理，即能測得與轉(zhuǎn)子同步的滿足100Hz的高頻脈沖信號，且計量精度滿足I %的要求，從而滿足流量計量要求。
【附圖說明】
[0020]圖1顯示了實施例1中車用天然氣發(fā)動機燃氣噴射量均勻性控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2顯示了實施例2中車用天然氣發(fā)動機燃氣噴射量均勻性控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3顯示了實施例1中天然氣噴嘴噴射策略示意圖；
圖4顯示了本發(fā)明中車用天然氣發(fā)動機燃氣噴射量均勻性控制方法的流程圖。
[0021]其中有:
1.天然氣儲氣瓶；
2.高壓電磁閥；
3.計量單元;31.毫秒級轉(zhuǎn)子流量計；
4.氣軌；
5.噴射單元;51.噴嘴；
6.導流管；
7.進氣歧管;71.缸蓋；
8.發(fā)動機；
9.ECU。
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖和具體較佳實施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
[0023]如圖1和圖2所示，一種車用天然氣發(fā)動機燃氣噴射量均勻性控制系統(tǒng)，包括ECU
9、天然氣供氣瓶I和與發(fā)動機8的氣缸數(shù)量相等的噴射系統(tǒng)。
[0024]天然氣供氣瓶I的數(shù)量可以為I個，也可以為多個，優(yōu)選固定在車架上。
[0025]每個噴射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)具有如下兩種優(yōu)選實施例。
[0026]實施例1
如圖1所示，每個噴射系統(tǒng)均包括一個氣軌4、一個計量單元3和與ECU 9相連接的噴射單元5 ο
[0027]氣軌4的進氣口通過帶有減壓器的高壓電磁閥2與天然氣供氣瓶I相連接。高壓電磁閥2也優(yōu)選固定在車架上，氣軌4優(yōu)選固定在發(fā)動機8上。
[0028I 計量單元3設(shè)置在氣軌4的進氣口與高壓電磁閥2之間，計量單元3包括與ECU 9相連接的毫秒級轉(zhuǎn)子流量計31，該毫秒級轉(zhuǎn)子流量計31能對毫秒級別的天然氣瞬態(tài)流量進行計量。
[0029]噴射單元5與氣軌4的出氣口相連接，噴射單元5包括若干個噴嘴51，如圖1所示，噴射單元5優(yōu)選包括6個噴嘴51，6個噴嘴51的入口均與氣軌4的出氣口相連接，6個噴嘴51的出口均通過一根導流管6與進氣歧管7或缸蓋71相連接。導流管6的外徑優(yōu)選與噴嘴51的內(nèi)徑相等。
[0030]現(xiàn)以6缸機為例，結(jié)合圖3和圖1，對天然氣噴嘴噴射策略進行一下說明，其中流量計單元3實時測量噴嘴51的實際噴射量。
[0031]如圖3所示，從箭頭開始，從左至右，噴嘴51所對應(yīng)的缸號一般為I缸-5缸-3缸-6缸-2缸-4缸。圖3中，橫坐標為曲軸轉(zhuǎn)角。圖3以6缸機為例，且測量窗口為經(jīng)優(yōu)選計算的84°，也可為其它數(shù)值。
[0032]發(fā)動機中、高轉(zhuǎn)速時，受進氣曲軸轉(zhuǎn)角影響，各噴嘴實際噴射脈寬會有重疊，即各工況下實際可測量窗口小于90° CA，其中CA表示發(fā)動機中曲軸轉(zhuǎn)角度的信號。中、低負荷時，最大測量窗口可達120° CA，ECU控制流量計測量起始時刻、測量窗口等參數(shù)，此時流量計單個可靠計量的流量信號δν必須滿足毫秒級別響應(yīng)要求，流量計實時測量代表可靠的流量信號&轉(zhuǎn)速信號，并經(jīng)ECU處理;隨后ECU控制流量計進入下一個噴嘴的流量測量反饋。
[0033]針對4缸機或者更多缸天然氣發(fā)動機時只需要修改控制策略，調(diào)整實際測量窗口，即可實現(xiàn)流量計量反饋。
[0034]實施例2
如圖2所示，每個噴射系統(tǒng)均包括兩個氣軌4、兩個計量單元3和一個與ECU 9相連接的噴射單元5。
[0035]兩個氣軌4的進氣口均通過帶有減壓器的高壓電磁閥2與天然氣供氣瓶I相連接。高壓電磁閥2也優(yōu)選固定在車架上，兩個氣軌4優(yōu)選固定在發(fā)動機8上，兩個氣軌4優(yōu)選并聯(lián)設(shè)置。
[0036]在每個氣軌4的進氣口與相應(yīng)的高壓電磁閥2之間各設(shè)置有一個計量單元3，每個計量單元3均包括與ECU 9相連接的毫秒級轉(zhuǎn)子流量計31，該毫秒級轉(zhuǎn)子流量計31能對毫秒級別的天然氣瞬態(tài)流量進行計量。
[0037]噴射單元5與兩個氣軌4的出氣口相連接，噴射單元5包括若干個噴嘴51，如圖2所示，噴射單元5優(yōu)選包括6個噴嘴51，其中，3個噴嘴51的入口與其中一個氣軌4的出氣口相連接，另外3個噴嘴51的入口與另外一個氣軌4的出氣口相連接。6個噴嘴51的出口均通過一根導流管6與進氣歧管7或缸蓋71相連接。導流管6的外徑優(yōu)選與噴嘴51的內(nèi)徑相等。
[0038]作為替換，每個噴射系統(tǒng)均還可包括多個氣軌4和多個計量單元3，每個34噴射系統(tǒng)中的計量單元和氣軌的數(shù)量，均取決于發(fā)動機的缸數(shù)和燃氣噴射脈寬；當每個噴射系統(tǒng)中的計量單元3和氣軌4的數(shù)量均大于I時，計量單元3和氣軌4均采用如實施例2中的并聯(lián)的方式，設(shè)置在尚壓電磁閥2與噴射單兀5之間。
[0039]進一步，每個上述毫秒級轉(zhuǎn)子流量計31的計量精度均優(yōu)選為1%，重復性誤差小于1%。
[0040]一種車用天然氣發(fā)動機燃氣噴射量均勻性控制方法，包括如下步驟:
第一步，天然氣供給及噴射量設(shè)定目標值的獲取:天然氣供氣瓶I提供高壓天然氣，經(jīng)高壓電磁閥2進行減壓；同時，ECU 9根據(jù)發(fā)動機8的運行工況，初步給定目標燃氣噴射脈寬，通過查詢ECU 9中內(nèi)置數(shù)據(jù)庫，獲取目標燃氣噴射脈寬所對應(yīng)的噴射量設(shè)定目標值。
[0041 ]第二步，噴射單元5中流過噴嘴51的瞬態(tài)流量的計量及流量信號反饋:計量單元3中的毫秒級轉(zhuǎn)子流量計31，將對噴射單元5中流過噴嘴51的瞬態(tài)流量，進行實時計量。也即圖4中所示的，測量天然氣發(fā)動機各缸的實際噴射量信號。然后，計量單元3還將實時計量的瞬態(tài)流量，轉(zhuǎn)換為流量信號反饋給ECU 9。也即圖4中所示的，將檢測到的轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)化后輸出。
[0042]此步驟中，毫秒級轉(zhuǎn)子流量計31，在線性轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，與氣體體積流量呈正比，通過霍爾或光電傳感器測量轉(zhuǎn)速，能輸出流量信號反饋給ECU 9。
[0043]第三步，噴射量比較與修正:E⑶9將第二步中接收的流量信號，優(yōu)選按照體積修正的方式，轉(zhuǎn)化為質(zhì)量流量，并將該質(zhì)量流量與第一步中獲取的噴射量設(shè)定目標值進行比較，并判定是否偏離噴射量的設(shè)定目標值；當判定為偏離設(shè)定目標值時，ECU 9將通過調(diào)整噴射單元5中噴嘴51的噴射脈寬，直至符合設(shè)定目標值，從而使噴射單元的噴射量保持均勻。ECU 9按照多點噴射順序控制噴嘴51噴射脈寬進行天然氣噴射，后經(jīng)與噴嘴51內(nèi)徑相同的導流管6進入進氣歧管7或缸蓋71。
[0044]此步驟中，當ECU9判定為偏離設(shè)定目標值時，E⑶9將調(diào)節(jié)各個氣缸中噴嘴51的驅(qū)動噴氣脈寬，生成驅(qū)動脈寬信號予以確認;噴嘴51根據(jù)ECU 9輸出的驅(qū)動脈寬信號控制各個氣缸的實際燃氣噴射量。
[0045]以上詳細描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實施方式中的具體細節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行多種等同變換，這些等同變換均屬于本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種車用天然氣發(fā)動機燃氣噴射量均勻性控制系統(tǒng)，包括ECU、天然氣供氣瓶和與發(fā)動機的氣缸數(shù)量相等的噴射系統(tǒng)，每個噴射系統(tǒng)均包括至少一個氣軌和與ECU相連接的噴射單元，每個氣軌的進氣口均通過帶有減壓器的高壓電磁閥與天然氣供氣瓶相連接，噴射單元與氣軌的出氣口相連接，其特征在于:每個所述氣軌的進氣口與高壓電磁閥之間均設(shè)置有一個計量單元，每個計量單元均包括一個與ECU相連接的毫秒級轉(zhuǎn)子流量計，該毫秒級轉(zhuǎn)子流量計能對毫秒級別的天然氣瞬態(tài)流量進行計量。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車用天然氣發(fā)動機燃氣噴射量均勻性控制系統(tǒng)，其特征在于:每個所述噴射系統(tǒng)中的計量單元和氣軌的數(shù)量，均取決于發(fā)動機的缸數(shù)和燃氣噴射脈寬；當每個噴射系統(tǒng)中的計量單元和氣軌的數(shù)量均大于I時，計量單元和氣軌采用并聯(lián)的方式，設(shè)置在高壓電磁閥與噴射單元之間。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車用天然氣發(fā)動機燃氣噴射量均勻性控制系統(tǒng)，其特征在于:每個所述噴射單元包括若干個噴嘴，每個噴嘴的入口均與相應(yīng)的氣軌相連接，每個噴嘴的出口均通過一根導流管與進氣歧管或缸蓋相連接。4.根據(jù)權(quán)利要求1每個所述的車用天然氣發(fā)動機燃氣噴射量均勻性控制系統(tǒng)，其特征在于:每個所述毫秒級轉(zhuǎn)子流量計的計量精度均為1%，重復性誤差小于1%。5.—種車用天然氣發(fā)動機燃氣噴射量均勻性控制方法，其特征在于，包括如下步驟: 第一步，天然氣供給及噴射量設(shè)定目標值的獲取:天然氣供氣瓶提供高壓天然氣，經(jīng)高壓電磁閥進行減壓；同時，ECU根據(jù)發(fā)動機的運行工況，初步給定目標燃氣噴射脈寬，通過查詢ECU中內(nèi)置數(shù)據(jù)庫，獲取目標燃氣噴射脈寬所對應(yīng)的噴射量設(shè)定目標值； 第二步，噴射單元中流過噴嘴的瞬態(tài)流量的計量及流量信號反饋:計量單元中的毫秒級轉(zhuǎn)子流量計，將對噴射單元中流過噴嘴的瞬態(tài)流量進行實時計量;然后，計量單元還將實時計量的瞬態(tài)流量，轉(zhuǎn)換為流量信號反饋給ECU; 第三步，噴射量比較與修正:ECU將第二步中接收的流量信號，轉(zhuǎn)化為質(zhì)量流量，并將該質(zhì)量流量與第一步中獲取的噴射量設(shè)定目標值進行比較，并判定是否偏離噴射量的設(shè)定目標值；當判定為偏離設(shè)定目標值時，E⑶將通過調(diào)整噴射單元中噴嘴的噴射脈寬，直至符合設(shè)定目標值，從而使噴射單元的噴射量保持均勻。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的車用天然氣發(fā)動機燃氣噴射量均勻性控制方法，其特征在于:所述第二步中，所述毫秒級轉(zhuǎn)子流量計，在線性轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，與氣體體積流量呈正比，通過霍爾或光電傳感器測量轉(zhuǎn)速，輸出流量信號反饋給ECU。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的車用天然氣發(fā)動機燃氣噴射量均勻性控制方法，其特征在于:ECU按照體積修正的方式，將第二步中接收的流量信號轉(zhuǎn)化為質(zhì)量流量。8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的車用天然氣發(fā)動機燃氣噴射量均勻性控制方法，其特征在于:所述第三步中，當ECU判定為偏離設(shè)定目標值時，ECU將調(diào)節(jié)各個氣缸中噴嘴的驅(qū)動噴氣脈寬，生成驅(qū)動脈寬信號予以確認;噴嘴根據(jù)ECU輸出的驅(qū)動脈寬信號控制各個氣缸的實際燃氣噴射量。
【文檔編號】F02M51/06GK105840372SQ201610350819
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月25日
【發(fā)明人】楊曉鋒, 白沖, 夏少華, 陳希穎, 王健
【申請人】中國第汽車股份有限公司無錫油泵油嘴研究所, 中國第一汽車股份有限公司無錫油泵油嘴研究所, 中國第汽車股份有限公司, 中國第一汽車股份有限公司