利用燃气冷能提高发动机热效率实现节能减排的系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型提出了一种利用燃气冷能提高发动机热效率实现节能减排的系统，包括发动机、燃气传输线路、空气传输线路和控制单元，还包括燃气温度传感器、发动机冷却水温度传感器和空气温度传感器，燃气温度传感器检测燃气温度，冷却水温度传感器检测发动机出水温度，空气温度传感器检测空气温度，控制单元控制热水电磁阀和燃气空气换热器风扇之一或者两者的工作，控制通过燃气热水换热气化器的热水量以及燃气空气换热气化器的通风量，使燃气和空气的温度之差小于设定阈值T。本实用新型能够实时实现燃气和空气的温差减少或使其接近或相等，提高发动机空燃比，使经济性提高，排放出的尾气污染物减少，实现节能减排的目标。
【专利说明】利用燃气冷能提高发动机热效率实现节能减排的系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种燃气发动机电控系统，尤其涉及一种利用燃气冷能提高发动机热效率实现节能减排的系统。
【背景技术】
[0002]液化天然气汽车、液化石油气汽车和压缩天然气汽车都是燃气汽车，其特征在于储存的燃气物理形态不同，分别是低温液态和常温气态。液化天然气、液化石油气或压缩天然气经循环热水气化器换热气化后成为常温压缩燃气。
[0003]目前，使用燃气作为清洁燃料的发动机在国内外发展很快，随着社会进步对节能减排的要求，现有的燃气发动机需进一步优化空燃比、燃气喷射量控制、点火提前角控制、增压器废气放气阀的开度控制以及节气门开度控制，从而提高燃烧效率。在对发动机进行以上控制时，空气温度、燃气温度、水温是重要的控制参数，现有技术中，对空气温度、燃气温度、水温的控制不够精确，致使空燃比、燃气喷射量、点火提前角、增压器废气放气阀的开度以及节气门开度不够准确，燃烧效率降低。
[0004]以空燃比的控制进行说明，空燃比主要受空气和燃气的质量密度变化影响，空气的质量密度变化又主要受季节、海拔、纬度、环境等因素的影响，燃气的质量密度变化主要受燃气压力、温度、热值、组份等因素影响。
[0005]空气温度受季节、海拔、纬度、环境等因素影响最大，此外受机仓散热、空气滤清器的安装位置、空气增压机的工况、中冷器的冷却效率等综合因素影响，使进入发动机的空气温度达一 40?80°C变化，造成其质量密度变化巨大。
[0006]在影响燃气质量密度的多种参数中，以燃气温度为例进行说明，燃气温度除了受储存形态、压力、大气环境温度的变化影响外，还受发动机热负荷变化、减压节流吸热量，力口热气化专用装置的效率等诸多复杂因素的影响，可造成燃气温度在-40?80°C的范围内变化，导致燃气质量密度的变化巨大。
[0007]气体温度每变化1°C时，气体的体积变化约为1/273，当燃气与空气的温度变化巨大使空燃比的控制误差超过5%，会导致发动机燃烧稳定性变差，使发动机的可靠性、动力性、经济性、排放指标也随之降低。
[0008]现有技术中对进入发动机的空气和燃气采用了以下几种温控技术:
[0009]I)采用增压中冷技术降低发动机空气进气温度提高充气效率(通常要求经中冷器冷却后的空气温应<50°C)，但是，当发动机使用环境在高寒、高温或高海拔地区负荷变化巨大时，通过中冷器冷却后的空气温度与大气环境会有数拾度的温差。
[0010]2)燃气与空气混合前，需要采用燃气减压调节器对其压力进行稳压调整，为了避免因减压节流降温引起的燃气中的饱和水变成游离水，造成对减压调节器阀口的冲击损坏，采用发动机循环水对减压调节器高压减压阀体加热，同时，也适当地提高了燃气温度，但是，这种燃气的温升是被动的，无法对燃气温度起到调节作用，当发动机处于较小负荷工况时，加热充分，燃气温度升高、质量密度降低；发动机负荷大时，加热强度不足，燃气温度降低、质量密度升高；发动机台架试验证明其温差可达O?50°C，发动机功率和扭矩相差高达20%以上。
[0011]3)燃气必须经过液转气的气化转换，与空气充分混合后，才能输入发动机参与燃烧；气化转换往往采用发动机循环热水对通过热交换器内的液态燃气进行加热，这种单一加热方式的缺点是:当发动机水温>80°C，处于较小负荷工况时，加热强度很高，使燃气温度提高，质量密度随之降低；在高寒地区因环境温度太低尽管发动机处于大负荷工况其水温也会<75°C，也会造成对燃气加热强度不足，使燃气温度降低，其质量密度随之升高；发动机台架和道路试验证明，燃气温差可达O?100°C，发动机功率和扭矩相差高达20%以上。
[0012]现有技术中，对进入发动机的混合气的空燃比采用的控制技术有:
[0013]I)机械方式:固定空气与燃气通道，减压调节器随发动机功况变化随机调节燃气压力及流量，机械零件设计相对固定，优点:结构简单成本低；缺点:空燃比随着空气与燃气温差变化而变化，且变化范围较大，导致发动机动力性及其他性能不稳定。
[0014]2)电控方式:根据发动机功况变化，采集空气、燃气压力及温度数据，计算空气和燃气的质量密度，再结合氧传感器釆集到的空燃比等信息，对燃气流量进行调节。开环电控调节是根椐预先设定的燃气流量脉谱进行调节，闭环电控调节是根椐预先设定的控制目标对燃气流量脉谱进行自动修正调节。但空气与燃气温度随发动机工况变化在非可控情况下温差变化较大，气体质量密度变化巨大，当空燃比的控制误差>5%，会导致发动机燃烧稳定性变差，使功率、扭矩下降，排放性能变差。
[0015]综上所述，燃气发动机及燃气汽车使用地域宽广，季节、海拔、纬度造成空气质量密度变化巨大，而燃气热值组份随产地差异也很大，目前国内外的车用燃气发动机标准无法对使用条件进行规范，只能对适用范围的安全要求进行规范，因此对进入发动机的空气与燃气温差要求缺失，加上市场价格及成本等原因，目前的电控方式也难以实现各种使用条件下的最佳空燃比目标。
[0016]现有技术还没有摆脱传统的思路，采用机械或电控的方式仅能单一地调节空燃t匕，而未对空气与燃气混合前减小温差作稳定调控，因此当空气与燃气的温差较大时空燃比控制精度差，使发动机动力性、经济性和排放性能变失控。
实用新型内容
[0017]为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本实用新型的目的是提供一种利用燃气冷能提高发动机热效率实现节能减排的系统，能够优化空燃比、燃气喷射量控制、点火提前角控制、增压器废气放气阀的开度控制以及节气门开度控制，特别是当燃气和空气温差较大时也能及时实现燃气和空气的温差减少或使其接近或相等，提高燃气发动机空燃比控制精度促进其动力性，经济性提高，排放出的尾气污染物减少。
[0018]为了实现本实用新型的上述目的，本实用新型提供了一种利用燃气冷能提高发动机热效率实现节能减排的系统，包括发动机，与所述发动机相连的燃气传输线路和空气传输线路，控制所述燃气与空气之间的温差以及控制发动机运行的控制单元；所述燃气传输线路包括燃气储气瓶，所述燃气储气瓶用于存储液化天然气，压缩天然气和液化石油气三者之一，所述燃气储气瓶通过燃气空气换热气化器和燃气热水换热气化器之一或者两者的串联与缓冲罐的相连，所述缓冲罐通过过滤器和减压器与燃气喷嘴相连，所述燃气喷嘴将燃气喷射入发动机气缸内；所述空气传输线路包括空气滤清器，所述空气滤清器将空气过滤后通过空气增压器增压后传输给空气中冷器，所述空气中冷器将空气输入发动机气缸内；还包括燃气温度传感器、发动机冷却水温度传感器和空气温度传感器，所述燃气温度传感器用于检测所述减压器减压后进入喷嘴前的燃气温度并将所述燃气温度传输给控制单元，所述发动机冷却水温度传感器用于检测所述发动机出水温度并将所述发动机出水温度传输给所述控制单元，所述空气温度传感器用于检测所述进入机械或电子节气门之前的空气温度并将所述空气温度传输给所述控制单元，所述控制单元控制热水电磁阀和燃气空气换热器风扇之一或者两者的工作，控制通过燃气热水换热气化器的热水量以及燃气空气换热气化器的通风量，实现以下目标:
[0019]1.当水温<80°C时，开启热水电磁阀和开启燃气空气换热器风扇之一或者两者的工作，使水温保持在85°C附近的一个误差范围内，在充分利用燃气冷能控制水温的同也要利用大气换热对发动机保温提高发动机热效率，在本实施方式中，误差范围可根据具体情况确定。
[0020]2.当水温>80°C时，开启热水电磁阀并关闭燃气空气换热器风扇，充分利用燃气冷能降低水温。
[0021]3.控制热水电磁阀及燃气空气换热器风扇之一或者两者的工作，使空气和燃气的温度之差小于设定阈值T，提高空燃比控制精度，实现节能减排。本实用新型的实现节能减排的燃气汽车发动机电控系统，能够实时实现燃气和空气的温差减少或使其接近或相等，提高燃气发动机空燃比控制精度促进其动力性，经济性提高，排放出的尾气污染物减少，实现节能减排的目标。
[0022]在本实用新型的一种优选实施方式中，还包括水箱风扇，所述水箱风扇的控制端与所述控制单元相连，所述控制单元通过控制所述水箱风扇的工作控制所述燃气热水换热气化器的通风量，调节所述燃气热水换热气化器内的水温。
[0023]在本实用新型的另一种优选实施方式中，还包括中冷器风扇，所述中冷器风扇的控制端与所述控制单元相连，所述控制单元通过控制中冷器风扇的工作控制空气中冷器的通风量，调节空气中冷器输出的空气温度。
[0024]通过设置水箱风扇和中冷器风扇，提高热交换效率，维持燃气和空气的温差稳定。
[0025]在本实用新型的一种优选实施方式中，所述控制单元包括信息输入模块、处理模块和信息输出模块；
[0026]所述信息输入模块与至少一个传感器相连，接收所述传感器送来的信号并对所述信号进行整形、放大处理、A/D转换，转变成计算机能接受的量程合适的数字信号；
[0027]所述信息输出模块与电子节气门，点火线圈，燃气喷嘴，燃气空气换热气化器风机，冷却水箱风机，空气中冷器风机，燃气热水换热气化器电磁阀之一或任意组合相连，所述信息输出模块将控制命令放大并输出，控制电子节气门，点火线圈，燃气喷嘴，燃气空气换热气化器风机，冷却水箱风机，空气中冷器风机，燃气热水换热气化器电磁阀之一或任意组合工作。
[0028]通过控制单元优化空燃比、燃气喷射量控制、点火提前角控制、增压器废气放气阀的开度控制以及节气门开度控制，实现发动机的最优化控制，减少能源消耗，降低能源浪费。
[0029]本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中:
[0031]图1是本实用新型实现节能减排的燃气汽车发动机电控系统的结构示意图；
[0032]图2是本实用新型一种优选实施方式中燃气喷射控制方法流程图；
[0033]图3是本实用新型一种优选实施方式中怠速目标值的确定流程图；
[0034]图4是本实用新型一种优选实施方式中怠速控制流程图。
【具体实施方式】
[0035]下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
[0036]在本实用新型的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0037]本实用新型提供了一种利用燃气冷能提高发动机热效率实现节能减排的系统，如图1所示，其包括发动机，与所述发动机相连的燃气传输线路和空气传输线路，控制所述天燃气与空气之间的温差以及控制发动机运行的控制单元。所述燃气传输线路包括存储有液化天然气、压缩天然气和液化石油气三者之一的燃气储气瓶、所述燃气储气瓶通过燃气空气换热气化器和燃气热水换热气化器之一或者两者的串联与缓冲罐的相连，所述缓冲罐通过过滤器和减压器与燃气喷嘴相连，所述燃气喷嘴将燃气喷射入发动机气缸内。
[0038]如图1所示，空气传输线路包括空气滤清器，所述空气滤清器将空气过滤后通过空气增压器增压后传输给空气中冷器，所述空气中冷器将空气输入发动机气缸内。该合理利用燃气冷能提高发动机热效率实现节能减排的系统还包括燃气温度传感器、发动机冷却水温度传感器和空气温度传感器，所述燃气温度传感器用于检测所述减压器减压后进入喷嘴前的燃气温度并将所述燃气温度传输给控制单元，所述发动机冷却水温度传感器用于检测所述发动机出水温度并将所述发动机出水温度传输给所述控制单元，所述空气温度传感器用于检测所述空气中冷器输出或节气门前的空气温度并将所述空气温度传输给所述控制单元，所述控制单元控制热水电磁阀和燃气空气换热器风扇之一或者两者的工作，控制通过燃气热水换热气化器的热水量以及燃气空气换热气化器的通风量，使燃气和空气的温度之差小于设定阈值T。在本实施方式中，具体的阈值T范围可根据具体情况设定，在本实用新型的一个更加优选的实施方式中，阈值T的范围为O?10°C，优选为<8°C。
[0039]在本实施方式中，采用的各个设备的功能描述如下:[0040]燃气储气瓶:燃气储气瓶是燃气汽车重要的专用装置，液化天然气储气瓶额定工作压力< 1.6Mpa，，压缩天然气储气瓶额定工作压力25Mpa，液化石油气储气瓶额定工作压力2.2Mpa根据一次充气里程的需求，并结合车架可安装气瓶的空间尺寸来确定气瓶容积。
[0041]燃气过滤器，燃气的质量影响着供气系统和发动机的性能。在电磁阀截止阀的前面需要安装一个燃过滤器，它应该滤掉95%的0.3?0.6微米范围内的浮质，减少颗粒和油污染的可能性。
[0042]减压器，减压器根据发动机燃气喷嘴工况需要将燃气的压力从气瓶的存储压力减至2?9bar。CNG/LNG减压器宜安装在燃气热水换热气化器之前。
[0043]燃气空气换热气化器，燃气管道内的燃气与燃气管道壁外空气进行热交换，增用风扇吹扫燃气管道外壁会提高热交换强度，使经换热器出来的燃气温度被提高。燃气经燃气空气换热气化器加热，可使液态燃气气化后温升数拾度。使用CNG/LPG燃气可省略燃气空气换热气化器和缓充罐。
[0044]燃气热水换热气化器，燃气与发动机循环冷却液(热水)在换热器内交叉流动进行热交换，促使燃气温度升温，为了使升温后的燃气温度与中冷后的空气温差〈5?10°C，必须对经换热器出来的燃气温升进行控制，为此用热水电磁阀控制流经燃气热水换热气化器的热水流量耒实现温控目标。
[0045]在本实施方式中，先将燃气通过减压调节阀减压，再通过喷嘴或混合器将低压燃气和空气混合形成混合气,然后将混合气吸入气缸,在压缩过程快结束时，用电火花点燃混
I=IO
[0046]在本实施方式中，还包括水箱风扇，所述水箱风扇的控制端与所述控制单元相连，所述控制单元通过控制所述水箱风扇的工作控制所述燃气热水换热气化器的通风量，调节所述燃气热水换热气化器内的水温。也可以包括中冷器风扇，所述中冷器风扇的控制端与所述控制单元相连，所述控制单元通过控制中冷器风扇的工作控制空气中冷器的通风量，调节空气中冷器输出的空气温度。
[0047]在本实施方式中，如果中冷器与水箱串联设置共用水箱电风扇，所述控制单元通过控制此电风扇的工作控制空气中冷器的通风量，调节空气中冷器输出的空气温度，中冷器后的空气温度>40°C即开启电风扇低速，中冷器后的空气温度>45°C即开启电风扇高速；发动机水温控制由节温器先导同歩控制，如果中冷器后的空气温度〈451:而水温>751:也开启电风扇低速，而水温>80°C即开启电风扇高速；电风扇与节温器共同控制使中冷器后的空气温度在20?50°C，水温在80?90°C。但中冷器与水箱串联设置共用电风扇比分别设置电风扇节能效果差。
[0048]在本实施方式中，控制单兀包括信息输入模块、处理模块和信息输出模块；所述信息输入模块与至少一个传感器相连，接收所述传感器送来的信号并对所述信号进行整形、放大处理、A/D转换，转变成计算机能接受的量程合适的数字信号。所述信息输出模块与电子节气门，点火线圈，燃气喷嘴，燃气空气换热气化器风机，冷却水箱风机，空气中冷器风机，燃气热水换热气化器电磁阀之一或任意组合相连，所述信息输出模块将控制命令放大并输出，控制电子节气门，点火线圈，燃气喷嘴，燃气空气换热气化器风机，冷却水箱风机，空气中冷器风机，燃气热水换热气化器电磁阀之一或任意组合工作。
[0049]在本实用新型的更加优选的实施方式中，ECU是电控系统管理中心，以信号采集作为输入，经过计算处理、分析判断、决定对策，发出控制指令、指挥执行器工作作为输出。ECU的电控目标是实现发动机所需最佳的空燃比和喷气脉宽、点火正时运行，同时给传感器提供稳压电源或参考电压。使发动机充分发挥性能潜力，通过各种硬件和软件实现其全部功能并提闻性能。
[0050]E⑶的硬件按功能可分为三个部分:
[0051]输入信息的处理部分:把各种传感器送来的信号经过整形、放大处理、模拟量还要经过A/D转换，转变成计算机能接受的量程合适的数字信号。
[0052]微处理器系统:根据输入信息和内存的控制策略及数据、图表等进行分析和运算以产生控制命令。
[0053]输出信息的处理部分:把微机输出的只有毫安级的各种控制命令生成、放大为可以驱动各种执行器的控制信号并输出。
[0054]E⑶控制软件包括以下各个部分:
[0055]接受输入信号并处理信号，根据输入信号决定当前发动机的运行模式:如冷启动(拖转、着车)模式、暖机模式、怠速闭环模式、空燃比闭环控制模式、空燃比开环控制模式、瞬态工况(加、减速)模式等等。
[0056]进行当前运行模式的控制:包括调出相应的内存数表确定需控制参数的基本量，根据其它输入信号确定各种修正量，或根据闭环反馈信号确定需控制参数的校正量并执行自学习校正，输出喷气脉宽、怠速节气门开度、点火正时等控制信号给各执行器。
[0057]执行故障自检程序:即将各种传感器信号的当前值与预存的值域相比较，超过预设域值设置故障码。
[0058]进行故障处理:即针对检出的故障采取相应的对策，例如以一个假定值代替原信号，氧传感器故障时以开环控制取代闭环控制等。
[0059]在本实施方式中，与控制单元相连的传感器可以包括但不限于转速传感器、正时盘、凸轮轴位置传感器、进气歧管压力和温度传感器、空气中冷后温度传感器、空气中冷后压力传感器、燃气温度传感器、燃气压力传感器、冷却液温度传感器、宽域氧传感器和电子脚踏板。其中，正时盘确定发动机曲轴转角，控制点火提前角。凸轮轴位置传感器将凸轮轴的转角位置信息传递给ECU，使后者能根据转角位置信号的频率得出发动机转速。正时盘通过锁定装置保证它与发动机曲轴之间的相对位置。正时盘上有指示齿或孔，用来表明发动机运转的绝对位置，当发动机开始运转时，ECU搜索这个绝对位置，作为喷气正时、点火正时的定位基准信号。在发动机运行时，如果ECU没有接收到正确的绝对位置齿或孔信号，将显示故障码。发动机采用进气歧管绝对压力反映负荷的大小，E⑶通过进气歧管压力和温及充气系数计算发动机循环充气量。空气中冷后温度传感器向ECU输出空气中冷后温度使ECU据以作出喷气量和点火正时修正的条件参数，对中冷器电风扇的开启和转速进行控制。空气中冷后压力传感器向ECU输出空气中冷后压力数据，使ECU作出喷气量和点火正时修正的条件参数。燃气温度传感器向ECU输出燃气温度数据，使ECU据以作出喷气量和点火正时修正的条件参数，对燃气热水热交换气化器电磁阀开启及关闭进行控制(含燃气空气热交换气化器电风扇开启和转速进行控制)，使燃气温度得到调整。燃气压力传感器向ECU输出燃气压力数据，使ECU据以作出喷气量和点火正时修正的条件参数。冷却液温度传感器检测冷却水温，冷却水温是ECU据以作出喷气量和点火正时修正的条件参数，尤其是冷却水温，在启动和暖机过程中更是一个决定性的条件参数，用于修正空燃比指令、怠速偏移、进气流量、点火提前角及控制模式的切换。实现稀薄燃烧闭环空燃比控制的传感器是宽域氧传感器，它把排气含氧浓度信号传给ECU，ECU判断混合气的实际空燃比相对于设定值是稀还是浓，并相应控制喷气量的增减，从而使空燃比保持为设定值。电子脚踏板向ECU提供怠速及脚踏板位置信号，向发动机提出负荷指令。
[0060]接收控制单元相连的执行单元包括但不限于燃气喷嘴、燃气热水换热气化器电磁阀、燃气空气换热气化器风扇、空气中冷器风机、冷却水箱风机、点火线圈和电子节气门，其中，减压后的燃气进入燃气喷嘴，电控单元ECU调整燃气喷嘴脉宽占空比，控制燃气喷射量，保证发动机在设定的空燃比下运行。燃气电磁截止阀在系统中作为一个安全运行开关、开启或关断气源通路。当大气温度较低时发动机水温提升时间相对较长使发动机水温难以稳定在85°C左右时，为了提高发动机热效率必须优先保证循环热水温度稳定在85°C周围，因此在向发动机提供大流量燃气的同时也需控制流向气化器的循环热水流量，因此必须预先提高进入热水换热气化器的燃气温度，但为了减少空气换热气化器体积，需采用燃气空气换热气化器风扇强制通风换热的有效方案。燃气温度宜控制在25~50°C范围。空气中冷器风机将空气温度控制在25~50°C范围。冷却水箱风机通过调节风扇转速调节水温。点火线圈将火花塞跳火所需的能量存储在线圈的磁场中，并将电源提供的低压电转变为足以在电极间产生击穿点火>25kV的高压电。火花塞利用点火线圈产生的高电压产生火花，点燃缸内混合气。电子节气门根据ECU确定的开度位置，控制进气量，从而改变发动机的输出功率。当发动机怠速或超速时，电子节气门能根据ECU指令改变开度位置，保持怠速稳定和限制最大速度。当发动机速度低于怠速目标值时，ECU进行怠速控制，即控制电子节气门开度位置，保持发动机速度在怠速目标值附近。当发动机速度超过最大额定转速时，ECU限制电子节气门开度位置，即速度越高节气门开度位置越小。当发动机速度在怠速和最大额定转速之间时，节气门开度位置直接由脚踏板控制，即节气门开度位置随脚踏板位置同步变化。
[0061]本实用新型还提供了一种实现节能减排的燃气汽车发动机电控系统的控制方法，包括如下步骤:
[0062]S61,燃气温度传感器检测燃气温度、发动机冷却水温度传感器检测发动机水温，空气温度传感器检测中冷后节气门前空气温度；
[0063]S62，当进入喷嘴的燃气温度为Fl范围内，并且燃气温度与空气温度之差≤F2时，执行步骤S64，否则执行步骤S63 ；
[0064]S63，控制中冷后空气温度为F3范围内，当中冷后空气温度>T1时，如果没有开启中冷器风扇时，则开启中冷器风扇；当开启了中冷器风扇时，调整加快中冷器风扇转速；当空气温度〈T2时，关闭中冷器风扇；
[0065]当水温〈T3时，冷却水箱风扇停止，当水温>T4时，冷却水箱风扇转速为Pl转/分，当水温>Τ5时，燃气热水换热气化器风扇转速为Ρ2转/分；
[0066]如果水温< Τ5，而燃气热水换热气化器电磁阀全开时，如果没有开启空气燃气换热器风扇时，则开启空气燃气换热器风扇；如果开启了空气燃气换热器风扇时，调整加快空气燃气换热器风扇转速；
[0067]S64,燃气温度传感器检测进入喷嘴的燃气温度、发动机水温传感器检测发动机水温，空气温度传感器检测空气温度并返回步骤S62。
[0068]F1、F2、F3的范围，以及Tl、T2、T3、T4、T5、P1、P2的数值可以根据具体情况确定，在本实用新型的一种更加优选实施方式中，选择具体参数后的控制方法为:
[0069]S61,燃气温度传感器检测燃气温度、发动机冷却水温度传感器检测发动机水温，空气温度传感器检测中冷后节气门前空气温度；
[0070]S62，当进入喷嘴的燃气温度为25~50°C，并且燃气温度与空气温度之差≤5~10°c时，执行步骤S64，否则执行步骤S63 ；
[0071]S63，控制中冷后空气温度为25~50°C，当中冷后空气温度>40°C时，如果没有开启中冷器风扇时，则开启中冷器风扇；当开启了中冷器风扇时，调整加快中冷器风扇转速；当空气温度<42°C时，关闭中冷器风扇；
[0072]当水温<68°C时，冷却水箱风扇停止，当水温>70°C时，冷却水箱风扇转速为1500转/分，当水温>80°C时，燃气热水换热气化器风扇转速为2800转/分；
[0073]如果水温< 80°C，而燃气热水换热气化器电磁阀全开时，如果没有开启空气燃气换热器风扇时，则开启空气燃气换热器风扇；如果开启了空气燃气换热器风扇时，调整加快空气燃气换热器风扇转速；
[0074]S64,燃气温度传感器检测进入喷嘴的燃气温度、发动机水温传感器检测发动机水温，空气温度传感器检测空气温度并返回步骤S62。
[0075]在本实施方式中，如图2所示，处理模块对燃气喷射量的控制方法为:S71，运用速度/密度法计算发动机进气量，根据该工况下的最佳空燃比值计算天燃气的流量，并将天燃气流量换算成喷嘴每次喷气量Qtjp (mg/喷嘴/次)；
[0076]S72，根据闭环校正系数CL、自适应校正系数AL和瞬态校正系数BM对喷嘴每次喷气量qop进行修正，将修正后的喷嘴每次喷气量qtol按喷嘴流量特性(喷嘴喷气量和喷嘴脉冲宽度的对应关系)换算成标准状态下的喷嘴占空比PWS，并根据电瓶电压、燃气压力和燃气温度修正标准状态下的喷嘴占空比；
[0077]S73，通过修正后的占空比PW实现对喷气量的控制。
[0078]在本实施方式中，燃气计量阀可配置4~12个喷嘴，分成2组平行布置，喷嘴依次轮流喷射，在某些变工况下(起动、加速)，喷嘴同时喷射以加快系统反应速度。喷嘴每次动作时燃气喷射量cit()1由开环燃气喷气量qop、闭环校正系数CL、自适应校正系数AL和瞬态校正BM修正的公式为:
[0079]qtol=qopX (I + CL+AL + BM),
[0080]其中，qop为开环燃气喷射控制量，
[0081]CL为闭环校正系数，
[0082]AL为自适应校正系数，
[0083]BM为瞬态校正系数。
[0084]当发动机在启动、变工况(加、减速)运行时或者闭环控制无效时(例如氧传感器故障时)，ECU进入开 环控制方式，即根据混合气进气量和空燃比目标值计算天燃气的流量，并根据发动机转速和喷嘴数量将天燃气流量换算成喷嘴每次喷气量％ (mg/喷嘴/次)。混合气进气量和空燃比目标值按如下确定:
[0085]ECU采用速度/密度法计算发动机混合气进气量，以确定供给发动机的燃气量。首先根据发动机转速和进气歧管压力从内存充量系数表中(纵坐标为发动机转速，横坐标为进气歧管压力)查找对应的充量系数。充量系数表是在特定(标准)使用条件下得出的，实际充量系数受许多条件影响，必须根据进气歧管温度、冷却液温度、节气们前压力和瞬态工况对查得的充量系数进行修正。ECU通过发动机转速(RPM)、进气歧管压力(MAP)、进气歧管温度(MAT)和修正后的充量系数(VE)计算进入气缸的混合气进气量。
[0086]空燃比目标值和发动机的工况相对应，同时还和冷却液温度相关。E⑶中存有冷机和热机(正常工作)空燃比过量系数表(纵坐标为发动机转速，横坐标为进气歧管压力)和冷却液温度修正系数表。在计算空燃比目标值时，ECU根据发动机转速和进气歧管压力首先查找冷机和热机空燃比过量系数表，分别得出冷机空燃比值和热机空燃比值，再根据冷却液温度修正系数对查得的冷机和热机空燃比值进行折算，得到空燃比目标值。在起动过程中，为便于着火，采用较浓的空燃比，并随起动时间逐渐衰减到目标空燃比值。燃气发动机采用稀薄燃烧技术，能有效的降低排放，同时可降低排气温度，提高气门、增压器等零部件的工作可靠性。稀燃发动机的标定要求在发动机失火极限和爆震极限之间维持足够的裕量。
[0087]闭环校正系数CL的取值如下:E⑶利用氧传感器信号实施全工况稀薄燃烧闭环空燃比控制。发动机排出废气中氧的含量，最直接地反映了空燃比的大小。若废气中氧含量过高说明混合气的浓度偏稀。反之说明混合气过浓。混合气过浓或过稀都会造成发动机的燃烧不正常，排放变差引起环境污染。ECU根据氧传感器的含氧浓度信号计算出空燃比测量值。ECU以空气流量和大气压力为基础估算背压值，使排气背压被控制在预先设定的水平。
[0088]空气与燃气温差越小空燃比闭环控制越有效，E⑶根据空燃比目标值和修正后实际值之间的差值，计算空燃比闭环校正系数CL，然后对开环燃气喷气量qtol进行修正，调整喷嘴脉冲宽度，使空燃比保持在目标值附近。在下列情况下闭环控制无效(CL=O):某些系统故障禁止闭环控制(如氧传感器故障)；传感器预热(发动机起动过程)；瞬态变工况(力口速、减速)。
[0089]自适应校正系数AL的作用在于对较长时间内的空燃比偏差作出修正。E⑶内存中存有自适应校正系数表(纵坐标为发动机转速，横坐标为进气歧管压力)，如果在较长的一段时间内闭环校正系数CL总是偏大，自适应校正系数AL就被加大一级。反之，若闭环校正系数CL总是偏小，自适应校正系数AL就被减少一级。自适应校正系数将保持到下一次数据刷新，在停车期间也不丢失。当燃气气质、零部件差异和磨损等引起发动机性能变化时，自适应校正系数可减小闭环校正系数CL，提高空燃比控制精度，同时有助于很快从开环控制变到闭环控制。
[0090]瞬态修正系数BM的确定如下:在使发动机急加速的过程中，需要在短短的数毫秒内多喷一些燃气，以避免缸内混合气过稀，而在，减速功况时则要少喷或切断燃气，以实现节能或避免缸内混合气过浓。发动机加速时，ECU在稳态工况基本喷气脉宽的基础上进行加浓修正，修正量与冷却水温、节气门开度变化率等有关，并随时间逐渐减少修正量直至数秒后恢复正常。减速时则进行减稀修正。当发动机由高速突然关闭节气门时，先停止喷气，待转速降到接近正常怠速(或空调设定转速)100转范围再恢复供气。具体可按照本领域通用的规则进行修正。
[0091]喷嘴占空比PWM的确定，E⑶通过控制燃气计量阀上喷嘴的脉冲宽度(每循环喷嘴打开的时间)来控制燃气喷射量qtol，因此要把各工况下燃气喷射量qt()1转化为对应的喷嘴脉冲宽度PW。ECU内存中存有喷嘴脉冲宽度转换表，该表是在标准的燃气温度NGT、燃气压力NGP和电瓶电压下测得的喷嘴每次喷气量和喷嘴脉冲宽度的对应关系。ECU根据实际测量的燃气温度NGT和燃气压力NGP将喷嘴喷气量qt()1转化为喷嘴在标准状态下的脉冲宽度PWS，该脉冲宽度是在标准测试条件下的转换值，ECU还必须通过燃气温度NGT、燃气压力NGP和电瓶电压对标准脉冲宽度PWS进行修正，修正后的脉冲宽度PW才能控制喷嘴喷射燃气。
[0092]处理模块对点火的控制方法为:
[0093]ECU根据发动机转速、进气歧管混合气压力和温度、中冷后空气压力和温度、燃气压力和温度、冷却水温度、空燃比和点火监控信号确定该工况下最佳点火提前角和点火线圈初级电路闭合角，并以此向点火驱动模块ICU发出指令；点火驱动模块根据ECU指令，控制点火线圈初级电路的导通和截止。
[0094]在本实施方式中，点火系统包括:E⑶及点火驱动模块I⑶、点火线圈和火花塞，发动机工作时，ECU根据发动机转速信号、进气歧管压力、冷却液温度和点火监控信号确定该工况下最佳点火提前角和点火线圈初级电路闭合角(通电时间)，并以此向点火驱动模块ICU发出指令。点火提前角是点火控制过程中最重要的参数，由基本点火提前角和水温修正系数确定。基本点火提前角应随发动机转速的升高而增大。因为随发动机转速的提高，燃烧所需的时间缩短，但燃烧过程所占的曲轴转角增大，为保证发动机气缸内的最高压力出现在上至点后10-15°C，就必须适当提前点火。基本点火提前角应随发动机负荷(进气歧管压力)的升高而减小。当发动机负荷增加时，气缸内的温度和压力均增加，燃烧速度加快，燃烧过程所占的曲轴转角减小，应适当推迟点火。根据发动机转速和进气歧管压力可直接在ECU内点火正时表(纵坐标为发动机转速，横坐标为进气歧管压力)中查找基本点火提前角。水温修正包括暖机修正和过热修正。发动机冷车起动后的暖机过程中，随冷却水温的提高，混合气的燃烧速度加快，燃烧过程所占的曲轴转角减小，点火提前角应适当减小。发动机正常工作时，随冷却液温度的提高，爆燃倾向逐渐增加。冷却液温度过高时，为了避免产生爆燃，应减小点火提前角。
[0095]点火线圈初级电流的大小，决定了点火系统点火能量的高低，直接影响发动机性能的发挥。当点火线圈的初级电路被接通时，其初级电流按指数规律增加。初级电路被断开瞬间，，初级电流所能达到的值(即断开电流)与初级电路接通的时间长短有关，只有通电时间达到一定值时，初级电流才能达到饱和电流6.5A (此后电流不再增加)。由于断开电流影响点火线圈次级电压最大值，次级电压的高低又直接影响点火的可靠性，所以在发动机工作时，必须保证点火线圈的初级电路有足够的通电时间。但通电时间过长，不但点火能量不会增加，而且会引起ICU和点火线圈过热，缩短ICU和点火线圈使用寿命。最佳闭合角是线圈电流刚达到6.5A并稳定0.2ms左右。I⑶具有点火监控功能，点火监控信号(MON)用来检测线圈初级电流达到6.5A饱和电流的时刻。当点火线圈通电时，IMON信号随线圈电流增加而增加，当线圈电流达到6.5A时MON信号迅速下降，变为低电平。ECM根据MON信号确定点火线圈初级电路初始闭合角(线圈通电开始时刻)及判断点火线圈初级电路是否有故障。
[0096]点火驱动模块根据ECU指令，控制点火线圈初级电路的导通和截止。当初级电路导通时，有电流从点火线圈中的初级电路通过，点火线圈将点火能量以磁场的形式储存起来。初级电路中的电流被切断时，在其次级线圈中将产生很高的感应电动势，经高压线传至火花塞。点火能量经火花塞间隙瞬间释放，产生的电火花点燃缸内的混合气。
[0097]增压制控制方法为:
[0098]S91，在内存内预设不同工况下对应的已标定的增压压力，所述增压压力与发动机转速和节气门位置的组合——对应；
[0099]S92，E⑶通过进气歧管压力传感器测量实际的进气歧管增压压力，并根据发动机转速和节气门位置在内存中查找该工况下标定的增压压力；
[0100]S93，E⑶根据实际增压压力和标定增压压力之间的偏差，调整释放阀的通电时间，将实际增压压力控制在标定值左右一定的误差范围内。
[0101]增压控制系统根据发动机进气歧管压力和标定压力之间的偏差，控制增压器废气放气阀的开度，以达到控制增压压力、提高发动机动力性和经济性的目的。废气放气阀的开度受驱动气室的进气压力所控制，当驱动气室的进气压力和复位弹簧相平衡时废气放气阀的开度位置保持不变。
[0102]放气阀位于涡轮进气道和排气口之间，放气阀打开时，它分流掉一部分涡轮叶轮周围的废气，使排气推动涡轮叶轮的能量减少，从而控制了增压器的转速和增压压力。放气阀的开度随着驱动气室的压力增大而增大，而增压压力则随着驱动气室的压力增大而减小。废气门驱动气室的空气取自车辆压缩空气，需要用减压器将8到10kg/cm2的压缩空气减压到2kg/cm2左右(取决于废气门膜片弹簧压力)，再通过释压电磁阀控制驱动气室的压力。释压电磁阀通电时间(占空比)越长，释放的气体压力就越大，驱动气室的进气压力也就越小。ECU通过进气歧管压力传感器测量实际的进气歧管增压压力，并根据发动机转速和节气门位置(与脚踏板位置对应)在内存中查找该工况下标定的增压压力。根据实际增压压力和标定增压压力之间的偏差，ECU调整释放阀的通电时间，将实际增压压力控制在标定值附近。
[0103]如图3所示和图4所示，节气门开度控制方法为:
[0104]确定期望怠速值，具体方法为:
[0105]S1011，根据起动转速偏移、运行时间和启动转速衰减计算发动机刚起动后要求的转速偏移；
[0106]S1012，开始期望怠速计算，确定是否要求高的怠速，当需要高怠速时，取得目标高怠速并设为等于期望怠速；
[0107]S1013，当不需要高怠速时，确定与ECT对应的怠速偏移，并确定所述怠速偏移和所述步骤SlOll中转速偏移两者中的较大者并与期望基本怠速相加，得到期望怠速；
[0108]当脚踏板(油门)处于怠速位置时，E⑶进行怠速闭环控制，控制节气门开度位置，保持发动机速度在期望怠速值附近；
[0109]当发动机速度超过设定最大额定转速时，ECU限制节气门开度位置，超速越多节气门开度位置越小；
[0110]当发动机速度在怠速和设定最大额定转速之间时，节气门开度位置直接由脚踏板控制，节气门开度位置随脚踏板位置同步变化。
[0111]具体怠速控制是:ECU通过PID参数进行发动机怠速控制。怠速目标值是高怠速开关、从起动至目前运行的时间以及冷却液温度的一个函数。超速限制是一特殊的比例微分调速器。因为没有积分项，在给定负荷下发动机最大转速不是一样的。节气门位置指令作为发动机转速的一个函数，当发动机速度超过最大额定转速时，ECU开始限制节气门开度位置，速度超过额定值越多，节气门开度位置越小。一个典型例子见下表。
[0112]超过规定的正常控制转速时，ECU控制电磁阀切断燃气以保护发动机免受损坏。
[0113]
【权利要求】
1.一种利用燃气冷能提高发动机热效率实现节能减排的系统，其特征在于，包括发动机，与所述发动机相连的燃气传输线路和空气传输线路，控制所述燃气与空气之间的温差以及控制发动机运行的控制单元； 所述液化燃气传输线路包括液化燃气储气瓶，所述燃气储气瓶用于存储液化天然气，压缩天然气和液化石油气三者之一，所述燃气储气瓶通过燃气空气换热气化器和燃气热水换热气化器之一或者两者的串联与缓冲罐的相连，所述缓冲罐通过过滤器和减压器与燃气喷嘴相连，所述燃气喷嘴将燃气喷射入发动机气缸内； 所述空气传输流程包括空气滤清器，所述空气滤清器将空气过滤后通过空气增压器增压后传输给空气中冷器，所述空气中冷器将空气输入发动机气缸内； 还包括燃气温度传感器、发动机冷却水温度传感器和空气温度传感器，所述燃气温度传感器用于检测所述减压器减压后进入喷嘴前的燃气温度并将所述燃气温度传输给控制单元，所述发动机冷却水温度传感器用于检测所述发动机出水温度并将所述发动机出水温度传输给所述控制单元，所述空气温度传感器用于检测所述空气中冷器输出或节气门前的空气温度并将所述空气温度传输给所述控制单元，所述控制单元控制热水电磁阀和燃气空气换热器风扇之一或者两者的工作，控制通过燃气热水换热气化器的热水量以及燃气空气换热气化器的通风量，使燃气和空气的温度之差小于设定阈值T。
2.如权利要求1所述的利用燃气冷能提高发动机热效率实现节能减排的系统，其特征在于:还包括水箱风扇，所述水箱风扇的控制端与所述控制单元相连，所述控制单元通过控制所述水箱风扇的工作控制所述燃气热水换热气化器的通风量，调节所述燃气热水换热气化器内的水温。
3.如权利要求1所述的利用燃气冷能提高发动机热效率实现节能减排的系统，其特征在于:还包括中冷器风扇，所述中冷器风扇的控制端与所述控制单元相连，所述控制单元通过控制中冷器风扇的工作控制空气中冷器的通风量，调节空气中冷器输出的空气温度。
4.如权利要求1所述的利用燃气冷能提高发动机热效率实现节能减排的系统，其特征在于:所述控制单元包括信息输入模块、处理模块和信息输出模块； 所述信息输入模块与至少一个传感器相连，接收所述传感器送来的信号并对所述信号进行整形、放大处理、A/D转换，转变成计算机能接受的量程合适的数字信号； 所述信息输出模块与电子节气门，点火线圈，燃气喷嘴，燃气空气换热气化器风机，冷却水箱风机，空气中冷器风机，燃气热水换热气化器电磁阀之一或任意组合相连，所述信息输出模块将控制命令放大并输出，控制电子节气门，点火线圈，燃气喷嘴，燃气空气换热气化器风机，冷却水箱风机，空气中冷器风机，燃气热水换热气化器电磁阀之一或任意组合工作。
【文档编号】F02B43/00GK203584569SQ201320664261
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年10月25日 优先权日:2013年10月25日
【发明者】张毅 申请人:张毅