柴油微喷引燃天然气式双燃料机控制系统及方法与流程

本发明属于控制和发动机技术，具体涉及一种柴油微喷引燃天然气式双燃料机控制系统及方法。
背景技术：
：在柴油和天然气双燃料柴油发动机中，除了柴油以外，还将天然气作为主燃料使用，由此实现绿色的排放和燃料成本的削减。目前实现对双燃料大功率柴油发动机系统的燃油控制有多种方式，但实际应用中有以下弊端：(1)在双燃料模式启动柴油机存在着未燃烧天然气泄漏的风险；(2)在切换过程中，转速波动率较大；(3)各缸之间易窜气，且响应速度较慢；(4)难以达到较高的替代率。因此，有必要开发一种新的柴油微喷引燃天然气式双燃料机控制系统及方法。技术实现要素：本发明的目的是提供一种柴油微喷引燃天然气式双燃料机控制系统及方法，以达到较高的燃烧效率和较佳的排放指标。本发明所述的柴油微喷引燃天然气式双燃料机控制系统，包括监控柜、单体泵控制单元、天然气控制单元和传感器组；所述监控柜具有人机交互界面，用于显示各种监控信息和发送操作指令，该监控柜分别与单体泵控制单元、天然气控制单元连接；所述传感器组将所采集的信号发送至单体泵控制单元、天然气控制单元，该传感器组分别与单体泵控制单元、天然气控制单元连接；所述单体泵控制单元与发动机上的电控单体泵连接，所述天然气控制单元与发动机的各缸进气歧管中的气体阀连接；在纯柴油模式和双燃料模式下，单体泵控制单元基于传感器组所采集的信号以及操作指令控制电控单体泵，由电控单体泵控制柴油的喷射量和喷射正时；在双燃料模式下，天然气控制单元基于传感器组所采集的信号以及操作指令控制各气体阀的开关来控制天然气量。本发明所述的一种柴油微喷引燃天然气式双燃料机控制方法，采用如本发明所述的柴油微喷引燃天然气式双燃料机控制系统；其控制方法包括：步骤一、在纯柴油模式下启动柴油机，通过控制电控单体泵实现引燃柴油量的喷射，包括对喷射量和喷射正时的控制；步骤二、纯柴油模式向双燃料模式切换：2a、在启动完成后，系统接收到进入双燃料模式控制指令；2b、单体泵控制单元判断柴油微喷引燃天然气式双燃料机系统是否满足预先设定好的双燃料使用条件，若满足，则进入步骤2c；若不满足，则重复执行此步骤；2c、监控柜向单体泵控制单元、天然气控制单元发出双燃料使能信号；单体泵控制单元、天然气控制单元基于双燃料使能信号，采用阶梯降油法来实现纯柴油模式向双燃料模式的切换；步骤三、退出双燃料模式：3a、系统接收到退出双燃料模式控制指令；3b、监控柜向单体泵控制单元、天然气控制单元发出退出双燃料模式信号；3c、单体泵控制单元、天然气控制单元基于退出双燃料模式信号采用阶梯降燃气法来实现双燃料模式向纯柴油模式的切换；在所述步骤一至步骤三中，还采用了排温修正算法对各缸排温的不均性进行控制；采用MAP查表法控制各工况下的着火正时。所述阶梯降油法包括以下步骤：A1、进入双燃料模式切换开始；A2、柴油的喷射量按比例逐步下降；A3、根据发动机的实际转速和目标转速的偏差作为输入，通过PID调节后，输出气体阀的打开时间，闭环控制发动机的转速；A4、判断柴油的喷射量是否到达最小柴油量，若是，则柴油量保持最小不变，即切换完成，进入双燃料模式，若不是，则返回步骤A2；所述阶梯降燃气法包括以下步骤：B1、退出双燃料模式切换开始；B2、天然气量按比例逐步下降；B3、根据发动机的实际转速和目标转速的偏差作为输入，通过PID闭环控制柴油的喷射量，以稳定发动机的转速；B4、判断燃气量是否为0，若是，即切换完成，进入纯柴油模式，若不是，则返回步骤B2。采用排温修正算法对各缸排温的不均匀性进行控制，具体为：C1、采集各缸排温；C2、判断对各缸排温的有效性，若有效，则求取各缸的平均排温，并找出排温最高的缸和排温最低的缸，若无效，则不处理；C3、判断排温最高的缸和排温最低的缸的排温是否超过排温限制，具体为：利用公式delt_t＝cyl_t-avg_t计算出缸的排温超过量，其中：delt_t为排温超过量，avg_t为平均排温，cyl_t为单缸的排温；判断排温超过量是否在排温限制范围内，若是，则表示此缸的排温已超出排温限制，则需要修正此缸的燃料量，若否，则表示此缸的排温未超过排温限制，则不需要修正此缸的燃料量；C4、修正缸的燃料量，具体为：利用公式m’＝m-delt_t*alpha计算缸修正后的燃料量，其中：m’为修正后燃料量；m为修正前燃料量；alpha为强度系数。采用MAP查表法控制各工况下的着火正时，具体为：基于喷射的柴油量、以及发动机的转速检索着火正时脉谱图来控制柴油微喷引燃天然气式双燃料机控制系统在不同模式下、不同工况的着火正时；所述着火正时脉谱图是以柴油量、转速的输出值为参数来确定着火正时的脉谱图，且纯柴油模式和双燃料模块采用不同的喷油提前角，在双燃料模式下，低速和高速不同工况采用不同的喷油提前角。本发明具有以下优点：(1)能够控制发动机工作在纯柴油模式，或主要燃烧天然气的双燃料模式。(2)通过控制发动机的各缸进气歧管中的气体阀来精确控制各缸的天然气量，区别于在进气总管喷射的方法，采用进气歧管喷射能够实现对各个缸的喷气量精确控制，有效防止了各缸之间的窜气，并具有响应速度快的优点。(3)在主烧天然气模式下，柴油的替代率可达到98％，即相同工况下，天然气模式下的引燃柴油量仅为纯柴油模式下的2％。(4)通过控制电控单体泵实现引燃柴油量的喷射，包括对喷射正时和喷油量的控制，喷射正时决定了天然气的着火时刻。(5)通过纯柴油方式起动柴油机，起动完成后运行到指定工况，再切换为双燃料模式；因双燃料模式启动柴油机存在着未燃烧天然气泄漏的风险，采用纯柴油模式启动更安全、更可靠。(6)采用阶梯降油法实现纯柴油模式到双燃料模式的切换，采用阶梯降燃气法实现双燃料模式向纯柴油模式的切换，能够实现平稳过渡，模式切换过程中转速波动小于5％，切换时间不超过1分钟。(7)适用于功率在800KW以上的大功率柴油机，转速范围为0～2000r/min，柴油机缸径从170mm～350mm范围，缸数不超过8缸。(8)采用了排温修正算法，以平衡气体或柴油模式下各缸的均匀性，各缸排温的不均匀性可控制在±25摄氏度，从而使各缸的负荷和排温均匀，延长发动机的寿命。有效防止了某一缸负荷过重造成拉缸，同时各缸均匀性的控制对于双燃料模式有重要意义，是防止某缸失火，导致未燃烧HC进入到排气道爆炸的重要手段。(9)采用了MAP查表的方式，不同模式，不同的工况下，柴油喷入的时刻不同，从而使天然气燃烧的时刻能够灵活控制，保证了燃烧最优，天然气的消耗量最小。附图说明图1为本发明的原理框图；图2为本发明中阶梯降油法的流程图；图3为本发明中阶梯降燃气法的流程图；图4为本发明中排温修正法的流程图。具体实施方式下面结合附图对本发明作进一步说明。如图1所示的柴油微喷引燃天然气式双燃料机控制系统，包括监控柜1、单体泵控制单元2、天然气控制单元3和传感器组5。所述监控柜1具有人机交互界面，用于显示各种监控信息和发送操作指令，该监控柜1分别与单体泵控制单元2、天然气控制单元3连接。操作者通过在监控柜1的人机交互界面上发送模式切换指令。所述传感器组5将所采集的信号发送至单体泵控制单元2、天然气控制单元3，该传感器组5分别与单体泵控制单元2、天然气控制单元3连接。所述单体泵控制单元2与发动机4上的电控单体泵7连接，所述天然气控制单元3与发动机4的各缸进气歧管中的气体阀6连接。在纯柴油模式和双燃料模式下，单体泵控制单元2基于传感器组5所采集的信号以及操作指令控制电控单体泵7，由电控单体泵7控制柴油的喷射量和喷射正时；通过曲轴和转速传感器获取柴油机的相位，以压缩上止点为基准，通过控制电控单体泵7电磁阀中的电流长度和电流的起点，实现对柴油的喷射正时和喷射量的控制。电控单体泵7的油量与其电磁阀通电电流的始点和电流持续时间有关，具体关系需要通过实验测量。在双燃料模式下，天然气控制单元3基于传感器组5所采集的信号以及操作指令控制各气体阀6的开关来控制天然气量。具体为，通过曲轴和凸轮转速传感器，识别出当前柴油机的相位，以进气上止点为控制基准，控制各个气体阀6的开启时间，进而控制天然气的进入量。本发明通过控制发动机4的各缸进气歧管中的气体阀6来精确控制各缸的天然气量，区别于在进气总管喷射的方法，采用进气歧管喷射，能够实现对各个缸的喷气量精确控制，有效防止各缸之间的窜气，并具有响应速度快的优点。本发明中所述传感器组5包括以下10多种传感器，分别用于检测10多种信号，参见表1：信号名称信号类型发动机曲轴信号24V脉冲信号发动机凸轮信号24V脉冲信号冷却水进机压力4～20mA冷却水温度PT100燃油压力4～20mA增压空气压力4～20mA增压空气温度PT100滑油压力4～20mA滑油温度PT1001～8缸排温传感器K型热电偶2只总管排温传感器K型热电偶燃气压力_机旁4～20mA燃气压力_阀前4～20mA其中：1.发动机曲轴信号：计算发动机的转速，同时配合凸轮信号，更加精确的计算发动机4的相位。2.发动机凸轮信号：识别发动机的相位，从而确定压缩上止点和进气上止点两个关键位置，作为控制柴油喷射和燃气喷射的基准。3.冷却水进机压力：监控发动机是否有冷却水在正常循环，防止发动机过热。4.冷却水温度：监控发动机的冷却水温度是否过高，若过高则需要停机。5.燃油压力：监控发动机的柴油是否供给正常。6.增压空气压力：监控发动机的进气压力是否在正常范围内，增压空气压力是天然气的进气压力，此压力必须在合适范围内，若压力过高将影响天然气的进气量。7.增压空气温度：监控发动机的进气温度是否在正常范围内，若进气温度过高，则天然气会提前燃烧，从而导致发动机爆震。8.滑油压力：监控发动机的润滑油压力，润滑油压力若过低则表明润滑油供给有问题，需要停机。9.滑油温度：监控发动机润滑油的温度是否正常，油温过高则表明发动机的冷却有问题，同时润滑油的润滑效果会减弱。10.排温传感器：监控发动机的排气温度，同时为各缸不均匀性修正算法提供每缸的排温，计算各缸的修正量。11.燃气压力：监控天然气的压力，从而判断发动机是否具备从柴油切换到天然气的条件，若燃气压力过高，燃气阀将无法开启，此时便不能进行油切气的过程。本发明所述的一种柴油微喷引燃天然气式双燃料机控制方法，采用如本发明所述的柴油微喷引燃天然气式双燃料机控制系统；其控制方法包括：步骤一、在纯柴油模式下启动柴油机，通过控制电控单体泵7实现引燃柴油量的喷射，包括对喷射量和喷射正时的控制。由于双燃料模式启动柴油机存在着未燃烧天然气泄漏的风险，采用纯柴油模式启动更安全、更可靠。步骤二、纯柴油模式向双燃料模式切换：2a、在启动完成后，当操作者选择进入双燃料模式时，即系统接收到进入双燃料模式控制指令；2b、单体泵控制单元2基于传感器组5所采集的信号判断柴油微喷引燃天然气式双燃料机系统是否满足预先设定好的双燃料使用条件，若满足，则进入步骤2c；若不满足，则重复执行此步骤；2c、监控柜1向单体泵控制单元2、天然气控制单元3发出双燃料使能信号；单体泵控制单元2、天然气控制单元3基于双燃料使能信号，采用阶梯降油法来实现纯柴油模式向双燃料模式的切换。在双燃料模式下，柴油的替代率可达到98％。电控单体泵7能够实现微小油量的精确控制，并且能够做到喷油量和喷油正时独立控制，通过优化喷油正时，能够保证在微量柴油喷入时稳定的引燃天然气，大部分工况均能够实现98％以上的替代率。柴油替代率计算公式如下：r＝mf/mg；其中，定义纯柴油模式下油耗为mf，定义双燃料模式下的柴油油耗为mg，替代率为r，替代率测量替代率需要两次测量同一工况下不同模式的柴油消耗率。在双燃料模式下，柴油的替代率能达到98％；通过“微喷”柴油实现的，也就是通过控制柴油的量为刚好满足引燃天然气的量，这种“微喷”通过传统的机械式油泵不能实现的。步骤三、退出双燃料模式：3a、当操作者选择退出双燃料模式时，即系统接收到退出双燃料模式控制指令；3b、监控柜1向单体泵控制单元2、天然气控制单元3发出退出双燃料模式信号；3c、单体泵控制单元2、天然气控制单元3基于退出双燃料模式信号采用阶梯降燃气法来实现双燃料模式向纯柴油模式的切换；在所述步骤一至步骤三中，还采用了排温修正算法对各缸排温的不均性进行控制；采用MAP查表法控制各工况下的着火正时。如图2所示，所述阶梯降油法包括以下步骤：A1、进入双燃料模式切换开始；A2、柴油的喷射量按比例逐步下降；A3、根据发动机4的实际转速和目标转速的偏差作为输入，通过PID调节后，输出气体阀6的打开时间，闭环控制发动机4的转速；A4、判断柴油的喷射量是否到达最小柴油量，若是，则柴油量保持最小不变，即切换完成，进入双燃料模式，若不是，则返回步骤A2。本发明通过逐步降低当前工况的柴油喷射量，能够实现平稳过渡。转速波动率低于5％，切换时间短于1分钟。如图3所示，所述阶梯降燃气法包括以下步骤：B1、退出双燃料模式切换开始；B2、天然气量按比例逐步下降；B3、根据发动机4的实际转速和目标转速的偏差作为输入，通过PID闭环控制柴油的喷射量，以稳定发动机的转速。B4、判断燃气量是否为0，若是，即切换完成，进入纯柴油模式，若不是，则返回步骤B2。本发明通过逐步增加当前工况的柴油喷射量，能够实现平稳过渡。转速波动率低于5％，切换时间短于1分钟。如图4所示，采用排温修正算法对各缸排温的不均匀性进行控制，具体为：C1、采集各缸排温。C2、判断对各缸排温的有效性，若有效，则求取各缸的平均排温，并找出排温最高的缸和排温最低的缸，若无效，则不处理。C3、判断排温最高的缸和排温最低的缸的排温是否超过排温限制，具体为：利用公式delt_t＝cyl_t-avg_t计算出缸的排温超过量，其中：delt_t为排温超过量，avg_t为平均排温，cyl_t为单缸的排温。判断排温超过量是否在排温限制范围内，若是，则表示此缸的排温已超出排温限制，则需要修正此缸的燃料量，若否，则表示此缸的排温未超过排温限制，则不需要修正此缸的燃料量。C4、修正缸的燃料量，具体为：利用公式m’＝m-delt_t*alpha计算缸修正后的燃料量，其中：m’为修正后燃料量；m为修正前燃料量；alpha为强度系数。采用了排温修正算法，各缸排温的不均匀性可控制在±25摄氏度。大功率发动机4各缸均匀性需要得到有效的控制，以防止某一缸负荷过重造成拉缸。同时各缸均匀性的控制对于双燃料模式有重要意义，是防止某缸失火，导致未燃烧HC进入到排气道爆炸的重要手段。采用MAP查表法控制各工况下的着火正时，具体为：基于喷射的柴油量、以及发动机4的转速检索着火正时脉谱图来控制柴油微喷引燃天然气式双燃料机控制系统在不同模式下、不同工况的着火正时。参见表2，所述着火正时脉谱图是以柴油量、转速的输出值为参数来确定着火正时的脉谱图，纯柴油模式和双燃料模式必须采用不同的喷油提前角，才能够优化两种不同模式下的燃烧过程，同时在双燃料模式下，低速和高速不同工况下的提前角也需分别设置，才能保证燃烧最优，天然气的消耗量最小。表2。当前第1页1 2 3