一种对掺混燃油中生物柴油含量鉴定方法及系统与流程

本发明涉及柴油机生物柴油掺混燃料检测技术领域，尤其涉及一种对掺混燃油中生物柴油含量鉴定方法及鉴定系统、对发动机的控制方法及控制系统。

背景技术：

生物柴油通常是通过含油植物或动物油脂与低分子醇类进行酯化反应所得，其主要组分是脂肪酸酯类,是一种含氧量很高的复杂有机混合物。在生物柴油产品分析和生产过程中，常采用气相色谱法、红外光谱法以及质谱法对生物柴油各成分进行详细的分析，保障产品中各类物质的比例合适。其中红外光谱法用于测定生物柴油与普通柴油掺混比例具有较强的优势，其测定速度快、重复性高。但这种方法需要专用的测量仪器及附件，常用于生物柴油生产厂及检测机构。

目前，生物柴油多以一定比例加入到普通柴油中作为混合燃料使用。在乘用车领域，在用户的使用过程中，定期检查燃油具体成分会带来额外的工作量，因此需要添加相关测量设备，完成发动机对燃料中生物柴油的掺混比例的自动识别。

技术实现要素：

本发明的第一目的是提供一种通过采集工况参数，导入神经网络模型后计算掺混燃油的含氧量，然后基于含氧量得到掺混燃油中生物柴油体积浓度的对掺混燃油中生物柴油含量鉴定方法。

本发明的第二目的是提供一种根据上述对掺混燃油中生物柴油含量鉴定方法获得生物柴油体积浓度之后，对发动机的控制方法。

本发明的第三目的是实现上述对掺混燃油中生物柴油含量鉴定方法的对掺混燃油中生物柴油含量鉴定系统。

本发明是的额第四目的是实现上述发动机的控制方法的对发动机的控制系统。

为了实现本发明的第一目的，本发明采用的技术方案为：

一种对掺混燃油中生物柴油含量鉴定方法，包括以下步骤：

S1、采集发动机的工况参数；所述工况参数包括掺混燃油质量流量EGR率r、排气氧浓度q_out，进气压力P_in、发动机转速n；

S2、将所述工况参数导入预先建立的神经网络模型进行计算，得到掺混燃油的含氧量q_f；

S3、基于所述掺混燃油的含氧量q_f，得到当前掺混燃油中生物柴油体积浓度BD_vol。

根据本发明的一优选实施例：其中，在所述步骤S1之前还包括：

S01，采集在不同掺混比例、工况参数下的样本数据；

S02，根据所述样本数据建立神经网络模型。

根据本发明的一优选实施例：其中，步骤S02包括：在Matlab神经网络工具箱中，根据所述样本数据建立神经网络模型。

为了实现本发明的第二目的，本发明采用的技术方案为：

一种对发动机的控制方法，根据上述掺混燃油中生物柴油含量鉴定方法，得到生物柴油体积浓度BD_vol之后，包括：

根据生物柴油体积浓度BD_vol和工况参数在预设的控制参数调整表中进行查找，获得与当前生物柴油掺混比例和工况参数相对应的EGR率调整参数；

根据所述EGR率调整参数调节EGR阀。

根据本发明的一优选实施例：根据生物柴油体积浓度BD_vol和工况参数在预设的控制参数调整表中进行查找，获得与当前生物柴油掺混比例和工况参数相对应的喷油控制参数；

根据所述喷油控制参数调整喷油控制策略。

为了实现本发明的第三目的，本发明采用的技术方案为：

一种对掺混燃油中生物柴油含量鉴定系统，包括：

发动机工况参数采集装置，用于采集当前柴油发动机的工况参数，并将所述工况参数发送至数据采集模块；

数据采集模块，用于将所述工况参数发送至神经网络模块；

网络神经模块，用于将所述工况参数导入预先建立的神经网络模型，得到掺混燃油的含氧量q_f，基于所述掺混燃油的含氧量q_f，得到当前掺混燃油中生物柴油体积浓度BD_vol；

其中，所述发动机工况参数采集装置包括：

EGR分析仪，用于采集发动机的EGR率r，并将所述EGR率r发送至数据采集模块；

排气氧浓度传感器，用于采集发动机的排气氧浓度q_out，并将所述排气氧浓度q_out发送至数据采集模块；

进气压力传感器，用于采集发动机的进气压力P_in，并将所述进气压力P_in发送至数据采集模块；

转速传感器，用于采集发动机的发动机转速n，并将所述发动机转速n发送至数据采集模块；

油耗仪，用于采集发动机的掺混燃油质量流量并将所述掺混燃油质量流量发送至数据采集模块。

根据本发明的一优选实施例：其中，所述神经网络模型基于在不同掺混比例、工况参数下采集的样本数据建立。

根据本发明的一优选实施例：其中，所述神经网络模型基于Matlab神经网络工具箱中，根据所述样本数据建立。

为了实现本发明的第三目的，本发明采用的技术方案为：

一种对发动机的控制系统，包括上述对掺混燃油中生物柴油含量鉴定系统，还包括：

EGR率控制模块，用于根据生物柴油体积浓度BD_vol和工况参数在预设的控制参数调整表中进行查找，获得与当前生物柴油掺混比例和工况参数相对应的EGR率调整参数，根据所述EGR率调整参数调节EGR阀

根据本发明的一优选实施例：还包括：

喷油控制模块，用于根据生物柴油体积浓度BD_vol和工况参数在预设的控制参数调整表中进行查找，获得与当前生物柴油掺混比例和工况参数相对应的喷油控制参数；

根据所述喷油控制参数调整喷油控制策略。

如上所述，根据本发明的对掺混燃油中生物柴油含量鉴定方法及鉴定系统、对发动机的控制方法及控制系统，通过采集发动机的工况参数，该参数包括燃油质量流量EGR率r，排气氧浓度q_out，进气压力P_in，发动机转速n，将工况参数导入神经网络模型中可以计算出燃料氧含量q_f，通过燃料氧含量q_f可以计算出生物柴油体积浓度BD_vol。并且在获得生物柴油体积浓度BD_vol后，还可以根据生物柴油体积浓度BD_vol和工况参数在预设的控制参数调整表查找对应的EGR率调整参数，最终可以根据EGR率调整参数调节EGR阀，实现对发动机的控制。

该方法具有以下优点：1、减轻了用户检测油品的复杂度，对实际使用过程中燃油中生物柴油掺混比例进行了很好的复现；2、除实现生物柴油掺混比例的自动识别功能外，还为车辆在使用不同油品时的性能优化提供可能，提高经济性；3、为替代燃料在乘用车领域的推广应用奠定了基础。

附图说明

图1是本发明的对掺混燃油中生物柴油含量鉴定方法的方法流程图；

图2是本发明的对发动机的控制方法的方法流程图；

图3是本发明的对掺混燃油中生物柴油含量鉴定系统的结构框图；

图4是本发明的对发动机的控制系统的结构框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1是本发明的对掺混燃油中生物柴油含量鉴定方法的方法流程图。

参阅图1所示，一种对掺混燃油中生物柴油含量鉴定方法，包括以下步骤：

S1、采集发动机的工况参数；所述工况参数包括掺混燃油质量流量EGR率r、排气氧浓度q_out，进气压力P_in、发动机转速n；其中EGR率r即为废气再循环率，表示：进入发动机的废气质量流量与总进气质量流量之比。

S2、将所述工况参数导入预先建立的神经网络模型进行计算，得到掺混燃油的含氧量q_f；

S3、基于所述掺混燃油的含氧量q_f，得到当前掺混燃油中生物柴油体积浓度BD_vol。

本发明通过采集发动机的工况参数，该参数包括燃油质量流量EGR率r，排气氧浓度q_out，进气压力P_in，发动机转速n，将工况参数导入神经网络模型中可以计算出燃料氧含量q_f，通过燃料氧含量q_f可以计算出生物柴油体积浓度BD_vol。通过该方法具有以下优点：1、减轻了用户检测油品的复杂度，对实际使用过程中燃油中生物柴油掺混比例进行了很好的复现；2、除实现生物柴油掺混比例的自动识别功能外，还为车辆在使用不同油品时的性能优化提供可能，提高经济性；3、为替代燃料在乘用车领域的推广应用奠定了基础。

在本实施例中，其中，在所述步骤S1之前还包括：

S01，采集在不同掺混比例、工况参数下的样本数据；

S02，根据所述样本数据建立神经网络模型。

步骤S02中可以在Matlab神经网络工具箱中，根据所述样本数据建立神经网络模型，神经网络模型制作方便。本发明利用不同掺混比例、转速、循环油量及EGR率确立了大量工况参数样本，完成了神经网络模型的训练及校核。神经网络模型的每组工况参数均存储有掺混燃油质量流量EGR率r、排气氧浓度q_out，进气压力P_in、发动机转速n数据。

在本发明的另一优选实施例中，所述步骤S3中，

掺混比例辨识方法基于以下公式：

${\mathrm{BD}}_{vol}=function\left(q_f\right)=function({\stackrel{\·}{m}}_f,r,q_{out},P_{in},n)$

其中，BD_vol为生物柴油体积浓度，q_f为燃料氧含量，燃油质量流量，r为EGR率，q_out为排气氧浓度，P_in为进气压力，n为发动机转速。

对于掺混比例辨识原理，下面详细说明：

本发明的生物柴油掺混比例辨识方法是基于生物柴油与普通柴油氧含量的差异。由燃烧前后柴油机缸内氧浓度守恒关系可知，在经过柴油机缸内燃烧后，相同工况下，燃用生物柴油时排气氧浓度较普通柴油较高。

定义以下参数：燃油质量流量新鲜空气质量流量EGR率r，废气质量流量燃料含氧量q_f，新鲜空气含氧量q_air，废气含氧量q_out，由质量守恒及氧浓度守恒关系可得：

${\stackrel{\·}{m}}_f+{\stackrel{\·}{m}}_{air}=(1-r)\·{\stackrel{\·}{m}}_{out}$

${\stackrel{\·}{m}}_f\·q_f+{\stackrel{\·}{m}}_{air}\·q_{air}=(1-r)\·{\stackrel{\·}{m}}_{out}\·q_{out}$

进一步分析可知，排气氧浓度可以反映燃烧的好坏，因而随柴油机工况改变而改变，且两者之间存在一定的关系。通过对工况进行识别并结合排气氧浓度信息，寻求出两者之间的关系，即可辨识得出燃料中生物柴油的掺混比例。

本发明用于增压柴油机燃用生物柴油掺混比例辨识。柴油机工况可以用柴油机的进气量及耗油量的组合来表示，而柴油机采用的是质调节，即通过调节循环油量实现负荷的调节。理论上讲，柴油机的进气量由转速及进气压力决定。

此外，废气的引入会影响缸内的新鲜空气量，进而影响本发明中燃烧后排气中的氧浓度，因此也作为工况的判定参数之一。

${\stackrel{\·}{m}}_{in}={\stackrel{\·}{m}}_{air}+r\·{\stackrel{\·}{m}}_{out}=function(P_{in},n)$

结合质量守恒、氧浓度守恒关系式，可推导得出燃料含氧量可以通过如下关系式计算得出：

$q_f=\frac{(1-r){\stackrel{\·}{m}}_{out}{q}_{out}-{\stackrel{\·}{m}}_{air}{q}_{air}}{{\stackrel{\·}{m}}_f}=\frac{{\stackrel{\·}{m}}_f\left(\right(1-r)q_{out}+{\mathrm{rq}}_{air})+{\stackrel{\·}{m}}_{in}(1-r)(q_{out}-q_{air})}{{\stackrel{\·}{m}}_f}$

柴油机工况的判定参数包括：EGR率、进气压力、发动机转速及循环油量。

进一步分析可知，本发明所提出的生物柴油掺混比例辨识方法是通过获取柴油机循环油量、EGR率、进气压力及发动机转速信息进行工况判断，并结合测量得到的排气氧浓度，带入本发明建立好的神经网络模型进行分析，实现对生物柴油掺混比例的辨识：

${\mathrm{BD}}_{vol}=function\left(q_f\right)=function({\stackrel{\·}{m}}_f,r,q_{out},P_{in},n)$

本发明所使用的神经网络模型基于Matlab神经网络工具箱建立，神经网络输入参数的好坏直接决定最后建立模型的准确程度，因此需要确保输入参数与输出参数具有良好的映射关系，同时输入参数的组合还应该涵盖尽可能多的情况，从而保证训练样本的全面性及可靠性。

图2是本发明的对发动机的控制方法的方法流程图；

参阅图2所示，一种对发动机的控制方法，通过上述对掺混燃油中生物柴油含量鉴定方法得到生物柴油体积浓度BD_vol之后，

根据生物柴油体积浓度BD_vol和工况参数在预设的控制参数调整表中进行查找，获得与当前生物柴油掺混比例和工况参数相对应的EGR率调整参数；

根据所述EGR率调整参数调节EGR阀。

通过该方法，为发动机在使用不同油品时的性能优化提供可能，提高经济性。

对发动机的控制方法，还包括：根据生物柴油体积浓度和工况参数在预设的控制参数调整表中进行查找，获得与当前生物柴油掺混比例和工况参数相对应的喷油控制参数；

根据所述喷油控制参数调整喷油控制策略。该喷油控制策略可以是通过调整燃油质量、循环进气量、喷油脉宽、喷油时间、空燃比等参数。可以降低尾气排放、提高发动机的动力和燃油经济性。

图3是本发明的对掺混燃油中生物柴油含量鉴定系统的结构框图。

参阅图3所示，一种对掺混燃油中生物柴油含量鉴定系统，包括：

发动机工况参数采集装置1，用于采集当前柴油发动机的工况参数，并将所述工况参数发送至数据采集模块；

数据采集模块2，用于将所述工况参数发送至神经网络模块；

网络神经模块3，用于将所述工况参数导入预先建立的神经网络模型，得到掺混燃油的含氧量q_f，基于所述掺混燃油的含氧量q_f，得到当前掺混燃油中生物柴油体积浓度BD_vol；最优的，所述神经网络模型基于在不同掺混比例、工况参数下采集的样本数据建立。并且，所述神经网络模型可以基于Matlab神经网络工具箱中，根据所述样本数据建立。

其中，所述发动机工况参数采集装置1包括：

EGR分析仪11，用于采集发动机的EGR率r，并将所述EGR率r发送至数据采集模块；

排气氧浓度传感器12，用于采集发动机的排气氧浓度q_out，并将所述排气氧浓度q_out发送至数据采集模块；

进气压力传感器13，用于采集发动机的进气压力P_in，并将所述进气压力P_in发送至数据采集模块；

转速传感器14，用于采集发动机的发动机转速n，并将所述发动机转速n发送至数据采集模块；

油耗仪15，用于采集发动机的掺混燃油质量流量并将所述掺混燃油质量流量发送至数据采集模块。

发动机工况参数采集装置1可以采集发动机中燃油质量流量EGR率r，排气氧浓度q_out，进气压力P_in，发动机转速n的信息。数据采集模块2将信息收集以后发送给网络神经模块3，由网络神经模块3分析实时采集到的各项传感器及仪器参数，实现对生物柴油掺混比例的在线识别，具有识别快速识别率高的优点。

在本实施例中，其中EGR率采用ECM公司的EGR5230气体分析仪进行测量，循环油量通过油耗仪进行测定，进气压力及发动机转速采用Kistler公司相关传感器进行测定。本发明中排气氧浓度的测量采用Bosch公司的宽裕氧浓度传感器。当然，也可以使用其他能够实现该功能的设备也不影响本实施例的实施。

图4是本发明的对发动机的控制系统的结构框图。

一种对发动机的控制系统，包括上述对掺混燃油中生物柴油含量鉴定系统，还包括：

EGR率控制模块4，用于根据生物柴油体积浓度BD_vol和工况参数在预设的控制参数调整表中进行查找，获得与当前生物柴油掺混比例和工况参数相对应的EGR率调整参数，根据所述EGR率调整参数调节EGR阀。

网络神经模块3与EGR率控制模块4连接，网络神经模块3获得的生物柴油体积浓度BD_vol后发送给EGR率控制模块4，EGR率控制模块4计算EGR率调整参数后控制发动机的EGR阀的流量。为发动机在使用不同油品时的性能优化提供可能，提高经济性。

在本发明的一个优选实施例中，该控制系统还包括：

喷油控制模块5，用于根据生物柴油体积浓度BD_vol和工况参数在预设的控制参数调整表中进行查找，获得与当前生物柴油掺混比例和工况参数相对应的喷油控制参数；

根据所述喷油控制参数调整喷油控制策略。

实现了根据掺混燃油的EGR率调整喷油控制策略，为发动机在使用不同油品时的性能优化提供可能，提高经济性。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。