一种气体发动机多点喷射系统及其控制方法与流程

本公开一般涉及发动机控制技术领域，具体涉及船用主推进发动机控制技术领域，尤其涉及一种气体发动机多点喷射系统及其控制方法。

背景技术：

我国天然气储量相对丰富，能源供给存在“富气贫油”的现象，国家的迅速发展，也对能源供给提出了更高的要求，而天然气的开发利用能够优化能源结构，有效减轻石油消耗压力，解决能源供应安全、生态环境保护的双重问题。

在当前阶段，针对大批量以柴油为燃料的发动机，通常是将其改造为双燃料发动机，在常用工况下，工作在柴油-天然气模式，用部分天然气替代柴油，降低燃料成本；在天然气气源不稳的工况下，自动切换回纯柴油工作模式，保持输出功率不变，是一个比较适用的解决方法。经实践发现，现有双燃料发动机多采用进气总管进气，此种进气方式易发生气门重叠，造成天然气直接从排气门溢出，从而导致发动机排放和经济性能的下降。

多点顺序喷射方式是目前最先进的混合气控制方式，可实现对每一缸的定时定量供气，可以减轻和消除由于气门重叠造成的天然气直接逸出而导致排放增加和燃气浪费，同时，还可以根据发动机转速和负荷更准确地控制进气量。但是，现下所采用的进气歧管多点喷射仅仅粗放式将天然气供给到各缸进气歧管处，而少有考虑喷射阀安装位置、起喷角度、喷射角度等因素对排放与经济性能的影响以及各缸燃烧性能差异的修正，亟待改进。

技术实现要素：

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种气体发动机多点喷射系统及其控制方法。

第一方面，提供一种相较于现有技术而言，能够有效保证发动机在平稳运行条件下提升燃料经济性以及排放性能的气体发动机多点喷射系统。

一种气体发动机多点喷射系统，包括：燃气通道系统和控制系统；所述燃气通道系统包括：天然气罐，与天然气罐出口相连的气化器和与气化器出口相连的燃气通道，所述燃气通道上设有与进气歧管一一对应的喷射阀；所述控制系统包括：电控单元ECU和与所述电控单元ECU电连接的附属传感器，所述附属传感器包括：安装在曲轴飞轮上的曲轴转速传感器，安装在凸轮轴上的上止点信号传感器，以及安装在各缸排气歧管上的单缸排气温度传感器；所述电控单元ECU与各喷射阀电连接。

根据本申请实施例提供的技术方案：所述附属传感器还包括：安装在喷油泵齿条拉杆处的油门齿条位置传感器。

根据本申请实施例提供的技术方案：所述附属传感器还包括：安装在进气总管中冷器后端的增压压力传感器。

根据本申请实施例提供的技术方案：所述附属传感器还包括：安装在排气总管上的排气总管温度传感器。

根据本申请实施例提供的技术方案：所述燃气通道上设有燃气切断阀。

根据本申请实施例提供的技术方案：所述燃气通道上设有燃气压力传感器。

根据本申请实施例提供的技术方案：所述喷射阀出口的气流方向与进气歧管内气流方向相逆。

第二方面，提供一种相较于现有技术而言，能够有效保证发动机在平稳运行条件下提升燃料经济性以及排放性能的气体发动机多点喷射系统的控制方法。

一种气体发动机多点喷射系统的控制方法，包括以下步骤：

S₁：计算拟定燃气喷射量：存储有转速-基准燃气喷射量MAP的电控单元ECU采集曲轴转速信号和上止点信号，根据上止点信号计算第X缸(X＝1、2…..n)的起喷时间；再根据曲轴转速信号查找转速-基准燃气喷射量MAP，得到当前转速下基准燃气喷射量L，电控单元ECU将基准燃气喷射量L作为拟定燃气喷射量L₁。

S₂：判断是否需要启动排温平衡模块：电控单元ECU采集各缸排气温度T_X(X＝1、2…..n)，同时计算得到各缸平均排气温度T＝∑T_X/n(n＝1、2….)；根据第X缸排气温度T_X与平均排气温度T得到二者差值△t，若△t位于规定范围内，则直接执行步骤S₄；若△t超出规定范围，则执行步骤S₃。

S₃：启动排温平衡模块，计算经过排温平衡修正的燃气喷射量：还存储有转速-排气温度PID参数MAP的电控单元ECU通过查找得到当前转速下的排气温度PID参数；电控单元ECU根据排气温度PID参数对步骤S₂中得到的△t进行PID调节，计算得到排温平衡燃气修正量△L_排温，经过修正的燃气喷射量L_排温＝L₁+△L_排温。

S₄：获取第X缸的起喷时间和启动燃气喷射量：电控单元ECU控制获取S₁中的起喷时间，并将S₁中拟定燃气喷射量L₁或S₃中经过排温平衡修正的燃气喷射量L_排温作为最终燃气喷射量L_最终，电控单元ECU将最终燃气喷射量L_最终作为启动燃气喷射量L_启动。

S₅：启动第X缸的喷射阀根据S₁中的起喷时间和启动燃气喷射量L_启动进行喷射，循环执行上述步骤，直至发动机完成启动。

根据本申请实施例提供的技术方案：在步骤S₁和S₂之间还包括：S_1-2：计算经过油门齿条位置反馈修正的燃气喷射量：还存储有转速-基准油门齿条位置MAP与转速-油门齿条位置PID参数MAP的电控单元ECU查找得到当前转速下的基准油门齿条位置和油门齿条位置PID参数；电控单元ECU采集当前转速下的实时油门齿条位置；电控单元ECU根据油门齿条位置PID参数对当前转速下实时油门齿条位置与基准油门齿条位置之间的差值进行PID调节，计算得到油门齿条位置燃气修正量△L_油门，拟定燃气喷射量L₁＝L+△L_油门。

根据本申请实施例提供的技术方案：在步骤S₄与S₅之间还包括：S_4-5：计算经过增压压力信号反馈修正的燃气喷射量：还存储有转速-增压压力-燃气喷射量限值二维MAP的电控单元ECU采集当前增压压力信号，查找得到当前转速与当前增压压力下的燃气喷射量限值L_lim，将最终燃气喷射量L_最终与燃气喷射量限值L_lim进行比对，取较小值作为启动燃气喷射量L_启动。

根据本申请实施例提供的技术方案：在步骤S₁之前，电控单元ECU采集所有附属传感器的实时参数，判断是否位于规定范围内；若均位于规定范围内，则直接执行S₁；若任一附属传感器的实时参数超出规定范围，则电控单元ECU控制报警模块启动。

根据本申请实施例提供的技术方案：电控单元ECU实时采集排气总管温度信号，若排气总管温度高于规定限值，则电控单元ECU控制燃气切断阀关闭。

根据本申请实施例提供的技术方案：电控单元ECU实时采集爆震信号，若爆震值超过规定值，则电控单元ECU启动声光报警且控制燃气切断阀关闭。

根据本申请实施例提供的技术方案：在步骤S₂中，所述△t的规定范围为±(5‐10)℃。

根据本申请实施例提供的技术方案：在步骤S₂中，若|△t|≥100℃，则电控单元ECU控制燃气切断阀关闭。

综上所述，基于上述技术方案的改进，本申请的电控单元ECU，能够利用曲轴转速传感器和上止点信号传感器获得曲轴转速信号和上止点信号。根据上止点信号计算第X缸的起喷时间；再根据曲轴转速信号查找转速-基准燃气喷射量MAP，得到当前转速下基准燃气喷射量，作为拟定燃气喷射量；同时，本申请充分考虑了柴油机各缸燃烧不均匀导致的各缸排温差异，利用电控单元ECU获取各缸的排气温度，判断是否需要针对排气温度异常的缸进行排温平衡，若无需进行排温平衡，则电控单元ECU控制第X缸根据上述起喷时间和拟定燃气喷射量进行喷射；若需对基准燃气喷射量进行修正，得到经过排温平衡修正的燃气喷射量，电控单元ECU控制第X缸根据上述起喷时间和经过排温平衡修正的燃气喷射量进行喷射。

基于上述控制系统的优选技术方案的改进，本申请中还通过增设其他附属传感器，使得本申请中技术方案运行的经济性能和安全性能更为突出，相较于现有技术而言，本申请提供的技术方案能够考虑喷射阀安装位置、起喷时间等因素对排放与经济性能的影响以及各缸燃烧性能差异，对初次得到的基准燃气喷射量进行修正，能够有效保证发动机在平稳运行条件下提升燃料经济性以及排放性能。

基于上述控制方法的优选技术方案的改进，本申请一方面，基于发动机启动经济性能的考虑，在得到基准燃气喷射量之后，电控单元ECU还通过对实时油门齿条位置与基准油门齿条位置之间的差值进行PID调节，计算得到油门齿条位置燃气修正量，使得拟定燃气喷射量的数值得以修正；一方面，基于发动机启动安全性的考虑，在最终燃气喷射量L_最终之后，电控单元ECU还通过将最终燃气喷射量L_最终与燃气喷射量限值L_lim进行比对，取较小值作为启动燃气喷射量L启动，使得拟定燃气喷射量的数值得以再次修正。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本申请中气体发动机多点喷射系统的结构示意图(实施例一)；

图2是本申请中气体发动机多点喷射系统的结构示意图(实施例一)；

图3是本申请中气体发动机多点喷射系统的控制方法的控制逻辑图(实施例二)；

图4是本申请中气体发动机多点喷射系统的控制方法的控制逻辑图(实施例三)。

图5是本申请中气体发动机多点喷射系统的控制方法的控制逻辑图(实施例四)；

图6是本申请中气体发动机多点喷射系统的控制方法的控制逻辑图(实施例五)。

图中：1、天然气气罐，2、气化器，3、燃气切断阀，4、燃气压力传感器，5、进气总管，6、进气歧管，7、喷射阀，8、单缸排气温度传感器，9、排气总管，10、排气总管温度传感器，11、增压压力传感器，12、中冷器，13、曲轴转速传感器，14、上止点位置传感器，15、油门齿条位置传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

实施例一：

请参阅图1和图2，本实施例中具体地公开了一种气体发动机多点喷射系统，包括：燃气通道系统和控制系统；所述燃气通道系统包括：天然气罐1，与天然气罐1出口相连的气化器2和与气化器2出口相连的燃气通道，所述燃气通道上设有与进气歧管6一一对应的喷射阀7；所述控制系统包括：电控单元ECU和与所述电控单元ECU电连接的附属传感器，所述附属传感器包括：安装在曲轴飞轮上的曲轴转速传感器13，安装在凸轮轴上的上止点信号传感器14，以及安装在各缸排气歧管上的单缸排气温度传感器8；所述电控单元ECU与各喷射阀电连接。

本实施例中，所述燃气通道系统如下：

天然气罐1，作为天然气的存储装置，用于提供天然气。

气化器2，与天然气罐相连接，用于实现液态天然气的气化过程。

燃气通道，用于将经过气化的天然气传输至发动机的进气歧管处，其末端还安装有与进气歧管一一对应的喷射阀，以实现在控制系统的控制下将天然气喷射至进气歧管内，实现多点喷射。

本实施例中，所述控制系统如下：

电控单元ECU，本申请的核心控制部件，其与本系统内的所有附属传感器电连接。

所述附属传感器具体如下：

曲轴转速传感器13，安装在发动机曲轴飞轮的齿盘边上，用于测量曲轴转速，以方便电控单元ECU实时获得曲轴转速。

上止点信号传感器14，安装在凸轮轴附近，用于测量发动机上止点信号，以方便电控单元ECU实时获得上止点信号。

在发动机运行过程中，活塞顶离曲轴中心最大距离时的位置即为上止点；经过盘车确定第1缸的进气上止点，即第1缸在进气冲程中活塞处于上止点位置。以第1缸进气上止点为基准，再根据电控单元ECU实时获得的曲轴转速以及发动机的发火次序。例：以R6160为例，其点火次序为1－5－3－6－2－4，可以计算出每缸进气上止点。

当判断出进气上止点后，根据柴油机的重叠角可以计算出每缸排气门关闭时间点，确定燃气喷射范围与起喷角度，起喷角度可以换算为起喷时间。

例：以R6160为例，其排气门关闭时间为进气上止点后48度，考虑到燃气的流通时间，根据试验得出起喷角度选择上止点后24度为该发动机燃烧效果最好，排放也最好，不同型号柴油机可能有所不同，需要在实际试验中确定。

单缸排气温度传感器8，安装在各缸排气歧管处，用于采集单缸排温，以方便电控单元ECU正常采集与监测各缸排气温度。当电控单元ECU采集得到单缸排气温度，可据此得到各缸排气温度的均值，继而可判断单缸与各缸排气温度均值的差值是否在规定范围内。

在任一优选的实施例中，所述附属传感器还包括：安装在喷油泵齿条拉杆处的油门齿条位置传感器15。油门齿条位置传感器，安装在喷油泵齿条拉杆处，用于判定发动机当前负荷。喷油泵齿条位置代表一定量的喷油量，可以根据瞬时油耗判断当前负荷。当处于突加突卸工况时，油门齿条位置会由于瞬时油耗变化而出现相应变化，突加工况时瞬时油耗会快速增加，突卸工况时瞬时油耗会快速减小。

当然，鉴于船用主推进发动机的转速与负荷呈相关关系，转速急剧增加可以判断突加工况，转速急剧降低可以判断突卸工况。

在任一优选的实施例中，所述附属传感器还包括：安装在进气总管5中冷器12后端的增压压力传感器11。中冷后增压压力传感器，安装在发动机进气总管处，安装位置在增压器与中冷器之后，用于测量中冷器后增压压力，以方便电控单元ECU判定发动机负荷。中冷器后压力即为增压压力；发动机处于不同工况下，即不同转速下，其增压压力不同；当监测到增压压力变化时，可以判断发动机负荷发生变化。

在任一优选的实施例中，所述附属传感器还包括：安装在排气总管9上的排气总管温度传感器10。排气总管温度传感器，安装在发动机的排气总管上，用于采集排气总管温度，以方便电控单元ECU结合单缸的排温来判断排气温度是否异常。若排气温度过高，电控单元ECU会控制报警模块启动声光报警。

在任一优选的实施例中，所述燃气通道上设有燃气切断阀。在安装有燃气切断阀的基础上，若排气总管温度超出规定限值，则控制燃气切断阀关闭，停止供气；若排气总管温度未超出规定限值，则燃气切断阀不动作，正常供气。

在任一优选的实施例中，所述燃气通道上设有燃气压力传感器4。燃气压力传感器，安装在燃气通道上，用于实时采集燃气供给压力，以方便电控单元ECU实时采集燃气通道上的燃气压力信号，以方便电控单元ECU判断燃气供给压力是否正常；若燃气压力信号高于规定限值，则燃气切断阀不动作，正常供气；若燃气压力信号低于规定限值，电控单元ECU控制燃气切断阀关闭，停止供气。

在任一优选的实施例中，所述喷射阀出口的气流方向与进气歧管内气流方向相逆，最大效率地实现燃气与空气的混合。

实施例二：

请参阅图3，本实施例具体地公开了一种气体发动机多点喷射系统的控制方法，包括以下步骤：

S₁：计算拟定燃气喷射量：存储有转速-基准燃气喷射量MAP的电控单元ECU采集曲轴转速信号和上止点信号，根据上止点信号计算第X缸(X＝1、2…..n)的起喷时间；再根据曲轴转速信号查找转速-基准燃气喷射量MAP，得到当前转速下基准燃气喷射量L，电控单元ECU将基准燃气喷射量L作为拟定燃气喷射量L₁。

S₂：判断是否需要启动排温平衡模块：电控单元ECU采集各缸排气温度T_X(X＝1、2…..n)，同时计算得到各缸平均排气温度T＝∑T_X/n(n＝1、2….)；根据第X缸排气温度T_X与平均排气温度T得到二者差值△t，若△t位于规定范围内，则直接执行步骤S₄；若△t超出规定范围，则执行步骤S₃。

S₃：启动排温平衡模块，计算经过排温平衡修正的燃气喷射量：还存储有转速-排气温度PID参数MAP的电控单元ECU通过查找得到当前转速下的排气温度PID参数；电控单元ECU根据排气温度PID参数对步骤S₂中得到的△t进行PID调节，计算得到排温平衡燃气修正量△L_排温，经过修正的燃气喷射量L_排温＝L₁+△L_排温。

S₄：获取第X缸的起喷时间和启动燃气喷射量：电控单元ECU控制获取S₁中的起喷时间，并将S₁中拟定燃气喷射量L₁或S₃中经过排温平衡修正的燃气喷射量L_排温作为最终燃气喷射量L_最终，电控单元ECU将最终燃气喷射量L_最终作为启动燃气喷射量L_启动。

S₅：启动第X缸的喷射阀根据S₁中的起喷时间和启动燃气喷射量L_启动进行喷射，循环执行上述步骤，直至发动机完成启动。

工作原理：

燃气喷射时间能够转换为燃气喷射量，其决定了上述气体发动机多点喷射系统的柴油替代率，而针对船舶主推进发动机其功率与转速立方成正比。

将整个柴油机转速范围分成若干段，通过实验标定各个转速范围内的燃气喷射量，通过标定建立MAP图，再通过线性插值得出相应参数，形成转速与燃气喷射关系的MAP图，即：转速-基准燃气喷射量MAP，进行线性插值得出每缸燃气进气的基准时间。

将整个柴油机转速范围分成若干段，通过实验标定各个转速范围内的基准油门齿条位置，通过标定建立MAP图，再通过线性插值得出相应参数，形成转速与油门齿条位置关系的MAP图，即：转速-基准油门齿条位置MAP。

将整个柴油机转速范围分成若干段，通过实验标定各个转速范围内的油门齿条位置PID参数，通过标定建立MAP图，再通过线性插值得出相应参数，形成转速与油门齿条位置PID参数关系的MAP图，即：转速-油门齿条位置PID参数MAP。

将整个柴油机转速范围分成若干段，通过实验标定各个转速范围内的排气温度PID参数，通过标定建立MAP图，再通过线性插值得出相应参数，形成排气温度PID参数的MAP图，即：转速-排气温度PID参数MAP。

将整个柴油机转速范围分成若干段，同时，将增压压力范围分成若干段，通过实验标定各转速范围与各增压压力范围内的燃气喷射量限值，通过标定建立MAP图，再通过线性插值得出相应参数，形成燃气喷射量限值的二维MAP图，即：转速-增压压力-燃气喷射量限值二维MAP。

根据理论分析和标定试验，得到上述所有MAP图之后，将其录入电控单元ECU，方便电控单元ECU进行查找。

基于上述设计，本申请气体发动机多点喷射系统中的电控单元ECU，能够利用曲轴转速传感器和上止点信号传感器获得曲轴转速信号和上止点信号。根据上止点信号计算第X缸的起喷时间；再根据曲轴转速信号查找转速-基准燃气喷射量MAP，得到当前转速下基准燃气喷射量L。

电控单元ECU得到基准燃气喷射量L，将其作为拟定燃气喷射量L₁，同时，电控单元ECU判断是否需要启动排温平衡模块：电控单元ECU采集各缸排气温度T_X(X＝1、2…..n)，同时计算得到各缸平均排气温度T＝∑T_X/n(n＝1、2….)；根据第X缸排气温度T_X与平均排气温度T得到二者差值△t。

若△t位于规定范围内，则电控单元ECU直接获取第X缸的起喷时间，并将拟定燃气喷射量L₁作为最终燃气喷射量L_最终，电控单元ECU将最终燃气喷射量L_最终作为启动燃气喷射量L_启动；启动第X缸的喷射阀根据起喷时间和启动燃气喷射量L_启动进行喷射。

若△t超出规定范围，启动排温平衡模块，计算经过排温平衡修正的燃气喷射量：还存储有转速-排气温度PID参数MAP的电控单元ECU通过查找得到当前转速下的排气温度PID参数；电控单元ECU根据排气温度PID参数对△t进行PID调节，计算得到排温平衡燃气修正量△L_排温，经过修正的燃气喷射量L_排温＝L₁+△L_排温；电控单元ECU电控单元ECU直接获取第X缸的起喷时间，并将经过排温平衡修正的燃气喷射量L_排温作为最终燃气喷射量L_最终，电控单元ECU将最终燃气喷射量L_最终作为启动燃气喷射量L_启动；启动第X缸的喷射阀根据起喷时间和启动燃气喷射量L_启动进行喷射。

循环执行上述步骤，直至发动机完成启动。

实施例三：

与实施例二不同的是，本实施例中，得到基准燃气喷射量之后，还需要计算经过油门齿条位置反馈修正的燃气喷射量：请参阅图4，电控单元ECU查找转速-基准油门齿条位置MAP与转速-油门齿条位置PID参数MAP，得到当前转速下的基准油门齿条位置和油门齿条位置PID参数；电控单元ECU采集当前转速下的实时油门齿条位置；电控单元ECU根据油门齿条位置PID参数对当前转速下实时油门齿条位置与基准油门齿条位置之间的差值进行PID调节，计算得到油门齿条位置燃气修正量△L_油门，故拟定燃气喷射量L₁＝L+△L_油门。

之后，电控单元ECU继续判断是否需要启动排温平衡模块，即是否需要对拟定燃气喷射量L₁进行排温平衡修正，其余步骤与实施例二佰相同。

实施例四：

请参阅图5，与实施例二不同的是，得到最终燃气喷射量L_最终之后，电控单元ECU采集当前增压压力信号和转速，并查找转速-增压压力-燃气喷射量限值二维MAP，得到当前转速与当前增压压力下的燃气喷射量限值L_lim，将最终燃气喷射量L_最终与燃气喷射量限值L_lim进行比对，取较小值作为启动燃气喷射量L_启动。之后，其余步骤与实施例二相同。

实施例五：

请参阅图6，与实施例二不同的是，初始化时，电控单元ECU采集所有附属传感器的实时参数，判断是否位于规定范围内；若均位于规定范围内，则直接执行S₁；若任一附属传感器的实时参数超出规定范围，则电控单元ECU控制报警模块启动。

在上述任一优选的实施例中，电控单元ECU实时采集排气总管温度信号，若排气总管温度高于规定限值，则电控单元ECU控制燃气切断阀关闭。

在上述任一优选的实施例中，电控单元ECU实时采集爆震信号，若爆震值超过规定值，则电控单元ECU启动声光报警且控制燃气切断阀关闭。

在上述任一优选的实施例中，所述△t的规定范围为±(5‐10)℃。

在上述任一优选的实施例中，若|△t|≥100℃，则电控单元ECU控制燃气切断阀关闭。

综上所述，本申请提供的技术方案能够考虑喷射阀安装位置、起喷时间等因素对排放与经济性能的影响以及各缸燃烧性能差异，对初次得到的基准燃气喷射量进行修正，能够有效保证发动机在平稳运行条件下提升燃料经济性以及排放性能。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。