[发明专利]燃气发动机稀薄燃烧控制方法及控制系统

权利要求书

1.一种燃气发动机稀薄燃烧控制方法，其特征在于：本发明从起动过程、怠速运行过程到工作工况的全部过程，对燃烧所需的空燃比、燃气量和混合气量进行精确控制；

起动过程控制稀薄燃烧的方法是：将起动过程分为起动阶段、点火阶段和起动成功阶段，根据发动机排量、转速控制所需的燃气量和混合气量；起动阶段时发动机转速从零转速开始上升，当转速达到设置的起动转速基准值后，控制单元根据发动机排量、转速所需的燃气量，通过输出接口向外输出指令使燃气流量阀执行动作，控制燃气量进入发动机的混合器；当发动机实际转速达到所设的点火转速基准值后，控制单元开始根据发动机排量、转速所需的混合气量，通过输出接口向外输出指令使混合气流量阀执行动作，控制进入气缸内的混合气量；当发动机实际转速达到所设的起动成功转速基准值后，控制单元开始检测排气中氧含量；在起动过程，燃气量和混合气量随着发动机转速的升高而增加； 

怠速运行过程控制稀薄燃烧的方法是：在怠速运行过程通过检测排气中氧含量进行稀薄燃烧λ值闭环控制，并控制单缸燃烧温度从而降低NOx排放；为了实现怠速运行过程稀薄燃烧，通过安装在排气管上的氧含量传感器，在发动机转速达到怠速运行转速时，检测排气中的氧含量，得到实际λ值，实际λ值与怠速运行过程所设的λ基准值1.2-1.3进行对比，得到怠速运行燃气量；控制单元同时接收燃气管路上安装的燃气温度传感器信号和燃气压力传感器信号，得到燃气温度值和燃气压力值，并将燃气温度值、燃气压力值与所设的燃气温度基准值、燃气压力基准值相对比，对燃气量进行修正，使参与燃烧的燃气量不受燃气温度和燃气压力变化的影响，然后通过输出接口向外输出指令，使燃气流量阀执行动作控制怠速运行燃气量，使排气中的氧含量得到调整，与所设的怠速运行过程λ基准值一致，经λ值闭环控制实现怠速运行过程稀薄燃烧控制；在发动机怠速运行过程，控制单元将发动机转速与所设的怠速运行转速基准值进行对比，同时进气总管温度值与所设的进气总管温度基准值相对比，使进入气缸内的混合气量不受进气总管温度变化的影响，然后通过输出接口向外输出指令，使混合气流量阀执行动作，精确控制混合气量使发动机转速跟随改变，保证发动机转速与所设的怠速运行转速基准值保持一致，经转速闭环控制保证怠速运行过程转速的稳定；怠速运行过程中气缸内的燃烧温度变化，将造成NOx排放的变化，为此设置单缸燃烧温度基准值，通过安装在气缸上的单缸燃烧温度传感器将信号传送到控制单元，并将单缸燃烧温度值与所设的单缸燃烧温度基准值相对比，对所设的怠速运行过程λ基准值进行修正；此后控制单元根据修正后的λ基准值控制燃气量，进而经λ值闭环控制实现怠速运行过程稀薄燃烧；怠速运行阶段所控制的各参数相互关联，经综合控制实现了怠速运行过程稀薄燃烧和NOx排放控制；工作工况控制稀薄燃烧的方法是：本发明在恒速特性工况根据额定转速下的进气总管压力判断负荷大小，在推进特性工况根据工作转速并结合进气总管压力判断负荷大小；控制单元设置进气总管压力基准值，所设的进气总管压力基准值为1组n个，1组n个所述进气总管压力基准值分别与从空负荷到满负荷之间的负荷对应，设置转速基准值，所设的转速基准值为1组m个，1组m个所述转速基准值分别与从怠速到最高转速之间的工作转速对应，将设置的每一个转速基准值分别与所设的1组n个进气总管压力基准值中的每一个进气总管压力基准值对应，构成m×n个发动机运行工况；与每个发动机运行工况分别对应设置一个λ基准值，形成工作工况Map基准表；控制系统以工作工况Map基准表为目标，实现工作工况的稀薄燃烧控制和NOx排放控制；通过控制单元的接收端口同时接收所检测的排气中氧含量、运行转速、进气总管压力、单缸燃烧温度、进气总管温度、燃气压力、燃气温度共7个工作参数；控制单元接收发动机转速信号和进气总管压力传感器信号，在工作工况Map基准表中得到此工作工况下的λ基准值，控制单元继续接收安装在排气管上的氧含量传感器信号，经计算得到λ值，以此工况的λ值与所设的λ基准值进行对比，得到此工况所需的燃气量，控制单元同时接收燃气管路上安装的燃气温度传感器信号和燃气压力传感器信号，将燃气温度值、燃气压力值与所设的燃气温度基准值、燃气压力基准值相对比，对燃气量进行修正，使参与燃烧的燃气量不受燃气温度和燃气压力变化的影响，然后通过输出接口向外输出指令使燃气流量阀执行动作控制该工况燃气量，使实际λ值与该工况所设的λ基准值一致；经λ值闭环控制实现工作工况的稀薄燃烧；工作工况发动机转速的变化，通过调整混合气量使发动机转速稳定；控制单元将发动机转速与所设的运行转速基准值进行对比，同时进气总管温度值与所设的进气总管温度基准值相对比，对混合气量进行修正，使进入气缸内的混合气量不受进气总管温度变化的影响，然后通过输出接口向外输出指令，使混合气流量阀执行动作，精确控制混合气量使发动机转速跟随改变，保证发动机转速与所设的运行转速基准值保持一致，经转速闭环控制保证工作工况转速的稳定；工作工况气缸内的燃烧温度变化，将造成NOx排放的变化，为此设置单缸燃烧温度基准值，通过检测单缸燃烧温度与所设的单缸温度基准值进行对比得到该工况的λ修正值；此后控制单元根据修正后的λ基准值控制燃气量，进而经λ值闭环控制实现工作工况的稀薄燃烧。

2.一种用于权利要求1所述燃气发动机稀薄燃烧控制方法的控制系统，其特征在于：所述的控制系统包括有控制单元（21）、燃气流量阀（3）、混合气流量阀（6）、电动截止阀（1）、燃气温度传感器（11）、燃气压力传感器（12）、进气总管温度传感器（13）、进气总管压力传感器（14）、单缸燃烧温度传感器（15）、转速传感器（16）、氧含量传感器（17）、升速或减速控制开关（18）、停机开关（19）、直流电源（21）、显示设备及连接电缆；在燃气管路（22）上安装电动截止阀（1），在电动截止阀（1）后管路上安装燃气调压阀（2），在燃气调压阀（2）后管路上安装燃气流量阀（3），接收控制单元指令执行开启状态，用于执行燃气量调整；在燃气调压阀（2）和燃气流量阀（3）之间的管路上安装燃气温度传感器（11）和燃气压力传感器（12），燃气温度传感器（11）和燃气压力传感器（12）通过连接电缆与控制单元（21）信号接收端口连接，在增压器压气机（5）进气口前管路上安装混合器（4），在增压器压气机（5）出气口的管路上安装混合气流量阀（6），接收控制单元指令执行开启状态，用于混合气量调整；在混合气流量阀（6）后的管路上安装中冷器（7），在中冷器（7）和发动机气缸（9）之间的进气总管（8）上安装进气总管温度传感器（13）和进气总管压力传感器（14），进气总管温度传感器（13）和进气总管压力传感器（14）通过连接电缆与控制单元（21）信号接收端口连接，单缸燃烧温度传感器（15）的数量与发动机气缸数相同，安装在每个气缸的气缸盖上，单缸燃烧温度传感器（15）通过连接电缆与控制单元（21）信号接收端口连接，发动机气缸（9）通过排气支管与增压器涡轮机（26）进气口连接，在增压器涡轮机（26）出气口的排气总管（10）上安装氧含量传感器（17），氧含量传感器（17）通过连接电缆与控制单元（21）信号接收端口连接，转速传感器（16）安装在发动机的飞轮（25）附近设置的一个支架上，转速传感器的轴向与发动机飞轮的齿圈垂直安装，转速传感器（16）通过连接电缆与控制单元（21）信号接收端口连接；所述的控制单元（21）具有PC接口、显示设备接口、RS485接口，PC接口用于连接编程电脑，用于对控制单元内的程序和数据进行调试，显示设备接口用于传送燃气发动机转速、进气总管压力、进气总管温度、燃气压力、燃气温度、排气中氧含量、单缸燃烧温度、燃气流量、混合气流量数据到显示设备，RS485接口用于传送燃气发动机转速、进气总管压力、进气总管温度、燃气压力、燃气温度、排气中氧含量、单缸燃烧温度、燃气流量、混合气流量数据到远程数据中心，以利于燃气发动机远程监控；所述的显示设备接收控制单元传送的燃气发动机转速、进气总管压力、进气总管温度、燃气压力、燃气温度、排气中氧含量、单缸燃烧温度、燃气流量、混合气流量数据，用于监测燃气发动机运行情况。