[发明专利]燃气发动机稀薄燃烧控制方法及控制系统

说明书

技术领城

本发明属于燃气发动机控制技术领域，从燃料方面可用于天然气为燃料的燃气发动机稀薄燃烧控制系统，也可推广应用于以煤层气、沼气和垃圾填埋气为燃料的燃气发动机稀薄燃烧控制,同时从市场应用方面可用于陆用固定电站、船用电站、船用主机等多个领域。

背景技术

随着全球石油资源的逐渐枯竭及国家中长期节能减排规划的出台，加之国际上对内燃机排放要求的不断提高，以天然气、煤层气及沼气等清洁、廉价燃气为燃料的燃气发动机越来越受到业界的认可。

从理论上来说，燃气完全燃烧时需要的空气与燃气之间的质量比例称为空燃比；在燃气实际燃烧中，存在燃料不完全燃烧和完全燃烧两种状态，空气量不足时，仅部分燃气被燃烧，此状态称为富燃；空气量充足时，燃气被完全燃烧，此状态称为稀薄燃烧。实际中燃气可以在一定的空燃比范围内进行燃烧。在燃气发动机工作中，参与燃烧的实际空气量与理论空气量的比值称为过量空气系数（用希腊字母λ表示，英文名称Lambda），当λ值较小时，发动机工作在富燃状态下，会使缸内的热能转化为机械能的热效率降低，造成燃料浪费，同时缸内最高燃烧温度较高，使发动机相关零件产生热疲劳，寿命降低，故障率高；并且排放性能差，NOx排放值高；但随着λ值的继续升燃烧温度会逐渐降低，此时，燃气发动机处于稀薄燃烧状态，热效率高、NOx排放值低、经济性高，所以燃气发动机稀薄燃烧的λ值应设置在较大的数据范围内。

由此可见，为使燃气发动机运行安全可靠、节省燃料、降低污染，关键要保证进入发动机气缸内内的燃料尽可能充分燃烧，也就是要对燃气发动机燃烧所需空气和燃料的比例进行精确控制，使燃气发动机在稀薄燃烧状态下工作。

现有技术中，液体燃料发动机（如汽油机、柴油机）主要采用高压缩比、分层燃烧、高能点火（适用汽油机）、多点喷射、EGR等技术，对零部件优化设计以及结构更改实现稀薄燃烧控制，但气体燃料发动机（燃气发动机）因气体燃料与液体燃料燃烧特性不同，除高能点火、多点喷射技术以外，不能采用液体燃料发动机其他的稀薄燃烧技术，燃气发动机主要采用定比混合器控制技术。如本领域技术人员所公知的，定比混合器采用虹吸原理，根据空气进气量吸入一定比例的燃料实现空燃比控制，空燃比只能被固定在一个较小的范围内，并且受环境温度和大气压力的变化，以及燃料温度和压力的变化影响，燃气量与空气量不能调整，不能控制燃气发动机稀薄燃烧，而且此类控制技术不能检测λ值，会出现燃气发动机λ值低、热效率低、燃料消耗大、NOx排放多等现象。

发明内容

本发明的目的是提出一种燃气发动机稀薄燃烧控制方法及控制系统，对燃气发动机燃烧所需空气和燃料的比例进行精确控制，保证进入发动机气缸内内的燃料尽可能充分燃烧，完成燃气发动机工作全程的空燃比精确调整，控制λ值达到稀薄燃烧状态，使燃气发动机热效率提高、运行安全可靠、节省燃料、降低NOx排放污染。

本发明通过以下技术方案完成其发明任务：

为了完成燃气发动机工作全程的稀薄燃烧，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；随着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；