阅读说明：本技术 燃气发动机空燃比的控制方法以及控制系统 (Method and system for controlling air-fuel ratio of gas engine ) 是由 谭旭光 李旺 印志强 于 2019-12-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种燃气发动机空燃比的控制方法以及控制系统,本发明技术方案基于当前进气管压力以及当前转速,可以计算喷嘴的当前出口压力,无需单独传感器检测喷嘴出口压力。基于所述当前出口压力以及传感器采集喷嘴的当前入口压力的比值,可以确定燃气的流体状态,从而可以选择与所述流体状态相应的流量特性,计算所述喷嘴的加电时间,以通过所述加电时间,进行空燃比设置。可见,本发明技术方案可以基于燃气不同流体状态下的流量特性,计算加电时间,从而可以实现较高精度的空燃比。(The invention discloses a control method and a control system for the air-fuel ratio of a gas engine. Based on the ratio of the current outlet pressure and the current inlet pressure of the nozzle collected by the sensor, the fluid state of the gas can be determined, so that the flow characteristic corresponding to the fluid state can be selected, and the power-on time of the nozzle is calculated, so that the air-fuel ratio setting is carried out through the power-on time. Therefore, the technical scheme of the invention can calculate the power-up time based on the flow characteristics of the gas in different fluid states, thereby realizing the air-fuel ratio with higher precision.)

燃气发动机空燃比的控制方法以及控制系统

技术领域

本发明涉及燃气发动机技术领域，更具体的说，涉及一种燃气发动机空燃比的控制方法以及控制系统。

背景技术

空燃比是燃气发动机中空气和天然气之间的质量比例，为了使得燃气在发动机中充分燃烧，空燃比需要精确控制，通过控制发动机工作在较好的空燃比，可以使得发动机的尾气排放、动力性能和经济性能最大化。然而，现有技术中，空燃比的控制精度较低。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了一种燃气发动机空燃比的控制方法以及控制系统，方案如下：

一种燃气发动机空燃比的控制方法，包括：

根据当前进气管压力以及当前转速，计算喷嘴的当前出口压力；

基于所述当前出口压力以及传感器采集的所述喷嘴的当前入口压力的比值，确定燃气的流体状态；

基于与所述流体状态相应的流量特性，计算所述喷嘴的加电时间；

基于所述加电时间，控制空燃比。

优选的，在上述控制方法中，所述当前出口压力的计算方法包括：

基于预设的进气管压力与喷嘴出口压力的标定模型，计算所述当前进气管压力以及所述当前转速下的所述当前出口压力。

优选的，在上述控制方法中，所述标定模型包括记录有标定值的数据表格，所述当前出口压力的计算方法包括：

如果所述标定模型具有与所述当前进气管压力以及所述当前转速均对应的标定值，将所述当前进气管压力以及所述当前转速均对应的标定值关联记录的出口压力标定值作为所述当前出口压力；

如果所述标定模型不具有与所述当前进气管压力以及所述当前转速均对应的标定值，对所述当前进气管压力、所述当前转速以及选择的标定值进行加权计算，以获得所述当前出口压力。

优选的，在上述控制方法中，设定当前转速为V，当前进气管压力为X，则对应的当前出口压力Y计算公式如下：

其中，V₁和V₂为位于V两端的两个转速标定值，X₁和X₂为位于X两端的两个进气管压力标定值，Y_ij为V_i和X_j对应的出口压力标定值，i与j为1或2。

优选的，在上述控制方法中，确定燃气流体状态的方法包括：

如果所述比值小于设定阈值，为声速喷射；

如果所述比值不小于所述设定阈值，为亚声速喷射。

优选的，在上述控制方法中，计算所述加电时间的方法包括：

如果燃气处于声速喷射状态，基于燃气在声速喷射状态下的流量特性，计算所述加电时间；

如果燃气处于亚声速喷射状态，基于燃气在亚声速喷射状态下的流量特性，计算所述加电时间。

优选的，在上述控制方法中，还包括：

根据所述喷嘴的加电电压、所述喷嘴的当前入口压力与当前出口压力的压差，修正所述喷嘴开启时刻与关闭时刻的燃气流量差值，基于所述燃气流量差值修正所述喷嘴的加电时间。

本发明还提供了一种燃气发动机空燃比的控制系统，包括：

第一计算模块，所述第一计算模块用于根据当前进气管压力以及当前转速，计算喷嘴的当前出口压力；

流体状态确定模块，所述流体状态确定模块用于基于所述当前出口压力以及传感器采集的所述喷嘴的当前入口压力的比值，确定燃气的流体状态；

第二计算模块，所述第二计算模块用于基于与所述流体状态相应的流量特性，计算所述喷嘴的加电时间；

控制模块，所述控制模块用于基于所述加电时间，控制空燃比。

优选的，在上述控制系统中，所述第一计算模块用于基于预设的进气管压力与喷嘴出口压力的标定模型，计算所述当前进气管压力以及所述当前转速下的所述当前出口压力。

优选的，在上述控制系统中，所述标定模型包括记录有标定值的数据表格，所述第一计算模块计算所述当前出口压力的方法包括：

如果所述标定模型具有与所述当前进气管压力以及所述当前转速均对应的标定值，将所述当前进气管压力以及所述当前转速均对应的标定值关联记录的出口压力标定值作为所述当前出口压力，

如果所述标定模型不具有与所述当前进气管压力以及所述当前转速均对应的标定值，对所述当前进气管压力、所述当前转速以及选择的标定值进行加权计算，以获得所述当前出口压力。

通过上述描述可知，本发明技术方案提供的燃气发动机空燃比的控制方法和控制系统中，基于当前进气管压力以及当前转速，可以计算喷嘴的当前出口压力，无需单独传感器检测喷嘴出口压力。基于所述当前出口压力以及传感器采集喷嘴的当前入口压力的比值，可以确定燃气的流体状态，从而可以选择与所述流体状态相应的流量特性，计算所述喷嘴的加电时间，以通过所述加电时间，进行空燃比设置。可见，本发明技术方案可以基于燃气不同流体状态下的流量特性，计算加电时间，从而可以实现较高精度的空燃比。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种燃气发动机空燃比的控制方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种燃气流量与喷嘴出口压力和入口压力的曲线图；

图3为本发明实施例提供的一种控制燃气发动机空燃比的原理示意图；

图4为本发明实施例提供的一种发动机空燃比控制系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

现有技术中，对于当量（燃烧1kg燃气恰好需要的空气质量）+高压冷却EGR（废气再循环）燃气发动机，使用燃气喷嘴控制发动机燃气流量时，燃气压力低导致喷嘴流量计算不精确，喷嘴开启时刻和关闭时刻燃气流量不是线性关系，也会导致燃气流量计量不精确。而燃气流量计量不准确，会导致喷嘴加电时间计算不准确，从而导致无法精确控制空燃比。

为了解决上述问题，本发明实施例提供了一种燃气发动机空燃比的控制方法以及控制系统，可以通过当前进气管压力以及当前转速，准确计算喷嘴的当前出口压力，从而可以通过喷嘴的当前出口压力以及喷嘴的当前入口压力的比值，确定燃气的流体状态，选择与流体状态相应的流量特性，以计算对应的喷嘴加电时间，可以实现高精度的空燃比。

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

参考图1，图1为本发明实施例提供的一种燃气发动机空燃比的控制方法的流程示意图，该控制方法包括：

步骤S11：根据当前进气管压力以及当前转速，计算喷嘴的当前出口压力。

发明人研究发现，当燃气发动机转速一定、进气管压力一定时，燃气发动机的充气效率是固定的，此时的空气流量、EGR流量、燃气流量可以认为也是固定。当混合器结构、燃气管布置一定时，燃气流量一定，喷嘴的出口压力是一定的。即对于同一台燃气发动机而言，同一转速下，同一进气管压力对应同一喷嘴出口压力。故可以根据进气管压力和转速来计算喷嘴的出口压力。

步骤S12：基于所述当前出口压力以及传感器采集的所述喷嘴的当前入口压力的比值，确定燃气的流体状态。燃气发动机具有内置传感器用于采集喷嘴的入口压力。

基于上述描述可知，可以通过进气管的压力，计算喷嘴的出口压力。故该比值与进气管的压力和燃气压力的关系相关，可以通过进气管的压力与燃气压力的关系判断燃气的速度状态，以确定所述流体状态。后续可以依据不同的燃气流量特性，计算喷嘴的加电时间，以提高燃气计量精度。

进气管压力表征空气压力，喷嘴的出口压力表征燃气压力，所述控制方法通过进气管压力与燃气压力的关系判断燃气速度状态，依据不同模型的燃气流量特性提升燃气计量的精度，从而提高瞬态空燃比的控制精度。

步骤S13：基于与所述流体状态相应的流量特性，计算所述喷嘴的加电时间。

步骤S14：基于所述加电时间，控制空燃比。

本发明实施例所述控制方法，可以精确控制喷嘴的加电时间，从而可以精确控制燃气流量，实现空燃比的精确控制。

表1 进气管压力、燃气压力标定表格

所述当前出口压力的计算方法包括：基于预设的进气管压力与喷嘴出口压力的标定模型，计算所述当前进气管压力以及所述当前转速下的所述当前出口压力。

如上述同一燃气发动机，在同一转速和同一进气管，故本发明实施例所述控制方法中，可以预先构建一标定模型，用于计算所述当前喷嘴压力。所述标定模型包括如上数据表格，该表格为进气管压力、燃气压力标定表格，包括多组标定数据，一组标定数据包括对应的一入口压力标定值、一转速标定值以及一出口压力标定值。该标定表格中各个标定值可以通过实验室测量获得。如上表中，转速标定值为700转/分-1350转/分（步长为50），进气管压力标定值为30KPa-190KPa（步长为10），一转速标定值与一进气管压力标定值的交叉节点为二者对应的出口压力标定值。转速标定值与进气管压力标定值的取样数量、范围、以及步长值可以基于需求设定，本发明实施例对此不做具体限定。上表格中并未给出各个转速标定值和各个进气管压力标定值对应的出口压力标定值，显然，可以在实验室下，给定设定转速标定值和进气管压力标定值下，测量二者对应的出口压力标定值，本发明对此不作具体限定。

基于预先构建的标定模型，所述当前出口压力的计算方法包括：

如果所述标定模型具有与所述当前进气管压力以及所述当前转速均对应的标定值，将所述当前进气管压力以及所述当前转速均对应的标定值关联记录的出口压力标定值作为所述当前出口压力；

如果所述标定模型不具有与所述当前进气管压力以及所述当前转速均对应的标定值，对所述当前进气管压力、所述当前转速以及选择的标定值进行加权计算，以获得所述当前出口压力。

如设定当前转速为V，当前进气管压力为X，则对应的当前出口压力Y计算公式如下：

其中，V₁和V₂为位于V两端的两个转速标定值，X₁和X₂为位于X两端的两个进气管压力标定值，Y_ij为V_i和X_j对应的出口压力标定值，i与j为1或2。

V₁、V₂、X₁和X₂为选择的用于进行加权计算的标定值，选定V₁、V₂、X₁和X₂即可以在上述表格中确定四个对应的出口压力标定值Y_ij。选择的用于计算的当前转速值的V₁、V₂、X₁、X₂和Y_ij为一组计算数据。计算数据的选择可以有多种，可以基于一组计算数据计算一个所述当前出口压力，也可以选择多组不同的计算数据计算多个当前出口压力，将该多个当前出口压力的平均值作为最终确定的当前出口压力，以提高计算精度。

下面结合一组计算数据，结合上述公式，对当前出口压力的计算过程进行说明：

表2 局部标定表格数据

上表2中给出了一种基于本发明实施例方案执行的标定表格中的局部数据，记录了如下一组计算数据：转速标定值为1100转/分，进气管压力标定值为120 KPa和125 KPa时，对应的出口压力标定值为135 KPa和137KPa，转速标定值为1150转/分，进气管压力标定值为120 KPa和125 KPa时，对应的出口压力标定值为137KPa和139KPa，基于上述公式可知，此时的当前出口压力为：

当前出口压力=(123-120)/(125-120)*[（1110-1100）/（1150-1100）*135+（1150-1110）/(1150-1100)*137]+ (125-123) /(125-120)*[（1110-1100）/（1150-1100）*137+（1150-1110）/(1150-1100)*139]=137.4

本发明实施例所述控制方法可以基于上述标定模型以及特定的差值加权算法计算喷嘴的当前出口压力，基于所述计算的当前出口压力值，可以判断燃气的流体状态，以选择匹配的流量特性，基于匹配的流量特性，可以准确的计算加电时间，进而精确控制空燃比。

如图2所示，图2为本发明实施例提供的一种燃气流量与喷嘴出口压力和入口压力的曲线图，图2中横轴为入口压力与出口压力差值的平方根，纵轴为燃气流量。垂直于横轴的直线11为声速喷射和亚声速喷射的分界线。

发明人研究发现，在气体成分不变的情况下，喷嘴结构不变的情况下，喷嘴的出口压力和入口压力比值确定燃气的喷射状态，以确定流体状态。不同流体状态下，出口压力和入口压力的比值是一个固定值。在喷嘴出口压力和入口压力的比值小于设定阈值时，喷嘴内的气体流动速度和声速，此时燃气流量不随出口压力变化而变化的流体状态为声速喷射；在喷嘴出口压力与入口压力的比值不小于所述设定阈值时，喷嘴内的气体流动速度小于声速，此时燃气流量由燃气喷嘴的入口压力、出口压力决定的流体状态为亚声速喷射。

流量特性为燃气流量与时间的关系，不同流体状态下，燃气流量与时间的关系不同。声速喷射时，燃气流量不随出口压力变化而变化的，而亚声速下，喷嘴的工况特性需要根据喷嘴入口压力和出口压力进行标定，该标定方法可以通过实验室测试实现，可以通过数据线性拟合或是其他方法获得燃气流量与出口压力和入口压力之间的对应关系，基于该对应关系可以在设定入口压力和出口压力下确定燃气流量。

本发明实施例所述控制方法中，确定燃气流体状态的方法包括：如果所述比值小于设定阈值，为声速喷射；如果所述比值不小于所述设定阈值，为亚声速喷射。

该设定阈值是燃气类型确定，如对于天然气，该阈值为0.54，当出口压力与入口压力的比值小于0.54时，喷嘴内的流体状态为声速喷射，反之，则为亚声速喷射。

可见，所述控制方法可以利用燃气压力和空气压力作为判断依据，判断燃气的速度状态，以确定流体状态，以便于匹配对应模型的流量特性。在燃气为声速喷射时，可以基于该流体状态下的流量特性，对燃气流量进行修正，以获得准确的加电时间，从而精确控制空燃比。在燃气为亚声速喷射时，可以基于该流体状态下的流量特性，对燃气流量进行修正，以获得准确的加电时间，从而精确控制空燃比。故本发明实施例所述控制方法，无论是在燃气声速喷射，还是亚声速喷射时，均可以精确控制空燃比。

所述控制方法中，计算所述加电时间的方法包括：如果燃气处于声速喷射状态，基于燃气在声速喷射状态下的流量特性，计算所述加电时间；如果燃气处于亚声速喷射状态，基于燃气在亚声速喷射状态下的流量特性，计算所述加电时间。

声速喷射和亚声速喷射两种流体状态下各自的流量特性均可以在对应流体状态下，采集多组燃气流量与时间的数据，通过所采集的数据标定对应流量特性，如包括可以通过线性拟合确定对应流体状态下的流量特性曲线，基于该流量特性曲线可以计算任意燃气流量对应的加电时间，或是建立对应流体状态下的数据库，所述数据库包括多组燃气流量与时间的数据的标定数据，基于数据库中标定数据的插值运算确定任意燃气流量对应的加电时间。

参考图3，图3为本发明实施例提供的一种控制燃气发动机空燃比的原理示意图，本发明实施例所述控制方法可以判断燃气是声速喷射还是亚声速喷射，当燃气声速喷射时，燃气流浪仅与喷嘴入口压力相关，可以通过燃气发动机内置燃气阀轨压传感器检测入口压力，此时燃气发动机内置燃气阀轨压传感器参与燃气流量控制，计算喷嘴加电时间，流量特性遵循声速流量特性。当燃气亚声速喷射时，燃气发动机内置燃气阀轨压传感器以及进气管压力传感器参与流量控制，计算喷嘴加电时间，流量特性遵循亚声速流量特性。

可选的，所述控制方法还包括：根据所述喷嘴的加电电压、所述喷嘴的当前入口压力与当前出口压力的压差，修正所述喷嘴开启时刻与关闭时刻的燃气流量差值，基于所述燃气流量差值修正所述喷嘴的加电时间。燃气在对一个温度下，喷嘴开启与关闭时刻的流量与所述压差相关，故在可以通过设定温度下，采集多组不同压差下的流量差值建立修正模型，用于修正所述喷嘴的加电时间。所述控制方法用于亚声速喷射时，对于燃气压力较低的工况进行精确空燃比控制。可以基于喷嘴出口压力、燃气温度以及内置压力传感器数据进行瞬态燃气流量修正，实现喷嘴开启时刻、关闭时刻的流量修正，提升喷嘴精确控制燃气流量的性能。

通过上述描述可知，本发明实施例所述控制方法可以中，基于当前进气管压力以及当前转速，可以计算喷嘴的当前出口压力，无需单独传感器检测喷嘴出口压力。基于所述当前出口压力以及传感器采集喷嘴的当前入口压力的比值，可以确定燃气的流体状态，可以判断燃气是处于声速喷射工况还是亚声速喷喷射工况，从而可以选择与所述流体状态相应的流量特性，采用不同的内置传感器参流量控制，以计算所述喷嘴的加电时间，以通过所述加电时间，进行空燃比设置。

本发明技术方案可以基于燃气不同流体状态下的流量特性，计算加电时间，从而可以实现较高精度的空燃比。基于不同流体状态选择匹配的流量特性进行加电时间计算，可以在亚声速喷射以及喷嘴的开启和关断时刻均获得准确的燃气流量，实现燃气亚声速喷射和喷嘴开启关闭时刻燃气流量的修正，可以保证特殊工况下的空燃比的精确控制。

基于上述实施例，本发明实施例还提供了一种燃气发动机空燃比的控制系统，所述控制系统如图3所示，图3为本发明实施例提供的一种发动机空燃比控制系统的结构示意图，该控制系统包括：

第一计算模块21，所述第一计算模块21用于根据当前进气管压力以及当前转速，计算喷嘴的当前出口压力；

流体状态确定模块22，所述流体状态确定22模块用于基于所述当前出口压力以及传感器采集的所述喷嘴的当前入口压力的比值，确定燃气的流体状态；

第二计算模块23，所述第二计算模块23用于基于与所述流体状态相应的流量特性，计算所述喷嘴的加电时间；

控制模块24，所述控制模块24用于基于所述加电时间，控制空燃比。

可选的，所述第一计算模块21用于基于预设的进气管压力与喷嘴出口压力的标定模型，计算所述当前进气管压力以及所述当前转速下的所述当前出口压力。

可选的，所述第一计算模块21计算所述当前出口压力的方法包括：如果所述标定模型具有与所述当前进气管压力以及所述当前转速均对应的标定值，将所述当前进气管压力以及所述当前转速均对应的标定值关联记录的出口压力标定值作为所述当前出口压力，如果所述标定模型不具有与所述当前进气管压力以及所述当前转速均对应的标定值，对所述当前进气管压力、所述当前转速以及选择的标定值进行加权计算，以获得所述当前出口压力。

本发明实施例所述控制系统可以执行上述控制方法，可以基于燃气不同流体状态下的流量特性，计算加电时间，从而可以实现较高精度的空燃比。基于不同流体状态选择匹配的流量特性进行加电时间计算，可以在亚声速喷射以及喷嘴的开启和关断时刻均获得准确的燃气流量，实现燃气亚声速喷射和喷嘴开启关闭时刻燃气流量的修正，可以保证特殊工况下的空燃比的精确控制。

本说明书中各个实施例采用递进、或并列、或递进和并列结合的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的控制系统而言，由于其与实施例公开的控制方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见控制方法对应部分说明即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。