阅读说明：本技术 一种天然气发动机燃气品质自适应控制方法 (Self-adaptive control method for fuel gas quality of natural gas engine ) 是由 刘锡庆 郑群 周凯 孙万超 武震 于 2019-09-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种天然气发动机燃气品质自适应控制方法,包括台架试验,预存参数表、燃气品质自适应、燃气品质自适应条件设置、燃气品质自适应的启动、参数信息对比、获得燃气品质自适应因子、获得修正参数及燃气品质自适应的持续性等步骤,通过电控单元ECU实时检测氧传感器的信息,分析后确定相应的燃气品质自适应因子,根据燃气品质自适应因子确定需要调整的燃气喷射量修正系数、空气需求量修正系数、火角修正度数和EGR修正率,并通过相应的执行部件作用于发动机上,消除因天然气品质发生变化对Lambda稳定性的影响,有利于发动机排放结果的稳定控制,性能的稳定性控制,最终提高整个系统运行的安全性。(The invention discloses a natural gas engine gas quality self-adaptive control method, which comprises the steps of bench test, pre-storing a parameter table, gas quality self-adaption condition setting, gas quality self-adaption starting, parameter information comparison, obtaining a gas quality self-adaption factor, obtaining a correction parameter, gas quality self-adaption continuity and the like, wherein the information of an oxygen sensor is detected in real time through an Electronic Control Unit (ECU), the corresponding gas quality self-adaption factor is determined after analysis, a gas injection quantity correction coefficient, an air demand quantity correction coefficient, a fire angle correction degree and an Exhaust Gas Recirculation (EGR) correction rate which need to be adjusted are determined according to the gas quality self-adaption factor, and the gas injection quantity correction coefficient, the air demand quantity correction coefficient, the fire angle correction degree and the EGR correction rate are acted on an engine through corresponding execution components, so that the influence of Lambda stability caused by the change of, finally, the safety of the whole system operation is improved.)

一种天然气发动机燃气品质自适应控制方法

技术领域

本发明涉及一种天然气发动机运行控制技术领域，尤其涉及一种天然气发动机燃气品质自适应控制方法。

背景技术

目前市场上发动机运行使用的天然气成分差异较大，因为在各种品质的天然气中均混有一定比例的乙烷、丙烷及氮气等惰性气体，不同品质的天然气中上述惰性气体的含量也不同。其中乙烷、丙烷等成分的热值较高，它们的加入改变了纯天然气燃烧时的热值，从而导致与氧气混合后气体燃烧速度的改变，进而影响了发动机混合气的实际EGR率，使其实际的EGR率均大于发动机控制单元ECU计算的EGR率，因此使发动机的失火风险加大。另外，天然气成分的差异还会影响到发动机Lambda的控制精度，传统方法中是通过对氧传感器的闭环控制，实现调整Lambda的控制精度，但受上述各种惰性气体的影响，在长期使用中发现，单纯地依靠氧传感器的闭环控制并不能够保证发动机Lambda的控制精度，最终会影响发动机的运行状态。

除此之外，天然气成分的差异还会影响到发动机净功率的一致性，会改变发动机的缸内燃烧，导致发动机的净功率不能满足相关法规的要求，再加上目前使用的发动机出厂时设定的排放及功率是一致的，在使用燃烧速度不一致的混合气体后，会导致发动机排放及功率的一致性被破坏，还容易加剧发动机爆震现象的产生，严重时甚至因为爆震现象而损坏发动机。基于上述原因，需要开发一种能够根据燃气的品质，自动调整发动机运行的技术方案，以消除上述各种缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种有效控制排放污染物，保证发动机净功率一致性及运行安全性的天然气发动机燃气品质自适应控制方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种天然气发动机燃气品质自适应控制方法，在发动机上电控单元ECU的配合下完成，包括以下步骤，

步骤一、台架试验，预存参数表

在所述电控单元ECU的配合下实施台架试验，且在所述电控单元ECU内预设发动机的氧传感器闭环控制模式，所述电控单元ECU实时检测并判断氧传感器工作是否正常；

当所述电控单元ECU检测并判定氧传感器正常，且氧传感器已进入闭环控制状态时，调整发动机的运行功率，获得与发动机各运行功率对应的氧传感器的闭环控制系数，在所述电控单元ECU内将获得的各闭环控制系数转换为对应的燃气品质自适应因子，并形成燃气品质自适应因子表预存于所述电控单元ECU内；

根据所述燃气品质自适应因子表内各具体的自适应因子值，分别调整发动机运行负荷，获取各自适应因子值在发动机各运行负荷状态下，对应的燃气喷射量修正系数表、空气需求量修正系数表、点火角修正度数表和EGR率修正表，预存于所述电控单元ECU中；

步骤二、燃气品质自适应使能条件设置

在所述电控单元ECU内设置用于判断储气罐发生突变的下限基准参数和上限基准参数，当储气罐的检测参数由小于所述下限基准参数突增到高于所述上限基准参数时，即满足燃气品质自适应使能条件；

步骤三、燃气品质自适应条件设置

在所述电控单元ECU内设置燃气品质自适应条件，即氧传感器正常且已进入闭环控制状态、发动机运行的负荷范围Q₁～Q₂、负荷变化率小于K₁、发动机的转速范围n₁～n₂和转速变化速度小于n₃；

步骤四、燃气品质自适应的启动

在发动机的运行过程中，所述电控单元ECU实时接收氧传感器的信号和储气罐的参数信息，并根据信号判断氧传感器是否正常、是否已进入闭环控制状态，如果判断为是则进一步判断储气罐的参数信息是否满足突增条件，不满足则保持当前运行状态或按照驾驶员的实际控制指令运行，满足则执行下一步；

步骤五、参数信息对比

在发动机的运行过程中，所述电控单元ECU实时接收发动机的当前运行负荷和当前转速，并与步骤三设置的条件对应比较，当比较结果为当前运行负荷处于负荷范围Q₁～Q₂内、当前转速处于转速范围为n₁～n₂内，且所述电控单元ECU计算获得负荷变化率K₂＜K₁，计算获得转速变化速度n₄＜n₃，则执行下一步；

步骤六、获得燃气品质自适应因子

根据当前氧传感器的闭环控制系数查询所述燃气品质自适应因子表，获取对应的燃气品质自适应因子的具体值；

步骤七、获得修正参数

所述电控单元ECU根据获得的燃气品质自适应因子和发动机当前的运行负荷，自动调取通过步骤一预存的各表格，确定燃气喷射量修正系数、空气需求量修正系数、点火角修正度数和EGR率修正，所述电控单元ECU根据确定的各系数控制相应执行部件动作，实现发动机燃气品质的自适应；

步骤八、燃气品质自适应的持续性

通过步骤六获取的燃气品质自适应因子在当前驾驶循环内至后续驾驶循环内持续使用，直至下一次燃气品质自适应启动。

作为优选的技术方案，所述步骤二中，储气罐为CNG罐，CNG罐的参数为压力参数，所述电控单元ECU实时检测的CNG罐参数为压力，当CNG罐内的压力由低于下限基准压力P₁突增到高于上限基准压力P₂时，则所述电控单元ECU判定CNG罐内的参数发生突变，即满足燃气品质自适应使能条件，执行步骤三，其中所述下限基准压力P₁、所述上限基准压力P₂分别为设定值。

作为优选的技术方案，所述下限基准压力P₁设定为2Mp，所述上限基准压力P₂设定为15Mp。

作为优选的技术方案，所述步骤二中，储气罐为LNG罐，LNG罐的参数为液位参数，所述电控单元ECU实时检测的LNG罐参数为液位，当LNG罐内液位由低于下限基准液位L₁突增到高于上限基准液位L₂时，则所述电控单元ECU判定LNG罐内的参数发生突变，即满足燃气品质自适应使能条件，执行步骤三，其中所述下限基准液位L₁、所述上限基准液位L₂分别为设定值。

作为优选的技术方案，所述下限基准液位L₁设定为LNG罐总液位的20％，所述上限基准液位L₂设定为LNG罐总液位的80％。

作为优选的技术方案，所述步骤三中发动机运行的负荷范围Q₁～Q₂设定为20％～60％，负荷变化率K₁设定为2％；发动机转速范围n₁～n₂设定为800rpm～1400rpm，转速变化速度n₃设定为50rpm。

作为对上述技术方案的改进，所述燃气喷射量修正系数表内燃气喷射量修正系数的范围为0.8～1.2，所述空气需求量修正系数表内空气需求量修正系数的范围为0.9～1.1，所述点火角修正度数表内点火角修正度数的范围为-3°～3°，所述EGR率修正表内的EGR率修正范围为-1％～1％。

由于采用了上述技术方案，本发明具有以下技术有效果：通过电控单元ECU实时检测氧传感器的信息，分析后确定相应的燃气品质自适应因子，根据燃气品质自适应因子确定需要调整的燃气喷射量修正系数、空气需求量修正系数、火角修正度数和EGR修正率，并通过相应的执行部件作用于发动机上，消除因天然气品质发生变化对Lambda稳定性的影响，有利于发动机排放结果的稳定控制，性能的稳定性控制，且降低了因天然气品质变化时对发动机安全运行的影响，降低了爆震风险及失火风险，最终提高整个系统运行的安全性。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1是本发明实施例的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。在下面的详细描述中，只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例。毋庸置疑，本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。

如图1所示，一种天然气发动机燃气品质自适应控制方法，在发动机上电控单元ECU的配合下完成，在发动机上还安装有氧传感器、转速传感器等公知执行部件，在本实施例记载的控制方法中，需要所述电控单元ECU与发动机上的各执行部件协作完成，具体包括以下步骤：

步骤一、台架试验，预存参数表

在所述电控单元ECU的配合下实施台架试验，且在所述电控单元ECU内预设发动机的氧传感器闭环控制模式，所述电控单元ECU实时检测并判断氧传感器工作是否正常。

当所述电控单元ECU检测并判定氧传感器正常，且氧传感器已进入闭环控制状态时，调整发动机的运行功率，获得与发动机各运行功率对应的氧传感器的闭环控制系数，在所述电控单元ECU内将获得的各闭环控制系数转换为对应的燃气品质自适应因子，并形成燃气品质自适应因子表预存于所述电控单元ECU内。本步骤中利用所述电控单元ECU将闭环控制系数转换成对应的燃气品质自适应因子的具体过程或方式，为本技术领域普通技术人员所熟知的内容，在此不再详细描述。

根据所述燃气品质自适应因子表内各具体的自适应因子值，分别调整发动机运行负荷，获取各自适应因子值在发动机各运行负荷状态下，对应的燃气喷射量修正系数表、空气需求量修正系数表、点火角修正度数表和EGR率修正表，预存于所述电控单元ECU中，以便于在后续燃气品质自适应步骤中调取使用。

本实施例中所述燃气喷射量修正系数表内燃气喷射量修正系数的范围为0.8～1.2，所述空气需求量修正系数表内空气需求量修正系数的范围为0.9～1.1，所述点火角修正度数表内点火角修正度数的范围为-3°～3°，所述EGR率修正表内的EGR率修正范围为-1％～1％。

步骤二、燃气品质自适应使能条件设置

在所述电控单元ECU内设置用于判断储气罐发生突变的下限基准参数和上限基准参数，当储气罐的检测参数由小于所述下限基准参数突增到高于所述上限基准参数时，所述电控单元ECU则判断发动机的储气罐完成了一次加气任务，即满足燃气品质自适应使能条件，所谓使能条件即启动允许条件。

在本步骤二中，储气罐可以为CNG罐，也可以为LNG罐，但两者检测的参数捎有差别。当储气罐为CNG罐时，检测的CNG罐参数为压力参数，所述电控单元ECU实时检测的CNG罐参数为压力，当CNG罐内的压力由低于下限基准压力P₁突增到高于上限基准压力P₂时，则所述电控单元ECU判定CNG罐内的参数发生突变，即满足燃气品质自适应使能条件，执行步骤三，其中所述下限基准压力P₁、所述上限基准压力P₂分别为设定值。本实施例中，所述下限基准压力P₁可以设定为2Mp，所述上限基准压力P₂可以设定为15Mp。即所述电控单元ECU检测到CNG罐内的压力由低于2Mp突增到高于15Mp时，则判断CNG罐完成了一次加气任务，需要在氧传感器闭环控制系数的协助下，确定新的燃气品质自适应因子，以便于重新选择燃气喷射量修正系数、空气需求量修正系数、点火角修正度数和修正EGR率，实现根据天然气的品质，来调整发动机相应的执行部件，达到保证发动机运行状态稳定的目的。

当储气罐为LNG罐时，LNG罐的参数为液位参数，所述电控单元ECU实时检测的LNG罐参数为液位，当LNG罐内液位由低于下限基准液位L₁突增到高于上限基准液位L₂时，则所述电控单元ECU判定LNG罐内的参数发生突变，即满足燃气品质自适应使能条件，执行步骤三，其中所述下限基准液位L₁、所述上限基准液位L₂分别为设定值。所述下限基准液位L₁可以设定为LNG罐总液位的20％，所述上限基准液位L₂可以设定为LNG罐总液位的80％。即所述电控单元ECU检测到LNG罐内的液位由低于LNG罐总液位的20％突增到高于LNG罐总液位的80％时，则判断LNG罐完成了一次加气任务，需要在氧传感器闭环控制系数的协助下，确定新的燃气品质自适应因子，以便于重新选择燃气喷射量修正系数、空气需求量修正系数、点火角修正度数和修正EGR率，实现根据天然气的品质，来调整发动机相应的执行部件，达到保证发动机运行状态稳定的目的。

步骤三、燃气品质自适应条件设置

在所述电控单元ECU内设置燃气品质自适应条件，即氧传感器正常且已进入闭环控制状态、发动机运行的负荷范围Q₁～Q₂、负荷变化率小于K₁、发动机的转速范围n₁～n₂和转速变化速度小于n₃。如将发动机运行的负荷范围Q₁～Q₂设定为20％～60％，负荷变化率K₁设定为2％；发动机转速范围n₁～n₂设定为800rpm～1400rpm，转速变化速度n₃设定为50rpm，视具体情况，上述数据也可以适当调整。

步骤四、燃气品质自适应的启动

在发动机的运行过程中，所述电控单元ECU实时接收氧传感器的信号和储气罐的参数信息，并根据信号判断氧传感器是否正常、是否已进入闭环控制状态，如果判断为是则进一步判断储气罐的参数信息是否满足突增条件，不满足则保持当前运行状态或按照驾驶员的实际控制指令运行，满足则执行下一步。

步骤五、参数信息对比

在发动机的运行过程中，所述电控单元ECU实时接收发动机的当前运行负荷和当前转速，并与步骤三设置的条件对应比较，当比较结果为当前运行负荷处于负荷范围Q₁～Q₂内、当前转速处于转速范围为n₁～n₂内，且所述电控单元ECU计算获得负荷变化率K₂＜K₁，计算获得转速变化速度n₄＜n₃，在发动机的氧传感器工作正常，且已进行闭环控制状态，发动机运行的负荷、转速满足上述条件后，即可开始进行燃气品质自适应。

步骤六、获得燃气品质自适应因子

根据当前氧传感器的闭环控制系数查询所述燃气品质自适应因子表，获取对应的燃气品质自适应因子的具体值。

步骤七、获得修正参数

所述电控单元ECU根据获得的燃气品质自适应因子和发动机当前的运行负荷，自动调取通过步骤一预存的各表格，确定燃气喷射量修正系数、空气需求量修正系数、点火角修正度数和EGR率修正，所述电控单元ECU根据确定的各系数控制相应执行部件动作，实现发动机燃气品质的自适应。

燃气喷射量修正：储气罐加气后，天然气成分中包含乙烷、丙烷、氮气等气体成分，使燃气品质发生变化后，之前计算的燃气喷射量已不能实时满足Lambda闭环响应性，发动机lambda闭环存在一定时间延迟，导致排放结果合规出现差异，为弥补这种差异，需通过步骤六获取的燃气品质自适应因子，提前修正燃气喷射量，确保燃气供给快速响应，维持lambda的良好稳定性，有利于使发动机的排放符合相关规定。控制过程即根据燃气品质自适应因子及当前的发动机运行负荷得到修正系数(系数范围为0.8～1.2)，并将该系数用于计算燃气需求量，从而确保燃气供给精确、及时，燃气需求具体计算为预先设于所述电控单元ECU，为公知技术手段，在此不再详细描述。

空气需求量修正：天然气品质发生变化后，会影响发动机燃烧的稳定性，改变发动机混合气燃烧速率，进而导致发动机净功率出现变化，因此需要根据燃气品质的变化因子对发动机进气量进行修正，以保证发动机净功率的一致性。燃气品质因子变大时说明燃气中包含较多惰性气体，因此发动机燃烧会变差，发动机功率下降，此时就需要根据燃气品质自适应因子及发动机的当前运行负荷得到修正系数Mfac(0.9～1.1)，用以提升发动机的需求进气压力，以达到提高进气流量的目的，进而保证发动机功率一致性，满足国家法规要求，反之亦然。

点火角修正：天然气品质发生变化后，发动机燃烧爆震倾向加强，因此需要减小发动机点火角，提前预防发动机爆震，保护发动机安全，而不是在检测到发动机发生爆震时再进行点火角修正。即根据燃气品质的变化因子及发动机当前转速得到修正点火角范围(-3°～3°)，当燃气品质的变化因子增大时，通过修正系数主动减小点火提前角，提前预防发动机爆震以保护发动机安全运行；当燃气品质的变化因子减小时，通过修正系数主动增大点火提前角，以提高发动机经济性。

EGR率修正：天然气品质发生变化后，不仅改变了燃气的热值，其中氮气等惰性气体还改变了混合气的实际EGR率，导致发动机实际进入EGR率大于实际计算EGR率，使发动机失火风险加大，因此需要修正EGR率需求值，以预防发动机发生失火现象，避免排放恶化、损坏催化器等。即当燃气品质自适应系数增大时说明燃气中混有大量惰性气体，通过修正系数主动降低EGR率需求值，以预防发动机失火现象，具体表现为当燃气品质的变化因子减小时说明燃气中混有高热值气体，通过修正系数主动增大EGR率需求值，以预防发动机爆震现象，达到主动调节使发动机安全运行的目的。

步骤八、燃气品质自适应的持续性

本实施例通过步骤六获取的燃气品质自适应因子在当前驾驶循环内至后续驾驶循环内持续使用，直至下一次燃气品质自适应启动。

本发明通过电控单元ECU实时检测氧传感器的信息，分析后确定相应的燃气品质自适应因子，根据燃气品质自适应因子确定需要调整的燃气喷射量修正系数、空气需求量修正系数、火角修正度数和EGR修正率，并通过相应的执行部件作用于发动机上，消除因天然气品质发生变化对Lambda稳定性的影响，有利于发动机排放结果的稳定控制，性能的稳定性控制，且降低了因天然气品质变化时对发动机安全运行的影响，降低了爆震风险及失火风险，最终提高整个系统运行的安全性。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。