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专汽通专利解读:单缸柴油机掺烧气态甲醇燃料的控制系统及方法

专利发明背景介绍

柴油机具有压缩比高、适应性好、热效率高等优点,是农业、交通运输等领域的主要动力源,但是柴油机工作时生成的NOx、HC、PM等污染物,会造成大气污染。2019年我国石油对外依存度超过70%,为了减少对石油资源的依赖,我国开展了推广甲醇清洁替代燃料的应用工作。甲醇具有含氧量高、来源广泛、价格低等特点。单缸柴油机是我国小型农业机械的主要动力,在单缸柴油机中掺烧甲醇,对于有效降低排放,降低石油的依赖,保护环境具有重要意义。

目前,柴油机掺烧甲醇的主要方法有:甲醇/柴油燃料直接掺混法、进气道甲醇喷射法。应用柴油和甲醇燃料直接掺混法,不必对单缸柴油机进行改动,但存在甲醇/柴油形成的混合燃料易分层,甲醇的掺混量低,冷启动差,形成的混合燃料比例无法根据柴油机的工况进行调节等问题。进气道甲醇喷射法适用于大型的多缸柴油机,进气道甲醇喷射系统的结构复杂,精确度要求高,难以在单缸柴油上应用。

装置结构说明

因此针对单缸柴油机的特性提出了一种单缸柴油机掺烧气态甲醇燃料的控制系统及方法,根据单缸柴油机的油门位置、转速和排气温度等参数,确定最佳掺烧比,实现了甲醇掺烧比与单缸柴油机运行工况的最佳匹配。图1为装置整体设计图、图2为进气管压差传感器结构图、图3为电控双开半圆阀结构图,其中:1、进气道,2、电控双开半圆阀,3、甲醇管道,4、油门位置传感器,5、排气温度传感器,6、转速传感器,7、甲醇控制单元,8、进气管压差传感器,9、霍尔元件, 10、运动块,11、橡胶膜片,12、半圆挡片,13、步进电机,14、齿轮。

专汽通专利解读:单缸柴油机掺烧气态甲醇燃料的控制系统及方法
1 装置整体设计图
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2 进气管压差传感器结构图
专汽通专利解读:单缸柴油机掺烧气态甲醇燃料的控制系统及方法
3 电控双开半圆阀结构图

整个控制系统包括设置在进气管上的甲醇管道和进气管压差传感器。在甲醇管道上装有电控双开半圆阀,电控双开半圆阀和进气管压差传感器均与甲醇控制单元之间信号连接,进气管压差传感器用于测量柴油机进气道中的压力。此外,甲醇控制单元还分别连接油门位置传感器、排气温度传感器和转速传感器。甲醇控制单元可以根据采集的油门开度、排气温度、转速和柴油机进气道压力,控制电控双开半圆阀的开合进而调节甲醇的掺烧比。

电控双开半圆阀包括2个相对设置的半圆挡片,在每个半圆挡片相同侧的一端装有齿轮,齿轮与对应的半圆挡片焊接为一体,并可绕齿轮的轴心旋转,两个齿轮可以相互啮合;其中一个齿轮与步进电机输出轴上的齿轮啮合,通过步进电机的工作,可以控制2个半圆挡片相向或者反向转动,最终可以实现对电控双开半圆阀开度的调节;

进气管压差传感器包括沿进气管1的侧壁面设置的橡胶膜片,橡胶膜片的上表面通过运动块连接霍尔元件,运动块具有磁性;霍尔元件通过数据线连接甲醇控制单元;当柴油机运行时,由于橡胶膜片上下表面的压力差,橡胶膜片发生形变,带动运动块上下移动,霍尔元件将运动块的位移信号转化为电势差并输入甲醇控制单元,甲醇控制单元根据电势差计算出柴油机进气道中的压力Pj;

甲醇的掺烧比α与电控双开半圆阀的开度的关系表示为:甲醇的流量 C为流量系数,θ为电控双开半圆阀的开度角,r为管道的半径,Pj 是柴油机进气道中的压力,Tw 是甲醇管道中的温度,Px 为甲醇管道中气态甲醇的压力,Md 为柴油的消耗。

工作原理与步骤:

步骤一

甲醇控制单元7根据油门开度、转速和排气温度判断柴油机是否在工作区域间(即判断柴油机是否处于中等负荷工况);若在工作区域间内(中等负荷工况),则开始掺烧甲醇;若不在工作区域间内(即柴油机是处于怠速、低负荷工况和高负荷工况)则不掺烧甲醇,单缸柴油机仅以纯柴油模式运行;

步骤二

基于转速-排气温度-甲醇掺烧比策略图,根据此时的转速和排气温度得到最大掺烧比αmax1 ;基于转速-功率-甲醇掺烧比策略图,根据此时的转速和功率得到最大掺烧比αmax2 ,对所得到的两次最大掺烧比进行修正得到最佳掺烧比αw 。修正的方法即αw =min(αmax1,αmax2 ),其中,αmax1 是根据转速-排气温度甲醇掺烧比策略图得到的最大掺烧比,αmax2 是根据转速-功率掺烧比策略图到的最大掺烧比。

转速-排气温度-甲醇掺烧比策略图是将单缸柴油机的转速-排气温度图划分为多个状态区间;绘制转速-排气温度-甲醇掺烧比策略图的方法为:

1、首先,绘制单缸柴油机的转速-排气温度图,具体是通过单缸柴油机台架实验,采集缸柴油机正常运行范围的工况点,将所有正常运行下的工况点所对应的转速和温度记录下;对所记录的点进行框选,形成转速-排气温度图,即得到图2.4中的菱形区域。

2、对于1中得到的单缸柴油机的转速-排气温度图进行区域划分,划分的依据是:

  • 当t<twmin 或n<nwmin ,即单缸柴油机处于怠速和低负荷工况时,此时不掺烧甲醇αmax=0%;即图2.4中的a区域。
  • 当twmin<t<t1或nwmin<n<n1 ,此时αmax =10%;即图2.4中的b区域。
  • 当t1<t<t2或n1<n<n2 ,此时αmax =20%;即图2.4中的c区域。
  • 当t2<t<t3或n2<n<n3 ,此时αmax =30%;即图2.4中的d区域。
  • 当t3<t<t4或n3<n<n4 ,此时αmax =20%;即图2.4中的c’区域。
  • 当t4<t<t wmax或n4<n< wmax ,此时αmax =10%;即图2.4中的b’区域。
  • 当twmax<t<tmax或nwmax<n<nmax,此时不掺烧甲醇αmax=0%;即图5中的a’区域。

其中,t排气温度,n是转速,n wmin 为单缸柴油机掺烧甲醇的最低转速;twmin为掺烧甲醇的最低排气温度;nwmax 为掺烧甲醇的最高转速,twmax 为掺烧甲醇的最高排气温度,nmax为单缸柴油机的最高转速,tmax为单缸柴油机的最高的排气温度,n1、n2、n3、n4分别是转速,且n3为最大扭矩点转速、n2=(n3+nwmin)/2、n1=(n2+nwmin)/2、n4 =(n3+nwmax ) /2;t1、t2、t3、t4分别是温度,且t3为最大扭矩点温度、t1=(t2+twmin)/2、t2=(t3+t wmin) /2、t4=(t3+twmax)/2;根据单缸柴油机的转速-排气温度图来确定最大掺烧比,能够确保单缸柴油机掺烧甲醇的安全性。

上述转速-功率-甲醇掺烧比策略图是将单缸柴油机功率-转速图划分为多个状态区间,绘制转速-功率-甲醇掺烧比策略图的方法为

1、首先,根据单缸柴油机的功率和转速绘制单缸柴油机功率-转速图;

2、对于中得到的单缸柴油机功率-转速图进行区域划分,划分的依据是:

  • 当n<nwmin 或p<pwmin ,此时αmax =0%;即图2.5中的e区域。
  • 当nwmin<n<n1 或pwmin<p<p1 ,此时αmax =10%;即图2.5中的f区域。
  • 当n1<n<n2或p1<p<p1 ,此时αmax=20%;即图2.5中的g区域。
  • 当n2<n<n3或p2<p<p3 ,此时αmax=30%;即图2.5中的h区域。
  • 当n3<n<n4 或p3<p<p4 ,此时αmax=20%;即图2.5中的g’区域。
  • 当n4<n<nwmax或p4<p<pwmax ,此时αmax =10%;即图2.5中的f’区域。
  • 当nwmax<n<nmax或pwmax<p<pmax ,此时αmax =0%;即图2.5中的e区域。

其中,pwmin为掺烧甲醇的最低功率,pwmax为掺烧甲醇的最高功率,pmax为单缸柴油机的最高功率;根据单缸柴油机的功率-转速图来确定最大掺烧比,能够确保单缸柴油机掺烧甲醇的动力性。

专汽通专利解读:单缸柴油机掺烧气态甲醇燃料的控制系统及方法
4 转速-排气温度甲醇掺烧比策略图
专汽通专利解读:单缸柴油机掺烧气态甲醇燃料的控制系统及方法
5 转速-功率甲醇掺烧比策略图

步骤三

通过甲醇控制单元7调节电控双开半圆阀2的开度,实现最佳掺烧比αw 。

优势特点

在实现了甲醇掺烧比与单缸柴油机运行工况的最佳匹配,同时兼顾单缸柴油机掺烧甲醇的安全性和单缸柴油机掺烧甲醇的动力性。

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