CN113638810B - 天然气发动机系统及喷嘴喷射量校正方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于天然气发动机系统，其控制单元配置成：在喷嘴喷射量检测过程中，控制每个喷嘴依次向发动机供应天然气，并且通过检测发动机排气指标计算每个喷嘴的喷射量；将计算出的每个喷嘴的喷射量与需求喷射量相比较，确定每个喷嘴的喷射量偏差；基于每个喷嘴的喷射量偏差确定针对每个喷嘴的喷射量修正系数；以及在发动机常规运转过程中，基于相应的喷射量修正系数控制每个喷嘴的实际喷射量。还公开了用于天然气发动机系统的天然气喷嘴喷射量校正方法。

Description

天然气发动机系统及喷嘴喷射量校正方法

技术领域

本申请涉及一种天然气发动机系统及其天然气喷嘴的喷射量校正方法。

背景技术

天然气发动机是以天然气为燃料的发动机。与燃油发动机相比，天然气发动机的尾中的污染物也显著降低，所以天然气发动机在改善空气质量方面有着重要意义。

对于包含多缸的天然气发动机，来自储气罐的天然气在分配器中通过多个喷嘴向各个缸输送天然气。由于各喷嘴在都不可避免地存在一定的初始结构差异(生产公差、零件公差等)，并且各喷嘴的喷射量会随时间漂移(各喷嘴的喷射量漂移的程度也不相同)，因此各喷嘴的实际喷射量与需求喷射量之间存在偏差，并且喷嘴的喷射量之间也存在差异，使得各个缸的实际天然气吸入量与需求吸入量之间存在偏差，由此影响整个发动机的性能和排放。

发明内容

本申请的一个目的是提供一种天然气发动机系统及其天然气喷嘴的喷射量校正方法，能够检测并校正各喷嘴的喷射量偏差。

为此，本申请在其一个方面提供了一种用于天然气发动机系统的控制单元，所述天然气发动机系统包括储气罐、天然气分配器和发动机，所述天然气分配器包括多个喷嘴；所述控制单元配置成：

在喷嘴喷射量检测过程中，控制每个喷嘴依次向发动机供应天然气，并且通过检测发动机排气指标计算每个喷嘴的喷射量；

将计算出的每个喷嘴的喷射量与需求喷射量相比较，确定每个喷嘴的喷射量偏差；

基于每个喷嘴的喷射量偏差确定针对每个喷嘴的喷射量修正系数；以及

在发动机常规运转过程中，基于相应的喷射量修正系数控制每个喷嘴的实际喷射量。

根据一种可行实施方式，所述控制单元配置成在所述发动机低速运转时执行喷嘴喷射量检测过程。

根据一种可行实施方式，所述控制单元配置成在所述发动机启动后的怠速运转期间执行喷嘴喷射量检测过程并且由此确定出喷射量修正系数。

根据一种可行实施方式，在喷嘴喷射量检测过程中，控制单元通过检测发动机排气中的氧含量计算每个喷嘴的喷射量。

根据一种可行实施方式，所述发动机包括多个缸，并且，在喷嘴喷射量检测过程中，控制单元控制在每个检测时段中控制相应的一个喷嘴按时序向所有缸依次供应天然气。

根据一种可行实施方式，所述控制单元配置成基于每个喷嘴的喷射量偏差确定相应的修正系数，并且发动机常规运转过程中，基于所述修正系数对相应喷嘴的实际喷射量做出修正。

根据一种可行实施方式，所述控制单元配置成仅对喷射量偏差落在偏差限值之外的喷嘴执行喷射量修正。

根据一种可行实施方式，所述控制单元配置成在一或多个喷嘴的喷射量偏差超过第一阈值时发出提示；并且

在一或多个喷嘴的喷射量偏差超过绝对值大于第一阈值的第二阈值时对发动机采取强制措施，例如限制发动机输出扭矩和/或转速。

根据一种可行实施方式，所述控制单元配置成将各喷嘴的喷射量偏差无线发送给后台监测站。

本申请在其另一个方面提供了一种天然气发动机系统，包括储气罐、天然气分配器、发动机以及如前所述的控制单元。

本申请在其一个方面提供了一种用于天然气发动机系统的天然气喷嘴喷射量校正方法，所述天然气发动机系统包括储气罐、天然气分配器和发动机，所述天然气分配器通过所述天然气分配器的多个喷嘴向发动机供应来自储气罐的天然气；

所述喷嘴喷射量校正方法包括：

在喷嘴喷射量检测过程中，控制每个喷嘴依次向发动机供应天然气，并且通过检测发动机排气指标计算每个喷嘴的喷射量；

将计算出的每个喷嘴的喷射量与需求喷射量相比较，确定每个喷嘴的喷射量偏差；以及

在发动机常规运转过程中，基于每个喷嘴的喷射量偏差对相应喷嘴的实际喷射量做出修正。

根据本申请，对天然气发动机系统中各喷嘴的实际喷射量进行检测，并且相应地做出补偿，以使得各喷嘴的实际喷射量尽可能接近需求喷射量，从而提高整个发动机的性能和排放质量，延长发动机寿命。

附图说明

本申请的前述和其它方面将通过下面参照附图所做的详细介绍而被更完整地理解和了解，其中：

图1是根据本申请的一种可行实施方式的天然气发动机系统的示意图；

图2、3是根据本申请的天然气发动机系统的中检测各喷嘴的喷射量的方式的示意图；

图4是反映各喷嘴的喷射量的示意图；

图5是对各喷嘴的喷射量补偿系数的示意图。

具体实施方式

本申请总体上涉及一种天然气发动机系统，如图1中示意性显示。该天然气发动机系统包括储气罐1、天然气分配器2、发动机3和控制单元4。

储气罐1中储存着压缩或液化的天然气，并且配备有阀门(未示出)。在阀门打开时，储气罐1经分配器2向发动机3供应天然气。

储气罐1可以包括单一的罐体。或者，储气罐1可以包括多个罐体。多个罐体中可以串联布置，并且储存着同一类型的天然气。或者，多个罐体中可以并联布置，并且储存着不同类型的天然气，以便向发动机2供应不同天然气的混合气。

分配器2包括气轨5、配送室6以及布置在气轨5与配送室6之间的n个喷嘴I₁、I₂…I_n。储气罐1通过管路L_NG连接着气轨5，管路L_NG中布置着压力调节器(未示出)。储气罐1通过管路L_NG向气轨5供应天然气。气轨5中的天然气通过各喷嘴向配送室6喷射。各喷嘴可以是高喷射量喷嘴(HFI)。

发动机3包括n个缸C₁、C₂…C_n，一般情况下分配器2中喷嘴的数量与发动机3中缸的数量相等。配送室6通过供应管L₁、L₂…L_n连接着相应的缸。每根供应管通向相应缸的进气管(未示出)。在每个缸的吸气冲程中，来自配送室6的天然气经相应的供应管与吸入进气管的空气混合并且进入缸中。各个缸的工作周期分别相隔720°/n的相位角。发动机3的排气通过排气管7排放。排气管7中设有氧传感器8以及其它传感器(未示出)。

控制单元4连接着储气罐1、天然气分配器2、发动机3，用以控制它们的操作，尤其是根据发动机3中各个缸的工作周期控制分配器2的各个喷嘴的开闭时刻和开启时间长度。每个喷嘴的开启时间长度决定了该喷嘴该次喷射的天然气量。

控制单元4还连接着发动机系统中的各种传感器(包括氧传感器8)，用于接收这些传感器的检测数据，由此监控发动机系统的工作状态，并且做出各种必需的调整。控制单元4中包含存储器9，用于存储发动机系统的各种数据，包括各传感器的检测数据、发动机系统的设置参数和工作参数等等。

基于背景技术部分中的描述可以理解，各喷嘴的喷射量可能与需求喷射量之间存在偏差，并且喷射量随着时间漂移可能加大这种偏差。本申请提出，定期地对每个喷嘴的喷射量(喷射能力)进行检测，并且对每个喷嘴的喷射量进行补偿，使得每个喷嘴的实际喷射量尽可能接近需求喷射器。

本申请通过下面描述的方式对每个喷嘴的喷射量(喷射能力)进行检测：在喷嘴检测过程中，控制单元4控制每个喷嘴依次向发动机3的所有缸供应天然气，并且通过氧传感器8检测到的发动机排气中的含氧量确定每个喷嘴的喷射量(喷射能力)。这个检测过程优选在发动机3低速(例如怠速、尤其是发动机每次启动后的怠速)运转的情况下执行，例如在发动机每次启动后的怠速运转期间执行。

控制单元4的上述检测过程在图2、3中示意性展示。首先如图2所示，在第一检测时段Period 1中，控制单元4控制喷嘴I₁依次向每个缸C₁、C₂…C_n供应天然气。第一检测时段Period 1可以包括若干发动机工作周期。

图2中以台阶形曲线表示了喷嘴I₁针对每个缸的工作周期依次施加的作动控制(打开、保持开启、关闭)。喷嘴I₁在每个缸的工作周期中保持开启的时间是一致的，这样，通过喷嘴I₁向每个缸供应的天然气量是基本相等的。在喷嘴I₁为所有缸执行喷射操作期间，其它喷嘴保持关闭。

在第一检测时段Period 1中，控制单元4从氧传感器8接收排气管7中的排气中的氧含量，并且基于排气中的氧含量计算出喷嘴I₁的喷射量。计算出喷嘴I₁的喷射量被记录在存储器9中。

在第一检测时段Period 1结束后，控制单元4将喷嘴切换到喷嘴I₂，以便在第二检测时段Period 2中，仅利用喷嘴I₂向各喷嘴供应燃油，如图3中示意性展示。喷嘴I₂的控制方式与前面描述的喷嘴I₁相同。在第二检测时段Period 2中，控制单元4同样从氧传感器8接收排气管7中的排气中的氧含量，并且基于排气中的氧含量计算出喷嘴I₂的喷射量。计算出喷嘴I₂的喷射量被记录在存储器9中。

在第二检测时段Period 2结束后，控制单元4将喷嘴切换到喷嘴I₃，依次类推，直至所有喷嘴都被轮换一遍。这样，各个喷嘴的喷射量都被计算出来并被记录在存储器9中。

需要指出，作为通过检测发动机排气中的含氧量确定每个喷嘴的喷射量(喷射能力)的措施的替换或附加措施，控制单元4可以通过排气的其它被检测指标(例如排气中其它成分的含量，排气温度、压力等)来计算出各个喷嘴的喷射量。

根据一种可行实施方式，各喷嘴为电磁阀形式的，其通电时开启，断电时关闭。每个喷嘴的控制过程为，向电磁阀施加高电压/电流，使得喷嘴打开，然后改为向电磁阀施加低高电压/电流，保持喷嘴开启，在喷嘴打开一段时间后，将电磁阀断电，使得喷嘴关闭。当然，各喷嘴也可以是以其它方式作动的。

图4中示意性展示了计算出的各喷嘴的喷射量Q以及对各喷嘴的需求喷射量Q₀。需要指出，需求喷射量Q₀可能并非固定值，而是随发动机转速等因素变化的值。计算出的各喷嘴的喷射量Q代表了它们当前的喷射能力。

控制单元4将计算出的喷嘴喷射量Q与需求喷射量Q₀作比较，可以确定计算出的喷嘴喷射量Q与需求喷射量Q₀之间的偏差。可以理解，有些喷嘴的喷射量可能低于需求喷射量，这可能是由于结构偏差、喷射通道堵塞等等因素导致的。还有些喷嘴的喷射量可能高于需求喷射量，这可能是由于结构偏差、喷射通道腐蚀等等因素导致的。当然，可能有些喷嘴的喷射量可能基本上等于需求喷射量，即喷射量偏差在一定的偏差限值(例如±3％)内。

之后，控制单元4针对各喷嘴应用喷射量补偿系数F，例如，如图5示意性展示。每个喷嘴的补偿系数F与其计算出的喷射量相关。

在确定了针对每个喷嘴的补偿系数F后，在之后的发动机系统常规运转过程中(例如装有该发动机系统的车辆行驶期间)，控制单元4基于各喷嘴的补偿系数F修正各喷嘴的喷射量，例如修正各喷嘴的开启时间长度。

需要指出，在发动机系统常规运转过程中，基于发动机负荷，可能需要同时有两个以上的喷嘴同时参与喷射。在两个以上的喷嘴同时参与喷射时，通常每个喷嘴是依次打开的，并且其中一个喷嘴尚未关闭时，另一个喷嘴就被打开了。

根据一种可行的实施方式，补偿系数F为简单的乘法因子，例如图5中所示的，控制单元4将每个喷嘴的设定开启时间长度乘以相应的补偿系数F，得到实际开启时间长度，并且以实际开启时间长度控制相应喷嘴开启。通过这种方式，实现对各喷嘴实际喷射量的修正，使得各喷嘴实际喷射量尽可能接近需求喷射量。

需要指出，可以仅对喷射量偏差落在偏差限值之外(例如，高于3％或低于-3％)的喷嘴执行喷射量修正；对于喷射量偏差在偏差限值(例如±3％)内的喷嘴不执行喷射量修正。

每个喷嘴的喷射量(喷射能力)偏差代表着喷嘴的状况。喷射量偏差太大则意味着喷嘴需要维护(例如清理)或更换。为此，控制单元4将每个喷嘴的喷射量(喷射能力)偏差和由此确定的补偿系数F记录在存储器9中，并且在喷射量偏差或补偿系数F超过预定的阈值时，给出相应的提示，并且在必要时执行相应的强制措施。

例如，可设定第一阈值(例如±5％)和绝对值大于第一阈值的第二阈值(例如±10％)。当控制单元4确定某个喷嘴的喷射量偏差超出了第一阈值、但未达到第二阈值(例如在5～10％之间，或-5～-10％)，控制单元4提示用户需要进行相应的维护，例如在车辆的仪表板上给出提示。当控制单元4确定某个喷嘴的喷射量偏差超出了第二阈值(例如高于10％，或低于-10％)，控制单元4可以采取强制措施，例如，限制发动机输出扭矩和/或转速，使中央本发动机系统的车辆启动“慢行回家”(limp-home)模式，等等。这样，可以保护发动机不受损，由此延长发动机寿命，减少维护费用。

此外，控制单元4还可以通过无线联网设备将各喷嘴的喷射量偏差发送给后台监测站。后台监测站可以通过接收到的各喷嘴的喷射量偏差监控发动机系统的状态，并且在某个喷嘴的喷射量偏差超出预定的阈值时(例如前面描述的第一、第二阈值等)，向用户或监控机关发送相应的信息，以促使用户或监控机关采取相应的措施。

前面描述了本申请的天然气发动机系统及其控制单元4的一些可行实施方式。可以理解，在本申请的原理下，本领域技术人员可以根据具体应用条件对前面描述的各种细节做出各种适应性修改。

本申请还提供了用于天然气发动机系统的天然气喷嘴喷射量校正方法，其执行前面基于天然气发动机系统及其控制单元4描述的检测和修正过程。前面针对天然气发动机系统及其控制单元4描述的种种控制相关特征，同样适用于本申请的天然气喷嘴喷射量校正方法中，这里不再重复叙述。

需要指出，本申请的天然气喷嘴喷射量校正方案与传统技术中基于发动机排气的氧含量测量值对天然气吸入量进行闭环调节的方案有着本质的不同。这种对天然气吸入量进行闭环调节的方案的特征在于，在发动机常规运转过程中实时地检测发动机排气中的氧含量，并且基于检测到的氧含量实时地控制发动机的天然气吸入量。本申请的天然气喷嘴喷射量校正方案的特征在于，定期地(例如在每次发动机启动后执行一个喷嘴喷射量检测过程，在该检测过程中，控制每个喷嘴依次向发动机供应天然气，并且随后通过检测发动机排气指标计算每个喷嘴的喷射量，由此确定每个喷嘴的喷射量偏差以及针对该喷射量偏差进行修正的喷射量修正系数；在发动机常规运转过程中，仅需要基于相应的喷射量修正系数控制每个喷嘴的实际喷射量，不需要实时确定每个喷嘴的喷射量偏差和喷射量修正系数。因此，本质上说，根据本申请，在发动机常规运转过程中，不再需要像现有技术那样实时地对天然气吸入量进行闭环调节。因此，本申请的天然气喷嘴喷射量校正方案(不存在闭环调节)相比于现有技术的闭环调节方案更简单。

虽然这里参考具体的实施方式描述了本申请，但是本申请的范围并不局限于所示的细节。在不偏离本申请的基本原理的情况下，可针对这些细节做出各种修改。

Claims (12)

1.一种用于天然气发动机系统的控制单元，所述天然气发动机系统包括储气罐(1)、天然气分配器(2)和发动机(3)，所述天然气分配器包括气轨(5)、配送室(6)以及布置在气轨(5)与配送室(6)之间的多个喷嘴，天然气通过各喷嘴向配送室(6)喷射，配送室(6)通过供应管连接着发动机(3)的相应的缸，在每个缸的吸气冲程中，来自配送室(6)的天然气经相应的供应管与吸入进气管的空气混合并且进入缸中；所述控制单元配置成：

在喷嘴喷射量检测过程中，控制每个喷嘴依次通过配送室(6)和相应的供应管向发动机的所有缸供应天然气，并且通过检测发动机排气指标计算每个喷嘴的喷射量；

将计算出的每个喷嘴的喷射量与需求喷射量相比较，确定每个喷嘴的喷射量偏差；

基于每个喷嘴的喷射量偏差确定针对每个喷嘴的喷射量修正系数；以及

在发动机常规运转过程中，基于相应的喷射量修正系数控制每个喷嘴的实际喷射量。

2.如权利要求1所述的控制单元，其中，所述控制单元配置成在所述发动机低速运转时执行喷嘴喷射量检测过程。

3.如权利要求1所述的控制单元，其中，所述控制单元配置成在所述发动机启动后的怠速运转期间执行喷嘴喷射量检测过程并且由此确定出喷射量修正系数。

4.如权利要求1所述的控制单元，其中，在喷嘴喷射量检测过程中，控制单元通过检测发动机排气中的氧含量计算每个喷嘴的喷射量。

5.如权利要求1至4中任一项所述的控制单元，其中，所述发动机包括多个缸，并且，在喷嘴喷射量检测过程中，控制单元控制在每个检测时段中控制相应的一个喷嘴按时序向所有缸依次供应天然气。

6.如权利要求1至4中任一项所述的控制单元，其中，所述控制单元配置成基于每个喷嘴的喷射量偏差确定相应的修正系数，并且发动机常规运转过程中，基于所述修正系数对相应喷嘴的实际喷射量做出修正。

7.如权利要求6所述的控制单元，其中，所述控制单元配置成仅对喷射量偏差落在偏差限值之外的喷嘴执行喷射量修正。

8.如权利要求1至4中任一项所述的控制单元，其中，所述控制单元配置成在一或多个喷嘴的喷射量偏差超过第一阈值时发出提示；并且

在一或多个喷嘴的喷射量偏差超过绝对值大于第一阈值的第二阈值时对发动机采取强制措施。

9.如权利要求8所述的控制单元，其中，在一或多个喷嘴的喷射量偏差超过绝对值大于第一阈值的第二阈值时限制发动机输出扭矩和/或转速。

10.如权利要求1至4中任一项所述的控制单元，其中，所述控制单元配置成将各喷嘴的喷射量偏差无线发送给后台监测站。

11.一种天然气发动机系统，包括储气罐(1)、天然气分配器(2)、发动机(3)以及如权利要求1至10中任一项所述的控制单元。

12.一种用于天然气发动机系统的天然气喷嘴喷射量校正方法，所述天然气发动机系统包括储气罐(1)、天然气分配器(2)和发动机(3)，所述天然气分配器包括气轨(5)、配送室(6)以及布置在气轨(5)与配送室(6)之间的多个喷嘴，天然气通过各喷嘴向配送室(6)喷射，配送室(6)通过供应管连接着发动机(3)的相应的缸，在每个缸的吸气冲程中，来自配送室(6)的天然气经相应的供应管与吸入进气管的空气混合并且进入缸中；

所述喷嘴喷射量校正方法包括：

在喷嘴喷射量检测过程中，控制每个喷嘴依次通过配送室(6)和相应的供应管向发动机的所有缸供应天然气，并且通过检测发动机排气指标计算每个喷嘴的喷射量；

将计算出的每个喷嘴的喷射量与需求喷射量相比较，确定每个喷嘴的喷射量偏差；以及

在发动机常规运转过程中，基于每个喷嘴的喷射量偏差对相应喷嘴的实际喷射量做出修正。