燃气发动机稀薄燃烧控制方法及控制系统的制作方法
【专利说明】燃气发动机稀薄燃烧控制方法及控制系统
[0001] 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W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】
[0002] 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，W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。
[0003] 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W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A表示，英文名称Lambda),当A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A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W燃气发动机稀薄燃烧的A值 应设置在较大的数据范围内。
[0004] 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。
[0005] 现有技术中，液体燃料发动机巧日汽油机、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，对零部件优化设计化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W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，W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A值，会出现燃气发 动机A值低、热效率低、燃料消耗大、NOx排放多等现象。
【发明内容】
[0006] 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A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。
[0007] 本发明通过W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； 怠速运行过程控制稀薄燃烧的方法是：在怠速运行过程通过检测排气中氧含量进行 稀薄燃烧A值闭环控制，并控制单缸燃烧温度从而降低NOx排放；怠速运行是燃气发动机 进入工作工况前的过程，是在没有负荷的最低稳定转速下运行，为了实现怠速运行过程稀 薄燃烧，通过安装在排气管上的氧含量传感器，在发动机转速达到怠速运行转速时，检测排 气中的氧含量，得到实际A值，实际A值与怠速运行过程所设的A基准值1.2-1. 3进行 对比，得到怠速运行燃气量；控制单元同时接收燃气管路上安装的燃气温度传感器信号和 燃气压力传感器信号，得到燃气温度值和燃气压力值，并将燃气温度值、燃气压力值与所设 的燃气温度基准值、燃气压力基准值相对比，对燃气量进行修正，使参与燃烧的燃气量不受 燃气温度和燃气压力变化的影响，然后通过输出接口向外输出指令，使燃气流量阀执行动 作控制怠速运行燃气量，使排气中的氧含量得到调整，与所设的怠速运行过程A基准值一 致，经A值闭环控制实现怠速运行过程稀薄燃烧控制；在发动机怠速运行过程，控制单元 将发动机转速与所设的怠速运行转速基准值进行对比，同时进气总管温度值与所设的进气 总管温度基准值相对比，使进入气缸内的混合气量不受进气总管温度变化的影响，然后通 过输出接口向外输出指令，使混合气流量阀执行动作，精确控制混合气量使发动机转速跟 随改变，保证发动机转速与所设的怠速运行转速基准值保持一致，经转速闭环控制保证怠 速运行过程转速的稳定；怠速运行过程中气缸内的燃烧温度变化，将造成NOx排放的变化， 为此设置单缸燃烧温度基准值，通过安装在气缸上的单缸燃烧温度传感器将信号传送到控 制单元，并将单缸燃烧温度值与所设的单缸燃烧温度基准值相对比，对所设的怠速运行过 程A基准值进行修正；此后控制单元根据修正后的A基准值控制燃气量，进而经A值闭 环控制实现怠速运行过程稀薄燃烧；本发明怠速运行阶段所控制的各参数相互关联，经综 合控制实现了怠速运行过程稀薄燃烧和NOx排放控制；现有技术采用定比混合器实现空燃 比控制，空燃比不能调整，与现有技术相比，本发明在怠速到工作工况的所有阶段全部采用 入值闭环控制方法，通过检测排气中氧含量得到A值进行燃气量控制，通过检测燃气温度 值、燃气压力值对燃气量进行修正，通过检测发动机转速进行混合气量控制，通过检测进气 总管温度对混合气量进行修正，通过检测单缸燃烧温度对所设的怠速运行过程A基准值 进行修正控制NOx排放，使燃气发动机在怠速运行阶段实现了稀薄燃烧和NOx排放控制功 能； 工作工况控制稀薄燃烧的方法是；工作工况在工作需要的转速和负荷下工作的工况， 也就是转速从最低稳定工作转速到最高转速，负荷从零负荷到最大负荷的所有工况；本发 明控制稀薄燃烧的方法适合各种工作特性的需求；如本领域技术人员所知，常用工作特性 的有负荷特性和推进特性，负荷特性是转速保持不变，发动机功率随负荷而变化的，适用于 发电机组用发动机；推进特性是发动机功率与转速的3次方成正比，适用于船舶用主机；进 气总管压力随输出功率变化，能够反馈发动机负荷的大小，因此，本发明在恒速特性工况根 据额定转速下的进气总管压力判断负荷大小，在推进特性工况根据工作转速并结合进气总 管压力判断负荷大小；控制单元设置进气总管压力基准值，所设的进气总管压力基准值为 1组n个，1组n个所述进气总管压力基准值分别与从空负荷到满负荷之间的负荷对应，设 置转速基准值，所设的转速基准值为1组m个，1组m个所述转速基准值分别与从怠速到最 高转速之间的工作转速对应，将设置的每一个转速基准值分别与所设的1组n个进