CN112664356A - 一种燃气发动机分路进气控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃气发动机分路进气控制装置及其控制方法，包括发动机ECU，所述发动机ECU控制燃气节流阀和空气节流阀实现发动机空燃比控制；控制燃气旁通阀，以实现燃气增压压力的控制；控制空气旁通阀实现空气增压压力的控制；控制燃气节气门和空气节气门实现发动机转速及输出功率控制；控制单缸调节阀实现各缸进气均匀性及燃烧保护；本发明可以很好地解决燃气发动机在高含氢领域的应用问题，大幅提升发动机的安全性和可靠性。

Description

一种燃气发动机分路进气控制装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及燃气发动机控制技术领域，尤其涉及一种燃气发动机分路进气控制装置及其控制方法。

背景技术

燃气发动机的进气方式通常可以根据燃气与空气的混合方式来区分，如：预混进气式、缸内混合进气式。其中，预混进气式是指在进入发动机气缸前进行混合；缸内混合进气式是指燃气与空气独立进气，在发动机气缸进行混合。预混进气式的特点是混合时间长，燃气与空气可以充分混合，进气歧管存有一定量的混合气；缸内混合进气式的特点是混合时间短，燃气与空气混合较差，但动态响应更高。

随着燃气发动机在分布式发电及车用领域的不断发展与推广，发动机的控制技术不断升级与发展，尤其是燃气预混进气式发动机，控制技术已非常成熟，而提到分路进气式发动机，通常是采用多点电喷控制解决方案，但是由于电动喷射阀对气源品质要求极高，也仅仅是适应于天然气领域而已。

为响应国家节能减排号召，燃气发动机已在天然气、沼气、瓦斯等多个领域大幅推广，燃气发动机控制技术也日趋成熟及完善；而在工业尾气、生物质气、裂解气等含氢量较高的气源领域，目前还没有较成熟的大功率发动机解决方案，由于该类气源成分复杂且非常容易发生闪爆，常规的燃气发动机无法正常运行。因此制约该领域燃气发动机推广的核心就是发动机进气***与控制装置无法满足气源要求。为应对该类气源容易闪爆的特点，燃气发动机必须采用分路进气式结构，以防止大量混合气在进气歧管存储，避免导致进气***出现严重爆燃。

综上所述，分路进气式发动机在工业尾气、生物质气、裂解气等领域的应用中，发动机容易发生爆燃。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供一种燃气发动机分路进气控制装置及其控制方法，升燃气发动机在工业尾气、生物质气、裂解气等燃气领域应用的安全性和可靠性。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

燃气发动机分路进气控制装置，包括燃气入口连通有电磁阀，所述燃气电磁阀出口通过管路钢管连通燃气调压阀，燃气经过燃气电磁阀，再通过燃气调压阀进行稳压调节；燃气调压阀出口连通有燃气节流阀；燃气节流阀出口分别连通有燃气旁通阀和燃气增压器进气口；燃气增压器出气口连通燃气中冷器，燃气中冷器和燃气旁通阀出气口连通有燃气节气门，节气门出口连通燃气发动机进气歧管，发动机燃气进气歧管每个出气口连通有单缸调节阀，单缸调节阀出气口连通发动机气缸；

空气入口连通有空气过滤器，空气过滤器出气口分别连通有空气旁通阀和空气增压器，空气增压器出气口连通有空气中冷器；空气旁通阀和空气中冷器出气口连通空气节气门，空气节气门通过发动机空气进气歧管连通发动机气缸；

燃气增压阀与空气增压阀分别用于控制发动机燃气与空气进气歧管的增压压力；

发动机起动后，燃气通过燃气电磁阀进入调压阀，燃气再经调压阀稳压调节输出至燃气节流阀，燃气通过燃气节流阀进入燃气增压器，再经燃气中冷器进行冷却，燃气旁通阀的输入端接至燃气节流阀之后，其输出端通过钢管接至燃气中冷器之后，以构成燃气增压器的旁通控制回路。燃气经过燃气中冷器，再通过燃气节气门，最后经单缸调节阀流入发动机气缸，与空气进行混合；

发动机起动后，空气通过空气过滤器过滤后，经过空气节流阀进入空气增压器，再经空气中冷器进行冷却，空气旁通阀的输入端接至空气节流阀之后，其输出端通过钢管接至空气中冷器之后，以构成空气增压器的旁通控制回路。空气经过空气中冷器，再通过空气节气门，最后经各缸进气歧管流入发动机气缸，与燃气进行混合；

还包括发动机ECU，发动机ECU分别和燃气节流阀，燃气旁通阀，燃气节气门，单缸调节阀，空气节流阀，空气旁通阀和空气节气门电连接；所述发动机ECU根据发动机燃烧反馈状态建立PID闭环控制算法，控制燃气节流阀和空气节流阀，以实现发动机空燃比的电子调节；所述发动机ECU根据燃气节气门前后压差建立闭环控制算法，控制燃气旁通阀，以实现燃气增压压力的控制；所述发动机ECU根据空气节气门前后压差建立闭环控制算法，控制空气旁通阀，以实现空气增压压力的控制；所述发动机ECU根据发动机转速或功率信号建立PID闭环控制算法，同时控制燃气节气门和空气节气门，以实现发动机转速及输出功率的控制；所述发动机ECU根据发动机各缸的燃烧反馈状态建立闭环控制算法，控制单缸调节阀，以实现各缸进气均匀性及燃烧保护的控制。

述燃气发动机分路进气控制装置中，燃气节流阀，燃气旁通阀，单缸调节阀，空气节流阀，空气旁通阀和空气节气门的控制信号类型为4～20mA。

上述燃气发动机分路进气控制装置中，所述单缸调节阀采用4～20mA驱动的位置式电动调节阀。

一种燃气发动机分路进气控制方法，应用上述燃气发动机分路进气控制装置控制燃气发动机。

采用本发明的产生的有益效果为：

1.与预混进气式控制装置相比：在工业尾气、生物质气及裂解气应用领域，由于气源通常含氢量较高，若采用预混进气式结构，由于进气管存有大量的混合气，容易发生严重爆燃；而采用分路进气式结构，进气管没有混合气，即使发动机气缸内发生爆燃，也非常容易控制，不会造成严重爆燃，可大幅提升燃气发动机的可靠性。

2.与现有多点电喷控制装置相比：多点电喷控制装置的电动喷射阀对燃气气源压力、成分要求极高，通常仅在天然气领域使用，局限性较大。而本发明的分路进气控制装置能够适用于各类燃气，且安全性及可靠性极高。

3.在含氢量较高的燃气领域，本发明具有非常大的最大优势是：各缸配置有单缸调节阀，不仅可以实现各缸燃烧的均衡控制，还能快速实现各缸的保护控制，大幅提升发动机运行的可靠性。

附图说明

图1为本发明结构原理示意图。

附图标记说明：1—燃气电磁阀，2—燃气调压阀，3—燃气节流阀，4—燃气旁通阀，5—燃气增压器，6—燃气中冷器，7—燃气节气门，8—单缸调节阀，9—空气过滤器，10—空气节流阀，11—空气旁通阀，12—空气增压器，13—空气中冷器，14—空气节气门，15—发动机气缸，16—发动机ECU。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

参考图1，本发明为适应高含氢燃气领域，设计了一种全新的分路进气控制结构。基于本控制结构及本发明描述的控制方法，可以很好地解决燃气发动机在高含氢领域的应用问题，大幅提升发动机的安全性和可靠性。

本发明提供一种燃气发动机分路进气控制装置，包括燃气电磁阀1，燃气调压阀2，燃气节流阀3，燃气旁通阀4，燃气增压器5，燃气中冷器6，燃气节气门7，单缸调节阀8，空气过滤器9，空气节流阀10，空气旁通阀11，空气增压器12，空气中冷器13，空气节气门14，发动机气缸15，发动机ECU16；

其特征在于：包括电动阀，电动阀之间通过管路相连通，电动阀包括阀体和驱动电机，阀体为蝶阀，蝶阀通过联轴器与驱动电机连通；

电动阀包括燃气节流阀3，空气节流阀10，燃气旁通阀4与空气旁通阀11；

燃气入口连通有电磁阀1，所述燃气电磁阀1出口通过管路钢管连通燃气调压阀2，燃气经过燃气电磁阀1，再通过燃气调压阀2进行稳压调节；燃气调压阀2出口连通有燃气节流阀3；燃气节流阀3出口分别连通有燃气旁通阀4和燃气增压器5进气口；燃气增压器5出气口连通燃气中冷器6，燃气中冷器6和燃气旁通阀4出气口连通有燃气节气门7，节气门7出口连通燃气发动机进气歧管，发动机燃气进气歧管每个出气口连通有单缸调节阀8，单缸调节阀8出气口连通发动机气缸15；

空气入口连通有空气过滤器9，空气过滤器9出气口分别连通有空气旁通阀11和空气增压器12，空气增压器12出气口连通有空气中冷器13；空气旁通阀11和空气中冷器13出气口连通空气节气门14，空气节气门14通过发动机空气进气歧管连通发动机气缸15；

燃气增压阀5与空气增压阀12分别用于控制发动机燃气与空气进气歧管的增压压力；

发动机起动后，燃气通过燃气电磁阀1进入调压阀2，燃气再经调压阀2稳压调节输出至燃气节流阀3，燃气通过燃气节流阀3进入燃气增压器5，再经燃气中冷器6进行冷却，燃气旁通阀4的输入端接至燃气节流阀3之后，其输出端通过钢管接至燃气中冷器6之后，以构成燃气增压器5的旁通控制回路。燃气经过燃气中冷器6，再通过燃气节气门7，最后经单缸调节阀8流入发动机气缸15，与空气进行混合；

发动机起动后，空气通过空气过滤器9过滤后，经过空气节流阀10进入空气增压器12，再经空气中冷器13进行冷却，空气旁通阀11的输入端接至空气节流阀10之后，其输出端通过钢管接至空气中冷器13之后，以构成空气增压器12的旁通控制回路。空气经过空气中冷器13，再通过空气节气门14，最后经各缸进气歧管流入发动机气缸15，与燃气进行混合；

还包括发动机ECU16，发动机ECU16分别和燃气节流阀3，燃气旁通阀4，燃气节气门7，单缸调节阀8，空气节流阀10，空气旁通阀11和空气节气门14电连接；所述发动机ECU16根据发动机燃烧反馈状态建立PID闭环控制算法，控制燃气节流阀3和空气节流阀10，以实现发动机空燃比的电子调节；所述发动机ECU16根据燃气节气门前后压差建立闭环控制算法，控制燃气旁通阀4，以实现燃气增压压力的控制；所述发动机ECU16根据空气节气门前后压差建立闭环控制算法，控制空气旁通阀11，以实现空气增压压力的控制；所述发动机ECU16根据发动机转速或功率信号建立PID闭环控制算法，同时控制燃气节气门7和空气节气门14，以实现发动机转速及输出功率的控制；所述发动机ECU16根据发动机各缸的燃烧反馈状态建立闭环控制算法，控制单缸调节阀8，以实现各缸进气均匀性及燃烧保护的控制。

其中，燃气节流阀3与空气节流阀10用于发动机空燃比的控制；燃气旁通阀4与空气旁通阀11用于发动机进气歧管的增压压力控制；燃气节气门7与空气节气门14用于发动机调速控制；单缸调节阀8用于发动机燃烧保护与进气均匀性控制。

所述发动机ECU16为发动机控制核心部件，集信号采集、功能设计、保护设计为一体，能够实现发动机调速控制、空燃比控制、增压压力控制等功能。

所述燃气电磁阀1与燃气调压阀2通过钢管连接，燃气经过燃气电磁阀1，再通过燃气调压阀2进行稳压调节。

所述燃气节流阀3布置于燃气调压阀2之后，由蝶阀和驱动电机两部分组成，燃气节流阀3的控制信号类型为4～20mA，发动机ECU16基于空燃比闭环控制算法控制燃气节流阀3以实现空燃比的调节。

所述燃气增压器5由涡轮机及压气机两部分组成，其压气机布置于燃气节流阀3之后，所述燃气中冷器6布置于燃气增压器5压气机之后，所述燃气旁通阀4与燃气增压器5及燃气中冷器6并联布置。燃气旁通阀4的控制信号类型为4～20mA，发动机ECU16基于燃气增压压力闭环控制算法控制燃气旁通阀4，以实现燃气增压压力的控制。

所述燃气节气门7布置于燃气中冷器6之后，燃气节气门7的控制信号类型为PWM，发动机ECU基于速度及功率闭环控制算法驱动燃气节气门7，以实现转速及功率控制。

所述单缸调节阀8布置于燃气节气门7之后，且布置于所述发动机气缸15前端，单缸调节阀8的控制信号类型为4～20mA，发动机ECU16基于各缸燃烧状态对各缸的单缸调节阀进行实时调节，以实现单缸燃烧的平衡控制及保护控制。

所述空气过滤器9布置于所述空气节流阀10前端，其中，空气节流阀10由蝶阀和驱动电机两部分组成，空气节流阀10的控制信号类型为4～20mA，发动机ECU16基于空燃比闭环控制算法控制空气节流阀10以实现空燃比的调节。

所述空气增压器12由涡轮机及压气机两部分组成，其压气机布置于空气节流阀10之后，所述空气中冷器13布置于空气增压器12压气机之后，所述空气旁通阀11与空气增压器12及空气中冷器13并联布置。空气旁通阀11的控制信号类型为4～20mA，发动机ECU16基于空气增压压力闭环控制算法控制空气旁通阀11，以实现空气增压压力的控制。

所述空气节气门14布置于空气中冷器13之后，空气节气门14的控制信号类型为4～20mA，发动机ECU16基于速度及功率闭环控制算法驱动空气节气门14，以实现转速及功率控制。

一种燃气发动机，所述发动机上配置如以上所述的分路进气控制装置。

如图1所示，本发明中：发动机起动后，燃气通过燃气电磁阀1进入调压阀2，燃气再经调压阀2稳压调节输出至燃气节流阀3，燃气通过燃气节流阀3进入燃气增压器5，再经燃气中冷器6进行冷却，燃气旁通阀4的输入端接至燃气节流阀3之后，其输出端通过钢管接至燃气中冷器6之后，以构成燃气增压器5的旁通控制回路。燃气经过燃气中冷器6，再通过燃气节气门7，最后经单缸调节阀8流入发动机气缸15，与空气进行混合。

发动机起动后，空气通过空气过滤器9过滤后，经过空气节流阀10进入空气增压器12，再经空气中冷器13进行冷却，空气旁通阀11的输入端接至空气节流阀10之后，其输出端通过钢管接至空气中冷器13之后，以构成空气增压器12的旁通控制回路。空气经过空气中冷器13，再通过空气节气门14，最后经各缸进气歧管流入发动机气缸15，与燃气进行混合。

本发明中：发动机ECU16是发动机核心控制部件，主要执行以下控制策略：基于燃烧反馈的空燃比闭环控制策略，通过控制燃气节流阀3及空气节流阀10，实现发动机空燃比的自动控制；基于转速或功率信号的调速闭环控制策略，通过控制燃气节气门8及空气节气门14，实现发动机的转速及功率控制；基于燃气及空气增压压力的闭环控制策略，通过控制燃气旁通阀及空气旁通阀，实现燃气及空气增压目标压力的控制；基于发动机各缸燃烧反馈的均衡控制及保护控制策略，通过控制单缸调节阀，实现各缸进气均衡控制及快速保护控制。

本发明技术方案可被广泛应用于工业尾气、生物质气、裂解气等各类燃气发动机，尤其在高含氢量燃气领域，本发明提供了一种比较完美的解决方案。

与预混进气式控制装置相比：在工业尾气、生物质气及裂解气应用领域，由于气源通常含氢量较高，若采用预混进气式结构，由于进气管存有大量的混合气，容易发生严重爆燃；而采用分路进气式结构，进气管没有混合气，即使发动机气缸内发生爆燃，也非常容易控制，不会造成严重爆燃，可大幅提升燃气发动机的可靠性。

与现有多点电喷控制装置相比：多点电喷控制装置的电动喷射阀对燃气气源压力、成分要求极高，通常仅在天然气领域使用，局限性较大。而本发明的分路进气控制装置能够适用于各类燃气，且安全性及可靠性极高。

在含氢量较高的燃气领域，本发明具有非常大的最大优势是：各缸配置有单缸调节阀，不仅可以实现各缸燃烧的均衡控制，还能快速实现各缸的保护控制，大幅提升发动机运行的可靠性。

本发明还提供一种燃气发动机分路进气控制方法。本发明可广泛应用于各类燃气发动机，尤其在工业尾气、裂解气、生物质气等领域，具有显著的技术优势。

以上内容是结合具体实施例对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只限于此。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，且性能或用途相同，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (4)

1.一种燃气发动机分路进气控制装置，其特征在于：包括燃气入口连通有电磁阀(1)，所述燃气电磁阀(1)出口连通燃气调压阀(2)，燃气经过燃气电磁阀(1)，再通过燃气调压阀(2)进行稳压调节；燃气调压阀(2)出口连通有燃气节流阀(3)；燃气节流阀(3)出口分别连通有燃气旁通阀(4)和燃气增压器(5)进气口；燃气增压器(5)出气口连通燃气中冷器(6)，燃气中冷器(6)和燃气旁通阀(4)出气口连通有燃气节气门(7)，节气门(7)出口连通燃气发动机进气歧管，发动机燃气进气歧管每个出气口连通有单缸调节阀(8)，单缸调节阀(8)出气口连通发动机气缸(15)；

空气入口连通有空气过滤器(9)，空气过滤器(9)出气口分别连通有空气旁通阀(11)和空气增压器(12)，空气增压器(12)出气口连通有空气中冷器(13)；空气旁通阀(11)和空气中冷器(13)出气口连通空气节气门(14)，空气节气门(14)通过发动机空气进气歧管连通发动机气缸(15)；

燃气增压阀(5)与空气增压阀(12)分别用于控制发动机燃气与空气进气歧管的增压压力；

发动机起动后，燃气通过燃气电磁阀(1)进入调压阀(2)，燃气再经调压阀(2)稳压调节输出至燃气节流阀(3)，燃气通过燃气节流阀(3)进入燃气增压器(5)，再经燃气中冷器(6)进行冷却，燃气旁通阀(4)的输入端接至燃气节流阀(3)之后，其输出端通过钢管接至燃气中冷器(6)之后，以构成燃气增压器(5)的旁通控制回路；燃气经过燃气中冷器(6)，再通过燃气节气门(7)，最后经单缸调节阀(8)流入发动机气缸(15)，与空气进行混合；

发动机起动后，空气通过空气过滤器(9)过滤后，经过空气节流阀(10)进入空气增压器(12)，再经空气中冷器(13)进行冷却，空气旁通阀(11)的输入端接至空气节流阀(10)之后，其输出端通过钢管接至空气中冷器(13)之后，以构成空气增压器(12)的旁通控制回路。空气经过空气中冷器(13)，再通过空气节气门(14)，最后经各缸进气歧管流入发动机气缸(15)，与燃气进行混合；

还包括发动机ECU(16)，发动机ECU(16)分别和燃气节流阀(3)，燃气旁通阀(4)，燃气节气门(7)，单缸调节阀(8)，空气节流阀(10)，空气旁通阀(11)和空气节气门(14)电连接；所述发动机ECU(16)根据发动机燃烧反馈状态建立PID闭环控制算法，控制燃气节流阀(3)和空气节流阀(10)，以实现发动机空燃比的电子调节；所述发动机ECU(16)根据燃气节气门前后压差建立闭环控制算法，控制燃气旁通阀(4)，以实现燃气增压压力的控制；所述发动机ECU(16)根据空气节气门前后压差建立闭环控制算法，控制空气旁通阀(11)，以实现空气增压压力的控制；所述发动机ECU(16)根据发动机转速或功率信号建立PID闭环控制算法，同时控制燃气节气门(7)和空气节气门(14)，以实现发动机转速及输出功率的控制；所述发动机ECU(16)根据发动机各缸的燃烧反馈状态建立闭环控制算法，控制单缸调节阀(8)，以实现各缸进气均匀性及燃烧保护的控制。

2.根据权利要求1所述的燃气发动机分路进气控制装置，其特征在于，所述单缸调节阀采用4～20mA驱动的位置式电动调节阀。

3.根据权利要求1所述的燃气发动机分路进气控制装置，其特征在于，燃气节流阀(3)，燃气旁通阀(4)，单缸调节阀(8)，空气节流阀(10)，空气旁通阀(11)和空气节气门(14)的控制信号类型为4～20mA。

4.一种燃气发动机分路进气控制方法，其特征在于应用权利要求1至3任一权利要求所述的燃气发动机分路进气控制装置控制燃气发动机的进气。

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