CN113343597A - 一种计算节气门后虚拟压力的方法和装置 - Google Patents

一种计算节气门后虚拟压力的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种计算节气门后虚拟压力的方法以及装置，包括计算稳态工况下喷管入口的稳态压力P2(t)；计算瞬态工况下喷管入口的瞬态压力ΔP2(t+1)，计算节气门后虚拟压力P2(t+1)＝P2(t)+ΔP2(t+1)。本发明通过计算稳态工况下喷管入口的稳态压力P2(t)；以及计算瞬态工况下喷管入口的瞬态压力ΔP2(t+1)，能够最终得计算节气门后虚拟压力P2(t+1)＝P2(t)+ΔP2(t+1)，并通过该节气门后虚拟压力为计算节气门流量和喷管流量提供了支持，从而提高了进气流量准确度，有利于发动机空燃比的控制，提高发动机排放和经济性。

Description

一种计算节气门后虚拟压力的方法和装置
技术领域
本发明涉及燃气发动机技术领域，特别涉及一种计算节气门后虚拟压力的方法和装置。
背景技术
燃气发动机通过节气门控制进入发动机的空气量，并根据计算得到进气量喷入相对应天然气，进而实现对发动机功率和空燃比的精确控制。空气量计算的准确性直接影响空燃比的控制，而空燃比直接影响发动机的排放和经济性。现有技术中主要通过节气门开度和前后压比计算实际进气流量。1)在瞬态工况下，节气门后压力受干扰因素较多，难以测量计算流量的有效压力，影响流量计算的准确性。2)当节气门开度较大时，前后压比较大，处于非线性区，实际进气流量的计算精度较差。
因此，如何提高进气流量计算的精确度，是本领域技术人员函待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种计算节气门后虚拟压力的方法以及计算节气门后虚拟压力的方法和装置，以提高进气流量计算的精确度。
为实现上述目的，本发明提供一种计算节气门后虚拟压力的装置，包括：
计算稳态工况下喷管入口的稳态压力P2(t)；
计算瞬态工况下喷管入口的瞬态压力ΔP2(t+1)；
计算节气门后虚拟压力P2(t+1)＝P2(t)+ΔP2(t+1)。
本发明还公开了一种计算节气门后虚拟压力的装置，包括：
第一计算单元，用于计算稳态工况下喷管入口的稳态压力P2(t)；
第二计算单元，用于计算瞬态工况下喷管入口的瞬态压力ΔP2(t+1)；
第三计算单元，用于计算节气门后虚拟压力P2(t+1)＝P2(t)+ΔP2(t+1)。
本发明的计算节气门后虚拟压力的方法，通过计算稳态工况下喷管入口的稳态压力P2(t)；以及计算瞬态工况下喷管入口的瞬态压力ΔP2(t+1)，能够最终得计算节气门后虚拟压力P2(t+1)＝P2(t)+ΔP2(t+1)，并通过该节气门后虚拟压力为计算节气门流量和喷管流量提供了支持，从而提高了进气流量准确度，有利于发动机空燃比的控制，提高发动机排放和经济性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所提供的一种进气文丘里装置的结构示意图；
图2为本发明实施例所提供的一种计算节气门后虚拟压力的方法的流程示意图；
图3为本发明实施例所提供的一种计算节气门后虚拟压力的装置的结构框图；
图4为本发明实施例所提供的第一计算单元的结构框图；
图5为本发明实施例所提供的第二计算单元的结构框图；
图6为本发明实施例所提供的质量计算单元的结构框图。
其中：100为节气门、200喷管、300为第一计算单元、400为第二计算单元、500为第三计算单元、301为第一压力采集单元、302为第二压力采集单元、303为第一处理单元、401为温度采集单元、402为质量计算单元、403为第二处理单元、4021为第一流量计算单元、4022为第二流量计算单元、4023为第三处理单元。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种计算节气门后虚拟压力的方法和装置，以提高进气流量计算的精确度。
燃气发动机使用天然气为原料的一种发动机，空气和燃气混合进入气缸燃烧作功。目前，燃气发动机中进气***采用进气文丘里装置，进气文丘里装置将节气门100和喷管200集成在一起的装置，如图1所示。工作时，空气从节气门入口101流入节气门100，并通过节气门出口102进入喷管入口201，燃气从燃气入口202进入喷管200与空气充分混合，混合后的气体后再由喷管出口203流出。其中，节气门前压力P1、节气门前温度T1、喷管出口压力P3和喷管出口温度T3通过设置传感器进行获得。而节气门后虚拟压力P2需要通过计算获得，本发明的核心就在于此。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参考图2，本发明公开的一种计算节气门后虚拟压力的方法，包括：
S1、计算稳态工况下喷管入口的稳态压力P2(t)。
稳态工况下，即t时刻从节气门流入喷管和流出喷管的空气量相等，即QThr(t)＝QNoz(t)，其中，QThr(t)为t时刻节气门的空气量，QNoz(t)为t时刻喷管的空气量。
其中，计算稳态工况下喷管的入口稳态压力P2(t)具体为：
获取稳态工况下节气门前压力P1(t)，该压力通过传感器直接采集，或者调用的燃气发动机存储的。
获取稳态工况下喷管出口的压力P3(t)，该压力通过传感器直接采集，或者调用的燃气发动机存储的。
获取节气门的有效面积A1，进气文丘里装置出厂时说明书中记载直径尺寸，根据该直径尺寸能够直接计算有效面积A1，将该有效面积A1进行存储，在使用时直接调用即可。
则稳态工况下喷管入口的稳态压力P2(t)满足：
Figure BDA0003095065370000041
其中，
Figure BDA0003095065370000042
ψ为稳态工况下节气门后压力与节气门前压力比值，
Figure BDA0003095065370000043
单位是％；
β为直径比，文丘里管喉口直径与入口直径之比；
d为喉口直径，厂家提供，单位m；
λdesired为需求当量比，根据转速查表得到。
S2、计算瞬态工况下喷管入口的瞬态压力ΔP2(t+1)。
瞬态工况发生，可以理解为，进入t+1时刻，节气门在前，节气门前压力先变化，进而经过节气门的流量先变化。喷管安装在节气门后，压力变换相对滞后，这样就会造成经过节气门的空气量和经过喷管的空气量存在一定的偏差，根据两者流量偏差积分得到瞬态时总流量偏差的和，根据理想气体方程PV＝MRT，得到当前流量偏差时的压力偏差，即为喷管入口的瞬态压力。
所述计算瞬态工况下喷管入口的瞬态压力具体为：
(S21)获取瞬态工况下节气门前温度T1(t+1)。该温度值通过直接采集获得，或者燃气发动机存储有该温度值，在使用时直接调用即可。
(S22)计算瞬态工况下的质量偏差Δm。
所述计算瞬态工况下的质量偏差Δm具体为：
(1)计算瞬态工况下节气门流量QThr(t+1)；所述计算瞬态工况下节气门流量QThr(t+1)具体为：
获取瞬态工况下节气门前温度T1(t+1)；该温度通过传感器直接采集，或者调用的燃气发动机存储的。
获取瞬态工况下节气门前压力P1(t+1)；该压力通过传感器直接采集，或者调用的燃气发动机存储的。
则瞬态工况下节气门流量QThr(t+1)满足：
Figure BDA0003095065370000051
(2)计算稳态工况下喷管的空气流量QAir(t)；所述计算稳态工况下喷管的空气流量QAir(t)具体为：
计算稳态工况下喷管混合气流量QNoz(t)；所述计算稳态工况下喷管混合气流量QNoz(t)满足：
Figure BDA0003095065370000052
其中，c为流出系数，表示通过装置的实际流量与理论流量之间关系的系数，通常设置为1；
ε为可膨胀系数，设置常数1；
β为直径比，文丘里管喉口直径与入口直径之比，厂家提供两个尺寸，无单位；
ΔP1(t)为稳态工况下喷管入口与喷管出口的压差，ΔP1(t)＝P2(t)-P3(t)，单位Pa；
ρ为稳态工况下平均密度，单位kg/m3，
Figure BDA0003095065370000053
T1(t)为稳态工况下节气门前温度，单位K，该温度通过传感器直接采集，或者调用的燃气发动机存储的。
则稳态工况下流过喷管的空气流量QAir(t)满足：
Figure BDA0003095065370000061
其中，λstoic为理论空燃气，常数16.7；
λdesired为需求当量比，根据转速查表得到。
(3)则瞬态工况下的质量偏差Δm满足：
Figure BDA0003095065370000062
其中，KP是积分系数，可标定。
(S23)则瞬态工况下喷管入口的瞬态压力ΔP2(t+1)满足：
Figure BDA0003095065370000063
其中，其中V是单缸排量，单位L；
R为理论气体常数，287J/(kg.K)。
S3、计算节气门后虚拟压力P2(t+1)＝P2(t)+ΔP2(t+1)。
本发明的计算节气门后虚拟压力的方法，通过计算稳态工况下喷管入口的稳态压力P2(t)；以及计算瞬态工况下喷管入口的瞬态压力ΔP2(t+1)，能够最终得计算节气门后虚拟压力P2(t+1)＝P2(t)+ΔP2(t+1)，并通过该节气门后虚拟压力为计算节气门流量和喷管流量提供了支持，从而提高了进气流量准确度，有利于发动机空燃比的控制，提高发动机排放和经济性。
如图3所示，本发明还公开了一种计算节气门后虚拟压力的装置，包括：
第一计算单元300，用于计算稳态工况下喷管入口的稳态压力P2(t)；
第二计算单元400，用于计算瞬态工况下喷管入口的瞬态压力ΔP2(t+1)；
第三计算单元500，用于计算节气门后虚拟压力P2(t+1)＝P2(t)+ΔP2(t+1)。
本发明的计算节气门后虚拟压力的装置，通过计算稳态工况下喷管入口的稳态压力P2(t)；以及计算瞬态工况下喷管入口的瞬态压力ΔP2(t+1)，能够最终得计算节气门后虚拟压力P2(t+1)＝P2(t)+ΔP2(t+1)，并通过该节气门后虚拟压力为计算节气门流量和喷管流量提供了支持，从而提高了进气流量准确度，有利于发动机空燃比的控制，提高发动机排放和经济性。
如图4所示，上述所述第一计算单元300包括：
获取稳态工况下节气门前压力P1(t)的第一压力采集单元301；
获取稳态工况下喷管出口的压力P3(t)的第二压力采集单元302；
存储节气门的有效面积A1的第一存储单元；
第一处理单元303，所述第一处理单元303计算稳态工况下喷管入口的稳态压力P2(t)满足：
Figure BDA0003095065370000071
其中，
Figure BDA0003095065370000072
ψ为稳态工况下节气门后压力与节气门前压力比值，
Figure BDA0003095065370000073
单位是％；
β为直径比，文丘里管喉口直径与入口直径之比；
d为喉口直径，厂家提供，单位m；
λdesired为需求当量比，根据转速查表得到。
如图5所示，所述第二计算单元400：
获取瞬态工况下节气门前温度T1(t+1)的温度采集单元401；
计算瞬态工况下的质量偏差Δm的质量计算单元402；
第二处理单元403，所述第二处理单元403计算瞬态工况下喷管入口的瞬态压力ΔP2(t+1)满足：
Figure BDA0003095065370000081
其中，其中V是单缸排量，单位L；
R为理论气体常数，287J/(kg.K)。
如图6所示，所述质量计算单元402包括：
计算瞬态工况下节气门流量QThr(t+1)的第一流量计算单元4021；
计算稳态工况下喷管的空气流量QAir(t)的第二流量计算单元4022；
第三处理单元4023，所述第三处理单元4023计算瞬态工况下的质量偏差Δm满足：
Figure BDA0003095065370000082
其中，KP是积分系数，可标定。
所述第一流量计算单元4021包括：
第四处理单元，所述第四处理单元计算瞬态工况下节气门流量QThr(t+1)满足：
Figure BDA0003095065370000083
其中，瞬态工况下节气门前压力P1(t+1)由所述第一压力采集单元301获取。
所述第二流量计算单元4022包括：
用于计算稳态工况下喷管混合气流量QNoz(t)的第三流量计算单元；
第五处理单元，所述第五处理单元计算稳态工况下流过喷管的空气流量QAir(t)满足：
Figure BDA0003095065370000091
其中，λstoic为理论空燃气，常数16.7；
λdesired为需求当量比，根据转速查表得到。
所述第三流量计算单元计算稳态工况下喷管混合气流量QNoz(t)满足：
Figure BDA0003095065370000092
其中，c为流出系数，表示通过装置的实际流量与理论流量之间关系的系数，通常设置为1；
ε为可膨胀系数，设置常数1；
β为直径比，文丘里管喉口直径与入口直径之比，厂家提供两个尺寸，自行计算，无单位；
d为喉口直径，厂家提供，单位m；
ΔP1(t)为稳态工况下喷管入口与喷管出口的压差，ΔP1(t)＝P2(t)-P3(t)，单位Pa；
ρ为稳态工况下平均密度，单位kg/m3，
Figure BDA0003095065370000093
T1(t)为稳态工况下节气门前温度，单位K。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (14)

1.一种计算节气门后虚拟压力的方法，其特征在于，包括：
计算稳态工况下喷管入口的稳态压力P2(t)；
计算瞬态工况下喷管入口的瞬态压力ΔP2(t+1)；
计算节气门后虚拟压力P2(t+1)＝P2(t)+ΔP2(t+1)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算稳态工况下喷管的入口稳态压力P2(t)具体为：
获取稳态工况下节气门前压力P1(t)；
获取稳态工况下喷管出口的压力P3(t)；
获取节气门的有效面积A1；
则稳态工况下喷管入口的稳态压力P2(t)满足：
Figure FDA0003095065360000011
其中，
Figure FDA0003095065360000012
ψ为稳态工况下节气门后压力与节气门前压力比值，
Figure FDA0003095065360000013
单位是％；
β为直径比，文丘里管喉口直径与入口直径之比；
d为喉口直径，厂家提供，单位m；
λdesired为需求当量比，根据转速查表得到。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述计算瞬态工况下喷管入口的瞬态压力具体为：
获取瞬态工况下节气门前温度T1(t+1)；
计算瞬态工况下的质量偏差Δm；
则瞬态工况下喷管入口的瞬态压力ΔP2(t+1)满足：
Figure FDA0003095065360000021
其中，其中V是单缸排量，单位L；
R为理论气体常数，287J/(kg.K)。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述计算瞬态工况下的质量偏差Δm具体为：
计算瞬态工况下节气门流量QThr(t+1)；
计算稳态工况下喷管的空气流量QAir(t)；
则瞬态工况下的质量偏差Δm满足：
Figure FDA0003095065360000022
其中，KP是积分系数，可标定。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述计算瞬态工况下节气门流量QThr(t+1)具体为：
获取瞬态工况下节气门前温度T1(t+1)；
获取瞬态工况下节气门前压力P1(t+1)；
则瞬态工况下节气门流量QThr(t+1)满足：
Figure FDA0003095065360000023
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述计算稳态工况下喷管的空气流量QAir(t)具体为：
计算稳态工况下喷管混合气流量QNoz(t)；
则稳态工况下流过喷管的空气流量QAir(t)满足：
Figure FDA0003095065360000031
其中，λstoic为理论空燃气，常数16.7；
λdesired为需求当量比，根据转速查表得到。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述计算稳态工况下喷管混合气流量QNoz(t)满足：
Figure FDA0003095065360000032
其中，c为流出系数，表示通过装置的实际流量与理论流量之间关系的系数，通常设置为1；
ε为可膨胀系数，设置常数1；
β为直径比，文丘里管喉口直径与入口直径之比，厂家提供两个尺寸，无单位；
ΔP1(t)为稳态工况下喷管入口与喷管出口的压差，ΔP1(t)＝P2(t)-P3(t)，单位Pa；
ρ为稳态工况下平均密度，单位kg/m3，
Figure FDA0003095065360000033
T1(t)为稳态工况下节气门前温度，单位K。
8.一种计算节气门后虚拟压力的装置，其特征在于，包括：
第一计算单元，用于计算稳态工况下喷管入口的稳态压力P2(t)；
第二计算单元，用于计算瞬态工况下喷管入口的瞬态压力ΔP2(t+1)；
第三计算单元，用于计算节气门后虚拟压力P2(t+1)＝P2(t)+ΔP2(t+1)。
9.如权利要求8所述的计算节气门后虚拟压力的装置，其特征在于，所述第一计算单元包括：
获取稳态工况下节气门前压力P1(t)的第一压力采集单元；
获取稳态工况下喷管出口的压力P3(t)的第二压力采集单元；
存储节气门的有效面积A1的第一存储单元；
第一处理单元，所述第一处理单元计算稳态工况下喷管入口的稳态压力P2(t)满足：
Figure FDA0003095065360000041
其中，
Figure FDA0003095065360000042
ψ为稳态工况下节气门后压力与节气门前压力比值，
Figure FDA0003095065360000043
单位是％；
β为直径比，文丘里管喉口直径与入口直径之比；
d为喉口直径，厂家提供，单位m；
λdesired为需求当量比，根据转速查表得到。
10.如权利要求9所述的计算节气门后虚拟压力的装置，其特征在于，所述第二计算单元：
获取瞬态工况下节气门前温度T1(t+1)的温度采集单元；
计算瞬态工况下的质量偏差Δm的质量计算单元；
第二处理单元，所述第二处理单元计算瞬态工况下喷管入口的瞬态压力ΔP2(t+1)满足：
Figure FDA0003095065360000044
其中，其中V是单缸排量，单位L；
R为理论气体常数，287J/(kg.K)。
11.如权利要求10所述的计算节气门后虚拟压力的装置，其特征在于，所述质量计算单元包括：
计算瞬态工况下节气门流量QThr(t+1)的第一流量计算单元；
计算稳态工况下喷管的空气流量QAir(t)的第二流量计算单元；
第三处理单元，所述第三处理单元计算瞬态工况下的质量偏差Δm满足：
Figure FDA0003095065360000051
其中，KP是积分系数，可标定。
12.如权利要求11所述的计算节气门后虚拟压力的装置，其特征在于，所述第一流量计算单元包括：
第四处理单元，所述第四处理单元计算瞬态工况下节气门流量QThr(t+1)满足：
Figure FDA0003095065360000052
其中，瞬态工况下节气门前压力P1(t+1)由所述第一压力采集单元获取。
13.如权利要求12所述的计算节气门后虚拟压力的装置，其特征在于，所述第二流量计算单元包括：
用于计算稳态工况下喷管混合气流量QNoz(t)的第三流量计算单元；
第五处理单元，所述第五处理单元计算稳态工况下流过喷管的空气流量QAir(t)满足：
Figure FDA0003095065360000053
其中，λstoic为理论空燃气，常数16.7；
λdesired为需求当量比，根据转速查表得到。
14.如权利要求13所述的计算节气门后虚拟压力的装置，其特征在于，所述第三流量计算单元计算稳态工况下喷管混合气流量QNoz(t)满足：
Figure FDA0003095065360000061
其中，c为流出系数，表示通过装置的实际流量与理论流量之间关系的系数，通常设置为1；
ε为可膨胀系数，设置常数1；
β为直径比，文丘里管喉口直径与入口直径之比，厂家提供两个尺寸，自行计算，无单位；
d为喉口直径，厂家提供，单位m；
ΔP1(t)为稳态工况下喷管入口与喷管出口的压差，ΔP1(t)＝P2(t)-P3(t)，单位Pa；
ρ为稳态工况下平均密度，单位kg/m3，
Figure FDA0003095065360000062
T1(t)为稳态工况下节气门前温度，单位K。
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