一种高动态响应气体燃料发动机系统及控制方法与流程

1.本发明涉及发动机控制技术领域，更具体地说，它涉及一种高动态响应气体燃料发动机系统及控制方法。


背景技术：

2.我国内河、近海船舶主动力主要为柴油机，其排放的nox、sox和颗粒物已经成为河流及周边生态环境主要污染源之一。自2021年7月起，国家将按gb15097-2016《船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法(中国第一、二阶段)》第二阶段(以下简称 c2)执行排放限制，采用lng/cng、瓦斯、沼气、工业尾气等新型燃料代替传统的柴油燃料已经成为降低陆用/船用发动机排放最现实、有效的方案。
3.燃气增压后单点喷射较增压前预混合提高了动态响应性，且相较于进气歧管多点喷射结构简单，成本低，但在该型气体燃料发动机直驱螺旋桨的应用，尤其是恶劣海况显得力不从心。同样，在船用发电机组及孤岛模式陆用发电机组领域，对动态响应要求较高，略逊一筹的瞬态特性需要进一步加强。
4.现有技术中，专利申请文件202010931280.3公布了一种发电用气体机控制方法，通过获取发电用气体机工作参数判断所述发电用气体机是否处于高负荷状态，对进气旁通阀进行开度调节。但本发明仅解决高负荷状态下输出功率和转速的稳定。专利申请文件201910942190.1公布了一种气体机的控制方法及装置，该技术仅是气体机各工况下空燃比的在线更新，拓宽了气体机的适用空间范围，但无法解决气体燃料发动机对高响应的需求难题。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是针对现有技术的上述不足，本发明的目的一是提供一种高动态响应气体燃料发动机系统，可以有效解决气体燃料发动机对高响应的需求难题。
6.本发明的目的二是提供一种高动态响应气体燃料发动机控制方法，可以有效解决气体燃料发动机对高响应的需求难题。
7.为了实现上述目的一，本发明提供一种高动态响应气体燃料发动机系统，包括控制器、连接发电机的发动机，还包括进气管路、燃气管路，所述进气管路包括连接所述发动机的进气总管的进气管，所述进气管依次设有空滤器、增压器、中冷器、增压压力传感器、节气门、混合器、进气温度传感器、进气压力传感器，所述进气管设有与所述增压器、中冷器并联的旁通管，所述旁通管设有压气旁通阀，所述燃气管路包括连接所述混合器的燃气管，所述燃气管依次设有燃气压力传感器、燃气温度传感器、燃气阀组，所述控制器电性连接所述发电机、发动机、增压压力传感器、节气门、进气温度传感器、进气压力传感器、压气旁通阀、燃气压力传感器、燃气温度传感器。
8.作为进一步地改进，所述燃气阀组由多个小流量燃气喷射阀组成。
9.为了实现上述目的二，本发明提供一种高动态响应气体燃料发动机控制方法，包
括前馈模式，具体为：
10.设置多段触发阈值，每个阈值段对应有一个混合气加浓设定值；
11.实时采集发电机的电流信号或电压信号；
12.根据所述电流信号或电压信号判断触发的阈值段，并获取与该阈值段对应的混合气加浓设定值；
13.根据获取的混合气加浓设定值控制节气门快速达到与该混合气加浓设定值对应的开度设定点；
14.作为进一步地改进，还包括增强模式，具体为：
15.根据各工况对应的参考转速、断气速度差标定参考转速-断气速度差曲线，根据各工况对应的参考转速、供气速度差标定参考转速-供气速度差曲线，以及标定速度变化梯度值；
16.获取发动机当前的工况和实测转速，根据当前的工况查询所述参考转速-断气速度差曲线得到当前的参考转速、当前的断气速度差，根据当前的工况查询所述参考转速-供气速度差曲线得到当前的供气速度差；
17.当实测转速大于当前的参考转速加上当前的断气速度差的和，且实测转速的变化率大于速度变化梯度值时，则判断发动机当前处于突卸负荷状态，激活发动机的燃气喷射阀断气，直接控制燃气喷射阀切断燃气供应；同时压气旁通阀快速增大开度，甚至全开，以快速降压；
18.当实测转速下降到当前的参考转速加上当前的供气速度差的和时，则恢复燃气喷射阀的燃气供应，并通过pid控制燃气喷射阀工作来调节发动机的转速。
19.进一步地，还包括增强模式，具体为：
20.根据不同的作业需求标定对应的预升速设定值；
21.在突加作业前控制发动机的转速上升到与该作业对应的预升速设定值，然后发动机开始驱动发电机正常作业。
22.进一步地，当发动机启动时，控制器根据标定启动空气量和设定λ计算燃气喷射量，根据燃气喷射阀的流量特性确定喷射持续期；
23.当燃气的压力、温度发生变化时，控制器根据计算的燃气密度得出所需燃气体积流量，结合燃气喷射阀的体积流量-喷射时间特性曲线控制燃气喷射阀的基本喷射周期。
24.进一步地，当发动机进入怠速状态暖机时，进入pid调速模式，控制器根据设定转速计算燃气喷射量，结合燃气喷射阀的流量特性确定喷射持续期；
25.可以根据燃气的压力减少工作的燃气喷射阀数量，并推迟点火提前角或加大空燃比强制拉长持续期，以避开非线性区或喷射阀开启控制差区间。
26.进一步地，当发动机怠速结束后进入正常作业工况时，持续通过pid调速，控制器根据负荷情况增加工作的燃气喷射阀数量，根据空燃比要求对节气门进行闭环开度控制，根据节气门前后的压差对压气旁通阀进行闭环开度控制。
27.进一步地，对于节气门调速模式，当发动机突加负荷时，控制器在pid调速的基础上采用混合气加浓策略，混合气加浓策略为：节气门根据开度-流量模型快速达到开度设定点，精确控制空气量保证实际λ跟随性；燃气喷射阀根据当前空气量、当量空燃比、过量空气系数计算所需燃气量控制喷射持续期，结合“混合气加浓”指标对喷射持续期进行修正；同
时，压气旁通阀快速减小开度，甚至全关，使进气总管快速建压。
28.进一步地，获取节气门至发动机的气缸盖进气门之间的气路容积，在控制空气量时，在计算空气量的基础上叠加所述气路容积，以控制节气门的开度变化。
29.有益效果
30.本发明与现有技术相比，具有的优点为：
31.1.本发明通过前馈模式在初始加载导致发电机电流或电压发生变化时即开始介入调节，此时发动机转速尚未变化，具备超前调控思维，弥补了被动式调节的滞后，提高了动态响应性。
32.2.本发明通过断气模式在发动机转速过高且快速变化时，激活发动机的燃气喷射阀断气，直接控制燃气喷射阀切断燃气供应；同时压气旁通阀快速增大开度，甚至全开，以快速降压，可以使发动机转速快速下降，提高了动态响应性。
33.3.本发明通过增强模式在突加作业前控制发动机的转速上升到与该作业对应的预升速设定值，然后发动机开始驱动发电机正常作业，可以使发动机速降下限大幅提升，进一步提高了发电机组电源品质，以及同等电源品质条件下的加载能力。
附图说明
34.图1为本发明的结构示意图。
35.其中：1-控制器、2-发电机、3-发动机、4-进气总管、5-进气管、6-空滤器、7-增压器、8-中冷器、9-增压压力传感器、10-节气门、11-混合器、12-进气温度传感器、13-进气压力传感器、14-旁通管、15-压气旁通阀、16-燃气管、 17-燃气压力传感器、18-燃气温度传感器、19-燃气阀组。
具体实施方式
36.下面结合附图中的具体实施例对本发明做进一步的说明。
37.参阅图1，一种高动态响应气体燃料发动机系统，包括控制器1、连接发电机2的发动机3。发动机系统还包括进气管路、燃气管路，进气管路包括连接发动机3的进气总管4的进气管5，进气管5依次设有空滤器6、增压器7、中冷器8、增压压力传感器9、节气门10、混合器11、进气温度传感器12、进气压力传感器13。进气管5设有与增压器7、中冷器8并联的旁通管14，旁通管14 设有压气旁通阀15。燃气管路包括连接混合器11的燃气管16，燃气管16依次设有燃气压力传感器17、燃气温度传感器18、燃气阀组19。控制器1电性连接发电机2、发动机3、增压压力传感器9、节气门10、进气温度传感器12、进气压力传感器13、压气旁通阀15、燃气压力传感器17、燃气温度传感器18。增压压力传感器9用于检测节气门10前端的气压，进气温度传感器12用于检测进气温度，进气压力传感器13用于检测节气门10后端的气压，燃气压力传感器17、燃气温度传感器18分别用于检测燃气的压力、温度。控制器1通过发动机3的相位传感器20检测发动机3的相位，通过发动机3的转速传感器21检测发动机3的转速。控制器1为ecu。
38.燃气阀组19由多个燃气喷射阀组成，优选的，燃气阀组19由多个小流量燃气喷射阀组成。采用“小阀多个”的方式在满足燃气流量前提下可以拉大喷射持续期，提高混合气的混合均匀性。燃气管路用于提供4～6barg的中压燃气，燃气压力可根据发动机动态响应
要求在4～6barg间灵活匹配。
39.压气旁通阀15配合增压器7可以完成全工况精确调节，提高增压器7的适用范围和工作高效区。稳态工况下，压气旁通阀15基于转速-扭矩百分比-压差脉谱(该脉谱预先标定好)和节气门10前后的压差进行闭环控制开度，可以避免高工况下增压器7喘振，维持增压器7在高效工作区。
40.节气门10用于进行增压空气流量控制。在节气门调速模式下，节气门10 根据ecu调速功能指令动作改变空气量，基于空气量、当量空燃比、过量空气系数进而控制燃气喷射量。在燃气调速模式下，ecu根据转速变化直接控制燃气喷射阀的喷射量，基于燃气量、当量空燃比、过量空气系数进而控制空气量。节气门的空气量控制根据节气门10的开度-流量模型(即不同的开度对应不同的流量)实现，ecu根据计算的空气量和开度-流量模型控制节气门10的开度。
41.进气总管4可以采用低流阻、小容积的形式，用于降低增压器7空气进气阻力，提高进气效率。同时在保证进气脉动可控的前提下提高了建压响应速度，增强了动态响应性。
42.一种高动态响应气体燃料发动机控制方法，包括前馈模式，具体为：
43.设置多段触发阈值，如阈值1、阈值2、
……
、阈值n，每个阈值段对应有一个混合气加浓设定值，如混合气加浓设定值1、混合气加浓设定值2、
……
、混合气加浓设定值n；可以根据需要设定n的大小，可以增大n配置成更小段的阈值，以提高控制精细度；
44.实时采集发电机2的电流信号或电压信号；具体的，采用如交流/直流变送器采集的外部信号作为触发开关激活前馈模式，针对发电机组，当大功率设备启动，即突加负荷时，发电机2的电流增加，变送器的感应信号，如电流或电压信号增加，感应信号传送至发动机的ecu；
45.根据电流信号或电压信号判断触发的阈值段，并获取与该阈值段对应的混合气加浓设定值；
46.根据获取的混合气加浓设定值控制节气门10快速达到与该混合气加浓设定值对应的开度设定点。如2段式的阈值段，可以满足船用机组2级的加载需求。当船用机组进行突加一级加载时，触发阈值1，ecu进行混合气加浓处理，即加大燃气供应量。ecu根据混合气加浓设定值1，采用pi控制进行调节，根据发动机特性加大pi调节，使快速达到混合气加浓设定值1，提高控制响应。当船用机组进行突加二级加载时，触发阈值2，ecu根据混合气加浓设定值2进行加浓处理。触发阈值设置越小，反应越灵敏，可根据发动机特性进行标定。该模式下ecu设有与混合气加浓设定值对应的节气门突加开度设定值，触发后节气门10的开度快速达到设定值，以提前对进气总管4建压。
47.在传统的技术中，突加负荷时，发电机2电流增大导致发电机端电压下降，发电机2的调压板进行励磁调压，增大磁矩施加给发动机3，导致发动机3转速下降，此时ecu调速功能介入，按正常pid调节，基于发动机转速的调节属于被动式调节，较转速而言，反应是延迟(滞后)的。而本方法的前馈模式则是在初始加载导致发电机电流发生变化时即开始介入调节，此时发动机转速尚未变化，具备超前调控思维，弥补了被动式调节的滞后，提高了动态响应性。
48.控制方法还包括断气模式，该模式下设有断气模式使能开关，断气模式使能开关置1则激活功能，否则该功能无效，该模式具体为：
49.根据各工况对应的参考转速、断气速度差标定参考转速-断气速度差曲线，根据各工况对应的参考转速、供气速度差标定参考转速-供气速度差曲线，以及标定速度变化梯度值；
50.获取发动机3当前的工况和实测转速，根据当前的工况查询参考转速-断气速度差曲线得到当前的参考转速、当前的断气速度差，根据当前的工况查询参考转速-供气速度差曲线得到当前的供气速度差；
51.当实测转速大于当前的参考转速加上当前的断气速度差的和，且实测转速的变化率大于速度变化梯度值时，则判断发动机当前处于突卸负荷状态，激活发动机的燃气喷射阀断气，直接控制燃气喷射阀切断燃气供应；同时压气旁通阀15快速增大开度，甚至全开，以快速降压；燃气喷射阀的切断响应速度由变量“ki放大系数”确定，该系数由标定完成；
52.当实测转速下降到当前的参考转速加上当前的供气速度差的和时，则恢复燃气喷射阀的燃气供应，并通过pid控制燃气喷射阀工作来调节发动机3的转速。断气模式设有“动作延时”变量，燃气喷射阀断油和恢复燃气喷射阀供气均按照标定的动作延时动作。
53.控制方法还包括增强模式，具体为：
54.根据不同的作业需求标定对应的预升速设定值；
55.在突加作业前控制发动机3的转速上升到与该作业对应的预升速设定值，然后发动机3开始驱动发电机2正常作业。具体的，在大功率用电设备开始作业时，按下“增强起动”按钮起动，ecu接收“增强起动”信号即控制发动机3 的转速上升到预升速设定值，然后用电设备起动，发动机3的速降下限大幅提升。针对周期性作业，设定增强模式的触发时刻即可。在前馈模式的基础上，增强模式可以进一步提高了发电机组电源品质，以及同等电源品质条件下的加载能力。
56.进一步地，还根据不同的作业需求标定对应的延时设定值、预升速斜率，通过预升速设定值、延时设定值、预升速斜率三项设定值根据不同作业需求进行标定，满足发电机组电源品质及发动机单机工程作业速度需求。ecu接收“增强起动”信号即控制发动机3的转速按照预升速斜率上升到预升速设定值，经过延时设定值延时后，用电设备起动。
57.控制方法还包括，当发动机3启动时，控制器1根据标定启动空气量和设定λ(λ为喷射系数)计算燃气喷射量，根据燃气喷射阀的流量特性确定喷射持续期；
58.当燃气的压力、温度发生变化时，控制器1根据计算的燃气密度得出所需燃气体积流量，结合燃气喷射阀的体积流量-喷射时间特性曲线控制燃气喷射阀的基本喷射周期。
59.控制方法还包括，当发动机3进入怠速状态暖机时，进入pid调速模式，控制器1根据设定转速计算燃气喷射量，结合燃气喷射阀的流量特性确定喷射持续期；
60.可以根据燃气的压力减少工作的燃气喷射阀数量，并推迟点火提前角或加大空燃比强制拉长持续期，以避开非线性区或喷射阀开启控制差区间。
61.控制方法还包括，当发动机3怠速结束后进入正常作业工况时，持续通过 pid调速，控制器1根据负荷情况增加工作的燃气喷射阀数量，甚至是燃气喷射阀全部工作，根据空燃比要求对节气门10进行闭环开度控制，根据节气门10 前后的压差对压气旁通阀15进行闭环开度控制。
62.对于节气门调速模式，当发动机3突加负荷时，控制器1在pid调速的基础上采用混合气加浓策略，混合气加浓策略为：节气门10根据开度-流量模型快速达到开度设定点，精
确控制空气量保证实际λ跟随性；燃气喷射阀根据当前空气量、当量空燃比、过量空气系数计算所需燃气量控制喷射持续期，结合“混合气加浓”指标对喷射持续期进行修正；同时，压气旁通阀15快速减小开度，甚至全关，使进气总管4快速建压。
63.控制方法还包括，获取节气门10至发动机3的气缸盖进气门之间的气路容积，在控制空气量时，在计算空气量的基础上叠加气路容积，实现节气门后进气管容积补偿，以控制节气门10的开度变化，同时，压气旁通阀15快速减小开度，甚至全关，使进气总管4快速建压，可以使进气空气量更加精确。具体的，当发电机组突加负荷时，ecu在pid调速基础上采用混合气加浓策略，节气门10根据pid结果结合开度-流量模型和节气门后进气管容积补偿，以快速达到节气门开度设定点，精确控制空气量保证实际空燃比跟随性。燃气喷射阀根据当前空气量、当量空燃比、过量空气系数计算所需燃气量控制喷射持续期。结合混合气加浓指标对喷射持续期进行修正。
64.其中，开度-流量模型主要根据精密空气流量计标定节气门开度-流通面积曲线，再结合各相关系数计算空气流量，保证各工况下计算空气量与实测空气量接近，甚至一致。通过设置负荷-节气门变化率曲线，当节气门10的实际变化率大于当前负荷下对应的变化率阈值时(根据负荷查询负荷-节气门变化率曲线得到变化率阈值)，则发动机空气进气量采用开度-流量模型计算空气量，保证瞬态空气量准确性，而节气门10可根据节气门开度-流通面积曲线(即不同的节气门开度对应不同的流通面积)快速定位节气门开度。
65.以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。