一种无碳燃气发动机EGR率检测方法及试验台架与流程

一种无碳燃气发动机egr率检测方法及试验台架
技术领域
1.本发明涉及发动机废气再循环控制技术领域，具体涉及一种无碳燃气发动机egr率检测方法及试验台架。


背景技术：

2.egr率被定义为再循环的废气量与吸入气缸的进气总量之比，egr率的合理控制对氮氧化物的净化效果和整机排放极其重要，进行标定试验时需要一种方法量化egr率，以评判废气再循环对发动机性能的影响。
3.目前发动机的egr率检测方法以传统的含碳化石燃料发动机为基础。因此可以检测进气歧管和排气歧管中的co2浓度测量egr率。由于无碳燃气发动机，不含碳元素，不能采用co2的传感器测量egr率。还有一种利用文丘里管对上游压力的检测，实现egr率的检测。但是采用文丘里管的方式，气体脉冲将测量影响egr率的精度。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种无碳燃气发动机egr率检测方法及试验台架，能够解决现有技术中无碳燃气发动机燃气不含碳元素，不能采用co2的传感器测量egr率，以及采用文丘里管的检测方式，气体脉冲将测量影响egr率测量精度的问题。
5.为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
6.本发明提供一种无碳燃气发动机egr率检测方法，包括以下步骤：
7.根据进入发动机侧的无碳燃气质量流量和空气质量流量，确定空燃当量比；
8.根据空燃当量比，确定egr循环的废气分子质量；
9.根据进气侧氧气摩尔分数和排气侧氧气摩尔分数，确定氧气分数误差；
10.根据氧气分数误差、废气分子质量、空气分子质量和进气侧空气质量流量，确定egr循环质量流量；
11.根据egr循环质量流量、进入发动机侧的无碳燃气质量流量和空气质量流量，确定egr率。
12.在一些可选的方案中，所述的根据进入发动机侧的无碳燃气质量流量和空气质量流量，确定空燃当量比，包括：
13.获取进入发动机侧的无碳燃气质量流量和空气质量流量；
14.根据公式确定空燃当量比λ；
15.其中，为进入发动机侧的空气质量流量，为进入发动机侧的无碳燃气质量流量，α为空燃系数。
16.在一些可选的方案中，所述的根据空燃当量比，确定egr循环的废气分子质量，包括：
17.根据公式确定egr循环的废气分子质量mw
egr
；
18.其中，a1、a2、b1、b2、c1、c2、d1和d2分别为标定拟合系数。
19.在一些可选的方案中，所述的根据进气侧氧气摩尔分数和排气侧氧气摩尔分数，确定氧气分数误差，包括：
20.获取进气侧氧气摩尔分数和排气侧氧气摩尔分数；
21.根据公式确定氧气分数误差
22.其中，为进气侧氧气摩尔分数，为排气侧氧气摩尔分数，为空气中氧气摩尔分数。
23.在一些可选的方案中，在获取排气侧氧气摩尔分数前，还检测发动机排气中的无碳燃气浓度，并将检测信号传输至所述处理器，当无碳燃气浓度大于设定浓度值时，停止对排气侧氧气摩尔分数的检测。
24.在一些可选的方案中，所述的根据氧气分数误差、废气分子质量、空气分子质量和进入发动机侧的空气质量流量，确定egr循环质量流量，包括：
25.根据公式确定egr循环质量流量
26.其中，为进入发动机侧的空气质量流量，mw
air
为空气分子质量，mw
egr
为egr循环的废气分子质量。
27.在一些可选的方案中，所述的根据egr循环质量流量、进入发动机侧的无碳燃气质量流量和空气质量流量，确定egr率，包括：
28.根据公式确定egr率，
29.其中，为进入发动机侧的空气质量流量，为进入发动机侧的无碳燃气质量流量，为egr循环质量流量。
30.另一方面，本发明还提供一种无碳燃气发动机egr率检测试验台架，用于实施上述任一项的无碳燃气发动机egr率检测方法，包括：
31.用于设置在进入发动机侧的无碳燃气流量计、空气流量计和进气侧宽域型氧传感器，以及设置在发动机排气侧的排气侧宽域型氧传感器，所述无碳燃气流量计用于检测进入发动机侧的无碳燃气质量流量，所述空气流量计检测进入发动机侧的空气质量流量，所述进气侧宽域型氧传感器用于检测进气侧氧气摩尔分数，所述排气侧宽域型氧传感器的排气侧氧气摩尔分数；
32.处理器，其与所述无碳燃气流量计、空气流量计、进气侧宽域型氧传感器和排气侧宽域型氧传感器信号连接，用于根据检测获得的进入发动机侧无碳燃气质量流量、进入发动机侧的空气质量流量、进气侧氧气摩尔分数和排气侧氧气摩尔分数，确定egr率。
33.在一些可选的方案中，该无碳燃气发动机egr率检测试验台架还包括无碳燃气传感器，其用于设置在所述发动机的排气侧，并位于循环管道入口前，检测发动机的排气中的无碳燃气浓度，并将检测信号传输至所述处理器。
34.在一些可选的方案中，该无碳燃气发动机egr率检测试验台架还包括检测管道，所述检测管道的两端用于与所述发动机的排气管道连接，并且两端依次位于所述排气管道排气的流向方向上，所述无碳燃气传感器设置在所述检测管道上，且所述检测管道与排气管道连接的上游进气口和无碳燃气传感器之间设有冷却器。
35.与现有技术相比，本发明的优点在于：本方案根据进入发动机侧的无碳燃气质量流量和空气质量流量，确定空燃当量比；根据空燃当量比，确定egr循环的废气分子质量；根据进气侧氧气摩尔分数和排气侧氧气摩尔分数，确定氧气分数误差；根据氧气分数误差、废气分子质量、空气分子质量和进气侧空气质量流量，确定egr循环质量流量；根据egr循环质量流量、进入发动机侧的无碳燃气质量流量和空气质量流量，确定egr率。采用本方案，可对无碳燃气作为燃料的发动机的egr率进行测量。也不需要利用文丘里管进行检测，因此检测结果也相对准确。
36.另外，在一些可选的方案中，在发动机的排气管道上设置无碳燃气传感器，实时监控排气管中无碳燃气的含量。只用当排气管道中的无碳燃气含量在时间段内小于设定浓度值时，将启动进气管道中的进气侧宽域型氧传感器和排气管道中的排气侧宽域型氧传感器。若无碳燃气浓度大于设定浓度值，就停止排气侧氧气摩尔分数的检测，避免无碳燃气在排气管中发生爆燃，引发安全事故。
37.在排气管道中利用检测管道引出一路废气，使燃烧后的尾气，经过检测管道，并且在检测管道与排气管道连接的上游进气口和无碳燃气传感器之间设有冷却器，可将发动机燃烧后的尾气进行降温后，使检测管道上设置的无碳燃气传感器可对冷却后的尾气进行检测。例如，目前市面上氢传感器的最高工作温度在90℃以下，因此将废气经过冷却器冷却至90℃以下，在经氢气传感器测量废气中的氢气浓度。
附图说明
38.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例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技术的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
39.图1为本发明实施例中无碳燃气发动机egr率检测方法的流程图；
40.图2为本发明实施例中无碳燃气发动机egr率检测试验台架的结构示意图。
41.图中：1、发动机；11、火花塞；2、进气管道；21、节气门；22、进气侧宽域型氧传感器；23a、氢喷射器；23b、氢气缸内直喷喷射器；23c、氨喷射器；24、混合器；3、排气管道；31、排气侧宽域型氧传感器；32、无碳燃气传感器；33、检测管道；34、冷却器；4、循环管道；41、egr冷却器；42、egr阀；43、egr单向阀；5、处理器。
具体实施方式
42.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例
中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
43.以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。
44.图1为本发明实施例中无碳燃气发动机egr率检测方法的流程图，如图1所示，本发明提供一种无碳燃气发动机egr率检测方法，包括以下步骤：
45.s1：根据进入发动机侧的无碳燃气质量流量和空气质量流量，确定空燃当量比。
46.在一些可选的实施例中，步骤s1包括：
47.s11：获取进入发动机侧的无碳燃气质量流量和空气质量流量。
48.本例中，通过在进入发动机的一侧设置无碳燃气质量流量计和空气质量流量计来分别获取进入发动机侧的无碳燃气质量流量和空气质量流量。本例中，是在试验台架上进行试验，可以从气源处获取进入发动机侧的无碳燃气质量流量和空气质量流量。
49.s12：根据公式确定空燃当量比λ，其中，为进气侧的空气质量流量，为进入发动机侧的无碳燃气质量流量，α为空燃系数，即化学计量空燃比1kg燃料完全燃烧所需的理论空气量(质量)之比。
50.本例中，无碳燃气为氢气，空燃系数α的取值为34.2。当采用的无碳燃气为其他燃气时，例如，氢氨燃料，空燃系数α的取值可进行适应性的调整。
51.s2：根据空燃当量比，确定egr循环的废气分子质量。
52.在一些可选的实施例中，步骤s2包括：
53.根据公式确定egr循环的废气分子质量mw
egr
；
54.其中，a1、a2、b1、b2、c1、c2、d1和d2分别为标定拟合系数。
55.本例中，无碳燃气为氢气，a1＝5.12，a2＝0.15，b1＝177.41，b2＝37.12，c1＝0.26，c2＝0.21，d1＝12.53，d2＝6.63。
56.即当λ≥1时，采用计算，当λ＜1时，采用计算。
57.当采用的无碳燃气为其他燃气时，a1、a2、b1、b2、c1、c2、d1和d2重新标定。
58.s3：根据进气侧氧气摩尔分数和排气侧氧气摩尔分数，确定氧气分数误差。
59.在一些可选的实施例中，步骤s3包括：
60.s31：获取进气侧氧气摩尔分数和排气侧氧气摩尔分数。
61.本例中，在进入发动机侧设置进气侧宽域型氧传感器，在发动机的排气侧设置排气侧宽域型氧传感器，进气侧宽域型氧传感器用于检测进气侧氧气摩尔分数，所述排气侧宽域型氧传感器的排气侧氧气摩尔分数。
62.s32：根据公式确定氧气分数误差其中，为进气侧氧气摩尔分数，为排气侧氧气摩尔分数，为空气中氧气摩尔分数。
63.本例中，空气中氧气摩尔分数取0.209；当然在实际使用时，可根据海拔高度重新确定空气中氧气摩尔分数。
64.另外，在一些可选的实施例中，在获取排气侧氧气摩尔分数前，还检测发动机排气中的无碳燃气浓度，并将检测信号传输至所述处理器，当无碳燃气浓度大于设定浓度值时，停止对排气侧氧气摩尔分数的检测。
65.由于宽域型氧传感器在启动测量时，加热传感器的前端探头至600℃以上。若排气的无碳燃气含量较高可能会被点燃，因此，需要在检测发动机排气中的无碳燃气浓度，若无碳燃气浓度大于设定浓度值，就停止排气侧氧气摩尔分数的检测，避免无碳燃气在排气管中发生爆燃，引发安全事故。
66.本例中，无碳燃气采用氢气，由于氢发动机中采用稀燃的燃烧模式时，在排气管中未燃氢气的含量较高。而氢气的点燃极限非常宽泛。因此有必要在测试egr率时加以控制，防止未燃氢气在排气管中的燃烧，避免产生爆炸。
67.s4：根据氧气分数误差、废气分子质量、空气分子质量和进气侧空气质量流量，确定egr循环质量流量。
68.在一些可选的实施例中，步骤s4包括：
69.根据公式确定egr循环质量流量其中，为进气侧空气质量流量，mw
air
为空气分子质量，mw
egr
为egr循环的废气分子质量。
70.s5：根据egr循环质量流量、进入发动机侧的无碳燃气质量流量和空气质量流量，确定egr率。
71.在一些可选的实施例中，步骤s5包括：
72.根据公式确定egr率，其中，为进气侧空气质量流量，为进入发动机侧的无碳燃气质量流量，为egr循环质量流量。
73.采用本方案无碳燃气发动机egr率检测方法，根据进入发动机侧的无碳燃气质量流量和空气质量流量，确定空燃当量比；根据空燃当量比，确定egr循环的废气分子质量；根据进气侧氧气摩尔分数和排气侧氧气摩尔分数，确定氧气分数误差；根据氧气分数误差、废气分子质量、空气分子质量和进气侧空气质量流量，确定egr循环质量流量；根据egr循环质量流量、进入发动机侧的无碳燃气质量流量和空气质量流量，确定egr率。采用本方法，可对无碳燃气作为燃料的发动机的egr率进行测量。也不需要利用文丘里管进行检测，因此检测结果也相对准确。
74.图2为本发明实施例中无碳燃气发动机egr率检测试验台架的结构示意图，如图2所示，在氢发动机或氨氢发动机中(在进气歧管的混合器内喷氨)，使用废气再循环(egr)的方式可以降低缸内燃烧温度有效降低nox产生，并可提高氢/氨氢发动机的功率。氢/氨氢发动机性能开发中，在发动机的不同负荷下根据egr率准确标定egr阀的开度。因此准确测量
egr率是在开发氢/氨氢发动机中至关重要。
75.常规的试验台架包括发动机1、进气管道2、排气管道3和egr循环管道4；其中，循环管道4上从与排气管道3的连接处到与进气管道2的连接处依次设有egr冷却器41、egr阀42和egr单向阀43；进气管道2上设有节气门21和无碳燃气喷射器。
76.另外一方面，本发明该提供一种无碳燃气发动机egr率检测试验台架，用于实施上述无碳燃气发动机egr率检测方法，包括：
77.用于设置在发动机的进入发动机侧的无碳燃气流量计、空气流量计和进气侧宽域型氧传感器，以及设置在发动机排气侧的排气侧宽域型氧传感器，所述无碳燃气流量计用于检测进入发动机侧的无碳燃气质量流量，所述空气流量计检测进入发动机侧的空气质量流量，所述进气侧宽域型氧传感器用于检测进气侧氧气摩尔分数，所述排气侧宽域型氧传感器的排气侧氧气摩尔分数。
78.处理器，其与所述无碳燃气流量计、空气流量计、进气侧宽域型氧传感器和排气侧宽域型氧传感器信号连接，用于根据检测获得进入发动机侧的无碳燃气质量流量、进气侧空气质量流量、进气侧氧气摩尔分数和排气侧氧气摩尔分数，确定egr率。
79.采用本方案的无碳燃气发动机egr率检测试验台架，处理器5与所述无碳燃气流量计、空气流量计、进气侧宽域型氧传感器和排气侧宽域型氧传感器信号连接，获取检测获得进入发动机侧的无碳燃气质量流量、进气侧空气质量流量、进气侧氧气摩尔分数和排气侧氧气摩尔分数，根据进气发动机侧的无碳燃气质量流量和空气质量流量，确定空燃当量比；根据空燃当量比，确定egr循环的废气分子质量；根据进气侧氧气摩尔分数和排气侧氧气摩尔分数，确定氧气分数误差；根据氧气分数误差、废气分子质量、空气分子质量和进气侧空气质量流量，确定egr循环质量流量；根据egr循环质量流量、进入发动机侧的无碳燃气质量流量和空气质量流量，确定egr率。采用本方案的试验台架，可对无碳燃气作为燃料的发动机的egr率进行测量。
80.本例中，发动机1上设有火花塞11，进气侧宽域型氧传感器22设置在循环管道与进气管道2的连接处到无碳燃气喷射器之间的进气管道2上，排气侧宽域型氧传感器31设置在循环管道4上从与排气管道3的连接处到发动机1之间的排气管道3上。
81.当发动机1为氢气缸内直喷式发动机时，氢发动机上设有氢气缸内直喷喷射器23b；当发动机1为氢气进气道喷射式发动机时，进气管道2上设置有氢喷射器23a,其设置在混合器24和发动机1之间的进气管道2上；发动机1为氨氢发动机时，进气侧宽域型氧传感器22和发动机1之间的进气管道2上设置有混合器24，混合器24上设有氨喷射器23c。
82.在一些可选的实施例中，该无碳燃气发动机egr率检测试验台架还包括无碳燃气传感器，其用于设置在所述发动机的排气侧，并位于循环管道入口前，检测发动机的排气中的无碳燃气浓度，并将检测信号传输至所述处理器。
83.本例中，无碳燃气传感器32设置在排气侧宽域型氧传感器31设置在与发动机1之间的排气管道3上，由于宽域型氧传感器在启动测量时，加热传感器的前端探头至600℃以上。若排气的无碳燃气含量较高可能会被点燃，因此，在排气管道3上设置无碳燃气传感器32，检测发动机的排气中的无碳燃气浓度，若无碳燃气浓度大于设定浓度值，就停止排气侧氧气摩尔分数的检测，避免无碳燃气在排气管中发生爆燃，引发安全事故。
84.在一些可选的实施例中，该无碳燃气发动机egr率检测试验台架还包括检测管道，
所述检测管道的两端用于与所述发动机的排气管道连接，并且两端依次位于所述排气管道排气的流向方向上，所述无碳燃气传感器设置在所述检测管道上，且所述检测管道与排气管道连接的上游进气口和无碳燃气传感器之间设有冷却器。
85.在本实施例中，检测管道33的两端与发动机1的排气管道3连接，并且两端依次位于排气管道3排气的流向方向上，可以使发动机燃烧后的尾气经过检测管道，使设置在检测管道上的无碳燃气传感器32，可以检测发动机1排出尾气中的无碳燃气的浓度。另外，一般的无碳燃气传感器都无法在高温的环境下使用，但是由于发动机燃烧后的尾气温度较高，所以无碳燃气传感器无法直接对尾气中的无碳燃气浓度进行测量。本方案中在排气管道3排气的流向方向上设置检测管道33与排气管道3并联，使燃烧后的尾气，经过检测管道33，并且检测管道与排气管道连接的上游进气口和无碳燃气传感器之间设有冷却器34，可将发动机燃烧后的尾气进行降温后，使检测管道33上设置的无碳燃气传感器可对冷却后的尾气进行检测。
86.综上所述，处理器与无碳燃气流量计、空气流量计、进气侧宽域型氧传感器和排气侧宽域型氧传感器信号连接，获取检测获得的进气发动机侧的无碳燃气质量流量、进气侧空气质量流量、进气侧氧气摩尔分数和排气侧氧气摩尔分数，根据进气发动机侧的无碳燃气质量流量和空气质量流量，确定空燃当量比；根据空燃当量比，确定egr循环的废气分子质量；根据进气侧氧气摩尔分数和排气侧氧气摩尔分数，确定氧气分数误差；根据氧气分数误差、废气分子质量、空气分子质量和进气侧空气质量流量，确定egr循环质量流量；根据egr循环质量流量、进气发动机侧的无碳燃气质量流量和空气质量流量，确定egr率。采用本方案的试验台架，可对无碳燃气作为燃料的发动机的egr率进行测量。也不需要利用文丘里管进行检测，因此检测结果也相对准确。
87.发动机的排气管道上设置无碳燃气传感器32，实时监控排气管中无碳燃气的含量。只用当排气管道中的无碳燃气含量在时间段内小于设定体积比时，将启动进气管道2中的进气侧宽域型氧传感器22和排气管道3中的排气侧宽域型氧传感器31。若无碳燃气浓度大于设定浓度值，就停止排气侧氧气摩尔分数的检测，避免无碳燃气在排气管中发生爆燃，引发安全事故。
88.在排气管道3中利用检测管道33引出一路废气，使燃烧后的尾气，经过检测管道33，并且检测管道33与排气管道3连接的上游进气口和无碳燃气传感器32之间设有冷却器34，可将发动机燃烧后的尾气进行降温后，使检测管道33上设置的无碳燃气传感器可对冷却后的尾气进行检测。例如，目前市面上氢传感器的最高工作温度在90℃以下，因此将废气经过冷却器冷却至90℃以下，在经氢气传感器测量废气中的氢气浓度。另外，该方案可以用于零碳混合燃料的发动机，例如氢发动机或氨氢混合燃料的发动机。
89.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
90.需要说明的是，在本技术中，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，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
91.以上所述仅是本技术的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的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技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术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申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。