CN104747285A - 缸内直喷天然气发动机冷起动及暖机排放控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种缸内直喷天然气发动机冷起动及暖机排放控制系统和方法，系统包括发动机、柴油供给装置、天然气供给装置、发动机电控系统、发动机后处理器和排气测量装置，发动机上设置有分别与柴油供给装置和天然气供给装置相连通的同心双轴针喷射器；发动机后处理器设置在发动机排气管的管路中，排气测量装置包括设置在发动机后处理器前后的第一排气温度传感器、第二排气温度传感器、第一宽域氧传感器和第二宽域氧传感器。本发明提高了发动机的排气温度使其达到发动机后处理器的工作温度，同时控制空燃比使发动机在起动后催化剂能够迅速起燃，并在暖机过程中催化转化排气中的碳氢和一氧化碳，使发动机冷起动及暖机排放满足了EuroⅥ排放法规的要求。

Description

缸内直喷天然气发动机冷起动及暖机排放控制系统和方法

技术领域

本发明涉及一种发动机冷起动及暖机气体排放控制装置和方法，具体地说是一种缸内直喷天然气发动机冷起动及暖机排放控制系统和方法，属于发动机冷起动及暖机气体排放控制技术领域。

背景技术

节能和减排的需要刺激了发动机代用燃料、新型燃烧技术和排气后处理系统的发展，随着页岩气商业生产技术的成熟，天然气在能源市场中所占的份额增加，天然气车辆的使用已经成为控制城市大气污染的主要技术手段之一。

传统天然气发动机由于受爆震的限制，动力性和热效率低于同排量的柴油机，微量柴油引燃缸内直喷天然气发动机，由于采用天然气扩散燃烧技术，可以和柴油机采用同样的压缩比，提高了天然气发动机的效率，并降低了排放水平。

但EuroⅥ排放发动机采用WHTC试验方法，需要测试发动机冷起动时的瞬态排放，由于天然气发动机冷起动时壁面淬熄等原因容易燃烧不充分，同时冷起动时发动机的排气温度低，发动机后处理器不能起燃，导致天然气发动机冷起动时碳氢和一氧化碳排放很高，不能满足EuroⅥ排放法规的要求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种缸内直喷天然气发动机冷起动及暖机排放控制系统和方法，能够有效控制缸内直喷天然气发动机的冷起动及暖机排放，使发动机更容易满足EuroⅥ排放法规。

本发明解决其技术问题采取的技术方案是：一种缸内直喷天然气发动机冷起动及暖机排放控制系统，包括发动机、柴油供给装置、天然气供给装置和发动机电控系统，其特征是，还包括发动机后处理器和排气测量装置，所述发动机上设置有同心双轴针喷射器,所述同心双轴针喷射器分别与柴油供给装置和天然气供给装置相连通；所述发动机后处理器设置在发动机排气管的管路中，所述排气测量装置包括第一排气温度传感器、第二排气温度传感器、第一宽域氧传感器和第二宽域氧传感器，所述第一排气温度传感器和第一宽域氧传感器设置在发动机后处理器与发动机之间的排气管路中，所述第二排气温度传感器和第二宽域氧传感器设置在发动机后处理器后面的排气管路中，所述的第一排气温度传感器、第二排气温度传感器、第一宽域氧传感器和第二宽域氧传感器分别与发动机电控系统电连接。

优选地，所述柴油供给装置包括柴油共轨管、低压柴油泵、高压柴油泵和柴油轨压传感器，所述柴油共轨管的进油孔通过柴油管路与柴油箱相连通，柴油共轨管的出油孔与同心双轴针喷射器相连通，所述低压柴油泵设置在靠近柴油箱处的柴油管路中，所述高压柴油泵设置在低压柴油泵与柴油共轨管之间的柴油管路中，所述柴油轨压传感器设置在柴油共轨管内，所述的高压柴油泵和柴油轨压传感器分别与发动机电控系统电连接。

优选地，所述天然气供给装置包括天然气共轨管、天然气调压箱、稳压罐和天然气轨压传感器，所述天然气共轨管的进气口通过天然气管路与天然气罐相连通，所述天然气调压箱设置在靠近天然气罐处的天然气管路中，所述稳压罐设置在天然气调压箱与天然气共轨管之间的天然气管路中，所述天然气轨压传感器设置在天然气共轨管内，所述的天然气调压箱和天然气轨压传感器分别与发动机电控系统电连接。

优选地，所述发动机的进气管路中设置有进气温度传感器和进气压力传感器，所述的进气温度传感器和进气压力传感器分别与发动机电控系统电连接。

优选地，所述发动机上还设置有转速传感器，所述转速传感器与发动机电控系统电连接。

本发明还提供了一种缸内直喷天然气发动机冷起动及暖机排放控制方法，用于控制缸内直喷天然气发动机冷起动及暖机的气体排放，其特征是，包括以下步骤：

标定发动机空燃比的控制脉谱图；

进行发动机引燃柴油预喷射，并调整引燃柴油预喷射参数来控制发动机的空燃比；

控制预喷柴油和主喷天然气的时间间隔；

进行发动机天然气主喷射，并调整天然气主喷射参数来控制发动机的空燃比；

控制天然气主喷和天然气后喷的时间间隔；

进行发动机天然气后喷射，并调整天然气后喷射参数来控制发动机的空燃比。

优选地，在进行发动机引燃柴油预喷射的过程中，通过调整预喷柴油的喷射量和喷射时刻来控制发动机的空燃比。

优选地，在进行发动机天然气主喷射的过程中，通过调整主喷天然气的喷射量和喷射时刻来控制发动机的空燃比。

优选地，在进行发动机天然气后喷射的过程中，通过调整后喷天然气的喷射量和喷射时刻来控制发动机的空燃比。

优选地，在进行缸内直喷天然气发动机冷起动及暖机排放控制过程中，实时采集排气温度和排气氧含量，并根据排气温度和排气氧含量进行调整引燃柴油预喷射参数、天然气主喷射参数和天然气后喷射参数。

本发明的有益效果如下：本发明通过在发动机冷起动及暖机时采用微量柴油预喷、天然气主喷和少量天然气后喷的方式来实现对燃烧过程的控制，提高了缸内直喷天然气发动机的排气温度，使排气温度达到发动机后处理器的工作温度，同时控制发动机的空燃比，使发动机在起动后催化剂能够迅速起燃，并在暖机过程中保持高效催化状态，催化转化排气中的碳氢和一氧化碳，达到降低缸内直喷天然气发动机冷起动及暖机排放的目的，使其满足EuroⅥ排放法规的要求。

附图说明

图1为本发明所述系统的结构示意图；

图2为本发明所述方法的逻辑流程图；

图1中，101柴油箱、102柴油轨压传感器、103柴油共轨管、104发动机电控系统、105天然气共轨管、106转速传感器、107发动机、108同心双轴针喷射器、109第一排气温度传感器、110第一宽域氧传感器、111发动机后处理器、112第二宽域氧传感器、113第二排气温度传感器、114排气管、115进气管、116进气温度传感器、117进气压力传感器、118天然气罐、119天然气调压箱、120稳压罐、121天然气管路、122天然气轨压传感器、123柴油管路、124高压柴油泵、125低压柴油泵。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

如图1所示，本发明的一种缸内直喷天然气发动机冷起动及暖机排放控制系统，包括发动机107、柴油供给装置、天然气供给装置、发动机电控系统104、发动机后处理器111和排气测量装置，所述发动机107上设置有同心双轴针喷射器108,所述同心双轴针喷射器108分别与柴油供给装置和天然气供给装置相连通；所述发动机后处理器111设置在发动机排气管114的管路中，所述排气测量装置包括第一排气温度传感器109、第二排气温度传感器113、第一宽域氧传感器110和第二宽域氧传感器112，所述第一排气温度传感器109和第一宽域氧传感器110设置在发动机后处理器与发动机之间的排气管路中，所述第二排气温度传感器113和第二宽域氧传感器112设置在发动机后处理器后面的排气管路中，所述的第一排气温度传感器109、第二排气温度传感器113、第一宽域氧传感器110和第二宽域氧传感器112分别与发动机电控系统104电连接。

作为优选方案，本发明所述的柴油供给装置包括柴油共轨管103、低压柴油泵125、高压柴油泵124和柴油轨压传感器102，所述柴油共轨管103的进油孔通过柴油管路123与柴油箱101相连通，柴油共轨管103的出油孔与同心双轴针喷射器108相连通，所述低压柴油泵125设置在靠近柴油箱处的柴油管路123中，所述高压柴油泵124设置在低压柴油泵与柴油共轨管之间的柴油管路123中，所述柴油轨压传感器102设置在柴油共轨管103内，所述的高压柴油泵124和柴油轨压传感器102分别与发动机电控系统104电连接。

作为优选方案，本发明所述的天然气供给装置包括天然气共轨管105、天然气调压箱119、稳压罐120和天然气共轨管传感器122，所述天然气共轨管105的进气口通过天然气管路121与天然气罐118相连通，所述天然气调压箱119设置在靠近天然气罐处的天然气管路121中，所述稳压罐120设置在天然气调压箱与天然气共轨管之间的天然气管路121中，所述天然气轨压传感器122设置在天然气共轨管105内，所述的天然气调压箱119和天然气轨压传感器122分别与发动机电控系统104电连接。

作为优选方案，本发明所述的发动机107的进气管路115中设置有进气温度传感器116和进气压力传感器117，所述的进气温度传感器116和进气压力传感器117分别与发动机电控系统104电连接。

作为优选方案，本发明所述的所述发动机104上还设置有转速传感器106，所述转速传感器106与发动机电控系统104电连接。

发动机起动时，柴油的供给方式为柴油箱101中储存的柴油经过低压柴油泵125进入高压柴油泵124，柴油经高压柴油泵124加压后进入柴油共轨管103，其中柴油轨的压力由发动机电控系统104通过脉谱图根据发动机的运行工况控制，高压柴油在发动机电控系统的控制下通过同心双轴针喷射器108喷入发动机107的燃烧室，柴油引燃后作为天然气的引燃源。天然气的供给过程为天然气罐118中的天然气经天然气调压箱119进入稳压罐120，然后进入天然气共轨管105，高压天然气在发动机电控系统的控制下喷入发动机107的燃烧室。柴油的喷射时刻、喷射量和天然气的喷射时刻、喷射量可以根据发动机的运行工况由发动机电控系统根据预先设定的程序控制。发动机后处理器中的催化剂只有在排气达到一定温度后才能起燃，催化剂起燃之前对碳氢和一氧化碳等气体的催化转换效率很低，排放较高。为了控制发动机冷起动及暖机的排放，需要发动机后处理器111在发动机起动后迅速起燃并保持高效率，催化转化排气中的碳氢和一氧化碳，冷起动过程中发动机电控系统104控制同心双轴针喷射器108在发动机冷起动及暖机过程中后喷少量天然气提高发动机的排气温度，实现发动机后处理器111迅速起燃并保持高效性。冷起动及暖机过程中发动机电控系统104利用发动机后处理器前后的第一排气温度传感器109和第二排气温度传感器113实时采集发动机后处理器前后的排气温度，判断发动机后处理器的工作状态并调整后喷天然气的喷射时刻和喷射量。

本发明所述的缸内直喷天然气发动机冷起动及暖机排放控制系统实时采集发动机的排气温度及排气氧含量，将这两个参数作为反馈量，实时调整柴油和天然气的喷射量及喷射时刻，控制发动机冷起动及暖机的排气温度及空燃比；通过控制进入发动机后处理器的排气温度和空燃比，使发动机后处理器在发动机冷起动时催化剂迅速起燃，并在暖机时保持高效催化转换状态，降低发动机的冷起动及暖机碳氢和一氧化碳排放。

如图2所示，本发明的一种缸内直喷天然气发动机冷起动及暖机排放控制方法，用于控制缸内直喷天然气发动机冷起动及暖机的气体排放，它包括以下步骤：

S200，标定发动机空燃比的控制脉谱图；

S201，进行发动机引燃柴油预喷射，并调整引燃柴油预喷射参数来控制发动机的空燃比；

S202，控制预喷柴油和主喷天然气的时间间隔；

S203，进行发动机天然气主喷射，并调整天然气主喷射参数来控制发动机的空燃比；

S204，控制天然气主喷和天然气后喷的时间间隔；

S205，进行发动机天然气后喷射，并调整天然气后喷射参数来控制发动机的空燃比。

作为优选方案，在进行发动机引燃柴油预喷射的过程中，通过调整预喷柴油的喷射量和喷射时刻来控制发动机的空燃比。

作为优选方案，在进行发动机天然气主喷射的过程中，通过调整主喷天然气的喷射量和喷射时刻来控制发动机的空燃比。

作为优选方案，在进行发动机天然气后喷射的过程中，通过调整后喷天然气的喷射量和喷射时刻来控制发动机的空燃比。

作为优选方案，在进行缸内直喷天然气发动机冷起动及暖机排放控制过程中，实时采集排气温度和排气氧含量，并根据排气温度和排气氧含量进行调整引燃柴油预喷射参数、天然气主喷射参数和天然气后喷射参数。

本发明所述方法提供了一种用于降低缸内直喷天然气发动机冷起动及暖机排放的控制策略，冷起动及暖机排放控制策略为电控系统控制同心双轴针喷射器，当发动机冷起动及暖机过程中在传统引燃柴油预喷、天然气主喷之后增加天然气的可控后喷，提高排气温度，使发动机后处理器中的催化剂迅速起燃，催化转化排气中的碳氢和一氧化碳。

标定发动机空燃比的控制脉谱图的过程为在一定环境状况下测试起动及暖机过程中预喷柴油喷射量、主喷天然气量、后喷天然气量及其喷射时刻和发动机排气温度之间的关系，根据后处理中催化剂的起燃温度及催化剂热失效温度的限制，调整柴油喷射量、主喷天然气量、后喷天然气量及其喷射时刻使排气温度在需要的范围内。预先标定的脉谱图存储在发动机电控系统中，实现发动机起动过程的开环控制。实际工作过程中排放的控制过程为发动机电控系统根据预先标定的脉谱图开环控制喷射引燃柴油，控制参数为柴油的喷射时刻、喷射量等，经过一定预喷柴油和主喷天然气间隔之后喷射主喷天然气，上述过程为常规柴油引燃缸内直喷天然气发动机的喷射测量，由于起动及暖机过程燃料总的喷射量少，且发动机温度低，排气温度较低，不能达到催化剂的起燃温度。为使排气温度迅速到达催化剂的起燃温度，但天然气主喷经过一定间隔之后，在燃烧过程的末期再后喷少量天然气，这部分天然气膨胀不充分，可以显著提高冷起动过程中的排气温度，使催化剂快速起燃。

为了实时控制冷起动及暖机过程中排气温度使之在催化剂的最佳起燃温度范围内，同时也检测催化器的工作状态，发动机电控系统通过发动机后处理器前的温度传感器采集发动机后处理器前的排气温度，并根据发动机电控系统中预先设定的程序控制，调整天然气后喷射过程的喷射参数，当检测到的排气温度偏低时增加后喷天然气量并推迟后喷时刻，当检测到的排气温度偏高时减少后喷天然气量并提前后喷时刻，直到排气温度在设定的最佳工作温度范围内。使发动机在不同环境温度、湿度的状况下，都能快速调整排气温度到合适范围。同时发动机电控系统通过对比发动机后处理器前、后的排气温度可以初步判断发动机后处理器是否开始工作，并为故障诊断提供数据。

发动机电控系统根据发动机后处理器前后的宽域氧传感器实时检测发动机后处理器前后排气中的氧含量，结合预先设定的数值，根据进气压力传感器和进气温度传感器采集的信息，控制柴油预喷射过程中的柴油喷射量及天然气主喷射和天然气后喷射过程中的天然气总喷射量。如果采集到的排气氧含量较高说明空燃比较大，适当增加柴油和天然气的总喷射量并推迟喷射时刻，减少空燃比到合适范围；如果采集到的排气氧含量较低说明空燃比偏小，适当减少柴油和天然气的总喷射量并提前喷射时刻，增大空燃比到合适范围。这样使发动机冷起动及暖机过程中的空燃比保持在一定范围内，实时发动机后处理器的高催化转化率。

以上所述只是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也被视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.缸内直喷天然气发动机冷起动及暖机排放控制系统，包括发动机、柴油供给装置、天然气供给装置和发动机电控系统，其特征是，还包括发动机后处理器和排气测量装置，所述发动机上设置有同心双轴针喷射器,所述同心双轴针喷射器分别与柴油供给装置和天然气供给装置相连通；所述发动机后处理器设置在发动机排气管的管路中，所述排气测量装置包括第一排气温度传感器、第二排气温度传感器、第一宽域氧传感器和第二宽域氧传感器，所述第一排气温度传感器和第一宽域氧传感器设置在发动机后处理器与发动机之间的排气管路中，所述第二排气温度传感器和第二宽域氧传感器设置在发动机后处理器后面的排气管路中，所述的第一排气温度传感器、第二排气温度传感器、第一宽域氧传感器和第二宽域氧传感器分别与发动机电控系统电连接。

2.根据权利要求1所述的缸内直喷天然气发动机冷起动及暖机排放控制系统，其特征是，所述柴油供给装置包括柴油共轨管、低压柴油泵、高压柴油泵和柴油轨压传感器，所述柴油共轨管的进油孔通过柴油管路与柴油箱相连通，柴油共轨管的出油孔与同心双轴针喷射器相连通，所述低压柴油泵设置在靠近柴油箱处的柴油管路中，所述高压柴油泵设置在低压柴油泵与柴油共轨管之间的柴油管路中，所述柴油轨压传感器设置在柴油共轨管内，所述的高压柴油泵和柴油轨压传感器分别与发动机电控系统电连接。

3.根据权利要求1所述的缸内直喷天然气发动机冷起动及暖机排放控制系统，其特征是，所述天然气供给装置包括天然气共轨管、天然气调压箱、稳压罐和天然气轨压传感器，所述天然气共轨管的进气口通过天然气管路与天然气罐相连通，所述天然气调压箱设置在靠近天然气罐处的天然气管路中，所述稳压罐设置在天然气调压箱与天然气共轨管之间的天然气管路中，所述天然气轨压传感器设置在天然气共轨管内，所述的天然气调压箱和天然气轨压传感器分别与发动机电控系统电连接。

4.根据权利要求1至3任一项所述的缸内直喷天然气发动机冷起动及暖机排放控制系统，其特征是，所述发动机的进气管路中设置有进气温度传感器和进气压力传感器，所述的进气温度传感器和进气压力传感器分别与发动机电控系统电连接。

5.根据权利要求1至3任一项所述的缸内直喷天然气发动机冷起动及暖机排放控制系统，其特征是，所述发动机上还设置有转速传感器，所述转速传感器与发动机电控系统电连接。

6.缸内直喷天然气发动机冷起动及暖机排放控制方法，用于控制缸内直喷天然气发动机冷起动及暖机的气体排放，其特征是，包括以下步骤：

标定发动机空燃比的控制脉谱图；

进行发动机引燃柴油预喷射，并调整引燃柴油预喷射参数来控制发动机的空燃比；

控制预喷柴油和主喷天然气的时间间隔；

进行发动机天然气主喷射，并调整天然气主喷射参数来控制发动机的空燃比；

控制天然气主喷和天然气后喷的时间间隔；

进行发动机天然气后喷射，并调整天然气后喷射参数来控制发动机的空燃比。

7.根据权利要求6所述的缸内直喷天然气发动机冷起动及暖机排放控制方法，其特征是，在进行发动机引燃柴油预喷射的过程中，通过调整预喷柴油的喷射量和喷射时刻来控制发动机的空燃比。

8.根据权利要求6所述的缸内直喷天然气发动机冷起动及暖机排放控制方法，其特征是，在进行发动机天然气主喷射的过程中，通过调整主喷天然气的喷射量和喷射时刻来控制发动机的空燃比。

9.根据权利要求6所述的缸内直喷天然气发动机冷起动及暖机排放控制方法，其特征是，在进行发动机天然气后喷射的过程中，通过调整后喷天然气的喷射量和喷射时刻来控制发动机的空燃比。

10.根据权利要求6-9任一项所述的缸内直喷天然气发动机冷起动及暖机排放控制方法，其特征是，在进行缸内直喷天然气发动机冷起动及暖机排放控制过程中，实时采集排气温度和排气氧含量，并根据排气温度和排气氧含量进行调整引燃柴油预喷射参数、天然气主喷射参数和天然气后喷射参数。