發(fā)動(dòng)機進(jìn)氣溫度與濕度協(xié)同控制方法與流程
本發(fā)明涉及一種用于發(fā)動(dòng)機全負荷工況下的進(jìn)氣溫度與濕度協(xié)同控制方法。
背景技術(shù)
內燃機作為一種高效率的動(dòng)力機械,被廣泛應用于汽車(chē)、農機、國防、工業(yè)機械等各個(gè)領(lǐng)域。其中汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,2016年全國機動(dòng)車(chē)保有量達到2.95億輛,在國民經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)中占有重要地位。內燃機具有污染物排放較高的特點(diǎn),全國機動(dòng)車(chē)排放污染物中,氮氧化物(nox)排放約為577.8萬(wàn)噸,顆粒物(pm)排放約為53.4萬(wàn)噸,是大氣污染的主要來(lái)源之一。針對內燃機車(chē)排放問(wèn)題,世界各地都有相應的排放法規對其進(jìn)行約束,日趨嚴格的排放法規推動(dòng)著(zhù)內燃機的發(fā)展。在不犧牲油耗和可靠性的基礎上降低內燃機尾氣排放一直是高校和科研機構的研究熱點(diǎn)。
進(jìn)氣溫度與濕度對汽車(chē)發(fā)動(dòng)機性能和排放影響很大:高的進(jìn)氣溫度會(huì )使發(fā)動(dòng)機充量密度下降,引起參與燃燒的空氣減少,導致發(fā)動(dòng)機功率下降,油耗增加,同時(shí)過(guò)高的進(jìn)氣溫度會(huì )引起汽油機爆震傾向;而濕度的變化對發(fā)動(dòng)機氮氧化物的排放有很大影響,有文獻表明,含濕量為20g/kg時(shí),發(fā)動(dòng)機氮氧化物排放會(huì )較原機降低30%左右。而汽車(chē)發(fā)動(dòng)機工作環(huán)境的復雜多變,這個(gè)特點(diǎn)大大增加了研發(fā)清潔發(fā)動(dòng)機的工作量,以北京、上海、廣州等地為例,北京冬季大氣壓102kpa,室外溫度-12℃,含濕量0.6g/kg,夏季大氣壓99.8kpa,室外溫度33.2℃,含濕量19.0g/kg;上海冬季大氣壓102.5kpa,室外溫度-4℃,含濕量2.04g/kg,夏季大氣壓100.5kpa,室外溫度34.0℃,含濕量21.7g/kg;廣州冬季大氣壓101.9kpa,室外溫度5℃,含濕量3.83g/kg,夏季大氣壓100.4kpa,室外溫度33.5℃,含濕量21.10g/kg。不同時(shí)間不同地點(diǎn)的溫度濕度與大氣壓差異巨大,所以發(fā)動(dòng)機研發(fā)者需要在各種極端大氣環(huán)境下進(jìn)行試驗,確保發(fā)動(dòng)機在各種環(huán)境都能滿(mǎn)足排放法規的同時(shí)保持較好的性能,這就大大增加了研發(fā)者的工作量,消耗了大量的人力物力。
目前發(fā)動(dòng)機已有技術(shù)多側重于對進(jìn)氣溫度進(jìn)行動(dòng)態(tài)調節,并未考慮濕度,進(jìn)氣溫度和濕度協(xié)同控制更是鮮有報道。
技術(shù)實(shí)現要素:
本發(fā)明的目的在于提供一種發(fā)動(dòng)機進(jìn)氣溫度與濕度協(xié)同控制方法,采用本方法可以在多變的大氣環(huán)境下得到最優(yōu)的發(fā)動(dòng)機進(jìn)氣溫度和濕度,可大幅度降低氮氧化物排放、成本較低。
本發(fā)明的技術(shù)方案是:
發(fā)動(dòng)機進(jìn)氣溫度與濕度協(xié)同控制方法,包括以下步驟:
步驟一、在發(fā)動(dòng)機的進(jìn)氣管路上安裝溫度、濕度傳感器、熱交換器與噴水系統,所述的噴水系統包括噴水器,所述的噴水器的出口設置在進(jìn)氣管路內,所述的噴水器的入口與增壓泵出口相連,所述的增壓泵入口與水箱出口相連;
步驟二、系統運行開(kāi)始時(shí),電子控制單元接收發(fā)動(dòng)機輸出的發(fā)動(dòng)機負荷信號,并進(jìn)行判定,若發(fā)動(dòng)機負荷大于最大負荷的50%,則判定為大負荷,否則判定為小負荷;
步驟三、在大負荷時(shí),控制目標輸出為低溫度高濕度;小負荷時(shí),控制目標輸出為高溫度低濕度;
步驟四、電子控制單元將接收的溫度、濕度傳感器輸出的實(shí)際進(jìn)氣溫度與設定值比較,若實(shí)際進(jìn)氣溫度大于設定值,則向熱交換器輸出控制信號對進(jìn)氣進(jìn)行冷卻,否則進(jìn)行加熱;
步驟五、電子控制單元將接收的溫度、濕度傳感器輸出的實(shí)際進(jìn)氣濕度與設定值比較,若實(shí)際進(jìn)氣濕度大于設定值,則向增壓泵輸出控制信號減少?lài)娝?,否則增加噴水量;
步驟六、對溫度和濕度進(jìn)行調節后,將實(shí)際溫度和濕度與設定值對比,若都等于設定值,則維持穩態(tài),否則重新返回步驟四對溫度和濕度進(jìn)行調節。
本發(fā)明的優(yōu)勢在于:第一,在多變的大氣環(huán)境下可得到最優(yōu)的發(fā)動(dòng)機進(jìn)氣溫度和濕度,研發(fā)人員只需根據有限的溫度濕度進(jìn)行優(yōu)化,大大減少研發(fā)成本;第二,在進(jìn)氣溫度動(dòng)態(tài)控制的基礎上引入濕度控制,可大幅度降低氮氧化物排放;第三,無(wú)需對發(fā)動(dòng)機機體進(jìn)行改造,只需改造進(jìn)氣管路,成本較低。
附圖說(shuō)明
圖1是本發(fā)明發(fā)動(dòng)機進(jìn)氣溫度與濕度協(xié)同控制方法的控制框圖;
圖2是應用本發(fā)明方法的發(fā)動(dòng)機的結構示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結合附圖和具體安裝工作方式對本發(fā)明進(jìn)行詳細闡述。
本發(fā)明方法是在對現有發(fā)動(dòng)機進(jìn)行改進(jìn)后進(jìn)行實(shí)施應用的。
如圖1所示本發(fā)明是在現有的發(fā)動(dòng)機的基礎上,在發(fā)動(dòng)機的進(jìn)氣管路上增設溫度、濕度傳感器8,熱交換器6與噴水系統。
改裝后的發(fā)動(dòng)機的結構為:
在發(fā)動(dòng)機9的進(jìn)氣管路上按空氣流動(dòng)方向依次安裝空氣過(guò)濾器1、空氣壓縮機2、噴水器5、熱交換器6和溫度、濕度傳感器8。噴水器5入口與增壓泵4出口相連,增壓泵4入口與水箱3出口相連。熱交換器6具有加熱和冷卻功能??諝膺^(guò)濾器1入口通大氣,出口接在空氣壓縮機2的入口。
在發(fā)動(dòng)機9的出氣管路上安裝可變截面渦輪機10,發(fā)動(dòng)機9排氣口接在可變截面渦輪機10入口,可變截面渦輪機10出口通大氣。
空氣壓縮機2和可變截面渦輪機10同軸連接,可將廢氣能量重新利用,對進(jìn)氣進(jìn)行增壓,且渦輪機橫截面積可根據發(fā)動(dòng)機負荷調整以保持合適的進(jìn)氣壓力。
電子控制單元(ecu)7采集發(fā)動(dòng)機負荷情況并通過(guò)溫度、濕度傳感器8采集進(jìn)氣的溫度與濕度,經(jīng)過(guò)處理后向噴水器5、熱交換器6和可變截面渦輪機10輸出控制信號,對進(jìn)氣狀態(tài)進(jìn)行控制,達到控制目標值后維持平衡。
如圖2所示的本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機進(jìn)氣溫度與濕度協(xié)同控制方法,包括以下步驟:
步驟一、在現有發(fā)動(dòng)機基礎上,在發(fā)動(dòng)機的進(jìn)氣管路上安裝溫度、濕度傳感器8、熱交換器6與噴水系統,所述的噴水系統包括噴水器5,所述的噴水器的出口設置在進(jìn)氣管路內,所述的噴水器5的入口與增壓泵4出口相連,所述的增壓泵4入口與水箱3出口相連。
步驟二、系統運行開(kāi)始時(shí),電子控制單元(ecu)7接收發(fā)動(dòng)機9輸出的發(fā)動(dòng)機負荷信號,并進(jìn)行判定,若發(fā)動(dòng)機負荷大于最大負荷的50%,則判定為大負荷,否則判定為小負荷。
步驟三、在大負荷時(shí),控制目標輸出為低溫度高濕度;小負荷時(shí),控制目標輸出為高溫度低濕度。
在大負荷時(shí),循環(huán)噴油量較多,缸內最大爆發(fā)壓力大,燃燒溫度高,空燃比較小,氮氧化物排放較高。此時(shí)需要大量新鮮空氣和較高進(jìn)氣濕度,則進(jìn)氣要求為低溫度高濕度。在小負荷時(shí),新鮮進(jìn)氣量充足,缸內溫度較低,缸內燃油滯燃期較長(cháng),壓升率較高,燃燒較為粗暴和不穩定。此時(shí)需要較高的進(jìn)氣溫度和較低的濕度來(lái)縮短滯燃期,保持燃燒穩定。所以在大負荷時(shí),控制目標輸出為低溫度高濕度;小負荷時(shí),控制目標輸出為高溫度低濕度。由于大負荷時(shí),增壓器后空氣溫度較高,可達到80-90℃,此時(shí)需要較低進(jìn)氣溫度,需要對進(jìn)氣進(jìn)行冷卻,可將目標溫度設定為30-40℃,即在室溫左右;而小負荷增壓器后進(jìn)氣溫度較低,此時(shí)需要較高進(jìn)氣溫度,可以減少冷卻或進(jìn)行適當加熱,可將小負荷的目標溫度設定為50-60℃,即高于室溫20-30℃。濕度目標值需要大于環(huán)境濕度,原因是氣道噴水只能通過(guò)增加或減少?lài)娝繉穸冗M(jìn)行調節,即只能在大于環(huán)境濕度的范圍內進(jìn)行調節。已知中國境內全年最大含濕量約為20g/kg,所以可將20g/kg設定為小負荷濕度控制目標值,將30-40g/kg設定為大負荷濕度控制目標值。具體的溫度目標值和濕度目標值可以根據具體情況調節。
步驟四、電子控制單元將接收的溫度、濕度傳感器8輸出的實(shí)際進(jìn)氣溫度與設定值比較,若實(shí)際進(jìn)氣溫度大于設定值,則向熱交換器輸出控制信號對進(jìn)氣進(jìn)行冷卻,否則進(jìn)行加熱;
步驟五、電子控制單元將接收的溫度、濕度傳感器8輸出的實(shí)際進(jìn)氣濕度與設定值比較,若實(shí)際進(jìn)氣濕度大于設定值,則向增壓泵輸出控制信號減少?lài)娝?,否則增加噴水量。
步驟六、對溫度和濕度進(jìn)行調節后,將實(shí)際溫度和濕度與設定值對比,若都等于設定值,則維持穩態(tài),否則重新返回步驟四對溫度和濕度進(jìn)行調節。
實(shí)施例
控制目標設定為:小負荷溫度設定值為60℃,含濕量設定值為20g/kg;大負荷溫度設定值為30℃,含濕量設定值為30g/kg。
進(jìn)行控制時(shí),首先ecu對發(fā)動(dòng)機負荷率進(jìn)行判斷,結果顯示負荷率小于最大負荷的50%,則判定為小負荷,則輸出控制目標溫度60℃,含濕量20g/kg。溫度、濕度傳感器采集進(jìn)氣狀態(tài),顯示溫度為40℃,含濕量為15g/kg。則ecu對采集得到的溫度40℃與目標值60℃進(jìn)行對比,結果顯示小于目標值,則調節換熱器對進(jìn)氣進(jìn)行加熱;接下來(lái)ecu對采集得到的含濕量15g/kg與目標值進(jìn)行對比,結果顯示小于目標值,則調節加壓泵增加噴水量。接下來(lái)繼續將采集得到的溫度與濕度與目標值進(jìn)行對比,直到與目標值相同后停止調節,維持穩態(tài)。
在運行過(guò)程中發(fā)動(dòng)機狀態(tài)從小負荷變化到大負荷,此時(shí)ecu對發(fā)動(dòng)機負荷率進(jìn)行判斷,結果顯示負荷率大于最大負荷的50%,則輸出控制目標溫度30℃,含濕量30g/kg。溫度、濕度傳感器采集進(jìn)氣狀況,顯示溫度為60℃,含濕量為20g/kg。則ecu對采集得到的溫度60℃與目標值30℃進(jìn)行對比,結果顯示大于目標值,則調節換熱器對進(jìn)氣進(jìn)行冷卻;接下來(lái)ecu對采集得到的含濕量20g/kg與目標值進(jìn)行對比,結果顯示小于目標值,則調節加壓泵增加噴水量。接下來(lái)繼續將采集得到的溫度與濕度與目標值進(jìn)行對比,直到與目標值相同后停止調節。
若發(fā)動(dòng)機狀態(tài)從大負荷變化到小負荷,具體控制手段與以上情況類(lèi)似。
經(jīng)檢測:采用此控制方法后,在全負荷范圍內都可以將進(jìn)氣狀態(tài)控制在目標值;尾氣中氮氧化物排放在原機的基礎上降低30%以上;小負荷循環(huán)波動(dòng)系數減少,燃燒更加穩定;發(fā)動(dòng)機輸出功率與原機相當,油耗略有降低。
盡管上面結合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了描述,但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式,上述的具體實(shí)施方式僅僅是示意性的,并不是限制性的,本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下,在不脫離本發(fā)明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下,還可以做出很多形式,這些均屬于本發(fā)明的保護范圍之內。
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