一种基于EGR技术的电控柴油-甲醇双燃料发动机控制系统及方法
技术领域
本发明属于双燃料内燃机领域，尤其涉及到一种基于EGR技术的电控柴油-甲醇双燃料发动机的控制系统及方法。
背景技术
化石能源消耗量日益增加和环境污染愈加严重已成为内燃机行业发展所面临的两大难题,代用燃料的开发利用不仅是缓解石油危机的重要措施，同时也具有降低污染物排放的极大潜力。甲醇作为一种代用燃料具有高辛烷值、高含氧量、高汽化潜热的特点，在内燃机上的应用具有巨大潜力；但是由于较高的汽化潜热，甲醇在进气道喷射后汽化不良，常以液态进入气缸，会稀释润滑油，并且在中低负荷时降低缸内温度，导致火焰传播锋面在气缸壁面淬熄，出现燃烧不充分，造成过多的碳氢(Hydrocarbon；HC)、一氧化碳(CarbonMonoxide；CO)、甲醇和甲醛排放，导致缸内燃烧效率和有效热效率的降低；在高负荷时，由于其燃烧速度快和缸内压力升高率剧增，容易导致缸内爆震发生，从而使发动机运行不稳定，并且缸内温度过高也造成大量氮氧化物(Nitrogen Oxide；NOx)排放。采取有效措施改善甲醇雾化质量和缸内燃烧质量，双燃料发动机实现高效清洁燃烧显得尤为重要。
目前，为改善缸内燃烧产物NOx和颗粒物之间的trade-off关系，废气再循环(Exhaust Gas Recirculation；EGR)技术已经广泛的应用在发动机上。发动机废气主要成分为水蒸气、二氧化碳等三原子分子，与新鲜空气相比较高的比热容是废气一大特点。EGR技术则是利用废气较高的比热容来降低缸内燃烧温度，从而实现对NOx排放的控制，对柴油-甲醇双燃料发动机高性能表现极为有利。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于EGR技术的电控柴油-甲醇双燃料发动机控制方法与系统，旨在解决由于甲醇雾化不良而导致的过多HC、CO、甲醇和甲醛排放、燃烧不充分造成燃烧效率降低以及传统双燃料发动机的燃烧模式切换时的不稳定问题。
本发明将EGR管道入口布置在甲醇喷嘴之前，利用高温废气对喷入进气歧管的甲醇进行预加热，提高甲醇的雾化质量，确保在甲醇进入气缸后形成均质混合气，解决由于甲醇汽化不良而导致较高HC、CO等排放的问题；本发明在原有柴油电子控制单元(ElectronicControl Unit；ECU)的基础上增加了甲醇ECU来控制甲醇轨压调压阀、甲醇泵、甲醇喷嘴、EGR阀和EGR冷却器，柴油ECU控制模式转换开关，并且甲醇ECU和柴油ECU之间通过控制局域网络(Controller Area Network；CAN)通讯实现信号实时共享，解决传统双燃料发动机燃烧模式切换不稳定的问题。
为达到上述目的，本发明通过以下技术方案予以实现的：
一种基于EGR技术的电控柴油-甲醇双燃料发动机控制系统，包括进气系统、排气系统、EGR系统、柴油供给系统和甲醇供给系统；所述进气系统用于为发动机提供新鲜空气；所述EGR系统用于将燃烧后的废气引入进气歧管；所述柴油供给系统用于提供燃料柴油；所述甲醇供给系统用于提供燃料甲醇，将甲醇喷入进气歧管内。
进一步的，所述甲醇供给系统中通过甲醇轨压调压阀来调节甲醇轨的压力，维持甲醇轨压与进气歧管压力差为恒定值。
进一步的，所述甲醇供给系统还包括甲醇箱、甲醇滤清器、甲醇泵和甲醇喷嘴；所述甲醇箱中的甲醇经甲醇滤清器过滤后经甲醇泵泵入到甲醇轨内，甲醇轨内的甲醇通过甲醇喷嘴喷入进气歧管内。
进一步的，所述甲醇喷嘴安装在EGR管道入口之后的进气歧管上，在双燃料模式时充分利用EGR管道中的高温气体对通过甲醇喷嘴喷入进气歧管的甲醇加热。
进一步的，所述EGR系统包括EGR冷却器、EGR管道和EGR阀；废气引入EGR管道经过EGR冷却器处理后进入进气歧管；所述EGR阀安装在EGR管道的末端上，用来控制EGR率。
进一步的，还包括控制系统，所述控制系统包括柴油ECU、甲醇ECU、传感器和CAN通讯；所述甲醇ECU和柴油ECU之间通过CAN通讯实现信号实时共享；所述甲醇ECU实时采集甲醇轨压传感器、甲醇箱液位传感器和甲醇温度传感器的信号，并控制甲醇轨压调压阀的开度、甲醇泵的转速、甲醇喷嘴的喷醇正时和喷醇脉宽、EGR阀的开度和EGR冷却器的开关；所述柴油ECU实时采集进气压力传感器、进气温度传感器、转速传感器、冷却液温度传感器、油门踏板位置传感器和排气温度传感器的信号，并控制模式转换开关和柴油喷嘴的正时和脉宽。
进一步的，所述柴油供给系统包括柴油共轨、高压燃油泵、柴油滤清器、柴油箱和柴油喷嘴；所述柴油箱内的柴油经柴油滤清器过滤后，通过高压柴油泵泵出经高压油管通入柴油共轨，最终通过柴油喷嘴喷入气缸内。
一种基于EGR技术的电控柴油-甲醇双燃料发动机控制方法，柴油ECU实时采集进气压力传感器、进气温度传感器、转速传感器、冷却液温度传感器、油门踏板位置传感器、排气温度传感器的信号判断当前所述双燃料发动机的工况并分别做出如下策略：
在冷启动和怠速工况时，发动机以纯柴油模式的策略；
在低负荷工况时，发动机以双燃料模式运行，采用低EGR率不冷却策略；
在中负荷工况时，发动机以双燃料模式运行，采用中EGR率不冷却策略；
在高负荷工况时，发动机以双燃料模式运行，采用高EGR率冷却策略。
进一步的，识别所述双燃料发动机处于冷启动或怠速工况时，柴油ECU将模式转换开关切换至纯柴油模式；甲醇ECU控制甲醇泵的转速和甲醇轨压调压阀的开度以确保甲醇轨的蓄压，在模式切换时提高响应速度，关闭EGR阀和EGR冷却器；
识别所述双燃料发动机处于低负荷工况时，柴油ECU将模式转换开关切换至双燃料模式；甲醇ECU控制甲醇泵的转速和甲醇轨压调压阀的开度，保证甲醇轨压与进气歧管压力的相对值维持在0.4MPa附近，从甲醇ECU内的MAP图中查询EGR率，控制EGR阀开度以低EGR率工作，EGR冷却器关闭不工作；
识别所述双燃料发动机处于中负荷工况时，柴油ECU将模式转换开关切换至双燃料模式；甲醇ECU控制甲醇泵的转速和甲醇轨压调压阀的开度，保证甲醇轨压与进气歧管压力的相对值维持在0.4MPa附近，从甲醇ECU内的MAP图中查询EGR率，控制EGR阀开度以中EGR率工作，EGR冷却器关闭不工作；
确定所述双燃料发动机处于高负荷工况时，柴油ECU将模式转换开关切换至双燃料模式；甲醇ECU控制甲醇泵的转速和甲醇轨压调压阀的开度，保证甲醇轨压与进气歧管压力的相对值维持在0.4MPa附近，从甲醇ECU内的MAP图中查询EGR率，控制EGR阀开度以高EGR率工作，EGR冷却器开启并工作。
进一步的，所述双燃料燃烧模式的切换由甲醇ECU和柴油ECU之间通过CAN通讯实时共享信号，相互协同配合自动实现甲醇和柴油循环供油量的调节。
有益效果：
1.本发明将EGR管道入口布置在甲醇喷嘴之前，利用回流高温废气对喷入进气歧管的甲醇进行加热，提高甲醇的雾化质量，确保在甲醇进入气缸后形成均质混合气，解决由于甲醇挥发不良而导致较高HC、CO、甲醇和甲醛排放和较低热效率的问题；同时利用EGR降低了高负荷时双燃料模式缸内燃烧温度和压力升高率，有效避免爆震现象的发生和较高NOx排放。
2.本发明将甲醇ECU和柴油ECU之间通过CAN通讯连接实现实时信息共享，实现甲醇和柴油循环供油量的自动联动调节，避免传统双燃料发动机两种燃料不能协同灵活调节，发生模式切换和工况变换时发动机运行不稳定，容易出现转速和功率输出波动较大的问题。
3.本发明可以实现发动机在不同工况下，通过控制甲醇泵转速和甲醇轨压调压阀的开度使甲醇轨压力与进气歧管压力的相对值恒定，维持在0.4MPa附近，即每个循环中甲醇在进气歧管的雾化环境基本相同，减小了由于甲醇雾化质量不同而造成的功率波动，且甲醇喷射量与喷醇脉宽成线性关系。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：
附图1是本发明结构示意图；
附图2是本发明的甲醇供给系统示意图；
附图3是本发明的控制逻辑流程示意图；
附图4是本发明的控制系统总体结构示意图；
附图5是甲醇轨压与进气歧管压力关系示意图。
附图标记如下：1-空气滤清器，2-压气机，3-EGR冷却器，4-EGR管道，5-EGR阀，6-甲醇箱，7-甲醇滤清器，8-甲醇泵，9-甲醇轨，10-柴油共轨，11-高压燃油泵，12-柴油滤清器，13-柴油箱，14-甲醇喷嘴，15-进气歧管，16-进气门，17-柴油喷嘴，18-气缸，19-排气门，20-排气歧管，21-涡轮器，22-尾气后处理器，23-甲醇轨压调压阀。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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发明中的具体含义。
下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的
结合附图1所示，一种基于EGR技术的电控柴油-甲醇双燃料发动机控制系统，该发动机系统由传统压燃式内燃机改造而成，其中包括进气系统、排气系统、发动机机体、EGR系统、柴油供给系统、甲醇供给系统和控制系统；其中，进气系统包括空气滤清器1、压气机2、进气歧管15和进气门16；排气系统包括排气门19、排气歧管20、涡轮器21和尾气后处理器22；EGR系统包括由EGR冷却器3、EGR管道4和EGR阀5；柴油供给系统包括柴油共轨10、高压燃油泵11、柴油滤清器12、柴油箱13和柴油喷嘴17；甲醇供给系统包括甲醇箱6、甲醇滤清器7、甲醇泵8、甲醇轨9、甲醇喷嘴14和甲醇轨压调压阀23；控制系统包括柴油ECU、甲醇ECU、传感器和CAN通讯；其中，进气系统包括空气滤清器1、压气机2、进气歧管15和进气门16；空气通过空气滤清器1过滤后流经压气机2进入进气歧管15最终通过进气门16进入气缸内；所述EGR系统包括EGR冷却器3、EGR管道4和EGR阀5；废气进入EGR管道4经过EGR冷却器3冷却后进入进气歧管15；所述EGR阀5安装在EGR管道4的末端上，用来控制EGR管道4的关闭，从而控制处理后的废气是否进入进气歧管15。
双燃料发动机在原有柴油供给系统的基础上新增了甲醇供给系统，甲醇喷嘴17安装在进气歧管15上，甲醇供给系统通过甲醇喷嘴14将甲醇喷入进气歧管15，利用EGR管道引入进气歧管的高温废气对甲醇进行加热；原有柴油供给系统通过柴油喷嘴17在压缩冲程后期将柴油直接喷入气缸，引燃低反应活性的甲醇均质混合气，实现双燃料燃烧模式；冬季环境温度低，不利于甲醇蒸发雾化，采用EGR技术引入高温废气对甲醇进行加热，使其充分蒸发与进气充量混合，柴油ECU可以利用多次喷射，预喷改善缸内反应活性因子，提高缸内反应活性，主喷引燃缸内甲醇均质混合气，实现双燃料燃烧模式。
双燃料燃烧模式的切换由柴油ECU控制，甲醇ECU和柴油ECU之间通过CAN通讯实时共享信号，相互协同配合自动实现甲醇和柴油循环供油量的调节，避免双燃料发动机两种燃料不能协同灵活调控，容易发生转速和功率输出波动较大的问题。
所述甲醇ECU控制甲醇轨压调压阀23、甲醇泵8、甲醇喷嘴14、EGR阀5和EGR冷却器3；所述柴油ECU控制模式转换开关并维持发动机的正常运行。所述甲醇ECU从柴油ECU中获得进气歧管15的压力，并通过控制甲醇泵8转速和甲醇轨压调压阀23的开度使甲醇轨9压力与进气歧管15压力的相对值恒定，维持在0.4MPa附近，且甲醇喷射量与喷醇脉宽成线性关系，结合附图5所示。这保证了每个循环中甲醇在进气歧管的雾化环境基本相同，减小了由于甲醇雾化质量不同而造成的转速和功率的波动。
当所述柴油ECU获取发动机运行工况，判断满足切换到双燃料模式的条件时，甲醇ECU逐渐增加甲醇喷射量，柴油ECU通过CAN通讯获得甲醇喷射量后依据保持当前功率不变的原则减少柴油喷射量，从纯柴油模式平稳过渡到双燃料模式，使发动机保持稳定运行。
当所述柴油ECU获取发动机运行工况，判断不满足切换到双燃料模式的条件时或所述甲醇ECU检测到甲醇箱内的甲醇量低于限定值后，甲醇ECU逐渐降低甲醇喷射量，同时通过CAN通讯将信号发送到柴油ECU，柴油ECU根据当前工况和甲醇的减少量，依据保持功率不变的原则增加柴油喷射量，从双燃料模式平稳过渡到纯柴油模式，然后甲醇ECU停止甲醇泵工作，确保发动机稳定运行。
结合附图3所示，发动机由传统内燃机改造而成，采用进气道喷射甲醇和缸内直喷柴油来实现双燃料模式；但发动机运行工况复杂多变，可以分为冷启动工况、怠速工况、低负荷工况、中负荷工况和高负荷工况。在发动机运行过程中，采用燃烧模式和工况相配合的策略：在冷启动和怠速工况时，发动机以纯柴油模式运行；在低负荷工况时，发动机以双燃料模式运行，甲醇ECU控制EGR阀5打开，采用低EGR率不冷却策略，通过回流高温废气对甲醇进行加热；在中负荷工况时，发动机以双燃料模式运行，采用中EGR率不冷却策略，通过回流高温废气对甲醇进行加热，且利用EGR控制缸内压力升高率，增加甲醇掺烧比例；在高负荷工况时，发动机以双燃料模式运行，采用高EGR率冷却策略，通过冷却EGR降低缸内最高温度和压力升高率，避免双燃料燃烧爆震现象的发生，并降低NOx排放。甲醇ECU控制EGR冷却器打开，可以有效降低缸内燃烧温度，控制压力升高率过大，实现高负荷时的低温燃烧；也能避免甲醇在压缩后期被压燃而出现的燃烧不可控现象，可以提高甲醇掺烧比例和有效热效率。
一种基于EGR技术的电控柴油-甲醇双燃料发动机控制方法，其包括以下步骤：
步骤一：甲醇ECU实时采集甲醇轨压传感器、甲醇箱液位传感器和甲醇温度传感器的信号，判断甲醇箱内甲醇储量；若甲醇箱内甲醇储量高于限定值，进入步骤二；否则进入步骤四；
步骤二：柴油ECU实时采集进气压力传感器、进气温度传感器、转速传感器、冷却液温度传感器、油门踏板位置传感器、排气温度传感器的信号判断当前所述双燃料发动机的工况；分别进入步骤(3a)、(3b)、(3c)、(3d)；
(3a)识别所述双燃料发动机处于冷启动或怠速工况时，柴油ECU将模式转换开关切换至纯柴油模式；甲醇ECU控制甲醇泵8的转速和甲醇轨压调压阀23的开度以确保甲醇轨的蓄压，在模式切换时提高响应速度，关闭EGR阀5和EGR冷却器3；
(3b)识别所述双燃料发动机处于低负荷工况时，柴油ECU将模式转换开关切换至双燃料模式；甲醇ECU控制甲醇泵8的转速和甲醇轨压调压阀23的开度，保证甲醇轨压力与进气歧管压力的相对值维持在0.4MPa附近，从甲醇ECU内的MAP图中查询EGR率，控制EGR阀5开度以低EGR率工作，EGR冷却器3关闭而不工作；
(3c)识别所述双燃料发动机处于中负荷工况时，柴油ECU将模式转换开关切换至双燃料模式；甲醇ECU控制甲醇泵的转速8和甲醇轨压调压阀23的开度，保证甲醇轨压力与进气歧管压力的相对值维持在0.4MPa附近，从甲醇ECU内的MAP图中查询EGR率，控制EGR阀5开度以中EGR率工作，EGR冷却器3关闭而不工作；
(3d)确定所述双燃料发动机处于高负荷工况时，柴油ECU将模式转换开关切换至双燃料模式；甲醇ECU控制甲醇泵8的转速和甲醇轨压调压阀23的开度，保证甲醇轨压力与进气歧管压力的相对值维持在0.4MPa附近，从甲醇ECU内的MAP图中查询EGR率，控制EGR阀5开度以高EGR率工作，EGR冷却器3开启并工作；
步骤四：柴油ECU将模式转换开关切换至纯柴油模式；发动机以纯柴油模式运行直至甲醇箱内甲醇储量高于限定值，进入步骤二。
具体实施例
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。
附图2所示为本发明的甲醇供给系统示意图，甲醇供给系统包括甲醇箱6、甲醇滤清器7、甲醇泵8、甲醇轨9、甲醇喷嘴14和甲醇轨压调压阀23；所述甲醇喷嘴14安装在EGR管道4入口之后的进气歧管15上，在双燃料模式时充分利用EGR管道4中的高温气体对通过甲醇喷嘴14喷入进气歧管15的甲醇加热。
附图4是本发明的控制系统总体结构示意图，控制系统由柴油ECU、甲醇ECU、传感器和CAN通讯组成。所述甲醇ECU和柴油ECU之间通过CAN通讯实现信号实时共享；所述甲醇ECU实时采集甲醇轨压传感器、甲醇箱液位传感器和甲醇温度传感器的信号，并控制甲醇轨压调压阀23的开度、甲醇泵8的转速、甲醇喷嘴14的喷醇正时和喷醇脉宽、EGR阀5的开度和EGR冷却器3的开关；所述柴油ECU实时采集进气压力传感器、进气温度传感器、转速传感器、冷却液温度传感器、油门踏板位置传感器和排气温度传感器的信号，并控制模式转换开关和柴油喷嘴的正时和脉宽，维持发动机的正常运行。
附图5是甲醇轨压与进气歧管压力关系示意图，所述甲醇ECU从柴油ECU中获得进气歧管15的压力，并通过控制甲醇泵8转速和甲醇轨压调压阀23的开度使甲醇轨9压力与进气歧管15压力的相对值恒定，维持在0.4MPa附近，这保证了每个循环中甲醇在进气歧管的雾化环境基本相同，减小了由于甲醇雾化质量不同而造成的功率波动，同时实现甲醇喷射量与喷醇脉宽成线性关系。
附图3所示，一种基于EGR技术的电控柴油-甲醇双燃料发动机控制方法，包括如下步骤：
(1)甲醇ECU实时采集甲醇轨压传感器、甲醇箱液位传感器和甲醇温度传感器的信号，判断甲醇箱内甲醇储量；若甲醇储量高于限定值，进入步骤(2)；否则，进入步骤(4)；
(2)柴油ECU实时采集进气压力传感器、转速传感器、冷却液温度传感器、油门踏板位置传感器、排气温度传感器的信号判断当前所述双燃料发动机的工况；分别进入步骤(3a)、(3b)、(3c)、(3d)；
(3a)在冷启动和怠速工况时，发动机以纯柴油模式运行；
(3b)在低负荷工况时，发动机以双燃料模式运行，采用低EGR率不冷却策略；
(3c)在中负荷工况时，发动机以双燃料模式运行，采用中EGR率不冷却策略；
(3d)在高负荷工况时，发动机以双燃料模式运行，采用高EGR率冷却策略；
(4)柴油ECU将模式转换开关切换至纯柴油模式；发动机以纯柴油模式运行直至甲醇箱内甲醇储量高于限定值，进入步骤(2)。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
