基于缸压反馈的低碳-零碳燃料发动机燃烧闭环控制系统及方法

技术领域

本发明涉及的是一种发动机控制系统及控制方法。

背景技术

经济全球化推动了世界运输业的快速发展，也导致发动机尾气成为城市空气污染物的主要来源。对此国内外立法机构严格排放法规，迫使发动机制造商采取新的战略减少废气排放，发展清洁高效的低碳/零碳发动机技术。

稀薄燃烧是低碳/零碳燃料发动机的一项先进燃烧技术，有助于提高燃烧效率，降低NO

发明内容

本发明的目的在于提供有效改善低碳/零碳燃料发动机的燃烧稳定性、提高发动机动力性和热效率的基于缸压反馈的低碳-零碳燃料发动机燃烧闭环控制系统及方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明基于缸压反馈的低碳-零碳燃料发动机燃烧闭环控制系统，其特征是：包括低碳/零碳燃料发动机、信号采集系统、燃烧特征参数识别系统和电子控制系统ECS；

信号采集系统包括缸压传感器、并行式信号接收单元、集成式电荷放大单元、角标仪、脉冲信号发生器和信号采集卡；燃烧特征参数识别系统包括缸压信号滤波单元、燃烧特征参数计算单元和信号报警单元；ECS包括电子控制单元ECU、点火器、电源、点火线圈或引燃燃料供给单元、燃料喷射阀；

所述的低碳/零碳燃料发动机为点燃式或压燃式多缸发动机，配有角标仪，各气缸配有独立的燃料喷射阀、点火器和缸压传感器；所述角标仪安装于低碳/零碳燃料发动机一侧曲轴端面上，角标仪的外壳通过过度结构固定在低碳/零碳燃料发动机缸体上，角标仪的中心轴随曲轴同步旋转，用于产生上止点和曲轴转角信号；所述燃料喷射阀安装于低碳/零碳燃料发动机的进气歧管上；所述点火器垂直安装在低碳/零碳燃料发动机的气缸盖上，其中心轴线与气缸盖的中心轴线重合；所述缸压传感器为压电式传感器，安装在低碳/零碳燃料发动机的气缸盖上；

信号采集系统同时采集低碳/零碳燃料多缸发动机各缸的缸压信号；燃烧特征参数识别系统根据各缸的缸压信号，计算平均有效指示压力IMEP、燃烧始点CA5，燃烧重心CA50、燃烧持续期CA90和循环变动系数COV燃烧特征参数；ECS接收燃烧特征参数识别系统提取的特征参数后，基于燃烧特征参数的实际值和目标值，控制低碳/零碳燃料发动机的点火装置、燃料喷射规律和当量比条件，基于单缸燃烧状态优化燃烧相位和放热规律，提高低碳/零碳燃料发动机的燃烧稳定性和效率，改善发动机动力性、经济性和排放性。

本发明基于缸压反馈的低碳-零碳燃料发动机燃烧闭环控制系统还可以包括：

1、信号采集系统对低碳/零碳燃料多缸发动机全部气缸的缸压信号进行独立、并行采集以及集成式放大；集成式电荷放大单元有多输入和多输出通道，输入端依次连接各缸的缸压传感器，将微弱电荷信号转换成与其正比的电压信号；所述并行式信号接收单元是多通道输入的模数转换电路，将电压变换成与其正比的数字信号。

2、信号采集系统的信号采集频率由角标仪输出的脉冲信号决定；脉冲信号包括上止点和曲轴转角信号，以第一缸上止点为起始相位，经过每一固定时间步长产生一次触发脉冲信号；数据采集卡按照脉冲信号的触发间隔采集缸压信号，同步完成相位编码。

3、燃烧特征参数识别系统的缸压信号滤波单元，使用非抽样小波变换法对缸压信号的时间序列做滤波处理，剔除噪声干扰。

4、燃烧特征参数识别系统计算和提取的燃烧特征参数，包括平均有效指示压力IMEP、燃烧始点CA5、燃烧重心CA50、燃烧持续期CA90和循环变动系数COV参数。

5、ECS带有多路D/A通道，针对不同气缸的实际燃烧状况，独立控制单缸燃料喷射规律和点火规律，实现多反馈参数的联合控制和综合优化。

6、ECS输出控制信号的时序受低碳/零碳燃料发动机曲轴形状和点火顺序的影响；当发动机为六缸天然气发动机时，各缸点火顺序为1-5-3-6-2-4，1、6缸曲拐同侧，5、2缸曲拐同侧，3、4缸曲拐同侧，ECS同步输出1、6缸控制信号后，120℃A曲轴转角后同步输出5、2缸控制信号，240℃A曲轴转角后同步输出3、4缸控制信号，依次往复。

7、ECS控制低碳/零碳燃料发动机实现燃烧闭环的控制信号包括点火规律类信号和燃料喷射规律类信号；点火规律类信号受燃烧始点CA5、燃烧重心CA50和燃烧持续期CA90等与相位有关燃烧特征参数的影响，燃料喷射规律类信号受平均有效指示压力IMEP和最高爆发压力P

8、稀燃条件下，低碳/零碳燃料发动机燃烧循环间及气缸间的实际燃烧状态存在动态差异，ECS根据低碳/零碳燃料发动机单缸燃烧特征参数进行闭环控制，气缸间输入的控制信号相互独立、互不干扰，即各气缸对应的点火正时、燃料喷射量、燃料喷射正时等控制信号不一致，仅由对应气缸的实际燃烧状态决定。

本发明基于缸压反馈的低碳/零碳燃料发动机燃烧闭环控制方法，其特征是：

(1)发动机预启动期间设定低碳/零碳燃料所处的工况，具体表现为ECS系统根据低碳/零碳燃料发动机的转速和负荷查询开环map图，设定控制信号初值，包括节气门角度、点火能量、点火正时、燃料喷射正时、燃料喷射脉宽和燃料喷射速率；

(2)信号采集系统利用压电式缸压传感器和并行式信号接收单元采集全部气缸的压力信息，借助角标仪和脉冲信号对缸压信号的曲轴相位进行编码；

(3)燃烧特征参数识别系统对缸压时间序列进行滤波处理，去除噪声后的缸压时间序列，进入燃烧特征参数计算单元；

(4)燃烧特征参数计算单元对任务计算顺序赋值，定义N＝0为间隔符；

(5)定义N＝1，同时计算第1缸和第6缸的IMEP和P

(6)ECS分别控制第1、6缸的燃料喷射阀，按照修正后的燃料喷射规律，完成第1、6缸的燃料供给；

(7)定义N＝2，同时计算第1缸和第6缸的CA5、CA50、CA90燃烧特征参数，根据需要修正的燃烧特征参数，选择补偿算法；

(8)ECS分别控制第1、6缸的点火装置，按照修正后的点火规律，完成第1、6缸的点火器点火；

(9)定义N＝3,在1、6缸信号处理结束后，开启第5、2缸的闭环控制，并按照任务顺序进行计算。

本发明的优势在于：天然气、氨气和醇醚燃料等均为清洁燃料，普遍具有资源丰富、高效清洁等特点，但低碳/零碳燃料发动机受限于火焰传播速度慢，和空燃比范围狭窄，需针对缸内燃烧放热情况进行改善。

缸压信号富含丰富的燃烧信息，故针对缸压信号对发动机进行负反馈控制，是目前内燃机领域提高效率、改善排放和增强燃烧稳定性的有效手段。本发明基于CA50和IMEP双燃烧特征参数为基础的燃烧闭环控制策略，即保证低碳/零碳燃料发动机的动力性需求，又改善了低碳/零碳燃料发动机的燃烧合理性。本发明并行式采集和集成式放大的信号处理手段，使发明通过较低成本高效、准确的识别缸内压力变动情况，实现高转速下低碳/零碳燃料发动机的动态控制，显著提高低碳/零碳燃料发动机在稀燃条件下的性能表现。

此外本发明具备普遍适用性，应用单一燃料发动机时采用点火单元控制点火正时，通过控制燃料的喷射量和喷射规律，控制混合气的浓度和燃烧规律；推广至双燃料发动机时，则可通过控制高反应活性燃料喷射实现混合气活性和浓度耦合分层，控制混合气的着火正时和燃烧速率。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为本发明角标仪、燃料喷射阀、点火器、缸压传感器安装位置图；

图3为本发明滤波原理图；

图4为本发明补偿算法原理图；

图5为本发明的控制策略。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-5，本发明低碳/零碳燃料发动机燃烧闭环控制系统由低碳/零碳燃料发动机、信号采集系统、燃烧特征参数识别系统和电子控制系统(ECS)等构成。

所述低碳/零碳燃料发动机配有角标仪6，气缸数目大于1，各缸配有独立的燃料喷射阀1、点火器5和缸压传感器3；角标仪6安装位置如附图2所示，安装于低碳/零碳燃料发动机一侧的曲轴端面上，角标仪6的外壳通过过度结构固定在低碳/零碳燃料发动机缸体上，角标仪6的中心随曲轴7同步旋转，用于产生上止点和曲轴转角信号；所述燃料喷射阀1的安装位置如图3所示，安装于低碳/零碳燃料发动机的进气歧管2上；所述点火器5的安装位置如图3所示，垂直安装在低碳/零碳燃料发动机的气缸盖4上，其中心轴线与气缸盖4的中心轴线重合；所述缸压传感器3为压电式传感器，安装在低碳/零碳燃料发动机的气缸盖上4，如图3所示，传感器3端部表面靠近气缸盖4下表面，可有效避免产生通道效应；

所述信号采集系统由缸压传感器、并行式信号接收单元、集成式电荷放大单元、角标仪、脉冲信号发生器和信号采集卡组成；所述燃烧特征参数识别系统由缸压信号滤波单元、燃烧特征参数计算单元和信号报警单元组成；所述ECS由电子控制单元(ECU)、点火器、电源、点火线圈或引燃燃料供给单元、燃料喷射阀和线束等组成；

信号采集系统用于同时采集低碳/零碳燃料多缸发动机各缸的缸压信号；燃烧特征参数识别系统根据各缸的缸压信号，计算平均有效指示压力IMEP、燃烧始点CA5，燃烧重心CA50、燃烧持续期CA90和循环变动系数COV等燃烧特征参数；ECS接收燃烧特征参数识别系统提取的特征参数后，基于燃烧特征参数的实际值和目标值，控制低碳/零碳燃料发动机的点火装置、燃料喷射规律和当量比条件，基于单缸燃烧状态优化燃烧相位和放热规律，提高低碳/零碳燃料发动机的燃烧稳定性和效率，改善发动机动力性、经济性和排放性；

信号采集系统能够对低碳/零碳燃料多缸发动机全部气缸的缸压信号进行独立、并行采集以及集成式放大；所述集成式电荷放大单元有多输入和多输出通道，输入端依次连接各缸的缸压传感器，将微弱电荷信号转换成与其正比的电压信号；所述并行式信号接收单元是多通道输入的模数转换电路，将电压变换成与其正比的数字信号；

信号采集系统的信号采集频率由角标仪输出的脉冲信号决定；所述脉冲信号包括上止点和曲轴转角信号，以第一缸上止点为起始相位，经过每一固定时间步长产生一次触发脉冲信号；所述数据采集卡按照脉冲信号的触发间隔采集缸压信号，同步完成相位编码；

燃烧特征参数识别系统的缸压信号滤波单元，使用非抽样小波变换法对缸压信号的时间序列做滤波处理，剔除噪声干扰；

燃烧特征参数识别系统计算和提取的燃烧特征参数，包括但不限于平均有效指示压力IMEP、燃烧始点CA5，燃烧重心CA50、燃烧持续期CA90和循环变动系数COV等参数；

ECS带有多路D/A通道，可针对不同气缸的实际燃烧状况，独立控制单缸燃料喷射规律和点火规律，实现多反馈参数的联合控制和综合优化；

ECS输出控制信号的时序受低碳/零碳燃料发动机曲轴形状和点火顺序的影响；以实验室六缸天然气发动机为例(各缸点火顺序为1-5-3-6-2-4，1、6缸曲拐同侧，5、2缸曲拐同侧，3、4缸曲拐同侧)，ECS同步输出1、6缸控制信号后，120℃A曲轴转角后同步输出5、2缸控制信号，240℃A曲轴转角后同步输出3、4缸控制信号，依次往复；

ECS控制低碳/零碳燃料发动机实现燃烧闭环的控制信号分为点火规律类信号和燃料喷射规律类信号；所述点火规律类信号受燃烧始点CA5、燃烧重心CA50和燃烧持续期CA90等与相位有关燃烧特征参数的影响，所述燃料喷射规律类信号受平均有效指示压力IMEP和最高爆发压力P

稀燃条件下，由于受谐振、进气及流动损失的影响，所述低碳/零碳燃料发动机燃烧循环间及气缸间的实际燃烧状态存在动态差异，ECS根据低碳/零碳燃料发动机单缸燃烧特征参数进行闭环控制，气缸间输入的控制信号相互独立、互不干扰，即各气缸对应的点火正时、燃料喷射量、燃料喷射正时等控制信号不一致，仅由对应气缸的实际燃烧状态决定；

ECS控制低碳/零碳燃料发动机实现燃烧闭环过程中，采用压力类和相位类两种信号进行双闭环控制，例如：以CA50和IMEP双燃烧特征参数参数闭环为基础；点火规律类信号的控制核心是CA50燃烧状态参数闭环，在CA50燃烧状态参数闭环的基础上实现CA5、CA90和Φ

基于缸压反馈的低碳/零碳燃料发动机燃烧闭环控制系统及方法，实现燃烧闭环控制通过以下步骤：

1.发动机预启动期间设定低碳/零碳燃料所处的工况，具体表现为ECS系统根据低碳/零碳燃料发动机的转速和负荷查询开环map图，设定控制信号初值，包括节气门角度、点火能量、点火正时、燃料喷射正时、燃料喷射脉宽和燃料喷射速率等；

2.信号采集系统利用压电式缸压传感器和并行式信号接收单元采集全部气缸的压力信息，借助角标仪和脉冲信号对缸压信号的曲轴相位进行编码；

3.燃烧特征参数识别系统依据图5所示原理，对缸压时间序列进行滤波处理，去除噪声后的缸压时间序列，进入燃烧特征参数计算单元；

4.燃烧特征参数计算单元对任务计算顺序赋值，定义N＝0为间隔符；

5.定义N＝1，同时计算第1缸和第6缸的IMEP和P

补偿类算法的原理如图4所示，R表示燃烧特征参数目标值；r为燃烧特征参数实际值；e为误差；T为循环变动系数增益因子，受各燃烧特征参数的循环变动系数影响；O为补偿系数，受低碳/零碳燃料发动机需要修正的参数影响；PID和BP-PID分别是控制器和自适应控制器，PID负责使实际值快速逼近目标值，BP-PID负责使实际值与目标值的误差尽可能减小；

6.ECS分别控制第1、6缸的燃料喷射阀，按照修正后的燃料喷射规律，完成第1、6缸的燃料供给；

7.定义N＝2，同时计算第1缸和第6缸的CA5、CA50、CA90等燃烧特征参数，根据需要修正的燃烧特征参数，选择补偿算法；

8.ECS分别控制第1、6缸的点火装置，按照修正后的点火规律，完成第1、6缸的点火器点火；

9.定义N＝3,在1、6缸信号处理结束后，开启第5、2缸的闭环控制，并按照任务顺序进行计算；

值得强调的是，本发明应用单一燃料、点燃式发动机时采用点火单元控制点火正时，通过控制燃料喷射量和喷射规律，调控混合气的浓度和燃烧规律。而本发明应用至双燃料发动机时，仅需将控制单缸点火正时和点火能量等转变为控制单缸高反应活性燃料替代率和高反应活性燃料喷射正时等，即可实现单缸CA50燃烧特征参数闭环和其它相位类燃烧特征参数闭环；将控制单缸燃料喷射正时、喷射脉宽和喷射速率等转变为控制单缸低反应活性燃料喷射正时、喷射脉宽和喷射速率等，即可实现单缸IMEP燃烧特征参数闭环和其它做功类燃烧特征参数闭环。