發(fā)動機進氣溫度與濕度協(xié)同控制方法與流程

　　本發(fā)明涉及一種用于發(fā)動機全負(fù)荷工況下的進氣溫度與濕度協(xié)同控制方法。

　　背景技術(shù)

　　內(nèi)燃機作為一種高效率的動力機械，被廣泛應(yīng)用于汽車、農(nóng)機、國防、工業(yè)機械等各個領(lǐng)域。其中汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，2016年全國機動車保有量達(dá)到2.95億輛，在國民經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)中占有重要地位。內(nèi)燃機具有污染物排放較高的特點，全國機動車排放污染物中，氮氧化物(nox)排放約為577.8萬噸，顆粒物(pm)排放約為53.4萬噸，是大氣污染的主要來源之一。針對內(nèi)燃機車排放問題，世界各地都有相應(yīng)的排放法規(guī)對其進行約束，日趨嚴(yán)格的排放法規(guī)推動著內(nèi)燃機的發(fā)展。在不犧牲油耗和可靠性的基礎(chǔ)上降低內(nèi)燃機尾氣排放一直是高校和科研機構(gòu)的研究熱點。

　　進氣溫度與濕度對汽車發(fā)動機性能和排放影響很大：高的進氣溫度會使發(fā)動機充量密度下降，引起參與燃燒的空氣減少，導(dǎo)致發(fā)動機功率下降，油耗增加，同時過高的進氣溫度會引起汽油機爆震傾向；而濕度的變化對發(fā)動機氮氧化物的排放有很大影響，有文獻(xiàn)表明，含濕量為20g/kg時，發(fā)動機氮氧化物排放會較原機降低30％左右。而汽車發(fā)動機工作環(huán)境的復(fù)雜多變，這個特點大大增加了研發(fā)清潔發(fā)動機的工作量，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。不同時間不同地點的溫度濕度與大氣壓差異巨大，所以發(fā)動機研發(fā)者需要在各種極端大氣環(huán)境下進行試驗，確保發(fā)動機在各種環(huán)境都能滿足排放法規(guī)的同時保持較好的性能，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)動機已有技術(shù)多側(cè)重于對進氣溫度進行動態(tài)調(diào)節(jié)，并未考慮濕度，進氣溫度和濕度協(xié)同控制更是鮮有報道。

　　技術(shù)實現(xiàn)要素：

　　本發(fā)明的目的在于提供一種發(fā)動機進氣溫度與濕度協(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)動機進氣溫度和濕度，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)動機進氣溫度與濕度協(xié)同控制方法，包括以下步驟：

　　步驟一、在發(fā)動機的進氣管路上安裝溫度、濕度傳感器、熱交換器與噴水系統(tǒng)，所述的噴水系統(tǒng)包括噴水器，所述的噴水器的出口設(shè)置在進氣管路內(nèi)，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(tǒng)運行開始時，電子控制單元接收發(fā)動機輸出的發(fā)動機負(fù)荷信號，并進行判定，若發(fā)動機負(fù)荷大于最大負(fù)荷的50％，則判定為大負(fù)荷，否則判定為小負(fù)荷；

　　步驟三、在大負(fù)荷時，控制目標(biāo)輸出為低溫度高濕度；小負(fù)荷時，控制目標(biāo)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際進氣溫度與設(shè)定值比較，若實際進氣溫度大于設(shè)定值，則向熱交換器輸出控制信號對進氣進行冷卻，否則進行加熱；

　　步驟五、電子控制單元將接收的溫度、濕度傳感器輸出的實際進氣濕度與設(shè)定值比較，若實際進氣濕度大于設(shè)定值，則向增壓泵輸出控制信號減少噴水量，否則增加噴水量；

　　步驟六、對溫度和濕度進行調(diào)節(jié)后，將實際溫度和濕度與設(shè)定值對比，若都等于設(shè)定值，則維持穩(wěn)態(tài)，否則重新返回步驟四對溫度和濕度進行調(diào)節(jié)。

　　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)動機進氣溫度和濕度，研發(fā)人員只需根據(jù)有限的溫度濕度進行優(yōu)化，大大減少研發(fā)成本；第二，在進氣溫度動態(tài)控制的基礎(chǔ)上引入濕度控制，可大幅度降低氮氧化物排放；第三，無需對發(fā)動機機體進行改造，只需改造進氣管路，成本較低。

　　附圖說明

　　圖1是本發(fā)明發(fā)動機進氣溫度與濕度協(xié)同控制方法的控制框圖；

　　圖2是應(yīng)用本發(fā)明方法的發(fā)動機的結(jié)構(gòu)示意圖。

　　具體實施方式

　　下面結(jié)合附圖和具體安裝工作方式對本發(fā)明進行詳細(xì)闡述。

　　本發(fā)明方法是在對現(xiàn)有發(fā)動機進行改進后進行實施應(yīng)用的。

　　如圖1所示本發(fā)明是在現(xiàn)有的發(fā)動機的基礎(chǔ)上，在發(fā)動機的進氣管路上增設(shè)溫度、濕度傳感器8，熱交換器6與噴水系統(tǒng)。

　　改裝后的發(fā)動機的結(jié)構(gòu)為：

　　在發(fā)動機9的進氣管路上按空氣流動方向依次安裝空氣過濾器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。空氣過濾器1入口通大氣，出口接在空氣壓縮機2的入口。

　　在發(fā)動機9的出氣管路上安裝可變截面渦輪機10，發(fā)動機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，對進氣進行增壓，且渦輪機橫截面積可根據(jù)發(fā)動機負(fù)荷調(diào)整以保持合適的進氣壓力。

　　電子控制單元(ecu)7采集發(fā)動機負(fù)荷情況并通過溫度、濕度傳感器8采集進氣的溫度與濕度，經(jīng)過處理后向噴水器5、熱交換器6和可變截面渦輪機10輸出控制信號，對進氣狀態(tài)進行控制，達(dá)到控制目標(biāo)值后維持平衡。

　　如圖2所示的本發(fā)明的發(fā)動機進氣溫度與濕度協(xié)同控制方法，包括以下步驟：

　　步驟一、在現(xiàn)有發(fā)動機基礎(chǔ)上，在發(fā)動機的進氣管路上安裝溫度、濕度傳感器8、熱交換器6與噴水系統(tǒng)，所述的噴水系統(tǒng)包括噴水器5，所述的噴水器的出口設(shè)置在進氣管路內(nèi)，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(tǒng)運行開始時，電子控制單元(ecu)7接收發(fā)動機9輸出的發(fā)動機負(fù)荷信號，并進行判定，若發(fā)動機負(fù)荷大于最大負(fù)荷的50％，則判定為大負(fù)荷，否則判定為小負(fù)荷。

　　步驟三、在大負(fù)荷時，控制目標(biāo)輸出為低溫度高濕度；小負(fù)荷時，控制目標(biāo)輸出為高溫度低濕度。

　　在大負(fù)荷時，循環(huán)噴油量較多，缸內(nèi)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。此時需要大量新鮮空氣和較高進氣濕度，則進氣要求為低溫度高濕度。在小負(fù)荷時，新鮮進氣量充足，缸內(nèi)溫度較低，缸內(nèi)燃油滯燃期較長，壓升率較高，燃燒較為粗暴和不穩(wěn)定。此時需要較高的進氣溫度和較低的濕度來縮短滯燃期，保持燃燒穩(wěn)定。所以在大負(fù)荷時，控制目標(biāo)輸出為低溫度高濕度；小負(fù)荷時，控制目標(biāo)輸出為高溫度低濕度。由于大負(fù)荷時，增壓器后空氣溫度較高，可達(dá)到80-90℃，此時需要較低進氣溫度，需要對進氣進行冷卻，可將目標(biāo)溫度設(shè)定為30-40℃，即在室溫左右；而小負(fù)荷增壓器后進氣溫度較低，此時需要較高進氣溫度，可以減少冷卻或進行適當(dāng)加熱，可將小負(fù)荷的目標(biāo)溫度設(shè)定為50-60℃，即高于室溫20-30℃。濕度目標(biāo)值需要大于環(huán)境濕度，原因是氣道噴水只能通過增加或減少噴水量對濕度進行調(diào)節(jié)，即只能在大于環(huán)境濕度的范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)。已知中國境內(nèi)全年最大含濕量約為20g/kg，所以可將20g/kg設(shè)定為小負(fù)荷濕度控制目標(biāo)值，將30-40g/kg設(shè)定為大負(fù)荷濕度控制目標(biāo)值。具體的溫度目標(biāo)值和濕度目標(biāo)值可以根據(jù)具體情況調(diào)節(jié)。

　　步驟四、電子控制單元將接收的溫度、濕度傳感器8輸出的實際進氣溫度與設(shè)定值比較，若實際進氣溫度大于設(shè)定值，則向熱交換器輸出控制信號對進氣進行冷卻，否則進行加熱；

　　步驟五、電子控制單元將接收的溫度、濕度傳感器8輸出的實際進氣濕度與設(shè)定值比較，若實際進氣濕度大于設(shè)定值，則向增壓泵輸出控制信號減少噴水量，否則增加噴水量。

　　步驟六、對溫度和濕度進行調(diào)節(jié)后，將實際溫度和濕度與設(shè)定值對比，若都等于設(shè)定值，則維持穩(wěn)態(tài)，否則重新返回步驟四對溫度和濕度進行調(diào)節(jié)。

　　實施例

　　控制目標(biāo)設(shè)定為：小負(fù)荷溫度設(shè)定值為60℃，含濕量設(shè)定值為20g/kg；大負(fù)荷溫度設(shè)定值為30℃，含濕量設(shè)定值為30g/kg。

　　進行控制時，首先ecu對發(fā)動機負(fù)荷率進行判斷，結(jié)果顯示負(fù)荷率小于最大負(fù)荷的50％，則判定為小負(fù)荷，則輸出控制目標(biāo)溫度60℃，含濕量20g/kg。溫度、濕度傳感器采集進氣狀態(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(biāo)值60℃進行對比，結(jié)果顯示小于目標(biāo)值，則調(diào)節(jié)換熱器對進氣進行加熱；接下來ecu對采集得到的含濕量15g/kg與目標(biāo)值進行對比，結(jié)果顯示小于目標(biāo)值，則調(diào)節(jié)加壓泵增加噴水量。接下來繼續(xù)將采集得到的溫度與濕度與目標(biāo)值進行對比，直到與目標(biāo)值相同后停止調(diào)節(jié)，維持穩(wěn)態(tài)。

　　在運行過程中發(fā)動機狀態(tài)從小負(fù)荷變化到大負(fù)荷，此時ecu對發(fā)動機負(fù)荷率進行判斷，結(jié)果顯示負(fù)荷率大于最大負(fù)荷的50％，則輸出控制目標(biāo)溫度30℃，含濕量30g/kg。溫度、濕度傳感器采集進氣狀況，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(biāo)值30℃進行對比，結(jié)果顯示大于目標(biāo)值，則調(diào)節(jié)換熱器對進氣進行冷卻；接下來ecu對采集得到的含濕量20g/kg與目標(biāo)值進行對比，結(jié)果顯示小于目標(biāo)值，則調(diào)節(jié)加壓泵增加噴水量。接下來繼續(xù)將采集得到的溫度與濕度與目標(biāo)值進行對比，直到與目標(biāo)值相同后停止調(diào)節(jié)。

　　若發(fā)動機狀態(tài)從大負(fù)荷變化到小負(fù)荷，具體控制手段與以上情況類似。

　　經(jīng)檢測：采用此控制方法后，在全負(fù)荷范圍內(nèi)都可以將進氣狀態(tài)控制在目標(biāo)值；尾氣中氮氧化物排放在原機的基礎(chǔ)上降低30％以上；小負(fù)荷循環(huán)波動系數(shù)減少，燃燒更加穩(wěn)定；發(fā)動機輸出功率與原機相當(dāng)，油耗略有降低。

　　盡管上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式，上述的具體實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(quán)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(nèi)。