發動機進氣溫度與濕度協同控制方法與流程
本發明涉及一種用于發動機全負荷工況下的進氣溫度與濕度協同控制方法。
背景技術
內燃機作為一種高效率的動力機械，被廣泛應用于汽車、農機、國防、工業機械等各個領域。其中汽車產業發展迅速，2016年全國機動車保有量達到2.95億輛，在國民經濟產業中占有重要地位。內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。針對內燃機車排放問題，世界各地都有相應的排放法規對其進行約束，日趨嚴格的排放法規推動著內燃機的發展。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。
進氣溫度與濕度對汽車發動機性能和排放影響很大：高的進氣溫度會使發動機充量密度下降，引起參與燃燒的空氣減少，導致發動機功率下降，油耗增加，同時過高的進氣溫度會引起汽油機爆震傾向；而濕度的變化對發動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，發動機氮氧化物排放會較原機降低30％左右。而汽車發動機工作環境的復雜多變，這個特點大大增加了研發清潔發動機的工作量，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，所以發動機研發者需要在各種極端大氣環境下進行試驗，確保發動機在各種環境都能滿足排放法規的同時保持較好的性能，這就大大增加了研發者的工作量，消耗了大量的人力物力。
目前發動機已有技術多側重于對進氣溫度進行動態調節，并未考慮濕度，進氣溫度和濕度協同控制更是鮮有報道。
技術實現要素：
本發明的目的在于提供一種發動機進氣溫度與濕度協同控制方法，采用本方法可以在多變的大氣環境下得到最優的發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。
本發明的技術方案是：
發動機進氣溫度與濕度協同控制方法，包括以下步驟：
步驟一、在發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，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、系統運行開始時，電子控制單元接收發動機輸出的發動機負荷信號，并進行判定，若發動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，控制目標輸出為低溫度高濕度；小負荷時，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際進氣溫度與設定值比較，若實際進氣溫度大于設定值，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定值比較，若實際進氣濕度大于設定值，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節后，將實際溫度和濕度與設定值對比，若都等于設定值，則維持穩態，否則重新返回步驟四對溫度和濕度進行調節。
本發明的優勢在于：第一，在多變的大氣環境下可得到最優的發動機進氣溫度和濕度，研發人員只需根據有限的溫度濕度進行優化，大大減少研發成本；第二，在進氣溫度動態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，無需對發動機機體進行改造，只需改造進氣管路，成本較低。
附圖說明
圖1是本發明發動機進氣溫度與濕度協同控制方法的控制框圖；
圖2是應用本發明方法的發動機的結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體安裝工作方式對本發明進行詳細闡述。
本發明方法是在對現有發動機進行改進后進行實施應用的。
如圖1所示本發明是在現有的發動機的基礎上，在發動機的進氣管路上增設溫度、濕度傳感器8，熱交換器6與噴水系統。
改裝后的發動機的結構為：
在發動機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。
在發動機9的出氣管路上安裝可變截面渦輪機10，發動機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發動機負荷調整以保持合適的進氣壓力。
電子控制單元(ecu)7采集發動機負荷情況并通過溫度、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，對進氣狀態進行控制，達到控制目標值后維持平衡。
如圖2所示的本發明的發動機進氣溫度與濕度協同控制方法，包括以下步驟：
步驟一、在現有發動機基礎上，在發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，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、系統運行開始時，電子控制單元(ecu)7接收發動機9輸出的發動機負荷信號，并進行判定，若發動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，控制目標輸出為低溫度高濕度；小負荷時，控制目標輸出為高溫度低濕度。
在大負荷時，循環噴油量較多，缸內最大爆發壓力大，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。在小負荷時，新鮮進氣量充足，缸內溫度較低，缸內燃油滯燃期較長，壓升率較高，燃燒較為粗暴和不穩定。此時需要較高的進氣溫度和較低的濕度來縮短滯燃期，保持燃燒穩定。所以在大負荷時，控制目標輸出為低溫度高濕度；小負荷時，控制目標輸出為高溫度低濕度。由于大負荷時，增壓器后空氣溫度較高，可達到80-90℃，此時需要較低進氣溫度，需要對進氣進行冷卻，可將目標溫度設定為30-40℃，即在室溫左右；而小負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節，即只能在大于環境濕度的范圍內進行調節。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輸出的實際進氣溫度與設定值比較，若實際進氣溫度大于設定值，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定值比較，若實際進氣濕度大于設定值，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節后，將實際溫度和濕度與設定值對比，若都等于設定值，則維持穩態，否則重新返回步驟四對溫度和濕度進行調節。
實施例
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。
進行控制時，首先ecu對發動機負荷率進行判斷，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、濕度傳感器采集進氣狀態，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℃進行對比，結果顯示小于目標值，則調節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與目標值進行對比，結果顯示小于目標值，則調節加壓泵增加噴水量。接下來繼續將采集得到的溫度與濕度與目標值進行對比，直到與目標值相同后停止調節，維持穩態。
在運行過程中發動機狀態從小負荷變化到大負荷，此時ecu對發動機負荷率進行判斷，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℃進行對比，結果顯示大于目標值，則調節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與目標值進行對比，結果顯示小于目標值，則調節加壓泵增加噴水量。接下來繼續將采集得到的溫度與濕度與目標值進行對比，直到與目標值相同后停止調節。
若發動機狀態從大負荷變化到小負荷，具體控制手段與以上情況類似。
經檢測：采用此控制方法后，在全負荷范圍內都可以將進氣狀態控制在目標值；尾氣中氮氧化物排放在原機的基礎上降低30％以上；小負荷循環波動系數減少，燃燒更加穩定；發動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明的優選實施例進行了描述，但是本發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，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發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，這些均屬于本發明的保護范圍之內。
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