發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)全負(fù)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(nèi)燃機(jī)作為一種高效率的動(dòng)力機(jī)械，被廣泛應(yīng)用于汽車、農(nóng)機(jī)、國(guó)防、工業(yè)機(jī)械等各個(gè)領(lǐng)域。其中汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，2016年全國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)到2.95億輛，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)中占有重要地位。內(nèi)燃機(jī)具有污染物排放較高的特點(diǎn)，全國(guó)機(jī)動(dòng)車排放污染物中，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(duì)內(nèi)燃機(jī)車排放問(wèn)題，世界各地都有相應(yīng)的排放法規(guī)對(duì)其進(jìn)行約束，日趨嚴(yán)格的排放法規(guī)推動(dòng)著內(nèi)燃機(jī)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(jī)尾氣排放一直是高校和科研機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)。

　　進(jìn)氣溫度與濕度對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放影響很大：高的進(jìn)氣溫度會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)充量密度下降，引起參與燃燒的空氣減少，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)爆震傾向；而濕度的變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)氮氧化物排放會(huì)較原機(jī)降低30％左右。而汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境的復(fù)雜多變，這個(gè)特點(diǎn)大大增加了研發(fā)清潔發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)研發(fā)者需要在各種極端大氣環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)，確保發(fā)動(dòng)機(jī)在各種環(huán)境都能滿足排放法規(guī)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(jī)已有技術(shù)多側(cè)重于對(duì)進(jìn)氣溫度進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，并未考慮濕度，進(jìn)氣溫度和濕度協(xié)同控制更是鮮有報(bào)道。

　　技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

　　本發(fā)明的目的在于提供一種發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(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(jìn)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(yùn)行開始時(shí)，電子控制單元接收發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷信號(hào)，并進(jìn)行判定，若發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)，控制目標(biāo)輸出為低溫度高濕度；小負(fù)荷時(shí)，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(shí)際進(jìn)氣溫度與設(shè)定值比較，若實(shí)際進(jìn)氣溫度大于設(shè)定值，則向熱交換器輸出控制信號(hào)對(duì)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(shè)定值比較，若實(shí)際進(jìn)氣濕度大于設(shè)定值，則向增壓泵輸出控制信號(hào)減少噴水量，否則增加噴水量；

　　步驟六、對(duì)溫度和濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)后，將實(shí)際溫度和濕度與設(shè)定值對(duì)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(duì)溫度和濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

　　本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)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(jī)進(jìn)氣溫度和濕度，研發(fā)人員只需根據(jù)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(chǔ)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)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(jī)進(jìn)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(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。

　　具體實(shí)施方式

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

　　本發(fā)明方法是在對(duì)現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改進(jìn)后進(jìn)行實(shí)施應(yīng)用的。

　　如圖1所示本發(fā)明是在現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，在發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)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(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)為：

　　在發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)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(jī)2的入口。

　　在發(fā)動(dòng)機(jī)9的出氣管路上安裝可變截面渦輪機(jī)10，發(fā)動(dòng)機(jī)9排氣口接在可變截面渦輪機(jī)10入口，可變截面渦輪機(jī)10出口通大氣。

　　空氣壓縮機(jī)2和可變截面渦輪機(jī)10同軸連接，可將廢氣能量重新利用，對(duì)進(jìn)氣進(jìn)行增壓，且渦輪機(jī)橫截面積可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷調(diào)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(jī)負(fù)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(jī)10輸出控制信號(hào)，對(duì)進(jìn)氣狀態(tài)進(jìn)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(dòng)機(jī)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(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上，在發(fā)動(dòng)機(jī)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(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(jìn)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(yùn)行開始時(shí)，電子控制單元(ecu)7接收發(fā)動(dòng)機(jī)9輸出的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷信號(hào)，并進(jìn)行判定，若發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)，控制目標(biāo)輸出為低溫度高濕度；小負(fù)荷時(shí)，控制目標(biāo)輸出為高溫度低濕度。

　　在大負(fù)荷時(shí)，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(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(fù)荷時(shí)，新鮮進(jìn)氣量充足，缸內(nèi)溫度較低，缸內(nèi)燃油滯燃期較長(zhǎng)，壓升率較高，燃燒較為粗暴和不穩(wěn)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(wěn)定。所以在大負(fù)荷時(shí)，控制目標(biāo)輸出為低溫度高濕度；小負(fù)荷時(shí)，控制目標(biāo)輸出為高溫度低濕度。由于大負(fù)荷時(shí)，增壓器后空氣溫度較高，可達(dá)到80-90℃，此時(shí)需要較低進(jìn)氣溫度，需要對(duì)進(jìn)氣進(jìn)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(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(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(guò)增加或減少噴水量對(duì)濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)，即只能在大于環(huán)境濕度的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。已知中國(guó)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(shí)際進(jìn)氣溫度與設(shè)定值比較，若實(shí)際進(jìn)氣溫度大于設(shè)定值，則向熱交換器輸出控制信號(hào)對(duì)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(shè)定值比較，若實(shí)際進(jìn)氣濕度大于設(shè)定值，則向增壓泵輸出控制信號(hào)減少噴水量，否則增加噴水量。

　　步驟六、對(duì)溫度和濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)后，將實(shí)際溫度和濕度與設(shè)定值對(duì)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(duì)溫度和濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

　　實(shí)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(jìn)行控制時(shí)，首先ecu對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率進(jìn)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(jìn)氣狀態(tài)，顯示溫度為40℃，含濕量為15g/kg。則ecu對(duì)采集得到的溫度40℃與目標(biāo)值60℃進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示小于目標(biāo)值，則調(diào)節(jié)換熱器對(duì)進(jìn)氣進(jìn)行加熱；接下來(lái)ecu對(duì)采集得到的含濕量15g/kg與目標(biāo)值進(jìn)行對(duì)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(lái)繼續(xù)將采集得到的溫度與濕度與目標(biāo)值進(jìn)行對(duì)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(yùn)行過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)從小負(fù)荷變化到大負(fù)荷，此時(shí)ecu對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率進(jìn)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(jìn)氣狀況，顯示溫度為60℃，含濕量為20g/kg。則ecu對(duì)采集得到的溫度60℃與目標(biāo)值30℃進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示大于目標(biāo)值，則調(diào)節(jié)換熱器對(duì)進(jìn)氣進(jìn)行冷卻；接下來(lái)ecu對(duì)采集得到的含濕量20g/kg與目標(biāo)值進(jìn)行對(duì)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(lái)繼續(xù)將采集得到的溫度與濕度與目標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比，直到與目標(biāo)值相同后停止調(diào)節(jié)。

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

　　盡管上面結(jié)合附圖對(duì)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(quán)利要求所保護(hù)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(hù)范圍之內(nèi)。