发动机进气温度与湿度协同控制方法与流程

发动机进气温度与湿度协同控制方法与流程

　　本发明涉及一种用于发动机全负荷工况下的进气温度与湿度协同控制方法。

　　背景技术

　　内燃机作为一种高效率的动力机械，被广泛应用于汽车、农机、国防、工业机械等各个领域。其中汽车产业发展迅速，2016年全国机动车保有量达到2.95亿辆，在国民经济产业中占有重要地位。内燃机具有污染物排放较高的特点，全国机动车排放污染物中，氮氧化物(nox)排放约为577.8万吨，颗粒物(pm)排放约为53.4万吨，是大气污染的主要来源之一。针对内燃机车排放问题，世界各地都有相应的排放法规对其进行约束，日趋严格的排放法规推动着内燃机的发展。在不牺牲油耗和可靠性的基础上降低内燃机尾气排放一直是高校和科研机构的研究热点。

　　进气温度与湿度对汽车发动机性能和排放影响很大：高的进气温度会使发动机充量密度下降，引起参与燃烧的空气减少，导致发动机功率下降，油耗增加，同时过高的进气温度会引起汽油机爆震倾向；而湿度的变化对发动机氮氧化物的排放有很大影响，有文献表明，含湿量为20g/kg时，发动机氮氧化物排放会较原机降低30％左右。而汽车发动机工作环境的复杂多变，这个特点大大增加了研发清洁发动机的工作量，以北京、上海、广州等地为例，北京冬季大气压102kpa，室外温度-12℃，含湿量0.6g/kg，夏季大气压99.8kpa，室外温度33.2℃，含湿量19.0g/kg；上海冬季大气压102.5kpa，室外温度-4℃，含湿量2.04g/kg，夏季大气压100.5kpa，室外温度34.0℃，含湿量21.7g/kg；广州冬季大气压101.9kpa，室外温度5℃，含湿量3.83g/kg，夏季大气压100.4kpa，室外温度33.5℃，含湿量21.10g/kg。不同时间不同地点的温度湿度与大气压差异巨大，所以发动机研发者需要在各种极端大气环境下进行试验，确保发动机在各种环境都能满足排放法规的同时保持较好的性能，这就大大增加了研发者的工作量，消耗了大量的人力物力。

　　目前发动机已有技术多侧重于对进气温度进行动态调节，并未考虑湿度，进气温度和湿度协同控制更是鲜有报道。

　　技术实现要素：

　　本发明的目的在于提供一种发动机进气温度与湿度协同控制方法，采用本方法可以在多变的大气环境下得到最优的发动机进气温度和湿度，可大幅度降低氮氧化物排放、成本较低。

　　本发明的技术方案是：

　　发动机进气温度与湿度协同控制方法，包括以下步骤：

　　步骤一、在发动机的进气管路上安装温度、湿度传感器、热交换器与喷水系统，所述的喷水系统包括喷水器，所述的喷水器的出口设置在进气管路内，所述的喷水器的入口与增压泵出口相连，所述的增压泵入口与水箱出口相连；

　　步骤二、系统运行开始时，电子控制单元接收发动机输出的发动机负荷信号，并进行判定，若发动机负荷大于最大负荷的50％，则判定为大负荷，否则判定为小负荷；

　　步骤三、在大负荷时，控制目标输出为低温度高湿度；小负荷时，控制目标输出为高温度低湿度；

　　步骤四、电子控制单元将接收的温度、湿度传感器输出的实际进气温度与设定值比较，若实际进气温度大于设定值，则向热交换器输出控制信号对进气进行冷却，否则进行加热；

　　步骤五、电子控制单元将接收的温度、湿度传感器输出的实际进气湿度与设定值比较，若实际进气湿度大于设定值，则向增压泵输出控制信号减少喷水量，否则增加喷水量；

　　步骤六、对温度和湿度进行调节后，将实际温度和湿度与设定值对比，若都等于设定值，则维持稳态，否则重新返回步骤四对温度和湿度进行调节。

　　本发明的优势在于：第一，在多变的大气环境下可得到最优的发动机进气温度和湿度，研发人员只需根据有限的温度湿度进行优化，大大减少研发成本；第二，在进气温度动态控制的基础上引入湿度控制，可大幅度降低氮氧化物排放；第三，无需对发动机机体进行改造，只需改造进气管路，成本较低。

　　附图说明

　　图1是本发明发动机进气温度与湿度协同控制方法的控制框图；

　　图2是应用本发明方法的发动机的结构示意图。

　　具体实施方式

　　下面结合附图和具体安装工作方式对本发明进行详细阐述。

　　本发明方法是在对现有发动机进行改进后进行实施应用的。

　　如图1所示本发明是在现有的发动机的基础上，在发动机的进气管路上增设温度、湿度传感器8，热交换器6与喷水系统。

　　改装后的发动机的结构为：

　　在发动机9的进气管路上按空气流动方向依次安装空气过滤器1、空气压缩机2、喷水器5、热交换器6和温度、湿度传感器8。喷水器5入口与增压泵4出口相连，增压泵4入口与水箱3出口相连。热交换器6具有加热和冷却功能。空气过滤器1入口通大气，出口接在空气压缩机2的入口。

　　在发动机9的出气管路上安装可变截面涡轮机10，发动机9排气口接在可变截面涡轮机10入口，可变截面涡轮机10出口通大气。

　　空气压缩机2和可变截面涡轮机10同轴连接，可将废气能量重新利用，对进气进行增压，且涡轮机横截面积可根据发动机负荷调整以保持合适的进气压力。

　　电子控制单元(ecu)7采集发动机负荷情况并通过温度、湿度传感器8采集进气的温度与湿度，经过处理后向喷水器5、热交换器6和可变截面涡轮机10输出控制信号，对进气状态进行控制，达到控制目标值后维持平衡。

　　如图2所示的本发明的发动机进气温度与湿度协同控制方法，包括以下步骤：

　　步骤一、在现有发动机基础上，在发动机的进气管路上安装温度、湿度传感器8、热交换器6与喷水系统，所述的喷水系统包括喷水器5，所述的喷水器的出口设置在进气管路内，所述的喷水器5的入口与增压泵4出口相连，所述的增压泵4入口与水箱3出口相连。

　　步骤二、系统运行开始时，电子控制单元(ecu)7接收发动机9输出的发动机负荷信号，并进行判定，若发动机负荷大于最大负荷的50％，则判定为大负荷，否则判定为小负荷。

　　步骤三、在大负荷时，控制目标输出为低温度高湿度；小负荷时，控制目标输出为高温度低湿度。

　　在大负荷时，循环喷油量较多，缸内最大爆发压力大，燃烧温度高，空燃比较小，氮氧化物排放较高。此时需要大量新鲜空气和较高进气湿度，则进气要求为低温度高湿度。在小负荷时，新鲜进气量充足，缸内温度较低，缸内燃油滞燃期较长，压升率较高，燃烧较为粗暴和不稳定。此时需要较高的进气温度和较低的湿度来缩短滞燃期，保持燃烧稳定。所以在大负荷时，控制目标输出为低温度高湿度；小负荷时，控制目标输出为高温度低湿度。由于大负荷时，增压器后空气温度较高，可达到80-90℃，此时需要较低进气温度，需要对进气进行冷却，可将目标温度设定为30-40℃，即在室温左右；而小负荷增压器后进气温度较低，此时需要较高进气温度，可以减少冷却或进行适当加热，可将小负荷的目标温度设定为50-60℃，即高于室温20-30℃。湿度目标值需要大于环境湿度，原因是气道喷水只能通过增加或减少喷水量对湿度进行调节，即只能在大于环境湿度的范围内进行调节。已知中国境内全年最大含湿量约为20g/kg，所以可将20g/kg设定为小负荷湿度控制目标值，将30-40g/kg设定为大负荷湿度控制目标值。具体的温度目标值和湿度目标值可以根据具体情况调节。

　　步骤四、电子控制单元将接收的温度、湿度传感器8输出的实际进气温度与设定值比较，若实际进气温度大于设定值，则向热交换器输出控制信号对进气进行冷却，否则进行加热；

　　步骤五、电子控制单元将接收的温度、湿度传感器8输出的实际进气湿度与设定值比较，若实际进气湿度大于设定值，则向增压泵输出控制信号减少喷水量，否则增加喷水量。

　　步骤六、对温度和湿度进行调节后，将实际温度和湿度与设定值对比，若都等于设定值，则维持稳态，否则重新返回步骤四对温度和湿度进行调节。

　　实施例

　　控制目标设定为：小负荷温度设定值为60℃，含湿量设定值为20g/kg；大负荷温度设定值为30℃，含湿量设定值为30g/kg。

　　进行控制时，首先ecu对发动机负荷率进行判断，结果显示负荷率小于最大负荷的50％，则判定为小负荷，则输出控制目标温度60℃，含湿量20g/kg。温度、湿度传感器采集进气状态，显示温度为40℃，含湿量为15g/kg。则ecu对采集得到的温度40℃与目标值60℃进行对比，结果显示小于目标值，则调节换热器对进气进行加热；接下来ecu对采集得到的含湿量15g/kg与目标值进行对比，结果显示小于目标值，则调节加压泵增加喷水量。接下来继续将采集得到的温度与湿度与目标值进行对比，直到与目标值相同后停止调节，维持稳态。

　　在运行过程中发动机状态从小负荷变化到大负荷，此时ecu对发动机负荷率进行判断，结果显示负荷率大于最大负荷的50％，则输出控制目标温度30℃，含湿量30g/kg。温度、湿度传感器采集进气状况，显示温度为60℃，含湿量为20g/kg。则ecu对采集得到的温度60℃与目标值30℃进行对比，结果显示大于目标值，则调节换热器对进气进行冷却；接下来ecu对采集得到的含湿量20g/kg与目标值进行对比，结果显示小于目标值，则调节加压泵增加喷水量。接下来继续将采集得到的温度与湿度与目标值进行对比，直到与目标值相同后停止调节。

　　若发动机状态从大负荷变化到小负荷，具体控制手段与以上情况类似。

　　经检测：采用此控制方法后，在全负荷范围内都可以将进气状态控制在目标值；尾气中氮氧化物排放在原机的基础上降低30％以上；小负荷循环波动系数减少，燃烧更加稳定；发动机输出功率与原机相当，油耗略有降低。

　　尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。