CN101975118B - 基于缸内燃料双喷射的乘用车发动机排放控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及乘用车发动机。为改善NOx和碳烟之间的trade-off关系，使柴油机排放满足严格的排放法规，本发明采取的技术方案是，基于缸内燃料双喷射的乘用车发动机排放控制方法及装置，基于缸内燃料双喷射，并借助于发动机ECU实现，并包括以下步骤：(1)发动机的ECU分别读取安装在发动机曲轴上的转速传感器给出的转速信号和安装在油门踏板上的传感器给出的发动机负荷信号；(2)控制两种燃料较早喷射，使在燃烧开始前两种燃料都已与空气形成较为均匀的混合气；(3)只采用柴油机氧化催化剂Diesel Oxidation Catalyst后处理器，缩写DOC。本发明主要应用于改善乘用车发动机排放。

Description

基于缸内燃料双喷射的乘用车发动机排放控制方法及装置

技术领域

本发明涉及乘用车发动机，特别基于缸内燃料双喷射的乘用车发动机排放控制方法及装置。

背景技术

传统柴油机的燃烧过程属于扩散燃烧，由于柴油燃料特性及缸内温度、压力等条件决定，柴油喷射后到着火之前所经历的滞燃期很短，造成燃料与空气混合不充分，因此在燃烧室内产生了局部过浓的区域和局部高温的区域。这种高温区和局部过浓区的存在不可避免地会带来氮氧化物NO_X和碳烟的生成，并且这两种排放物之间存在一种此消彼长的trade-off关系。因此，如何改善NOx和碳烟之间的trade-off关系是柴油机满足严格排放法规的一个关键技术措施。

发明内容

为克服现有技术的不足，提供一种基于缸内燃料双喷射的乘用车发动机排放控制方法，改善NOx和碳烟之间的trade-off关系，使柴油机排放满足严格的排放法规。为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，基于缸内燃料双喷射，并借助于发动机电子控制单元ECU即Electronic Control Unit，实现，并包括以下步骤：

(1)发动机的ECU分别读取安装在发动机曲轴上的转速传感器给出的转速信号和安装在油门踏板上的传感器给出的发动机负荷信号，并根据上述发动机转速和负荷信号判断发动机运行在中低负荷、中高负荷还是大负荷工况；

(2)如果步骤(1)中的判断结果为中低负荷工况，则ECU根据已经标定过的一种高十六烷值、一种低十六烷值两种燃料的控制脉谱MAP，控制两种燃料较早喷射，使在燃烧开始前两种燃料都已与空气形成较为均匀的混合气，即燃烧过程为均质压燃燃烧过程；在中低负荷燃料早喷的情况下，两种燃料均采用单次喷射策略，且两种燃料的喷射时刻接近，由于两个喷射器安装呈一定的角度相对，其喷孔的轴线相交，因此从两个喷射器中喷出的燃料能够在燃烧室内形成碰撞，加速混合并且减少燃料的湿壁现象；随负荷增大，高十六烷值燃料的喷射量占总喷射量的比例逐渐减小，并逐渐引入一定的废气再循环EGR即Exhaust Gas Recirculation，以实现适应工况的低排放燃烧控制；

(3)如果步骤(1)中的判断结果为中高负荷工况，则发动机的ECU根据标定好的控制MAP，控制每种燃料的喷射时刻、喷射次数和喷射量，即对每种燃料都采用多次喷射的喷射策略，通过两种不同特性燃料多次喷射参数的优化组合控制，来实现缸内混合气浓度和燃料成分的可控分层分布，同时根据工况来控制EGR率，从而实现对缸内燃烧过程的合理组织，大大减少NOx和微粒等有害排放的生成，实现中高负荷工况高效、低排放的分层压燃燃烧过程；

(4)如果步骤(1)中的判断结果为大负荷工况，在燃烧方式上采用传统柴油机的燃烧方式，并采用两种燃料的灵活喷射，保证发动机功率输出的同时改善排放；

(5)不使用NOx后处理器和颗粒捕集器，只采用柴油机氧化催化剂Diesel Oxidation Catalyst后处理器，缩写DOC。

一种缸内燃料双喷射的乘用车发动机排放控制装置，基于缸内燃料双喷射对排放进行控制，发动机的缸盖上安装两个燃料喷射器，分别连接到两套独立的供油管路，用于喷射两种不同特性的燃料，两个燃料喷射器呈一定的角度相对安装，且其喷孔的轴线相交，两个燃料喷射器连接到一个ECU，ECU控制两个喷射器的喷射次数，每次喷射脉宽即喷射量和每次喷射时刻，同时接收转速和油门踏板信号，并根据上述信号判断发动机当前所处的运行工况。

本发明具备如下技术效果：

(1)在中低负荷工况下，采用单次喷射策略将燃油较早地喷入缸内，实现均质压燃燃烧方式，并引入一定量的EGR，实现高效、清洁的燃烧；

(2)在中高负荷工况下，对每种燃料都采用多次喷射的喷射策略，通过两种不同特性燃料多次喷射参数的优化组合控制，来实现缸内混合气浓度和燃料成分的可控分层分布，同时根据工况来控制EGR率，从而实现对缸内燃烧过程的合理组织，大大减少NOx和碳烟等有害排放的生成，实现中高负荷工况高效、低排放的分层压燃燃烧过程；

(3)虽然在大负荷工况下燃烧方式上采用传统柴油机的燃烧方式，但由于采用了两种燃料的灵活喷射，因此相对传统的单燃料柴油机，在混合气的组织和燃烧控制上也更为方便，可以改善发动机的排放；

(4)在不使用NOx后处理器和颗粒捕集器，只采用DOC后处理器条件下可以满足欧6以后排放法规的要求。

附图说明

图1控制结构示意图。图中，1喷油器1；2.喷油器2；3.缸盖；4.燃烧室；5.喷油器1轴线；6.喷油器2轴线；喷油器1喷孔轴线；8.喷油器2喷孔轴线。

图2控制原理框图。

图3发动机运行过程框图。

具体实施方式

控制混合气的浓度和燃料特性分布是实现发动机高效、低排放的有效手段。通过采用灵活的燃料特性，结合喷射策略优化，EGR控制等措施，可以获得适当的滞燃期，改善混合质量和减少局部过浓区，并根据工况组织合理的燃烧方式，同时减少NOx和碳烟的生成。

缸内燃料双喷射能够实现缸内混合气浓度和燃料特性的实时控制，目前先进的电控燃油喷射技术为这种控制的实现提供了技术保证。根据工况特点向发动机缸内喷射两种不同性质的燃料(不同十六烷值、自燃温度、饱和蒸汽压和沸点等)，并对两种燃料的喷射策略进行优化，结合EGR等控制，能够控制缸内的混合特性、着火特性，从而实现对燃烧过程的优化组织，达到同时降低NOx和碳烟排放的效果。

这种双燃料缸内喷射的方法非常适用于乘用车发动机的排放控制。乘用车发动机的常用工况主要分布在50％以下负荷，在这类工况下，一方面通过两种燃料的控制可以实现均质压燃HCCI即Homogeneous Charge Compression Ignition等新型高效低排放燃烧方式，不会受到爆震等限制，并且由于低负荷工况空燃比较高，即使引入较多的EGR也不会明显影响到碳烟排放；另一方面，在较高负荷工况，可以通过燃料喷射的灵活性，组织有EGR参与的分层压燃SCCI即Stratified Charge Compression Ignition燃烧过程，达到降低排放的目的；而在全负荷的情况下，为了保证发动机的动力性，在燃烧组织上采用传统的压燃燃烧方式，由于采用了两种燃料的灵活喷射，因此相对于传统单燃料的柴油机，在混合气的组织和燃烧控制上也更为方便，可以改善发动机的排放。

乘用车发动机采用这种缸内燃料双喷射的方法在只安装DOC后处理器的情况下可以满足欧6及更为严格的排放法规的要求，大大简化了对复杂且昂贵的后处理器(如SCR、DPF等)的要求。

本发明的基于缸内燃料双喷射的乘用车发动机排放控制方法，包括以下步骤：

(1)发动机的ECU分别读取安装在发动机曲轴上的转速传感器给出的转速信号和安装在油门踏板上的传感器给出的发动机负荷信号，并根据上述发动机转速和负荷信号判断发动机运行在中低负荷、中高负荷还是大负荷工况；

(2)如果步骤(1)中的判断结果为中低负荷工况，则ECU根据已经标定过的两种燃料(一种高十六烷值、一种低十六烷值)的控制MAP，控制两种燃料较早喷射，使在燃烧开始前两种燃料都已与空气形成较为均匀的混合气，即燃烧过程为均质压燃燃烧过程，从而实现超低的NOx和碳烟排放；在这种中低负荷燃料早喷的情况下，两种燃料均采用单次喷射策略，且两种燃料的喷射时刻接近，由于两个喷射器安装呈一定的角度相对，其喷孔的轴线相交，因此从两个喷射器中喷出的燃料能够在燃烧室内形成碰撞，加速混合并且减少燃料的湿壁现象；随负荷增大，高十六烷值燃料的喷射量占总喷射量的比例逐渐减小，并逐渐引入一定的EGR以实现适应工况的低排放燃烧控制；

(3)如果步骤(1)中的判断结果为中高负荷工况，则发动机的ECU根据标定好的控制MAP，控制每种燃料的喷射时刻、喷射次数和喷射量，即对每种燃料都采用多次喷射的喷射策略，通过两种不同特性燃料多次喷射参数的优化组合控制，来实现缸内混合气浓度和燃料成分的可控分层分布，同时根据工况来控制EGR率，从而实现对缸内燃烧过程的合理组织，大大减少NOx和碳烟等有害排放的生成，实现中高负荷工况高效、低排放的分层压燃燃烧过程；

(4)如果步骤(1)中的判断结果为大负荷工况，这对于乘用车发动机来说，这类工况主要是为了满足功率输出的需要，不是常用工况。此时为了保证发动机的动力性，在燃烧组织上采用传统的压燃燃烧方式。虽然在燃烧方式上采用传统柴油机的燃烧方式，但由于采用了两种燃料的灵活喷射，因此相对传统的单燃料柴油机，在混合气的组织和燃烧控制上也更为方便，可以改善发动机的排放；

(5)本方法针对乘用车发动机常用工况以中低负荷为主的特点，通过缸内燃料双喷射的灵活控制和EGR技术，在乘用车发动机的常用工况采用高效、低排放均质压燃、分层压燃等燃烧方式，实现发动机的低排放，在其他工况通过双燃料燃烧过程的灵活组织，也可以获得排放的改善。因此，本方法应用于乘用车发动机，在不使用NOx后处理器和颗粒捕集器，只采用DOC后处理器条件下可以满足欧6以后排放法规的要求。

下面结合附图和实施例进一步详细说明本发明。

图1，2所示为本发明的一种基于缸内燃料双喷射的乘用车发动机排放控制方法。压燃式发动机的缸盖上安装两个燃料喷射器1和2，分别连接到两套独立的供油管路，用于喷射两种不同特性的燃料(一种高十六烷值燃料和一种低十六烷值燃料)。两个喷射器呈一定的角度相对安装，且其喷孔的轴线7和8相交，因此从两个喷射器中喷出的燃料能够在燃烧室4内形成碰撞，即在燃料喷射过程中实现两种燃料的快速雾化和混合。两种燃料的喷射由ECU控制，两个喷射器的喷射时刻，喷射次数，每次喷射脉宽(喷射量)和每次喷射时刻均可以通过ECU进行调整，并且由于两种燃料的供给是相互独立的，因此两种燃料的喷射压力也可以分别控制。在实际应用中，根据两种燃料的特性，高十六烷值喷射器1采用较高的喷油压力(1000-1800bar)，而低十六烷值喷射器2采用近似或略高于直喷汽油机的喷射压力(200-500bar)。因此，通过两种不同特性燃料的喷射策略优化，可以实现对缸内混合气浓度分布及燃料特性分布的控制，以适应不同工况的燃烧组织对混合气特性的要求。

如图3所示，在发动机运行过程中，ECU根据接收的转速和油门踏板信号(对应发动机的负荷)，并根据上述信号判断发动机当前所处的运行工况。

如果判断结果为中低负荷状态，则ECU根据已经标定过两种燃料(一种高十六烷值、一种低十六烷值)的控制MAP，控制两种燃料较早喷入缸内，在燃烧开始前两种燃料都已与空气形成较为均匀的稀混合气，即燃烧过程采用均质压燃燃烧过程，整体和局部的当量比均较小，从而实现超低的NOx和碳烟排放。在这种中低负荷燃料早喷的情况下，两种燃料均采用单次喷射的喷油策略即可满足要求，且两个喷油器的打开时刻相近，因此从两个喷油器喷出的燃油可以在缸内形成碰撞而加速混合，并可以减少燃料的湿壁现象。随负荷逐渐增大，由于高十六烷值的燃料滞燃期短，当量比升高容易引起碳烟排放的升高，故降低高十六烷值燃料在总喷射量中所占的比例。由于负荷升高，缸内燃烧温度逐步上升，NO_X排放会随之升高，此时需要逐渐引入一定量的EGR以降低缸内最高燃烧温度来抑制NO_X的生成，这样即可实现适应工况的低排放燃烧控制。

如果判断结果为中高负荷工况，则发动机的ECU根据标定好的控制MAP，在增加缸内燃油总量的同时进一步降低高十六烷值燃料所占的比例，喷射器2预喷射一定量的低十六烷值燃料，其余的低十六烷值燃料和高十六烷值燃料在上止点附近喷入缸内。在这种控制策略下，低十六烷值燃料为主要燃料，由于其滞燃期长，燃料与空气混合较均匀，燃烧迅速且集中在上止点附近，可以获得较高的热效率；由于大大减少了浓混合区的存在，碳烟排放可以得到有效控制，并且混合气在浓度和燃料成分上形成分层，燃烧放热速度减慢，缸内最高燃烧温度降低，同时配以合适的EGR率，NO_X排放可以得到有效控制。此外，高十六烷值燃料易于压燃，在燃烧过程中可以引燃自燃性差的低十六烷值燃料，从而大幅提高燃烧的稳定性。随着负荷的进一步升高，可以将EGR从较低水平提高到中等水平来实现大幅度降低NO_X的目标。因此，通过两种不同特性燃料多次喷射喷射参数的优化组合控制，来实现缸内混合气浓度和燃料成分的可控分层分布，同时根据工况要求控制EGR率，从而实现对缸内燃烧过程的合理组织，控制燃烧放热反应速度与燃烧相位，获得较高的热效率，同时大大减少NOx和碳烟等有害排放的生成，实现中高负荷工况高效、低排放的分层压燃燃烧过程。

如果判断结果为大负荷工况，对于乘用车发动机来说，这类工况主要是为了满足功率输出的需要，不是常用工况。此时为了保证发动机的动力性，ECU将燃烧组织方式由分层压燃燃烧转变为传统的柴油机压燃燃烧方式，将两种燃料的喷射时刻控制在上止点附近，加大ECU发送给喷射器1的喷油信号脉宽以增加燃油喷射量，提高发动机负荷，同时降低低十六烷值燃料的比例，以高十六烷值燃料为主燃料，利用其燃烧时存在前期低温放热的特性，避免由于低十六烷值燃料预混燃烧放热速度快所带来的发动机工作粗暴问题。虽然在燃烧方式上采用传统柴油机的压燃燃烧方式，但在低十六烷值燃料存在的下，碳烟排放可以得到一定程度上的控制。因此，相对传统单燃料的柴油机，在混合气的组织和燃烧控制上也更为方便，可以改善发动机的排放。

本方法针对乘用车发动机常用工况以中低负荷为主的特点，通过缸内燃料双喷射的灵活控制与EGR技术相结合，在乘用车发动机的常用工况采用高效、低排放均质压燃、分层压燃等燃烧方式，实现发动机的低排放，在其他工况通过双燃料燃烧过程的灵活组织，也可以获得排放的改善。因此，本方法应用于乘用车发动机，可以在不使用NOx后处理器和颗粒捕集器，只采用DOC后处理器的条件下满足欧6及更为严格的排放法规的要求。

Claims (1)

1.一种缸内燃料双喷射的乘用车发动机排放控制方法，其特征是，借助于发动机电子控制单元ECU即Electronic Control Unit实现，并包括以下步骤：

(1)发动机的ECU分别读取安装在发动机曲轴上的转速传感器给出的转速信号和安装在油门踏板上的传感器给出的负荷信号，并根据上述发动机转速和负荷信号判断发动机运行在中低负荷、中高负荷还是大负荷工况；

(2)如果步骤(1)中的判断结果为中低负荷工况，则ECU根据已经标定过的一种高十六烷值、一种低十六烷值两种燃料的控制脉谱MAP，控制两种燃料较早喷射，使在燃烧开始前两种燃料都已与空气形成较为均匀的混合气，即燃烧过程为均质压燃燃烧过程；在中低负荷燃料早喷的情况下，两种燃料均采用单次喷射策略，且两种燃料的喷射时刻接近，由于两个喷射器安装呈一定的角度相对，其喷孔的轴线相交，因此从两个喷射器中喷出的燃料能够在燃烧室内形成碰撞，加速混合并且减少燃料的湿壁现象；随负荷增大，高十六烷值燃料的喷射量占总喷射量的比例逐渐减小，并逐渐引入一定的废气再循环EGR即Exhaust Gas Recirculation，以实现适应工况的低排放燃烧控制；

(3)如果步骤(1)中的判断结果为中高负荷工况，则发动机的ECU根据标定好的控制MAP，控制高十六烷值和低十六烷值燃料的喷射时刻、喷射次数和喷射量，即对每种燃料都采用多次喷射的喷射策略，通过两种不同特性燃料多次喷射参数的优化组合控制，来实现缸内混合气浓度和燃料成分的可控分层分布，同时根据工况来控制EGR率，从而实现对缸内燃烧过程的合理组织，大大减少NOx和微粒有害排放物的生成，实现中高负荷工况高效、低排放的分层压燃燃烧过程；

(4)如果步骤(1)中的判断结果为大负荷工况，在燃烧方式上采用传统柴油机的压燃燃烧方式，并采用高十六烷值和低十六烷值燃料的灵活喷射，保证发动机功率输出的同时改善排放；

(5)不使用NOx后处理器和颗粒捕集器，只采用柴油机氧化催化剂Diesel Oxidation Catalyst后处理器，缩写DOC。

Images