CN102562328A - 一种混合dme气体的柴油机系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混合DME气体的压燃式柴油机系统及控制方法。该系统在保留原发动机全部本体及控制系统的基础上增加了一套混合燃料电子控制单元、DME储存罐、DME管路压力传感器、DME管路电磁阀及DME喷嘴。DME燃料电子控制单元可以通过接收原机传感器信号及DME气体管路压力信号分别控制柴油喷嘴和DME喷嘴的开启及关闭。DME电子控制单元根据与原机电子控制单元通讯所获得的转速和踏板位置信号判定发动机所处工况，并通过发出信号分别控制原机柴油喷嘴和DME喷嘴的喷射时刻及脉宽，以实现纯DME冷起动，小负荷下柴油混合DME，大负荷下纯柴油的燃烧模式。从而大幅降低了柴油机在冷起动过程中的HC、CO和颗粒排放，并提高了发动机在稳态工况下的热效率与排放水平。

Description

一种混合DME气体的柴油机系统及控制方法

技术领域

压燃式内燃机主要燃用柴油燃料，本发明提供一种在柴油燃料中混合二甲醚(DME)气体的压燃式内燃机及控制方法，具体内容涉及一种燃料中混合DME气体的压燃式内燃机的燃料喷射和供给系统、燃料比例分配及燃烧过程控制。

背景技术

石油资源的不断减少和环境污染的日益严重使节能、减排成为了内燃机行业发展的必然趋势。柴油机由于其良好的动力性而广泛应用于轻型客车、载重汽车、工程机械等车辆上，目前在欧洲发达国家柴油机轿车也被广泛应用。但是受限于柴油机的燃烧模式，柴油机气缸内燃烧峰值压力和温度都较高，这便造成柴油机NOx排放较高的问题，且难以通过机内净化而实现，只能通过机外净化来降低。此外柴油机进气压缩过程中，柴油与空气的预混合时间极短，柴油被喷油器以多条油束的形式喷入气缸，不能完全与空气混合良好，从而造成的局部油束过浓未燃，产生碳烟颗粒物排放。对颗粒物排放的控制也仅能通过柴油机碳烟颗粒过滤器(DPF)进行移除，还没有更好的机外净化的方法。同时，在寒冷的环境条件下，柴油机往往存在冷起动困难的问题，并且通常需要辅助相应的预热装置才可以使其起动。相比传统柴油机，由柴油与其他燃料所组成的混合燃料柴油机是进一步提高当前内燃机性能的重要途径之一。

有关研究表明，DME具有十六烷值高、沸点低、含氧高等特性，使DME燃烧快且充分，可实现HC、CO和PM的超低排放。另一方面，DME分子结构的不稳定性使DME在较低温度下产生裂解反应，即液态DME汽化、与空气混合及建立燃烧条件等物理延迟时间比燃用柴油燃料的时间短；DME的雾化质量高，使得燃料缸内燃烧柔和充分，有效地降低PM排放；DME的十六烷值比柴油高，自燃性能好，适用于压燃式柴油柴油机。但是DME热值低，约为0号柴油的65％，为保证柴油机原机的动力性能，使用DME作为压燃式内燃机的燃料时需增大循环供油量。

发明内容

针对目前压燃式柴油机存在低温下冷启动困难、颗粒物排放高的问题，本发明提供了一种新型的DME-柴油混合燃料柴油机及其控制方法。

本发明采用了如下技术方案：一种混合DME气体的压燃式柴油机，包括压燃式柴油机的原机电子控制单元(5)、柴油机(17)、与柴油机相连通的柴油机进气歧管(16)、与柴油机进气歧管(16)相连通的柴油机进气总管(15)、柴油压力传感器(2)、柴油压力调节器(3)以及柴油喷嘴(4)；柴油机进气总管(15)上安装有柴油机空气流量传感器(10)；柴油机原机电子控制单元(5)与柴油机上的传感器和执行器相连，接收柴油机传感器信号a；其特征在于：DME气体燃料储存罐(14)通过供给管路与DME气体燃料喷嘴(11)相连，DME气体燃料喷嘴(11)安装在发动机各缸进气歧管(16)中，将气体燃料喷射到柴油机进气歧管(16)内；在DME气体燃储存罐(14)与DME气体燃料喷嘴(11)的供给管路上还安装有DME气体燃料供给管路压力传感器(13)、DME供给管路电磁阀(1)、阻燃器(12)；该装置还包括DME-柴油混合燃料电子控制单元(9)，DME-柴油混合燃料电子控制单元(9)与DME气体燃料供给管路压力传感器(13)、DME供给管路电磁阀(1)相连，DME-柴油混合燃料电子控制单元(9)与原机电子控制单元(5)进行通讯，获得柴油机转速信号b、柴油机油轨压力信号c、冷却液温度信号d、踏板位置信号e、进气流量信号f；同时，DME-柴油混合燃料电子控制单元(9)通过发出柴油喷嘴控制信号i及DME气体燃料喷嘴控制信号j，控制柴油喷嘴(4)及DME气体燃料喷嘴(11)的开启和关闭，从而调整DME气体燃料占总进气量的体积分数，DME气体燃储存罐(14)与DME气体燃料供给管路压力传感器(13)、DME供给管路电磁阀(1)、阻燃器(12)及DME气体燃料喷嘴相连；同时，DME-柴油混合燃料电子控制单元(9)与DME气体燃料供给管路压力传感器(13)相连，获得DME气体燃料供给管路压力信号g；DME-柴油混合燃料电子控制单元(9)与DME供给管路电磁阀(1)相连接，通过发出DME供给管路电磁阀控制信号h打开和关闭DME气体燃料供给管路。

一种混合DME气体的压燃式柴油机的控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

该控制方法按工况分为冷起动工况、怠速工况、中、小负荷工况和高速、高负荷工况；

每循环进入柴油机的DME气体占总进气量的体积分数α为；

α＝V_DME/(V_DME+V_air)    公式1

式中：V_DME为喷入柴油机进气歧管的DME气体燃料体积流量；V_air为进入柴油机进气歧管的空气体积流量；α为DME气体燃料占DME气体燃料与空气混合气的体积分数；

1)冷起动工况：

起动时，DME-柴油混合燃料电子控制单元(9)通过与原机电子控制单元(5)通讯，获得柴油机转速信号b、柴油机油轨压力信号c、冷却液温度信号d、踏板位置信号e、进气流量信号f，并根据DME气体燃料供给管路压力信号g判断柴油机起动方式；

当DME燃料供给管路的压力低于2.0bar时，DME-柴油混合燃料电子控制单元(9)关闭DME气体燃料喷嘴(11)，并根据从原机电子控制单元(5)所获得的柴油机转速信号b控制柴油喷嘴(4)的开启和关闭，使柴油机按照原机起动方式顺利起动；

当DME燃料供给管路的压力大于或等于2.0bar时，DME-柴油混合燃料电子控制单元(9)发出控制信号h打开DME供给管路电磁阀(1)，根据柴油机转速信号b、冷却液温度信号d和踏板位置信号e打开DME气体燃料喷嘴喷入DME气体燃料，同时通过将柴油喷嘴喷射脉宽调整至零，关闭柴油喷嘴(4)，使柴油机以纯DME气体压燃的方式起动；在纯DME气体起动方式下，DME-柴油混合燃料电子控制单元(9)通过与原机电子控制单元(5)通讯获得柴油机转速信号b和踏板位置信号e，并根据柴油机冷却液温度信号d的升高或降低调整DME气体的喷射脉宽缩短或延长，具体如下：

根据冷却液温度T_c，又分为如下4种情况：

I)在-50℃≤T_c＜-20℃时，DME-柴油混合燃料电子控制单元(9)根据公式1计算并调整DME气体燃料喷嘴的喷射脉宽，使缸内DME气体占总进气量的体积分数α保持在0.16～0.18之间；

II)在-20℃≤T_c＜0℃时，DME-柴油混合燃料电子控制单元(9)根据公式1计算并调整DME气体燃料喷嘴的喷射脉宽，使缸内DME气体占总进气量的体积分数α保持在0.15～0.16之间；

III)在0℃≤T_c＜40℃时，DME-柴油混合燃料电子控制单元(9)根据公式1计算并调整DME气体燃料喷嘴的喷射脉宽，使缸内DME气体占总进气量的体积分数α保持在0.14～0.15之间；

IV)在40℃≤T_c时，DME-柴油混合燃料电子控制单元(9)根据公式1计算并调整DME气体燃料喷嘴的喷射脉宽，使缸内DME气体占总进气量的体积分数α保持在0.1～0.14之间；

2)怠速工况：DME-柴油混合燃料电子控制单元(9)根据DME气体燃料

供给管路压力信号g判定柴油机怠速时是否加入DME；

当DME燃料供给管路压力低于2.0bar时，DME-柴油混合燃料电子控制单元(9)关闭DME气体燃料喷嘴，并打开柴油喷嘴(4)，此时柴油机怠速控制策略与原机相同；

在DME燃料供给管路压力大于等于2.0bar时，DME-柴油混合燃料电子控制单元(9)与原机电子控制单元(5)通讯获得柴油机转速信号b、柴油机油轨压力信号c、冷却液温度信号d、踏板位置信号e、进气流量信号f，并控制DME供给管路电磁阀(1)、DME气体燃料喷嘴(11)和柴油喷嘴(4)的开启和关闭，调整DEM气体在进气中的体积分数α，具体如下：

根据不同的冷却液温度T_c，又分为如下三个不同的过程：

I)在T_c≤20℃时，DME-柴油混合燃料电子控制单元(9)通过调整DME气体燃料喷嘴的喷射脉宽，使DME气体占总进气量的体积分数α保持在0.12～0.18之间，同时关闭柴油燃料喷嘴(4)，使柴油机以纯DME气体模式进行暖机；

II)在20℃＜T_c≤80℃时，DME-柴油混合燃料电子控制单元(9)通过调整DME气体燃料喷嘴的喷射脉宽，使α控制在0.05附近，并且根据柴油机转速信号b，控制柴油喷嘴喷油；

III)在80℃＜T_c时，DME-柴油混合燃料电子控制单元(9)通过调整DME气体燃料喷嘴的喷射脉宽，使α控制在0.015附近，并且根据柴油机转速信号b，控制柴油喷嘴喷油，实现对DME-柴油混合气喷射时刻的闭环控制；

3)当转速小于2000转/分或加速踏板位置小于45％时，判定柴油机处于中、小负荷工况。在中、小负荷工况下，DME-柴油混合燃料电子控制单元(9)调整DME气体占总进气量的体积分数α，使α在不同的转速及负荷条件下控制在0.005～0.015附近，且α随转速及负荷的增加而降低；

4)当转速大于等于2000转/分或加速踏板位置大于等于45％时，判定柴油机处于高速、高负荷工况。在高速、高负荷工况下，DME-柴油混合燃料电子控制单元(9)关闭DME供给管路电磁阀(1)和DME气体燃料喷嘴(11)，使柴油机以纯柴油燃料燃烧模式运行，此时柴油机控制策略与原机相同。

本发明可以获得如下有益效果：

本发明所采用的在冷起动阶段采用纯DME，利用DME的十六烷值比柴油高，自燃性能好的特点，有效地降低了压燃式柴油机起动过程中的HC及颗粒物排放，并使内燃机可以在低温条件下顺利起动；在小负荷阶段采用DME-柴油混合燃烧，利用DME雾化质量高，使得燃料缸内燃烧柔和充分的特性提高柴油机部分负荷条件下的经济与排放性能；大负荷阶段采用纯柴油燃烧保证柴油机动力性。该技术有效地提高了柴油机燃烧与排放性能。

附图说明

图1为本发明的结构和工作原理图。

图中：1、DME供给管路电磁阀，2、柴油压力传感器，3、柴油压力调节器，4、柴油喷嘴，5、原柴油机电子控制单元，6、活塞，7、曲轴，8、柴油机转速传感器，9、DME-柴油混合燃料电子控制单元，10、进气流量传感器，11、DME气体燃料喷嘴，12、DME供给管路阻燃阀，13、DME供给管路压力传感器，14、DME气体燃料储存罐，15、柴油机进气总管，16、柴油机进气岐管，17、柴油机本体

a、柴油机传感器数据信号，b、柴油机转速信号，c、柴油机油轨压力信号，d、冷却液温度信号，e、踏板位置信号，f、进气流量信号，g、DME供给管路压力信号，h、DME供给管路电磁阀控制信号，i、柴油燃料喷嘴控制信号，j、DME气体燃料喷嘴控制信号

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，该DME-柴油燃料混合燃料内燃机，主要包括传统柴油机的电控系统和柴油机本体17，电控系统包括原柴油机电子控制单元5，通过原柴油机电子控制单元5获得原机传感器数据信号a；柴油机本体17包括进气总管15，进气流量传感器10，柴油机进气岐管16，柴油燃料喷嘴4，柴油压力传感器2，柴油压力调节器3，活塞6，曲轴7，柴油机转速传感器8。原柴油机电子控制单元5，通过原机控制线缆与柴油机转速传感器8相连，获得柴油机转速信号b，同时根据柴油机传感器数据信号a控制柴油喷嘴4喷油。增加了一套DME燃料供给系统、DME-柴油混合燃料供给及喷射系统，该系统包括DME燃料储存罐14、安装在DME供给管路上的DME气体压力传感器13、DME燃料供给管路阻燃阀12、与DME燃料储存罐相连通的DME气体燃料喷嘴11、设置在DME燃料储存罐和DME气体燃料喷嘴之间的DME供给管路电磁阀1、及DME-柴油混合燃料电子控制单元9。DME气体燃料喷嘴11安装在柴油机各缸进气歧管16上。DME-柴油混合燃料电子控制单元9与原柴油机电子控制单元5进行通讯，获得柴油机转速信号b、柴油机油轨压力信号c、冷却液温度信号d、踏板位置信号e、进气流量信号f；同时，DME-柴油混合燃料电子控制单元9与DME供给管路压力传感器13相连，获得DME供给管路压力信号g；DME-柴油混合燃料电子控制单元9通过发出柴油燃料喷嘴控制信号i，DME气体燃料喷嘴控制信号j，控制柴油燃料喷嘴4及DME气体燃料喷嘴11的开启和关闭时刻，从而调整DME占总进气量的体积分数α；同时，DME-柴油混合燃料电子控制单元9与DME供给管路电磁阀1相连接，通过发出DME供给管路电磁阀控制信号h打开和关闭DME气体供给管路。为避免DME在进气道内产生回火，本发明中DME气体燃料喷嘴11安装在柴油机各缸进气歧管16且尽可能靠近柴油机进气门的位置上。此外，在DME气体燃料喷嘴11的后方还安装了DME气体燃料阻燃阀12，进一步保证DME燃料喷射及供给系统的安全。从DME燃料储存罐14中所释放出的DME气体通过不锈钢管路与DME气体压力传感器13、DME燃料供给管路电磁阀1、DME气体燃料喷嘴11相连接。

一种DME-柴油混合燃料内燃机的控制方法如下：

每循环进入柴油机的DME气体占总进气量的体积分数α为：

α＝V_DME/(V_DME+V_air)            公式1

一种DME-柴油混合燃料柴油机的控制策略可按工况分为冷起动工况、怠速工况、中、小负荷工况和高速、高负荷工况。

1)冷起动工况：为保证柴油机起动成功，冷起动采用开环控制策略，起动过程中DME-柴油混合燃料电子控制单元9不检测进气流量传感器信号f。起动时，DME-柴油混合燃料电子控制单元9通过与原机电子控制单元5通讯获取柴油机转速信号b、柴油机油轨压力信号c、冷却液温度信号d及踏板位置信号e，并根据DME气体燃料供给管路压力信号g判断内燃机起动方式。当DME燃料供给管路压力低于2.0bar时，DME-柴油混合燃料电子控制单元9关闭DME气体燃料喷嘴11，并根据从原柴油机电子控制单元5所获得的柴油机转速信号b控制柴油燃料喷嘴4的开启和关闭，使柴油机按照原机起动方式顺利起动。当DME燃料供给管路压力大于等于2.0bar时，DME-柴油混合燃料电子控制单元9发出控制信号h打开DME气体燃料供给管路电磁阀1，根据柴油机起动时的转速b、冷却液温度信号d和踏板位置信号e控制DME气体燃料喷嘴喷入DME气体燃料，同时通过将柴油喷射脉宽调整至零关闭柴油燃料喷嘴4，使柴油机以纯DME气体燃料的方式起动。在纯DME气体燃料起动方式下，DME-柴油混合燃料电子控制单元9通过与原机电子控制单元5通讯获得柴油机冷却液温度信号d，并根据柴油机不同冷却液温度(T_c)调整DME气体燃料的喷气脉宽，温度上升缩短脉宽，温度降低延长脉宽，保证柴油机在纯DME气体燃料条件下顺利起动。由于DME气体燃料可以避免液态燃料起动时的油膜效应，且DME分子结构的不稳定性使DME在较低温度下产生裂解反应，即液态DME汽化、与空气混合及建立燃烧条件等物理延迟时间比燃用柴油燃料的时间短，因此纯DME气体燃料柴油机能够在低温条件下顺利起动。

根据冷却液温度，起动过程又分为如下4种情况：

I)在-50℃≤T_c＜-20℃时，DME-柴油混合燃料电子控制单元(9)根据公式1计算并调整DME气体燃料喷嘴的喷射脉宽，使缸内DME气体占总进气量的体积分数α保持在0.16～0.18之间；

II)在-20℃≤T_c＜0℃时，DME-柴油混合燃料电子控制单元(9)根据公式1计算并调整DME气体燃料喷嘴的喷射脉宽，使缸内DME气体占总进气量的体积分数α保持在0.15～0.16之间；

III)在0℃≤T_c＜40℃时，DME-柴油混合燃料电子控制单元(9)根据公式1计算并调整DME气体燃料喷嘴的喷射脉宽，使缸内DME气体占总进气量的体积分数α保持在0.14～0.15之间；

IV)在40℃≤T_c时，DME-柴油混合燃料电子控制单元(9)根据公式1计算并调整DME气体燃料喷嘴的喷射脉宽，使缸内DME气体占总进气量的体积分数α保持在0.1～0.14之间；

以上所述超低温、低温、常温和热机起动的内燃机台架试验所采用的DME气体燃料喷射脉宽应保证柴油机能够在各种温度条件下顺利起动，不出现失火现象。纯DME气体燃料柴油机起动成功的标志可设置为柴油机连续5个循环的转速超过500转/分钟。起动成功后，DME-柴油混合燃料电子控制单元9控制柴油机退出起动工况。

2)怠速工况：DME-柴油混合燃料电子控制单元9根据DME气体燃料供给管路压力信号g判定柴油机怠速时是否混入DME气体燃料，当DME气体燃料供给管路压力低于2.0bar时，DME-柴油混合燃料电子控制单元9关闭DME气体燃料喷嘴，并根据原机柴油燃料喷射信号i打开柴油燃料喷嘴4，此时柴油机怠速控制策略与原机相同。在DME气体燃料供给管路压力大于等于2.0bar时，DME-柴油混合燃料电子控制单元9与原机电子控制单元13通讯获得柴油机转速信号b、柴油机油轨压力信号c、冷却液温度信号d、踏板位置信号e、进气流量信号f，并控制DME气体燃料供给管路电磁阀1、DME气体燃料喷嘴11和柴油燃料喷嘴4的开启和关闭，调整DME-空气混合气在进气中的体积分数α。根据不同的冷却液温度T_c，DME-柴油混合燃料压燃式内燃机的怠速控制又分为如下三个不同的过程：

I)在T_c≤0℃时，柴油机处于低温怠速暖机过程。由于此时缸内温度比较低，因而采用纯DME气体燃料与空气组成可燃混合气可以有效地改善柴油机低温暖机时缸内的燃烧状况，同时缸内混合气均匀程度的提高使得缸内平均燃烧温度较高，也有利于提高柴油机暖机速度。在此工况下，DME-柴油混合燃料电子控制单元9通过调整DME气体燃料喷嘴11的喷射脉宽，使DME-空气混合气占总进气量的体积分数α保持在0.16～0.18附近，同时关闭柴油燃料喷嘴4，使柴油机以纯DME气体燃料模式暖机，控制结果根据柴油机台架试验进行验证。

II)在20℃＜T_c≤80℃时，柴油机处于正常怠速暖机过程。由于此时缸内温度升高，继续采用纯DME气体燃料暖机会导致NOx排放增加，因而本工况下柴油机采用DME-柴油混合燃料燃烧方式。在此工况下，DME-柴油混合燃料电子控制单元9通过调整DME气体燃料喷嘴的喷射脉宽，使α控制在0.05附近，并且根据柴油机转速信号b，控制柴油喷嘴喷油，以保证此时柴油机所产生的排放污染物能够被机外尾气净化装置处理，控制结果根据柴油机台架试验进行验证。

III)在80℃＜T_c时，柴油机怠速暖机完成。在此工况下，DME-柴油混合燃料电子控制单元9通过调整DME气体燃料喷嘴的喷射脉宽，并且柴油机转速信号b及柴油机进气流量信号f控制柴油喷嘴喷油，使α控制在0.015附近，控制结果根据柴油机台架试验进行验证。

3)中、小负荷工况：DME-柴油混合燃料电子控制单元9根据DME气体燃料供给管路压力信号g判定柴油机在中、小负荷工况下时是否混入DME气体燃料，当DME气体燃料供给管路压力于2.0bar时，DME-柴油混合燃料电子控制单元9关闭DME气体燃料喷嘴11，并根据柴油机转速信号b及柴油机进气流量信号f控制柴油喷嘴喷油，此时柴油机控制策略与原机相同。在DME气体燃料供给管路压力大于2.0bar时，DME-柴油混合燃料电子控制单元9根据从原机电子控制单元5获得的柴油机转速信号b和踏板位置信号e来判断柴油机所处工况，当转速低于2000转/分钟并且加速踏板位置小于45％时，判定柴油机处于中、小负荷工况。

在中、小负荷工况下，DME-柴油混合燃料电子控制单元9与原机电子控制单元5通讯获得柴油机转速信号b、柴油机油轨压力信号c、冷却液温度信号d、踏板位置信号e及进气流量信号f，通过控制DME气体燃料喷嘴11和柴油燃料喷嘴4的开启和关闭，使α在不同的转速及负荷条件下控制在0.005～0.015附近。

4)高速、高负荷工况：

DME-柴油混合燃料电子控制单元9根据从原机电子控制单元13获得的节气门位置信号c及柴油机转速信号e判断柴油机所处工况，当转速大于等于2000转/分或加速踏板位置大于等于45％时，判定柴油机处于高速、高负荷工况。

在高速、高负荷工况下，DME-柴油混合燃料电子控制单元9关闭DME气体燃料供给管路电磁阀1及DME气体燃料喷嘴11，使柴油机以纯柴油燃料燃烧的模式运行，以保证柴油机高速、高负荷良好的动力性，柴油机动力性、经济性及排放性与柴油机原机相当。

本发明的工作过程：起动时，DME-柴油混合燃料电子控制单元9与原柴油机电子控制单元5进行通讯，根据获得的柴油机转速信号b、柴油机油轨压力信号c、冷却液温度信号d、踏板位置信号e、进气流量信号f和DME气体燃料供给管路压力信号g判定柴油机是否能够以纯DME气体燃料方式起动。根据不同的冷却液温度T_c，控制DME气体燃料喷嘴11的开启与关闭，DME-空气混合气占总进气量的体积分数α控制在0.1～0.18之间，并随温度的升高而降低。起动后，柴油机进入怠速工况，DME-柴油混合燃料电子控制单元9获得原机电子控制单元5的柴油机转速信号b、柴油机油轨压力信号c、冷却液温度信号d、踏板位置信号e、进气流量信号f和DME气体燃料供给管路压力信号g，当冷却液温度低于20℃时，采用纯DME气体燃料方式暖机，以改善柴油机怠速工况下缸内燃烧状况；DME-柴油混合燃料电子控制单元9通过控制DME气体燃料喷嘴的开启和关闭调整DME-空气混合气占总进气量的体积分数，使其随T_c的升高而逐渐减少；当冷却液温度高于20℃时，采用DME-柴油混合燃料模式燃烧，DME-柴油混合燃料电子控制单元9根据冷却液温度调整DME-空气混合气占总进气量的体积分数α，使α在0.015至0.05之间变化，并随T_c的升高而减小，DME-柴油混合燃料电子控制单元9同时根据柴油机转速信号b和进气流量信号f对柴油燃料的喷射量进行闭环控制，使DME-柴油混合燃料的燃烧始终保持在柴油机怠速工况下的最佳状态。中、小负荷工况下，内燃机采用DME-柴油混合燃料燃烧的模式运行，DME-柴油混合燃料电子控制单元9根据柴油机转速信号b、柴油机油轨压力信号c、冷却液温度信号d、踏板位置信号e、进气流量信号f和DME气体燃料供给管路压力信号g，控制DME气体燃料喷嘴11和柴油燃料喷嘴4的开启和关闭，使α在0.005至0.015之间变化，并随转速和加速踏板位置的上升而减小，同时根据柴油机转速信号b和进气流量信号f对柴油燃料的喷射量进行闭环控制，使DME-柴油混合燃料的燃烧始终保持在柴油机中、低负荷工况下的最佳状态。高速、大负荷工况下，柴油机采用纯柴油燃烧模式运行，DME-柴油混合燃料电子控制单元9根据柴油机转速信号b和进气流量信号f控制数据控制柴油燃料喷嘴4的开启和关闭，使柴油机性能与原机相同。

本实施例对各种工况进行了如下实验：

实验所用柴油机为直列四缸2.8升涡轮增压电控高压共轨喷射柴油机，按照图1所示改造成DME-柴油混合燃料压燃式内燃机。实验用柴油燃料为市售0#柴油，DME气体燃料由DME气体燃料储存罐提供。使用Horiba-7100DEGR型排放仪测量各实验工况下柴油机尾气排放机外净化装置安装位置之前的HC、CO及NOx排放，使用DMS-500快速颗粒分析仪测量各实验工况下柴油机尾气排放机外净化装置安装位置之前的颗粒物排放。由于在柴油机高速、高负荷阶段采用纯柴油燃烧，其燃烧与排放性能与纯柴油机相当。因此，本实验仅在起动、怠速和中等负荷阶段进行。

1)起动实验(冷却液温度为27℃)

DME-柴油混合燃料电子控制单元9首先根据DME气体燃料供给管路压力传感器信号g判断柴油机是否以纯DME气体燃料模式起动，之后通过与原机电子控制单元5通讯获得的转速、冷却水温度信号及踏板位置信号判断柴油机是否处于起动工况并确定起动时DME气体燃料的喷射脉宽。实验时的环境温度为27℃，DME-柴油混合燃料电子控制单元9控制柴油燃料的喷射脉宽为0ms，从而关闭柴油喷嘴，DME气体燃料喷嘴的喷射脉宽为7ms，使DME气体燃料与空气在进气道内混合后吸入柴油机的气缸内。按照上述方法，柴油机可以顺利起动。利用尾气分析仪测量得到的柴油机起动过程中HC排放为103ppm，CO排放为221ppm，NOx排放为51ppm，PM排放为0.89×10⁸dN/dlogdp/cc。而相同条件下，采用柴油作为单一燃料起动柴油机时，HC排放为745ppm，CO排放为329ppm，NOx排放为43ppm，PM排放为9.5×10⁸dN/dlogdp/cc。这是因为在纯DME气体燃料起动条件下，柴油机HC和CO排放主要来源于机油蒸发，而非柴油机起动时燃料的不充分燃烧，且DME为气态燃料，在缸内混合均匀燃烧充分。因而采用纯DME气体燃料起动柴油机可以大幅降低起动时的HC、CO及PM排放。由于DME气体燃料的火焰传播速度和缸内平均燃烧温度高于柴油，加之DME气体燃料的含氧量也比柴油机高，因而采用纯DME气体燃料起动柴油机时，NOx排放会有小幅增加。

2)怠速试验(转速：800转/分钟，冷却液温度87℃，踏板位置：0％)

DME-柴油混合燃料电子控制单元9根据柴油机转速、冷却液温度和踏板位置判定柴油机处于正常怠速工况。根据柴油机冷却液温度信号d确定DME气体燃料喷嘴的喷射脉宽，使DME-空气混合气占总进气的体积分数α为0.015，同时根据柴油机转速信号b和进气流量信号f对柴油喷射脉宽进行闭环控制，使柴油机怠速转速保持稳定。

实验结果表明，在冷却液温度为87℃的条件下，采用上述控制策略，柴油机怠速可以稳定在(800±5)转/分钟的范围内。利用尾气分析系统测量得到的柴油机HC排放为187ppm，CO排放为为115ppm，NOx排放为142ppm，PM排放为1.1×10⁸dN/dlogdp/cc。而相同冷却液温度和怠速转速下，纯柴油机的HC排放为271ppm，CO排放为181ppm，NOx排放为136ppm，PM排放为4.7×10⁸dN/dlogdp/cc。这主要是掺入DME气体燃料后，由于DME气体燃料的自燃性能好，因此DME-柴油混合燃料较纯柴油更容易被压燃，并快速、充分地燃烧，从而减少了怠速过程中的HC、CO和PM排放。NOx排放在掺入DME气体燃料后略有增加。

3)中负荷试验(转速：1600转/分，冷却液温度90℃，踏板位置：40％)

DME-柴油混合燃料电子控制单元9根据所得到的柴油机转速信号b和冷却液温度信号d控制DME气体燃料喷嘴的喷射脉宽，使DME-空气混合气占总进气量的体积分数α为0.005，并调整柴油喷射脉宽进行闭环控制，使DME-柴油混合燃料柴油机转速保持稳定。

实验结果表明，在内燃机转速为1600转/分钟，冷却液温度为90℃，踏板位置40％的条件下，按上述控制策略采用DME-柴油混合燃料燃烧后，柴油机HC排放约为347ppm，CO为203ppm，NOx为525ppm PM排放为4.2×10⁸dN/dlogdp/cc。而采用柴油为单一燃料的柴油机在相同工况下所测得的HC排放为459ppm，CO为402ppm，NOx为572ppm，PM排放为6.7×10⁸dN/dlogdp/cc。柴油机比燃油消耗率由纯柴油机时的241g/(kW.h)下降至采用DME-柴油混合燃烧策略时的206g/(kW.h)。原因是DME气体燃料较高的扩散速度促进了缸内混合气均匀程度的提高，同时DME气体燃料较高的含氧量也改善了燃料的燃烧范围并提高了缸内平均燃烧温度，从而使得相同中负荷工况下，采用DME-柴油混合燃料柴油机的比燃油消耗率较柴油机明显降低。另一方面，DME气体燃料的加入挤占了一部分进气体积，从而使得相同进气流量条件下柴油的比例有所降低，这也是造成加入DME气体燃料后柴油机HC、CO、NOx和PM减少的原因之一。

上述的柴油机台架实验结果表明，采用本发明提供的一种DME-柴油混合燃料压燃式内燃机及控制方法，可以在冷起动阶段实现低温起动，并有效抑制起动阶段柴油机HC、CO和PM排放的产生；在怠速和中、小负荷阶段，通过在进气中混入DME气体燃料，可以有效地提高柴油机部分负荷经济性，并降低HC、CO与PM排放；高速、大负荷阶段采用纯柴油燃烧可以保证柴油机动力性，其燃烧与排放性能与原柴油机相当。该技术将为车用柴油机达到欧5以上排放标准提供一条有效的技术途径。

Claims (2)

1.一种混合DME气体的压燃式柴油机，包括压燃式柴油机的原机电子控制单元(5)、柴油机(17)、与柴油机相连通的柴油机进气歧管(16)、与柴油机进气歧管(16)相连通的柴油机进气总管(15)、柴油压力传感器(2)、柴油压力调节器(3)以及柴油喷嘴(4)；柴油机进气总管(15)上安装有柴油机空气流量传感器(10)；柴油机原机电子控制单元(5)与柴油机上的传感器和执行器相连，接收柴油机传感器信号a；其特征在于：DME气体燃料储存罐(14)通过供给管路与DME气体燃料喷嘴(11)相连，DME气体燃料喷嘴(11)安装在发动机各缸进气歧管(16)中，将气体燃料喷射到柴油机进气歧管(16)内；在DME气体燃储存罐(14)与DME气体燃料喷嘴(11)的供给管路上还安装有DME气体燃料供给管路压力传感器(13)、DME供给管路电磁阀(1)、阻燃器(12)；该装置还包括DME-柴油混合燃料电子控制单元(9)，DME-柴油混合燃料电子控制单元(9)与DME气体燃料供给管路压力传感器(13)、DME供给管路电磁阀(1)相连，DME-柴油混合燃料电子控制单元(9)与原机电子控制单元(5)进行通讯，获得柴油机转速信号b、柴油机油轨压力信号c、冷却液温度信号d、踏板位置信号e、进气流量信号f；同时，DME-柴油混合燃料电子控制单元(9)通过发出柴油喷嘴控制信号i及DME气体燃料喷嘴控制信号j，控制柴油喷嘴(4)及DME气体燃料喷嘴(11)的开启和关闭，从而调整DME气体燃料占总进气量的体积分数，DME气体燃储存罐(14)与DME气体燃料供给管路压力传感器(13)、DME供给管路电磁阀(1)、阻燃器(12)及DME气体燃料喷嘴相连；同时，DME-柴油混合燃料电子控制单元(9)与DME气体燃料供给管路压力传感器(13)相连，获得DME气体燃料供给管路压力信号g；DME-柴油混合燃料电子控制单元(9)与DME供给管路电磁阀(1)相连接，通过发出DME供给管路电磁阀控制信号h打开和关闭DME气体燃料供给管路。

2.一种混合DME气体的压燃式柴油机的控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

该控制方法按工况分为冷起动工况、怠速工况、中、小负荷工况和高速、高负荷工况；

每循环进入柴油机的DME气体占总进气量的体积分数α为；

α＝V_DME/(V_DME+V_air)    公式1

式中：V_DME为喷入柴油机进气歧管的DME气体燃料体积流量；V_air为进入柴油机进气歧管的空气体积流量；α为DME气体燃料占DME气体燃料与空气混合气的体积分数；

1)冷起动工况：

起动时，DME-柴油混合燃料电子控制单元(9)通过与原机电子控制单元(5)通讯，获得柴油机转速信号b、柴油机油轨压力信号c、冷却液温度信号d、踏板位置信号e、进气流量信号f，并根据DME气体燃料供给管路压力信号g判断柴油机起动方式；

当DME燃料供给管路的压力低于2.0bar时，DME-柴油混合燃料电子控制单元(9)关闭DME气体燃料喷嘴(11)，并根据从原机电子控制单元(5)所获得的柴油机转速信号b控制柴油喷嘴(4)的开启和关闭，使柴油机按照原机起动方式顺利起动；

当DME燃料供给管路的压力大于或等于2.0bar时，DME-柴油混合燃料电子控制单元(9)发出控制信号h打开DME供给管路电磁阀(1)，根据柴油机转速信号b、冷却液温度信号d和踏板位置信号e打开DME气体燃料喷嘴喷入DME气体燃料，同时通过将柴油喷嘴喷射脉宽调整至零，关闭柴油喷嘴(4)，使柴油机以纯DME气体压燃的方式起动；在纯DME气体起动方式下，DME-柴油混合燃料电子控制单元(9)通过与原机电子控制单元(5)通讯获得柴油机转速信号b和踏板位置信号e，并根据柴油机冷却液温度信号d的升高或降低调整DME气体的喷射脉宽缩短或延长，具体如下：

根据冷却液温度T_c，又分为如下4种情况：

I)在-50℃≤T_c＜-20℃时，DME-柴油混合燃料电子控制单元(9)根据公式1计算并调整DME气体燃料喷嘴的喷射脉宽，使缸内DME气体占总进气量的体积分数α保持在0.16～0.18之间；

II)在-20℃≤T_c＜0℃时，DME-柴油混合燃料电子控制单元(9)根据公式1计算并调整DME气体燃料喷嘴的喷射脉宽，使缸内DME气体占总进气量的体积分数α保持在0.15～0.16之间；

III)在0℃≤T_c＜40℃时，DME-柴油混合燃料电子控制单元(9)根据公式1计算并调整DME气体燃料喷嘴的喷射脉宽，使缸内DME气体占总进气量的体积分数α保持在0.14～0.15之间；

IV)在40℃≤T_c时，DME-柴油混合燃料电子控制单元(9)根据公式1计算并调整DME气体燃料喷嘴的喷射脉宽，使缸内DME气体占总进气量的体积分数α保持在0.1～0.14之间；

2)怠速工况：DME-柴油混合燃料电子控制单元(9)根据DME气体燃料供给管路压力信号g判定柴油机怠速时是否加入DME；

当DME燃料供给管路压力低于2.0bar时，DME-柴油混合燃料电子控制单元(9)关闭DME气体燃料喷嘴，并打开柴油喷嘴(4)，此时柴油机怠速控制策略与原机相同；

在DME燃料供给管路压力大于等于2.0bar时，DME-柴油混合燃料电子控制单元(9)与原机电子控制单元(5)通讯获得柴油机转速信号b、柴油机油轨压力信号c、冷却液温度信号d、踏板位置信号e、进气流量信号f，并控制DME供给管路电磁阀(1)、DME气体燃料喷嘴(11)和柴油喷嘴(4)的开启和关闭，调整DEM气体在进气中的体积分数α，具体如下：

根据不同的冷却液温度T_c，又分为如下三个不同的过程：

I)在T_c≤20℃时，DME-柴油混合燃料电子控制单元(9)通过调整DME气体燃料喷嘴的喷射脉宽，使DME气体占总进气量的体积分数α保持在0.12～0.18之间，同时关闭柴油燃料喷嘴(4)，使柴油机以纯DME气体模式进行暖机；

II)在20℃＜T_c≤80℃时，DME-柴油混合燃料电子控制单元(9)通过调整DME气体燃料喷嘴的喷射脉宽，使α控制在0.05附近，并且根据柴油机转速信号b，控制柴油喷嘴喷油；

III)在80℃＜T_c时，DME-柴油混合燃料电子控制单元(9)通过调整DME气体燃料喷嘴的喷射脉宽，使α控制在0.015附近，并且根据柴油机转速信号b，控制柴油喷嘴喷油，实现对DME-柴油混合气喷射时刻的闭环控制；

3)当转速低于2000转/分或加速踏板位置小于45％时，判定柴油机处于中、小负荷工况。在中、小负荷工况下，DME-柴油混合燃料电子控制单元(9)调整DME气体占总进气量的体积分数α，使α在不同的转速及负荷条件下控制在0.005～0.015附近，且α随转速及负荷的增加而降低；

4)当转速大于等于2000转/分或加速踏板位置大于等于45％时，判定柴油机处于高速、高负荷工况。在高速、高负荷工况下，DME-柴油混合燃料电子控制单元(9)关闭DME供给管路电磁阀(1)和DME气体燃料喷嘴(11)，使柴油机以纯柴油燃料燃烧模式运行，此时柴油机控制策略与原机相同。

Images