CN102678363B

CN102678363B - 汽油预混、柴油引燃发动机及其控制方法

Info

Publication number: CN102678363B
Application number: CN201210175963.6A
Authority: CN
Inventors: 刘吉春; 高定伟; 于文斌
Original assignee: Great Wall Motor Co Ltd
Current assignee: Great Wall Motor Co Ltd
Priority date: 2012-05-31
Filing date: 2012-05-31
Publication date: 2015-05-27
Anticipated expiration: 2032-05-31
Also published as: CN102678363A

Abstract

本发明公开了一种汽油预混、柴油引燃发动机及其控制方法，包括用于控制发动机动作的主控单元和柴油机，所述主控单元的控制信号输出端连接柴油，在柴油机的进气管道上设置有至少一个汽油喷油器，所述汽油喷油器通过汽油共轨连接汽油电子泵；其控制方法为：主控单元接收信息采集单元采集到的信息；主控单元根据接收到的各种信息判断发动机目前处于何种工况，同时根据发动机工况，主控单元选择相应的点燃方式令发动机工作。本发明结构简单，只需要在现有的柴油机进气管道上设置多个汽油喷油器即可，成本低，同时本发明能够有效降低油耗以及减少有害物质的排放。本发明适用于汽车、机车、轮船、农用机械、工程机械等领域应用的发动机。

Description

汽油预混、柴油引燃发动机及其控制方法

技术领域

本发明属于汽车领域，涉及一种发动机，具体地说是一种汽油预混、柴油引燃发动机及其控制方法。

背景技术

目前，由于内燃机是热效率最高，单位体积和单位重量功率最大的原动机，因此，内燃机仍然是目前普遍应用的动力装置。由于内燃机以石油作为燃料，而世界石油含量早已成递减趋势，尤其是我国，石油含量本就不高，并且随着开采量的不断增加，我国现有的石油量越来越少，因此现在我国采用进口石油来满足生产生活的需要。据统计，2006年我国石油进口依赖度已达47％，其中，内燃机的石油消费量就约占我国石油总消费量的66%以上。

我国目前的内燃机的燃烧效率却很低，一般为30%—40%，能源利用率与国外先进机型相比要低20％左右，因此每年多耗油3000万吨以上，相当于我国年石油消费量的六分之一；同时石油燃烧会产生大量的有害物质，例如未燃碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）、醛类化合物、氮氧化物（NOx）及微粒物（Soot）等，其中HC与NOx在太阳光照射下会引起光化学反应，形成光化学烟雾，刺激眼睛和喉咙，阻碍植物生长；同时内燃机排出的微粒物（PM）一般小于1微米，可吸入到人肺的底部，微粒中包含的多环芳烃，如苯并芘是致癌物质，严重威胁人的健康。

针对上述存在的环境污染问题，内燃机都需要借助于 “尾气净化设备”，随着对排放要求的不断提高，后处理设备也变得愈来愈复杂，相对应的价格也在不断上涨，目前好的后处理设备费用大约占原发动机成本的40-90%。尤其后处理设备经常需要消耗大量的贵金属，而世界贵金属资源非常有限，因此又造成了贵金属资源的短缺和费用的增加。

发明内容

为解决现有技术中存在的不足，本发明提供了一种能够有效增加内燃机燃烧效率，同时降低污染物排放的、成本低的汽油预混、柴油引燃发动机。

为实现上述目的，本发明的汽油预混、柴油引燃发动机，包括对发动机状态进行采集的信息采集单元、接收信息采集单元采集的发动机状态信息以对发动机进行控制的主控单元、高压柴油泵、柴油机，在柴油机的气缸内设有由高压柴油泵泵送燃料的柴油喷油器；柴油机气缸的入气口和出气口分别连接有进气管道和排气管道，在柴油机的入气口上设有对入气口进行开闭操作的进气门；在进气管道内设有由汽油电子泵泵油、向进气管道内喷油的汽油喷油器，还包括由主控单元控制的、对汽油电子泵和汽油喷油器进行控制的汽油喷射控制单元。

作为对发明的限定，所述柴油高压泵通过柴油共轨连接柴油喷油器，汽油电子泵通过汽油共轨连接汽油喷油器。

作为对本发明的进一步限定，所述排气管道依次通过涡轮增压器的涡轮、前消音器、后消音器连接外部空气；所述的进气管道依次通过进气中冷器、与涡轮同轴的叶轮、空气滤清器连接外部空气。

作为对本发明的更进一步限定，所述空气滤清器与叶轮之间的连接管道上还分别设置有用于检测进气流量的进气流量计和用于检测进气温度的温度传感器，所述进气流量计与温度传感器的信号输出端与主控单元的信号输入端相连。

作为对本发明的另一种限定，在连通排气管道和进气管道的管路上顺次设有EGR阀门和EGR中冷器。

本发明的另一目的是提供一种控制上述汽油预混、柴油引燃发动机的控制方法，该方法包括以下步骤：

（1）主控单元接收信息采集单元采集到的发动机状态信息并判断发动机是否处于汽油预混、柴油引燃的工况；

（2）压燃燃料：主控单元控制进气门打开，并控制高压柴油泵向柴油喷油器泵油，并将柴油喷油器喷出的燃料压燃：

非汽油预混、柴油引燃的工况：在发动机处于非汽油预混、柴油引燃工况的冷启动、怠速及中高速全负荷运行的工况时，主控单元控制压燃燃料；

汽油预混、柴油引燃的工况：在发动机处于汽油预混、柴油引燃的工况时，主控单元在进气门打开前发出控制信号给汽油喷射控制单元，使汽油喷射控制单元控制汽油电子泵通过汽油喷射器向进气管道中喷射汽油后，压燃燃料。具体的，该压燃燃料的过程为：进气门打开，汽油均质混合气进入气缸，在压缩行程主控单元根据发动机工况将柴油高压喷入气缸，压燃柴油引燃汽油均质混合气；

（3）重复步骤（1）和步骤（2）。

作为对上述方法的限定，所述步骤（1）中采集到的发动机状态信息包括发动机凸轮轴转速信息和曲轴转速信息。

作为对上述方法的进一步限定，所述步骤（2）中，发动机处于的汽油预混、柴油引燃的工况包括：

a、发动机处于负荷率为0%—25%的小负荷工况；

b、发动机处于负荷率为25%—75%的部分负荷工况；

c、发动机处于负荷率为75%—100%的高负荷工况。

作为对上述方法的更进一步限定：所述步骤（2）中主控单元根据发动机所处的汽油预混、柴油引燃的工况作出的控制为：

a、发动机处于负荷率为0%—25%的小负荷工况时，主控单元发出控制信号给汽油喷射控制单元控制汽油在进气门打开前喷射；进气门打开后，主控单元控制柴油喷油器进行早喷和晚喷两次柴油喷射后压燃混合气体，并且主控单元控制柴油的喷油量，保证气缸内汽油的混掺比为40%以内；

b、发动机处于负荷率为25%—75%的部分负荷工况时，主控单元发出控制信号给汽油喷射控制单元控制汽油在进气门打开前喷射；进气门打开后，主控单元控制柴油喷油器进行早喷和晚喷两次柴油喷射引燃混合气体，并且主控单元控制柴油的喷油量，保证气缸内汽油的混掺比为50%—80%之间。此外，在该过程中，主控单元还可同时控制涡轮增压器的工作，增大整机的排气性能；

c、发动机处于负荷率为75%—100%的高负荷工况时，主控单元发出控制信号给汽油喷射控制单元控制汽油在进气门打开前喷射；主控单元控制柴油喷油器进行晚喷单次柴油喷射后压燃混合气体，同时主控单元控制柴油的喷油量，保证汽油的混掺比为30%以内。

作为对上述方法的更进一步限定：发动机处于负荷率为0%—25%的小负荷工况时，主控单元控制EGE阀门不打开或者采用小开度；发动机处于负荷率为25%—75%的部分负荷工况时，主控单元控制EGR阀门大幅度打开，使回流到进气管道中的废气占气体体积的20%—50%；发动机处于负荷率为75%—100%的高负荷工况时，主控单元控制柴油高压泵和柴油喷油器增大引燃柴油的循环喷油量，同时控制EGR阀门大幅度打开，使回流到进气管道中的废气占气体体积的20%—50%。

采用如上技术方案,其效果如下：

(1)在柴油发动机的进气管道上安装了汽油喷油器，并通过汽油喷射控制单元控制汽油电子泵为汽油喷油器提供燃料，结构简单，成本低；

(2)在进气管道上设置了多个汽油喷射器，可以根据发动机工况的不同，主控单元控制是否向进气管道中喷射汽油，并通过控制柴油喷射器的喷油量以控制汽油的混掺比；

(3)通过EGR阀门与EGR中冷器将排放的废气引回到进气管道，能够降低了发动机缸内燃烧温度，有效抑制了柴油燃烧时氮氧化合物的形成，减少了有害物质的排放；

(4)主控单元可以根据发动机的不同工况采取不用的控制方式：由于发动机处于冷启动、怠速时易出现失火现象、燃烧不稳定及中高速全负荷工况时易出现粗暴燃烧，低负荷点以及中高速全负荷点，如果燃油燃烧速率太快，会难以控制，因此采用纯柴油压燃方式，保证发动机冷启动、怠速运行时的稳定性，消除了中高速全负荷运行时可能出现的爆震隐患；当发动机处于汽油预混柴油引燃工况时，主控单元控制在进气门打开前先喷射汽油；进气门打开，汽油均质气体进入气缸后，再控制柴油喷射，这样可以利用压燃的柴油引燃进入气缸的汽油，由于汽油和空气混合的时间较长，油气混合物更均匀，而且柴油喷射形成了多点点火，保证燃油燃烧更充分，同时，此时由于非完全的柴油燃烧，因此可以有效减少有害物质的排放；

(5) 发动机处于汽油预混柴油引燃工况时，由于发动机的负荷不同，因此主控单元可控制柴油喷射的次数也不同，如发动机处于小负荷工况或者和部分负荷工况时，控制单元控制柴油进行早喷和晚喷两次喷射，这样喷射的柴油在燃烧室内形成了分层，利于压燃柴油和利于燃油的充分燃烧；而发动机处于高负荷工况时，主控单元控制柴油进行晚喷一次喷射，柴油喷射量较大，燃油局部当量比高，便于柴油压燃；同时，根据负荷情况的不同，主控单元还会控制采用不同的EGR率和汽油混掺比，同样保证了燃油率燃油充分燃烧，以及减少有害物质的排放。

（6）发动机处于汽油预混柴油引燃工况时，不同的负荷率采用的汽油混掺比也不同，在小负荷工况时，汽油混掺比为40%以内，可以保证柴油顺利压燃；在发动机部分负荷工况时，汽油混掺比为50%—80%，既保证了柴油顺利压燃，同时降低NOx和Soot的排放；在发动机高负荷工况时，汽油混掺比为30%以内，防止了因高压缩比带来的汽油爆燃，同时降低了每个循环内的汽油份额，降低了油耗。

综上可见，本发明既能够有效降低油耗，又能够减少有害物质的排放。本发明适用于汽车、机车、轮船、农用机械、工程机械等领域的发动机。

附图说明

下面结合附图及具体实施方式对本发明作更进一步详细说明。

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是发明控制方法的流程图。

图中：1-1、柴油高压泵；1-2、汽油电子泵；2、柴油机；3-1、柴油共轨；3-2、汽油共轨；4-1、柴油喷油器；4-2、汽油喷油器；5-1、排气管道；5-2、进气管道；6-1、涡轮增压器的涡轮；6-2、涡轮增压器的叶轮；7-1、前消音器；7-2、后消音器；8、进气中冷器；9、空气滤清器；10、进气流量计；11、温度传感器；12、EGR中冷器；13、EGR阀门；14、缸压传感器。

具体实施方式

由图1所示的为本实施例的结构示意图可以看出，本实施例中涉及了一种汽油预混、柴油引燃发动机，其包括对发动机状态进行采集的信息采集单元、接收信息采集单元采集的发动机状态信息以对发动机进行控制的主控单元ECU、汽油喷射控制单元、柴油高压泵1-1、汽油电子泵1-2、柴油机2、柴油喷油器4-1、汽油喷油器4-2。所述柴油高压泵1-1通过柴油共轨3-1为设置在柴油机2气缸内的柴油喷油器4-1泵油，所述柴油机2的气缸出气口与入气口分别连接排气管道5-1和进气管道5-2，所述气缸的出气口处设置有用于检测气缸内压力的缸压传感器14，入气口上设有对入气口进行开闭操作的进气门K。所述汽油电子泵1-2通过汽油共轨3-2为设置在进气管道5-2上汽油喷油器4-2提供燃料。

主控单元ECU接收信息采集单元采集到的发动机工况信息，主控单元ECU的控制信号输出端分别连接高压柴油高压泵1-1、柴油喷油器4-1和进气门K；所述汽油喷射控制单元的信号输入端连接主控单元ECU的信号输出端，控制信号输出端连接汽油电子泵1-2和汽油喷油器4-2。

本实施例排气管道5-1顺次通过涡轮增压器的涡轮6-1、前消音器7-1、后消音器7-2连接外部空气；进气管道5-2依次通过进气中冷器8、空气滤清器9连接外部空气，在空气滤清器9与进气中冷器8之间还设置有涡轮增压器的叶轮6-2，空气滤清器9与叶轮6-2的连接管道上还设置有进气流量计10和温度传感器11，所述进气流量计10与温度传感器11的信号输出端连接主控单元ECU 的信号输入端。

本实施例的排气管道5-1还通过EGR中冷器12连接进气中冷器8的入口，所述排气管道5-1与EGR中冷器12连接的管道上设置有EGR阀门13，所述EGR中冷器12与EGR阀门13接收主控单元ECU发出的控制信号。

对于上述发动机的控制方法如图2所示：

(1) 主控单元接收信息采集单元采集到的发动机工况信息并判断发动机的工况；

（2）根据发动机不同的工况，主控单元ECU控制压燃燃料，具体为：

判断发动机目前是否处于冷启动、怠速及中高速全负荷工况，如果是，主控单元ECU只发出控制信号控制柴油高压泵1-1与柴油喷油器4-1工作，发动机纯柴油压燃燃烧。如果不是，继续判断发动机目前是否处于负荷率为0%—25%的小负荷工况，如果是，主控单元ECU通过汽油喷射控制单元控制汽油在进气门K打开前喷射；进气门K打开后，主控单元ECU控制柴油高压泵1-1通过柴油喷油器4-1喷射柴油，令柴油进行早喷（所述的柴油早喷定时为-35°～-55°压缩上止点后）和晚喷（柴油晚喷定时为-20°～-0°压缩上止点后）两次喷射，并且通过控制柴油的喷射量，保证气缸内汽油的混掺比（即汽油与燃油总量的质量之比）为40%以内，进而通过喷射的柴油引燃进入气缸的混合气体（具体引燃过程为进气门K打开后，汽油均质进入气缸进行压缩，在气缸活塞到达压缩上止点前，柴油高压喷入气缸中，压燃柴油，从而引燃汽油混合气），同时主控单元控制EGE阀门13不打开或者打开较小。如果不是，则继续判断发动机目前是否处于负荷率为25%—75%的部分负荷工况，如果是，汽油喷射控制单元控制汽油在进气门K打开前喷射；当进气门K打开后，主控单元ECU控制柴油高压泵1-1通过柴油喷油器4-1进行早喷和晚喷两次喷射柴油，并且控制柴油的喷射量，保证汽油的混掺比为50%—80%之间，同时主控单元ECU控制增压涡轮工作以及控制增大EGR阀门13的开度，既增大整机的排气性能，又保证回流到进气管道5-2中废气的体积为进气管道5-2中气体总体积的20%—50%。如果不是，继续判断发动机是否处于负荷率为75%—100%的高负荷工况，如果是，主控单元ECU发出控制信号给汽油喷射控制单元，控制在进气门K打开前汽油电子泵1-2通过汽油喷油器4-2向进气管道5-2中喷射汽油；进气门K打开后，主控单元ECU控制柴油采用晚喷单次喷射，并且控制柴油的喷射量，保证汽油的混掺比为30%以内，同时控制增大引燃柴油的循环喷油量，以及控制EGR阀门13大幅度打开，使回流到进气管道中的废气占气体体积的20%—50%。如果不是则继续判断发动机目前的工况。

(3)返回到步骤（1），重复上述两个步骤。

其中步骤（2）中压燃燃料具体为：主控单元控制进气门打开，并控制高压柴油泵向柴油喷油器泵油，并将柴油喷油器喷出的燃料压燃：

本实施例可以根据发动机的工况提供不同的点燃方式，既降低了油耗，又降低了有害物质的排放。同时本实施例是在普通柴油机的进气管道上设置了汽油喷油器，改造起来简单、方便，相应其他的发动机成本也低很多。

Claims

1. 一种汽油预混、柴油引燃发动机的控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

（1）主控单元接收信息采集单元采集到的发动机工况信息并判断发动机是否处于汽油预混、柴油引燃工况；

（2）压燃燃料：主控单元控制进气门打开，并控制高压柴油泵（1-1）向柴油喷油器（4-1）泵油，并将柴油喷油器（4-1）喷出的燃料压燃：

非汽油预混、柴油引燃的工况：在发动机处于非汽油预混、柴油引燃的工况的冷启动、怠速及中高速全负荷运行的工况时，主控单元控制压燃燃料；

汽油预混、柴油引燃的工况：在发动机处于汽油预混、柴油引燃的工况时，主控单元在进气门打开前发出控制信号给汽油喷射控制单元，使汽油喷射控制单元控制汽油电子泵（1-2）通过汽油喷射器（4-2）向进气管道（5-2）中喷射汽油后，压燃燃料；

（3）重复步骤（1）和步骤（2）；

所述步骤（2）中，发动机处于的汽油预混、柴油引燃的工况包括：

a、发动机处于负荷率为0%—25%的小负荷工况；

b、发动机处于负荷率为25%—75%的部分负荷工况；

c、发动机处于负荷率为75%—100%的高负荷工况；

所述步骤（2）中主控单元根据发动机所处的汽油预混、柴油引燃的工况作出的控制为：

a、发动机处于负荷率为0%—25%的小负荷工况时，主控单元发出控制信号给汽油喷射控制单元控制汽油在进气门打开前喷射；进气门打开后，主控单元控制柴油喷油器进行早喷和晚喷两次柴油喷射后压燃混合气体，同时，主控单元控制气缸内汽油的混掺比为40%以内；

b、发动机处于负荷率为25%—75% 的部分负荷工况时，主控单元发出控制信号给汽油喷射控制单元控制汽油在进气门打开前喷射；进气门打开后，主控单元控制柴油喷油器进行早喷和晚喷两次柴油喷射后压燃混合气体，主控单元控制气缸内汽油的混掺比为50%—80%之间；

c、发动机处于负荷率为75%—100%的高负荷工况时，主控单元发出控制信号给汽油喷射控制单元控制汽油在进气门打开前喷射；主控单元控制柴油喷油器采用晚喷单次柴油喷射后压燃混合气体，主控单元控制汽油的混掺比为30%以内。

2.根据权利要求 1 所述的汽油预混、柴油引燃发动机的控制方法，其特征在于：所述步骤（1）中采集到的发动机工况信息包括发动机凸轮轴转速信息和曲轴转速信息。

3.根据权利要求 1 所述的汽油预混、柴油引燃发动机的控制方法，其特征在于：发动机处于负荷率为0%—25%的小负荷工况时，主控单元控制EGE阀门不打开或者打开的程度小；发动机处于负荷率为25%—75%的部分负荷工况时，主控单元控制EGR阀门大幅度打开，使回流到进气管道中的废气占气体体积的20%—50%；发动机处于负荷率为75%—100%的高负荷工况时，主控单元控制柴油高压泵和柴油喷油器增大引燃柴油的循环喷油量，同时控制EGR阀门大幅度打开，使回流到进气管道中的废气占气体体积的20%—50%。