CN103075265A - 一种增压不中冷的发动机系统及其稀薄燃烧方法 - Google Patents

Abstract

一种增压不中冷的发动机系统及其稀薄燃烧方法，一种在增压但不中冷的前提下，发动机在中小负荷利用较稀混合气的均质充量预混压燃方式，而在大负荷时利用燃料喷射时刻、次数及质量可控的协同控制燃烧技术，在提高发动机能量利用率的同时，满足瞬间高功率、高转矩的需要，同时降低有害物排放。

Description

一种增压不中冷的发动机系统及其稀薄燃烧方法

技术领域

本发明涉及内燃机领域，特别涉及一种增压但不中冷、根据发动机工况的变化而采用不同控制策略的燃烧技术及实现该燃烧技术的发动机系统。

背景技术

现有的发动机为了提高其动力经济性、降低有害物排放，均采用增压和中间冷却技术，即将经过压气机后产生的高温高压空气再经过一个热交换器（中间冷却器），将高温高压空气冷却到50℃以内压力仍保持不变，目的还是进一步提高进入气缸内的空气密度、降低气缸内温度。但是，高温高压空气与中间冷却器交换的热量由冷却水带走，从而造成了能量的损失。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提供一种在增压但不中冷的前提下，发动机在中小负荷利用较稀混合气的均质充量预混压燃方式，而在大负荷时利用燃料喷射时刻、次数及质量可控的协同控制燃烧技术，在提高发动机能量利用率的同时，满足瞬间高功率、高转矩的需要，同时降低有害物排放。

本发明为解决上述技术问题的不足而采用的技术方案是：

一种增压不中冷的发动机系统，包括发动机、增压器、废气再循环系统和ECU，发动机的排气管通过废气再循环系统与发动机进气管连接，增压器与发动机的进气管连接；

    ECU控制增压器增压和控制发动机喷油，ECU通过废气再循环系统的EGR阀控制进入发动机内的进气量，在10%—60%负荷时，使发动机气缸内形成均质混合气，使混合气空燃比保持在20~55范围内，以实现稀薄燃烧；在60%以上负荷时，使混合气空燃比保持在15~20范围内。

所述的废气再循环系统包括EGR阀和排气温度传感器，EGR阀设置在发动机的排气管上，排气温度传感器设置在排气管内，EGR阀和排气温度传感器分别与ECU相关联，排气温度传感器监测排气温度，废气依次经过排气温度传感器和EGR阀进入发动机的进气管，使废气与新鲜空气在进气管中混合。

所述的发动机系统还包括发动机转速传感器和上止点信号传感器，发动机转速传感器和上止点信号传感器分别监测发动机转速和活塞上止点位置，并与ECU相关联，所测数据信号反馈到ECU，ECU了解发动机实际运行条件。

所述的增压器出口安装有进气温度传感器和进气压力传感器，进气温度传感器和进气压力传感器监测增压后气体温度和压力，并与ECU相关联，将所测数据信号反馈到ECU。

所述的气缸压力传感器至少为一个。

所述的增压器为机械增压、涡轮增压或机械增压和涡轮增压相结合的方式中的一种。

一种增压不中冷的发动机系统的稀薄燃烧方法，

步骤一、在一台增压带EGR电控发动机上，新鲜清洁空气经过增压器形成高温高压气体，通过与增压器连接的进气压力传感器和进气温度传感器分别监测增压后进气的压力和温度，进气压力传感器和进气温度传感器将所测信号反馈到ECU后，使高温高压气体通过进气管直接进入气缸内；

步骤二、高温高压气体进入气缸内，发动机气缸内的气缸压力传感器、燃料温度控制仪、发动机转速传感器、上止点信号传感器监测产生信号，这些传感器将所测的信号反馈到ECU中，在ECU中集成有计算及控制程序，控制程序分析发动机的最佳喷油策略和EGR率对发动机进行控制；

步骤三、ECU通过改变喷油策略和EGR率来改变气缸内混合气状态以满足不同负荷的要求，在10%—60%负荷时，使气缸内形成均质混合气且空燃比保持在20~55范围内，以实现稀薄燃烧；在60%以上负荷，提高增压比以满足发动机对进气量的要求，使气缸内形成混合气空燃比保持在15~20范围内，使混合气燃烧能够发出低负荷时相同的功率或扭矩。

本发明有益效果为：本发明提供的一种增压不中冷的内燃机稀薄燃烧方法通过进气增压不中冷，使得进入气缸内的空气温度提高，促进压缩过程中喷入的燃料与空气充分混合；同时不中冷简化了传统内燃机系统，充分利用了进气和排气能量。在发动机的中小负荷时，实现均质预混稀薄燃烧，在大负荷时，同样实现比传统发动机混合气更稀的燃烧，从而实现降低有害物排放，提高能源利用率的目的。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图中：1、进气管，2、排气管，3、燃油温度控制仪器，301、燃油温度传感器，4、ECU，401、ECU指令输出线，5、增压器，501、进气温度传感器，502、进气压力传感器，6、空气流量计，601、空气流量传感器，7、排气温度传感器，8、EGR阀，9、后处理装置，10、气缸压力传感器，11、发动机转速传感器，12、上止点信号传感器，13、传感器信号输入线，14、发动机，15、废气再循环系统。

具体实施方式

如图所示，本发明提供一种增压但不中冷，中小负荷时采用均质充量预混压燃的稀薄燃烧方法，大负荷时利用燃料喷射时刻、次数和质量可控的协同控制燃烧技术，包括：在一台增压带EGR电控发动机上，新鲜清洁空气经过增压器形成高温高压气体，且在增压器后设置有压力和温度传感器分别监测增压后进气压力和温度，高温高压气体在进气总管末端与EGR中的排气以一定比例混合然后进入气缸内，其中在EGR阀前安装有温度传感器监测排气温度。此外，在发动机上还设置有气缸压力传感器、燃料温度传感器、发动机转速传感器、上止点信号传感器等，所有传感器所测的数据信号都将反馈到电子控制单元（以下简称ECU）中，在ECU中集成有计算及控制程序，此程序是在大量的发动机实验数据基础上加以分析得到发动机各个工况下的最佳喷油策略和EGR率编译而成。当高温高压气体进入气缸内后，ECU能够综合分析计算各传感器反馈过来的信号并与内存程序比较，从而能够在发动机不同工况下精确控制喷油时刻、喷油速率、喷油次数、每次喷油量及EGR率控制着火时刻和燃烧放热率。ECU控制程序通过改变喷油策略和EGR率来改变气缸内混合气状态以满足不同负荷的要求。在10%—60%负荷时，使气缸内形成均质混合气且空燃比在20~55范围内，以实现稀薄燃烧；在60%以上负荷，提高增压比以满足发动机对进气量的要求，使气缸内形成比传统的增压中冷发动机稍稀的混合气（高温进气使气缸内温度增加，拓宽混合气可燃极限，加快燃烧速度），且混合气空燃比在15~20范围内，并且混合气燃烧能够发出相同的功率或扭矩，从而提高能量利用率，降低燃料消耗率。

发动机系统包括空气流量计，燃油温度控制仪器，增压器，废气再循环系统（EGR），电子控制单元（ECU），以及在发动机上安装有转速传感器、上止点信号传感器，发动机气缸内安装有压力传感器等。

空气流量计安装有空气流量传感器能够精确测量空气流量，并且空气流量计与ECU相关联，所测空气流量数据信号能够反馈到ECU。

燃油温度控制仪器能够控制燃油温度，其上安装有燃油温度传感器，且与ECU相关联，所测燃油温度数据信号能够反馈到ECU。

增压器能够将新鲜空气变成高温高压气体，增压器出口安装有温度和压力传感器监测增压后气体温度和压力，并与ECU相关联，所测数据信号反馈到ECU。

废气再循环系统（EGR），EGR系统可将混合气燃烧后排出的废气引入进气管，从而使废气与新鲜空气在进气管中混合，通过控制EGR阀的开度改变EGR率。在EGR阀前安装有排气温度传感器监测EGR中排气温度，所测数据信号反馈到ECU，使ECU计算出进入气缸时混合气的温度。EGR可通过改变进入气缸内气体的温度和控制空燃比来改进所述燃烧方式的控制。EGR率（百分比）在中小负荷均质充量预混压燃燃烧模式下所起作用更大，且在此负荷范围内EGR率随着发动机负荷的增加而增加；在大负荷空燃比为15~20的混合气燃烧模式下EGR率基本上变化不大，主要目的是降低最高燃烧温度，从而降低NOx排放。

上述发动机转速传感器和上止点信号传感器分别监测发动机转速和活塞上止点位置，与ECU相关联，所测数据信号反馈到ECU，使ECU了解发动机实际运行条件。上述气缸压力传感器监测燃烧过程中的压力变化，与ECU相关联，所测数据信号反馈到ECU，使ECU计算得到燃烧始点和燃烧放热率等。

上述发动机系统和燃烧模式由电子控制单元（ECU）实施，ECU输入端通过线束连接采集发动机信号的传感器，ECU输出端连接发动机中的控制装置，ECU中集成有控制程序。该程序是经过大量实验取得的数据和精确计算为基础编写而成。在发动机运转时，ECU不断采集发动机系统中各传感器反馈来的数据信号进行计算并且与内存程序比较、判断，然后输出指令给控制装置（例如给喷油器提供一定的脉宽控制喷油量）。所述ECU控制程序能够综合分析、计算各传感器在发动机不同工况下反馈过来的信号，与内存程序比较并不断修正，能够正确控制喷油时刻、喷油速率、喷油次数、每次喷油量及EGR率，从而实现所述燃烧方式。

增压方式主要选择机械增压或废气涡轮增压，必要的时候可以同时采用这两种方式。一般，发动机在低转速时采用机械增压，中高转速时采用废气涡轮增压。

去除中间冷却装置后，采取增压不中冷的技术方案，使发动机内的进气温度更高，可燃混合气可燃极限拓宽，稀薄燃烧可以降低最高燃烧温度，能减小发动机损坏的可能。专利中给定的空燃比的范围内能保证发动机正常燃烧，不易熄火。

Claims (7)

1.一种增压不中冷的发动机系统，其特征在于：包括发动机（14）、增压器（5）、废气再循环系统（15）和ECU（4），发动机（14）的排气管（2）通过废气再循环系统（15）与发动机（14）进气管（1）连接，增压器（5）与发动机（14）的进气管（1）连接；

    ECU（4）控制增压器（5）增压和控制发动机（14）喷油，ECU（4）通过废气再循环系统（15）的EGR阀（8）控制进入发动机（14）内的进气量，在10%—60%负荷时，使发动机（14）气缸内形成均质混合气，使混合气空燃比保持在20~55范围内，以实现稀薄燃烧；在60%以上负荷时，使混合气空燃比保持在15~20范围内。

2.如权利要求1所述的一种增压不中冷的发动机系统，其特征在于：所述的废气再循环系统（15）包括EGR阀（8）和排气温度传感器（7），EGR阀（8）设置在发动机（14）的排气管（2）上，排气温度传感器（7）设置在排气管（2）内，EGR阀（8）和排气温度传感器（7）分别与ECU（4）相关联，排气温度传感器（7）监测排气温度，废气依次经过排气温度传感器（7）和EGR阀（8）进入发动机（14）的进气管（1），使废气与新鲜空气在进气管（1）中混合。

3.如权利要求1所述的一种增压不中冷的发动机系统，其特征在于：所述的发动机系统还包括发动机转速传感器（11）和上止点信号传感器（12），发动机转速传感器（11）和上止点信号传感器（12）分别监测发动机转速和活塞上止点位置，并与ECU相关联，所测数据信号反馈到ECU，ECU了解发动机实际运行条件。

4.如权利要求1所述的一种增压不中冷的发动机系统，其特征在于：所述的增压器（5）出口安装有进气温度传感器（501）和进气压力传感器（502），进气温度传感器（501）和进气压力传感器（502）监测增压后气体温度和压力，并与ECU相关联，将所测数据信号反馈到ECU。

5.如权利要求1所述的一种增压不中冷的发动机系统，其特征在于：所述的气缸压力传感器（10）至少为一个。

6.如权利要求1所述的一种增压不中冷的发动机系统，其特征在于：所述的增压器（5）为机械增压、涡轮增压或机械增压和涡轮增压相结合的方式中的一种。

7.一种增压不中冷的发动机系统的稀薄燃烧方法，其特征在于：

步骤一、在一台增压带EGR电控发动机上，新鲜清洁空气经过增压器形成高温高压气体，通过与增压器连接的进气压力传感器和进气温度传感器分别监测增压后进气的压力和温度，进气压力传感器和进气温度传感器将所测信号反馈到ECU后，使高温高压气体通过进气管直接进入气缸内；

步骤二、高温高压气体进入气缸内，发动机气缸内的气缸压力传感器、燃料温度控制仪、发动机转速传感器、上止点信号传感器监测产生信号，这些传感器将所测的信号反馈到ECU中，在ECU中集成有计算及控制程序，控制程序分析发动机的最佳喷油策略和EGR率对发动机进行控制；

步骤三、ECU通过改变喷油策略和EGR率来改变气缸内混合气状态以满足不同负荷的要求，在10%—60%负荷时，使气缸内形成均质混合气且空燃比保持在20~55范围内，以实现稀薄燃烧；在60%以上负荷，提高增压比以满足发动机对进气量的要求，使气缸内形成混合气空燃比保持在15~20范围内，使混合气燃烧能够发出低负荷时相同的功率或扭矩。

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