CN103291472A - 缸内燃烧温度定量控制的压燃式内燃机均质燃烧控制方法 - Google Patents

缸内燃烧温度定量控制的压燃式内燃机均质燃烧控制方法 Download PDF

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CN103291472A CN2013102436330A CN201310243633A CN103291472A CN 103291472 A CN103291472 A CN 103291472A CN 2013102436330 A CN2013102436330 A CN 2013102436330A CN 201310243633 A CN201310243633 A CN 201310243633A CN 103291472 A CN103291472 A CN 103291472A
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Abstract

缸内燃烧温度定量控制的压燃式内燃机均质燃烧控制方法属发动机燃烧控制领域，本发明在燃用均质混合气的同时，将缸内燃烧温度定量控制在2200K以内，以达到同时降低微粒和NOx排放的目的；当发动机运行在单缸喷油量≤的小负荷工况下，采用内部EGR提高缸内温度，保证燃烧的稳定性；在
Figure 2013102436330100004DEST_PATH_IMAGE001
≤
Figure 703623DEST_PATH_IMAGE002
≤
Figure 2013102436330100004DEST_PATH_IMAGE003
的中等负荷工况下，不需要采取任何温度控制措施；在
Figure 214108DEST_PATH_IMAGE004
≤
Figure 882987DEST_PATH_IMAGE002
≤
Figure DEST_PATH_IMAGE005
的中大负荷工况下，燃烧温度较高，加入外部EGR降低缸内燃烧温度；在≤
Figure 506046DEST_PATH_IMAGE002
≤
Figure 243058DEST_PATH_IMAGE007
的大负荷工况下，外部EGR阀全开，同时增大节气门开度，增加缸内的新鲜进气量，利用外部EGR耦合增加进气量的方法，降低缸内的燃烧温度。

Description

缸内燃烧温度定量控制的压燃式内燃机均质燃烧控制方法
技术领域
本发明属于发动机燃烧控制领域，具体涉及一种定量控制发动机缸内燃烧温度的均质压缩着火燃烧控制方法。
背景技术
随着世界汽车保有量的不断增长，汽车排放的有害物质日益增多，随之带来的环境问题引起了人们越来越多的关注，各国相继出台了严格的排放法规，限制内燃机有害物质的排放。NOx（氮氧化物）和PM（微粒）是压燃式内燃机排放的主要有害物质，在传统燃烧模式下两种排放物存在相斥关系（trade-off），即降低其中一种排放物往往带来另一种排放物的升高，这成为柴油机排放控制的难点。
产生PM的重要条件是缺氧，在传统燃烧模式下虽然总体是富氧燃烧，但是由于油、气不能完全均匀混合，造成局部区域氧浓度的降低，从而导致PM的产生。如果采用预混合的方式制备均质混合气，使空气与燃料在燃烧之前充分混合，将有效降低PM排放。相关研究表明各发动机均存在最优空燃比(空气与燃料的质量比)，在该空燃比下发动机的经济性和排放均会取得令人满意的效果。
NOx产生的必要条件是：高温、富氧和滞留时间，三者缺一不可。EGR(Exhaust Gas Recirculation，废气再循环)技术由于限制了NOx生成所需的高温、富氧条件，成为降低NOx的有效方法，目前国内外在增压柴油机上进行EGR有两种可行方案:外部EGR和内部EGR。内部EGR通过改变配气正时实现，由于废气未经冷却直接回流，因此引起混合气温度升高。外部EGR利用专门的管道将废气经由冷却器引入进气管，使废气与新鲜空气在进入气缸前充分混合，外部EGR可以有效降低燃烧温度。研究表明当燃烧温度小于2200K时，NOx排放会取得较为满意的效果。
发明内容
本发明解决的问题是:通过一种缸内燃烧温度定量控制的压燃式内燃机均质燃烧控制方法，在燃料均质压缩着火的同时实现缸内燃烧温度的定量控制，达到同时降低发动机NOx和PM排放的目的。
本发明采用的技术方案是：发动机电控单元控制喷油器向进气道内喷射燃料，新鲜空气与燃料在进气道内形成均质混合气。在小负荷工况下，进气量较少，发动机的压缩温度较低，为保证燃料能够顺利着火，采用内部EGR提高缸内温度；在中等负荷工况下，此时发动机缸内的压缩温度能够保证燃料的顺利着火，同时缸内的燃烧温度在不添加外部EGR的情况下便可以控制在2200K以内，因此不需要采取任何温度控制措施；在中大负荷工况，由于喷油量较多，放热量较大，致使燃烧温度较高，为将燃烧温度控制在2200K以内，加入外部EGR降低缸内燃烧温度；在大负荷工况，由于喷油量很大，放热量很高，即使EGR阀全开也难以保证燃烧温度低于2200K，这时增大节气门开度，增加缸内的新鲜进气量，利用外部EGR耦合增加进气量的方法，降低缸内的燃烧温度。
本发明由外部EGR阀1、过滤器2、EGR冷却器3、压气机4、涡轮机5、三通6、发动机排气总管7、可变配气正时机构8、喷油器9、发动机进气总管10、节气门11、进气中冷器12、发动机电控单元（ECU）13、油门踏板位置传感器14、起动开关15、发动机转速传感器16和发动机进气歧管17组成，其中发动机转速传感器16、起动开关15、油门踏板位置传感器14与发动机电控单元13连接，三通6的入口与发动机排气总管7连接，三通6的一出口与涡轮机5连接，三通6的另一出口与外部EGR阀1入口连接；外部EGR阀1出口经过滤器2和EGR冷却器3与压气机4的入口连接；压气机4的出口经进气中冷器12与发动机进气总管10连接，喷油器9插入发动机进气歧管17中，节气门11布置在发动机进气总管10的入口处。
一种缸内燃烧温度定量控制的压燃式内燃机均质燃烧控制方法通过下列步骤实现：
1.采集发动机转速传感器16、油门踏板位置14的信号，发送给发动机电控单元13；
2.发动机电控单元13确定功率需求，并查询控制MAP，确定该功率需求下发动机各缸所需的循环喷油量，然后向喷油器9发出脉冲信号，控制喷油参数（正时、压力、脉宽等），参考公式（1）确定；
3.发动机电控单元13根据目标空燃比，确定进气量，并向节气门11发出脉冲信号，控制节气门11开度，新鲜空气与燃料在进气道内预混合形成均质混合气，参考公式（2）确定；
4.发动机电控单元13判断各缸循环喷油量是否大于，若不大于，则调节配气正时，使排气门早关，增加气缸内的残余废气量，使缸内的残余废气的质量为；若喷油量大于，则转步骤5，参考公式（3）确定，参考公式（4）确定；
5.若各缸循环喷油量大于，判断是否大于，若不大于，则排气门正常关闭，外部EGR阀1关闭；若大于，则转步骤6，参考公式（5）确定；
6.若各缸循环喷油量大于，判断是否大于，若不大于，则控制外部EGR阀1开度，使部分废气经过滤器2和EGR冷却器3再次进入气缸，再循环的废气质量为；若大于，则转步骤7，参考公式（6）确定，参考公式（7）确定；
7．若各缸循环喷油量大于，判断是否大于，若不大于，则外部EGR阀1全开，增大节气门11开度，增加进气量，使进气的质量为，若大于，则不适用本燃烧控制方法，参考公式（8）确定，参考公式（9）确定。
上述步骤中所用到的公式如下：      
Figure 707633DEST_PATH_IMAGE001
                                            (1)
       
Figure 53688DEST_PATH_IMAGE002
                                     (2)
       
Figure 850743DEST_PATH_IMAGE003
                      (3)
       
Figure 459579DEST_PATH_IMAGE004
                              (4)
       
Figure 570754DEST_PATH_IMAGE005
                         (5)
       
Figure 581435DEST_PATH_IMAGE006
   (6)
       
Figure 549391DEST_PATH_IMAGE007
                     (7)
       
Figure 832474DEST_PATH_IMAGE008
                      (8)
       
Figure 278499DEST_PATH_IMAGE009
             (9) 
式中: 
Figure 409266DEST_PATH_IMAGE010
发动机各缸循环喷油量,
Figure 485806DEST_PATH_IMAGE011
为发动机的功率需求，
Figure 69234DEST_PATH_IMAGE012
为燃料的热值，
Figure 318950DEST_PATH_IMAGE013
为发动的有效热效率，
Figure 491174DEST_PATH_IMAGE014
为发动机的气缸数，
Figure 800933DEST_PATH_IMAGE015
为目标空燃比，
Figure 871657DEST_PATH_IMAGE016
为目标空燃比下的进气量，
Figure 862747DEST_PATH_IMAGE017
为燃料的着火温度， 为进气管状态下充满气缸工作容积的理论空气量，
Figure 183187DEST_PATH_IMAGE019
为发动机的压缩比，k为多变指数，
Figure 662579DEST_PATH_IMAGE020
为缸内的残余废气量，为进气的比热容，
Figure 213963DEST_PATH_IMAGE022
为本燃烧控制方法所允许的最高燃烧温度，本发明中取2200K，
Figure 803207DEST_PATH_IMAGE023
为缸内残余废气的比热容， 为残余废气的温度，
Figure 243733DEST_PATH_IMAGE025
为燃料气化后的比热容，
Figure 994125DEST_PATH_IMAGE026
为燃料气化后的温度，
Figure 82167DEST_PATH_IMAGE027
为再循环废气的比热容，
Figure 349200DEST_PATH_IMAGE028
为本燃烧控制方法所允许添加的最大EGR量，
Figure 220204DEST_PATH_IMAGE029
为再循环废气的温度，
Figure 889083DEST_PATH_IMAGE030
为再循环废气量，
Figure 148026DEST_PATH_IMAGE031
为EGR阀全开的情况下的进气量，
Figure 823726DEST_PATH_IMAGE032
为本燃烧控制方法所允许的最大空燃比。
本发明的工作原理如下：
发动机工作时发动机电控单元13采集发动机转速传感器16信号和油门踏板位置传感器14信号，确定功率需求
Figure 826318DEST_PATH_IMAGE011
。由发动机电控单元13查询控制MAP，确定各缸循环喷油量
Figure 349703DEST_PATH_IMAGE033
，并向喷油器9发出控制信号，喷油器9向进气道内喷射燃油；同时发动机电控单元13根据目标空燃比，确定进气量
Figure 693276DEST_PATH_IMAGE035
，发动机电控单元13发送控制信号给节气门11，通过控制节气门11开度控制进入气缸的新鲜空气量，新鲜空气与燃油在进气道内形成均质混合气，发动机在目标空燃比
Figure 233979DEST_PATH_IMAGE034
下，经济性和排放均会取得较好的效果。在各缸循环喷油量
Figure 798822DEST_PATH_IMAGE033
小于
Figure 399567DEST_PATH_IMAGE036
的小负荷工况，由于将空燃比定量控制在
Figure 800593DEST_PATH_IMAGE034
，导致进气量较少，发动机的压缩温度较低，为保证燃料能够顺利着火，采用内部EGR，即利用可变配气正时机构8调节气门正时，使排气门早关，增加缸内的残余废气量，使残余废气量为
Figure 144986DEST_PATH_IMAGE020
，残余废气具有较高的温度，可以提高缸内混合气的温度。在各缸循环喷油量
Figure 829915DEST_PATH_IMAGE033
大于
Figure 335982DEST_PATH_IMAGE036
小于
Figure 552200DEST_PATH_IMAGE037
的中等负荷工况，此时压缩温度能够保证燃料的顺利着火，燃烧温度在不添加外部EGR的情况下也可以控制在2200K以内，因此不需要采取任何温度控制措施。在各缸喷油量
Figure 372388DEST_PATH_IMAGE033
大于
Figure 724872DEST_PATH_IMAGE038
小于
Figure 401841DEST_PATH_IMAGE039
的中大负荷工况，由于喷油量较多，放热量较大，致使燃烧温度较高，为将燃烧温度控制在2200K以内，加入外部EGR，即将经过冷却的废气重新引入气缸，由于废气比热容较大，可以降低缸内燃烧温度，再循环废气的质量为
Figure 29656DEST_PATH_IMAGE040
，但为保证燃烧的稳定性，应将再循环废气量控制在
Figure 715852DEST_PATH_IMAGE028
以内。在各缸喷油量
Figure 922843DEST_PATH_IMAGE033
大于
Figure 973976DEST_PATH_IMAGE041
小于
Figure 86157DEST_PATH_IMAGE042
的大负荷工况，由于喷油量很大，放热量很高，即使EGR阀全开也难以保证燃烧温度低于2200K，这时利用外部EGR耦合增加进气量的方法降低缸内的燃烧温度，即在外部EGR阀全开的情况下，通过增大节气门开度增加缸内的新鲜进气量，此时的进气量为
Figure 310465DEST_PATH_IMAGE031
，但为保证燃烧的稳定性，最大空燃比不应超过；当各缸喷油量
Figure 859575DEST_PATH_IMAGE033
大于
Figure 6522DEST_PATH_IMAGE043
时，已无法对缸内燃烧温度进行定量控制，因此不适合本燃烧控制方法。
本发明的工作过程如下：起动开关15接通，发动机电控单元13上电，采集油门踏板位置传感器14和发动机转速传感器16信号，确定功率需求
Figure 34521DEST_PATH_IMAGE011
，发动机电控单元13根据功率需求确定各缸的循环喷油量
Figure 403055DEST_PATH_IMAGE033
，根据
Figure 858307DEST_PATH_IMAGE033
的不同，按照上述的步骤采取不同的控制方法，实现缸内燃烧温度的定量控制。
本发明与现有技术相比具有以下优点和有益效果：在燃料均质燃烧的同时实现了燃烧温度的定量控制，这样可以同时有效降低微粒和NOx排放，有效地解决发动机的排放问题。
本发明仅详细表述了进气道内形成均质混合气的情况，本发明同样适用于缸内形成均质混合气的情况。
附图说明
图1是缸内燃烧温度定量控制的压燃式内燃机均质燃烧控制系统的结构示意图。
图2是缸内燃烧温度定量控制的压燃式内燃机均质燃烧控制方法的总体流程图。
其中： A.发动机    1.外部EGR阀    2.过滤器    3. EGR冷却器  4.压气机   5.涡轮机   6.三通   7.发动机排气总管   8. 可变配气正时机构   9. 喷油器   10. 发动机进气总管   11.节气门   12.进气中冷器   13.发动机电控单元（ECU）   14.油门踏板位置传感器  15.起动开关   16.发动机转速传感器   17.进气歧管。   
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
本发明的一种缸内燃烧温度定量控制的压燃式内燃机均质燃烧控制系统，其连接如图1所示，它由外部EGR阀1、过滤器2、EGR冷却器3、压气机4、涡轮机5、三通6、发动机排气总管7、可变配气正时机构8、喷油器9、发动机进气总管10、节气门11、进气中冷器12、发动机电控单元（ECU）13、油门踏板位置传感器14、起动开关15、发动机转速传感器16和发动机进气歧管17组成，其中发动机转速传感器16、起动开关15、油门踏板位置传感器14与发动机电控单元13连接；三通6的入口与发动机排气总管7连接，三通6的一出口与涡轮机5连接，三通6的另一出口与外部EGR阀1入口连接；外部EGR阀1出口经过滤器2和EGR冷却器3与压气机4的入口连接；压气机4的出口经进气中冷器12与发动机进气总管7连接，喷油器9插入发动机进气歧管17中，节气门11布置在发动机进气总管10的入口处。
一种缸内燃烧温度定量控制的压燃式内燃机均质燃烧控制方法，通过下列步骤实现：
1.采集发动机转速传感器16、油门踏板位置14的信号，发送给发动机电控单元13；
2.发动机电控单元13确定功率需求
Figure 758130DEST_PATH_IMAGE011
，并查询控制MAP，确定该功率需求下发动机各缸所需的循环喷油量
Figure 261923DEST_PATH_IMAGE033
，然后向喷油器9发出脉冲信号，控制喷油参数（正时、压力、脉宽等），
Figure 298012DEST_PATH_IMAGE033
参考公式（1）确定；
3.发动机电控单元13根据目标空燃比
Figure 924166DEST_PATH_IMAGE044
，确定进气量
Figure 232656DEST_PATH_IMAGE035
，并向节气门11发出脉冲信号，控制节气门11开度，新鲜空气与燃料在进气道内预混合形成均质混合气，
Figure 602458DEST_PATH_IMAGE035
参考公式（2）确定；
4.发动机电控单元13判断各缸循环喷油量
Figure 758633DEST_PATH_IMAGE033
是否大于
Figure 493370DEST_PATH_IMAGE036
，若不大于
Figure 102206DEST_PATH_IMAGE036
，则调节配气正时，使排气门早关，增加气缸内的残余废气量，使缸内的残余废气的质量为
Figure 10119DEST_PATH_IMAGE020
；若
Figure 210681DEST_PATH_IMAGE033
大于
Figure 178637DEST_PATH_IMAGE036
，则转步骤5，公式（3）确定，
Figure 986373DEST_PATH_IMAGE020
参考公式（4）确定；
5.若各缸循环喷油量
Figure 54823DEST_PATH_IMAGE033
大于
Figure 193681DEST_PATH_IMAGE036
，判断
Figure 511530DEST_PATH_IMAGE033
是否大于
Figure 213775DEST_PATH_IMAGE037
，若
Figure 199049DEST_PATH_IMAGE033
不大于
Figure 508807DEST_PATH_IMAGE045
，则排气门正常关闭，外部EGR阀1关闭；若
Figure 251635DEST_PATH_IMAGE033
大于，则转步骤6，
Figure 144822DEST_PATH_IMAGE037
参考公式（5）确定；
6.若各缸循环喷油量
Figure 812433DEST_PATH_IMAGE033
大于
Figure 370453DEST_PATH_IMAGE038
，判断
Figure 899654DEST_PATH_IMAGE033
是否大于
Figure 859520DEST_PATH_IMAGE041
，若
Figure 698032DEST_PATH_IMAGE033
不大于，则控制外部EGR阀1开度，使部分废气经过滤器2、EGR冷却器3再次进入气缸，再循环的废气质量为
Figure 872978DEST_PATH_IMAGE030
；若大于
Figure 447496DEST_PATH_IMAGE047
，则转步骤7，
Figure 714530DEST_PATH_IMAGE048
参考公式（6）确定，
Figure 103310DEST_PATH_IMAGE040
参考公式（7）确定；
7．若各缸循环喷油量
Figure 772189DEST_PATH_IMAGE033
大于，判断
Figure 457565DEST_PATH_IMAGE033
是否大于
Figure 460156DEST_PATH_IMAGE042
，若不大于
Figure 334757DEST_PATH_IMAGE049
，则外部EGR阀1全开，增大节气门11开度，增加进气量，使进气的质量为
Figure 576383DEST_PATH_IMAGE031
，若
Figure 117085DEST_PATH_IMAGE033
大于
Figure 432660DEST_PATH_IMAGE049
，则不适用本燃烧控制方法，
Figure 33406DEST_PATH_IMAGE043
参考公式（8）确定，参考公式（9）确定。

Claims (1)

1.一种缸内燃烧温度定量控制的压燃式内燃机均质燃烧控制方法，其特征在于包括下列步骤：
1）采集发动机转速传感器(16)、油门踏板位置(14)的信号，发送给发动机电控单元（13）；
2）发动机电控单元(13)确定功率需求，并查询控制MAP,确定该功率需求下发动机各缸所需的循环喷油量，然后向喷油器（9）发出脉冲信号，控制喷油参数（正时、压力、脉宽等），参考公式（1）确定；
3）发动机电控单元（13）根据目标空燃比                                                
Figure 512893DEST_PATH_IMAGE001
，确定进气量
Figure 540892DEST_PATH_IMAGE002
，并向节气门（11）发出脉冲信号，控制节气门（11）开度，新鲜空气与燃料在进气道内预混合形成均质混合气，参考公式（2）确定；
4）发动机电控单元（13）判断循环喷油量是否大于
Figure 998921DEST_PATH_IMAGE004
，若不大于
Figure 565032DEST_PATH_IMAGE004
，则调节配气正时，使排气门早关，增加气缸内的残余废气量，使缸内的残余废气的质量为
Figure 804383DEST_PATH_IMAGE005
；若喷油量
Figure 164957DEST_PATH_IMAGE003
大于
Figure 552076DEST_PATH_IMAGE004
，则转步骤5，
Figure 108828DEST_PATH_IMAGE004
参考公式（3）确定，
Figure 937107DEST_PATH_IMAGE005
参考公式（4）确定；
5）若循环喷油量大于
Figure 342998DEST_PATH_IMAGE004
 ，判断
Figure 706370DEST_PATH_IMAGE003
是否大于
Figure 717052DEST_PATH_IMAGE006
，若不大于
Figure 718823DEST_PATH_IMAGE007
，则排气门正常关闭，外部EGR阀（1）关闭；若
Figure 430427DEST_PATH_IMAGE003
大于
Figure 295615DEST_PATH_IMAGE008
，则转步骤6，
Figure 621423DEST_PATH_IMAGE006
参考公式（5）确定；
6）若循环喷油量
Figure 204851DEST_PATH_IMAGE003
大于，判断
Figure 377523DEST_PATH_IMAGE003
是否大于
Figure 687282DEST_PATH_IMAGE009
，若
Figure 758006DEST_PATH_IMAGE003
不大于
Figure 998363DEST_PATH_IMAGE010
，则控制外部EGR阀（1）开度，使部分废气经过滤器（2）和EGR冷却器（3）再次进入气缸，再循环的废气质量为
Figure 838143DEST_PATH_IMAGE011
；若
Figure 318803DEST_PATH_IMAGE003
大于
Figure 548927DEST_PATH_IMAGE012
，则转步骤7，
Figure 406025DEST_PATH_IMAGE013
参考公式（6）确定，
Figure 100311DEST_PATH_IMAGE014
参考公式（7）确定；
7）若循环喷油量大于
Figure 938823DEST_PATH_IMAGE013
，判断是否大于
Figure 379349DEST_PATH_IMAGE015
，若
Figure 928142DEST_PATH_IMAGE003
不大于
Figure 953867DEST_PATH_IMAGE016
，则外部EGR阀（1）全开，增大节气门开度（11），增加进气量，使进气的质量为
Figure 220900DEST_PATH_IMAGE017
，若
Figure 609681DEST_PATH_IMAGE003
大于
Figure 12980DEST_PATH_IMAGE016
，则不适用本燃烧控制方法，参考公式（8）确定，
Figure 26253DEST_PATH_IMAGE017
参考公式（9）确定；
上述步骤中所用到的公式如下：        
       
Figure 700948DEST_PATH_IMAGE019
                                            (1)
       
Figure 224333DEST_PATH_IMAGE020
                                     (2)
       
Figure 654177DEST_PATH_IMAGE021
                      (3)
       
Figure 817174DEST_PATH_IMAGE022
                              (4)
       
Figure 357877DEST_PATH_IMAGE023
                         (5)
       
Figure 1348DEST_PATH_IMAGE024
   (6)
       
Figure 274197DEST_PATH_IMAGE025
                     (7)
       
Figure 3119DEST_PATH_IMAGE026
                      (8)
       
Figure 81933DEST_PATH_IMAGE027
             (9)
式中:
Figure 766861DEST_PATH_IMAGE003
发动机各缸循环喷油量,
Figure 272929DEST_PATH_IMAGE028
为发动机的功率需求，
Figure 489147DEST_PATH_IMAGE029
为燃料的热值，
Figure 309335DEST_PATH_IMAGE030
为发动的有效热效率，为发动机的气缸数，
Figure 604367DEST_PATH_IMAGE001
为目标空燃比，
Figure 229253DEST_PATH_IMAGE002
为目标空燃比下的进气量，
Figure 649870DEST_PATH_IMAGE032
为燃料的着火温度，为进气管状态下充满气缸工作容积的理论空气量，
Figure 907993DEST_PATH_IMAGE034
为发动机的压缩比，k为多变指数，为缸内的残余废气量，
Figure 57531DEST_PATH_IMAGE035
为进气的比热容，
Figure 574488DEST_PATH_IMAGE036
为本燃烧控制方法所允许的最高燃烧温度，本发明中取2200K，
Figure 858839DEST_PATH_IMAGE037
为缸内残余废气的比热容， 
Figure 271365DEST_PATH_IMAGE038
为残余废气的温度，为燃料气化后的比热容，
Figure 153051DEST_PATH_IMAGE040
为燃料气化后的温度，为再循环废气的比热容，
Figure 508126DEST_PATH_IMAGE042
为本燃烧控制方法所允许添加的最大EGR量，
Figure 261187DEST_PATH_IMAGE043
为再循环废气的温度，
Figure 297276DEST_PATH_IMAGE044
为再循环废气量，
Figure 923430DEST_PATH_IMAGE017
为EGR阀全开的情况下的进气量，为本燃烧控制方法所允许的最大空燃比。
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