CN103291472B - 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

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≤≤的中等负荷工况下，不需要采取任何温度控制措施；在≤≤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≤≤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

本发明属于内燃机燃烧控制领域，具体涉及一种定量控制内燃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。相关研究表明各内燃机均存在最优空燃比(空气与燃料的质量比)，在该空燃比下内燃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(ExhaustGasRecirculation，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，达到同时降低内燃机NOx和PM排放的目的。

本发明采用的技术方案是：内燃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，内燃机的压缩温度较低，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，此时内燃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、内燃机排气总管7、可变配气正时机构8、喷油器9、内燃机进气总管10、节气门11、进气中冷器12、内燃机电控单元(ECU)13、油门踏板位置传感器14、起动开关15、内燃机转速传感器16和内燃机进气歧管17组成，其中内燃机转速传感器16、起动开关15、油门踏板位置传感器14与内燃机电控单元13连接，三通6的入口与内燃机排气总管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与内燃机进气总管10连接，喷油器9插入内燃机进气歧管17中，节气门11布置在内燃机进气总管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.采集内燃机转速传感器16、油门踏板位置14的信号，发送给内燃机电控单元13；

2.内燃机电控单元13确定功率需求Pe，并查询控制MAP，确定该功率需求下内燃机各缸所需的循环喷油量G_b，然后向喷油器9发出脉冲信号，控制喷油参数，G_b参考公式(1)确定；

3.内燃机电控单元13根据目标空燃比AFR_obj，确定进气量M_in，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，M_in参考公式(2)确定；

4.内燃机电控单元13判断各缸循环喷油量G_b是否大于G_b1，若不大于G_b1，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M_r；若喷油量G_b大于G_b1，则转步骤5，G_b1参考公式(3)确定，M_r参考公式(4)确定；

5.若各缸循环喷油量G_b大于G_b1，判断G_b是否大于G_b2，若G_b不大于G_b2，则排气门正常关闭，外部EGR阀1关闭；若G_b大于G_b2，则转步骤6，G_b2参考公式(5)确定；

6.若各缸循环喷油量G_b大于G_b2，判断G_b是否大于G_b3，若G_b不大于G_b3，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M_EGR；若G_b大于G_b3，则转步骤7，G_b3参考公式(6)确定，M_EGR参考公式(7)确定；

7.若各缸循环喷油量G_b大于G_b3，判断G_b是否大于G_b4，若G_b不大于G_b4，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M_in2，若G_b大于G_b4，则不适用本燃烧控制方法，G_b4参考公式(8)确定，M_in2参考公式(9)确定。

上述步骤中所用到的公式如下：

G_b＝Pe/H_u·η_et·n(1)

M_in＝AFR_obj·n·G_b(2)

G_b1＝T_ig·M_sh/AFR_obj·n·G_b·T_in·ε^k-1(3)

$M_r=\frac{C_{in}\·M_{in}\·(T_{ig}/{\mathrm{\ϵ}}^{k-1}-T_{in})}{C_r\·(T_r-T_{ig}/{\mathrm{\ϵ}}^{k-1})}---\left(4\right)$

$G_{b2}=\frac{C_{in}\·M_{in}\·(T_{\max }-T_{in}{\mathrm{\ϵ}}^{k-1})/n+C_{fuel}\·G_b(T_{\max }-T_{fuel}{\mathrm{\ϵ}}^{k-1})}{H_u}---\left(5\right)$

$G_{b3}=\frac{C_{EGR}\·M_{EGR\left(\max \right)}\·(T_{\max }-T_{EGR}{\mathrm{\ϵ}}^{k-1})+C_{in}\·M_{in}\·(T_{\max }-T_{in}{\mathrm{\ϵ}}^{k-1})/n+C_{fuel}\·G_b(T_{\max }-T_{fuel}{\mathrm{\ϵ}}^{k-1})}{H_u}---\left(6\right)$

$M_{EGR}=\frac{G_b\·H_u-C_{in}\·M_{in}\·(T_{max}-T_{in}{\mathrm{\ϵ}}^{k-1})/n-C_{fuel}\·G_b(T_{max}-T_{fuel}{\mathrm{\ϵ}}^{k-1})}{C_{EGR}\·(T_{max}-T_{EGR}{\mathrm{\ϵ}}^{k-1})}---\left(7\right)$

$G_{b4}=\frac{C_{EGR}\·M_{EGR\left(max\right)}\·(T_{max}-T_{EGR}{\mathrm{\ϵ}}^{k-1})+C_{fuel}\·G_b(T_{max}-T_{fuel}{\mathrm{\ϵ}}^{k-1})}{H_u-C_{in}\·{\mathrm{AFR}}_{\max }(T_{max}-T_{in}{\mathrm{\ϵ}}^{k-1})}---\left(8\right)$

$M_{in2}=\frac{G_b\·H_u-C_{EGR}\·M_{EGR\left(max\right)}\·(T_{max}-T_{in}{\mathrm{\ϵ}}^{k-1})/n-C_{fuel}\·G_b(T_{max}-T_{fuel}{\mathrm{\ϵ}}^{k-1})}{C_{in}\·(T_{max}-T_{EGR}{\mathrm{\ϵ}}^{k-1})}---\left(9\right)$

式中:G_b内燃机各缸循环喷油量,Pe为内燃机的功率需求，H_u为燃料的热值，η_et为发动的有效热效率，n为内燃机的气缸数，AFR_obj为目标空燃比，M_in为目标空燃比下的进气量，T_ig为燃料的着火温度，M_sh为进气管状态下充满气缸工作容积的理论空气量，ε为内燃机的压缩比，k为多变指数，M_r为缸内的残余废气量，C_in为进气的比热容，T_max为本燃烧控制方法所允许的最高燃烧温度，本发明中取2200K，C_r为缸内残余废气的比热容，T_r为残余废气的温度，C_fuel为燃料气化后的比热容，T_fuel为燃料气化后的温度，C_EGR为再循环废气的比热容，M_EGR(max)为本燃烧控制方法所允许添加的最大EGR量，T_EGR为再循环废气的温度，M_EGR为再循环废气量，M_in2为EGR阀全开的情况下的进气量，AFR_max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：

内燃机工作时内燃机电控单元13采集内燃机转速传感器16信号和油门踏板位置传感器14信号，确定功率需求Pe。由内燃机电控单元13查询控制MAP，确定各缸循环喷油量G_b，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；同时内燃机电控单元13根据目标空燃比AFR_obj，确定进气量M_in，内燃机电控单元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，内燃机在目标空燃比AFR_obj下，经济性和排放均会取得较好的效果。在各缸循环喷油量G_b小于G_b1的小负荷工况，由于将空燃比定量控制在AFR_obj，导致进气量较少，内燃机的压缩温度较低，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M_r，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G_b大于G_b1小于G_b2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G_b大于G_b2小于G_b3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M_EGR，但为保证燃烧的稳定性，应将再循环废气量控制在M_EGR(max)以内。在各缸喷油量G_b大于G_b3小于G_b4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M_in2，但为保证燃烧的稳定性，最大空燃比不应超过AFR_max；当各缸喷油量G_b大于G_b4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，内燃机电控单元13上电，采集油门踏板位置传感器14和内燃机转速传感器16信号，确定功率需求Pe，内燃机电控单元13根据功率需求确定各缸的循环喷油量G_b，根据G_b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，有效地解决内燃机的排放问题。

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.内燃机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.内燃机排气总管8.可变配气正时机构9.喷油器10.内燃机进气总管11.节气门12.进气中冷器13.内燃机电控单元(ECU)14.油门踏板位置传感器15.起动开关16.内燃机转速传感器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、内燃机排气总管7、可变配气正时机构8、喷油器9、内燃机进气总管10、节气门11、进气中冷器12、内燃机电控单元(ECU)13、油门踏板位置传感器14、起动开关15、内燃机转速传感器16和内燃机进气歧管17组成，其中内燃机转速传感器16、起动开关15、油门踏板位置传感器14与内燃机电控单元13连接；三通6的入口与内燃机排气总管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与内燃机进气总管7连接，喷油器9插入内燃机进气歧管17中，节气门11布置在内燃机进气总管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.采集内燃机转速传感器16、油门踏板位置14的信号，发送给内燃机电控单元13；

2.内燃机电控单元13确定功率需求Pe，并查询控制MAP，确定该功率需求下内燃机各缸所需的循环喷油量G_b，然后向喷油器9发出脉冲信号，控制喷油参数，如：正时、压力、脉宽等，G_b参考公式(1)确定；

3.内燃机电控单元13根据目标空燃比AFR_obj，确定进气量M_in，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，M_in参考公式(2)确定；

4.内燃机电控单元13判断各缸循环喷油量G_b是否大于G_b1，若不大于G_b1，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M_r；若G_b大于G_b1，则转步骤5，G_b1公式(3)确定，M_r参考公式(4)确定；

5.若各缸循环喷油量G_b大于G_b1，判断G_b是否大于G_b2，若G_b不大于G_b2，则排气门正常关闭，外部EGR阀1关闭；若G_b大于G_b2，则转步骤6，G_b2参考公式(5)确定；

6.若各缸循环喷油量G_b大于G_b2，判断G_b是否大于G_b3，若G_b不大于G_b3，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M_EGR；若G_b大于G_b3，则转步骤7，G_b3参考公式(6)确定，M_EGR参考公式(7)确定；

7.若各缸循环喷油量G_b大于G_b3，判断G_b是否大于G_b4，若G_b不大于G_b4，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M_in2，若G_b大于G_b4，则不适用本燃烧控制方法，G_b4参考公式(8)确定，M_in2参考公式(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)采集内燃机转速传感器(16)、油门踏板位置(14)的信号，发送给内燃机电控单元(13)；

2)内燃机电控单元(13)确定功率需求Pe，并查询控制MAP,确定该功率需求下内燃机各缸所需的循环喷油量G_b，然后向喷油器(9)发出脉冲信号，控制喷油参数，G_b参考公式(1)确定；

3)内燃机电控单元(13)根据目标空燃比AFR_obj，确定进气量M_in，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，M_in参考公式(2)确定；

4)内燃机电控单元(13)判断循环喷油量G_b是否大于G_b1，若不大于G_b1，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M_r；若喷油量G_b大于G_b1，则转步骤5，G_b1参考公式(3)确定，M_r参考公式(4)确定；

5)若循环喷油量G_b大于G_b1，判断G_b是否大于G_b2，若G_b不大于G_b2，则排气门正常关闭，外部EGR阀(1)关闭；若G_b大于G_b2，则转步骤6，G_b2参考公式(5)确定；

6)若循环喷油量G_b大于G_b2，判断G_b是否大于G_b3，若G_b不大于G_b3，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M_EGR；若G_b大于G_b3，则转步骤7，G_b3参考公式(6)确定，M_EGR参考公式(7)确定；

7)若循环喷油量大于G_b3，判断G_b是否大于G_b4，若G_b不大于G_b4，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M_in2，若G_b大于G_b4，则不适用本燃烧控制方法，G_b4参考公式(8)确定，M_in2参考公式(9)确定；

上述步骤中所用到的公式如下：

G_b＝Pe/H_u·η_et·n(1)

M_in＝AFR_obj·n·G_b(2)

G_b1＝T_ig·M_sh/AFR_obj·n·G_b·T_in·ε^k-1(3)

式中:G_b内燃机各缸循环喷油量,Pe为内燃机的功率需求，H_u为燃料的热值，η_et为发动的有效热效率，n为内燃机的气缸数，AFR_obj为目标空燃比，M_in为目标空燃比下的进气量，T_ig为燃料的着火温度，M_sh为进气管状态下充满气缸工作容积的理论空气量，ε为内燃机的压缩比，k为多变指数，M_r为缸内的残余废气量，C_in为进气的比热容，T_max为本燃烧控制方法所允许的最高燃烧温度，本发明中取2200K，C_r为缸内残余废气的比热容，T_r为残余废气的温度，C_fuel为燃料气化后的比热容，T_fuel为燃料气化后的温度，C_EGR为再循环废气的比热容，M_EGR(max)为本燃烧控制方法所允许添加的最大EGR量，T_EGR为再循环废气的温度，M_EGR为再循环废气量，M_in2为EGR阀全开的情况下的进气量，AFR_max为本燃烧控制方法所允许的最大空燃比。