CN105422278B - 双燃料统一化发动机、燃油控制方法及动力装置 - Google Patents

双燃料统一化发动机、燃油控制方法及动力装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种双燃料统一化发动机、燃油控制方法及动力装置，该方法包括：检测发动机转速、发动机机油温度、发动机冷却水温度及油门踏板开度；根据检测值判断双燃料统一化发动机的运转状态；根据双燃料统一化发动机的运转状态，确定燃油喷射量；根据燃油喷射量控制第一电磁阀和第二电磁阀的开度。本发明提供的双燃料统一化发动机的燃油控制方法及装置克服了传统单一燃料预混合压缩着火燃烧模式应用负荷工况范围较窄的问题，并解决了“进气道+缸内直喷”双燃料系统结构复杂及控制难度大的问题，采用双燃料喷油器在喷油前完成燃料混合比例的实时调控，是一种全新的发动机燃料燃烧控制策略。

Description

双燃料统一化发动机、燃油控制方法及动力装置
技术领域
本发明涉及内燃机领域，尤其是涉及一种双燃料统一化发动机、燃油控制方法及动力装置。
背景技术
内燃机是一种动力机械，它是通过使燃料在机器内部燃烧，并将其放出的热能直接转换为动力的热力发动机，常见的内燃机包括汽油机与柴油机。内燃机为人类发展做出巨大的贡献的同时，其尾气排放也给环境造成了污染，严重威胁着人类的健康。为了保护环境，降低内燃机尾气中的污染物，人们在内燃机的气体燃烧模式上做出了大量的研究和实践。
传统汽油机广泛采用预混合燃烧方式，混合气形成均匀，限制了缸内碳烟和微粒的生成，但压缩比较低，经济性明显低于柴油机。而压燃式柴油机存在压缩比高、混合气绝热指数大、进气损失小等优点，其热效率、燃油经济性和CO2排放明显优于汽油机。但通常压燃式柴油机采用高压燃油喷射装置实现燃油的缸内喷射，由于混合气形成时间短，缸内混合气极其不均匀，必然存在局部过浓和局部过稀的区域，导致NOX(氮氧化物)及PM(颗粒物)排放较高，且由于降低NOX和PM的技术措施自相矛盾，所以同时降低NOX和PM难度很大。
为达到欧V以后的超低排放目标，研究者试图采用高效的排气后处理系统降低NOX和PM排放，但存在的问题是采用后处理系统一方面将增加发动机控制系统的复杂程度，增加了发动机成本，另一方面由于受到后处理催化剂起燃温度的限制，后处理器的转化效率极低，难以达到超低排放的要求。
近年来提出的均质压缩着火(HCCI)、预混合压缩着火(PCCI)、低温预混燃烧(LTPC)技术都是针对同时降低NOX和PM的燃烧方式，由于能够实现低温均匀混合燃烧，减小缸内的局部混合气过浓区域面积，可以有效的降低内燃机的NOX、碳烟及微粒排放，取得了一定的成绩。但这种单纯追求高预混合量的燃烧模式不可避免地存在小负荷工况下未完全燃烧产物过多，热效率较低；大负荷工况下预混合燃烧量过大，压力升高快及噪声过高的问题，限制了其应用负荷的工况范围，以致这种燃烧模式的发动机仍未得到工程应用。
为进一步改善高效、低排放燃烧模式的应用负荷工况范围问题，针对不同的控制方法，出现了两类双燃料发动机，一种是在传统柴油机中燃用经预先调配混合好的混合燃料以达到优化发动机缸内燃烧过程的目的。但由于不同负荷工况下发动机实现最优燃烧过程所需的燃料特性并不固定，该种控制方法所采用的燃料经预先调配混合后已不能满足发动机不同负荷工况下对特定燃料特性的需求，因此在发动机全负荷工况范围内的应用受到一定限制。另一种双燃料发动机结合了现有汽油机与柴油机供油系统的特点，通过进气道引入较高挥发性的燃料，通过缸内直喷高十六烷值燃料引燃混合气，在一定程度上拓展了发动机高效、低排放运行的负荷工况范围。但由于要同时使用两套独立的电控供油系统，发动机整体复杂度及控制难度提升，相应成本增加。同时，由于通过进气过程吸入高挥发性燃料，不可避免地存在缸内局部混合气过稀的区域，对未燃碳氢化合物排放产生一定的负面影响。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种双燃料统一化发动机，该双燃料统一化发动机在现有发动机的基础上增加了双燃料喷油器，克服了传统单一燃料预混合压缩着火燃烧模式应用负荷工况范围较窄的问题，并解决了“进气道+缸内直喷”双燃料系统结构复杂及控制难度大的问题。
本发明是通过下述技术方案解决上述技术问题的：
一种双燃料统一化发动机，包括发动机本体、双燃料喷油器、检测模块及电子控制执行模块；
所述发动机本体包括柴油供给模块和汽油供给模块；
所述双燃料喷油器具有柴油油道和汽油油道，以及分别控制所述柴油喷油量和所述汽油喷油量的第一电磁阀和第二电磁阀；所述柴油油道和所述汽油油道分别通过油管与所述柴油供给模块和所述汽油供给模块相连接；
所述检测模块包括发动机转速传感器、发动机机油温度传感器、发动机冷却水温度传感器和油门踏板开度传感器，分别用于检测发动机转速、发动机机油温度、发动机冷却水温度和油门踏板开度；
所述电子控制执行模块与所述检测模块、所述第一电磁阀及所述第二电磁阀通过信号线连接；所述电子控制执行模块用于根据所述发动机转速、所述发动机机油温度、所述发动机冷却水温度及所述油门踏板开度判断所述双燃料统一化发动机的运转状态，根据所述运转状态确定燃油喷射量，并根据所述燃油喷射量控制所述第一电磁阀及所述第二电磁阀的开度。
优选地，所述双燃料喷油器还包括阀体、针阀及设置在所述阀体和所述针阀之间的套阀，所述针阀内部间隔设有针阀弹簧和套阀弹簧，所述针阀弹簧和所述套阀弹簧靠近所述阀体的另一端；所述阀体、所述套阀和所述针阀不同位置之间分别形成了压力室、第一环形腔和第二环形腔，所述压力室下端周向设置有5-8个喷孔，所述柴油油道和所述汽油油道设置在所述阀体内部并分别与所述第一环形腔和所述第二环形腔连通。
优选地，当所述发动机转速处于怠速运转范围时，执行单柴油单次喷射模式；
当所述发动机转速超出怠速运转范围，但所述发动机机油温度和所述发动机冷却水温度均低于预设温度，仍执行单柴油单次喷射模式；
当所述发动机转速超出怠速运转范围，所述发动机机油温度和所述发动机冷却水温度均高于预设温度，根据所述发动机转速和所述油门踏板开度，确定燃油喷射量，并根据所述燃油喷射量控制所述第一电磁阀及所述第二电磁阀的开度。
优选地，通过查询汽油总占比查询表，确定所述燃油喷射量。
相对于现有技术，本发明提供的双燃料统一化发动机具有以下优势：
(1)汽油/柴油双燃料统一化发动机的燃油控制方法，实现了汽油机与柴油机的统一化燃烧，在起动、怠速等低转速工况下，缸内燃烧温度较低，采用高十六烷值的柴油燃料有助于维持发动机的正常运转，且具有与汽油机相比更低的HC及CO排放；
(2)当发动机脱离怠速工况并进入正常运转状态后，通过控制第一电磁阀及第二电磁阀的开度实时调控燃料混合比例，具有更高的及时性，能够满足不同负荷工况下对燃料特性的需求。同时，其与汽油机相比，可以提高中低负荷工况下的热效率；与柴油机相比，可降低NOx及微粒排放；
(3)通过增大第二电磁阀的开度，增大汽油燃料比例，并与两次喷射模式相结合，一方面可增大燃烧过程中的预混合燃烧部分，另一方面利用低十六烷值的汽油与两次喷射协同控制，可增大预喷射过程中喷入的燃油总量且不会引起主喷射过程中预混合燃烧部分过少导致微粒排放增加，同时可降低大负荷工况下压力升高率；
(4)降低对汽油燃料高辛烷值的要求，可节约石油炼制成本；
(5)将传统汽油机与柴油机实现统一化，未来内燃机均可归一为一种特殊的压燃式发动机，显著节约内燃机开发成本；
(6)对现有压燃式柴油机改动较小，研发及改造成本低。
本发明的另一目的在于提供一种双燃料统一化发动机的燃油控制方法，包括以下步骤：
第一步：检测发动机转速、发动机机油温度、发动机冷却水温度及油门踏板开度；
第二步：根据所述发动机转速、所述发动机机油温度、所述发动机冷却水温度及所述油门踏板开度的检测值判断所述双燃料统一化发动机的运转状态；
第三步：根据所述双燃料统一化发动机的运转状态，确定所述燃油喷射量；
第四步：根据所述燃油喷射量控制所述第一电磁阀和所述第二电磁阀的开度。
优选地，当所述发动机转速处于怠速运转范围时，执行单柴油单次喷射模式；
当所述发动机转速超出怠速运转范围，但所述发动机机油温度和所述发动机冷却水温度均低于预设温度，仍执行单柴油单次喷射模式；
当所述发动机转速超出怠速运转范围，所述发动机机油温度和所述发动机冷却水温度均高于预设温度，根据所述发动机转速和所述油门踏板开度，确定所述燃油喷射量，并根据所述燃油喷射量控制所述第一电磁阀及所述第二电磁阀的开度。
优选地，所述双燃料统一化发动机运转之前，预先标定油门开度及转速的对应关系，确定不同油门开度及不同转速下的燃油喷射量，编制汽油总占比查询表并将其写入电子控制执行模块。
优选地，通过查询所述汽油总占比查询表，确定所述燃油喷射量。
优选地，所述预设温度为80℃，汽油占总供油量的比例为0-60％。
所述双燃料统一化发动机的燃油控制方法与上述双燃料统一化发动机相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
本发明的再一个目的在于提供一种动力装置，该动力装置能够克服传统单一燃料预混合压缩着火燃烧模式应用负荷工况范围较窄及传统混合燃料缸内直接喷射时燃料特性优化实时性差的问题，并解决“进气道+缸内直喷”双燃料系统结构复杂及控制难度大的问题。
本发明是通过下述技术方案解决上述技术问题的：
一种动力装置，设置有上述双燃料统一化发动机。
所述的动力装置与上述双燃料统一化发动机相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
附图说明
图1为本发明实施例的双燃料统一化发动机的组成示意图；
图2为双燃料喷油器的结构示意图；
图3为本发明实施例的双燃料统一化发动机的燃油控制方法的流程图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。
本发明提供了一种双燃料统一化发动机，如图1和图2所示，包括双燃料统一化发动机本体、双燃料喷油器17、检测模块及电子控制执行模块16；
双燃料喷油器统一化发动机本体包括机体15、飞轮盘10、离合器11、驱动负载部分12、柴油供给模块和汽油供给模块；柴油供给模块包括柴油油箱1，柴油供油管I 2，柴油油泵3、柴油供油管II 18；汽油供给模块包括汽油油箱5，汽油供油管I 4，汽油油泵6，汽油供油管II 7；
双燃料喷油器包括阀体22、针阀30及设置在阀体22和针阀30之间的套阀31，针阀30内部间隔设有针阀弹簧23和套阀弹簧25，针阀弹簧23和套阀弹簧25靠近所述阀体22的另一端；阀体22、套阀31和针阀30不同位置之间分别形成了压力室21、第一环形腔32和第二环形腔29，压力室21下端周向设置有8个喷孔20，柴油油道24和汽油油道28设置在阀体22内部并分别与第一环形腔32和第二环形腔29连通，同时柴油油道24和汽油油道28分别通过油管与柴油供给模块和汽油供给模块相连通；双燃料喷油器还包括控制柴油喷油量和汽油喷油量的第一电磁阀26和第二电磁阀27；
检测模块包括发动机转速传感器13、发动机机油温度传感器9、发动机冷却水温度传感器8和油门踏板开度传感器14，分别用于检测双燃料统一化发动机的发动机转速、发动机机油温度、发动机冷却水温度和油门踏板开度；
电子控制执行模块16与检测模块、第一电磁阀26及第二电磁阀27通过信号线连接，用于根据发动机转速、发动机机油温度、发动机冷却水温度及油门踏板开度判断双燃料统一化发动机的运转状态，根据运转状态确定燃油喷射量，并根据燃油喷射量控制所述第一电磁阀26及所述第二电磁阀27的开度。
如图3所示，根据本发明一个实施例的双燃料统一化发动机的燃油控制方法，包括以下步骤：
步骤S1：检测双燃料统一化发动机的运转参数：检测发动机转速、发动机机油温度、发动机冷却水温度及油门踏板开度；
步骤S2：根据发动机转速、发动机机油温度、发动机冷却水温度及油门踏板开度的检测值判断双燃料统一化发动机的运转状态；
步骤S3：根据双燃料统一化发动机的运转状态，确定燃油喷射模式和燃油喷射量；
步骤S4：根据燃油喷射量控制第一电磁阀和第二电磁阀的开度。
在本实施例中，双燃料统一化发动机的燃油喷射模式分为三种，分别为单柴油单次喷射模式、双燃料单次喷射模式和双燃料两次喷射模式。单柴油单次喷射模式是指仅以柴油作为燃料的喷射模式，双燃料单次喷射模式和双燃料两次喷射模式均指以汽油和柴油作为燃料的喷射模式，其中双燃料两次喷射模式指的是根据负荷大小实时控制汽油与柴油的供给量，并在一个发动机工作循环中采用两次脉冲喷油其中，双燃料单次喷射模式和双燃料两次喷射模式下汽油占总供油量的比例为0-60％。
在本实施例中，需要预先标定油门开度及转速的对应关系，确定不同油门开度及不同转速下的燃油喷射模式及其燃油喷射量，编制喷射模式控制策略表和汽油总占比查询表并将其写入电子控制执行模块。
如果发动机转速处于怠速运转范围，判断双燃料统一化发动机处于怠速过程，执行单柴油单次喷射模式；
在本发明的一个实施例中，发动机怠速的判断依据为转速值为800r/min，当发动机转速为650r/min时，即发动机转速处于怠速运转范围，判断双燃料统一化发动机处于怠速状态，此时执行单柴油单次喷射模式，第二电磁阀关闭，电子控制执行模块控制第一电磁阀的开度，仅向缸内喷入柴油，以保证在较低燃烧温度的情况下具有较高的燃烧效率，降低油耗及排放。
如果发动机转速超出怠速运转范围，但发动机机油温度和发动机冷却水温度均低于预设温度，判断双燃料统一化发动机处于暖机状态，仍执行单柴油单次喷射模式；
在本发明的一个实施例中，发动机怠速的判断依据为转速值为800r/min，预设温度为80℃，当发动机转速为1800r/min，冷却水温度与机油温度均在60℃左右，此时发动机转速超出怠速转速范围，发动机冷却水温度及机油温度信号均低于预设温度值，判断双燃料统一化发动机处于暖机过程，此时仍执行单柴油单次喷射模式，有利于尽快热机并控制热机过程中污染物的排放。
如果发动机转速超出怠速运转范围，发动机机油温度和发动机冷却水温度均高于预设温度，此时根据当前发动机转速及油门踏板开度查询汽油总占比查询表，并执行执行查询表中对应的燃油喷射量；
在本发明的一个实施例中，发动机怠速的判断依据为转速值为800r/min，预设温度为80℃，当发动机转速为2800r/min，发动机冷却水温度为85℃、发动机机油温度为83℃时，经检测油门踏板开度为60％，此时查询喷射模式控制策略表可知此状态下执行双燃料单次喷射模式，并由双燃料模式下汽油总占比查询表可知汽油喷射量占总油量的50％；此时电子控制执行模块控制第一电磁阀和第二电磁阀的开度，控制柴油和汽油的喷油量，并通过调整喷入时刻控制燃烧相位保持在5-10°CA ATDC(曲轴转角)之间以保证较高的热效率。一方面降低燃料十六烷值以延长滞燃期，为油气充分混合提供充足时间；另一方面，改善燃料挥发性，进一步促进油气混合气形成。
800 900 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400
0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
10 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
15 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
20 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 1 1
25 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 1
30 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2
35 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
40 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
50 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
60 1 1 1 2 2 2 2 3 2 2 2 2 2 2 2
70 1 1 2 2 2 2 3 3 3 2 2 3 2 2 2
75 1 1 2 2 2 2 3 3 3 2 3 3 3 3 3
80 1 2 2 2 3 2 3 3 3 2 3 3 3 3 3
100 1 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
表1喷射模式控制策略表
表1中：横坐标代表发动机转速值，纵坐标代表指定转速下油门踏板开度值；其中“1”代表单柴油单次喷射模式，“2”代表双燃料单次喷射模式，“3”代表双燃料两次喷射模式。
800 900 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400
0
10
15
20 20 20
25 20 20 20 30 20 20
30 20 30 20 30 30 30 30 20
35 10 20 30 30 30 30 40 30 30 30
40 20 20 30 40 40 30 40 40 40 40 30
50 30 30 40 50 50 30 40 50 40 40 40
60 10 40 30 50 60 50 40 50 50 50 50 50
70 10 30 50 40 60 60 60 40 50 60 50 50 50
75 20 40 50 40 60 60 60 50 60 60 60 60 60
80 10 30 50 60 50 60 60 60 50 60 60 60 60 60
100 30 40 60 60 60 60 60 60 60 60 60 60 60 60
表2汽油总占比查询表
表2中：横坐标代表发动机转速值，纵坐标代表指定转速下油门踏板开度值，表中数字代表双燃料模式下汽油占总供油量的百分比。
需要说明的是，上述表中数据只是示例性的，可以根据使用情况进行调整。
进一步地，本发明的实施例公开了一种动力装置，该动力装置可用于车辆、工程机械或发电机组。该动力装置设置有上述实施例所述的双燃料统一化发动机及其燃油控制方法，该动力装置克服了传统单一燃料预混合压缩着火燃烧模式应用负荷工况范围较窄及传统混合燃料缸内直接喷射时燃料特性优化实时性差的问题，并解决“进气道+缸内直喷”双燃料系统结构复杂及控制难度大的问题。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种双燃料统一化发动机，包括发动机本体，其特征在于，还包括双燃料喷油器(17)、检测模块及电子控制执行模块(16)；
所述发动机本体包括柴油供给模块和汽油供给模块；
所述双燃料喷油器具有柴油油道(24)和汽油油道(28)，以及分别控制所述柴油喷油量和所述汽油喷油量的第一电磁阀(26)和第二电磁阀(27)；所述柴油油道(24)和所述汽油油道(28)分别通过油管与所述柴油供给模块和所述汽油供给模块相连接；
所述检测模块包括发动机转速传感器(13)、发动机机油温度传感器(9)、发动机冷却水温度传感器(8)和油门踏板开度传感器(14)，分别用于检测发动机转速、发动机机油温度、发动机冷却水温度和油门踏板开度；
所述电子控制执行模块(16)与所述检测模块、所述第一电磁阀(26)及所述第二电磁阀(27)通过信号线连接；所述电子控制执行模块(16)用于根据所述发动机转速、所述发动机机油温度、所述发动机冷却水温度及所述油门踏板开度判断所述双燃料统一化发动机的运转状态，根据所述运转状态确定燃油喷射量，并根据所述燃油喷射量控制所述第一电磁阀(26)及所述第二电磁阀(27)的开度；
所述双燃料喷油器还包括阀体(22)、针阀(30)及设置在所述阀体(22)和所述针阀(30)之间的套阀(31)，所述针阀(30)内部间隔设有针阀弹簧(23)和套阀弹簧(25)，所述针阀弹簧(23)和所述套阀弹簧(25)靠近所述阀体(22)的另一端；所述阀体(22)、所述套阀(31)和所述针阀(30)不同位置之间分别形成了压力室(21)、第一环形腔(32)和第二环形腔(29)，所述压力室(21)下端周向设置有5-8个喷孔(20)，所述柴油油道(24)和所述汽油油道(28)设置在所述阀体(22)内部并分别与所述第一环形腔(32)和所述第二环形腔(29)连通。
2.根据权利要求1所述的双燃料统一化发动机，其特征在于，
当所述发动机转速处于怠速运转范围时，执行单柴油单次喷射模式；
当所述发动机转速超出怠速运转范围，但所述发动机机油温度和所述发动机冷却水温度均低于预设温度，仍执行单柴油单次喷射模式；
当所述发动机转速超出怠速运转范围，所述发动机机油温度和所述发动机冷却水温度均高于预设温度，根据所述发动机转速和所述油门踏板开度，确定燃油喷射量，并根据所述燃油喷射量控制所述第一电磁阀(26)及所述第二电磁阀(27)的开度。
3.根据权利要求2所述的双燃料统一化发动机，其特征在于，通过查询汽油总占比查询表，确定所述燃油喷射量。
4.一种根据权利要求1至3任一项所述的双燃料统一化发动机的燃油控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：检测发动机转速、发动机机油温度、发动机冷却水温度及油门踏板开度；
第二步：根据所述发动机转速、所述发动机机油温度、所述发动机冷却水温度及所述油门踏板开度的检测值判断所述双燃料统一化发动机的运转状态；
第三步：根据所述双燃料统一化发动机的运转状态，确定所述燃油喷射量，具体为：
当所述发动机转速处于怠速运转范围时，执行单柴油单次喷射模式；
当所述发动机转速超出怠速运转范围，但所述发动机机油温度和所述发动机冷却水温度均低于预设温度，仍执行单柴油单次喷射模式；
当所述发动机转速超出怠速运转范围，所述发动机机油温度和所述发动机冷却水温度均高于预设温度，根据所述发动机转速和所述油门踏板开度，确定所述燃油喷射量；
第四步：根据所述燃油喷射量控制第一电磁阀和第二电磁阀的开度。
5.根据权利要求4所述的双燃料统一化发动机的燃油控制方法，其特征在于，所述双燃料统一化发动机运转之前，预先标定油门开度及转速的对应关系，确定不同油门开度及不同转速下的燃油喷射量，编制汽油总占比查询表并将其写入电子控制执行模块。
6.根据权利要求5所述的双燃料统一化发动机的燃油控制方法，其特征在于，通过查询所述汽油总占比查询表，确定所述燃油喷射量。
7.根据权利要求4所述的双燃料统一化发动机的燃油控制方法，其特征在于，所述预设温度为80℃，汽油占总供油量的比例为0-60％。
8.一种动力装置，其特征在于，设置有如权利要求1所述的双燃料统一化发动机。
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