CN108049990A - 一种利用缸外喷水控制内燃机均质压燃的系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用缸外喷水控制内燃机均质压燃的方法，包括内燃机机体、喷油器、进气道喷水器、喷水共轨、高压水泵和水箱，其中进气道喷水器连接至喷水共轨，喷水共轨中的喷水压力由低压水泵建立，低压水泵由12V或24V蓄电池供电进行驱动，内燃机均质压燃控制过程中所用水存储在水箱之中。采用该缸外喷水技术的均质压燃内燃机，可以在很低的成本下有效解决均质压燃技术在大负荷工况下存在的爆震问题，从而使得均质压燃技术在内燃机工作的全负荷范围得以利用，以改善内燃机全负荷燃油经济性与排放特性。

Description

一种利用缸外喷水控制内燃机均质压燃的系统及控制方法

技术领域

本发明属于内燃机技术领域，具体涉及一种利用缸外喷水控制内燃机均质压燃的系统及控制方法。

背景技术

随着机动车能源消耗与排放问题的逐渐严峻，各国政府及相关机构出台了越发严格的油耗与排放标准来维持机动车领域的健康发展。在上述背景下，内燃机均质压燃技术应运而生，因其具备超高热效率、极低污染物排放的特点，自其诞生以来便长时间受到学术界与工业界的广泛关注。经过长时间的研究与开发工作，学术界与工业界对内燃机均质压燃技术存在的问题达成了相当一致的结论，即冷启动困难、工况负荷狭窄、控制精度要求高等。其中冷启动困难问题可以通过采用SI-HCCI切换解决，即起动工况采用火花塞点燃可燃混合气，而后逐渐切换到均质压燃工况；控制精度要求高问题可以通过采用高性能控制器、缸内压力传感器或离子电流传感器等技术实现缸内闭环反馈控制解决，但均质压燃工况负荷狭窄的难题，目前提出的解决方法均是削弱可燃混合气均质程度，即通过实现部分均质、部分非均质的分层混合气实现，这无疑削弱了均质压燃技术的效率及排放控制效果。

与此同时，在传统汽油机与柴油机中，已存在使用喷水技术控制诸如缸内温度等参数的燃烧过程，从而实现汽油机高压缩比应用及柴油机氮氧化物排放降低等效果。内燃机在工作过程中，约三分之一的燃料能量作为排气能量带走，如能够将缸内燃烧产生的热量进一步充分运用，减少排气能量损失，亦能够进一步提升内燃机工作过程热效率。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种利用缸外喷水控制内燃机均质压燃的系统及控制方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种利用缸外喷水控制内燃机均质压燃的系统，包括内燃机机体、喷油器、进气道喷水器、喷水共轨、低压水泵和水箱，所述的喷油器安装在内燃机机体的进气道或燃烧室内，并通过进气道或进气冲程喷射实现缸内均质混合气的制备，所述的进气道喷水器安装在内燃机进气歧管或进气总管中，并向内燃机进气道喷射蒸馏水，所述的进气道喷水器连接喷水共轨，所述的喷水共轨的输入端连接低压水泵的输出端，所述的低压水泵的输入端连接水箱的输出端，所述的水箱内储存用于喷射的蒸馏水，所述的进气道喷水器设有电磁控制阀，所述的电磁控制阀连接控制器，所述的内燃机机体内设有对缸内燃烧状态进行检测的传感器。

优选的，所述的传感器采用压力传感器或离子电流传感器，分别利用压电晶体或燃烧产生的离子对缸内燃烧状态进行检测，以判定当前内燃机工作状态是否达到喷射阈值，并通过相关特征量对该循环喷水量进行预测，从而实施喷水介入，控制均质压燃燃烧过程。

优选的，所述的喷水共轨内的压力为0.3-0.7MPa。

优选的，所述的低压水泵由12V或24V蓄电池驱动。

优选的，所述的喷油器、进气道喷水器、喷水共轨、低压水泵以及水箱均由不锈钢材料制成，所述的进气道喷水器、喷水共轨、低压水泵以及水箱之间通过不锈钢管连接。

所述的利用缸外喷水控制内燃机均质压燃的系统的控制方法，具体包括以下步骤：

(a)检测内燃机机体内燃烧过程的特征参数；

(b)判断特征参数是否超过阈值，若否，则返回步骤(a)，若是，则转步骤(c)；

(c)获取内燃机工作负荷情况；

(d)根据内燃机工作负荷情况确定缸外喷水量并启动直喷喷水器，执行缸外喷水动作。

步骤(a)所述的特征参数包括爆震指数、最大压力升高率和最大爆发压力，由所述的传感器采集缸内压力信号后经计算得到。

若采用缸内压力传感器，则可以直接通过采集到的缸内压力信号取最大值即可得到最大爆发压力，压力信号对发动机曲轴转角做差分后的最大值即为最大压力升高率，对压力信号做带通滤波，保留频率在5k-10kHz的压力震荡信号的最大值即为爆震指数。若采用离子电流传感器，则对离子电流信号按上述相同的处理方法，得到基于离子电流信号的最大爆发压力、最大压力升高率和爆震指数，其与基于压力信号的最大爆发压力、最大压力升高率和爆震指数存在线性关系，亦可用于提取上述特征参数。

步骤(c)所述的内燃机工作负荷通过平均有效压力表征，其中，所述的平均有效压力通过对圧缩行程和膨胀行程的压力与燃烧室内容积的差分相乘后取积分，随后将该数值与所匹配的内燃机排量参数相除计算得到。

步骤(d)所述的喷水量根据MAP数据确定，其中，所述的MAP数据由不同的平均有效压力及与之对应的缸外喷水量组成，通过标定获得，MAP数据导入系统中，作为缸外喷水量的依据。

缸外喷水在实施喷水策略时，由于无法直接介入当前循环，因此需要考虑在进气道喷射时的水雾累计效应，因此在喷水量的计算过程中，加入了一个随工作循环数逐渐变化的经验系数，以不断修正进入燃烧室内的水雾质量，以实现均质压燃内燃机工作过程的稳定控制。

本发明控制过程的重点在于确定进气道喷水的介入工况及进气道喷水的喷射量，因为若是在均质压燃工作良好的工况进行进气道喷水，则势必影响其正常燃烧进而导致系统热效率下降或排放污染物增加；其次，若进气道喷水介入后，喷水量过大也会导致燃烧过程受到抑制，同样造成热效率下降、未燃碳氢及一氧化碳排放增加的后果。本发明提及的缸外喷水介入工况及进气道喷水喷射量的确定，需要针对不同机型进行标定调整，从而达到该方法的最优控制效果。本发明提出使用缸外喷水技术，在不影响缸内混合气均质程度的情况下，实现内燃机均质压燃中大负荷工况控制，从而达到全负荷均质压燃在内燃机中的应用，以改善内燃机全负荷燃油经济性与排放特性。

与现有技术相比，本发明通过利用缸外喷水技术，将蒸馏水供应至进气道中，并吸收进气热量充分蒸发，降低内燃机进气温度，而后进入燃烧室内，因水蒸气比热容显著大于均质可燃混合气，从而可进一步降低压缩冲程末期缸内温度，改善中高负荷下均质压燃燃烧过程中过高的压力升高率及爆震情况，使得全负荷均质压燃在内燃机中应用成为可能，实现内燃机全负荷工况燃油经济性与排放特性的改善。

附图说明

图1为本发明系统的结构示意图；

图2为本发明系统控制方法的流程示意图；

图3为缸外喷水时经验系数变化规律；

图中：1-内燃机机体；2-喷油器；3-进气道喷水器；4-喷水共轨；5-低压水泵；6-水箱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种利用缸外喷水控制内燃机均质压燃的系统，如图1所示，包括内燃机机体1、喷油器2、进气道喷水器3、喷水共轨4、低压水泵5、水箱6，其中喷油器2可以安装在进气道或燃烧室内，并通过进气道或进气冲程喷射实现缸内均质混合气制备，进气道喷水器3可安装在内燃机进气歧管或进气总管中，通过向内燃机进气道喷射蒸馏水，并利用进气热量实现蒸馏水蒸发，降低内燃机进气温度。进气道喷水器3通过不锈钢管连接至喷水共轨4中，喷水共轨4可以将共轨内的水维持0.3MPa的稳定压力，以满足进气道喷水的喷射量稳定。喷水共轨4中的蒸馏水是由低压水泵5加压至需求压力，其加压能量来源为内燃机12V或24V蓄电池电能。喷射所用的蒸馏水储存在水箱6中，水箱6出口连接至低压水泵5。为了保持系统的耐久性与可靠性，上述所提到的各系统均采用高标格不锈钢材料制成，以防止潜在的生锈损伤进气道喷水器3、喷水共轨4及低压水泵5。进气道喷水器设有电磁控制阀，电磁控制阀连接控制器，内燃机机体内设有对缸内燃烧状态进行检测的传感器，传感器采用压力传感器或离子电流传感器，分别利用压电晶体或燃烧产生的离子对缸内燃烧状态进行检测，以判定当前内燃机工作状态是否达到喷射阈值，并通过相关特征量对该循环喷水量进行预测，从而实施喷水介入，控制均质压燃燃烧过程。在内燃机工作过程中，通过使用缸外喷水技术，利用进气道蒸馏水蒸发吸热，降低进气温度，而后利用水蒸气较大的比热容降低压缩冲程末期的缸内温度，从而降低均质压燃在中高负荷工况下的爆震倾向，将均质压燃在内燃机中应用工况范围大幅度拓展，实现内燃机全负荷均质压燃，从而改善全负荷工况下的燃油经济性及排放特性。

图2为本系统控制方法的流程示意图，图中主要阐述了缸外喷水技术控制内燃机均质压燃过程的流程，通过检测诸如爆震指数、最大压力升高率、最大爆发压力等在内的燃烧过程特征参数，并判断其是否超过阈值，若达到喷水介入工况，则先通过计算当前缸内工况来判定需要采用的进气道喷水量，而后执行进气道喷水操作，从而完成缸外喷水控制内燃机均质压燃燃烧过程的流程，具体步骤为：

(a)检测内燃机机体内燃烧过程的特征参数；

(b)判断特征参数是否超过阈值，若否，则返回步骤(a)，若是，则转步骤(c)；

(c)获取内燃机工作负荷情况；

(d)根据内燃机工作负荷情况确定缸外喷水量并启动直喷喷水器，执行缸外喷水动作。

其中，爆震指数、最大压力升高率和最大爆发压力，由传感器采集缸内压力信号后经计算得到。若采用缸内压力传感器，则可以直接通过采集到的缸内压力信号取最大值即可得到最大爆发压力，压力信号对发动机曲轴转角做差分后的最大值即为最大压力升高率，对压力信号做带通滤波，保留频率在5k-10kHz的压力震荡信号的最大值即为爆震指数。若采用离子电流传感器，则对离子电流信号按上述相同的处理方法，得到基于离子电流信号的最大爆发压力、最大压力升高率和爆震指数，其与基于压力信号的最大爆发压力、最大压力升高率和爆震指数存在线性关系，亦可用于提取上述特征参数。

内燃机工作负荷通过平均有效压力表征，平均有效压力通过对圧缩行程和膨胀行程的压力与燃烧室内容积的差分相乘后取积分，随后将该数值与所匹配的内燃机排量参数相除计算得到。喷水量具体根据MAP数据确定，其中，MAP数据由不同的平均有效压力及与之对应的缸外喷水量组成，通过事先对特定发动机标定获得，将MAP数据导入系统中，作为缸外喷水量的依据。

实施例2

本实施例采用如实施例1的系统结构和控制方法，以一台排量为1600mL的双缸均质压燃发动机为例，其燃料由位于进气道的液体喷嘴供应，采用的燃料为挥发性极佳且燃点与柴油类似的正庚烷，在内燃机工作过程中，当爆震指数小于0.5，缸内压力升高率小于1MPa/℃A，缸内最大爆发压力小于8MPa的情况下，缸外喷水策略不介入；当爆震指数大于0.5，缸内压力升高率大于1MPa/℃A，缸内最大爆发压力大于8MPa时(上述3种情况满足一个即执行)，执行喷水策略。喷水策略执行时，先通过采集到的缸内压力或离子电流信号计算当前负荷小的平均有效压力，并通过平均有效压力的绝对值查表得到当前循环的喷水量，并通过控制器及电磁控制阀控制喷水。由于缸外喷水无法直接介入当前循环，因此需要考虑在进气道喷射时的水雾累计效应，因此在喷水量的计算过程中，加入了一个随工作循环数逐渐变化的经验系数，本实施例中，第一个循环的经验系数为2.1，第二循环为1.8，第三循环为1.5，第四循环为1.3，第五循环为1.1，第六循环为1，随后一直保持1不变，图3为缸外喷水时经验系数变化规律，以平均有效压力为0.5MPa为例，第一个循环缸外的喷水量为73.5mg，第二循环为63mg，第三循环为52.5mg，第四循环为45.5mg，第五循环为38.5mg，第六循环以后均为35mg。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种利用缸外喷水控制内燃机均质压燃的系统，其特征在于，包括内燃机机体、喷油器、进气道喷水器、喷水共轨、低压水泵和水箱，所述的喷油器安装在内燃机机体的进气道或燃烧室内，所述的进气道喷水器安装在内燃机进气歧管或进气总管中，并向内燃机进气道喷射蒸馏水，所述的进气道喷水器连接喷水共轨，所述的喷水共轨的输入端连接低压水泵的输出端，所述的低压水泵的输入端连接水箱的输出端，所述的水箱内储存用于喷射的蒸馏水，所述的进气道喷水器设有电磁控制阀，所述的电磁控制阀连接控制器，所述的内燃机机体内设有对缸内燃烧状态进行检测的传感器。

2.根据权利要求1所述的一种利用缸外喷水控制内燃机均质压燃的系统，其特征在于，所述的传感器采用压力传感器或离子电流传感器。

3.根据权利要求1所述的一种利用缸外喷水控制内燃机均质压燃的系统，其特征在于，所述的喷水共轨内的压力为0.3-0.7MPa。

4.根据权利要求1所述的一种利用缸外喷水控制内燃机均质压燃的系统，其特征在于，所述的低压水泵由12V或24V蓄电池驱动。

5.根据权利要求1所述的一种利用缸外喷水控制内燃机均质压燃的系统，其特征在于，所述的喷油器、进气道喷水器、喷水共轨、低压水泵以及水箱均由不锈钢材料制成，所述的进气道喷水器、喷水共轨、低压水泵以及水箱之间通过不锈钢管连接。

6.一种如权利要求1-5任一项所述的利用缸外喷水控制内燃机均质压燃的系统的控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

(a)检测内燃机机体内燃烧过程的特征参数；

(b)判断特征参数是否超过阈值，若否，则返回步骤(a)，若是，则转步骤(c)；

(c)获取内燃机工作负荷情况；

(d)根据内燃机工作负荷情况确定缸外喷水量并启动直喷喷水器，执行缸外喷水动作。

7.根据权利要求6所述的利用缸外喷水控制内燃机均质压燃的系统的控制方法，其特征在于，步骤(a)所述的特征参数包括爆震指数、最大压力升高率、最大爆发压力，由所述的传感器采集缸内压力信号后经计算得到。

8.根据权利要求6所述的利用缸外喷水控制内燃机均质压燃的系统的控制方法，其特征在于，步骤(c)所述的内燃机工作负荷通过平均有效压力表征。

9.根据权利要求6所述的利用缸外喷水控制内燃机均质压燃的系统的控制方法，其特征在于，步骤(d)所述的喷水量根据MAP数据确定，其中，所述的MAP数据由不同的平均有效压力及与之对应的缸外喷水量组成，通过标定获得。