CN108843446A - 适用于中重型车的汽油发动机燃烧控制方法及汽油发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了适用于中重型车的汽油发动机燃烧控制方法及汽油发动机，是在传统柴油机平台上，通过对进气道和缸盖的改造加装进气道喷水系统、火花塞，同时匹配一套EGR系统，使改造后的汽油机在中小负荷工况采用EGR策略，在大负荷工况采用EGR和进气道喷水耦合策略。本发明能够克服传统汽油机排量小、热效率低的问题，大负荷工况通过EGR耦合进气道喷水抑制爆震，可以有效拓宽高效清洁燃烧的范围，使其满足在中重型车上的应用，同时利用三元催化转化器可满足严格的排放法规。

Description

适用于中重型车的汽油发动机燃烧控制方法及汽油发动机

技术领域

本发明涉及一种适用于汽油发动机的燃烧控制方法，尤其设计一种中重型车的汽油发动机的燃烧控制方法及适用于该方法的发动机。

背景技术

近年来，根据卡车能源多元化的发展趋势以及汽油燃料卡车良好的应用前景，有必要开发及优化应用于中重型车的汽油机和增程式混合动力系统。但目前对于中重型车汽油发动机的开发和优化工作并不是很充分，传统意义上的汽油机排量低，难以满足中重型车市场的需求。

参考天然气重型火花点燃式发动机的设计，如果能在柴油机平台上实现汽油点火燃烧，利用柴油机高机体强度、可承受较高爆压的特点，采用高增压比、高压缩比、超高压喷射(>400bar)等先进的燃烧技术，有望实现汽油机热效率的进一步提升，使其满足在中重型车上的应用要求。然而，由于缸径大、滚流较弱、以及随着压缩比和增压比的不断提高所导致的更加严苛的热力学环境，必然会增加爆震的发生概率，反过来限制几何压缩比提高的潜力，最终制约燃油经济性的提升。因此，亟需探索有效的燃烧控制策略控制发动机抑制爆震，从而扩展高效清洁燃烧的负荷范围。

已有研究表明，废气再循环(EGR)一方面能够降低末端混合气温度及燃烧速度，另一方面废气中的惰性气体组分会增加淬熄反应的程度，延长末端混合气的自燃时间，从而有效抑制爆震。Alger等人对EGR应用在GDI发动机中的研究结果表明，在小负荷部分负荷工况，EGR可以通过减小泵气损失降低4％的油耗，NOx减少；而在较高负荷，EGR的引入有效优化燃烧相位，降低排气温度，从而抑制爆震，并且避免了燃油加浓，因此油耗降低10％～20％。Lattimore等人研究在中小负荷工况研究改变EGR(0-13％)对非增压的GDI汽油机的影响，结果发现随着EGR率的增加，爆震可以得到抑制，燃烧相位得到优化。但是，由于采用高浓度EGR通常会降低火焰传播速度，循环波动增加，需要配合采用其他方式来加快燃烧速度，从而提高EGR在部分负荷工况的容忍度。

喷水同样可以改善末端混合气的热力学状态，抑制爆震。研究表明，如果能对发动机的设计进行优化，喷水策略将不仅能提高功率输出、降低排放，而且具有明显的节油能力。水作为携带热能的工质，主要有以下特点：(1)蒸发潜热大(2430kJ/kg)，是RON95E5汽油(～397kJ/kg)的6倍，是乙醇(～952kJ/kg)的2.5倍；(2)比空气的比热容大。所以在压缩和燃烧过程中会带来额外的冷却作用，降低缸内的燃烧温度，一方面减少传热，另一方面替代燃油加浓，抑制爆震，优化燃烧相位，从而在获得显著改善油耗、提升热效率。然而，由于进气组分中存在惰性气体(水)，尽管量少，但它会同时影响到层流火焰速度和末端气体的自燃倾向，因此需要优化水和汽油的喷射策略，从而在保持一定层流火焰速度的前提下最大程度的延长末端气体的滞燃期。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种在柴油机平台基础上实现汽油火花点火燃烧，增加排量，提高中小负荷工况的热效率，在大负荷工况拓宽负荷的适用于中重型车的汽油发动机燃烧控制方法及汽油发动机。

本发明的适用于中重型车的汽油发动机燃烧控制方法，包括以下步骤：

一种适用于中重型车的汽油发动机燃烧控制方法，其特征在于：分为中小负荷工况控制方法以及大负荷控制方法；

所述的中小负荷工况控制方法，包括以下步骤：

电子控制器采集发动机转速信号、进气空气流量信号、歧管压力传感器信号，分析判断发动机的负荷率，当发动机负荷在大于等于10％且小于60％时，所述的电子控制器发出喷油器脉宽信号、喷水器脉宽信号分别控制各个气缸的喷油器打开、安装在各个进气歧管上的喷水器关闭，并将共轨压力调整为大于400bar，实现汽油超高压喷射，且通过EGR阀开度信号控制安装在排气总管和进气总管之间的废气再循环管路上的EGR阀打开并调整开度，向进气总管引入废气，根据负荷率的不同，使EGR率控制在5％-15％；电子控制器通过向安装在排气总管上的氧传感器发出氧传感器信号，同时向各个气缸的喷油器发出相应的喷油器脉宽信号控制喷油器的汽油喷油量，保证各个气缸内的混合气的当量比为1；

所述的大负荷工况控制方法，包括以下步骤：

电子控制器采集发动机转速信号、进气空气流量信号、歧管压力传感器信号，分析判断发动机的负荷率，当发动机负荷在大于等于60％且小于等于100％时，所述的电子控制器发出喷油器脉宽信号、喷水器脉宽信号分别控制各个气缸的喷油器、安装在各个进气歧管上的喷水器打开，并将共轨压力调整为大于400bar，实现汽油超高压喷射，且通过EGR阀开度信号控制EGR阀打开并调整开度，向进气总管引入废气，根据负荷率的不同，使EGR率控制在10％-20％；电子控制器通过调节喷油器的喷射脉宽、喷水器的喷射脉宽，控制喷入每个气缸的水和汽油的质量比均为5％-40％；电子控制器通过向安装在排气总管上的氧传感器发出氧传感器信号，同时向各个气缸的喷油器发出相应的喷油器脉宽信号控制喷油器的汽油喷油量，保证缸内混合气的当量比为1。

适用于中重型车的汽油发动机燃烧控制方法的汽油发动机，包括具有多缸的发动机、高压共轨燃油喷射系统以及节气门，所述高压共轨燃油系统由共轨腔和喷油器组成，喷油器安装在发动机的每个气缸的缸盖上，进气总管通过进气歧管与发动机的每个气缸相通，发动机的每个气缸的排气口通过排气歧管与排气总管相通，在发动机的一个气缸曲轴上设有发动机转速探测器，在一根进气歧管上设有进气歧管压力传感器，在所述进气总管上设有空气流量传感器，在所述排气总管上设有氧传感器，在所述排气总管和进气总管之间连接有废气再循环管路，沿废气再循环方向，在所述废气再循环管路上依次连接有EGR阀、中冷器以及单向阀；在每个气缸的进气歧管上分别布置有一个喷水器，储水箱出口通过喷水管路依次连接高压水泵以及各个气缸的喷水器；

所述的空气流量传感器、节气门、进气歧管压力传感器、喷水器、喷油器、共轨腔、发动机转速探测器、氧传感器以及EGR阀分别于电子控制器相连。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明能够克服传统汽油机排量小、热效率低的问题，大负荷工况通过EGR耦合进气道喷水抑制爆震，可以有效拓宽高效清洁燃烧的范围，使其满足在中重型车上的应用；

本发明通过EGR耦合进气道喷水抑制爆震，较大程度的降低了对EGR的依赖。由于水的蒸发潜热大，和EGR相比，采用少量的水即可有效降低缸内燃烧温度，减少传热、抑制爆震效果更加显著，能够进一步提升热效率，降低油耗。

本发明所采用的进气道喷水装置对柴油机结构改动较小，成本低。

本发明利用柴油机已有的高压共轨燃油喷射系统，能够在保证减少改动的同时，实现汽油的高压喷射，加速汽油和空气的混合。

附图说明

附图是本发明一种适用于中重型车的汽油发动机示意图。

图中：

1——柴油机机体 2——火花塞 3——发动机转速探测器

4——喷油器 5——共轨腔 6——喷水器

7——进气歧管 8——节气门 9——进气总管

10——空气流量传感器 11——进气歧管压力传感器 12——排气歧管

13——氧传感器 14——排气总管 15——EGR管路

16——EGR阀 17——中冷器 18——单向阀

19——电子控制器 20——高压水泵 21——储水箱

具体实施方式

为了使本发明的技术方案更加清晰，以下结合附图对本发明做进一步详细说明。应当理解，此处所述的具体实例仅用以解释本发明，但并不限定于本例。

本发明的一种适用于中重型车的汽油发动机燃烧控制方法，分为中小负荷工况控制方法以及大负荷控制方法。

所述的中小负荷工况控制方法，包括以下步骤：

电子控制器19采集发动机转速信号i、进气空气流量信号a、歧管压力传感器信号b，分析判断发动机的负荷率，当发动机负荷在大于等于10％且小于60％时，所述的电子控制器19发出喷油器脉宽信号e、喷水器脉宽信号d分别控制各个气缸的喷油器4打开、安装在各个进气歧管上的喷水器6关闭，并将共轨压力调整为大于400bar，实现汽油超高压喷射，且通过EGR阀开度信号g控制安装在排气总管14和进气总管9之间的废气再循环管路上的EGR阀16打开并调整开度，向进气总管9引入废气，根据负荷率的不同，使EGR率控制在5％-15％，从而增大节气门开度，减小泵气损失，提高热效率，其中负荷率越大，则EGR率越高；电子控制器19通过向安装在排气总管14上的氧传感器13发出氧传感器信号h，同时向各个气缸的喷油器4发出相应的喷油器脉宽信号e控制喷油器4的汽油喷油量，保证各个气缸内的混合气的当量比为1。

所述的大负荷工况控制方法，包括以下步骤：

电子控制器19采集发动机转速信号i、进气空气流量信号a、歧管压力传感器信号b，分析判断发动机的负荷率，当发动机负荷在大于等于60％且小于等于100％时，所述的电子控制器19发出喷油器脉宽信号e、喷水器脉宽信号d分别控制各个气缸的喷油器4、安装在各个进气歧管上的喷水器6打开，并将共轨压力调整为大于400bar，实现汽油超高压喷射，且通过EGR阀开度信号g控制EGR阀16打开并调整开度，向进气总管9引入废气，根据负荷率的不同，使EGR率控制在10％-20％，其中负荷率越大，则EGR率越高；电子控制器19通过调节喷油器的喷射脉宽、喷水器的喷射脉宽，控制喷入每个气缸的水和汽油的质量比均为5％-40％，其中负荷率越大，则喷入每个气缸的水和汽油的质量比越大。电子控制器19通过向安装在排气总管上的氧传感器13发出氧传感器信号h，同时向各个气缸的喷油器4发出相应的喷油器脉宽信号e控制喷油器4的汽油喷油量，保证缸内混合气的当量比为1。发动机在大负荷采用“EGR”耦合“喷水”策略，将有效降低缸内燃烧温度，抑制爆震；另一方面，也会减少传热损失，替代燃油加浓策略，从而显著改善油耗和热效率。

如图1所示，本发明一种适用于中重型车的汽油发动机是在已有的柴油发动机结构上进行的改进，现有的适用于中重型车的汽油发动机包括具有多缸的发动机、废气再循环(EGR)系统和电子控制器19。

所述多缸的发动机包括柴油机机体1、高压共轨燃油喷射系统、火花塞2以及节气门8。所述高压共轨燃油系统由共轨腔5和喷油器4组成，喷油器4安装在发动机的每个气缸的缸盖上。进气总管9通过进气歧管7与发动机的每个气缸相通，发动机的每个气缸的排气口通过排气歧管12与排气总管14相通。

本发明的改进结构包括：在发动机的一个气缸曲轴上设有发动机转速探测器3，在一根进气歧管7上设有进气歧管压力传感器11，在所述进气总管9上设有空气流量传感器10，在所述排气总管上设有氧传感器13。

在所述排气总管14和进气总管9之间连接有废气再循环管路15。沿废气再循环方向，在所述废气再循环管路15上依次连接有EGR阀16、中冷器17以及单向阀18。

在每个气缸的进气歧管7上分别布置有一个喷水器6，储水箱21出口通过喷水管路依次连接高压水泵20以及各个气缸的喷水器6。

所述的空气流量传感器10、节气门8、进气歧管压力传感器11、喷水器6、喷油器4、共轨腔5、发动机转速探测器3、氧传感器13以及EGR阀16分别于电子控制器19相连。

实施例1

中小负荷工况：

电子控制器19采集发动机转速信号i、进气空气流量信号a、歧管压力传感器信号b，分析判断发动机的负荷率，当发动机负荷在10％时，所述的电子控制器19发出喷油器脉宽信号e、喷水器脉宽信号d分别控制各个气缸的喷油器4打开、安装在各个进气歧管上的喷水器6关闭，并将共轨压力调整为500bar，实现汽油超高压喷射，且通过EGR阀开度信号g控制安装在排气总管14和进气总管9之间的废气再循环管路上的EGR阀16打开并调整开度，向进气总管9引入废气，使EGR率控制在5％；电子控制器19通过向安装在排气总管上的氧传感器发出氧传感器信号h，同时向各个气缸的喷油器4发出相应的喷油器脉宽信号e控制喷油器4的汽油喷油量，保证缸内混合气的当量比为1。

不断重复上述过程，当发动机负荷在40％时，增加EGR阀开度使EGR率控制在10％，且保证各个气缸内的混合气当量比为1；

当发动机负荷在59％时，继续增大EGR阀开度使EGR率控制在15％，且保证各个气缸内的混合气当量比为1。

测试效果：

上述方法能够显著提高中小负荷的热效率。

大负荷工况：

当发动机负荷为60％时，所述的电子控制器19发出喷油器脉宽信号e、喷水器脉宽信号d分别控制各个气缸的喷油器4打开、喷水器6打开，并将共轨压力调整为600bar，实现汽油超高压喷射，且通过EGR阀开度信号g控制EGR阀16打开并调整开度，向进气总管9引入废气，使EGR率控制在10％；电子控制器19通过调节喷油器、喷水器的喷射脉宽，控制喷入每个气缸的水和汽油的质量比均为5％。电子控制器19通过向安装在排气总管上的氧传感器13发出氧传感器信号h，同时向各个气缸的喷油器4发出相应的喷油器脉宽信号e控制喷油器4的汽油喷油量，保证缸内混合气的当量比为1。

不断重复上述过程，当发动机负荷在80％时，增加EGR阀开度使EGR率控制在15％，控制喷入每个气缸的水和汽油的质量比均为20％，且保证各个气缸内的混合气当量比为1；

当发动机负荷在100％时，继续增大EGR阀开度使EGR率控制在20％，控制喷入每个气缸的水和汽油的质量比均为40％，且保证各个气缸内的混合气当量比为1。

测试效果：

在大负荷工况，采用上述喷水耦合EGR策略，能够显著抑制爆震，实现抑制爆震、拓展负荷的目标，使其满足在中重型车上的应用。

Claims (2)

1.适用于中重型车的汽油发动机燃烧控制方法，其特征在于：分为中小负荷工况控制方法以及大负荷控制方法；

所述的中小负荷工况控制方法，包括以下步骤：

电子控制器采集发动机转速信号、进气空气流量信号、歧管压力传感器信号，分析判断发动机的负荷率，当发动机负荷在大于等于10％且小于60％时，所述的电子控制器发出喷油器脉宽信号、喷水器脉宽信号分别控制各个气缸的喷油器打开、安装在各个进气歧管上的喷水器关闭，并将共轨压力调整为大于400bar，实现汽油超高压喷射，且通过EGR阀开度信号控制安装在排气总管和进气总管之间的废气再循环管路上的EGR阀打开并调整开度，向进气总管引入废气，根据负荷率的不同，使EGR率控制在5％-15％；电子控制器通过向安装在排气总管上的氧传感器发出氧传感器信号，同时向各个气缸的喷油器发出相应的喷油器脉宽信号控制喷油器的汽油喷油量，保证各个气缸内的混合气的当量比为1；

所述的大负荷工况控制方法，包括以下步骤：

电子控制器采集发动机转速信号、进气空气流量信号、歧管压力传感器信号，分析判断发动机的负荷率，当发动机负荷在大于等于60％且小于等于100％时，所述的电子控制器发出喷油器脉宽信号、喷水器脉宽信号分别控制各个气缸的喷油器、安装在各个进气歧管上的喷水器打开，并将共轨压力调整为大于400bar，实现汽油超高压喷射，且通过EGR阀开度信号控制EGR阀打开并调整开度，向进气总管引入废气，根据负荷率的不同，使EGR率控制在10％-20％；电子控制器通过调节喷油器的喷射脉宽、喷水器的喷射脉宽，控制喷入每个气缸的水和汽油的质量比均为5％-40％；电子控制器通过向安装在排气总管上的氧传感器发出氧传感器信号，同时向各个气缸的喷油器发出相应的喷油器脉宽信号控制喷油器的汽油喷油量，保证缸内混合气的当量比为1。

2.适用于中重型车的汽油发动机燃烧控制方法的汽油发动机，其特征在于：包括具有多缸的发动机、高压共轨燃油喷射系统以及节气门，所述高压共轨燃油系统由共轨腔和喷油器组成，喷油器安装在发动机的每个气缸的缸盖上，进气总管通过进气歧管与发动机的每个气缸相通，发动机的每个气缸的排气口通过排气歧管与排气总管相通，在发动机的一个气缸曲轴上设有发动机转速探测器，在一根进气歧管上设有进气歧管压力传感器，在所述进气总管上设有空气流量传感器，在所述排气总管上设有氧传感器，在所述排气总管和进气总管之间连接有废气再循环管路，沿废气再循环方向，在所述废气再循环管路上依次连接有EGR阀、中冷器以及单向阀；在每个气缸的进气歧管上分别布置有一个喷水器，储水箱出口通过喷水管路依次连接高压水泵以及各个气缸的喷水器；

所述的空气流量传感器、节气门、进气歧管压力传感器、喷水器、喷油器、共轨腔、发动机转速探测器、氧传感器以及EGR阀分别于电子控制器相连。