CN109252968B - 一种发动机动态停缸重整控制方法及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发动机动态停缸重整燃烧控制方法，以控制同一气缸内完成燃料的混合重整和燃料燃烧。其中，通过可变气门机构控制模块调节进、排气门相位、升程，以控制缸内废气量与废气温度；通过喷油点火控制模块控制缸内喷射预喷燃油的喷射时刻、喷射次数和喷射量，以及控制点火时刻；停缸重整的全过程以排气门关闭为开始时刻，以进气门开启为结束时刻。应用该方法，可以优化稀释燃烧过程，提高发动机运行稳定性和经济性。本发明还公开了一种实现该方法的控制系统，包括发动机管理模块、燃烧信息采集分析模块、可变气门机构控制模块、喷油点火控制模块；该控制系统通过信号的实时采集、传输、计算、反馈，完成动态停缸重整闭环反馈控制。

Description

一种发动机动态停缸重整控制方法及其控制系统

技术领域

本发明涉及发动机燃烧过程控制方法和控制系统，尤其涉及一种发动机动态停缸重整控制方法及其控制系统。

背景技术

现在，汽油机高稀释低温燃烧已成为内燃机领域的研究热点。而在诸多高稀释低温燃烧方法之中，均质压燃(HCCI)燃烧技术，也称可控自燃(CAI)燃烧技术，由于其经济性和排放性上的优势，成为了当今较主流的高稀释低温燃烧方式；但是，其存在负荷范围过窄、燃烧过程缺乏有效控制等问题，从而影响了提高发动机运行稳定性和经济性。

为了解决上述问题，学术界提出了以可控自燃结合火花点火燃烧的火花点火-可控自燃混合燃烧(Spark Ignition-Controlled Auto-Ignition Hybrid Combustion,SCHC)技术。即通过点火，引燃缸内小部分混合气，提高缸内热氛围，从而使末端混合气自燃。但是该燃烧方式在中、高负荷工况下存在燃烧不稳定现象，包括燃烧失稳、缸内平均有效压力(IMEP)循环变动增大导致做功过程波动较大等。其主要原因是受到了缸内稀释工质的影响。稀释工质的种类包括缸内残余的废气、重吸的废气和过量空气等，主要起到填充缸内容积，以及稀释缸内物质、使缸内空燃比大于理论空燃比、实现稀薄燃烧的作用，其中残留或重吸的废气还可以提升缸内温度。但稀释工质的存在会抑制混合燃烧前期火核的形成和火焰传播过程，导致中、高负荷工况下缸内燃烧出现不稳定，并对下个循环留在缸内的废气的组分和温度产生影响，进而影响后续循环的缸内燃烧过程，从而出现循环性的燃烧变动。这种燃烧不稳定的现象通常出现在稀释工质较多的工况，大量的稀释工质会导致火焰传播和自燃过程受到抑制，产生不符合工况要求的燃烧不稳定现象。虽然残余废气会存留一些未燃碳氢物质，可以起到对着火和燃烧的促进作用，但和其稀释作用比，这种助燃的效果不明显，且受到运行工况的影响；助燃效果也不稳定。在小负荷工况下，为了优化热效率，提升缸内活性燃料的数量是必要手段。当活性燃料的数量和其对燃烧稳定性的作用之间产生矛盾时，需要进一步优化控制燃烧过程的手段。

在此背景下，提高缸内燃料活性是改善稀释燃烧稳定性和可靠性的一种有效方式，但是现有技术多是通过使用多种特性不同的燃料进行混合，或者采用外部设备或者气缸对燃料进行重整，从而实现燃料活性改变过程。前者实际应用价值不高，后者需要固定停止某工作缸工作。这会带来平衡性恶化以及磨损老化不一致等问题。急需要一种发动机动态停缸重整控制方法和系统，来提高发动机气缸内的燃料活性，优化和控制燃烧过程，以改进燃烧稳定性和经济性。

发明内容

本发明的目的，是为了克服发动机在稀释条件下着火和燃烧存在困难，以及燃烧不稳定问题，提供一种在同一气缸内完成的发动机动态停缸重整控制方法及其控制系统，来提高发动机气缸内的燃料活性，优化和控制燃烧过程，以改进燃烧稳定性和经济性。

本发明为实现上述目的，采取以下技术方案：

一种发动机动态停缸重整燃烧控制方法，用以实现同一气缸内的动态停缸燃料重整控制过程和燃料燃烧控制过程，过程如下：

以燃烧上止点为0°CA，由发动机燃烧信息及状态参数调节排气门相位和升程，使排气门在180～540°CA之间范围内关闭；

从排气门关闭时刻开始到720°CA范围内，由发动机燃烧信息及状态参数，以及即时的缸内废气量与废气温度，控制喷油器向缸内喷入至少一次的预混燃油，以渐次形成均质燃料-废气重整气和提升缸内重整气压力；预混燃油首次喷射时刻最早在排气门关闭之后，末次喷射时刻最晚在720°CA之前；

进气门在720～900°CA范围内开启，在1080°CA之前关闭，完成正常的进气与点火燃烧过程；

一次发动机停缸重整燃烧控制过程完成，并生成下一次停缸重整燃烧所依据的动态发动机燃烧信息及状态参数；所述动态发动机燃烧信息及状态参数为实时采集、传输、反馈。

所述动态发动机燃烧信息及状态参数，由燃烧信息采集分析模块采集的数据与发动机燃烧信息及状态参数比对、计算后生成。

所述排气门相位和升程的调控由可变气门机构控制模块执行；其中，气门升程和相位的变动为连续可调。

所述喷油器的喷油量、喷油时刻、喷油次数及点火时刻，由喷油器点火控制模块执行。

一种实现所述发动机动态停缸重整燃烧控制方法的控制系统，包括发动机管理模块、燃烧信息采集分析模块、可变气门机构控制模块、喷油点火控制模块；所述控制系统，通过对发动机动态燃烧信息及状态参数信号的采集、传输、计算、反馈，完成包括发动机动态停缸重整过程的燃烧闭环反馈控制，其中：

所述发动机管理模块接收所述燃烧信息采集模块所采集的实时发动机燃烧信息及状态参数，对所述实时发动机燃烧信息及状态参数与写入所述发动机管理模块的理论数值进行对比、计算，比较后，生成反馈控制参数；

所述发动机管理模块生成的所述反馈控制参数，传输给所述可变气门机构控制模块，用以完成进、排气相位、升程的控制；所述可变气门机构的参数变化由所述燃烧信息采集模块实时采集，实时传输回所述发动机管理模块；

所述发动机管理模块生成的所述反馈控制参数，传输给所述喷油点火控制模块，用以完成喷油器的喷油量、喷油时刻、喷油次数的控制，以及点火时刻的控制；所述喷油器的参数变化由所述燃烧信息采集模块实时采集，实时传输回所述发动机管理模块；

所述发动机管理模块根据实时传回新的所述变化参数，生成新的反馈控制参数，控制下一循环的发动机动态停缸重整燃烧控制过程。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明涉及的发动机动态停缸重整燃烧控制方法及其控制系统可以控制多缸发动机缸内重整，实现在不同工况下对重整过程强度、重整燃料活性及重整燃料比例的控制，由于控制过程不涉及复杂的管路以及控制系统，响应时间可以缩短，并且在停止重整后气缸还可以继续用于燃烧做功。

本发明涉及的发动机动态停缸重整燃烧控制方法及其控制系统，通过进、排气门机构协同调节，结合缸内直喷技术，实现了多缸机动态停缸重整，可以提高缸内燃料活性，稳定缸内燃烧过程，从而实现了在多缸机上拓展HCCI燃烧以及SCHC等稀薄燃烧技术的负荷极限。其动态停缸的效果，可以提高发动机运行的负荷区间，减少和避免发动机工作在经济性较差的小负荷工况，同时由于所有的工作缸轮流进行重整停缸过程，避免了传统停缸技术中固定停止某工作缸工作，从而带来的平衡性恶化以及磨损老化不一致等问题。

附图说明

图1本发明的技术路线图；

图2多缸发动机重整燃烧的流程图；

图3汽油发动机上实现本发明实施例的控制系统图。

具体实施方式

本发明的思想是在原有发动机燃烧过程工作原理的基础上，增加动态停缸重整控制过程，也就是，在重整冲程内向缸内喷入可调数量的燃料，利用废气存留的温度和发动机压缩过程所导致的高温，使得重整期内喷入的燃料，发生有效的重整反应，生成具有高活性的短碳链燃烧中间产物，从而促进均质压燃燃烧的自燃着火、或者改进火花点火稀释燃烧着火和燃烧的可靠性。燃料活性的变化，可以通过改变重整燃料的数量和重整燃料在重整过程中所经历的时间来控制，从而形成对稀释燃烧着火以及燃烧促进和改善能力的调节。同时，由于在同一个循环内增加了重整过程。在此重整过程中，没有换气和做功过程，从而实现了动态停缸(也称闭缸)的效果(即，每个工作缸在特定时间分别实现停缸过程，不存在专门的停止工作缸)，使得以整个循环计的发动机工作负荷向更大的负荷区移动，同样有助于降低泵气损失(即换气过程中克服进气道阻力所消耗的功和克服排气道阻力所消耗的功)，改进燃烧稳定性和经济性。同时，还避免了传统停缸重整技术中需要固定停止某工作缸工作，从而带来平衡性恶化以及磨损老化不一致等问题。

本发明涉及的发动机动态停缸重整燃烧控制方法，包括燃料混合重整和燃烧过程，且缸内燃料混合重整和燃烧过程在同一气缸内完成，通过可变气门机构控制模块调节缸内废气量，配合喷油点火控制模块控制缸内一次以上预喷燃油直喷，实现不持续停缸独立运行的发动机动态停缸重整。

重整过程以上一循环排气门关闭作为开始时刻，以本循环进气门开启时刻为结束时刻。燃料混合过程在本循环进气门关闭后开始。

以燃烧上止点为0°CA(Crank Angle，曲轴转角)。由发动机燃烧信息及状态参数调节排气门相位和升程，控制排气门关闭时刻在上止点后180°CA(用以增加混合和重整时间)到上止点后540°CA(用以降低缸内温度减弱重整反应)范围内。

排气门关闭后，可以在由发动机燃烧信息及状态参数控制下的任意时刻，开始向缸内多次直喷燃油。

从排气门关闭时刻开始到720°CA范围内，由发动机燃烧信息及状态参数，以及即时的缸内废气量与废气温度，控制喷油器向缸内喷入至少一次的预混燃油，以渐次形成均质燃料-废气重整气，并提升缸内重整气压力；预混燃油首次喷射时刻最早在排气门关闭之后，末次喷射时刻最晚在720°CA之前。也就是说，在重整过程中，气门始终保持关闭；早喷的预喷燃油与缸内废气在膨胀过程中充分混合，形成均质燃料-废气重整气；晚喷的预喷燃油，可以使缸内重整气压力升高，并在缸内直喷的燃油影响下形成较强流动，增加燃油与气体的接触面积，加快重整反应过程。预喷燃油的喷射时刻、喷射次数、喷射量可以按照重整燃烧的需求(以参数形式写入喷油点火控制模块)，由喷油点火控制模块进行精确控制。

进气门在720～900°CA范围内开启，在1080°CA之前关闭，完成正常的进气与点火燃烧过程。即，进气与点火在720～1080°CA范围内完成；该过程中，进气门打开，新鲜混合气进入气缸；剩余的燃油在随后的压缩上止点1080°CA前喷入气缸，在排气门再次开启前点火燃烧。

可变气门机构控制模块控制气门升程和相位的连续可调变动；一次以上预喷燃油的次数、喷油时刻以及喷射量，由所述喷油点火控制模块按照重整燃烧的需求进行控制。

一次发动机动态停缸重整燃烧控制过程完成，并生成下一次动态停缸重整燃烧所依据的动态发动机燃烧信息及状态参数；该参数为实时采集、传输、反馈。

发动机管理模块、燃烧信息采集分析模块、可变气门机构控制模块、喷油点火控制模块，构成了发动机动态停缸重整燃烧控制系统。该控制系统通过燃烧信息采集分析模块，对发动机动态停缸重整燃烧过程进行信号采集；所采集的信号传输给已经写有发动机燃烧信息及状态参数的发动机管理模块，通过其中的程序计算，输出反馈数据；该反馈数据传输给可变气门机构控制模块和喷油点火控制模块，以控制动态停缸重整燃烧过程的执行。该控制系统各大模块之间通过信号采集、传输、反馈通讯，共同完成闭环反馈控制。

本发明中重整和燃烧过程可以在同一气缸内运行，不需要添加较复杂的外部设备。在本发明中，主要的被调控量为缸内废气量和燃油喷射量。二者作为主要变量控制着重整反应的过程和反应强度。缸内废气量由可变气门机构来完成，而缸内燃料供给则由缸内直喷喷油器供应。因此该机构可以在一个气缸中运行，并且无需附加重整机构，所占空间较少，对发动机机构改动的需求小。

本发明使用了可变气门机构以及缸内燃油直喷系统。其中在可变气门机构中，发动机进排气门升程和相位是连续可调的，二者结合可以保证缸内废气量的精确控制。而发动机喷油次数、喷油时刻、喷油量，以及点火时刻，是每循环进行控制的，不同阶段的燃料喷射时刻和喷射比例也可以做到精确控制。因此本发明可以做到对每循环的重整过程精确控制，从而通过对气门相位、气门升程，以及喷油次数、喷油时刻、喷油量，以及点火时刻等参数进行调节。

该控制方法，可控制缸内重整反应的过程与强度，从而提高燃料活性，克服稀释燃烧着火和燃烧的困难，改善循环变动，提升发动机燃烧的经济性和排放性能。

本发明与传统的重整方法相比，在未改变传统发动机的控制基础，重整复杂程度大幅降低。本发明应用于带有可变气门机构和缸内直喷喷油器的发动机中时，无需安装新的设备或装置驱动，只需对原有控制策略进行升级。本发明应用于未安装可变气门升程机构的发动机时，只需要加装可变气门机构及可变气门机构控制模块；应用于未安装缸内直喷喷油器的汽油发动机时，需要加装直喷喷油器；这属于硬件升级部分。不论应用于哪种发动机，整个过程都不需要对发动机结构进行改造，降低了控制及改造的复杂程度。

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述：

本实施例具体在一台装有电液控制式无凸轮系统的多缸实验汽油发动机上，实现本发明的发动机动态停缸重整燃烧控制方法。具体的技术路线和流程图如图1和图2所示。

实现本发明调节方法的控制系统如图3所示，包括发动机管理模块、燃烧信息采集分析模块、可变气门机构控制模块和喷油点火控制模块。

针对该多缸实验汽油发动机，发动机管理模块为其自身所安装的ECU(电控单元)，喷油点火控制模块与可变气门机构控制模块为发动机出厂自身配备，由对应模块生产厂家提供。所有模块以CAN总线进行连接。缸内采集分析模块有多种形式，可以对缸压放热率进行采集，可以对缸内产物进行采集等。所有模块均可以由市场采购得到。

控制过程具体描述如下：

1.发动机ECU内部储存了多个MAP，即控制曲线图，这些曲线标定了众多理论参数。这些参数曲线包括：不同转速负荷下缸内的放热率或活性产物浓度等曲线、不同缸内废气压力和浓度下缸内废气率、重整产物浓度(离子电流等)或燃烧放热率曲线；不同喷油压力和喷油量条件下缸内重整产物浓度或放热率曲线；不同点火时刻下缸内放热率曲线，等。这些理论曲线与实时采集到的数据比对，计算，生成反馈数据，用于对可变气门机构控制模块与喷油点火控制模块进行调控。其中，对控制曲线图的修订即为前述的控制策略升级。

2.发动机运行过程中，信息采集模块对缸压和缸内温度或缸内燃料浓度进行实时测量，并进行实时计算出放热率或缸内活性浓度，并由采样模块上传至发动机管理模块(ECU)。其中放热率在发动机燃烧过程中实时测量计算，缸内活性浓度在点火之前进行测量。

3.发动机管理模块将获取的放热率或缸内活性浓度信息与该负荷转速下发动机理论放热率与活性浓度进行比对，并对喷油量、喷油时刻、喷油次数、气门开启时刻及升程、点火时刻等进行读取。必要时，调整发动机内置理论参以适应不同工况。

4.发动机管理模块(ECU)根据控制曲线图(MAP)与实际放热率或实际缸内活性浓度进行比对，计算此时缸内活性浓度与理论值差异，输出控制参数，对可变气门机构的排气门关闭时刻进行调整；如可变气门机构控制模块调控下的可变气门机构达到相位或升程极限位置时，缸内废气质量仍未达到重整反应需求，则对可变喷油点火控制模块进行调控，控制喷油器向缸内喷入至少一次的预混燃油，直至形成均质燃料-废气重整气，达到所需缸内重整气压力，最终完成一次重整过程。

5.发动机管理模块(ECU)将上述步骤4中得到的气门和喷油点火参数，通过CAN总线发送至可变气门机构控制模块与喷油点火控制模块执行，对发动机可变气门机构和喷油点火机构进行控制。其中可变气门机构通过调节气门的升程相位对缸内废气率进行控制；喷油点火机构通过调节喷油脉宽，来调节喷油量；通过调节喷油开始时刻调节喷油时刻；通过与发动机控制单元内置控制曲线图比对控制喷油器喷油次数。新采集到的参数比照控制曲线图，生成新的运行参数。发动机按照新的运行参数进行下一个循环。实现HCCI汽油发动机在整个发动机运行工况中快速、精确、稳定控制。

本实施例进行发动机动态停缸重整的方法为：以燃烧上止点为0°CA曲轴转角。在排气门关闭到进气门开启的曲轴转角范围内完成两次预喷燃油进入气缸、压缩重整以及膨胀过程，随后的进气门开启到燃烧上止点这段时间内由喷油器向同一气缸内喷入剩余部分燃油，进行重整燃烧过程。此过程中喷油过程由喷油点火控制模块控制缸内直喷喷油器完成，而气门控制由可变气门机构控制模块控制。

更具体过程如下：

本具体实施例的发动机采用长城汽车公司生产的GW4C20四缸涡轮增压汽油发动机，并根据实验需求加装了液电控制的无凸轮可变气门机构，所用燃料为95号汽油。发动机运行在1500rpm和IMEP 3bar，此时按照四缸发动机1-3-4-2点火顺序，以1缸为例具体说明本发明的实施方式：

1.以燃烧上止点为0°CA，上止点后240°CA关闭排气门，采用缸内残留废气方式在1缸内保留部分残余废气；

2.在360°CA向缸内喷入25％汽油(2.552mg)，并与缸内残余废气共同膨胀和压缩，此过程气门不开启；

3.在700°CA向缸内喷入25％汽油(2.552mg)，增强缸内流动以及废气和燃料的接触面积，促进重整反应进行；

4.活塞下行，在743°CA进气门开启，缸内开始进气，开始进入燃烧阶段；

5.进气门在874°CA关闭，1040°CA时剩下的50％汽油(5.100mg)被喷入缸内，随后火花塞在1060°CA点火，引燃混合气，完成燃烧过程；

6.排气门在1240°CA开启，随后在1320°CA关闭，为下一循环重整做准备；

7.测量重整燃烧结果后，将排气门关闭时刻改为450°CA，采用废气重吸方式在缸内保留残余废气，在460°CA和700°CA分别喷射2.552mg燃油，进气及后续的喷油燃烧过程不变。

8.每一次新的重整循环，均依据上一次循环结束的参数再次生成新的动态发动机燃烧信息及状态参数进行控制；该参数为实时采集、传输、反馈。

燃烧信息采集分析模块所测得的结果表明，使用本发明涉及的发动机动态停缸重整控制方法，可以有效稳定前期火焰传播过程，燃烧循环变动减弱约20％。同时该发明技术可以在本工况(1500rpm和IMEP3bar)下降低油耗约8％，可以提高缸内燃烧稳定性以及发动机运行的经济性。

实施例结果表明，实现本发明涉及的发动机动态停缸重整控制方法，可以生成甲醛、乙炔、甲烷等短碳链重整产物，动态停缸重整效果可以达到提高缸内反应活性的目的。

对于任何一款可以实现进排气门升程和相位调节、协同缸内直喷控制的燃油发动机，使用本发明提出的运行方式，都可以降低汽油稀释燃烧/均质压燃/火花点火-可控自燃混合燃烧的缸内循环变动，可以提高传统火花点火燃烧/稀释燃烧/均质压燃/火花点火-可控自燃混合燃烧的运行工况，显著提升发动机经济性。

以上为对本发明较佳实施例的说明，但本发明的控制方法和控制系统并不局限于上述的具体实施方式说明。上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的技术人员受本发明的启示，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种发动机动态停缸重整燃烧控制方法，用以实现同一气缸内的动态停缸燃料重整控制过程和燃料燃烧控制过程，过程如下：

以燃烧上止点为0°CA，由发动机燃烧信息及状态参数调节排气门相位和升程，使排气门在180～540°CA之间范围内关闭；

从排气门关闭时刻开始到720°CA范围内，由发动机燃烧信息及状态参数，以及即时的缸内废气量与废气温度，控制喷油器向缸内喷入至少一次的预混燃油，以渐次形成均质燃料-废气重整气和提升缸内重整气压力；预混燃油首次喷射时刻最早在排气门关闭之后，末次喷射时刻最晚在720°CA之前；

进气门在720～900°CA范围内开启，在1080°CA之前关闭，完成正常的进气与点火燃烧过程；

一次发动机停缸重整燃烧控制过程完成，并生成下一次停缸重整燃烧所依据的动态发动机燃烧信息及状态参数；所述动态发动机燃烧信息及状态参数为实时采集、传输、反馈。

2.如权利要求1所述的发动机动态停缸重整燃烧控制方法，其特征在于，所述动态发动机燃烧信息及状态参数，由燃烧信息采集分析模块采集的数据与发动机燃烧信息及状态参数比对、计算后生成。

3.如权利要求1所述的发动机动态停缸重整燃烧控制方法，其特征在于，所述排气门相位和升程的调控由可变气门机构控制模块执行；其中，气门升程和相位的变动为连续可调。

4.如权利要求1所述的发动机动态停缸重整燃烧控制方法，其特征在于，所述喷油器的喷油量、喷油时刻、喷油次数及点火时刻，由喷油器点火控制模块控制执行。

5.一种实现权利要求1所述的发动机动态停缸重整燃烧控制方法的控制系统，其特征在于，包括发动机管理模块、燃烧信息采集分析模块、可变气门机构控制模块、喷油点火控制模块；所述控制系统，通过对发动机动态燃烧信息及状态参数信号的采集、传输、计算、反馈，完成包括发动机动态停缸重整过程的燃烧闭环反馈控制，其中：

所述发动机管理模块接收所述燃烧信息采集模块所采集的实时发动机燃烧信息及状态参数，对所述实时发动机燃烧信息及状态参数与写入所述发动机管理模块的理论数值进行对比、计算，比较后，生成反馈控制参数；

所述发动机管理模块生成的所述反馈控制参数，传输给所述可变气门机构控制模块，用以完成进、排气相位、升程的控制；所述可变气门机构的参数变化由所述燃烧信息采集模块实时采集，实时传输回所述发动机管理模块；

所述发动机管理模块生成的所述反馈控制参数，传输给所述喷油点火控制模块，用以完成喷油器的喷油量、喷油时刻、喷油次数的控制，以及点火时刻的控制；所述喷油器的参数变化由所述燃烧信息采集模块实时采集，实时传输回所述发动机管理模块；

所述发动机管理模块根据实时传回新的所述变化参数，生成新的反馈控制参数，控制下一循环的发动机动态停缸重整燃烧控制过程。

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