CN109296469A - 一种基于反应活性控制的分层燃烧天然气-柴油双燃料发动机燃烧控制方法 - Google Patents

一种基于反应活性控制的分层燃烧天然气-柴油双燃料发动机燃烧控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种基于反应活性控制的分层燃烧天然气‑柴油双燃料发动机燃烧控制方法，在小负荷采用燃气单次喷射，中等负荷下采用多次喷射策略，而在高负荷下采用燃气单次喷射策略，并根据不同负荷灵活调整燃气喷射正时以及喷射量。采用柴油大提前角喷射实现柴油的预混合，并在压缩过程中在缸内形成活性成分，并通过引燃柴油喷射控制着火始点，从而实现基于化学反应动力学活性控制的双燃料发动机分层燃烧策略。根据不同负荷下燃气喷射策略在缸内形成的燃气浓度分布，合理进行柴油喷射正时以及喷射量的匹配，在缸内形成合理的燃油燃气耦合分层，在不同负荷下达到最优缸内燃烧效果，从而实现发动机高效、稳定、低排放燃烧。

Description

一种基于反应活性控制的分层燃烧天然气-柴油双燃料发动 机燃烧控制方法
技术领域
本发明涉及的是一种发动机控制方法，具体地说是双燃料发动机燃烧控制方法。
背景技术
天然气以其储量丰富，燃烧清洁、易与空气混合等理化特性，成为替代柴油、汽油等传统燃料的新型燃料。
为了实现柴油-天然气双燃料发动机清洁、稳定、低排放燃烧，近年来预混压燃燃烧(PCCI)和均质压燃燃烧(HCCI)等低温燃烧技术得到了广泛研究及应用。但PCCI和HCCI燃烧方式主要存在燃烧不易控制、高负荷工况难以实现、冷启动困难、CO与HC排放偏高等问题。现有的天然气发动机多采用进气总管燃气单点喷射方式，但存在供气响应滞后、易出现扫气回火现象的技术缺陷，也难以实现分层燃烧。为了解决上述问题，有必要提供一种基于反应活性控制的天然气/柴油双燃料发动机分层燃烧控制方法，采用进气道多点喷射系统使缸内形成合理天然气浓度分层，柴油喷射采用高压共轨柴油缸内直喷系统实现多次喷射，利用燃气多次喷射策略在缸内形成有利于柴油组分的引燃的合理燃气浓度分层，以及活性反应柴油喷射+引燃柴油喷射三次喷油策略实现基于化学反应动力学活性和引燃喷射控制的双燃料发动机燃烧控制，并通过电控系统在不同负荷下燃气喷射、柴油活性反应柴油喷射和引燃柴油喷射正时和喷射量的调整来解决中小负荷下HC、CO排放高、发动机效率低，向高负荷工况扩展时敲缸的问题，从而实现发动机动力性能的提高。
发明内容
本发明的目的在于提供实现高效、稳定、低排放燃烧的一种基于反应活性控制的分层燃烧天然气-柴油双燃料发动机燃烧控制方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种基于反应活性控制的分层燃烧天然气-柴油双燃料发动机燃烧控制方法，其特征是：
所述发动机包括气缸壁、气缸盖，气缸壁里设置活塞，气缸壁和气缸盖之间为燃烧室，燃烧室通过进气阀连通进气歧管，燃烧室通过排气阀连通排气道，进气歧管里设置燃气喷气阀，气缸盖里设置电控喷油器；
在发动机30％低负荷以下控制燃气喷气阀，采用燃气单次喷射策略，控制喷射时刻在进气阀之后，使燃气在进气阶段后期进入气缸，缸内燃气浓度梯度分层得到强化；在30％-60％中等负荷下控制燃气喷气阀，采用燃气二次喷射策略，控制第一次燃气喷射正时在排气阀关闭、进气阶段开始时刻，控制第二次燃气喷射正时在进气阀最大升程之后，确保在中等负荷下合理的缸内燃气浓度梯度分层；在大于60％负荷的情况下，加大第一次燃气喷射量比例，减少第二次燃气喷射量比例，减小缸内燃气浓度梯度；此外随着负荷进一步升高，控制第一次燃气喷射正时较中等负荷情况下延后，第二次燃气喷射时刻较中等负荷情况下提前，从而两次燃气喷射持续期实现合并。
本发明还可以包括：
1、对于电控喷油器，中小负荷下控制预喷射柴油的喷射时刻为压缩上止点前10-20℃A，高负荷下控制预喷射柴油的喷射时刻为压缩上后10-20℃A；小负荷下控制活性反应柴油喷射比重在50％-65％，达到高负荷时控制活性反应柴油喷射比重在5％-15％之间。
本发明的优势在于：本发明根据不同负荷下燃气喷射策略在缸内形成的燃气浓度分布，合理进行柴油喷射正时以及喷射量的匹配，在缸内形成合理的燃油燃气耦合分层，在不同负荷下达到最优缸内燃烧效果，从而实现发动机高效、稳定、低排放燃烧。
附图说明
图1为双燃料发动机系统图；
图2为燃料供给喷射系统结构图；
图3a为小负荷下燃气喷射流量曲线，图3b为中等负荷下燃气喷射流量曲线，图3c为高负荷下燃气喷射流量曲线；
图4a为小负荷下活性反应柴油喷射和引燃柴油喷射流量曲线，图4b为中等负荷下活性反应柴油喷射和引燃柴油喷射流量曲线，图4c为高负荷下活性反应柴油喷射和引燃柴油喷射流量曲线。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1-4，图1为柴油-天然气双燃料内燃机系统结构图。该系统主要由柴油-天然气双燃料发动机、燃气供给喷射系统、柴油供给喷射系统、发动机电控系统组成；燃气供给喷射系统由燃气储气罐12、燃气供给管路11、可调式燃气减压阀22、燃气切断阀、过滤器、减压器和燃气喷射阀5或阀组组成；柴油供给喷射系统由油泵14、高压油轨21、高压油管7、电控喷油器6组成。发动机电控系统13通过对节气门3、燃气供给喷射系统、柴油供给喷射系统等结构的控制实现对发动机燃烧系统的控制。
图2为柴油-天然气发动机燃气、柴油供给喷射系统结构图。新鲜空气经节气门3进入气缸，根据不同负荷对节气门3开度进行控制，以实现对进入气缸空气量的控制。燃气喷射阀5安装在进气歧管4上，靠近进气门3的位置，燃气在进气歧管4内与空气充分混合后进入缸内。电控喷油器6安装在气缸盖上，位于燃烧室19上部，电控喷油器6的位置布局要合理，以满足系统工作需求。
燃气供给喷射系统的燃气喷射导流管出口接近进气门座圈位置，进气阀18打开时燃气喷射能够实现准缸内直喷。燃气供给喷射系统的燃气喷射导流管出口接近进气门座圈位置，进气阀打开时燃气喷射能够实现准缸内直喷。燃气供给喷射装置装配有可调压式燃气减压阀22，可根据不同负荷下的进气需求灵活调整燃气气轨压力，提高缸内进气效率。
为了提高供气响应速度以及缸内进气效率，降低扫气损失，天然气燃料供给系统采用进气道多点喷射混合的形式，电子控制单元13在小负荷、中等负荷下分别采用燃气单次喷射和多次喷射策略，高负荷下采用燃气单次喷射策略，并根据不同负荷灵活调整燃气喷射正时以及喷射量，考虑到喷气供给喷射装置喷射延迟，燃气喷射对应控制信号需要适当提前。电控系统13控制燃气喷射参数及节气门3开度，天然气在进气道中与新鲜空气充分混合，借助进气道在缸内形成的涡流，并通过合理的燃烧室形状配合，在缸内形成有利于柴油组分的引燃的合理燃气浓度分层。
图3为不同负荷下燃气喷射流量曲线，以360℃A为进气上止点。在30％负荷以下低负荷工况，采用燃气单次喷射策略，控制喷射时刻在进气阀最大升程对应曲轴转角之后，使燃气在进气阶段后期进入气缸，缸内燃气浓度梯度分层得到强化，确保在低负荷下的燃烧稳定性。在30％-60％中等负荷下工况采用燃气二次喷射策略，控制第一次燃气喷射正时在排气阀刚关闭、进气阶段开始时刻，控制第二次燃气喷射正时在进气阀最大升程之后，确保在中等负荷下合理的缸内燃气浓度梯度分层，促进缸内燃烧。若高于60％负荷，则加大第一次燃气喷射量比例，减少第二次燃气喷射量比例，减小缸内燃气浓度梯度，实现高负荷下的缸内快速燃烧。此外随着负荷进一步升高，控制第一次燃气喷射正时较中等负荷情况下延后，第二次燃气喷射时刻较中等负荷情况下提前，从而两次燃气喷射持续期实现合并。
高压共轨柴油缸内直喷系统采用柴油大提前角喷射实现柴油的预混合、在压缩过程中向缸内提供活性成分，通过引燃柴油喷射控制着火始点，利用柴油后喷的方式，从而实现基于化学反应动力学活性控制的双燃料发动机分层燃烧。
活性反应柴油喷射阶段在双燃料发动机压缩冲程进行，在所有负荷下控制其喷射时刻早于压缩上止点前50℃A，双燃料发动机电控系统控制柴油高压共轨喷射系统进行第一次活性反应柴油喷射，此时发动机缸内温度较低，未达到柴油着火点，因此预喷射柴油逐渐雾化蒸发并随着缸内流动与分层天然气充分混合。当活塞15即将运动至上止点时，缸内温度较高，柴油组分中的长链大分子组分会发生一系列链式反应，生成大量活性较高的自由基组分，从而提高了缸内燃气混合气燃烧活性，对后续的燃烧有一定促进作用。
中小负荷下柴油引燃柴油喷射阶段控制预喷射柴油的喷射时刻为压缩上止点前10-20℃A，高负荷下柴油引燃柴油喷射阶段控制预喷射柴油的喷射时刻为压缩上后10-20℃A。此时缸内温度达到较高水平，引燃柴油在高温作用下压燃并很快引燃缸内天然气。在高活性自由基组分的作用下，混合气燃烧过程过程得到了强化。
图4为不同负荷下活性反应柴油喷射和引燃柴油喷射流量曲线，以720℃A为压缩上止点。针对不同负荷，双燃料发动机电控系统需要对柴油预喷射与主喷射阶段的喷油量比例灵活调整。电子控制单元13需要根据不同负荷下燃气喷射策略在缸内形成的燃气浓度分布，合理进行柴油喷射正时以及喷射量的匹配，在缸内形成合理的燃油燃气耦合分层，在不同负荷下达到最优缸内燃烧效果。在小负荷(30％负荷下)，缸内燃烧温度、压力偏低，柴油总喷射量偏小，为了保持稳定燃烧，将活性反应柴油喷射量保持在较大比例；在中等负荷(30％-60％负荷)，需要减少活性反应柴油喷射阶段柴油比例，增大引燃柴油喷射阶段的柴油比例以提高燃烧效率；在高负荷(60％负荷以上)需要控制引燃柴油量占总喷射量绝大部分，并延后其喷射正时，以避免向高负荷工况时出现的敲缸问题。

Claims (2)

1.一种基于反应活性控制的分层燃烧天然气-柴油双燃料发动机燃烧控制方法，其特征是：
所述发动机包括气缸壁、气缸盖，气缸壁里设置活塞，气缸壁和气缸盖之间为燃烧室，燃烧室通过进气阀连通进气歧管，燃烧室通过排气阀连通排气道，进气歧管里设置燃气喷气阀，气缸盖里设置电控喷油器；
在发动机30％低负荷以下控制燃气喷气阀，采用燃气单次喷射策略，控制喷射时刻在进气阀之后，使燃气在进气阶段后期进入气缸，缸内燃气浓度梯度分层得到强化；在30％-60％中等负荷下控制燃气喷气阀，采用燃气二次喷射策略，控制第一次燃气喷射正时在排气阀关闭、进气阶段开始时刻，控制第二次燃气喷射正时在进气阀最大升程之后，确保在中等负荷下合理的缸内燃气浓度梯度分层；在大于60％负荷的情况下，加大第一次燃气喷射量比例，减少第二次燃气喷射量比例，减小缸内燃气浓度梯度；此外随着负荷进一步升高，控制第一次燃气喷射正时较中等负荷情况下延后，第二次燃气喷射时刻较中等负荷情况下提前，从而两次燃气喷射持续期实现合并。
2.根据权利要求1所述的一种基于反应活性控制的分层燃烧天然气-柴油双燃料发动机燃烧控制方法，其特征是：对于电控喷油器，中小负荷下控制预喷射柴油的喷射时刻为压缩上止点前10-20℃A，高负荷下控制预喷射柴油的喷射时刻为压缩上后10-20℃A；小负荷下控制活性反应柴油喷射比重在50％-65％，达到高负荷时控制活性反应柴油喷射比重在5％-15％之间。
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