CN109441623B - 以纯氧气为氧化剂的烃类燃料压燃式零氮排放发动机及其控制方法 - Google Patents

以纯氧气为氧化剂的烃类燃料压燃式零氮排放发动机及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供以纯氧气为氧化剂的烃类燃料压燃式零氮排放发动机及控制方法，采用纯氧与EGR废气作为内燃机的全部进气，纯氧作为燃烧唯一氧化剂，通过对氧气供给管路电磁阀及EGR控制阀开度的调节来实现不同工况下不同燃烧策略(如稀薄燃烧、当量比及浓混合气燃烧等)的选择，在保证发动机缸内燃烧平稳可控及满足动力需求的同时，可达到烃类燃料压燃式发动机零NOx排放，降低PM、HC及CO排放的目的。

Description

以纯氧气为氧化剂的烃类燃料压燃式零氮排放发动机及其控 制方法
技术领域
本发明属于发动机领域，特别是一种以纯氧气为氧化剂的烃类燃料压燃式零氮排放发动机及控制方法。
背景技术
随着汽车保有量的不断增多，由汽车排出的一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化合物(NOx)和颗粒物(PM)对大气造成越来越严重的污染，汽车所带来的环境问题已成为一个众所关注的社会问题。目前，世界各国政府制定的排放法规逐年趋于严格，同时还实施了限制排放不达标车辆的运行区域等措施来缓解严重的城市污染。因此，迫切需要能够有效降低尾气排放的技术路径。
众所周知，烃类燃料压燃式发动机的有害排放物主要是NOx、PM、HC及CO，其中NOx与其他三种有害排放物基本上呈现相反的变化规律，由于NOx与其他三种排放物的净化方法相互抵触和矛盾，因此，给全面降低烃类燃料压燃式发动机有害排放物带来了困难。大量研究发现，发动机NOx排放主要来自于空气中的N2和O2在燃烧室高温条件下反应生成的氮氧化物。发动机研究者采用不同的技术，如稀薄燃烧、废气再循环(EGR)及内燃机喷水等措施，对降低NOx排放带来了一定的好处，但从根本上解决NOx排放仍是一个技术难题。而理论上不直接使用空气而使用不含氮的纯氧气来完成汽车发动机做功冲程中的助燃，从而使燃烧过程中无氮气参加化学反应来彻底消除汽车尾气中氮氧化物，实现NOx尾气的零排放(现今，用天然气等代用燃料的发动机也无法做到)，同时也能减少尾气中HC、CO等有害物的排放，起到了环境保护的作用。
但是，单纯使用纯氧进气会导致混合气燃烧剧烈而充分，缸内温度过高，压力升高率太大，无法保证发动机稳定、可靠的工作。同时，发动机机体及活塞等零部件均无法承受如此高的温度及压力，导致出现爆缸等现象。采用纯氧结合EGR混合进气的技术，在实现烃类燃料压燃式发动机零NOx排放的前提下，不仅有利于稀释缸内氧气浓度，降低燃料燃烧速度，保证气缸内的燃烧平稳可控，同时还可以充分回收利用稀薄燃烧策略下排气中多余的氧气，达到节能减排的综合目的。
发明内容
本发明目的在于提供一种以纯氧气为氧化剂的烃类燃料压燃式零氮排放发动机及控制方法，在保证发动机工作平顺、可靠的同时，彻底消除发动机运行过程中NOx生成问题，同时降低PM、HC及CO排放。
本发明解决上述问题是通过以下技术方案实现的：
一种以纯氧气为氧化剂的烃类燃料压燃式零氮排放发动机，包括发动机本体(1)、高压氧气罐(2)、氧气储存压力传感器(3)、减压阀(4)、氧气流量计(5)、氧气供给管路电磁阀(6)、进气总管(7)、稳压混合罐(8)、进气总管压力传感器(9)、应急进气阀(10)、空气流量计(11)、空气滤清器(12)、燃料喷射器(13)、燃油供给系统(14)、氧传感器(15)、排气控制阀(16)、EGR控制阀(17)、EGR流量计(18)、EGR冷却器(19)；
一种以纯氧气为氧化剂的烃类燃料压燃式零氮排放发动机，其特征在于：采用纯氧或纯氧掺部分EGR废气作为内燃机的全部进气，纯氧作为燃烧唯一氧化剂，通过对氧气供给管路电磁阀(6)及EGR控制阀(17)开度的调节来实现不同工况下不同燃烧策略(如稀薄燃烧、当量比及浓混合气燃烧等)的选择；
一种以纯氧气为氧化剂的烃类燃料压燃式零氮排放发动机，其特征在于：采用高压氧气罐(2)提供纯氧，通过氧气供给管路电磁阀(6)调节纯氧流量，氧气流量计(5)实时测量纯氧进气流量；将纯氧通入稳压混合罐(8)与经冷却的EGR气体进行充分混合、稳压后通入进气总管(7)；采用应急进气系统来保证高压氧气罐(2)中氧不足时发动机燃烧所需的空气量；
一种以纯氧气为氧化剂的烃类燃料压燃式零氮排放发动机控制方法，其特征在于：ECU接受来自油门踏板的信息和发动机的转速信号用于判断发动机所处的工况和负荷，在确定工况和负荷的情况下，根据工况和负荷来确定此时的混合气过量氧气系数、EGR流量及纯氧进气量；纯氧进气量由ECU根据工况及安装在排气管上氧浓度传感器(15)计算得出，通过氧气供给管路电磁阀(6)进行控制。燃油量根据纯氧的进气量和该工况下的过量氧气系数进行计算，通过发动机燃油控制系统进行控制，并根据氧传感器的反馈结果，修正氧气和燃油的喷射量，使发动机处于目标工作状态下；
所述工况包括：起动工况、怠速及中小负荷工况、高速及大负荷工况。ECU读取曲轴位置传感器送入的曲轴转动角度和转速信号，加速踏板传感器给出的汽车加速踏板的位置信号用来表征发动机的负荷大小，从而为发动机获取载荷级别，即判断发动机运行工况为起动、怠速及中小负荷工况、高速及大负荷工况。具体判断策略如下：当ECU获取的发动机转速信号显示发动机转速为起动机拖动转速时，ECU判定发动机进入起动工况；当发动机转速大于等于最低怠速转速n0(发动机出厂设定值)且不大于2000rpm，获取的油门踏板位置不大于60％时，即ECU判定发动机处于怠速及中小负荷工况；当发动机转速大于2000rpm且油门踏板位置大于60％时，ECU判定发动机处于高速及高负荷工况。
一种以纯氧气为氧化剂的烃类燃料压燃式零氮排放发动机控制方法，其特征在于不同工况下EGR流量、氧气流量及过量氧气系数控制原理及策略如下：
(1)起动工况下，需要保证发动机快速、平稳的起动，而由于起动阶段缸内温度较低，采用EGR技术会导致发动机燃烧不稳定，造成发动机无法顺利起动或起动响应较慢。因此，冷起动工况下采用纯氧进气，完全关闭EGR阀，完全打开排气控制阀。此工况下过量氧气系数λ1调整在1.5～2.0范围内，保证燃烧平稳性的同时实现发动机起动快速响应，并由此过量氧气系数λ1计算出此时的氧气流量VO2，ECU根据此值及氧气供给压力来控制氧气供给管路电磁阀(6)的开启及关闭；
(2)怠速及中小负荷工况下，发动机对动力性要求较低，采用稀薄燃烧策略，可以提高发动机经济性，同时有利于降低直喷发动机PM(颗粒物)的排放水平。此工况下，采用纯氧结合EGR混合进气的技术，过量氧气系数λ2控制在1.0～2.0范围内，且随发动机转速n及油门踏板位置f的增大，λ2呈逐渐减小变化规律。具体λ2确定方法为：
Figure BDA0001931710790000031
式中：n0为最低怠速转速、f0为怠速时油门踏板位置、k1为油门踏板位置对过量氧气系数的影响因子、k2为转速对过量氧气系数的影响因子，b为常数，其中k1+k2＝1。根据不同的发动机类型及型号可确定上述参数的具体值；
由λ2计算得出此工况下氧气流量VO2及EGR流量VEGR，ECU根据此值及氧气供给压力、排气流量来控制氧气供给管路电磁阀(6)及EGR控制阀(17)的开启及关闭；
(3)高速、大负荷工况下，发动机对动力性要求较高。此工况下采用纯氧结合EGR混合进气的技术，过量氧气系数λ3控制在0.95～1.0附近维持不变。由λ3计算得出此工况下氧气流量VO2及EGR流量VEGR，ECU根据此值及氧气供给压力、排气流量来控制氧气供给管路电磁阀(6)及EGR控制阀(17)的开启及关闭；
(4)当ECU通过氧气储存压力传感器(3)获取的氧气储存压力值低于某一值(如5MPa)时，ECU发出报警指令并控制氧气供给管路电磁阀(6)与EGR控制阀(17)关闭，此时采用应急供气系统来提供发动机燃烧所需的空气量。
一种以纯氧气为氧化剂的烃类燃料压燃式零氮排放发动机控制方法，其特征在于不同工况下EGR流量、氧气流量及过量氧气系数计算方法如下：
Figure BDA0001931710790000041
Figure BDA0001931710790000042
式中：VEGR表示EGR气体量；VO2表示氧气喷射量；λ表示混合气过量氧气系数；α％表示氧传感器测的排气中氧浓度；β表示每一工作循环不同烃类燃料理论完全燃烧所需氧气体积量。
本发明的有益效果是：
本发明旨在提出一种以纯氧气为氧化剂的烃类燃料压燃式零氮排放发动机控制方法，其优点是：采用纯氧掺部分EGR废气进气形式，将两者优势互补，保证发动机平稳可控的基础上，实现了NOx零排放及颗粒物低排放的目的；增加应急进气系统，保证了车载纯氧不足时发动机燃烧所需的空气量。此外，由于部分工况下采用稀薄燃烧策略，也使得发动机经济性得到提高，具有一定的创新性和应用前景。
附图说明
图1为本发明控制系统的示意图。
图中：发动机本体(1)、高压氧气罐(2)、氧气储存压力传感器(3)、减压阀(4)、氧气流量计(5)、氧气供给管路电磁阀(6)、进气总管(7)、稳压混合罐(8)、进气总管压力传感器(9)、应急进气阀(10)、空气流量计(11)、空气滤清器(12)、燃料喷射器(13)、燃油供给系统(14)、氧传感器(15)、排气控制阀(16)、EGR控制阀(17)、EGR流量计(18)、EGR冷却器(19)。
图2为本发明控制方法中过量氧气系数随发动机工况变化示意图。
具体实施方式
为了使本发明实施例的目的、控制过程和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图1至图2，对本发明实施例中的技术方案、控制方法进行更为清楚、完整的描述。
本发明所涉及的一种以纯氧气为氧化剂的烃类燃料压燃式零氮排放发动机构成主要有：发动机本体(1)、高压氧气罐(2)、氧气储存压力传感器(3)、减压阀(4)、氧气流量计(5)、氧气供给管路电磁阀(6)、进气总管(7)、稳压混合罐(8)、进气总管压力传感器(9)、应急进气阀(10)、空气流量计(11)、空气滤清器(12)、燃料喷射器(13)、燃油供给系统(14)、氧传感器(15)、排气控制阀(16)、EGR控制阀(17)、EGR流量计(18)、EGR冷却器(19)；
一种以纯氧气为氧化剂的烃类燃料压燃式零氮排放发动机，其特征在于：采用纯氧或纯氧掺部分EGR废气作为内燃机的全部进气，纯氧作为燃烧唯一氧化剂，通过对氧气供给管路电磁阀(6)及EGR控制阀(17)开度的调节来实现不同工况下不同燃烧策略(如稀薄燃烧、当量比及浓混合气燃烧等)的选择；
一种以纯氧气为氧化剂的烃类燃料压燃式零氮排放发动机，其特征在于：采用高压氧气罐(2)提供纯氧，通过氧气供给管路电磁阀(6)调节纯氧流量，氧气流量计(5)实时测量纯氧进气流量；将纯氧通入稳压混合罐(8)与经冷却的EGR气体进行充分混合、稳压后通入进气总管(7)；采用应急进气系统来保证高压氧气罐(2)中氧不足时发动机燃烧所需的空气量；
一种以纯氧气为氧化剂的烃类燃料压燃式零氮排放发动机控制方法，其特征在于：ECU接受来自油门踏板的信息和发动机的转速信号用于判断发动机所处的工况和负荷，在确定工况和负荷的情况下，根据工况和负荷来确定此时的混合气过量氧气系数、EGR流量及纯氧进气量；纯氧进气量由ECU根据工况及安装在排气管上氧浓度传感器(15)计算得出，通过氧气供给管路电磁阀(6)进行控制。燃油量根据纯氧的进气量和该工况下的过量氧气系数进行计算，通过发动机燃油供给系统(14)进行控制，并根据氧传感器(15)的反馈结果，修正氧气和燃油的喷射量，使发动机处于目标工作状态下；
所述工况包括：起动工况、怠速及中小负荷工况、高速及大负荷工况。ECU读取曲轴位置传感器送入的曲轴转动角度和转速信号，加速踏板传感器给出的汽车加速踏板的位置信号用来反映发动机的负荷大小，从而为发动机获取载荷级别，即判断发动机运行工况为起动、怠速及中小负荷工况、高速及大负荷工况。具体判断策略如下：当ECU获取的发动机转速信号显示发动机转速从0增加到100rpm，ECU判定发动机进入起动工况；当发动机转速大于等于500rpm且不大于2000rpm，获取的油门踏板位置不大于60％时，即ECU判定发动机处于怠速及中小负荷工况；当发动机转速大于2000rpm且油门踏板位置大于60％时，ECU判定发动机处于高速及高负荷工况。
一种以纯氧气为氧化剂的烃类燃料压燃式零氮排放发动机控制方法，其特征在于不同工况下EGR流量、氧气流量及过量氧气系数控制原理及策略如下：
(1)起动工况下，需要保证发动机快速、平稳的起动，而由于起动阶段缸内温度较低，采用EGR技术会导致发动机燃烧不稳定，造成发动机无法顺利起动或起动响应较慢。因此，起动工况下采用纯氧进气，完全关闭EGR控制阀(14)，完全打开排气控制阀(13)。此工况下过量氧气系数λ1调整为1.5不变(如图2所示)，保证燃烧平稳性的同时实现发动机起动快速响应，并由此过量氧气系数λ1计算出此时的氧气流量VO2，ECU根据此值及氧气供给压力来控制氧气供给管路电磁阀的开启时间；
(2)怠速及中小负荷工况下，发动机对动力性要求较低，采用稀薄燃烧策略，可以提高发动机经济性，同时有利于降低直喷发动机PM(颗粒物)的排放水平。此工况下，采用纯氧结合EGR混合进气的技术，过量氧气系数λ2控制在1.0～2.0范围内，且随发动机转速n及油门踏板位置f的增大，λ2呈逐渐减小变化规律。具体λ2确定方法为：
Figure BDA0001931710790000061
由λ2计算得出此工况下氧气流量VO2及EGR流量VEGR，ECU根据此值及氧气供给压力、排气流量来控制氧气供给管路电磁阀及EGR控制阀的开启及关闭；
(3)高速、大负荷工况下，发动机对动力性要求较高。此工况下采用纯氧结合EGR混合进气的技术，过量氧气系数λ3控制在1.0附近维持不变(如图2所示)。由λ3计算得出此工况下氧气流量VO2及EGR流量VEGR，ECU根据此值及氧气供给压力、排气流量来控制氧气供给管路电磁阀(6)及EGR控制阀(14)的开启及关闭；
(4)当ECU通过氧气储存压力传感器(3)获取的氧气储存压力值低于某一值(如5MPa)时，ECU发出报警指令并控制氧气供给管路电磁阀(6)与EGR控制阀(17)关闭，此时采用应急供气系统来提供发动机燃烧所需的空气量。
一种以纯氧气为氧化剂的烃类燃料压燃式零氮排放发动机控制方法，其特征在于不同工况下EGR流量、氧气流量及过量氧气系数计算关系式如下：
Figure BDA0001931710790000071
Figure BDA0001931710790000072
混合气中始终保持纯氧所占的比例为21％，来保证发动机缸内燃烧平稳可控。
式中，VEGR表示EGR气体量；VO2表示氧气喷射量；λ表示混合气过量氧气系数；α％表示氧传感器测的排气中氧浓度；β表示每一工作循环不同烃类燃料理论完全燃烧所需氧气体积量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种以纯氧气为氧化剂的烃类燃料压燃式零氮排放发动机，包括发动机本体、纯氧供给系统、废气再循环系统、应急进气系统及发动机燃料喷射与点火电子控制单元；
所述纯氧供给系统，包括：高压氧气罐(2)、氧气储存压力传感器(3)、减压阀(4)、氧气流量计(5)与氧气供给管路电磁阀(6)；所述高压氧气罐(2)、氧气储存压力传感器(3)、减压阀(4)、氧气流量计(5)与氧气供给管路电磁阀(6)之间通过高压气体管路相连接；
所述废气再循环系统，包括：EGR控制阀(17)、EGR流量计(18)、EGR冷却器(19)与稳压混合罐(8)；所述EGR控制阀(17)、EGR流量计(18)、EGR冷却器(19)与稳压混合罐(8)之间通过不锈钢管路相连接；
所述应急进气系统，包括：应急进气阀(10)、空气流量计(11)与空气滤清器(12)；所述应急进气阀(10)、空气流量计(11)与空气滤清器(12)之间通过气体管路相连接；
其特征在于不同工况下EGR流量、氧气流量及过量氧气系数控制原理及策略如下：
(1)起动工况下，采用纯氧进气，完全关闭EGR阀，完全打开排气控制阀；此工况下过量氧气系数λ1调整在1.5～2.0范围内，保证燃烧平稳性的同时实现发动机起动快速响应，并由此过量氧气系数λ1计算出此时的氧气流量VO2，ECU根据此值及氧气供给压力来控制氧气供给管路电磁阀(6)的开启及关闭；
(2)怠速及中小负荷工况下，采用纯氧结合EGR混合进气的技术，过量氧气系数λ2控制在1.0～2.0范围内，λ2确定方法为：
Figure FDA0003284780170000011
式中：n是发动机转速，f是油门踏板位置；n0为最低怠速转速、f0为怠速时油门踏板位置、k1为油门踏板位置对过量氧气系数的影响因子、k2为转速对过量氧气系数的影响因子，b为常数，其中k1+k2＝1；根据不同的发动机类型及型号确定上述参数的具体值；
由λ2计算得出此工况下氧气流量VO2及EGR流量VEGR，ECU根据此值及氧气供给压力、排气流量来控制氧气供给管路电磁阀(6)及EGR控制阀(17)的开启及关闭；
(3)高速、大负荷工况下，采用纯氧结合EGR混合进气的技术，过量氧气系数λ3控制在0.95～1.0区间的一个值维持不变；由λ3计算得出此工况下氧气流量VO2及EGR流量VEGR，ECU根据此值及氧气供给压力、排气流量来控制氧气供给管路电磁阀(6)及EGR控制阀(17)的开启及关闭；
(4)当ECU通过氧气储存压力传感器(3)获取的氧气储存压力值低于5MPa时，ECU发出报警指令并控制氧气供给管路电磁阀(6)与EGR控制阀(17)关闭，此时采用应急供气系统来提供发动机燃烧所需的空气量。
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