CN109538347A - 能实现全工况范围汽油高效清洁压燃的控制系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种能实现全工况范围汽油高效清洁压燃的控制系统及方法：电子控制单元读取发动机转速信号和油门踏板位置信号，判断发动机的运行工况；如果第一步的判断结果为发动机处于启动或小负荷工况，发动机采用缸内直喷、内部EGR，并执行相应进气温度控制策略和进气门控制策略；如果第一步的判断结果为发动机处于中等负荷或大负荷工况，发动机采用进气道喷射和缸内直喷相结合的双喷射策略，同时配合适当比例的外部中冷EGR率，并执行相应进气温度控制策略和进气门控制策略。本发明解决了目前缸内直喷技术存在的颗粒数排放高的问题；解决了为改善汽油压燃在小负荷燃烧不稳定，而在大负荷工作粗暴的问题。
Description
技术领域
本发明涉及内燃机领域，更具体地说，是涉及一种能实现全工况范围汽油高效清洁压燃的控制系统和方法。
背景技术
随着汽车保有量的日益增多，其对能源和环境所带来的负面效应日益受到人们的重视。各国也相继制定了更为严格的排放法规以限制有害排放物和CO2等温室气体的排放。因此，探索内燃机高效清洁燃烧的控制技术对各国实现节能减排有重大意义。
传统的汽油机为当量比燃烧控制，后处理可以完全依靠简单的三元催化剂，由于其成本低、控制简单，因而被广泛的采用。但传统汽油机的负荷由节气门控制，在部分负荷工况泵气损失较大，而且压缩比低，导致热效率较低。为了满足未来高效节能的发展趋势，目前汽油机已经广泛采用的是“缸内直喷、分层稀薄燃烧”(GDI)的控制技术，GDI通过喷油量直接控制负荷，取消了对节气门的依赖；GDI喷油压力高，能使燃油充分与空气混合，使燃料燃烧更加充分；GDI 形成的分层稀薄混合气，对爆震的抑制能力增强，可以适当增大压缩比。因此 GDI相比传统多点喷射(MPI)汽油机具有更高的热效率。但是，GDI也存在着不足：首先有研究表明，GDI尾气中的颗粒浓度是传统多点喷射汽油发动机的 10倍以上，主要由于其混合气形成时间短，以及较高喷射压力使燃油撞壁等原因形成局部高温过浓区导致碳烟形成；其次，在GDI发动机中，火花塞点火燃烧混合气区域较小，而且较高喷油压力使混合气扩散边界处的空燃比较高，使火焰在向周边传播的过程中逐渐衰弱，甚至火焰传播中断，使混合气不能充分燃烧；最后，GDI稀薄燃烧虽然高效节能，但是空燃比不在理论空燃比附近，使广泛采用的三元催化转化器不能高效工作。
大量研究表明，提高混合气在着火前的均匀程度可以改善碳烟排放；大比例冷却EGR可以实现NOx超低排放；提高压缩比可以改善燃油经济性；通过内部 EGR与喷油策略耦合采用压缩着火的方式可以实现汽油小负荷稳定燃烧。因此，基于以上理论，针对GDI存在的问题，本发明提出了一种能实现全工况范围汽油高效清洁压燃的控制系统和方法。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种能实现全工况范围汽油高效清洁压燃的控制系统和方法，解决了目前缸内直喷(GDI)技术存在的颗粒数排放高的问题；解决了为改善汽油压燃在小负荷燃烧不稳定，而在大负荷工作粗暴的问题。
本发明的目的可通过以下技术方案实现。
本发明的能实现全工况范围汽油高效清洁压燃的控制系统，包括设置于压燃式发动机内的双可变气门机构，所述双可变气门机构的每个气缸进气口均连接有进气歧管，所有进气歧管均连接进气总管出气口，所述进气总管进气口连接压气机排气口，所述压气机进气口连接空气滤清器；所述双可变气门机构的每个气缸排气口均连接有排气歧管，所有排气歧管均连接排气总管进气口，所述排气总管排气口连接涡轮机进气口，
每个所述进气歧管内均设置有进气道低压喷油器，所述进气总管出气口设置有进气温度传感器，所述双可变气门机构的每个气缸内均设置有缸内直喷高压喷油器；所述进气总管设置有进气加热器，所述进气加热器进气口设置有进气加热器流量控制阀，所述进气加热器进气口端连接的进气总管与排气总管之间连接有排气支路，所述排气支路设置有EGR单向阀和高压EGR阀；所述进气加热器的进气口和排气口之间通过管路并联有中冷器，所述中冷器管程与其所在管路相连通，所述中冷器壳程冷却水进口设置有中冷器冷却水流量控制阀，所述中冷器进气口设置有中冷器流量控制阀；
所述进气道低压喷油器、进气温度传感器、缸内直喷高压喷油器、进气加热器、中冷器冷却水流量控制阀、进气加热器流量控制阀、中冷器流量控制阀、 EGR单向阀和高压EGR阀均通过信号线与电子控制单元电连接；
所述电子控制单元储存了各种工况下的各种控制参数目标值和各种控制策略，所述控制参数包括进气温度、进排气门开闭时刻、进气道喷射油量、缸内喷射油量、缸内喷射正时、缸内喷射压力，所述控制策略包括双喷射的喷射策略、内部EGR策略、外部EGR策略、进气门策略、排气门策略和进气温度控制策略。
本发明的目的还可通过以下技术方案实现。
本发明的能实现全工况范围汽油高效清洁压燃的控制方法，包括以下步骤：
第一步：电子控制单元读取发动机转速信号和油门踏板位置信号，判断发动机的运行工况；
第二步：如果第一步的判断结果为发动机处于启动或小负荷工况，发动机采用缸内直喷、内部EGR，并执行相应进气温度控制策略和进气门控制策略；
第三步：如果第一步的判断结果为发动机处于中等负荷或大负荷工况，发动机采用进气道喷射和缸内直喷相结合的双喷射策略，同时配合适当比例的外部中冷EGR率，并执行相应进气温度控制策略和进气门控制策略。
所述进气温度控制策略和进气门控制策略，包括以下步骤：
第一步：电子控制单元读取发动机转速信号和油门踏板位置信号，确定进气温度和进气门关闭时刻的目标值；
第二步：读取发动机进气温度传感器信号，判断实际进气温度和进气温度目标值大小；
第三步：如果第二步的判断结果为实际进气温度高于进气温度目标值，则首先在进气门关闭时刻目标值基础上相应推迟进气门关闭时刻，然后依次采取降低进气加热功率、增大中冷器流量控制阀、减小进气加热器流量控制阀、增大中冷器冷却水流量控制阀来逐渐下调进气温度至进气温度目标值；
第四步：如果第二步的判断结果为实际进气温度低于进气温度目标值，则首先在进气门关闭时刻目标值基础上相应提前进气门关闭时刻，然后依次采取减小中冷器冷却水流量控制阀、增大进气加热器流量控制阀、减小中冷器流量控制阀、提高进气加热器加热功率来逐渐上调进气温度至进气温度目标值。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
(1)本发明汽油采用压燃着火的方式，取消了点火系统，提高了发动机的可靠性中。
(2)本发明采用双喷射系统，在着火之前形成尽可能多的预混合气，实现低温燃烧，有效的降低NOx和碳烟(Soot)排放，配合气门策略和进气温度控制策略，能在全工况范围内进行清洁燃烧。
(3)本发明高几何压缩比的米勒循环使发动机在全工况范围内都有较高的膨胀比，因此，能提高发动机的热效率。
附图说明
图1是本发明能实现全工况范围汽油高效清洁压燃的控制系统示意图；
图2是本发明的发动机工况判断逻辑图；
图3是本发明的喷射策略(a)、EGR策略(b)和排气门控制策略(c)的逻辑图；
图4是本发明的进气温度控制系统逻辑图；
图5是本发明的进气门控制策略逻辑图。
附图标记:1双可变气门机构，2缸内直喷高压喷油器，3进气温度传感器，4 进气道低压喷油器，6进气加热器，7中冷器冷却水流量控制阀，8中冷器，9 进气加热器流量控制阀，10中冷器流量控制阀，11空气滤清器，12EGR单向阀， 13高压EGR阀，14压气机，15涡轮机，ECU电子控制单元。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
如图1所示，本发明的能实现全工况范围汽油高效清洁压燃的控制系统，包括双可变气门机构1，所述双可变气门机构1设置于压燃式发动机内，所述压燃式发动机为往复活塞式发动机。所述双可变气门机构5可以在全工况范围内灵活调整进气门关闭时刻，也可以实现排气门两次开启(在进气的时候排气门额外开启一次)。
所述双可变气门机构1的每个气缸进气口均连接有进气歧管，所有进气歧管均连接进气总管出气口，所述进气总管进气口连接压气机14排气口，所述压气机14进气口连接空气滤清器11。所述双可变气门机构1的每个气缸排气口均连接有排气歧管，所有排气歧管均连接排气总管进气口，所述排气总管排气口连接涡轮机15进气口。所述压气机14和涡轮机15通过轴连接。每个所述进气歧管内均设置有进气道低压喷油器4，所述进气总管出气口设置有进气温度传感器3，所述双可变气门机构1的每个气缸内均设置有缸内直喷高压喷油器2。
所述进气总管设置有进气加热器6，所述进气加热器6进气口设置有进气加热器流量控制阀9，所述进气加热器6进气口端连接的进气总管与排气总管之间连接有排气支路，所述排气支路设置有EGR单向阀12和高压EGR阀13。所述进气加热器6的进气口和排气口之间通过管路并联有中冷器8，所述中冷器8管程与其所在管路相连通，所述中冷器8进气口设置有中冷器流量控制阀10，所述中冷器8壳程冷却水进口设置有中冷器冷却水流量控制阀7。
所述进气道低压喷油器4、进气温度传感器3、缸内直喷高压喷油器2、进气加热器6、中冷器冷却水流量控制阀7、进气加热器流量控制阀9、中冷器流量控制阀10、EGR单向阀12和高压EGR阀13均通过信号线与电子控制单元 ECU电连接。所述电子控制单元ECU储存了各种工况下的各种控制参数目标值和各种控制策略，所述控制参数包括进气温度、进排气门开闭时刻、进气道喷射油量、缸内喷射油量、缸内喷射正时、缸内喷射压力，所述控制策略包括双喷射的喷射策略、内部EGR策略、外部EGR策略、进气门策略、排气门策略和进气温度控制策略
发动机进气温度可以通过所述进气温度传感器3实时监测，并通过进气加热器6、中冷器冷却水流量控制阀7、中冷器8、进气加热器流量控制阀9、中冷器流量控制阀10实现灵活调节。所述缸内直喷高压喷油器2和进气道低压喷油器 4组成燃料双喷射系统，进气道和缸内燃油喷射比例、缸内喷射正时、缸内喷射压力均可通过电子控制单元ECU进行灵活控制。所述双可变气门机构5、EGR 单向阀12和高压EGR阀13组成内外部EGR系统。所述进气温度传感器3、进气加热器6、中冷器冷却水流量控制阀7、中冷器8、进气加热器流量控制阀9、中冷器流量控制阀10组成进气温度控制系统。
燃料双喷射系统中的缸内直喷高压喷油器2和进气道低压喷油器4连接同一个油箱。通过电子控制单元ECU读取发动机转速信号和油门踏板位置信号，判断发动机目前的运行工况(如图2所示)，执行相应的双喷射策略，如图3(a)所示。在小负荷工况，只采用进气道喷射，并耦合温度较高的内部EGR，使混合气高浓度区和高温区重合，有利于汽油的稳定着火和燃烧；在中等负荷工况，采用进气道喷射和缸内直喷相结合的双喷射策略，缸内直喷形成的小比例局部过浓混合气容易被压燃，从而引燃进气道喷射的预混合气，实现大比例预混合燃烧，有利于降低碳烟和颗粒数的排放；在大负荷工况，降低进气道喷射比例，防止压力升高率过高而导致发动机的损坏。
双可变气门机构包括进气门可变系统和排气门可变系统。进气门可变系统主要通过进气门晚关策略(米勒循环)保证进气道喷射形成的预混合气在不会自燃的前提下实现更大有效压缩比，保证足够的进气量，从而实现高效清洁燃烧。进气门关闭时刻与进气温度有密切关系，进气门的控制策略如图5所示。首先，通过控制单元ECU读取转速和油门位置信号，判断目前发动机的运行工况，得到该工况下的目标进气温度和最佳进气门晚关时刻。进气温度对进气门关闭时刻的影响会出现以下三种情况：(1)如果实际进气温度在目标进气温度范围内 (Flag＝0)，则执行最佳进气门关闭时刻。如果在变工况或者是环境条件恶劣情况下，进气温度控制系统无法立即使进气温度达到目标温度，则通过进气温度差值来修正最佳进气门关闭时刻。(2)如果进气温度大于目标进气温度的最高阀值 (Flag＝1)，则执行与该温差(ΔT＝Ta-Tth，Ta表示实际温度，Tth表示目标温度最高阀值)对应的进气门关闭时刻。如果本次采集的温差信号(ΔTi+1)大于上一次的温差信号(ΔTi)，则继续推迟气门关闭时刻；如果ΔTi+1<ΔTi，则进气门关闭时刻提前；如果ΔTi+1＝ΔTi，则维持该进气门关闭时刻不变。(3)如果进气温度小于目标进气温度的最低阀值(Flag＝2)，则执行与该温差(ΔT＝Ttl－Ta，Ttl表示目标温度最低阀值)对应的进气门关闭时刻。如果ΔTi+1>ΔTi则气门关闭时刻提前；如果ΔTi+1<ΔTi，则推迟进气门关闭时刻；如果ΔTi+1＝ΔTi，则维持该进气门关闭时刻不变。因此，通过以上进气门关闭时刻的控制策略可以保证发动机在变工况或恶劣环境条件等进气温度较难控制的条件下实现正常燃烧，同时保证较高的热效率。
排气门可变系统的控制策略如图3(c)所示，在小负荷(State＝1)或启动 (State＝0)工况，采用排气门两次开启的策略(除排气行程中开启排气门之外，在进气行程中额外开启一次排气门)实现内部EGR，根据要实现的温度分层和内部EGR量，调节第二次排气门开启时刻和持续时间；如果在中等负荷(State＝3) 或大负荷(State＝4)工况，则采用正常的排气门一次开启策略。
内外部EGR系统的控制策略如图3(b)所示，在小负荷或启动工况，采用内部EGR，保证小负荷工况的稳定燃烧；在中等负荷或大负荷工况，采用外部冷却EGR，降低缸内燃烧温度，实现低NOx燃烧。外部EGR系统包括EGR单向阀12和高压EGR阀13，EGR从排气门排出，依次通过高压EGR阀13和EGR 单向阀12，与新鲜空气混合后，经过温度控制系统，最终再次进入到发动机内参与燃烧。
发动机的进气温度控制系统包括进气温度传感器3、进气加热器6、中冷器冷却水流量控制阀7、中冷器8、进气加热器流量控制阀9和中冷器流量控制阀 10。发动机的进气温度由进气温度传感器3测量得到，控制单元ECU根据发动机目前所处工况，得到该工况下的目标进气温度范围。通过进气加热控制系统将进气温度控制在目标进气温度范围内。进气温度的控制策略如图4所示。分以下三种情况：(1)如果进气温度高于最高阀值温度，则按照以下控制方式降低进气温度，直到进气温度满足要求。首先降低进气加热功率。当加热功率降为零时，增加中冷气体流量控制阀开度，让一部分气体通过中冷器进行冷却。当中冷气体流量控制阀全开时，则减小加热气体流量控制阀开度，直到加热气体流量控制阀全关。如果此时进气温度仍然偏高，则令Flag＝1，并执行如图4所示的进气门晚关控制策略。(2)如果进气温度低于最小阀值，则增加加热气体流量控制阀开度，减少经过中冷器的气体流量，使进气温度增加。当加热气体流量控制阀全开时，则减小中冷气体流量控制阀开度，进一步降低经过中冷器的气体流量，使进气温度增加。中冷气温度范围，则令Flag＝2，并执行如图4所示的进气门晚关策略。 (3)如果进气温度在目标进气温度范围内，则令Flag＝0，根据图4可知，执行该工况下最佳进门关闭时刻即可。
本发明的能实现全工况范围汽油高效清洁压燃的控制方法，电子控制单元 ECU首先读取发动机转速信号及油门位置信号，判断发动机当前运行工况，确定燃料双喷射策略和内外部EGR策略，然后结合进气温度信号确定进排气门策略。通过排气门两次开启实现内部EGR及缸内燃料喷射方式，组织缸内局部高温浓混合气，提高小负荷工况燃烧稳定性；大负荷工况采用进气门晚关策略耦合外部冷却EGR以及燃料气道喷射为主的喷油策略，实现气道喷射燃料经压缩加热重整、缸内少部分直喷燃料触发的大比例预混合低温燃烧，抑制大负荷过高的爆发压力以及NOx和碳烟排放；从而实现全工况范围汽油高预混合高效清洁压燃低温燃烧。具体过程如下：
第一步：发动机的电子控制单元ECU分别读取安装在发动机曲轴上的转速传感器给出的发动机转速信号和安装在油门踏板上的位移传感器给出的油门踏板位置信号，并根据上述发动机转速和油门踏板位置信号判断发动机运行在启动、小负荷、中等负荷或大负荷工况；
第二步：如果第一步的判断结果为发动机处于启动或小负荷工况，发动机采用缸内直喷(即缸内直喷高压喷油器2工作，进气道低压喷油器4不工作)、内部EGR(排气门两次开启)，并执行相应进气温度控制策略和进气门控制策略；也就是电子控制单元ECU根据已经标定好的控制MAP，通过本发明的进气温度控制系统将进气温度控制到目标温度，采用内部EGR提高缸内温度，同时使进气门关闭时刻提前，提高有效压缩比，进一步提高压缩温度。
第三步：如果第一步的判断结果为发动机处于中等负荷或大负荷工况，发动机采用进气道喷射和缸内直喷相结合的双喷射策略，同时配合适当比例的外部中冷EGR率，并执行相应进气温度控制策略和进气门控制策略。随着负荷的增加，逐渐下调进气道喷射比例和进气温度目标值，推迟进气门关闭时刻目标值。也就是电子控制单元ECU根据已经标定好的控制MAP，采用燃油双喷射策略、外部中冷EGR和进气门晚关的控制策略。电子控制单元ECU根据发动机的负荷控制进气道和缸内直喷的喷油比例、缸内直喷压力、缸内直喷喷油正时、外部中冷 EGR比例等。进气门晚关时刻需配合实际进气温度进行修正，保证缸内预混合气不会发生自燃。
其中，进气温度控制策略和进气门控制策略，具体过程如下：
第一步：电子控制单元ECU读取发动机转速信号和油门踏板位置信号，确定进气温度和进气门关闭时刻的目标值；
第二步：读取发动机进气温度传感器信号，判断实际进气温度和进气温度目标值大小；
第三步：如果第二步的判断结果为实际进气温度高于进气温度目标值，则首先在进气门关闭时刻目标值基础上相应推迟进气门关闭时刻，然后依次采取降低进气加热功率、增大中冷器流量控制阀10、减小进气加热器流量控制阀9、增大中冷器冷却水流量控制阀7来逐渐下调进气温度至进气温度目标值；
第四步：如果第二步的判断结果为实际进气温度低于进气温度目标值，则首先在进气门关闭时刻目标值基础上相应提前进气门关闭时刻，然后依次采取减小中冷器冷却水流量控制阀7、增大进气加热器流量控制阀9、减小中冷器流量控制阀10、提高进气加热器6加热功率来逐渐上调进气温度至进气温度目标值。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，例如以上只是描述了使用汽油燃料，若采用其他高辛烷值燃料(如甲醇、乙醇、天然气)而依然采用本发明的思想方法，都应当视为属于本发明专利保护范围。
Claims (3)
1.一种能实现全工况范围汽油高效清洁压燃的控制系统，包括设置于压燃式发动机内的双可变气门机构(1)，所述双可变气门机构(1)的每个气缸进气口均连接有进气歧管，所有进气歧管均连接进气总管出气口，所述进气总管进气口连接压气机(14)排气口，所述压气机(14)进气口连接空气滤清器(11)；所述双可变气门机构(1)的每个气缸排气口均连接有排气歧管，所有排气歧管均连接排气总管进气口，所述排气总管排气口连接涡轮机(15)进气口，其特征在于，
每个所述进气歧管内均设置有进气道低压喷油器(4)，所述进气总管出气口设置有进气温度传感器(3)，所述双可变气门机构(1)的每个气缸内均设置有缸内直喷高压喷油器(2)；所述进气总管设置有进气加热器(6)，所述进气加热器(6)进气口设置有进气加热器流量控制阀(9)，所述进气加热器(6)进气口端连接的进气总管与排气总管之间连接有排气支路，所述排气支路设置有EGR单向阀(12)和高压EGR阀(13)；所述进气加热器(6)的进气口和排气口之间通过管路并联有中冷器(8)，所述中冷器(8)管程与其所在管路相连通，所述中冷器(8)壳程冷却水进口设置有中冷器冷却水流量控制阀(7)，所述中冷器(8)进气口设置有中冷器流量控制阀(10)；
所述进气道低压喷油器(4)、进气温度传感器(3)、缸内直喷高压喷油器(2)、进气加热器(6)、中冷器冷却水流量控制阀(7)、进气加热器流量控制阀(9)、中冷器流量控制阀(10)、EGR单向阀(12)和高压EGR阀(13)均通过信号线与电子控制单元(ECU)电连接；
所述电子控制单元(ECU)储存了各种工况下的各种控制参数目标值和各种控制策略，所述控制参数包括进气温度、进排气门开闭时刻、进气道喷射油量、缸内喷射油量、缸内喷射正时、缸内喷射压力，所述控制策略包括双喷射的喷射策略、内部EGR策略、外部EGR策略、进气门策略、排气门策略和进气温度控制策略。
2.一种能实现全工况范围汽油高效清洁压燃的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：电子控制单元(ECU)读取发动机转速信号和油门踏板位置信号，判断发动机的运行工况；
第二步：如果第一步的判断结果为发动机处于启动或小负荷工况，发动机采用缸内直喷、内部EGR，并执行相应进气温度控制策略和进气门控制策略；
第三步：如果第一步的判断结果为发动机处于中等负荷或大负荷工况，发动机采用进气道喷射和缸内直喷相结合的双喷射策略，同时配合适当比例的外部中冷EGR率，并执行相应进气温度控制策略和进气门控制策略。
3.根据权利要求2所述的能实现全工况范围汽油高效清洁压燃的控制方法，其特征在于，所述进气温度控制策略和进气门控制策略，包括以下步骤：
第一步：电子控制单元(ECU)读取发动机转速信号和油门踏板位置信号，确定进气温度和进气门关闭时刻的目标值；
第二步：读取发动机进气温度传感器信号，判断实际进气温度和进气温度目标值大小；
第三步：如果第二步的判断结果为实际进气温度高于进气温度目标值，则首先在进气门关闭时刻目标值基础上相应推迟进气门关闭时刻，然后依次采取降低进气加热功率、增大中冷器流量控制阀(10)、减小进气加热器流量控制阀(9)、增大中冷器冷却水流量控制阀(7)来逐渐下调进气温度至进气温度目标值；
第四步：如果第二步的判断结果为实际进气温度低于进气温度目标值，则首先在进气门关闭时刻目标值基础上相应提前进气门关闭时刻，然后依次采取减小中冷器冷却水流量控制阀(7)、增大进气加热器流量控制阀(9)、减小中冷器流量控制阀(10)、提高进气加热器(6)加热功率来逐渐上调进气温度至进气温度目标值。
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