CN109736935B - 以纯氧气为氧化剂的烃类燃料点燃式零氮排放发动机的控制方法 - Google Patents

以纯氧气为氧化剂的烃类燃料点燃式零氮排放发动机的控制方法 Download PDF

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本发明目的在于提供一种以纯氧气为氧化剂的烃类燃料点燃式零氮排放发动机的控制方法，采用纯氧进气结合废气再循环的技术方案，纯氧、废气再循环进气量随工况协同策略，在保证发动机缸内燃烧平稳可控及满足动力需求的同时，可达到烃类燃料点燃式发动机零NOx排放，降低HC、CO及PM排放的目的。

Description

以纯氧气为氧化剂的烃类燃料点燃式零氮排放发动机的控制 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点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，烃类燃料点燃式发动机的有害排放物主要是NOx、PM、HC及CO等，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点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，在实现烃类燃料点燃式发动机零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点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，实现烃类燃料点燃式发动机零NOx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点燃式零氮排放发动机，包括发动机本体(1)、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)、稳压腔(8)、进气总管压力传感器(9)、节气门(10)、火花塞(11)、燃料喷射器(12)、燃油供给系统(13)、氧传感器(14)、排气控制阀(15)、EGR控制阀(16)、EGR流量计(17)；
一种以纯氧气为氧化剂的烃类燃料点燃式零氮排放发动机，其特征在于采用纯氧结合EGR混合进气的技术，纯氧经过进气总管(7)上的纯氧进口直接进入到进气总管(7)，并与进入进气总管的EGR气体混合，混合气经由进气歧管进入到发动机内部；
一种以纯氧气为氧化剂的烃类燃料点燃式零氮排放发动机控制方法，其特征在于烃类燃料供给系统包括进气道燃料喷射(PI)及缸内燃料喷射(DI)两种供给模式；
一种以纯氧气为氧化剂的烃类燃料点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号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传感器(14)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(13)进行控制，并根据氧传感器(14)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对于发动机所处工况的判断如下：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(如200rpm)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3000rpm，获取的节气门开度不大于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3000rpm且节气门开度大于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点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，EGR控制阀(16)开度为0％，排气控制阀(15)开度为100％。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及节气门开度θ的增大，λ2逐渐减小，具体关系式为：
Figure BDA0001931710910000031
式中：n0为最低怠速转速、θ0为怠速节气门开度、k1为节气门开度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(16)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(16)的开启及关闭。
一种以纯氧气为氧化剂的烃类燃料点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 BDA0001931710910000032
Figure BDA0001931710910000033
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点燃式零氮排放发动机控制方法，其优点是：采用纯氧结合EGR混合气进气形式，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。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：1、发动机本体；2、氧气罐；3、氧气储存压力传感器；4、减压阀；5、氧气流量计；6、氧气供给管路电磁阀；7、进气总管；8、稳压腔；9、进气总管压力传感器；10、节气门；11、火花塞；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。
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点燃式零氮排放发动机构成主要有：发动机本体(1)、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)、稳压腔(8)、进气总管压力传感器(9)、节气门(10)、火花塞(11)、燃料喷射器(12)、燃油供给系统(13)、氧传感器(14)、排气控制阀(15)、EGR控制阀(16)、EGR流量计(17)；
一种以纯氧气为氧化剂的烃类燃料点燃式零氮排放发动机，其特征在于采用纯氧结合EGR混合进气的技术，纯氧经过进气总管(7)上的纯氧进口直接进入到进气总管，并与进入进气总管的EGR气体混合，混合气经由进气歧管进入到发动机内部；
一种以纯氧气为氧化剂的烃类燃料点燃式零氮排放发动机控制方法，其特征在于烃类燃料供给系统包括进气道燃料喷射(PI)及缸内燃料喷射(DI)两种供给模式；
一种以纯氧气为氧化剂的烃类燃料点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号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(14)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(13)进行控制，并根据氧传感器(14)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对于发动机所处工况的判断如下：当ECU获取的发动机转速信号显示发动机转速从0增加到200rpm，即判定发动机进入起动工况；当ECU获取的转速信号显示发动机转速在650至3000rpm之间(包括650rpm与3000rpm)，获取的节气门开度不大于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3000rpm且节气门开度大于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点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(如图2所示)：
(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(16)，排气控制阀(15)开度为100％。此工况下过量氧气系数λ1调整为2.0不变，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及节气门开度θ的增大，λ2逐渐减小，具体关系式为：
Figure BDA0001931710910000051
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(16)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0.99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(16)的开启及关闭。
一种以纯氧气为氧化剂的烃类燃料点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 BDA0001931710910000061
Figure BDA0001931710910000062
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.以纯氧气为氧化剂的烃类燃料点燃式零氮排放发动机的控制方法，其特征在于：
纯氧、废气再循环EGR进气量值由发动机电子控制单元ECU根据不同工况下标定的过量氧气系数值λ进行计算；其中，不同工况下废气再循环流量、氧气流量及过量氧气系数计算方法如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
Figure 543667DEST_PATH_IMAGE002
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；
具体控制策略如下：
（1）起动工况下，采用纯氧进气，EGR控制阀开度为0%，排气控制阀开度为100%；此工况下过量氧气系数λ1调整在1.5~2.0范围内某一固定值，并由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，具体λ2确定方法为：
Figure 352485DEST_PATH_IMAGE004
（c）
式中：n 0为最低怠速转速、θ 0为怠速节气门开度、n为发动机转速、θ为节气门开度、k 1为节气门开度对过量氧气系数的影响因子、k 2为转速对过量氧气系数的影响因子，b为常数，其中k 1+k 2=1；根据不同的发动机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及EGR控制阀的开启及关闭；
（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之间任意一个值维持不变；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及EGR控制阀的开启及关闭。
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