CN110206642A - 活塞式内燃机基于多区燃烧的放热率主动控制系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及碳氢燃料燃烧技术领域，特别涉及活塞式内燃机基于多区燃烧的放热率主动控制系统，包括有发动机、设于发动机上的柴油喷射装置、与发动机连接的空气循环系统及与发动机的废气排放口连接的废气循环系统，发动机与空气循环系统及废气循环系统之间设有涡轮增压器，还包括有预燃混合气体形成装置，所述的空气循环系统及废气循环系统分别与预燃混合气体形成装置连接，预燃混合气体形成装置上设有易汽化燃料喷射器及十六烷值改进剂喷射器，所述易汽化燃料喷射器喷出的易气化燃料及十六烷值改进剂喷射器喷出的十六烷值改进剂与柴油喷射装置喷射的柴油配合促使发动机的气缸内形成多个燃烧区域。
Description
技术领域
本发明涉及碳氢燃料燃烧技术领域，特别涉及活塞式内燃机基于多区燃烧的放热率主动控制系统及其控制方法。
背景技术
高效低排放一直是内燃机研究的追求目标。内燃机作为一种热机，其燃烧放热过程直接影响了内燃机的热效率，因此内燃机的燃烧一直是研究人员的研究重点。内燃机作为一种多用途动力机械，其工作范围很宽泛，工作转速和工作负荷往往都会在很大的范围内变动，因此内燃机的燃烧过程是一个变化的过程。为了寻求内燃机在整体上的高效，就要需要实现对每一工况下的燃烧过程的优化，为此就必须实现对燃烧放热率的主动控制。
已有的柴油机燃烧往往都是基于传统的预混合加扩散燃烧的模式，即在柴油机上止点附近通过一次或多次将燃烧所需的柴油喷射入气缸内，柴油通过与空气混合形成局部的预混合燃烧和部分的扩散燃烧。此种燃烧方式的混合气形成过程在燃油喷射入气缸后就完全没有办法进行控制，其扩散燃烧往往都会产颗粒物排放，燃烧放热也没有办法进行很好的控制。
因此，近年来学者们都在探索主动控制燃烧过程的混合气形成和放热率控制方法。而新近一些燃烧模式，如HCCI均质充量压缩着火和RCCI等燃烧模式，此种完全的预混合燃烧过程往往很难控制其放热速率，过快的燃烧放热导致粗暴的燃烧过程，同时其HC和CO排放往往也很高。
发明内容
为了克服背景技术的不足，本发明提供了一种活塞式内燃机基于多区燃烧的放热率主动控制系统及其控制方法，通过在柴油机缸内形成不同浓度、不同化学活性和不同可燃混合气量的多燃烧区域，控制不同燃烧区域的放热顺序、放热量和放热时刻，达到主动控制全缸内燃烧过程放热率的目的。
本发明所采用的技术方案是：活塞式内燃机基于多区燃烧的放热率主动控制系统，包括有发动机、设于发动机上的柴油喷射装置、与发动机连接的空气循环系统及与发动机的废气排放口连接的废气循环系统，发动机与空气循环系统及废气循环系统之间设有涡轮增压器，还包括有预燃混合气体形成装置，所述的空气循环系统及废气循环系统分别与预燃混合气体形成装置连接，预燃混合气体形成装置上设有用于控制易气化燃料喷入预混合气体形成装置内的质量的易汽化燃料喷射器及用于控制十六烷值改进剂喷入预混合气体形成装置内的量的十六烷值改进剂喷射器，所述易汽化燃料喷射器喷出的易气化燃料及十六烷值改进剂喷射器喷出的十六烷值改进剂与柴油喷射装置喷射的柴油配合促使发动机的气缸内形成至少一个燃烧区域。
优选的，空气循环系统包括有空气滤清器及增压中冷器，空气滤清器与涡轮增压器连接，所述的增压中冷器设于涡轮增压器与预混合气体形成装置之间并分别与涡轮增压器及预混合气体形成装置连接，空气经空气滤清器、涡轮增压器及增压中冷器后进入预混合气体形成装置内。
优选的，所述的空气滤清器上设有用于测量空气滤清器内的压力和温度的进气压力传感器及进气温度传感器。
优选的，所述的废气循环系统包括有EGR及用于控制再循环的废气初始温度的EGR中冷器，所述的EGR设于发动机与EGR中冷器之间并分别与发动机的废气排放口及EGR中冷器连接，所述的EGR中冷器与预混合气体形成装置连接，发动机排放的废气经EGR及EGR中冷器后进入预混合气体形成装置内。
优选的，所述的涡轮增压器上设有用于测量涡轮增压前的压力和温度的排气压力传感器及排气温度传感器。
优选的，所述的发动机上设有用于测量发动机的实时转速的发动机转速传感器。
优选的，所述的发动机上设有用于控制预混合气的进气量和发动机气缸内混合气的初始压力的VVT。
活塞式内燃机基于多区燃烧的放热率控制方法：
步骤一，电子控制单元接收转速传感器和油门踏板的信号并通过两个信号判断发动机所处的工况，所述工况包括怠速工况、低速小负荷工况、低速中负荷工况、低速大负荷工况、中速小负荷工况、中速中负荷工况、中速大负荷工况、高速小负荷工况、高速中负荷工况和高速大负荷工况；
步骤二，电子控制单元接收进气温度传感器和进气压力传感器的信号，判断发动机的进气温度和计算发动机的进气量；
步骤三，电子控制单元接收排气温度传感器和排气压力压力传感器的信号，判断发动机所处的热力状态；
步骤四，根据步骤一、二、三的判断结果，判计算出发动机的总热值需求、柴油喷射量、易气化燃料喷射量和十六烷值改进剂的喷射量及各燃料的喷射时刻；
步骤五，根据各燃料的喷射量计算出合理的空燃比，并确定新鲜空气的需求量；
步骤六，根据新鲜空气的需求量控制涡轮增压器、增压中冷器和VVT的状态；
步骤七，根据实际进入的新鲜空气量和燃料量确定EGR率和EGR中冷器的状态；
根据上述步骤，燃烧区域分为柴油区、火焰传播区和均质压燃区三个燃烧区域，所述柴油区为柴油喷雾直接燃烧的区域，所述柴油区为形成火核并为火焰传播提供初始条件；所述火焰传播区为柴油点燃预混合气而形成火焰传播的燃烧区域；所述火焰传播区为均质压燃区提供温度和压力条件；所述均质压燃区为气缸内温度和压力条件达到特定值后预混合气直接发生自燃而形成的燃烧区域；
在高负荷工况时，三个燃烧区域同时存在，其中柴油区占比小、火焰传播区占比大、均质压燃区占比最大；均质压燃区的预混合气燃料活性弱；
在中负荷工况时，三个燃烧区域同时存在，其中柴油区占比相对高负荷时更大，火焰传播区占比相对高负荷时小、均质压燃区占比最大；均质压燃区的预混合气燃料活性相对高负荷时更强；
在低负荷工况时，柴油区占比相对中高负荷时更大，火焰传播区占比相对中高负荷时较小或不存在、均质压燃区占比小；均质压燃区的预混合气燃料活性相对中高负荷时更强；
在极低负荷工况时，只存在柴油区；
在怠速工况时，只存在柴油区；
在温度和压力达不到控制要求时，只存在柴油区。
本发明的有益效果是：1.由于设置了通过使用代用燃料替代柴油，减少了对传统石油资源的依赖与消耗。
2.通过控制发动机缸内燃烧放热区域实现了低温燃烧的均质燃烧，降低了氮氧化物和碳烟排放。
3.由于十六烷改进剂能够控制燃料活性，通过控制发动机缸内燃料活性，避免了高负荷工况中因压力升高率过高导致的爆震现象。
4.通过控制发动机缸内燃料活性，使中负荷工况有较高的燃烧效率。
5.通过控制发动机缸内燃烧区域和燃料活性，避免了低负荷工况中因预混合气较稀和缸内温度较低导致的失火现象。
6.通过控制发动机缸内燃烧区域和燃料活性，实现了多工况稳定燃烧。
下面结合附图对本发明实施例作进一步说明。
附图说明
图1为本发明中控制系统的结构示意图；
图2为本发明控制系统的控制方法示意图；
图3为本发明发动机缸内状态示意图；
图4为本发明中控制方法的放热率曲线图。
1、活塞；2、均质压燃区；3、火焰传播区；4、柴油区；5、柴油喷射器。
具体实施方式
如图1-图4所示，本发明提供了活塞式内燃机基于多区燃烧的放热率主动控制系统，包括有发动机、设于发动机上的柴油喷射装置、与发动机连接的空气循环系统及与发动机的废气排放口连接的废气循环系统，发动机与空气循环系统及废气循环系统之间设有涡轮增压器，还包括有预燃混合气体形成装置，所述的空气循环系统及废气循环系统分别与预燃混合气体形成装置连接，预燃混合气体形成装置上设有用于控制易气化燃料喷入预混合气体形成装置内的质量的易汽化燃料喷射器及用于控制十六烷值改进剂喷入预混合气体形成装置内的量的十六烷值改进剂喷射器，所述易汽化燃料喷射器喷出的易气化燃料及十六烷值改进剂喷射器喷出的十六烷值改进剂与柴油喷射装置喷射的柴油配合促使发动机的气缸内形成至少一个燃烧区域。
空气循环系统包括有空气滤清器及增压中冷器，空气滤清器与涡轮增压器连接，所述的增压中冷器设于涡轮增压器与预混合气体形成装置之间并分别与涡轮增压器及预混合气体形成装置连接，空气经空气滤清器、涡轮增压器及增压中冷器后进入预混合气体形成装置内。
所述的空气滤清器上设有用于测量空气滤清器内的压力和温度的进气压力传感器及进气温度传感器。
所述的废气循环系统包括有EGR及用于控制再循环的废气初始温度的EGR中冷器，所述的EGR设于发动机与EGR中冷器之间并分别与发动机的废气排放口及EGR中冷器连接，所述的EGR中冷器与预混合气体形成装置连接，发动机排放的废气经EGR及EGR中冷器后进入预混合气体形成装置内。
所述的涡轮增压器上设有用于测量涡轮增压前的压力和温度的排气压力传感器及排气温度传感器。
所述的发动机上设有用于测量发动机的实时转速的发动机转速传感器。
所述的发动机上设有用于控制预混合气的进气量和发动机气缸内混合气的初始压力的VVT。
上述方案中，该控制系统由空气滤清器、涡轮增压、增压中冷器、EGR废气再循环系统、EGR中冷器、预混合气形成装置、易汽化燃料喷射装置、十六烷值改进剂喷射装置、柴油喷射装置、可变气门正时(VVT)、电子控制单元、发动机转速传感器、油门踏板、进气压力传感器、进气温度传感器、排气压力传感器、排气温度传感器和发动机组成。
进气压力传感器和进气温度传感器测量空气滤清器内的压力和温度。
排气压力传感器和排气温度传感器测量涡轮增压前的压力和温度。
发动机转速传感器测量发动机的实时转速。
VVT安装在发动机上。
空气经所述空气滤清器、涡轮增压器、增压中冷器后进入预混合气体形成装置内；
废气再循环气体经所述EGR、涡轮增压器、EGR中冷器后进入预混合气体形成装置内；
易汽化燃料和十六烷值改进剂分别经易汽化燃料喷射装置和十六烷值改进剂喷射装置喷入预混合气形成装置内；
空气、废气再循环气体、易汽化燃料和十六烷值改进剂在预混合气形成装置内自然混合而形成可燃预混合气；
柴油直接喷入发动机内；
涡轮增压器为发动机提供高压空气；
空气初始压力由涡轮增压器控制；
空气初始温度由涡轮增压器和增压中冷器控制；
废气再循环系统为发动机提供再循环的废气；
再循环的废气初始温度由EGR中冷器控制；
再循环的废气用于控制发动机的总进气氧浓度。
易汽化燃料喷射装置用于控制易汽化燃料喷入预混合气形成装置内的质量；进一步，易汽化燃料喷入装置用于控制所形成的预混合气的燃料浓度。
十六烷值改进剂喷射装置用于控制十六烷值改进剂喷入预混合气形成装置内的量；进一步，十六烷值改进剂用于控制预混合气形成装置形成的预混合气的燃料总体活性，并最终控制着火相位。
而VVT控制预混合气的进气量和气缸内混合气的初始压力。
柴油喷射装置控制喷入发动机缸内柴油的柴油量、柴油喷射压力和柴油喷射时刻；
柴油量控制柴油区和火焰传播区产生的缸内温度和缸内压力。
喷射时刻控制柴油区和火焰传播区产生的缸内温度和缸内压力。
活塞式内燃机基于多区燃烧的放热率控制方法：
电子控制单元接受来自进气温度传感器、进气压力传感器、转速传感器、油门踏板、排气温度传感器、排气压传感器的信号，所有信号经电子控制单元处理后向各执行器，包括：易气化燃烧喷射装置、十六烷值改进剂喷射装置、柴油喷射装置、EGR、EGR中冷器、增压中冷器、涡轮增压和VVT输出指令以控制发动机的状态。
步骤一，电子控制单元接收转速传感器和油门踏板的信号并通过两个信号判断发动机所处的工况，所述工况包括怠速工况、低速小负荷工况、低速中负荷工况、低速大负荷工况、中速小负荷工况、中速中负荷工况、中速大负荷工况、高速小负荷工况、高速中负荷工况和高速大负荷工况；
步骤二，电子控制单元接收进气温度传感器和进气压力传感器的信号，判断发动机的进气温度和计算发动机的进气量；
步骤三，电子控制单元接收排气温度传感器和排气压力压力传感器的信号，判断发动机所处的热力状态；
步骤四，根据步骤一、二、三的判断结果，判计算出发动机的总热值需求、柴油喷射量、易气化燃料喷射量和十六烷值改进剂的喷射量及各燃料的喷射时刻；
步骤五，根据各燃料的喷射量计算出合理的空燃比，并确定新鲜空气的需求量；
步骤六，根据新鲜空气的需求量控制涡轮增压器、增压中冷器和VVT的状态；步骤七，根据实际进入的新鲜空气量和燃料量确定EGR率和EGR中冷器的状态；
根据上述步骤，发动机气缸内的燃烧分为柴油区、火焰传播区和均质压燃区三个燃烧区域。
所述柴油区为柴油喷雾直接燃烧的区域，其燃烧的燃料主要为柴油；
所述柴油区的燃烧开始时刻取决于柴油的喷射压力、柴油喷射时刻、气缸内的初始压力、气缸内的初始温度和气缸内的初始氧浓度；
所述柴油区为形成火核并为火焰传播提供初始条件。
所述火焰传播区为柴油点燃预混合气而形成火焰传播的燃烧区域；
所述火焰传播区燃烧的燃料为预混合气；
所述火焰传播区为均质压燃区提供温度和压力条件；
所述均质压燃区为气缸内温度和压力条件达到特定值后预混合气直接发生自燃而形成的燃烧区域；其燃烧的燃料为预混合气。
三个区域的形成：在进气过程中，安装在预混合气体形成装置上的十六烷值改进剂喷射装置和易气化燃料喷射装置就将对应量的燃料喷射出来与空气形成均质的预混合气，然后即进入到发动机的气缸内。然后，在发动机的压缩上止点前的某一时刻(即柴油的喷射正时)柴油喷油器将柴油喷射入气缸内，在气缸内的高温和高压作用下柴油发生自燃，柴油自燃后即形成柴油燃烧区；随着柴油燃烧区域的形成，柴油的燃烧就会将其涉及到的预混合气区域(先前进入气缸内的)点燃，从而形成混合气的火焰传播区；随着前述两个区域的燃烧放热，气缸内的温度和压力会迅速升高，由此达到未燃烧的预混合气的自燃点，由此形成均质压燃区。这三个区域，可以只有一个柴油燃烧区或一个均质压燃区，也可以只有柴油燃烧和火焰传播区两个，也可以是三个都存在。
在高负荷工况时，三个燃烧区域同时存在，其中柴油区占比小、火焰传播区占比大、均质压燃区占比最大；均质压燃区的预混合气燃料活性弱：
在中负荷工况时，三个燃烧区域同时存在，其中柴油区占比相对高负荷时更大，火焰传播区占比相对高负荷时小、均质压燃区占比最大；均质压燃区的预混合气燃料活性相对高负荷时更强；
在低负荷工况时，柴油区占比相对中高负荷时更大，火焰传播区占比相对中高负荷时较小或不存在、均质压燃区占比小；均质压燃区的预混合气燃料活性相对中高负荷时更强；
在极低负荷工况时，只存在柴油区；
在怠速工况时，只存在柴油区；
在温度和压力达不到控制要求时，只存在柴油区。
各种燃料量的计算是根据发动机的转速和油门开度首先确定一个总的热值，即燃料燃烧的放热量；然后再分配柴油的喷射量和易气化燃料的喷射量，其中易气化燃料的喷射量是基于均质区域的最低浓度确定的，如果计算出来的易气化燃料量低于最低浓度的临界值，那么就不喷易气化燃料而只喷柴油，只喷柴油时十六烷值改进剂也不喷；若计算出来的易气化燃料量高于最低浓度的临界值，则喷入相应量的易气化燃料，再根据发动机的进气状态确定一个活性需求，即确定十六烷值改进剂的量，相应的柴油量也就确定了。本发明的计算主要是基于一些基本理论公式，为本领域技术人员人所共知，最终确定是基于发动机的标定，因此，在此不作具体描述。
各位技术人员须知：虽然本发明已按照上述具体实施方式做了描述，但是本发明的发明思想并不仅限于此本发明，任何运用本发明思想的改装，都将纳入本专利专利权保护范围内。
Claims (8)
1.活塞式内燃机基于多区燃烧的放热率主动控制系统，包括有发动机、设于发动机上的柴油喷射装置、与发动机连接的空气循环系统及与发动机的废气排放口连接的废气循环系统，发动机与空气循环系统及废气循环系统之间设有涡轮增压器，其特征在于：还包括有预燃混合气体形成装置，所述的空气循环系统及废气循环系统分别与预燃混合气体形成装置连接，预燃混合气体形成装置上设有用于控制易气化燃料喷入预混合气体形成装置内的质量的易汽化燃料喷射器及用于控制十六烷值改进剂喷入预混合气体形成装置内的量的十六烷值改进剂喷射器，所述易汽化燃料喷射器喷出的易气化燃料及十六烷值改进剂喷射器喷出的十六烷值改进剂与柴油喷射装置喷射的柴油配合促使发动机的气缸内形成多个燃烧区域。
2.根据权利要求1所述的活塞式内燃机基于多区燃烧的放热率主动控制系统，其特征在于：空气循环系统包括有空气滤清器及增压中冷器，空气滤清器与涡轮增压器连接，所述的增压中冷器设于涡轮增压器与预混合气体形成装置之间并分别与涡轮增压器及预混合气体形成装置连接，空气经空气滤清器、涡轮增压器及增压中冷器后进入预混合气体形成装置内。
3.根据权利要求2所述的活塞式内燃机基于多区燃烧的放热率主动控制系统，其特征在于：所述的空气滤清器上设有用于测量空气滤清器内的压力和温度的进气压力传感器及进气温度传感器。
4.根据权利要求1或2或3所述的活塞式内燃机基于多区燃烧的放热率主动控制系统，其特征在于：所述的废气循环系统包括有EGR及用于控制再循环的废气初始温度的EGR中冷器，所述的EGR设于发动机与EGR中冷器之间并分别与发动机的废气排放口及EGR中冷器连接，所述的EGR中冷器与预混合气体形成装置连接，发动机排放的废气经EGR及EGR中冷器后进入预混合气体形成装置内。
5.根据权利要求4所述的活塞式内燃机基于多区燃烧的放热率主动控制系统，其特征在于：所述的涡轮增压器上设有用于测量涡轮增压前的压力和温度的排气压力传感器及排气温度传感器。
6.根据权利要求5所述的活塞式内燃机基于多区燃烧的放热率主动控制系统，其特征在于：所述的发动机上设有用于测量发动机的实时转速的发动机转速传感器。
7.根据权利要求6所述的活塞式内燃机基于多区燃烧的放热率主动控制系统，其特征在于：所述的发动机上设有用于控制预混合气的进气量和发动机气缸内混合气的初始压力的VVT。
8.根据权利要求1-7所述的活塞式内燃机基于多区燃烧的放热率控制方法，其特征在于：
步骤一，电子控制单元接收转速传感器和油门踏板的信号并通过两个信号判断发动机所处的工况，所述工况包括怠速工况、低速小负荷工况、低速中负荷工况、低速大负荷工况、中速小负荷工况、中速中负荷工况、中速大负荷工况、高速小负荷工况、高速中负荷工况和高速大负荷工况；
步骤二，电子控制单元接收进气温度传感器和进气压力传感器的信号，判断发动机的进气温度和计算发动机的进气量；
步骤三，电子控制单元接收排气温度传感器和排气压力压力传感器的信号，判断发动机所处的热力状态；
步骤四，根据步骤一、二、三的判断结果，判计算出发动机的总热值需求、柴油喷射量、易气化燃料喷射量和十六烷值改进剂的喷射量及各燃料的喷射时刻；
步骤五，根据各燃料的喷射量计算出合理的空燃比，并确定新鲜空气的需求量；
步骤六，根据新鲜空气的需求量控制涡轮增压器、增压中冷器和VVT的状态；
步骤七，根据实际进入的新鲜空气量和燃料量确定EGR率和EGR中冷器的状态；
根据上述步骤，燃烧区域分为柴油区、火焰传播区和均质压燃区三个燃烧区域，所述柴油区为柴油喷雾直接燃烧的区域，所述柴油区为形成火核并为火焰传播提供初始条件；所述火焰传播区为柴油点燃预混合气而形成火焰传播的燃烧区域；所述火焰传播区为均质压燃区提供温度和压力条件；所述均质压燃区为气缸内温度和压力条件达到特定值后预混合气直接发生自燃而形成的燃烧区域；
在高负荷工况时，三个燃烧区域同时存在，其中柴油区占比小、火焰传播区占比大、均质压燃区占比最大；均质压燃区的预混合气燃料活性弱；
在中负荷工况时，三个燃烧区域同时存在，其中柴油区占比相对高负荷时更大，火焰传播区占比相对高负荷时小、均质压燃区占比最大；均质压燃区的预混合气燃料活性相对高负荷时更强；
在低负荷工况时，柴油区占比相对中高负荷时更大，火焰传播区占比相对中高负荷时较小或不存在、均质压燃区占比小；均质压燃区的预混合气燃料活性相对中高负荷时更强；
在极低负荷工况时，只存在柴油区：
在怠速工况时，只存在柴油区；
在温度和压力达不到控制要求时，只存在柴油区。
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