CN111350623A - 一种发动机进气管喷油雾化装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发动机进气管超声催化装置，其包括进气管、喷油器、一个或多个超声催化器、火花塞、发动机气缸体以及控制单元，火花塞安装在发动机气缸体的上部，发动机气缸体为进气管喷射提供动力，喷油器安装在进气管上，多个超声催化器以不同角度安装在喷油器的附近。当超声催化器数量为3个或者更多时，超声催化器布置位置可根据进气管实际情况来确定，并可利用发动机控制单元ECU实现对超声催化器的不同开启组合控制，从而满足发动机不同运行工况的需要。本发明利用超声能量，能够促进燃油液滴雾化细化程度，提高燃油与空气混合效果，减少发动机有害气体排放，提高发动机经济性。
Description
技术领域
本发明涉及超声雾化领域，具体地涉及一种发动机进气道喷射燃油雾化装置及其控制方法。
背景技术
随着汽车的普及，发动机使用的范围越来越广，目前市场上主流发动机燃油喷射方式主要有进气管喷射和缸内直喷两种。缸内直喷为在发动机工作过程中，喷油器直接将燃油喷射到发动机气缸内。进气管喷射为在发动机工作过程中，喷油器将燃油喷射到发动机进气管中，燃油在进气管中与空气混合后进入发动机气缸内参与燃烧。进气管喷射发动机中，喷油器喷出燃油雾化效果较差，空气与燃油混合不均匀，且会有少部分燃油吸附在进气管壁上，因此会造成混合气浓度控制误差大，使发动机缸内燃烧不充分，破坏发动机排放性且会增加燃油消耗量。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种发动机进气道喷射燃油雾化装置及其控制方法，其利用超声技术，能够改善发动机不同工况对喷油雾化控制精度的不良状况。
具体地，本发明提供一种发动机进气管喷油雾化装置，其包括进气管、喷油器、一个或多个超声催化器、火花塞、发动机气缸体以及控制单元，所述火花塞安装在所述发动机气缸体的上部，所述喷油器安装在所述进气管上，多个超声催化器以不同角度安装在所述喷油器的附近，喷油器喷出的燃油和进气管进入的空气经过超声催化器的超声雾化后进入发动机气缸体；
当所述超声催化器数量为1个时，所述超声催化器设置于喷油器前，安装方向与进气管空气流动方向相同，超声催化器的轴线与喷油器的轴线之间的夹角为45度；
当所述超声催化器数量为2个时，其中一个超声催化器竖直设置于喷油器的一侧，另一个超声催化器设置于喷油器的另一侧并与前一个超声催化器垂直设置；
当所述超声催化器设置为3个时，3个超声催化器分别为第一超声催化器、第二超声催化器以及第三超声催化器，第一超声催化器、第二超声催化器以及第三超声催化器分别与控制单元通讯连接，第一超声催化器和第二超声催化器设置在进气管的同一侧，第一超声催化器设置于喷油器的一侧，第二超声催化器设置于喷油器的另一侧并与第一超声催化器垂直设置，第三超声催化器设置在进气管的另一侧并与所述喷油器相对设置，第三超声催化器与水平面之间的夹角与喷油器与水平面之间的夹角相等；
此时，控制单元根据相关参数判断发动机的工况，当发动机处于冷态启动工况时，控制单元控制开启第三超声催化器，当发动机处于平稳加速工况时，控制单元控制开启第二超声催化器与第三超声催化器，当发动机处于急加速工况时，控制单元控制开启第一超声催化器、第二超声催化器以及第三超声催化器。
优选地，当所述超声催化器数量为3个以上时，所述超声催化器布置位置根据进气管实际情况确定，并利用发动机控制单元实现对所述超声催化器的不同开启组合控制，从而满足发动机不同运行工况的需要。
优选地，本发明还提供一种利用发动机进气管喷油雾化装置进行催化的方法，其包括以下步骤：
S1、将发动机的燃油通过喷油器喷入进气管内，超声催化器所发出超声覆盖位置与喷油器喷出燃油位置重合；
S2、建立进气量模型，计算进入发动机燃烧室的空气质量流量，将计算结果传递给控制单元，控制单元通过设定的空燃比值计算发动机喷油量；
S3、建立燃油蒸发与油膜子模型，描述燃油喷射量与燃油蒸发量之间的动态特性，以喷油器所喷出的燃油流量为输入量，输出量为最终进入气缸的燃油量；
S4、运行工况判断：控制器根据发动机喷油量和最终进入气缸的燃油量，判断运行工况，并根据运行工况控制超声催化器的工作；
S5、当发动机处于冷态启动工况时，控制单元控制开启第三超声催化器，当发动机处于平稳加速工况时，控制单元控制开启第二超声催化器与第三超声催化器，当发动机处于急加速工况时，控制单元控制开启第一超声催化器、第二超声催化器以及第三超声催化器。
优选地，所述步骤S1中的进气量模型包括节气门子模型、进气口子模型以及进气歧管子模型。
优选地，所述节气门子模型的表达式为：
其中，mat为节气门处的空气质量流量，单位为kg/s；α为节气门开度，单位为rad；Pa为周围环境的大气压力，单位为bar；T为大气温度，单位为K；Pr为节气门前后的压比；mat1为仿真模型拟合参数；
β(α)为节气门开度方程，具体为：
β(α)＝1-a1cos(α)+a2cos2(α)
β(Pr)为节气门前后压比方程，具体为：
其中，其中a1、a2、P1、P2为推荐参数，Pr为节气门前后的压比，其计算公式为：
Pc为节气门前后气体压比的阈值，计算公式为：
Pn为中间计算参数，Pn的计算公式为：
优选地，以上各式中的各参数值分别为：Pa取值为1bar，a1取值为1.4073，P1取值为0.4404，Pn取值为0.7404，Ta取值为300K，a2取值为0.4087，P2取值为2.3143，Pc的取值为0.4125。
优选地，所述进气口子模型的表达式为：
其中，Vd为发动机排量，单位为m3，取值为1.25×10-4；
R为气体常数，单位为J/(kg·K)，取值为287.1；
Tm为进气歧管内温度，单位为K，取值为300；
η为发动机充气效率；
Pm为进气歧管压力，单位为Pa；
n为发动机转速，单位为rad/s。
优选地，所述进气歧管子模型的表达式为：
其中，
为进气门处空气质量流量，g/s；N为发动机转速，rad/s；Vd为发动机排量，m3；ηvol为充气效率；Tm为进气温度，K；R为通用气体常数；Vm为进气管容积，m3。
优选地，所处超声催化器的超声波的频率为20～400kHz。
与现有技术相比，本发明的效果如下：
1、本发明利用超声能量，能够促进燃油液滴雾化细化程度，提高燃油与空气混合效果，减少发动机有害气体排放，提高发动机经济性。
2、本发明利用超声能量对空气的推动作用，可以增大进气管空气流速，进而增大发动机的循环进气量，提升动力性。
3、在本发明中多个超声催化器同时工作，利用超声耦合效果，实现对燃油雾化催化程度与能耗的平衡控制，并通过产生进气涡流，提高油气混合效果，从而能够提高发动机燃烧效率。
附图说明
图1为本发明实施例一的结构示意图；
图2为本发明实施例二的结构示意图；
图3为本发明实施例三的结构示意图；以及
图4为本发明的工况判断示意图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
具体地，本发明提供一种发动机进气管喷油雾化装置，包括进气管1、喷油器2、一个或多个超声催化器、火花塞5、发动机气缸体4以及控制单元8，火花塞5安装在所述发动机气缸体4的上部，喷油器2安装在所述进气管1上，多个超声催化器以不同角度安装在喷油器2的附近。喷油器2喷出的燃油和进气管1进入的空气经过超声催化器的超声雾化后进入发动机气缸体4。根据喷油器喷出的燃油浓度，可以调节超声催化器的数量和安装角度。
当所述超声催化器数量为1个时，所述超声催化器设置于喷油器前，安装方向与进气管1空气流动方向相同，超声催化器的轴线与喷油器的轴线之间的夹角为45度。
当所述超声催化器数量为2个时，其中一个超声催化器竖直设置于喷油器的一侧，另一个超声催化器设置于喷油器的另一侧并与前一个超声催化器垂直设置。
当所述超声催化器设置为3个时，3个超声催化器分别为第一超声催化器、第二超声催化器以及第三超声催化器，第一超声催化器、第二超声催化器以及第三超声催化器分别与控制单元通讯连接，第一超声催化器和第二超声催化器设置在进气管1的同一侧，第一超声催化器竖直设置于喷油器的一侧，第二超声催化器设置于喷油器的另一侧并与第一超声催化器垂直设置，第三超声催化器设置在进气管1的另一侧并与所述喷油器相对设置，第三超声催化器与水平面之间的夹角与喷油器与水平面之间的夹角相等。此时，三个超声探头覆盖重合位置在进气管中央，喷油器喷出燃油与超声覆盖位置重合处也位于此处。
发动机进气管的形式并不局限于本专利绘制的结构造型，本专利绘制的进气管结构为对本专利进行解释的示意图。具体构造的表述需要用文字进行详细表述。
此处列举的三种结构形式只是专利表述过程中的列举，与此结构类似的专利结构均在本专利的保护范围之内。
超声催化器安装角度均朝向喷油器喷出燃油方向，目的为使超声能量聚焦于喷油器喷出燃油中心部分。
此时，当发动机处于冷态启动工况时，控制单元控制开启第三超声催化器，当发动机处于平稳加速工况时，控制单元控制开启第二超声催化器与第三超声催化器，当发动机处于急加速工况时，控制单元控制开启第一超声催化器、第二超声催化器以及第三超声催化器。
优选地，当所述超声催化器数量为3个以上时，所述超声催化器布置位置根据进气管1的实际情况确定，并利用发动机控制单元实现对所述超声催化器的不同开启组合控制，从而满足发动机不同运行工况的需要。
优选地，本发明还提供一种利用发动机进气管喷油雾化装置进行催化的方法，包括以下步骤：
将发动机的燃油通过喷油器喷入进气管1内，超声催化器所发出超声覆盖位置与喷油器喷出燃油位置重合，在发动机不同运行工况，利用控制单元控制开启不同超声催化器雾化燃油。
优选地，所处超声催化器的超声波的频率为20～400kHz。
实施例一：
如图1所示，当发动机处于稳定运行工况时，发动机控制单元根据内部控制策略控制喷油器2的喷油量，此时发动机喷油量较少即可满足动力性需求，喷油器2直接将燃油喷入进气道，此时在进气道中的超声催化器3安装角度使超声能量覆盖范围与喷油器燃油喷射范围重合，利用超声催化器3的超声能量雾化燃油液滴，促进燃油与新鲜空气的混合，达到改善发动机排放、提高发动机经济性的目的。
实施例二：
如图2所示，当发动机处于冷启动工况时，此时发动机温度较低，燃油与新鲜空气混合效果较差，因此发动机控制单元控制喷油器过浓喷油来使发动机温度尽快提升到合理范围内，在进气管1中超声催化器3和超声催化器6的安装角度如图所示，超声催化器3和超声催化器6的声波能量聚焦点与喷油器喷射燃油区域重合，此时喷油器喷油过浓，因此利用两个超声催化器同时开启，两个超声催化器发出超声能量重叠，产生震荡效果，增强对燃油的雾化效果，同时超声催化器6发出超声方向与进气管1进气方向相同，超声催化器6还可利用超声能量提供增加进气管内空气流速的作用，利用两个超声催化器同时开启实现改善发动机排放、提高发动机经济性的目的。
实施例三：
如图3所示，在发动机进气管上不同位置、不同角度设置3个超声催化器，并且利用发动机控制单元ECU控制三个超声催化器的不同工作顺序，发动机控制单元ECU根据喷油器喷射燃油的不同浓度选择开启不同的超声催化器，当喷油器正常喷油时，发动机控制单元ECU8控制超声催化器6开启工作；当喷油器加浓喷油时，发动机控制单元ECU8控制超声催化器3和超声催化器6同时工作；当喷油器过浓喷油时，发动机控制单元ECU8控制超声催化器3、超声催化器6、超声催化器7同时工作。利用多个超声催化器能量耦合实现充分对燃油雾化，并且增加进气管空气流速，从不同角度对提升发动机燃烧效果，改善发动机综合性能表现。
控制单元的控制方法如下所述：
S1、建立进气量模型，计算进入发动机燃烧室的空气质量流量，将计算结果传递给控制单元，控制单元通过设定的空燃比值计算发动机喷油量。
进气量模型包括节气门子模型、进气口子模型以及进气歧管子模型，其中
所述节气门子模型的表达式为：
其中，mat为节气门处的空气质量流量，单位为kg/s；α为节气门开度，单位为rad；Pa为周围环境的大气压力，单位为bar；T为大气温度，单位为K；Pr为节气门前后的压比；mat1为仿真模型拟合参数；
β(α)为节气门开度方程，具体为：
β(α)＝1-a1cos(α)+a2cos2(α)
β(Pr)为节气门前后压比方程，具体为：
其中，其中a1、a2、P1、P2为推荐参数，Pr为节气门前后的压比，其计算公式为：
Pc为节气门前后气体压比的阈值，计算公式为：
Pn为中间计算参数，Pn的计算公式为：
以上各式中的各参数值分别为：Pa取值为1bar，a1取值为1.4073，P1取值为0.4404，Pn取值为0.7404，Ta取值为300K，a2取值为0.4087，P2取值为2.3143，Pc的取值为0.4125。
进气口子模型的表达式为：
其中，Vd为发动机排量，单位为m3，取值为1.25×10-4；
R为气体常数，单位为J/(kg·K)，取值为287.1；
Tm为进气歧管内温度，单位为K，取值为300；
η为发动机充气效率；
Pm为进气歧管压力，单位为Pa；
n为发动机转速，单位为rad/s。
在实际应用中，可以采用经验公式来表示进气门口空气质量流量：
进气歧管子模型的表达式为：
将节气门体处的空气质量流量以及发动机转速作为输入量，经过一系列的公式运算后，输出进气歧管内的气体状态参数以及进入气缸的空气质量流量，具体见下面两个式子：
为了简化建模过程，采用经验公式来表示进气门口空气质量流量：
其中，
为进气门处空气质量流量，g/s；N为发动机转速，rad/s；Vd为发动机排量，m3；ηvol为充气效率；Tm为进气温度，K；R为通用气体常数；Vm为进气管容积，m3。
S2、建立燃油蒸发与油膜子模型，描述燃油喷射量与燃油蒸发量之间的动态特性，以喷油器所喷出的燃油流量为输入量，输出量为最终进入气缸的燃油量。
该模型能够描述燃油喷射量与燃油蒸发量之间的动态特性，该模型以喷油器所喷出的燃油流量为输入量，输出量为最终进入气缸的燃油量。描述这一动态效应的数学方程如下：
式中
为喷油器喷射的燃油量，单位为g/s；
X为喷射的燃油沉积在壁面的比例；
τf为油膜蒸发的时间常数。
发动机正常运行过程中，大部分处于稳态工况，此时有
油膜的蒸发与形成沉淀的速率相等，在该工况下可以忽略油膜的影响。上式中的τf以及X是通过试验标定获得的，它们分别为油膜蒸发时间常数以及燃油沉积比例系数，通常τf的取值大约为0.25～0.5s,本文中取值为τf＝0.3s。发动机在运转过程中，进气温度变化范围小，近似认为X只是节气门开度的一次函数：
X(α)＝a0+a1θ
式中，a0为系数，取值为0.01；
a1为系数，取值为0.00889；
θ为节气门开度百分比。
S3、运行工况判断：控制器根据发动机喷油量和最终进入气缸的燃油量，判断运行工况，并根据运行工况控制超声催化器的工作。
实际行驶过程中，多工况的交替进行，要求发动机控制策略能够根据发动机的实时工况不断变换控制策略，实现控制器对发动机的实时控制。本节主要是讲述各种控制逻辑的转换，将控制器的各个模块有机地结合起来，建立一个综合的控制器，根据传感器传入的信号，控制器能够识别发动机所处工况自动切换控制模式，确保最佳的控制性能。工况判断逻辑如图4所示。
当控制器和发动机连接完毕，控制上电后，首先判断钥匙是否已经打开，如果没有打开，控制器会每隔一毫秒检验一次钥匙信号。如果已经打开，控制器会判断发动机转速和节气门开度，如果发动机转速小于200r/min且节气门开度也小于2％，发动机处于起动状态，在这种状态下油泵会工作3秒，给油管进行预充压，确保油管压力在正常工作条件下。如果发动机转速大于200r/min且节气门开度小于2％，此时发动机进入怠速状态，在这种状态下，传感器会采集机体温度，当机体温度值小于设定的参考温度值时，发动机处于冷起动状态，当机体温度值大于设定的参考值时，发动机处于热起动状态，根据不同的机体温度，控制器会给定不同的喷油量。当发动机的转速高于1600r/min且节气门开度也大于2％时，且发动机处于稳态工况时，控制器通过采集氧传感器信号，形成闭环控制，对发动机的喷油和点火进行精准控制，既节省了燃油又能保证发动机的动力性和排放性。在稳态运行工况时，如果节气门的开度的变化率大于等于2，则控制器就会进入瞬态工况，在该种工况下，由于节气门开度变化很快，进气压力的变化是缓慢进行的，再经过进气压力传感器传递给控制器，这个过程进行是缓慢的，对发动机的喷油和点火控制不能做到实时性，所以在该种状态下，不再采用进气压力传感器传递的数据信号，而是通过经验公式模拟一个进气压力信号，通过该模拟信号计算发动机的喷油量，保证了控制的实时性和精准性。当发动机的转速大于6000r/min时，就会进入超速工况，在该种工况下，油泵会先停止工作，3s后喷油器和点火器都会停止工作。一段时间后，如果发动机转速降到6000r/min以下，会再次由超速工况转换到稳定运行工况，油泵、喷油器和点火器会重新工作。无论发动机转速处在何种工况下，如果发动机转速小于200r/min，控制器会自动转到起动状态，这也意味着发动机熄火，需要再次重新起动。
关于在喷油器周围设计的其他位置与数量的超声催化器布局方案，均为本发明的类似实施例。本发明在实际应用过程中，根据预算成本的不同可以选择不同的超声催化器数量与不同的布置形式。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种发动机进气管喷油雾化装置，其特征在于，其包括进气管、喷油器、一个或多个超声催化器、火花塞、发动机气缸体以及控制单元，所述火花塞安装在所述发动机气缸体的上部，所述喷油器安装在所述进气管上，多个超声催化器以不同角度安装在所述喷油器的附近，喷油器喷出的燃油和进气管进入的空气经过超声催化器的超声雾化后进入发动机气缸体；
当所述超声催化器数量为1个时，所述超声催化器设置于喷油器前，安装方向与进气管空气流动方向相同，超声催化器的轴线与喷油器的轴线之间的夹角为45度；
当所述超声催化器数量为2个时，其中一个超声催化器设置于喷油器的一侧，另一个超声催化器设置于喷油器的另一侧并与前一个超声催化器垂直设置；
当所述超声催化器设置为3个时，3个超声催化器分别为第一超声催化器、第二超声催化器以及第三超声催化器，第一超声催化器、第二超声催化器以及第三超声催化器分别与控制单元通讯连接，第一超声催化器和第二超声催化器设置在进气管的同一侧，第一超声催化器设置于喷油器的一侧，第二超声催化器设置于喷油器的另一侧并与第一超声催化器垂直设置，第三超声催化器设置在进气管的另一侧并与所述喷油器相对设置，第三超声催化器与水平面之间的夹角与喷油器与水平面之间的夹角相等；
此时，控制单元根据相关参数判断发动机的工况，当发动机处于冷态启动工况时，控制单元控制开启第三超声催化器，当发动机处于平稳加速工况时，控制单元控制开启第二超声催化器与第三超声催化器，当发动机处于急加速工况时，控制单元控制开启第一超声催化器、第二超声催化器以及第三超声催化器。
2.根据权利要求1所述的发动机进气管喷油雾化装置，其特征在于，当所述超声催化器数量为3个以上时，所述超声催化器布置位置根据进气管实际情况确定，并利用发动机控制单元实现对所述超声催化器的不同开启组合控制，从而满足发动机不同运行工况的需要。
3.一种利用权利要求1所述的发动机进气管喷油雾化装置进行催化的方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S1、将发动机的燃油通过喷油器喷入进气管内，超声催化器所发出超声覆盖位置与喷油器喷出燃油位置重合；
S2、建立进气量模型，计算进入发动机燃烧室的空气质量流量，将计算结果传递给控制单元，控制单元通过设定的空燃比值计算发动机喷油量；
S3、建立燃油蒸发与油膜子模型，描述燃油喷射量与燃油蒸发量之间的动态特性，以喷油器所喷出的燃油流量为输入量，输出量为最终进入气缸的燃油量；
S4、运行工况判断：控制器根据发动机喷油量和最终进入气缸的燃油量，判断运行工况，并根据运行工况控制超声催化器的工作；
S5、当发动机处于冷态启动工况时，控制单元控制开启第三超声催化器，当发动机处于平稳加速工况时，控制单元控制开启第二超声催化器与第三超声催化器，当发动机处于急加速工况时，控制单元控制开启第一超声催化器、第二超声催化器以及第三超声催化器。
4.一种利用权利要求3所述的发动机进气管喷油雾化装置进行催化的方法，其特征在于，所述步骤S1中的进气量模型包括节气门子模型、进气口子模型以及进气歧管子模型。
5.根据权利要求4所述的利用发动机进气管喷油雾化装置进行催化的方法，其特征在于，所述节气门子模型的表达式为：
其中，mat为节气门处的空气质量流量，单位为kg/s；α为节气门开度，单位为rad；Pa为周围环境的大气压力，单位为bar；T为大气温度，单位为K；Pr为节气门前后的压比；mat1为仿真模型拟合参数；
β(α)为节气门开度方程，具体为：
β(α)＝1-a1cos(α)+a2cos2(α)
β(Pr)为节气门前后压比方程，具体为：
其中，其中a1、a2、P1、P2为推荐参数，Pr为节气门前后的压比，其计算公式为：
Pc为节气门前后气体压比的阈值，计算公式为：
Pn为中间计算参数，Pn的计算公式为：
6.根据权利要求5所述的利用发动机进气管喷油雾化装置进行催化的方法，其特征在于，各参数值分别为：Pa取值为1bar，a1取值为1.4073，P1取值为0.4404，Pn取值为0.7404，Ta取值为300K，a2取值为0.4087，P2取值为2.3143，Pc的取值为0.4125。
7.根据权利要求4所述的利用发动机进气管喷油雾化装置进行催化的方法，其特征在于，所述进气口子模型的表达式为：
其中，Vd为发动机排量，单位为m3，取值为1.25×10-4；
R为气体常数，单位为J/(kg·K)，取值为287.1；
Tm为进气歧管内温度，单位为K，取值为300；
η为发动机充气效率；
Pm为进气歧管压力，单位为Pa；
n为发动机转速，单位为rad/s。
8.根据权利要求4所述的利用发动机进气管喷油雾化装置进行催化的方法，其特征在于，所述进气歧管子模型的表达式为：
其中，
为进气门处空气质量流量，g/s；N为发动机转速，rad/s；Pm为进气歧管压力，单位为bar。
9.根据权利要求3所述的利用发动机进气管喷油雾化装置进行催化的方法，其特征在于，所处超声催化器的超声波的频率为20～400kHz。
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| CN202010197891.XA CN111350623A (zh) | 2020-03-19 | 2020-03-19 | 一种发动机进气管喷油雾化装置及其控制方法 |
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- 2020-03-19 CN CN202010197891.XA patent/CN111350623A/zh active Pending
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