CN112128003A - 一种实现缸内氧浓度分层的双燃料发动机可变进气egr装置及方法 - Google Patents

一种实现缸内氧浓度分层的双燃料发动机可变进气egr装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种实现缸内氧浓度分层的双燃料发动机可变进气EGR装置及方法，属于发动机技术领域，包括ECU、转速传感器、负荷传感器、流量传感器、氧传感器和EGR引入管；所述转速和负荷传感器，与ECU输入端相连，用于探测双燃料发动机转速和负荷，并将数据传递给ECU；所述EGR引入管直接将可变进气EGR装置中的废气引入气缸，能避免废气和新鲜空气在进气道过早混合，从而保证新鲜空气和废气同时进入气缸，最终实现缸内氧浓度分层。该装置能够保证双燃料发动机在气缸内形成有利于燃烧和排放的氧浓度空间分布规律，实现双燃料发动机燃烧性能的改善，能够进一步改善双燃料发动机燃油经济性以及排放性能。

Description

一种实现缸内氧浓度分层的双燃料发动机可变进气EGR装置 及方法
技术领域
本发明属于发动机技术领域，具体涉及到一种适用双燃料发动机的实现缸内氧浓度分层的可变进气EGR装置及方法。
背景技术
目前，随着能源危机和环境污染的不断加剧，发动机对节能减排提出了更高的要求。EGR技术是缸内降低NOx污染物有效且常用的技术。现在发动机采用的EGR进气方式，普遍是将排气管中的废气直接引入到进气管内，然后新鲜空气与废气混合，最终进入气缸，通过在气缸中加入废气，由于废气中含CO2、H2O等多原子分子，比热容较大，可有效降低缸内工质的温度，从而降低NOx排放。发动机上采用的EGR技术，只有单一的EGR进气分布形式，EGR率则是直接通过调节EGR阀的开度来控制。
双燃料发动机利用一种新型的高效清洁燃烧方式即反应活性控制压燃(RCCI)方式，进气道喷射低活性燃料，缸内直喷高活性燃料。高活性燃料首先着火，然后点燃低活性燃料与空气混合气，最终燃烧做功。但是双燃料发动机也存在着问题，气态污染物如NOx以及爆震现象也会增加。而在双燃料发动机上使用EGR技术，既可以在燃料燃烧前，减弱燃料的反应活性，从而有效调节双燃料发动机的燃烧相位，也可以大幅度降低NOx排放。
EGR技术可以有效降低NOx，但是目前缺乏针对双燃料发动机需求的可变EGR技术。尤其对于双燃料发动机，能够实现更大程度的废气引入率，这样有利于双燃料发动机燃烧特性的改善，能进一步改善双燃料发动机燃油经济性以及排放性能。此外，传统EGR进气装置在小EGR率下难以形成滚流分层以及合理的氧浓度分层，只能形成均质EGR。因此，设计开发一种新型的可变进气EGR进气系统对提高双燃料发动机的燃油经济性和排放性能具有十分重要的意义。
发明内容
针对现有技术中存在不足，为了克服现有技术中存在普通EGR不能在双燃料发动机缸内形成氧浓度分层而只是形成均质EGR，以及高EGR率下的燃烧恶化问题，本发明提供了一种实现缸内氧浓度分层的双燃料发动机可变进气EGR装置及方法，其能在双燃料发动机缸内形成有利于燃烧的氧浓度分层，提高发动机对EGR率的容忍度，使双燃料发动机在最佳状态下运行。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种实现缸内氧浓度分层的双燃料发动机可变进气EGR装置，包括ECU、转速传感器、负荷传感器、进气流量传感器、EGR气体流量传感器、排气管氧浓度传感器和EGR引入管；
所述ECU，根据发动机工况和环境状态控制可变进气EGR装置，所述可变进气EGR装置用来改变发动机缸内氧浓度，达到氧浓度分层的效果；
所述转速传感器，与ECU输入端相连，用于探测双燃料发动机转速，并将数据传递给ECU；
所述负荷传感器，与ECU输入端相连，用于探测双燃料发动机负荷，并将数据传递给ECU；
所述进气流量传感器，与ECU输入端相连，并将进气管气体流量传递给ECU，用于探测双燃料发动机进气流量；
所述EGR气体流量传感器，与ECU输入端相连，并将EGR引入管气体流量传递给ECU，用于探测双燃料发动机EGR气体流量；
所述排气管氧浓度传感器，与ECU输入端相连，并将排气管氧气浓度传递给ECU，用于探测双燃料发动机排气中氧含量；
所述EGR引入管，直接将可变进气EGR装置中的废气引入气缸，用来避免废气和新鲜空气在进气管中混合，并保证新鲜空气和废气同时进入气缸。
进一步的，所述可变进气EGR装置包括EGR引入管、排气管、进气管流量传感器、EGR气体流量传感器、EGR调节阀、排气管氧浓度传感器和废气涡轮增压器；所述EGR调节阀直接受ECU控制。
进一步的，废气经排气管上设置的废气涡轮增压器增压，其中，一部分废气进入EGR引入管内，且EGR引入管上设置有EGR气体流量传感器和EGR调节阀。
进一步的，所述进气管上靠近进气门处设置有低活性燃料喷嘴，低活性燃料喷嘴用来喷射低活性燃料；进气门和排气门之间设置有高活性燃料喷嘴，高活性燃料喷嘴用来喷射高活性燃料。
进一步的，所述EGR调节阀的开度是通过ECU调整不同占空比的控制电压进行控制的。
进一步的，EGR引入管位置安装在进气管道中心处，并且外形与进气管形状平行，防止EGR引入管对进气管的影响；为了不影响进气门正常开启以及不与新鲜空气掺混，EGR引入管出口位于进气门处。
进一步的，新鲜空气经空气滤清器过滤再经涡轮增压器增压后经进气管通入进气门。
一种实现缸内氧浓度分层的双燃料发动机可变进气EGR装置的控制方法，包括如下步骤：
步骤一：系统上电后，ECU进入工作状态，首先进行系统自检，自检过程中若发现系统任何一处出现问题，立刻进入失效保护策略，直至该故障解除或系统重新上电为止；
步骤二：双燃料发动机可变进气EGR装置自检正常后；
步骤三：双燃料系统开始正常运行；
步骤四：判断发动机工况；
若双燃料发动机此时处于0≤负荷率＜75％，则发动机处于中小负荷状态，通过调整高活性燃料和低活性燃料喷射，调节喷射量；紧接着ECU调整EGR调节阀开度，即减小开度，降低EGR率；然后判断发动机燃烧状况，如排气中的氧气含量，直至燃烧状况达到要求；最终双燃料发动机在最佳状态下运行；
若双燃料发动机此时处于75％≤负荷率≤100％，则发动机处于高负荷状态，通过调整高活性燃料和低活性燃料喷射，调节喷射量；紧接着ECU调整EGR调节阀开度，即增大开度，提高EGR率；然后判断发动机燃烧状况，如排气中的氧气含量，直至燃烧状况达到要求；最终双燃料发动机在最佳状态下运行。
具体而言，本发明的工作原理如下：
一种实现缸内氧浓度分层的双燃料发动机可变进气EGR装置通过ECU接收各处传感器传来的信号，判断双燃料发动机的工况和环境状态，选择合适的控制策略，发出指令有效闭环控制低活性燃料喷嘴、高活性燃料喷嘴和EGR调节阀，最终达到双燃料发动机在最佳状态下运行的目的。
中小负荷工作策略：双燃料发动机中小负荷运转时，进气道喷射低活性燃料，进气温度降低明显，机体温度也较低，为了提高缸内燃烧状况，发动机可变进气EGR装置引入气缸少量废气，即适当降低EGR率，减少传热损失，改善缸内燃料燃烧，达到提升发动机工作效率以及降低排放的目的。
高负荷工作策略：双燃料发动机高负荷运转时，双燃料燃烧放热速度快，缸内温度急剧增加导致发动机NOx排放增加且容易爆震。发动机可变进气EGR装置此时增大EGR调节阀开度，降低发动机工质温度，降低NOx排放；可以进一步提高EGR容忍度，改善高EGR率下的燃烧恶化问题；ECU通过各传感器信号闭环控制，在实际运转中使EGR率始终处于最佳值范围。
失效保护策略：ECU检测到发动机可变进气EGR装置发生故障时，根据预先设定好的控制策略，发动机可变进气EGR装置进入电控失效保护策略进行控制。
本发明具有的有益效果：
1.本发明提出的双燃料发动机可变进气EGR装置采用EGR引入管，直接将废气通入发动机气缸，能够实现高活性燃料雾化区域周围是低活性燃料与新鲜空气的混合气，而最外围以及缸壁周围是EGR气体，进而有效的利用EGR降低NOx排放、降低发动机热负荷的同时保持较高的火焰传播速度，从而实现发动机经济性、排放性能以及耐久性的有机高效结合。
2.本发明提供的双燃料发动机可变进气EGR装置的控制方法，能够根据内燃机工况闭环控制EGR阀的开度，在保证内燃机稳定运行的基础上，增大废气引入率，使EGR率处于该工况最佳范围，从而提升双燃料内燃机整体燃油经济性及排放性能。
3.本发明通过安装在排气管上的氧浓度传感器，实现缸内混合气过量空气系数的闭环控制。
附图说明
图1是本发明提出的一种实现缸内氧浓度分层的双燃料发动机可变进气EGR装置的结构示意图；
图2是本发明提出的双燃料发动机可变进气EGR装置的局部示意图；
图3是实现双燃料发动机缸内氧浓度分层后缸内混合气示意图；
图4是本发明提出的一种实现缸内氧浓度分层的双燃料发动机可变进气EGR装置的工作流程示意图。
附图标记为：
1-EGR引入管；2-进气管；3-进气流量传感器；4-低活性燃料喷嘴；5-进气门；6-高活性燃料喷嘴；7-排气门；8-排气管；9-ECU；10-排气管氧浓度传感器；11-空气滤清器；12-涡轮增压器；13-EGR调节阀；14-EGR气体流量传感器；15-双燃料发动机；16-为高活性燃料雾化区；17-为低活性燃料与新鲜空气混合区；18-为废气区。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的
一种实现缸内氧浓度分层的双燃料发动机可变进气EGR装置，包括ECU9、转速传感器、负荷传感器、进气流量传感器3、EGR气体流量传感器14、排气管氧浓度传感器10和EGR引入管1；所述ECU9，根据发动机工况和环境状态控制可变进气EGR装置，所述可变进气EGR装置用来改变发动机缸内氧浓度，达到氧浓度分层的效果；所述转速传感器，与ECU9输入端相连，用于探测双燃料发动机转速，并将数据传递给ECU9；所述负荷传感器，与ECU9输入端相连，用于探测双燃料发动机负荷，并将数据传递给ECU9；所述进气流量传感器3，与ECU9输入端相连，并将进气管2气体流量传递给ECU9，用于探测双燃料发动机进气流量；所述EGR气体流量传感器14，与ECU9输入端相连，并将EGR引入管1气体流量传递给ECU9，用于探测双燃料发动机EGR气体流量；所述排气管氧浓度传感器10，与ECU9输入端相连，并将排气管8氧气浓度传递给ECU9，用于探测双燃料发动机排气中氧含量；所述EGR引入管1，直接将可变进气EGR装置中的废气引入气缸，用来避免废气和新鲜空气在进气管2中混合，并保证新鲜空气和废气同时进入气缸。
其中，所述可变进气EGR装置包括EGR引入管1、排气管8、进气管流量传感器3、EGR气体流量传感器14、EGR调节阀13、排气管氧浓度传感器10和废气涡轮增压器12；所述EGR调节阀13直接受ECU9控制。
废气经排气管8上设置的废气涡轮增压器12增压，其中，一部分废气进入EGR引入管1内，且EGR引入管1上设置有EGR气体流量传感器14和EGR调节阀13。
所述进气管2上靠近进气门5处设置有低活性燃料喷嘴4，低活性燃料喷嘴4用来喷射低活性燃料；进气门5和排气门7之间设置有高活性燃料喷嘴6，高活性燃料喷嘴6用来喷射高活性燃料。
结合附图1，图1所示一种实现缸内氧浓度分层的双燃料发动机可变进气EGR装置的具体结构中包括与转速传感器、负荷传感器和温度传感器等传感器相连的ECU 9，与ECU9的输出端相连的EGR调节阀13、高活性燃料喷嘴6和低活性燃料喷嘴4。其中，转速传感器和负荷传感器分别用于测量双燃料发动机15的转速和负荷，流量传感器用于测量双燃料发动机15的进气质量流量和EGR气体质量流量，氧浓度传感器是用于测量排气中的氧气含量，并通过线束将数据传递给ECU 9。ECU 9根据各种传感器信号和预先标定好的各种控制策略，发出指令有效闭环控制EGR调节阀13、高活性燃料喷嘴6和低活性燃料喷嘴4，精确控制EGR率，达到使双燃料发动机15在不同工况和环境条件时都在最佳状态下工作的目的。
结合附图2，在图2所示一种实现缸内氧浓度分层的双燃料发动机可变进气EGR装置的局部示意图中，EGR引入管1置安装在进气道中心处，并且外形与进气道形状平行，防止了EGR引入管1对进气管2的影响；为了不影响进气门5正常开启以及不与新鲜空气掺混，EGR引入管1出口位于进气门处。可变进气EGR装置中的废气直接从EGR引入管1中引入气缸，能避免废气和新鲜空气在进气管2中过早混合，从而保证新鲜空气和废气同时进入气缸，最终形成有利燃烧的氧浓度分层。
双燃料发动机EGR率采用质量流量法计算得出，即测量出进气质量流量和EGR气体质量流量，从而计算得出发动机当前的EGR率。
Figure BDA0002655699310000061
其中m1表示EGR气体质量流量，m2表示进气质量流量。
结合附图3，在图3所示实现双燃料发动机缸内氧浓度分层后缸内混合气示意图中，EGR气体沿着EGR引入管1进入气缸，填充气缸内活塞环上部、气缸壁周围，从而实现中心区域是高活性燃料雾化区域16，外围是为低活性燃料与新鲜空气混合区17，而最外围即靠近缸壁周围的边缘区域是EGR浓度高外层混合气的废气区18。这样处于中心位置的高活性燃料可以有效的点燃低活性燃料混合气，并且具有较高的火焰传播速度；而由于缸壁周围、活塞环上部等燃烧死区聚集的是不可燃烧的EGR气体，可以充分吸收中心区域释放的热能，降低NOx排放的同时，能够有效的降低发动机由于燃烧室死区带来的无法燃烧的HC排放，从而实现发动机燃烧稳定性、经济性和低排放性的有机结合。
在本发明一个实施例中，结合附图4所示一种实现缸内氧浓度分层的双燃料发动机可变进气EGR装置的工作过程为：
系统上电后，ECU 9进入工作状态，首先进行系统自检，自检过程中若发现系统任何一处出现问题，立刻进入失效保护策略，直至该故障解除或系统重新上电为止；
双燃料发动机可变进气EGR装置自检正常后，双燃料系统开始正常运行；
判断发动机工况；若双燃料发动机15此时处于0≤负荷率＜75％，则发动机15处于中小负荷状态，然后调整高活性燃料和低活性燃料喷射，调节喷射量；紧接着ECU 9调整EGR调节阀13开度，即减小开度，降低EGR率；然后判断发动机燃烧状况，如排气中的氧气含量，直至燃烧状况达到要求；最终双燃料发动机15在最佳状态下运行；
若双燃料发动机15此时处于75％≤负荷率≤100％，则发动机4处于高负荷状态，然后调整高活性燃料和低活性燃料喷射，调节喷射量；紧接着ECU 9调整EGR调节阀13开度，即增大开度，提高EGR率；然后判断发动机燃烧状况，如排气中的氧气含量，直至燃烧状况达到要求；最终双燃料发动机15在最佳状态下运行。
本发明提出的一种实现缸内氧浓度分层的双燃料发动机可变进气EGR装置及方法，通过闭环控制，使EGR率始终稳定在预设的最佳目标值区间，同时在发动机缸内形成有利于燃烧的氧浓度分层，达到精确控制发动机EGR的目的，从而降低了双燃料发动机15的排放和油耗。
以上所述仅为本发明优选的实施例，并不用于限定本发明的保护范围，应当理解，在不违背本发明实质内容和精神的前提下，本领域技术人员所作任何修改、改进或等同替换等都将落入本发明的保护范围。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种实现缸内氧浓度分层的双燃料发动机可变进气EGR装置，其特征在于，包括ECU(9)、转速传感器、负荷传感器、进气流量传感器(3)、EGR气体流量传感器(14)、排气管氧浓度传感器(10)和EGR引入管(1)；
所述ECU(9)，根据发动机工况和环境状态控制可变进气EGR装置，所述可变进气EGR装置用来改变发动机缸内氧浓度，达到氧浓度分层的效果；
所述转速传感器，与ECU(9)输入端相连，用于探测双燃料发动机转速，并将数据传递给ECU(9)；
所述负荷传感器，与ECU(9)输入端相连，用于探测双燃料发动机负荷，并将数据传递给ECU(9)；
所述进气流量传感器(3)，与ECU(9)输入端相连，并将进气管(2)气体流量传递给ECU(9)，用于探测双燃料发动机进气流量；
所述EGR气体流量传感器(14)，与ECU(9)输入端相连，并将EGR引入管(1)气体流量传递给ECU(9)，用于探测双燃料发动机EGR气体流量；
所述排气管氧浓度传感器(10)，与ECU(9)输入端相连，并将排气管(8)氧气浓度传递给ECU(9)，用于探测双燃料发动机排气中氧含量；
所述EGR引入管(1)，直接将可变进气EGR装置中的废气引入气缸，用来避免废气和新鲜空气在进气管(2)中混合，并保证新鲜空气和废气同时进入气缸。
2.根据权利要求1所述的一种实现缸内氧浓度分层的双燃料发动机可变进气EGR装置，其特征在于，所述可变进气EGR装置包括EGR引入管(1)、排气管(8)、进气管流量传感器(3)、EGR气体流量传感器(14)、EGR调节阀(13)、排气管氧浓度传感器(10)和废气涡轮增压器(12)；所述EGR调节阀(13)受ECU(9)控制。
3.根据权利要求2所述的一种实现缸内氧浓度分层的双燃料发动机可变进气EGR装置，其特征在于，废气经排气管(8)上设置的废气涡轮增压器(12)增压，其中，一部分废气进入EGR引入管(1)内，且EGR引入管(1)上设置有EGR气体流量传感器(14)和EGR调节阀(13)。
4.根据权利要求1所述的一种实现缸内氧浓度分层的双燃料发动机可变进气EGR装置，其特征在于，所述进气管(2)上靠近进气门(5)处设置有低活性燃料喷嘴(4)，低活性燃料喷嘴(4)用来喷射低活性燃料；进气门(5)和排气门(7)之间设置有高活性燃料喷嘴(6)，高活性燃料喷嘴(6)用来喷射高活性燃料。
5.根据权利要求2所述的一种实现缸内氧浓度分层的双燃料发动机可变进气EGR装置，其特征在于，所述EGR调节阀(13)的开度是通过ECU(9)调整不同占空比的控制电压进行控制的。
6.根据权利要求1或者2任一项所述的一种实现缸内氧浓度分层的双燃料发动机可变进气EGR装置，其特征在于，EGR引入管(1)位置安装在进气管(2)道中心处，并且外形与进气管(2)形状平行，防止EGR引入管(1)对进气管(2)的影响；为了不影响进气门(5)正常开启以及不与新鲜空气掺混，EGR引入管(1)出口位于进气门处。
7.根据权利要求1所述的一种实现缸内氧浓度分层的双燃料发动机可变进气EGR装置，其特征在于，新鲜空气经空气滤清器(11)过滤再经涡轮增压器(12)增压后经进气管(2)通入进气门(4)。
8.一种实现缸内氧浓度分层的双燃料发动机可变进气EGR装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：系统上电后，ECU(9)进入工作状态，首先进行系统自检，自检过程中若发现系统任何一处出现问题，立刻进入失效保护策略，直至该故障解除或系统重新上电为止；
步骤二：双燃料发动机可变进气EGR装置自检正常后；
步骤三：双燃料系统开始正常运行；
步骤四：判断发动机工况；
若双燃料发动机(15)此时处于0≤负荷率＜75％，则发动机(15)处于中小负荷状态，通过调整高活性燃料和低活性燃料喷射，调节喷射量；紧接着ECU(9)调整EGR调节阀(13)开度，即减小开度，降低EGR率；然后判断发动机燃烧状况，如排气中的氧气含量，直至燃烧状况达到要求；最终双燃料发动机(15)在最佳状态下运行；
若双燃料发动机(15)此时处于75％≤负荷率≤100％，则发动机(15)处于高负荷状态，通过调整高活性燃料和低活性燃料喷射，调节喷射量；紧接着ECU(9)调整EGR调节阀(13)开度，即增大开度，提高EGR率；然后判断发动机燃烧状况，如排气中的氧气含量，直至燃烧状况达到要求；最终双燃料发动机(15)在最佳状态下运行。
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