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    一种 燃料 现场 混合 内燃机 控制 方法
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    摘要
    申请专利号:

    CN200810056411.7

    申请日:

    2008.01.18

    公开号:

    CN101215996A

    公开日:

    2008.07.09

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情: 授权|||实质审查的生效|||公开
    IPC分类号: F02D43/00 主分类号: F02D43/00
    申请人: 北京工业大学
    发明人: 纪常伟
    地址: 100022北京市朝阳区平乐园100号
    优先权:
    专利代理机构: 北京思海天达知识产权代理有限公司 代理人: 张 慧
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    法律状态
    申请(专利)号:

    CN200810056411.7

    授权公告号:

    100557219||||||

    法律状态公告日:

    2009.11.04|||2008.09.03|||2008.07.09

    法律状态类型:

    授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明提供一种燃料现场混合压燃内燃机及控制方法,具体涉及一种燃烧发动机的燃料配制、供给与燃烧控制。本发明采用高辛烷值和高十六烷值燃料现场混合和辅助点火技术,可满足内燃机在不同负荷使用不同辛烷值燃料的要求,即低负荷在高辛烷值燃料中混入较多的高十六烷值燃料或辅助点火,改善混合燃料的着火性能,使其能够在较低的负荷和温度下可靠着火,并且着火时刻可控;在中等负荷减少高十六烷值燃料的混入量,在大负荷采用单一高辛烷值燃料,避免发动机爆震。采用以上燃料现场混合压燃燃烧模式,不但能避免均质预混合压燃发动机在低负荷失火,还能拓宽其高负荷工况范围,提高其动力性,从而使均质预混合压燃发动机具有实用性。

    权利要求书

    权利要求书
    1.  一种燃料现场混合压燃内燃机,包括有内燃机电子控制单元(1)、曲轴转角传感器(4)、汽缸体(5)、冷却水温度传感器(7)、活塞(9)、爆震传感器(10)、排气管(12)、排气门(14)、点火线圈和点火???17)、电荷放大器(18)、进气门(19)、凸轮轴位置传感器(20)、进气凸轮(21)、进气温度传感器(26)、进气管(27)、进气压力传感器(28);其特征在于:还包括有负荷传感器(2)、火花塞式缸压传感器(16)、线性氧传感器(11)、高辛烷值燃料喷嘴(22)和依次与高辛烷值燃料喷嘴(22)相连接的高辛烷值燃料稳压器(23)、高辛烷值燃料调压器(25)和高辛烷值燃料箱(24)、高十六烷值燃料喷嘴(32)和依次与高十六烷值燃料喷嘴(32)相连接的高十六烷值燃料稳压器(31)、高十六烷值燃料调压器(29)和高十六烷值燃料箱(30);其中,负荷传感器(2)、火花塞式缸压传感器(16)、线性氧传感器(11)、高辛烷值燃料喷嘴(22)和高十六烷值燃料喷嘴(32)均与电子控制单元(1)相连;线性氧传感器(11)的氧传感器电压信号(43)配合进气温度信号和进气压力信号确定燃料完全燃烧的空气质量;电子控制单元(1)接收经电荷放大器(18)转换并放大的火花塞式缸压传感器(16)的缸压信号(40)和爆震传感器(10)的振动加速度信号(44)判断发动机的燃烧状态;电子控制单元(1)接收负荷传感器(2)的电压信号(42)判定发动机的负荷状态,0~1V为起动和怠速状态,1~5V为部分负荷和全负荷状态;电子控制单元(1)发出高十六烷值燃料喷射信号(35)驱动高十六烷值燃料喷嘴(32);电子控制单元(1)发出高辛烷值燃料喷射信号(38)驱动高辛烷值燃料喷嘴(22);电子控制单元(1)向点火线圈和点火???17)发出点火信号(41)用于控制内燃机超低温、低温起动着火性能的辅助点火时刻和点火能量。

    2.  根据权利要求1所述的一种燃料现场混合压燃内燃机,其特征在于:本燃料现场混合压燃内燃机为无节气门且压缩比范围在11~20之间。

    3.  权利要求1所述的一种燃料现场混合压燃内燃机的控制方法,其特征在于:
    本方法中的失火、爆震采用下述两种方法中的任何一种进行判定:
    1)通过线性氧传感器信号判定失火:如果氧传感器的输出电压值小于该工况的标准值的80%,表明失火;通过爆震传感器信号判定爆震,如果爆震传感器的输出加速度峰值大于该工况的标准值的120%,则表明爆震,
    2)采用火花塞式缸压传感器16测量各个工况的燃烧缸压,通过电控单元内的燃烧分析算法,计算燃烧循环变动系数COV,当COV>0.1或实测缸压峰值小于该工况正常值的40%时,则判定失火,计算单位曲轴转角(CA)的气缸压力变化-压力升高率dP/dφ,当压力升高率的峰值(dP/dφ)max>5bar/CA时,则判定爆震;
    对不同工况的控制方法如下:
    1)起动工况:发动机起动时,电控单元(1)接收负荷传感器(2)的电压信号(44)和冷却水温度传感器(7)的温度信号(34),作为冷起动的控制信号;此时电位计式负荷传感器(2)的电压值VL在0~1V之间,冷却水温度传感器(7)的温度值tw做为起动工况识别的唯一控制信号;起动工况燃料混合比α=0.1~1,过量空气系数φ=1~2,助燃点火提前角β=-20~-5°,点火能量E=0.1-0.3mJ;随着冷却水温度的不断提高,燃料混合比α和过量空气系数φ根据工况动态变化,直至进入怠速稳定状态;起动工况又分为如下五种情况:
    I)-40℃<tw<-10℃时,电控单元(1)根据tw确定发动机为超低温起动工况;确定燃料混合比α=0.6~1,过量空气系数φ=1~1.3,助燃点火提前角β=-20~-10°,点火能量E=0.2~0.3mJ;根据起动工况的高十六烷值燃料和高辛烷值燃料脉谱图以及α=0.6~1,φ=1~1.3确定高十六烷值燃料循环喷射量QD和高辛烷值燃料循环喷射量QL;
    所述的超低温起动工况的高十六烷值燃料脉谱图和高辛烷值燃料脉谱图,通过起动台架试验并借助缸压传感器信号(40)确定,确保发动机不失火、不爆震;
    所述的燃料混合比α=(每循环喷入的高十六烷值燃料质量QD)/(每循环喷入的高十六烷值燃料质量QD+每循环喷入的高辛烷值燃料质量QL);
    II)-10℃=<tw<=0℃时,电控单元(1)根据tw确定发动机为低温起动工况;确定燃料混合比α=0.3~0.5,过量空气系数φ=1.1~1.4;助燃点火提前角β=-20~-10°;点火能量E=0.2~0.3mJ;根据起动工况的高十六烷值燃料和高辛烷值燃料脉谱图以及α=0.3~0.5,φ=1.1~1.4确定QD和QL;
    III)0℃<tw<=20℃时,电控单元(1)根据tw确定发动机为冷起动工况;确定燃料混合比α=0.2~0.4,过量空气系数φ=1.2~1.5,助燃点火提前角β=-10~-5°,点火能量E=0.1~0.2mJ;根据起动工况高十六烷值燃料和高辛烷值燃料脉谱图以及α=0.2~0.4,φ=1.2~1.5确定QD和QL;
    IV)20℃<tw<=40℃时,电控单元(1)根据tw确定发动机为常温起动工况;确定燃料混合比α=0.1~0.3,过量空气系数φ=1.5~1.8,无须点火助燃;根据起动工况高十六烷值燃料和高辛烷值燃料脉谱图以及α=0.1~0.35,φ=1.5~1.8确定QD和QL;
    V)0℃<tw<=80℃时,电控单元(1)根据tw确定发动机为暖机工况;确定燃料混合比α=0.1~0.3,过量空气系数φ=1.6~2,无须点火助燃;根据起动工况高十六烷值燃料和高辛烷值燃料脉谱图以及α=0.1~0.3,φ=1.6~2确定QD和QL;
    所述的低温起动、冷起动、常温起动和暖机工况的高十六烷值燃料脉谱图和高辛烷值燃料脉谱图,通过起动台架试验并借助缸压传感器信号(40)确定,确保发动机不失火、不爆震;低温起动、冷起动、常温起动和暖机采用相同的高十六烷值燃料脉谱图和高辛烷值燃料脉谱图,只是燃料混合比和过量空气系数选择区间不同;
    2)怠速工况:怠速时,电控单元(1)接收负荷传感器(2)的电压信号(44)、冷却水温度传感器(7)的温度信号(34)和曲轴转角传感器(4)的曲轴转角信号(33)作为怠速控制信号;此时电位计式负荷传感器(2)的电压值VL在0~1V之间,冷却水温度传感器(7)的温度值tw>80℃,控制目标怠速800~1200rpm;怠速工况时的燃料混合比α=0.1~0.3,过量空气系数φ=1.9-2.5;根据怠速高十六烷值燃料脉谱图和高辛烷值燃料脉谱图以及α=0.1~0.3、φ=1.9-2.5确定QD和QL;
    3)部分负荷和全负荷工况:电控单元(1)接收负荷传感器(2)的电压信号(44)、冷却水温度传感器(7)的温度信号(34)和曲轴转角传感器(4)的曲轴转角信号(33)、进气压力传感器(28)的进气压力信号(36)、进气温度传感器(26)的进气温度信号(37)、凸轮轴位置传感器(20)的凸轮轴位置信号(39)、经电荷放大器(18)转换并放大的火花塞式缸压传感器(16)的缸压信号(40)、线性氧传感器(11)的氧传感器电压信号(43)、爆震传感器(10)的振动加速度信号(44)作为部分负荷和全负荷工况的控制输入信号;电控单元(1)根据部分负荷和全负荷工况的燃料喷射脉谱图控制高十六烷值燃料喷嘴(32)和高辛烷值燃料喷嘴(22)的喷油时刻和脉宽,此时电位计式负荷传感器(2)的电压值VL在1~5V之间,冷却水温度传感器(7)的温度值tw>-10℃,发动机转速范围1000-4000rpm,燃料混合比α=0~0.3,过量空气系数φ=1.2~3.5;
    步骤2)和步骤3)所述的高十六烷值燃料脉谱图和高辛烷值燃料脉谱图,通过怠速、部分负荷和全负荷台架试验并借助缸压传感器信号(40)确定,确保发动机不失火、不爆震;怠速、部分负荷和全负荷采用相同的高十六烷值燃料脉谱图和高辛烷值燃料脉谱图,只是燃料混合比和过量空气系数选择区间不同。

    4.  根据权利要求2所述的一种燃料现场混合压燃内燃机的控制方法,其特征在于:所述的高辛烷值燃料为汽油或甲醇或乙醇或液化石油气或天然气或氢气。

    5.  根据权利要求2所述的一种燃料现场混合压燃内燃机的控制方法,其特征在于:所述的高十六烷值燃料为二甲醚或任何易挥发的高十六烷值燃料。

    6.  根据权利要求2所述的一种燃料现场混合压燃内燃机的控制方法,其特征在于:所述的电控单元(1)接收线性氧传感器(11)的氧传感器电压信号(43),当实测的过量空气系数φ偏离标定值5%以上时,即采用PID算法调节高十六烷值燃料喷嘴(32)和高辛烷值燃料喷嘴(22)的喷油脉宽实现对各工况过量空气系数φ的闭环控制。

    说明书

    说明书一种燃料现场混合压燃内燃机及控制方法
    技术领域
    本发明提供一种燃料现场混合压燃内燃机及控制方法,具体涉及一种燃烧发动机的燃料配制、供给与燃烧控制。
    背景技术
    20世纪70年代以来,随着电子技术和尾气后处理技术的广泛应用,内燃机的油耗和有害物排放得到大幅度降低。传统的汽油机属于预混均质燃烧,由于受爆震等诸多因素的限制,压缩比低,热效率低,采用电子控制和排气后处理装置可使汽油机达到极低的排放。与汽油机相比,柴油机压缩比高,具有较高的热效率和优越的燃油经济性,但是,传统柴油机的燃烧是燃料喷雾的扩散燃烧,依靠发动机活塞压缩到接近终点时的高温使混合气自燃着火。由于喷雾与空气的混和时间很短,燃料与空气混和的严重不均匀,形成高温浓混合气区和高温火焰区,导致碳烟和NOX大量生成,采用电控高压共轨和多次喷油技术并附以排气后处理技术可使柴油机达到很低的排放,但成本较高。另一种受到广泛关注的燃烧形式,把柴油机的高压缩比和汽油机均质预混合结合起来,形成了均质预混合压燃发动机,高压缩比实现高热效率,均质预混合实现低排放。该发动机在进气过程形成均质的混合气,当压缩到上止点附近时均质混合气实现多点自燃着火。由于采用稀混合气均质同时燃烧,没有火花点火和扩散燃烧的局部高温反应区,使得NOX和PM排放很低,而且具有较高的热效率。但这种燃烧方式受燃烧边界条件和燃料化学协同控制,没有汽油机的火花点火和柴油机的缸内喷油来控制着火时刻,因此,着火时刻难于控制,低负荷易失火,高负荷易爆震,运行工况较窄。采用高压共轨、可变压缩比、可变气门正时,进气预热等技术手段可有效拓宽均质预混合压燃发动机的工况范围,但高压共轨、可变压缩比、可变气门正时等技术价格昂贵且对发动机改造较大,短期内难以推广使用,而进气预热时间较长,难以满足车辆瞬态控制的实际要求。
    发明内容
    本发明针对现有的均质预混合压燃(HCCI)发动机存在的不足,提出一种燃料现场混合压燃内燃机及控制方法。本发明的发动机采用灵活燃料,根据发动机的工况实时调整高辛烷值和高十六烷值燃料的配比,实现高辛烷值和高十六烷值燃料的现场混合,满足发动机在全工况压燃着火的要求。
    采用高辛烷值和高十六烷值燃料现场混合和辅助点火技术是一条相对简单可行的技术路线,可满足内燃机在不同负荷使用不同辛烷值燃料的要求,即低负荷在高辛烷值燃料中混入较多的高十六烷值燃料或辅助点火,改善混合燃料的着火性能,使其能够在较低的负荷和温度下可靠着火,并且着火时刻可控;在中等负荷减少高十六烷值燃料的混入量,在大负荷采用单一高辛烷值燃料,避免发动机爆震。采用以上燃料现场混合压燃燃烧模式,不但能避免均质预混合压燃发动机在低负荷失火,还能拓宽其高负荷工况范围,提高其动力性,从而使均质预混合压燃发动机具有实用性。
    本发明采用了如下技术方案:一种燃料现场混合压燃内燃机,包括有内燃机电子控制单元1、曲轴转角传感器4、汽缸体5、冷却水温度传感器7、活塞9、爆震传感器10、排气管12、排气门14、点火线圈和点火???7、电荷放大器18、进气门19、凸轮轴位置传感器20、进气凸轮21、进气温度传感器26、进气管27、进气压力传感器28、负荷传感器2、火花塞式缸压传感器16、线性氧传感器11、高辛烷值燃料喷嘴22和依次与高辛烷值燃料喷嘴22相连接的高辛烷值燃料稳压器23、高辛烷值燃料调压器25和高辛烷值燃料箱24、高十六烷值燃料喷嘴32和依次与高十六烷值燃料喷嘴32相连接的高十六烷值燃料稳压器31、高十六烷值燃料调压器29和高十六烷值燃料箱30;其中,负荷传感器2、火花塞式缸压传感器16、线性氧传感器11、高辛烷值燃料喷嘴22和高十六烷值燃料喷嘴32均与电子控制单元1相连;线性氧传感器11的氧传感器电压信号43配合进气温度信号和进气压力信号确定燃料完全燃烧的空气质量;电子控制单元1接收经电荷放大器18转换并放大的火花塞式缸压传感器16的缸压信号40和爆震传感器10的振动加速度信号44判断发动机的燃烧状态;电子控制单元1接收负荷传感器2的电压信号42判定发动机的负荷状态,0~1V为起动和怠速状态,1~5V为部分负荷和全负荷状态;电子控制单元1发出高十六烷值燃料喷射信号35驱动高十六烷值燃料喷嘴32;电子控制单元1发出高辛烷值燃料喷射信号38驱动高辛烷值燃料喷嘴22;电子控制单元1向点火线圈和点火???7发出点火信号41用于控制内燃机超低温、低温起动着火性能的辅助点火时刻和点火能量。
    一种燃料现场混合压燃内燃机的控制方法:
    本方法中的失火、爆震采用下述两种方法中的任何一种进行判定:
    1)通过线性氧传感器信号判定失火:如果氧传感器的输出电压值小于该工况的标准值的80%,表明失火;通过爆震传感器信号判定爆震,如果爆震传感器的输出加速度峰值大于该工况的标准值的120%,则表明爆震,
    2)采用火花塞式缸压传感器16测量各个工况的燃烧缸压,通过电控单元内的燃烧分析算法,计算燃烧循环变动系数COV,当COV>0.1或实测缸压峰值小于该工况正常值的40%时,则判定失火,计算单位曲轴转角(CA)的气缸压力变化-压力升高率dP/dφ,当压力升高率的峰值(dP/dφ)max>5bar/CA时,则判定爆震;
    对不同工况的控制方法如下:
    1)起动工况:发动机起动时,电控单元1接收负荷传感器2的电压信号44和冷却水温度传感器7的温度信号34,作为冷起动的控制信号;此时电位计式负荷传感器2的电压值VL在0~1V之间,冷却水温度传感器7的温度值tw做为起动工况识别的唯一控制信号;起动工况燃料混合比α=0.1~1,过量空气系数φ=1~2,助燃点火提前角β=-20~-5°,点火能量E=0.1-0.3mJ;随着冷却水温度的不断提高,燃料混合比α和过量空气系数φ根据工况动态变化,直至进入怠速稳定状态;起动工况又分为如下5种情况:
    I)-40℃<tw<-10℃时,电控单元1根据tw确定发动机为超低温起动工况;确定燃料混合比α=0.6~1,过量空气系数φ=1~1.3,助燃点火提前角β=-20~-10°,点火能量E=0.2~0.3mJ;根据起动工况的高十六烷值燃料和高辛烷值燃料脉谱图以及α=0.6~1,φ=1~1.3确定高十六烷值燃料循环喷射量QD和高辛烷值燃料循环喷射量QL;
    所述的超低温起动工况的高十六烷值燃料脉谱图和高辛烷值燃料脉谱图,通过起动台架试验并借助缸压传感器信号40确定,确保发动机不失火、不爆震;
    所述的燃料混合比α=(每循环喷入的高十六烷值燃料质量QD)/(每循环喷入的高十六烷值燃料质量QD+每循环喷入的高辛烷值燃料质量QL);
    II)-10℃=<tw<=0℃时,电控单元1根据tw确定发动机为低温起动工况;确定燃料混合比α=0.3~0.5,过量空气系数φ=1.1~1.4;助燃点火提前角β=-20~-10°;点火能量E=0.2~0.3mJ;根据起动工况的高十六烷值燃料脉谱图和高辛烷值燃料脉谱图以及α=0.3~0.5,φ=1.1~1.4确定QD和QL;
    III)0℃<tw<=20℃时,电控单元1根据tw确定发动机为冷起动工况;确定燃料混合比α=0.2~0.4,过量空气系数φ=1.2~1.5,助燃点火提前角β=-10~-5°,点火能量E=0.1~0.2mJ;根据起动工况的高十六烷值燃料脉谱图和高辛烷值燃料脉谱图以及α=0.2~0.4,φ=1.2~1.5确定QD和QL;
    IV)20℃<tw<=40℃时,电控单元1根据tw确定发动机为常温起动工况;确定燃料混合比α=0.1~0.3,过量空气系数φ=1.5~1.8,无须点火助燃;根据起动工况的高十六烷值燃料脉谱图和高辛烷值燃料脉谱图以及α=0.1~0.35,φ=1.5~1.8确定QD和QL;
    V)0℃<tw<=80℃时,电控单元1根据tw确定发动机为暖机工况;确定燃料混合比α=0.1~0.3,过量空气系数φ=1.6~2,无须点火助燃;根据起动工况的高十六烷值燃料脉谱图和高辛烷值燃料脉谱图以及α=0.1~0.3,φ=1.6~2确定的QD和QL;
    所述的低温起动、冷起动、常温起动和暖机工况的高十六烷值燃料脉谱图4和高辛烷值燃料脉谱图5,通过起动台架试验并借助缸压传感器信号40确定,确保发动机不失火、不爆震;低温起动、冷起动、常温起动和暖机采用相同的高十六烷值燃料脉谱图和高辛烷值燃料脉谱图,只是燃料混合比和过量空气系数选择区间不同;
    2)怠速工况:怠速时,电控单元1接收负荷传感器2的电压信号44、冷却水温度传感器7的温度信号34和曲轴转角传感器4的曲轴转角信号33作为怠速控制信号;此时电位计式负荷传感器2的电压值VL在0~1V之间,冷却水温度传感器7的温度值tw>80℃,控制目标怠速800~1200rpm;怠速工况时的燃料混合比α=0.1~0.3,过量空气系数φ=1.9-2.5;根据怠速高十六烷值燃料脉谱图和高辛烷值燃料脉谱图以及α=0.1~0.3、φ=1.9-2.5确定QD和QL;
    3)部分负荷和全负荷工况:电控单元1接收负荷传感器2的电压信号44、冷却水温度传感器7的温度信号34和曲轴转角传感器4的曲轴转角信号33、进气压力传感器28的进气压力信号36、进气温度传感器26的进气温度信号37、凸轮轴位置传感器20的凸轮轴位置信号39、经电荷放大器18转换并放大的火花塞式缸压传感器16的缸压信号40、线性氧传感器11的氧传感器电压信号43、爆震传感器10的振动加速度信号44作为部分负荷和全负荷工况的控制输入信号;电控单元1根据部分负荷和全负荷工况的高十六烷值燃料脉谱图和高辛烷值燃料脉谱图控制高十六烷值燃料喷嘴32和高辛烷值燃料喷嘴22的喷油时刻和脉宽,此时电位计式负荷传感器2的电压值VL在1~5V之间,冷却水温度传感器7的温度值tw>-10℃,发动机转速范围1000-4000rpm,燃料混合比α=0~0.3,过量空气系数φ=1.2~3.5;
    步骤2)和步骤3)所述的高十六烷值燃料脉谱图和高辛烷值燃料脉谱图,通过怠速、部分负荷和全负荷台架试验并借助缸压传感器信号40确定,确保发动机不失火、不爆震;怠速、部分负荷和全负荷采用相同的高十六烷值燃料脉谱图和高辛烷值燃料脉谱图,只是燃料混合比和过量空气系数选择区间不同。
    所述的高辛烷值燃料为汽油或甲醇或乙醇或液化石油气或天然气或氢气。
    所述的高十六烷值燃料为二甲醚或任何易挥发的高十六烷值燃料。
    所述的电控单元1接收线性氧传感器11的氧传感器电压信号43,当实测的过量空气系数φ偏离标定值5%以上时,即采用PID算法调节高十六烷值燃料喷嘴32和高辛烷值燃料喷嘴22的喷油脉宽实现对各工况过量空气系数φ的闭环控制。
    本燃料现场混合压燃内燃机为无节气门且合适的压缩比范围在11~20之间。
    本发明的工作过程:发动机起动,电控单元1接收负荷传感器2的电压信号44和冷却水温度传感器7的温度信号34,作为冷起动的控制信号,控制高十六烷值燃料喷嘴32和高辛烷值燃料喷嘴22的喷油,为了确保燃料压燃,采用较大的混合比α=0.3-1和过量空气系数φ=1-1.8并在低温起动时采用火花塞辅助点火。怠速工况,电控单元1接收负荷传感器2的电压信号44、冷却水温度传感器7的温度信号34和曲轴转角传感器4的曲轴转角信号33作为怠速控制信号,α=0.1-0.3,φ=1.9-2.5通过调节α和φ可使怠速稳定在800-1200rpm。在部分负荷和全负荷工况,电控单元1接收负荷传感器2的电压信号44、冷却水温度传感器7的温度信号34和曲轴转角传感器4的曲轴转角信号33、进气压力传感器28的进气压力信号36、进气温度传感器26的进气温度信号37、凸轮轴位置传感器20的凸轮轴位置信号39、经电荷放大器18转换并放大的火花塞式缸压传感器16的缸压信号40、线性氧传感器11的氧传感器电压信号43、爆震传感器10的振动加速度信号44作为部分负荷和全负荷工况的控制输入信号,控制高十六烷值燃料喷嘴32和高辛烷值燃料喷嘴22的喷油时刻和脉宽,燃料混合比α=0-0.3,过量空气系数φ=1.2-3.5,负荷越高,混合比越小,全负荷时α≈0。采用基于线性氧传感器11、进气温度传感器26和进气压力传感器28的过量空气系数闭环控制,当过量空气系数偏离标定值时,即调节燃料的混合比α,实现对燃烧过量空气系数φ的闭环控制,确保发动机在整个转速(1000-4000rpm)和转矩(25-250N.m)范围实现较大的功率输出。采用火花塞式缸压传感器测量各个工况的燃烧缸压,通过电控单元1内的燃烧分析算法,如循环峰值缸压小于标准值的40%或循环变动系数>0.1,则判定失火,如缸压升高率dp/dθ>5(bar/CA°),则判定发动机在该工况爆震。
    本发动机有如下三种工作模式:
    纯高十六烷值燃料燃烧工作模式(冷却水温度-40℃<tw<-25℃):在此工作模式下,内燃处于超低温起动工况。高十六烷值燃料由高十六烷值燃料箱30,经高十六烷值燃料调压器29调压后,送至高十六烷值燃料稳压器31,最后由高十六烷值燃料喷嘴32喷入进气道,在内燃机进气冲程吸入汽缸。电控单元1根据tw和负荷传感器2的电压信号44确定发动机为超低温起动工况。确定燃料混合比α=1,过量空气系数φ=1-1.3,助燃点火提前角β=-20~-10°,点火能量E=0.2-0.3mJ。按照事先标定的燃料喷射脉谱图将高十六烷值燃料喷入汽缸,确保内燃机在超低温度下可靠着火。
    高辛烷值和高十六烷值燃料混合燃烧工作模式(冷却水温度tw>-10℃):在此工作模式下,内燃机处于低温起动、冷起动、常温起动、暖机、怠速和部分负荷工况。高十六烷值燃料由高十六烷值燃料箱30,经高十六烷值燃料调压器29调压后,送至高十六烷值燃料稳压器31,最后由高十六烷值燃料喷嘴32喷入进气道;高辛烷值燃料由高辛烷值燃料箱24,经高辛烷值燃料调压器25调压后,送至高辛烷值燃料稳压器23,最后由高辛烷值燃料喷嘴22喷入进气道,两种燃料在进气道混合后,在内燃机进气冲程吸入汽缸。电控单元1根据tw和负荷传感器2的电压信号44确定发动机为起动工况、怠速还是部分负荷工况,并根据负荷传感器2的电压信号44选择高辛烷值燃料和高十六烷值燃料的喷射脉谱并基于线性氧传感器11、进气温度传感器26、和进气压力传感器28实现过量空气系数φ的闭环控制,同时根据缸压传感器16和爆震传感器10监测可能出现的爆震和失火。确定燃料混合比α=0.1-0.5,过量空气系数φ=1.2-3.5,助燃点火提前角β=-10~-5°,点火能量E=0.1-0.2mJ。根据冷却水温度tw值决定高十六烷值和高辛烷值燃料的混合比,按照事先标定的燃料喷射脉谱图将高辛烷值和高十六烷值燃料喷入汽缸,确保内燃机实现低温、常温可靠起动,及怠速和部分负荷稳定运行。
    纯高辛烷值燃料燃烧工作模式(冷却水温度tw>85℃):在此工作模式下,内燃处于高负荷和全负荷工况,缸内温度较高,内燃机易爆震,此时需采用抗爆性能优良的高辛烷值燃料。高辛烷值燃料由高辛烷值燃料箱24,经高辛烷值燃料调压器25调压后,送至高辛烷值燃料稳压器23,最后由高辛烷值燃料喷嘴22喷入进气道,在内燃机进气冲程吸入汽缸。电控单元1根据tw和负荷传感器2的电压信号44确定发动机为大负荷工况。确定燃料混合比α=0,过量空气系数φ=1.8-3。按照事先标定的燃料喷射脉谱图将高辛烷值燃料喷入汽缸,并基于线性氧传感器11、进气温度传感器26、和进气压力传感器28实现过量空气系数φ的闭环控制,同时根据缸压传感器16和爆震传感器10监测可能出现的爆震,确保内燃机在高负荷和全负荷工况输出足够的功率且不发生爆震。
    本发明的有益效果是,燃料现场混合压燃内燃机具有HCCI发动机的所有优点,即高效、超低排放、低温均质燃烧,但却通过不同工况使用不同辛烷值的灵活燃料并采用电控单元进行燃烧的精确控制,大大拓宽了HCCI发动机的工况范围,避免了HCCI发动机低负荷失火、高负荷爆震,并且可以在循环内控制失火和爆震。相对于柴油机的高压共轨、选择性催化还原(SCR)、颗粒捕集器(DPF)等昂贵技术,燃料现场混合电控压燃技术实现成本低,燃料适应性广,内燃机热效率可达到40%以上,NOx排放平均低于50ppm,采用常规的氧化催化器可使整车排放达到国4以上标准。
    附图说明
    图1本发明的结构和工作原理图
    图中  1电子控制单元;2负荷传感器;3X58齿轮;4曲轴转角传感器;5汽缸体;6冷却水套;7冷却水温度传感器;8连杆;9活塞;10爆震传感器;11线性氧传感器;12排气管;13汽缸盖;14排气门;15排气凸轮;16火花塞式缸压传感器;17点火线圈和点火???;18电荷放大器;19进气门;20凸轮轴位置传感器;21进气凸轮;22高辛烷值燃料喷嘴;23高辛烷值燃料稳压器;24高辛烷值燃料箱;25高辛烷值燃料调压器;26进气温度传感器;27进气管;28进气压力传感器;29高十六烷值燃料调压器;30高十六烷值燃料箱;31高十六烷值燃料稳压器;32高十六烷值燃料喷嘴;
    图2本发明的超低温起动工况高十六烷值燃料喷射脉谱图
    图中X坐标为混合比α=0.5-1,Y坐标为φ=1-2,Z坐标为超低温起动工况高十六烷值燃料每缸每循环喷射量(g/cycle);
    图3本发明的超低温起动工况高辛烷值燃料喷射脉谱图
    图中X坐标为混合比α=0.5-1,Y坐标为φ=1-2,Z坐标为超低温起动工况高辛烷值燃料每缸每循环喷射量(g/cycle);
    图4本发明的低温起动、冷起动、常温起动、暖机工况高十六烷值燃料喷射脉谱图
    图中X坐标为混合比α=0-0.5,Y坐标为φ=1-4,Z坐标为低温起动、冷起动、常温起动、暖机工况高十六烷值燃料每缸每循环喷射量(g/cycle);
    图5本发明的低温起动、冷起动、常温起动、暖机工况高辛烷值燃料喷射脉谱图
    图中X坐标为混合比α=0-0.5,Y坐标为φ=1-4,Z坐标为低温起动、冷起动、常温起动、暖机工况高辛烷值燃料每缸每循环喷射量(g/cycle);
    图6本发明的怠速、部分负荷和全负荷高十六烷值燃料喷射脉谱图
    图中X坐标为混合比α=0-0.3,Y坐标为φ=1-4,Z坐标为怠速、部分负荷和全负荷高十六烷值燃料每缸每循环喷射量(g/cycle);
    图7本发明的怠速、部分负荷和全负荷高辛烷值燃料喷射脉谱图
    图中X坐标为混合比α=0-0.3,Y坐标为φ=1-4,Z坐标为怠速、部分负荷和全负荷高辛烷值燃料每缸每循环喷射量(g/cycle);
    图8本发明的部分及全负荷转矩脉谱图
    图中X坐标为高辛烷值燃料每缸每循环喷射量(g/cycle),Y坐标为高十六烷值燃料每缸每循环喷射量(g/cycle),Z坐标为每缸每循环内燃机转矩(N.m);
    具体实施方式
    下面结合附图详细说明本实施例。
    如图1所示,本实施例包括有内燃机电子控制单元1、负荷传感器2、X58齿轮3、曲轴转角传感器4、汽缸体5、冷却水套6、冷却水温度传感器7、连杆8、活塞9、爆震传感器10、线性氧传感器11、排气管12、汽缸盖13、排气门14、排气凸轮15、火花塞式缸压传感器16、点火线圈和点火???7、电荷放大器18、进气门19、凸轮轴位置传感器20、进气凸轮21、高辛烷值燃料喷嘴22、高辛烷值燃料稳压器23、高辛烷值燃料箱24、高辛烷值燃料调压器25、进气温度传感器26、进气管27、进气压力传感器28、高十六烷值燃料调压器29、高十六烷值燃料箱30、高十六烷值燃料稳压器31、高十六烷值燃料喷嘴32等。
    内燃机电子控制单元1接收来自曲轴转角传感器4的曲轴转角信号33计算出发动机转速,接收冷却水温度传感器7的冷却水温度信号34确定内燃机的热状态,进而判定是起动还是正常工况;接收进气压力传感器28的进气压力信号36和进气温度传感器26的进气温度信号37确定进气空气密度,进而计算出实际的进入汽缸的空气质量,与线性氧传感器11的氧传感器电压信号43配合确定燃料完全燃烧的空气质量;接收凸轮轴位置传感器20的凸轮轴位置信号39为多点顺序喷射提供判缸参考信号;接收经电荷放大器18转换并放大的火花塞式缸压传感器16的缸压信号40和爆震传感器10的振动加速度信号44判断发动机的燃烧状态,实现对爆震和失火的实时在线监控;接收负荷传感器2的电压信号42判定发动机的负荷状态,0~1V为起动和怠速状态,1~5V为部分负荷和全负荷状态;发出高十六烷值燃料喷射信号35驱动高十六烷值燃料喷嘴32,实现对高十六烷值燃料循环喷射时刻和喷射量的精确控制;发出高辛烷值燃料喷射信号38驱动高辛烷值燃料喷嘴22,实现对高辛烷值燃料循环喷射时刻和喷射量的精确控制;向点火线圈和点火???7发出点火信号41控制用于改善该内燃机超低温、低温起动着火性能的辅助点火时刻和点火能量。电控单元1通过这些输入和输出信号的组合和协同工作实现对内燃机起动、暖机、怠速、小负荷、中等负荷、大负荷及过渡工况的最优控制。
    本发明将高辛烷值燃料(汽油、甲醇、乙醇、液化石油气、天然气、氢气等)作为主燃料,将高十六烷值燃料(如二甲醚等)作为辅助燃料,在电控单元的控制下,在发动机进气道现场混合,高十六烷值燃料的混入量随着发动机温度和负荷的增加,逐渐减少。在超低温起动阶段α<1并采用火花塞辅助点火,在冷起动及暖机阶段α<0.5并采用火花塞辅助点火,在部分负荷α<0.3,在大负荷α<0.1。采用线性氧传感器测量各个工况的过量空气系数,当过量空气系数偏离标定值时,即调节燃料的混合比,实现对燃烧空燃比的闭环控制;采用火花塞式缸压传感器测量各个工况的燃烧缸压,通过电控单元内的燃烧分析算法,如循环峰值缸压小于标准值的40%或循环变动系数>0.1,则判定失火,计算单位曲轴转角(CA)的气缸压力变化-压力升高率dP/dφ,当压力升高率的峰值(dP/dφ)max>5bar/CA°时,则判定爆震,通过实时调节燃料的混合比,可实现对发动机失火和爆震的闭环控制。通过线性氧传感器信号判定失火,如果排气中氧的浓度高于设定的标准值,表明失火;通过爆震传感器信号判定爆震,如果爆震传感器信号的强度超过设定值,表明爆震,实现对发动机失火和爆震的闭环控制。
    一种燃料现场混合压燃内燃机的控制方法,确定各个工况下的高十六烷值燃料循环喷射量QD、高辛烷值燃料循环喷射量QL及(或)助燃点火提前角β和点火能量E。该方法是按如下过程进行控制的:
    1)起动工况:发动机起动时,电控单元1接收负荷传感器2的电压信号44和冷却水温度传感器7的温度信号34,作为冷起动的控制信号。此时电位计式负荷传感器2的电压值VL应在0~1V之间,冷却水温度传感器7的温度值tw做为起动工况识别的唯一控制信号。起动工况燃料混合比α=0.1~1,过量空气系数φ=1~2,助燃点火提前角β=-20~-5°,点火能量E=0.1-0.3mJ。随着冷却水温度的不断提高,燃料混合比α和过量空气系数φ根据工况动态变化,直至进入怠速稳定状态。
    当-40℃<tw<-10℃时,电控单元1根据tw确定发动机为超低温起动工况。确定燃料混合比α=0.6-1,过量空气系数φ=1-1.3,助燃点火提前角β=-20~-10°,点火能量E=0.2~0.3mJ。根据超低温起动工况高十六烷值燃料脉谱图2和高辛烷值燃料脉谱图3以及α=0.6~1,φ=1~1.3确定QD和QL。所述的超低温起动工况高十六烷值燃料脉谱图和高辛烷值燃料脉谱图QD、QL,通过超低温起动台架试验并借助缸压传感器信号40确定。
    当-10℃=<tw<=0℃时,电控单元1根据tw确定发动机为低温起动工况。确定燃料混合比α=0.3-0.5,过量空气系数φ=1.1~1.4;助燃点火提前角β=-20~-10°;点火能量E=0.2~0.3mJ。根据起动工况高十六烷值燃料脉谱图4和高辛烷值燃料脉谱图5以及α=0.3~0.5,φ=1.1~1.4确定QD和QL。
    当0℃<tw<=20℃时,电控单元1根据tw确定发动机为冷起动工况。确定燃料混合比α=0.2~0.4,过量空气系数φ=1.2~1.5,助燃点火提前角β=-10~-5°,点火能量E=0.1~0.2mJ。根据起动工况高十六烷值燃料脉谱图4和高辛烷值燃料脉谱图5以及α=0.2~0.4,φ=1.2~1.5确定QD和QL。
    当20℃<tw<=40℃时,电控单元1根据tw确定发动机为常温起动工况。确定燃料混合比α=0.1~0.3,过量空气系数φ=1.5~1.8,无须点火助燃。根据起动工况高十六烷值燃料脉谱图4和高辛烷值燃料脉谱图5以及α=0.1~0.35,φ=1.5~1.8确定QD和QL。
    当40℃<tw<=80℃时,电控单元1根据tw确定发动机为暖机工况。确定燃料混合比α=0.1-0.3,过量空气系数φ=1.6-2,无须点火助燃。根据起动工况高十六烷值燃料脉谱图4和高辛烷值燃料脉谱图5以及α=0.1~0.3,φ=1.6~2确定QD和QL。
    所述的起动工况高十六烷值燃料脉谱图4和高辛烷值燃料脉谱图5,通过起动台架试验并借助缸压传感器信号40确定,确保发动机不失火、不爆震。低温起动、冷起动、常温起动和暖机采用相同的高十六烷值燃料脉谱图4和高辛烷值燃料脉谱图5,只是燃料混合比和过量空气系数选择区间不同。
    2)怠速工况:怠速时,电控单元1接收负荷传感器2的电压信号44、冷却水温度传感器7的温度信号34和曲轴转角传感器4的曲轴转角信号33作为怠速控制信号。此时电位计式负荷传感器2的电压值VL应在0-1V之间,冷却水温度传感器7的温度值tw>80℃,控制目标怠速800~1200rpm。怠速工况燃料混合比α=0.1-0.3,过量空气系数φ=1.9-2.5。根据怠速和部分负荷高十六烷值燃料脉谱图6和高辛烷值燃料脉谱图7以及α=0.1~0.3,φ=1.9~2.5确定QD和QL。
    3)部分负荷和全负荷工况:电控单元1接收负荷传感器2的电压信号44、冷却水温度传感器7的温度信号34和曲轴转角传感器4的曲轴转角信号33、进气压力传感器28的进气压力信号36、进气温度传感器26的进气温度信号37、凸轮轴位置传感器20的凸轮轴位置信号39、经电荷放大器18转换并放大的火花塞式缸压传感器16的缸压信号40、线性氧传感器11的氧传感器电压信号43、爆震传感器10的振动加速度信号44,根据高十六烷值燃料和高辛烷值燃料的喷射脉谱图6和图7,控制高十六烷值燃料喷嘴32和高辛烷值燃料喷嘴22的喷油时刻和脉宽,实现发动机全转速、全负荷范围稳定运行。此时电位计式负荷传感器2的电压值VL应在1~5V之间,冷却水温度传感器7的温度值tw>-10℃,发动机转速范围1000-4000rpm,燃料混合比α=0~0.3,过量空气系数φ=1.2~3.5。
     所述的高十六烷值燃料脉谱图6和高辛烷值燃料脉谱图7,通过怠速、部分负荷和全负荷台架试验并借助缸压传感器信号40确定,确保发动机不失火、不爆震。怠速、部分负荷和全负荷采用相同的高十六烷值燃料脉谱图6和高辛烷值燃料脉谱图7,只是燃料混合比和过量空气系数选择区间不同。
    本实施例中的控制脉谱是按如下方法确定的:
    (1)脉普图的确定
    定义负荷传感器2的输出电压值VL=1V为最小转矩点,VL=5V为最大转矩点。根据燃料混合比α=0-0.3,过量空气系数φ=1.2-3.5,根据内燃机原理确定各工况下的基本QD和QL并据此计算出对应理论转矩T,确定最小转矩值Tmin0及对应的QDmin0和QLmin0值和最大转矩值Tmax0及对应的QDmax0和QLmax0值。
    在负荷传感器2的输出电压值VL=1V时,在指定的tw进行内燃机台架试验,固定内燃机转速为1000-4000rpm的某个值,如n(rpm),以QDmin0和QLmin0为参考值采用PID算法调整QD和QL,获得最小稳定转矩T1-n-tw及对应的循环喷油量QD1-n-tw、QL1-n-tw和混合比α1-n-tw并测量对应的过量空气系数φ1-n-tw。
    在负荷传感器2的输出电压值VL=5V时,在指定的tw进行内燃机台架试验,固定内燃机转速为1000-4000rpm的某个值,如n(rpm),以QDmax0和QLmax0为参考值采用PID算法调整QD和QL,获得最大稳定转矩T5-n-tw及对应的循环喷油量QD5-n-tw、QL5-n-tw和混合比α5-n-tw并测量对应的过量空气系数φ5-n-tw。
    以负荷传感器2的输出电压值VL(1~5V)为横坐标,以某转速n,某tw的发动机转矩T(T1-n-tw~T5-n-tw)为纵坐标,通过线性插值确定其它负荷传感器输出电压值Vi对应发动机转矩Ti-n-tw,从而建立某转速n,某tw下负荷传感器输出电压VL与发动机转矩T间的线性关系,插值公式如下:
    Ti-n-tw=T1-n-tw+(Vi-1)(T5-n-tw-T1-n-tw)/4
    其中:Vi为负荷传感器2的输出电压(V)
    T1-n-tw为发动机转速n、冷却水温度温度tw、负荷传感器2的输出电压值VL=1(V)时的发动机最小转矩(N.m);
    T5-n-tw为发动机转速n、冷却水温度温度tw、负荷传感器2的输出电压值VL=5(V)时的发动机最大转矩(N.m);
    Ti-n-tw为发动机转速n、冷却水温度温度tw、负荷传感器2的输出电压值值VL=Vi(V)时的发动机转矩(N.m),i=1,1.1,1.2....5,V1=1(V),V1.8=1.8(V),V5=5(V);
    对以上插值得到的所有转矩T1.1-n-tw,T1.2-n-tw,T1.3-n-yw,T1.4-n-tw,....T4.9-n-tw,根据内燃机原理计算出对应的QD1.1-n-tw和QL1.1-n-tw.....QD4.9-n-tw和QL4.9-n-tw,进行该转速和冷却水温度下的内燃机台架试验,分别以QD1.1-n-tw和QL1.1-n-tw,.....QD4.9-n-tw和QL4.9-n-tw为参考值采用PID算法调整QD和QL,使得发动机输出的实测转矩分别达到或接近插值得到的T1.1-n-tw,T1.2-n-tw,T1.3-n-tw,.....T4.9-n-tw,得到实际高十六烷值燃料和高辛烷值燃料喷油量分别为QD1.1-nr和QL1.1-nr,.....QD4.9-nr和QL4.9-nr,、实际转矩分别为T1.1-nr-tw,T1.2-nr-tw,T1.3-nr-tw,.....T4.9-nr-tw,实测的过量空气系数φ1.1-nr-tw,φ1.2-nr-tw,φ1.3-nr-tw,.....φ4.9-nr-tw,实测的混合比α1.1-nr-tw,α1.2-nr-tw,α1.3-nr-tw,.....α4.9-nr-tw。完成所有冷却水温度tw(-10-90℃)、转速(n=1000-4000rpm)和负荷(Vi=1-5V)的内燃机台架试验,最后得到该发动机全速(n=1000-4000rpm)、全负荷(Vi=1-5V)的QD、QL、α和φ脉谱图,如表1所示。其它n,如n=1826rpm和Vi,如Vi=2.58V的QD,QL,φ和T采用二维插值得到?;诒?中的数据,采用二维插值,确定不同转速n和冷却水温度下tww的高十六烷值燃料脉谱图6和高辛烷值燃料脉谱图7及其对应扭矩脉谱图8。
    表1发动机全速、全负荷控制脉谱(冷却水温度tww)

      1000  QD1-1000-tw,  QL1-1000-tw  α1-1000-tw  φ1-1000-tw  T1-1000-tw  QD1.1-1000r-tw,  QL1.1-1000r-tw,  α1.1-1000-tw  φ1.1-1000r-tw,  T1.1-1000r-tw  QD1.2-1000r-tw,  QL1.2-1000r-tw,  α1.2-1000-tw  φ1.2-1000r-tw,  T1.2-1000r-tw  QD4.9-1000r-tw,  QL4.9-1000r-tw,  α4.9-1000-tw  φ4.9-1000r-tw,  T4.9-1000r-tw  QD5-1000-tw,  QL5-1000-tw  α5-1000-tw  φ5-1000-tw  T5-1000-tw  1100  QD1-1100-tw,  QL1-1100-tw,  α1-1100-tw  φ1-1100-tw,  T1-1100-tw  QD1.1-1100r-tw,  QL1.1-1100r-tw,  α1.1-1100-tw  φ1.1-1100r-tw,  T1.1-1100r-tw  QD1.2-1100r-tw,  QL1.2-1100r-tw,  α1.2-1100-tw  φ1.2-1100r-tw,  T1.2-1100r-tw  QD4.9-1100r-tw,  QL4.9-1100r-tw,  α4.9-1100-tw  φ4.9-1100r-tw,  T4.9-1100r  QD5-1100-tw,  QL5-1100-tw,  α5-1100-tw  φ5-1100-tw,  T5-1100-tw  4000  QD1-4000-tw,  QL1-4000-tw  α1-4000-tw  φ1-4000-tw  T1-4000-tw  QD1.1-4000r-tw,  QL1.1-4000r-tw,  α1.1-4000-tw  φ1.1-4000r-tw,  T1.1-4000r-tw  QD1.2-4000r-tw,  QL1.2-4000r-tw,  α1.2-4000-tw  φ1.2-4000r-tw,  T1.2-4000r-tw  QD4.9-4000r-tw,  QL4.9-4000r-tw,  α4.9-4000-tw  φ4.9-4000r-tw,  T4.9-4000r-tw  QD5-4000-tw,  QL5-4000-tw  α5-4000-tw  φ5-4000-tw  T5-4000-tw
    (2)喷油量闭环控制
    表1及其对应的高十六烷值燃料脉谱图6、高辛烷值燃料脉谱图7和扭矩脉谱图8为该发动机开环控制脉谱图,但随着发动机使用年限的增加,喷油嘴精度的下降,各工况的实际供油量和混合比会与标定值之间产生偏差,导致发动机性能下降,为此必须对发动机的高十六烷值燃料和高辛烷值燃料喷射量实行闭环控制。在内燃机台架上进行全工况控制脉谱标定时,测得了各个转速n和负荷VL下的过量空气系数φi-n。
    电控单元1接收负荷传感器2的电压信号44、曲轴转角传感器4的曲轴转角信号33(获得发动机转速n)、线性氧传感器11的氧传感器电压信号43(获得过量空气系数φi-no),进气温度传感器26的温度信号37、和进气压力传感器28的压力信号36,从控制脉谱中调出将该工况的标定过量空气系数φi-n与线性氧传感器11测得的实际过量空气系数φi-no进行比较,如果相对误差大于5%,则采用PID算法调节高十六烷值燃料喷嘴32和高辛烷值燃料喷嘴22的喷射脉宽,使线性氧传感器11测得的实际过量空气系数φi-no重新接近标定的过量空气系数φi-n,实现对燃料喷射的闭环控制。
    (3)失火和爆震控制
    基于氧传感器电压信号43的喷油闭环控制基本可保证发动机不会失火和爆震,但为了避免意外的失火和爆震,导致排放急剧增加和发动机损坏,本系统采用2种技术手段控制失火和爆震。
    a、采用缸压传感器16检测各个工况下的缸压峰值并与正常的缸压峰值比较,如实测缸压峰值小于该工况正常值的40%或燃烧循环变动系数COV>0.1,则判定发动机在该工况失火;如实测缸压的压力升高率dp/dθ大于5(bar/CA°),则判定发动机在该工况爆震。该方法可监测发动机每个循环的爆震。
    b、采用线性氧传感器11检测失火,如某工况该氧传感器的输出电压值小于该工况的标准值的80%,则判定发动机在该工况失火;采用爆震传感器10检测爆震,如某工况在指定的频段内该爆震传感器的输出加速度峰值大于该工况的标准值的120%,则判定发动机在该工况爆震。
    一旦检测到失火,采用PID算法增加高十六烷值燃料的喷射量并减少高辛烷值燃料喷射量,使燃烧恢复正常。一旦检测到爆震,采用PID算法减少高十六烷值燃料的喷射量并增加高辛烷值燃料喷射量,使燃烧恢复正常。
    本实施例对各种工况作了如下实验:
    实验发动机为1台索菲姆80.47直列4缸单顶置凸轮轴涡轮增压柴油机,排量2.5L,最大功率85KW/3800r.min-1,最大扭矩245N.m/1900r.min-1。按图1所示改造成高十六烷值和高辛烷值燃料现场混合压燃式内燃机,未安装催化转换器。实验选用的高十六烷值燃料为二甲醚(C2H6O),高辛烷值燃料为丙烷(C3H8)。用一台奥地利AVL公司生产的DiGas4000排放分析仪,分别测量发动机各个运行工况下的HC、CO和NOx排放。
    1)起动实验(tw=18℃,VL=0-1V)
    电控单元1接收负荷传感器2的电压信号44和冷却水温度传感器7的温度信号34,作为起动的控制信号。此时电位计式负荷传感器2的电压值VL在0-1V之间,冷却水温度传感器7的温度值tw=18℃。燃料混合比α=0.2,过量空气系数φ=1.4;该温度起动无需火花塞辅助点火,根据事先标定的tw=18℃的起动工况QD、QL脉谱图进行高十六烷值和高辛烷值燃料喷射。
    电控单元1根据tw和负荷传感器2的电压信号44确定发动机为常温起动工况,根据冷却水温度tw确定高十六烷值和高辛烷值燃料的混合比并调用相应的QD、QL脉谱图。电控单元1驱动高辛烷值燃料喷嘴22以0.0274g/cycle的喷油量和高十六烷值燃料喷嘴32以0.0068g/cycle的喷油量将高辛烷值燃料和高十六烷值燃料同时喷入进气道。
    实验结果表明,在冷却水温度为18℃,按以上的高辛烷值燃料和高十六烷值燃料喷射量,发动机能顺利起动,DiGas4000排放分析仪测得HC排放为567ppm,CO排放为0.7%,NOx排放为18ppm。而采用单一燃料异辛烷(C8H18)压燃的HC排放为1423ppm,CO排放为1.2%,NOx排放为29ppm。原因是通过丙烷和二甲醚现场混合使得混合燃料的辛烷值(RON)降低到大约80低于单一燃料异辛烷的100,燃料的着火性能大大提高,起动容易,燃烧迅速,排放物得到较大降低。
    2)怠速实验(tw=82℃,VL=0.5V)
    电控单元1接收负荷传感器2的电压信号44和冷却水温度传感器7的温度信号34,作为起动的控制信号。此时电位计式负荷传感器2的电压VL=0.5V,冷却水温度传感器7的温度值tw=82℃。燃料混合比α=0.15,过量空气系数φ=2.5,怠速转速为800rpm。根据事先标定的的怠速工况QD、QL脉谱图进行高十六烷值和高辛烷值燃料喷射。
    电控单元1根据tw和负荷传感器2的电压信号44确定发动机为怠速工况,根据冷却水温度tw确定高十六烷值和高辛烷值燃料的混合比并调用相应的QD、QL脉谱图。电控单元1驱动高辛烷值燃料喷嘴22以0.0159g/cycle的喷油量和高十六烷值燃料喷嘴32以0.0028g/cycle的喷油量将高辛烷值燃料和高十六烷值燃料同时喷入进气道。为了确保怠速稳定,应采用较部分负荷浓的混合气。
    实验结果表明,在冷却水温度为82℃,按以上的高辛烷值燃料和高十六烷值燃料喷射量,发动机怠速能够稳定在800±5rpm,DiGas4000排放分析仪测得HC排放为331ppm,CO排放为0.5%,NOx排放为12ppm。而采用单一燃料异辛烷(C8H18)压燃的HC排放为741ppm,CO排放为0.8%,NOx排放为23ppm。原因是通过丙烷和二甲醚现场混合使得混合燃料的辛烷值(RON)降低到大约90低于单一燃料异辛烷的100,在较高冷却水温度下气态燃料丙烷和二甲醚较液态燃料异辛烷更易于与空气的混合,混合气更稀、燃烧更完全,排放物得到进一步降低。
    3)中等负荷实验(n=2000rpm,tw=90℃,VL=3V)
    电控单元1接收负荷传感器2的电压信号44和冷却水温度传感器7的温度信号34,作为起动的控制信号。此时电位计式负荷传感器2的电压VL=3V,冷却水温度传感器7的温度值tw=90℃。燃料混合比α=0.1,过量空气系数φ=2.7,转速为2000rpm。根据事先标定的的部分负荷工况QD、QL脉谱图进行高十六烷值和高辛烷值燃料喷射。
    电控单元1根据tw和负荷传感器2的电压信号44确定发动机为部分负荷工况,根据冷却水温度tw确定高十六烷值和高辛烷值燃料的混合比并调用相应的QD、QL脉谱图。电控单元1驱动高辛烷值燃料喷嘴22以0.0153g/cycle的喷油量和高十六烷值燃料喷嘴32以0.0017g/cycle的喷油量将高辛烷值燃料和高十六烷值燃料同时喷入进气道。
    实验结果表明,在发动机转速2000rpm,冷却水温度为90℃,负荷传感器2的电压VL=3V,按以上的高辛烷值燃料和高十六烷值燃料喷射量,DiGas4000排放分析仪测得HC排放为223ppm,CO排放为0.4%,NOx排放为24ppm。而采用单一燃料异辛烷(C8H18)压燃的HC排放为411ppm,CO排放为0.5%,NOx排放为27ppm。原因是通过丙烷和二甲醚现场混合使得混合燃料的辛烷值(RON)降低到大约等于单一燃料异辛烷的100,但在较高冷却水温度下气态燃料丙烷和二甲醚较液态燃料异辛烷更易于与空气的混合,混合气可更稀、燃烧更完全,HC和CO排放物得到进一步降低,但NOx排放有所提高,原因是燃烧较完全,导致缸内温度提高。
    4)大等负荷实验(n=3000rpm,tw=90℃,VL=5V)
    电控单元1接收负荷传感器2的电压信号44和冷却水温度传感器7的温度信号34,作为起动的控制信号。此时电位计式负荷传感器2的电压VL=5V,冷却水温度传感器7的温度值tw=90℃。燃料混合比α=0,过量空气系数φ=2.5,转速为3000rpm。根据事先标定的的大负荷工况QL脉谱图进行高辛烷值燃料喷射。
    电控单元1根据tw和负荷传感器2的电压信号44确定发动机为全负荷工况,根据混合比调用相应的QL脉谱图。电控单元1驱动高辛烷值燃料喷嘴22以0.0175g/cycle的喷油量将高辛烷值燃料喷入进气道。
    实验结果表明,在发动机转速3000rpm,冷却水温度为90℃,负荷传感器2的电压VL=5V,按以上的高辛烷值燃料喷射量,发动机功率为72Kw,而原柴油机为75Kw。DiGas4000排放分析仪测得HC排放为156ppm,CO排放为0.2%,NOx排放为58ppm。而采用单一燃料异辛烷(C8H18)压燃在φ=3时的HC排放为254ppm,CO排放为0.3%,NOx排放为39ppm。原因是丙烷使得燃料的辛烷值(RON)升高到大约130大于单一燃料异辛烷的100,使得高辛烷值燃料的抗爆能力远高于异辛烷,发动机可在较高转速和负荷下稳定工作,不会发生爆震。但较高的冷却水温度和负荷使得燃烧速度更快,HC和CO排放物进一步降低,但NOx排放有较大提高,原因是混合气较浓且燃烧更完全,导致缸内温度更高。异辛烷由于辛烷值较低,抗爆能力较差,过量空气系数φ<3将会发生爆震,限制了其负荷范围的拓宽。
    上述的发动机台架试验结果表明,采用本发明提供的燃料现场混合压燃发动机及控制方法,可以在较宽广的转速和负荷范围实现低排放,特别是NOx排放低于100ppm,该发动机大负荷功率接近原柴油机的水平。该技术将为车用内燃机达到欧4以上排放标准提供一条有效的技术途径?!  ∧谌堇醋宰ɡ鴚ww.www.4mum.com.cn转载请标明出处

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