专利名称：基于燃料实时设计与喷射管理的复合均质压燃发动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种均质压燃发动机，特别是一种基于燃烧实时设计与喷射管理的复 合均质压燃发动机，属于内燃机技术领域。
背景技术：
面对能源的日益紧缺和排放法规的愈加严格，未来内燃机发展的必然方向是在提 高经济性的同时降低有害气体的排放。相对于火花点火的发动机，压缩着火的燃烧方式以 其较高的热效率获得了更多的关注。但是传统的压燃式发动机缸内油气分布不均勻，造成 相当高的NOx和碳烟排放。为解决这一问题，均质充量压缩燃烧逐渐引起人们的关注。均质充量压缩燃烧是燃料和空气预混合所形成的稀薄工质经过低温反应生成的 活化基团，随着压缩冲程缸内温度上升到燃料的自燃温度(1000K左右)时，在整个燃烧室 内多点自燃着火。因而理想的均质充量压缩燃烧放热反应是均勻分布于整个燃烧室空间的 低温反应，没有火焰锋面和火焰传播，也没有局部高温富氧或富油，所以可以同时有效抑制 NOx和碳烟的生成。然而，均质充量压缩燃烧是由燃空混合气自身的化学反应动力学所控制的，燃空 混合气进入气缸后经压缩升温直至最终着火主要是由燃料的理化特性、混合气浓度以及温 升历程所决定的。均质充量压缩燃烧从本质上缺少直接的控制手段，无法利用火花点火或 者直喷时刻来控制其着火，并且由于均质充量压缩燃烧对混合气初始条件以及压缩过程的 温度压力变化较为敏感，导致其着火时刻和燃烧速率难以控制，特别是在小负荷易失火、大 负荷易爆震以及在过渡工况下不稳定，从而难以完全拓展发动机的负荷范围。这就决定了 均质充量压缩燃烧的控制问题是其走向实用化的技术难题与瓶颈。已有技术中，专利公开号为CN 1504636A，名称为“双燃料多燃烧模式新概念发动 机”发明专利，提出一种使用双燃料(天然气和二甲醚)，运转在双模式(均质压燃和火花 点火)下的发动机。该发明有效的拓宽了均质压燃发动机的负荷范围，但是存在的主要问 题是由火花点火模式向均质压燃模式切换时，过渡工况下燃烧不稳定。
发明内容
为了克服已有技术的不足和缺陷，本发明提出一种新型的复合均质压燃发动机， 该发动机采用基于燃烧实时设计与喷射管理的复合均质压缩燃烧模式，通过调制合理的燃 烧相位和控制燃烧速率，能够解决均质充量压缩燃烧的负荷拓展难题，并最大限度的保持 均质充量压缩燃烧高效清洁的优越性。并且，该发动机运转工况稳定，不存在燃烧模式的切 换问题。燃烧设计与喷射管理这一概念，包括两个方面内容燃料设计与燃料喷射管理。 首先，燃料的分子结构和成分、辛烷值/十六烷值、自燃温度等理化参数与燃料的燃烧特性 密切相关，其中辛烷值/十六烷值对燃料着火的影响尤为突出，它们分别代表燃料的抗爆 性和压缩自燃的能力，直接影响燃料的着火与燃烧。燃料设计是指通过多种不同理化特性
3燃料的优化组合，结合互溶、互混技术对燃料进行重新配方，从而改变燃料的成分和理化参 数，调制缸内形成的混合气的理化性质，从而控制燃烧相位和燃烧速率，以期在发动机上实 现高效率、低排放的目的。然而，常见的燃料设计方法大都只是在发动机运转前事先把燃料配制好，一旦燃 料配好，混合燃料理化特性也就无法改变。这种固定配比混合燃料的单一物性往往无法适 应变化的均质压燃发动机工况，不能发挥混合燃料负荷拓展潜力，同时导致在负荷拓展与 排放控制上顾此失彼，因而传统的燃料设计思想和方法有待革新。本发明基于发动机负荷 的燃料实时设计的新方法，可以依据发动机的负荷状况，利用电子控制单元实时改变燃料 的理化性质和可燃混合气成分，以达到优化控制燃料的着火、燃烧以及扩展负荷的目的。燃料喷射管理是指选取燃料的喷射方式，并调节燃料的喷射时刻、喷射压力和喷 射次数，从而实现不同的缸内油气混合气的制备方式，进而调制形成的可燃混合气的特性。 燃料喷射方式从喷射位置上来分为气道喷射和缸内直喷两种。气道喷射采用外部混合气形 成方式，燃料通过装在进气道的喷油器喷入进气道内，与空气一道进入气缸形成可燃混合 气。而缸内直喷是将燃料通过喷油器在高压下直接喷入燃烧室，形成内部混合气来实现燃 烧过程。因此，对于缸内直喷的燃料喷射方式来说，喷射时刻和喷射压力是影响缸内油气混 合气特性极其重要的因素，也是燃料喷射管理和优化的主要参数。不仅如此，本发明中的燃 料喷射管理，还包括调节气道喷射油量和缸内直喷的油量，以及优化二者的比例。本发明将燃料实时设计与喷射管理相结合，不但可以对进入缸内的燃料的理化特 性进行实时控制，还可以在进气道喷射和缸内直喷两种方式的共同作用下从时间尺度和空 间尺度上对整个混合气制备过程进行控制和管理。通过调整燃料的理化特性，优化缸内直 喷时刻、喷射压力以及气道喷射油量与缸内直喷油量的比例，实现燃烧相位和放热速率的 合理调制，使得该种复合均质压缩燃烧既有与均质充量压缩燃烧相当的超低排放，又能使 运行在该燃烧模式下的发动机具有全负荷范围工作的能力。需要指出的是，复合均质压缩 燃烧是一种新颖的燃烧模式，它的本质是融合了均质充量压缩燃烧与传统扩散燃烧的分布 式放热规律。本发明是通过下述技术方案实现的本发明包括缸内直喷燃料燃油泵、缸内直 喷燃料油量传感器、发动机曲轴转角位置传感器、发动机气缸、电子控制单元、发动机上止 点信号传感器、发动机排气管、缸内直喷燃料喷油器、发动机进气总管、第一歧管、第二歧 管、高辛烷值燃料进气道喷油器、高十六烷值进气道喷油器、高辛烷值燃料低压油轨、高 十六烷值燃料低压油轨、高辛烷值燃料燃油箱、高十六烷值燃料滤清器、高十六烷值燃料燃 油箱、缸内直喷燃料滤清器、高辛烷值燃料电动燃油泵、高十六烷值燃料电动燃油泵、高辛 烷值燃料滤清器、缸内直喷燃料燃油箱。第一歧管和第二歧管安装在发动机进气总管的两 侧，形成V型双飞翼式的进气道。发动机曲轴转角位置传感器和发动机上止点信号传感器 均安装在发动机气缸上，缸内直喷燃料油量传感器安装在缸内直喷燃料燃油泵上；缸内直 喷燃料喷油器安装在发动机气缸的顶部，高十六烷值燃料进气道喷油器安装在第二歧管的 进口处，高辛烷值燃料进气道喷油器安装在第一歧管的进口处。缸内直喷燃料燃油箱的出 口通过缸内直喷燃料滤清器与缸内直喷燃料燃油泵进口连接，缸内直喷燃料燃油泵出口与 缸内直喷燃料喷油器进口连接，缸内直喷燃料喷油器的回油口与缸内直喷燃料燃油箱的回 油进口连接，它们构成缸内直喷的燃料供给和喷射系统。高十六烷值燃料燃油箱的出口通过高十六烷值燃料滤清器与高十六烷值燃料电动燃油泵进口连接，高十六烷值燃料电动燃 油泵出口与高十六烷值燃料低压油轨进口连接，高十六烷值燃料低压油轨出口与高十六烷 值燃料进气道喷油器连接，高十六烷值燃料低压油轨回油口与高十六烷值燃料电动燃油泵 的回油进口连接，它们构成高十六烷值燃料进气道喷射的燃料供给和喷射系统。高辛烷值 燃料燃油箱的出口通过高辛烷值燃料滤清器与高辛烷值燃料电动燃油泵进口连接，高辛烷 值燃料电动燃油泵出口与高辛烷值燃料低压油轨进口连接，高辛烷值燃料低压油轨出口与 高辛烷值燃料进气道喷油器连接，高辛烷值燃料低压油轨回油口与高辛烷值燃料电动燃油 泵的回油进口连接，它们构成高辛烷值燃料进气道喷射的燃料供给和喷射系统。发动机曲 轴转角位置传感器、上止点信号传感器和缸内直喷燃料油量传感器的输出端均与电子控制 单元的输入端电连接，电子控制单元的输出端分别与缸内直喷燃料燃油泵、高辛烷值燃料 进气道喷油器和高十六烷值燃料进气道喷油器的控制端电连接。上止点信号传感器记录发 动机上止点信号，曲轴转角位置传感器记录发动机的曲轴转角位置，缸内直喷燃料油量传 感器记录缸内直喷燃料的油量，这三个信号决定了发动机的工况，它们采集的信号输入电 子控制单元，电子控制单元包括输入信号处理电路、微控制器和驱动电路三部分。输入信号 处理电路对输入的信号进行放大、整形、倍频等处理后输送给微控制器，微控制器根据采集 的信号判断发动机的运行工况，并读取事先写进去的脉谱(MAP)数据，得到此工况下缸内 直喷燃料的最优喷射参数(包括喷射时刻和喷射压力)以及高十六烷值和高辛烷值进气道 喷射的最优喷射量，并转化成信号传输给驱动电路，由驱动电路将信号分别输出给缸内直 喷燃料燃油泵、高十六烷值燃料进气道喷油器和高辛烷值燃料进气道喷油器执行。本发明的有益效果1、采用燃料实时设计的新方法，避免了固定配比混合燃料具有单一物性的缺陷， 它可以依据发动机的负荷状况，利用电子控制单元实时改变进气喷射的高辛烷值燃料和高 十六烷值燃料的油量，从而改变气道喷射燃料的理化特性，具有兼顾负荷拓展和排放控制 的潜力；2、利用燃料喷射管理的策略，选择进气道喷射和缸内直喷接合的方式，通过优化 缸内直喷时刻、喷射压力以及气道喷射油量与缸内直喷油量的比例等参数，从时间尺度和 空间尺度上对整个混合气制备过程进行管理，从而控制缸内燃料的燃烧和排放特性；3、设计了 V型双飞翼式的发动机进气道，解决了双喷油器在进气道上的安装问 题，可以保证喷油器喷出的高十六烷值/高辛烷值燃料离进气口很近，有利于实现两种燃 料的混合与蒸发；4、本发明中的发动机运行在一种新颖的复合均质压缩燃烧模式，通过调制合理的 燃烧相位和控制燃烧速率，能够解决均质充量压缩燃烧的负荷拓展难题，并最大限度的保 持均质充量压缩燃烧高效清洁的优越性；5、本发明同样适用于其它理化特性不同的燃料组合，并有向实际应用中的燃 料——汽油和柴油拓展的潜力，具有显著的经济效益和社会效益。
图1是本发明装置的结构示意图。图2是本发明电子控制单元控制原理示意图。
图中1为缸内直喷燃料燃油泵，2为缸内直喷燃料油量传感器，3为发动机曲轴转 角位置传感器，4为发动机气缸，5为电子控制单元，6为发动机上止点信号传感器，7为发动 机排气管，8为缸内直喷燃料喷油器，9为发动机进气总管，10为第一歧管，11为第二歧管， 12为高辛烷值燃料进气道喷油器，13为高十六烷值燃料进气道喷油器，14为高辛烷值燃料 低压油轨，15为高十六烷值燃料低压油轨，16为高辛烷值燃料燃油箱，17为高十六烷值燃 料滤清器，18为高十六烷值燃料燃油箱，19为缸内直喷燃料滤清器，20为高辛烷值燃料电 动燃油泵，21为高十六烷值燃料电动燃油泵，22为高辛烷值燃料滤清器，23为缸内直喷燃 料燃油箱，24为信号处理电路，25为微控制器，26为驱动电路。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施作进一步描述。如图1、图2所示，本发明包括缸内直喷燃料燃油泵1，缸内直喷燃料油量传感器 2，发动机曲轴转角位置传感器3，发动机气缸4，电子控制单元5，发动机上止点信号传感器 6，发动机排气管7，缸内直喷燃料喷油器8，发动机进气总管9，第一歧管10，第二歧管11， 高辛烷值燃料进气道喷油器12，高十六烷值燃料进气道喷油器13，高辛烷值燃料低压油轨 14，高十六烷值燃料低压油轨15，高辛烷值燃料燃油箱16，高十六烷值燃料滤清器17，高 十六烷值燃料燃油箱18，缸内直喷燃料滤清器19，高辛烷值燃料电动燃油泵20，高十六烷 值燃料电动燃油泵21，高辛烷值燃料滤清器22，缸内直喷燃料燃油箱23。其中，第一歧管 10和第二歧管11安装在发动机进气总管9的两侧，发动机曲轴转角位置传感器3和发动机 上止点信号传感器6均安装在发动机气缸4上，缸内直喷燃料油量传感器2安装在缸内直 喷燃料燃油泵1上。缸内直喷燃料喷油器8安装在发动机气缸4的顶部，高十六烷值燃料 进气道喷油器13安装在第二歧管11的进口处，高辛烷值燃料进气道喷油器12安装在第一 歧管10的进口处。缸内直喷燃料燃油箱23的出口通过缸内直喷燃料滤清器19与缸内直 喷燃料燃油泵1进口连接，缸内直喷燃料燃油泵1出口与缸内直喷燃料喷油器8进口连接， 缸内直喷燃料喷油器8的回油口与缸内直喷燃料燃油箱23的回油进口连接，它们构成缸内 直喷的燃料供给和喷射系统。高十六烷值燃料燃油箱18的出口通过高十六烷值燃料滤清 器17与高十六烷值燃料电动燃油泵21进口连接，高十六烷值燃料电动燃油泵21出口与高 十六烷值燃料低压油轨15进口连接，高十六烷值燃料低压油轨15出口与高十六烷值燃料 进气道喷油器13连接，高十六烷值燃料低压油轨15回油口与高十六烷值燃料电动燃油泵 21的回油进口连接，它们构成高十六烷值燃料进气道喷射的燃料供给和喷射系统。高辛烷 值燃料燃油箱16的出口通过高辛烷值燃料滤清器22与高辛烷值燃料电动燃油泵20进口 连接，高辛烷值燃料电动燃油泵20出口与高辛烷值燃料低压油轨14进口连接，高辛烷值燃 料低压油轨14出口与高辛烷值燃料进气道喷油器12连接，高辛烷值燃料低压油轨14回油 口与高辛烷值燃料电动燃油泵20的回油进口连接，它们构成高辛烷值燃料进气道喷射的 燃料供给和喷射系统。发动机曲轴转角位置传感器3、上止点信号传感器6和缸内直喷燃料 油量传感器2的输出端均与电子控制单元5的输入端电连接，电子控制单元5的输出端分 别与缸内直喷燃料燃油泵1、高辛烷值燃料进气道喷油器12和高十六烷值燃料进气道喷油 器13的控制端电连接。上止点信号传感器6记录发动机上止点信号，曲轴转角位置传感器3记录发动机
6的曲轴转角位置，缸内直喷燃料油量传感器记录缸内直喷燃料的油量，这三个信号决定了 发动机的工况，它们采集的信号输入电子控制单元5，电子控制单元5中的输入信号处理电 路23对输入的信号进行放大、整形、倍频等处理后输送给微控制器24，微控制器24根据采 集的信号判断发动机的运行工况，并读取脉谱(MAP)数据，得到此工况下缸内直喷燃料的 最优喷射参数(包括喷射时刻和喷射压力)以及高十六烷值和高辛烷值进气道喷射的最优 喷射量，并转化成输出信号传输给驱动电路25，由驱动电路25将信号分别输出给缸内直喷 燃料燃油泵、高十六烷值燃料进气道喷油器和高辛烷值燃料进气道喷油器执行。
权利要求
一种基于燃烧实时设计与喷射管理的复合均质压燃发动机，包括缸内直喷燃料燃油泵(1)、缸内直喷燃料油量传感器(2)、发动机曲轴转角位置传感器(3)、发动机气缸(4)、电子控制单元(5)、发动机上止点信号传感器(6)、发动机排气管(7)、缸内直喷燃料喷油器(8)、发动机进气总管(9)、第一歧管(10)、第二歧管(11)、高辛烷值燃料进气道喷油器(12)、高十六烷值进气道喷油器(13)、高辛烷值燃料低压油轨(14)、高十六烷值燃料低压油轨(15)、高辛烷值燃料燃油箱(16)、高十六烷值燃料滤清器(17)、高十六烷值燃料燃油箱(18)、缸内直喷燃料滤清器(19)、高辛烷值燃料电动燃油泵(20)、高十六烷值燃料电动燃油泵(21)、高辛烷值燃料滤清器(22)、缸内直喷燃料燃油箱(23)；其特征在于第一歧管(10)和第二歧管(11)安装在发动机进气总管(9)的两侧，发动机曲轴转角位置传感器(3)和发动机上止点信号传感器(6)均安装在发动机气缸(4)上，缸内直喷燃料油量传感器(2)安装在缸内直喷燃料燃油泵(1)上；缸内直喷燃料喷油器(8)安装在发动机气缸(4)的顶部，高十六烷值燃料进气道喷油器(13)安装在第二歧管(11)的进口处，高辛烷值燃料进气道喷油器(12)安装在第一歧管(10)的进口处；缸内直喷燃料燃油箱(23)的出口通过缸内直喷燃料滤清器(19)与缸内直喷燃料燃油泵(1)进口连接，缸内直喷燃料燃油泵(1)出口与缸内直喷燃料喷油器(8)进口连接，缸内直喷燃料喷油器(8)的回油口与缸内直喷燃料燃油箱(23)的回油进口连接，它们构成缸内直喷的燃料供给和喷射系统；高十六烷值燃料燃油箱(18)的出口通过高十六烷值燃料滤清器(17)与高十六烷值燃料电动燃油泵(21)进口连接，高十六烷值燃料电动燃油泵(21)出口与高十六烷值燃料低压油轨(15)进口连接，高十六烷值燃料低压油轨(15)出口与高十六烷值燃料进气道喷油器(13)连接，高十六烷值燃料低压油轨(15)回油口与高十六烷值燃料电动燃油泵(21)的回油进口连接，它们构成高十六烷值燃料进气道喷射的燃料供给和喷射系统；高辛烷值燃料燃油箱(16)的出口通过高辛烷值燃料滤清器(22)与高辛烷值燃料电动燃油泵(20)进口连接，高辛烷值燃料电动燃油泵(20)出口与高辛烷值燃料低压油轨(14)进口连接，高辛烷值燃料低压油轨(14)出口与高辛烷值燃料进气道喷油器(12)连接，高辛烷值燃料低压油轨(14)回油口与高辛烷值燃料电动燃油泵(20)的回油进口连接，它们构成高辛烷值燃料进气道喷射的燃料供给和喷射系统；发动机曲轴转角位置传感器(3)、上止点信号传感器(6)和缸内直喷燃料油量传感器(2)的输出端均与电子控制单元(5)的输入端电连接，电子控制单元(5)的输出端分别与缸内直喷燃料燃油泵(1)、高辛烷值燃料进气道喷油器(12)和高十六烷值燃料进气道喷油器(13)的控制端电连接。
2.根据权利要求1所述的基于燃烧实时设计和喷射管理的复合均质压燃发动机，其特 征是所述的第一歧管(10)和第二歧管(11)分别与进气总管(9)之间的夹角为150度。
3.根据权利要求1所述的基于燃烧实时设计和喷射管理的复合均质压燃发动机，其 特征是所述的电子控制单元(5)包括输入信号处理电路(24)、微控制器(25)和驱动电路 (26)，信号处理电路(24)的输出端通过微控制器(25)与驱动电路(26)的输入端电连接。
全文摘要
基于燃料实时设计与喷射管理的复合均质压燃发动机，属于内燃机技术领域。本发明将燃料实时设计与喷射管理相结合，不但可以对进入缸内的燃料的理化特性进行实时控制，还可以在进气道喷射和缸内直喷两种方式的共同作用下从时间尺度和空间尺度上对整个混合气制备过程进行控制和管理。通过调整燃料的理化特性，优化缸内直喷时刻、喷射压力以及气道喷射油量与缸内直喷油量的比例，实现燃烧相位和放热速率的合理调制，使得该种复合均质压缩燃烧既有与均质充量压缩燃烧相当的超低排放，又能使运行在该燃烧模式下的发动机具有全负荷范围工作的能力。
文档编号F02M35/104GK101907030SQ201010221678
公开日2010年12月8日 申请日期2010年7月9日 优先权日2010年7月9日
发明者吉丽斌, 吕兴才, 马骏骏, 黄震 申请人:上海交通大学