燃料组分实时定量控制的缸内均质梯级压燃式内燃的制造方法
【专利摘要】燃料组分实时定量控制的缸内均质梯级压燃式内燃机燃烧方式属于发动机燃烧控制领域，首先根据各缸的循环加热量需求Qb确定每个发动机循环需喷射j种组分燃料，并得出各缸内组分i的喷射量Gbi(j)，然后确定新鲜空气的进气量Mair和回收的废气量Megr，再选择合适的废气回流方式和采用适当的进气预热，而均质混合气的具体燃烧过程如下：活塞的压缩增加了缸内工质的温度和浓度，其自燃性最好的组分i最先燃烧，实现了第一梯级压燃，由于组分i的燃烧放热和活塞的进一步压缩，使下一种组分(i-1)燃烧，实现第二梯级压燃放热，以此类推，下一种组分(i-2)实现第三梯级压燃放热，直至组分1实现最后梯级压燃放热，这一循环的燃烧过程结束，完成了本燃烧方式。
【专利说明】燃料组分实时定量控制的缸内均质梯级压燃式内燃机
【技术领域】
[0001]本发明属于发动机燃烧控制领域，具体涉及一种均燃料组分实时定量控制的缸内均质梯级压燃式内燃机燃烧控制系统，其中均质混合气里包含m种不同组分的燃料。
【背景技术】
[0002]20世纪90年代后期，随着各国排放法规日趋严格和石油供求矛盾日趋尖锐，研究人员发现传统内燃机存在最高热效率和最低排放两个极限。汽油机属于预混合均质燃烧，由于采用较低的压缩比，同时部分负荷工况产生的泵气损失，燃料利用率比柴油机低20%~30%。柴油机属于燃料喷雾扩散燃烧，燃料与空气的混合严重不均匀形成了高温富氧区和高温过浓区，分别产生大量的NOx和碳烟排放。
[0003]为了突破这些极限，开始了新一代内燃机燃烧技术的探索研究，发现常规燃料HCCI燃烧过程是一种全新的内燃机燃烧过程。它是通过燃料与空气形成均匀的可燃混合气在气缸内被压缩直至自行着火燃烧的方式。它结合了传统压燃式柴油机和火花点燃式汽油机的优点，随着压缩过程的进行，气缸内的温度和压力不断升高，已混合均匀或基本混合均匀的可燃混合气多点同时达到自燃条件，使燃烧在多点同时发生，而且没有明显的火焰前锋，燃烧反应迅速，燃烧温度低且分布较均匀，可以实现与柴油机相当的高热效率和汽油机的无碳烟排放，同时由于是稀混合气燃烧，NOx排放也极低。
【发明内容】
[0004]本发明解决的问题是:常规燃料HCCI燃烧过程主要受化学反应动力学所控制，这就出现了着火时刻与燃烧速率控制问题。高辛烷值的燃料不容易压燃着火，在低负荷条件下，容易失火，燃烧较难实现；而高十六烷值燃料，自然性好，容易着火，但普遍存在着燃烧相位过早，容易爆震，因此常规燃料HCCI燃烧模式存在着只能在中低负荷范围运行的问题。
[0005]本发明采用的技术方案是:通过发动机电控板(ECU)的控制，可以定量喷射出多种组分的燃料，并与定量的新鲜空气在混合腔内混合形成均质混合气，再与废气回流管理单元(EGR)回收的废气在进气总管混合，配置出发动机所需要的均质混合气，以实现着火时刻与燃烧速率控制。均质混合气中的各种组分自然性和抗爆性是不同的，从而导致各种组分依次被压燃的时刻不同，最终导致燃烧过程呈阶梯型压燃放热，每个梯级的燃烧都是多点同时发生的压燃，没有明显的火焰前锋，燃烧反应迅速，仍具有较高的热效率，同时由于多个梯级的存在，降低了压力升高率，避免了发动机工作过于粗暴。
[0006]一种燃料组分实时定量控制的缸内均质梯级压燃式内燃机，由空气管理单元1、燃料组分定量管理单元I1、控制单元II1、压燃式发动机IV、废气回流管理单元V和混合腔5构成。其主要特征是空气管理单元I和燃料组分定量管理单元II均连接至混合腔5，在腔内充分混合形成均质混合气后再进入压燃式发动机IV，同时燃料组分定量管理单元II可以定量喷射出m种性质不同组分的燃料，按照组分1、组分2、…、组分1、…组分m依次排列顺序，辛烷值成分逐渐减低，十六烷值成分逐渐升高。其中，空气管理单元I由空气滤清器
1、压气机2、电控节流阀3和空气预热器4串联组成；燃料组分定量管理单元II由各自组分i对应喷油器6和供油泵7连接组成；控制单元III中的发动机转速传感器8、油门踏板位置传感器9、起动开关10与发动机电控板(ECU) 11相连，同时ECUll又直接控制着电控节流阀
3、空气预热器4、喷油器6、EGR阀16和内部废气回流管理系统(内部EGR)的驱动构件19 ；压燃式发动机IV由进气总管12、发动机气缸13和排气总管14串联组成；废气回流管理单元V由三通15、EGR阀16、EGR过滤器17、EGR冷却器18和内部EGR的驱动构件19组成。
[0007]一种燃料组分实时定量控制的缸内均质梯级压燃式内燃机燃烧方式通过以下步骤实现:
[0008]1)发动机开始工作时，E⑶11采集发动机转速传感器8信号和油门踏板位置传感器9信号,确定功率需求Pe,从而得到各缸的循环加热量需求Qb = Pe/( n et*n)。
[0009]2)通过实验标定出各种组分i的能够起燃的最低温度Tmi和最低浓度P mi，大流程循环初值j = I。[0010]3) j自加，然后将j的值赋给i，此时i为小流程循环的初值。
[0011]4)确定如果喷射j种组分燃料时每个发动机循环缸内组分i的喷射量Gbiw =Pmi*Vi(J)和放热量Qbi(j) = Pmi*Vi(j)*Hui以及燃烧过程中缸内工质的总质量Mj = Qbi(J)/[C* (Tm(H)-Tmi)]。
[0012]5)i自减，判断是否满足i>l的条件。如果满足条件，确定每个发动机循环下一种组分i的燃烧放热量Qbi(j) = C^Mj* (Tma^-Tmi)和喷射量Gbi(j) = Qbi(j)/Hui，并将其累加至Qbk(J)和Gbk(j);如果不满足条件,确定每个发动机循环组分I的放热量Qb1(j) = Qb-Qbk(J)和喷射量Gb1(j) = 0131(」)/凡1，并且将喷射量累加至61^)。
[0013]6)再继续确定缸内这种组分i起燃时的密度P i(j)，再进行判断是否满足条件
P i(j) ^ P mi。
[0014]7)当满足条件P i(J)≥P mi时，判断是否满足条件i = 1，如果满足条件i = 1，再继续判断是否满足条件j = m,若满足条件j = m,大流程循环结束,确定每个发动机循环喷射m种组分燃料，若不满足条件j =m，转步骤3)，进入大流程循环j自加，重新考虑此时喷射j种组分燃料的可行性；如果不满足条件i = I，转步骤5)，进入小流程循环i自减，继续考虑下一种组分i的情况，直至i = I时小流程循环结束。
[0015]8)当不满足条件P i(J) > Pmi时，j自减，大流程循环结束，确定出每个发动机循环喷射j种组分燃料，即喷射组分I至组分j燃料。
[0016]9)判断喷射的j种组分燃料是否满足j>l条件。如果满足条件，每个发动机循环每种组分i的喷射量为Gbi(j)(在步骤4)和步骤5)里面已经计算出来)；如果不满足条件，说明每个发动机循环只喷射组分I燃料，确定喷射量Gb1(1)。
[0017]10)在发动机理想循环的条件下，可以把压缩过程作为多变过程考虑，确定压缩前气缸内工质的温度Tin。
[0018]11)确定此时新鲜空气的进气量M也范围[n*AFR标准*Gbk(j)，n*(Mj-Gbku))]，最小进气量是由保证多组分燃料能够恰好完全燃烧的理论空气量确定的，最大进气量是不采用EGR回收废气时，最大限度的使新鲜空气与多组分燃料混合所确定的。
[0019]12)根据热力学第一定律和质量守恒方程确定每个发动机循环新鲜空气进气量Mair以及EGR回收的废气量Meg,。
[0020]13)判断是否满足条件Tin > Ta0如果满足条件Tin > Ta,采用内部EGR回收较高温度的废气，再进行判断是否超出内部EGR最大回收量Mmaxl，若满足条件Μ- ( Mmaxl，采用本发明燃烧方式——燃料组分实时定量控制的缸内均质梯级压燃式内燃机燃烧方式，若不满足条件( Mmaxl，采用进气预热，以实现本发明燃烧方式；如果不满足条件Tin > Ta，采用外部废气回流管理系统(外部EGR)回收较低温度的废气，再进行判断是否超出外部EGR最大回收量Mmax2，若满足条件( Mmax2,实现本发明燃烧方式，若不满足条件Μ- ( Mmax2,不适合本发明燃烧方式。
[0021]其中:Pe为发动机的功率需求，Qb为的各缸循环加热量需求，η &为发动机的有效热效率，n为发动机的气缸数，Tffli和P mi分别为组分i的能够起燃的最低温度和最低浓度，Gbi(J)和Qbi(j)分别为喷射j种组分燃料时每个发动机循环缸内组分i的喷射量和燃烧放热量，Gbkw和Qbkw分别为Gbiw和Qbiw的累积求和量，Hui为组分i的热值，Viw和P i(J)分别为喷射j种组分燃料时缸内组分i起燃时缸内工质的体积和组分i的密度，Mj和C分别为喷射j种组分燃料时燃烧过程中缸内工质的总质量和比热容。Tin、Vin和Cvin分别为压缩前气缸内工质的温度、体积和比热容，k为压缩过程的多变指数，AFRigm为标准空燃比，Ta和Cpa分别为在混合腔5内形成的均质混合气的温度和比热容，Mair和分别为每个发动机循环新鲜空气的进气量和进入各缸空气量，Tegr和CPf分别为EGR所回收废气的温度和比热容，Megr和Mpel^分别为每个发动机循环ERG回收的废气量和进入各缸废气量，Mmaxl和Mmax2分别为内部EGR和外部EGR每个发动机循环回收废气量的最大极限值。
[0022]本发明的工作原理如下:
[0023]首先E⑶11根据各缸的循环加热量需求Qb，确定每个燃烧循环需喷射组分I至组分j燃料，确定原则就是将起燃时的温度控制为Tmi，同时将组分i的浓度P i(J)控制为不小于Pmi ;同时确定出每个发动机循环各缸内每种组分i的喷射量GbiW，然后根据热力学第一定律和质量守恒方程确定新鲜空气的进气量M&和EGR回收的废气量M@，最后选择合适的EGR回收方式和采用适当的进气预热，尽量在EGR最大回收能力的范围内，实现燃料组分实时定量控制的缸内均质梯级压燃式内燃机燃烧方式。不同组分i的十六烷值成分和辛烷值成分是不同的，导致了每种组分i被压燃的条件是不同的，因此本发明燃烧方式中均质混合气的具体燃烧过程如下所述:随着活塞对气缸内工质的压缩，工质的温度和浓度都不断增加，这时均质混合气中自燃性最好的组分i最先达到燃烧条件，燃烧迅速且分布较均匀，实现第一梯级压燃放热，改善了燃烧环境，又由于活塞对缸内工质的压缩，满足了下一种组分(1-1)的燃烧条件，实现第二梯级多点同时着火被压燃放热，以此类推，下一种组分(1-2)实现第三梯级压燃放热，直至组分I实现最后梯级压燃放热，这一循环的燃烧过程结束，完成了本发明燃烧方式。实际上，每种梯级成分的组分i燃烧通常历经两个阶段:首先进行蓝焰反应，燃烧放热量增加的较缓慢，持续的时间较长；然后进入主燃烧期，由于组分i没燃烧的余下充量被蓝焰反应放出的热量加热而且继续被压缩，达到其着火条件时几乎同时着火，放热迅速，具有高效的做功潜力。
[0024]本发明的工作过程如下:起动开关10接通，E⑶11上电并采集发动机转速传感器8信号和油门踏板位置传感器9信号确定功率需求Pe，进一步确定各缸的循环加热量需求Qb。根据Qb的不同，确定每个燃烧循环需喷射j种组分燃料，然后确定各缸内每种组分i的喷射量Gbiw、新鲜空气量的进气量M&和EGR回收的废气量，选择合适的EGR回收方式和采用适当的进气预热，以实现燃料组分实时定量控制的缸内均质梯级压燃式内燃机燃烧方式。
[0025]本发明与现有技术相比具有以下优点和有益效果:在常规燃料HCCI燃烧模式基础上，改用喷射多组分燃料，实现燃料组分实时定量控制的缸内均质梯级压燃式内燃机高效燃烧方式，解决了常规燃料HCCI燃烧模式中高辛烷值燃料在小负荷工况下容易出现“失火”与高十六烷值燃料在大负荷工况下则容易出现“爆震”的矛盾，实现了负荷的拓展。
[0026]本发明适合各种压燃式内燃机，尤其是车用压燃式内燃机。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1是燃料组分实时定量控制的缸内均质梯级压燃式内燃机的结构示意图。
[0028]图2是燃料组分实时定量控制的缸内均质梯级压燃式内燃机燃烧方式中确定燃料组分数量的流程图。
[0029]图3是燃料组分实时定量控制的缸内均质梯级压燃式内燃机燃烧方式中确定每个发动机循环工质量的流 程图。
[0030]其中:1.空气滤清器 2.压气机 3.电控节流阀 4.空气预热器 5.混合腔6.喷油器7.供油泵8.发动机转速传感器9.油门踏板位置传感器10.起动开关11.发动机电控板(EOT) 12.进气总管13.发动机气缸14.排气总管15.三通16.EGR阀 17.EGR过滤器 18.EGR冷却器 19.内部EGR驱动构件。
【具体实施方式】
[0031]下面结合说明书附图对本发明进行进一步说明。
[0032]一种燃料组分实时定量控制的缸内均质梯级压燃式内燃机，其连接如图1所示，它由空气管理单元1、燃料组分定量管理单元I1、控制单元II1、压燃式发动机IV、废气回流管理单元V和混合腔5构成。其中，空气管理单元I由空气滤清器1、压气机2、电控节流阀3和空气预热器4串联组成。燃料组分定量管理单元II由各自组分i对应喷油器6和供油泵7连接组成，其可以定量喷射出m种性质不同组分的燃料(按照组分1、组分2、…、组分1、…组分m依次排列顺序，辛烷值成分逐渐减低，十六烷值成分逐渐升高)。空气管理单元I和燃料组分定量管理单元II均连接至混合腔5，在腔内充分混合形成均质混合气后再进入压燃式发动机IV。控制单元III中的发动机转速传感器8、油门踏板位置传感器9、起动开关10与E⑶11相连，同时E⑶11又直接控制着电控节流阀3、空气预热器4、喷油器6、EGR阀16和内部EGR的驱动构件19。压燃式发动机IV由进气总管12、发动机气缸13和排气总管14串联组成，排气总管14排出的废气(不包含EGR回收的废气量)排到涡轮机或者后处理器等后续装置中。废气回流管理单元V由三通15、EGR阀16、EGR过滤器17、EGR冷却器18和内部EGR的驱动构件19组成，内部EGR可以通过其驱动构件控制配气正时来实现，提高压缩前气缸内工质的温度，而外部EGR回收排气总管14中的部分废气，顺次经过三通15、EGR阀16、EGR过滤器17和EGR冷却器18，最后进入到进气总管12中与均质混合气混合，以降低压缩前气缸内工质的温度。
[0033]一种燃料组分实时定量控制的缸内均质梯级压燃式内燃机燃烧方式，通过下列两大步骤实现:
[0034]1.E⑶11根据各缸的循环加热量需求Qb，确定每个燃烧循环需喷射j种组分燃料，同时计算出各缸内每种组分i的喷射量Gbi(j),如图2所不。
[0035]I)发动机开始工作时，E⑶11采集发动机转速传感器8信号和油门踏板位置传感器9信号,确定功率需求Pe,从而得到各缸的循环加热量需求Qb = Pe/( n et*n)。
[0036]2)通过实验标定出各种组分i的能够起燃的最低温度Tmi和最低浓度P mi，大流程循环初值j = I。
[0037]3) j自加，然后将j的值赋给i，此时i为小流程循环的初值。
[0038]4)确定如果喷射j种组分燃料时每个发动机循环缸内组分i的喷射量Gbiw =Pmi*Vi(J)和放热量Qbi(j) = Pmi*Vi(j)*Hui以及燃烧过程中缸内工质的总质量Mj = Qbi(J)/[C* (Tm(H)-Tmi)]。
[0039]5)i自减，判断是否满足i>l的条件。如果满足条件，确定每个发动机循环下一种组分i的燃烧放热量Qbi(j) = C^Mj* (Tma^-Tmi)和喷射量Gbi(j) = Qbi(j)/Hui，并将其累加至Qbk(J)和Gbk(j);如果不满足条件,确定每个发动机循环组分I的放热量Qb1(j) = Qb-Qbk(J)和喷射量Gb1(j) = 0131(」)/凡1，并且将喷射量累加至61^)。
[0040]6)再继续确定缸内这种组分i起燃时的密度P i(j)，再进行判断是否满足条件
P i(j) ^ P mi。
[0041]7)当满足条件P i(J)≥P mi时，判断是否满足条件i = I，如果满足条件i = 1，再继续判断是否满足条件j = m,若满足条件j = m,大流程循环结束,确定每个发动机循环喷射m种组分燃料，若不满足条件j =m，转步骤3)，进入大流程循环j自加，重新考虑此时喷射j种组分燃料的可行性；如果不满足条件i = I，转步骤5)，进入小流程循环i自减，继续考虑下一种组分i的情况，直至i = I时小流程循环结束。
[0042]8)当不满足条件P i(J) > Pmi时，j自减，大流程循环结束，确定出每个发动机循环喷射j种组分燃料，即喷射组分I至组分j燃料。
[0043]2.确定每个发动机循环新鲜空气的进气量M&和EGR回收的废气量M@，选择合适的EGR回收方式和采用适当的进气预热，以实现本发明燃烧方式，如图3所示。
[0044]I)判断喷射的j种组分燃料是否满足j>l条件。如果满足条件，每个发动机循环每种组分i的喷射量为Gbi(j)(在步骤I中的4)和5)里面已经计算出来)；如果不满足条件，说明每个发动机循环只喷射组分I燃料，确定喷射量Gb1(1)，由E⑶11控制喷油器6正时来实现。
[0045]2)在发动机理想循环的条件下，可以把压缩过程作为多变过程考虑，可以确定压缩前气缸内工质的温度为Tin。
[0046]3)确定此时新鲜空气的进气量M&的范围[n*AFR标准*Gbk(j)，n* (MrGbk(J)) ],Mair由E⑶11控制电控节流阀3的开度来实现。
[0047]4)根据热力学第一定律和质量守恒方程确定每个发动机循环新鲜空气的进气量Mair以及EGR回收的废气量Μ-。内部EGR回收的废气量是通过其驱动构件控制配气正时来实现的，外部EGR回收的废气量是通过E⑶11控制EGR阀16的开度来实现。
[0048]5)判断是否满足条件Tin > Ta0如果满足条件Tin > Ta,采用内部EGR回收高温废气，再进行判断是否超出内部EGR最大回收量Mmaxl，若满足条件Μ- ( Mmaxl，采用本发明燃烧方式，若不满足条件( Mmaxl,ECUlI控制空气预热器4对新鲜空气进行预热，以实现本发明燃烧方式；如果不满足条件Tin > Ta，采用外部EGR回收低温废气，再进行判断是否超出外部EGR最大回收量Mmax2，若满足条件L ( Mmax2，实现本发明燃烧方式，若不满足条件Megr ( Mmax2,不适合本发明燃烧方式。
[0049]本发明采用的m种组分燃料，可以是当代内燃机应用的常规燃油，同时每种组分燃料也可以是纯质或者是混合物。压缩过程的温度和燃料组分的燃烧放热量等理论计算公式在实际应用中可能会受到传热传质等因素的影响，在应用中需要相应的修正系数加以修正。
【权利要求】
1.一种燃料组分实时定量控制的缸内均质梯级压燃式内燃机，由空气管理单元1、燃料组分定量管理单元I1、控制单元II1、压燃式发动机IV、废气回流管理单元V和混合腔(5)构成，其主要特征是空气管理单元I和燃料组分定量管理单元II均连接至混合腔(5)，在腔内充分混合形成均质混合气后再进入压燃式发动机IV ;其中，空气管理单元I由空气滤清器1、压气机(2)、电控节流阀(3)和空气预热器(4)串联组成，燃料组分定量管理单元II由各自组分i对应喷油器(6)和供油泵(7)连接组成，控制单元III中的发动机转速传感器(8)、油门踏板位置传感器(9)、起动开关(10)与发动机电控板ECU(Il)相连，同时发动机电控板ECU(Il)又直接控制着电控节流阀(3)、空气预热器(4)、喷油器(6)、EGR阀(16)和内部废气回流管理系统的驱动构件(19)，压燃式发动机IV由进气总管(12)、发动机气缸(13)和排气总管(14)串联组成，废气回流管理单元V由三通(15)、EGR阀(16)、EGR过滤器(17)、EGR冷却器(18)和内部废气回流管理系统的驱动构件(19)组成。
2.一种燃料组分实时定量控制的缸内均质梯级压燃式内燃机的燃料组分定量管理单元II，可以定量喷射出m种性质不同组分的燃料，按照组分1、组分2、…、组分1、…组分m依次排列顺序，辛烷值成分逐渐减低，十六烷值成分逐渐升高。
3.一种燃料组分实时定量控制的缸内均质梯级压燃式内燃机燃烧方式，通过下列两大步骤实现:首先发动机电控板ECU(Il)根据各缸的循环加热量需求Qb，确定每个燃烧循环需喷射j种组分燃料，同时确定各缸内每种组分i的喷射量Gbiw ;然后根据热力学第一定律和质量守恒定律确定新鲜空气的进气量M&和回收的废气量M@，再选择合适的废气回流方式和采用适当的进气预热，以完成本燃烧方式。
4.一种燃料组分 实时定量控制的缸内均质梯级压燃式内燃机燃烧方式中，确定每个发动机循环喷射组分燃料种类及其各缸组分i喷射Gbiw的流程: 1)发动机开始工作时，发动机电控板ECU(Il)采集发动机转速传感器(8)信号和油门踏板位置传感器(9)信号，确定功率需求Pe，从而得到各缸的循环加热量需求Qb = Pe/(n et*n)； 2)通过实验标定出各种组分i的能够起燃的最低温度Tmi和最低浓度Pmi，大流程循环初值j = I ; 3)j自加，然后将j的值赋给i，此时i为小流程循环的初值； 4)确定如果喷射j种组分燃料时每个发动机循环缸内组分i的喷射量Gbiw=Pmi*Vi(J)和放热量Qbi(j) = Pmi*Vi(j)*Hui以及燃烧过程中缸内工质的总质量Mj = Qbi(J)/[O(Tm(H)-Tmi)]； 5)i自减，判断是否满足i>l的条件，如果满足条件，确定每个发动机循环下一种组分i的燃烧放热量Qbi(j) = OMf(Tm(H)-Tmi)和喷射量Gbi(j) = Qbi(j)/Hui，并将其累加至Qbk(J)和Gbkw ;如果不满足条件，确定每个发动机循环组分I的放热量Qbiw = Qb-Qbk(J)和喷射量Gb1(j) = 0131(」)/凡1，并且将喷射量累加至61^)； 6)再继续确定缸内这种组分i起燃时的密度Pi(j)，再进行判断是否满足条件P i(j) > P mi ; 7)当满足条件Pi(J)≥Pmi时，判断是否满足条件i = 1，如果满足条件i = 1，再继续判断是否满足条件j = m,若满足条件j = m,大流程循环结束,确定每个发动机循环喷射m种组分燃料，若不满足条件j =m，转步骤3)，进入大流程循环j自加，重新考虑喷射j种组分燃料的可行性；如果不满足条件i = 1，转步骤5)，进入小流程循环i自减，继续考虑下一种组分i的情况，直至i = I时小流程循环结束； 8) 当不满足条件Piw ≥Pmi时，j自减，大流程循环结束，确定出喷射j种组分燃料，即每个发动机循环喷射组分I至组分j燃料。
【文档编号】F02D43/00GK103912394SQ201410174883
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年4月28日 优先权日:2014年4月28日
【发明者】韩永强, 陈阳, 刘忠长, 许允, 田径, 康见见, 徐瑞辰, 韩赛男 申请人:吉林大学