一种可调节燃料辛烷值的发动机及控制方法与流程

本发明涉及内燃机，特别是涉及一种可调节燃料辛烷值的发动机及控制方法。

背景技术：

随着化石能源短缺及环境问题日益严峻，提高发动机热效率、减少发动机有害排放越来越成为发动机领域未来发展的主要方向。而由于实际道路情况变化复杂，车用发动机常常处于不同工况下运行。针对不同运行工况，存在着相匹配的特定辛烷值燃料可以使得发动机具有较高热效率和较低有害排放。辛烷值是衡量燃料受压缩自燃着火特性的人为规定参数。一般地，较高辛烷值燃料(例如汽油)受压缩不容易发生自燃着火，抗爆性好；较低辛烷值燃料(例如柴油)受压缩容易发生自燃着火。理论上，将较高辛烷值的汽油与较低辛烷值的柴油掺混，可以配制出特定辛烷值的混合燃料。

针对负荷高低可以将发动机运行工况分为小负荷工况、中负荷工况及高负荷工况。研究表明，发动机在小负荷工况下运行需要使用较低辛烷值燃料以维持稳定燃烧；发动机在中负荷工况及高负荷工况使用辛烷值较高的燃料能够获得更高的有效热效率及较低的nox、碳烟排放。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服已有技术的不足，提供一种可调节燃料辛烷值的发动机及控制方法，使发动机能在全工况范围内实现高效率、低排放运行。

一种可调节燃料辛烷值的发动机，包括燃料储存系统、配油系统、泄油系统、供油系统和发动机系统五部分，所述的燃料储存系统包括储油油箱，一块沿水平方向设置的分隔挡板设置在储油油箱内且分隔挡板的四边与储油油箱的内壁固定相连，将储油油箱内部分隔为彼此独立的上层空间和下层空间，用于储存不同辛烷值燃料，一根汽油加油管的一端与位于储油油箱上层空间的侧壁上部连通设置，一根柴油加油管的一端与位于储油油箱下层空间的侧壁上部连通设置；

所述的配油系统包括汽油输油管，所述的汽油输油管的一端与上层空间侧壁下部上的出液口连通并且另一端依次连接第一电控低压输油泵、汽油流量控制仪以及开在预混油箱顶壁上的高辛烷值燃料进液口，柴油输油管一端与下层空间侧壁下部上的出液口连通并且另一端依次连接第二电控低压输油泵、柴油流量控制仪以及开在预混油箱顶壁上的低辛烷值燃料进液口；在所述的预混油箱内安装有电控搅拌器，在所述的预混油箱的侧壁上部和下部分别安装有第一液位传感器和第二液位传感器，用于检测预混油箱中的液面高度；电子控制单元通过控制线分别与第一电控低压输油泵、汽油流量控制仪、第二电控低压输油泵、柴油流量控制仪、电控搅拌器相连，用于控制与电子控制单元通过控制线连接的各电子器件的通断；第一液位传感器和第二液位传感器通过控制线分别与电子控制单元相连以向电子控制单元中传输预混油箱中的液面信息；

所述的泄油系统包括废油油箱，所述的废油油箱通过泄油管路依次连接第三电控低压输油泵以及开在预混油箱底壁上的卸油口，电子控制单元通过控制线与第三电控低压输油泵相连接，用于控制第三电控低压输油泵通断；

所述的供油系统包括供油管路，所述的供油管路一端与开在储油油箱下层空间底壁上的出油口连通并且另一端依次连接第一电控高压输油泵、第三电磁阀、第一高压共轨、第二电磁阀、第二高压共轨、第一电磁阀、第二电控高压输油泵以及开在预混油箱底壁上的进油口；电子控制单元通过控制线分别与第一电控高压输油泵、第三电磁阀、第一高压共轨、第二电磁阀、第二高压共轨、第一电磁阀、第二电控高压输油泵连接，用于控制与电子控制单元通过控制线连接的各电子器件的通断；

发动机系统包括四个工作气缸，每一个缸均包括进气门、排气门、喷油器和缸压传感器，其中第一缸喷油器和第二缸喷油器通过油轨与第一高压共轨连接，第三缸喷油器和第四缸喷油器通过油轨与第二高压共轨连接，四个缸的缸压传感器以及喷油器分别通过控制线与电子控制单元相连，所述的四个缸的缸压传感器分别用于检测各个缸的缸内压力信号，并将信号传输给电子控制单元，所述的电子控制单元根据读取的各个缸的缸内压力信号分别向各个喷油器输出喷油时刻和喷油量控制信号。

一种可调节燃料辛烷值的发动机的控制方法，包括以下步骤：

步骤一、判断发动机工况，将所述的发动机工况分为小负荷工况、中负荷工况、高负荷工况以及过渡工况，所述的小负荷工况包括冷起动工况、怠速工况以及其他小负荷工况；

步骤二、当电子控制单元检测到发动机处于冷起动工况及怠速工况时，电子控制单元控制第一电控高压输油泵开始工作、第三电磁阀开通、第二电磁阀关闭；储油油箱中的柴油通过供油管路进入到第一高压共轨中，第一高压共轨为第一缸喷油器和第二缸喷油器供油；

当电子控制单元检测到发动机处于其他小负荷工况时，电子控制单元控制第一电控高压输油泵开始工作、第三电磁阀开通、第二电磁阀开通、第一电磁阀关闭；储油油箱中的柴油通过供油管路进入到第一高压共轨和第二高压共轨中，第一高压共轨和第二高压共轨为第一缸喷油器、第二缸喷油器、第三缸喷油器和第四缸喷油器供油；

当电子控制单元检测到发动机处于中负荷工况和高负荷工况时,控制方法如下：

(1)电子控制单元检测发动机所处的运行工况；

(2)电子控制单元监测发动机所处运行工况时间是否超过5s；如果发动机在中负荷工况或高负荷工况的运行时间不超过5s，执行步骤(7)；如果发动机在中负荷工况或高负荷工况的运行时间超过5s，则执行如下步骤：

步骤1-1：电子控制单元继续判断此工作循环所处工况是否与前一次配油系统工作时所记录的工况一致；如果此工作循环所处工况与前一次配油系统工作时所记录的工况一致，则执行步骤2-1；否则，则执行步骤2-2；

步骤2-1：电子控制单元通过第二液位传感器判断预混油箱是否有液体；如果预混油箱中有液体，执行步骤(4)；否则，则执行步骤(3)；

步骤2-2：泄油系统开始工作，电子控制单元1控制第三电控低压输油泵开始工作，预混油箱中不满足当前工况辛烷值需求的混合燃料被泄到废油油箱中；第二液位传感器持续检测预混油箱中液面高度，若第二液位传感器检测到预混油箱中有液体存在，则泄油系统需要继续工作；若第二液位传感器检测不到预混油箱中有液体存在，电子控制单元控制第三电控低压输油泵停止工作，泄油过程完成，之后开始进行配油工作，执行步骤(3)；

(3)配油系统开始配油，电子控制单元控制第一电控低压输油泵及第二电控低压输油泵开始工作；中负荷工况时电子控制单元控制汽油流量控制仪输出汽油流量与柴油流量控制仪输出柴油流量的流量比为7:3；高负荷工况时电子控制单元控制汽油流量控制仪输出汽油流量与柴油流量控制仪输出柴油流量的流量比为8:2；同时电子控制单元控制电控搅拌器工作，以加速柴油和汽油混合；当预混油箱中混合燃料液面超过第一液位传感器时，电子控制单元控制第一电控低压输油泵和第二电控低压输油泵停止工作，配油系统停止工作；

(4)电子控制单元监测发动机所处运行工况时间是否超过15s，如果发动机所处运行工况时间超过15s，执行步骤(5)；如果发动机所处运行工况时间不超过15s，则执行步骤(7)；

(5)电子控制单元控制第一电控高压输油泵停止工作、第三电磁阀关闭、第二电控高压输油泵开始工作、第一电磁阀开通，第二电磁阀开通；预混油箱中的混合燃料通过供油管路进入到第一高压共轨和第二高压共轨中，第一高压共轨和第二高压共轨为第一缸喷油器、第二缸喷油器、第三缸喷油器和第四缸喷油器供油；

(6)电子控制单元持续检测运行工况是否发生变化，如果运行工况没有发生变化，在保证当前供油方式不变的情况下，电子控制单元持续检测发动机运行工况；如果运行工况发生变化，则执行步骤(7)；

(7)发动机在瞬态阶段运行时，发动机采用过渡工况运行策略，即四缸均喷射柴油，具体为：电子控制单元控制第一电控高压输油泵开始工作、第三电磁阀开通、第二电磁阀开通、第一电磁阀关闭；储油油箱中的柴油通过供油管路进入到第一高压共轨和第二高压共轨中，第一高压共轨和第二高压共轨为第一缸喷油器、第二缸喷油器、第三缸喷油器和第四缸喷油器供油；

(8)重复步骤(1)～(7)直至电子控制单元检测到发动机不再处于中负荷工况或高负荷工况运行。

与现有技术相比，本发明具有以下优势：

第一，发动机供油系统的灵活设计允许发动机在冷起动工况及怠速工况使用两个气缸工作，节省燃料。

第二，本发明能够使发动机在中负荷工况和大负荷工况分别使用辛烷值70(ron70)和辛烷值80(ron80)的燃料，提高发动机热效率的同时有效减少有害物质排放。

第三，本发明结构较简单，不需要对发动机结构进行大幅度改动，成本低，维护保养方便。

附图说明

图1是一种可调节燃料辛烷值的发动机的结构示意图。

如图1所示数字分别表示：1.电子控制单元ecu；2.柴油加油管；3.汽油加油管；4.储油油箱；5.分割挡板；6.柴油输油管；7.汽油输油管；8.第一电控低压输油泵；9.汽油流量控制仪；10.预混油箱；11.第一液位传感器；12.第二液位传感器；13.第三电控低压输油泵；14.废油油箱；15.第四缸喷油器；16.第四缸缸压传感器；17.第四缸排气门；18.第四缸进气门；19.第四缸；20.第三缸排气门；21.第三缸缸压传感器；22.第三缸喷油器；23.第三缸；24.第三缸进气门；25.第二缸排气门；26.第二缸缸压传感器；27.第二缸；28.第二缸喷油器；29.第二缸进气门；30.第一缸排气门；31.第一缸缸压传感器；32.第一缸；33.第一缸进气门；34.第一缸喷油器；35.第一高压共轨；36.第二电磁阀；37.第二高压共轨；38.第一电磁阀；39.第二电控高压输油泵；40.电控搅拌器；41.柴油流量控制仪；42.第二电控低压输油泵；43.第一电控高压输油泵；44.第三电磁阀。

图2是发动机在中负荷工况及高负荷工况的控制策略。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

图1所示为本发明的一种可调节燃料辛烷值的发动机，包括燃料储存系统、配油系统、泄油系统、供油系统和发动机系统五部分。

所述的燃料储存系统包括储油油箱4，一块沿水平方向设置的分隔挡板5设置在储油油箱4内且分隔挡板5的四边与储油油箱4的内壁固定相连，将储油油箱4内部分隔为彼此独立的上层空间和下层空间，用于储存不同辛烷值燃料。一般地，储油油箱4的上层空间存放汽油等高辛烷值燃料，储油油箱4的下层空间存放柴油等低辛烷值燃料。一根汽油加油管3的一端与位于储油油箱4上层空间的侧壁上部连通设置，一根柴油加油管2的一端与位于储油油箱4下层空间的侧壁上部连通设置。

所述的配油系统包括汽油输油管7，所述的汽油输油管7的一端与上层空间侧壁下部上的出液口连通并且另一端依次连接第一电控低压输油泵8、汽油流量控制仪9以及开在预混油箱10顶壁上的高辛烷值燃料进液口。柴油输油管6一端与下层空间侧壁下部上的出液口连通并且另一端依次连接第二电控低压输油泵42、柴油流量控制仪41以及开在预混油箱10顶壁上的低辛烷值燃料进液口。在所述的预混油箱10内安装有电控搅拌器40，用于实现不同辛烷值燃料的快速混合。在所述的预混油箱10的侧壁上部(如：侧壁3/4高度处)和下部分别安装有第一液位传感器11和第二液位传感器12，用于检测预混油箱10中的液面高度。电子控制单元ecu1通过控制线分别与第一电控低压输油泵8、汽油流量控制仪9、第二电控低压输油泵42、柴油流量控制仪41、电控搅拌器40相连，用于控制各电子器件的通断；第一液位传感器11和第二液位传感器12通过控制线分别与电子控制单元ecu1相连以向电子控制单元ecu1中传输预混油箱10中的液面信息。

所述的泄油系统包括废油油箱14。所述的废油油箱14通过泄油管路依次连接第三电控低压输油泵13以及开在预混油箱10底壁上的卸油口。电子控制单元ecu1通过控制线与第三电控低压输油泵13相连接，用于控制其通断。

所述的供油系统包括供油管路，所述的供油管路一端与开在储油油箱4下层空间底壁上的出油口连通并且另一端依次连接第一电控高压输油泵43、第三电磁阀44、第一高压共轨35、第二电磁阀36、第二高压共轨37、第一电磁阀38、第二电控高压输油泵39以及开在预混油箱10底壁上的进油口。电子控制单元ecu1通过控制线分别与第一电控高压输油泵43、第三电磁阀44、第一高压共轨35、第二电磁阀36、第二高压共轨37、第一电磁阀38、第二电控高压输油泵39连接，用于控制各电子器件的通断。

发动机系统包括四个工作气缸均为现有结构，分别为第一缸32、第二缸27、第三缸23和第四缸19。每一个缸均包括进气门、排气门、喷油器和缸压传感器，其中第一缸喷油器34和第二缸喷油器28通过油轨与第一高压共轨35连接，第三缸喷油器22和第四缸喷油器15通过油轨与第二高压共轨37连接。四个缸的缸压传感器以及喷油器分别通过控制线与电子控制单元ecu1相连，所述的四个缸的缸压传感器分别用于检测各个缸的缸内压力信号，并将信号传输给电子控制单元ecu1，所述的电子控制单元ecu1根据读取的各个缸的缸内压力信号分别向各个喷油器输出喷油时刻和喷油量控制信号。

根据负荷大小，发动机运行工况可分为小负荷工况、中负荷工况及高负荷工况。小负荷工况包括冷起动工况、怠速工况和其他小负荷工况。由于车辆行驶路况复杂，发动机运行工况经常发生变化。因此将发动机短时间内在不同工况间频繁变化的工况(例如加速过程)称为过渡工况。表2所示为发动机在不同工况下运行所用燃料和工作缸。

表2.发动机在不同工况下运行所用燃料和工作缸

下面结合附图对本发明所有工况的控制方法进行详细描述。

本发明的一种可调节燃料辛烷值的发动机的控制方法，包括以下步骤：

步骤一、判断发动机工况，将所述的发动机工况分为小负荷工况、中负荷工况、高负荷工况以及过渡工况，所述的小负荷工况包括冷起动工况、怠速工况以及其他小负荷工况；

步骤二、冷起动工况及怠速工况一般出现在发动机起动、热机的过程中，同时怠速工况还会出现在车辆刹车的过程中。冷起动工况及怠速工况对动力性的要求不高，仅需要维持发动机处于低速运行状态，为节省燃料只需要两个气缸工作。但冷起动工况及怠速工况需要使用低辛烷值燃料(例如柴油)以维持发动机工作稳定性。当电子控制单元ecu1检测到发动机处于冷起动工况及怠速工况时，电子控制单元ecu1控制第一电控高压输油泵43开始工作、第三电磁阀44开通、第二电磁阀36关闭。储油油箱4中的柴油通过供油管路进入到第一高压共轨35中，第一高压共轨35为第一缸喷油器34和第二缸喷油器28供油，维持发动机在冷起动工况及怠速工况的稳定运行。

其他小负荷工况一般出现在发动机热机完成，车辆开始行驶但仍然处于小负荷工况的工作状态。通常表现为热机过程完成后，驾驶员踩动油门，车辆开始正常行驶。其他小负荷工况对动力性有一定的要求，因此需要四个气缸正常工作。其他小负荷工况需要使用低辛烷值燃料(例如柴油)以维持发动机工作稳定性。当电子控制单元ecu1检测到发动机处于其他小负荷工况时，电子控制单元ecu1控制第一电控高压输油泵43开始工作、第三电磁阀44开通、第二电磁阀36开通、第一电磁阀38关闭。储油油箱4中的柴油通过供油管路进入到第一高压共轨35和第二高压共轨37中，第一高压共轨35和第二高压共轨37为第一缸喷油器34、第二缸喷油器28、第三缸喷油器22和第四缸喷油器15供油。

发动机在中负荷工况及高负荷工况的控制策略如图2所示。研究表明，发动机在中负荷工况及高负荷工况使用辛烷值(ron)较高的燃料能够获得更高的有效热效率及较低的nox、碳烟排放。因此选择在中负荷工况使用辛烷值70(ron70)的柴油汽油混合燃料，在高负荷工况使用辛烷值80(ron80)的柴油汽油混合燃料。

当电子控制单元ecu1检测到发动机处于中负荷工况和高负荷工况时,控制方法如下：

(1)电子控制单元ecu1检测发动机所处的运行工况；

(2)电子控制单元ecu1监测发动机所处运行工况时间是否超过5s。如果发动机在中负荷工况或高负荷工况的运行时间不超过5s，则证明发动机仍处在运行工况不断变化的瞬态阶段，因为配置燃料的迟滞性，为保证发动机良好的动力性能和瞬时功率、转矩的需求，不适合采用相应辛烷值燃料，因此执行步骤(7)；如果发动机在中负荷工况或高负荷工况的运行时间超过5s，则执行如下步骤：

步骤1-1：电子控制单元ecu1继续判断此工作循环所处工况是否与前一次配油系统工作时所记录的工况一致。如果此工作循环所处工况与前一次配油系统工作时所记录的工况一致，则执行步骤2-1；否则，则执行步骤2-2。

步骤2-1：电子控制单元ecu1通过第二液位传感器12判断预混油箱10是否有液体。如果预混油箱10中有液体，因为之前步骤1-1中已经判断出此工作循环所处工况与前一次配油系统工作时所记录的工况一致，因此预混油箱10中的混合燃料的辛烷值满足当前工况下的需求，不需要重新配置，因此执行步骤(4)；否则，则需要配制满足当前工况辛烷值需求的混合燃料，因此执行步骤(3)。

步骤2-2：泄油系统开始工作。电子控制单元ecu1控制第三电控低压输油泵13开始工作，预混油箱10中不满足当前工况辛烷值需求的混合燃料被泄到废油油箱14中。第二液位传感器12持续检测预混油箱10中液面高度，若第二液位传感器12检测到预混油箱10中有液体存在，表示预混油箱10中混合燃料没有完全泄尽，则泄油系统需要继续工作；若第二液位传感器12检测不到预混油箱10中有液体存在，表示预混油箱10中混合燃料已被完全泄尽。电子控制单元ecu1控制第三电控低压输油泵13停止工作，泄油过程完成。之后开始进行配油工作，执行步骤(3)。

(3)配油系统开始配油。电子控制单元ecu1控制第一电控低压输油泵8及第二电控低压输油泵42开始工作。中负荷工况时电子控制单元ecu1控制汽油流量控制仪9输出汽油流量与柴油流量控制仪41输出柴油流量的流量比为7:3(例如：汽油流量控制仪9输出汽油的流量为70ml/s，柴油流量控制仪41输出柴油的流量为30ml/s)。高负荷工况时电子控制单元ecu1控制汽油流量控制仪9输出汽油流量与柴油流量控制仪41输出柴油流量的流量比为8:2(例如：汽油流量控制仪9输出汽油的流量为80ml/s，柴油流量控制仪41输出柴油的流量为20ml/s)。电子控制单元ecu1通过控制柴油流量和汽油流量，可以实现配制期望辛烷值燃料的目的。同时电子控制单元ecu1控制电控搅拌器40工作，以加速柴油和汽油混合。当预混油箱10中混合燃料液面超过第一液位传感器11时，电子控制单元ecu1控制第一电控低压输油泵8和第二电控低压输油泵42停止工作，配油系统停止工作。

(4)电子控制单元ecu1监测发动机所处运行工况时间是否超过15s。如果发动机所处运行工况时间超过15s，则证明发动机在当前工况下处于稳态运行，适合采用相应辛烷值燃料提高发动机的热效率并减少有害排放，执行步骤(5)；如果发动机所处运行工况时间不超过15s，则证明发动机仍处在运行工况不断变化的瞬态阶段，因为配置燃料的迟滞性，为保证发动机良好的动力性能和瞬时功率、转矩的需求，不适合采用相应辛烷值燃料，因此执行步骤(7)。

(5)电子控制单元ecu1控制第一电控高压输油泵43停止工作、第三电磁阀44关闭，保证柴油不能通过供油管路为第一高压共轨35和第二高压共轨37供油。电子控制单元ecu1控制第二电控高压输油泵39开始工作、第一电磁阀38开通、第二电磁阀36开通。预混油箱10中的混合燃料通过供油管路进入到第一高压共轨35和第二高压共轨37中。第一高压共轨35和第二高压共轨37为第一缸喷油器34、第二缸喷油器28、第三缸喷油器22和第四缸喷油器15供油。

(6)电子控制单元ecu1持续检测运行工况是否发生变化。如果运行工况没有发生变化，在保证当前供油方式不变的情况下，电子控制单元ecu1持续检测发动机运行工况；如果运行工况发生变化，则执行步骤(7)。

(7)发动机在瞬态阶段运行时，为保证发动机良好的动力性能和瞬时功率、转矩的需求，发动机采用过渡工况运行策略，即四缸均喷射柴油。具体为电子控制单元ecu1控制第一电控高压输油泵43开始工作、第三电磁阀44开通、第二电磁阀36开通、第一电磁阀38关闭。储油油箱4中的柴油通过供油管路进入到第一高压共轨35和第二高压共轨37中，第一高压共轨35和第二高压共轨37为第一缸喷油器34、第二缸喷油器28、第三缸喷油器22和第四缸喷油器15供油。

(8)重复步骤(1)～(7)直至电子控制单元ecu1检测到发动机不再处于中负荷工况或高负荷工况运行。