专利名称：一种压燃式发动机上燃用掺水乙醇的控制方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及压燃式发动机上新的燃烧方法及装置，属于内燃机燃用掺水乙醇(掺水体积 比10%-20%)燃料的燃烧方法方面的方法及装置。
背景技术：
压燃式发动机具有热效率高，功率密度大，使用寿命长，工作可靠，操作方便，价格低 廉等优点，而这些优点是其它动力装置短时间内无法超越的，因而压燃式发动机汽车也不会 在较短时期内被使用其它动力装置的汽车所取代。但是大量压燃式发动机汽车的使用，造成 了两大直接后果一大气环境污染严重和大量石油燃料的消耗。为此，迫切需要寻找一种资源 广泛、燃烧清洁的压燃式发动机新型代用燃料。
乙醇含氧量高达35%、汽化潜热值比汽油和柴油高，含水后的含氧量、气化潜热比纯乙 醇更高，而且不含硫，是清洁、可再生的燃料。高达20%的含水量可以减少生产过程中的脱 水工艺，降低生产成本。全世界的燃料乙醇几乎全部都是以纯乙醇(纯度99%以上)，我国也 如此。使用纯乙醇的缺点(1)生产过程中需要提纯，导致生产成本高；(2)存je运输过程 中需要密封防止吸水导致使用成本高。同时，现阶段燃料乙醇的利用主要是以不同比例和汽 油混合构成乙醇汽油。我国的乙醇汽油构成以EIO (10%乙醇体积比)为主。这种方法的优点
是内燃机基本不需要改动就可以燃用部分醇燃料。但它的缺点也非常明显(1)汽油发动机
的热效率不高，导致乙醇的能量利用率有限；(2)乙醇燃料的掺混比例很小，否则混合燃料 容易分层，为了提高掺混比例，需要添加表面活性剂、助溶剂等物质，增加燃料成本；(3)
在柴油机上燃用时，还需要添加十六烷值升高剂，这些添加剂多为硝基化合物，燃用时会增
加N0x排放；(4)乙醇的汽化潜热高，燃料在低温下难以着火，发动机冷起动困难；(5)小 负荷工作时，由于气缸内温度和排气温度都很低，因而未燃碳氢和醛类排放严重；(6)从我
国当前的燃料结构看，市场上紧缺的是柴油而非汽油。因此如何用燃料乙醇高效清洁的替代柴油是现阶段需要解决的主要问题。鉴于上述情况，为实现利用可再生的能源醇替代部分石 油，并且尽量做到无烟燃烧的零排放，改进内燃机燃用乙醇燃料的燃烧技术十分重要。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术的不足，提供一种可以保证发动机冷起动及低负荷的排 放性能，可以减少醛类、碳烟和N0x排放，可以用乙醇燃料替代较多的石油燃料的一种压燃 式发动机上燃用掺水乙醇的控制方法及其装置。
本发明的一种压燃式发动机上燃用掺水乙醇的控制方法，它包括以下步骤
(1) 启动发动机、暖车；
(2) 检测发动机出水管冷却水温度是否不低于设定的温度，若检测为否，则发动机靠燃油 工作；
(3) 若步骤(2)中检测结果为是，则检测发动机排气温度是否不小于设定的温度，若检测 为否，则发动机靠燃油工作；
(4) 若步骤(3)中检测结果为是，则检测发动机转速是否不小于设定的转速，若检测为否， 则发动机靠燃油工作；
(5) 若步骤(4)中检测结果为是，则检测发动机油门位置传感器的输出值是否不小于设定 的值，若检测为否，则发动机靠燃油工作；
(6) 若步骤(5)中检测结果为是，则电子控制单元向控制电动乙醇泵开闭的电磁阀发出开 启信号从而开启电动乙醇泵，向供醇系统管路提供压力为0.30-0.35MPa的掺水乙醇，同时控 制醇燃料喷嘴开启，发动机进行双燃料工作，所述的掺水乙醇的掺水体积比例为10-20%,水 质为蒸馏水。
一种实现压燃式发动机上燃用掺水乙醇控制方法的控制装置，它包括一个电子控制单元， 它还包括设置在发动机进气歧管上的低压轴针式喷嘴并且其通过控制信号线与所述的电子控 制单元相连，放置在乙醇燃料箱中的电动乙醇泵并且其通过信号线依次与电磁阀、所述的电 子控制单元相连，在飞轮壳上安装有转速传感器，与油门拉杆同轴安装有油门位置传感器， 在发动机出水管上安装有冷却水温度传感器，所述的电子控制单元用于釆集所述的每一传感器的输出信号并分别与设定的值比较判断，然后向所述的电动醇泵的电磁阀发出启动信号， 同时电子控制单元根据传感器信号对存储在电子控制单元内部的脉谱表进行插值获得不同工 况下合适的控制脉宽，并向醇燃料喷嘴发出脉宽控制信号从而获得适合不同工况的喷醇量。 本发明的优点在于(1)含水乙醇的生产过程去除脱水工艺降低了乙醇燃料成本；(2) 不存在燃料分层的问题，可以提高燃料乙醇对石油产品的替代率，最高可以到60% (质量)， 减少发动机对石油燃料的依赖；(3)不影响发动机的冷起动性能；(4)有效避免低负荷未燃 碳氢与醛类的排放，因为喷醇后发动机的排温高于30(TC，远高于氧化催化转换器的起燃温度， 而甲醛的着火点为30(TC; (4)由于含水乙醇的汽化潜热非常大，从进气管喷入含水乙醇时， 可以有效降低发动机进气温度，进而降低最高燃烧温度，抑制NOx的生成；(5)由于含水乙醇 的含氧量高，燃烧速度快，在柴油机上燃用时，还可以有效降低中高负荷的碳烟排放；(6)
由于水的存在，燃烧过程中的最高燃烧温度和平均燃烧温度能大幅下降，且由于水煤气反应
的存在及水分解的大量OH自由基能有效去除形成碳核的乙炔，从而能在有效减少NOx排放的同 时降低碳烟排放；(7)由于醇燃料不含硫，发动机燃用部分醇燃料后可以减少石化燃料的量， 相当于降低了发动机燃料中的含硫量，有利于延长发动机催化转换器的使用寿命。
附图是本发明的一种压燃式发动机上的燃用掺水乙醇方法的控制流程图。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
本发明方法的工作原理是根据发动机油门位置、转速、冷却水温、排气温度等因素决定 发动机采取单燃料还是双燃料工作，双燃料工作时，根据发动机性能的要求喷入适量的掺水 乙醇燃料，所述的掺水乙醇燃料中含水体积比为10%_20%，水质为蒸馏水。
如附图所示，本发明的一种压燃式发动机上的燃用掺水乙醇的方法，它包括以下步骤 (l)启动发动机、暖车；(2)检测发动机出水管冷却水温度是否不低于设定的温度，若检测为 否，则发动机靠燃油工作；(3)若步骤(2)中检测结果为是，则检测发动机排气温度是否不小于设定的温度，若检测为否，则发动机靠燃油工作；(4)若步骤(3)中检测结果为是，则检测 发动机转速是否不小于设定的转速，若检测为否，则发动机靠燃油工作；(5)若步骤(4)中检 测结果为是，则检测发动机油门位置传感器的输出值是否不小于设定的值，若检测为否，则 发动机靠燃油工作；(6)若步骤(5)中检测结果为是，则电子控制单元向控制电动乙醇泵开闭 的电磁阀发出开启信号从而开启电动乙醇泵，向供醇系统管路提供压力为O. 30-0. 35-MPa的掺 水乙醇，同时控制醇燃料喷嘴开启，发动机进行双燃料工作，所述的掺水乙醇的掺水体积比 例为10-20%，水质为蒸馏水。所述的电控单元可以为单片机或计算机。 根据本发明方法通常情况下可以对设定值进行如下设置
1) 当发动机扭矩大于等于30%最大扭矩、转速高于等于40%标定转速、冷却水温度大于等 于7(TC、排气温度大于等于30(TC时，通过电子控制单元，开启电动乙醇泵并向乙醇管路提供 0. 35MPa压力的掺水乙醇，同时电子控制单元根据传感器信号对存储在电子控制单元内部的脉 谱表(这里所指的脉谱表是一个二维的曲线图表，此二维曲线表是通过发动机台架试验测得 的，根据发动机转速以及油门位置值进行标定并根据油温和冷却水温度进行修正从而得到脉 宽控制值。)进行插值获得不同工况下合适的控制脉宽，并向醇燃料喷嘴发出脉宽控制信号从 而获得适合不同工况的喷醇量，发动机进行双燃料工作。
2) 当发动机扭矩小于30%最大扭矩、或转速低于40%标定转速、或冷却水温度低于7(TC， 或排气温度小于300。C时，电子控制单元关闭电动乙醇泵，也停止向喷嘴发出脉宽控制信号， 发动机仅靠燃油工作，以保证发动机良好的冷起动性能和小负荷的排放品质。
一种实现本发明方法的控制装置，它包括一个电子控制单元，它还包括设置在发动机进 气歧管上的低压轴针式喷嘴并且其通过控制信号线与所述的电子控制单元相连，放置在乙醇 燃料箱中的电动乙醇泵并且其通过信号线依次与电磁阀、所述的电子控制单元相连，在飞轮 壳上安装有转速传感器，与油门拉杆同轴安装有油门位置传感器，在发动机出水管上安装有 冷却水温度传感器，所述的电子控制单元用于采集所述的每一传感器的输出信号并分别与设 定的值比较判断，然后向所述的所述的电动醇泵的电磁阀发出启动信号，同时电子控制单元 根据传感器信号对存储在电子控制单元内部的脉谱表进行插值获得不同工况下合适的控制脉 宽，并向醇燃料喷嘴发出脉宽控制信号从而获得适合不同工况的喷醇量。本发明首先是利用含水乙醇的高含氧量及高气化潜热的特性，根据发动机性能的需要， 将发动机的工作状态分为两个阶段。在发动机的起动、暖车及小负荷工作时，靠原供油系统 供给燃油工作，以保发动机良好的起动性能，避免醛类排放。而在中高负荷时，通过安装在 进气管上的醇喷嘴喷入部分含水乙醇燃料，这时的排气温度高，有效控制醛类排放。同时因 为乙醇及其水合物是含氧、高汽化潜热的燃料，由于其高汽化潜热，将会大幅度降低缸内混 合气温度，减少燃料裂解和NOx生成的机会。同时由于它们含氧，易挥发，形成的均质混合气 燃烧时不会生成碳烟。乙醇可来自和生物制品，资源非常丰富，也是石油燃料的最好替代品 之一。采用组合燃烧理论在发动机上燃用掺水乙醇燃料不仅可以减少有害排放，还可以提高 发动机热效率，提高燃料利用率，符合国家长远发展计划的能源要求。
下面举一具体实施例，来说明本发明的技术方案。
实施例l
在6J230-20 (DI)型高速柴油机的进气歧管上距离气缸盖100mm处安装6只低压轴针式喷 嘴，在乙醇燃料箱中放置一电动燃油泵，供给燃料压力为0.35MPa。在飞轮壳上安装转速传感 器，与油门拉杆同轴安装油门位置传感器，发动机出水管上安装冷却水温度传感器。电控单 元主要由freescaleMC9S12DP256单片机组成，可以采集发动机转速、油门位置、温度信号， 并由此判断发动机工作状况，来发出喷嘴的启动信号。即当柴油机转速超过1000r/min、扭矩 超过200N.m、排气温度超过30(TC，并且冷却水温度超过70'C时，MC9S12发出高电平信号，喷 嘴打开向发动机喷射含水体积比为10%、水质为蒸馏水的含水醇燃料，所述的燃料的喷射量由 高电平的持续时间来决定。
经国家汽车质量监督检验中心(襄樊)检测采用本燃烧新方法及其控制装置的6J230-20 (DI)型高速增压中冷柴油机，在仍然釆用原机的泵管嘴燃油喷射系统的情况下可以使发动
机排放从国ii排放标准提升到国m排放标准，除微粒指标满足国m要求外，其余指标低于国
IV要求，且燃料经济性基本保持不变。柴油机转速为2300r/min时，发动机以含水醇/柴油为 燃料进行组合燃烧时，柴油的最大替代率可以达到42% (质量百分比)。 实施例2
在6J230-20 (DI)型高速柴油机的进气歧管上距离气缸盖100mm处安装6只低压轴针式喷嘴，在乙醇燃料箱中放置一电动燃油泵，供给燃料压力为0.32MPa。在飞轮壳上安装转速传感 器，与油门拉杆同轴安装油门位置传感器，发动机出水管上安装冷却水温度传感器。电控单 元主要由freescaleMC9S12DP256单片机组成，可以采集发动机转速、油门位置、温度信号， 并由此判断发动机工作状况，来发出喷嘴的启动信号。即当柴油机转速为1000r/min、扭矩为 200N.m、排气温度为30(TC，并且冷却水温度为70。C时，MC9S12发出高电平信号，喷嘴打开向 发动机喷射含水体积比为20%、水质为蒸馏水的含水醇燃料含水醇燃料，燃料的喷射量由高电 平的持续时间来决定。
经国家汽车质量监督检验中心(襄樊)检测采用本燃烧新方法及其控制装置的6J230-20 (DI)型高速增压中冷柴油机，在仍然采用原机的泵管嘴燃油喷射系统的情况下可以使发动
机排放从国ii排放标准提升到国m排放标准，除微粒指标满足国m要求外，其余指标低于国
IV要求，且燃料经济性基本保持不变。柴油机转速为2300r/min时，发动机以含水醇/柴油为 燃料进行组合燃烧时，柴油的最大替代率可以达到42% (质量百分比)。 实施例3
在6J230-20 (DI)型高速柴油机的进气歧管上距离气缸盖100mm处安装6只低压轴针式喷 嘴，在乙醇燃料箱中放置一电动燃油泵，供给燃料压力为0.30MPa。在飞轮壳上安装转速传感 器，与油门拉杆同轴安装油门位置传感器，发动机出水管上安装冷却水温度传感器。电控单 元主要由freescaleMC9S12DP256单片机组成，可以采集发动机转速、油门位置、温度信号， 并由此判断发动机工作状况，来发出喷嘴的启动信号。即当柴油机转速超过1000r/min、扭矩 超过200N.m、排气温度超过300。C，并且冷却水温度超过70。C时，MC9S12发出高电平信号，喷 嘴打开向发动机喷射含水体积比为15%、水质为蒸馏水的含水醇燃料，所述的燃料的喷射量由 高电平的持续时间来决定。
经国家汽车质量监督检验中心(襄樊)检测采用本燃烧新方法及其控制装置的6J230-20 (DI)型高速增压中冷柴油机，在仍然采用原机的泵管嘴燃油喷射系统的情况下可以使发动
机排放从国ii排放标准提升到国ni排放标准，除微粒指标满足国in要求外，其余指标低于国
IV要求，且燃料经济性基本保持不变。柴油机转速为2300r/min时，发动机以含水醇/柴油为 燃料进行组合燃烧时，柴油的最大替代率可以达到42% (质量百分比)。
权利要求
1. 一种压燃式发动机上燃用掺水乙醇的控制方法，其特征在于它包括以下步骤(1)启动发动机、暖车；(2)检测发动机出水管冷却水温度是否不低于设定的温度，若检测为否，则发动机靠燃油工作；(3)若步骤(2)中检测结果为是，则检测发动机排气温度是否不小于设定的温度，若检测为否，则发动机靠燃油工作；(4)若步骤(3)中检测结果为是，则检测发动机转速是否不小于设定的转速，若检测为否，则发动机靠燃油工作；(5)若步骤(4)中检测结果为是，则检测发动机油门位置传感器的输出值是否不小于设定的值，若检测为否，则发动机靠燃油工作；(6)若步骤(5)中检测结果为是，则电子控制单元向控制电动乙醇泵开闭的电磁阀发出开启信号从而开启电动乙醇泵，向供醇系统管路提供压力为0.30-0.35-MPa的掺水乙醇，同时控制醇燃料喷嘴开启，发动机进行双燃料工作，所述的掺水乙醇的掺水体积比例为10-20％，水质为蒸馏水。
2. —种实现压燃式发动机上燃用掺水乙醇控制方法的控制装置，它包括一个电子控制 单元，其特征在于它还包括设置在发动机进气歧管上的低压轴针式喷嘴并且其通过控制 信号线与所述的电子控制单元相连，放置在乙醇燃料箱中的电动乙醇泵并且其通过信号线 依次与电磁阀、所述的电子控制单元相连，在飞轮壳上安装有转速传感器，与油门拉杆同 轴安装有油门位置传感器，在发动机出水管上安装有冷却水温度传感器，所述的电子控制 单元用于采集所述的每一传感器的输出信号并分别与设定的值比较判断，然后向所述的所 述的电动醇泵的电磁阀发出启动信号，同时电子控制单元根据传感器信号对存储在电子控 制单元内部的脉谱表进行插值获得不同工况下合适的控制脉宽，并向醇燃料喷嘴发出脉宽 控制信号从而获得适合不同工况的喷醇量。
全文摘要
本发明公开了一种压燃式发动机上燃用掺水乙醇的控制方法及其装置，该方法包括以下步骤(1)启动发动机；(2)依次检测发动机出水管冷却水温度是否不低于设定的温度、检测发动机排气温度是否不小于设定的温度、检测转速是否不小于设定的转速、检测油门位置传感器的输出值是否不小于设定的值，若检测为否，则发动机靠燃油工作；(3)若步骤(2)中检测结果为是，则电子控制单元向控制电动乙醇泵开闭的电磁阀发出开启信号从而开启电动乙醇泵，向供醇系统管路提供掺水乙醇，同时控制醇燃料喷嘴开启，发动机进行双燃料工作。本方法可以保证发动机冷起动及低负荷的排放性能，减少醛类、碳烟和NOx排放，可以用乙醇燃料替代较多的石油燃料。
文档编号F02D19/06GK101509431SQ20091006816
公开日2009年8月19日 申请日期2009年3月18日 优先权日2009年3月18日
发明者琦 夏, 姚春德, 徐元利, 杨建军, 陈绪平 申请人:天津大学