柴油发动机的燃烧控制方法与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年10月15日提交的申请号为10-2018-0122593的韩国专利申请的优先权及权益，该韩国专利申请的全部内容通过引用并入本文。

本公开涉及一种柴油发动机的燃烧控制方法。

背景技术：

本部分中的陈述仅提供与本公开相关的背景信息，并且可能不构成现有技术。

柴油发动机将燃料喷射到在缸体的压缩行程的上止点附近的具有高压和高温的燃烧室中，使得燃料通过其自燃(self-ignition)而燃烧。

通常，柴油发动机的燃烧被划分为扩散燃烧、预混合燃烧或均质充量压缩燃烧(hcci，homogeneouschargecompressionignition)。

在柴油发动机的扩散燃烧中，在进气行程期间，当空气和egr(排气再循环)气体被吸入发动机的缸体中时，燃料在压缩行程的初期被喷射到缸体内部，并且喷射的燃料被雾化成小液滴并蒸发(vaporize)以形成空气和燃料混合物。当活塞继续上升并且靠近缸体盖时，混合物温度升高，从而发生自燃。此时，进行空气和燃料的混合和燃烧同时发生的扩散燃烧。产生作为扩散燃烧过程的副产物的排放物(emission)。在扩散燃烧过程中，燃料的化学能被转换成热能并释放热量。然后，在热能转换成机械能的过程中，计算发动机性能，并且燃料消耗量通过消耗的燃料和发动机性能来计算。

柴油发动机的扩散燃烧具有降低碳烟(soot)净化效率、降低燃料效率和增加燃烧噪声的缺点。

在柴油发动机的预混合燃烧中，在进气行程期间，空气和egr气体被吸入发动机的缸体中之后，燃料在压缩行程末期被喷射到缸体内部，并且喷射的燃料被雾化成小液滴并蒸发以形成空气和燃料混合物。当活塞继续上升并且靠近缸体盖时，混合物温度升高，从而发生自燃。此时，进行在空气和燃料混合之后发生燃烧的预混合燃烧。产生作为预混合燃烧过程的副产物的排放物，并且因为在空气和燃料混合之后发生燃烧，所以预混合燃烧过程具有减少碳烟形成的效果。在预混合燃烧过程中，燃料的化学能被转换成热能并释放热量。然后，在热能转换成机械能的过程中，计算发动机性能，并且燃料消耗量通过消耗的燃料和发动机性能来计算。

已经发现，虽然柴油发动机的预混合燃烧具有减轻碳烟形成的优点，但是由于难以控制燃烧而燃烧变得不稳定，并且由于快速燃烧而增加燃烧噪声。

提供在该背景技术部分中描述的上述信息是为了帮助理解本发明构思的背景，并且可以包括不被认为是本领域技术人员已知的现有技术的任何技术构思。

技术实现要素：

已经做出本公开以解决现有技术中出现的上述问题，同时保持现有技术实现的优点。

本公开的一个方面提供一种柴油发动机的燃烧控制方法，允许预混合燃烧和扩散燃烧同时执行，从而可以实现预混合和扩散复合燃烧。

根据本公开的一方面，一种柴油发动机的燃烧控制方法可以包括：在柴油发动机的每个缸体的进气行程期间，在柴油发动机的燃烧室中预混合外部空气、排气再循环(egr)气体和汽化的柴油燃料；以及在进气行程之后进行的压缩行程期间，通过喷射器顺序地执行预喷射、主喷射和后喷射。

主喷射可以在压缩行程末期执行。

主喷射可以在上止点前(btdc)约1.0°的曲柄角度至上止点后(atdc)1.0°的曲柄角度的范围内执行。

在进气行程期间吸入燃烧室中的柴油燃料的预混合量可以约占每个缸体的每个循环供应的总燃料量的25％至35％。

在进气行程期间吸入燃烧室中的柴油燃料的预混合量可以约占每个缸体的每个循环供应的总燃料量的30％。

预喷射可以在开始主喷射前的1100μs至1200μs的范围内执行，并且预喷射中的预喷射量可以是1mg至2mg。

后喷射可以在主喷射结束后的300μs至400μs的范围内执行，并且后喷射中的后喷射量可以约是1mg至2mg。

其它适用领域将从本文提供的描述变得显而易见。应理解的是，描述和具体示例仅用于说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。

附图说明

为了可以很好地理解本公开，现在将参照附图描述通过示例的方式给出的本公开的各种形式，其中：

图1示出根据本公开的示例性形式的柴油发动机的配置；

图2示出根据本公开的示例性形式的柴油发动机的燃烧控制方法的流程图；

图3示出根据本公开的示例性形式的柴油发动机中的进气行程；

图4示出根据本公开的另一示例性形式的柴油发动机中的进气行程；

图5示出根据本公开的示例性形式的柴油发动机中的压缩行程；

图6示出根据本公开的示例性形式的柴油发动机中的做功行程；

图7示出根据本公开的示例性形式的柴油发动机中的排气行程；

图8示出关于用于预混合柴油燃料和空气的柴油燃料的预混合量和作为映射控制因子的喷射开始(soi，startofinjection)的实验设计(doe)分析的情况的曲线图；

图9示出在柴油燃料的预混合量为0mg和2mg的情况下根据曲柄角度的燃料喷射速度的曲线图；

图10示出根据柴油燃料的预混合量的制动燃料消耗率(bsfc)的曲线图；

图11示出根据柴油燃料的预混合量的碳烟形成速率的曲线图；

图12示出bsfc相对于nox产生量的比率与柴油燃料的预混合量的关系的曲线图；

图13示出碳烟相对于nox产生量的比率与柴油燃料的预混合量的关系的曲线图；

图14示出燃烧噪声水平(cnl)相对于nox产生量的比率与柴油燃料的预混合量的关系的曲线图；

图15示出热释放率相对于曲柄角度与柴油燃料的预混合量的关系的曲线图；

图16示出燃烧压力相对于曲柄角度与柴油燃料的预混合量的关系的曲线图；以及

图17示出碳烟形成速率相对于曲柄角度与柴油燃料的预混合量的关系的曲线图。

具体实施方式

以下描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制本公开、应用或用途。应理解的是，在整个附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。

另外，将省略与本公开相关联的公知技术的详细描述，以免不必要地模糊本公开的主旨。

诸如第一、第二、a、b、(a)和(b)的术语可以用于描述本公开的示例性形式中的组件。这些术语仅用于将一个组件与另一组件区分开，并且相应组件的固有特征、次序或顺序等不受这些术语的限制。除非另外定义，否则本文使用的包括技术术语或科学术语的所有术语具有与本公开所属领域的技术人员通常理解的含义相同的含义。诸如在通常使用的字典中定义的那些术语的术语将被解释为具有与相关领域中的上下文含义相同的含义，并且除非在本申请中明确定义为具有理想或过度正式的含义，否则将不被解释为具有这样的含义。

参照图1，根据本公开的示例性形式的柴油发动机1可以包括多个缸体2。为便于说明，图1中仅示出一个缸体。

活塞3可以被配置成在每个缸体2内沿垂直方向往复移动。活塞3可以限定在每个缸体2内的燃烧室4。燃料喷射器15可以被安装成将诸如轻油的液相柴油燃料喷射到每个缸体2的燃烧室4中。燃料喷射器15可以连接到燃料供应系统19，并且燃料供应系统19可以将高压柴油燃料供应到燃料喷射器15。

每个缸体2可以具有与燃烧室4连通的进气口5和排气口6。进气口5可以与进气管11连通，排气口6可以与排气管12连通。egr管13的入口端可以连接到排气管12，并且egr管13的出口端可以连接到进气管11。egr阀、egr冷却器等可以设置在egr管上。egr气体可以通过erg管13再循环至每个缸体2的进气口5。

进气门7可以被配置成打开或关闭进气口5，并且排气门8可以被配置成打开或关闭排气口6。

进气门7和排气门8可以由可变气门正时机构10控制，使得可以调节其打开/关闭正时、打开/关闭率、打开/关闭持续时间等。

电子控制单元或发动机控制单元(ecu)20可以被配置成控制燃料供应系统19、燃料喷射器15和可变气门正时机构10。ecu20可以包括处理器21和存储器22。处理器21可以被编程为接收存储在存储器22中的控制指令并且将控制指令发送到燃料供应系统19、燃料喷射器15和可变气门正时机构10。存储器22可以是数据存储装置，诸如硬盘驱动器、固态驱动器、服务器、易失性存储介质或非易失性存储介质。

图2示出根据本公开的示例性形式的柴油发动机的燃烧控制方法的流程图。

如图3所示，当进气门7打开进气口5时，外部空气和egr气体可以从进气口5被吸入燃烧室4中，从而可以进行每个缸体2的进气行程。根据本公开的示例性形式，汽化的柴油燃料可以在缸体2的进气行程期间与外部空气和egr气体一起被引入燃烧室4中，使得汽化的柴油燃料可以在缸体2的进气行程期间在燃烧室4中与外部空气和egr气体预混合(s1)。

根据示例性形式，如图3所示，在进气行程期间，燃料喷射器15可以在ecu20的控制下将预定的预混合量的柴油燃料喷射到燃烧室4中，并且排气门8可以在ecu20的控制下将排气口6打开预定时间，使得部分排放物可以从排气口6逆流到燃烧室4中，并且由燃料喷射器15喷射的液相柴油燃料可以通过逆流的排放物的热量而汽化。因此，在进气行程期间，汽化的柴油燃料可以与外部空气和egr气体预混合。此处，排气门8在进气行程中的打开程度可以小于排气门8在排气行程中的打开程度，从而减小或最小化对吸入外部空气和egr气体的任何影响。

根据另一示例性形式，如图4所示，加热器17和电磁截止阀18可以设置在进气管11上，并且加热器17可以连接到燃料供应系统19，使得从燃料供应系统19供应的液相柴油燃料可以通过加热器17汽化。当电磁截止阀18在进气行程中由ecu20打开时，汽化的柴油燃料可以被供应到进气管11内，使得汽化的柴油燃料、外部空气和egr气体可以通过进气管11被吸入燃烧室4中，并且汽化的柴油燃料可以在进气行程期间在燃烧室4中与外部空气和egr气体预混合。ecu20可以在进气行程之前控制加热器17运行预定时间，从而预先汽化从燃料供应系统19供应的液相柴油燃料。ecu20可以在进气行程期间控制电磁截止阀18打开，从而允许汽化的柴油燃料与外部空气和egr气体一起通过进气管11被吸入燃烧室4中。

在进气行程期间引入到燃烧室4中的柴油燃料的引入量，即在进气行程期间燃烧室4中与外部空气和egr气体预混合的柴油燃料的预混合量，可以占每个缸体2的每个循环供应的总燃料量的25％至35％(柴油燃料的预混合率)，并且在压缩行程期间直接喷射到燃烧室4中的柴油燃料的喷射量可以占每个缸体2的每个循环供应的总燃料量的65％到75％。换言之，在进气行程期间吸入的柴油燃料的预混合量与在压缩行程期间喷射的柴油燃料的喷射量的比率的范围可以为25:75至35:65。如图2所示，由于在进气行程期间柴油燃料与外部空气和egr气体预混合，因此可以执行预混合燃烧直到主喷射(s3)。

当活塞3在进气行程之后上升时，如图5所示，可以进行压缩行程。在压缩行程期间，可以通过燃料喷射器15顺序地执行预喷射(s2)、主喷射(s3)和后喷射(s4)。

预喷射(s2)可以在压缩行程的初期执行，并且燃料喷射器15可以将预定预喷射量的柴油燃料喷射到燃烧室4中。例如，预喷射(s2)可以在主喷射(s3)开始之前的1100μs至1200μs的范围内执行，并且预喷射(s2)中的预喷射量的范围可以约为1mg至2mg。

预喷射(s2)也称为点火喷射或提前喷射，可以在主喷射之前喷射少量燃料。通过在主喷射之前提供短的非喷射时段，可以有助于改善空气和燃料混合并且降低由于主喷射的点火延迟而导致的柴油发动机的噪声和振动，从而有助于燃烧。由于预喷射，燃烧压力可以缓慢地增加，从而可以减少振动和噪声，并且空气和燃料混合时段可以增加，从而可以减少排放。

主喷射(s3)可以在压缩行程末期执行，并且燃料喷射器15可以将预定主喷射量的柴油燃料喷射到燃烧室4中。例如，主喷射(s3)可以在上止点(tdc)前1.0°的曲柄角度至tdc后1.0°的曲柄角度(即1.0°btdc至1.0°atdc)的范围内执行，并且在主喷射(s3)中的主喷射量可以约为7.3mg至15.3mg。

后喷射(s4)可以在主喷射s3之后并且在排气行程之前执行，并且燃料喷射器15可以将预定后喷射量的柴油燃料喷射到燃烧室4中。例如，后喷射(s4)可以在主喷射结束后的300μs至400μs的范围内执行，后喷射(s4)中的后喷射量可以约为1mg至2mg。通过在主喷射(s3)之后执行后喷射(s4)，液相柴油燃料可以被供应到催化转换器，从而降低燃烧室中的燃烧温度以减少nox。

如图6所示，在主喷射(s3)中喷射的燃料可以被雾化成小液滴并蒸发以形成空气和燃料混合物。当活塞继续上升并靠近缸体盖时，混合物温度升高，发生自燃(做功行程)。此时，如图2所示，可以进行空气和燃料混合和燃烧同时发生的扩散燃烧，直到后喷射(s4)结束之后。排放物可以作为扩散燃烧过程的副产物产生。在扩散燃烧过程中，当燃料的化学能转换成热能时释放热量。然后，在热能被转换成机械能的过程中，计算发动机性能，并且燃料消耗量通过消耗的燃料和发动机性能来计算。

在做功行程之后，如图7中所示，排气门8可以打开排气口6，从而可以进行燃烧气体通过排气口6排出的排气行程(s5)。

如上所述，在进气行程期间，汽化的柴油燃料与外部空气和egr气体可以一起被引入燃烧室4中，使得汽化的柴油燃料可以在进气行程期间与外部空气和egr气体预混合，因此可以执行预混合燃烧直到主喷射(s3)开始。由于执行预混合燃烧直到主喷射(s3)，主喷射(s3)之后的扩散燃烧可以相对减少，从而可以减少碳烟形成。

图8和图9示出根据柴油燃料的预混合量、喷射信息等的实验设计(doe)分析的情况的曲线图。此处，分析(或实验)对象是2.0leuro6柴油发动机，并且待检查的操作点是发动机转速为2000rpm，并且制动平均有效压力(bmep)为6bar。柴油发动机的预混合量可以在0至10mg的范围内变化，主喷射的开始可以在从tdc前3.8°的曲柄角度到tdc前0.2°的曲柄角度(即，3.8°btdc至0.2°btdc)的范围内变化。在每个缸体的一个循环中供应的总燃料量是固定的，并且当柴油发动机的预混合量增加时，主喷射量减少，并且预喷射量和后喷射量根据主喷射量的变化而变化。

图8示出关于用于预混合柴油燃料、外部空气和egr气体的柴油燃料的预混合量和作为映射控制因子的喷射开始(soi)的doe分析的情况。此处，这些情况包括根据soi的柴油燃料的预混合量为0mg的基点(base)，以及根据soi的柴油燃料的预混合量为2mg、4mg、6mg、8mg和10mg的doe组。

图9示出在柴油燃料的预混合量为0mg的情况下以及在柴油燃料的预混合量为2mg的情况下根据曲柄角度的喷射速度的曲线图。

下表1示出在柴油燃料的预混合量为0mg、2mg、4mg、6mg、8mg和10mg的情况下主喷射量的变化。

表1

参照图10，可以看出，当柴油燃料的预混合量大于或等于4mg(约为总燃料量的20％)时，制动燃料消耗率(bsfc)降低。

参照图11，可以看出，当柴油燃料的预混合量大于或等于4mg(约为总燃料量的20％)时，碳烟的形成减少。

参照图12，可以看出，在柴油燃料的预混合量为6mg(约为总燃料量的30％)的情况下，bsfc相对于nox产生量的比率显著降低。

参照图13，可以看出，在柴油燃料的预混合量为6mg(约为总燃料量的30％)的情况下，碳烟相对于nox产生量的比率显著降低。

参照图14，可以看出，在柴油燃料的预混合量为6mg(约为总燃料量的30％)的情况下，燃烧噪声水平(cnl)相对于nox产生量的比率降低。

如下表2所示，在柴油燃料的预混合量为6mg(约为总燃料量的30％)的情况下，bsfc改善了约3％，cnl改善了约5％。特别地，当柴油燃料预混合率(柴油燃料的预混合量/总燃料量)为30％，并且主喷射在tdc前0.3°的曲柄角度(0.3°btdc)处开始时，可以实现最佳效果。

表2

参照图15，在柴油燃料的预混合量为0mg的情况下，随着在压缩行程末期曲柄角度增加，热释放率可能急剧增加，因此bsfc可能减小。相比之下，在柴油燃料的预混合量为6mg(参照图15，约为总燃料量的30％)的情况下，柴油燃料在进气行程期间与外部空气和egr气体预混合，并且随着曲柄角度增加，可以通过预喷射(s2)缓慢增加热释放率，并且可以通过主喷射(s3)增强燃烧，因此可以改善燃烧效率和bsfc。

参照图16，在柴油燃料的预混合量为0mg的情况下，随着在压缩行程末期曲柄角度增加，燃烧压力可能急剧增加，因此cnl可能劣化。相比之下，在柴油燃料的预混合量为6mg(约为总燃料量的30％)的情况下，柴油燃料在进气行程期间与外部空气和egr气体预混合，并且随着曲柄角度增加，可以通过预喷射(s2)缓慢增加燃烧压力，因此可以改善cnl。

参照图17，在柴油燃料的预混合量为0mg的情况下，主喷射量相对增加，因此可能增加由不完全燃烧产生的碳烟形成。相比之下，在柴油燃料的预混合量为6mg(参照图17，约为总燃料量的30％)的情况下，主喷射量相对减少，因此可以减少碳烟形成。

如上所述，根据本公开的示例性形式，预混合燃烧和扩散燃烧可以同时进行，从而提高燃料效率，降低燃烧噪声，并且显著减少碳烟。

此外，根据本公开的示例性形式，由于在进气行程中，汽化的柴油燃料与外部空气和egr气体预混合，并且可以执行预混合燃烧直到主喷射开始，并且在主喷射之后，扩散燃烧可以相对减少，从而减少碳烟的形成。

在上文中，虽然已经参照示例性形式和附图描述了本公开，但是本公开不限于此，而是可以在不脱离本公开的思想和范围的情况下由本公开所属领域的技术人员进行各种修改和改变。