专利名称：实现汽油机hcci燃烧的进排气热控制装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种汽油机进排气热控制系统，尤其涉及一种实现汽油机HCCI燃烧的进排气热控制系统。
背景技术：
汽油机上采用均质压燃燃烧方式(Homogeneous Charge Compression Ignition, HCCI)具有较高的燃油经济性和较低的NOx排放潜力。为了实现汽油机的均质压燃燃烧方式，需要在压缩上止点附近将缸内的油气混合气压缩至1000K的高温。在不对机体做较大改动，保持常规汽油机压缩比条件下，对发动机进气进行加热是实现汽油机HCCI燃烧的一种主要途径。由于发动机排气具有较高的热量，故利用换热器实现排气-进气的热交换，从而实现对发动机进气温度的提升，成为不附加能耗而实现汽油机HCCI燃烧的一种较优方案。美国Lawrence Livermore国家实验室在文献SAE2000-01-2869中，在采用了进气增压对温度辅助提升的前提下，利用排气-进气换热器满足了 HCCI燃烧对进气温度的需要。该系统一方面依赖进气增压带来的的温度提升，另一方面该套试验系统无法做到进气温度的快速调节，即无法实现发动机HCCI燃烧瞬态变工况的运转。美国福特汽车公司在文献 SAE2002-01-2832, SAE2006-01-1082 和专利 US6675579-B1、US2006150952-A1 中采用排气-进气换热来提升进气温度，并修改发动机进气系统使之具备冷、热两个进气管道， 通过将冷、热两股进气在进入气缸前按比例混合，以获得所需的进气温度，最终实现HCCI 燃烧。但由于排气-进气的换热能力受到了气-气换热器效率较低的限制，在实际试验过程中会遇到换热热量难以满足进气温升需求的问题，须采用电加热装置来辅助提升进气温度。此外，上述提到的福特公司的HCCI发动机采用了非常规的、较高的压缩比，也是为了能从一定程度上解决换热热量不足加热进气至所需温度的矛盾。瑞典Limd大学在SAE文献2004-01-0943中，在汽油机HCCI燃烧的研究方面，搭建了与美国福特汽车公司类似的排气-进气热管理系统，也是期望利用排气-进气的热交换来实现对发动机进气的加热，但同样遇到了换热器换热能力不足的问题，在实际的试验中也是采用了电加热装置提升进气温度。从目前采用排气-进气换热以实现汽油机HCCI燃烧的研究状况可以看出，在常规的汽油机压缩比下，汽油机HCCI燃烧对进气温度的较高需求，对排气-进气换热器的换热效率提出了较高的要求。如图1所示为发动机工作在HCCI模式时，汽油机排气温度、换热后可实现的进气温度与实现HCCI燃烧所需的进气温度的示意图。从图1中可以看出，在汽油机中小负荷时，特别是在小负荷时，发动机的排气温度较低，而实现HCCI燃烧模式所需求的进气温度反而更高，常规换热器很难使得换热后的进气温度满足HCCI燃烧对进气温度的要求；而在汽油机中高负荷时，发动机的排气温度较高，实现HCCI燃烧的温度需求较低，故而排气热量与进气换热后还有较多盈余。从上述分析中可以看出，若要使得汽油机在全工况下实现HCCI燃烧，则必须使进气温度在各种工况均满足HCCI燃烧的进气温度
3需求。而在排气温度较低的小负荷工况时，即使在冷却水-进气换热对进气温度的辅助提升作用下，也必须使排气-进气换热器达到极高的换热能力才能满足汽油机实现HCCI燃烧。而气-气换热器本身就存在着换热效率较低的缺点，换热器结构参数的优化很难大幅提升其换热效率，同时还会带来气流阻力上升、尺寸增大等负面影响，这样的矛盾就导致了排气-进气换热器很难实际应用于汽油机HCCI燃烧。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供一种实现汽油机HCCI燃烧的进排气热控制装置及方法，通过对发动机进排气热量的控制，使排气-进气的热交换易于满足各工况下汽油机HCCI燃烧对进气温度的需求，特别是解决汽油机小负荷时排气热量不足以加热进气至所需温度的问题，从而实现排气-进气换热在汽油机HCCI燃烧的实际应用。为了解决上述技术问题，本发明实现汽油机HCCI燃烧的进排气热控制装置的技术方案是包括排气管路、进气管路和排气-进气换热器，所述排气管路上设有一贯穿于所述排气-进气换热器的排气旁路，所述进气管路上设有一贯穿于所述排气-进气换热器的进气旁路；所述排气-进气换热器内填充有储热材料；所述排气管路、所述排气旁路、所述进气管路和所述进气旁路上均分别设有一电动阀；所述排气管路上、且位于所述排气旁路的上游处设有排气温度传感器，所述进气管路上、且位于所述进气旁路的下游处设有进气温度传感器，所述排气-进气换热器中设有换热器内部温度传感器；上述各电动阀和排气温度传感器、进气温度传感器及换热器内部温度传感器均与一控制器连接；所述控制器包括与一单片机连接的信号调理电路和驱动电路，其中，所述信号调理电路与所述排气温度传感器、进气温度传感器及换热器内部温度传感器相连，所述信号调理电路用于对温度传感器信号进行处理；所述驱动电路与上述各电动阀相连，所述驱动电路用于实现对各电动阀的驱动；所述单片机用于数据计算及逻辑判断，即所述单片机根据从所述信号调理电路获取的处理结果对上述各电动阀的开闭及开度状态进行调整，从而实现进排气的热控制。本发明实现汽油机HCCI燃烧的进排气热控制方法包括以下步骤步骤一、对各温度传感器及各电动阀进行功能性检测；步骤二、根据脉谱表设定当前发动机工况所对应的进气温度；步骤三、信号调理电路通过排气温度传感器获取排气管路上游位置处的温度，单片机判断该温度是否高于排气-进气换热器内储热材料的温度，若“是”，则单片机向驱动电路发出打开所述排气旁路上的电动阀并同时关闭所述排气管路上电动阀的指令；否则， 反之；步骤四、信号调理电路通过进气温度传感器获取进气管路下游位置处的实际温度，判断该实际温度是否满足进气温度的设定值，若“是”，则返回步骤二 ；否则，则计算实际温度与设定值的差值，进而利用PID算法得到驱动进气管路和进气旁路的电动阀所需的占空比，再由驱动电路按照上述的占空比驱动进气管路和进气旁路的电动阀动作，使实际温度趋向进气温度的设定值；步骤五、判断系统是否进行下一个热控制循环，若“是”，返回上述步骤二，否则，结束热控制。与现有技术相比，本发明的有益效果是
本发明与现有技术相比，在可实现对排气热量的利用和进气温度快速调节的基础上，采用了内含储热材料的换热器，使换热器具备了热量的存储能力，并利用排气管路和旁路电动阀调节排气是否流经换热器，实现了换热器中排气热量留存和积累，特别是在汽油机中大负荷工况时，可以实现对排气热量在换热器中的大幅积累；同时再通过进气管路和旁路电动阀调节进气流经换热器的流量，实现了对换热器中热量的选择性适量利用，尤其是在汽油机小负荷时，可将大负荷时积累于换热器中的热量进行充分释放和利用。可以看出，本发明由于具备了换热器的储热能力，可以实现对排气热量合理地存储或释放。这样在汽油机工作在大负荷时，可以将多余的排气热量存储在换热器中，并在小负荷时用于进气加热，解决小负荷时排气热量不足以加热进气的问题，降低了对排气-进气换热效率的需求，使得排气-进气换热方案可实际应用于汽油机HCCI燃烧。
图1是现有技术中汽油机在HCCI燃烧模式下常规排气温度、常规换热后的进气温度和实现HCCI燃烧所需的进气温度的示意图；图2是本发明实现汽油机HCCI燃烧的进排气热控制装置结构示意简图；图3是本发明实现汽油机HCCI燃烧的进排气热控制方法流程框图。图中1——储热材料2——排气-进气换热器3、4、11、12——电动阀 5——排气温度传感器6——发动机7——进气温度传感器8——进气电加热器9——换热器内部温度传感器10——控制器
具体实施例方式下面结合具体实施方式
对本发明作进一步详细地描述。本发明的基本思想是采用内含储热材料的排气-进气换热器，并在排气和进气管路上设有电动阀，通过排气管路电动阀的开闭实现排气中热量在换热器中的积累和存储， 同时可通过进气管路及旁路电动阀的开度调节实现进气对换热器中热量的适量使用。如图2所示，本发明实现汽油机HCCI燃烧的进排气热控制装置，包括排气管路、进气管路和排气-进气换热器2，所述排气管路上设有一贯穿于所述排气-进气换热器的排气旁路，所述进气管路上设有一贯穿于所述排气-进气换热器的进气旁路；所述排气-进气换热器2内填充有储热材料1，所述储热材料1可以采用耐高温的显热储热材料，由于相变储热材料可实现较高的储热密度，为了使排气-进气换热器2的体积较小，所述储热材料1 最好采用相变温度在400至700度的固-液相变储热材料，例如可以采用Al-Si合金等相变储热材料。所述排气管路、所述排气旁路、所述进气管路和所述进气旁路上均分别设有一电动阀；所述排气管路上、且位于所述排气旁路的上游处设有排气温度传感器5，所述进气管路上、且位于所述进气旁路的下游处设有进气温度传感器7，所述排气-进气换热器2中设有换热器内部温度传感器9 ；上述各电动阀3、4、11、12和排气温度传感器5、进气温度传感器7及换热器内部温度传感器9均与一控制器10连接；所述控制器10包括与一单片机连接的信号调理电路和驱动电路，所述单片机可以采用英飞凌公司的TC1766/TC1793，对于控制器中的单片机的选型、信号调理电路和驱动电路的构成及三者之间的连接关系均属于本领域内技术人员所公知的常识，在此不再赘述。其中，所述信号调理电路与所述排气温度传感器5、进气温度传感器7及换热器内部温度传感器9相连，所述信号调理电路用于对温度传感器信号进行处理；所述驱动电路与上述各电动阀相连，所述驱动电路用于实现对各电动阀的驱动；所述单片机用于数据计算及逻辑判断，即所述单片机根据从所述信号调理电路获取的处理结果对上述各电动阀的开闭及开度状态进行调整，从而实现进排气的热控制。另外，针对有可能出现的极端情况，即发动机长时间工作于小负荷工况而使得换热器中排气热量不足，可以在所述进气旁路上、且位于所述排气-进气换热器2的下游处设有一进气电加热器8。其主要目的是当出现储热换热器提供的热量不足时，为了使发动机的进气温度满足当前工况下HCCI燃烧的需求，此刻开启进气电加热器8，对换热后的进气进行再一次的加热，使其满足HCCI燃烧的进气温度要求。如图3所示，利用上述实现汽油机HCCI燃烧的进排气热控制装置的控制方法包括以下步骤，这里以一单缸汽油机为例来对进排气热控制进行具体说明步骤一、对各温度传感器及各电动阀进行功能性检测；步骤二、根据脉谱表设定当前发动机工况所对应的进气温度，如当前发动机工作于IMEP为4bar的负荷，查表知，当前发动机工况所需的进气温度为230°C ；步骤三、信号调理电路通过排气温度传感器5获取排气管路上游位置处的温度， 可知排气温度为400°C，而此时换热器储热内部温度传感器9所获取的温度为350°C，单片机判断知，此时排气温度高于排气-进气换热器2内储热材料1的温度，则单片机向驱动电路发出打开所述排气旁路上的电动阀并同时关闭所述排气管路上电动阀的指令，使发动机排气流经排气-进气换热器，从而进行排气热量在换热器中的累积和存储；步骤四、信号调理电路通过进气温度传感器7获取进气管路下游位置处的实际温度为220°C，单片机判断得知该实际温度不满足进气温度的设定值230°C，并计算实际温度与设定值的差值为-10°C，进而利用PID算法得到驱动进气管路和进气旁路的电动阀所需的占空比，再由驱动电路按照上述的占空比驱动进气管路的电动阀和进气旁路的电动阀动作，使进气旁路电动阀开度适当增大、进气管路电动阀开度适当减小，从而使实际温度趋向进气温度的设定值；步骤五、判断系统是否进行下一个热控制循环，若“是”，返回上述步骤二，继续进行热控制，否则，结束热控制。尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式
，上述的具体实施方式
仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
权利要求
1.一种实现汽油机HCCI燃烧的进排气热控制装置，包括排气管路、进气管路和排气-进气换热器( ，其特征在于所述排气管路上设有一贯穿于所述排气-进气换热器的排气旁路，所述进气管路上设有一贯穿于所述排气-进气换热器的进气旁路；所述排气-进气换热器O)内填充有储热材料(1)；所述排气管路、所述排气旁路、所述进气管路和所述进气旁路上均分别设有一电动阀；所述排气管路上、且位于所述排气旁路的上游处设有排气温度传感器(5)，所述进气管路上、且位于所述进气旁路的下游处设有进气温度传感器(7)，所述排气-进气换热器(2) 中设有换热器内部温度传感器(9)；上述各电动阀(3、4、11、1幻和排气温度传感器(5)、进气温度传感器(7)及换热器内部温度传感器(9)均与一控制器(10)连接；所述控制器(10)包括与一单片机连接的信号调理电路和驱动电路，其中，所述信号调理电路与所述排气温度传感器(5)、进气温度传感器(7)及换热器内部温度传感器(9)相连，所述信号调理电路用于对温度传感器信号进行滤波处理；所述驱动电路与上述各电动阀相连，所述驱动电路用于实现对各电动阀的驱动；所述单片机用于数据计算及逻辑判断， 即所述单片机根据从所述信号调理电路获取的处理结果对上述各电动阀的开闭及开度状态进行调整，从而实现进排气的热控制。
2.根据权利要求1所述的实现汽油机HCCI燃烧的进排气热控制装置，其特征在于所述进气旁路上、且位于所述排气-进气换热器O)的下游处设有一进气电加热器(8)。
3.根据权利要求1所述的实现汽油机HCCI燃烧的进排气热控制装置，其特征在于所述储热材料为耐高温的显热储热材料。
4.根据权利要求1所述的实现汽油机HCCI燃烧的进排气热控制装置，其特征在于所述储热材料为相变温度在400至700度的固-液相变储热材料。
5.一种实现汽油机HCCI燃烧的进排气热控制方法，利用如权利要求1所述的热控制装置实现汽油机HCCI燃烧的进排气热控制，包括以下步骤步骤一、对各温度传感器及各电动阀进行功能性检测；步骤二、根据脉谱表设定当前发动机工况所对应的进气温度；步骤三、信号调理电路通过排气温度传感器( 获取排气管路上游位置处的温度，单片机判断该温度是否高于排气-进气换热器⑵内储热材料⑴的温度，若“是”，则单片机向驱动电路发出打开所述排气旁路上的电动阀并同时关闭所述排气管路上电动阀的指令； 否则，反之；步骤四、信号调理电路通过进气温度传感器(7)获取进气管路下游位置处的实际温度，判断该实际温度是否满足进气温度的设定值，若“是”，则返回步骤二 ；否则，则计算实际温度与设定值的差值，进而利用PID算法得到驱动进气管路和进气旁路的电动阀所需的占空比，再由驱动电路按照上述的占空比驱动进气管路和进气旁路的电动阀动作，使实际温度趋向进气温度的设定值；步骤五、判断系统是否进行下一个热控制循环，若“是”，返回上述步骤二，否则，结束热控制。
全文摘要
本发明公开了一种实现汽油机HCCI燃烧的进排气热控制系统，包括进排气管路、排气-进气换热器，换热器内填充有储热材料；排、进气管路及旁路上均分别设有一电动阀；管路上设有多个温度传感器，上述各电动阀和温度传感器均与一控制器连接；控制器包括与一单片机连接的信号调理电路和驱动电路，用于实现进排气的热控制。本发明具备换热器的储热能力，可以实现对排气热量合理地存储和释放。在汽油机工作在中大负荷时，可以实现过剩排气热量在换热器中的存储和积累，并在小负荷时用于进气加热，解决小负荷时排气热量不足以加热进气的问题，降低了对排气-进气换热效率的需求，可实际应用于汽油机HCCI燃烧。
文档编号F02M31/087GK102359411SQ201110243860
公开日2012年2月22日 申请日期2011年8月25日 优先权日2011年8月25日
发明者李乐, 谢辉 申请人:天津大学