控制拓宽低温燃烧发动机气缸运行载荷的方法与流程

本发明属于内燃机技术领域，具体涉及一种控制低温燃烧发动机气缸运行载荷的方法。

技术背景

相对于火花塞点燃式汽油机来说，由于柴油发动机采用了更大的压缩比，所以热效率更高，但柴油机主要的缺陷是氮氧化物和碳烟排放相对较高。尽管人们采取多种方法来有效降低排放，但不仅会增加设备成本，而且也不利于提升发动机的热效率。最近提出了一种新的低温燃烧(LTC)策略，这种燃烧方式不仅能够保证较高的热效率，同时兼顾缓解柴油机氮氧化物和碳烟排放过高的问题。但是对于均质压燃(HCCI)类低温燃烧的发动机，由于着火前缸内的燃料和空气混合充分均匀，燃料在活塞压缩下，缸内多处点火源同时着火，导致燃烧速率很快，瞬间产生较高的压力升高率。因此HCCI只能在很窄的工况范围内运行，无法覆盖发动机的整个运行工况。

近来的一些实验结果表明，燃料处在不同当量比下，拥有不同的点火延迟期。因此，试图通过降低缸内燃油与空气混合的均匀程度，在缸内积极营造一定程度的当量比梯度，避免缸内燃料同时发生燃烧，从而缓解HCCI压力升高率过大的问题，此为预混合压燃(PCCI)发动机。PCCI能够在一定程度上缓解HCCI燃烧速率过快的问题，但是并没有彻底解决低温燃烧策略向高载荷拓展的难题。

为此，在PCCI的基础上，通过向缸内引入两种不同活性的燃料，在缸内不仅形成燃油浓度分层，而且还将额外产生燃油活性分层效果，从而更好地引导缸内的燃烧过程，抑制燃烧速率，这种方法称之为活性控制压燃(RCCI)。相对于PCCI，虽然RCCI发动机能够在载荷拓展方面有所进步，但是仍然不能达到令人满意的效果。尽管采用小压缩比的RCCI发动机能够在载荷拓展方面获得较为明显的收益，但其在低载荷和冷启动的运行工况下，却会面临燃烧恶化甚至失火的问题。因此运行载荷过窄仍然成为严重阻碍低温燃烧发动机运行的主要问题。

技术实现要素：

针对低温燃烧发动机上述存在的缺陷，本发明提出了一种控制缸内燃油活性氛围和浓度梯度，拓宽低温燃烧发动机运行载荷的新方法。通过对当量比和燃油活性在缸内空间尺度分布，以及缸内当量比和燃油活性的整体水平的全方位多元控制，有效地抑制高载荷下燃油的燃烧速率，拓宽低温燃烧发动机的运行载荷。

为了实现此目的本发明所采取的方法步骤是：

(1)发动机由中等载荷逐渐增加，当缸内压力最大升高率和噪声超出设定的限制时，调整缸内直喷高活性燃料和低活性燃料各自的燃料比例、喷射时刻、以及喷射压力，降低缸内燃料的燃烧速率。

(2)发动机载荷进一步增加，通过步骤1的调整，其缸内压力升高率和噪声仍超出设定的限制。这时相应增大废气再循环率、同时并联控制进气温度和压力，从而稀释缸内氧气浓度、增加缸内混合物比热值。并通过重新配比步骤1中的高、低活性燃料各自的喷料比例、喷射时刻、以及喷射压力，共同抑制发动机的燃烧速率。

(3)发动机载荷继续增加，依赖所述步骤1和步骤2的调整，其缸内压力升高率和噪声仍超出设定的限制，需减少缸内直喷低活性燃料的质量，同时向进气道内引入甲烷，同时根据喷射的甲烷替换低活性燃料质量的比例，重新选择步骤1和步骤2中的喷射比例、喷射时刻、喷射压力，废气再循环率，进气温度和压力，从而抑制发动机的燃烧速率，以及控制氮氧化物和碳烟排放。

控制拓宽低温燃烧发动机气缸运行载荷方法的执行，通过具体的发动机系统装置来实现。该系统包括：压气机、进气加热器、进气缓冲罐、涡轮机、排气缓冲罐、发动机气缸、EGR阀、EGR冷却器、单向阀、柴油高压喷嘴、甲烷低压喷嘴、甲醇高压喷嘴、柴油电控阀门、甲醇电控阀门、甲烷电控阀门、柴油储油箱、甲醇贮存箱、以及甲烷贮存箱等。

该系统装置的组成方案是：进气管依次设有压气机、进气加热器、进气缓冲罐；排气管依次设有涡轮机和排气缓冲罐，进、排气缓冲罐通过各自管路接至为发动机气缸。在压气机与进气加热器之间、以及涡轮机与排气缓冲罐之间的管路上并联依次设有EGR阀、EGR冷却器、和单向阀，由EGR阀、EGR冷却器和单向阀三者组成EGR回路。发动机气缸分别设有柴油高压喷嘴和甲醇高压喷嘴，在进气缓冲罐接近发动机气缸的进气管路上设有一个甲烷低压喷嘴。柴油高压喷嘴依次接有柴油电控阀门和柴油储油箱；甲醇高压喷油嘴依次接有甲醇电控阀门和甲醇贮存箱；甲烷低压喷嘴依次接有甲烷电控阀门和甲烷贮存箱。柴油、甲醇、和甲烷三种燃料各自构成独立的燃料供给系统。

缸内的柴油、甲醇高压喷油嘴，是各自独立、联合提供燃料的喷嘴，并且需要对柴油机原有喷嘴的位置进行调整，两个喷嘴分别位于进气道一侧和排气道一侧，且二者关于气缸轴线对称，两个喷油嘴型号相同，喷油压力控制在500-1500bar的范围内，喷油次数控制为1-2次。两个喷嘴的喷孔位置彼此错开，避免两喷油嘴喷出的油束在同一个纵向平面内，减小不同油束之间彼此干涉影响，有利于缸内直喷燃油的扩散与混合。在进气道的进气阀门上游400mm附近装有一个甲烷低压喷嘴，用于向进气道内注入甲烷代替部分缸内直喷的低活性燃料，从而调控缸内燃油的整体活性。

该策略可以保证发动机在所有运行载荷下的指示热效率始终超过42％，同时也能够保证氮氧化物和碳烟排放始终控制在欧五的排放法规之内。

本发明的优点以及产生的有益效果在于：

(1)通过对缸内局部和整体当量比和燃油活性的多元控制，能够有效降低缸内燃油的燃烧速率，大幅拓宽了发动机的运行载荷。

(2)除了能够有效地拓宽低温燃烧发动机的运行载荷，还保证在每个工况下，发动机都保持了低温燃烧策略的燃烧特性和优势，能够获得较高的指示热效率以及较低的氮氧化物和碳烟排放，远低于欧五(即国五)的排放标准。

(3)相对于降低压缩比拓展载荷的方法，本发明不仅在高载荷下实现较大的热效率，而且在低载荷下同样可以获得较好的整体性能表现，能够覆盖发动机整个运行工况，比降低压缩比的方法拥有更大的适用范围和实用价值。

(4)随着载荷的增大，控制策略由简入繁、逐级添加，保证每个工况下的控制策略都相对简单，提高控制策略的有效性和适应性，此外还有助于延长设备的使用周期。

(5)采用甲醇和甲烷作为低活性燃料，能够大幅缓解化石能源的压力，并且还能够大幅降低发动机有害气体和温室气体的排放，对环境的保护和人类的可持续发展都有着深远的意义。

附图说明

图1是本发明的控制流程图。

图2是本发明装置的部件组成原理示意图。

图3是实施效果性能展示图

具体实施方式

下面结合附图并通过实例例对本发明的方法以及装置结构作进一步的解释说明，需要说明的是，本实施例是叙述性的，不用来限制本发明的适用范围。

控制拓宽低温燃烧发动机气缸运行载荷的方法，包括如下步骤(如图1)：

(1)发动机由中等载荷逐渐增加，当缸内压力最大升高率和噪声超出设定的限制时，调整缸内直喷高活性燃料和低活性燃料各自的燃料比例、喷射时刻、以及喷射压力，降低缸内燃料的燃烧速率。

(2)发动机载荷进一步增加，通过步骤1的调整，其缸内压力升高率和噪声仍超出设定的限制，相应增大废气再循环率、同时并联控制进气温度和压力，从而稀释缸内氧气浓度、增加缸内混合物比热值，并通过重新配比步骤1中所述的高、低活性燃料各自的喷料比例、喷射时刻、以及喷射压力，共同抑制发动机的燃烧速率。

随着发动机载荷的进一步增加，仅仅通过步骤1中对喷油参数的调整无法满足最大压力升高率和噪声的要求时，开启废气再循环(EGR)阀门，并通过EGR冷却器，对该循环尾气进行适当冷却后回流到进气中。通过不断增大EGR率、控制进气温度和压力，可有效控制缸内整体当量比水平。因此除了在缸内空间尺度积极构建较大的燃油活性梯度和浓度梯度外，同时配合采用降低缸内初始温度，稀释缸内氧气浓度以及增加缸内混合物比热值的手段，联合抑制发动机的燃烧速率。

(3)发动机载荷继续增加，依赖步骤1和步骤2的调整，其缸内压力升高率和噪声仍超出设定的限制，需减少缸内直喷低活性燃料的质量，同时向进气道内引入甲烷，同时根据喷射的甲烷替换低活性燃料质量的比例。重新选择步骤1和步骤2中的喷射比例、喷射时刻、喷射压力，配气再循环率，进气压力和温度，从而抑制发动机的燃烧速率，以及控制氮氧化物和碳烟排放。

如果发动机载荷继续增加，通过调整步骤1和2仍不能达到要求，此时如果继续增大EGR率就会导致燃油经济性出现严重恶化，并且碳烟开始急剧增加。此时要减少缸内直喷低活性燃油的质量，利用引入甲烷来进一步降低缸内整体燃油活性。此时对缸内整体当量比和燃油整体活性的有效控制，使得缸内燃料的燃烧速率得到显著抑制，发动机所能达到的最高载荷得到较大幅度的拓展。

三个步骤中的每个步骤均满足设定的发动机氮氧化物和碳烟排放产物的排量限制标准。

利用所述控制拓宽低温燃烧发动机气缸运行载荷方法的装置(如图2)，其部件组成连接结构是：进气管依次设有压气机1、进气加热器2、进气缓冲罐3；排气管依次设有涡轮机6和排气缓冲罐5，进、排气缓冲罐通过各自管路接至为发动机气缸4。在压气机与进气加热器之间、以及涡轮机与排气缓冲罐之间的管路上并联依次设有EGR阀7、EGR冷却器8、和单向阀9，由EGR阀、EGR冷却器和单向阀三者组成EGR回路。发动机气缸分别设有柴油高压喷嘴12和甲醇高压喷嘴13，在进气缓冲罐接近发动机气缸的进气管路上设有一个甲烷低压喷嘴16。柴油高压喷嘴依次接有柴油电控阀门11和柴油储油箱10；甲醇高压喷嘴依次接有甲醇电控阀门14和甲醇贮存箱15；甲烷低压喷嘴依次接有甲烷电控阀门17和甲烷贮存箱18，柴油、甲醇、和甲烷三种燃料各自构成独立的燃料供给系统。压气机与涡轮机同轴连接，二者共同决定发动机的进气压力；由EGR回路系统控制进气温度。

柴油高压喷嘴和甲醇高压喷嘴的中心距离气缸轴线的距离均为10mm，且两喷嘴相对轴线对称；两个喷嘴的喷孔方向彼此上下错开，喷射的油束不在同一个纵向平面内。甲烷低压喷嘴的处在进气道的进气阀门上游400mm附近的位置。

通过甲烷低压喷嘴向发动机气缸进气道内注入甲烷，代替部分缸内直喷的甲醇燃料，用来调控缸内燃油的整体活性。

缸内直喷的高活性燃料是柴油，柴油中的硫含量低于50ppm；缸内直喷的低活性燃料是甲醇，纯度高于99％。

甲醇作为一种可再生能源，其分子中只包含一个碳原子，可以从各种生产生活中获得，它的来源十分广泛。甲醇分子结构简单，不包含碳碳键，因此可以有效避免燃烧过程中碳烟的形成。此外，甲醇分子包含一个氧原子，能够更好地与各种活性基结合，发生氧化反应，促进燃油的充分燃烧。最后，甲醇的燃油活性很低(RON很大)，能够在缸内形成更大的活性梯度，降低燃烧速率，有益于发动机向高载荷的拓展。

调整缸内直喷柴油/甲醇的燃料比例，或调整进气道内注入甲烷的替代比例时，根据柴油、甲醇、甲烷三者之间热值的比例关系来调整各自的喷射质量，确保发动机运行在指定载荷下。

采用的三种燃料的低热值差异较大，因此当用缸内直喷甲醇代替部分缸内直喷的柴油，或者通过进气道内注入甲烷作为低活性燃料替代部分甲醇时，并非保证整体喷油质量不变，而是根据彼此之间低热值的比例关系来调整各自的喷油质量，保证喷射燃料包含的热值不变，从而确保发动机运行在指定载荷下。

发动机采用的几何压缩比为16.1；所述缸内压力最大升高率的限制标准设置为10±0.5bar/deg；最大噪声的限制标准为105±2dB(A)；发动机氮氧化物和碳烟两种排放产物的限制值，分别设置为2.0±0.2g/kWh和20±2mg/kWh。

具体实施例

在汽车摩托车或汽油发动机中，活塞顶离曲轴中心最大距离时的位置称为上止点。文中BTDC表示上止点前，CA BTDC表示供油提前角。

柴油高压喷嘴和甲醇高压喷嘴均为高压共轨喷嘴，喷孔数为6，喷孔直径为250μm，喷油压力控制在500-1500bar范围内。

实施例选用发动机参数为：缸径为13.72cm，行程为16.5cm，连杆长度为26.16cm，几何压缩比为16.1，进气门关闭时刻为上止点前143°CA，排气门开启时刻为上止点后130°CA，发动机转速维持在1800rev/min。

随着载荷的不断增大，要求发动机始终满足设定的最大压力升高率和噪声，以及氮氧化物和碳烟排放产物的限制。同时根据输入信号判断发动机的运行工况，并读取事先向控制单元中写好的优化参数矩阵组合，获取该工况下的各个运行参数的最优取值，据此控制每个参数的大小，确保每个工况下发动机都是运行在指示热效率最高的情况。

当发动机运行在IMEP＝5.74bar时，缸内直喷柴油采用两次喷油，第一次喷油质量分数占柴油总质量的60％，喷油时刻为58°CA BTDC，第二次喷油时刻为37°CA BTDC。两次喷射柴油共计包含的能量占总燃油能量的50％。余下50％的能量由缸内直喷甲醇提供，甲醇的喷油时刻为100°CA BTDC。如图3所示，发动机载荷在小于10bar的运行范围内，能够通过调整甲醇和柴油的喷油参数，而无需引入EGR，即可满足发动机燃烧和排放的限制条件，且热效率高于42.21％。

当发动机载荷达到10bar时，需要引入15％的EGR，柴油依旧采用两次喷射，且两次喷油的比例和喷油时刻依然选取60/40％和58/37°CA BTDC。但两次喷射柴油共计所占的能量分数降低到38％，甲醇的喷油时刻需要略微延后到90°CA BTDC。

当载荷增加到15.62bar时，EGR率需要相应增加到25％，柴油第一次喷射的质量分数由60％增加到65％，但两次喷油时刻依然为58/37°CA BTDC，喷射柴油占燃油总能量的比例降低到30％。相应缸内直喷甲醇的能量分散增加到70％，甲醇的喷油时刻为100°CABTDC。如图3所示，此时指示热效率达到峰值47.05％。

当载荷继续增加到18.28bar时，EGR率需增加到29％，缸内直喷柴油变为单次喷油，喷油时刻为50°CA BTDC，柴油所占的能量比例为10％，其余90％的能量都由甲醇提供。甲醇分为两次喷射，第一次是在80°CA BTDC，喷油质量占总甲醇质量的20％，余下的甲醇在2°CA BTDC注入缸内。虽然此时缸内的甲醇燃料存在大量的扩散燃烧，但由于甲醇为单碳原子分子，且包含氧原子，不利于碳烟的生成。同时其较长的燃烧持续期能够对碳烟充分氧化，因此其生成的碳烟依旧较低，满足欧5的排放法规。

当载荷增加到21.32bar时，EGR率维持在29％，缸内直喷柴油为单次喷油，喷油时刻为50°CA BTDC，柴油所占的能量比例仍为10％。进气道预混合甲烷的能量分数为15％。余下75％的能量皆由甲醇提供，甲醇分为两次喷油，第一次是在80℃A BTDC，喷油质量占总甲醇质量的20％，余下的甲醇在5°CA BTDC注入缸内。为了缓解缸内燃料过快的燃烧速率，利用上述多元控制手段，有效延长了缸内燃油的燃烧持续期，从而影响发动机的指示热效率，由最大值下降到了43.81％。

经测试，相较于之前的进气道和缸内直喷的双燃料RCCI发动机，应用本发明的控制策略，发动机所能达到的最高载荷提高了18％，如图3所示。同时保证发动机始终能够获得超过42％的指示热效率，以及远低于欧五排放标准的氮氧化物和碳烟排放水平。并且该策略能够覆盖发动机较大的运行范围，具有较好的适用性和实用价值。