灵活双燃料HPCC发动机燃烧、排放控制方法和装置

摘要

本发明公开了一种灵活双燃料HPCC发动机燃烧、排放控制方法和装置，发动机包括进气道喷油器、进气门、气缸内直喷喷油器、火花塞、排气门及可变气门机构VVA，该装置还包括发动机的电子控制单元ECU；ECU分别读取发动机转速信号及油门位置信号，根据接收转速和油门位置信号判断发动机当前运行工况，确定燃烧模式，进而控制两种燃料喷油次数、喷油时刻、喷油脉宽、火花塞点火时刻及VVA的动作。本发明的燃烧、排放控制方法中提到的不同负荷采用不同的燃烧模式即燃烧模式适时灵活可控，缸内混合燃料的特性也可适时灵活可控；并且该装置同样具有灵活多种燃料及多种燃烧模式适应性的特点，只采用柴油机氧化崔化后处理器DOC即可达到乘用车常用工况范围内高效清洁燃烧之目的。

说明书

技术领域

本发明涉及内燃机技术领域，特别是涉及一种由进气道喷射与缸内直喷相结合 的适应灵活多种燃料的双燃料发动机全工况范围的燃烧、排放控制方法和装置。

背景技术

在能源与环境危机的双重压力下，必须突破传统内燃机最高热效率和最低排放 的极限，研究者们提出了以均质压燃（Homogeneous Charge Compression Ignition， HCCI）为代表的新一代内燃机燃烧技术。HCCI虽可同时降低NOx及碳烟排放并保 持较高的热效率，但燃烧过程主要受化学动力学所控制，致使其着火时刻及燃烧反 应速度难以控制，运行工况范围狭窄。

早期的HCCI燃烧强调均质的概念，实际上通过大量的研究发现，HCCI等燃烧 模式尽管主要受化学动力学影响，但局部可控制的不均匀性更有利于燃烧过程的控 制，实现内燃机高效清洁燃烧的重要途径就是合理地利用充量成分的不均匀性和温 度不均匀性控制着火及燃烧过程。适当的混合气分层可以使HCCI在低负荷工况下 燃烧更为稳定，有利于向小负荷工况扩展，同时分层也可以降低HCCI高负荷工况下 的最大压力升高率，有利于向大负荷工况扩展。因此，对于HCCI的燃烧过程控制， 先进的混合气控制策略比简单的“均质混合气”更为重要。

大量有关燃料燃烧化学反应动力学的研究表明，燃料化学特性对燃烧及燃烧反 应速度控制有着决定性的影响，要实现高效清洁燃烧，燃烧边界条件参数的控制需 要与燃料化学特性相适应，其实质就是燃烧过程的化学时间尺度与物理时间尺度相 适应，具体表现为在HCCI某一特定工况存在一种最佳的理化特性的燃料，低负荷需 要高十六烷值燃料，高负荷则适合高辛烷烷值燃料，而且受燃料活性（即辛烷值） 影响的压缩点燃同样受转速的影响，即燃料特性影响高效清洁燃烧的运行工况范围。 美国埃克森美孚公司Bessonette的研究结果指出：着火性介于汽油和柴油之间的燃料 可提供HCCI最大的高负荷运行能力。因此，动态控制HCCI发动机不同工况下所 需的燃料特性，可有效控制着火时刻和燃烧反应速度，拓宽运行工况范围并提高热 效率。

近年来随着石化燃料资源紧张，内燃机燃料向多元化方向发展，因此在实现内 燃机高效清洁燃烧这一目标的过程中，多种燃料的适应性也是需要考虑的一个重要 因素。为适应未来“智能化发动机”的要求，须对燃烧过程进行精细化控制，即燃 烧路径、燃烧相位和燃烧反应速率控制。从燃烧路径优化控制的角度上讲，“理想” 燃烧过程的实现需要混合与化学反应的优化协同控制。而燃烧精细化控制则须通过 燃烧边界条件与燃料特性的灵活可控等得以实现。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提出一种灵活双燃料HPCC发动机燃烧、排放 控制方法和装置，适应灵活多种燃料的双燃料高比例预混合低温燃烧(Highly Premixed Charge Combustion,HPCC)发动机的燃烧、排放控制方法和装置。基于混合与 化学反应的协同控制理论，提供一种可采用灵活多种燃料的双燃料HPCC发动机全 工况范围的燃烧、排放控制方法，以满足未来严格的排放法规，由进气道喷射高辛烷 值燃料及缸内直喷高十六烷值燃料，并借助于发动机电子控制单元(Electronic Control Unit,ECU)实现发动机燃烧、排放控制。

本发明提出了一种灵活双燃料HPCC发动机燃烧、排放控制方法，该方法包括以下 步骤：

步骤1，发动机的电子控制单元ECU分别读取发动机转速信号及油门位置信号， 判断发动机的运行工况，进而确定燃烧模式；

步骤2，如果步骤1的判断结果为发动机处于低负荷工况，则发动机采用以缸内直 喷高十六烷值燃料的预混合压燃燃烧模式工作；发动机的电子控制单元ECU读取MAP 数据，控制高十六烷值燃料的喷射脉宽及喷油时刻，并引入大量的EGR以延长滞燃期， 促进缸内油气混合；

步骤3，如果步骤1的判断结果为发动机处于中低、中等负荷工况，此时进气道供 油系统不工作，火花塞断电，发动机的电子控制单元ECU读取MAP数据，控制包括进 气道喷射高辛烷值燃料与缸内直喷高十六烷值燃料在内的两种燃料的喷射时刻、喷射 量，同时配合适当的EGR率等优化组合以控制燃烧、降低排放；发动机采用进气道喷 射高辛烷值燃料及缸内两次早喷高十六烷值燃料的双燃料高预混合压燃燃烧模式，随着 负荷的提高，缸内早喷的高十六烷值燃料占两种燃料总喷射量的比例逐渐降低，使混合 燃料的特性与负荷相适应；且当负荷提高至中高负荷时，缸内高十六烷值燃料的第二次 喷射时刻逐渐推迟接近于压缩上止点，促进缸内燃料活性及当量比分层，从而抑制燃烧 放热速率及最大压力升高率，实现由缸内第二次喷射高十六烷值燃料引燃预混合气的双 燃料分层压燃燃烧模式；

步骤4，如果步骤1的判断结果为发动机处于高负荷工况，火花塞通电，发动机采 用火花塞触发点火及缸内高十六烷值燃料多点点燃高比例高辛烷值燃料均质混合气的 燃烧模式工作；发动机的电子控制单元ECU读取MAP数据，控制少量缸内高十六烷值 燃料的单次较早喷射以提高混合气的活性，含有高比例高辛烷值燃料的缸内混合燃料在 接近压缩上止点甚至上止点后靠火花塞点燃，实现以火花引燃及缸内高十六烷值燃料形 成的多点点燃高辛烷值燃料均质混合气为特征的高比例高辛烷值燃料预混合气的火花 塞触发多点点燃燃烧模式：配合大量外部EGR以降低NOx排放和抑制燃烧反应速率以 保证理想的放热规律，采用串联布置的两级涡轮增压以满足高负荷下对进气量的需求， 并通过ECU延迟进气门关闭时刻以降低有效压缩比，从而降低高负荷下的燃烧爆发压 力。

本发明还提出了一种灵活双燃料HPCC发动机燃烧、排放控制装置，所述装置 包括进气道喷油器、进气门、气缸内直喷喷油器、火花塞、排气门及可变气门机构，该 装置还包括发动机的电子控制单元ECU，其中：

所述进气道喷油器喷射高辛烷值燃料并结合缸内直喷喷油器喷射高十六烷值燃 料形成双燃料供油方式；所述发动机的进气道与气缸盖上各安装一个喷油器，气道喷 油器与缸内直喷喷油器分别连接到高辛烷值燃料与高十六烷值燃料的供油管路；所述 火花塞设置于气缸盖上，用于辅助点火；所述进气门、排气门与可变气门机构VVA 连接；所述电子控制单元ECU的输入端接收发动机转速信号及油门位置信号，其输 出端分多路分别与进气道喷油器、气缸内直喷喷油器、火花塞及可变气门机构VVA 连接，电子控制单元ECU根据接收的转速和油门位置信号判断出发动机当前的运行 工况，控制两种燃料的喷油次数、喷油时刻、喷油脉宽，火花塞点火时刻及VVA的 动作。

该灵活双燃料HPCC发动机燃烧、排放控制装置和方法具有如下特点：灵活多种 燃料及灵活多种燃烧模式的适应性；以及，缸内混合燃料特性及燃烧模式的适时可控性

与现有技术相比，本发明的燃烧模式及缸内混合燃料的特性具有适时灵活可控的 特点。另外，本燃烧系统装置同样具有灵活多种燃料及多种燃烧模式适应性的特点，并 且真正达到高效低排放之目的，体现出本燃烧系统装置的先进之处。

附图说明

图1是本发明灵活双燃料HPCC发动机燃烧、排放控制原理示意图；

图2是本发明实施例的灵活双燃料HPCC发动机燃烧、排放控制方法流程图；

图3是本发明实施例的灵活双燃料HPCC发动机燃烧装置结构示意图。

图中，1、进气道喷油器；2、进气门；3、气缸内直喷喷油器；4、火花塞；5、排 气门

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述，这些实施方式若存在示例 性的内容，不应解释成对本发明的限制。

如图1、2所示，本发明实施例的适应灵活多种燃料的双燃料HPCC发动机燃烧、 排放控制方法包括以下步骤：

步驟1，发动机的电子控制单元ECU分别读取来自发动机转速传感器的转速信号 和来自油门位置传感器的负荷信号，并判断发动机的运行工况，进而确定燃烧模式；发 动机的电控制单元ECU对进气道喷油器、气缸内直喷喷油器、火花塞、可变气门机构 VVA进行控制。

步骤2，如果步骤1的判断结果为低负荷工况，此时进气道供油系统不工作，火花 塞断电，发动机采用以缸内直喷高十六烷值燃料的预混合压燃燃烧模式工作；ECU读 取MAP数据，控制高十六烷值燃料的喷射脉宽及喷油时刻，并引入大量的EGR以延长 滞燃期，促进缸内油气混合，实现单一高十六烷值燃料的预混合压燃燃烧模式；

步骤3，如果步骤1的判断结果为中低、中等负荷工况，此时火花塞断电，ECU 读取MAP数据，控制两种燃料（进气道喷射高辛烷值燃料与缸内直喷高十六烷值燃料） 的喷射时刻、喷射量，同时配合适当的EGR率等优化组合以控制燃烧、降低排放。缸 内高十六烷值燃料采用两次早喷策略以提高缸内混合气活性便于压燃，实现双燃料高预 混合压燃燃烧模式，燃烧过程主要受化学反应动力学控制，放热集中，热效率高。随着 负荷的提高，缸内早喷的高十六烷值燃料占两种燃料总喷射量的比例逐渐降低，使混合 燃料的特性与负荷相适应。且当负荷提高至中高负荷时，缸内高十六烷值燃料的第二次 喷油时刻逐渐推迟接近于压缩上止点，可明显促进缸内燃料活性及当量比分层，从而抑 制燃烧放热速率及最大压力升高率，实现由缸内第二次喷射高十六烷值燃料引燃预混合 气的双燃料分层压燃燃烧模式，可能会伴随有少量高十六烷值燃料的扩散燃烧；

步骤4，如果步骤1的判断结果为高负荷工况，火花塞通电，发动机采用火花塞触 发点火及缸内高十六烷值燃料多点点燃高比例高辛烷值燃料均质混合气的燃烧模式工 作。在高负荷时，为了避免由较晚的缸内第二次喷射高十六烷值燃料作为着火源时造成 的碳烟排放升高现象，ECU读取MAP数据，控制缸内少量高十六烷值燃料的单次较早 喷射以提高混合气的活性，含有高比例高辛烷值燃料的缸内混合燃料在接近压缩上止点 甚至上止点后靠火花塞点燃，实现以火花引燃及缸内高十六烷值燃料形成的多点点燃高 辛烷值燃料均质混合气为特征的高比例高辛烷值燃料预混合气的火花塞触发多点点燃 燃烧模式。火花点火首先引燃其周围由缸内喷射的高十六烷值燃料形成的较浓混合气， 局部火焰传播燃烧放热，压缩周围大面积稀混合气使温度、压力升高并达到自燃着火状 态，从而激发缸内混合气多点大面积自燃，并使全部混合气快速完全燃烧，避免了大面 积火焰传播造成的NOx排放升高现象。同时配合大量外部EGR不仅可降低NOx排放 还可抑制燃烧反应速率以保证理想的放热规律。为了弥补采用EGR后燃烧过程中氧浓 度的不足，采用串联布置的两级涡轮增压实现发动机高增压比以增加进气量。然而为避 免高增压带来的过高压缩压力和燃烧爆发压力对发动机造成损害，通过ECU控制VVA 延迟进气门关闭时刻，以降低有效压缩比，从而降低缸内最大爆发压力，也使柴油机实 现了可变的热力循环过程，有利于运行工况进一步向高负荷扩展；

如上所述，通过缸内混合燃料活性的适时控制及混合气分层控制，即可实现燃烧过 程的控制及负荷工况的扩展。采用HPCC燃烧模式，即在不同负荷工况采用不同的燃烧 控制策略，既有混合率促进技术，也有抑制化学反应率技术，在智能化的电控单元协同 控制下，不必使用NOx后处理器及颗粒捕集器，而仅采用柴油机氧化催化后处理器DOC 即可实现乘用车常用工况范围内的高效清洁燃烧。

本发明的燃烧、排放控制方法中提到不同负荷采用不同的燃烧模式，而这些燃烧 模式的共同特征是高比例预合气燃烧（即高度预混合燃烧），通过EGR抑制过快的燃烧 速度以实现低温燃烧是这一燃烧方式的另一个重要特征，并且EGR的使用还可降低缸 内混合气的活性以减缓燃烧速度，进而控制燃烧过程，即此双燃料燃烧的本质特征是一 种可控的高比例预混合低温燃烧，因此统一称为高比例预混合低温燃烧（HPCC）。

本发明实施例的适应灵活多种燃料的双燃料HPCC发动机燃烧系统装置的结构示 意图如图3所示。图中，1为进气道喷油器，2为进气门，3为气缸内直喷喷油器，4为 火花塞，5为排气门。进气道喷油器1采用普通车用汽油喷油器，气缸内直喷喷油器采 用传统BOSCH喷油器（即较宽的喷雾锥角、较大的喷孔）。进气道喷油器喷射高辛烷 值燃料与缸内直喷喷油器喷射高十六烷值燃料相结合的双燃料供油方式，一方面可 适时设计缸内混合燃料的特性，以适应发动机转速与负荷的变化；另一方面可适时 控制缸内混合燃料的活性及当量比分层，有利于燃烧过程的控制及负荷的扩展。基于 此双燃料供油方式，其喷油压力最高为160MPa即可满足需要，相比于目前高达200MPa 或者更高喷油压力的喷油系统，有着成本低廉、性能稳定可靠等优点。为适时控制缸内 混合燃料特性以适应不同运行工况，可采用两种辛烷值（或十六烷值）相差较大的多种 燃料组合，即此燃烧系统具有灵活多种燃料的适应性特点，且通过VVT技术可改变有 效压缩比，从而适应更多种特性的燃料，也可使双燃料比例的变化范围更宽广。高辛烷 值燃料（如汽油）由安装在进气道上的喷油器喷射，高十六烷值燃料（如柴油）由安装 于气缸盖上的喷油器直接喷入缸内，不同的双燃料比例及喷油时刻（尤其是缸内直喷高 十六烷值燃料的喷油时刻）可导致不同的混合气分层（即不均匀性）及活性分布状况， 缸内早喷高十六烷值燃料用于提高由进气道喷射的高辛烷值燃料预混合气的活性，缸内 晚喷则对提高混合气的分层作用更强。如在缸内两次喷油模式下，第一次喷油主要用于 提高高辛烷值燃料预混合气活性以利于压缩着火，第二次喷油可促进混合气的分层并作 为着火源以引燃预混合气，且较晚的接近于压缩上止点的第二次喷油的引燃作用则更 强。进气道与缸内直喷相结合的供油方式可使缸内混合燃料产生活性及当量比的分层， 而当量比的分层阻止了混合气的完全均匀产生的瞬间着火，燃烧过程的可控使其变得较 为柔和，缸内各区域能量释放（即着火）分阶段进行，燃烧持续期延长，最大压力升高 率及燃烧噪声降低，因此在本燃烧系统上进行的HPCC燃烧模式可在较高的压缩比下实 现，可保持较高的热效率，同时也有利于HPCC向大负荷扩展。而且这种缸内混合气的 形成方法也可满足过渡工况快速响应的要求。缸内混合燃料特性的改变可通过调节进气 道喷射的高辛烷值燃料与缸内直喷的高十六烷值燃料的比例实现，以适应发动机转速与 负荷的变化，即在本发明的燃烧系统装置上可实现缸内混合燃料特性的适时控制。另外， 除了在燃烧、排放控制方法中提到的不同负荷采用不同的燃烧模式即燃烧模式的适时灵 活可控外，本燃烧系统装置同样具有灵活多种燃烧模式适应性的特点，如在小负荷工况， 可采用高十六烷值燃料的预混合压燃燃烧模式、低温燃烧模式、高辛烷值燃料的火花点 火或火花点火与均质压燃相结合的模式；在大负荷工况，可配合VVA在低有效压缩比 下采用高辛烷值燃料的火花点火模式，或在高压缩比下采用高十六烷值燃料的压燃燃烧 模式。这些模式须通过优化其它相应参数达到高效低排放的目的。以上均体现出本燃烧 系统装置的先进之处。