抑制双燃料发动机燃烧粗暴的方法

摘要

本发明提供一种抑制双燃料发动机燃烧粗暴的方法，包括检测通过进气道进入空气的质量；基于第一燃空当量比以及空气质量通过汽油喷油器控制汽油的输出量；以及，向双燃料发动机的燃料缸输送相应喷射量的汽油；基于第二燃空当量比以及空气质量通过柴油喷油器控制柴油的输出量；以及，向双燃料发动机的燃料缸输送相应喷射量的柴油。本发明通过汽油喷油器和柴油喷油器，分别控制两种喷油器的喷射脉宽，通过控制改变气道喷射的汽油浓度和缸内喷射的柴油机浓度，实现两阶段燃烧放热时，大幅度降低瞬时燃烧放热速率，获得低的缸内压力升高率，从而有效地抑制双燃料发动机中高负荷时的粗暴燃烧。

说明书

技术领域

本发明涉及内燃机技术领域，尤其是一种抑制双燃料发动机燃烧 粗暴的方法。

背景技术

为了大幅度提高汽油机的热效率，提高汽油燃料的能量利用率， 2002年申请者提出了一种汽油均质混合气柴油引燃（HCII， Homogeneous Charge Induced Ignition）燃烧模式【1,2,3】，该燃烧模式 同时使用物理和化学特性差别极大的两种燃料，高辛烷值燃料（如汽 油）喷射入进气道，在发动机的进气和压缩冲程中与空气充分混合， 形成均质的混合气；高十六烷值燃料（如柴油）在压缩上止点附近向 缸内直接喷射，自燃着火。HCII燃烧模式使用类似于柴油机的高压缩 比。同时，缸内喷入的柴油多点自燃，形成大面积的着火区域，且引 燃已经混合均匀的汽油均质混合气，燃烧放热速度快，燃烧等容度高。 相比于汽油机的单点点火，HCII模式的多点自燃着火能够大大的降低 循环波动率，同时有利于实现稀燃。试验结果表明，燃烧模式的热效 率显著高于汽油机，可以达到甚至超过柴油机的水平；由于着火前， 汽油已经形成均匀的混合气，降低了扩散燃烧的比例，也能够有效地 降低碳烟排放。2009年美国威斯康辛大学Reitz等提出汽/柴油双燃料 活性控制压燃(Reactivity Controlled Compression Ignition,RCCI)燃烧 的概念[4-6]，通过对汽油燃料采用气道喷射，柴油采用缸内直喷，燃 烧最大平均有效压力可以达到1.3MPa，原始碳烟和NOx排放可以满足 欧VI法规的要求，热效率最高达到了53%。

但是，双燃料发动机大负荷时，汽油混合气过浓，压力升高率过 高，燃烧粗暴，容易损坏发动机。目前常用的抑制压燃式发动机大负 荷工作粗暴的方法有降低发动机压缩比，推迟喷油提前角，提高过量 空气系数等。这些方法虽然能在一定程度上缓解双燃料发动机的燃烧 粗暴问题，但会对发动机的动力性、经济性和排放造成不利影响。因 此，如何在保持发动机性能的前提下抑制大负荷燃烧粗暴问题，是双 燃料发动机开发中的一个难题。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明的目的是，提供一种抑制双燃料发动机燃烧粗暴的方法， 从而实现两阶段燃烧时大幅度降低瞬时燃烧放热速率，获得低的缸内 压力升高率，从而有效地抑制双燃料发动机中高负荷时的粗暴燃烧。

（二）技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种抑制双燃料发动机燃烧粗 暴的方法，包括：

检测通过进气道进入空气的质量；

基于第一燃空当量比以及所述空气的质量通过汽油喷油器控制汽 油的输出量；以及，向所述双燃料发动机的燃料缸输送相应喷射量的 汽油；

基于第二燃空当量比以及所述空气的质量通过柴油喷油器控制柴 油的输出量；以及，向所述双燃料发动机的燃料缸输送相应喷射量的 柴油。

其中，所述第一燃空当量比的范围为0.3～0.7，所述第二燃空当量 比的范围为0.1～0.3。优选的，所述第一燃空当量比为0.5，所述第二燃 空当量比为0.1。

作为本发明进一步改进，本方法控制汽油输出量时还包括：控制 汽油输出时刻。

作为本发明进一步改进，本方法控制柴油输出量时还包括：控制 柴油输出时刻。

具体的，所述柴油输出时刻的范围为-20°CA～0°CA ATDC。优 选的，所述柴油输出时刻为-5°CA ATDC。

（三）有益效果

区别于背景技术，本发明通过进气道喷射汽油，缸内喷射柴油， 通过汽油喷油器和柴油喷油器，分别控制两种喷油器的喷射脉宽，通 过控制改变气道喷射的汽油浓度（第一燃空当量比）和缸内喷射的柴 油机浓度（第二燃空当量比），实现两阶段燃烧放热时，大幅度降低瞬 时燃烧放热速率，获得低的缸内压力升高率，从而有效地抑制双燃料 发动机中高负荷时的粗暴燃烧，在显著抑制双燃料发动机大负荷工作 粗暴的同时，油耗改善。并且，由于没有对发动机结构做任何改动， 相比其他方式，能够显著降低发动机的生产成本。

附图说明

图1是本发明一实施方式中双燃料发动机结构示意图；

图2是本发明一实施方式中双燃料发动机两阶段燃烧放热率；

图3是本发明一实施方式中两阶段燃烧时的放热率曲线；

图4是本发明一实施方式中两阶段燃烧时发动机的压升率；

图5是本发明一实施方式中双燃料发动机部分结构图。

标号说明：

1柴油油箱；2柴油油耗仪；3柴油喷油器；4汽油油箱；5汽油油 耗仪；6汽油喷油器；7流量计；8进气稳压罐；9烟度计；10排气分 析仪；11排气稳压罐；12背压阀；13废气中冷器；14EGR阀；15缸 压传感器；16电荷放大器；17角标；18燃烧分析仪；19测功机。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实 施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于 说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明提供一种双燃料发动机抑制燃烧粗暴的方法，包括：

检测通过进气道进入空气的质量；

基于第一燃空当量比以及所述空气的质量通过汽油喷油器控制汽 油的输出量；以及，向所述双燃料发动机的燃料缸输送相应喷射量的 汽油；

基于第二燃空当量比以及所述空气的质量通过柴油喷油器控制柴 油的输出量；以及，向所述双燃料发动机的燃料缸输送相应喷射量的 柴油。

本发明的原理是：通过改变预混合汽油燃料（第一燃空当量比） 和直喷柴油燃料（第二燃空当量比）的燃空当量比来实现两阶段燃烧， 抑制粗暴燃烧。其实施方式主要是通过进气道向双燃料发动机输送空 气，并基于空气的质量以及第一燃空当量比和第二燃空当量比分别喷 射相应喷射量的汽油和柴油，主要是通过汽油喷油器和柴油喷油器分 别控制两种喷油器的喷射脉宽，从而控制汽油和柴油的喷射量，实现 两阶段燃烧，抑制粗暴燃烧。本实施方式是通过进气道喷射汽油，缸 内喷射柴油，其中汽油和柴油的喷射量是通过控制汽油喷油器和柴油 喷油器的喷射脉宽来控制的，通过汽油喷油器和柴油喷油器分别控制 两种喷油器的喷射脉宽，从而控制汽油和柴油的喷射量，从而改变预 混合汽油燃料和直喷柴油燃料的燃空当量比，实现两阶段燃烧，抑制 粗暴燃烧。

其中，所述第一燃空当量比的范围为0.3～0.7，所述第二燃空当量 比的范围为0.1～0.3。所述柴油输出时刻的范围为-20°CA～0°CA ATDC。优选的，所述第一燃空当量比为0.5，所述第二燃空当量比为 0.1，所述柴油输出时刻为-5°CA ATDC。

本发明通过控制气道喷射的汽油浓度（第一燃空当量比）和缸内 喷射的柴油机浓度（第二燃空当量比），实现两阶段燃烧放热时，大幅 度降低瞬时燃烧放热速率，获得低的缸内压力升高率，从而有效地抑 制双燃料发动机中高负荷时的粗暴燃烧，在显著抑制双燃料发动机大 负荷工作粗暴的同时，油耗改善。并且，由于没有对发动机结构做任 何改动，相比其他方式，能够显著降低发动机的生产成本。

为能更好地理解本技术方案，本实施方式结合双燃料发动机具体 阐述本技术方案带来的技术效果，请参阅图1，图1提供了一种双燃料 发动机，包括：控制主机、燃料缸、汽油进油子系统、柴油进油子系 统、空气进量子系统，所述柴油进油子系统、汽油进油子系统以及空 气进量子系统均与所述控制主机电连接。

所述控制主机用于监测并根据空气进量子系统空气质量及第一燃 空当量比计算相应的汽油输出量，以及用于基于所述空气质量及第二 燃空当量比计算相应的柴油输出量。

所述汽油进油子系统用于调节汽油输出量并向所述空气进量子系 统输送相应输出量的汽油。

所述空气进量子系统用于输出空气并接收所述汽油进油子系统基 于第一燃空当量比输送相应喷射量的汽油，基于所述汽油及空气生成 均质的第一混合气，并将所述第一混合气向燃料缸输送。

所述柴油进油子系统用于调节柴油输出量并向所述燃料缸输送相 应输出量的柴油。所述空气进量子系统，还用于向所述燃料缸输送空 气。

具体的，请参阅图1，双燃料发动机还包括烟度计9、排气分析仪 10、排气稳压罐11、背压阀12、废气中冷器13、EGR阀14、缸压传 感器15、电荷放大器16、角标17、测量燃烧参数的燃烧分析仪18和 测功机19。在本发明中，进气道即为空气进入双燃料发动机管道，在 本实施方式中，即为流量计7和进气稳压罐8与燃料缸的连通管道。

柴油进油子系统包括：柴油油箱1、与柴油油箱1输出口连通的柴 油油耗仪2以及用于调节柴油输出量并喷出相应输出量柴油的柴油喷 油器3，所述柴油喷油器3的输入口与柴油油耗仪2的输出口连通，柴 油喷油器3的输出口与燃料缸的第一输入口连通。

汽油进油子系统包括：汽油油箱4、与汽油油箱4输出口连接的汽 油油耗仪5以及用于调节汽油输出量并喷出相应输出量汽油的汽油喷 油器6，所述汽油喷油器6的输入口与汽油油耗仪5的输出口连通，汽 油喷油器6的输出口与进气稳压罐8的输出口连通。

空气进量子系统包括：测量并控制空气进量的流量计7以及与所 述流量计7输出口连通的进气稳压罐8。

本实施方式是通过进气道喷射汽油，缸内喷射柴油，其中汽油和 柴油的喷射量是通过控制汽油喷油器和柴油喷油器的喷射脉宽来控制 的，通过汽油喷油器和柴油喷油器分别控制两种喷油器的喷射脉宽， 从而控制汽油和柴油的喷射量。

本发明的原理是：通过改变预混合汽油燃料（第一燃空当量比） 和直喷柴油燃料（第二燃空当量比）的燃空当量比来实现两阶段燃烧， 抑制粗暴燃烧。其实施方式主要是通过进气道向双燃料发动机输送空 气，并基于空气的质量以及第一燃空当量比获得相应喷射量的汽油， 以及基于空气的质量和第二燃空当量比获得相应喷射量的柴油，并通 过汽油喷油器和柴油喷油器分别控制两种喷油器的喷射脉宽，从而控 制汽油和柴油的喷射量，实现两阶段燃烧，抑制粗暴燃烧。

本实施方式的实现方法是：通过进气道向双燃料发动机输送一定 量的空气，在双燃料发动机运行到中高负荷时，基于第一燃空当量比 和第二燃空当量比得到相应喷射量的汽油和柴油，并通过汽油喷油器 和柴油喷油器分别控制两种喷油器的喷射脉宽，从而控制汽油和柴油 的喷射量，改变预混合燃料或者直喷燃料的浓度，从而改变预混合燃 料的自燃时刻和燃烧速度，使其放热过程与直喷燃料放热过程发生分 离但总的放热率又不至于过缓。形成如图2所示的两个放热速率较快 但又不重叠的放热峰。从而有效地降低双燃料燃烧时的压力升高率。 在柴油浓度过大时，也会出两个放热峰，但其实质与双燃料的两阶段 放热完全不同，因此在本方法中的柴油燃空当量比较低，具体的，所 述第一燃空当量比的范围为0.3～0.7，所述第二燃空当量比的范围为 0.1～0.3。优选的，所述第一燃空当量比为0.5，所述第二燃空当量比为 0.1。本发明通过进气道喷射汽油，缸内喷射柴油，通过汽油喷油器和 柴油喷油器，分别控制两种喷油器的喷射脉宽，通过改变预混合汽油 燃料和直喷柴油燃料的燃空当量比来实现两阶段燃烧，抑制粗暴燃烧。

所述控制主机还用于向汽油进油子系统、柴油进油子系统发送控 制指令，以分别控制汽油进油子系统、柴油进油子系统的汽油输出时 刻、柴油输出时刻。具体的，所述柴油输出时刻的范围为-20°CA～0° CA ATDC。优选的，所述柴油输出时刻为-5°CA ATDC。

在本实施方式中，双燃料发动机参数如表1所示。汽油采用进气 道电控喷射方法，喷射量和喷射时刻均可调，喷油压力为0.3MPa。引 燃用柴油使用电控高压喷射系统，柴油的喷射压力、喷油量、喷射时 刻、喷射次数均可以灵活调节。燃料缸压采集以及放热率分析使用AVL  indicom 621型燃烧分析仪，用于检测燃烧粗暴程度，当燃烧粗暴时， 推迟柴油输出时刻。常规气态排放物测量使用M260747汽柴两用尾气 检测仪以及AVL FTIR多组分分析仪。碳烟排放测量使用FBY-2全自 动烟度计。

表1 发动机参数

缸径 83.1mm 行程 92mm 单缸排量 0.5L 压缩比 16.7 柴油喷射系统 高压共轨 汽油喷射系统 低压共轨 涡流比 1.7

请参阅图3-5，图5为本实施方式双燃料发动机在燃料缸输入口处 的结构图，可以看出，本实施方式使用的进气道喷汽油和缸内直喷柴 油的方式，通过这两种方式实现了双燃料发动机两阶段燃烧放热。柴 油喷油时刻控制在-5°CA ATDC，柴油共轨压力为80MPa，进气压力为 0.1MPa，无EGR。调整两种燃料的浓度，在柴油燃空当量比为0.1， 汽油燃空当量比为0.5时实现了两阶段燃烧，放热率如图3所示，两阶 段燃烧时发动机的压升率如图4所示，最大压力升高率只有0.6 MPa/(°)CA，循环波动为2%。应用AVL439烟度计测量得到的排气烟 度为0.015/m，常规气体排放方面NOx比排放为10g/(kW.h)，THC比 排放为10g/(kW.h)，CO比排放为10g/(kW.h)。燃烧效率为0.95，指示 热效率为0.41。相比单阶段燃烧（压升率1.0MPa/(°)CA，热效率38%）， 压升率低，热效率高。

本实施方式通过控制气道喷射的汽油浓度和缸内喷射的柴油机浓 度，实现两阶段燃烧放热时，大幅度降低瞬时燃烧放热速率，获得低 的缸内压力升高率，从而有效地抑制双燃料发动机中高负荷时的粗暴 燃烧，在显著抑制双燃料发动机大负荷工作粗暴的同时，油耗改善。 并且，由于没有对发动机结构做任何改动，相比其他方式，能够显著 降低发动机的生产成本。

综上所述，可以得出本发明的优势：

（1）相同负荷下，相对于单阶段放热燃烧，本发明使用的控制方 法可以明显降低HCII发动机的压力升高率的峰值，HCII发动机可靠性 有了明显提高。NOx排放也有所降低。

（2）热效率高，相比于快速单阶段放热，指示热效率提高了1～3 个百分点。

（3）由于没有对整个燃烧系统进行结构上的修改，其实现成本较 低。

（4）变等容放热为近似等压放热，有利于双燃料发动机的大负荷 运行范围拓展。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围， 凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换， 或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专 利保护范围内。