汽油预混、柴油引燃发动机燃烧模式控制系统及控制策略

摘要

一种汽油预混、柴油引燃发动机燃烧模式控制系统及控制策略，由电子控制单元采集冷却水温度、进气温度、空气流量、发动机曲轴转速和油门踏板位置信息、对发动机的运行工况进行判断后，向汽油喷油器及柴油喷油器发出动作指令，来控制发动机的燃烧模式，其操作步骤如下：a、判断车辆运行状态，选择相应发动机燃烧模式；b、判断发动机负荷状态，选择相应发动机燃烧模式；c、发动机处于中等负荷工况时，发动机燃烧模式的选择。本发明不仅保证了车辆的动力性能和经济性能，而且降低了使氮氧化物和PM排放指标。

说明书

技术领域

本发明涉及一种发动机燃烧模式控制系统及控制策略，尤其是一种汽油预混、柴油引燃发动机燃烧模式控制系统及控制策略，属于内燃机技术领域。

背景技术

伴随着汽车行业的发展，人们更加注重汽车的排放性能和经济性能，为了满足日益严格的排放法规要求，目前汽车发动机大多借助于“尾气净化设备”进行排放物的处理，因此“尾气净化设备”的功能被不断完善，同时其结构也愈来愈复杂化，特别是它需要消耗大量的贵金属，致使价格大约为原发动机成本的40-90%，大大提升了车辆的制造成本。

为了改善汽车发动机的排放和经济性能， HCCI（均质充量压缩点燃）技术和汽油预混、柴油引燃（Dual-fuel）技术受到国内外汽车行业的青睐。在采用了 HCCI技术的汽油发动机中空气和燃油在进气系统中预混合，形成均质的空气/燃油混合气，然后混合气被吸入气缸进行压缩，在压缩冲程中，混合气温度升高，达到自燃温度而自燃。 HCCI技术的显著特点是燃烧温度低，对燃烧室壁的传热少，能够减少辐射热的传递，还能大幅降低氮氧化合物的形成。但是HCCI模式因温度不可控，反应速率过快，缸内压力升高率大，存在着火控制较困难，易受边界条件变化影响，低负荷工况燃烧不稳定，高负荷工况燃烧粗暴，运行范围狭窄等缺点。

汽油预混、柴油引燃（Dual-fuel）技术可提高内燃机热效率和降低尾气排放指标，使得它迅速向产品和实用技术转化，依托于汽油预混、柴油引燃（Dual-fuel）技术的双燃料发动机应运而生。然而，现有的汽油预混、柴油引燃发动机在中等负荷工况时只设置了双燃料混合燃烧一种模式，例如申请号为201210175963.6的中国专利申请文件公开了一种汽油预混、柴油引燃发动机及其控制方法，其控制方法为：主控单元接收信息采集单元采集到的信息；主控单元根据接收到的各种信息判断发动机目前处于何种工况，同时根据发动机工况，主控单元选择相应的点燃方式令发动机工作。虽然该专利申请的技术方案能够有效降低油耗以及减少有害物质的排放，但在该专利申请的技术方案中，在发动机处于中等负荷工况时，只设定了“汽油预混、柴油引燃”一种双燃料混合燃烧模式，而在中等负荷工况下，若采用HCCI燃烧模式，发动机热效率及排放指标均较低，影响了发动机节能减排效果的充分发挥。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种在发动机中等负荷工况下设置供选择的“汽油预混、柴油引燃”和HCCI两种燃烧模式，既能保证车辆的动力性能和经济性能，又能使氮氧化物和PM排放指标降低的汽油预混、柴油引燃发动机燃烧模式控制系统及控制策略。

本发明所述问题是以下述技术方案实现的：

一种汽油预混、柴油引燃发动机燃烧模式控制系统，包括电子控制单元（即发动机ECU）、进气温度传感器、空气流量传感器、冷却水温度传感器、发动机曲轴转速传感器、油门踏板位置传感器、汽油喷油器和柴油喷油器，所述进气温度传感器、空气流量传感器、冷却水温度传感器、发动机曲轴转速传感器、油门踏板位置传感器与电子控制单元信号输入端连接，所述汽油喷油器、柴油喷油器与电子控制单元信号输出端连接，所述电子控制单元设有与发动机中等负荷工况匹配的燃烧模式控制模块，用于实现“汽油预混、柴油引燃”和HCCI两种燃烧模式的切换。

上述汽油预混、柴油引燃发动机燃烧模式控制系统，所述柴油喷油器与发动机柴油供油管路连接，它们安装在发动机缸体燃烧室的顶部，所述汽油喷油器通过汽油油轨与发动机汽油供油管路连接，汽油喷油器及汽油油轨安装在发动机进气歧管上。

一种汽油预混、柴油引燃发动机燃烧模式控制策略，由电子控制单元采集冷却水温度、进气温度、空气流量、发动机曲轴转速和油门踏板位置信息、对发动机的运行工况进行判断后，向汽油喷油器及柴油喷油器发出动作指令，来控制发动机的燃烧模式，其操作步骤如下：

a、判断车辆运行状态，选择相应发动机燃烧模式：

电子控制单元根据进气温度及冷却水温度信息判断车辆运行状态，当车辆处于冷车启动状态时，发动机进入“汽油预混、柴油引燃”模式或柴油燃烧模式，当车辆处于正常运行状态后，根据空气流量、发动机曲轴转速和油门踏板位置信息进一步判断发动机负荷状态；

b、判断发动机负荷状态，选择相应发动机燃烧模式：

当发动机处于低负荷工况时，发动机进入“汽油预混、柴油引燃”模式或柴油燃烧模式，当发动机处于中等负荷工况时，发动机进入“汽油预混、柴油引燃”或HCCI燃烧模式，当发动机处于高负荷工况时，发动机进入柴油燃烧模式；

c、发动机处于中等负荷工况时，发动机燃烧模式的选择:

电子控制单元根据冷却水温度、进气温度、空气流量、发动机曲轴转速信息，并与设置在电子控制单元中的标定值比对，判断进入发动机燃烧室的混合气体是否满足汽油均质压燃的条件，若满足汽油均质压燃条件，发动机进入HCCI模式，若不满足汽油均质压燃条件，发动机进入汽油预混、柴油引燃模式。

上述汽油预混、柴油引燃发动机燃烧模式控制策略，在步骤c中，当发动机切换到HCCI模式时，从切换的上一个循环开始，电子控制单元控制柴油的喷油正时向上止点后推进，并使柴油喷油量逐渐减少，使汽油喷油量稍有增加，待发动机燃烧室内混合气体满足汽油压燃条件时，发动机压缩冲程将混合气体压燃，完成汽油HCCI燃烧过程。

上述汽油预混、柴油引燃发动机燃烧模式控制策略，在步骤c中，当发动机切换到HCCI模式后，在燃烧反应后期喷入一定量的柴油，使得下一循环的燃烧反应开始前缸内温度满足汽油均质压燃条件。

上述汽油预混、柴油引燃发动机燃烧模式控制策略，在步骤c中，当发动机切换到HCCI模式后，通过调节进气压力和废气再循环量，达到HCCI模式的连续运行的效果。

本发明在电子控制单元中设置了与发动机中等负荷工况匹配的燃烧模式控制模块，实现了发动机中等负荷工况下“汽油预混、柴油引燃”和HCCI两种燃烧模式的切换，当电子控制单元根据冷却水温度、进气温度、空气流量、发动机曲轴转速信息，并与设置在电子控制单元中的标定值比对，判断进入发动机燃烧室的混合气体满足汽油均质压燃的条件后，发动机进入HCCI模式，不仅使车辆保持了较好的动力性能和经济性能，同时使氮氧化物和PM排放水平降低；本发明在HCCI模式下，燃烧反应后期通过喷入适量的柴油使得下一循环反应开始前缸内温度满足汽油均质压燃条件，并通过调节进气压力和废气再循环量，达到HCCI模式的连续运行的效果；本发明利用对柴油喷油量的调节，克服了HCCI燃烧模式温度不可控，反应速率过快，缸内压力升高率大等不良影响，扩大了发动机中等负荷工况下HCCI燃烧模式的应用范围。总之，本发明通过在发动机中等负荷工况下 “汽油预混、柴油引燃”和HCCI两种燃烧模式的选择，不仅保证了车辆的动力性能和经济性能，而且降低了使氮氧化物和PM排放指标。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是汽油预混、柴油引燃发动机燃烧模式控制系统结构示意图；

图2是汽油预混、柴油引燃发动机燃烧模式控制策略逻辑框图；

图3是汽油预混、柴油引燃发动机不同燃烧模式的区域分布示意图。

图中各标号清单为：1、进气温度传感器，2、空气流量传感器,3、冷却水温度传感器,4、发动机曲轴转速传感器,5、油门踏板位置传感器,6、电子控制单元（即发动机ECU）,7、进气歧管，8、汽油油轨，9、汽油喷油器，10、柴油喷油器，11、发动机缸体；

N、发动机负荷，n、发动机曲轴转速。

具体实施方式

参看图 1，本发明中汽油预混、柴油引燃发动机燃烧模式控制系统包括电子控制单元6、进气温度传感器1、空气流量传感器2、冷却水温度传感器3、发动机曲轴转速传感器4、油门踏板位置传感器5、汽油喷油器9和柴油喷油器10，所述进气温度传感器1、空气流量传感器2、冷却水温度传感器3、发动机曲轴转速传感器4、油门踏板位置传感器5与电子控制单元6信号输入端连接，所述汽油喷油器9、柴油喷油器10与电子控制单元6信号输出端连接，柴油喷油器10还与发动机柴油供油管路连接，它们安装在发动机缸体11燃烧室的顶部，所述汽油喷油器9通过汽油油轨8与发动机汽油供油管路连接，汽油喷油器9及汽油油轨8安装在发动机进气歧管7上，所述电子控制单元6设有与发动机中等负荷工况匹配的燃烧模式控制模块，用于实现发动机中等负荷工况下“汽油预混、柴油引燃”和HCCI两种燃烧模式的切换。

参看图2，本发明中汽油预混、柴油引燃发动机燃烧模式控制策略是由电子控制单元6采集冷却水温度、进气温度、空气流量、发动机曲轴转速和油门踏板位置信息、对发动机的运行工况进行判断后，向汽油喷油器9及柴油喷油器10发出动作指令，来控制发动机的燃烧模式，下面以具体实施例对其操作步骤进行说明：

a、判断车辆运行状态，选择相应发动机燃烧模式：

电子控制单元6根据进气温度及冷却水温度信息判断车辆运行状态，当进气温度传感器1检测的进气温度为低于25oC，冷却水温度传感器3检测的冷却水温度为低于75oC时，电子控制单元6判断车辆处于冷车启动状态时，发动机进入“汽油预混、柴油引燃”模式或柴油燃烧模式；当进气温度传感器1检测的进气温度为不高于60oC，冷却水温度传感器3检测的冷却水温度不高于90   oC时，车辆处于正常运行状态，然后再根据空气流量、发动机曲轴转速和油门踏板位置信息进一步判断发动机负荷状态；

b、判断发动机负荷状态，选择相应发动机燃烧模式：

发动机曲轴转速传感器4检测的发动机曲轴转速为1000rpm-4000rpm，油门踏板位置传感器5检测的由油门踏板位置需求的负荷在0%-30%时，发动机处于低负荷工况，发动机进入“汽油预混、柴油引燃”模式或柴油燃烧模式。

当发动机曲轴转速传感器4检测的发动机曲轴转速为1000rpm-4000rpm，油门踏板位置传感器5检测的油门踏板处于需求的负荷30%-70%位置时，发动机处于中等负荷工况，发动机进入“汽油预混、柴油引燃”或HCCI燃烧模式。

发动机曲轴转速传感器4检测的发动机曲轴转速为1000rpm-4000rpm，油门踏板位置传感器5检测的油门踏板处于需求的负荷大于70%的位置时，发动机处于高负荷工况，发动机进入柴油燃烧模式；

c、发动机处于中等负荷工况时，发动机燃烧模式的选择:

电子控制单元6根据冷却水温度、进气温度、空气流量、发动机曲轴转速信息，并与设置在电子控制单元中的标定值比对，判断进入发动机燃烧室的混合气体是否满足汽油均质压燃的条件；

当进气温度传感器1检测的进气温度为25-45oC，冷却水温度传感器3检测的冷却水温度为75-85oC，空气流量传感器2检测的空气流量推测出的EGR率在30-50%，发动机曲轴转速传感器4检测的发动机曲轴转速为1000rpm-2500rpm时，满足汽油均质压燃条件，发动机进入HCCI模式，从切换的上一个循环开始，电子控制单元6控制柴油的喷油正时向上止点后推进，并使柴油喷油量逐渐减少，使汽油喷油量增加，待发动机燃烧室内混合气体满足汽油压燃条件时，发动机压缩冲程将混合气体压燃，在燃烧反应后期喷入一定量的柴油，使得下一循环的燃烧反应开始前缸内温度满足满足汽油均质压燃条件，同时通过调节进气压力和废气再循环量，达到HCCI模式的连续运行的效果；

当发动机不处于上述条件时，不满足汽油均质压燃条件，发动机进入汽油预混、柴油引燃模式，在发动机吸气冲程阶段，汽油和新鲜空气的混合气进入气缸内，压缩冲程阶段，柴油在上止点前喷入，柴油经过压燃后，形成的火焰将气缸内的汽油点燃形成多点点火，完成混合燃烧模式。

参看图3，从汽油预混、柴油引燃发动机不同燃烧模式的区域分布示意图中可以看出：采用本发明技术方案后，电子控制单元6可根据当前发动机负荷工况选择不同的燃烧模式，其目的性更加明确，能更好地发挥出不同燃烧模式的优点。