[發明專利]一種采用二甲醚和高辛烷值燃料內燃機的控制方法

有效

• 申請號: 201010595658.3
• 申請日: 2010-12-20
• 公開（公告）號: CN102080598A
• 公開（公告）日: 2011-06-01
• 發明（設計）人: 紀常偉;梁晨;劉曉龍;朱永明;高彬彬
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: F02B69/02
• 分類號: F02B69/02;F02D19/08;F02D41/04;F02D41/06;F02D41/08;F02D41/30
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 魏聿珠

1.一種采用二甲醚和高辛烷值燃料現場混合和復合燃燒模式內燃機的控制方法，所述的二甲醚和高辛烷值燃料現場混合和復合燃燒模式內燃機由傳統電控火花點火內燃機改造而成，包括氣缸(20)、內燃機進氣管(16)、內燃機排氣管(21)、內燃機活塞(19)、點火模塊(11)、火花塞(12)、電子節氣門(15)以及曲軸轉角位置傳感器的曲軸轉角信號(1)、冷卻水溫度傳感器的冷卻水溫度信號(2)、進氣溫度傳感器的進氣溫度信號(3)、進氣壓力傳感器的進氣壓力信號(4)、節氣門位置傳感器的節氣門位置信號(5)、爆震傳感器的燃燒壓力及爆震信號(6)、線性氧傳感器的空燃比信號(7)；同時還包括混合燃料電子控制單元(8)、高辛烷值燃料箱(9)、高辛烷值燃料壓力調節器(10)、高辛烷值燃料噴嘴(13)、二甲醚噴嘴(14)、二甲醚調壓器(17)、二甲醚罐(18)以及控制混合燃料噴射的混合燃料點火控制信號(a)、高辛烷值燃料噴射信號(b)、二甲醚噴射信號(c)和電子節氣門控制信號(d)；

曲軸轉角位置傳感器的曲軸轉角信號(1)、冷卻水溫度傳感器的冷卻水溫度信號(2)、進氣溫度傳感器的進氣溫度信號(3)、進氣壓力傳感器的進氣壓力信號(4)、節氣門位置傳感器的節氣門位置信號(5)、爆震傳感器的燃燒壓力及爆震信號(6)、線性氧傳感器的空燃比信號(7)輸入進混合燃料電子控制單元(8)；混合燃料電子控制單元(8)是在現有ECU的基礎上進行改進，在實現原有控制功能的基礎上對混合燃料雙噴嘴的噴射時刻以及噴射脈寬進行控制，各種信號的通信、采集以及判定遵循原機ECU的設定；混合燃料電子控制單元(8)向點火模塊(11)發出混合燃料點火控制信號(a)使火花塞(12)發火或者關閉，實現點燃或壓燃的復合燃燒模式；向電子節氣門(15)發出電子節氣門控制信號(d)以調整電子節氣門(15)的開度，改變發動機的進氣量，實現不同負荷和轉速的要求；向高辛烷值燃料噴嘴(13)發出高辛烷值燃料噴射信號(b)，實現高辛烷值燃料的噴射，向二甲醚噴嘴(14)發出二甲醚噴射信號(c)，實現二甲醚的噴射，噴射的兩種燃料在內燃機進氣管(16)內現場混合，將噴入的二甲醚的能量占總噴入燃料能量的比例設定為αDME，以此來表明兩種燃料的混合比例；當內燃機處于進氣沖程時，隨著內燃機活塞(19)下行將燃料與空氣的混合氣吸入內燃機氣缸(20)，實現混合氣的燃燒，在經過壓縮、做功沖程后，在排氣沖程時將燃燒過的廢氣隨內燃機活塞(19)上行而通過內燃機排氣管(21)排出內燃機氣缸(20)；高辛烷值燃料箱(9)、高辛烷值燃料壓力調節器(10)和高辛烷值燃料噴嘴(13)通過不銹鋼管或耐壓軟管依次連接，高辛烷值燃料噴嘴(13)固連在內燃機進氣管(16)上；二甲醚罐(18)、二甲醚調壓器(17)和二甲醚噴嘴(14)通過不銹鋼管或耐壓防腐蝕軟管依次連接，二甲醚噴嘴(14)固連在內燃機進氣管(16)上；

混合燃料電子控制單元(8)通過讀取曲軸轉角位置傳感器的曲軸轉角信號(1)、節氣門位置傳感器的節氣門位置信號(5)以及進氣壓力傳感器的進氣壓力信號(4)確定發動機當前的轉速及負荷，同時讀取冷卻水溫度傳感器的冷卻水溫度信號(2)、進氣溫度傳感器的進氣溫度信號(3)、爆震傳感器的燃燒壓力及爆震信號(6)以及線性氧傳感器的空燃比信號(7)，通過對各種信號進行分析由此確定發動機所運行的工況；

其特征在于：包括了起動-怠速、低負荷、中負荷和高負荷四種控制方式：

1)起動-怠速工況：該工況根據具體的運行環境分為三種不同的情況，分別是起動工況、暖機工況和怠速工況；當發動機處于起動-怠速工況時，采用單獨依靠火花塞點火點燃高十六烷值二甲醚的點燃燃燒方式；

起動工況：當曲軸位置傳感器的曲軸轉角信號(1)顯示發動機的轉速高于220r/min時，混合燃料電子控制單元(8)判斷發動機處于起動工況，之后向點火模塊(11)發出點火控制信號(a)，由點火模塊(11)控制火花塞(12)跳火，同時混合燃料電子控制單元(8)還將向二甲醚噴嘴(14)發出二甲醚噴射信號(c)，實現由純二甲醚點燃起動；

發動機起動時根據冷卻水溫度傳感器的冷卻水溫度信號(2)和線性氧傳感器的空燃比信號(7)確定起動時發動機的狀態，并根據具體工況來確定燃料混合比α、過量空氣系數λ和點火提前角β；起動工況時燃料采用α_DME＝1純二甲醚，過量空氣系數λ＝0.5-0.8，點火提前角β＝6°ATDC；隨著冷卻水溫度傳感器的冷卻水溫度信號(2)顯示發動機的水溫不斷提高，混合燃料電子控制單元(8)實時動態調整二甲醚噴射信號(c)，使得過量空氣系數λ逐漸趨于1，直至發動機水溫達到90-95℃的正常工作范圍，同時發動機進入怠速穩定狀態；

起動工況依據發動機的水溫分為兩種狀態：

[1]當混合燃料電子控制單元(8)接收冷卻水溫度傳感器的冷卻水溫度信號(2)所顯示的水溫低于30℃時，判斷發動機為冷機起動工況，此時應根據具體的冷卻水溫度將二甲醚噴入量提高，以滿足發動機在冷機起動時所需要的λ＝0.5-0.6的過濃混合氣；此時由α_DME＝1純二甲醚點燃，過量空氣系數處于λ＝0.5-0.6的過濃混合氣區域；

[2]當混合燃料電子控制單元(8)接收冷卻水溫度傳感器的冷卻水溫度信號(2)所顯示的水溫不低于30℃時，判斷發動機為熱機起動工況，所需要的混合氣濃度比冷機起動時低；混合燃料電子控制單元(8)根據冷卻水溫調整點火控制信號(a)和二甲醚噴射信號(c)，此時由α_DME＝1純二甲醚點燃，過量空氣系數處于λ＝0.6-0.8的濃混合氣區域；

暖機工況：當曲軸位置傳感器的曲軸轉角信號(1)顯示發動機的轉速高于700r/min時，混合燃料電子控制單元(8)判斷發動機已正常起動，此時如果冷卻水溫低于75℃則屬于暖機工況；在暖機工況下采用α_DME＝1純二甲醚點燃燃燒方式，混合氣濃度高于λ＝1的理論當量比10％-20％，混合燃料電子控制單元(8)根據線性氧傳感器的空燃比信號(7)將過量空氣系數控制在λ＝0.8-1的較濃混合氣區域，并隨著冷卻水溫的提高而通過控制二甲醚噴射信號(c)，逐漸降低二甲醚噴入量，使得混合氣濃度趨于化學計量比濃度；

混合燃料電子控制單元(8)根據相關信號向點火模塊(11)發出混合燃料點火控制信號(a)，使火花塞(12)跳火；向二甲醚噴嘴(14)發出二甲醚噴射信號(c)；同時向電子節氣門(15)發出電子節氣門控制信號(d)；通過控制電子節氣門(15)開度和點火時刻使得發動機能夠穩定運行在發動機循環變動小于10％的范圍內，目標轉速設定在1000-1400r/min；

怠速工況：當發動機水溫高于75℃，混合燃料電子控制單元(8)根據傳感器信號確定發動機屬于怠速工況時，向點火模塊(11)發出混合燃料點火控制信號(a)并使火花塞(12)跳火，同時向二甲醚噴嘴(14)發出二甲醚噴射信號(c)使其噴射二甲醚燃料，根據相應的信號向電子節氣門(15)發出電子節氣門控制信號(d)使得電子節氣門(15)在0-10％的區間內調整；在怠速工況下，由α_DME＝1純二甲醚點燃燃燒模式運行，混合氣濃度為化學計量比濃度，混合燃料電子控制單元(8)通過推遲或提前點火時刻、改變二甲醚噴射量以及電子節氣門(15)開度實現對于發動機怠速運行的穩定控制，使過量空氣系數λ＝1，點火提前角β＝0-6°ATDC圍內調整，同時目標轉速控制在790-800r/min；

以上所述的冷機起動、正常起動工況、暖機工況以及怠速工況均應通過臺架進行驗證試驗，確定相應的二甲醚噴射量以及點火時刻，使得發動機能夠正常起動并不出現失火或爆震；

2)低負荷工況：當發動機運轉在其全負荷0-30％的低負荷工況時，采用高辛烷值燃料與二甲醚的均質預混合壓燃燃燒方式，此時α_DME應不小于30％。

混合燃料電子控制單元(8)在確定發動機屬于其全負荷0-30％的低負荷工況運行后，首先通過混合燃料點火控制信號(a)關閉點火模塊(11)，使火花塞(12)停止點火，實現均值充量混合壓燃HCCI的燃燒模式；同時混合燃料電子控制單元(8)根據各傳感器信號判斷轉速及負荷區間，調整二甲醚噴射信號(c)和高辛烷值燃料噴射信號(b)，使得二甲醚噴嘴(14)和高辛烷值燃料噴嘴(13)按α_DME不小于30％的適當比例噴射二甲醚和高辛烷值燃料，混合燃料電子控制單元(8)同時對電子節氣門(15)發出電子節氣門控制信號(d)使電子節氣門(15)100％開啟，實現發動機在1200-6500r/min轉速區間內、發動機全負荷0-30％的低負荷均質混合燃料壓燃運行；

發動機運行在低負荷區間時需要辛烷值較低易于燃燒爆炸的燃料，因此需要采用的α_DME應不小于30％；在此基礎上通過臺架試驗驗證并優化二甲醚與高辛烷值燃料的混合比例以及噴射脈寬，使混合燃料的過量空氣系數λ在1-3之間，確保發動機不出現失火等情況發生；

3)中負荷工況：當發動機運轉在其全負荷30-70％的中負荷工況時，采用高辛烷值燃料與二甲醚混合燃料火花點燃燃燒方式，此時采用的α_DME小于30％；

混合燃料電子控制單元(8)在確定發動機屬于其全負荷30-70％的中負荷工況運行后，連通點火模塊(11)并控制火花塞(12)點火，混合燃料電子控制單元(8)根據各傳感器信號判斷轉速及負荷區間，調整二甲醚噴射信號(c)和高辛烷值燃料噴射信號(b)，使得二甲醚噴嘴(14)和高辛烷值燃料噴嘴(13)按αDME小于30％的比例噴射二甲醚和高辛烷值燃料，混合燃料電子控制單元(8)同時對電子節氣門(15)發出電子節氣門控制信號(d)以實時調整節氣門開度在20-55％之間變化，隨著發動機負荷和轉速的不斷提高而將點火提前角β由8°BTDC不斷提前至40°BTDC，實現發動機在1200-6500r/min轉速區間內、過量空氣系數λ＝1情況下發動機全負荷30-70％的中負荷運行；在該工況下采用的αDME小于30％是避免由于燃料辛烷值過低而導致爆震等情況發生。

4)高負荷工況：當發動機運轉在其全負荷70-100％的高負荷工況時，發動機燃用α_DME＝0純高辛烷值燃料，并采用火花塞點燃的燃燒方式；

混合燃料電子控制單元(8)在確定發動機屬于高負荷工況運行后，連通點火模塊(11)并控制火花塞(12)點火，關閉二甲醚噴射信號(c)使得二甲醚噴嘴(14)停止噴射二甲醚，同時發出高辛烷值燃料噴射信號(b)使高辛烷值燃料噴嘴(13)噴射高辛烷值燃料，實現在發動機全負荷70-100％的高負荷工況下α_DME＝0單純點燃高辛烷值燃料；

混合燃料電子控制單元(8)同時對電子節氣門(15)發出電子節氣門控制信號(d)以使得節氣門開度在55-100％之間實時調整，在全部燃用高辛烷值燃料的基礎上，隨著發動機負荷和轉速的不斷提高而將點火提前角β由8°BTDC不斷提前至40°BTDC，實現發動機在1200-6500r/min轉速區間內、過量空氣系數λ＝1情況下發動機全負荷70-100％的高負荷運行；在此基礎上通過臺架試驗驗證并優化高辛烷值燃料的噴射脈寬及點火時刻，確保發動機不出現失火爆震等情況發生。