一种采用二甲醚和高辛烷值燃料内燃机的控制方法

摘要

一种采用二甲醚和高辛烷值燃料内燃机的控制方法，涉及DME与高辛烷值燃料的灵活现场混合方式并结合点燃与压燃复合混合燃烧模式。根据内燃机运行的工况选择燃烧模式并采用纯DME、纯高辛烷值燃料实时调整不同比例的现场混合以满足内燃机在全工况对燃料的要求。在起动-怠速工况采用纯DME点燃，0-30％小负荷采用高DME混合比例的高辛烷值燃料-DME均质预混和压燃，30-70％中负荷采用低DME混合比例的高辛烷值燃料-DME混合燃料火花点燃，70-100％高负荷采用纯高辛烷值燃料点燃。该技术将为车用内燃机达到欧4以上排放标准同时降低对石油及燃料的使用和消耗并提高发动机热效率和燃油经济性提供一条有效的技术途径。

主权项

一种采用二甲醚和高辛烷值燃料现场混合和复合燃烧模式的内燃机的控制方法，所述的二甲醚和高辛烷值燃料现场混合和复合燃烧模式内燃机由传统电控火花点火内燃机改造而成，包括气缸(20)、内燃机进气管(16)、内燃机排气管(21)、内燃机活塞(19)、点火模块(11)、火花塞(12)、电子节气门(15)以及曲轴转角位置传感器的曲轴转角信号(1)、冷却水温度传感器的冷却水温度信号(2)、进气温度传感器的进气温度信号(3)、进气压力传感器的进气压力信号(4)、节气门位置传感器的节气门位置信号(5)、爆震传感器的燃烧压力及爆震信号(6)、线性氧传感器的空燃比信号(7)；同时还包括混合燃料电子控制单元(8)、高辛烷值燃料箱(9)、高辛烷值燃料压力调节器(10)、高辛烷值燃料喷嘴(13)、二甲醚喷嘴(14)、二甲醚调压器(17)、二甲醚罐(18)以及控制混合燃料喷射的混合燃料点火控制信号(a)、高辛烷值燃料喷射信号(b)、二甲醚喷射信号(c)和电子节气门控制信号(d)；曲轴转角位置传感器的曲轴转角信号(1)、冷却水温度传感器的冷却水温度信号(2)、进气温度传感器的进气温度信号(3)、进气压力传感器的进气压力信号(4)、节气门位置传感器的节气门位置信号(5)、爆震传感器的燃烧压力及爆震信号(6)、线性氧传感器的空燃比信号(7)输入进混合燃料电子控制单元(8)；混合燃料电子控制单元(8)是在现有ECU的基础上进行改进，在实现原有控制功能的基础上对混合燃料双喷嘴的喷射时刻以及喷射脉宽进行控制，各种信号的通信、采集以及判定遵循原机ECU的设定；混合燃料电子控制单元(8)向点火模块(11)发出混合燃料点火控制信号(a)使火花塞(12)发火或者关闭，实现点燃或压燃的复合燃烧模式；向电子节气门(15)发出电子节气门控制信号(d)以调整电子节气门(15)的开度，改变发动机的进气量，实现不同负荷和转速的要求；向高辛烷值燃料喷嘴(13)发出高辛烷值燃料喷射信号(b)，实现高辛烷值燃料的喷射，向二甲醚喷嘴(14)发出二甲醚喷射信号(c)，实现二甲醚的喷射，喷射的两种燃料在内燃机进气管(16)内现场混合，将喷入的二甲醚的能量占总喷入燃料能量的比例设定为αDME，以此来表明两种燃料的混合比例；当内燃机处于进气冲程时，随着内燃机活塞(19)下行将燃料与空气的混合气吸入 内燃机气缸(20)，实现混合气的燃烧，在经过压缩、做功冲程后，在排气冲程时将燃烧过的废气随内燃机活塞(19)上行而通过内燃机排气管(21)排出内燃机气缸(20)；高辛烷值燃料箱(9)、高辛烷值燃料压力调节器(10)和高辛烷值燃料喷嘴(13)通过不锈钢管或耐压软管依次连接，高辛烷值燃料喷嘴(13)固连在内燃机进气管(16)上；二甲醚罐(18)、二甲醚调压器(17)和二甲醚喷嘴(14)通过不锈钢管或耐压防腐蚀软管依次连接，二甲醚喷嘴(14)固连在内燃机进气管(16)上；混合燃料电子控制单元(8)通过读取曲轴转角位置传感器的曲轴转角信号(1)、节气门位置传感器的节气门位置信号(5)以及进气压力传感器的进气压力信号(4)确定发动机当前的转速及负荷，同时读取冷却水温度传感器的冷却水温度信号(2)、进气温度传感器的进气温度信号(3)、爆震传感器的燃烧压力及爆震信号(6)以及线性氧传感器的空燃比信号(7)，通过对各种信号进行分析由此确定发动机所运行的工况；其特征在于：包括了起动‑怠速、低负荷、中负荷和高负荷四种控制方式：1)起动‑怠速工况：该工况根据具体的运行环境分为三种不同的情况，分别是起动工况、暖机工况和怠速工况；当发动机处于起动‑怠速工况时，采用单独依靠火花塞点火点燃高十六烷值二甲醚的点燃燃烧方式；起动工况：当曲轴位置传感器的曲轴转角信号(1)显示发动机的转速高于220r/min时，混合燃料电子控制单元(8)判断发动机处于起动工况，之后向点火模块(11)发出点火控制信号(a)，由点火模块(11)控制火花塞(12)跳火，同时混合燃料电子控制单元(8)还将向二甲醚喷嘴(14)发出二甲醚喷射信号(c)，实现由纯二甲醚点燃起动；发动机起动时根据冷却水温度传感器的冷却水温度信号(2)和线性氧传感器的空燃比信号(7)确定起动时发动机的状态，并根据具体工况来确定燃料混合比α、过量空气系数λ和点火提前角β；起动工况时燃料采用αDME＝1纯二甲醚，过量空气系数λ＝0.5‑0.8，点火提前角β＝6°ATDC；随着冷却水温度传感器的冷却水温度信号(2)显示发动机的水温不断提高，混合燃料电子控制单元(8) 实时动态调整二甲醚喷射信号(c)，使得过量空气系数λ逐渐趋于1，直至发动机水温达到90‑95℃的正常工作范围，同时发动机进入怠速稳定状态；起动工况依据发动机的水温分为两种状态：[1]当混合燃料电子控制单元(8)接收冷却水温度传感器的冷却水温度信号(2)所显示的水温低于30℃时，判断发动机为冷机起动工况，此时应根据具体的冷却水温度将二甲醚喷入量提高，以满足发动机在冷机起动时所需要的λ＝0.5‑0.6的过浓混合气；此时由αDME＝1纯二甲醚点燃，过量空气系数处于λ＝0.5‑0.6的过浓混合气区域；[2]当混合燃料电子控制单元(8)接收冷却水温度传感器的冷却水温度信号(2)所显示的水温不低于30℃时，判断发动机为热机起动工况，所需要的混合气浓度比冷机起动时低；混合燃料电子控制单元(8)根据冷却水温调整点火控制信号(a)和二甲醚喷射信号(c)，此时由αDME＝1纯二甲醚点燃，过量空气系数处于λ＝0.6‑0.8的浓混合气区域；暖机工况：当曲轴位置传感器的曲轴转角信号(1)显示发动机的转速高于700r/min时，混合燃料电子控制单元(8)判断发动机已正常起动，此时如果冷却水温低于75℃则属于暖机工况；在暖机工况下采用αDME＝1纯二甲醚点燃燃烧方式，混合气浓度高于λ＝1的理论当量比10％‑20％，混合燃料电子控制单元(8)根据线性氧传感器的空燃比信号(7)将过量空气系数控制在λ＝0.8‑1的较浓混合气区域，并随着冷却水温的提高而通过控制二甲醚喷射信号(c)，逐渐降低二甲醚喷入量，使得混合气浓度趋于化学计量比浓度；混合燃料电子控制单元(8)根据相关信号向点火模块(11)发出混合燃料点火控制信号(a)，使火花塞(12)跳火；向二甲醚喷嘴(14)发出二甲醚喷射信号(c)；同时向电子节气门(15)发出电子节气门控制信号(d)；通过控制电子节气门(15)开度和点火时刻使得发动机能够稳定运行在发动机循环变动小于10％的范围内，目标转速设定在1000‑1400r/min；怠速工况：当发动机水温高于75℃，混合燃料电子控制单元(8)根据传感器信号确定发动机属于怠速工况时，向点火模块(11)发出混合燃料点火控制 信号(a)并使火花塞(12)跳火，同时向二甲醚喷嘴(14)发出二甲醚喷射信号(c)使其喷射二甲醚燃料，根据相应的信号向电子节气门(15)发出电子节气门控制信号(d)使得电子节气门(15)在0‑10％的区间内调整；在怠速工况下，由αDME＝1纯二甲醚点燃燃烧模式运行，混合气浓度为化学计量比浓度，混合燃料电子控制单元(8)通过推迟或提前点火时刻、改变二甲醚喷射量以及电子节气门(15)开度实现对于发动机怠速运行的稳定控制，使过量空气系数λ＝1，点火提前角β＝0‑6°ATDC围内调整，同时目标转速控制在790‑800r/min；以上所述的冷机起动、正常起动工况、暖机工况以及怠速工况均应通过台架进行验证试验，确定相应的二甲醚喷射量以及点火时刻，使得发动机能够正常起动并不出现失火或爆震；2)低负荷工况：当发动机运转在其全负荷0‑30％的低负荷工况时，采用高辛烷值燃料与二甲醚的均质预混合压燃燃烧方式，此时αDME应不小于30％。混合燃料电子控制单元(8)在确定发动机属于其全负荷0‑30％的低负荷工况运行后，首先通过混合燃料点火控制信号(a)关闭点火模块(11)，使火花塞(12)停止点火，实现均值充量混合压燃HCCI的燃烧模式；同时混合燃料电子控制单元(8)根据各传感器信号判断转速及负荷区间，调整二甲醚喷射信号(c)和高辛烷值燃料喷射信号(b)，使得二甲醚喷嘴(14)和高辛烷值燃料喷嘴(13)按αDME不小于30％的适当比例喷射二甲醚和高辛烷值燃料，混合燃料电子控制单元(8)同时对电子节气门(15)发出电子节气门控制信号(d)使电子节气门(15)100％开启，实现发动机在1200‑6500r/min转速区间内、发动机全负荷0‑30％的低负荷均质混合燃料压燃运行；发动机运行在低负荷区间时需要辛烷值较低易于燃烧爆炸的燃料，因此需要采用的αDME应不小于30％；在此基础上通过台架试验验证并优化二甲醚与高辛烷值燃料的混合比例以及喷射脉宽，使混合燃料的过量空气系数λ在1‑3之间，确保发动机不出现失火等情况发生；3)中负荷工况：当发动机运转在其全负荷30‑70％的中负荷工况时，采用高辛烷值燃料与二甲醚混合燃料火花点燃燃烧方式，此时采用的αDME小于 30％；混合燃料电子控制单元(8)在确定发动机属于其全负荷30‑70％的中负荷工况运行后，连通点火模块(11)并控制火花塞(12)点火，混合燃料电子控制单元(8)根据各传感器信号判断转速及负荷区间，调整二甲醚喷射信号(c)和高辛烷值燃料喷射信号(b)，使得二甲醚喷嘴(14)和高辛烷值燃料喷嘴(13)按αDME小于30％的比例喷射二甲醚和高辛烷值燃料，混合燃料电子控制单元(8)同时对电子节气门(15)发出电子节气门控制信号(d)以实时调整节气门开度在20‑55％之间变化，随着发动机负荷和转速的不断提高而将点火提前角β由8°BTDC不断提前至40°BTDC，实现发动机在1200‑6500r/min转速区间内、过量空气系数λ＝1情况下发动机全负荷30‑70％的中负荷运行；在该工况下采用的αDME小于30％是避免由于燃料辛烷值过低而导致爆震等情况发生。4)高负荷工况：当发动机运转在其全负荷70‑100％的高负荷工况时，发动机燃用αDME＝0纯高辛烷值燃料，并采用火花塞点燃的燃烧方式；混合燃料电子控制单元(8)在确定发动机属于高负荷工况运行后，连通点火模块(11)并控制火花塞(12)点火，关闭二甲醚喷射信号(c)使得二甲醚喷嘴(14)停止喷射二甲醚，同时发出高辛烷值燃料喷射信号(b)使高辛烷值燃料喷嘴(13)喷射高辛烷值燃料，实现在发动机全负荷70‑100％的高负荷工况下αDME＝0单纯点燃高辛烷值燃料；混合燃料电子控制单元(8)同时对电子节气门(15)发出电子节气门控制信号(d)以使得节气门开度在55‑100％之间实时调整，在全部燃用高辛烷值燃料的基础上，随着发动机负荷和转速的不断提高而将点火提前角β由8°BTDC不断提前至40°BTDC，实现发动机在1200‑6500r/min转速区间内、过量空气系数λ＝1情况下发动机全负荷70‑100％的高负荷运行；在此基础上通过台架试验验证并优化高辛烷值燃料的喷射脉宽及点火时刻，确保发动机不出现失火爆震等情况发生。