CN102889147A - 发动机高效低排放新型复合热力循环的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了发动机高效低排放新型复合热力循环的控制方法，它包括以下步骤：（1）控制单元分别读取安装在发动机曲轴上的传感器的转速信号、安装在油门踏板上的传感器的发动机负荷信号并根据所述的转速信号和发动机负荷信号判断发动机运行的负荷和转速工况；（2）如果步骤（1）中的判断结果为中低转速工况，则所述的控制单元向安装在发动机排气旁接管上的电控旁通阀发出关闭信号，此时中压级废气再循环阀和低压级废气再循环阀打开；（3）如果步骤（1）中的判断结果为高转速工况，则所述的控制单元向安装在发动机排气旁接管上的电控旁通阀发出打开信号。本方法大幅度提高发动机升功率和低速扭矩。

Description

发动机高效低排放新型复合热力循环的控制方法

技术领域

本发明涉及内燃机领域，特别涉及一种发动机高效低排放新型复合热力循环的控制方法。

背景技术

内燃机是交通运输、工程和农用机械等动力装置的主要动力源，内燃机消耗石油占我国石油总消耗量的60%以上，2011年我国原油对外依存度已达56.5％。通过技术创新，大幅度提高内燃机热效率是确保国家能源安全的重大需求。同时，在人类活动导致的CO₂排放中，以内燃机为动力的交通运输占25%。提高内燃机热效率是降低CO₂排放的主战场之一。目前机动车排放的氮氧化物、挥发性有机物和可吸入颗粒物在城市大气污染源中的分担率已分别达到66%、90%和26%，机动车排放也是PM2.5的最大“贡献”者之一，分别占总PM2.5排放的22.2%（北京）和25%（上海）。降低汽车内燃机有害排放，改善大气环境尤其是城市大气环境是我国社会经济发展必须解决的一个重要问题。

近年来，以电动汽车、燃料电池汽车等为代表的新能源动力技术得到世界各国政府以及汽车公司的高度重视。但国际汽车学术界和工业界清醒地认识到：汽车产业不可能发生类似电子信息产业的短期跨越式发展。因此，新能源汽车的普及将是一个漫长的过程，而且如果没有一定的保有量，其对能源安全、气候变化和大气环境的实际效果将非常有限。

基于内燃机在保障能源安全、应对全球气候变化和降低大气环境污染的重要作用，世界各国在大力发展新能源动力技术的同时，十分重视内燃机节能减排工作。进入新世纪以来，汽车发达国家都大力支持以“均质压燃、低温燃烧”为代表的新一代内燃机燃烧理论和技术的研究。我国也在科技部2001-2011年组织的两项973计划项目开展了相关的研究工作，并取得了重要进展。已经证明应用新一代内燃机燃烧技术可以同时提高内燃机热效率、降低CO₂排放，降低内燃机尾气中有害排放。由于发动机的清洁燃烧，减少了对后处理器的依赖，初步实现了节约能源、资源和环境友好的目标。

但是，国内外在先进“均质压燃、低温燃烧”技术的研究中都遇到了一个新的技术瓶颈，即在发动机高转速、高负荷、高功率密度下，出现了五个难以协调的矛盾，即高充量压力与发动机强度的矛盾、有限的混合时间与抑制碳烟的矛盾、低氧浓度（高EGR率）与低氧含量的矛盾、低化学反应率与高热效率的矛盾、热效率与有害排放控制的矛盾。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的不足，提供一种提高内燃机工作过程中的可用能／功的转化效率，降低缸内混合气形成、压缩、燃烧和膨胀做功过程中的不可逆损失，最终获得高效清洁的发动机燃烧过程的发动机高效低排放新型复合热力循环的控制方法。

为了达到上述目的，本发明的发动机高效低排放新型复合热力循环的控制方法，它包括以下步骤：

（1）控制单元分别读取安装在发动机曲轴上的传感器的转速信号、安装在油门踏板上的传感器的发动机负荷信号并根据所述的转速信号和发动机负荷信号判断发动机运行的负荷和转速工况；

（2）如果步骤（1）中的判断结果为中低转速工况，则所述的控制单元向安装在发动机排气旁接管上的电控旁通阀发出关闭信号，此时中压级废气再循环阀和低压级废气再循环阀打开，发动机气缸排出的废气经高压级涡轮机膨胀，经膨胀的部分废气排气流经第二颗粒捕集器、中压级废气再循环冷却器、第二单向阀和中压级废气再循环阀进入低压级压气机的出口，形成中压级废气再循环回路；另一部分经膨胀的废气排气流经低压级涡轮机进一步膨胀，然后依次通过第一颗粒捕集器、低压级废气再循环冷却器和低压级废气再循环阀进入低压级压气机的进气口，形成低压级废气再循环回路；进气以及经过低压级废气再循环回路的废气一起经低压级压气机被压缩，然后与经过中压级废气再循环回路的废气形成混合气再流经第一级中冷器冷却；经第一级中冷器冷却的混合气进入高压级压气机进一步压缩，然后经第二级中冷器被进一步冷却，最后经进气总管进入发动机气缸；

（3）如果步骤（1）中的判断结果为高转速工况，则所述的控制单元向安装在发动机排气旁接管上的电控旁通阀发出打开信号，部分废气排气直接经低压级涡轮机膨胀后排出，此时高压级废气再循环阀和低压级废气再循环阀打开，部分发动机气缸排出的废气排气流经高压级废气再循环冷却器、第一单向阀和高压级废气再循环阀进入高压级压气机的出口，形成高压级废气再循环回路；另一部分废气排气经低压级涡轮机膨胀后通过第一颗粒捕集器、低压级废气再循环冷却器和低压级废气再循环阀进入低压级压气机的进气口，形成低压级废气再循环回路；进气以及经过低压级废气再循环回路的废气形成的混合气一起经低压级压气机压缩，压缩后的混合气经第一级中冷器冷却后进入高压级压气机进一步压缩，然后与经过高压级废气再循环回路的废气一起经第二级中冷器进一步冷却，最后经进气总管进入气缸；

（4）如果步骤（1）中的判断结果为中小负荷工况，则所述的控制单元向安装在发动机上的可变排气机构发出排气门早关信号，形成内部废气再循环；

（5）如果步骤（1）中的判断结果为大负荷工况，则所述的控制单元向安装在发动机上的可变进气机构发出进气门晚关信号，形成米勒循环。

与现有技术相比，本发明具有如下四方面优势：

第一，通过使用带复合废气再循环的两级布雷顿循环过程，可以改善发动机的瞬态响应特性，并且在结构强度允许的范围内，大幅度提高发动机升功率和低速扭矩。三级复合废气再循环的组合使用可以灵活调节不同工况下对废气量的需求，有效降低NOx排放。两级增压可以大幅度提高进气量，提高废气再循环承受能力，改善燃空当量比，降低碳烟排放。从而在提高发动机动力性的基础上，降低污染物排放。

第二，通过使用可变进气机构调节进气压缩终了温度和压力，控制随后的燃烧放热时刻和放热重心：使燃烧压力提高，增大有效功面积、降低燃烧传热损失；通过使用可变排气机构调节排气终了温度和压力，控制排气能量、内部废气再循环率和膨胀做功能力。同时利用可变进排气机构组成的米勒循环过程，改变柴油机有效压缩比，形成压缩比小于膨胀比的米勒循环过程，提高发动机热效率。

第三，通过针对发动机排气能量利用率的最大化优化过程，使排气能量在内外部废气再循环、驱动涡轮的废气能量、朗肯循环等方面合理分布，有效利用废气能量，降低发动机排气热损失。

第四，在内燃机传统的奥托（Otto）循环和狄塞尔（Diesel）循环中，增加带EGR的两级布雷顿循环和米勒循环，对发动机全工况范围内复合热力循环过程进行协同控制。并基于热力学第一定律和第二定律，在减少传热损失和排气热量损失的条件下提高发动机燃烧热量的做功能力，提出使内燃机热效率达到最高的发动机优化控制模型，使缸内工质热力学状态实时处于不可逆损失最小的平衡“极限状态（extreme state）”，使发动机满足动力性和排放性要求的前提下热效率在现有基础上提高10%-15%。

附图说明

图1是本发明发动机高效低排放新型复合热力循环实现方法及其装置的***示意图；

图2是本发明的控制原理示意图；

图3是本发明的控制逻辑示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

本发明方法是针对发动机转速和负荷多变的特点进行分阶段优化，进而基于热力学第一定律和第二定律构建在减少传热损失和排气热量损失的条件下提高发动机燃烧热量的做功能力的优化控制模型，提高内燃机工作过程中的可用能/功的转化效率，降低缸内混合气形成、压缩、燃烧和膨胀做功过程中的不可逆损失，最终获得高效清洁的发动机燃烧过程。

如图1、图2所示，本发明的发动机高效低排放新型复合热力循环的控制方法，它包括以下步骤：（1）控制单元分别读取安装在发动机曲轴上的传感器的转速信号、安装在油门踏板上的传感器的发动机负荷信号并根据所述的转速信号和发动机负荷信号判断发动机运行的负荷和转速工况；（2）如果步骤（1）中的判断结果为中低转速工况，则所述的控制单元向安装在发动机排气旁接管上的电控旁通阀8发出关闭信号，此时中压级废气再循环阀18和低压级废气再循环阀20打开（在中低转速工况，排气能量较低，排气背压与进气压力之间压差较小），发动机气缸排出的废气经高压级涡轮机4膨胀，经膨胀的部分废气排气流经第二颗粒捕集器15、中压级废气再循环冷却器16、第二单向阀17和中压级废气再循环阀18进入低压级压气机7的出口，形成中压级废气再循环回路；另一部分经膨胀的废气排气流经低压级涡轮机6进一步膨胀，然后依次通过第一颗粒捕集器11、低压级废气再循环冷却器19和低压级废气再循环阀20进入低压级压气机7的进气口，形成低压级废气再循环回路，从而满足中低转速下对大比例废气再循环的需求；进气以及经过低压级废气再循环回路的废气一起经低压级压气机7被压缩，然后与经过中压级废气再循环回路的废气形成混合气再流经第一级中冷器9冷却以增加空气密度、增大进气量；经第一级中冷器9冷却的混合气进入高压级压气机5进一步压缩，然后经第二级中冷器10被进一步冷却，最后经进气总管进入发动机气缸1。（3）如果步骤（1）中的判断结果为高转速工况，则所述的控制单元向安装在发动机排气旁接管上的电控旁通阀8发出打开信号，部分废气不经高压级涡轮机4，直接经低压级涡轮机6膨胀后排出（使进气压比不至于达到设定的最高极限、优化高低压级涡轮机废气能量分布）。此时高压级废气再循环阀14和低压级废气再循环阀20打开（在高转速工况，排气能量较大，排气背压与进气压力之间压差较大），部分发动机气缸排出的废气流经高压级废气再循环冷却器12、第一单向阀13和高压级废气再循环阀14进入高压级压气机5的出口，形成高压级废气再循环回路；另一部分废气排气经低压级涡轮机6膨胀后通过第一颗粒捕集器11、低压级废气再循环冷却器19和低压级废气再循环阀20进入低压级压气机7的进气口，形成低压级废气再循环回路，从而满足高转速下对大比例废气再循环的需求；进气以及经过低压级废气再循环回路的废气形成的混合气一起经低压级压气机7压缩，然后经第一级中冷器9冷却以增加空气密度、增大进气量；经第一级中冷器9冷却后的混合气进入高压级压气机5被进一步压缩，然后与经过高压级废气再循环回路的废气一起经第二级中冷器10被进一步冷却，最后经进气总管进入发动机气缸1。（4）如果步骤（1）中的判断结果为中小负荷工况，则所述的控制单元向安装在发动机上的可变排气机构3发出排气门早关信号，形成内部废气再循环，保证低温燃烧在小负荷稳定着火；同时由于中小负荷工况下排气能量较低，主要供给内部废气再循环和驱动高压级涡轮机4和低压级涡轮机6使用；（5）如果步骤（1）中的判断结果为大负荷工况，则所述的控制单元向安装在发动机上的可变进气机构2发出进气门晚关信号，控制气缸内压缩温度和压力以及随后的燃烧放热过程，从而提高燃烧压力、增大有效功面积、降低燃烧传热损失；可变进气机构2的调节，可以改变柴油机有效压缩比，形成压缩比小于膨胀比的米勒循环过程，提高发动机热效率。在高负荷工况下排气能量较高，排气能量主要驱动高压级涡轮机4和低压级涡轮机6做功，同时为后续的换热器21、膨胀机22、冷凝器23、回流泵24组成朗肯循环回收废能驱动空调等附件做功使用。

如图3所示，本发明的控制逻辑如下：针对发动机传统的奥托（Otto）循环和狄塞尔（Diesel）循环中，增加带EGR的两级布雷顿循环、米勒循环和朗肯循环，对发动机全工况范围内复合热力循环过程进行协同控制。全工况范围内控制策略基于热力学第一定律和第二定律，在减少传热损失和排气热量损失的条件下提高发动机燃烧热量的做功能力，使缸内工质热力学状态实时处于不可逆损失最小的平衡“极限状态”，形成满足缸内超低排放要求和最大化有效热效率的新型复合热力循环优化模型和燃烧控制策略。

经检验：本发明发动机高效低排放新型复合热力循环的控制方法可以实现缸内燃烧反应物混合充分均匀、充分稀释的稀混合气快速的低温燃烧过程。充分稀释（提高绝热指数）可以提高工质做功能力，快速燃烧使热力循环接近于理想的定容循环，而低温燃烧可以降低传热损失，并降低废气带走的热量。针对发动机排气能量利用率的最大化优化过程使排气能量在内外部废气再循环、驱动涡轮的废气能量、朗肯循环等方面合理分布，有效利用废气能量，进一步优化提高发动机热效率。最终通过可用能／功转化效率最大化和新型可变复合热力循环的协同控制使发动机有效热效率提高10%-15%，有害污染物缸内原始排放满足欧5排放法规，并在加装后处理器后满足欧6排放法规。

实施例1

（1）控制单元分别读取安装在发动机曲轴上的传感器的转速信号、安装在油门踏板上的传感器的发动机负荷信号并根据所述的转速信号和发动机负荷信号判断发动机运行的负荷和转速工况；

（2）如果步骤（1）中的判断结果为中低转速工况，则所述的控制单元向安装在发动机排气旁接管上的电控旁通阀发出关闭信号，废气排气经高压级涡轮机，低压级涡轮机依次膨胀，此时中压级废气再循环阀和低压级废气再循环阀打开，部分废气排气流经第二颗粒捕集器、中压级废气再循环冷却器、第二单向阀和中压级废气再循环阀进入低压级压气机的出口，形成中压级废气再循环回路；另一部分废气排气流经第一颗粒捕集器、低压级废气再循环冷却器和低压级废气再循环阀进入低压级压气机的进气口，形成低压级废气再循环回路，从而满足中低转速下对大比例废气再循环的需求；进气以及经过低压级废气再循环回路的废气一起经低压级压气机被压缩，然后与经过中压级废气再循环回路的废气再流经第一级中冷器被冷却以增加空气密度、增大进气量；经第一级中冷器后，混合气进入高压级压气机被进一步压缩，然后经第二级中冷器被进一步冷却，最后经进气总管进入气缸；

（3）如果步骤（1）中的判断结果为高转速工况，则所述的控制单元向安装在发动机排气旁接管上的电控旁通阀发出打开信号，部分废气排气直接经低压级涡轮机膨胀后排出，此时高压级废气再循环阀和低压级废气再循环阀打开，部分废气排气流经高压级废气再循环冷却器、第一单向阀和高压级废气再循环阀进入高压级压气机的出口，形成高压级废气再循环回路；另一部分废气排气流经第一颗粒捕集器、低压级废气再循环冷却器和低压级废气再循环阀进入低压级压气机的进气口，形成低压级废气再循环回路；进气以及经过低压级废气再循环回路的废气一起经低压级压气机被压缩，然后经第一级中冷器被冷却；经第一级中冷器后，混合气进入高压级压气机被进一步压缩，然后与经过高压级废气再循环回路的废气一起经第二级中冷器被进一步冷却，最后经进气总管进入气缸；

（4）如果步骤（1）中的判断结果为中小负荷工况，则所述的控制单元向安装在发动机上的可变排气机构发出排气门早关信号，形成内部废气再循环；

（5）如果步骤（1）中的判断结果为大负荷工况，则所述的控制单元向安装在发动机上的可变进气机构发出进气门晚关信号，形成米勒循环。

经检验：本发明发动机高效低排放新型复合热力循环的控制方法可以实现缸内燃烧反应物混合充分均匀、充分稀释的稀混合气快速的低温燃烧过程。充分稀释（提高绝热指数）可以提高工质做功能力，快速燃烧使热力循环接近于理想的定容循环，而低温燃烧可以降低传热损失，并降低废气带走的热量。使发动机有效热效率提高10%，有害污染物缸内原始排放满足欧5排放法规，并在加装后处理器后满足欧6排放法规。

实施例2

（1）控制单元分别读取安装在发动机曲轴上的传感器的转速信号、安装在油门踏板上的传感器的发动机负荷信号并根据所述的转速信号和发动机负荷信号判断发动机运行的负荷和转速工况；

（2）如果步骤（1）中的判断结果为中低转速工况，则所述的控制单元向安装在发动机排气旁接管上的电控旁通阀发出关闭信号，废气排气经高压级涡轮机，低压级涡轮机依次膨胀，此时中压级废气再循环阀和低压级废气再循环阀打开，部分废气排气流经第二颗粒捕集器、中压级废气再循环冷却器、第二单向阀和中压级废气再循环阀进入低压级压气机的出口，形成中压级废气再循环回路；另一部分废气排气流经第一颗粒捕集器、低压级废气再循环冷却器和低压级废气再循环阀进入低压级压气机的进气口，形成低压级废气再循环回路，从而满足中低转速下对大比例废气再循环的需求；进气以及经过低压级废气再循环回路的废气一起经低压级压气机被压缩，然后与经过中压级废气再循环回路的废气再流经第一级中冷器被冷却以增加空气密度、增大进气量；经第一级中冷器后，混合气进入高压级压气机被进一步压缩，然后经第二级中冷器被进一步冷却，最后经进气总管进入气缸；

（3）如果步骤（1）中的判断结果为高转速工况，则所述的控制单元向安装在发动机排气旁接管上的电控旁通阀发出打开信号，部分废气排气直接经低压级涡轮机膨胀后排出，此时高压级废气再循环阀和低压级废气再循环阀打开，部分废气排气流经高压级废气再循环冷却器、第一单向阀和高压级废气再循环阀进入高压级压气机的出口，形成高压级废气再循环回路；另一部分废气排气流经第一颗粒捕集器、低压级废气再循环冷却器和低压级废气再循环阀进入低压级压气机的进气口，形成低压级废气再循环回路；进气以及经过低压级废气再循环回路的废气一起经低压级压气机被压缩，然后经第一级中冷器被冷却；经第一级中冷器后，混合气进入高压级压气机被进一步压缩，然后与经过高压级废气再循环回路的废气一起经第二级中冷器被进一步冷却，最后经进气总管进入气缸；

（4）如果步骤（1）中的判断结果为中小负荷工况，则所述的控制单元向安装在发动机上的可变排气机构发出排气门早关信号，形成内部废气再循环；

（5）如果步骤（1）中的判断结果为大负荷工况，则所述的控制单元向安装在发动机上的可变进气机构发出进气门晚关信号，形成米勒循环；此外所述的控制单元向安装在发动机上的可变排气机构发出信号，停止内部废气再循环，部分废气经换热器、膨胀机、冷凝器、回流泵组成朗肯循环，对多于的废气能量进行回收，进一步提高发动机热效率。

经检验：本发明发动机高效低排放新型复合热力循环的控制方法可以实现缸内燃烧反应物混合充分均匀、充分稀释的稀混合气快速的低温燃烧过程。充分稀释（提高绝热指数）可以提高工质做功能力，快速燃烧使热力循环接近于理想的定容循环，而低温燃烧可以降低传热损失，并降低废气带走的热量。朗肯循环的增加使废热能量被有效回收，进一步降低排气能量损失。从而使发动机有效热效率提高15%，有害污染物缸内原始排放满足欧5排放法规，并在加装后处理器后满足欧6排放法规。

Claims (1)

1.发动机高效低排放新型复合热力循环的控制方法，其特征在于它包括以下步骤：

（1）控制单元分别读取安装在发动机曲轴上的传感器的转速信号、安装在油门踏板上的传感器的发动机负荷信号并根据所述的转速信号和发动机负荷信号判断发动机运行的负荷和转速工况；

（2）如果步骤（1）中的判断结果为中低转速工况，则所述的控制单元向安装在发动机排气旁接管上的电控旁通阀发出关闭信号，此时中压级废气再循环阀和低压级废气再循环阀打开，发动机气缸排出的废气经高压级涡轮机膨胀，经膨胀的部分废气排气流经第二颗粒捕集器、中压级废气再循环冷却器、第二单向阀和中压级废气再循环阀进入低压级压气机的出口，形成中压级废气再循环回路；另一部分经膨胀的废气排气流经低压级涡轮机进一步膨胀，然后依次通过第一颗粒捕集器、低压级废气再循环冷却器和低压级废气再循环阀进入低压级压气机的进气口，形成低压级废气再循环回路；进气以及经过低压级废气再循环回路的废气一起经低压级压气机被压缩，然后与经过中压级废气再循环回路的废气形成混合气再流经第一级中冷器冷却；经第一级中冷器冷却的混合气进入高压级压气机进一步压缩，然后经第二级中冷器被进一步冷却，最后经进气总管进入发动机气缸；

（3）如果步骤（1）中的判断结果为高转速工况，则所述的控制单元向安装在发动机排气旁接管上的电控旁通阀发出打开信号，部分废气排气直接经低压级涡轮机膨胀后排出，此时高压级废气再循环阀和低压级废气再循环阀打开，部分发动机气缸排出的废气排气流经高压级废气再循环冷却器、第一单向阀和高压级废气再循环阀进入高压级压气机的出口，形成高压级废气再循环回路；另一部分废气排气经低压级涡轮机膨胀后通过第一颗粒捕集器、低压级废气再循环冷却器和低压级废气再循环阀进入低压级压气机的进气口，形成低压级废气再循环回路；进气以及经过低压级废气再循环回路的废气形成的混合气一起经低压级压气机压缩，压缩后的混合气经第一级中冷器冷却后进入高压级压气机进一步压缩，然后与经过高压级废气再循环回路的废气一起经第二级中冷器进一步冷却，最后经进气总管进入气缸；

（4）如果步骤（1）中的判断结果为中小负荷工况，则所述的控制单元向安装在发动机上的可变排气机构发出排气门早关信号，形成内部废气再循环；

（5）如果步骤（1）中的判断结果为大负荷工况，则所述的控制单元向安装在发动机上的可变进气机构发出进气门晚关信号，形成米勒循环。

Images