CN108612595A - 一种柴油机高预混可控压燃的燃烧控制方法 - Google Patents

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CN108612595A CN201810459202.0A CN201810459202A CN108612595A CN 108612595 A CN108612595 A CN 108612595A CN 201810459202 A CN201810459202 A CN 201810459202A CN 108612595 A CN108612595 A CN 108612595A
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Abstract

本发明属于内燃机相关技术领域，其公开了一种柴油机高预混可控压燃的燃烧控制方法，该方法包括以下步骤：(1)启动柴油机，并判断所述柴油机的运行工况；(2)根据得到的运行工况控制预混合气的活性；(3)当活塞运动到压缩上止点附近时，缸内主喷预定质量的高活性燃料，此部分高活性燃料先被引燃以形成数量可控的微火源；之后，所述微火源引燃所述预混合气以控制燃烧始点，由此实现了所述柴油机的双峰放热燃烧。所述燃烧控制方法提高了柴油机的燃烧可控性，增强了燃烧鲁棒性，且改善了柴油机的运行效率。

Description

一种柴油机高预混可控压燃的燃烧控制方法
技术领域
本发明属于内燃机相关技术领域，更具体地，涉及一种柴油机高预混可控压燃的燃烧控制方法。
背景技术
传统柴油机的扩散燃烧会产生大量PM与NOx，两者此消彼长，难以同时兼顾。随着人们对环境的保护意识逐渐增强，虽然能够采用选择性催化还原装置(SCR)还原NOx，微粒过滤器(DPF)过滤PM，当时这样增加了发动机***的复杂性，并且成本较为高昂。事实上目前先进的柴油机燃烧技术在满足相关条件的情况下仍可以不采用DPF后处理器，这充分显示出燃烧技术在内燃机节能和降低有害物排放方面的巨大潜力。针对未来的超低排放趋势，人们提出了低温燃烧(LTC)的概念，其核心就是改变以传统柴油机为代表扩散燃烧方式和以传统汽油机为代表的火花点燃的火焰传播燃烧方式，采用预混合、压燃、低火焰温度的燃烧方式，实现了内燃机的高效清洁燃烧。虽然LTC燃烧模式结合了汽油机与柴油机的优势，但是失去了汽油机与柴油机控制上的便利性，因此控制性是工程上实现低温燃烧所面临的巨大问题。为了实现低温燃烧并使其可控，人们发展了一些低温燃烧模式以及控制策略，如均质压燃(HCCI)、预混压燃(PCI)、部分预混压燃(PCCI)。
HCCI燃烧是燃油与空气充分预混、压缩之后几乎同时着火，其燃烧过程受化学反应动力学控制，与混合气的温度、当量比以及活性直接相关。这种燃烧模式结合了传统压燃式柴油机和火花点燃式汽油机的优点，可以实现与柴油机相当的高热效率和汽油机的无碳排放，同时由于是稀混合气燃烧(燃烧温度低)，NOx排放也极低。但是HCCI燃烧过程要受化学反应动力学控制；其次，混合气过稀或者高辛烷值燃料在小负荷和怠速工况下容易“失火”，而在大负荷工况下则容易出现“爆震燃烧”。而提高进气温度及冷却水温度或者采用高活性燃料可以避免HCCI“失火”，提高进气压力、采用高辛烷值燃料或者提高EGR率有利于HCCI运行负荷提高。然而，实际发动机运行状态无法精确控制，此时缸内预混合气的整体温度、当量比等受到运行转速、负荷及运行环境等因素影响，如此导致HCCI燃烧过程控制变得复杂。
此外，HCCI发动机无法在缸内构建完全均质的预混合气，缸壁传热、燃料或者残余废气预混不均匀会导致缸内自然形成热分层和组分分层，这种分层特性影响HCCI燃烧过程。PCCI通过增大EGR率、将喷油正时提前、增大喷油压力等方式，使得混合气在缸内分布更为均匀，使得多点燃烧更为均匀，燃烧过程较快使得PM和NOx排放较低。然而，当内燃机的运行工况负荷较大时会导致较高的HC和CO排放。PCI策略中通过调整喷油正时可以直接控制缸内当量比的分布，而局部当量比对燃烧相位有明显影响，导致碳烟和NOx排放远比柴油燃料低温燃烧时低，并且高效清洁低温燃烧区域最大负荷范围比柴油更高，而且燃用汽油燃料可节能8.3％～16.6％，但是这种燃烧方式的缸内最大爆发压力、最大压力升高率较高，发动机工作粗暴。同时，在小负荷工况下由于汽油燃料不易压燃而需要采取其它的措施，如缸内残余废气加热，避免小负荷工况“失火”是这一燃烧方式需要解决的另一个难题。相应地，本领域存在着发展一种可控性较好的柴油机高预混可控压燃的燃烧控制方法的技术需求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种柴油机高预混可控压燃的燃烧控制方法，其基于现有柴油机的燃烧特点，研究及设计了一种可控性较好的柴油机高预混可控压燃的燃烧控制方法。所述燃烧控制方法采用高预混可控压燃模式(HighlyPremixed Controllable CompressionIgnition，HPCCI)，HPCCI为双峰放热燃烧模式。具体地，在曲轴运动到压缩上止点附近时，缸内直喷微量高活性燃料(3mg～5mg)，称为高活性燃料主喷，该部分燃料被压燃以形成数量可控的微火源，以用于引燃之前在缸内混合形成的预混合气，由此达到控制燃烧相位的效果，同时，通过不同比例的双燃料预混、改变喷油正时、引入EGR等来构建充量状态可控、当量比可控、燃料活性可控的均质预混合气；其中微量高活性燃料在压缩上止点附近被压燃以形成第一阶段放热，该阶段放热量少，放热峰值较低且过程较快，其起到了“引爆”第二阶段燃烧的作用；缸内的预混合气被引燃构成了第二阶段放热，该阶段为主放热阶段，放热量大，且放热峰值较高，放热状态受到充量状态、当量、活性等因素的综合控制，如此以“预混合燃烧”为主，结合较低的燃烧温度，实现了PM和NOx的超低排放，提高了燃烧可控性，增强了燃烧鲁棒性，有助于扩宽LTC的工况范围，且改善了柴油机的运行效率。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种柴油机高预混可控压燃的燃烧控制方法，该燃烧控制方法包括以下步骤：
(1)启动柴油机，并判断所述柴油机的运行工况；
(2)根据得到的运行工况控制预混合气的当量比、充量状态及活性；
(21)在所述柴油机的活塞运动到排气上止点后，将低活性燃料喷入所述柴油机的进气道，所述低活性燃料与空气形成混合气后进入所述柴油机的燃烧室；
(22)当所述低活性燃料满足对应运行工况所需低活性燃料的当量比后，所述低活性燃料喷射结束；接着，缸内直喷高活性燃料，且当所述高活性燃料满足对应运行工况所需高活性燃料的当量比后，停止喷射所述高活性燃料，所述高活性燃料与所述混合气混合以形成充量状态均质的预混合气；
(3)当所述活塞运动到压缩上止点附近时，缸内主喷预定质量的所述高活性燃料，此部分高活性燃料先被引燃以形成数量可控的微火源；之后，所述微火源引燃所述预混合气以控制燃烧始点，由此实现了所述柴油机的双峰放热燃烧。
进一步地，所述预定质量为3mg～5mg。
进一步地，缸内直喷高活性燃料是采用多次喷射进行的。
进一步地，根据得到的运行工况，通过控制所述低活性燃料与所述高活性燃料的质量来控制所述预混合气的当量比，通过改变所述高活性燃料主喷与预喷正时来控制燃料分层，通过控制所述低活性燃料与所述高活性燃料的质量之比、并配合EGR来控制所述预混合气的活性，使得所述预混合气的活性与对应的运行工况相匹配。
进一步地，所述运行工况分别为小负荷工况、中等负荷工况及大负荷工况；当所述柴油机处于小负荷工况时，则通过增加缸内直喷高活性燃料的量来提高所述预混合气的活性，且将所述高活性燃料预喷正时提前。
进一步地，当所述柴油机处于中等负荷工况时，则通过降低缸内直喷高活性燃料的量来降低所述预混合气的活性，且推迟了所述高活性燃料的预喷正时。
进一步地，当所述柴油机处于大负荷工况时，则通过降低缸内直喷高活性燃料的量来降低预混合气的活性，且进一步推迟了所述高活性燃料的预喷正时。
进一步地，主喷的所述高活性燃料在压缩上止点附近被压燃以形成第一阶段放热；所述微火源将所述预混合气引燃以形成第二阶段放热；所述第一阶段放热的放热峰值小于所述第二阶段放热的放热峰值。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的柴油机高预混可控压燃的燃烧控制方法主要具有以下有益效果：
1.根据得到的运行工况控制预混合气的活性，当所述活塞运动到压缩上止点附近时，缸内主喷预定质量的所述高活性燃料，此部分高活性燃料先被引燃以形成数量可控的微火源；之后，所述微火源引燃所述预混合气以控制燃烧始点，由此实现了所述柴油机的双峰放热燃烧，以预混合为主，结合较低的燃烧温度，实现了PM和NOx的超低排放控制，提高了燃烧可控性及燃烧鲁棒性，且改善了柴油机的运行效率，有助于扩宽LTC的工况范围。
2.当所述柴油机处于小负荷工况时，则通过增加缸内直喷高活性燃料的量来提高所述预混合气的活性，且将所述高活性燃料预喷正时提前，以增大所述预混合气的均匀性，使得所述预混合气在小负荷工况下的燃烧更为安全，避免了“失火”的现象产生。
3.当所述柴油机处于大负荷工况时，则通过降低缸内直喷高活性燃料的量来降低预混合气的活性，以推迟所述高活性燃料的预喷正时，降低了均匀性，促进了燃料分层，以降低燃烧速度，避免了“爆震燃烧”现象的产生。
4.缸内直喷高活性燃料是采用多次喷射进行的，以减弱湿壁效应所带来的影响，提高了准确性。
附图说明
图1是本发明提供的柴油机高预混可控压燃的燃烧控制方法的流程图。
图2是采用图1中的柴油机高预混可控压燃的燃烧控制方法得到的微火源引燃预混合气的燃烧示意图。
图3是采用图1中的柴油机高预混可控压燃的燃烧控制方法得到的一个工作循环中的放热率曲线图。
图4是采用图1中的柴油机高预混可控压燃的燃烧控制方法得到的预混合气活性与当量比的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1，本发明提供的柴油机高预混可控压燃的燃烧控制方法，所述燃烧控制方法控制柴油机的燃烧模式为双峰值放热燃烧模式，且统一采用在接近压缩上止点时喷射微量高活性燃料以形成微火源引燃混合气。所述燃烧控制方法通过控制缸内预混合气的活性及当量比，使预混合气不被直接压燃，而被压缩上止点附近直喷的微小喷油引燃，则能同时实现燃烧相位、着火位置及燃烧速率的控制。
本发明提供的柴油机高预混可控压燃的燃烧控制方法主要包括以下步骤：
步骤一，启动柴油机，并判断所述柴油机的运行工况。具体地，根根据所述柴油机的喷油量及运行参数来判断所述柴油机的运行工况。所述运行工况分别为小负荷工况、中等负荷工况及大负荷工况；所述柴油机处于中等负荷工况时的负荷大于所述柴油机处于小负荷工况时的负荷且小于所述柴油机处于大负荷工况时的负荷。
步骤二，根据得到的运行工况来控制预混合气的当量比、充量状态及活性：
(21)在所述柴油机的活塞运动到排气上止点后，将低活性燃料喷入所述柴油机的进气道，所述低活性燃料与空气形成的混合气进入所述柴油机的燃烧室。
(22)当所述低活性燃料满足对应运行工况所需低活性燃料的当量比后，所述低活性燃料喷射结束；接着，缸内直喷高活性燃料，且当所述高活性燃料满足对应运行工况所需高活性燃料的当量比后，停止喷射所述高活性燃料，所述高活性燃料与所述混合气混合以形成充量状态均质的预混合气。
具体地，根据得到的运行工况，通过控制所述低活性燃料与所述高活性燃料的质量来控制所述预混合气的当量比，通过改变所述高活性燃料主喷与预喷正时来控制燃料分层，通过控制所述低活性燃料与所述高活性燃料的质量之比、并配合EGR来控制所述预混合气的活性，使得所述预混合气的活性与对应的运行工况相匹配。
当所述柴油机处于小负荷工况时，则提高所述预混合气的活性，具体为：增加缸内直喷高活性燃料的量，且将所述高活性燃料预喷正时提前，以增大所述预混合气的均匀性，使得所述预混合气在小负荷工况下的燃烧更为安全。
当所述柴油机处于中等负荷工况时，则相比于小负荷工况时降低所述预混合气的活性，具体为：适当降低缸内直喷高活性燃料的量，以适当推迟所述高活性燃料的预喷正时。
当所述柴油机处于大负荷工况时，则进一步降低所述预混合气的活性，具体为：进一步适当降低缸内直喷高活性燃料的量，以推迟所述高活性燃料的预喷正时，且引入排气再循环(Exhaust Gas Recirculation,EGR)，降低了均匀性，促进燃料分层，以降低燃烧速度。
本实施方式中，缸内直喷高活性燃料是采用多次喷射进行的，以减弱湿壁效应所带来的影响；缸内直喷高活性燃料的量是根据柴油机的实际运行工况进行调控的，使得预混合气的活性与对应的工况相匹配；所述高活性燃料的活性高于所述低活性燃料的活性。
步骤三，当所述活塞运动到压缩上止点附近时，缸内主喷预定质量的所述高活性燃料，此部分高活性燃料被引燃以形成数量可控的微火源，进而所述微火源引燃所述预混合气以控制燃烧始点，由此实现了所述柴油机的双峰放热燃烧。
具体地，当所述活塞运动到压缩上止点附近时，缸内主喷预定质量的所述高活性燃料，称之为主喷，所述预定质量为3mg～5mg，主喷的所述高活性燃料在压缩上止点附近被压燃以形成第一阶段放热，该阶段的放热较少，放热峰值较低且过程较快，以起到“引爆”第二阶段燃烧的作用；所述微火源将缸内的所述预混合气引燃以形成第二阶段放热，该阶段为主放热阶段，放热量大，放热峰值较高，且其放热形态受到充量状态、当量、活性等因素的综合控制；所述柴油机的燃烧仍然以“预混合燃烧”为主，结合较低的燃烧温度，以实现PM和NOx的超低排放控制。
以下以一个实施例来对本发明进行进一步的详细说明。
具体以HPCCI柴油机为例，所述柴油机可以与变速箱装置相匹配，从而将功率和扭矩传输至车辆的驱动***。所述柴油机为具有往复式活塞的四冲程柴油机，其具有进气道燃料喷射***及缸内直喷燃料喷射***。
请参阅图2，所述柴油机运转期间，当所述柴油机的活塞运行到排气上止点后，低活性燃料通过进气道燃油喷器喷入进气道内；当开始进入进气冲程后，进气门被打开，所述低活性燃料与空气形成的混合气进入燃烧室，且随着活塞的下行而充分混合。其中，当所述低活性燃料的量已经满足对应工况所需低活性燃料的燃料量，所述低活性燃料喷射结束。
当所述低活性燃料喷射后，曲轴运动至-70ATDC(即为上止点前70度)～-50ATDC(上止点前曲轴转角)时，高活性燃料通过缸内的喷油器喷入缸内，称之为高活性燃料预喷，与之前的混合气进行混合，同时随着活塞在缸内运行，混合气得到充分混合以得到预混合气。其中，缸内直喷喷油器可以进行多次喷射，当预喷高活性燃料量达到满足对应所需工况所需的高活性燃料的燃料量，预喷高活性燃料结束。
当活塞运动至压缩上止点时(-10ATDC到-5ATDC)，缸内直喷喷油器喷射微量高活性燃料(3mg～5mg)，称之为主喷，此部分高活性燃料浓度较高，在缸内高温高压的情况下被引燃以形成数量可控的微火源201，形成的所述微火源201引燃之前缸内的预混合气，以达到控制燃烧始点的效果。
请参阅图3，图3显示了放热率随曲轴转角的变化，有两个放热峰值，其中301段为第一阶段放热，302段为第二阶段放热。第一阶段放热：在接近压缩上止点时，需要控制预混合气不会在高温高压下自燃，因此需要控制其活性；当接近压缩上止点时，缸内直喷的微量柴油(高活性燃料)，由于局部当量比高且活性大，在高温高压下被引燃以形成微火源201；形成的所述微火源201引燃所述预混合气以形成第二阶段放热。本实施方式中，所述预混合气的充量状态、当量比及活性是可控的，因此预混合气燃烧后的放热速率和放热持续期是可以控制的。
请参阅图4，图4显示了混合气的当量比与辛烷值随曲轴转角的变化。401表示混合气的当量比继续增加，由于缸内直喷高活性燃料，402表示了混合气的辛烷值降低，活性降低。混合气的活性主要由之前所述进气道喷射低活性燃料的量与缸内直喷高活性燃料的量共同决定。403表示低活性燃料从进气道开始喷射，此时为单一活性燃料；404表示高活性燃料开始从缸内喷油器直接喷射，所示的缸内直喷喷射模式，采用二次喷射，而缸内直喷并不局限于只采用二次喷射，在其他实施方式中，所述高活性燃料的喷射的次数可以根据实际需要增加，如可以为3次、4次、5次；405表示当活塞运动至接近压缩上止点时，缸内直喷微量高活性燃料，在气缸的高温高压条件下被引燃以形成微火源，所述微火源引燃之前形成的预混合气，预混合气被引燃后开始充分放热。
本实施方式中，为适应所述柴油机的不同运行工况，需要控制混合气的活性，而混合气的活性通过低活性燃料与高活性燃料的比例来控制。具体地，通过改变喷油脉宽来改变低活性燃料与高活性燃料的量来改变不同燃料的比例。当柴油机处于低负荷工况时，由于缸内温度较低，且混合气较为稀薄，容易导致燃烧效率低，进而产生较高的CO和未燃碳氢，因此需要增加混合气的活性；由于喷油压力一定，单位时间的喷油量是一定的，采用增加缸内直喷燃料喷油器的喷油脉宽，同时减小进气道燃料的喷油器的喷油脉宽，使得低活性燃料所占的比例降低，高活性燃料所占的比例升高，预混合气的整体活性增加，可以使得所述柴油机在低负荷工况下，混合气燃烧更完全，提高了燃烧效率并降低了排放。在大负荷工况时，缸内温度压力较高，由于高活性燃料剧烈燃烧会导致缸内爆发压力过大，因而需要降低混合气的活性，此时减小缸内直喷燃料喷油器的喷油脉宽，同时增加进气道燃料的喷油器的喷油脉宽，使得预混合气的整体活性降低，还可以引入EGR来降低缸内混合气的活性，以适应大负荷工况。
本发明提供的柴油机高预混可控压燃的燃烧控制方法，所述燃烧控制方法采用高预混可控压燃模式，HPCCI为双峰放热燃烧模式。具体地，在曲轴运动到压缩上止点附近时，缸内直喷微量高活性燃料(3mg～5mg)，称为高活性燃料主喷，该部分燃料被压燃以形成数量可控的微火源，以用于引燃之前在缸内混合形成的预混合气，由此达到控制燃烧相位的效果，同时，通过不同比例的双燃料预混、改变喷油正时、引入EGR等来构建充量状态可控、当量比可控、燃油活性可控的均质预混合气；其中微量高活性燃料在压缩上止点附近被压燃以形成第一阶段放热，该阶段放热量少，放热峰值较低且过程较快，其起到了“引爆”第二阶段燃烧的作用；缸内的预混合气被引燃构成了第二阶段放热，该阶段为主放热阶段，放热量大，且放热峰值较高，放热状态受到充量状态、当量、活性等因素的综合控制，如此以“预混合燃烧”为主，结合较低的燃烧温度，实现了PM和NOx的超低排放，提高了燃烧可控性，增强了燃烧鲁棒性，有助于扩宽LTC的工况范围，且改善了柴油机的运行效率。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种柴油机高预混可控压燃的燃烧控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)启动柴油机，并判断所述柴油机的运行工况；
(2)根据得到的运行工况控制预混合气的当量比、充量状态及活性；
(21)在所述柴油机的活塞运动到排气上止点后，将低活性燃料喷入所述柴油机的进气道，所述低活性燃料与空气形成混合气后进入所述柴油机的燃烧室；
(22)当所述低活性燃料满足对应运行工况所需低活性燃料的当量比后，所述低活性燃料喷射结束；接着，缸内直喷高活性燃料，且当所述高活性燃料满足对应运行工况所需高活性燃料的当量比后，停止喷射所述高活性燃料，所述高活性燃料与所述混合气混合以形成充量状态均质的预混合气；
(3)当所述活塞运动到压缩上止点附近时，缸内主喷预定质量的所述高活性燃料，此部分高活性燃料先被引燃以形成数量可控的微火源；之后，所述微火源引燃所述预混合气以控制燃烧始点，由此实现了所述柴油机的双峰放热燃烧。
2.如权利要求1所述的柴油机高预混可控压燃的燃烧控制方法，其特征在于：所述预定质量为3mg～5mg。
3.如权利要求1所述的柴油机高预混可控压燃的燃烧控制方法，其特征在于：缸内直喷高活性燃料是采用多次喷射进行的。
4.如权利要求1-3任一项所述的柴油机高预混可控压燃的燃烧控制方法，其特征在于：根据得到的运行工况，通过控制所述低活性燃料与所述高活性燃料的质量来控制所述预混合气的当量比，通过改变所述高活性燃料主喷与预喷正时来控制燃料分层，通过控制所述低活性燃料与所述高活性燃料的质量之比、并配合EGR来控制所述预混合气的活性，使得所述预混合气的活性与对应的运行工况相匹配。
5.如权利要求1-3任一项所述的柴油机高预混可控压燃的燃烧控制方法，其特征在于：所述运行工况分别为小负荷工况、中等负荷工况及大负荷工况；当所述柴油机处于小负荷工况时，则通过增加缸内直喷高活性燃料的量来提高所述预混合气的活性，且将所述高活性燃料预喷正时提前。
6.如权利要求5所述的柴油机高预混可控压燃的燃烧控制方法，其特征在于：当所述柴油机处于中等负荷工况时，则通过降低缸内直喷高活性燃料的量来降低所述预混合气的活性，且推迟了所述高活性燃料的预喷正时。
7.如权利要求5所述的柴油机高预混可控压燃的燃烧控制方法，其特征在于：当所述柴油机处于大负荷工况时，则通过降低缸内直喷高活性燃料的量来降低预混合气的活性，且进一步推迟了所述高活性燃料的预喷正时。
8.如权利要求1-3任一项所述的柴油机高预混可控压燃的燃烧控制方法，其特征在于：主喷的所述高活性燃料在压缩上止点附近被压燃以形成第一阶段放热；所述微火源将所述预混合气引燃以形成第二阶段放热；所述第一阶段放热的放热峰值小于所述第二阶段放热的放热峰值。
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