CN113047974A - 一种高燃油效率低排放内燃机及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高燃油效率低排放内燃机及控制方法，该内燃机包括：一气缸；一安装于气缸顶部的低压直喷喷射器；一安装于气缸的进气管的进气道喷射器；一监测模块，用于监测内燃机的负荷状态；以及一控制模块，用于获取内燃机的负荷状态并根据该负荷状态控制进气道喷射器以及低压直喷喷射器的喷射时间以及喷射次数。本发明可以灵活的控制燃烧时刻、扩展发动机工作负荷区间、避免高负荷工况下的爆震现象以及避免低负荷工况下的失火现象，其内燃机可以达到接近50％的燃烧效率，以及接近零的碳烟排放和氮氧化物排放。

Description

一种高燃油效率低排放内燃机及控制方法
技术领域
本发明涉及内燃机技术领域，具体涉及一种高燃油效率低排放内燃机及控制方法。
背景技术
传统的内燃机的燃烧方式两种：一种是以汽油车为主要应用的火花塞点燃式发动机，另一种是以柴油车为主要应用的压燃式发动机。由于燃烧原理的不同，点燃式发动机的排放较低，但是由于爆震现象，限制其压缩比不能太高，因而燃油效率较低；而压燃式发动机由于压缩比较高，燃烧效率比较高，比较省油，但是碳烟和氮氧化物排放较高。
发明内容
为了获得既像点燃式发动机那样清洁，又像压燃式发动机那样经济的内燃机，本发明提出一种高燃油效率低排放内燃机及控制方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高燃油效率低排放内燃机，该内燃机包括：
一气缸；
一安装于气缸顶部的低压直喷喷射器；
一安装于气缸的进气管的进气道喷射器；
一监测模块，用于监测内燃机的负荷状态；以及
一控制模块，用于获取内燃机的负荷状态并根据该负荷状态控制进气道喷射器以及低压直喷喷射器的喷射时间以及喷射次数。
优选地，监测模块通过监测节气门开度来判断内燃机的负荷状态。
优选地，内燃机节气门开度在0-30％为低负荷状态，节气门开度在30％-70％为中负荷状态，节气门开度70％-100％为高负荷状态。
优选地，内燃机的压缩比为12-14。
一种高燃油效率低排放内燃机控制方法，该控制方法为：根据该内燃机负荷状态控制进气道喷射器以及低压直喷喷射器的喷射时间以及喷射次数。
优选地，该控制方法包括：
获取内燃机的负荷状态；
根据内燃机所述的运行阶段来控制进气道喷射器以及低压直喷喷射器的喷射时间以及喷射次数。
优选地，在低负荷状态下，采用“单次早喷”的喷射策略，高十六烷值燃料通过低压直喷喷射器5在压缩冲程的前期喷射1次。
优选地，在中负荷状态下，采用“双次喷射”策略，高十六烷值燃料通过低压直喷喷射器在压缩冲程前期进行第一次喷射，在压缩冲程上止点处进行第二次喷射，辅以火花塞点火。
优选地，在高负荷状态下，采用“单次晚喷”的喷射策略，高十六烷值燃料在压缩冲程的上止点处喷射一次，或者只通过火花塞点燃。
优选地，内燃机的压缩比为12-14。
本发明具有的优点和积极效果是：本发明可以灵活的控制燃烧时刻、扩展发动机工作负荷区间、避免高负荷工况下的爆震现象以及避免低负荷工况下的失火现象，其内燃机可以达到接近50％的燃烧效率，以及接近零的碳烟排放和氮氧化物排放。
附图说明
图1是本发明内燃机的结构示意图；
图2是本发明低负荷状态下，采用“单次早喷”的喷射策略的示意图；
图3是本发明中负荷状态下，采用“双次喷射”的喷射策略的示意图；
图4是本发明高负荷状态下，采用“单次晚喷”的喷射策略的示意图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合具体实施例和附图对本发明进行进一步的描述。
本发明提供一种高燃油效率低排放内燃机，如图1所示，该内燃机包括一气缸10，所述气缸10内部设置有往复运动的活塞11，该活塞11连接有一曲轴12，在曲轴12的驱动下往复运动；气缸10至少连接有一进气管13以及以及一出气管14。
其中，在气缸10的顶部安装有低压直喷喷射器(DI)15，该低压直喷喷射器15将燃料引入气缸内部，进气管13上安装有进气道喷射器(PFI)16，该进气道喷射器16将燃料引入进气歧管；低压直喷喷射器15与进气道喷射器16结合使用，以控制内燃机的燃烧方式，从而灵活的控制燃烧时刻、扩展内燃机工作负荷区间、避免高负荷状态下的爆震现象以及避免低负荷状态下的失火现象。
进一步地，在本发明中，进气道喷射器16用于进气歧管内喷射高辛烷值燃料，比如汽油，作为内燃机的主燃料，喷射量为所需燃料能量的90％-98％；低压直喷喷射器15用于向气缸内部喷射高十六烷值燃料，比如柴油、二甲醚(DME)，作为内燃机的引燃燃料，喷射量为所需燃料能量的2％-10％；本发明通过控制进气道喷射器16以及低压直喷喷射器15的喷射时间以及喷射次数，以控制内燃机的燃烧方式。
进一步地，本发明还设置有一监测模块，用于监测内燃机的负荷状态；以及一控制模块，用于获取内燃机的负荷状态并根据该负荷状态控制进气道喷射器16以及低压直喷喷射器15的喷射时间以及喷射次数。
本发明提供一种内燃机的高效燃油方法，根据该负荷状态控制进气道喷射器16以及低压直喷喷射器15的喷射时间以及喷射次数，具体包括：
获取内燃机的负荷状态；
根据内燃机所述的运行阶段来控制进气道喷射器16以及低压直喷喷射器15的喷射时间以及喷射次数。
在本发明一个具体的实施例中，监测模块通过监测节气门开度来判断内燃机的负荷状态，具体，内燃机节气门开度在0-30％定义为低负荷状态，节气门开度在30％-70％定义为中负荷状态，节气门开度70％-100％定义为高负荷状态。
以下将具体阐述不同负荷状下所对应的不同燃烧方式。
1)在低负荷状态下，采用“单次早喷”的喷射策略，即高十六烷值燃料通过低压直喷喷射器15在压缩冲程的前期喷射1次，使油气混合气良好混合，辅以火花塞点火，实现多点可控自燃的燃烧方式，以避免低负荷状态下部分燃烧和失火现象，如图2所示，低压直喷喷射器15具体的喷射时刻80BTDC～70BTDC，喷油脉宽为1～14ms，具体根据内燃机的排量有所不同；火花塞点火时刻为15BTDC～7BTDC；
2)在中负荷状态下，采用“双次喷射”策略，即高十六烷值燃料通过低压直喷喷射器15在压缩冲程前期进行第一次喷射，令油气良好混合，在压缩冲程上止点处进行第二次喷射，辅以火花塞点火，以促进并控制燃烧时刻。这样多次喷射，实现了“混合燃烧”的燃烧方式，即燃烧前期为火焰传播燃烧，后期为多点可控自燃燃烧，这样使燃烧热效率达到最大，尾气排放最少的效果；如图3所示，第一次喷射时刻为70BTDC，喷射脉宽为1.5～14ms，具体取决于不同排量的内燃机以及负荷大小，第二次喷射时刻为45BTDC～23BTDC，喷射脉宽为1～9ms，具体取决于不同排量的内燃机和负荷大小；火花塞点火时刻15BTDC～7BTDC。
3)在高负荷状态下，采用“单次晚喷”的喷射策略，即高十六烷值燃料在压缩冲程的上止点处喷射一次，或者只通过火花塞点燃，引燃油气混合气，实现纯火焰传播燃烧的燃烧方式，以避免高负荷状态下的爆震现象，使内燃机输出最大的功率，同时获得良好的经济性能和排放性能；如图4所示，喷射时刻为18BTDC，喷射脉宽为1-12ms，具体取决于不同排量的内燃机和负荷大小。
使用本发明内燃机可以达到接近零的碳烟排放和氮氧化物排放，以下为现有技术的内燃机与本发明的内燃机的碳烟排放和氮氧化物排放的结果对比，分别见表1至表4。
表1现有技术中，内燃机转速为2000r/min时，IMEPn不同状态下内燃机的NO排放量
IMEPn/bar 2 3 4 5 6
NO<sub>X</sub>/g/KWh 10 12 13.5 15.25 15.35
表2现有技术中，内燃机转速为1500r/min时，IMEPn不同状态下内燃机的NO排放量
IMEPn/bar 2 3 4 5 6
NO<sub>X</sub>/g/KWh 10.75 12.25 14.25 15.25 15.35
表3本发明中，内燃机转速为2000r/min时，IMEPn不同状态下内燃机的NO排放量
IMEPn/bar 2 3 4 5 6
NO<sub>X</sub>/g/KWh 0.01 0 0.01 0 0
表4本发明中，内燃机转速为1500r/min时，IMEPn不同状态下内燃机的NO排放量
IMEPn/bar 2 3 4 5 6
NO<sub>X</sub>/g/KWh 0.01 0.01 0 0 0
由表1至表4可知，本发明内燃机可以达到接近零的碳烟排放和氮氧化物排放，与现有技术相比具有显著进步。
另外，本发明的内燃机可以达到接近甚至超过50％的燃烧效率，在一个具体的实施例中，在转速2000r/min、IMEPn＝7bar时内燃机达到47％的燃烧效率，同等条件下，现有技术的内燃机的燃烧效率是34％。
进一步地，本发明内燃机的压缩比为12-14，优选为13，本发明的内燃机有效压缩比与指示热效率的关系如表5所示。
表5内燃机不同的有效压缩比与指示热效率对应关系
有效压缩比 12.5 13 13.5 14
指示热效率 45.75 47.5 44.85 42.75
如表5所示，内燃机的压缩比为13时，指示热效率最高。
综上，本发明可以灵活的控制燃烧时刻、扩展发动机工作负荷区间、避免高负荷工况下的爆震现象以及避免低负荷工况下的失火现象，其内燃机可以达到接近50％的燃烧效率，以及接近零的碳烟排放和氮氧化物排放。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种高燃油效率低排放内燃机，其特征在于：该内燃机包括：
一气缸(10)；
一安装于气缸(10)顶部的低压直喷喷射器(15)；
一安装于气缸的进气管(13)的进气道喷射器(16)；
一监测模块，用于监测内燃机的负荷状态；以及
一控制模块，用于获取内燃机的负荷状态并根据该负荷状态控制进气道喷射器(16)以及低压直喷喷射器(15)的喷射时间以及喷射次数。
2.根据权利要求1所述的高燃油效率低排放内燃机，其特征在于：监测模块通过监测节气门开度来判断内燃机的负荷状态。
3.根据权利要求2所述的高燃油效率低排放内燃机，其特征在于：内燃机节气门开度在0-30％为低负荷状态，节气门开度在30％-70％为中负荷状态，节气门开度70％-100％为高负荷状态。
4.根据权利要求1所述的高燃油效率低排放内燃机，其特征在于：内燃机的压缩比为12-14。
5.一种如权利要求1至4任意一项所述的高燃油效率低排放内燃机控制方法，其特征在于：该控制方法为：根据该内燃机负荷状态控制进气道喷射器以及低压直喷喷射器的喷射时间以及喷射次数。
6.根据权利要求1所述的高燃油效率低排放内燃机控制方法，其特征在于：该控制方法包括：
获取内燃机的负荷状态；
根据内燃机所述的运行阶段来控制进气道喷射器以及低压直喷喷射器的喷射时间以及喷射次数。
7.根据权利要求5或6所述的高燃油效率低排放内燃机控制方法，其特征在于：在低负荷状态下，采用“单次早喷”的喷射策略，高十六烷值燃料通过低压直喷喷射器5在压缩冲程的前期喷射1次。
8.根据权利要求5或6所述的高燃油效率低排放内燃机控制方法，其特征在于：在中负荷状态下，采用“双次喷射”策略，高十六烷值燃料通过低压直喷喷射器在压缩冲程前期进行第一次喷射，在压缩冲程上止点处进行第二次喷射，辅以火花塞点火。
9.根据权利要求1所述的高燃油效率低排放内燃机控制方法，其特征在于：在高负荷状态下，采用“单次晚喷”的喷射策略，高十六烷值燃料在压缩冲程的上止点处喷射一次，或者只通过火花塞点燃。
10.根据权利要求5或6所述的高燃油效率低排放内燃机控制方法，其特征在于：内燃机的压缩比为12-14。
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