專利名稱：基于缸內(nèi)燃料雙噴射的乘用車發(fā)動機排放控制方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及乘用車發(fā)動機，特別基于缸內(nèi)燃料雙噴射的乘用車發(fā)動機排放控制方 法及裝置。
背景技術：
傳統(tǒng)柴油機的燃燒過程屬于擴散燃燒，由于柴油燃料特性及缸內(nèi)溫度、壓力等條 件決定，柴油噴射后到著火之前所經(jīng)歷的滯燃期很短，造成燃料與空氣混合不充分，因此在 燃燒室內(nèi)產(chǎn)生了局部過濃的區(qū)域和局部高溫的區(qū)域。這種高溫區(qū)和局部過濃區(qū)的存在不 可避免地會帶來氮氧化物N0X和碳煙的生成，并且這兩種排放物之間存在一種此消彼長的 trade-off關系。因此，如何改善NOx和碳煙之間的trade-off關系是柴油機滿足嚴格排放 法規(guī)的一個關鍵技術措施。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種基于缸內(nèi)燃料雙噴射的乘用車發(fā)動機排放控制 方法，改善NOx和碳煙之間的trade-off關系，使柴油機排放滿足嚴格的排放法規(guī)。為達到 上述目的，本發(fā)明采取的技術方案是，基于缸內(nèi)燃料雙噴射，并借助于發(fā)動機電子控制單元 ECU即Electronic Control Unit，實現(xiàn)，并包括以下步驟(1)發(fā)動機的ECU分別讀取安裝在發(fā)動機曲軸上的轉(zhuǎn)速傳感器給出的轉(zhuǎn)速信號和 安裝在油門踏板上的傳感器給出的發(fā)動機負荷信號，并根據(jù)上述發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷信號判 斷發(fā)動機運行在中低負荷、中高負荷還是大負荷工況；(2)如果步驟⑴中的判斷結果為中低負荷工況，則E⑶根據(jù)已經(jīng)標定過的一種高 十六烷值、一種低十六烷值兩種燃料的控制脈譜MAP，控制兩種燃料較早噴射，使在燃燒開 始前兩種燃料都已與空氣形成較為均勻的混合氣，即燃燒過程為均質(zhì)壓燃燃燒過程；在中 低負荷燃料早噴的情況下，兩種燃料均采用單次噴射策略，且兩種燃料的噴射時刻接近，由 于兩個噴射器安裝呈一定的角度相對，其噴孔的軸線相交，因此從兩個噴射器中噴出的燃 料能夠在燃燒室內(nèi)形成碰撞，加速混合并且減少燃料的濕壁現(xiàn)象；隨負荷增大，高十六烷值 燃料的噴射量占總噴射量的比例逐漸減小，并逐漸引入一定的廢氣再循環(huán)EGR即Exhaust Gas Recirculation,以實現(xiàn)適應工況的低排放燃燒控制；(3)如果步驟⑴中的判斷結果為中高負荷工況，則發(fā)動機的ECU根據(jù)標定好的控 制MAP，控制每種燃料的噴射時刻、噴射次數(shù)和噴射量，即對每種燃料都采用多次噴射的噴 射策略，通過兩種不同特性燃料多次噴射參數(shù)的優(yōu)化組合控制，來實現(xiàn)缸內(nèi)混合氣濃度和 燃料成分的可控分層分布，同時根據(jù)工況來控制EGR率，從而實現(xiàn)對缸內(nèi)燃燒過程的合理 組織，大大減少NOx和微粒等有害排放的生成，實現(xiàn)中高負荷工況高效、低排放的分層壓燃 燃燒過程；(4)如果步驟(1)中的判斷結果為大負荷工況，在燃燒方式上采用傳統(tǒng)柴油機的 燃燒方式，并采用兩種燃料的靈活噴射，保證發(fā)動機功率輸出的同時改善排放；
(5)不使用NOx后處理器和顆粒捕集器，只采用柴油機氧化催化劑Diesel Oxidation Catalyst 后處理器，縮寫 DOC。一種缸內(nèi)燃料雙噴射的乘用車發(fā)動機排放控制裝置，基于缸內(nèi)燃料雙噴射對排放 進行控制，發(fā)動機的缸蓋上安裝兩個燃料噴射器，分別連接到兩套獨立的供油管路，用于噴 射兩種不同特性的燃料，兩個燃料噴射器呈一定的角度相對安裝，且其噴孔的軸線相交，兩 個燃料噴射器連接到一個ECU，ECU控制兩個噴射器的噴射次數(shù)，每次噴射脈寬即噴射量和 每次噴射時刻，同時接收轉(zhuǎn)速和油門踏板信號，并根據(jù)上述信號判斷發(fā)動機當前所處的運 行工況。本發(fā)明具備如下技術效果(1)在中低負荷工況下，采用單次噴射策略將燃油較早地噴入缸內(nèi)，實現(xiàn)均質(zhì)壓燃 燃燒方式，并引入一定量的EGR，實現(xiàn)高效、清潔的燃燒；(2)在中高負荷工況下，對每種燃料都采用多次噴射的噴射策略，通過兩種不同 特性燃料多次噴射參數(shù)的優(yōu)化組合控制，來實現(xiàn)缸內(nèi)混合氣濃度和燃料成分的可控分層分 布，同時根據(jù)工況來控制EGR率，從而實現(xiàn)對缸內(nèi)燃燒過程的合理組織，大大減少NOx和碳 煙等有害排放的生成，實現(xiàn)中高負荷工況高效、低排放的分層壓燃燃燒過程；(3)雖然在大負荷工況下燃燒方式上采用傳統(tǒng)柴油機的燃燒方式，但由于采用了 兩種燃料的靈活噴射，因此相對傳統(tǒng)的單燃料柴油機，在混合氣的組織和燃燒控制上也更 為方便，可以改善發(fā)動機的排放；(4)在不使用NOx后處理器和顆粒捕集器，只采用D0C后處理器條件下可以滿足歐 6以后排放法規(guī)的要求。


圖1控制結構示意圖。圖中，1噴油器1;2.噴油器2;3.缸蓋；4.燃燒室；5.噴油 器1軸線；6.噴油器2軸線；噴油器1噴孔軸線；8.噴油器2噴孔軸線。圖2控制原理框圖。圖3發(fā)動機運行過程框圖。
具體實施例方式控制混合氣的濃度和燃料特性分布是實現(xiàn)發(fā)動機高效、低排放的有效手段。通過 采用靈活的燃料特性，結合噴射策略優(yōu)化，EGR控制等措施，可以獲得適當?shù)臏计?，改善?合質(zhì)量和減少局部過濃區(qū)，并根據(jù)工況組織合理的燃燒方式，同時減少NOx和碳煙的生成。缸內(nèi)燃料雙噴射能夠?qū)崿F(xiàn)缸內(nèi)混合氣濃度和燃料特性的實時控制，目前先進的電 控燃油噴射技術為這種控制的實現(xiàn)提供了技術保證。根據(jù)工況特點向發(fā)動機缸內(nèi)噴射兩種 不同性質(zhì)的燃料(不同十六烷值、自燃溫度、飽和蒸汽壓和沸點等)，并對兩種燃料的噴射 策略進行優(yōu)化，結合EGR等控制，能夠控制缸內(nèi)的混合特性、著火特性，從而實現(xiàn)對燃燒過 程的優(yōu)化組織，達到同時降低NOx和碳煙排放的效果。這種雙燃料缸內(nèi)噴射的方法非常適用于乘用車發(fā)動機的排放控制。乘用車發(fā)動 機的常用工況主要分布在50%以下負荷，在這類工況下，一方面通過兩種燃料的控制可以 實現(xiàn)均質(zhì)壓燃HCCI即Homogeneous Charge Compression Ignition等新型高效低排放燃燒方式，不會受到爆震等限制，并且由于低負荷工況空燃比較高，即使引入較多的EGR也不 會明顯影響到碳煙排放；另一方面，在較高負荷工況，可以通過燃料噴射的靈活性，組織有 EGR參與的分層壓燃SCCI即Stratified Charge Compression Ignition燃燒過程，達到降 低排放的目的；而在全負荷的情況下，為了保證發(fā)動機的動力性，在燃燒組織上采用傳統(tǒng)的 壓燃燃燒方式，由于采用了兩種燃料的靈活噴射，因此相對于傳統(tǒng)單燃料的柴油機，在混合 氣的組織和燃燒控制上也更為方便，可以改善發(fā)動機的排放。乘用車發(fā)動機采用這種缸內(nèi)燃料雙噴射的方法在只安裝D0C后處理器的情況下 可以滿足歐6及更為嚴格的排放法規(guī)的要求，大大簡化了對復雜且昂貴的后處理器(如 SCR、DPF等)的要求。本發(fā)明的基于缸內(nèi)燃料雙噴射的乘用車發(fā)動機排放控制方法，包括以下步驟(1)發(fā)動機的ECU分別讀取安裝在發(fā)動機曲軸上的轉(zhuǎn)速傳感器給出的轉(zhuǎn)速信號和 安裝在油門踏板上的傳感器給出的發(fā)動機負荷信號，并根據(jù)上述發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷信號判 斷發(fā)動機運行在中低負荷、中高負荷還是大負荷工況；(2)如果步驟⑴中的判斷結果為中低負荷工況，則E⑶根據(jù)已經(jīng)標定過的兩種燃 料(一種高十六烷值、一種低十六烷值)的控制MAP，控制兩種燃料較早噴射，使在燃燒開始 前兩種燃料都已與空氣形成較為均勻的混合氣，即燃燒過程為均質(zhì)壓燃燃燒過程，從而實 現(xiàn)超低的NOx和碳煙排放；在這種中低負荷燃料早噴的情況下，兩種燃料均采用單次噴射 策略，且兩種燃料的噴射時刻接近，由于兩個噴射器安裝呈一定的角度相對，其噴孔的軸線 相交，因此從兩個噴射器中噴出的燃料能夠在燃燒室內(nèi)形成碰撞，加速混合并且減少燃料 的濕壁現(xiàn)象；隨負荷增大，高十六烷值燃料的噴射量占總噴射量的比例逐漸減小，并逐漸引 入一定的EGR以實現(xiàn)適應工況的低排放燃燒控制；(3)如果步驟⑴中的判斷結果為中高負荷工況，則發(fā)動機的ECU根據(jù)標定好的控 制MAP，控制每種燃料的噴射時刻、噴射次數(shù)和噴射量，即對每種燃料都采用多次噴射的噴 射策略，通過兩種不同特性燃料多次噴射參數(shù)的優(yōu)化組合控制，來實現(xiàn)缸內(nèi)混合氣濃度和 燃料成分的可控分層分布，同時根據(jù)工況來控制EGR率，從而實現(xiàn)對缸內(nèi)燃燒過程的合理 組織，大大減少NOx和碳煙等有害排放的生成，實現(xiàn)中高負荷工況高效、低排放的分層壓燃 燃燒過程；(4)如果步驟(1)中的判斷結果為大負荷工況，這對于乘用車發(fā)動機來說，這類工 況主要是為了滿足功率輸出的需要，不是常用工況。此時為了保證發(fā)動機的動力性，在燃燒 組織上采用傳統(tǒng)的壓燃燃燒方式。雖然在燃燒方式上采用傳統(tǒng)柴油機的燃燒方式，但由于 采用了兩種燃料的靈活噴射，因此相對傳統(tǒng)的單燃料柴油機，在混合氣的組織和燃燒控制 上也更為方便，可以改善發(fā)動機的排放；(5)本方法針對乘用車發(fā)動機常用工況以中低負荷為主的特點，通過缸內(nèi)燃料雙 噴射的靈活控制和EGR技術，在乘用車發(fā)動機的常用工況采用高效、低排放均質(zhì)壓燃、分層 壓燃等燃燒方式，實現(xiàn)發(fā)動機的低排放，在其他工況通過雙燃料燃燒過程的靈活組織，也可 以獲得排放的改善。因此，本方法應用于乘用車發(fā)動機，在不使用NOx后處理器和顆粒捕集 器，只采用D0C后處理器條件下可以滿足歐6以后排放法規(guī)的要求。下面結合附圖和實施例進一步詳細說明本發(fā)明。圖1，2所示為本發(fā)明的一種基于缸內(nèi)燃料雙噴射的乘用車發(fā)動機排放控制方法。
5壓燃式發(fā)動機的缸蓋上安裝兩個燃料噴射器1和2，分別連接到兩套獨立的供油管路，用于 噴射兩種不同特性的燃料(一種高十六烷值燃料和一種低十六烷值燃料)。兩個噴射器呈 一定的角度相對安裝，且其噴孔的軸線7和8相交，因此從兩個噴射器中噴出的燃料能夠在 燃燒室4內(nèi)形成碰撞，即在燃料噴射過程中實現(xiàn)兩種燃料的快速霧化和混合。兩種燃料的 噴射由ECU控制，兩個噴射器的噴射時刻，噴射次數(shù)，每次噴射脈寬(噴射量)和每次噴射 時刻均可以通過ECU進行調(diào)整，并且由于兩種燃料的供給是相互獨立的，因此兩種燃料的 噴射壓力也可以分別控制。在實際應用中，根據(jù)兩種燃料的特性，高十六烷值噴射器1采用 較高的噴油壓力(1000-1800bar)，而低十六烷值噴射器2采用近似或略高于直噴汽油機的 噴射壓力(200-500bar)。因此，通過兩種不同特性燃料的噴射策略優(yōu)化，可以實現(xiàn)對缸內(nèi)混 合氣濃度分布及燃料特性分布的控制，以適應不同工況的燃燒組織對混合氣特性的要求。如圖3所示，在發(fā)動機運行過程中，ECU根據(jù)接收的轉(zhuǎn)速和油門踏板信號(對應發(fā) 動機的負荷)，并根據(jù)上述信號判斷發(fā)動機當前所處的運行工況。如果判斷結果為中低負荷狀態(tài)，則ECU根據(jù)已經(jīng)標定過兩種燃料(一種高十六烷 值、一種低十六烷值)的控制MAP，控制兩種燃料較早噴入缸內(nèi)，在燃燒開始前兩種燃料都 已與空氣形成較為均勻的稀混合氣，即燃燒過程采用均質(zhì)壓燃燃燒過程，整體和局部的當 量比均較小，從而實現(xiàn)超低的NOx和碳煙排放。在這種中低負荷燃料早噴的情況下，兩種燃 料均采用單次噴射的噴油策略即可滿足要求，且兩個噴油器的打開時刻相近，因此從兩個 噴油器噴出的燃油可以在缸內(nèi)形成碰撞而加速混合，并可以減少燃料的濕壁現(xiàn)象。隨負荷 逐漸增大，由于高十六烷值的燃料滯燃期短，當量比升高容易引起碳煙排放的升高，故降低 高十六烷值燃料在總噴射量中所占的比例。由于負荷升高，缸內(nèi)燃燒溫度逐步上升，而)(排 放會隨之升高，此時需要逐漸引入一定量的EGR以降低缸內(nèi)最高燃燒溫度來抑制N0X的生 成，這樣即可實現(xiàn)適應工況的低排放燃燒控制。如果判斷結果為中高負荷工況，則發(fā)動機的ECU根據(jù)標定好的控制MAP，在增加 缸內(nèi)燃油總量的同時進一步降低高十六烷值燃料所占的比例，噴射器2預噴射一定量的低 十六烷值燃料，其余的低十六烷值燃料和高十六烷值燃料在上止點附近噴入缸內(nèi)。在這種 控制策略下，低十六烷值燃料為主要燃料，由于其滯燃期長，燃料與空氣混合較均勻，燃燒 迅速且集中在上止點附近，可以獲得較高的熱效率；由于大大減少了濃混合區(qū)的存在，碳煙 排放可以得到有效控制，并且混合氣在濃度和燃料成分上形成分層，燃燒放熱速度減慢，缸 內(nèi)最高燃燒溫度降低，同時配以合適的EGR率，N0X排放可以得到有效控制。此外，高十六烷 值燃料易于壓燃，在燃燒過程中可以引燃自燃性差的低十六烷值燃料，從而大幅提高燃燒 的穩(wěn)定性。隨著負荷的進一步升高，可以將EGR從較低水平提高到中等水平來實現(xiàn)大幅度 降低N0X的目標。因此，通過兩種不同特性燃料多次噴射噴射參數(shù)的優(yōu)化組合控制，來實現(xiàn) 缸內(nèi)混合氣濃度和燃料成分的可控分層分布，同時根據(jù)工況要求控制EGR率，從而實現(xiàn)對 缸內(nèi)燃燒過程的合理組織，控制燃燒放熱反應速度與燃燒相位，獲得較高的熱效率，同時大 大減少NOx和碳煙等有害排放的生成，實現(xiàn)中高負荷工況高效、低排放的分層壓燃燃燒過 程。如果判斷結果為大負荷工況，對于乘用車發(fā)動機來說，這類工況主要是為了滿足 功率輸出的需要，不是常用工況。此時為了保證發(fā)動機的動力性，ECU將燃燒組織方式由 分層壓燃燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)閭鹘y(tǒng)的柴油機壓燃燃燒方式，將兩種燃料的噴射時刻控制在上止點附近，加大ECU發(fā)送給噴射器1的噴油信號脈寬以增加燃油噴射量，提高發(fā)動機負荷，同時降 低低十六烷值燃料的比例，以高十六烷值燃料為主燃料，利用其燃燒時存在前期低溫放熱 的特性，避免由于低十六烷值燃料預混燃燒放熱速度快所帶來的發(fā)動機工作粗暴問題。雖 然在燃燒方式上采用傳統(tǒng)柴油機的壓燃燃燒方式，但在低十六烷值燃料存在的下，碳煙排 放可以得到一定程度上的控制。因此，相對傳統(tǒng)單燃料的柴油機，在混合氣的組織和燃燒控 制上也更為方便，可以改善發(fā)動機的排放。 本方法針對乘用車發(fā)動機常用工況以中低負荷為主的特點，通過缸內(nèi)燃料雙噴射 的靈活控制與EGR技術相結合，在乘用車發(fā)動機的常用工況采用高效、低排放均質(zhì)壓燃、分 層壓燃等燃燒方式，實現(xiàn)發(fā)動機的低排放，在其他工況通過雙燃料燃燒過程的靈活組織，也 可以獲得排放的改善。因此，本方法應用于乘用車發(fā)動機，可以在不使用NOx后處理器和顆 粒捕集器，只采用D0C后處理器的條件下滿足歐6及更為嚴格的排放法規(guī)的要求。
權利要求
一種缸內(nèi)燃料雙噴射的乘用車發(fā)動機排放控制方法，其特征是，借助于發(fā)動機電子控制單元ECU即Electronic Control Unit實現(xiàn)，并包括以下步驟(1)發(fā)動機的ECU分別讀取安裝在發(fā)動機曲軸上的轉(zhuǎn)速傳感器給出的轉(zhuǎn)速信號和安裝在油門踏板上的傳感器給出的發(fā)動機負荷信號，并根據(jù)上述發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷信號判斷發(fā)動機運行在中低負荷、中高負荷還是大負荷工況；(2)如果步驟(1)中的判斷結果為中低負荷工況，則ECU根據(jù)已經(jīng)標定過的一種高十六烷值、一種低十六烷值兩種燃料的控制脈譜MAP，控制兩種燃料較早噴射，使在燃燒開始前兩種燃料都已與空氣形成較為均勻的混合氣，即燃燒過程為均質(zhì)壓燃燃燒過程；在中低負荷燃料早噴的情況下，兩種燃料均采用單次噴射策略，且兩種燃料的噴射時刻接近，由于兩個噴射器安裝呈一定的角度相對，其噴孔的軸線相交，因此從兩個噴射器中噴出的燃料能夠在燃燒室內(nèi)形成碰撞，加速混合并且減少燃料的濕壁現(xiàn)象；隨負荷增大，高十六烷值燃料的噴射量占總噴射量的比例逐漸減小，并逐漸引入一定的廢氣再循環(huán)EGR即Exhaust Gas Recirculation，以實現(xiàn)適應工況的低排放燃燒控制；(3)如果步驟(1)中的判斷結果為中高負荷工況，則發(fā)動機的ECU根據(jù)標定好的控制MAP，控制每種燃料的噴射時刻、噴射次數(shù)和噴射量，即對每種燃料都采用多次噴射的噴射策略，通過兩種不同特性燃料多次噴射參數(shù)的優(yōu)化組合控制，來實現(xiàn)缸內(nèi)混合氣濃度和燃料成分的可控分層分布，同時根據(jù)工況來控制EGR率，從而實現(xiàn)對缸內(nèi)燃燒過程的合理組織，大大減少NOx和微粒等有害排放的生成，實現(xiàn)中高負荷工況高效、低排放的分層壓燃燃燒過程；(4)如果步驟(1)中的判斷結果為大負荷工況，在燃燒方式上采用傳統(tǒng)柴油機的燃燒方式，并采用兩種燃料的靈活噴射，保證發(fā)動機功率輸出的同時改善排放；(5)不使用NOx后處理器和顆粒捕集器，只采用柴油機氧化催化劑Diesel Oxidation Catalyst后處理器，縮寫DOC。
2.一種缸內(nèi)燃料雙噴射的乘用車發(fā)動機排放控制裝置，其特征是，基于缸內(nèi)燃料雙噴 射對排放進行控制，發(fā)動機的缸蓋上安裝兩個燃料噴射器，分別連接到兩套獨立的供油管 路，用于噴射兩種不同特性的燃料，兩個燃料噴射器呈一定的角度相對安裝，且其噴孔的軸 線相交，兩個燃料噴射器連接到一個ECU，ECU控制兩個噴射器的噴射次數(shù)，每次噴射脈寬 即噴射量和每次噴射時刻，同時接收轉(zhuǎn)速和油門踏板信號，并根據(jù)上述信號判斷發(fā)動機當 前所處的運行工況。
全文摘要
本發(fā)明涉及乘用車發(fā)動機。為改善NOx和碳煙之間的trade-off關系，使柴油機排放滿足嚴格的排放法規(guī)，本發(fā)明采取的技術方案是，基于缸內(nèi)燃料雙噴射的乘用車發(fā)動機排放控制方法及裝置，基于缸內(nèi)燃料雙噴射，并借助于發(fā)動機ECU實現(xiàn)，并包括以下步驟(1)發(fā)動機的ECU分別讀取安裝在發(fā)動機曲軸上的轉(zhuǎn)速傳感器給出的轉(zhuǎn)速信號和安裝在油門踏板上的傳感器給出的發(fā)動機負荷信號；(2)控制兩種燃料較早噴射，使在燃燒開始前兩種燃料都已與空氣形成較為均勻的混合氣；(3)只采用柴油機氧化催化劑Diesel Oxidation Catalyst后處理器，縮寫DOC。本發(fā)明主要應用于改善乘用車發(fā)動機排放。
文檔編號F01N3/28GK101975118SQ20101055020
公開日2011年2月16日 申請日期2010年11月18日 優(yōu)先權日2010年11月18日
發(fā)明者堯命發(fā), 楊彬彬, 鄭尊清 申請人:天津大學